光纖通信第一章光纖通信級(jí)

光纖通信第一章光纖通信級(jí)1第一頁，共八十九頁，2022年，8月28日第1章

光纖通信概述1.1 光纖通信概述1.2光纖通信的發(fā)展1.3光纖通信系統(tǒng)簡介1.4我國光纖通信發(fā)展簡介1.5光纖通信認(rèn)知第2章

光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)

2.1光的本質(zhì)

2.2光的反射、折射和全反射

2.3波導(dǎo)光學(xué)

2.4光的吸收、色散和散射

2.5激光原理第3章光纖

3.1光纖概述

3.2階躍型光纖的波導(dǎo)光學(xué)理論

3.3漸變光纖的理論分析

3.4單模光纖

3.5光纖的損耗特性

3.5光纖的色散特性3.7光纖的特性參數(shù)

主要內(nèi)容

第4章光源和光發(fā)射機(jī)

4.1半導(dǎo)體的能帶理論

4.2發(fā)光二極管

4.3半導(dǎo)體激光器4.4光調(diào)制4.5光發(fā)送機(jī)第5章光檢測(cè)器與光接收機(jī)5.1光檢測(cè)器

5.2光檢測(cè)器的工作特性

5.3光接收機(jī)2第二頁，共八十九頁，2022年，8月28日主要內(nèi)容

5.4光接收機(jī)的噪聲

5.5光接收機(jī)的誤碼率和接收靈敏度第6章

光纖通信系統(tǒng)與工程

6.1強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)

6.2光纖通信的線路碼型

6.3光纖通信的性能指標(biāo)6.4損耗和色散對(duì)系統(tǒng)的影響

6.5光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

6.6光纖通信工程第7章SDH技術(shù)

7.1SDH的產(chǎn)生和基本特點(diǎn)7.2SDH的速率和幀結(jié)構(gòu)7.3同步復(fù)用與映射方法7.4SDH設(shè)備7.5SDH傳送網(wǎng)結(jié)構(gòu)和自愈保護(hù)7.6SDH同步與管理第8章

光放大和色散補(bǔ)償技術(shù)

8.1光放大器及其工作性能

8.2摻鉺光纖放大器

8.3光纖喇曼放大器

8.4色散補(bǔ)償技術(shù)第9章

波分復(fù)用技術(shù)9.1多信道復(fù)用技術(shù)9.2光波分復(fù)用原理與技術(shù)9.3光波分復(fù)用器9.4WDM光傳輸網(wǎng)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)第10章

光纖通信的高新技術(shù)10.1相干光通信技術(shù)10.2光孤子通信技術(shù)10.3光接人技術(shù)10.4光交換技術(shù)10.5全光通信網(wǎng)3第三頁，共八十九頁，2022年，8月28日第一章光纖通信概述1.1光纖通信概述1.2光纖通信的發(fā)展1.3光纖通信系統(tǒng)簡介1.4我國光纖通信發(fā)展簡介1.5光纖通信認(rèn)知4第四頁，共八十九頁，2022年，8月28日1.1光纖通信概述什么是通信？“通”傳送，“信”信息；信息的傳送基本組成：發(fā)送、傳輸、接收什么是光纖通信？利用激光作為信息的載波信號(hào)，并通過光纖來傳送信息的通信系統(tǒng)。5第五頁，共八十九頁，2022年，8月28日什么是通信？“通”傳送，“信”信息；信息的傳送基本組成：發(fā)送、傳輸、接收什么是光纖通信？利用激光作為信息的載波信號(hào)，并通過光纖來傳送信息的通信系統(tǒng)。光纖通信是人類科學(xué)技術(shù)的重大突破，光纖通信已成為現(xiàn)代信息社會(huì)的神經(jīng)系統(tǒng)光纖----信息社會(huì)的標(biāo)志6第六頁，共八十九頁，2022年，8月28日

現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動(dòng)通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息7第七頁，共八十九頁，2022年，8月28日

現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動(dòng)通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息信息指用戶要求傳送的語音、圖像、數(shù)據(jù)以及它們的各種組合8第八頁，共八十九頁，2022年，8月28日用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動(dòng)通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息

現(xiàn)代通信方式示意圖用戶終端交換設(shè)備接入網(wǎng)電復(fù)接設(shè)備傳輸系統(tǒng)9第九頁，共八十九頁，2022年，8月28日

現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動(dòng)通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息光纖通信經(jīng)過30年的技術(shù)發(fā)展目前正在淘汰著其他的有線通信方式10第十頁，共八十九頁，2022年，8月28日光纖通信技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)光纖與電話雙絞線對(duì)比圖11第十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日

光通信與電通信

任何通信系統(tǒng)追求的最終技術(shù)目標(biāo)都是要可靠地實(shí)現(xiàn)最大可能的信息傳輸容量和傳輸距離。

通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于對(duì)載波調(diào)制的頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度越寬。

通信技術(shù)發(fā)展的歷史，實(shí)際上是一個(gè)不斷提高載波頻率和增加傳輸容量的歷史。

20世紀(jì)60年代，微波通信技術(shù)已經(jīng)成熟，因此開拓頻率更高的光波應(yīng)用，就成為通信技術(shù)發(fā)展的必然。

12第十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日

電纜通信和微波通信的載波是電波，光纖通信的載波是光波。雖然光波和電波都是電磁波，但是頻率差別很大。光纖通信用的近紅外光(波長約1μm)的頻率(約300THz)比微波(波長為0.1m~1mm)的頻率(3~300GHz)高3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。13第十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日?qǐng)D1.1部分電磁波頻譜14第十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日?qǐng)D1.1部分電磁波頻譜圖1.1是相關(guān)的電磁波頻譜。光纖通信用的近紅外光(波長為0.7~1.7μm)頻帶寬度約為200THz，在常用的1.31μm和1.55μm兩個(gè)波長窗口頻帶寬度在20THz以上。(0.7μm~430THz,1.7μm~180THz)由于光源和光纖特性的限制，目前，光強(qiáng)度調(diào)制的帶寬一般只有20GHz，因此還有3個(gè)數(shù)量級(jí)以上的帶寬潛力可以挖掘。15第十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日

微波波段有線傳輸線路是由金屬導(dǎo)體制成的同軸電纜和波導(dǎo)管。同軸電纜的損耗隨信號(hào)頻率的平方根而增大，要減小損耗，必須增大結(jié)構(gòu)尺寸，但要保持單一模式的傳輸，又不允許增大結(jié)構(gòu)尺寸。波導(dǎo)管具有比同軸電纜更低的損耗，但隨著工作頻率的提高，要減小波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的尺寸以保持單一模式的傳輸，損耗仍然要增大。光纖是由絕緣的石英(SiO2)材料制成的，通過提高材料純度和改進(jìn)制造工藝，可以在寬波長范圍內(nèi)獲得很小的損耗。圖1.2給出各種傳輸線路的損耗特性。16第十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日?qǐng)D1.2各種傳輸線路的損耗特性17第十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日

光纖通信的優(yōu)點(diǎn)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(dǎo)管的損耗低得多，因此相對(duì)于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

18第十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日

1.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GHz·km)取決于光源的調(diào)制特性、調(diào)制方式和光纖的色散特性。石英單模光纖在1.31μm波長具有零色散特性，通過光纖的設(shè)計(jì)，還可以把零色散波長移到1.55μm。在零色散波長窗口，單模光纖都具有幾十GHz·km的帶寬。另一方面，可以采用多種復(fù)用技術(shù)來增加傳輸容量。最簡單的是空分復(fù)用，因?yàn)楣饫w很細(xì)，直徑只有125μm,一根光纜可以容納幾百根光纖，12×12=144根光纖的帶狀光纜早已實(shí)現(xiàn)。這種方法使線路傳輸容量數(shù)十成百倍地增加。

19第十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日

就單根光纖而言，采用波分復(fù)用(WDM)或光頻分復(fù)用(OFDM)是增加光纖通信系統(tǒng)傳輸容量最有效的方法。另一方面，減小光源譜線寬度和采用外調(diào)制方式，也是增加傳輸容量的有效方法為了與同軸電纜通信和微波無線電通信比較，表1.4列出早已實(shí)現(xiàn)的單一波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和中繼距離。

20第二十頁，共八十九頁，2022年，8月28日表1.4光纖通信與電纜或微波通信傳輸能力的比較

通信手段傳輸容量(話路)/條中繼距離/km1000km內(nèi)中繼器個(gè)數(shù)微波無線電9605020小同軸9604250中同軸180061600光纜19203033光纜14000(1Gb/s)8411光纜6000(445MB/S)134721第二十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日

目前，單波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般為2.5Gb/s和10Gb/s。采用外調(diào)制技術(shù)，傳輸速率可以達(dá)到40Gb/s。波分復(fù)用(WDM)和光時(shí)分復(fù)用(TDM)更是極大地增加了傳輸容量。WDM最高水平為132個(gè)信道，傳輸容量為20Gb/s×132=2640Gb/s，相當(dāng)于120km的距離傳輸了3.3×108條話路。

22第二十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日2.損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小石英光纖在1.31μm和1.55μm波長，傳輸損耗分別為0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。因此，用光纖比用同軸電纜或波導(dǎo)管的中繼距離長得多，見表1.4。目前，采用外調(diào)制技術(shù)，波長為1.55μm的色散移位單模光纖通信系統(tǒng)，若其傳輸速率為2.5Gb/s，則中繼距離可達(dá)150km；若其傳輸速率為10Gb/s，則中繼距離可達(dá)100km。23第二十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日

采用光纖放大器、色散補(bǔ)償光纖，中繼距離還可增加，見表1.5。而且，在表1.5中所列的中繼距離下，傳輸?shù)恼`碼率極低(10-9甚至更小)。

復(fù)用技術(shù)傳輸容量/Gb·s-1傳輸距離/km跨距/km研制單位備注WDM20×1720T&TNECTDM1602020200103

106

50140NTTNTT法Telcom單通道環(huán)測(cè)表1.5WDM和TDM光纖通信試驗(yàn)系統(tǒng)的傳輸能力24第二十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日

傳輸容量大、傳輸誤碼率低、中繼距離長的優(yōu)點(diǎn)，使光纖通信系統(tǒng)不僅適合于長途干線網(wǎng)而且適合于接入網(wǎng)的使用，這也是降低每公里話路的系統(tǒng)造價(jià)的主要原因。

25第二十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日

3.重量輕、體積小光纖重量很輕，直徑很小。即使做成光纜，在芯數(shù)相同的條件下，其重量還是比電纜輕得多，體積也小得多。表1.6給出了鋁/聚乙烯粘結(jié)護(hù)套(LAP)單元結(jié)構(gòu)光纜和標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜的重量和截面積的比較。

項(xiàng)目8芯18芯光纜電纜光纜電纜重量/(kg·m-1)重量比0.4216.3150.4211126直徑/mm截面積比211475211659.6表1.6光纜和電纜的重量和截面積比較

26第二十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日

通信設(shè)備的重量和體積對(duì)許多領(lǐng)域特別是軍事、航空和宇宙飛船等方面的應(yīng)用，具有特別重要的意義。

在飛機(jī)上用光纖代替電纜，不僅降低了通信設(shè)備的成本，而且降低了飛機(jī)的制造成本。例如，在美國A-7飛機(jī)上，用光纖通信代替電纜通信，使飛機(jī)重量減輕27磅(約12.247kg)，相當(dāng)于飛機(jī)制造成本減少27萬美元。27第二十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日4.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(qiáng)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。光纖(復(fù)合)架空地線(OpticalFiberOverheadGroundWire,OPGW)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。

28第二十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日5.泄漏小，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。保密性能好的這一特點(diǎn)，對(duì)軍事、政治和經(jīng)濟(jì)都有重要的意義。

29第二十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日6.節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用制造同軸電纜和波導(dǎo)管的銅、鋁、鉛等金屬材料，在地球上的儲(chǔ)存量是有限的；而制造光纖的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不盡的材料。制造8km管中同軸電纜，1km需要120kg銅和500kg鋁；而制造8km光纖只需320g石英。所以，推廣光纖通信，有利于地球資源的合理使用。

30第三十頁，共八十九頁，2022年，8月28日

總之，光纖通信不僅在技術(shù)上具有很大的優(yōu)越性，而且在經(jīng)濟(jì)上具有巨大的競爭能力，因此其在信息社會(huì)中將發(fā)揮越來越重要的作用。31第三十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日1.2光纖通的發(fā)展

雛形：古代烽火、手旗、燈光1880年貝爾的光電話------大氣激光通信激光器(發(fā)送源）光纖(傳輸介質(zhì))1960Maiman發(fā)明紅寶石激光器1962半導(dǎo)體激光器誕生(GaAs870nm)70年代室溫工作LD(GaAsAI850nm)1300、1550nm多模LD單模LD1951醫(yī)用玻璃纖維(損耗1000dB/km)1966高錕理論預(yù)言1970康寧制出低損耗光纖(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低損耗窗口光纖開發(fā)單模光纖32第三十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日33第三十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日

貝爾光電話的傳輸距離很短，并沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,然而，光電話仍是一項(xiàng)偉大的發(fā)明，它證明了用光波作為載波傳送信息的可行性,貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。

1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器，給光通信帶來了新的希望，和普通光相比，激光具有高亮度，高方向性，高單色性(光譜寬度窄),以及高相干性(頻率和相位較一致)。激光是一種高度相干光，激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。34第三十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日

大氣激光通信二十世紀(jì)六十年代,美國麻省理工學(xué)院利用He-Ne激光器和CO2激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明：用承載信息的光波，通過大氣的傳播，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信是可行的。但通信能力和質(zhì)量受氣候影響十分嚴(yán)重。由于雨、霧、雪和大氣灰塵的吸收和散射，光波能量衰減很大。另一方面，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。通信的距離和穩(wěn)定性都受到極大的限制，不能實(shí)現(xiàn)“全天候”通信。但大氣激光通信仍有重要應(yīng)用,在某些特定場合,如江河兩岸、海島之間、小區(qū)樓房之間宇宙空間、大氣海洋之間(蘭綠光)等。35第三十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日

為了克服氣候?qū)す馔ㄐ诺挠绊懀藗冏匀幌氲桨鸭す馐拗圃谔囟ǖ目臻g內(nèi)傳輸。因而提出了透鏡波導(dǎo)和反射鏡波導(dǎo)的光波傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在金屬管內(nèi)每隔一定距離安裝一個(gè)透鏡或反射鏡，從理論上講是可行的，但在實(shí)際應(yīng)用中遇到了不可克服的困難。首先，現(xiàn)場施工中校準(zhǔn)和安裝十分復(fù)雜；其次，為了防止地面活動(dòng)對(duì)波導(dǎo)的影響，必須把波導(dǎo)深埋或選擇在人車稀少的地區(qū)使用。由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，對(duì)光通信的研究曾一度走入了低潮。36第三十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日

現(xiàn)代光纖通信

1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖(OpticalFiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。

37第三十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日

現(xiàn)代光纖通信當(dāng)時(shí)石英纖維的損耗高達(dá)1000dB/km以上，高錕等人指出：這樣大的損耗不是石英纖維本身固有的特性，而是由于材料中的雜質(zhì)，例如過渡金屬(Fe、Cu等)離子的吸收產(chǎn)生的。材料本身固有的損耗基本上由瑞利(Rayleigh)散射決定，它隨波長的四次方而下降，其損耗很小。因此有可能通過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。

38第三十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日

如果把材料中金屬離子含量的比重降低到10-6以下，就可以使光纖損耗減小到10dB/km。再通過改進(jìn)制造工藝的熱處理提高材料的均勻性，可以進(jìn)一步把損耗減小到幾dB/km。這個(gè)思想和預(yù)測(cè)受到世界各國極大的重視。

39第三十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日1970年，光纖研制取得了重大突破。在當(dāng)年，美國康寧(Corning)公司就研制成功損耗20dB/km的石英光纖。它的意義在于：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。

1972年康寧公司高純石英多模光纖損耗4dB/km1973年貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室2.5dB/km1974年貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室1.1dB/km1976年日本電報(bào)電話(NTT)公司0.47dB/km1979年0.20dB/km,1984年0.157dB/km1986年0.154dB/km，接近光纖損耗的理論極限40第四十頁，共八十九頁，2022年，8月28日1970年，作為光纖通信用的光源也取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。當(dāng)年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后突破了半導(dǎo)體激光器在低溫(-200℃)或脈沖激勵(lì)條件下工作的限制，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長)。

雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但其意義是重大的，它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1973年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時(shí)。1977年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬小時(shí)(約11.4年)，完全滿足實(shí)用化的要求。41第四十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日

在這個(gè)期間，1976年日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器，1979年美國電報(bào)電話(AT&T)公司和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55μm的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。

由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使1970年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。

42第四十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日1976年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗(yàn)，系統(tǒng)采用GaAlAs激光器作光源，多模光纖作傳輸介質(zhì)，速率為44.7Mb/s，傳輸距離約10km。

1980年，美國標(biāo)準(zhǔn)化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用，系統(tǒng)采用漸變型多模光纖，速率為44.7Mb/s。43第四十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日

隨后美國很快敷設(shè)了東西干線和南北干線，穿越22個(gè)州光纜總長達(dá)5×104km。1976年和1978年，日本先后進(jìn)行了速率為34Mb/s，傳輸距離為64km的突變型多模光纖通信系統(tǒng)，以及速率為100Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。

1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長途干線，全長3400km，初期傳輸速率為400Mb/s，后來擴(kuò)容到1.6Gb/s。隨后，由美、日、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，全長6400km；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，全長13200km。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。44第四十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日1966年高錕提出光纖作為傳輸介質(zhì)的概念以來，光纖通信從研究到應(yīng)用，發(fā)展非常迅速：技術(shù)上不斷更新?lián)Q代，通信能力(傳輸速率和中繼距離)不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。

1976年美國亞特蘭大第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)試驗(yàn)

1986年光纖通信系統(tǒng)在全球廣泛應(yīng)用

(從提出光纖作為傳輸介質(zhì)的概念,到用廣泛應(yīng)用,20年時(shí)間)高錕------光纖之父

45第四十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展光纖通信追求目標(biāo):大容量、長距離技術(shù)發(fā)展：短波長-長波長、多模光纖-單模光纖、多模激光器-單模激光器通信系統(tǒng)容量：比特率-距離積BL，B比特率，

L中繼距離每秒鐘傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)目。46第四十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日光纖通信技術(shù)的發(fā)展大體上可分為：工作波長光纖激光器比特率B中繼距離L第一代70年代850nm多模多模10～100Mb/s10Km第二代80年代初1300nm多模單模多模100Mb/s1.7Gb/s20Km50Km第三代80年代中～90年代初1550nm單模單模2.5Gb/s～10Gb/s100Km47第四十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日光纖通信技術(shù)的發(fā)展大體上可分為:（續(xù)）工作波長光纖激光器比特率B中繼距離L第四代90年代1550nm單模單模2.5Gb/s10Gb/s21000Km（環(huán)路）1500Km光放大系統(tǒng)第五代1550nm單模單模波分復(fù)用WDM單路速率:40,160,640Gb/s信道數(shù):8,16,64,128,1022超長傳輸距離:27000Km(Loop)6380(Line)目前研究內(nèi)容WDM光網(wǎng)絡(luò)；全光分組交換；光時(shí)分復(fù)用；光孤子通信；新型的光器件48第四十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日光纖通信技術(shù)的三次飛躍(1)20世紀(jì)60年代。1962年第一只半導(dǎo)體激光器誕生，隨后半導(dǎo)體光檢測(cè)器也研究成功。特別是1966年英籍華人科學(xué)家高錕與Hockham提出用玻璃可以制成衰減為20dB/km的通信光導(dǎo)纖維，1970年美國康寧公司首先制出了20dB/km的光纖，這標(biāo)志著光纖通信系統(tǒng)的實(shí)際研究條件得以具備。49第四十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日20世紀(jì)70年代。1970年發(fā)明了LD的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使得光源與光檢測(cè)器的壽命都達(dá)到了10萬小時(shí)的實(shí)用化水平。1979年發(fā)現(xiàn)了光纖1310nm和1550nm新的低損耗窗口，緊接著單模光纖問世。光纖的衰減系數(shù)一下降到0.5dB/km。這使得光纖通信邁進(jìn)了實(shí)用化階段，從80年代初開始光纖通信便大步地邁向了市場。光纖通信技術(shù)的三次飛躍(2)50第五十頁，共八十九頁，2022年，8月28日20世紀(jì)90年代初。1989年摻鉺光纖放大器EDFA的研制成功是光纖通信新一輪突破的開始。EDFA的應(yīng)用不僅解決了光纖傳輸衰減的補(bǔ)償問題，而且為一批光網(wǎng)絡(luò)器件的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。使得光纖通信的數(shù)字傳輸速率迅速提高，促成了波分復(fù)用技術(shù)的實(shí)用化。光纖通信技術(shù)的三次飛躍(3)51第五十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日光纖通信超高速大容量長距離網(wǎng)絡(luò)化一根光纖中可同時(shí)傳輸一百多路信號(hào)，采用特殊技術(shù)甚至可以同時(shí)傳輸1022路單路速率不斷提升，已達(dá)到10、20、40Gb/s采用OTDM技術(shù)甚至可達(dá)640Gb/s各種通信技術(shù)的快速發(fā)展使上千甚至上萬公里的長距離傳輸成為可能全光網(wǎng)成為目前光通信領(lǐng)域最熱門的話題之一52第五十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日EducationTelephoneTravelEntertainmentHealth……AllservicesNetworktrafficisgrowing!!Thewholeworldisinmymind!!DemandforBroadbandwidthOpticalnetworkingShoppingBanking21世紀(jì)的通信業(yè)務(wù)53第五十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日全球通信業(yè)務(wù)需求估計(jì)用戶增加；每個(gè)用戶的業(yè)務(wù)量增加；服務(wù)質(zhì)量的提高；通信容量需求急增54第五十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日光纖通信最具代表性技術(shù)

－波分復(fù)用WDM和光纖放大器EDFA55第五十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日40G器件56第五十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日關(guān)鍵原材料光纖預(yù)制棒網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備光纖光纜光傳輸/交換設(shè)備光無源器件光有源器件運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)集成商光纖通信的產(chǎn)業(yè)鏈57第五十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日全球光纖通信主要供應(yīng)商58第五十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日ComponentsandModulesinDWDMNetworks

DWDMThinfilmfiltersFibergratingsWaveguidesCirculatorsInterleaversMux/Demux

modulesAmplifiersIsolatorsTapcouplersPumplasersGainequalizersAttenuatorsIntegrated

amplifiersSOAsOpticalSwitchesCirculatorsCouplersAdd/dropmodulesSwitchingTransmissionSourcelasersModulatorsWavelockersReceiversDetectorsTx/RxmodulesOver9000Products59第五十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日

數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)

數(shù)字通信系統(tǒng)用參數(shù)取值離散的信號(hào)(如脈沖的有和無、電平的高和低等)代表信息，強(qiáng)調(diào)的是信號(hào)和信息之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；而模擬通信系統(tǒng)則用參數(shù)取值連續(xù)的信號(hào)代表信息，強(qiáng)調(diào)的是變換過程中信號(hào)和信息之間的線性關(guān)系。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(diǎn)，也更能適應(yīng)社會(huì)對(duì)通信能力和通信質(zhì)量越來越高的要求。

1.3光纖通信系統(tǒng)簡介60第六十頁，共八十九頁，2022年，8月28日

數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)

模擬通信系統(tǒng)占用帶寬較窄，電路簡單、價(jià)格便宜。目前的電視傳輸，廣泛采用模擬通信系統(tǒng)。由于電視的數(shù)字化傳輸，要求較復(fù)雜的技術(shù)，特別是當(dāng)今社會(huì)對(duì)電視頻道數(shù)目的要求日益增多，要傳輸幾十甚至上百路電視，需要極復(fù)雜的編碼和解碼技術(shù)，設(shè)備價(jià)格昂貴，因此目前還不能普遍使用。在這種情況下，副載波復(fù)用(SCM)模擬光纖通信系統(tǒng)得到很大重視和迅速發(fā)展。61第六十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日

數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

①抗干擾能力強(qiáng)，傳輸質(zhì)量好。數(shù)字光纖通信采用二進(jìn)制信號(hào)，信息不包含在脈沖波形中，而由脈沖的“有”和“無”表示。因此，一般噪聲不影響傳輸質(zhì)量，只有在抽樣和判決過程中，當(dāng)噪聲超過一定閾值時(shí)，才產(chǎn)生誤碼率。②可以用再生中繼，傳輸距離長。數(shù)字通信系統(tǒng)可以用不同方式再生傳輸信號(hào),消除傳輸過程中的噪聲積累，恢復(fù)原信號(hào)，延長傳輸距離。③適用各種業(yè)務(wù)的傳輸，靈活性大。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，話音、圖像等各種信息都變換為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，可以把傳輸技術(shù)和交換技術(shù)結(jié)合起來，有利于實(shí)現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)。

62第六十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

④容易實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的保密通信。只需要將明文與密鑰序列逐位模2相加就可以實(shí)現(xiàn)保密通信。⑤數(shù)字通信系統(tǒng)大量采用數(shù)字電路，易于集成，從而實(shí)現(xiàn)小型化、微型化，增強(qiáng)設(shè)備可靠性，有利于降低成本。

數(shù)字通信系統(tǒng)的缺點(diǎn)是占用頻帶較寬，系統(tǒng)的頻帶利用率不高。一路模擬電話只占用4kHz的帶寬，而一路數(shù)字電話要占用20~64kHz的帶寬。數(shù)字通信系統(tǒng)的許多優(yōu)點(diǎn)是以犧牲頻帶為代價(jià)得到的，然而光纖通信的頻帶很寬，完全能夠克服數(shù)字通信的缺點(diǎn)。

63第六十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的組成由光發(fā)射機(jī)、光纖光纜、中繼器與光接收機(jī)等基本單元組成。此外還包括一些互連與光信號(hào)處理器件，如光纖連接器、隔離器、調(diào)制器、濾波器、光開關(guān)及路由器、分插復(fù)用器ADM等。光源調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路光發(fā)射機(jī)放大器光電二極管判決器光接收機(jī)光纖光纖中繼器1.3光纖通信系統(tǒng)簡介64第六十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日1.3光纖通信系統(tǒng)簡介

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的組成由光發(fā)射機(jī)、光纖光纜、中繼器與光接收機(jī)等基本單元組成。此外還包括一些互連與光信號(hào)處理器件，如光纖連接器、隔離器、調(diào)制器、濾波器、光開關(guān)及路由器、分插復(fù)用器ADM等。65第六十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日光纖通信未來的發(fā)展方向光纖通信系統(tǒng)向相干光通信方向發(fā)展；光纖通信系統(tǒng)向全光通信方向發(fā)展；光纖通信系統(tǒng)向孤子光通信方向發(fā)展；光纖通信系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)通信方向發(fā)展；66第六十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日1.4我國光纖通信發(fā)展簡介

1我國光通信歷程的回顧我國的光通信起步較早，70年代初就開始了大氣傳輸光通信的研究，隨之又進(jìn)行光纖和光電器件的研究。1977年，第一根短波長(0．85mm)階躍型石英光纖問世，長度為17m，衰減系數(shù)為300dB/km。研制出Si-APD。1978年，階躍光纖的衰減降至5dB/km。研制出短波長多模梯度光纖，即G.651光纖。研制出GaAs-LD。1979年，研制出多模長波長光纖，衰減為1dB/km。建成5.7km、8Mb/s光通信系統(tǒng)試驗(yàn)段。1980年，1300nm窗口衰減降至0.48dB/km，1550nm窗口衰減為0.29dB/km。研制出短波長用的GaAlAs-LD。67第六十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日1.4我國光纖通信發(fā)展簡介1981年，研制出長波長用的InGaAsP-LD和PIN探測(cè)器。多模光纖活動(dòng)連接器進(jìn)入實(shí)用。研制出34Mb/s光傳輸設(shè)備。1982年，研制成功長波長用的激光器組件和探測(cè)器組件(PIN-FET)。研制出光合波分波器、光耦合器、光衰減器、濾光器等無源器件。研制出140Mb/s光傳輸設(shè)備。1984年，武漢、天津34Mb/s市話中繼光傳輸系統(tǒng)工程建成(多模)。1985年，研制出1300nm單模光纖，衰減達(dá)0.40dB/km。1986年，研制出動(dòng)態(tài)單縱模激光器。1988年，全長245km的武漢椌Ｖ輻沙市34Mb/s多模光纜通信系統(tǒng)工程通過郵電部鑒定驗(yàn)收。揚(yáng)州——高郵4Mb/s單模光纜通信系統(tǒng)工程通過郵電部鑒定驗(yàn)收。68第六十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日1.4我國光纖通信發(fā)展簡介1989年，漢陽——漢南40Mb/s單模光傳輸系統(tǒng)工程通過郵電部鑒定驗(yàn)收。1990年，研制出G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，最小衰減達(dá)0.35dB/km。到1992年降至0.26dB/km。成功地研制出1550nm分布反饋激光器(DFB-LD)。1991年，研制出G.653色散位移光纖。最小衰減達(dá)0.22dB/km。研制出565Mb/s光傳輸設(shè)備。合肥——蕪湖40Mb/s單模光傳輸系統(tǒng)工程通過國家鑒定驗(yàn)收。1992年，研制出摻鉺光纖EDF。研制出可調(diào)諧DFB-LD和泵浦源LD。FC-PC陶瓷單模光纖活動(dòng)連接器通過郵電部鑒定。1996年，研制出STM-16SDH設(shè)備。69第六十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日1.4我國光纖通信發(fā)展簡介1993年，在摻鉺光纖放大器的研究上取得突破性進(jìn)展，小信號(hào)增益達(dá)25dB。上海——無錫65Mb/s單模光傳輸系統(tǒng)工程通過郵電部鑒定驗(yàn)收。該工程的建成，在國內(nèi)外產(chǎn)生了重大影響，對(duì)此后“巴統(tǒng)”的解散起到一定的“催化”作用。1995年，研制出STM-1、STM-4SDH設(shè)備。1997年，研制出G.655非零色散位移光纖。研制出應(yīng)變多量子阱DFB激光器，STM-1、STM-4收/發(fā)模塊和STM-16接收模塊。成都——攀枝花22Mb/sSDH光傳輸工程通過郵電部鑒定驗(yàn)收；咸寧622Mb/sSDH雙自愈環(huán)互連系統(tǒng)工程通過建設(shè)部門初驗(yàn)。70第七十頁，共八十九頁，2022年，8月28日1.4我國光纖通信發(fā)展簡介1998年，?？凇齺?Gb/s光傳輸系統(tǒng)工程通過郵電部鑒定驗(yàn)收，該工程全長322km，僅在萬寧設(shè)一個(gè)中繼站，?？凇f寧的中繼距離為172km，僅在發(fā)送機(jī)中使用一個(gè)EDFA就實(shí)現(xiàn)了這一超長中繼。研制出OADM、OXC樣機(jī)。1999年，8×2.5Gb/sDWDM系統(tǒng)通過國家驗(yàn)收。研制出STM-64SDH設(shè)備。IPoverSDH的建議被ITU-T確認(rèn)。71第七十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日1.4我國光纖通信發(fā)展簡介2研究開發(fā)與應(yīng)用的現(xiàn)狀在光纖研制方面，基本掌握了常規(guī)單模和多模光纖的生產(chǎn)技術(shù)，已研制出了色散位移單模光纖(G．653光纖)、非零色散位移單模光纖(G．655光纖)、大有效面積非零色散位移單模光纖、色散補(bǔ)償光纖(DCF)、摻鉺光纖、保偏光纖、數(shù)據(jù)光纖等，并能達(dá)到生產(chǎn)水平。對(duì)通信用塑料光纖的制造和特性也進(jìn)行了深入的研究。其中以大保實(shí)光纖為代表的大有效面積非零色散位移單模光纖已在工程中應(yīng)用。

國內(nèi)有多家光纜廠，可大批量生產(chǎn)接入網(wǎng)中用光纖帶光纜，一般芯數(shù)為288芯，最高芯數(shù)可達(dá)960芯。光纖帶光纜的結(jié)構(gòu)有層絞式、中心管式、骨架式、無金屬型、ADSS和OPGW等。迄今，已敷設(shè)光纜長度超過100萬km，光纜已敷設(shè)到世界屋脊西藏。生產(chǎn)光纜的廠家有200多家，每年所用光纖的數(shù)量超過400萬km。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，無論是核心網(wǎng)還是接入網(wǎng)，目前主要應(yīng)用的還是G.652光纖。在核心網(wǎng)中新建線路已開始采用G.655光纖，在接入網(wǎng)中已開始應(yīng)用光纖帶光纜。72第七十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日1.4我國光纖通信發(fā)展簡介光電器件的研制在高速激光器、增益開關(guān)半導(dǎo)體激光器、量子阱雙穩(wěn)態(tài)激光器、摻鉺光纖激光器、主動(dòng)鎖模光纖環(huán)形孤子激光器、被動(dòng)鎖模光纖環(huán)形激光器、光纖光柵激光器、光收發(fā)模塊、半導(dǎo)體光放大器(SOA)、摻鉺光纖放大器(EDFA)、增益平坦EDFA、高增益低噪聲EDFA、摻鉺光纖均衡放大器、DFB-LD與EA型外調(diào)制器的集成器件、應(yīng)用于接入網(wǎng)的單纖收發(fā)集成器件等方面都有顯著進(jìn)展。特別是國產(chǎn)的EDFA和光收發(fā)模塊已在國內(nèi)普遍推廣應(yīng)用。光器件方面常規(guī)的光連接器、光隔離器、光準(zhǔn)直器、光衰減器（固定衰減器和可變衰減器）、濾光器和光耦合器等已在批量生產(chǎn)，除滿足國內(nèi)市場需求外，已經(jīng)出口到歐洲，進(jìn)入國際市場。光纖光柵的制作，以及利用光纖光柵做成各種光器件是目前的熱點(diǎn)之一。我國已研制了光纖光柵波分復(fù)用器、光纖光柵分插復(fù)用器、光纖光柵色散補(bǔ)償器等。此外，在平面光波導(dǎo)器件的研制上也有新的突破，如聚合物薄膜光波導(dǎo)、極化聚合物光波導(dǎo)、硅基光波導(dǎo)器件、集成光波導(dǎo)器件等。目前在研制的還有雙芯SC光纖活動(dòng)連接器、光纖帶光連接器、光環(huán)形器、高速光開關(guān)、混合集成光開關(guān)等。73第七十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日1.4我國光纖通信發(fā)展簡介光傳輸設(shè)備及系統(tǒng)的研制和生產(chǎn)更是形勢(shì)喜人，STM-1、STM-4、STM-16的TM、REG、ADM等已經(jīng)大批量生產(chǎn)，除投入國內(nèi)市場外，也進(jìn)入了國際市場。STM-64已研制成功，進(jìn)行了478.8km的傳輸實(shí)驗(yàn)。DWDM的研制進(jìn)展很快，除了4×2.5Gb/s、8×2.5Gb/s、16×2.5Gb/s系統(tǒng)的產(chǎn)品已投放市場，32×2.5Gb/s系統(tǒng)正準(zhǔn)備建立試驗(yàn)工程。8×10Gb/s