光通信第01章概述.ppt

Fiber Communications SDU-WH 2010光纤通信原理光纤通信原理GuangmingLi李光明Office:EE505Phone:5688066-505Email:Fiber Communications SDU-WH 2010课程简介课程简介定位：限选课讲义：光纤通信原理（第2版）邓大鹏，人民邮电出版社参考书：1.光纤通信系统顾畹仪、李国瑞著，北京邮电大学出版社 2.OpticalNetworks:APracticalPerspective,SecondEdition,RajivRamaswami,KumarSivarajan,MorganKaufmann,Inc.3.FiberOpticCommunications(FifthEdition)，JosephC.Palais，电子工业出版社 4.Fiber-OpticCommunicationsTechnology,DjafarK.Mynbaev,LowellL.Scheinereds.,PearsonEducation,Inc.,2001.光纤通信技术，科学出版社Fiber Communications SDU-WH 2010课程性质、任务课程性质、任务光纤通信是通信工程专业的专业课程。通过本课光纤通信是通信工程专业的专业课程。通过本课程的学习，要求学生掌握光纤传输用到的主要器程的学习，要求学生掌握光纤传输用到的主要器件，光纤传输原理，光信号的产生和接收，光纤件，光纤传输原理，光信号的产生和接收，光纤通信系统的组成等内容。开设光纤通信系统的系通信系统的组成等内容。开设光纤通信系统的系列实验课程，培养学生的动手能力，强化理论知列实验课程，培养学生的动手能力，强化理论知识，使学生掌握光纤通信的基本特点，以及光纤识，使学生掌握光纤通信的基本特点，以及光纤通信系统的原理，具备设计光纤传输系统的能力，通信系统的原理，具备设计光纤传输系统的能力，了解光纤通信的未来与发展，为今后的工程应用了解光纤通信的未来与发展，为今后的工程应用和研究生阶段的学习打下坚实基础。结合光纤通和研究生阶段的学习打下坚实基础。结合光纤通信技术的发展，介绍一些相关领域的前沿技术、信技术的发展，介绍一些相关领域的前沿技术、方法和成就，为学生的视野拓展和就业打下基础。方法和成就，为学生的视野拓展和就业打下基础。Fiber Communications SDU-WH 2010课程考查方式课程考查方式实验实验+平时平时+作业：作业：30%期末：开卷考试：期末：开卷考试：70%Fiber Communications SDU-WH 2010第一章第一章 概概 述述1.1 光纤通信的发展与现状光纤通信的发展与现状1.2 光纤通信的主要特性光纤通信的主要特性1.3 光纤通信系统的组成和分类光纤通信系统的组成和分类Fiber Communications SDU-WH 20101.1 光纤通信的发展与现状光纤通信的发展与现状1.1.1 早期的光通信早期的光通信Smoke signals Blinker lightsFiber Communications SDU-WH 2010现代光通信的开端现代光通信的开端-贝尔光电话贝尔光电话到到了了1880年年，贝贝尔尔发发明明了了第第一一个个光光电电话话，这这一一大大胆胆的的尝尝试试，可可以以说说是是现现代代光光通通信的开端。信的开端。在在这这里里，将将弧弧光光灯灯的的恒恒定定光光束束投投射射在在话话筒筒的的音音膜膜上上，随随声声音音的的振振动动而而得得到到强强弱弱变化的反射光束，这个过程就是调制。变化的反射光束，这个过程就是调制。Fiber Communications SDU-WH 2010Bells Photophone1880-Photophone Transmitter 1880-Photophone Receiver“The ordinary manwill find a little difficulty in comprehending how sunbeams are to be used.Does Prof.Bell intend to connect Boston and Cambridgewith a line of sunbeams hung on telegraph posts,and,if so,what diameter are the sunbeams to be?will it be necessary to insulate them against the weather?until(the public)sees a man going through the streets with a coil of No.12 sunbeams on his shoulder,and suspending them from pole to pole,there will be a general feeling that there is something about Prof.Bells photophone which places a tremendous strain on human credulity.”New York Times Editorial,30 August 1880Fiber Communications SDU-WH 2010Bell photophone 贝尔电话系统贝尔电话系统Fiber Communications SDU-WH 2010光通信的三大要素光通信的三大要素光源光源传输介质传输介质光检测（光接收）光检测（光接收）Fiber Communications SDU-WH 2010贝贝尔尔光光电电话话和和烽烽火火报报警警一一样样，都都是是利利用大气作为光通道。用大气作为光通道。大大气气光光通通信信优优点点：有有一一定定的的容容量量、传传输输距距离，方便灵活离，方便灵活缺缺点点：1 光光波波传传播播易易受受气气候候的的影影响响，在在大大雾雾天天气气，它它的的可可见见度度距距离离很很短短，遇遇到到下下雨雨下雪天也有影响。下雪天也有影响。2.距离带宽有限距离带宽有限3.通信两点必须直线可见通信两点必须直线可见Fiber Communications SDU-WH 2010 1.1.2 光纤通信光纤通信在在大大气气光光通通信信受受阻阻之之后后，人人们们将将研研究究的的重重点点转转入入到到地地下下光光波波通通信信的的实实验验，先先后后出出现现过过反反射射波波导导和和透透镜镜波波导导等等地地下下通通信信的的实验，如图所示。实验，如图所示。Fiber Communications SDU-WH 2010图图1.2 反射波导和透镜波导反射波导和透镜波导Fiber Communications SDU-WH 20101966年年，英英籍籍华华人人高高锟锟(，当当时时工工作作于于英英国国标标准准电电信信研研究究所所)博博士士深深入入研研究究了了光光在在石石英英玻玻璃璃纤纤维维中中的的严严重重损损耗耗问问题题，发发现现这这种种玻玻璃璃纤纤维维引引起起光光损损耗耗的的主主要要原原因因是是其其中中含含有有过过量量的的铬铬、铜铜、铁铁与与锰锰等等金金属属离离子子和和其其他他杂杂质质，其其次次是是拉拉制制光光纤纤时时工工艺艺技技术术造造成成了了芯芯、包包层层分分界界面面不不均均匀匀及及其其所所引引起起的的折折射射率率不不均均匀匀，他他还还发发现现一一些些玻玻璃璃纤纤维维在红外光区的损耗较小。在红外光区的损耗较小。Fiber Communications SDU-WH 2010l1966年：光纤损耗为年：光纤损耗为1000dB/kml高锟博士高锟博士发表他的著名论文发表他的著名论文“光频介质纤维表面波导光频介质纤维表面波导”首次明确提出：通首次明确提出：通过改进制备工艺，减少原材料杂质过改进制备工艺，减少原材料杂质，可使石英光纤的损耗大大下降，可使石英光纤的损耗大大下降，并有，并有可能拉制出损耗低于可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤，从而使光纤可用于通信之中。称为的光纤，从而使光纤可用于通信之中。称为“光纤之父光纤之父”。K.C.Kao,G.A.Hockham(1966),Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies,Proc.IEE 113(7):11511158 Fiber Communications SDU-WH 2010在高锟理论的指导下，在高锟理论的指导下，1970年美国的年美国的康宁公司拉出了第一根损耗为康宁公司拉出了第一根损耗为20dB/km的的光纤。光纤。Mbit/sMbit/sMbit/s的的光光纤纤通通信信实实验验；1979年年，美美国国AT&T和和日日本本NTTm的的半半导导体体激激光器，光器，Fiber Communications SDU-WH 2010dB/km，m)，m的长波长传输系统的现的长波长传输系统的现场试验。场试验。到到如如今今，光光纤纤通通信信已已经经发发展展到到以以采采用用光光放放大大器器(Optical Amplifier，OA)增增加加中中继继 距距 离离 和和 采采 用用 波波 分分 复复 用用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)增增加加传传输输容容量为特征的第四代系统。量为特征的第四代系统。Fiber Communications SDU-WH 2010光通信光通信 vs 光纤通信光纤通信光通信光通信：一切运用光作为载体传送信息：一切运用光作为载体传送信息的所有通信方式的总称的所有通信方式的总称光纤通信：依靠光纤作为媒质来传送信光纤通信：依靠光纤作为媒质来传送信息息Fiber Communications SDU-WH 20101.2 光纤通信的主要特性光纤通信的主要特性1.2.1 光纤通信的优点光纤通信的优点1.光纤的容量大光纤的容量大光光纤纤通通信信是是以以光光纤纤为为传传输输媒媒介介，光光波波为为载载波波的的通通信信系系统统，其其载载波波光光波波具具有有很很高高的的频频率率(约约1014Hz)，因因此此光光纤纤具具有有很很大大的的通通信容量。信容量。Fiber Communications SDU-WH 2010Electromagnetic spectrumFiber Communications SDU-WH 2010大多数光通信系统使用红外区域的波长大多数光通信系统使用红外区域的波长 Wavelength (m)Ultraviolet Visible InfraredOptical Spectrum(Partial)BlueRed光的波动性光的波动性Fiber Communications SDU-WH 2010光的特性光的特性Fiber optic systems must have low loss.For glass low loss occurs at several wavelengths.The major operation regions(windows)are:WavelengthWindow0.8-0.9 m First Window1.300 m Second Window 1.550 m Third Window1.600 mFourth Window These are all in the infrared.Fiber Communications SDU-WH 20102.损耗低、中继距离长损耗低、中继距离长mdB/km，比比已已知知的的其其他他通通信信线线路路的的损损耗耗都都低低得得多多，因因此此，由由其其组组成成的的光光纤纤通通信信系系统统的的中中继继距距离离也也较较其其它它介介质质构构成成的的系系统统长长得多。得多。Fiber Communications SDU-WH 2010如如果果今今后后采采用用非非石石英英光光纤纤，并并工工作作在在超超长长波波长长(2m)，光光纤纤的的理理论论损损耗耗系系数数可可以以下下降降到到10-310-5dB/km，此此时时光光纤纤通通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。信的中继距离可达数千，甚至数万公里。3.抗电磁干扰能力强抗电磁干扰能力强电电话话线线和和电电缆缆一一般般是是不不能能跟跟高高压压电电线线平平行行架架设设的的，也也不不能能在在电电气气化化铁铁路路附附近近铺铺设。设。Fiber Communications SDU-WH 20104.保密性能好保密性能好对对通通信信系系统统的的重重要要要要求求之之一一是是保保密密性性好好。然然而而，随随着着科科学学技技术术的的发发展展，电电通通信信方方式式很很容容易易被被人人窃窃听听：只只要要在在明明线线或或电电缆缆附附近近(甚甚至至几几公公里里以以外外)设设置置一一个个特特别别的的接接收收装装置置，就就可可以以获获取取明明线线或或电电缆缆中中传传送送的的信信息息。更不用去说无线通信方式。更不用去说无线通信方式。5.体积小，重量轻体积小，重量轻6.节省有色金属和原材料节省有色金属和原材料Fiber Communications SDU-WH 20101.2.2 光纤通信的缺点光纤通信的缺点事事物物都都是是一一分分为为二二的的，光光纤纤通通信信有有许许多多优优点点，因因而而发发展展很很快快，但但光光纤纤通通信信也也有有以下缺点。以下缺点。1.抗拉强度低抗拉强度低2.光纤连接困难光纤连接困难3.光纤怕水光纤怕水Fiber Communications SDU-WH 20101.3 光纤通信系统的组成和分类光纤通信系统的组成和分类1.3.1 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成光光纤纤通通信信系系统统是是以以光光纤纤为为传传输输媒媒介介，光光波波为为载载波波的的通通信信系系统统。主主要要由由光光发发送送机机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。光纤光缆、中继器和光接收机组成。系系统统中中光光发发送送机机的的作作用用是是将将电电信信号号转转换换为为光光信信号号，并并将将生生成成的的光光信信号号注注入入光光纤纤。光光发发送送机机一一般般由由驱驱动动电电路路、光光源源和和调调制制器器构构成成，如如果果是是直直接接强强度度调调制制可可以以省省去去调调制制器，这些将在后续章节中详细介绍。器，这些将在后续章节中详细介绍。Fiber Communications SDU-WH 2010光光接接收收机机的的作作用用是是将将光光纤纤送送来来的的光光信信号号还还原原成成原原始始的的电电信信号号。它它一一般般由由光光电电检检测测器器和和解解调调器器组组成成，对对于于直直接接强强度度调调制制解解调器可以省略。调器可以省略。光光纤纤的的作作用用是是为为光光信信号号的的传传送送提提供供传传送送媒媒介介(信信道道)，将将光光信信号号由由一一处处送送到到另另一一处。处。中中继继器器分分为为电电中中继继器器和和光光中中继继器器(光光放放大大器器)两两种种，其其主主要要作作用用就就是是延延长长光光信信号号的的传输距离。传输距离。Fiber Communications SDU-WH 2010广义光纤通信系统的基本组成Fiber Communications SDU-WH 2010 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Fiber Communications SDU-WH 2010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。Fiber Communications SDU-WH 2010(a)直接调制；(b)间接调制(外调制)Fiber Communications SDU-WH 20102.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0.85m、1.31m和1.55m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，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，1.55m的损耗已达到0.154 dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。Fiber Communications SDU-WH 2010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Fiber Communications SDU-WH 20103 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Fiber Communications SDU-WH 20101.3.2 光纤通信系统的分类光纤通信系统的分类根据调制信号的类型，光纤通信系统根据调制信号的类型，光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。信系统。根根据据光光源源的的调调制制方方式式，光光纤纤通通信信系系统统可可以以分分为为直直接接调调制制光光纤纤通通信信系系统统和和间间接接调调制光纤通信系统。制光纤通信系统。Fiber Communications SDU-WH 2010根据光纤的传导模数量，光纤通信系根据光纤的传导模数量，光纤通信系统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤通信系统。通信系统。根根据据系系统统的的工工作作波波长长，光光纤纤通通信信系系统统可可分分为为短短波波长长光光纤纤通通信信系系统统、长长波波长长光光纤纤通信系统和超长波长光纤通信系统。通信系统和超长波长光纤通信系统。