LOGOLOGO1第第6 6章章 光纤通信光纤通信*2 v光纤通信概述光纤通信概述v光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成v光纤和光缆光纤和光缆v光纤通信发展趋势光纤通信发展趋势*37.1光纤通信概述光纤通信概述1 1、何谓光纤通信、何谓光纤通信v用用光波光波作为载波，以作为载波，以光导纤维光导纤维作为传输介质的一种通作为传输介质的一种通信方式。信方式。2 2、光纤通信在通信网中的地位、光纤通信在通信网中的地位 专家预言，下一代网络，无论如何发展，一定将要达专家预言，下一代网络，无论如何发展，一定将要达到三个世界：到三个世界：服务层面上的服务层面上的IP世界世界接入层面上的无线世界接入层面上的无线世界传输层面上的光的世界传输层面上的光的世界*47.1光纤通信概述光纤通信概述3 3、光纤通信的容量、光纤通信的容量v香农公式香农公式 通信系统的传输容量通信系统的传输容量(capacity)(capacity)取决于对载波调取决于对载波调制的频带宽度，即在某种程度上，载波频率越高，频制的频带宽度，即在某种程度上，载波频率越高，频带越宽，系统容量越大。通信技术发展的历史，实际带越宽，系统容量越大。通信技术发展的历史，实际上是一个不断提高载波频率和增加传输容量的历史。上是一个不断提高载波频率和增加传输容量的历史。v一对光纤一对光纤理论理论上上每秒可传送每秒可传送2525兆兆兆兆(10(101212) )比特比特的信息的信息*57.1光纤通信概述光纤通信概述v各种传输介质所能承载的载波大小：各种传输介质所能承载的载波大小：铜线铜线1MHz1MHz同轴电缆同轴电缆100MHz100MHz无线电无线电500kHz500kHz100MHz100MHz微波（包括卫星信道）微波（包括卫星信道）100GHz100GHz光纤光纤几百几百THzTHz在在20012001年年OFCOFC会议上，会议上，NECNEC和和AlcatelAlcatel报道他们的传输容量分报道他们的传输容量分别达到别达到10.92Tb/s10.92Tb/s和和10.02Tb/s10.02Tb/s。（采用波分复用技术）。（采用波分复用技术）*67.1光纤通信概述光纤通信概述4 4、光纤通信的载波、光纤通信的载波v电磁波的一种电磁波的一种近红外光近红外光v频率为几百频率为几百THzTHzv常用波长常用波长0.85 0.85 m m 、1.31 1.31 m m 、1.55 1.55 m m波段波段*77.1光纤通信概述光纤通信概述*87.1光纤通信概述光纤通信概述v人眼能否看见光纤中的光人眼能否看见光纤中的光*9 *107.1.2 光纤通信发展历史光纤通信发展历史1.原始的光通信方式原始的光通信方式v目视光通信阶段目视光通信阶段 3 3千多年前，中国古代的烽火台千多年前，中国古代的烽火台新疆呼图壁县境内的烽火台*117.1.2 光纤通信发展历史光纤通信发展历史欧洲人的旗语欧洲人的旗语1650年，望远镜，极大地延长了这种目视光通信的距离。年，望远镜，极大地延长了这种目视光通信的距离。 1791年，法国人发明了灯信号和年，法国人发明了灯信号和“灯语灯语”虽虽然然人人类类社社会会的的文文明明程程度度和和科科学学技技术术得得到到了了很很大大的的提提高高，但但是是简简单单的的利利用用光光传传递递信信息息的的方方式式仍仍然然在在广广泛泛使使用用，例例如如：红红、黄、绿交通灯。黄、绿交通灯。v目视光通信方式的共同点：目视光通信方式的共同点：利用大气来传播可见光，由人眼来接收。利用大气来传播可见光，由人眼来接收。真正强大的光通信应该是光纤通信，即真正强大的光通信应该是光纤通信，即单纯地依靠光纤作为单纯地依靠光纤作为媒质来传送信息的通信方式。媒质来传送信息的通信方式。*12光纤通信发展历史光纤通信发展历史2.光通信的发展历程光通信的发展历程 （1）贝尔的光电话）贝尔的光电话v1880年，贝尔发明了光电话系统。年，贝尔发明了光电话系统。利用太阳光作光源，用硒晶体作为光接收器件，成功进行了光电利用太阳光作光源，用硒晶体作为光接收器件，成功进行了光电话的实验话的实验 ，传输距离，传输距离200多米。多米。说明了：利用说明了：利用光波作为载波传送光波作为载波传送信息是可行的。信息是可行的。*13v利用光在大气中传送信息方便简单，人们开始研究的光通信都是这种方式。利用光在大气中传送信息方便简单，人们开始研究的光通信都是这种方式。 v但光在大气中的传送要受到气象条件很大限制，使信号传输受到很大阻碍。但光在大气中的传送要受到气象条件很大限制，使信号传输受到很大阻碍。此外，太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适合作为通信的光源，因为此外，太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适合作为通信的光源，因为从通信技术上看，从通信技术上看，这些光都是带有这些光都是带有“噪声噪声”的光。的光。也就是说，这些光的也就是说，这些光的频率不稳定、不单一，光的性质也很复杂；一句话，频率不稳定、不单一，光的性质也很复杂；一句话，就是光不纯。就是光不纯。 v因此，因此，若要用光来通信，必须要解决两个最根本的问题：若要用光来通信，必须要解决两个最根本的问题：一是必须有稳定的、低损耗的传输媒质；一是必须有稳定的、低损耗的传输媒质；另一个问题是必须要找到高强度的、可靠的光源另一个问题是必须要找到高强度的、可靠的光源。 v可以说贝尔光电话是现代光通信的雏型可以说贝尔光电话是现代光通信的雏型*14光纤通信发展历史光纤通信发展历史（2）光源的探索阶段）光源的探索阶段1960年，美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器，给年，美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望光通信带来了新的希望研究现代化光通信的时代也从此开始研究现代化光通信的时代也从此开始认识一下激光认识一下激光v 激光的最初中文名叫做激光的最初中文名叫做“镭射镭射”、“莱塞莱塞”，是，是它的英文名称它的英文名称LASER的音译，是取自英文的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。的各单词的头一个字母组成的缩写词。v意思是意思是“受激辐射的光放大受激辐射的光放大”。*15光纤通信发展历史光纤通信发展历史v什么叫做什么叫做“受激辐射受激辐射”？它基于伟大的科学家爱因斯坦在它基于伟大的科学家爱因斯坦在19161916年提出了的一套年提出了的一套全新的理论。全新的理论。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做的现象。这就叫做“受激辐射的光放大受激辐射的光放大”，简称激光。，简称激光。19501950年，波尔多一所中学的教师阿尔弗雷德年，波尔多一所中学的教师阿尔弗雷德卡斯特勒卡斯特勒同让同让布罗塞尔发明了布罗塞尔发明了“光泵激光泵激”技术。这一发明后来技术。这一发明后来被用来发射激光被用来发射激光 *16v但但是是最最初初发发明明的的激激光光器器在在室室温温下下不不能能连连续续工工作作，因此，还不可能在通信中获得实际应用。因此，还不可能在通信中获得实际应用。*17光纤通信发展历史光纤通信发展历史v1951年，美国哥伦比亚大学的一位教授查尔斯汤斯（Townes）对微波的放大进行了研究，经过三年的努力，他成功地制造出了世界上第一个“微波激射器”，即“受激辐射的微波放大”的理论。 v1958年，汤斯和肖洛在物理评论杂志上发表了他们的“发明”关于“受激辐射的光放大”（即LASER）的论文。 v1960年7月，梅曼在加利福尼亚的休斯空军试验室进行了人造激光的第一次试验，当按钮按下时，第一束人造激光就产生了。这束仅持续了3亿分之一秒的红色激光标志着人类文明史上一个新时刻的来临。 *18光纤通信发展历史光纤通信发展历史v19701970年年，贝贝尔尔研研究究所所的的林林严严雄雄等等人人研研制制出出能能在在室室温温下下连连续续工工作作的的半半导导体体激激光光器器 这这种种激激光光器器只只有有米米粒粒大大小小，尽尽管管最最初初的的激激光光器器寿寿命命很很短短，但但它已被认为可以作为光通信的光源。它已被认为可以作为光通信的光源。v和普通光源相比，和普通光源相比，激光的优点激光的优点单色性好单色性好相干性高相干性高方向性强方向性强*19光纤通信发展历史光纤通信发展历史（3）传输光路的探索）传输光路的探索第一种方式第一种方式:使激光在大气中传输使激光在大气中传输通信能力和质量受周围大气环境的影响很大，如雨可造成通信能力和质量受周围大气环境的影响很大，如雨可造成30dB/km30dB/km的损耗，浓雾衰减可达的损耗，浓雾衰减可达120dB/km120dB/km 10dB/km10dB/km的损耗意味着输入的信号传送的损耗意味着输入的信号传送1 1公里后只剩公里后只剩下十分之一下十分之一20dB/km20dB/km的损耗意味着输入的信号传送的损耗意味着输入的信号传送1 1公里后只剩公里后只剩下百分之下百分之 30dB/km30dB/km的损耗意味着输入的信号传送的损耗意味着输入的信号传送1 1公里后只剩公里后只剩下千分之一下千分之一*20光纤通信发展历史光纤通信发展历史v第二种方式：把光束限制在特定空间第二种方式：把光束限制在特定空间透镜波导：透镜波导：在金属管内每隔一定距离安装一个透镜，在金属管内每隔一定距离安装一个透镜，每个透镜把经传输的光束聚到下一个透镜而实现每个透镜把经传输的光束聚到下一个透镜而实现*21光纤通信发展历史光纤通信发展历史v反射镜波导反射镜波导：用与光束传输方向成：用与光束传输方向成45度角的两个度角的两个平行反射镜代替透镜而构成平行反射镜代替透镜而构成首先：现场施工中校准和安装十分复杂；首先：现场施工中校准和安装十分复杂；其次：地面活动对波导影响很大其次：地面活动对波导影响很大*22光纤通信发展历史光纤通信发展历史v光纤波导：光纤波导：光纤即玻璃纤维，人们用它制造了医疗上用的内窥镜，如做光纤即玻璃纤维，人们用它制造了医疗上用的内窥镜，如做成胃镜，可以观察到距离体内成胃镜，可以观察到距离体内1米左右的情况。但是它的衰米左右的情况。但是它的衰减损耗特别大，只能传输很短的距离。直到减损耗特别大，只能传输很短的距离。直到20世纪世纪60年代，年代，最好的光纤的损耗仍在最好的光纤的损耗仍在1000dB/km以上。以上。(亿百分之一亿百分之一)这是这是不能用于通信的。不能用于通信的。v1970年，第一根低损耗光纤年，第一根低损耗光纤20dB/km研制成功研制成功。v1970年被称为光纤通信元年。年被称为光纤通信元年。*23 备注：光纤的发展备注：光纤的发展1966年年7月，英籍华裔学者高锟大胆预言：只要能设法降低玻璃纤维的杂质，月，英籍华裔学者高锟大胆预言：只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从就有可能使光纤的损耗从1000dB/km降低到降低到20dB/km，甚至更低，从而可以，甚至更低，从而可以用于通信。用于通信。1970年，美国康宁公司成功制成了年，美国康宁公司成功制成了20dB/km的石英光纤的石英光纤1972年，康宁公司年，康宁公司 4dB/km1973年，美国年，美国Bell实验室实验室 2.5dB/km1974年，美国年，美国Bell实验室实验室 1.1dB/km1976年，年，NTT 0.47 2.5dB/km1979年，年，0.2dB/km1984年，年，0.157dB/km1986年，年，0.154dB/km 接近了光纤最低损耗的理论极限接近了光纤最低损耗的理论极限*247.1.3 光纤通信的优点光纤通信的优点1、汗牛充栋汗牛充栋允许频带宽，传输容量大允许频带宽，传输容量大90年代年代，光纤的传输速率已经达到了每秒，光纤的传输速率已经达到了每秒T比特级（比特级（1012），），1Tb/s的速率意味着我们可以用一对只有头发丝粗细的光纤在的速率意味着我们可以用一对只有头发丝粗细的光纤在1秒钟之内将秒钟之内将300年的泰晤士报传送到世界上任何一个角落，年的泰晤士报传送到世界上任何一个角落，或者同时传送或者同时传送10万路电视节目，或同时通万路电视节目，或同时通1200万路电话。万路电话。由于任何信道都无法避免地会有各种噪声，而信号的功率也由于任何信道都无法避免地会有各种噪声，而信号的功率也不可能太高，所以信道的容量不可能达到无穷。不可能太高，所以信道的容量不可能达到无穷。在通信中，信道的带宽和信道的容量在通信中，信道的带宽和信道的容量遵循香农公式遵循香农公式*25光纤通信的优点光纤通信的优点（2）特快列车）特快列车损耗小，中继距离长损耗小，中继距离长目前常用光纤损耗为目前常用光纤损耗为0.2dB/km，甚至更低，直观地说，就是光传送，甚至更低，直观地说，就是光传送15公里，公里，其强度还有原来的一半。其强度还有原来的一半。中继距离长中继距离长:用石英玻璃制成的光纤在用石英玻璃制成的光纤在1.33m和和1.55m波长的传输损耗波长的传输损耗分别为分别为0.50dB/km和和0.20dB/km。因此，一般光纤通信系统的中继距离。因此，一般光纤通信系统的中继距离为几十公里，有的达一百多公里。而电缆通信系统中，中继距离为几公为几十公里，有的达一百多公里。而电缆通信系统中，中继距离为几公里。所以光纤通信适合于长距离干线通信，特别是对于跨洋通信来说，里。所以光纤通信适合于长距离干线通信，特别是对于跨洋通信来说，具有重大意义具有重大意义单模光纤最大中继距离可达上百公里，如果再加上光纤放大器，则可以单模光纤最大中继距离可达上百公里，如果再加上光纤放大器，则可以直通上万公里而不需要再生中继。直通上万公里而不需要再生中继。（3）瘦身专家）瘦身专家体积小，重量轻体积小，重量轻美国在军用飞机上用光纤代替电缆，在美国在军用飞机上用光纤代替电缆，在A7飞机上，重量减轻了飞机上，重量减轻了12.25公公斤，节省了约斤，节省了约27万美元万美元*26光纤通信的优点光纤通信的优点（4）百毒不侵）百毒不侵抗干扰能力强，保密性好抗干扰能力强，保密性好首先：光纤是由非金属材料石英制成的，是绝缘体首先：光纤是由非金属材料石英制成的，是绝缘体其次：光纤所传输的是高频电磁波，而各种干扰的频率一般都很低其次：光纤所传输的是高频电磁波，而各种干扰的频率一般都很低（5）随处可见）随处可见原材料来源丰富原材料来源丰富 SiO2，就是随处可见的沙子，而且，就是随处可见的沙子，而且1公斤高存度的石英玻璃可以制成公斤高存度的石英玻璃可以制成上万公里的光纤，而制造上万公里的光纤，而制造1公里公里18管的同轴电缆需管的同轴电缆需120公斤的铜，或公斤的铜，或500公斤的铅。公斤的铅。34Mb/s以上光纤通信系统的价格比同轴电缆便宜以上光纤通信系统的价格比同轴电缆便宜30%以上。所以采以上。所以采用光纤通信系统在经济上有重大意义。用光纤通信系统在经济上有重大意义。白玉微瑕、质地脆、机械强度低、需要比较好的切割及连接技术、分白玉微瑕、质地脆、机械强度低、需要比较好的切割及连接技术、分路耦合比较麻烦路耦合比较麻烦*277.2光纤和光缆光纤和光缆v7.2.1光纤光纤v光纤光纤(optical fiber)：光导纤维的简称，：光导纤维的简称，v是一种介质圆柱光波导，它能够是一种介质圆柱光波导，它能够约束并引导光波约束并引导光波在其内部或表面附近沿其轴线方向向前传播在其内部或表面附近沿其轴线方向向前传播*281.光纤的结构光纤的结构v纤芯：高折射率玻璃芯纤芯：高折射率玻璃芯折射率折射率n1一般为一般为1.4631.467 直径为直径为10m、50 m、62.5 m完成光信号的传输完成光信号的传输v包层：低折射率玻璃芯包层：低折射率玻璃芯折射率折射率n2一般为一般为1.451.46 直径为直径为125m 将光信号封闭在纤芯中并保护纤芯将光信号封闭在纤芯中并保护纤芯v护层：主要起保护作用，一般是塑料材料护层：主要起保护作用，一般是塑料材料*29v2.光纤的导光原理光纤的导光原理v携携带带信信息息的的光光波波在在光光纤纤中中传传输输时时，能能量量是是集集中中在在纤纤芯芯中向前传输，不希望包层中有能量。中向前传输，不希望包层中有能量。v光光波波在在均均匀匀介介质质中中传传播播时时，其其轨轨迹迹是是一一条条直直线线，而而当当遇遇到到两两种种介介质质交交界界面面时时，将将发发生生反反射射和和折折射射现现象象。如如图图7-27-2所示。所示。光的反射与折射光的反射与折射v光光射射线线在在纤纤芯芯和和包包层层的的交交界界处处，即即相相当当于于光光射射线线遇遇到到了两种不同介质的交界面。了两种不同介质的交界面。*30*31v当当入入射射角角大大于于临临界界角角arcsinarcsin时时，光光线线碰碰到到包包层层时时就会折射回纤芯，就会折射回纤芯，v这这个个过过程程不不断断重重复复，光光也也就就沿沿着着光光纤纤传传输输下下去去，于于是是在在纤纤芯芯与与包包层层的的界界面面上上发发生生全全反反射射而而被被限限制制在纤芯内传播。如图在纤芯内传播。如图7-37-3所示。所示。*32v3 3光纤的传输模光纤的传输模 v“模模”，来来源源于于电电磁磁场场的的概概念念，是是指指光光场场的的“模模式式”，v由由于于光光实实质质上上也也是是电电磁磁波波，所所以以光光场场的的“模模式式”实质上是电磁场的一种分布形式。实质上是电磁场的一种分布形式。v模式不同，其电磁场的分布不同模式不同，其电磁场的分布不同。 *33v关于光纤模式的概念，也可以从几何光学的观点直观地加以理解。v根据全反射原理，任何以大于临界角值的角度入射到光纤纤芯的光线，就可在纤芯和包层的交界面上产生全反射而在光纤内传播。v用几何光学的观点来看，可认为每一束以不同角度入射的光线（具有不同的传播路径）均有一个不同的模式(mode)，而把满足全反射条件的模式称为光纤的传输模。v简单地说，在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面、并能在光纤经纤芯包层界面上形成全反射的传播光线就可称为一个光的传输模式。*34*35v如如图图7-47-4所所示示，以以不不同同入入射射角角入入射射在在光光纤纤端端面面上上的的光光线线在在光光纤纤中中形成不同的传播模式。形成不同的传播模式。v沿光纤轴传播的叫作沿光纤轴传播的叫作基模基模，相继还有，相继还有一次模、二次模等。一次模、二次模等。v其其中中，模模次次较较低低的的模模为为低低次次模模，如如二二次次模模；模模次次较较高高的的模模为为高高次模。次模。v当当光光纤纤的的芯芯直直径径较较大大时时，则则在在光光纤纤的的受受光光角角内内，可可允允许许光光波波以以多多个个特特定定的的角角度度射射入入光光纤纤端端面面，并并在在光光纤纤中中传传播播，此此时时，就就称称光纤中有多个模式。光纤中有多个模式。如图如图7-47-4所示。所示。v当当光光纤纤芯芯直直径径很很小小时时，光光纤纤只只允允许许与与光光纤纤轴轴方方向向一一致致的的光光线线通通过，即只允许过，即只允许通过一个基模通过一个基模。*364.光纤的类型光纤的类型 a.按折射率分布情况分按折射率分布情况分阶跃型光纤阶跃型光纤-纤芯和包层的折射率都是常数，折射率在纤芯和包层分界面上发生纤芯和包层的折射率都是常数，折射率在纤芯和包层分界面上发生突变突变-特点：成本低、模间色散高、传输频带低、信号畸变大特点：成本低、模间色散高、传输频带低、信号畸变大*37v渐变型光纤渐变型光纤-纤芯的折射率随着半径的增加按一定的曲线规律变化，纤芯的折射率随着半径的增加按一定的曲线规律变化，至界面处纤芯折射率等于包层折射率至界面处纤芯折射率等于包层折射率-特点：成本高、模间色散低、传输频带宽、信号畸变小特点：成本高、模间色散低、传输频带宽、信号畸变小*38b.按光在光纤的传输模式分按光在光纤的传输模式分 单模与多模光纤单模与多模光纤v单模光纤单模光纤（Single Mode Fibers ） -在给定工作波长上，只能传输一种模式的光在给定工作波长上，只能传输一种模式的光 -纤芯很细，一般为纤芯很细，一般为8 m或或10 m，外径外径125m -特点：传输特性好、内部损耗低、频带宽、易于升级扩容、接续难、特点：传输特性好、内部损耗低、频带宽、易于升级扩容、接续难、对光源要求高对光源要求高v多模光纤多模光纤（Multimode Fibers） -在给定工作波长上，可以传输多种模式的光在给定工作波长上，可以传输多种模式的光 -纤芯较粗，一般为纤芯较粗，一般为50 m或或62.5 m，外径，外径125m -特点：模间色散大，而且随着距离的增加会更严重，限制了频带接续特点：模间色散大，而且随着距离的增加会更严重，限制了频带接续相对容易、对光源的要求相对低相对容易、对光源的要求相对低。*39v单模光纤单模光纤：传输频带宽，容量大，传输频带宽，容量大，适用于大容量，长距离通信的传输介质。适用于大容量，长距离通信的传输介质。大容量：大容量：565Mb/s2.5Gb/s长距离：长距离： 30km以上以上v多模光纤多模光纤传输性能较差，带宽较窄，传输容量较小。传输性能较差，带宽较窄，传输容量较小。适用于小容量，短距离通信的传输介质。适用于小容量，短距离通信的传输介质。*40C.按光纤的组成材料分类按光纤的组成材料分类v石英玻璃光纤（主要材料为石英玻璃光纤（主要材料为SiO2）；）；v多组分玻璃光纤（由多组分玻璃光纤（由SiO2、Na2O、CaO等氧化物等氧化物组成）；组成）；v硅酸盐光纤，硅酸盐光纤，v氟化物光纤，氟化物光纤，v塑料包层玻璃芯光纤，塑料包层玻璃芯光纤，v全塑光纤，液芯光纤，测光光纤，尾光光纤，工全塑光纤，液芯光纤，测光光纤，尾光光纤，工业光纤等。业光纤等。v光通信中主要用石英光纤，以后所说的光纤也主光通信中主要用石英光纤，以后所说的光纤也主要是指石英光纤。要是指石英光纤。 *41 5.5.光纤的传输特性光纤的传输特性限制光纤通信发展的两个重要因素限制光纤通信发展的两个重要因素光信号经光纤传输后要产生减小和失真，因而与输入光信号经光纤传输后要产生减小和失真，因而与输入信号不同，信号不同， 主要原因是光纤中存在损耗和色散。主要原因是光纤中存在损耗和色散。损耗（损耗（ Loss）：）：光在传输时引起能量衰耗的现象。光在传输时引起能量衰耗的现象。色散（色散（DispersionDispersion）：）：作为载波的光脉冲脉宽展宽的作为载波的光脉冲脉宽展宽的现象。现象。 *42（1）光纤的损耗）光纤的损耗v光波在光纤中传输，随着传输距离的增减而光功率逐渐下光波在光纤中传输，随着传输距离的增减而光功率逐渐下降的现象，称为光纤的传输损耗。降的现象，称为光纤的传输损耗。v产生损耗的原因产生损耗的原因吸收损耗吸收损耗本征吸收本征吸收杂质吸收杂质吸收散射损耗散射损耗 瑞利散射瑞利散射结构缺陷散射结构缺陷散射v从某种程度上讲，光纤的损耗不可能将为从某种程度上讲，光纤的损耗不可能将为0*43v光纤通信常用的三个低损耗窗口：光纤通信常用的三个低损耗窗口：0.85 0.85 m m 、1.31 1.31 m m 、1.55 1.55 m m*44（2）光纤的色散）光纤的色散 v光纤中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中光纤中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度不同而使得传播时间不同，因传输时，由于速度不同而使得传播时间不同，因此造成光信号中的不同频率成分或不同模式到达此造成光信号中的不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。象。 v引起脉冲展宽现象。引起脉冲展宽现象。*45v模式色散、材料色散、波导色散模式色散、材料色散、波导色散v减少了通信容量减少了通信容量v缩短了通信距离缩短了通信距离 v渐变光纤可以减小模式色散渐变光纤可以减小模式色散*465、几种光纤标准、几种光纤标准vG.651:多模渐变光纤多模渐变光纤vG.652:常规单模光纤常规单模光纤vG.653：色散位移光纤：色散位移光纤vG.655：非零色散位移光纤：非零色散位移光纤*477.2.2光缆光缆*487.3光纤通信系统光纤通信系统v1.系统模型系统模型*492. 各主要部件及功能各主要部件及功能 光纤通信系统的发送与接收部件光纤通信系统的发送与接收部件电端机：电端机：一一般般的的光光纤纤通通信信系系统统，都都不不是是直直接接用用光光信信号号，而而是是先先把把用用户户的的原原始始信信号号转转变变成成电电信信号号，再再把把电电信信号号转转变变为为光光信信号号在在光光纤纤中中传传输。输。光发射端机光发射端机电光转换、线路编码等电光转换、线路编码等常用光源：常用光源：半导体激光器、半导体发光二极管等半导体激光器、半导体发光二极管等*50v半导体激光器（半导体激光器（LD）：）：比较理想的光源比较理想的光源发出的光：激光，是一种高度相干光发出的光：激光，是一种高度相干光发光原理：受激辐射发光原理：受激辐射优点：尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长和尺优点：尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，相干性好。寸与光纤尺寸适配，可直接调制，相干性好。实用性：适用于高速率、大容量的光纤通信系统。实用性：适用于高速率、大容量的光纤通信系统。*51v半导体发光二极管（半导体发光二极管（LED）：比较简单的光源比较简单的光源发出的光：荧光发出的光：荧光 发光原理：自发辐射发光原理：自发辐射、优点：结构简单，体积小，工作电流小，优点：结构简单，体积小，工作电流小，使用方便，成本低，使用方便，成本低，所以在光电系统中的应用极为普遍。所以在光电系统中的应用极为普遍。实用性：由于实用性：由于LED辐射谱较宽，由其引起的光纤的材料色散辐射谱较宽，由其引起的光纤的材料色散会导致较大的光脉冲展宽，限制了传输速度，所以会导致较大的光脉冲展宽，限制了传输速度，所以LED常用常用于近距离、低速系统。于近距离、低速系统。 *52v光接收端机光接收端机功能：功能：把从光纤线路输出，产生畸变和衰减的微弱光信号转为电把从光纤线路输出，产生畸变和衰减的微弱光信号转为电信号，信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号并经放大和处理后恢复成发射前的电信号主要组成部分：光检测器（核心）：光主要组成部分：光检测器（核心）：光/电转换电转换PIN光电二极管光电二极管 、雪崩光电二极管雪崩光电二极管 v光中继器光中继器 传统的光中继器采用的是光电光传统的光中继器采用的是光电光(O-E-O)(O-E-O)的模式的模式 再放大再放大(re-amplifying)(re-amplifying)、再整形（、再整形（re-shapingre-shaping）、再定时（）、再定时（re-re-timingtiming）“3R3R”中继器中继器 自从掺铒光纤放大器问世以后，光中继实现了全光中继，通常又自从掺铒光纤放大器问世以后，光中继实现了全光中继，通常又称为称为1R1R（re-amplifyingre-amplifying）再生）再生 *53v备用系统和辅助系统备用系统和辅助系统 ：备备用用系系统统：为为了了确确保保系系统统的的畅畅通通，通通常常设设置置备备用用系系统统。正正常常情情况况下下只只有有主主系系统统工工作作，一一旦旦主主要要系系统统出出现现故故障障，就就可可以以立立即即切切换换到到备备用用系系统统，这这样样就就可可以以保保障障通通信信的的正确无误。正确无误。辅辅助助设设备备：对对系系统统的的完完善善，它它包包括括监监控控管管理理系系统统、公公务务通通信信系系统统、自自动动倒倒换换系系统统、告告警警处处理理系系统统、电电源源供供给系统等。给系统等。*547.4光纤通信新技术光纤通信新技术 v1 1引用波分复用技术的原因引用波分复用技术的原因v2 2光波分复用光波分复用WDMWDM的概念的概念 vWDMWDM技技术术是是在在一一根根光光纤纤中中同同时时传传输输多多波波长长光光信信号号的的一项技术。一项技术。其其基基本本原原理理是是在在发发送送端端将将不不同同波波长长的的信信号号组组合合起起来来( (复复用用) )，送入到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，送入到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在在接接收收端端又又将将组组合合波波长长的的光光信信号号分分开开( (解解复复用用) )，并并作作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因因此此将将此此项项技技术术称称为为光光波波长长分分割割复复用用，简简称称光光波波分分复复用技术。用技术。 *55 光的波分复用光的波分复用v光波分复用技术的出现使光通信系统的容量产生光波分复用技术的出现使光通信系统的容量产生几十倍、成百倍地增长，几十倍、成百倍地增长，v可以说没有波分复用技术也就没有现在蓬勃发展可以说没有波分复用技术也就没有现在蓬勃发展的光通信事业。的光通信事业。v *56光纤通信系统发展历史光纤通信系统发展历史4.光纤通信系统发展的几个阶段光纤通信系统发展的几个阶段v1973年年1976年的第一代光纤通信系统。年的第一代光纤通信系统。其特征是：采用其特征是：采用0.85 m短波长多模光纤，光纤损耗为短波长多模光纤，光纤损耗为2.53dB/km,传输速率为传输速率为50100Mbit/s，中继距离为，中继距离为810km，于于1978年进入现场试用，年进入现场试用，80年代初陆续在世界先进国家推广应用，年代初陆续在世界先进国家推广应用，多用作市话局间中继线路使用。多用作市话局间中继线路使用。v1976年年1982年的第二代光纤通信系统。年的第二代光纤通信系统。 其特征是：采用其特征是：采用1.31 m长波长多模或单模光纤，长波长多模或单模光纤，光纤损耗为光纤损耗为0.551dB/km，传输速率为传输速率为140Mbit/s，中继距离为，中继距离为2050km，于于1982年开始陆继投入使用，一般用于中、短距离的长途通信线年开始陆继投入使用，一般用于中、短距离的长途通信线路，也用作大城市市话局间中继线，以实现无中继传输。路，也用作大城市市话局间中继线，以实现无中继传输。*571.2 光纤通信发展历史光纤通信发展历史v1982年年1988年的第三代光纤通信系统年的第三代光纤通信系统其特征是：其特征是：采用采用1.31 m长波长单模光纤，长波长单模光纤，光纤损耗降至光纤损耗降至0.30.5dB/km，实用化、大规模应用，传，实用化、大规模应用，传输信号为准同步数字系列（输信号为准同步数字系列（PDH）的各次群路信号，）的各次群路信号，中继距离为中继距离为50100km，于，于1983年以后陆续投入使用，年以后陆续投入使用，主要用于长途干线和海底通信，是光纤通信重点推广应主要用于长途干线和海底通信，是光纤通信重点推广应用阶段。用阶段。*58光纤通信发展历史光纤通信发展历史v19881996年的第四代光纤通信系统。年的第四代光纤通信系统。其特征是：开始采用其特征是：开始采用1.55 m波长窗口的光纤，光纤损耗进一步波长窗口的光纤，光纤损耗进一步降至降至0.2dB/km，应用中主要用于建设同步数字系列（，应用中主要用于建设同步数字系列（SDH）同步）同步传送网络，传输速率达传送网络，传输速率达2.5Gbit/s，中继距离为，中继距离为80120km，并开，并开始采用掺铒光纤放大器（始采用掺铒光纤放大器（EDFA）和波分复用（）和波分复用（WDM）器等新型）器等新型器件。器件。 v1996年年今的第五代光纤通信系统。今的第五代光纤通信系统。其特征是：采用密集波分复用（其特征是：采用密集波分复用（DWDM）技术的全光网络开发与）技术的全光网络开发与应用，充分利用光纤低损耗波段潜在容量实现传输系统的急剧扩应用，充分利用光纤低损耗波段潜在容量实现传输系统的急剧扩容，容，采用采用DWDM技术不仅仅是带来巨大容量方面的好处，可以预计，技术不仅仅是带来巨大容量方面的好处，可以预计，随着随着DWDM技术的推广应用，将会对现行的光纤网络带来深刻的技术的推广应用，将会对现行的光纤网络带来深刻的变革，最终会成为全光网络（变革，最终会成为全光网络（AON）的基石。）的基石。因此，电信界又将因此，电信界又将1997年称为年称为WDM年。年。 *59光纤通信发展历史光纤通信发展历史5、 我国的光纤通信发展与现状我国的光纤通信发展与现状（1）初级研究阶段（）初级研究阶段（1974年年1980年）年） 这一阶段的典型研究成果包括阶跃多模光纤、室温下可这一阶段的典型研究成果包括阶跃多模光纤、室温下可连续工作的连续工作的GaAlAs半导体激光器和半导体激光器和8Mbit/s数字光纤传数字光纤传输系统，并陆续建立了一些现场试验实用化系统。输系统，并陆续建立了一些现场试验实用化系统。（2）实用化研究阶段（）实用化研究阶段（1981年年1985年）年） 实用化研究主要是解决早期光纤通信系统在稳定性和可实用化研究主要是解决早期光纤通信系统在稳定性和可靠性等方面存在的问题，重点是市话中继多模光纤传输靠性等方面存在的问题，重点是市话中继多模光纤传输系统。科研攻关的最高成果以系统。科研攻关的最高成果以140Mbit/s光纤数字通信系光纤数字通信系统样机的面世为主要标志。统样机的面世为主要标志。 *60光纤通信发展历史光纤通信发展历史（3）长途通信研究阶段（）长途通信研究阶段（1986年年1990年）年）这一阶段的攻关重点是单模光纤长途干线系统的成套这一阶段的攻关重点是单模光纤长途干线系统的成套技术，包括光纤、器件、系统、测试、仪表等。技术，包括光纤、器件、系统、测试、仪表等。主要表现在主要表现在140Mbit/s以下准同步系列（以下准同步系列（PDH）设备陆）设备陆续得到推广应用，续得到推广应用，某些国家级光缆干线通信工程开始尝试采用国产化光某些国家级光缆干线通信工程开始尝试采用国产化光纤传输设备，科研的最高成就是纤传输设备，科研的最高成就是565Mbit/s光纤数字传光纤数字传输系统的研制成功。输系统的研制成功。 *611.2 光纤通信发展历史光纤通信发展历史（4）光同步数字传送网研究阶段（）光同步数字传送网研究阶段（1991年年1996年）年） 1993年以前主要是巩固和发展已取得的年以前主要是巩固和发展已取得的PDH研究成果，研究成果，表现为京表现为京汉汉广国产光缆及传输设备干线工程的建成广国产光缆及传输设备干线工程的建成和和565Mbit/s光缆通信示范工程的实施。光缆通信示范工程的实施。自自1993年引进第一套年引进第一套SDH传输设备之后，研究工作很快传输设备之后，研究工作很快就转入到就转入到SDH设备的引进、开发和国产化。设备的引进、开发和国产化。SDH合资企业在全国遍地开花，合资企业在全国遍地开花，SDH光缆通信工程的推光缆通信工程的推广建设在国内亦达到白热化程度。广建设在国内亦达到白热化程度。国内科研能力已能研制国内科研能力已能研制2.5Gbit/s样机，各种样机，各种SDH设备相设备相继投产。继投产。 *621.2 光纤通信发展历史光纤通信发展历史（5）光波分复用技术研究阶段（）光波分复用技术研究阶段（1997年年今）今） 在应用领域主要是大力推广国产化在应用领域主要是大力推广国产化SDH设备的应用和覆盖设备的应用和覆盖全国的全国的SDH网络建设。网络建设。1997年底相继完成了年底相继完成了622Mbit/s SDH环网实验工程和环网实验工程和2.5Gbit/s SDH链路实验工程。国产链路实验工程。国产SDH设备在应用中逐步走向成熟。设备在应用中逐步走向成熟。自自1996年年12月，国内研制月，国内研制4 2.5Gbit/sWDM无中继传输无中继传输试验系统通过国家科委鉴定之后，国内一些主要的光纤通试验系统通过国家科委鉴定之后，国内一些主要的光纤通信技术研究单位开始转向信技术研究单位开始转向DWDM技术和设备的研究中。技术和设备的研究中。1997年年5月完成了月完成了4 2.5Gbit/sWDM双向双向154km光传输系光传输系统试验工程，统试验工程，1998年年3月，月，8 2.5Gbit/s SDH DWDM 360km双向传输双向传输实验系统科研样机通过鉴定验收。以此为锲机，国内几个实验系统科研样机通过鉴定验收。以此为锲机，国内几个有实力的大公司很快做出反应，分别组建自己的有实力的大公司很快做出反应，分别组建自己的DWDM技技术开发机构，开始了术开发机构，开始了DWDM商用化的研究历程。商用化的研究历程。*63我国的光缆网络我国的光缆网络v从从1991年起，我国已不再建长途电缆通信系统，而大力发年起，我国已不再建长途电缆通信系统，而大力发展光纤通信。展光纤通信。v在在“八五八五”期间，建成了含期间，建成了含2222条光缆干线、总长达条光缆干线、总长达3.3万公万公里的里的“八横八纵八横八纵”大容量光纤通信干线传输网大容量光纤通信干线传输网(SDH)。v全国除台湾省以外的所有省会城市和大部分地市级城市全全国除台湾省以外的所有省会城市和大部分地市级城市全部与光缆通信连接，而且还可以通过已建成的部与光缆通信连接，而且还可以通过已建成的中日海底光中日海底光缆、中韩海底光缆和中美海底光缆、上海至新加坡的东南缆、中韩海底光缆和中美海底光缆、上海至新加坡的东南亚陆地光缆等多条国际光缆通信干线与世界光缆通信网相亚陆地光缆等多条国际光缆通信干线与世界光缆通信网相连接连接。*64v1999年年1月月，我国第一条最高传输速率的国家一级干我国第一条最高传输速率的国家一级干线线(济南济南青岛青岛)82.5Gbs密集波分复用密集波分复用(DWDM)系统建成，使一对光纤的通信容量又扩大了系统建成，使一对光纤的通信容量又扩大了8倍。倍。v目前在国家目前在国家13条光缆干线上已经开始了主要以条光缆干线上已经开始了主要以82.5Gbps SDH波分复用系统为主的扩容工程，波分复用系统为主的扩容工程，WDM市场的启动势在必行市场的启动势在必行。v我国拥有的四通八达的大容量光缆通信网络，将成为我国拥有的四通八达的大容量光缆通信网络，将成为我国信息高速公路的基础，成为我国信息高速公路的基础，成为“信息信息”国道。国道。 *657.47.4光纤通信的发展趋势光纤通信的发展趋势1、向超高速系统的发展、向超高速系统的发展 *662.向超大容量向超大容量WDM/DWDM系统的演进系统的演进 如前所述，采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽，如前所述，采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽，然而光纤的然而光纤的200nm可用带宽资源仅仅利用了不到可用带宽资源仅仅利用了不到1，99的资源尚待发掘。的资源尚待发掘。2013年年11月月27日，由武汉邮电科学研究院、光纤通信日，由武汉邮电科学研究院、光纤通信技术和网络国家重点实验室、烽火通信联合完成的标技术和网络国家重点实验室、烽火通信联合完成的标准单模光纤超长距离实时光传输系统实验，在全球首准单模光纤超长距离实时光传输系统实验，在全球首次实现了单通道次实现了单通道3.2 Tb/s 2087公里公里G.652D光纤上光纤上24小小时无误码实时传输。时无误码实时传输。*673.网络化网络化 SONET/SDH是一种以联网为基本特征的新型传送体制，是一种以联网为基本特征的新型传送体制，它将复接、传送及交换功能融为一体并由统一网管进它将复接、传送及交换功能融为一体并由统一网管进行自动化、智能化网络管理，使得遍及全球的光纤网行自动化、智能化网络管理，使得遍及全球的光纤网络可以构建成统一的综合信息传送网络平台。络可以构建成统一的综合信息传送网络平台。ASON (Automatically Switched Optical Network)即即自动交换光网络。自动交换光网络。2000年的年的ITU-T正式确定正式确定完成自动交换功能的新一代光网络，是一种标准化了的完成自动交换功能的新一代光网络，是一种标准化了的智能光传送网，代表了未来智能光网络发展的主流方向，智能光传送网，代表了未来智能光网络发展的主流方向，是下一代智能光传送网络的典型代表。是下一代智能光传送网络的典型代表。*68v面向面向21世纪通信的两大通信平台世纪通信的两大通信平台 光纤通信平台光纤通信平台 无线通信平台无线通信平台 超大容量、超长距离超大容量、超长距离 宽带、移动宽带、移动 关键技术：波分复用、关键技术：波分复用、 关键技术：智能天线、关键技术：智能天线、 光纤放大器光纤放大器 CDMA、 软件软件无线电、无线电、OFDM/MIMO光接入网光接入网光纤通信发展大趋势光纤通信发展大趋势全光网络化全光网络化光纤将是未来信息高速公路的主干道光纤将是未来信息高速公路的主干道LOGOLOGO现代通信概论692013年10月15日星期二