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1、光光纤通信原理通信原理 刘显文刘显文 重庆普天普科通信技术有限公司重庆普天普科通信技术有限公司通信是人的基本需求之一。通信是人的基本需求之一。人类的发展经历了农业文明和工业文明，人类的发展经历了农业文明和工业文明，现在已进入信息文明时代。现在已进入信息文明时代。通信通信-信息传递与交流信息传递与交流。（按照达成的按照达成的协议，信息在人、地点、，信息在人、地点、进程和机程和机器之器之间进行的行的传送送。）。）电通信（通信（electrical communication）广广义的的电通信指的是一切通信指的是一切运用运用电波作波作为载体而体而传送信送信息息的所有通信方式的的所有通信方式的总称，而
2、不管称，而不管传输所使用的介所使用的介质是什么。是什么。电通信又可分通信又可分为有有线电通信通信和和无无线电通信通信。光通信（光通信（optical communication）广广义的光通信指的是一切的光通信指的是一切运用光波作运用光波作为载体而体而传送信送信息的所有通信方式息的所有通信方式的的总称，而不管称，而不管传输所使用的介所使用的介质是什么。是什么。光通信也可以分光通信也可以分为利用大气利用大气进行通信的行通信的无无线光通信光通信和和利用石英光利用石英光纤或塑料光或塑料光纤进行通信的行通信的有有线光通信光通信。通通 信信 光光 通通 信信 光光 纤纤 通通 信信第一章：光纤通信概论第
3、一章：光纤通信概论光通信光通信-以光以光作作为为信息载体信息载体的通信的通信方式方式。光纤通信光纤通信-以光作为信息载体，以光纤作以光作为信息载体，以光纤作 为传输媒质的通信方式。为传输媒质的通信方式。光通信网络光通信网络-由光传输、光交换以及光终由光传输、光交换以及光终 端设备组成的智能网络。端设备组成的智能网络。什么是通信？什么是通信？“通通”传送传送，“信信”信息信息；信息的传送；信息的传送基本组成：发送、传输、接收基本组成：发送、传输、接收n n什么是光纤通信？什么是光纤通信？n n利用激光作为利用激光作为信息信息的载波信号，并通过的载波信号，并通过 光纤来光纤来传送信息传送信息的通信
4、系统。的通信系统。光纤通信是人类历史上光纤通信是人类历史上的重大突破，现今的光纤通信的重大突破，现今的光纤通信已成为信息社会的神经系统已成为信息社会的神经系统 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息信息指用户要求传送信息指用户要求传送的语音、图像、数据的语音、图
5、像、数据以及它们的各种组合以及它们的各种组合用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户终端用户终端交换设备交换设备接入网接入网电复接设备电复接设备传输系统传输系统 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息光纤通信经过光纤通信经过光纤通信经过光纤通信经过4040年的技年的技年的技年的技术发展目前正在淘
6、汰着术发展目前正在淘汰着术发展目前正在淘汰着术发展目前正在淘汰着其他的有线通信方式其他的有线通信方式其他的有线通信方式其他的有线通信方式电磁磁频谱：电磁波的波磁波的波长范范围光波是电磁波，光波范围光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300m6103m。光是一种电磁波可见光350nm750nm光光纤通信所用的波通信所用的波长(石英光石英光纤)8001600nm光的反射、折射全反射通信波段划分及相应传输媒介通信波段划分及相应传输媒介频率率 Hz1011071021061031051041041051031061021071011
7、0810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空自由空间波波长（m）电力、力、电话无无线电、电视微波微波红外外可可见光光双双铰线同同轴电缆光光纤卫星星/微波微波AM无无线电FM无无线电频段频段划分划分传传输输介介质质光纤损耗谱特性及单模光纤的带宽资源第三传输窗口第三传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第一传输窗口第一传输窗口1300130015501550850850紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散射0.20.22.52.5损损 耗耗 (dB/km)(dB/km)波波 长长 (nm)(nm)OHOH离子吸收峰离子吸
8、收峰光纤带宽：光纤带宽：1300nm1300nm窗口约窗口约100nm100nm，1550nm1550nm窗口约窗口约100nm100nm，共共200nm200nm，约，约30THz30THz1、发展展2、特点、特点3、构成、构成4、分、分类5、新技、新技术光光 纤 通通 信信 的的 发 展展光光(纤纤)通信的发展简史通信的发展简史:1880年年，贝尔发明了利用太阳光作明了利用太阳光作为光源光源的通的通话装置，光波在大气中装置，光波在大气中传输，通，通话距距离达离达213米米。后来改用孤光灯作。后来改用孤光灯作为光源，延光源，延长通信距离。但光源在大气中通信距离。但光源在大气中传输受到雨、受到
9、雨、雾、烟和、烟和尘土的阻抗或减弱，通信很不土的阻抗或减弱，通信很不稳定，定，应用上受到很大的限制。用上受到很大的限制。贝尔光电话贝尔光电话1966年年,高高锟等人提示了等人提示了实现低衰耗光低衰耗光导纤维的可的可能性。能性。1970年年，美国研制出衰耗，美国研制出衰耗为20分分贝/公里公里的石英光的石英光纤和体和体积很小的很小的半半导体激光器体激光器。此后，光。此后，光纤及激及激光器等部件的光器等部件的质量逐年迅速提高，因而以半量逐年迅速提高，因而以半导体体激光器作激光器作为光源，以石英光光源，以石英光纤作作为光的光的传输媒介，媒介，以半以半导体光体光电二极管作二极管作为接收器件的光源通信系
10、接收器件的光源通信系统迅速迅速发展起来。展起来。(光光纤通信元年）通信元年）1976年年，美国，美国贝尔实验室在室在亚特特兰大到大到华盛盛顿间建立了世界第一条建立了世界第一条实用化的光用化的光纤通信通信线路，速率路，速率为45Mb/s，采用的是多模光，采用的是多模光纤，光源用的是，光源用的是发光光管管LED，波，波长是是0.85微米的微米的红外光。外光。1966年，高锟()和霍克哈姆()发表了关于传输介质新概念的论文用于光频的光纤表面波导,指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向,奠定了现代光通信光纤通信的基础。高锟高锟(左左)从瑞典国王手中接从瑞典国王手中接
11、过过2009诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖1981年年实现了两了两电话局局间使用使用1.3微米多模光微米多模光纤的的通信系通信系统，80年代，以短波年代，以短波长光源和多模光光源和多模光纤为标志的第一志的第一代光通信技代光通信技术已很成熟，无中断通信距离已很成熟，无中断通信距离约为10公里公里，通信容量，通信容量约为1000路路，已用作市，已用作市话局之局之间的中的中继线，也用于城市，也用于城市间的通信系的通信系统，但中，但中继站站较多，站距多，站距较短。以短。以长波波长光源和光源和单模光模光纤为标志的第二代光志的第二代光纤通信技通信技术也已成熟，无中也已成熟，无中继通信通信距离距离约为30公里
12、公里，通信容量，通信容量约为5000路路，适用于，适用于长途干途干线通信。通信。1989年年掺铒光光纤放大器放大器EDFA的研制成功的研制成功是光是光纤通信新一通信新一轮突破的开始。突破的开始。EDFA的的应用不用不仅解决了光解决了光纤传输衰减的衰减的补偿问题，而且，而且为一批光网一批光网络器件的器件的应用用创造造了条件。使得光了条件。使得光纤通信的数字通信的数字传输速率速率迅速提高迅速提高，促成了波分复用技，促成了波分复用技术的的实用用化化。1996年年WDM技技术取得突破，取得突破，贝尔实验室室发展了展了WDM技技术，美国美国MCI公司在公司在1997年开年开通了商用的通了商用的WDM线路
13、。路。光光纤通信系通信系统的速的速率从率从单波波长的的2.5Gb/s和和10Gb/s爆炸性地爆炸性地发展到多波展到多波长的的Tb/s(1Tb/s=1000Gb/s)传输。当今当今实验室光系室光系统速率已达速率已达10Tb/s，几乎是几乎是用之不尽的用之不尽的，所以它的前景，所以它的前景辉煌。煌。实用光纤通信系统的发展实用光纤通信系统的发展19761976年年，美美国国在在亚亚特特兰兰大大(Atlanta)Atlanta)进进行行了了世世界界上上第第一一个个实实用用光光纤通信系统的现场试验。纤通信系统的现场试验。19801980年，美国标准化年，美国标准化FT-3FT-3光纤通信系统投入商业应用
14、。光纤通信系统投入商业应用。19761976年年和和19781978年年，日日本本先先后后进进行行了了速速率率为为3434Mb/sMb/s的的突突变变型型多多模模光光纤纤通通信信系系统统，以以及及速速率率为为100100Mb/sMb/s的的渐渐变变型型多多模模光光纤纤通通信信系系统统的试验。的试验。19831983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。19881988年年由由美美、日日、英英、法法发发起起的的第第一一条条横横跨跨大大西西洋洋 TAT-8TAT-8海海底底光缆通信系统建成。光缆通信系统建成。19891989年年第第一一条条横横跨跨太太平平洋洋 T
15、PC-3/HAW-4 TPC-3/HAW-4 海海底底光光缆缆通通信信系系统统建建成成。从从此此，海海底底光光缆缆通通信信系系统统的的建建设设得得到到了了全全面面展展开开，促促进进了了全全球球通通信网的发展。信网的发展。当今世界范围的光纤通信系统当今世界范围的光纤通信系统海底光缆及洲际通信网雏形：古代烽火、手旗、灯光雏形：古代烽火、手旗、灯光1880年年 贝尔的光电话贝尔的光电话激光器激光器(发送源发送源)1960 Maiman发明红宝石激光器发明红宝石激光器1962 半导体激光器诞生半导体激光器诞生(GaAs 870nm)70 年代室温工作年代室温工作LD(GaAsAI 850nm)1300
16、、1550nm 多模多模LD单模单模LD光纤光纤(传输介质传输介质)1951 医用玻璃纤维医用玻璃纤维(损耗损耗1000dB/km)1966 高锟高锟 理论预言理论预言1970 康宁制出低损耗光纤康宁制出低损耗光纤(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低损耗窗口光纤开发低损耗窗口光纤开发单模光纤单模光纤我国的光我国的光纤通信通信发展展七七十十年年代代初初武武汉汉邮邮电电科科学学研研究究院院赵赵梓梓森森院院士士就就提提出出了了开开展展光光纤纤通通信信技技术术研研究究的的建建议议。当当时时国国际际上上也也刚刚刚刚开开始始相相关关研研究究。在在七七十十年年代
17、代末末一一些些实实用用的的光光纤纤通通信信系系统统已已经经在在我我国国电电话话网网中中应应用用。如如，北北京京大大学学研研制制的的系系统统（比比特特率率8 Mbit/s，传传输输距距离离3 km）于于1979年年安安装装于于北北京京市市电电话话网网中中使使用用多多年年，获获国国家家科科技技进进步步二二等等奖奖。由由于于当当时时客客观观条条件件的的限限制制，我我国国研研制制的的系系统统比比特特率率不不高高，直直到到九九十十年年代代初初我我国国光光纤纤传传输输系系统统的的比比特特率率仍仍维维持持在在140Mbit/s。由由于于发发达达国国家家的的禁禁运运，进进口口系系统统也也限限制制在在140Mb
18、it/s以以下下。这这一一速速率率已已经经不不能能适适应应我我国国国国民民经经济济和和社社会会发发展展的的需需要要。为为了了增增加加通通信信容容量量，当当时时只只能能增增加加光光缆缆中中的光纤芯数。的光纤芯数。1978年年改革开放后，光改革开放后，光纤通信的研通信的研发工作工作大大加快。上海、北京、武大大加快。上海、北京、武汉和桂林都研和桂林都研制出光制出光纤通信通信试验系系统。1982年年邮电部重部重点科研工程点科研工程“八二工程八二工程”在武在武汉开通。开通。该工工程被称程被称为实用化工程，要求一切是商用用化工程，要求一切是商用产品而不是品而不是试验品，要符合国品，要符合国际CCITT标准
19、，准，要由要由设计院院设计、工人施工，而不是科技、工人施工，而不是科技人人员施工。从此施工。从此中国的光中国的光纤通信通信进入入实用用阶段。段。我国波分复用技术的研究和国际上同步进行。我国波分复用技术的研究和国际上同步进行。1992年年北京北京大学提出了采用大学提出了采用波分复用波分复用+光纤放大器技术实现我国通信干线扩光纤放大器技术实现我国通信干线扩容的建议容的建议，受到相关部委的重视，并开始立项研究。在，受到相关部委的重视，并开始立项研究。在当时该当时该项技术在国际上还没有得到共识项技术在国际上还没有得到共识，国内外都有反对意见。直到，国内外都有反对意见。直到1996年波分复用技术被公认年
20、波分复用技术被公认为当前光纤通信系统扩容的为当前光纤通信系统扩容的最佳方最佳方案案，并在国内外得到迅速发展。，并在国内外得到迅速发展。1997年由北京大学和有关公司年由北京大学和有关公司合作研制的合作研制的42.5 Gbit/s波分复用系统安装于国家光缆干线上，波分复用系统安装于国家光缆干线上，成为我国第一条实际使用的波分复用系统，获得国家科技进步成为我国第一条实际使用的波分复用系统，获得国家科技进步三等奖。三等奖。随后又完成了随后又完成了82.5Gb/s、1610Gbl/s、3210Gb/s、16010Gb/s WDM系统，系统，10Gb/s、40Gb/s0TDM试验系统，宽试验系统，宽带接
21、入系统和全光通信试验网、自动交换光网络试验平台等一带接入系统和全光通信试验网、自动交换光网络试验平台等一系列项目系列项目。自行研制成功的自行研制成功的WDM光光传输系系统已在多省市已在多省市提供运行和服提供运行和服务，各种光，各种光纤局域网局域网/城域网城域网/广域广域网已得到了广泛网已得到了广泛应用，我国已成用，我国已成为世界上世界上为数不数不多的几个掌握了全套多的几个掌握了全套SDH和和WDM光通信系光通信系统系列系列产品技品技术的国家之一，在世界光通信系的国家之一，在世界光通信系统和光网和光网络领域已域已经占据了一席之地。占据了一席之地。而且我国的通信网已而且我国的通信网已经成成为全球通
22、信网的一部全球通信网的一部分。分。陆地上已有光地上已有光缆通到欧洲和通到欧洲和东南南亚。海上也。海上也有了中日、中有了中日、中韩和中美之和中美之间海底光海底光缆系系统。进进入入九九十十年年代代我我国国光光纤纤通通信信研研究究和和产产业业都都得得到到巨巨大大的的发发展展。商商用用系系统统的的比比特特率率从从140Mbit/s为为主主，跳跳过过了了565Mbit/s和和622mbit/s（这这两两个个比比特特率率在在我我国国使使用用较较少少）进进入入比比特特率率为为2.5Gbit/s的的系系统统的的研研究究和和实实用用化化。当当前前我我国国已已有有10Gbit/s和和40Gbit/s的的实实用用化
23、化系系统统，已已经经开开始始研研究究速速率率100Gbit/s以以上上的的系系统，与国际上基本同步。统，与国际上基本同步。在在全全国国通通信信网网的的建建设设方方面面也也进进展展迅迅速速。“八八五五”和和“九九五五”计计划划期期间间（1991-2000），我我国国建建设设了了两两个个“八八纵纵八八横横”通通信光缆，通信干线网基本覆盖全国。信光缆，通信干线网基本覆盖全国。20世世纪80年代中期，数字光年代中期，数字光纤通信的速率通信的速率已达到已达到144Mb/s，可，可传送送1980路路电话，超，超过同同轴电缆载波。于是，光波。于是，光纤通信作通信作为主流主流被大量采用，在被大量采用，在传输干
24、干线上全面取代上全面取代电缆。经过国家国家“六五六五”、“七五七五”、“八五八五”和和“九五九五”计划，中国已建成划，中国已建成“八八纵八横八横”干干线网网，连通全国各省区市通全国各省区市。19791979年年,北京大学研制的系统（比特率北京大学研制的系统（比特率8 Mbit/s8 Mbit/s，传输距，传输距离离3 km3 km）安装于北京市电话网中，获国家科技进步二等奖）安装于北京市电话网中，获国家科技进步二等奖19821982年年,邮电部重点科研工程邮电部重点科研工程“八二工程八二工程”在武汉开通在武汉开通19971997年年,由北京大学和有关公司合作研制的由北京大学和有关公司合作研制的
25、42.5 Gbit/s42.5 Gbit/s波分复用系统安装于国家光缆干线上，成为我国第一条实波分复用系统安装于国家光缆干线上，成为我国第一条实际使用的波分复用系统，获得国家科技进步三等奖际使用的波分复用系统，获得国家科技进步三等奖。19991999年年,中国生产的中国生产的82.5Gb/sWDM82.5Gb/sWDM系统首次在青岛至大连开通，系统首次在青岛至大连开通，随之沈阳至大连的随之沈阳至大连的322.5Gb/sWDM322.5Gb/sWDM光纤通信系统开通。光纤通信系统开通。20052005年年,3.2Tbps3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开超大容量的光纤通信系统在上
26、海至杭州开通，是至今世界容量最大的实用线路通，是至今世界容量最大的实用线路 回顾光纤通信系统的发展历史，迄今为回顾光纤通信系统的发展历史，迄今为 止大致经历了止大致经历了5 5个发展阶段：个发展阶段：第一第一阶段：段：1973197619731976年的年的第第1 1代代光纤通信系统。光纤通信系统。其特征是：采用其特征是：采用0.85m0.85m短波长多模光纤，光纤损短波长多模光纤，光纤损耗为耗为2.52.53 dB/km3 dB/km，传输速率为，传输速率为5050100Mb/s100Mb/s，中，中继距离为继距离为8 810 km10 km，于，于19781978年进入现场试用，年进入现场
27、试用，8080年代初陆续在世界先进国家推广应用，多用做市年代初陆续在世界先进国家推广应用，多用做市话局间中继线路。话局间中继线路。第二第二阶段：段：1976198219761982年的年的第第2 2代代光纤通信系统。光纤通信系统。其特征是：采用其特征是：采用1.3m1.3m长波长多模或单模光纤，长波长多模或单模光纤，光纤损耗为光纤损耗为o.55o.55l dB/kml dB/km，传输速率为，传输速率为140 Mb/s140 Mb/s，中继距离为，中继距离为202050 km50 km，于，于19821982年开始陆继投入年开始陆继投入使用，一般用于中、短距离的长途通信线路，也使用，一般用于中
28、、短距离的长途通信线路，也用做大城市市话局间中继线，以实现无中继传输。用做大城市市话局间中继线，以实现无中继传输。第三第三阶段：段：1982198819821988年的年的第第3 3代代光纤通信系统，光纤通信系统，采用采用1.31m1.31m长波长单模光纤，光纤损耗降至长波长单模光纤，光纤损耗降至0.30.30.5 dB/km0.5 dB/km，实用化、大规模应用是其主要特征，实用化、大规模应用是其主要特征，传输信号为准同步数字系列传输信号为准同步数字系列(PDH)(PDH)的各次群路信号，的各次群路信号，中继距离为中继距离为5050100 km100 km，于，于19831983年以后陆续投
29、入年以后陆续投入使用，主要用于长途干线和海底通信，是光纤通使用，主要用于长途干线和海底通信，是光纤通信重点推广应用阶段。信重点推广应用阶段。第四第四阶段：段：1988199619881996年的年的第第4 4代代光纤通信系统。光纤通信系统。其主要特征是：开始采用其主要特征是：开始采用1.55m1.55m波长窗口的光纤，波长窗口的光纤，光纤损耗进一步降至光纤损耗进一步降至O.2 dB/kmO.2 dB/km，主要用于建设同，主要用于建设同步数字系列步数字系列(SDH)(SDH)同步传送网络，传输速率达同步传送网络，传输速率达2.5 2.5 Gb/sGb/s，中继距离为，中继距离为8080120
30、km120 km，并开始采用掺铒，并开始采用掺铒光纤放大器光纤放大器(EDFA)(EDFA)和波分复用和波分复用(WDM)(WDM)器等新型器件。器等新型器件。色散位移光纤色散位移光纤(I)SF7.G.653)(I)SF7.G.653)是应用于第是应用于第4 4代光纤代光纤通信系统的一项重要成就。普通单模光纤的零色通信系统的一项重要成就。普通单模光纤的零色散点在散点在1.31um1.31um附近，色散位移光纤将零色散点从附近，色散位移光纤将零色散点从1.31m1.31m移到移到1.55m1.55m，有效地解决了，有效地解决了1.55m1.55m光通光通信系统的色散问题。信系统的色散问题。第五第
31、五阶段：段：19961996年以来的年以来的第第5 5代代光纤通信系统。其主要特征是：光纤通信系统。其主要特征是：采用采用密集波分复用密集波分复用(DWDM)(DWDM)技术技术的全光网络开发与应用，充分的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。由利用光纤低损耗波段潜在容量实现传输系统的急剧扩容。由于于WDMWDM具有大容量、透明性、可重构性、易扩容性等优异性能，具有大容量、透明性、可重构性、易扩容性等优异性能，近年来得到了极大的重视和飞速的发展，其相关的光器件、近年来得到了极大的重视和飞速的发展，其相关的光器件、光系统、光网络等方面的发展代表了光通信技术的发
32、展方向，光系统、光网络等方面的发展代表了光通信技术的发展方向，已成为国际和国内在光纤通信领域内的研究重点和应用热点。已成为国际和国内在光纤通信领域内的研究重点和应用热点。国际上，在高速光传输方面，目前已实现国际上，在高速光传输方面，目前已实现10.96 Tb/s(27410.96 Tb/s(274波波40(Gb/s)40(Gb/s)的实验系统的实验系统;在超长距离传输方面，已达到了在超长距离传输方面，已达到了4000 4000 kmkm无电中继的技术水平无电中继的技术水平;在光网络方面，在光网络方面，“光网技术合作计划光网技术合作计划(ONTC)”(ONTC)”、“多波长网络多波长网络(MON
33、ET)”(MONET)”、“国家透明光网络国家透明光网络(NTON)”(NTON)”、“泛欧光子传送重叠网泛欧光子传送重叠网(PHOTON)”(PHOTON)”、“泛欧光网泛欧光网络络(OPEN)”(OPEN)”、“光通信网管理光通信网管理(MOON)”(MOON)”、“光城域通信网光城域通信网(MTON)”(MTON)”、“波长捷变传送接入网波长捷变传送接入网(WOTAN)”(WOTAN)”和和“社团光纤骨社团光纤骨干网干网(COBNET)”(COBNET)”等一系列光网络研究项目的相继启动、实施等一系列光网络研究项目的相继启动、实施与完成，为下一代宽带信息网络，尤其是为承载未来与完成，为下
34、一代宽带信息网络，尤其是为承载未来IPIP业务业务的下一代光通信网络奠定了良好基础。的下一代光通信网络奠定了良好基础。四大里程碑四大里程碑1960年，世界上第一台相干振年，世界上第一台相干振荡光源光源红宝石宝石激光器激光器问世。世。1970年，美国康宁玻璃公司的卡普隆（年，美国康宁玻璃公司的卡普隆（Kapron）博士）博士等等 拉制出拉制出损耗耗仅为20 dB/km的的光光纤(元年元年说）1985年，南安普敦大学的年，南安普敦大学的Mears等人制成了等人制成了掺铒光光纤放放大器大器（erbium-doped fiber amplifier,EDFA）90年代，年代，光光纤光光栅、全光、全光纤
35、光子器件、平面波光子器件、平面波导器件器件及其集成的出及其集成的出现 20世世纪90年代初年代初。1989年年掺铒光光纤放大器放大器EDFA的研制成功是光的研制成功是光纤通信新一通信新一轮突破的开突破的开始。始。EDFA的的应用不用不仅解决了光解决了光纤传输衰减的衰减的补偿问题，而且，而且为一批光网一批光网络器件的器件的应用用创造了条件。使得光造了条件。使得光纤通信的数字通信的数字传输速率迅速率迅速提高速提高，促成了波分复用技，促成了波分复用技术的的实用化用化。2.5Gb/s 10Gb/s 40Gb/s10Gb/s 40Gb/s20Gb/s 80Gb/s80Gb/s 320Gb/s321684
36、1WDM 波长数波长数每波长比特率每波长比特率40Gb/s 网络容量演进战略网络容量演进战略工作波长工作波长光纤光纤激光器激光器 比特率比特率B中继距离中继距离L第一代第一代70年代年代850nm多模多模多模多模44.7Mb/s 10Km第二代第二代80年代初年代初1300nm多模多模单模单模多模多模140Mb/s20 50Km第三代第三代80年代中年代中90年代初年代初1550nm单模单模单模单模PDH群路（群路（140Mb/s）50 100Km工作工作波长波长光纤光纤 激光激光器器比特率比特率B中继距离中继距离L第四第四代代90年代年代1550nm单模单模单模单模SDH，WDM技技术术2.
37、5Gb/s无中继：无中继：80 120KmEDFA：1500Km第五第五代代1550nm单模单模单模单模WDM网络，网络，单波长单波长10,40,160Gb/s信道数信道数:8,16,64,128,1022超长传输距离超长传输距离:27000Km(Loop)6380(Line)目前目前研究研究内容内容WDM光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；新型的光器件新型的光器件有人有人认为，我国光，我国光纤通信主要干通信主要干线已已经建成，光建成，光纤通信容量达到通信容量达到Tb/s，几乎用不完几乎用不完，光，光纤的价格的价格低到每公里低到每公里10
38、0元元，几乎无利可，几乎无利可图。因此。因此不要不要发展展光光纤通信技通信技术了了。实际上，特上，特别是中国，省内是中国，省内农村有村有许多空白多空白需要建需要建设；3G移移动通信网的建通信网的建设也需要光也需要光纤网来网来支持；随着支持；随着宽带业务的的发展、网展、网络需要需要扩容等，容等，光光纤通信仍有巨大的市通信仍有巨大的市场。现在每年光在每年光纤通信通信设备和光和光缆的的销售量是上升的。售量是上升的。FTTH（光（光纤到家庭）是光到家庭）是光纤通信通信进一步一步发展的方向，它被公展的方向，它被公认为理想的理想的宽带接入网接入网目前，目前，发达国家达国家FTTH建建设普遍开展，日本、普遍
39、开展，日本、韩国和美国国和美国领先先发展，采用各种无源光网展，采用各种无源光网PON和以太网技和以太网技术。中国的运。中国的运营商和房地商和房地产开开发商已商已对FTTH进行了行了试点。点。光纤通信是目前世界上发展最快的领域，平均每9个月性能翻一番、价格降低一半，其速度已超过了计算机芯片性能每18个月翻一番的摩尔定律的一倍。在短短的30多年时间里已经经历了五代通信系统的使用。爆炸性发展爆炸性发展 21世纪是光子的世纪，是光网络的世纪是光子的世纪，是光网络的世纪，通信走向全光网络必然要涉及开世纪，通信走向全光网络必然要涉及开发一系列不同于以往传统光纤通信要求发一系列不同于以往传统光纤通信要求的新
40、技术、新器件。的新技术、新器件。n未来技术角色未来技术角色 v超大容量光纤通信系统超大容量光纤通信系统 v光集成器件和光电集成器件的研究光集成器件和光电集成器件的研究 v新类型光纤的研究新类型光纤的研究 v解决全网瓶颈的手段解决全网瓶颈的手段光接入网光接入网 光光纤通信技通信技术特点特点n光纤通信技术特点光纤通信技术特点 n传输容量大。传输容量大。n传输损耗小，中继距离长传输损耗小，中继距离长 n抗干扰性好，保密性强，使用安全抗干扰性好，保密性强，使用安全n材料资源丰富，可节约金属材料材料资源丰富，可节约金属材料n重量轻，可挠性好，敷设方便重量轻，可挠性好，敷设方便 1、频带宽频带宽 频带的宽
41、窄代表传输容量的大小。频带的宽窄代表传输容量的大小。载载波波的频率越高，可以的频率越高，可以传输信号传输信号的频带宽度的频带宽度就越大。可见光的频率达就越大。可见光的频率达100000GHz100000GHz，目前，目前单个光源的带宽只占了其中很小的一部分单个光源的带宽只占了其中很小的一部分(多模光纤的频带约几百兆赫，好的单模光多模光纤的频带约几百兆赫，好的单模光纤可达纤可达10GHz10GHz以上以上)，光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统，其载波光波具有很高的频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信容量。目前的光纤容量已经达到十多个Tbit/s(理论可达100 Tbit/
42、s）理理论上上讲一根一根单模光模光纤可利用的可利用的带宽达达20THz(1THz=1012Hz)以上，可通上以上，可通上亿路路电话。现在最先在最先进的光的光纤通信系通信系统达达400GHz,而一路而一路电话带宽约占占4KHz频带,一路彩色一路彩色电视约占占6MHz频带光纤通信的容量有多大光纤通信的容量有多大?光波中心波长光波中心波长1.5 m，中心频率，中心频率1014Hzn目前商用水平：目前商用水平：312万路电话万路电话/纤纤n速率：速率：2.510Gb/s提高数据率的途径提高数据率的途径n电复用电复用n光复用光复用密集波分复用密集波分复用(DWDM)：光时分复用光时分复用(OTDM)2损
43、耗低损耗低在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz800MHz信号时，信号时，每公里的损耗都在每公里的损耗都在40dB40dB以上以上。相比之。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输下，光导纤维的损耗则要小得多，传输1.31um1.31um的光，的光，每公里损耗在每公里损耗在0 035dB35dB以下以下若传输若传输1.55um1.55um的光，每公的光，每公里损耗更小，可达里损耗更小，可达0 02dB2dB以下以下。这就比同轴电缆的功。这就比同轴电缆的功率损耗要率损耗要小一亿倍小一亿倍，使其能传输的距离要远得多。此，使其能传输的距离要远得
44、多。此外，光纤传输损耗还有外，光纤传输损耗还有两个特点两个特点，一是，一是在全部有线电在全部有线电视频道内具有相同的损耗视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必，不需要像电缆干线那样必须引入均衡器进行均衡；二是须引入均衡器进行均衡；二是其损耗几乎不随温度而其损耗几乎不随温度而变变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。七O年：20dB/km七二年：4 dB/km七四年：1.1dB/km七六年：0.5dB/km七九年：0.2dB/km九O年：0.14dB/km 同同轴电缆通信的中通信的中继距离只有几千米，最距离只有几千米，最长的微波通信是
45、的微波通信是 50 千米千米左右，而光左右，而光纤通信通信系系统的最的最长中中继距离已达距离已达 300千米千米。例如，对于400Mb/s速率的信号，光纤通信系统可达到100km以上的无中继传输距离，然而，同样速率的同轴电缆通信系统，无中继传输距离仅为1.6km左右。如将来采用非石英系的超长波长光纤，传输损耗会更小，有可能实现1000km以上的无中继传输，这一点对于海底光缆通信等长途干线业务具有重大意义。如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长(2m)，光纤的理论损耗系数可以下降到10-310-5dB/km，此时光纤通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。那在许多情况下，通信线路中就可以不设中继
46、站了。这对越洋通信意义尤其重大，因为在海底设立中继站，不仅使线路成本大为提高，也大大增加了维修工作的困难。3重量重量轻 因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般为4um10um，外径也只有125um，加上防水层、加强筋、护套等，用448根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径47mm要小得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便。制造 1000 千米的 8 管同轴电缆却需要消耗120吨铜和 500 吨铅。拉制成千上万千米光纤1 千克千克高纯度石英玻璃可以了。18 管同轴电缆每米重 11 千克；100 芯铅皮对称电缆每米重 2.9 千克，而同等容量的
47、光缆每米只有90克克重。4抗干抗干扰能力能力强 因为光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电磁场的影响，故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。也正因为如此，在光纤中传输的信号不易被窃听，因而利于保密。5保真度高保真度高 因为光纤传输一般不需要中继放大，不会因为放大引人新的非线性失真。可高保真地传输电视信号。6工作性能可靠工作性能可靠 我们知道，一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量有关。设备越多，发生故障的机会越大。因为光纤系统包含的设备数量少(不像电缆系统那样需要几十个放大器)，可靠性自然也就高，加上光纤设备的寿命都很长，无故障工作时间达50
48、万75万小时，其中寿命最短的是光发射机中的激光器，最低寿命也在10万小时以上。光纤系统的工作性能是非常可靠的。7成本不断下降成本不断下降目前，有人提出了新摩尔定律，也叫做光学定律（Optical Law）。该定律指出，光纤传输信息的带宽，每6个月增加1倍，而价格降低1倍。光通信技术的发展，为Internet宽带技术的发展奠定了非常好的基础。这就为大型有线电视系统采用光纤传输方式扫清了最后一个障碍。由于制作光纤的材料(石英)来源十分丰富，随着技术的进步，成本还会进一步降低；而电缆所需的铜原料有限，价格会越来越高。显然，今后光纤传输将占绝对优势，成为建立全省、以至全国有线电视网的最主要传输手段。光
49、光纤通信的缺点通信的缺点 事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点。n抗拉强度低，容易折断(比如经常被挖断)n光纤连接困难(断面是否垂直、焊接点是否有气泡等)n光纤通信过程中怕水、怕冰(OH-根吸收增大损耗)n光纤怕弯曲(导致损耗增加)案例：新疆某地区大雪导致光纤故障(2006年10月报道)原因：光缆没有防护好被冰雪包裹，并由于冰雪压力和热胀冷缩导致光纤弯曲缺点质地脆,机械强度低光纤切断和接续需要一定的工具,设备和技术分路,耦合不灵活光纤,光缆弯曲半径不能过小(20CM)在偏僻地区存在有供电困难问题光纤通信是不是完美无缺？光纤通信是不是完美无缺？光纤通信除了
50、上述优点外，也存在一些缺点。例如光纤通信除了上述优点外，也存在一些缺点。例如组件昂贵，光纤质地脆、机械强度低，连接比较困难，分组件昂贵，光纤质地脆、机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小，不能远端供电等。路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小，不能远端供电等。这些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤这些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤通信的实用。通信的实用。光光纤通信系通信系统的的结构构光纤通信系统的组成光纤通信系统的结构1.3.1 光光纤通信系通信系统的的组成成光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。系