光纖通信原理第章

光纖通信原理

PrincipleofOpticalFiberCommunication

第一頁，共三十八頁。教材：光纖通信，顧畹儀，黃永清，等編著，人民郵電出版社，2007年。第二頁，共三十八頁。參考書籍：光纖通信（第二版），張寶富等編著，西安電子科技大學出版社，2009年。光纖通信，劉增基等編著，西安電子科技大學出版社，2003年。FiberOpticCommunications（5thEd.），JosephC.Palais編著，電子工業(yè)出版社，2005年。光纖通信系統(tǒng)學習指導與習題解析，劉振霞，等編著，西安電子科技大學出版社，2006年。第三頁，共三十八頁?！豆饫w通信原理》課程教學基本信息總學時：48講課學時：40實驗學時：8學分：3先修課程：大學物理（1），大學物理（2），電磁場與微波技術，通信電子電路，通信系統(tǒng)原理。第四頁，共三十八頁。一、課程性質、目的和任務

《光纖通信原理》是通信工程專業(yè)的一門主要專業(yè)必修課。目的是使學生了解光纖通信系統(tǒng)的基本組成，掌握光纖的傳光原理和特性；掌握光源、光檢測器、光放大器和光無源器件的工作原理和特性；掌握光發(fā)射機、光接收機的各部分組成、結構及原理；掌握光纖通信系統(tǒng)的基本設計方法；了解光纖通信新技術。掌握光纖通信基本實驗技能，培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力，培養(yǎng)學生的動手能力，為畢業(yè)后從事光纖通信專業(yè)技術工作打下堅實的理論基礎。第五頁，共三十八頁。二、教學基本要求

掌握光纖傳光原理的射線光學和波動理論分析方法，光纖的傳輸特性；掌握光源、光檢測器的基本結構、原理和特性；掌握光發(fā)射機、光接收機的組成、結構及原理，光接收機靈敏度的基本計算方法；了解數字光纖通信系統(tǒng)的組成、原理和性能指標，掌握系統(tǒng)基本設計方法，掌握摻鉺光纖放大器的組成、結構和原理；掌握波分復用器件的類型、結構、原理和特性，光波分復用的原理、系統(tǒng)構成和管理技術；掌握自動交換光網絡的概念和控制平面、光傳送平面、管理平面的功能和結構；掌握光纖和主要光器件基本特性測量系統(tǒng)的組成、原理和測量方法，光纖通信系統(tǒng)基本參數的測量原理、方法和系統(tǒng)組成。第六頁，共三十八頁。三、教學內容及學時分配、授課教師第一章概述（2學時）李永倩第二章光纖和光纜（8學時）楊志第三章光源和光檢測器（6學時）尚秋峰第四章光發(fā)射機和光接收機（8學時）李永倩第五章光纖通信系統(tǒng)（6學時）張淑娥第六章無源光器件和WDM技術（4學時）李永倩第七章自動交換光網絡（2學時）張淑娥第八章光纖通信測量（4學時）李永倩第七頁，共三十八頁。實踐環(huán)節(jié)（8學時）楊再旺實驗1截斷法光纖衰減系數測量；LED的P-I特性測量2學時實驗2光纖熔接；OTDR光纖損耗特性測量2學時實驗3光端機碼型變換測試；系統(tǒng)眼圖測試2學時實驗4光纖通信系統(tǒng)光接口性能測試2學時教學輔導趙麗娟交作業(yè)時間：周一上午上課前答疑時間：周三下午2：30答疑地點：教三樓通信教研室第八頁，共三十八頁。四、考核方式

期末閉卷筆試占70%小測驗、平時作業(yè)、課堂提問和出勤情況占20%實驗占10%第九頁，共三十八頁。1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現狀

1.1.1探索時期的光通信

1.1.2現代光纖通信

1.1.3國內外光纖通信發(fā)展的現狀1.2光纖通信的優(yōu)點和應用

1.2.1光通信與電通信

1.2.2光纖通信的優(yōu)點

1.2.3光纖通信的應用1.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成

1.3.1發(fā)射和接收

1.3.2基本光纖傳輸系統(tǒng)

1.3.3數字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)第一章概述第十頁，共三十八頁。1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現狀

1.1.1探索時期的光通信

?在這個時期，美國麻省理工學院利用He-Ne激光器和CO2激光器進行了大氣激光通信試驗。由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質，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)明和應用，使沉睡了80年的光通信進入一個嶄新的階段。?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”。貝爾光電話是現代光通信的雛型。?原始形式的光通信:中國古代用“烽火臺”報警，歐洲人用旗語傳送信息。

第十一頁，共三十八頁。利用反射鏡傳送光束第十二頁，共三十八頁。

1.1.2現代光纖通信

1966年，英籍華裔學者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關于傳輸介質新概念的論文，指出了利用光纖(OpticalFiber)進行信息傳輸的可能性（石英1000dB/km的損耗非固有，產生于雜質吸收和瑞利散射）和技術途徑(材料提純和制造的均勻性)，奠定了現代光通信——光纖通信的基礎。

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)展方向第十三頁，共三十八頁。光纖通信發(fā)明家高錕(左)

1998年在英國接受IEE授予的獎章第十四頁，共三十八頁。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)推向一個新階段。

?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(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，日本電報電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2m)。

?在以后的10年中，波長為1.55μm的光纖損耗：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。第十五頁，共三十八頁。

1970年，光纖通信用光源取得了實質性的進展

?1970年，美國貝爾實驗室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯,先后研制成功室溫下連續(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1.3m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1.55m的連續(xù)振蕩半導體激光器。光纖和半導體激光器技術的進步，使1970年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑第十六頁，共三十八頁。

實用光纖通信系統(tǒng)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纖通信系統(tǒng)的現場試驗。GaAlAsLD，多模光纖，10km，44.7Mb/s

?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34Mb/s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。

?1983年敷設了縱貫日本南北的光纜長途干線。

?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。

?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。第十七頁，共三十八頁。光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個階段：

?第一階段(1966~1976年)，這是從基礎研究到商業(yè)應用的開發(fā)時期。短波長、低速率、多模，無中繼距離10km。?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和大力推廣應用的大發(fā)展時期。多模到單模，短波長到長波長，速率140-565Mb/s,無中繼距100-50km。

?第三階段(1986~1996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。1.55m色散位移單模系統(tǒng)；外調制，速率2.5-10Gb/s,無中繼距150-100km。第十八頁，共三十八頁。

1.1.3國內外光纖通信發(fā)展的現狀

1976年美國在亞特蘭大進行的現場試驗，標志著光纖通信從基礎研究發(fā)展到了商業(yè)應用的新階段。此后，光纖通信技術不斷創(chuàng)新：光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從0.85μm發(fā)展到1.31m和1.55m，傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s。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，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)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)已在國民經濟中占重要地位。第十九頁，共三十八頁。光纖通信整體發(fā)展時間表1974197619781980198219841986198819901992

100000

1000010001001010.1

0.8μm多模1.3μm單模光孤子光放大器1.55μm相干檢測系統(tǒng)性能(Gb/s?Km）1.55μm直接檢測第二十頁，共三十八頁。1.2光纖通信的優(yōu)點和應用1.2.1光通信與電通信

通信系統(tǒng)最終技術目標：增加信息傳輸容量和距離。通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于對載波調制的頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度越寬。光通信的主要特點載波頻率高；頻帶寬度寬（圖1.1）光通信利用的傳輸媒質-光纖，可以在寬波長范圍內獲得很小的損耗。（圖1.2）第二十一頁，共三十八頁。圖1.1部分電磁波頻譜第二十二頁，共三十八頁。圖1.2各種傳輸線路的損耗特性0.7-1.7m帶寬200THz第二十三頁，共三十八頁。

1.2.2光纖通信的優(yōu)點

?容許頻帶很寬，傳輸容量很大。本質寬、空分復用、波分復用

?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第二十四頁，共三十八頁。

1.2.3光纖通信的應用光纖可以傳輸數字信號，也可以傳輸模擬信號。光纖在通信網、廣播電視網與計算機網，以及在其它數據傳輸系統(tǒng)中，都得到了廣泛應用。光纖寬帶干線傳送網和接入網發(fā)展迅速，是當前研究開發(fā)應用的主要目標。光纖通信的各種應用可概括如下：①通信網②構成因特網的計算機局域網和廣域網③有線電視網的干線和分配網④綜合業(yè)務光纖接入網第二十五頁，共三十八頁。

ATMInternet骨干網DDN/FRPSTN/ISDNTV業(yè)務分配節(jié)點(COT)業(yè)務接入節(jié)點（RT）網管SNMP與電信網管中心相連Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622MSDH典型應用之一：寬帶綜合業(yè)務光纖接入系統(tǒng)拓撲結構第二十六頁，共三十八頁。典型應用之二：作為校園網的骨干傳輸網第二十七頁，共三十八頁。1.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成下圖示出單向傳輸的光纖通信系統(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)。第二十八頁，共三十八頁?；竟饫w傳輸系統(tǒng)的三個組成部分1、光發(fā)送機組成框圖：

光源調制器通道耦合器電信號輸入光輸出驅動電路結構參數：發(fā)送功率，dBm概念光源光譜特性：輸出光功率足夠大，調制頻率足夠高，譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長穩(wěn)定，器件壽命長第二十九頁，共三十八頁。電信號對光的調制的實現方式

直接調制用電信號直接調制半導體激光器或發(fā)光二極管的驅動電流，使輸出光隨電信號變化。這種方案技術簡單，成本較低，容易實現，但調制速率受激光器的頻率特性限制。

外調制把激光的產生和調制分開，用獨立的調制器調制激光器的輸出光。外調制的優(yōu)點是調制速率高，缺點是技術復雜，成本較高，因此只有在大容量的波分復用和相干光通信系統(tǒng)中使用。第三十頁，共三十八頁。圖1.5兩種調制方案(a)直接調制；(b)間接調制(外調制)第三十一頁，共三十八頁。2.光纖線路

功能：是把來自光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸到光接收機

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，除雜質吸收峰外，其損耗隨波長的增加而減小，在0.85m、1.31m和1.55m有三個損耗很小的波長“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，都要和光纖這三個波長窗口相一致。目前在實驗室條件下，1.55m的損耗已達到0.154dB/km，接近石英光纖損耗的理論極限。第三十二頁，共三十八頁。普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖0.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰減（dB/km）第一窗口第二窗口波長-λ（m）6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm1.571.62L波段第三十三頁，共三十八頁。3、光接收機功能：是把從光纖線路輸出、產生畸變和衰減的微弱光信號轉換為電信號，并經放大和處理后恢復成發(fā)射前的電信號組成部分：耦合器，光電檢測器，解調器組成框圖：電子電路光輸入耦合器光電檢測器解調器電信號輸出結構參數：接收機靈敏度，定義為BER≤10-9條件下，所要求的最小平均接收功率。檢測方式：直接檢測和外差檢測第三十四頁，共三十八頁。

1.3.3數字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)數字通信系統(tǒng)用參數取值離散的信號(如脈沖的有和無、電平的高和低等)代表信息，強調的是信號和信息之間的一一對應關系；