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光纤通信基础知识第1页，共35页，编辑于2022年，星期四目录一、光纤通信的概念二、光纤通信发展简史三、光纤通信的优缺点四、光纤通信的应用五、光纤通信系统的组成第2页，共35页，编辑于2022年，星期四一、光纤通信的概念 光通信是指以光作为信息载体而实现的通信方式。光通信是指以光作为信息载体而实现的通信方式。按传输介质的不同，可分为大气激光通信和光纤通信，按传输介质的不同，可分为大气激光通信和光纤通信，大气激光通信是利用大气作为传输介质的激光通信。大气激光通信是利用大气作为传输介质的激光通信。光纤通信是以光波作为信息载体，以光导纤维（光纤）光纤通信是以光波作为信息载体，以光导纤维（光纤）作为传输介质的一种通信方式。光纤通信技术是作为传输介质的一种通信方式。光纤通信技术是30年年来迅猛发展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国来迅猛发展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革。民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革。第3页，共35页，编辑于2022年，星期四 光波是一种电磁波（电磁波分长波、中波、短波、超短光波是一种电磁波（电磁波分长波、中波、短波、超短波、微波、红外光、可见光、紫外光、波、微波、红外光、可见光、紫外光、X射线等），光纤射线等），光纤通信所用的波长位于近红外光区，工作波长是通信所用的波长位于近红外光区，工作波长是8001600nm,可见光的波长是可见光的波长是350nm750nm,目前电信网用目前电信网用的工作波长是的工作波长是1310nm和和1550nm两种波长两种波长,也就是两种工也就是两种工作窗口。作窗口。一、光纤通信的概念第4页，共35页，编辑于2022年，星期四电磁波谱1cm 1mm 100um 10um 1um 100nm 10nm 1nm 波長波長10G 100G 1T 10T 100T 1015 1016 1017 f(Hz)1.6um 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0um 900 800 700 600nm光通信使用范围光通信使用范围红外线红外线紫外线紫外线第5页，共35页，编辑于2022年，星期四二、光通信发展简史2000多年前，中国古代开始用多年前，中国古代开始用“烽火台烽火台”报警，这是一种目视光通信。报警，这是一种目视光通信。第6页，共35页，编辑于2022年，星期四1880年 贝尔发明了一种利用光波作载波传输话音信息的“光电话”，他用可见光在数百米的距离上以无线方式进行了传输话音的“光电话”实验。然而受到当时技术条件的限制，这种形式的光通信一直未能发展到实用阶段。究其原因有二：一是没有可靠的、高强度的光源；二是没有稳定的、低损耗的传输介质。在此后的几十年间未能突破，直到1960年才有实质性发展。二、光通信发展简史第7页，共35页，编辑于2022年，星期四n1960年，美国人梅曼年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，发明了第一台红宝石激光器，给光通给光通信带来了新的希望，和普通光相比，激光具有波谱宽度窄，方向性极好，信带来了新的希望，和普通光相比，激光具有波谱宽度窄，方向性极好，亮亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性。度极高，以及频率和相位较一致的良好特性。二、光通信发展简史第8页，共35页，编辑于2022年，星期四二、光通信发展简史 n 1966年年，英籍华裔学者高锟，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了利用光纤发表了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能进行信息传输的可能性和技术途径。性和技术途径。n1970 年年，光纤研制取得了重大突破。，光纤研制取得了重大突破。n美国康宁美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗公司就研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。的石英光纤。n1972年年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。n1973 年年，美国贝尔，美国贝尔(Bell)实验室取得了更大成绩，光纤损耗降低到实验室取得了更大成绩，光纤损耗降低到2.5dB/km。n1974 年年降低到降低到1.1dB/km。n1976 年年，日本电报电话，日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤损耗降低到公司等单位将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长波长1.2m)。第9页，共35页，编辑于2022年，星期四二、光纤通信发展简史n 1976年日本电报电话公司研制成功发射波长为年日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 m的铟镓砷磷的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器，激光器，n1979年美国电报电话年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为公司研制成功发射波长为1.55 m的连续振荡半导的连续振荡半导体激光器。体激光器。n 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10页，共35页，编辑于2022年，星期四1976 1976 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纤通通信信系系统统的的现现场场试试验验，系系统统采采用用GaAlAsGaAlAs激激光光器器作作光光源源，多多模模光光纤纤作作传传输输介介质质，速速率率为为44.7 44.7 Mb/sMb/s，传传输输距距离离约约10 10 kmkm。1980 1980 年年，美美国国标标准准化化FT FT-3 3光光纤纤通通信信系系统统投投入入商商业业应应用用，系系统统采采用用渐渐变变型型多多模模光光纤纤，速速率率为为44.7 44.7 Mb/sMb/s。随随后后美美国国很很快快敷敷设设了了东东西西干干线线和和南南北北干干线线，穿穿越越2222个个州州 光缆总长达光缆总长达5105104 4 kmkm。二、光通信发展简史第11页，共35页，编辑于2022年，星期四n1976 年和年和 1978 年，日本先后进行了速率为年，日本先后进行了速率为34 Mb/s，传，传输距离为输距离为64 km的突变型多模光纤通信系统，的突变型多模光纤通信系统，以及速率为以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。的渐变型多模光纤通信系统的试验。1983年敷设年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线，全长了纵贯日本南北的光缆长途干线，全长3400 km，初期传，初期传输速率为输速率为400 Mb/s，后来扩容到，后来扩容到1.6 Gb/s。n由美、日、由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光海底光缆通信系统于缆通信系统于1988年建成，全长年建成，全长6400 km；n第一条横跨太平洋第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于海底光缆通信系统于1989年建成，年建成，全长全长13 200 km。从此，海底光缆通信从此，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。系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。二、光通信发展简史第12页，共35页，编辑于2022年，星期四n国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状n光纤光纤:多模多模 单模，单模，n工作波长工作波长:0.85 m 1.31 m和和1.55 m，n传输速率传输速率:几十几十Mb/s 几十几十Gb/s。n应用范围应用范围:市话局间中继市话局间中继 长途干线长途干线 用户接入用户接入网网n数字电话数字电话 有线电视有线电视(CATV)n单一类型信息的传输单一类型信息的传输 多种业务的传输。多种业务的传输。n目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系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。统将成为未来国家信息基础设施的支柱。二、光通信发展简史第13页，共35页，编辑于2022年，星期四三、光纤通信的优点n1 1、频带宽，通信容量大。、频带宽，通信容量大。n2 2、损耗低，中继距离长。、损耗低，中继距离长。n3 3、抗电磁干扰。、抗电磁干扰。n4 4、无串音干扰，保密性好。、无串音干扰，保密性好。n5 5、光纤线径细、重量轻、柔软。、光纤线径细、重量轻、柔软。n6 6、光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属、光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料。材料。第14页，共35页，编辑于2022年，星期四1 1、频带宽，通信容量大、频带宽，通信容量大n光纤可利用的带宽约为光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投年投入使用的入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一对光纤能同光纤通信系统，一对光纤能同时传输时传输24192路电话，路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输系统，能同时传输30000多路电话。频带宽，对于传输各种宽频带信息多路电话。频带宽，对于传输各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则，无法满足未来宽带综合具有十分重要的意义，否则，无法满足未来宽带综合业务数字网业务数字网(B-ISDN)发展的需要。发展的需要。第15页，共35页，编辑于2022年，星期四2 2、损耗低，中继距离长、损耗低，中继距离长n目前实用石英光纤的损耗可低于目前实用石英光纤的损耗可低于0.2dB/km，比其，比其它任何传输介质的损耗都低，若将来采用非石英它任何传输介质的损耗都低，若将来采用非石英系极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降至系极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降至10-9 dB/km。由于光纤的损耗低，所以能实现中继距离。由于光纤的损耗低，所以能实现中继距离长，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离长，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达可达200多千米，由非石英系极低损耗光纤组成的通多千米，由非石英系极低损耗光纤组成的通信系统，其最大中继距离则可达数千甚至数万千米，信系统，其最大中继距离则可达数千甚至数万千米，这对于降低海底通信的成本、提高可靠性和稳定性具这对于降低海底通信的成本、提高可靠性和稳定性具有特别的意义。有特别的意义。第16页，共35页，编辑于2022年，星期四3 3、抗电磁干扰、抗电磁干扰n光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰，还可用它与压设备等工业电器的干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。构成复合光缆。第17页，共35页，编辑于2022年，星期四4 4、无串音干扰，保密性好、无串音干扰，保密性好 光波在光缆中传输，很难从光纤中泄漏出来，即使在光波在光缆中传输，很难从光纤中泄漏出来，即使在转弯处，弯曲半径很小时，漏出的光波也十分微弱，转弯处，弯曲半径很小时，漏出的光波也十分微弱，若在光纤或光缆的表面涂上一层消光剂效果更好，这若在光纤或光缆的表面涂上一层消光剂效果更好，这样，即使光缆内光纤总数很多，也可实现无串音干扰，样，即使光缆内光纤总数很多，也可实现无串音干扰，在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。第18页，共35页，编辑于2022年，星期四5、光纤线径细、重量轻、柔软l光纤的芯径很细，约为光纤的芯径很细，约为0.1mm，它只有单管同轴电，它只有单管同轴电缆的百分之一；光缆的直径也很小，缆的百分之一；光缆的直径也很小，8芯光缆的横截芯光缆的横截面直径约为面直径约为10mm，而标准同轴电缆为，而标准同轴电缆为47mm。利。利用光纤这一特点，使传输系统所占空间小，解决用光纤这一特点，使传输系统所占空间小，解决地下管道拥挤的问题，节约地下管道建设投资。地下管道拥挤的问题，节约地下管道建设投资。此外，光纤的重量轻，光缆的重量比电缆轻得多，此外，光纤的重量轻，光缆的重量比电缆轻得多，例如例如18管同轴电缆管同轴电缆1m的重量为的重量为11kg，而同等容，而同等容量的光缆量的光缆1m重只有重只有90g，这对于在飞机、宇宙飞，这对于在飞机、宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信更具有重要意义。船和人造卫星上使用光纤通信更具有重要意义。第19页，共35页，编辑于2022年，星期四6、光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料l光纤的材料主要是石英光纤的材料主要是石英(二气化硅二气化硅)，地球上有取之不尽用，地球上有取之不尽用之不竭的原材料，而电缆的主要材料是铜，世界上铜的之不竭的原材料，而电缆的主要材料是铜，世界上铜的储藏量并不多，用光纤取代电缆，则可节约大量的金属储藏量并不多，用光纤取代电缆，则可节约大量的金属材料，具有合理使用地球资源的重大意义。光纤除具有材料，具有合理使用地球资源的重大意义。光纤除具有以上突出的优点外，还具有耐腐蚀力强、抗核幅射、能以上突出的优点外，还具有耐腐蚀力强、抗核幅射、能源消耗小等优点，其缺点是质地脆、机械强度低，连接源消耗小等优点，其缺点是质地脆、机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小等。比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小等。这些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤通信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。近年来，光纤通信发展很快，它已深刻地改变的实用。近年来，光纤通信发展很快，它已深刻地改变了电信网的面貌，成为现代信息社会最坚实的基础，并了电信网的面貌，成为现代信息社会最坚实的基础，并向我们展现了无限美好的未来。向我们展现了无限美好的未来。第20页，共35页，编辑于2022年，星期四三、光纤通信的缺点n光纤弯曲半径不宜过小；光纤弯曲半径不宜过小；n光纤的切断和连接操作相对复杂；光纤的切断和连接操作相对复杂；n 分路、耦合相对麻烦。分路、耦合相对麻烦。第21页，共35页，编辑于2022年，星期四四、光纤通信的应用n光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤通信的各种应用可概括如下：光纤通信的各种应用可概括如下：n 通信网通信网，包括全球通信网，包括全球通信网(如横跨大西洋和太平如横跨大西洋和太平洋的海底光缆和跨越欧亚大陆的洲际光缆干线洋的海底光缆和跨越欧亚大陆的洲际光缆干线)、各、各国的公共电信网国的公共电信网(如我国的国家一级干线、各省如我国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线二级干线和县以下的支线)、各种专用通信网、各种专用通信网(如电如电力、铁道、国防等部门通信、指挥、调度、力、铁道、国防等部门通信、指挥、调度、监控的监控的光缆系统光缆系统)、特殊通信手段、特殊通信手段(如石油、化工、煤矿如石油、化工、煤矿等部门易燃易爆环境下使用的光缆，等部门易燃易爆环境下使用的光缆，以及飞机、以及飞机、军舰、潜艇、导弹和宇宙飞船内部的光缆系统军舰、潜艇、导弹和宇宙飞船内部的光缆系统)。第22页，共35页，编辑于2022年，星期四四、光纤通信的应用n 因特网因特网的计算机局域网和广域网，如光纤以太的计算机局域网和广域网，如光纤以太网、网、路由器之间的光纤高速传输链路。路由器之间的光纤高速传输链路。有线电有线电视网视网的干线和分配网；工业电视系统，如工厂、的干线和分配网；工业电视系统，如工厂、银行、商场、交通和公安部门的监控；银行、商场、交通和公安部门的监控；自动控自动控制系统的数据传输。制系统的数据传输。n 综合业务光纤接入网综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源，分为有源接入网和无源接入网，接入网，可实现电话、数据、视频可实现电话、数据、视频(会议电视、可会议电视、可视电话等视电话等)及多媒体业务综合接入核心网，提供各及多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样的社区服务。种各样的社区服务。第23页，共35页，编辑于2022年，星期四光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成光纤通信系统的基本构成光纤通信系统的基本构成信号光发射机光源中继器检测器光接收机信号电E/光O转换光纤光O/电E转换发送单元传输单元接收单元连接器件第24页，共35页，编辑于2022年，星期四n上图中的结构主要由3部分组成：光发射机、光纤光缆和光接收机。由于光纤只能传光信号不能传电信号，因此，这种通信系统在发送端必须先把电信号变成光信号，在接收端再把光信号变为电信号，即电/光和光/电变换。其电/光和光/电变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。也就是说在发送端对电信号直接调制成光信号进行发射，在接收端直接对光进行检波再转换成电信号。光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成第25页，共35页，编辑于2022年，星期四1.光发射机（光端机）光发射机（光端机）n光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信光发射机的功能是把输入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。号最大限度地注入光纤线路。n光发射机由光源、光发射机由光源、驱动器和调制器组成，光源是光发射机的核心。驱动器和调制器组成，光源是光发射机的核心。n目前广泛使用的光源有半导体发光二极管目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)(LED)和半导体激光二极管和半导体激光二极管(或称或称激光器激光器)(LD)(LD)，以及谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈以及谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈(DFB)(DFB)激光器。有些激光器。有些场合也使用固体激光器，例如大功率的掺钕钇铝石榴石场合也使用固体激光器，例如大功率的掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)(Nd:YAG)激光器。激光器。n光发射机把电信号转换为光信号的过程光发射机把电信号转换为光信号的过程(简称为简称为电电/光或光或E/OE/O转换转换)，是通过电，是通过电信号对光的调制实现的。信号对光的调制实现的。n目前采用目前采用直接调制方式，用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管直接调制方式，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。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，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。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26页，共35页，编辑于2022年，星期四1.光发射机（光端机）光发射机（光端机）光端机的图例光端机的图例-DC48V+2M：出4 出3 出2 出1音频接口光发 光收 2M：入4 入3 入2 入1数据接口.GD/MF8HS-IIIC 后面板图后面板图 GD/MF8HS-IIIC 上盖板图上盖板图 电源电源 失步失步 2M中断中断 环回环回 呼叫呼叫 截铃截铃 收无光收无光 误码误码 对告对告 第27页，共35页，编辑于2022年，星期四n光端机的正面图片1.光发射机（光端机）光发射机（光端机）第28页，共35页，编辑于2022年，星期四n光端机的背面图片1.光发射机（光端机）光发射机（光端机）第29页，共35页，编辑于2022年，星期四2.光纤线路光纤线路光光纤纤线线路路的的功功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)和和衰衰减减传传输输到到光光接接收收机机。光光纤纤线线路路由由光光纤纤、光光纤纤接接头头和和光光纤纤连连接接器器组组成成。光光纤纤是是光光纤纤线线路路的的主主体体，接接头头和和连连接接器器是是不不可可缺缺少少的的器器件件。实实际际工工程程中中使使用用的的是是容容纳纳许许多多根根光光纤的纤的光缆光缆。对光纤的基本要求对光纤的基本要求:损耗和色散小，损耗和色散小，机械特性和环境特性好机械特性和环境特性好.例例如如，在在不不可可避避免免的的应应力力作作用用下下和和环环境境温温度度改改变变时时，保保持持传传输输特特性性稳稳定定。目目前前使使用用的的石石英英光光纤纤有有多多模模光光纤纤和和单单模模光光纤纤，单单模模光光纤纤的的传传输输特特性性比比多多模模光光纤好，价格比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。纤好，价格比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。单单模模光光纤纤配配合合半半导导体体激激光光器器，适适合合大大容容量量长长距距离离光光纤纤传传输输系系统统，而而小小容容量量短短距距离系统用多模光纤配合离系统用多模光纤配合半导体发光二极管半导体发光二极管更加合适。更加合适。第30页，共35页，编辑于2022年，星期四常用连接器类型SC LC MT-RJ DSC VF-45 Opti-Jack第31页，共35页，编辑于2022年，星期四常用连接器类型FC TypeSC TypeSC2 TypeFDD Type第32页，共35页，编辑于2022年，星期四常用连接器类型BICONIC TypeD4 TypeSMA 905 TypeSMA 906 TypeMINI BNC Type第33页，共35页，编辑于2022年，星期四3.光接收机光接收机光接收机的功能光接收机的功能把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号把从光纤线路输出、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。转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。光接收机由光检测器、光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成。放大器和相关电路组成。光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、噪声噪声低和响应速度快。目前广泛使用的光检测器有两种类型：低和响应速度快。目前广泛使用的光检测器有两种类型：在半导体在半导体PN结中加入本征层的结中加入本征层的PIN光电二极管光电二极管(PIN-PD)和雪崩光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。光接收机把光信号转换为电信号的过程光接收机把光信号转换为电信号的过程(常简称为常简称为光光/电或电或O/E转换转换)，是，是通过光检测器的检测实现的。目前是采用通过光检测器的检测实现的。目前是采用直接检测直接检测用检测器直接把用检测器直接把光信号转换为电信号。这种检测方式设备简单、光信号转换为电信号。这种检测方式设备简单、经济实用，经济实用，是当前光纤通信系是当前光纤通信系统普遍采用的方式。统普遍采用的方式。第34页，共35页，编辑于2022年，星期四广东中人网络发展有限公司谢谢！第35页，共35页，编辑于2022年，星期四