光纖通信第1章(禁止上傳)

課程名稱：光纖通信任課教師：毛昕蓉聯(lián)系方式：maoxr@163.com考核方式：考試學(xué)時(shí)：52學(xué)分：3.0課前準(zhǔn)備知識通信：傳輸、交換、處理光纖通信：以光波為載波，以光導(dǎo)纖維為傳輸媒質(zhì)的一種通信方式。本課程的特點(diǎn)：專業(yè)課（基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課的區(qū)別）要求：提高自學(xué)能力、建立總體構(gòu)架前序課程：通信原理、交換技術(shù)、電磁場與電磁波學(xué)習(xí)方法：注意連接詞，章節(jié)間的關(guān)系。記筆記（兩本合一），多閱讀幾本書成績分布：考核方式：考試平時(shí)30%，期中20%，期末50%（閉卷）。課程編排：基礎(chǔ)理論知識通信用光源光通信信道光檢測器與光放大器光學(xué)網(wǎng)絡(luò)器件光纖通信系統(tǒng)新技術(shù)光纖通信網(wǎng)（接入網(wǎng)、SDH傳送網(wǎng)）空間光通信系統(tǒng)

公郵：optical201409@163.com密碼：201409參考書《現(xiàn)代光纖通信與網(wǎng)絡(luò)教程》張寶富人郵《光通信原理與技術(shù)》李玉權(quán)科學(xué)出版社《光網(wǎng)絡(luò)實(shí)用指南》（美）王廷華譯清華《光纖通信》劉增基西電《光纖通信》顧畹儀人郵原榮解金山邱昆第1章概論第2章通信用光源第3章光通信信道第4章光檢測器與光放大器第5章光學(xué)網(wǎng)絡(luò)器件第6章光纖通信系統(tǒng)第7章光通信新技術(shù)第8章空間光通信系統(tǒng)

目錄1·1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀（回顧）

1.1.1探索時(shí)期的光通信

1.1.2現(xiàn)代光纖通信

1.1.3國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀1·2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用（了解）

1.2.1光通信與電通信

1.2.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)

1.2.3光纖通信的應(yīng)用1·3光纖通信系統(tǒng)的基本組成（掌握）

1.3.1發(fā)射和接收

1.3.2基本光纖傳輸系統(tǒng)

第1章概論返回主目錄1·4空間光通信系統(tǒng)（了解）

1.4.1空間光通信概述

1.4.2空間光通信的定義

1.4.3空間光通信系統(tǒng)的組成1·5空間光通信的關(guān)鍵技術(shù)（了解）1·6通信鏈路分析（了解）

1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀

1.1.1探索時(shí)期的光通信

由于沒有找到穩(wěn)定可靠的光源和低損耗的傳輸介質(zhì)，對光通信的研究曾一度走入了低潮。?1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器，給光通信帶來了新的希望。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。?1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。?原始形式的光通信:中國古代用“烽火臺”報(bào)警，歐洲人用旗語傳送信息。

1.1.2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)。

指明通過“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”這一發(fā)展方向。獲得2009諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取得了突破性成就

獲得了物理學(xué)獎(jiǎng)一半的獎(jiǎng)金，共500萬瑞典克朗（約合70萬美元）；博伊爾和史密斯發(fā)明了半導(dǎo)體成像器件——電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器，將分享今年物理學(xué)獎(jiǎng)另一半獎(jiǎng)金。1970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(gè)新階段。

?1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km。

?1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限（0.148dB/km）。

1970年，光纖通信用光源取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展

?1970年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后，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)，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。?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

實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展

?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)。

?

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(shè)得到了全面展開，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為四個(gè)階段：

?第一階段(1966~1976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期。?第二階段(1976~1986年)，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。

?第三階段(1986~1996年)，這是以超大容量超長距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時(shí)期。

?第四階段(1996年至今)，實(shí)現(xiàn)了超大容量的波分復(fù)用（WDM）光纖通信系統(tǒng)及基于WDM好波長選路的光網(wǎng)絡(luò)；正研究超長距離的光孤子通信系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展

波長模式損耗中繼距離容量話路數(shù)第一代78

0.85μmMM2dB/km10km50~100Mb/s480第二代87

1.31μmMM0.3~0.4550km1.7Gb/s1920第三代90

1.55μmSM0.2100km2.4Gb/s7680第四代WDM+EDFA14300km5Gb/s第五代光孤子通信光孤子通信解決色散問題：光纖的色散使光脈沖展寬，光纖的非線性效應(yīng)使光脈沖受到壓縮。只需在光纖的非線性和色散效應(yīng)之間取得平衡，則光脈沖在光纖中傳輸其形狀不變，這樣的光脈沖稱為光孤子（光脈沖信號保形傳輸）。

1.1.3國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀

1976年美國在亞特蘭大進(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)，標(biāo)志著光纖通信從基礎(chǔ)研究發(fā)展到了商業(yè)應(yīng)用的新階段。此后，光纖通信技術(shù)不斷創(chuàng)新：光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從0.85μm發(fā)展到1.31μm和1.55μm(短波長向長波長），傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s。隨著技術(shù)的進(jìn)步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖價(jià)格不斷下降，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。目前光纖已成為信息寬帶傳輸?shù)闹饕劫|(zhì)，光纖通信系統(tǒng)將成為未來國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。在許多發(fā)達(dá)國家，生產(chǎn)光纖通信產(chǎn)品的行業(yè)已在國民經(jīng)濟(jì)中占重要地位。光纖通信整體發(fā)展時(shí)間表1974197619781980198219841986198819901992

100000

1000010001001010.1

0.8μm多模1.3μm單模1.55μm直接檢測光孤子光放大器1.55μm相干檢測系統(tǒng)性能(Gb/s?Km）1.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用1.2.1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載波調(diào)制的頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度越寬。光通信的主要特點(diǎn)載波頻率高；頻帶寬度寬（圖1.1）光通信利用的傳輸媒質(zhì)-光纖，可以在寬波長范圍內(nèi)獲得很小的損耗。（圖1.2）圖1.1部分電磁波頻譜（1）、（2）

1.2.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)

?容許頻帶很寬，傳輸容量很大

?損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小

?重量輕、體積小

?抗電磁干擾性能好

?泄漏小，保密性能好

?節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用光纖通信的缺點(diǎn)：

?光纖質(zhì)地脆，機(jī)械強(qiáng)度低

?要求比較好的切斷、連接技術(shù)（當(dāng)發(fā)生斷纖時(shí)）

?分路、耦合比較麻煩

1.2.3光纖通信的應(yīng)用光纖可以傳輸數(shù)字信號，也可以傳輸模擬信號。光纖在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)，以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，都得到了廣泛應(yīng)用。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速，是當(dāng)前研究開發(fā)應(yīng)用的主要目標(biāo)。光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下：①通信網(wǎng)②構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)③有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)④綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)

ATMInternet骨干網(wǎng)DDN/FRPSTN/ISDNTV業(yè)務(wù)分配節(jié)點(diǎn)(COT)業(yè)務(wù)接入節(jié)點(diǎn)（RT）網(wǎng)管SNMP與電信網(wǎng)管中心相連Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622MSDH典型應(yīng)用之一：寬帶綜合業(yè)務(wù)光纖接入系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)SNMP簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議典型應(yīng)用之二：作為校園網(wǎng)的骨干傳輸網(wǎng)通信系統(tǒng)——將一個(gè)用戶的信息傳送給另一個(gè)用戶的全部設(shè)備。信息源信源編碼信道編碼信道解碼信源解碼信息宿調(diào)制解調(diào)信道光纖通信系統(tǒng)組成：光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)、光纖、各種耦合器等組成的信息傳輸系統(tǒng)。TR1.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成

下圖示出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)。

基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個(gè)組成部分1、光發(fā)送機(jī)組成框圖：光源、驅(qū)動器、調(diào)制器

光源調(diào)制器通道耦合器電信號輸入光輸出驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)參數(shù)：發(fā)送功率，dBm概念作用：電信號轉(zhuǎn)變成光信號（E/O轉(zhuǎn)換），并將光信號耦合進(jìn)入傳輸光纖中。如何實(shí)現(xiàn)E/O轉(zhuǎn)換————電信號對光的調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式

直接調(diào)制用電信號直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動電流，使輸出光隨電信號變化而實(shí)現(xiàn)的。這種方案技術(shù)簡單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。

外調(diào)制把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實(shí)現(xiàn)的。外調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制速率高，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，成本較高，因此只有在大容量的波分復(fù)用和相干光通信系統(tǒng)中使用

圖1.5兩種調(diào)制方案

(a)直接調(diào)制；(b)間接調(diào)制(外調(diào)制)激光源驅(qū)動器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)2.光纖線路

功能：是把來自光發(fā)射機(jī)的光信號，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)

組成:光纖、光纖接頭和光纖連接器

低損耗“窗口”：普通石英光纖在近紅外波段，除雜質(zhì)吸收峰外，其損耗隨波長的增加而減小，在0.85μm、1.31μm和1.55μm有三個(gè)損耗很小的波長“窗口”，見后圖。

光源激光器的發(fā)射波長和光檢測器光電二極管的波長響應(yīng)，都要和光纖這三個(gè)波長窗口相一致。目前在實(shí)驗(yàn)室條件下，1.55μm的損耗已達(dá)到0.154dB/km，接近石英光纖損耗的理論極限。1.01.41.5衰減（dB/km）第一窗口第二窗口波長——λ（μm）圖1.6普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm1.571.62L波段

主要傳輸特性參數(shù)：損耗、色散（影響光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸容量）

損耗隨波長的增加而減少

0.85μm、1.31μm、1.55μm2dB/km、0.4dB/km、0.2dB/km

零色散：石英光纖在1.31μm處，色散為零若通過光纖設(shè)計(jì)，將零色散波長移至λ=1.55μm處，可實(shí)現(xiàn)損耗和色散都最小——色散移位光纖G.6533、光接收機(jī)功能：（O/E轉(zhuǎn)換）是把從光纖線路輸出、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(fù)成發(fā)射前的電信號組成部分：耦合器，光電檢測器，解調(diào)器組成框圖：電子電路光輸入耦合器光電檢測器解調(diào)器電信號輸出結(jié)構(gòu)參數(shù)：接收機(jī)靈敏度，定為BER≤10-9條件下，所要求的最小平均接收功率。用Sr（dBm）來表示，接收機(jī)靈敏度是反映光纖通信系統(tǒng)質(zhì)量好壞的綜合性指標(biāo)。檢測方式：直接檢測和外差檢測1.4空間光通信系統(tǒng)1.4.1空間光通信概述隨著通信業(yè)務(wù)量的大量增加，“電波窗口”日益擁擠，衛(wèi)星通信采用傳統(tǒng)的微波通信技術(shù)已經(jīng)不能滿足未來軍事及商業(yè)的需要，如果采用較高的光頻段作為信息載體實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信將使這一問題得到很好的解決?？臻g光通信與傳統(tǒng)的微波通信相比，其顯著的優(yōu)點(diǎn)為：（1）通信容量大，載波頻率的增加增大了傳輸帶寬，因此也增加了整個(gè)系統(tǒng)的通信容量。（2）體積小，短波長的光通信天線尺寸成倍的減少，設(shè)備體積明顯減小。（3）功耗低，因?yàn)榧す獾陌l(fā)散角很小，能量高度集中，落在接收機(jī)望遠(yuǎn)鏡天線上的功率密度