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第1章光纤通信第1页，本讲稿共37页第第 1 章章 概论概论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一、探索时期的光通信探索时期的光通信 中国古代用“烽火台”报警 美国人贝尔(Bell)发明“光电话”（1880年）美国人梅曼(Maiman)发明第一台红宝石激光器（1960年）美国麻省理工学院大气激光通信试验第2页，本讲稿共37页 这种光电话利用太阳光或弧光灯作光源，通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的变化而变化，实现话音对光强度的调制。在接收端，用抛物面反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上，使光信号变换为电流，传送到受话器。存在问题：存在问题：由于当时没有理想的光源和传输介质，这种光电话的传输距离很短，并没有实际应用价值，因而进展很慢。然而，光电话仍是一项伟大的发明，它证明了用光波作为载波传送信息的可行性。因此，可以说贝尔光电话是现代光通信的雏型。第3页，本讲稿共37页 红宝石激光器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，亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性。激光是一种高度相干光，它的特性和无线电波相似，是一种理想的光载波。继红宝石激光器之后，氦氖(He-Ne)激光器、二氧化碳(CO2)激光器先后出现，并投入实际应用。激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段第4页，本讲稿共37页 实实验验证证明明：用用承承载载信信息息的的光光波波，通通过过大大气气的的传传播播，实实现现点对点的通信是可行的。点对点的通信是可行的。利用He-Ne激光器和CO2激光器进行了大气光纤通信实验。但是通信能力和质量受气候影响十分严重。由于雨、雾、雪和大气灰尘的吸收和散射，光波能量衰减很大。例如，雨能造成30 dB/km的衰减，浓雾衰减高达120 dB/km。另一方面，大气的密度和温度不均匀，造成折射率的变化，使光束位置发生偏移。因而通信的距离和稳定性都受到极大的限制，不能实现“全天候”通信。大气激光通信的稳定性和可靠性仍然没有解决。解决办法：解决办法：透镜波导和反射镜波导的光波传输系统 （现场施工中校准和安装十分复杂）第5页，本讲稿共37页 透镜波导-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光束会聚到下一个透镜而实现的。反射镜波导-用与光束传输方向成45角的二个平行反射镜代替透镜而构成的。由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。第6页，本讲稿共37页二、现代光纤通信二、现代光纤通信 1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)等人 发表了关于传输介质新概念的论文。1970 年，光纤研制取得了重大突破。美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。半导体激光器的飞速发展完全满足实用化的要求。寿命达到10万小时(约11.4年)。光纤通信系统的实用化。第7页，本讲稿共37页 高锟等人指出：石英纤维的损耗高达1000 dB/km以上这样大的损耗不是石英纤维本身固有的特性。具体办法：具体办法：（1）通过原材料的提纯光纤损耗减小到10 dB/km。（2）通过改进制造工艺的热处理，提高材料的均匀性把损耗减小到几dB/km。第8页，本讲稿共37页1970 年，美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。它的意义在于：使光纤通信可以和同轴电缆通信竞争，从而展现了光纤通信美好的前景，促进了世界各国相继投入大量人力物力，把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。1973 年，美国贝尔(Bell)实验室取得了更大成绩，光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。1976 年，日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。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，接近了光纤最低损耗的理论极限。第9页，本讲稿共37页 1970 年，作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。当年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后突破了半导体激光器在低温(-200)或脉冲激励条件下工作的限制，研制成功室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，但其意义是重大的，它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时(约11.4年)，外推寿命达到100万小时，完全满足实用化的要求。在这个期间，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，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 1970 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。第10页，本讲稿共37页美国（1976 年）进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验，速率为44.7 Mb/s，传输距离约10 km。日本（1976年）进行了速率为34 Mb/s，传输距离为64 km的突变型多模光纤通信系统。英、法（1988年）建成全长6400 km的第一条横跨大西洋海底光缆通信系统；横跨太平洋 海底光缆通信系统于1989年建成，全长13 200 km。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11页，本讲稿共37页 光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：第一阶段(19661976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。在这个时期，实现了短波长(0.85 m)低速率(45或34 Mb/s)多模光纤通信系统，无中继传输距离约10 km。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。在这个时期，光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长(0.85 m)发展到长波长(1.31 m和1.55 m)，实现了工作波长为1.31 m、传输速率为140565Mb/s 的单模光纤通信系统，无中继传输距离为10050 km。第12页，本讲稿共37页 第三阶段(19861996年)，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。在这个时期，实现了1.55 m色散移位单模光纤通信系统。采用外调制技术，传输速率可达2.510 Gb/s，无中继传输距离可达150100 km。实验室可以达到更高水平。目前，正在开展研究的光纤通信新技术，例如，超大容量 的 波 分 复 用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)光纤通信系统和超长距离的光孤子(Soliton)通信系统，将在第 7章作介绍。第13页，本讲稿共37页三、国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状多模光纤 单模光纤工作波长从0.85 m 1.31 m和1.55 m传输速率从几十Mb/s 几十Gb/s市话局间中继 长途干线进一步延伸到用户接入网数字电话 有线电视(CATV)单一类型信息 传输 多种业务的传输第14页，本讲稿共37页世界成缆光纤市场销售量世界成缆光纤市场销售量 年份 1994 1995199619971998199920002001光纤销售总长度/104 km 18102300290034704070473055806570第15页，本讲稿共37页世界市场单模光纤平均价格世界市场单模光纤平均价格 年份 1994 1995199619971998199920002001价格/($km-1)6867726960524644第16页，本讲稿共37页世界成缆单模光纤市场销售量世界成缆单模光纤市场销售量 年份 1998 19992000200120022003光纤销售总长度/104 km 411046005350623072008110第17页，本讲稿共37页1.2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用一、光通信与电通信一、光通信与电通信 光纤通信的载波是光波。电缆通信载波是电波。虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。光纤通信用的近红外光(波长约1m)的频率(约300 THz)比微波(波长为0.1m1 mm)的频率(3300 GHz)高3个数量级以上。第18页，本讲稿共37页部分电磁波频谱第19页，本讲稿共37页电缆的损耗随信号频率的平方根而增大，要减小损耗，必须增大结构尺寸，但要保持单一模式的传输，又不允许增大结构尺寸。波导管具有比同轴电缆更低的损耗，但随着工作频率的提高，要减小波导结构的尺寸以保持单一模式的传输，损耗仍然要增大。光纤是由绝缘的石英(SiO2)材料制成的，通过提高材料纯度和改进制造工艺，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。下图给出各种传输线路的损耗特性。第20页，本讲稿共37页各种传输线路的损耗特性 第21页，本讲稿共37页二、光纤通信的优点二、光纤通信的优点 1.频带很宽频带很宽(enormous potential bandwidth)单模光纤都具有几十GHz km的带宽。另一方面，可以采用多种复用技术来增加传输容量。复用技术 传输容量/Gbs-1 传输距离/km 跨距/km 研制单位 备注WDM 2017 20132 150 120 50 AT&T NEC TDM 160 20 20 200 103 106 50 140 NTT NTT 法Telcom 单通道 环测 WDM和和TDM光纤通信试验系统的传输能力光纤通信试验系统的传输能力 第22页，本讲稿共37页光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较 通信手段 传输容量(话路)/条 中继距离/km 1000 km内中继器个数 微波无线电 960 5020小同轴 9604250中同轴 180061600光缆 19203033光缆 14000(1Gb/s)8411光缆 6000(445MB/S)1347第23页，本讲稿共37页 2.传输损耗小，传输损耗小，中继距离很长且误码率很小中继距离很长且误码率很小 (low transmission loss,wide repeater spacing,low BER(bit error rate )石英光纤 1.31 m波长 0.50 dB/km（甚至更低）1.55 m波长 0.20 dB/km（甚至更低）第24页，本讲稿共37页3.重量轻、重量轻、体积小体积小（small size and weight)在飞机上用光纤代替电缆，不仅降低了通信设备的成本，而且降低了飞机的制造成本。例如，在美国A-7飞机上，用光纤通信代替电缆通信，使飞机重量减轻27磅(约12.247 kg)，相当于飞机制造成本减少27万美元。项目 8 芯 18 芯 光缆 电缆 光缆 电缆 重量/(kgm-1)重量比 0.42 16.3150.4211126直径/mm 截面积比 211475211659.6光缆和电缆的重量和截面积比较光缆和电缆的重量和截面积比较 第25页，本讲稿共37页 4.抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好（electrical and isolation or magnetic isolation)无金属光缆非常适合于存在强电磁场干扰的高压电力线路周围和油田、煤矿等易燃易爆环境中使用。5.泄漏小，泄漏小，保密性能好保密性能好(immunity to electromagnetic interference,signal security)在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全。第26页，本讲稿共37页6.节约金属材料，有利于资源合理使用 制造8km管中同轴电缆，1km需要120kg铜和500kg铝；而制造8km光纤只需320g石英。各种通信系统相对造价与传输容量的比较 第27页，本讲稿共37页三、光纤通信的应用光纤通信的应用 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。通信网 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第28页，本讲稿共37页全全球球通通信信网网(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)各各国国的的公公共共电电信信网网(如我国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线)专专用用通通信信网网(如电力、铁道、国防等部门通信、指挥、调度、监控的光缆系统)特特殊殊通通信信手手段段(如石油、化工、煤矿等部门易燃易爆环境下使用的光缆，以及飞机、军舰、潜艇、导弹和宇宙飞船内部的光缆系统)。第29页，本讲稿共37页光纤通信系统的基本组成(单向传输)1.3光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成第30页，本讲稿共37页 1.光发射机光发射机 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。直接调制-使输出光随电信号变化而实现的 间接调制(或称外调制)-利用电信号改变电光 晶体的折 射率，使通过调制器的光参数随 电信号变化而实现调制的。第31页，本讲稿共37页两种调制方案(a)直接调制 (b)间接调制(外调制)第32页，本讲稿共37页 2.光纤线路光纤线路 在0.85 m、1.31 m和1.55 m有三个损耗很小的波长“窗口”。在这三个波长窗口损耗分别小于2dB/km、0.4 dB/km和0.2 dB/km。目前使用的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，因而得到更广泛的应用。单模光纤配合半导体激光器，适合大容量长距离光纤传输系统。而小容量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更加合适。第33页，本讲稿共37页 3.光接收机光接收机 光接收机的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。目前广泛使用的光检测器有两种类型：在半导体PN结中加入本征层的PIN光电二极管(PIN-PD)和雪崩光电二极管(APD)。直接检测-用检测器直接把光信号转换为电信号。外差检测-要设置一个本地振荡器和一个光混频器，使本地振荡光和 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，再由光检测器把中频光信号转换为电信号。第34页，本讲稿共37页 1.3.3数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统：强调的是信号和信息之间的一一对应关系(如脉冲的有 和无、电平的高和低等)代表信息；模拟通信系统：强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。数字通信系统的数字通信系统的优点优点：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。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。数字通信系统的缺点：数字通信系统的缺点：频带利用率不高第35页，本讲稿共37页 抗干扰能力强，传输质量好。在模拟通信系统中，噪声叠加在信号上，两者很难分开，放大时噪声和信号一起放大，不能改善因传输而劣化的信噪比。数字光纤通信采用二进制信号，信息不包含在脉冲波形中，而由脉冲的“有”和“无”表示。因此，一般噪声不影响传输质量，只有在抽样和判决过程中，当噪声超过一定阈值时，才产生误码率。可以用再生中继，传输距离长。数字通信系统可以用不同方式再生传输信号，消除传输过程中的噪声积累，恢复原信号，延长传输距离。适用各种业务的传输，灵活性大。在数字通信系统中，话音、图像等各种信息都变换为二进制数字信号，可以把传输技术和交换技术结合起来，有利于实现综合业务。第36页，本讲稿共37页 容易实现高强度的保密通信。只需要将明文与密钥序列逐位模2相加，就可以实现保密通信。只要精心设计加密方案和密钥序列并经常更换密钥，便可达到很高的保密强度。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。数字通信系统的缺点是占用频带较宽，系统的频带利用率不高注：这里没有考虑语音、视频压缩编码和多元制数字调制的作用。例如，一路模拟电话只占用4 kHz的带宽，而一路数字电话要占用2064 kHz的带宽。数字通信系统的许多优点是以牺牲频带为代价得到的，然而光纤通信的频带很宽，完全能够克服数字通信的缺点。因而对于电话的传输，数字光纤通信系统是最佳的选择。第37页，本讲稿共37页