光纖通信課件第1章

1、光纖通信課件第1章 光光 纖纖 通通 信信 光纖通信課件第1章 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 第一章概論第一章概論 第二章光纖和光纜第二章光纖和光纜 第三章通信用光器件第三章通信用光器件 第四章光端機第四章光端機 第五章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)第五章數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 第六章光纖通信新技術第六章光纖通信新技術 光纖通信課件第1章 什么叫通信？什么叫通信？ 什么叫光纖通信？什么叫光纖通信？ 利用光纖傳輸光波信號的通信方式。利用光纖傳輸光波信號的通信方式。 光纖通信課件第1章 1 11 1 光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀 1 1 2 2 光纖通信的優(yōu)點和應用光纖通信的優(yōu)點和應用 1 1 3 3 光

2、纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成 第第 1 1 章章 概概 論論 返回主目錄 光纖通信課件第1章 第第 1 1 章章 概論概論 1.11.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀 1.1.11.1.1探索時期的光通信探索時期的光通信 原始形式的光通信原始形式的光通信 中國古代中國古代 -“烽火臺烽火臺”報警報警 歐洲人歐洲人-旗語傳送信息旗語傳送信息 18801880年，美國人貝爾年，美國人貝爾(Bell)(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音發(fā)明了用光波作載波傳送話音 的的“光電話光電話”。這種光電話利用太陽光或弧光燈作光源，通過。這種光電話利用太陽光或弧光燈作光源，通過

3、 透鏡把光束聚焦在送話器前的振動鏡片上，使光強度隨話音的透鏡把光束聚焦在送話器前的振動鏡片上，使光強度隨話音的 變化而變化，實現(xiàn)話音對光強度的調(diào)制。在接收端，用拋物面變化而變化，實現(xiàn)話音對光強度的調(diào)制。在接收端，用拋物面 反射鏡把從大氣傳來的光束反射到硅光電池上，使光信號變換反射鏡把從大氣傳來的光束反射到硅光電池上，使光信號變換 為電流，傳送到受話器。為電流，傳送到受話器。( (最遠通信距離最遠通信距離213213米）米） 光纖通信課件第1章 因為缺乏理想的光源和傳輸介質(zhì)，因為缺乏理想的光源和傳輸介質(zhì)， 這種光電話的傳輸距這種光電話的傳輸距 離很短，并沒有實際應用價值，然而，離很短，并沒有實際

4、應用價值，然而， 光電話的發(fā)明證明了光電話的發(fā)明證明了 用光波作為載波傳送信息的可行性。因此，貝爾光電話是現(xiàn)代用光波作為載波傳送信息的可行性。因此，貝爾光電話是現(xiàn)代 光通信的雛型。光通信的雛型。 光源：光源： （1 1）19601960年美國人梅曼年美國人梅曼(Maiman)(Maiman)發(fā)明了第一臺發(fā)明了第一臺紅寶石激光器紅寶石激光器 （2 2）氦氦氖氖(He - Ne)(He - Ne)激光器激光器 （3 3）二氧化碳二氧化碳(CO2)(CO2)激光器激光器 激光具有波譜寬度窄，方向性極好，激光具有波譜寬度窄，方向性極好， 亮度極高，以及頻率和亮度極高，以及頻率和 相位較一致的良好特性。

5、是一種理想的光載波。激光器的發(fā)明相位較一致的良好特性。是一種理想的光載波。激光器的發(fā)明 和應用，和應用， 使沉睡了使沉睡了8080年的光通信進入一個嶄新的階段。年的光通信進入一個嶄新的階段。 光纖通信課件第1章 傳輸介質(zhì)的探索：傳輸介質(zhì)的探索： 美國麻省理工學院利用美國麻省理工學院利用He - NeHe - Ne激光器和激光器和COCO2 2激光器進激光器進 行了大氣激光通信試驗。實驗證明：通過大氣的傳播承載行了大氣激光通信試驗。實驗證明：通過大氣的傳播承載 信息的光波，實現(xiàn)點對點的通信是可行的。但是通信的距信息的光波，實現(xiàn)點對點的通信是可行的。但是通信的距 離和穩(wěn)定性都受到極大的限制，體現(xiàn)在

6、以下兩個方面：離和穩(wěn)定性都受到極大的限制，體現(xiàn)在以下兩個方面： （1 1）通過大氣，光波能量衰減很大。）通過大氣，光波能量衰減很大。 例如，雨能造成例如，雨能造成30 dB/km30 dB/km的衰減，濃霧衰減高達的衰減，濃霧衰減高達120 dB/km120 dB/km。 （2 2）大氣的密度和溫度不均勻，造成折射率的變化，使光束）大氣的密度和溫度不均勻，造成折射率的變化，使光束 位置發(fā)生偏移。位置發(fā)生偏移。 固體激光器固體激光器( (例如例如“銣玻璃激光器銣玻璃激光器”和和“砷化鎵激光器砷化鎵激光器”) )的的 發(fā)明大大提高了發(fā)射光功率，延長了傳輸距離，使大氣激發(fā)明大大提高了發(fā)射光功率，延長

7、了傳輸距離，使大氣激 光通信可以在江河兩岸、海島之間和衛(wèi)星與地面之間使用。光通信可以在江河兩岸、海島之間和衛(wèi)星與地面之間使用。 光纖通信課件第1章 為了克服氣候?qū)す馔ㄐ诺挠绊懀藗冏匀幌氲桨鸭す鉃榱丝朔夂驅(qū)す馔ㄐ诺挠绊?，人們自然想到把激?束限制在特定的空間內(nèi)傳輸。因而提出了束限制在特定的空間內(nèi)傳輸。因而提出了透鏡波導透鏡波導和和反射鏡反射鏡 波導波導的光波傳輸系統(tǒng)。透鏡波導是在金屬管內(nèi)每隔一定距離的光波傳輸系統(tǒng)。透鏡波導是在金屬管內(nèi)每隔一定距離 安裝一個透鏡，每個透鏡把經(jīng)傳輸?shù)墓馐鴷鄣较乱粋€透鏡安裝一個透鏡，每個透鏡把經(jīng)傳輸?shù)墓馐鴷鄣较乱粋€透鏡 而實現(xiàn)的。反射鏡波導和透鏡波導相似，

8、是用與光束傳輸方而實現(xiàn)的。反射鏡波導和透鏡波導相似，是用與光束傳輸方 向成向成4545角的二個平行反射鏡代替透鏡而構成的。這兩種波角的二個平行反射鏡代替透鏡而構成的。這兩種波 導，從理論上講是可行的，但在實際應用中遇到了不可克服導，從理論上講是可行的，但在實際應用中遇到了不可克服 的困難。首先，現(xiàn)場施工中校準和安裝十分復雜；其次，為的困難。首先，現(xiàn)場施工中校準和安裝十分復雜；其次，為 了防止地面活動對波導的影響，必須把波導深埋或選擇在人了防止地面活動對波導的影響，必須把波導深埋或選擇在人 車稀少的地區(qū)使用。車稀少的地區(qū)使用。 由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗

9、的傳輸介質(zhì)， 對光通信對光通信 的研究曾一度走入了低潮。的研究曾一度走入了低潮。 光纖通信課件第1章 1.1.21.1.2現(xiàn)代光纖通信現(xiàn)代光纖通信 19661966年，英籍華裔學者高錕年，英籍華裔學者高錕(C.K.Kao)(C.K.Kao)和霍和霍 克哈姆克哈姆(C.A.Hockham)(C.A.Hockham)發(fā)表了關于傳輸介質(zhì)新概發(fā)表了關于傳輸介質(zhì)新概 念的論文，指出了利用光纖念的論文，指出了利用光纖(Optical Fiber)(Optical Fiber)進進 行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g途徑，奠定了現(xiàn)代光行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g途徑，奠定了現(xiàn)代光 通信通信光纖通信的基礎。光纖通信的基礎。

10、 高錕等人指出：當時石英纖維的損耗高達高錕等人指出：當時石英纖維的損耗高達1000 dB/km1000 dB/km以上而是以上而是 由于材料中的雜質(zhì)，例如過渡金屬由于材料中的雜質(zhì)，例如過渡金屬(Fe(Fe、 CuCu等等) )離子的吸收產(chǎn)離子的吸收產(chǎn) 生的。如果把材料中金屬離子含量的比重降低到生的。如果把材料中金屬離子含量的比重降低到1010-6 -6以下，就 以下，就 可以使光纖損耗減小到可以使光纖損耗減小到10 dB/km10 dB/km。再通過改進制造工藝的熱處。再通過改進制造工藝的熱處 理提高材料的均勻性，可以進一步把損耗減小到幾理提高材料的均勻性，可以進一步把損耗減小到幾dB/kmd

11、B/km。 光纖通信課件第1章 一、光纖研制的發(fā)展一、光纖研制的發(fā)展 （1 1）1970 1970 年美國康寧年美國康寧(Corning)(Corning)公司就研制成功損耗公司就研制成功損耗20 dB/km20 dB/km 的石英光纖。使光纖通信可以和同軸電纜通信競爭，從而展現(xiàn)的石英光纖。使光纖通信可以和同軸電纜通信競爭，從而展現(xiàn) 了光纖通信美好的前景。了光纖通信美好的前景。 （2 2）19721972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4 dB/km4 dB/km。 （3 3）1973 1973 年，美國貝爾年，美國貝爾(Bell)(Bell)實驗室

12、光纖損耗降低到實驗室光纖損耗降低到 2.5dB/km2.5dB/km。 （4 4）1974 1974 年降低到年降低到1.1dB/km1.1dB/km。 （5 5）1976 1976 年，日本電報電話年，日本電報電話(NTT)(NTT)公司等單位將光纖損耗降低公司等單位將光纖損耗降低 到到0.47 dB/km(0.47 dB/km(波長波長1.2m)1.2m)。 （6 6）1979 1979 年年0.20 dB/km0.20 dB/km，19841984年年0.157 dB/km0.157 dB/km。 （7 7）1986 1986 年年0.154 dB/km0.154 dB/km，接近了光纖

13、最低損耗的理論極限。，接近了光纖最低損耗的理論極限。 光纖通信課件第1章 二、光源研制的發(fā)展二、光源研制的發(fā)展 （1 1）1970 1970 年，美國貝爾實驗室、日本電氣公司年，美國貝爾實驗室、日本電氣公司(NEC)(NEC)和前和前 蘇聯(lián)先后研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷蘇聯(lián)先后研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)(GaAlAs)雙異質(zhì)雙異質(zhì) 結(jié)半導體激光器結(jié)半導體激光器( (短波長短波長) )。壽命只有幾個小時。壽命只有幾個小時。 （2 2）1973 1973 年，半導體激光器壽命達到年，半導體激光器壽命達到70007000小時。小時。 （3 3）1977 1977 年，貝爾實驗

14、室研制的半導體激光器壽命達到年，貝爾實驗室研制的半導體激光器壽命達到1010 萬小時萬小時( (約約11.411.4年年) )，外推壽命達到，外推壽命達到100100萬小時，完全滿足實萬小時，完全滿足實 用化的要求。用化的要求。 （4 4） 19761976年日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為年日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3 1.3 mm的銦鎵砷磷的銦鎵砷磷(InGaAsP)(InGaAsP)激光器激光器 （5 5） 19791979年美國電報電話年美國電報電話(AT&T)(AT&T)公司和日本電報電話公司公司和日本電報電話公司 研制成功發(fā)射波長為研制成功發(fā)射波長為1.55 m1.5

15、5 m的連續(xù)振蕩半導體激光器。的連續(xù)振蕩半導體激光器。 光纖通信課件第1章 由于光纖和半導體激光器的技術進步，使由于光纖和半導體激光器的技術進步，使 1970 1970 年成為年成為 光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑。光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑。 （1 1）1976 1976 年，美國在亞特蘭大年，美國在亞特蘭大(Atlanta)(Atlanta)進行了世界上第進行了世界上第 一個實用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗，系統(tǒng)采用一個實用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗，系統(tǒng)采用GaAlAsGaAlAs激光器激光器 作光源，多模光纖作傳輸介質(zhì)，速率為作光源，多模光纖作傳輸介質(zhì)，速率為44.7 Mb/s44.7 Mb/s

16、，傳輸距離，傳輸距離 約約10 km10 km。 （2 2） 19831983年敷設了縱貫日本南北的光纜長途干線，全長年敷設了縱貫日本南北的光纜長途干線，全長 3400 km3400 km，初期傳輸速率為，初期傳輸速率為400 Mb/s400 Mb/s，后來擴容到，后來擴容到1.6 Gb/s1.6 Gb/s。 （3 3） 19891989年建成第一條橫跨太平洋年建成第一條橫跨太平洋 的的TPC-3/HAW-4TPC-3/HAW-4，全長，全長 13200 km13200 km。 光纖通信課件第1章 光纖通信從研究到應用，發(fā)展非常迅速：光纖通信從研究到應用，發(fā)展非常迅速：技術上不斷更新?lián)Q技術上不

17、斷更新?lián)Q 代，通信能力代，通信能力( (傳輸速率和中繼距離傳輸速率和中繼距離) )不斷提高，應用范圍不不斷提高，應用范圍不 斷擴大斷擴大。 光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個階段：光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個階段： 第一階段第一階段(19661976(19661976年年) )，這是從基礎研究到商業(yè)應用的，這是從基礎研究到商業(yè)應用的 開發(fā)時期。在這個時期，實現(xiàn)了短波長開發(fā)時期。在這個時期，實現(xiàn)了短波長(0.85 m)(0.85 m)低速率低速率(45(45 或或34 Mb/s)34 Mb/s)多模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離約多模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離約10 km10 km。 第二階段

18、第二階段(19761986(19761986年年) )，這是以提高傳輸速率和增加傳，這是以提高傳輸速率和增加傳 輸距離為研究目標和大力推廣應用的大發(fā)展時期。在這個時輸距離為研究目標和大力推廣應用的大發(fā)展時期。在這個時 期，期， 光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從短波長光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從短波長(0.85 m)(0.85 m) 發(fā)展到長波長發(fā)展到長波長(1.31 m(1.31 m和和1.55 m)1.55 m)， 實現(xiàn)了工作波長為實現(xiàn)了工作波長為 1.31 m1.31 m、傳輸速率為、傳輸速率為140565Mb/s 140565Mb/s 的單模光纖通信系統(tǒng)，的單模光纖通信系統(tǒng)， 無中繼

19、傳輸距離為無中繼傳輸距離為10050 km10050 km。 光纖通信課件第1章 第三階段第三階段(19861996(19861996年年) )，這是以超大容量超長距離為目，這是以超大容量超長距離為目 標、全面深入開展新技術研究的時期。在這個時期，實現(xiàn)了標、全面深入開展新技術研究的時期。在這個時期，實現(xiàn)了 1.55 m1.55 m色散移位單模光纖通信系統(tǒng)。采用外調(diào)制技術，傳色散移位單模光纖通信系統(tǒng)。采用外調(diào)制技術，傳 輸速率可達輸速率可達2.510 Gb/s2.510 Gb/s，無中繼傳輸距離可達，無中繼傳輸距離可達150100 km150100 km。 實驗室可以達到更高水平。實驗室可以達到

20、更高水平。 目前，正在開展研究光纖通信新技術，例如，光纖放大目前，正在開展研究光纖通信新技術，例如，光纖放大 器，全光通信，超大容量的波分復用器，全光通信，超大容量的波分復用(WDM)(WDM)光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)和超和超 長距離的光孤子長距離的光孤子(Soliton)(Soliton)通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)。 光纖通信課件第1章 1.1.31.1.3國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀 19761976年美國在亞特蘭大進行的現(xiàn)場試驗，標志著光纖通信年美國在亞特蘭大進行的現(xiàn)場試驗，標志著光纖通信 從基礎研究發(fā)展到了商業(yè)應用的新階段?，F(xiàn)在發(fā)展的狀況為從基礎研究發(fā)展到了商業(yè)應用的新階段

21、?，F(xiàn)在發(fā)展的狀況為 （1 1）光纖從多模發(fā)展到單模。光纖從多模發(fā)展到單模。 （2 2）工作波長從）工作波長從0.85 m0.85 m發(fā)展到發(fā)展到1.31 m1.31 m和和1.55 m1.55 m。 （3 3）傳輸速率從幾十）傳輸速率從幾十Mb/sMb/s發(fā)展到幾十發(fā)展到幾十Gb/sGb/s。 （4 4）從初期的市話局間中繼到長途干線進一步延伸到用戶接）從初期的市話局間中繼到長途干線進一步延伸到用戶接 入網(wǎng)。入網(wǎng)。 （5 5）從數(shù)字電話到有線電視）從數(shù)字電話到有線電視(CATV)(CATV)， （6 6） 從單一類型信息的傳輸?shù)蕉喾N業(yè)務的傳輸。從單一類型信息的傳輸?shù)蕉喾N業(yè)務的傳輸。 光纖通信課

22、件第1章 在許多發(fā)達國家，生產(chǎn)光纖通信產(chǎn)品的行業(yè)已在國民 經(jīng)濟中占重要地位。根據(jù)資料，僅光纜產(chǎn)品一項(約占整個 光纖通信產(chǎn)品的一半)，1995年在世界市場銷售額達38億美 元。 表表 1.1 1.1 世界成纜光纖市場銷售量世界成纜光纖市場銷售量 年份 1994 1995199619971998199920002001 光纖銷售 總長度 /104 km 18102300290034704070473055806570 光纖通信課件第1章 表表 1.2 1.2 世界市場單模光纖平均價格世界市場單模光纖平均價格 年份 1994 1995199619971998199920002001 價格 /($k

23、m- 1) 6867726960524644 表表 1.3 1.3 世界成纜單模光纖市場銷售量世界成纜單模光纖市場銷售量 年份 1998 19992000200120022003 光纖銷售 總長度 /104 km 411046005350623072008110 光纖通信課件第1章 1.2 1.2 光纖通信的優(yōu)點和應用光纖通信的優(yōu)點和應用 1.2.11.2.1光通信與電通信光通信與電通信 任何通信系統(tǒng)追求的最終 技術目標：可靠地實現(xiàn)最 大可能的信息傳輸容量和 傳輸距離。 載波頻率越高（光波） 頻帶寬度越寬 傳輸容量越大 100 THz 10 THz 1 THz 100 GHz 10 GHz 1

24、 GHz 100 MHz 10 MHz 1 MHz 1 m可見光線 10 m 100 m 1 mm 10 mm 100 mm 1 m 10 m 100 m 中波(MF) 短波(HF) 米波(VHF) 分米波(UHF) 厘米波(SHF) 毫米波(EHF) 亞毫米波 遠紅外線 近紅外線 (光纖通信用） 頻率波長名稱 紫外線 圖 1.1 部分電磁波頻譜 光纖通信課件第1章 光纖通信和電通信的主要差別： （1）電通信的載波是電波，光纖通信的載波是光波。 光纖通信用的近紅外光(波長約1m)的頻率(約300 THz) 比微波(波長為0.1m1 mm)的頻率(3300 GHz)高3個數(shù)量 級以上。 光纖通信

25、用的近紅外光(波長為0.71.7m)頻帶寬度約 為200THz，在常用的1.31 m和1.55 m兩個波長窗口 頻帶寬度也在20THz以上。 目前光纖通信用到的帶寬一般只有40GHz，因此還有3個 數(shù)量級以上的帶寬潛力可以挖掘。 光纖通信課件第1章 （2）電通信用電纜傳輸信號，光通信用光纖傳輸信號 光纜具有比電纜更小的高頻率傳輸損耗 1000 100 10 1 0.1 10 M 標準同軸 38 mm海底同軸 光纖 100 M1 G10 G100 G1 T10 T100 T 1000 T 頻率/Hz M：(注) G： T： 106 109 1012 傳輸損耗/(dBkm 1) 51 mm波導器

26、圖 1.2 各種傳輸線路的損耗特性 光纖通信課件第1章 1.2.21.2.2光纖通信的優(yōu)點光纖通信的優(yōu)點 在光纖通信系統(tǒng)中，作為載波的光波頻率比電波頻率高得 多，而作為傳輸介質(zhì)的光纖又比同軸電纜或波導管的損耗低得 多，因此相對于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨特 的優(yōu)點。 1. 1. 容許頻帶很寬，傳輸容量很大容許頻帶很寬，傳輸容量很大 光纖通信系統(tǒng)的容許頻帶(帶寬)取決于光源的調(diào)制特性、 調(diào)制方式和光纖的色散特性。 （1）在零色散波長窗口，單模光纖都具有幾十GHz km的帶寬。 （2）可以采用多種復用技術來增加傳輸容量。 （3）采用波分復用(WDM)或光頻分復用(OFDM)是增加光纖通

27、信 系統(tǒng)傳輸容量最有效的方法。 （4）減小光源譜線寬度和采用外調(diào)制方式。 光纖通信課件第1章 表表1.41.4列出早已實現(xiàn)的單一波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和中列出早已實現(xiàn)的單一波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和中 繼距離。繼距離。 目前，單波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般為目前，單波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般為2.5 Gb/s2.5 Gb/s和和10 10 Gb/sGb/s。 采用外調(diào)制技術，傳輸速率可以達到采用外調(diào)制技術，傳輸速率可以達到40 Gb/s40 Gb/s。波分復用。波分復用(WDM)(WDM) 和光時分復用和光時分復用(TDM)(TDM)更是極大地增加了傳輸容量，更是極大地增加了傳輸容

28、量， 見表見表 1.1.。 WDMWDM最高水平為最高水平為132132個信道，傳輸容量為個信道，傳輸容量為20 Gb/s20 Gb/s132=2640 132=2640 Gb/sGb/s，相當于，相當于120 km120 km的距離傳輸了的距離傳輸了3.33.310108 8條話路。條話路。 光纖通信課件第1章 表表 1.4 1.4 光纖通信與電纜或微波通信傳輸能力的比較光纖通信與電纜或微波通信傳輸能力的比較 通信手段通信手段 傳輸容量傳輸容量(話話 路路)/條條 中繼距離中繼距離/km 1000 km內(nèi)中繼器內(nèi)中繼器 個數(shù)個數(shù) 微波無線電微波無線電 960 5020 小同軸小同軸 9604

29、250 中同軸中同軸 180061600 光纜光纜 19203033 光纜光纜 14000(1Gb/s)8411 光纜光纜 6000(445MB/S)1347 光纖通信課件第1章 2. 2. 損耗很小，損耗很小， 中繼距離很長且誤碼率很小中繼距離很長且誤碼率很小 石英光纖在1.31 m和1.55 m波長， 傳輸損耗分別為 0.50 dB/km和0.20 dB/km，甚至更低。因此，用光纖比用同 軸電纜或波導管的中繼距離長得多，見表1.4。目前，采用外 調(diào)制技術，波長為1.55m的色散移位單模光纖通信系統(tǒng)，若 其傳輸速率為2.5 Gb/s，則中繼距離可達150 km；若其傳輸 速率為10 Gb/

30、s，則中繼距離可達100 km。 光纖通信課件第1章 3. 3. 重量輕、重量輕、 體積小體積小 表表1.61.6給出了鋁給出了鋁/ /聚乙烯粘結(jié)護套聚乙烯粘結(jié)護套(LAP)(LAP)單元結(jié)構光纜和標準同單元結(jié)構光纜和標準同 軸電纜的重量和截面積的比較。軸電纜的重量和截面積的比較。 項目項目 8 芯芯 18 芯芯 光纜光纜 電纜電纜 光纜光纜 電纜電纜 重量重量/(kgm-1) 重量比重量比 0.42 1 6.3 15 0.42 1 11 26 直徑直徑/mm 截面積比截面積比 21 1 47 5 21 1 65 9.6 表表 1.6 1.6 光纜和電纜的重量和截面積比較光纜和電纜的重量和截面

31、積比較 光纖通信課件第1章 例例: : 在美國在美國A - 7A - 7飛機上，用光纖通信代替電飛機上，用光纖通信代替電 纜通信，使飛機重量減輕纜通信，使飛機重量減輕2727磅磅( (約約12.247 kg)12.247 kg)， 相當于飛機制造成本減少相當于飛機制造成本減少2727萬美元。萬美元。 從北京到上海的相同容量的同軸電纜跟光從北京到上海的相同容量的同軸電纜跟光 纖相比。用電纜需銅纖相比。用電纜需銅866966kg866966kg，鋁，鋁2916290kg2916290kg。 若改用光纖，則只需純石英若改用光纖，則只需純石英10kg10kg。 光纖通信課件第1章 4. 4. 抗電磁干

32、擾性能好抗電磁干擾性能好 光纖由電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不受各種光纖由電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不受各種 電磁場的干擾和閃電雷擊的損壞。無金屬光纜非常適合于存電磁場的干擾和閃電雷擊的損壞。無金屬光纜非常適合于存 在強電磁場干擾的高壓電力線路周圍和油田、煤礦等易燃易在強電磁場干擾的高壓電力線路周圍和油田、煤礦等易燃易 爆環(huán)境中使用。爆環(huán)境中使用。 光纖光纖( (復合復合) )架空地線架空地線(Optical Fiber Overhead Ground (Optical Fiber Overhead Ground Wire, OPGW)Wire, OPGW)是光纖與電力輸送系統(tǒng)的

33、地線組合而成的通信光是光纖與電力輸送系統(tǒng)的地線組合而成的通信光 纜，已在電力系統(tǒng)的通信中發(fā)揮重要作用。纜，已在電力系統(tǒng)的通信中發(fā)揮重要作用。 光纖通信課件第1章 5. 5. 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好 在光纖中傳輸?shù)墓庑孤┓浅Ｎ⑷酰词乖趶澢囟我矡o法在光纖中傳輸?shù)墓庑孤┓浅Ｎ⑷?，即使在彎曲地段也無法 竊聽。沒有專用的特殊工具，光纖不能分接，因此信息在光纖竊聽。沒有專用的特殊工具，光纖不能分接，因此信息在光纖 中傳輸非常安全。中傳輸非常安全。 光纖通信課件第1章 6. 6. 節(jié)約金屬材料，節(jié)約金屬材料， 有利于資源合理使用有利于資源合理使用 制造同軸電纜和波導管的銅、鋁、鉛等金屬材

34、料，在地球制造同軸電纜和波導管的銅、鋁、鉛等金屬材料，在地球 上的儲存量是有限的；而制造光纖的石英上的儲存量是有限的；而制造光纖的石英(SiO2)(SiO2)在地球上基本在地球上基本 上是取之不盡的材料。制造上是取之不盡的材料。制造8km8km管中同軸電纜，管中同軸電纜，1km1km需要需要120 kg120 kg 銅和銅和500kg500kg鋁；而制造鋁；而制造8km8km光纖只需光纖只需320 g320 g石英。所以，推廣光石英。所以，推廣光 纖通信，有利于地球資源的合理使用。纖通信，有利于地球資源的合理使用。 光纖通信課件第1章 圖 1.3 各種通信系統(tǒng)相對造價與傳輸容量的比較 平行雙絞

35、線電纜同軸電纜微波 10210103104105106 101 102 103 104 105 系統(tǒng)/話路公里相對造價 話路數(shù)/條 光纜 隨著傳輸容量的增加，由于采用了新的傳輸媒質(zhì)，隨著傳輸容量的增加，由于采用了新的傳輸媒質(zhì)， 使得相對造價直線下降。使得相對造價直線下降。 光纖通信課件第1章 1.2.31.2.3光纖通信的應用光纖通信的應用 光纖可以傳輸數(shù)字信號，也可以傳輸模擬信號。光纖應光纖可以傳輸數(shù)字信號，也可以傳輸模擬信號。光纖應 用廣泛如：通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、與計算機網(wǎng)以及在其它數(shù)用廣泛如：通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、與計算機網(wǎng)以及在其它數(shù) 據(jù)傳輸系統(tǒng)中。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速，是

36、據(jù)傳輸系統(tǒng)中。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速，是 當前研究開發(fā)應用的主要目標。光纖通信的各種應用可概括當前研究開發(fā)應用的主要目標。光纖通信的各種應用可概括 如下：如下： 通信網(wǎng)，包括全球通信網(wǎng)通信網(wǎng)，包括全球通信網(wǎng)( (如橫跨大西洋和太平洋的如橫跨大西洋和太平洋的 海底光纜和跨越歐亞大陸的洲際光纜干線海底光纜和跨越歐亞大陸的洲際光纜干線) )、各國的公共電信、各國的公共電信 網(wǎng)網(wǎng)( (如我國的國家一級干線、各省二級干線和縣以下的支線如我國的國家一級干線、各省二級干線和縣以下的支線) )、 各種專用通信網(wǎng)各種專用通信網(wǎng)( (如電力、鐵道、國防等部門通信、指揮、調(diào)如電力、鐵道、國防等部門通信、

37、指揮、調(diào) 度、度、 監(jiān)控的光纜系統(tǒng)監(jiān)控的光纜系統(tǒng)) )、特殊通信手段、特殊通信手段( (如石油、化工、煤礦如石油、化工、煤礦 等部門易燃易爆環(huán)境下使用的光纜，等部門易燃易爆環(huán)境下使用的光纜， 以及飛機、軍艦、潛艇、以及飛機、軍艦、潛艇、 導彈和宇宙飛船內(nèi)部的光纜系統(tǒng)導彈和宇宙飛船內(nèi)部的光纜系統(tǒng)) )。 光纖通信課件第1章 構成因特網(wǎng)的計算機局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，如光纖以太網(wǎng)、構成因特網(wǎng)的計算機局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，如光纖以太網(wǎng)、 路由器之間的光纖高速傳輸鏈路。路由器之間的光纖高速傳輸鏈路。 有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)；工業(yè)電視系統(tǒng)，如工廠、有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)；工業(yè)電視系統(tǒng)，如工廠、 銀行、商場、交通和

38、公安部門的監(jiān)控；銀行、商場、交通和公安部門的監(jiān)控； 自動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)自動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù) 傳輸。傳輸。 綜合業(yè)務光纖接入網(wǎng)，分為有源接入網(wǎng)和無源接入網(wǎng)，綜合業(yè)務光纖接入網(wǎng)，分為有源接入網(wǎng)和無源接入網(wǎng)， 可實現(xiàn)電話、數(shù)據(jù)、視頻可實現(xiàn)電話、數(shù)據(jù)、視頻( (會議電視、可視電話等會議電視、可視電話等) )及多媒體及多媒體 業(yè)務綜合接入核心網(wǎng)，提供各種各樣的社區(qū)服務。業(yè)務綜合接入核心網(wǎng)，提供各種各樣的社區(qū)服務。 光纖通信課件第1章 1.31.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成 光纖通信系統(tǒng)可以傳輸數(shù)字信號，也可以傳輸模擬信號。 可以傳輸話音、圖像、數(shù)據(jù)或多媒體信息。 信 息 源 電 發(fā) 射

39、機 光 發(fā) 射 機 光 接 收 機 電 接 收 機 信 息 宿 基本光纖傳輸系統(tǒng) 光纖線路 接 收發(fā) 射 電信號 輸入 光信號 輸出 光信號 輸入 電信號 輸出 圖 1.4 光纖通信系統(tǒng)的基本組成(單向傳輸) 光纖通信課件第1章 Point-to-Point Communication Link Optical Fiber (single-mode or multimode) Output data Driver (electronics) Transmitter Input data Optical Source External Modulator (a) (b) Connector Co

40、nnector Photodetector Regenerator Receiver 光纖通信課件第1章 1.3.11.3.1發(fā)射和接收發(fā)射和接收 一、發(fā)射一、發(fā)射 數(shù)字信號：數(shù)字信號： 電發(fā)射機：把基帶信號轉(zhuǎn)換為適合信道傳輸?shù)碾娦盘栯姲l(fā)射機：把基帶信號轉(zhuǎn)換為適合信道傳輸?shù)碾娦盘? (脈沖編脈沖編 碼調(diào)制碼調(diào)制) ) 光發(fā)射機：把電信號轉(zhuǎn)換成適合在光纖中傳輸?shù)墓庑盘枺ň幋a、光發(fā)射機：把電信號轉(zhuǎn)換成適合在光纖中傳輸?shù)墓庑盘枺ň幋a、 調(diào)制）調(diào)制） 對于模擬電視傳輸，則用攝像機把圖像轉(zhuǎn)換為對于模擬電視傳輸，則用攝像機把圖像轉(zhuǎn)換為6 MHz6 MHz的模擬基的模擬基 帶信號，直接輸入光發(fā)射機。帶信號，

41、直接輸入光發(fā)射機。 二、接收二、接收 與發(fā)射過程相反與發(fā)射過程相反 光纖通信課件第1章 模擬信號傳輸?shù)膹陀茫耗M信號傳輸?shù)膹陀茫?為提高傳輸質(zhì)量，通常把這種模擬基帶信號轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)為提高傳輸質(zhì)量，通常把這種模擬基帶信號轉(zhuǎn)換為頻率調(diào) 制制(FM)(FM)、脈沖頻率調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制(PFM)(PFM)或脈沖寬度調(diào)制或脈沖寬度調(diào)制(PWM)(PWM)信號，最后信號，最后 把這種已調(diào)信號輸入光發(fā)射機。把這種已調(diào)信號輸入光發(fā)射機。 還可以采用頻分復用還可以采用頻分復用(FDM)(FDM)技技 術，用來自不同信息源的視頻模擬基帶信號術，用來自不同信息源的視頻模擬基帶信號( (或數(shù)字基帶信號或數(shù)字基帶信號

42、) ) 分別調(diào)制指定的不同頻率的射頻分別調(diào)制指定的不同頻率的射頻(RF)(RF)電波，然后把多個這種帶電波，然后把多個這種帶 有信息的有信息的RFRF信號組合成多路寬帶信號，最后輸入光發(fā)射機，信號組合成多路寬帶信號，最后輸入光發(fā)射機， 由光載波進行傳輸。由光載波進行傳輸。 在這個過程中，受調(diào)制的在這個過程中，受調(diào)制的RFRF電波稱為副電波稱為副 載波，這種采用頻分復用的多路電視傳輸技術，載波，這種采用頻分復用的多路電視傳輸技術， 稱為副載波稱為副載波 復用復用(SCM)(SCM)。 光纖通信課件第1章 1.3.21.3.2基本光纖傳輸系統(tǒng)基本光纖傳輸系統(tǒng) 基本光纖傳輸系統(tǒng)作為獨立的基本光纖傳輸

43、系統(tǒng)作為獨立的“光信道光信道”單元，可以和其單元，可以和其 它設備相結(jié)合，構成結(jié)構更復雜，功能更強大的通信系統(tǒng)。它設備相結(jié)合，構成結(jié)構更復雜，功能更強大的通信系統(tǒng)。 基本光纖傳輸系統(tǒng)由光發(fā)射機、光纖線路和光接收機三個基本光纖傳輸系統(tǒng)由光發(fā)射機、光纖線路和光接收機三個 部分組成。部分組成。 光纖通信課件第1章 1. 1. 光發(fā)射機光發(fā)射機 功能：是把輸入電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并用耦合技術把光信功能：是把輸入電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并用耦合技術把光信 號最大限度地注入光纖線路。號最大限度地注入光纖線路。 核心：光源。要求光源輸出光功率足夠大，調(diào)制頻率足夠高，核心：光源。要求光源輸出光功率足夠大，調(diào)制頻率

44、足夠高， 譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長穩(wěn)定，器件譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長穩(wěn)定，器件 壽命長。壽命長。 目前廣泛使用的光源有半導體發(fā)光二極管目前廣泛使用的光源有半導體發(fā)光二極管(LED)(LED)和半導體激光和半導體激光 二極管二極管( (或稱激光器或稱激光器)(LD) )(LD) 光纖通信課件第1章 LED (Light emitting diode) LD (laser diode) 光纖通信課件第1章 圖圖 1.51.5兩種調(diào)制方案兩種調(diào)制方案 (a) (a) 直接調(diào)制；直接調(diào)制； (b) (b) 間接調(diào)制間接調(diào)制( (外調(diào)制外調(diào)制) ) 激光源 驅(qū)動器

45、 光纖 光信號輸出 電信號 輸入 (a) 激光源調(diào)制器 驅(qū)動和控制 電信號輸入 光纖 光信號輸出 (b) 光纖通信課件第1章 2. 2. 光纖線路光纖線路 功能：把來自光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的畸變功能：把來自光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的畸變( (失真失真) )和和 衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C。衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C。 光纖線路由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。光纖線路由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。 光纖線路的性能主要由纜內(nèi)光纖的傳輸特性決定。對光纖光纖線路的性能主要由纜內(nèi)光纖的傳輸特性決定。對光纖 的基本要求是損耗和色散這兩個傳輸特性參數(shù)都盡可能地小，的基本要求是損耗和色散這兩個傳輸特性參數(shù)都

46、盡可能地小， 而且有足夠好的機械特性和環(huán)境特性，而且有足夠好的機械特性和環(huán)境特性， 光纖通信課件第1章 Connectors 光纖通信課件第1章 石英光纖在在石英光纖在在0.85 m0.85 m、1.31 m1.31 m和和1.55 m1.55 m有三個損有三個損 耗很小的波長耗很小的波長“窗口窗口”。在這三個波長窗口損耗分別小于。在這三個波長窗口損耗分別小于 2dB/km2dB/km、 0.4 dB/km0.4 dB/km和和0.2 dB/km0.2 dB/km。 石英光纖在波長石英光纖在波長1.31 m1.31 m色散為零。作為光源的激光器色散為零。作為光源的激光器 的發(fā)射波長和作為光檢測

47、器的光電二極管的波長響應，都要的發(fā)射波長和作為光檢測器的光電二極管的波長響應，都要 和光纖這三個波長窗口相一致。和光纖這三個波長窗口相一致。 光纖通信課件第1章 3. 3. 光接收機光接收機 功能：把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)功能：把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn) 換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復成發(fā)射前的電信號。換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復成發(fā)射前的電信號。 核心：光檢測器。對光檢測器的要求是響應度高、核心：光檢測器。對光檢測器的要求是響應度高、 噪聲低和噪聲低和 響應速度快。響應速度快。 光纖通信課件第1章 PIN (Positive Intrinsic

48、 Negative)APD (Avalanche photo diodes) 目前廣泛使用的光檢測器有兩種類型：目前廣泛使用的光檢測器有兩種類型： 在半導體在半導體PNPN 結(jié)中加入本征層的結(jié)中加入本征層的PINPIN光電二極管光電二極管(PIN - PD)(PIN - PD)和雪崩和雪崩 光電二極管光電二極管(APD)(APD)。 光纖通信課件第1章 光接收機把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程光接收機把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程( (常簡稱為光常簡稱為光/ / 電或電或O/EO/E轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換) )，是通過光檢測器的檢測實現(xiàn)的。檢測方式，是通過光檢測器的檢測實現(xiàn)的。檢測方式 有直接檢測和外差檢測兩種。直接

49、檢測是用檢測器直接把有直接檢測和外差檢測兩種。直接檢測是用檢測器直接把 光信號轉(zhuǎn)換為電信號。這種檢測方式設備簡單、光信號轉(zhuǎn)換為電信號。這種檢測方式設備簡單、 經(jīng)濟實用，經(jīng)濟實用， 是當前光纖通信系統(tǒng)普遍采用的方式。是當前光纖通信系統(tǒng)普遍采用的方式。 外差檢測要設置一個本地振蕩器和一個光混頻器，使外差檢測要設置一個本地振蕩器和一個光混頻器，使 本地振蕩光和光纖輸出的信號光在混頻器中產(chǎn)生差拍而輸本地振蕩光和光纖輸出的信號光在混頻器中產(chǎn)生差拍而輸 出中頻光信號，再由光檢測器把中頻光信號轉(zhuǎn)換為電信號。出中頻光信號，再由光檢測器把中頻光信號轉(zhuǎn)換為電信號。 外差檢測方式的難點是需要頻率非常穩(wěn)定，相位和偏振

50、方外差檢測方式的難點是需要頻率非常穩(wěn)定，相位和偏振方 向可控制，譜線寬度很窄的單模激光源；優(yōu)點是有很高的向可控制，譜線寬度很窄的單模激光源；優(yōu)點是有很高的 接收靈敏度。接收靈敏度。 光纖通信課件第1章 目前，實用光纖通信系統(tǒng)普遍采用直接調(diào)制直接檢測方 式。外調(diào)制外差檢測方式雖然技術復雜，但是傳輸速率和接 收靈敏度很高，是很有發(fā)展前途的通信方式。 光接收機最重要的特性參數(shù)是靈敏度。靈敏度是衡量光 接收機質(zhì)量的綜合指標，它反映接收機調(diào)整到最佳狀態(tài)時， 接收微弱光信號的能力。靈敏度主要取決于組成光接收機的 光電二極管和放大器的噪聲，并受傳輸速率、光發(fā)射機的參 數(shù)和光纖線路的色散的影響，還與系統(tǒng)要求的誤碼率或信噪 比有密切關系。所以靈敏度也是反映光纖通信系統(tǒng)質(zhì)量的重 要指標。 光纖通信課件第1章 1.3.31.3.3數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng) 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)比模擬光纖通信系統(tǒng)具有更多的優(yōu)點，數(shù)字光纖通信系統(tǒng)比模擬光纖通信系統(tǒng)具有更多的優(yōu)點， 也更