光纖通信01：緒論

1、光通信技術The Technology of Optical Communication 臧小飛臧小飛光電信息與計算機工程學院光電信息與計算機工程學院推薦教材 書名：光纖通信書名：光纖通信 作者：陳才和作者：陳才和 出版單位：電子工業(yè)出版社出版單位：電子工業(yè)出版社 推薦教材 書名：光纖通信書名：光纖通信 作者：張寶富作者：張寶富 出版單位：西安電子科技大學出版社出版單位：西安電子科技大學出版社 書名：光纖通信原理與系統(tǒng)書名：光纖通信原理與系統(tǒng) (第第3版版) 作者：張明德，孫小菡作者：張明德，孫小菡 出版單位：東南大學出版社出版單位：東南大學出版社 參考教材參考教材 書名：光纖通信（第五版）書

2、名：光纖通信（第五版） 作者：作者：Joseph C.Palais 譯者：王江平、劉杰等譯者：王江平、劉杰等 出版單位：電子工業(yè)出版社出版單位：電子工業(yè)出版社思考 什么是光纖通信？什么是光纖通信？ “ “烽火臺烽火臺”傳遞軍情？傳遞軍情？光源光源接收器接收器光調制光解調缺點：缺點：傳送信息少；傳送信息少；受地形、氣象等外在條件的限制。受地形、氣象等外在條件的限制。貝爾的光電話（貝爾的光電話（PhotoPhone）？）？ 1880 1880，貝爾發(fā)明了第一個光電話。，貝爾發(fā)明了第一個光電話。 光源：弧光燈光源：弧光燈 調制光：發(fā)出的光投射在話筒的音膜上，當音膜按照說話人聲音的調制光：發(fā)出的光投射

3、在話筒的音膜上，當音膜按照說話人聲音的強弱及音調不同而作相應的振動時，從音膜上反射出來的光的強弱也強弱及音調不同而作相應的振動時，從音膜上反射出來的光的強弱也隨之變化隨之變化 傳播介質：大氣傳播介質：大氣 光接收器和光解調：硅光電池。硅光電池放在一個大型拋物面鏡的光接收器和光解調：硅光電池。硅光電池放在一個大型拋物面鏡的焦點上。硅光電池能將射在它上面的光轉變成電信號，這個電信號的焦點上。硅光電池能將射在它上面的光轉變成電信號，這個電信號的強弱及變化頻率，都恰好能反映原來用于調制光信號的聲音的強弱及強弱及變化頻率，都恰好能反映原來用于調制光信號的聲音的強弱及頻率。這個電信號被送進聽筒，就能還原成

4、原來的聲音，完成了整個頻率。這個電信號被送進聽筒，就能還原成原來的聲音，完成了整個通信過程。通信過程。應用：應用：第一次世界大戰(zhàn)和第二次世界大戰(zhàn)期間，軍事部門先后試第一次世界大戰(zhàn)和第二次世界大戰(zhàn)期間，軍事部門先后試驗過幾種光電話裝置，還采用了人眼看不見的保密性更好的紅驗過幾種光電話裝置，還采用了人眼看不見的保密性更好的紅外光作為光載波。貝爾的光電話裝置在晴天時通話距離可達數外光作為光載波。貝爾的光電話裝置在晴天時通話距離可達數公里至十幾公里。公里至十幾公里。優(yōu)點：優(yōu)點：在貝爾的光電話中，包含著近代光通信技術的萌芽。在發(fā)在貝爾的光電話中，包含著近代光通信技術的萌芽。在發(fā)射端，電能轉換成弧光燈的光

5、能；在調制器中，聲音轉變成電射端，電能轉換成弧光燈的光能；在調制器中，聲音轉變成電流，然后驅動話筒的音膜振動；在接收端，接收到的光信號在流，然后驅動話筒的音膜振動；在接收端，接收到的光信號在硅光電池中轉換成電信號，電信號又在聽筒中轉換成聲音信號，硅光電池中轉換成電信號，電信號又在聽筒中轉換成聲音信號，實現(xiàn)了光、電、聲音（或文字、圖像）的相互轉換。實現(xiàn)了光、電、聲音（或文字、圖像）的相互轉換。這是一切現(xiàn)代光通信的共同特點。缺點：缺點：光波通信都是利用自然光源，它包括自然光和一般的燈光光光波通信都是利用自然光源，它包括自然光和一般的燈光光源，人工不好控制它的變化，也不好處理，不能像短波波段源，人工

6、不好控制它的變化，也不好處理，不能像短波波段和微波波段的電磁波那樣進行復雜的通信工作。和微波波段的電磁波那樣進行復雜的通信工作。 光波傳播易受氣候的影響，可見度距離很短，遇到下雨下雪光波傳播易受氣候的影響，可見度距離很短，遇到下雨下雪天也有影響。天也有影響。在1870 年，英國物理學家丁達爾做了個實驗。 現(xiàn)象：現(xiàn)象：射入水中的光竟隨著水從小孔流出，并且同射入水中的光竟隨著水從小孔流出，并且同水流一起沿著弧線落到地面，在地面上產生水流一起沿著弧線落到地面，在地面上產生一個光斑。一個光斑。結論：結論：像水這樣的透明物質是可以傳送光束的。像水這樣的透明物質是可以傳送光束的。啟發(fā)：啟發(fā)：光導纖維來作為

7、光的光導纖維來作為光的“導線導線”。不管玻璃絲怎樣彎曲，從它的一端射入的光都會順著它彎曲地傳播，而不管玻璃絲怎樣彎曲，從它的一端射入的光都會順著它彎曲地傳播，而從另一端射出。從另一端射出。 19661966年，英籍華裔學者年，英籍華裔學者高錕高錕指出了利用光纖指出了利用光纖(Optical Fiber)(Optical Fiber)進進行信息傳輸的可能性和技術途徑，奠定了現(xiàn)代光通信行信息傳輸的可能性和技術途徑，奠定了現(xiàn)代光通信光纖光纖通信的基礎。通信的基礎。光纖通信發(fā)明家光纖通信發(fā)明家高錕高錕( (左左) )19981998年英國接受年英國接受IEEEIEEE授予的獎章授予的獎章2009200

8、9年獲得諾貝年獲得諾貝爾物理學獎爾物理學獎 所謂光纖通信，就是利用所謂光纖通信，就是利用光纖（光導纖維）光纖（光導纖維）來傳輸攜來傳輸攜帶信息的帶信息的光波光波以達到以達到信息傳輸信息傳輸的目的。的目的。 回答三個問題：回答三個問題： 1.1.傳輸媒質？傳輸媒質？ 2.2.載波？載波？ 3.3.實現(xiàn)目的？實現(xiàn)目的？光纖光接收機光放大器光發(fā)送機光源信息源光纖通信系統(tǒng)簡單組成：教學內容 第第1章章 緒論緒論 第第2章章 光纖傳輸理論光纖傳輸理論 第第3章章 光纖傳輸器件光纖傳輸器件 第第4章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 第第5章章 光檢測器與光接收機光檢測器與光接收機 第第6章章 光放大器光放

9、大器 第第7章章 光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng) 第第8章章 現(xiàn)代光纖通信技術現(xiàn)代光纖通信技術教學目的與考核說明 光纖通信課程是光信息科學與技術領域的一門主干技術基礎課光纖通信課程是光信息科學與技術領域的一門主干技術基礎課程，也是光學工程領域中一門現(xiàn)代技術基礎課程。通過學習使程，也是光學工程領域中一門現(xiàn)代技術基礎課程。通過學習使學生掌握光纖通信的基本原理和系統(tǒng)組成，了解光纖通信的未學生掌握光纖通信的基本原理和系統(tǒng)組成，了解光纖通信的未來與發(fā)展，為進一步學習光纖通信技術和設備打下基礎。來與發(fā)展，為進一步學習光纖通信技術和設備打下基礎。 為學生今后研究更先進光通信技術與系統(tǒng)打下基礎。為學生今后研究更先進

10、光通信技術與系統(tǒng)打下基礎。 考核(1)(1)平時成績占平時成績占30%30%(2)(2)期終考察占期終考察占70%70%目的：11光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀 1.1.1 光纖的發(fā)展 1.1.2 激光器的發(fā)展 1.1.3 實用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展 1.1.4 國內外光纖通信的研究現(xiàn)狀及展望12 光纖通信的優(yōu)點和應用 1.2.1 光纖通信的優(yōu)點 1.2.2 光纖通信的應用1 3 光纖通信系統(tǒng)的組成 第第1章章 緒緒 論論 補充：補充：分貝（dB，decibel）1.分貝表示相對功率。分貝表示相對功率。2.分貝表示絕對功率。分貝表示絕對功率。3. 為什么采用分貝表示功率？為什么采用分貝表示功率？ 分貝表

11、示相對功率：分貝表示相對功率：12lg10dBPP要求：要求：P2和和P1的單位必須相同。的單位必須相同。放大增益時損耗情況下12120dB0dBPPPP10/dB121210lg10dBPPPP2.已知相對功率時，可以得到傳輸功率狀態(tài)：已知相對功率時，可以得到傳輸功率狀態(tài)：1.已知相對功率時，可以通過輸入功率求輸出功率：已知相對功率時，可以通過輸入功率求輸出功率： 如果所指的明顯是損耗的話，有時負號可以省略。如功率變化如果所指的明顯是損耗的話，有時負號可以省略。如功率變化-3dB-3dB時稱為時稱為3dB3dB損耗。損耗。 分貝表示絕對功率：將功率與一個固定的參考值做比較，稱為分貝表示絕對功

12、率：將功率與一個固定的參考值做比較，稱為用分貝表示的絕對功率。用分貝表示的絕對功率。1mWlg10dBmlg10dB21mW121PPPP時當所以：所以：當功率為當功率為0dBm時表示功率為？時表示功率為？當功率為當功率為-30dBm時表示功率為？時表示功率為？答案為：答案為：1mW和和1W。為什么用分貝來表示功率的變化？為什么用分貝來表示功率的變化？ 用分貝表示功率是一個十分方便的量。主要考慮用分貝表示功率是一個十分方便的量。主要考慮元件級聯(lián)元件級聯(lián)時，時，計算十分方便。計算十分方便。總的效率（以分貝為單位）是單個級聯(lián)部分的總的效率（以分貝為單位）是單個級聯(lián)部分的效率（以分貝為單位）之效率（

13、以分貝為單位）之和和，這是采用分貝計算的主要優(yōu)點。，這是采用分貝計算的主要優(yōu)點。 )lg(10)lg(10)lg(10)lg(10lg10dB12233412233414PPPPPPPPPPPPPP計算：計算：1.如圖所示的三個級聯(lián)部分的損耗分別為如圖所示的三個級聯(lián)部分的損耗分別為-11dB，-6dB和和-3dB。計算此系統(tǒng)的總損耗。如果輸入功率為計算此系統(tǒng)的總損耗。如果輸入功率為5mW，試計算輸出功，試計算輸出功率。率。2.假設有個發(fā)光二極管的輸出功率為假設有個發(fā)光二極管的輸出功率為2mW，計算與此輻射功率相，計算與此輻射功率相對應的對應的dBm值。此功率通過一組元件后有值。此功率通過一組元

14、件后有23dB的損耗，計算的損耗，計算輸出功率。輸出功率。dB20)dB3()dB6()dB11()lg(10)lg(10)lg(10)lg(10lg10dB12233412233414PPPPPPPPPPPPPP%101. 0101010/20dB/1014PPmW05. 0%1mW5%114 PP1.解：總損耗為解：總損耗為等效的功率比（即功率傳輸效率）為：等效的功率比（即功率傳輸效率）為：則接收功率為：則接收功率為：2.解：發(fā)射功率是以毫瓦為單位的，所以解：發(fā)射功率是以毫瓦為單位的，所以dBm01. 3mW1mW2lg10mW1lg10dBm1P 由于此功率有由于此功率有23dB的損耗，

15、也就是說輸出功率比輸入功率小的損耗，也就是說輸出功率比輸入功率小23dB。 對應的功率比為對應的功率比為由于參考功率值為由于參考功率值為1mW，所以輸出功率為，所以輸出功率為dB/1023/102110100.0050.5%PP22mW0.5%0.01mWP 1.1.1 光纖的發(fā)展 降低損耗1951年，醫(yī)療用玻璃纖維發(fā)明。但這種早期的光導纖維損耗太年，醫(yī)療用玻璃纖維發(fā)明。但這種早期的光導纖維損耗太大（大于大（大于1000dB/km），），不能用。1965年，由一系列透鏡構成的透鏡光波導被報導。但結構太復年，由一系列透鏡構成的透鏡光波導被報導。但結構太復雜且精度要求太高，雜且精度要求太高，不實用

16、。1966年，英籍華裔學者高錕年，英籍華裔學者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關于傳輸介質新概念的論文，分析了造發(fā)表了關于傳輸介質新概念的論文，分析了造成光纖傳輸損耗高的主要原因，指出如果完全除去玻璃中的雜成光纖傳輸損耗高的主要原因，指出如果完全除去玻璃中的雜質，光纖損耗可降到質，光纖損耗可降到20dB/km(相當于同軸電纜相當于同軸電纜)，可以用于光纖通信。1.1 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 “原材料的提純制造出適合于長距離通信使原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖用的低損耗光纖” 1970年，光纖研制取得了重大突

17、破年，光纖研制取得了重大突破 1970年，美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段。把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段。 用它和玻璃的透明程度比較，光透過玻璃功率損耗一半（相當于3分貝）的長度分別是：普通玻璃為幾厘米、高級光學玻璃最多也只有幾米，而通過每千米損耗為20分貝的光纖的長度可達150米。這就是說，光纖的透明程度已經比玻璃高出了幾百倍！ 1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4 dB/km。 1973 年，美國貝爾(Bell)實驗室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。 1976 年，

18、日本電報電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47 dB/km(波長1.2m)。 在以后的 10 年中，波長為1.55 m的光纖損耗：1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纖最低損耗的理論極限光纖最低損耗的理論極限。 1.1.2激光器的發(fā)展 1960年，美國人梅曼年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器，發(fā)明了第一臺紅寶石激光器， 給光通給光通信帶來了新的希望。激光器的發(fā)明和應用，信帶來了新的希望。激光器的發(fā)明和應用， 使沉睡了使沉睡了80年的光通信年的光通信進入一個嶄新的階段。進入一個嶄新的階段。

19、 在這個時期，美國麻省理工學院利用在這個時期，美國麻省理工學院利用He - Ne激光器和激光器和CO2激光器進行激光器進行了大氣激光通信試驗。了大氣激光通信試驗。 1962年，年，GaAs半導體激光二極管（半導體激光二極管（LD）問世，意味著現(xiàn)代光通信有）問世，意味著現(xiàn)代光通信有了小體積的高速光源。了小體積的高速光源。LD輸出進入單模光纖的功率約為輸出進入單模光纖的功率約為1mW，且摻，且摻雜后可以將發(fā)射波長移到短波長低損耗窗口。雜后可以將發(fā)射波長移到短波長低損耗窗口。 1970 年，光纖通信用年，光纖通信用光源光源取得了實質性的進展取得了實質性的進展 1970年，美國貝爾實驗室、日本電氣公司

20、(NEC)和前蘇聯(lián)先后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質結半導體激光器(短波長)。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導體激光器的發(fā)展奠定了基礎。 1973 年，半導體激光器壽命達到7000小時。 1976年，日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3 m的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。 1977 年，貝爾實驗室研制的半導體激光器壽命達到10萬小時。 1979年美國電報電話(AT&T)公司和日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55 m的連續(xù)振蕩半導體激光器。 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 年成為年成為

21、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 1.1.3實用實用光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展的發(fā)展 1976 年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進行了世界上第一個實用光世界上第一個實用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗。1977年，世界上第一條光纖通信系統(tǒng)在美國芝加哥市投入商用，速率為45Mbs。 1980 年，美國標準化FT - 3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應用。 1976 年和 1978 年，日本先后進行了速率為34 Mb/s的突變型多模光纖通信系統(tǒng)， 以及速率為100 Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗。 1983年敷設了縱貫日本南北的光纜長途干線。 隨后，由美、日

22、、 英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋 TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成。 第一條橫跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設得到了全面展開，促進了全球通信網的發(fā)展。 總的來說，光纖通信技術不斷創(chuàng)新：光纖從多模發(fā)展到單多模發(fā)展到單模模，工作波長從0.85 m發(fā)展到1.3 m和1.55 m(短波長向長波短波長向長波長長），傳輸速率傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s（低速率到高速低速率到高速率率）。 隨著技術的進步和大規(guī)模產業(yè)的形成，光纖價格不斷下降光纖價格不斷下降，應用范圍不斷擴大。目前光纖已成為信息寬帶傳輸的主要媒質，光纖通信系統(tǒng)

23、將成為未來國家信息基礎設施的支柱。 在許多發(fā)達國家，生產光纖通信產品的行業(yè)已在國民經濟在許多發(fā)達國家，生產光纖通信產品的行業(yè)已在國民經濟中占重要地位中占重要地位。 商用光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為四個階段商用光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為四個階段： 第一階段(1980年1983年)，這是從基礎研究到商業(yè)應用的開發(fā)時期： 0.85 m波長多模光纖的第一代系統(tǒng)。第二階段(1983年1991年)，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。1.3 m波長單模光纖的第二代系統(tǒng)。第三階段(1991年1995年)，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。 1.5

24、5 m單頻激光器的第三代系統(tǒng)。第四階段(1995年)，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。采用光放大器的第四代系統(tǒng)。光纖通信整體發(fā)展時間表光纖通信整體發(fā)展時間表1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 100000 10000 1000 100 10 1 0.1 0.8m 多模1.3m 多模1.55m 單模光孤子光放大器1.55m相干檢測系統(tǒng)性能(Gb/sKm） 1.1.4 國內外光纖通信的研究現(xiàn)狀和展望國內外光纖通信的研究現(xiàn)狀和展望 近十幾年來，光纖通信發(fā)展得很快，世界上許多國家都在大力發(fā)展光纖通信。在科技發(fā)達國家，光纖通信技術已基本成熟，世界上形成了北美、西歐和遠東三個光通信發(fā)達地區(qū)，其代表國分別為美國、英國和日本，其它國家如法國、西德、意大利等國家的光纖通信發(fā)展也很快。 近20 年來，我國一直把光通信的有關課題當作重點攻關項目。許多專家學者為之奮斗，取得了一系列重要成果。 目前，光纖通信已成為世界通信網的骨干：光纖到辦公室，光纖進入家庭。 光網聯(lián)天下光網聯(lián)天下光傳輸技術的發(fā)展、光傳輸市場熱點光傳輸技術的發(fā)展、光傳輸市場熱點 全光通信網全光通信網未來寬帶的發(fā)展方向未來寬帶的發(fā)展方向 光纖通信