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1、第1章光纤通信概述第1页，本讲稿共42页 光纤通信是以光导纤维作为传输煤质、以光波作为运载工具（载波）的通信方式。自从1977年世界上第一个光纤通信系统投入运营以来，光纤通信凭借它特有的优点迅速发展，已成为各种通信干线的主要传输手段。尤其是光传输网是通信网未来的发展方向。第2页，本讲稿共42页11 光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 探索时期的光通信 1.1.2 现代光纤通信 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状1 2 光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信与电通信 1.2.2 光纤通信的优点第第 1 章章 概概 论论第3页，本讲稿共42页 1.2.3 光纤通信的应用1 3 光纤通信系统的
2、基本组成 1.3.1 发射和接收 1.3.2 基本光纤传输系统 1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统第4页，本讲稿共42页1.1 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信 F原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。F1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。贝贝尔尔光光电电话是现代光通信的雏型。话是现代光通信的雏型。第5页，本讲稿共42页F1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激激光光器器的的发发明明和和应应用用，使使沉沉睡睡了了8
3、0年年的光通信进入一个崭新的阶段。的光通信进入一个崭新的阶段。F在这个时期，美国麻省理工学院利用He Ne激光器和CO2激光器进行了大大气气激激光光通信试验。通信试验。第6页，本讲稿共42页 由于没有找到稳稳定定可可靠靠和和低低损损耗耗的的传传输输介质介质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。返回主目录第7页，本讲稿共42页1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信F 1966年，英英籍籍华华裔裔学学者者高高锟锟(C.K.Kao)和和霍霍克克哈哈姆姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通
4、信光纤通信的基础。预预测测“通通过过原原材材料料的的提提纯纯制制造造出出适适合合于于长长距距离通信使用的低损耗光纤离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向。这一发展方向。第8页，本讲稿共42页光纤通信发明家光纤通信发明家高锟高锟(左左)1998年在英国接受年在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章第9页，本讲稿共42页F1970年，年，光纤光纤研制取得了重大突破研制取得了重大突破u1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把把光光纤纤通通信信的的研研究究开开发推向一个新阶段。发推向一个新阶段。u1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。u197
5、3 年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。第10页，本讲稿共42页u 1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。u 在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗：1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km，接近了光光纤纤最最低损耗的理论极限低损耗的理论极限。第11页，本讲稿共42页F 1970 年，光纤通信用年，光纤通信用光源光源取得了实质取得了实质性的进展性的进展u1970年，美国贝尔实验室、日本电气 公司(
6、NEC)和前苏联先后，研制成功室室 温下连续振荡温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质 结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只 有几个小时，但它为半导体激光器的发 展奠定了基础。u1973 年，半导体激光器寿命达到7000 小时。第12页，本讲稿共42页u 1976年，日本电报电话公司研制成功发 射波长为1.3 m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。u 1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光 器寿命达到10万小时。u 1979年美国电报电话(AT&T)公司和日 本电报电话公司研制成功发射波长为 1.55 m的连续振荡半导体激光器。由于光纤和半导体激光器的技术进步，使由于光纤和半导体激光器的
7、技术进步，使 1970 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。第13页，本讲稿共42页F 实用实用光纤通信系统光纤通信系统的发展的发展u 1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行 了世界上第一个实用光纤通信系统的现世界上第一个实用光纤通信系统的现 场试验场试验。u 1980 年，美国标准化FT-3光纤通信系 统投入商业应用。u 1976 年和 1978 年，日本先后进行了速 率为34 Mb/s的突变型多模光纤通信系 第14页，本讲稿共42页 统，以及速率为100 Mb/s的渐变型多 模光纤通信系统的试验。u 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长 途干
8、线。u 随后，由美、日、英、法发起的第一 条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统 于1988年建成。第15页，本讲稿共42页u 第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海 底光缆通信系统于1989年建成。从 此，海底光缆通信系统的建设得到了 全面展开，促进了全球通信网的发展。第16页，本讲稿共42页 总总之之，光光纤纤通通信信的的发发展展可可以以粗粗略略地地分分为为三三个个阶段阶段：F 第一阶段(19661976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。F 第二阶段(19761986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。F 第三阶段(19861996年
9、)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。返回主目录第17页，本讲稿共42页1.1.3 国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状 1976年年美美国国在在亚亚特特兰兰大大进进行行的的现现场场试试验验，标标志志着着光光纤纤通通信信从从基基础础研研究究发发展展到到了了商商业业应应用用的的新新阶阶段段。此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多多模模发发展展到到单单模模，工作波长从0.85 m发展到1.31 m和1.55 m(短短波波长长向向长长波波长长），传传输输速速率率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。第18页，本讲稿共42页随着技术的进步和大规模产业的形成，光光纤纤价价
10、格格不不断下降断下降，应用范围不断扩大。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。在在许许多多发发达达国国家家，生生产产光光纤纤通通信信产产品品的的行行业业已已在国民经济中占重要地位在国民经济中占重要地位。返回主目录第19页，本讲稿共42页1.2 1.2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信与电通信光通信与电通信 通信系统的传传输输容容量量取决于对载波调制的频频带带宽宽度度，载载波波频频率率越越高高，频频带带宽宽度度越越宽宽。光光通通信信的的主主要要特特点点：载载波波频频率率高高；频频带带宽宽度度宽宽；光光通通信信利利用用的的传
11、传输输媒媒质质-光光纤纤，可可以以在在宽宽波波长长范范围围内内获获得得很小的损耗。很小的损耗。返回主目录第20页，本讲稿共42页 1.2.2 光纤通信的光纤通信的优点优点u 容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大u 损耗很小，损耗很小，中继距离很长且误码率很小中继距离很长且误码率很小u 重量轻、重量轻、体积小体积小u 抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好u 泄漏小，泄漏小，保密性能好保密性能好u 节约金属材料，节约金属材料，有利于资源合理使用有利于资源合理使用返回主目录第21页，本讲稿共42页 1.2.3 1.2.3 光纤通信的光纤通信的应用应用 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟
12、信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。光纤通信的各种应用可概括如下：第22页，本讲稿共42页 通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视网的干线和分配网 综合业务光纤接入网返回主目录第23页，本讲稿共42页1.3 光纤通信系统的基本组成 下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发发射射、接接收收和作为广义信道的基本光光纤纤传传输输系系统统。第24页，本讲稿共42页1.3.1 发射和接收发射和接收 信源信源：消息的产生地，其作用是把各种信息转换为原始电信号，称之为消息信号或基带信
13、号。电发送设备电发送设备：基本作用是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。调制是最常见的变换方式。第25页，本讲稿共42页 信信道道：传输信号的物理煤质。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间）；在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。有线和无线信道均有多 种物理煤质。电接收设备电接收设备：基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来。返回主目录第26页，本讲稿共42页 1.3.2 基本光纤传输系统 基本光纤传输系统是一个独立的“光信道”，若配置适当的接口设备，则可以插入到现有的数
14、字通信系统或模拟通信系统的接收机与发射机之间；基本传输系统若配置适当的光器件，可组成传输能力更强、功能更完善的光纤通信系统。例如，在光纤线路中插入光纤放大器组成光中继长途系统；配置波分复用器和解复用器，组成大容量波分复用系统；使用耦合器或光开关组成无源光网络。第27页，本讲稿共42页 1.光发送机：功能是把输入的电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。组成框图：组成框图：光 源调制器通道耦合器电信号输入光输出光输出驱动电路核心将电信号转换为关信号第28页，本讲稿共42页 2.光纤线路 功能：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。组成:光
15、纤、光纤接头和光纤连接器。光纤是主体；接头和连接器是不可缺少的器件。工程中：使用容纳许多根光纤的光缆。光纤线路的性能主要由光缆内光纤的传输特性决定。第29页，本讲稿共42页 对光纤的要求：损耗和色散这两个传输特性参数尽可能地小，而且由足够好的机械特性和环境特性。实际使用：石英光纤，有多模光纤和单模光纤。单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模光纤便宜，因而被广泛应用。低低损损耗耗“窗窗口口”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增第30页，本讲稿共42页加而减小，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。光光源源激激光光器器的的发发射
16、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，都要和光纤这三个波长窗窗口口相一致。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。第31页，本讲稿共42页 3.光接收机 功能：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。组成部分：光检测器、放大器、相关电路。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核心第32页，本讲稿共42页 光接收机把光信号转换为电信号的过程是通过检测器的检测实现的。检测方式
17、：直接检测和外差检测两种。结构参数：接收机灵敏度。灵敏度是衡量光接收机的综合指标，它反映接收机调整到最佳状态时，接收微弱光信号的能力。灵敏度主要取决于组成光接收机的光电二极管和放大器的噪声，并受传输速率和光纤线路色散的影响，还与系统要求的误码率或信噪比有密切关系。返回主目录第33页，本讲稿共42页 1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统 数字通信系统用参数取值离散的信号(如脉冲的有和无、电平的高和低等)代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；模拟通信系统则用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。这种基本特征决定着两种通信方式的优缺点和不同时期的发展趋势
18、。第34页，本讲稿共42页 数字通信系统的数字通信系统的优点优点如下：如下：抗干扰能力强，传输质量好。可以用再生中继，传输距离长。适用各种业务的传输，灵活性大。容易实现高强度的保密通信。数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。第35页，本讲稿共42页 模拟通信系统的模拟通信系统的优点优点 占用带宽较窄外，电路简单易于实现、价格便宜等。完第36页，本讲稿共42页 光发射机的性能基本上取决于光源的特性。对光源的要求：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，器件寿命长。半导体发光二极管（LED）、半导
19、体激光二极管（LD）或称激光器、谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈（DFB）激光器。第37页，本讲稿共42页 目前有直接调制和间接调制两种方案 直直接接调调制制：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。第38页，本讲稿共42页 外外调调制制：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。第39页，本讲稿共42页 对光参数的调制，原理上可以是光强(功率)、幅度、频
20、率或相位调制，但实际上目前大多数光纤通信系统都采用直接光强调制。因为幅度、频率或相位调制，需要幅度和频率非常稳定，相位和偏振方向可以控制，谱线很窄的单模激光源，都采用外调制方案，故这些调制方案只在新技术系统中使用。第40页，本讲稿共42页 对光检测器的要求：响应强度高、噪声低和响应速度快。目前使用类型：PIN光电二极管和雪崩光电二极管在PN结中加入本征层 第41页，本讲稿共42页 直接检测：用检测器直接把光信号转换为电信号。优点设备简单、经济使用，普遍采用。外差检测：设置一个本地振荡器和一个光混频器，是本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输出中频光信号，再有光检测器把中频光信号装换为电信号。难点需要频率非常稳定，相位和偏振方向可控制，谱线很窄的单模激光源。优点有很高的接收灵敏度，很有发展前途。第42页，本讲稿共42页