1、光纖通信技術(shù)第一章 光纖通信概述 光纖發(fā)展簡(jiǎn)史光纖發(fā)展簡(jiǎn)史 光纖通信的特點(diǎn) 光纖通信應(yīng)用類型 光纖通信系統(tǒng)涉及的產(chǎn)品 光傳輸設(shè)備 光纖光纜及附件 光電器件 測(cè)試儀器與專用工具1.1光纖發(fā)展簡(jiǎn)史 通信系統(tǒng)的基本組成：信號(hào)源，發(fā)送機(jī)，傳輸通道，接收機(jī)，信宿。 信號(hào)源：將信息送入發(fā)送機(jī)。 發(fā)送機(jī)：將信息以信號(hào)的形式連接到傳輸通道。 傳輸通道：鏈接發(fā)送機(jī)與接收機(jī)的橋梁。 接收機(jī)：從通道中提取信號(hào)，還原成信息。 信宿：接收通過(guò)接收機(jī)還原的信息。1.1光纖發(fā)展簡(jiǎn)史在通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)男畔⒘颗c已調(diào)載頻的帶寬有關(guān)，提高載頻頻率理論上可增加有效傳輸帶寬及系統(tǒng)的信息量。未來(lái)發(fā)展應(yīng)盡可能提高波段頻率。100 THz

2、10 THz1 THz100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10 MHz1 MHz1 m可見光線10 m100 m1 m m10 m m100 m m1 m10 m100 m中波 (MF)短波 (HF)米波 (VHF)分米波(UHF)厘米波(SHF)毫米波(EHF)亞毫米波遠(yuǎn)紅外線近紅外線(光纖通信用）頻率波長(zhǎng)名稱紫外線1.1光纖發(fā)展簡(jiǎn)史 光通信的早期探索 目視光通信階段（利用大氣來(lái)傳播可見光，由人眼來(lái)接收） 3千多年前，中國(guó)古代的烽火臺(tái) 1650年，望遠(yuǎn)鏡 1791年，法國(guó)人發(fā)明了燈信號(hào)和燈語(yǔ) 歐洲人的旗語(yǔ) 信號(hào)彈,交通燈 這些都不是真正的光通信！1.1光纖發(fā)展簡(jiǎn)史 光電話188

3、0年，美國(guó)人貝爾（Bell）發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。1.1光纖發(fā)展簡(jiǎn)史 光電話原理 貝爾用弧光燈或者太陽(yáng)光作為光源，光束通過(guò)透鏡聚焦在話筒的震動(dòng)片上。當(dāng)人對(duì)著話筒講話時(shí)，震動(dòng)片隨著話音震動(dòng)而使反射光的強(qiáng)弱隨著話音的強(qiáng)弱作相應(yīng)的變化，從而使話音信息“承載”在光波上（這個(gè)過(guò)程叫調(diào)制）。在接收端，裝有一個(gè)拋物面接收鏡，它把經(jīng)過(guò)大氣傳送過(guò)來(lái)的載有話音信息的光波反射到硅光電池上，硅光電池將光能轉(zhuǎn)換成電流（這個(gè)過(guò)程叫解調(diào)）。電流送到聽筒，就可以聽到從發(fā)送端送過(guò)來(lái)的聲音了。1.1光纖發(fā)展簡(jiǎn)史 利用太陽(yáng)光作光源，用硒晶體作為光接收器件，成功進(jìn)行了光電話的實(shí)驗(yàn) ，傳輸距離200多米。 由于沒有合

4、適的光源及傳輸媒質(zhì)，未得到發(fā)展。 意義：利用光波作為載波傳送信息是可行的。1.1光纖發(fā)展簡(jiǎn)史 要解決兩個(gè)問題 1.有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì) 光在大氣中的傳送要受到氣象條件的很大限制使信號(hào)傳輸受到很大阻礙。 2.高強(qiáng)度的、可靠的光源 太陽(yáng)光、燈光等普通的可見光源，都不適合作為通信的光源。1.1光纖發(fā)展簡(jiǎn)史 光源的探索 激光（LASER）：受激輻射的光放大。 它的產(chǎn)生基于偉大的科學(xué)家愛因斯坦在1916年提出的一套全新的理論。 它的頻率穩(wěn)定，約為300THZ。 這種光的頻率比已經(jīng)廣泛應(yīng)用的微波（1GHz40GHz）的頻率高近萬(wàn)倍。激光來(lái)傳送信息從理論上來(lái)說(shuō)，通信的容量可以比微波通信的容量也大近萬(wàn)倍

5、！1.1光纖發(fā)展簡(jiǎn)史和普通光源相比，激光的優(yōu)點(diǎn)(1)單色性好： 頻率范圍極窄，發(fā)散角很小，只有幾毫弧，激光束幾乎就是一條直線。氦氖激光的譜線寬度，只有10-8nm，顏色非常純。這種光波在光纖中傳輸產(chǎn)生的噪聲很小。(2)相干性高 從激光器發(fā)出的光可以步調(diào)一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會(huì)聚到一點(diǎn)上，把能量高度集中起來(lái)，送入光纖。(3)方向性強(qiáng) 幾乎是一束平行線。如果把激光發(fā)射到月球上去，歷經(jīng)38.4萬(wàn)公里的路程后，也只有一個(gè)直徑為2km左右的光斑。1.1光纖發(fā)展簡(jiǎn)史 1960年7月8日，美國(guó)科學(xué)家梅曼發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器(LASER) ，給光通信帶來(lái)了新的希望，研究現(xiàn)代化光通信的時(shí)代開

6、始。（在室溫下不能連續(xù)工作 ） 1961年，氦氖氣體激光器。 1970年，貝爾研究所的林嚴(yán)雄等人研制出能在室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器。 光源的問題得到解決！1.1光纖發(fā)展簡(jiǎn)史 傳輸媒質(zhì)的探索 1.大氣傳播 通信能力和質(zhì)量受周圍大氣環(huán)境的影響很大，如雨可造成30dB/km的損耗，濃霧衰減可達(dá)120dB/km 10dB/km的損耗意味著輸入的信號(hào)傳送1公里后只剩下十分之一 20dB/km的損耗意味著輸入的信號(hào)傳送1公里后只剩下百分之一 30dB/km的損耗意味著輸入的信號(hào)傳送1公里后只剩下千分之一1.1光纖發(fā)展簡(jiǎn)史2.光學(xué)透鏡波導(dǎo)管傳輸1.1光纖發(fā)展簡(jiǎn)史 反射鏡波導(dǎo)：用與光束傳輸方向成45度角的

7、兩個(gè)平行反射鏡代替透鏡而構(gòu)成。 缺點(diǎn)： 現(xiàn)場(chǎng)施工中校準(zhǔn)和安裝十分復(fù)雜； 地面活動(dòng)對(duì)波導(dǎo)影響很大;1.1光纖發(fā)展簡(jiǎn)史3.玻璃纖維傳輸 玻璃纖維（透明度很高的石英玻璃絲） ，人們用它制造了醫(yī)療上用的內(nèi)窺鏡，如做成胃鏡，可以觀察到距離體內(nèi)1米左右的情況。但是它的衰減損耗特別大，只能傳輸很短的距離。直到20世紀(jì)60年代，最好的光纖的損耗仍在1000dB/km以上。這是不能用于通信的。 1966年7月，英籍華裔學(xué)者高錕大膽預(yù)言：只要能設(shè)法降低玻璃纖維的雜質(zhì)，就有可能使光纖的損耗從1000dB/km降低到20dB/km，甚至更低，從而可以用于通信。1.1光纖發(fā)展簡(jiǎn)史 光纖通信發(fā)明家光纖通信發(fā)明家高錕高錕(

8、 (左左) ) 1998年在英國(guó)接受年在英國(guó)接受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)率谟璧莫?jiǎng)?wù)?.1光纖發(fā)展簡(jiǎn)史 1970年美國(guó)康寧公司用高純石英生產(chǎn)出世界上第一根低損耗光纖（20dB/km），開創(chuàng)了光纖通信的新篇章。 1970年被稱為光纖通信元年。1.1光纖發(fā)展簡(jiǎn)史 光纖通信技術(shù)發(fā)展的四個(gè)階段 第一階段（1970-1979）光導(dǎo)纖維與半導(dǎo)體激光器的研制成功，使光纖通信進(jìn)入實(shí)用化。1977年美國(guó)亞特蘭大的光纖市話局間中繼系統(tǒng)稱為世界上第一個(gè)光纖通信系統(tǒng)。 第二階段（1979-1989）光纖技術(shù)取得進(jìn)一步突破， 光纖損耗降至0.5dBm/km以下。由多模光纖轉(zhuǎn)向單模光纖，由短波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移。數(shù)字系統(tǒng)的速率不斷提高

9、，光纖連接技術(shù)與器件壽命問題都得到解決，光纖傳輸系統(tǒng)與光纜線路建設(shè)逐漸進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。1.1光纖發(fā)展簡(jiǎn)史 第三階段（1989-1999） ：光纖數(shù)字系統(tǒng)由PDH向SDH過(guò)渡，傳輸速率進(jìn)一步提高。1989年摻鉺光纖放大器（EDFA）的問世給光纖通信技術(shù)帶來(lái)巨大變革。EDFA的應(yīng)用不僅解決了長(zhǎng)途光纖傳輸損耗的放大問題，而且為光源的外調(diào)制、波分復(fù)用器件、色散補(bǔ)償元件等提供能量補(bǔ)償，這些網(wǎng)絡(luò)元件的應(yīng)用，又使得光傳輸系統(tǒng)的調(diào)制速率迅速提高，并促成了光波分復(fù)用技術(shù)的實(shí)用化。1.1光纖發(fā)展簡(jiǎn)史 第四階段（1999至今）光纖傳輸性能的改進(jìn)，光放大技術(shù)、傳輸色散補(bǔ)償技術(shù)、光信號(hào)分插復(fù)用、交叉連接技術(shù)的應(yīng)用，使

10、光纖通信的優(yōu)越性進(jìn)一步顯現(xiàn)，光纖網(wǎng)絡(luò)智能化程度大大提高。我國(guó)光纖通信的發(fā)展 1961年9月 由中國(guó)科學(xué)院-長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器。 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)。 “八五”期間 建成了含22條光纜干線、總長(zhǎng)達(dá)3.3萬(wàn)公里的“八橫八縱”大容量光纖通信干線傳輸網(wǎng)（SDH）。第一章 光纖通信概述 光纖發(fā)展簡(jiǎn)史 光纖通信的特點(diǎn)光纖通信的特點(diǎn) 光纖通信應(yīng)用類型 光纖通信系統(tǒng)涉及的產(chǎn)品 光傳輸設(shè)備 光纖光纜及附件 光電器件 測(cè)試儀器與專用工具1.2 光纖通信的特點(diǎn) 1. 通信容量大 9

11、0年代，光纖的傳輸速率已經(jīng)達(dá)到了每秒T比特（1012），1Tb/s的速率意味著我們可以用一對(duì)只有頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖在1秒鐘之內(nèi)將300年的泰晤士報(bào)傳送到世界上任何一個(gè)角落，或者同時(shí)傳送10萬(wàn)路電視節(jié)目，或同時(shí)通1200萬(wàn)路電話。 一根光纖的傳輸容量如此巨大，而一根光纜中可以包括幾十根直至上千根光纖，如果再加上波分復(fù)用技術(shù)把一根光纖當(dāng)作幾十根、幾百根光纖使用，其通信容量之大就更加驚人了。1.2 光纖通信的特點(diǎn) 2. 中繼距離長(zhǎng) 減少長(zhǎng)距離通信的中繼站，最主要的方法是減少傳輸線路的損耗。 由于光纖具有極低的衰減系數(shù)（目前已達(dá)0.25dB/km 以下），若配以適當(dāng)?shù)墓獍l(fā)射、光接收設(shè)備以及光放大器，可使

12、其中繼距離達(dá)數(shù)百公里以上甚至數(shù)千公里。這是傳統(tǒng)的電纜（1.5km）、微波（50km）等根本無(wú)法與之相比擬的。1.2 光纖通信的特點(diǎn) 3. 保密性能好 光纖是石英介質(zhì)材料構(gòu)成的，它是絕緣體，不怕雷電和高壓，不受電磁干擾； 光纖中傳輸?shù)氖穷l率很高的光波，而各種干擾的頻率一般都比較低，所以它不能干擾頻率比它高的多的光波。1.2 光纖通信的特點(diǎn) 4. 適應(yīng)能力強(qiáng)，體積小重量輕、便于施工和維護(hù) 光纖不怕外界強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾、耐腐蝕、可撓性強(qiáng)（彎曲半徑大于 250 毫米時(shí)其性能不受影響），具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。 相同線路的光纜要比電纜輕90%95%(光纜重量?jī)H為電纜重量的十分之一到二十分之一)，而直徑不到電纜

13、的五分之一。 光纜的敷設(shè)方式方便靈活，既可以直埋、管道敷設(shè)，又可以水底或架空敷設(shè)。1.2 光纖通信的特點(diǎn) 5. 原材料來(lái)源豐富，潛在價(jià)格低廉 制造石英光纖的最基本原材料是二氧化硅即砂子，而砂子在大自然界中幾乎是取之不盡、用之不竭的，而且1公斤高純度的石英玻璃可以制成上萬(wàn)公里的光纖，而制造1公里18管的同軸電纜需120公斤的銅，或500公斤的鋁。1.2 光纖通信的特點(diǎn) 光纖通信的缺點(diǎn) 1.光纖性質(zhì)脆，需涂覆保護(hù)層 2.機(jī)械強(qiáng)度低 3.分路耦合不方便 4.光纖不能輸送中繼器所需要的電能 5.光纖切斷和連接需用高精度技術(shù)和儀表器具。第一章 光纖通信概述 光纖發(fā)展簡(jiǎn)史 光纖通信的特點(diǎn) 光纖通信應(yīng)用類型

14、光纖通信應(yīng)用類型 光纖通信系統(tǒng)涉及的產(chǎn)品 光傳輸設(shè)備 光纖光纜及附件 光電器件 測(cè)試儀器與專用工具1.3 光纖通信應(yīng)用類型 一.光纖通信系統(tǒng)是以光波為載波，以光纖為傳輸介質(zhì)的通信系統(tǒng)。主要由光發(fā)送、光傳輸、光接收三部分組成。 下圖示出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)信息源電發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)電接收機(jī)信息宿基本光纖傳輸系統(tǒng)光纖線路接 收發(fā) 射電信號(hào)輸入光信號(hào)輸出光信號(hào)輸入電信號(hào)輸出1.3光纖通信應(yīng)用類型 信息源：消息的產(chǎn)生地，其作用是把各種信息轉(zhuǎn)換為原始電信號(hào)，稱之為消息信號(hào)或基帶信號(hào)。 電發(fā)射機(jī)：基本作用是將信源和信道匹配起來(lái)，即將信源產(chǎn)生的消息信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。調(diào)制是最常見的變換方

15、式。 光發(fā)射機(jī)：功能是把輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并用耦合技術(shù)把光信號(hào)最大限度地注入光纖線路。1.3光纖通信應(yīng)用類型 光纖線路：是把來(lái)自光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)。 光接收機(jī)：是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號(hào)。1.3光纖通信應(yīng)用類型 電接收機(jī)：基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換，即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等，并從帶有干擾的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號(hào)來(lái)。 信息宿：信息的接收者，將從電接收機(jī)收到的復(fù)原出的原始基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為信息。1.3光纖通信應(yīng)用類型 基本光纖傳輸系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的“光信道”，若配

16、置適當(dāng)?shù)慕涌谠O(shè)備，則可以插入到現(xiàn)有的數(shù)字通信系統(tǒng)或模擬通信系統(tǒng)的接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間；基本傳輸系統(tǒng)若配置適當(dāng)?shù)墓馄骷山M成傳輸能力更強(qiáng)、功能更完善的光纖通信系統(tǒng)。 例如，在光纖線路中插入光纖放大器組成光中繼長(zhǎng)途系統(tǒng)；配置波分復(fù)用器和解復(fù)用器，組成大容量波分復(fù)用系統(tǒng)；使用耦合器或光開關(guān)組成無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)。1.3光纖通信應(yīng)用類型 二.光纖通信系統(tǒng)可根據(jù)其所使用的傳輸信號(hào)形式、傳輸光的波長(zhǎng)、光纖類型、信號(hào)調(diào)制方式、應(yīng)用范圍以及傳輸信道數(shù)目進(jìn)行不同方式的分類。1.3光纖通信應(yīng)用類型1.按傳輸信號(hào)的類型分類 光纖模擬通信系統(tǒng)； 光纖數(shù)字通信系統(tǒng)。2.按傳輸光的波長(zhǎng) 短波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)； 長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)；

17、 超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)。1.3光纖通信應(yīng)用類型3.按光纖類型分類 多模光纖通信系統(tǒng)； 單模光纖通信系統(tǒng)。4.按信號(hào)調(diào)制方式分類 強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)系統(tǒng)； 外差光纖通信系統(tǒng)。1.3光纖通信應(yīng)用類型5.按應(yīng)用范圍與服務(wù)對(duì)象分類 公用光纖通信系統(tǒng)； 專用光纖通信系統(tǒng)。6.按傳輸信道數(shù)目分類 單信道系統(tǒng)； 粗波分復(fù)用系統(tǒng)； 密集波分復(fù)用系統(tǒng)。第一章 光纖通信概述 光纖發(fā)展簡(jiǎn)史 光纖通信的特點(diǎn) 光纖通信應(yīng)用類型 光纖通信系統(tǒng)涉及的產(chǎn)品光纖通信系統(tǒng)涉及的產(chǎn)品 光傳輸設(shè)備 光纖光纜及附件 光電器件 測(cè)試儀器與專用工具1.4 光纖通信系統(tǒng)涉及的產(chǎn)品 光纖通信技術(shù)涉及的產(chǎn)品主要有以下四大類： 1.光傳輸設(shè)備； 2.光纖光纜及附件； 3.光電器件； 4.測(cè)試儀器與專用工具。光纖通信的發(fā)展和未來(lái) 一.現(xiàn)代光纖通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 1.向超高速系統(tǒng)的發(fā)展 2.向超大容量WDM系統(tǒng)的演進(jìn) 3.網(wǎng)絡(luò)化:以SDH傳送網(wǎng)和光纖接入網(wǎng)的發(fā)展為典型代表。光纖通信的發(fā)展和未來(lái) SDH是一種以聯(lián)網(wǎng)為基本特征的新型傳送體制，它將復(fù)接、傳送及交換功能融為一體并由統(tǒng)一網(wǎng)管進(jìn)行自動(dòng)化、智能化網(wǎng)絡(luò)管理，使得遍及全球的光纖網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)建成統(tǒng)一的綜合信息傳送網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。這也是SDH得以廣泛應(yīng)用的重要原因之一。 光纖接入網(wǎng)作為電信網(wǎng)的一部分，使得光纖直接面向用戶，告別了傳統(tǒng)銅線