光纤通信绪论.pdf

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1、Huang Yongqing1Beijing University of Posts&Telecommunications光 纤 通 信北京邮电大学 光通信中心北京邮电大学 光通信中心Huang Yongqing2Beijing University of Posts&Telecommunications电信工程学院光通信中心电信工程学院光通信中心电信工程学院光通信中心电信工程学院光通信中心电话：电话：电话：电话：62284004622840048585实验室：教实验室：教实验室：教实验室：教3 3741741信箱：北京邮电大学信箱：北京邮电大学信箱：北京邮电大学信箱：北京邮电大学6666信箱

2、信箱信箱信箱电子邮件：电子邮件：电子邮件：电子邮件：Huang Yongqing3Beijing University of Posts&Telecommunications绪论光纤通信的定义光纤通信的定义：指以光作为信息的载体，以光纤（光导纤维）作为传输媒质来实现通信的方式。：指以光作为信息的载体，以光纤（光导纤维）作为传输媒质来实现通信的方式。Huang Yongqing4Beijing University of Posts&Telecommunications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卫星通信微波通信微波通信光纤通信光纤通信移动通信移动通信发

3、送机接收机传输系统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Huang Yongqing5Beijing University of Posts&Telecommunications10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF频率，频率，Hz电力、电话无线电、电视微波红外可见光电力、电话无线电、电视微波红外可见光双铰线同轴电缆光纤卫星双铰线同轴电缆光纤

4、卫星/微波微波AM无线电无线电FM无线电无线电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段划分频段划分传输介质传输介质自由空间波长，自由空间波长，mHuang Yongqing6Beijing University of Posts&Telecommunications一、光纤通信的形成历史一、光纤通信的形成历史贝尔的贝尔的“光话光话”演示实验演示实验Huang Yongqing7Beijing University of Posts&Telecommunications1.1.十九世纪初十九世纪初十九世纪初十九世纪初没有发展到实用阶段：没有发展到实用阶段：没有发展到实用阶段：没有

5、发展到实用阶段：A.A.没有可靠的、高强度的光源没有可靠的、高强度的光源没有可靠的、高强度的光源没有可靠的、高强度的光源B.B.没有稳定的低损耗的传输媒质没有稳定的低损耗的传输媒质没有稳定的低损耗的传输媒质没有稳定的低损耗的传输媒质Huang Yongqing8Beijing University of Posts&Telecommunications2.19702.1970年通信年通信年通信年通信历史历史历史历史上的两个重大突破：上的两个重大突破：上的两个重大突破：上的两个重大突破：A.A.双异质结半导体激光器，能够在室温下双异质结半导体激光器，能够在室温下双异质结半导体激光器，能够在室温下

6、双异质结半导体激光器，能够在室温下连续工作，连续工作，连续工作，连续工作，B.B.低损耗的石英光纤，低损耗的石英光纤，低损耗的石英光纤，低损耗的石英光纤，=20dB/km=20dB/km。Huang Yongqing9Beijing University of Posts&Telecommunications 1966年高锟博士的一篇重要论文1966年高锟博士的一篇重要论文 早期的半导体激光器为早期的半导体激光器为早期的半导体激光器为早期的半导体激光器为GaAlAsGaAlAs材料，工材料，工材料，工材料，工作波长为作波长为作波长为作波长为0.850.85mm，恰与早期的光纤低损恰与早期的光纤

7、低损恰与早期的光纤低损恰与早期的光纤低损耗窗口一致，加快了光纤通信发展的进耗窗口一致，加快了光纤通信发展的进耗窗口一致，加快了光纤通信发展的进耗窗口一致，加快了光纤通信发展的进程。程。程。程。Huang Yongqing10Beijing University of Posts&Telecommunications 雏形：古代烽火、手旗、灯光雏形：古代烽火、手旗、灯光雏形：古代烽火、手旗、灯光雏形：古代烽火、手旗、灯光1880188018801880年年年年 贝尔的光电话贝尔的光电话贝尔的光电话贝尔的光电话激光器（光源）激光器（光源）激光器（光源）激光器（光源）光纤光纤光纤光纤(传输介质传输介

8、质传输介质传输介质)1960 1960 1960 1960 MaimanMaimanMaimanMaiman发明红宝石激光器发明红宝石激光器发明红宝石激光器发明红宝石激光器1962 1962 1962 1962 半导体激光器诞生半导体激光器诞生半导体激光器诞生半导体激光器诞生(GaAsGaAsGaAsGaAs 870nm)870nm)870nm)870nm)70 70 70 70 年代室温工作年代室温工作年代室温工作年代室温工作LDLDLDLD(GaAsAIGaAsAIGaAsAIGaAsAI 850nm)850nm)850nm)850nm)1300130013001300、155015501

9、5501550nm nm nm nm 多模多模多模多模LDLDLDLD单模单模单模单模LDLDLDLD1951 1951 1951 1951 医用玻璃纤维医用玻璃纤维医用玻璃纤维医用玻璃纤维(损耗损耗损耗损耗1000100010001000dB/km)dB/km)dB/km)dB/km)1966 1966 1966 1966 高锟高锟高锟高锟 理论预言理论预言理论预言理论预言1970 1970 1970 1970 康宁制出低损耗光纤康宁制出低损耗光纤康宁制出低损耗光纤康宁制出低损耗光纤(20(20(20(20dB/km)dB/km)dB/km)dB/km)1300(0.51300(0.5130

10、0(0.51300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)dB/km),1550nm(0.2dB/km)dB/km),1550nm(0.2dB/km)dB/km),1550nm(0.2dB/km)低损耗窗口光纤开发低损耗窗口光纤开发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单模光纤单模光纤Huang Yongqing11Beijing University of Posts&Telecommunications二、光纤通信概述光纤通信系统的构成光纤通信系统的构成光纤通信系统的构成光纤通信系统的构成光发射端机电发射端机光接收端机电接收端机光纤LD/LEDPIN/APDHu

11、ang Yongqing12Beijing University of Posts&TelecommunicationsElectrical CommunicationOptical CommunicationElectrical CommunicationOptical CommunicationHuang Yongqing13Beijing University of Posts&TelecommunicationsEMUXEMUX电端机电端机再生中继再生中继再生中继再生中继EDMUXEDMUX电端机电端机同轴电缆、微波同轴电缆、微波电复用电复用电解复用电解复用(1)传统的电传输系统(1)

12、传统的电传输系统O/E/OO/E/O光缆光缆EMUXEMUX光发送光发送再生中继再生中继再生中继再生中继EDMUXEDMUX电复用电解复用电复用电解复用光接收光接收(2)光电混合型光纤传输系统(2)光电混合型光纤传输系统光 缆光 缆Huang Yongqing14Beijing University of Posts&Telecommunications光发射端机电发射端机光接收端机电接收端机光纤LD/LEDPIN/APD 电端机电端机电端机电端机 光端机光端机光端机光端机 光纤光纤光纤光纤 光源光源光源光源 光检测器光检测器光检测器光检测器Huang Yongqing15Beijing Un

13、iversity of Posts&Telecommunications光纤光纤 光纤：将光信号从光发射机无失真地传光纤：将光信号从光发射机无失真地传光纤：将光信号从光发射机无失真地传光纤：将光信号从光发射机无失真地传送到光接收机。送到光接收机。送到光接收机。送到光接收机。基本特性参数：基本特性参数：基本特性参数：基本特性参数：损耗损耗损耗损耗（dB/kmdB/kmdB/kmdB/km）：）：）：）：直接影响通信距离。直接影响通信距离。直接影响通信距离。直接影响通信距离。色散色散色散色散（pspspsps/nm.km/nm.km/nm.km/nm.km）：）：）：）：将引起光脉冲信号将引起光脉

14、冲信号将引起光脉冲信号将引起光脉冲信号展宽和码间串扰，影响通信距离和容量。展宽和码间串扰，影响通信距离和容量。展宽和码间串扰，影响通信距离和容量。展宽和码间串扰，影响通信距离和容量。为实现高速长距离传输，要求光纤具有低损为实现高速长距离传输，要求光纤具有低损为实现高速长距离传输，要求光纤具有低损为实现高速长距离传输，要求光纤具有低损耗和低色散特性。耗和低色散特性。耗和低色散特性。耗和低色散特性。Huang Yongqing16Beijing University of Posts&Telecommunications光纤的重要参数光纤的重要参数光纤的重要参数光纤的重要参数A.A.光纤的损耗光纤

15、的损耗光纤的损耗光纤的损耗Huang Yongqing17Beijing University of Posts&TelecommunicationsHuang Yongqing18Beijing University of Posts&Telecommunications光纤的重要参数光纤的重要参数光纤的重要参数光纤的重要参数 B.B.光纤的色散光纤的色散光纤的色散光纤的色散光纤中光波的不同频率成分和模式成分传输速度不同而使信号散开的现象光纤中光波的不同频率成分和模式成分传输速度不同而使信号散开的现象它使脉冲在光纤中传输时随着距离的增加而发生展宽。它使脉冲在光纤中传输时随着距离的增加而发生展

16、宽。Huang Yongqing19Beijing University of Posts&Telecommunications光 源光 源 LDLD半导体激光器半导体激光器半导体激光器半导体激光器 LEDLED半导体发光二极管半导体发光二极管半导体发光二极管半导体发光二极管短波长：短波长：短波长：短波长：AlGaAsAlGaAs/GaAsGaAs长波长：长波长：长波长：长波长：InGaAsPInGaAsP/InPInPHuang Yongqing20Beijing University of Posts&Telecommunications光 检 测 器光 检 测 器 PINPIN光电二极管

17、光电二极管光电二极管光电二极管 APDAPD雪崩光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管短波长：短波长：短波长：短波长：SiSi长波长：长波长：长波长：长波长：Ge InGaAsGe InGaAsHuang Yongqing21Beijing University of Posts&Telecommunications三、光纤通信发展概况三、光纤通信发展概况三、光纤通信发展概况三、光纤通信发展概况 第一代：七十年代后期进入商用。第一代：七十年代后期进入商用。第一代：七十年代后期进入商用。第一代：七十年代后期进入商用。=0.85=0.85mmAlGaAsAlGaAs-LD/LEDLD

18、/LEDSiSi-PIN/APDPIN/APD多模光纤多模光纤多模光纤多模光纤PCMPCM三次群信号三次群信号三次群信号三次群信号无中继距离为无中继距离为无中继距离为无中继距离为1010kmkm以内以内以内以内Huang Yongqing22Beijing University of Posts&Telecommunications 第二代：第二代：第二代：第二代：=1.31=1.31mmInGaAsPInGaAsP-LDLDGeGe-PIN/APDPIN/APD多模光纤单模光纤多模光纤单模光纤多模光纤单模光纤多模光纤单模光纤采用采用采用采用PCMPCM四次群信号四次群信号四次群信号四次群信号

19、无中继距离无中继距离无中继距离无中继距离5050kmkm左右左右左右左右Huang Yongqing23Beijing University of Posts&Telecommunications 第三代：第三代：第三代：第三代：=1.55=1.55mmInGaAsPInGaAsP-LDLDGeGe-PIN/APDPIN/APD单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤传输准同步数字体系（传输准同步数字体系（传输准同步数字体系（传输准同步数字体系（PDHPDH）的各次群信号，的各次群信号，的各次群信号，的各次群信号，无中继距离可达无中继距离可达无中继距离可达无中继距离可达100100kmkm或更长或更长

20、或更长或更长Huang Yongqing24Beijing University of Posts&Telecommunications 第四代：第四代：第四代：第四代：WDMWDM增加传输速率和传输容量增加传输速率和传输容量增加传输速率和传输容量增加传输速率和传输容量光纤放大器光纤放大器光纤放大器光纤放大器增加中继距离增加中继距离增加中继距离增加中继距离2.52.5Gbit/sGbit/s传输传输传输传输45004500kmkm10Gbit/s10Gbit/s传输传输传输传输15001500kmkmHuang Yongqing25Beijing University of Posts&Tel

21、ecommunications 第五代：第五代：第五代：第五代：DWDMDWDM全光通信全光通信全光通信全光通信时分复用光纤通信系统时分复用光纤通信系统时分复用光纤通信系统时分复用光纤通信系统超高速系统超高速系统超高速系统超高速系统光纤到户等光纤到户等光纤到户等光纤到户等Huang Yongqing26Beijing University of Posts&Telecommunications四、光纤通信的主要优点 频带宽，传输信息容量大频带宽，传输信息容量大频带宽，传输信息容量大频带宽，传输信息容量大 传输损耗低，传输距离长传输损耗低，传输距离长传输损耗低，传输距离长传输损耗低，传输距离长

22、尺寸小，重量轻，便于敷设和运输尺寸小，重量轻，便于敷设和运输尺寸小，重量轻，便于敷设和运输尺寸小，重量轻，便于敷设和运输 抗电磁干扰性能好，抗高温，耐腐蚀抗电磁干扰性能好，抗高温，耐腐蚀抗电磁干扰性能好，抗高温，耐腐蚀抗电磁干扰性能好，抗高温，耐腐蚀 光纤之间的串话小光纤之间的串话小光纤之间的串话小光纤之间的串话小 材料丰富材料丰富材料丰富材料丰富Huang Yongqing27Beijing University of Posts&Telecommunications五、光纤通信发展的趋势 工作波长向长波长发展工作波长向长波长发展工作波长向长波长发展工作波长向长波长发展0.850.85mm1

23、.31 1.31 mm1.55 1.55 mm2.5 2.5 mm 传输速率高速化传输速率高速化传输速率高速化传输速率高速化 应用领域越来越广泛应用领域越来越广泛应用领域越来越广泛应用领域越来越广泛 新技术和新器件层出不穷新技术和新器件层出不穷新技术和新器件层出不穷新技术和新器件层出不穷Huang Yongqing28Beijing University of Posts&Telecommunications超高速超高速超高速超高速大大大大容量容量容量容量长距离长距离长距离长距离网络化网络化网络化网络化一根光纤中可同时传输一百多信道信号，采用特殊技术甚至可以同时传输1022信道一根光纤中可同时

24、传输一百一根光纤中可同时传输一百多信道信号，采用特殊技术多信道信号，采用特殊技术甚至可以同时传输甚至可以同时传输10221022信道信道单信道速率不断提升，已达到10、20、40Gb/s采用OTDM技术甚至可达640Gb/s单信道速率不断提升，单信道速率不断提升，已达到已达到1010、2020、4040Gb/sGb/s采用采用OTDMOTDM技术甚至技术甚至可达可达640640Gb/sGb/s各种通信技术的快速各种通信技术的快速发展使上千甚至上万公发展使上千甚至上万公里的长距离传输成为可能里的长距离传输成为可能各种通信技术的快速各种通信技术的快速各种通信技术的快速各种通信技术的快速发展使上千甚

25、至上万公发展使上千甚至上万公发展使上千甚至上万公发展使上千甚至上万公里的长距离传输成为可能里的长距离传输成为可能里的长距离传输成为可能里的长距离传输成为可能全光网成为目前光通信全光网成为目前光通信领域最热门的话题之一领域最热门的话题之一全光网成为目前光通信全光网成为目前光通信全光网成为目前光通信全光网成为目前光通信领域最热门的话题之一领域最热门的话题之一领域最热门的话题之一领域最热门的话题之一Huang Yongqing29Beijing University of Posts&Telecommunications六、我国光纤通信技术的发展Huang Yongqing30Beijing Uni

26、versity of Posts&TelecommunicationsFLAGFiber Optic Link around the Globe架空光缆直埋光缆北京上海至欧洲至日本架空光缆直埋光缆北京上海至欧洲至日本FLAG至韩国至朝鲜至俄罗斯至韩国至朝鲜至俄罗斯我国光缆骨干网分布图至东南亚我国光缆骨干网分布图至东南亚Huang Yongqing31Beijing University of Posts&Telecommunications课程的内容课程的内容课程的内容课程的内容绪论绪论绪论绪论第一章第一章第一章第一章光纤的基本理论光纤的基本理论光纤的基本理论光纤的基本理论光纤的基本性质、光纤

27、的传输理论等光纤的基本性质、光纤的传输理论等光纤的基本性质、光纤的传输理论等光纤的基本性质、光纤的传输理论等第二章第二章第二章第二章光源和光发射机光源和光发射机光源和光发射机光源和光发射机半导体光源基本原理、半导体光源的性质、半导半导体光源基本原理、半导体光源的性质、半导半导体光源基本原理、半导体光源的性质、半导半导体光源基本原理、半导体光源的性质、半导体光源的调制及光发射机、光源的间接调制等体光源的调制及光发射机、光源的间接调制等体光源的调制及光发射机、光源的间接调制等体光源的调制及光发射机、光源的间接调制等第三章第三章第三章第三章光电检测器和光接收机光电检测器和光接收机光电检测器和光接收机

28、光电检测器和光接收机光电检测器工作原理及特性、放大器及其电路的光电检测器工作原理及特性、放大器及其电路的光电检测器工作原理及特性、放大器及其电路的光电检测器工作原理及特性、放大器及其电路的噪声、光接收机灵敏度分析、光接收机的均衡噪声、光接收机灵敏度分析、光接收机的均衡噪声、光接收机灵敏度分析、光接收机的均衡噪声、光接收机灵敏度分析、光接收机的均衡网络、自动增益控制和再生电路等网络、自动增益控制和再生电路等网络、自动增益控制和再生电路等网络、自动增益控制和再生电路等Huang Yongqing32Beijing University of Posts&Telecommunications第四章光

29、纤通信系统第四章光纤通信系统第四章光纤通信系统第四章光纤通信系统数字光纤通信系统、数字光纤通信系统、数字光纤通信系统、数字光纤通信系统、EDFAEDFA（掺铒光纤放大器）掺铒光纤放大器）掺铒光纤放大器）掺铒光纤放大器）和喇曼放大器技术及其应用、光纤通信系统的和喇曼放大器技术及其应用、光纤通信系统的和喇曼放大器技术及其应用、光纤通信系统的和喇曼放大器技术及其应用、光纤通信系统的总体设计等总体设计等总体设计等总体设计等第五章第五章第五章第五章无源光器件和无源光器件和无源光器件和无源光器件和WDMWDM技术技术技术技术第六章第六章第六章第六章光网络光网络光网络光网络光传送网络，智能光网络，城域光网络

30、，接入光传送网络，智能光网络，城域光网络，接入光传送网络，智能光网络，城域光网络，接入光传送网络，智能光网络，城域光网络，接入光网光网光网光网第七章第七章第七章第七章光纤通信新技术光纤通信新技术光纤通信新技术光纤通信新技术色散补偿技术、光时分复用技术、分组光交换色散补偿技术、光时分复用技术、分组光交换色散补偿技术、光时分复用技术、分组光交换色散补偿技术、光时分复用技术、分组光交换技术、量子光通信等技术、量子光通信等技术、量子光通信等技术、量子光通信等第八章第八章第八章第八章光纤通信测量光纤通信测量光纤通信测量光纤通信测量Huang Yongqing33Beijing University of

31、 Posts&Telecommunications参考书：参考书：1.1.光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统GovindGovind P.P.AgrawalAgrawal2.2.光纤通信工程光纤通信工程光纤通信工程光纤通信工程赵梓森等赵梓森等赵梓森等赵梓森等3.3.光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信李玲等李玲等李玲等李玲等4.4.光纤通信原理、系统与应用；光纤通信原理、系统与应用；光纤通信原理、系统与应用；光纤通信原理、系统与应用；美美美美Jeff HechtJeff Hecht；电子工业出版社电子工业出版社电子工业出版社电子工业出版社5.5.书后的参考文献书后的参考文献书后的参考

32、文献书后的参考文献6.6.其它参考书其它参考书其它参考书其它参考书Huang Yongqing34Beijing University of Posts&Telecommunications关于本课程关于本课程关于本课程关于本课程成绩评定：1.平时平时(包括作业和测验包括作业和测验)：60%2.期末（考试）：期末（考试）：40%Huang Yongqing35Beijing University of Posts&Telecommunications学校精品课网络教学平台：http:/ Yongqing36Beijing University of Posts&Telecommunicatio

33、ns(a)a)断面结构图断面结构图断面结构图断面结构图(b)b)左图的局部放大左图的局部放大左图的局部放大左图的局部放大扫描电镜拍摄的最典型的扫描电镜拍摄的最典型的扫描电镜拍摄的最典型的扫描电镜拍摄的最典型的PBGPBG微结构光纤结构微结构光纤结构微结构光纤结构微结构光纤结构Huang Yongqing37Beijing University of Posts&Telecommunications改进的全内反射型微结构光纤截面图Huang Yongqing38Beijing University of Posts&TelecommunicationsHuang Yongqing39Beijing University of Posts&Telecommunications