光纖通信原理

PrincipleofOpticalFiberCommunication

教材：

光纖通信，顧畹儀，黃永清，等編著，人民郵電出版社，2007年。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(xué)出版社，2009年。

光纖通信，劉增基等編著，西安電子科技大學(xué)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(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解析，劉振霞，等編著，西安電子科技大學(xué)出版社，2006年。《光纖通信原理》課程教學(xué)基本信息總學(xué)時(shí)：48

講課學(xué)時(shí)：40

實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：8

學(xué)分：3

先修課程：大學(xué)物理（1），大學(xué)物理（2），電磁場(chǎng)與微波技術(shù)，通信電子電路，通信系統(tǒng)原理。一、課程性質(zhì)、目的和任務(wù)

《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(xué)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(cè)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(jī)、光接收機(jī)的各部分組成、結(jié)構(gòu)及原理；掌握光纖通信系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法；了解光纖通信新技術(shù)。掌握光纖通信基本實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，為畢業(yè)后從事光纖通信專業(yè)技術(shù)工作打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。二、教學(xué)基本要求

掌握光纖傳光原理的射線光學(xué)和波動(dòng)理論分析方法，光纖的傳輸特性；掌握光源、光檢測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)、原理和特性；掌握光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)的組成、結(jié)構(gòu)及原理，光接收機(jī)靈敏度的基本計(jì)算方法；了解數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的組成、原理和性能指標(biāo)，掌握系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)方法，掌握摻鉺光纖放大器的組成、結(jié)構(gòu)和原理；掌握波分復(fù)用器件等無源器件的類型、結(jié)構(gòu)、原理和特性，光波分復(fù)用的原理、系統(tǒng)構(gòu)成和管理技術(shù)；掌握自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)的概念和控制平面、光傳送平面、管理平面的功能和結(jié)構(gòu)；掌握光纖和主要光器件基本特性測(cè)量系統(tǒng)的組成、原理和測(cè)量方法，光纖通信系統(tǒng)基本參數(shù)的測(cè)量原理、方法和系統(tǒng)組成。三、教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配、授課教師第一章概述（2學(xué)時(shí)）李永倩第二章光纖和光纜（8學(xué)時(shí)）楊志第三章光源和光檢測(cè)器（6學(xué)時(shí)）尚秋峰第四章光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)（8學(xué)時(shí)）李永倩第五章光纖通信系統(tǒng)（6學(xué)時(shí)）張淑娥第六章無源光器件和WDM技術(shù)（4學(xué)時(shí)）李永倩第七章自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（2學(xué)時(shí)）張淑娥第八章光纖通信測(cè)量（4學(xué)時(shí)）李永倩實(shí)踐環(huán)節(jié)（8學(xué)時(shí)）楊再旺實(shí)驗(yàn)1截?cái)喾ü饫w衰減系數(shù)測(cè)量；LED的P-I特性測(cè)量2學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)2光纖熔接；OTDR光纖損耗特性測(cè)量2學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)3光端機(jī)碼型變換測(cè)試；波分復(fù)用器測(cè)試

2學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)4光纖通信系統(tǒng)整機(jī)性能測(cè)試

2學(xué)時(shí)教學(xué)輔導(dǎo)

趙麗娟交作業(yè)時(shí)間：周三上午上課前答疑時(shí)間：周三下午2：30

答疑地點(diǎn)：教三樓通信教研室四、考核方式

期末閉卷筆試占70%

小測(cè)驗(yàn)、平時(shí)作業(yè)、課堂提問和出勤情況占20%

實(shí)驗(yàn)占10%1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀

1.1.1探索時(shí)期的光通信

1.1.2現(xiàn)代光纖通信

1.1.3國(guó)內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀1.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用

1.2.1光通信與電通信

1.2.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)

1.2.3光纖通信的應(yīng)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(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)第一章概述1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀

1.1.1探索時(shí)期的光通信

?在這個(gè)時(shí)期，美國(guó)麻省理工學(xué)院利用He-Ne激光器和CO2激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn)。由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，對(duì)光通信的研究曾一度走入了低潮。?1960年，美國(guó)人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)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(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。?1880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”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。?原始形式的光通信:中國(guó)古代用“烽火臺(tái)”報(bào)警，歐洲人用旗語(yǔ)傳送信息。

利用反射鏡傳送光束

1.1.2現(xiàn)代光纖通信

1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖(OpticalFiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄裕ㄊ?000dB/km的損耗非固有，產(chǎn)生于雜質(zhì)吸收和瑞利散射）和技術(shù)途徑(材料提純和制造的均勻性)，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。

指明通過“原材料的提純制造出適合于長(zhǎng)距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向光纖通信發(fā)明家高錕(左)

1998年在英國(guó)接受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)?/p>

1970年，光纖研制取得了重大突破

?1970年，美國(guó)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(gè)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(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)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(bào)電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長(zhǎng)1.2

m)。

?在以后的10年中，波長(zhǎng)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。

1970年，光纖通信用光源取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展

?1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián),先后研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長(zhǎng))。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

?1973年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時(shí)。

?1976年，日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.3

m的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。

?1977年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)。

?1979年美國(guó)電報(bào)電話(AT&T)公司和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.55

m的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。光纖和半導(dǎo)體激光器技術(shù)的進(jìn)步，使1970年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑

實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展

?1976年，美國(guó)在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。GaAlAsLD，多模光纖，10km，44.7Mb/s

?1980年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。?1976年和1978年，日本先后進(jìn)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(yàn)。

?1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)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(shè)得到了全面展開，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個(gè)階段：

?第一階段(1966~1976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期。短波長(zhǎng)、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(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。多模到單模，短波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)，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(zhǎng)距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時(shí)期。1.55m色散位移單模系統(tǒng)；外調(diào)制，速率2.5-10Gb/s,無中繼距150-100km。

1.1.3國(guó)內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀

1976年美國(guó)在亞特蘭大進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，標(biāo)志著光纖通信從基礎(chǔ)研究發(fā)展到了商業(yè)應(yīng)用的新階段。此后，光纖通信技術(shù)不斷創(chuàng)新：光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長(zhǎng)從0.85μm發(fā)展到1.31

m和1.55

m，傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s。隨著技術(shù)的進(jìn)步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖價(jià)格不斷下降，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。目前光纖已成為信息寬帶傳輸?shù)闹饕劫|(zhì)，光纖通信系統(tǒng)將成為未來國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。

在許多發(fā)達(dá)國(guó)家，生產(chǎn)光纖通信產(chǎn)品的行業(yè)已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占重要地位。光纖通信整體發(fā)展時(shí)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(cè)系統(tǒng)性能(Gb/s?Km）1.55μm直接檢測(cè)1.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用1.2.1光通信與電通信

通信系統(tǒng)最終技術(shù)目標(biāo)：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(duì)載波調(diào)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(diǎn)載波頻率高；頻帶寬度寬（圖1.1）。光通信利用的傳輸媒質(zhì)-光纖，可以在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得很小的損耗（圖1.2）。圖1.1部分電磁波頻譜圖1.2各種傳輸線路的損耗特性0.7-1.7m帶寬200THz

1.2.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)

?容許頻帶很寬，傳輸容量很大。本質(zhì)寬、空分復(fù)用、波分復(fù)用

?損耗很小，中繼距離很長(zhǎng)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

1.2.3光纖通信的應(yīng)用

光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。光纖在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)，以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，都得到了廣泛應(yīng)用。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速，是當(dāng)前研究開發(fā)應(yīng)用的主要目標(biāo)。光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下：①通信網(wǎng)

②構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)③有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)④綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)

ATMInternet骨干網(wǎng)DDN/FRPSTN/ISDNTV業(yè)務(wù)分配節(jié)點(diǎn)(COT)業(yè)務(wù)接入節(jié)點(diǎn)（RT）網(wǎng)管SNMP與電信網(wǎng)管中心相連Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622MSDH典型應(yīng)用之一：寬帶綜合業(yè)務(wù)光纖接入系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)典型應(yīng)用之二：作為校園網(wǎng)的骨干傳輸網(wǎng)1.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成下圖示出單向傳輸?shù)墓饫w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)。

1.3.1發(fā)射和接收

如上圖所示，信息源把用戶信息轉(zhuǎn)換為原始電信號(hào)，這種信號(hào)稱為基帶信號(hào)。電發(fā)射機(jī)把基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為合適信道傳輸?shù)男盘?hào)，這個(gè)轉(zhuǎn)換如果需要調(diào)制，則其輸出信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)。對(duì)于數(shù)字電話傳輸，電話機(jī)把話音轉(zhuǎn)換為頻率范圍為0.3~3.4kHz的模擬基帶信號(hào)，電發(fā)射機(jī)把這種模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并把多路數(shù)字信號(hào)組合在一起。模/數(shù)轉(zhuǎn)換目前普遍采用脈沖編碼調(diào)制（PCM）方式，這種方式是