光纖與通信：第1章概述

光纖通信OpticalFiberCommunication課程性質(zhì)：專業(yè)選修課學(xué)時(shí)：理論課36+實(shí)驗(yàn)課8=44學(xué)時(shí)學(xué)分：2.5課程內(nèi)容：光纖通信概述光纖及其特性光源及其光發(fā)射機(jī)光檢測(cè)器與光接收機(jī)光纖通信系統(tǒng)光通信網(wǎng)絡(luò)[2]劉增基等<<光纖通信>>西安電子科技大學(xué)出版社

[1]王輝等<<光纖通信>>電子工業(yè)出版社李履信，沈建華編著《光纖通信系統(tǒng)》（第2版）機(jī)械工業(yè)出版社教材：參考書：(1)(2)(3)(4)(8.7,8.1,8.2,7,10,11.1)(12.1,6)1光纖通信發(fā)展2光纖通信特點(diǎn)3光纖通信系統(tǒng)組成第一章光纖通信概述什么是光纖通信：以光波作為載波，以光纖作為光傳輸介質(zhì)的一種有線通信光纖：導(dǎo)光光學(xué)纖維光波：一種電磁波通信系統(tǒng)：將信息從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方，不管這兩個(gè)地方相隔幾公里，還是橫跨大洋的超長(zhǎng)距離。傳輸信息的方法：信息通常由電磁波攜帶進(jìn)行傳輸，頻率從幾兆赫(MHz)到幾百太赫。光通信使用電磁波譜中可見光或近紅外區(qū)域的高頻電磁波(約100THz)。

光纖通信系統(tǒng)是利用光纖進(jìn)行信息傳輸?shù)墓獠ㄏ到y(tǒng)，80年代在全球得到了廣泛應(yīng)用，并使通信領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化，是信息時(shí)代來(lái)臨的主要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。光在電磁波譜中的位置1.1光纖通信的發(fā)展

近代通信技術(shù)分為:

有線通信無(wú)線通信通信技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，圍繞著增加信息傳輸?shù)乃俾屎途嚯x，提高通信系統(tǒng)的有效性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行了許多工作，取得了卓越的成就。光通信技術(shù)則是當(dāng)代通信技術(shù)發(fā)展的最新成就，已成為現(xiàn)代通信的基石。

光通信:凡使用光作為通信手段的都可稱為光通信。光纖通信:用光作為信息的載體、以光纖(OpticalFiber

)作為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。從光通信到光纖通信經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的時(shí)間：

■遠(yuǎn)古時(shí)代用煙火信號(hào)傳遞單個(gè)的信息；■18世紀(jì)末通過(guò)信號(hào)燈、旗幟傳遞信息；■19世紀(jì)30年代電報(bào)的出現(xiàn)用電取代了光，開始了電信時(shí)代；■19世紀(jì)60年代電話的發(fā)明，引起了模擬電通信技術(shù)支配了通信系統(tǒng)達(dá)100年左右；■20世紀(jì)同軸電纜系統(tǒng)（3MHz的系統(tǒng)，能夠傳輸300路音頻信號(hào)或1路視頻信號(hào)）、微波系統(tǒng)（4GHz）。通信系統(tǒng)的容量通常用比特率—距離積BL

表示

B為比特率

L為中繼間距最近一個(gè)半世紀(jì)來(lái)BL積隨技術(shù)進(jìn)步發(fā)生的變化。可見至70年代電通信獲得的最大BL積不超過(guò)100(Mb/s)·km。1、氣候?qū)νㄐ诺挠绊懯謬?yán)重；（陰天、雨天，特別是大霧天時(shí)，通信幾乎中斷）

2、大氣溫度的變化使氣體密度和折射率嚴(yán)重不均勻；（傳輸不穩(wěn)定，即光線漂移和抖動(dòng)）

3、傳輸設(shè)備要求設(shè)在高處，收發(fā)兩地直線可見。（這種地理?xiàng)l件使得大氣傳輸光通信使用范圍有局限性)現(xiàn)代光通信以1960年梅曼（Maiman）發(fā)明了紅寶石激光器為標(biāo)志。大氣傳輸方式的缺陷：

引起通信領(lǐng)域大變革和發(fā)展的是:

光纖作為傳輸介質(zhì)

1966年，英籍華裔科學(xué)家高錕(C.K.Kao)博士首次提出了光纖傳輸光信號(hào)的著名理論。高錕博士當(dāng)時(shí)是英國(guó)HarlowITT實(shí)驗(yàn)室年輕的工程師；高錕博士研究了光在石英玻璃中嚴(yán)重?fù)p耗的問(wèn)題，當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)為3000dB/km；

光纖發(fā)明家高錕

2009年，與威拉德·博伊爾和喬治·埃爾伍德·史密斯共享諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

高錕博士發(fā)現(xiàn)玻璃纖維的損耗不是固有的，清除材料中的雜質(zhì)含量和改善工藝，可以使光纖成為實(shí)用的光傳輸介質(zhì)；高錕博士大膽提出并且預(yù)測(cè)光纖是傳遞信息的理想介質(zhì)。光波的頻率極高，任何其它媒質(zhì)無(wú)法比擬的：幾乎是無(wú)限的的帶寬；幾乎是零的損耗；幾乎是為零的信號(hào)失真；幾乎是為零的功率消耗；幾乎是為零的材料消耗；幾乎是為零的占有空間；幾乎是為零的價(jià)格。

光纖通信與電通信方式的主要差異有兩點(diǎn)：一是用光作為傳輸信號(hào)二是用光纜作為傳輸線路

因此，在光纖通信中起主導(dǎo)作用的是激光器和光纖。半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面積很小，它輸出穩(wěn)定的而且方向性極好的激光，激光可以運(yùn)載巨大的信息量。光纖是一種介質(zhì)波導(dǎo)，具有把光封閉在其中進(jìn)行傳播的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。它是由直徑大約0.1mm的石英材料（SiO2）構(gòu)成。由于損耗低，所以傳輸距離遠(yuǎn)。

主要的問(wèn)題是光纖的高損耗：

60年代可能得到的光纖損耗超過(guò)了1000dB/km；高錕博士認(rèn)為清除材料中的雜質(zhì)含量和改善工藝，可以使光纖降低到20dB/km以下，成為實(shí)用的光傳輸質(zhì)。在1970年，康寧(Coming)公司研制出衰減為20dB／km的光纖。幾乎在同時(shí)，室溫下運(yùn)行的GaAs半導(dǎo)體激光器研究成功。小型光源和低損耗光纖的同時(shí)問(wèn)世，在全世界范圍內(nèi)掀起了發(fā)展光纖通信的高潮。

1976年，美國(guó)在ATLANTA進(jìn)行世界第一個(gè)光纖通信的實(shí)驗(yàn)，速率44.7M，距離10KM。光纖通信進(jìn)展很快，在不到20年的時(shí)間，比特率—距離積增加了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。第一代光纖通信：在1970年代，它的特征是采用850nm的多模光纖，光纖損耗為2.5～3dB／km，傳輸速率為50～100Mb／s，中繼距離為8～10km。

第二代光纖通信:在1980年，進(jìn)入了工作波長(zhǎng)為1310nm、使用單模光纖傳輸?shù)臅r(shí)代。

特點(diǎn)：

1、該波段是石英光纖的第二個(gè)低損耗窗口(典型值為0.5dB/km)；

2、且有最低的色散。相應(yīng)的光源采用銦稼砷磷(1nGaAsP)／銦磷(1nP)半導(dǎo)體激光器，光電探測(cè)器采用鍺材料，傳輸速率為1.7Gb／s，中繼距離為50km。

光纖通信發(fā)展經(jīng)歷了4代：

90年代實(shí)現(xiàn)了使用色散位移單模光纖在1550nm波長(zhǎng)傳輸。單模光纖較多模光纖色散低得多，損耗也更小，降至0.3～0.5dB／km，中繼距離>100km，速率10Gb／s

。

第三代光纖通信

第四代光纖通信階段：

20世紀(jì)90年代中期，其主要特征是采用了密集波分復(fù)用(DWDM)對(duì)光纖系統(tǒng)傳輸容量進(jìn)行擴(kuò)容。到2002年，商用DWDM系統(tǒng)容量己達(dá)160x10Gb／s(1.6Tb／s)，實(shí)驗(yàn)室水平為256x42.7Gb／s(10.932Tb／s)。在這個(gè)時(shí)期，摻鉺光纖放大器的出現(xiàn)成為光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。1.2光纖通信的特點(diǎn)電纜通信的缺點(diǎn)：

（1）電氣危害與交流電或照明電路直接接觸；（2）電磁干擾（3）傳輸損耗大（4）頻帶窄類型頻帶損耗/（dB/km）對(duì)稱電纜4kHz時(shí)2.06細(xì)同軸電纜1MHz時(shí)30MHz時(shí)5.2428.70粗同軸電纜1MHz時(shí)60MHz時(shí)2.4218.77（5）保密性差直接接入式竊聽竊聽計(jì)算機(jī)和終端設(shè)備輻射的電磁場(chǎng)竊聽電纜系統(tǒng)輻射的電磁場(chǎng)（6）體積和重量較大光纖通信的優(yōu)點(diǎn)：1、頻帶寬，通信容量大

光纖可利用的帶寬極寬，約為50THz，信道的帶寬取決于載波的頻率，載波的頻率越高，信道的帶寬就越大，系統(tǒng)傳遞信息的能力就越強(qiáng)。按經(jīng)驗(yàn)，帶寬大約是載波頻率的十分之一。從電磁波頻譜圖可見：雙絞線的工作頻率300kHz；同軸電纜的工作頻率1GHz；微波波導(dǎo)的工作頻率可高達(dá)100GHz；光纖通信所用光的工作頻率為100～1000THz，其帶寬可達(dá)50THz。

雙絞線的帶寬30kHz同軸電纜的帶寬100MHz微波波導(dǎo)的帶寬為1GHz光纖帶寬可達(dá)50THz2、損耗低，中繼距離長(zhǎng)

目前實(shí)用石英光纖的損耗可低于0.2dB/km，比其它任何傳輸介質(zhì)的損耗都低。由于光纖的損耗低，所以能實(shí)現(xiàn)中繼距離長(zhǎng)，由石英光纖組成的光纖通信系統(tǒng)最大中繼距離可達(dá)400多千米；由非石英系極低損耗光纖組成的通信系統(tǒng)，其最大中繼距離則可達(dá)數(shù)千甚至數(shù)萬(wàn)千米，這對(duì)于降低海底通信的成本、提高可靠性和穩(wěn)定性具有特別的意義。類型損耗/（dB/km）對(duì)稱電纜2.06細(xì)同軸電纜5.24～28.70粗同軸電纜2.42～18.770.85m波長(zhǎng)多模光纖≤31.3m波長(zhǎng)多模光纖≤11.3m波長(zhǎng)單模光纖≤0.361.55m波長(zhǎng)單模光纖≤0.23、抗電磁干擾

光纖是絕緣體材料，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽(yáng)黑子活動(dòng)的干擾，也不受電氣化鐵路饋電線和高壓設(shè)備等工業(yè)電器的干擾，還可用它與高壓輸電線平行架設(shè)或與電力導(dǎo)體復(fù)合構(gòu)成復(fù)合光纜。4、無(wú)串音干擾，保密性好光波在光纜中傳輸，很難從光纖中泄漏出來(lái)，即使在轉(zhuǎn)彎處，彎曲半徑很小時(shí)，漏出的光波也十分微弱，若在光纖或光纜的表面涂上一層消光劑效果更好，這樣，即使光纜內(nèi)光纖總數(shù)很多，也可實(shí)現(xiàn)無(wú)串音干擾，在光纜外面，也無(wú)法竊聽到光纖中傳輸?shù)男畔ⅰ?、光纖線徑細(xì)、重量輕、柔軟

光纖的芯徑很細(xì)，約為0.1mm，它只有單管同軸電纜的百分之一；光纜的直徑也很小，8芯光纜的橫截面直徑約為10mm，而標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜為47mm。利用光纖這一特點(diǎn)，使傳輸系統(tǒng)所占空間小，解決地下管道擁擠的問(wèn)題，節(jié)約地下管道建設(shè)投資。光纖的重量輕，光纜的重要比電纜輕得多，例如18管同軸電纜1m的重量為11kg，而同等容量的光纜1m重只有90g，這對(duì)于在飛機(jī)、宇宙飛船和人造衛(wèi)星上使用光纖通信更具有重要意義。

光纖柔軟可撓，容易成束，能得到直徑小的高密度光纜。6、光纖的原材料資源豐富，用光纖可節(jié)約金屬材料

光纖的材料主要是石英(二氧化硅)，地球上有取之不盡用之不竭的原材料，而電纜的主要材料是銅、鋁、鉛，世界上銅的儲(chǔ)藏量并不多，據(jù)估計(jì)按此開采速度，只能使用50年左右。用光纖取代電纜，則可節(jié)約大量的金屬材料，據(jù)推算，敷設(shè)1000km的光纜線路，可節(jié)省銅150噸，鉛500噸。這無(wú)疑具有合理使用地球資源的重大意義。7、光纖除具有以上突出的優(yōu)點(diǎn)外，還具有耐腐蝕力強(qiáng)、抗核幅射、能源消耗小等優(yōu)點(diǎn)。

光纖的缺點(diǎn)：質(zhì)地脆、機(jī)械強(qiáng)度低，連接比較困難，分路、耦合不方便，彎曲半徑不宜太小等。這些缺點(diǎn)在技術(shù)上都是可以克服的，它不影響光纖通信的實(shí)用。近年來(lái)，光纖通信發(fā)展很快，它已深刻地改變了電信網(wǎng)的面貌，成為現(xiàn)代信息社會(huì)最堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并向我們展現(xiàn)了無(wú)限美好的未來(lái)。1.3光纖系統(tǒng)的基本組成

分為三大組成部分：光發(fā)送機(jī)、光纖光纜、光接收機(jī)

1.3.1光纖光纜

作為通信信道，基本特性參數(shù)為：損耗：直接限制通信距離。色散：引起光脈沖信號(hào)展寬和碼間串?dāng)_，限制通信距離。