光纖通信系統(tǒng)-第一章 緒論

光纖通信系統(tǒng)選用教材光纖通信（“十一五”國家級規(guī)劃教材） 邱昆，王晟，邱琪，張崇富， 電子科技大學(xué)出版社，2008

參考書：1）光纖通信系統(tǒng)（修訂版），顧畹儀/李國瑞，北京郵電大學(xué)出版社2）Fiber-OpticCommunicationsSystems,ThirdEdition,G.P.Agrawal課程內(nèi)容

涉及光纖通信中的器件、整機(jī)、系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。器件：光纖和光纜，光源、光探測器、光放大器；（第2、3章）整機(jī)：光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)； （第2章）系統(tǒng)：SDH傳輸系統(tǒng)和光交換系統(tǒng)；（第4、5章）網(wǎng)絡(luò)：光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、光纖接入網(wǎng)和光纖以太網(wǎng)。（第6、7和8章）講授學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí)學(xué)習(xí)方法先修課程：《電磁場與電磁波》，《通信原理》；學(xué)習(xí)方法：

1）保證課堂效率，實(shí)事求是，不懂就問；

2）獨(dú)立思考和完成作業(yè)；

3）課間和課后的交流；

4）閱讀相關(guān)報(bào)道、產(chǎn)品資料和文獻(xiàn)?？己朔绞匠煽儤?gòu)成：

1）期末考試：70% 2）出勤：10%；（5次考勤）

3）作業(yè)：10%；

4）測驗(yàn)：10%；（5次課堂測驗(yàn)）第一章緒論1.1光纖通信的發(fā)展簡史1.2光纖通信的特點(diǎn)和應(yīng)用1.3光纖通信系統(tǒng)構(gòu)成1.4幾個(gè)基本概念1.1光纖通信的發(fā)展簡史傳輸媒介光纖通信系統(tǒng)：利用光纖光纜傳輸光波信號的通信方式。無線通信：微波、衛(wèi)星、激光有線通信：銅線電纜、光纖光纜通信系統(tǒng)：將信息從一處傳到另一處的全部技術(shù)設(shè)備和信道(傳輸媒介)的總和。電磁波：交變的電場會產(chǎn)生交變的磁場，交變的磁場又會激起交變的電場，這種電場、磁場無限地交變產(chǎn)生，合稱電磁場。這種交變的電磁場會在空間以波的形式由近及遠(yuǎn)地傳播開去，這就是電磁波。光也是一種電磁波光通信的基礎(chǔ)：電磁波理論麥克斯韋1865年發(fā)表電磁場理論赫茲1888年實(shí)驗(yàn)證實(shí)電磁波存在發(fā)送信號的頻率越高(波長越短)，可載送的信息量就越多在電磁波譜中，光波范圍包括紅外線、可見光、紫外線，其波長范圍為：300mm~6×10?3

mm。電磁波譜目前使用的光載波頻率~190THz

各種單位的換算公式c=3×108m/s1MHz（兆赫）＝106Hzl=c/f1GHz（吉赫）＝109Hz1mm(微米)=10?6m1THz（太赫）＝1012Hz1nm(納米)=10?9m1PHz（拍赫）＝1015Hz1?(埃)=10?10m常用的單位和換算100GHz≈？nm0.8最早的光通信公元前11世紀(jì)，西周王朝，烽火臺古代光通信1880年貝爾發(fā)明了第一個(gè)光電話系統(tǒng)，通話距離213米弧光燈的恒定光束投射在話筒的音膜上，隨聲音的振動而得到強(qiáng)弱變化的反射光束，這個(gè)過程就是調(diào)制。但是，普通光源強(qiáng)度和純度都成為制約光通信發(fā)展的因素。第一個(gè)光電話系統(tǒng)：現(xiàn)代光通信的開端?在這個(gè)時(shí)期，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)。由于沒有找到穩(wěn)定可靠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?，F(xiàn)代光通信的標(biāo)志激光器的發(fā)明和應(yīng)用，光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段，它具有亮度高、譜線窄、方向性好但由于大氣通信受氣象條件的影響，通信不穩(wěn)定頻率為100太赫茲的紅寶石激光器[美國梅曼(Maiman)，1960]大氣光通信

大氣光通信受阻，人們將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)入到地下光波通信的實(shí)驗(yàn)，先后出現(xiàn)過反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)等地下通信的實(shí)驗(yàn)。但反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)造價(jià)昂貴，調(diào)整、維護(hù)困難。地下光通信沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)對光通信的研究走入了低潮1870年，英國物理學(xué)家丁達(dá)爾太陽光隨著水流發(fā)生彎曲

n水

>n空氣，光發(fā)生全反射光纖的雛形1953年，英國倫敦學(xué)院卡帕尼博士首次將丁達(dá)爾的觀察用于實(shí)際，發(fā)明了用極細(xì)的玻璃制作的光導(dǎo)纖維：芯層+包層。芯層的折射率大于包層，光在其中做全反射。1960年左右，最好的光纖損耗也在1000分貝/公里(dB/km)。由于，損耗很大，它最初被用于醫(yī)療，如內(nèi)窺鏡。

早期光纖通信的關(guān)鍵問題1、低損耗的光纖；2、高可靠、長壽命的光源及高響應(yīng)的光檢測器件；3、光測量及光纖連接技術(shù)；工作地點(diǎn)：英國標(biāo)準(zhǔn)電信研究所研究對象：光在石英玻璃纖維中的嚴(yán)重?fù)p耗問題損耗原因：1)玻璃纖維中含有過量的鉻、銅、鐵與錳等金屬 離子和其他雜質(zhì)；2)拉制光纖工藝造成芯、包層 分界面不均勻及其所引起的折射率不均勻新的發(fā)現(xiàn)：一些玻璃纖維在紅外光區(qū)的損耗較小低損耗光纖的探索1966年，高錕和霍克哈姆發(fā)表的《用于光頻的光纖表面波導(dǎo)》奠定了現(xiàn)代光通信的基礎(chǔ)。高錕被尊為光纖之父。1970年，美國康寧公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km。1973年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年，貝爾實(shí)驗(yàn)室將損耗進(jìn)一步降低到1.1dB/km。1976年，日本電報(bào)電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47 dB/km(工作波長1.2mm)。目前波長為1.55mm的標(biāo)準(zhǔn)光纖損耗為<0.2dB/km。

低損耗光纖的研制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)振蕩的砷鋁鎵(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)。1973年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時(shí)。1976年，日本NTT研制出波長為1.3mm的磷砷鎵銦(InGaAsP)激光器。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)。1979年，美國電報(bào)電話(AT&T)公司和日本NTT研制成功波長為1.55mm的半導(dǎo)體激光器。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。半導(dǎo)體通信光源的探索1976年，美國在亞特蘭大進(jìn)行世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng) 的現(xiàn)場試驗(yàn)1976年和1978年，日本先后進(jìn)行了速率為34Mb/s的階躍多模 光纖通信系統(tǒng)和速率為100Mb/s的漸變型多模光纖通 信系統(tǒng)的試驗(yàn)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1983年，敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長途干線1988年，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)1989年，第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光纜通信系統(tǒng)建成光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展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。光纖通信發(fā)展的狀況當(dāng)今世界范圍的光纖通信系統(tǒng)在70年代國外的低損耗光纖獲得突破以后，我國從1974年開始了低損耗光纖和光通信的研究工作，并于70年代中期研制出低損耗光纖和室溫下可連續(xù)發(fā)光的半導(dǎo)體激光器。1979年分別在北京和上海建成了市話光纜通信試驗(yàn)系統(tǒng)，這比世界上第一次現(xiàn)場試驗(yàn)只晚兩年多。這些成果成為我國光通信研究的良好開端，并使我國成為當(dāng)時(shí)少有的幾個(gè)擁有光纜通信系統(tǒng)試驗(yàn)段的幾個(gè)國家之一。到80年代末，我國的光纖通信的關(guān)鍵技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

我國的光纖通信發(fā)展從1991年起，我國已不再建長途電纜通信系統(tǒng)，而大力發(fā)展光纖通信。在“八五”期間，建成了含22條光纜干線、總長達(dá)33000公里的“八橫八縱”大容量光纖通信干線傳輸網(wǎng)。1999年1月，我國第一條最高傳輸速率的國家一級干線（濟(jì)南——青島）8×2.5Gb／s密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)建成，使一對光纖的通信容量又?jǐn)U大了8倍。光纖通信已是各種通信網(wǎng)的主要傳輸方式我國的光纖通信發(fā)展我國的光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)我國的光纖通信發(fā)展第一代：1966~1979(從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期)激光器(GaAs)波長0.8μm，多模光纖，最大中繼距離10km(當(dāng)時(shí)的同軸電纜系統(tǒng)中繼距離為1km)，比特率在50~100Mb/s。多模色散和損耗是限制中繼距離的關(guān)鍵。光纖通信的四個(gè)發(fā)展階段第二代：上世紀(jì)80年代早期(通過減小光纖色散)激光器(InGaAs)波長1.3μm，單模光纖，最大中繼距離50km，比特率1.7Gb/s。光纖的損耗限制了中繼距離，當(dāng)時(shí)的損耗為~0.5dB/km。光纖通信的四個(gè)發(fā)展階段第三代：上世紀(jì)80年代后期初90年代初(通過降低光纖損耗)激光器(InGaAsP)波長1.55μm，單模(色散位移)光纖，比特率2.5~10Gb/s，最大中繼距離100km。這個(gè)階段的缺點(diǎn)是采用電的方式中繼。光纖通信的四個(gè)發(fā)展階段第四代：上世紀(jì)90年代之后(通過引入WDM和全光放大技術(shù))激光器(InGaAsP)波長1.55μm，單模光纖，采用波分復(fù)用技術(shù)和光放大技術(shù)，單個(gè)波長信道比特率2.5~40Gb/s，256×40G=10Tb/s

，并提出光通信智能化的概念光纖通信的四個(gè)發(fā)展階段WDM技術(shù)出現(xiàn)第一代：工作在0.85um波段，速率50~100Mb/s，中繼距離10km；第二代：工作在1.31um波段，速率1.7Gb/s,中繼距離50km；第三代：工作在1.55um波段,商用2.5~10Gb/s;第四代：采用光放大器和波分復(fù)用技術(shù)，256×40G=10Tb/s第五代：研究中。

小結(jié)：光纖通信發(fā)展的五代發(fā)展過程光纖通信系統(tǒng)發(fā)展情況1.2光纖通信的特點(diǎn)和應(yīng)用1.2.1光纖通信的主要特點(diǎn)

1）大容量；

2）損耗低，傳輸距離長；

3）抗干擾能力強(qiáng)；

4）保密性強(qiáng)；

5）體積小，重量輕；

6）材料豐富；1.2光纖通信的特點(diǎn)和應(yīng)用1.2.1光纖通信的應(yīng)用通信網(wǎng)絡(luò)：接入網(wǎng)骨干網(wǎng)洲際通信無線通信1.2光纖通信的特點(diǎn)和應(yīng)用能源系統(tǒng)：煤炭系統(tǒng)：電監(jiān)控系統(tǒng)信號均為電信號，在含瓦斯高的礦井中容易引起爆炸。因此，如果考慮安全因素，電信號功率不能太大，這又導(dǎo)致傳輸距離受限。而如果采用光纖系統(tǒng)，很多設(shè)備可以無源化，即保證了安全，又能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。1.2光纖通信的特點(diǎn)和應(yīng)用軍事：光纖制導(dǎo)武器：光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈、光纖制導(dǎo)魚雷需要獲得實(shí)時(shí)的目標(biāo)圖像同時(shí)要求控制線輕巧。1.2光纖通信的特點(diǎn)和應(yīng)用醫(yī)療：利用傳像束的內(nèi)窺鏡激光手術(shù)刀激光手術(shù)中，有時(shí)需要手術(shù)的部位在人體腔道內(nèi)，通過石英光纖來實(shí)現(xiàn)拐彎，因此激光手術(shù)刀又叫光纖手術(shù)刀。機(jī)載電子：1.2光纖通信的特點(diǎn)和應(yīng)用1.3光纖通信系統(tǒng)1.3.1光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光纖發(fā)送信號接收信號0.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰減（dB/km）第一窗口第二窗口6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm1.571.62L波段光纖光纖：兩個(gè)主要參數(shù)：損耗（dB）和色散（ps/(km*nm)）。PinPoutL光發(fā)射機(jī)：

2）外調(diào)制光功率的表示方法：發(fā)光二極管的發(fā)射功率較低（一般＜10dBm），而半導(dǎo)體激光器的發(fā)射功率