第一章光纖通信概述1.1光纖通信技術的發展史及現狀1.2光纖通信系統概述1.1光纖通信技術的發展史及現狀什么是通信？“通”傳送，“信”信息；信息的傳送基本組成：發送、傳輸、接收什么是光纖通信？利用激光作為信息的載波信號，并通過光纖來傳送信息的通信系統。1.1光纖通信技術的發展史及現狀什么是通信？“通”傳送，“信”信息；信息的傳送基本組成：發送、傳輸、接收什么是光纖通信？利用激光作為信息的載波信號，并通過光纖來傳送信息的通信系統。光纖通信是人類歷史上的重大突破，現今的光纖通信已成為信息社會的神經系統

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現代通信方式示意圖用戶環路交換設備電復接設備衛星通信微波通信光纖通信移動通信發送機接收機傳輸系統用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環路交換設備電復接設備信息信息信息指用戶要求傳送的語音、圖像、數據以及它們的各種組合用戶環路交換設備電復接設備衛星通信微波通信光纖通信移動通信發送機接收機傳輸系統用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環路交換設備電復接設備信息信息

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現代通信方式示意圖用戶環路交換設備電復接設備衛星通信微波通信光纖通信移動通信發送機接收機傳輸系統用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環路交換設備電復接設備信息信息光纖通信經過30年的技術發展目前正在淘汰著其他的有線通信方式光纖通信技術的主要優點光波頻率很高，光纖傳輸的頻帶很寬，故傳輸容量很大，理論上可通上億門話路或上萬套電視，可進行圖像、數據、傳真、控制等多種業務；不受電磁干擾，保密性好；耐高溫、高壓、抗腐蝕，工作可靠；光纖材料來源豐富，可節約大量有色金屬(如銅、鋁)，且直徑小、重量輕。光纖通信器件的發展過程雛形：古代烽火、手旗、燈光1880年貝爾的光電話激光器(發送源）光纖(傳輸介質)1960Maiman發明紅寶石激光器1962半導體激光器誕生(GaAs870nm)70年代室溫工作LD(GaAsAI850nm)1300、1550nm多模LD單模LD1951醫用玻璃纖維(損耗1000dB/km)1966高錕理論預言1970康寧制出低損耗光纖(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低損耗窗口光纖開發單模光纖光纖通信系統的發展歷程光纖通信追求目標:大容量、長距離技術發展：短波長-長波長、多模光纖-單模光纖、多模激光器-單模激光器通信系統容量：比特率-距離積BL，B比特率，

L中繼距離每秒鐘傳輸的比特數目。光纖通信技術的發展大體上可分為：工作波長光纖激光器比特率B中繼距離L第一代70年代850nm多模多模10～100Mb/s10Km第二代80年代初1300nm多模單模多模100Mb/s1.7Gb/s20Km50Km第三代80年代中～90年代初1550nm單模單模2.5Gb/s～10Gb/s100Km光纖通信技術的發展大體上可分為:（續）工作波長光纖激光器比特率B中繼距離L第四代90年代1550nm單模單模2.5Gb/s10Gb/s21000Km（環路）1500Km光放大系統第五代1550nm單模單模波分復用WDM單路速率:40,160,640Gb/s信道數:8,16,64,128,1022超長傳輸距離:27000Km(Loop)6380(Line)目前研究內容WDM光網絡；全光分組交換；光時分復用；光孤子通信；新型的光器件光纖通信技術的三次飛躍(1)20世紀60年代。1962年第一只半導體激光器誕生，隨后半導體光檢測器也研究成功。特別是1966年英籍華人科學家高錕與Hockham提出用玻璃可以制成衰減為20dB/km的通信光導纖維，1970年美國康寧公司首先制出了20dB/km的光纖，這標志著光纖通信系統的實際研究條件得以具備。20世紀70年代。1970年發明了LD的雙異質結構，使得光源與光檢測器的壽命都達到了10萬小時的實用化水平。1979年發現了光纖1310nm和1550nm新的低損耗窗口，緊接著單模光纖問世。光纖的衰減系數一下降到0.5dB/km。這使得光纖通信邁進了實用化階段，從80年代初開始光纖通信便大步地邁向了市場。光纖通信技術的三次飛躍(2)20世紀90年代初。1989年摻鉺光纖放大器EDFA的研制成功是光纖通信新一輪突破的開始。EDFA的應用不僅解決了光纖傳輸衰減的補償問題，而且為一批光網絡器件的應用創造了條件。使得光纖通信的數字傳輸速率迅速提高，促成了波分復用技術的實用化。光纖通信技術的三次飛躍(3)光纖通信超高速大容量長距離網絡化一根光纖中可同時傳輸一百多路信號，采用特殊技術甚至可以同時傳輸1022路單路速率不斷提升，已達到10、20、40Gb/s采用OTDM技術甚至可達640Gb/s各種通信技術的快速發展使上千甚至上萬公里的長距離傳輸成為可能全光網成為目前光通信領域最熱門的話題之一EducationTelephoneTravelEntertainmentHealth……AllservicesNetworktrafficisgrowing!!Thewholeworldisinmymind!!DemandforBroadbandwidthOpticalnetworkingShoppingBanking21世紀的通信業務全球通信業務需求估計用戶增加；每個用戶的業務量增加；服務質量的提高；通信容量需求急增光纖通信最具代表性技術

－波分復用WDM和光纖放大器EDFA光纖通信系統的新波段145014901530157016101650S+SCLL+

波長(nm)范崇澄FS-08波段波長范圍(nm)帶寬(THz)光放大器應用C1530-15705.0有長途干線C+L1530-16109.7有長途干線S+C+L1490-161015.0無城/局域網S++S+C+L+L+1450-165025.1無城/局域網全波1300-165048.9無城/局域網光纖傳輸技術進一步發展新的傳輸技術層出不窮色散管理技術L波EDFA，RAFEC技術色散與色散斜率的補償PMD補償技術OTDM技術與光孤子技術

2.5Gb/s10Gb/s40Gb/s10Gb/s40Gb/s20Gb/s80Gb/s80Gb/s320Gb/s3216841WDM波長數每波長比特率(TDM)40Gb/s

網絡容量演進戰略40G器件關鍵原材料光纖預制棒網絡管理系統測試設備光纖光纜光傳輸/交換設備光無源器件光有源器件運營商網絡集成商光纖通信的產業鏈全球光纖通信主要供應商ComponentsandModulesinDWDMNetworks

DWDMThinfilmfiltersFibergratingsWaveguidesCirculatorsInterleaversMux/Demux

modulesAmplifiersIsolatorsTapcouplersPumplasersGainequalizersAttenuatorsIntegrated

amplifiersSOAsOpticalSwitchesCirculatorsCouplersAdd/dropmodulesSwitchingTransmissionSourcelasersModulatorsWavelockersReceiversDetectorsTx/RxmodulesOver9000Products光纖網絡的分類三種網絡的不同要求三種網絡設備有著不同的性質決定了這三種網絡中設備開發的不同考慮：

Long-haul:CapacityMetro:SmartAccess:Cost國內現狀1963年開始光通信的研究1974年研究光纖通信“六五”、“七五”、“八五”鋪設“八縱八橫”光纖線路總長約七萬公里傳輸碼率：從140Mb/s~2.5Gb/s，10Gb/s，40Gb/s已開始研究。DFB（量子阱）激光器和EDFA研制成功，可供應用高速電子器件、波導器件尚有差距NSFCnet網絡的拓撲結構說明：NSFCnet由六個節點組成，以清華為匯接點構成兩個環行拓撲結構，清華、北大和中科院三點構成二纖雙向自愈環采用WDM傳輸技術，在清華和北大之間通過在實驗室中加光纖進行400公里廣域網模擬試驗；在其它節點構成的環中采用單路SDH/SONET傳輸技術。

DWDMExperimentsystematTHU帶來的科學問題光纖性能是有限制的，隨著信道數據率和傳輸距離的增加，系統容量日益趨近極限，光纖不再是一個透明管道。

2.5Gb/sperchannel:forgetthefiber;160Gb/sperchannel:forgetWDM!為克服這些限制，除新型光纖(相對穩定)外，綜合采用了色散管理、寬帶EDFA、Raman放大、前向糾錯（FEC）等行之有效的新技術；但新技術不一定都是好技術。系統總成本增加；靈活性、擴展性、生存性降低，特別不利于網絡設計怎樣才是好技術？帶來的科學問題持續發展面臨的挑戰功能多、適應能力強、成本低的光子學器件與技術；革命性變革有待于基礎研究如何使光子變得聰明？所有的智能都在電層--只能是“低能”；光層變為bigfatpipe使運營商無利可圖，限制了光通信的發展；電子也曾經stupid，有存儲、信號處理等功能后才變為SMART；基本問題：由材料開始！10~15年解決，將引發通信事業的另一次革命！第一章光纖通信概述1.1光纖通信技術的發展史及現狀1.2光纖通信系統概述

數字光纖通信系統的組成由光發射機、光纖光纜、中繼器與光接收機等基本單元組成。此外還包括一些互連與光信號處理器件，如光纖連接器、隔離器、調制器、濾波器、光開關及路由器、分插復用器ADM等。光源調制器驅動電路光發射機放大器光電二極管判決器光接收機光纖光纖中繼器1.2光纖通信系統概述一、光纖的研究光纖：將光信號從光發射機無失真地傳送到光接收機。基本特性參數：損耗（dB/km）：直接影響通信距離。色散（ps/nm.km）：將引起光脈沖信號展寬和碼間串擾，影響通信距離和容量。為實現高速長距離傳輸，要求光纖具有低損耗和低色散特性。近四十年的努力尋找合適的光纖，實用化的光損耗為20dB/km(99.5%/m)；60年代研究，70年代突破，2000年0.2dB/km(99.995%/m);新的實用化光纖不斷涌現突破色散限制傳輸光纖的改進（1）：G.653色散位移光纖EDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652傳輸光纖的改進（2）：

G.655非零色散位移光纖17ps/nm.kmEDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.653G.652G.655二、光發射機光發射機由光源、調制器和信道耦合器組成。光信號是用電信號調制光載波產生的。直接調制：通過改變注入電流直接調制半導體光源的輸出。帶有啁啾，影響通信系統性能。外調制：增加一調制器，適于高速系統應用。光源驅動電路調制器信號輸入通道耦合器光發射機結構框圖調制格式歸零碼RZ：代表比特1的光脈沖寬度比比特間隔窄，其振幅在比特周期結束前歸零。非歸零碼NRZ：光脈沖在整個時隙內保持不變，其振幅在兩個連續的比特1之間不會降到零。當前，數字光纖通信以采用NRZ碼為主。有關各種調制碼型的研究很多。tt000111RZNRZ調制前光載波的形式為：

E(t)=Acos(0t+)調制方式模擬通信可采用調幅、調頻、調相等多種調制方式。采用數字調制時，相應地稱為幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）；信號只有兩種狀態的ASK稱為通斷鍵控（OOK），這是當前的數字通信系統通常使用的格式，屬于強度調制-直接檢測（IM-DD）通信方式，是通信方式中最簡單、最初級的方式。電場振幅載頻相位光發射機的參數(1)發送光功率（dBm）

P=10lg[P(mW)/1(mW)]

以1mW為基準的、用分貝表示的功率。表示功率的絕對值。

功率(mW)10010210.50.10.010.001功率(dBm)+20+10+30-3-10-20-30分貝的定義把信號功率與某個絕對值或某個噪聲功率進行比較。分貝：功率比值，用相當簡單的方式表示很大比值。

dB=10lg[P2/P1]

P2、

P1--光功率

功率比10N10210.50.110-NdB+10N+10+30-3-10-10N如：功率增加一倍，表明增益是3dB；功率減小到一半，表明損耗是3dB。分貝是一比值或相對單位。光纖損耗6dB－－通過光纖后，功率減小到連接器損耗1dB－－通過連接器后，功率減小到25％80％光譜特性最大均方根RMS寬度對于多縱模激光器和發光二極管這樣的光能量比較分散的光源,采用來衡量光脈沖能