光纤通信原理与技术光纤通信原理与技术讲授内容讲授内容1 光纤通信概述光纤通信概述 2 通信用光器件通信用光器件3 光端机光端机 4 光纤通信系统光纤通信系统5 光纤通信新技术光纤通信新技术 6 光纤通信网路光纤通信网路教材及参考书目教材及参考书目 光纤通信光纤通信刘增基刘增基 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社1.光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统杨祥林杨祥林杨祥林杨祥林 编著编著编著编著 国防工业国防工业国防工业国防工业出版社出版社出版社出版社2.光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统顾畹仪顾畹仪顾畹仪顾畹仪 编著编著编著编著 北京邮电北京邮电北京邮电北京邮电大学出版社大学出版社大学出版社大学出版社11 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信 1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状1 2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信与电通信光通信与电通信 1.2.2 光纤通信的优点光纤通信的优点 1.2.3 光纤通信的应用光纤通信的应用1 3 光纤通信系统的基本组成与分类光纤通信系统的基本组成与分类 1.3.1 基本光纤传输系统基本光纤传输系统 1.3.2 光纤传输系统分类光纤传输系统分类 1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统和模拟通信系统第第 1 章章 概概 论论1.1 光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状什么是通信？什么是通信？“通通”传送传送，“信信”信息信息；信息的传送；信息的传送基本组成：发送、传输、接收基本组成：发送、传输、接收n n什么是光纤通信？什么是光纤通信？n n利用激光作为利用激光作为信息信息的载波信号，并通过的载波信号，并通过 光纤来光纤来传送信息传送信息的通信系统。的通信系统。1.1光纤通信技术的发展史及现状光纤通信技术的发展史及现状什么是通信？什么是通信？“通通”传送传送，“信信”信息信息；信息的传送；信息的传送基本组成：发送、传输、接收基本组成：发送、传输、接收n n什么是光纤通信？什么是光纤通信？n n利用激光作为利用激光作为信息信息的载波信号，并通过的载波信号，并通过 光纤来光纤来传送信息传送信息的通信系统。的通信系统。光纤通信是人类历史上光纤通信是人类历史上的重大突破，现今的光纤通信的重大突破，现今的光纤通信已成为信息社会的神经系统已成为信息社会的神经系统 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息信息指用户要求传送信息指用户要求传送的语音、图像、数据的语音、图像、数据以及它们的各种组合以及它们的各种组合用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户终端用户终端交换设备交换设备接入网接入网电电复接设备复接设备传输系统传输系统 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息光纤通信经过光纤通信经过光纤通信经过光纤通信经过3030年的技年的技年的技年的技术发展目前正在淘汰着术发展目前正在淘汰着术发展目前正在淘汰着术发展目前正在淘汰着其他的有线通信方式其他的有线通信方式其他的有线通信方式其他的有线通信方式1.1 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验大气激光通信试验。由于没有找到稳稳定定可可靠靠和和低低损损耗耗的的传传输输介介质质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激激光光器器的的发发明明和和应应用用， 使沉睡了使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段年的光通信进入一个崭新的阶段。1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型贝尔光电话是现代光通信的雏型。原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。如图所示，光电话用太阳光或弧光灯作为光源，光束通过透镜1聚焦在话筒的震动镜片上，当人对着话筒说话的时候，震动镜就随着话音的强弱及音调的不同做相应震动，而从震动镜上反射出来的光的强弱也就随之变化。受话音调制的反射光经过大气传输到接收端。接收端利用一个凹面镜将大气传来的调制光波聚焦在一个硅光电池上，硅光电池就是探测器，它把光信号转变成为电信号，电信号进入听筒后就被还原成原来的声音。贝尔光电话的发明证明了利用光波作为载波传递信息的可能性，但是由于光电话的传输媒体是大气，因此受气候影响很大，气候不好时常常不能通话，这就限制了它的发展，故在光电话问世后的很长一段时间，由于缺乏稳定可靠的光源和低损耗的传输媒质，光通信的进展非常缓慢。激光器发出的激光与普通光相比，谱线窄、方向性好、亮度极高，是一种理想的光载波。激光与无线电波有相似的性质，但频率比无线电波高的多，因而可以很大的增加通信容量。激光引起了通信研究工作者的极大兴趣，很快在通信领域得到应用。但是由于大气中云、雾、雨、雪对激光束的强烈衰减，使得作为“无线光通信”的大气光通信的前景又黯淡下来。但正是这段时期大气光通信的发展研究，对光源、光电探测器、光调制器和各种非线性光学材料的发展产生了很大的推动作用。为了克服大气传光的缺点，人们想到把激光束限制在特定的光路中进行传输，以避免外界的影响，实现持久可靠的通信。在这种指导思想下，先后提出了反射波导和透镜波导等地下通信的试验，如图所示。但是由于这些系统体积庞大，不便于安装和使用，因此没有得到推广。1950年，出现过导光用的玻璃纤维，但是损耗太大，达到了1000dB/km，因此也没有实际应用价值。1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信1966年 ， 英英 籍籍 华华 裔裔 学学 者者 高高 锟锟 (C.K.Kao)和和 霍霍 克克 哈哈 姆姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(OpticalFiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信光纤通信的基础。 指指明明通通过过“原原材材料料的的提提纯纯制制造造出出适适合合于于长长距距离离通通信信使使用用的的低低损损耗耗光光纤纤”这这一一发发展展方方向向光纤通信发明家光纤通信发明家高锟高锟( (左左) )1998年在英国接受年在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章1970年，年，光纤光纤研制取得了重大突破研制取得了重大突破1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。 1973 年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47dB/km(波长1.2m)。在以后的10年中，波长为1.55m的光纤损耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限光纤最低损耗的理论极限。1970 年，光纤通信用年，光纤通信用光源光源取得了实质性的进展取得了实质性的进展1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室室温温下下连连续续振振荡荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55m的连续振荡半导体激光器。 由于光纤和半导体激光器的技术进步，使由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑年成为光纤通信发展的一个重要里程碑 实用实用光纤通信系统光纤通信系统的发展的发展1976年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世世界界上上第第一一个个实用光纤通信系统的现场试验实用光纤通信系统的现场试验。1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：第一阶段(19661976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。第二阶段(19761986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。第三阶段(19861996年)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。1.1.3 国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状1976年年美美国国在在亚亚特特兰兰大大进进行行的的现现场场试试验验，标标志志着着光光纤纤通通信信从基础研究发展到了商业应用的新阶段从基础研究发展到了商业应用的新阶段。此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多多模模发发展展到到单单模模，工作波长从0.85m发展到1.31m和1.55m(短短波波长长向向长长波波长长），传输速率传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。随着技术的进步和大规模产业的形成，光光纤纤价价格格不不断断下下降降，应用范围不断扩大。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。在在许许多多发发达达国国家家，生生产产光光纤纤通通信信产产品品的的行行业业已已在在国国民民经经济济中占重要地位中占重要地位。光纤通信整体发展时间表光纤通信整体发展时间表19741976197819801982198419861988199019921000001000010001001010.10.8m多模1.3m单模1.55m直接检测光孤子光放大器1.55m相干检测系统性能(Gb/sKm ）1.2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信与电通信光通信与电通信通信系统的传传输输容容量量取决于对载波调制的频频带带宽宽度度，载载波波频率越高，频带宽度越宽频率越高，频带宽度越宽。光通信的主要特点光通信的主要特点 载波频率高；频带宽度宽载波频率高；频带宽度宽（图1.1） 光光通通信信利利用用的的传传输输媒媒质质-光光纤纤，可可以以在在宽宽波波长长范范围围内内获获得得很小的损耗。很小的损耗。 （图1.2）图1.1部分电磁波频谱图1.2各种传输线路的损耗特性1.2.2 光纤通信的光纤通信的优点优点 容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大 损耗很小，损耗很小， 中继距离很长且误码率很小中继距离很长且误码率很小 重量轻、重量轻、 体积小体积小抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好节约金属材料，节约金属材料， 有利于资源合理使用有利于资源合理使用1.2.3 光纤通信的光纤通信的应用应用光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。光纤通信的各种应用可概括如下：通信网通信网构成因特网的计算机局域网和广域网构成因特网的计算机局域网和广域网有线电视网的干线和分配网有线电视网的干线和分配网综合业务光纤接入网综合业务光纤接入网 ATMInternet骨干网骨干网DDN/ FRPSTN/ISDNTV业务分配节点业务分配节点 (COT)(COT)业务接入节点（业务接入节点（RTRT）网管网管SNMP与电信网管中心相连Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622MSDH典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构典型应用之二：作为校园网的骨干传输网1.3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发发射射、接接收收和作为广义信道的基本光纤传输系统光纤传输系统。 基本光纤传输系统基本光纤传输系统的三个组成部分的三个组成部分1 1 1 1、光发送机、光发送机、光发送机、光发送机组成框图：组成框图：组成框图：组成框图： 光光源源调制器调制器通道耦合器通道耦合器电信号输入电信号输入光输出光输出驱动电路驱动电路结构参数：结构参数：结构参数：结构参数：发送功率，发送功率，dbmdbm概念概念光源光谱特性光源光谱特性光源光谱特性光源光谱特性：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定， 器件寿命长器件寿命长器件寿命长器件寿命长电信号对光的调制的实现方式电信号对光的调制的实现方式 直接调制直接调制用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。外调制外调制把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。图1.5两种调制方案(a)直接调制；(b)间接调制(外调制)直接调制和外调制直接调制和外调制 Direct Modulation of Laser DiodeDirect Modulation of Laser DiodeBias + DATABias + DATAIssues - Complex Dynamics YieldIssues - Complex Dynamics Yield External Modulation of Laser DiodeExternal Modulation of Laser DiodeBiasBiasBias + DATABias + DATAIssues - Additional ComponentIssues - Additional Component2. 光纤线路光纤线路 功功功功能能能能：是是把把来来自自光光发发射射机机的的光光信信号号，以以尽尽可可能能小小的的畸畸变变(失失真真)和衰减传输到光接收机和衰减传输到光接收机组成组成组成组成: :光纤光纤、光纤接头光纤接头和光纤连接器光纤连接器低低低低损损损损耗耗耗耗 “ “窗窗窗窗口口口口” ”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85m、1.31m和1.55m有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。 光光光光源源源源激激光光器器的的发发射射波波长长和光光光光检检检检测测测测器器器器光光电电二二极极管管的的波波长长响响应应，都要和光纤这三个波长窗口窗口相一致。目前在实验室条件下，1.55m的损耗已达到0.154 dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰减（衰减（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波长波长（m）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图普通单模光纤的衰减随波长变化示意图6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段突破色散限制突破色散限制传输光纤的改进（传输光纤的改进（传输光纤的改进（传输光纤的改进（1 1） ：G.653G.653色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤EDFAEDFA频带频带频带频带0.10.20.30.40.50.6衰减衰减衰减衰减 (dB/km)(dB/km)1600170014001300120015001100波长波长波长波长(nm)(nm) 20 10 0-10-20色散色散色散色散( (ps/nm.kmps/nm.km) )G.65317ps/nm.kmG.652传输光纤的改进（传输光纤的改进（2） ： G.655非零色散位移光纤非零色散位移光纤17ps/nm.kmEDFAEDFA频带频带频带频带0.10.20.30.40.50.6衰减衰减衰减衰减 (dB/km)(dB/km)1600170014001300120015001100波长波长波长波长(nm)(nm) 20 10 0-10-20色散色散色散色散( (ps/nm.kmps/nm.km) )G.653G.652G.655G.6553 3 3 3、光接收机、光接收机、光接收机、光接收机功能：功能：功能：功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，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组成部分：组成部分：组成部分：组成部分：耦合器，光电检测器，解调器耦合器，光电检测器，解调器组成框图：组成框图：组成框图：组成框图：电子电路电子电路光输入光输入耦合器耦合器光电检测器光电检测器解调器解调器电信号输出电信号输出结构参数：结构参数：结构参数：结构参数：接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度，定为，定为BER10BER10-9-9条件下，所要条件下，所要求的最小平均接收功率。求的最小平均接收功率。检测方式：检测方式：检测方式：检测方式：直接检测直接检测直接检测直接检测和和外差检测外差检测外差检测外差检测1.3.2 1.3.2 光纤传输系统分类光纤传输系统分类根据不同的分类方法，光纤通信系统可以分为不同的类型。按传输介质分为大气光通信和光纤通信系统，前者是无线通信系统，由于地球表面大气层对光衰减很严重，因此地面大气光通信的发展受到限制。但卫星间的光通信是很有前途的。按调制信号的类型分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。前者调制信号为模拟信号，后者调制信号为数字信号。根据光源的调制方式分为直接调制系统和外调制系统。 根据信号的复用方式分为频分复用系统、时分复用系统和波分复用系统。根据传导模的数量分为多模光纤通信系统和单模光纤通信系统。根据工作波长分为短波长系统、长波长系统和超长波长系统。1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统和模拟通信系统 数数数数字字字字通通通通信信信信系系系系统统统统用参数取值离散的信号(如脉冲的有和无、电平的高和低等)代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；模模模模拟拟拟拟通通通通信信信信系系系系统统统统则用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。这种基本特征决定着两种通信方式的优缺点和不同时期的发展趋势。 数字通信系统的数字通信系统的优点优点优点优点如下：如下：抗干扰能力强，传输质量好。可以用再生中继，传输距离长。适用各种业务的传输，灵活性大。容易实现高强度的保密通信。数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。模拟通信系统的模拟通信系统的优点优点优点优点占用带宽较窄外，电路简单易于实现、价格便宜等。