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1、 石油大学信控学院电子信息工程系光光 纤纤 通通 信信（Fiber-Optic Communications）参考书目参考书目:n光纤通信系统光纤通信系统 顾婉仪顾婉仪 李国瑞，北京邮电李国瑞，北京邮电大学出版社大学出版社nFiber-optic Communication System，Govind P.Agrawal 清华大学出版社清华大学出版社n光纤通信光纤通信-原理、设备和网络应用原理、设备和网络应用 方志豪方志豪等等，武汉大学出版社，武汉大学出版社nSDH技术技术 孙学康孙学康 毛京丽毛京丽 人民邮电出版社人民邮电出版社指定教材：指定教材：光纤通信光纤通信 刘增基等刘增基等 西安电子
2、科技大学出版社西安电子科技大学出版社目目 录录第一章第一章 概述概述第二章第二章 光纤和光缆光纤和光缆第三章第三章 光无源器件光无源器件第四章第四章 光源和光发射机光源和光发射机第五章第五章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机第六章第六章 同步数字体系同步数字体系SDHSDH第七章第七章 数字光纤通信系统数字光纤通信系统第八章第八章 光纤通信网络光纤通信网络第一章第一章 概述概述n1.1 1.1 光纤通信的历史和现状光纤通信的历史和现状n1.2 1.2 光纤通信的优点和应用领域光纤通信的优点和应用领域n1.3 1.3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成n1.4 1.4 光纤通信的发
3、展和未来光纤通信的发展和未来n世世界界光光纤纤产产值值从从9696年年9292亿亿美美元元到到20022002年年198198亿亿美美元，每元，每6 6年翻一番年翻一番n现现在在世世界界上上光光纤纤生生产产速速度度为为3200km/3200km/小小时时，即即每每天生产的光纤可绕地球两周天生产的光纤可绕地球两周n目前光纤产量每年递增目前光纤产量每年递增20-25%20-25%n目目前前光光缆缆产产值值按按应应用用分分类类为为：本本地地通通信信51.25%51.25%，LANLAN等等20.82%20.82%，干干线线15.81%15.81%，CATV CATV 8.6%8.6%，其其它它3.5
4、%3.5%光纤将是未来信息高速公路的主干道光纤将是未来信息高速公路的主干道 1 1何谓光纤通信何谓光纤通信 “通信的基本问题就是在一点重新准确地或通信的基本问题就是在一点重新准确地或近似地再现另一点所选择的消息近似地再现另一点所选择的消息”香农香农 通信泛指将信息从一处传到另一处信息从一处传到另一处，传输距离可以是几米直到跨洋越海传输,信息通常被调信息通常被调制到一个载波上，并通过某种介质传输制到一个载波上，并通过某种介质传输.光纤通信光纤通信:用用光波光波作为载波，以作为载波，以光导纤维光导纤维作作为传输介质的一种通信方式。为传输介质的一种通信方式。“总有一天光通信会取代有线和微总有一天光通
5、信会取代有线和微波通信而成为通信主流波通信而成为通信主流”。引引 言言2 2光纤通信的容量光纤通信的容量n香农公式香农公式通信系统的传输容量(capacity)取决于对载波调制的频带宽度，即在某种程度上，载波频率越高，频带越宽，系统容量越大。通信技术发展的历史，实际上是一个不断提高载波频率和增加传输容量的历史。各种传输介质所能承载的载波大小：各种传输介质所能承载的载波大小：铜线铜线1MHz1MHz同轴电缆同轴电缆100MHz100MHz无线电无线电500kHz 500kHz 100MHz 100MHz微波（包括卫星信道）微波（包括卫星信道）100GHz100GHz光纤光纤几百几百THzTHz目
6、前目前,单波长光纤通信系统的传输速率一般为单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5Gb/s2.5Gb/s和和10Gb/s.10Gb/s.采用外调制技术采用外调制技术,传输速率可传输速率可达达40Gb/s.40Gb/s.n传输速率达到传输速率达到2.5G/秒，秒，可通可通3万路万路电话电话；传输速率达到传输速率达到1000G秒，秒，可通可通1200万路万路电话电话如果这些光的波分复用、时分复用还可以更高如果这些光的波分复用、时分复用还可以更高n在在20012001年年OFCOFC会议上，会议上，NECNEC和和AlcatelAlcatel报道他们的报道他们的传输速率分别达到传输速率分别达到10.
7、92Tb/s10.92Tb/s和和10.02Tb/s10.02Tb/s。（。（采采用波分复用技术）用波分复用技术）n这样光纤通信为高速、综合、智能的信息网络打光纤通信为高速、综合、智能的信息网络打下了重要的基础下了重要的基础。也使得现在的传输网络所谓Internet网成为可能，使得地球成为使得地球成为地球村地球村这一概念也成为现实。3 3 光纤通信使用的波长光纤通信使用的波长 n近红外光，频率为几百近红外光，频率为几百THzTHz，常用波长常用波长0.85 0.85 m m、1.31 1.31 m m、1.55 1.55 m m人眼能否看见光纤中的光？答：否。人眼能否看见光纤中的光？答：否。1
8、312/22/20220.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰减（衰减（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波长波长（m）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图普通单模光纤的衰减随波长变化示意图6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段1.1 光纤通信的历史和现状光纤通信的历史和现状一一.探索时期的光通信探索时期的光通信目视光通信目视光通信阶段阶段利用大气来传播可见光，由人眼来接收。利用大气来传播可见光，由人眼来接收。3 3千多年前，中国古代的烽火台千多年前，中国古代的烽火台1650年
9、年，望远镜，望远镜1791年，法国人发明了灯信号和年，法国人发明了灯信号和“灯语灯语欧洲人的旗语欧洲人的旗语信号弹信号弹,交通灯交通灯 新疆呼图壁县境内的烽火台新疆呼图壁县境内的烽火台n中中国国目目前前最最大大的的光光学学望望远远镜镜是是2.16米米。年年将将建建成成“大大天天区区面面积积多多目目标标光光纤纤光光谱谱天天文文望望远远镜镜”，安安放放在在北北京京兴兴隆隆县县燕燕山山山山脉脉中中兴兴隆隆观测站。观测站。n目前世界上最大的望远镜是位于夏威夷的凯克目前世界上最大的望远镜是位于夏威夷的凯克望远镜，直径望远镜，直径10米米,由由36面面1.8米的六角型镜面米的六角型镜面拼合而成，耗资一亿三
10、千万美元拼合而成，耗资一亿三千万美元n光电话通信阶段光电话通信阶段现代光通信的历史，一般都从光电话的发现代光通信的历史，一般都从光电话的发明开始算起。明开始算起。18801880年，美国人贝尔年，美国人贝尔（BellBell）发明了用光波作载波传送话音的发明了用光波作载波传送话音的“光电话光电话”。利用利用太阳光太阳光作光源，用作光源，用硒晶体硒晶体作为光接收器件作为光接收器件，成成功进行了光电话的实验功进行了光电话的实验，传输距离，传输距离200多米。多米。说明：利用光波作为载波传送信息是可行的。说明：利用光波作为载波传送信息是可行的。要解决两个问题要解决两个问题 有稳定的、低损耗的传输媒质
11、有稳定的、低损耗的传输媒质 光在大气中的传送要受到气象条件的很大限制，比如光在大气中的传送要受到气象条件的很大限制，比如在遇到下雨、下雪、阴天、下雾等情况，就会看不远和在遇到下雨、下雪、阴天、下雾等情况，就会看不远和看不清，这叫做大气的能见度降低，使信号传输受到很看不清，这叫做大气的能见度降低，使信号传输受到很大阻碍。大阻碍。高强度的、可靠的光源高强度的、可靠的光源 太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适合作为通信太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适合作为通信的光源。的光源。n光源的探索光源的探索阶段阶段n认识一下激光认识一下激光n激光（激光（LASER）：Light Amplification
12、 by Stimulated Emission of Radiation-受激辐射的光放大。受激辐射的光放大。n和普通光源相比，激光的和普通光源相比，激光的优点优点n单色性好单色性好n相干性高相干性高n方向性强方向性强 频频率率稳稳定定，约约为为300THZTHZ。这这种种光光的的频频率率比比已已经经广广泛泛应应用用的的微微波波（1GHz1GHz40GHz40GHz）的的频频率率高高近近万万倍倍。激激光光来来传传送送信信息息从从理理论论上上来来说说，通通信信的的容容量量可可以以比比微微波波通通信信的容量也大近万倍！的容量也大近万倍！1960年年7月月8日，美国科学家梅曼发明了日，美国科学家梅曼
13、发明了第第一台一台红宝石激光器红宝石激光器(LASER)(LASER)，给光通信带来给光通信带来了新的希望了新的希望，研究研究现代化光通信的时代开始。现代化光通信的时代开始。（在室温下不能连续工作在室温下不能连续工作）1970年，贝尔研究所的林严雄等人研制出年，贝尔研究所的林严雄等人研制出能在室温下连续工作的半导体激光器。能在室温下连续工作的半导体激光器。这种激光器只有米粒大小，尽管最初的激这种激光器只有米粒大小，尽管最初的激光器寿命很短，但它已被认为可以作为光通光器寿命很短，但它已被认为可以作为光通信的光源。信的光源。n第一种方式第一种方式:使激光在大气中传输使激光在大气中传输 通信能力和质
14、量受周围大气环境的影通信能力和质量受周围大气环境的影响很大，响很大，如雨可造成如雨可造成30dB/km30dB/km的损耗，浓的损耗，浓雾衰减可达雾衰减可达120dB/km120dB/km 传输光路的探索传输光路的探索 10dB/km10dB/km的损耗意味着输入的信号传送的损耗意味着输入的信号传送1 1公里后公里后只剩下十分之一只剩下十分之一 20dB/km20dB/km的损耗意味着输入的信号传送的损耗意味着输入的信号传送1 1公里后公里后只剩下百分之一只剩下百分之一 30dB/km30dB/km的损耗意味着输入的信号传送的损耗意味着输入的信号传送1 1公里后公里后只剩下千分之一只剩下千分之
15、一n第二种方式：把光束限制在特定空间第二种方式：把光束限制在特定空间n透镜波导透镜波导：在金属管内每隔一定距离：在金属管内每隔一定距离安装一个透镜，每个透镜把经传输的安装一个透镜，每个透镜把经传输的光束聚到下一个透镜而实现。光束聚到下一个透镜而实现。图图 透镜波导透镜波导反射镜波导：反射镜波导：用与光束传输方向成用与光束传输方向成4545度角度角的两个平行反射镜代替透镜而构成。的两个平行反射镜代替透镜而构成。首先：现场施工中校准和安装十分复杂；首先：现场施工中校准和安装十分复杂；其次：地面活动对波导影响很大其次：地面活动对波导影响很大 必须把波导深埋或选择在人车稀少的地区使用。必须把波导深埋或
16、选择在人车稀少的地区使用。光纤即玻璃纤维（透明度很高的石英玻璃丝）光纤即玻璃纤维（透明度很高的石英玻璃丝），人们用它制造了医疗上用的内窥镜，如做成，人们用它制造了医疗上用的内窥镜，如做成胃镜，可以观察到距离体内胃镜，可以观察到距离体内1 1米左右的情况。但米左右的情况。但是它的衰减损耗特别大，只能传输很短的距离。是它的衰减损耗特别大，只能传输很短的距离。直到直到2020世纪世纪6060年代，最好的光纤的损耗仍在年代，最好的光纤的损耗仍在1000dB/km1000dB/km以上。这是不能用于通信的。以上。这是不能用于通信的。二现代光纤通信二现代光纤通信 （以下不必记）（以下不必记）光纤的发展光纤
17、的发展1966年年7月，英籍华裔学者月，英籍华裔学者高锟高锟大胆预言：只要大胆预言：只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从的损耗从1000dB/km降低到降低到20dB/km，甚至更低，甚至更低，从而可以用于通信。从而可以用于通信。2612/22/2022光纤通信发明家光纤通信发明家高锟高锟(左左)1998年在英国接受奖章年在英国接受奖章 1970年美国康宁公司年美国康宁公司用高纯石英生产用高纯石英生产出世出世界上第一根界上第一根低损耗光纤（低损耗光纤（20dB/km），开创开创了光纤通信的新篇章。了光纤通信的新篇章。1970年被称为光纤通
18、信元年。年被称为光纤通信元年。1972年，康宁公司年，康宁公司 4dB/km1973年，美国年，美国Bell实验室实验室 2.5dB/km1974年，美国年，美国Bell实验室实验室 1.1dB/km1979年，年，0.2dB/km1984年，年，0.157dB/km1986年，年，0.154dB/km 接近了光纤最低损接近了光纤最低损耗的理论极限耗的理论极限光纤通信发展的几个阶段光纤通信发展的几个阶段n 1973年年1976年的第一代光纤通信系统年的第一代光纤通信系统。其特征是：其特征是：采用采用0.85 m短波长多模光纤短波长多模光纤，光纤损耗为光纤损耗为2.53dB/km,传输速率为传输
19、速率为50100Mbit/s，中继距离为中继距离为810km，于于1977年进入现场试用，年进入现场试用，80年代初陆续在年代初陆续在世界先进国家推广应用，多用作市话局间中世界先进国家推广应用，多用作市话局间中继线路使用。继线路使用。1976年年1982年的第二代光纤通信系统。年的第二代光纤通信系统。其特征是：其特征是：采用采用1.31 m长波长多模或单长波长多模或单模光纤，光纤损耗为模光纤，光纤损耗为0.551dB/km，传传输速率为输速率为140Mbit/s，中继距离为中继距离为2050km，于于1982年开始陆继投入使用，年开始陆继投入使用，一般用于中、短距离的长途通信线路，也一般用于中
20、、短距离的长途通信线路，也用作大城市市话局间中继线，以实现无中用作大城市市话局间中继线，以实现无中继传输继传输。n1982年年1988年的第三代光纤通信系统。年的第三代光纤通信系统。其特征是：其特征是：采用采用1.31 m长波长单模光长波长单模光纤，光纤损耗降至纤，光纤损耗降至0.30.5dB/km，实用实用化、大规模应用，传输信号为准同步数字化、大规模应用，传输信号为准同步数字系列（系列（PDH）的各次群路信号，中继距离的各次群路信号，中继距离为为50100km，于于1983年以后陆续投入年以后陆续投入使用，主要用于长途干线和海底通信，是使用，主要用于长途干线和海底通信，是光纤通信重点推广应
21、用阶段。光纤通信重点推广应用阶段。n19881996年的第四代光纤通信系统。年的第四代光纤通信系统。其特征是：其特征是：开始采用开始采用1.55 m波长窗口的波长窗口的光纤，光纤损耗进一步降至光纤，光纤损耗进一步降至0.2dB/km，应用中主要用于建设同步数字系列应用中主要用于建设同步数字系列（SDH）同步传送网络，同步传送网络，传输速率达传输速率达2.5Gbit/s，中继距离为中继距离为80120km，并并开始采用掺铒光纤放大器开始采用掺铒光纤放大器（EDFA）和波和波分复用分复用（WDM）器等新型器件。器等新型器件。n1996年年今的第五代光纤通信系统。今的第五代光纤通信系统。其特征是：采
22、用其特征是：采用密集波分复用（密集波分复用（DWDM）技术的技术的全光网络开发与应用，充分利用光纤低损耗波段潜全光网络开发与应用，充分利用光纤低损耗波段潜在容量实现传输系统的急剧扩容，采用在容量实现传输系统的急剧扩容，采用DWDM技技术不仅仅是带来巨大容量方面的好处，可以预计，术不仅仅是带来巨大容量方面的好处，可以预计，随着随着DWDM技术的推广应用，将会对现行的光纤技术的推广应用，将会对现行的光纤网络带来深刻的变革，最终会成为全光网络网络带来深刻的变革，最终会成为全光网络（AON）的基石。的基石。因此，因此，电信界又将电信界又将1997年称为年称为WDM年。年。我国光纤通信的发展我国光纤通信
23、的发展 1961年年9月月由由中中国国科科学学院院长长春春光光学学精精密密机机械械研研究究所所研研制制成成功功中中国国第第一一台台红红宝宝石激光器。石激光器。70年代中期研制出低损耗光纤和室温年代中期研制出低损耗光纤和室温下可连续发光的半导体激光器。下可连续发光的半导体激光器。1979年分别在北京和上海建成了市话年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验系统。光缆通信试验系统。“八五八五”期间，建成了含期间，建成了含2222条光缆干线、总长达条光缆干线、总长达3.33.3万公里的万公里的“八横八纵八横八纵”大容量光纤通信干线传大容量光纤通信干线传输网（输网（SDHSDH）。）。19991999年
24、年1 1月，我国第一条最高传输速率的国家一级月，我国第一条最高传输速率的国家一级干线（济南干线（济南青岛）青岛）82.82.5Gbit/s密集波分复密集波分复用（用（DWDMDWDM）系统建成系统建成。1.2 光纤通信的优点和应用领域光纤通信的优点和应用领域 传输频带宽，通信容量大传输频带宽，通信容量大 9090年代，光纤的传输速率已经达到了每秒年代，光纤的传输速率已经达到了每秒T T比特级（比特级（10101212），），1Tb/s1Tb/s的速率意味着我们可以用一对只有头发丝粗细的光纤在的速率意味着我们可以用一对只有头发丝粗细的光纤在1 1秒钟之内将秒钟之内将300300年的泰晤士报传送到
25、世界上任何一个角落，或者年的泰晤士报传送到世界上任何一个角落，或者同时传送同时传送1010万路电视节目，或同时通万路电视节目，或同时通12001200万路电话。万路电话。但在通信中，信道的带宽和信道的容量遵循相农公式但在通信中，信道的带宽和信道的容量遵循相农公式 由于任何信道都无法避免地会有各种噪声，而信号的功率也不由于任何信道都无法避免地会有各种噪声，而信号的功率也不可能太高，所以信道的容量不可能达到无穷。可能太高，所以信道的容量不可能达到无穷。一一.光纤通信的优点光纤通信的优点n损耗低，可大大增大无中继传输距离，损耗低，可大大增大无中继传输距离，这对长途干线通信十分有利这对长途干线通信十分
26、有利 减少长距离通信的中继站，最主要的方法是减少长距离通信的中继站，最主要的方法是减少传输线路的损耗减少传输线路的损耗。光纤的损耗：在光波长为光纤的损耗：在光波长为1.31u um附近，传输附近，传输损耗为损耗为0.5dB/km；在光波长为在光波长为1.55u um附近附近损耗已达损耗已达0.2dB/km,甚至更低。（光传送甚至更低。（光传送1515公里，其强度还有原来的一半。）公里，其强度还有原来的一半。）单模光纤最大中继距离可达上百公里，如果再单模光纤最大中继距离可达上百公里，如果再加上光纤放大器，则可以直通上万公里而不需要加上光纤放大器，则可以直通上万公里而不需要再生中继。再生中继。n抗
27、抗电电磁磁干干扰扰能能力力强强，光光纤纤之之间间也也不不易易引引起起串串音音与与干干扰扰，故故可可用用于于强强电电磁磁环环境境下下的的通通信。信。光光纤纤是是石石英英介介质质材材料料构构成成的的，它它是是绝绝缘缘体，不怕雷电和高压，不受电磁干扰；体，不怕雷电和高压，不受电磁干扰；光光纤纤中中传传输输的的是是频频率率很很高高的的光光波波，而而各各种种干干扰扰的的频频率率一一般般都都比比较较低低，所所以以它它不不能干扰频率比它高的多的光波。能干扰频率比它高的多的光波。n光缆重量轻，体积小，便于敷设和运输光缆重量轻，体积小，便于敷设和运输 相同话路的光缆要比电缆轻相同话路的光缆要比电缆轻90%95%
28、(光缆重量仅为光缆重量仅为电缆重量的十分之一到二十分之一电缆重量的十分之一到二十分之一)，而直径不到电缆的，而直径不到电缆的五分之一。五分之一。通通2万万1千话路的千话路的900对双绞线，其直径为对双绞线，其直径为3英寸，重英寸，重量为量为8 吨吨/公里；通讯量为其十倍的光缆，直径仅公里；通讯量为其十倍的光缆，直径仅0.5英寸，英寸，重量仅重量仅450磅磅/公里。公里。军事，航空，宇宙飞船军事，航空，宇宙飞船 美国在军用飞机上用光纤代替电缆，在美国在军用飞机上用光纤代替电缆，在A7飞机上，重飞机上，重量减轻了量减轻了12.25公斤，节省了约公斤，节省了约27万美元万美元n材料丰富，成本低材料丰
29、富，成本低 SiOSiO2 2，就是随处可见的沙子，而且就是随处可见的沙子，而且1 1公斤高存度的石英玻璃可以制成上万公公斤高存度的石英玻璃可以制成上万公里的光纤，而制造里的光纤，而制造1 1公里公里1818管的同轴电缆管的同轴电缆需需120120公斤的铜，或公斤的铜，或500500公斤的铝。公斤的铝。缺点缺点：光纤质地脆、机械强度低、需要比较好光纤质地脆、机械强度低、需要比较好的切割及连接技术，分路、耦合比较麻烦的切割及连接技术，分路、耦合比较麻烦。二二.光纤通信的应用光纤通信的应用1、通信网、通信网n全球通信网：全球通信网：n横跨大西洋和太平洋的海底光缆横跨大西洋和太平洋的海底光缆n跨越欧
30、亚大陆的洲际光缆干线跨越欧亚大陆的洲际光缆干线n各国的公共电信网：各国的公共电信网：我国的国家一级干线、各省二级我国的国家一级干线、各省二级干线、县以下支线干线、县以下支线n各种专用通信网：各种专用通信网：电力、铁道、国防等电力、铁道、国防等n特殊通信手段：特殊通信手段：石化、煤矿、飞机、潜艇、导弹等石化、煤矿、飞机、潜艇、导弹等2、构成因特网的计算机局域网和广域网、构成因特网的计算机局域网和广域网:光纤以太网光纤以太网,路由器间的光纤高速传输链路路由器间的光纤高速传输链路3、有线电视的干线和分配网、有线电视的干线和分配网4、综合业务光纤接入网、综合业务光纤接入网 :有源接入网和无源接入网有源
31、接入网和无源接入网 1.3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成一一.系统模型系统模型 光纤通信系统主要由四部分组成：光纤通信系统主要由四部分组成：光发射机、光发射机、光中继器、光接收机、传输光缆光中继器、光接收机、传输光缆组成。组成。光纤线路光纤线路 信信 息息 源源电电发发射射机机光光发发射射机机光光接接收收机机电电接接收收机机 信信 息息 宿宿发发 射射接接 受受电信号输入电信号输入光信号输出光信号输出光信号输入光信号输入电信号输出电信号输出图图 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成基本光纤传输系统基本光纤传输系统n信信息息源源：把把用用户户信信息息转转换换为为原原始始电
32、电信信号号，即即基基带带信号。信号。对对于于数数字字电电话话传传输输系系统统，电电话话机机把把语语音音转转换换为为频频率范围为率范围为3003003400HZ3400HZ的模拟基带信号的模拟基带信号。n电电发发射射机机：把把模模拟拟基基带带信信号号转转换换为为数数字字信信号号（A/D变变换换），完完成成脉脉冲冲编编码码（PCM）。并并按按照照时时分分复复用用的的方方式式把把多多路路信信号号复复接接，合合群群，输输出出高高比特率的数字信号。比特率的数字信号。n 数数字字电电话话传传输输系系统统，就就是是把把模模拟拟信信号号转转换换为为数数字字信信号号，完完成成脉脉冲冲编编码码（PCMPCM）方方
33、式式，将将一一路路话话音音转转换换为为64Kb/s64Kb/s的的数数字字信信号号。然然后后用用数数字字复复接接机机按按时时分分复复用用把把2424路路或或3030路路PCMPCM信信号号组组合合成成1.544Mb/s1.544Mb/s或或2.048Mb/s2.048Mb/s的的一一次次群群或或高高次次群群的的数数字字系系列列,输输入入光发射机。光发射机。4312/22/2022 基本光纤传输系统的三个组成部分基本光纤传输系统的三个组成部分1 1 1 1、光发送机、光发送机、光发送机、光发送机基本功能：把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把信号最大限度地基本功能：把输入电信号转换为光信号，并
34、用耦合技术把信号最大限度地注入光纤线路。注入光纤线路。组成框图：组成框图：组成框图：组成框图：光光 源源调制器调制器通道耦合器通道耦合器电信号输入电信号输入光输出光输出驱动电路驱动电路结构参数：结构参数：结构参数：结构参数：发送功率，发送功率，dbmdbm概念概念光源光谱特性光源光谱特性光源光谱特性光源光谱特性：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，和光束发散角尽可能小，输出功率和波
35、长稳定，和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长器件寿命长器件寿命长器件寿命长4412/22/2022电信号对光的调制的实现方式电信号对光的调制的实现方式 直接调制直接调制 用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。外调制外调制 把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。4512/22/2022 图 1.5两种调制方案(a)直接调制；(b)间接调
36、制(外调制)4612/22/2022 2.光纤线路光纤线路 功功功功能能能能：是是把把来来自自光光发发射射机机的的光光信信号号，以以尽尽可可能能小小的的畸畸变变(失失真真)和衰减传输到光接收机和衰减传输到光接收机 组成组成组成组成:光纤光纤、光纤接头光纤接头和光纤连接器光纤连接器 低低低低损损损损耗耗耗耗 “窗窗窗窗口口口口”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85 m、1.31 m和1.55 m有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。光光光光源源源源激激光光器器的的发发射射波波长长和光光光光检检检检测测测测器器器器光光电电二二极极管管的的波波长长响响应应
37、，都要和光纤这三个波长窗口窗口相一致。目前在实验室条件下，1.55 m的损耗已达到0.154 dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。4712/22/20220.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰减（衰减（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波长波长（m）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图普通单模光纤的衰减随波长变化示意图6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段4812/22/20223 3 3 3、光接收机、光接收机、光接收机、光接收机功能：功能：功能：功能：是把从光纤线路输
38、出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号并经放大和处理后恢复成发射前的电信号组成部分：组成部分：组成部分：组成部分：耦合器，光电检测器，解调器耦合器，光电检测器，解调器组成框图：组成框图：组成框图：组成框图：电子电路电子电路光输入光输入耦合器耦合器光电检测器光电检测器解调器解调器电信号输出电信号输出结构参数：结构参数：结构参数：结构参数：接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度，定为，定为BER10BER10-9-9条件下，所要条件下，所要 求的最小平无接收功率。求的最小平无接收功率。检
39、测方式：检测方式：检测方式：检测方式：直接检测直接检测直接检测直接检测和和外差检测外差检测外差检测外差检测基本光纤传输系统基本光纤传输系统:n电电接接收收机机：与与电电发发射射机机的的作作用用相相反反，将将接接收收的电信号还原为基带信号。的电信号还原为基带信号。n信息宿：信息宿：将基带信号恢复为用户信息。将基带信号恢复为用户信息。电电 光光 电电二二.光纤通信系统的分类光纤通信系统的分类1、按光波长划分按光波长划分 类别类别特点特点短波长光纤通信系统短波长光纤通信系统工作波长：工作波长：0.80.9 m；中继距离中继距离100km 超长波长光纤通信系统超长波长光纤通信系统 工作波长：工作波长：
40、2 m；中继距离：中继距离：1000km；采用非石英光纤采用非石英光纤 2、按传输信号形式划分按传输信号形式划分3、按光纤特点分、按光纤特点分类别类别特点特点多模光纤通信系统多模光纤通信系统传输容量：传输容量：100Mbit/s；单模光纤通信系统单模光纤通信系统传输容量：传输容量：140Mbit/s；类别类别特点特点数字光纤通信系统数字光纤通信系统 传输信号：数字；抗干扰；传输信号：数字；抗干扰；模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统传输信号；模拟；短距离；传输信号；模拟；短距离；4、其它类别类别特点特点相干光纤通信系相干光纤通信系统统 光接收灵敏度高光接收灵敏度高;光频率选择性好光频率选择性好;设
41、备设备复杂复杂 光波分复用系统光波分复用系统一根光纤中传送多个单一根光纤中传送多个单/双向波长；超大双向波长；超大容量，经济效益好容量，经济效益好光频分复用系统光频分复用系统可大大增加复用光信道；各信道间干扰可大大增加复用光信道；各信道间干扰小；实现技术复杂小；实现技术复杂光时分复用系统光时分复用系统可实现超高速传输；技术先进可实现超高速传输；技术先进 全光通信系统全光通信系统传送过程无光电变换；具有光交换功能；传送过程无光电变换；具有光交换功能；通信质量高通信质量高 副副载波复用光纤载波复用光纤通信系统通信系统数模混传；频带宽，成本低；对光源线数模混传；频带宽，成本低；对光源线性度要求高性度
42、要求高 光孤子通信系统光孤子通信系统传输速率高，中继距离长；设计复杂传输速率高，中继距离长；设计复杂 Thank you!复习题复习题 n说明光纤通信的主要优点。说明光纤通信的主要优点。n光纤通信系统由哪几部分组成光纤通信系统由哪几部分组成?简述各部简述各部分作用分作用?复习题复习题n说明光纤通信的主要优点。n光纤通信系统由哪几部分组成?简述各部分作用?1.4 光纤通信的发展和未来光纤通信的发展和未来 一一.现代光纤通信技术的发展趋势现代光纤通信技术的发展趋势 1、向超高速系统的发展向超高速系统的发展 :10Gb/s 40Gb/s:10Gb/s 40Gb/s2 2、向超大容量向超大容量WDMW
43、DM系统的演进系统的演进3 3、网络化网络化:以以SDH传送网和光纤接入网的发展为典型传送网和光纤接入网的发展为典型代表。代表。SDH是一种以联网为基本特征的新型传送体制，它将复是一种以联网为基本特征的新型传送体制，它将复接、传送及交换功能融为一体并由统一网管进行自动化、智接、传送及交换功能融为一体并由统一网管进行自动化、智能化网络管理，使得遍及全球的光纤网络可以构建成统一的能化网络管理，使得遍及全球的光纤网络可以构建成统一的综合信息传送网络平台。这也是综合信息传送网络平台。这也是SDH得以广泛应用的重要原得以广泛应用的重要原因之一。因之一。光纤接入网作为电信网的一部分，使得光纤直接面向用户，
44、光纤接入网作为电信网的一部分，使得光纤直接面向用户，告别了传统铜线接入的诸多限制，通过光纤到家庭、光纤到告别了传统铜线接入的诸多限制，通过光纤到家庭、光纤到路边、光纤到大楼等多种组网手段，将光纤网络直接延伸到路边、光纤到大楼等多种组网手段，将光纤网络直接延伸到用户端，保证宽带综合业务畅通无阻地进入信息高速公路。用户端，保证宽带综合业务畅通无阻地进入信息高速公路。4、IP over SDHIP over SDH与与IP over OpticalIP over Optical业业界流行两个短界流行两个短语语nEverything on IP:Everything on IP:通通过统过统一的一的I
45、PIP层层屏蔽各种物理网屏蔽各种物理网络络技技术术（如（如X.25X.25、DDNDDN、以太网、令牌以太网、令牌环环、帧帧中中继继、ATMATM、SDHSDH、WDMWDM）的差异性的差异性实现实现异种网互异种网互联联。nIP over everything:IP over everything:这里的这里的“everything”everything”是指所有是指所有业务业务，包括数据、，包括数据、图图像和像和话话音，音，实时实时的的和非和非实时实时的的 nIP over ATMIP over ATMnIP over SDHIP over SDHnIP over WDMIP over WD
46、Mn(1)IP over ATM(1)IP over ATM IP over ATM IP over ATM的基本原理和工作方式：的基本原理和工作方式：将将IPIP数数据据包包在在ATMATM层层全全部部封封装装为为ATMATM信信元元，以以ATMATM信元形式在信道中传输。信元形式在信道中传输。当当网网络络中中的的交交换换机机接接收收到到一一个个IPIP数数据据包包时时，它它首首先先根根据据IPIP数数据据包包的的IPIP地地址址通通过过某某种种机机制制进进行行路路由由地址处理，按路由转发。地址处理，按路由转发。随随后后，按按已已计计算算的的路路由由在在ATMATM网网上上建建立立虚虚电电路
47、路（VCVC）。以以后后的的TPTP数数据据包包将将在在此此虚虚电电路路VCVC上上以以直直通通（CutCut一一ThroughThrough）方方式式传传输输而而下下再再经经过过路路由由器器，从从而而有有效效地地解解决决了了IPIP的的路路由由器器的的瓶瓶颈颈问问题题，并并将将IPIP包包的转发速度提高到交换速度。的转发速度提高到交换速度。优点：优点：（1 1）由由于于ATMATM技技术术本本身身能能提提供供QoSQoS保保证证，因因此此可可利利用用此此特特点点提高提高IPIP业务的服务质量。业务的服务质量。（2 2）具具有有良良好好的的流流量量控控制制均均衡衡能能力力以以及及故故障障恢恢复
48、复能能力力，网网络可靠性高。络可靠性高。（3 3）适应于多业务，具有良好的网络可扩展能力。）适应于多业务，具有良好的网络可扩展能力。（4 4）对其它几种网络协议能提供支持。）对其它几种网络协议能提供支持。缺点缺点 （1 1）目前：）目前：IP over ATMIP over ATM还不能提供完全的还不能提供完全的QoSQoS保证。保证。（2 2）对对IPIP路路由由的的支支持持一一般般，IPIP数数据据包包分分割割加加入入大大量量头头信信息息，造成很大的带宽浪费（造成很大的带宽浪费（20203030）。）。（3 3）在复制多路广播方面缺乏高效率。）在复制多路广播方面缺乏高效率。（4 4）由于）
49、由于ATMATM本身技术复杂，导致管理复杂。本身技术复杂，导致管理复杂。(2)IP over SDH(2)IP over SDH IP Over SDH IP Over SDH以以SDHSDH网络作为网络作为IPIP数据网络的物理数据网络的物理传输网络。传输网络。它使用链路及它使用链路及PPPPPP协议对协议对IPIP数据包进行封装，数据包进行封装，把把IPIP分组根据分组根据RFC1662RFC1662规范简单地插入到规范简单地插入到PPPPPP帧中帧中的信息段。的信息段。然后再然后再由由SDHSDH通道层的业务适配器把封装后的通道层的业务适配器把封装后的IPIP数据包映射到数据包映射到SD
50、HSDH的同步净荷中，然后向下，经的同步净荷中，然后向下，经过过SDHSDH传输层和段层，加上相应的开销，把净荷装传输层和段层，加上相应的开销，把净荷装入一个入一个SDHSDH帧中，最后到达光层，在光纤中传输。帧中，最后到达光层，在光纤中传输。优点：优点：（1 1）对对IPIP路路由由的的支支持持能能力力强强，具具有有很很高高的的IPIP传传输输效效率。率。（2 2）符符合合InternetInternet业业务务的的特特点点，如如有有利利于于实实施施多多路路广播方式。广播方式。（3 3）网络的稳定性高。）网络的稳定性高。（4 4）省省略略了了不不必必要要的的ATMATM层层，简简化化了了网网