1、1 1光 纤 通 信西安邮电大学西安邮电大学通信与信息工程学院通信与信息工程学院金蓉金蓉jinrong 2 2课程教学大纲课程教学大纲课程安排：课程安排：l 总学时：总学时：48学时学时l 考核考核方式：校考方式：校考l 成绩：成绩：平时成绩（平时成绩（30%）+期末成绩（期末成绩（70%）所需相关知识：所需相关知识： 大学物理大学物理 通信原理通信原理 电磁场与电磁波电磁场与电磁波3 3教教 材材教材n光纤通信技术，张新社等，人民邮电出版社光纤通信技术，张新社等，人民邮电出版社参考书n光纤通信（第二版），刘增基等，西安电子科技大学出版社光纤通信（第二版），刘增基等，西安电子科技大学出版社n光
2、纤通信，顾畹仪，人民邮电出版社光纤通信，顾畹仪，人民邮电出版社nFiber-Optic Communications Technology，Djafar K.Mynbaev4 4 掌握一些光纤通信技术是现实需要对很多专掌握一些光纤通信技术是现实需要对很多专业提出的要求，也是形成相关人员合理知识结构业提出的要求，也是形成相关人员合理知识结构一个不可缺的重要组成部分要求。一个不可缺的重要组成部分要求。 光纤通信技术在近光纤通信技术在近40年里得到了极大的发展，年里得到了极大的发展，目前它和目前它和移动通信移动通信、数据通信数据通信已经成为电信领域已经成为电信领域发展的基石。发展的基石。学学 习习
3、意意 义义5 5课程介绍课程介绍本课程全面介绍了以下内容：本课程全面介绍了以下内容：1、光纤通信系统的基本组成；、光纤通信系统的基本组成；2、光纤和光缆的结构和类型，光纤的传输原理和特性，光纤、光纤和光缆的结构和类型，光纤的传输原理和特性，光纤特性的测量；特性的测量；3、光源、探测器和无源器件的类型、原理和性质；、光源、探测器和无源器件的类型、原理和性质；4、光端机的组成和特性；、光端机的组成和特性；5、数字光纤通信系统（、数字光纤通信系统（PDH和和SDH）和模拟光纤通信系统）和模拟光纤通信系统6、高速光纤通信技术和光纤复用技术、高速光纤通信技术和光纤复用技术7、光纤接入网技术（、光纤接入网
4、技术（EPON和和GPON）8、光纤通信的若干新技术，如、光纤通信的若干新技术，如EDFA、光波分复用技术、光、光波分复用技术、光交换技术和光弧子通信等交换技术和光弧子通信等通信与信息工程学院通信与信息工程学院6 67 7通信与信息工程学院通信与信息工程学院光纤通信技术发展现状及展望光纤通信技术发展现状及展望光纤通信概述光纤通信概述1光纤通信的主要特点光纤通信的主要特点2光纤通信系统简介光纤通信系统简介36光纤通信系统的应用光纤通信系统的应用5光纤通信系统的应用光纤通信系统的应用48 8通信与信息工程学院通信与信息工程学院1.1 光纤通信的基本概念光纤通信的基本概念什么是光纤通信？光纤通信是指
5、利用光纤通信是指利用相干性和方向性极好的激光相干性和方向性极好的激光作作为载波（也称光载波）来携带信息，并利用为载波（也称光载波）来携带信息，并利用光导光导纤维（光纤）纤维（光纤）来进行传输的通信方式来进行传输的通信方式。9 9通信与信息工程学院通信与信息工程学院光纤通信使用的波段光纤通信使用的波段14104510104510101010通信与信息工程学院通信与信息工程学院1111通信与信息工程学院通信与信息工程学院电磁波的频率的计算：根据频率、波长和光电磁波的频率的计算：根据频率、波长和光速的关系式速的关系式cf C=3C=3* *10108 8m/sm/s1MHz(1MHz(兆赫兆赫)=1
6、0)=106 6HzHz1GHz(1GHz(吉赫吉赫)=10)=109 9HzHz1010-6 -6m m1THz(1THz(太赫太赫)=10)=101212HzHz1010-9 -9m m1PHz(1PHz(拍赫拍赫)=10)=101515HzHz1（埃）（埃） 1010-10-10m mfc/1212光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状探索时期的光通信烽火台通信，源于奴隶烽火台通信，源于奴隶制国家在政治和军事方制国家在政治和军事方面对通信的需要。据历面对通信的需要。据历史记载，早在三千多年史记载，早在三千多年前，我国就有了利用烽前，我国就有了利用烽火台通信的方法。火台通信的方法
7、。13131.1 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状 旗语产生于西方的大航海时代，舰船之间通过旗语来进旗语产生于西方的大航海时代，舰船之间通过旗语来进行联络；直到现在，各种信号旗仍然在船舶上悬挂。现行联络；直到现在，各种信号旗仍然在船舶上悬挂。现在在在在F1F1的赛车场也使用到了旗语，可以说它也是一种目的赛车场也使用到了旗语，可以说它也是一种目视光通信的手段。视光通信的手段。探索时期的光通信1414探索时期的光通信 不论是烽火台，还是交通红绿灯、旗语，它们不论是烽火台，还是交通红绿灯、旗语，它们都是光通信的不同形式，但是它们有一个共同点都是光通信的不同形式，但是它们有一个共同点，
8、就是，就是利用大气来传播利用大气来传播可见光，由人眼来接收。可见光，由人眼来接收。可是这些却不是真正意义上的光通信，真正强大可是这些却不是真正意义上的光通信，真正强大的光通信应该是光纤通信。的光通信应该是光纤通信。 光通信光通信（Optical CommunicationOptical Communication）指的是一切运用指的是一切运用光作为载体而传送信息的所有通信方式的总称，光作为载体而传送信息的所有通信方式的总称，而不管传输所使用的媒质是什么；而不管传输所使用的媒质是什么； 则是则是1515光电话 贝尔贝尔 1876 1876年年 发明电话发明电话 1880 1880年年 成功进行了
9、光电话的实验成功进行了光电话的实验 通话距离最远达到了通话距离最远达到了213213米米 1881 1881年年 贝尔的关于利用光线进行声音的产生与复制贝尔的关于利用光线进行声音的产生与复制发射端：发射端：太阳光作为光源，光束聚焦在震动片，使光强度随话太阳光作为光源，光束聚焦在震动片，使光强度随话音的变化而变化（音的变化而变化（调制调制）大气传送大气传送接收端：接收端：光波反射到硅光电池上，使光信号变换成电流送到受光波反射到硅光电池上，使光信号变换成电流送到受话器上（话器上（解调解调）证明了用光波作为载波传送信息的可行性证明了用光波作为载波传送信息的可行性探索时期的光通信1616光 通 信真正
10、用光来通信，必须要解决两个真正用光来通信，必须要解决两个最根本问题最根本问题：n必须有稳定的、低损耗的传输媒介必须有稳定的、低损耗的传输媒介n必须要找到高强度、可靠的光源必须要找到高强度、可靠的光源光通信的三要素：光通信的三要素：光源光源；传输介质传输介质；光检测光检测；早期光通信的共同点：早期光通信的共同点：光源：光源： 太阳光或灯光太阳光或灯光传输介质：大气传输介质：大气光检测：人眼光检测：人眼大气光通信优点：大气光通信优点：有一定的容量；传输距离；方便灵活有一定的容量；传输距离；方便灵活缺点：缺点：大气干扰；距离带宽有限；通信两点必须直线可大气干扰；距离带宽有限；通信两点必须直线可见见1
11、717现代光纤通信1 1、必须要找到高强度的、可靠的光源；、必须要找到高强度的、可靠的光源；2 2、必须有稳定的、低损耗的传输媒介；、必须有稳定的、低损耗的传输媒介；3 3、高响应的光检测器件；、高响应的光检测器件；光纤通信的关键问题光纤通信的关键问题1818光纤的诞生光纤的诞生难题之一：理想光传输介质的寻找难题之一：理想光传输介质的寻找 透明度很高的透明度很高的石英玻璃丝石英玻璃丝，叫做光学纤维，叫做光学纤维 简称简称“光纤光纤” 内窥镜内窥镜 一米一米 衰减损耗很大衰减损耗很大光的损耗程度是用每千米的分贝为单位来衡量的光的损耗程度是用每千米的分贝为单位来衡量的20世纪世纪60年代年代 10
12、00dB/KmdB在分贝学上，最重要的是要记住以下数字在分贝学上，最重要的是要记住以下数字：+3dB=2* ，+10dB=10*， 而而0dB=1*1919光纤的诞生光纤的诞生每公里每公里10分贝就是输入的信号传送分贝就是输入的信号传送1公里后只剩公里后只剩下了十分之一，下了十分之一，20分贝就表示只剩下百分之一，分贝就表示只剩下百分之一，30分贝就指只剩千分之一分贝就指只剩千分之一.那么，那么，1000分贝分贝.此外，考虑比较复杂的波导结构此外，考虑比较复杂的波导结构 放弃放弃难道用玻璃纤维通信希望渺茫难道用玻璃纤维通信希望渺茫? 失去信心失去信心损耗问题如何解决？损耗问题如何解决？英国标准
13、电信实验室英国标准电信实验室 英藉华人英藉华人高锟高锟（K.C.Kao)博士博士2020光纤的诞生光纤的诞生他认为，他认为，既然电可以沿着金属导线传输，光也应既然电可以沿着金属导线传输，光也应该可以沿着导光的玻璃纤维传输。该可以沿着导光的玻璃纤维传输。1966年年7月，高锟就月，高锟就光纤传输的前景光纤传输的前景发表了具有发表了具有重大历史意义的论文，论文分析了玻璃纤维损耗重大历史意义的论文，论文分析了玻璃纤维损耗大的主要原因。大的主要原因。大胆地预言，大胆地预言，只要能设法降低玻璃纤维的杂质，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每公里就有可能使光纤的损耗从每公里1000分贝分
14、贝 降低降低到到20分贝公里分贝公里，从而有，从而有可能用于通信可能用于通信。21212222光纤的诞生光纤的诞生世界上第一根低损耗的石英光纤世界上第一根低损耗的石英光纤:n1970年，美国康宁玻璃公司年，美国康宁玻璃公司n传输损耗传输损耗 20dB/Km光透过玻璃功率损耗一半（相当于光透过玻璃功率损耗一半（相当于3分贝）的长度：分贝）的长度：n普通玻璃普通玻璃 几厘米几厘米n高级光学玻璃高级光学玻璃 几米几米n光纤（光纤（20dB/Km） 150米米标志着光纤用于通信有了现实的可能性标志着光纤用于通信有了现实的可能性2323难题之二难题之二: :光源光源世界第一台激光器世界第一台激光器 19
15、60年年梅曼梅曼（T.H.Maiman）红宝石激光器）红宝石激光器 LASER:“受激发射的光放大受激发射的光放大” 优点：优点：谱宽度窄，方向性极好，亮度极高，以及谱宽度窄，方向性极好，亮度极高，以及频率和相频率和相 位较一致的良好特性。位较一致的良好特性。 缺点：缺点：室温下室温下 不连续工作不连续工作2424光源问题的解决1970年年贝尔研究所的林严雄等人研制出能够在室贝尔研究所的林严雄等人研制出能够在室温下连续工作的半导体激光器。（寿命短）温下连续工作的半导体激光器。（寿命短） 里程里程碑碑1977年年贝尔研究所和日本的电报电话公司几乎同贝尔研究所和日本的电报电话公司几乎同时研制出寿命
16、达时研制出寿命达100万小时（大约万小时（大约10年）的半导年）的半导体激光器，从而有了真正实用的激光器。体激光器，从而有了真正实用的激光器。25251970年激光器和低损耗光纤这两项关键技术的重年激光器和低损耗光纤这两项关键技术的重大突破，使光纤通信开始从理想变成可能，这立大突破，使光纤通信开始从理想变成可能，这立即引起了各国电信科技人员的重视，他们竞相进即引起了各国电信科技人员的重视，他们竞相进行研究和实验。行研究和实验。1974年美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作法年美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作法CVD法（化学汽相沉积法），使光纤损耗降法（化学汽相沉积法），使光纤损耗降低到低到1分
17、贝分贝/公里；公里；1977年年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥投入商业，速率为哥投入商业，速率为45Mb/s2626进入实用阶段以后，光纤通信的应用发展极为迅速，应用的光纤通信系统已经多次更新换代。70年代的光纤通信系统主要是用多模光纤，应用光纤的短波长（850纳米）波段。80年代以后逐渐改用长波长（1310纳米），光纤逐渐采用单模光纤，到90年代初，通信容量达到2.5Gb/s。进入90年代以后，传输波长又从1310纳米转向更长的1550纳米波长，并且开始使用光纤放大器、波分复用（WDM）技术等新技术。通信容量和中继距离继续成倍增长。广泛地应用于市内
18、电话中继和长途通信干线，成为通信线路的骨干。2727光纤通信的战略地位本世纪本世纪30年代，有人提出这样的观点：年代，有人提出这样的观点：总有一天总有一天光通信会取代有线和微波通信而成为通信主流光通信会取代有线和微波通信而成为通信主流”。该观点反映出光纤通信技术在未来通信中已显示出该观点反映出光纤通信技术在未来通信中已显示出其重要性。今天，光纤通信已是各种通信网的主要其重要性。今天，光纤通信已是各种通信网的主要传输方式。传输方式。现在光纤的使用已不只限于陆地，光缆已广泛铺设现在光纤的使用已不只限于陆地，光缆已广泛铺设到了大西洋、太平洋海底。到了大西洋、太平洋海底。不少发达国家又把光缆铺设到住宅
19、前，实现了光纤不少发达国家又把光缆铺设到住宅前，实现了光纤到办公室、光纤到家庭。到办公室、光纤到家庭。光纤通信技术之所以发展这样迅速，除了人们日益光纤通信技术之所以发展这样迅速，除了人们日益增长的信息传输需要之外，主要是增长的信息传输需要之外，主要是由于光纤通信本由于光纤通信本身所具有的优点所决定的身所具有的优点所决定的。28281.2 光纤通信的主要特点光纤通信的主要特点1、允许频带很宽，传输容量大、允许频带很宽，传输容量大为了扩大通信容量，有线通信从明线发展到电缆，无线通为了扩大通信容量，有线通信从明线发展到电缆，无线通信从短波发展到微波和毫米波，它们都是通过提高载波频信从短波发展到微波和
20、毫米波，它们都是通过提高载波频率来扩容的。光纤通信所使用的频率要比以上使用的频率率来扩容的。光纤通信所使用的频率要比以上使用的频率高的多。可使用的带宽巨大。高的多。可使用的带宽巨大。2929香农公式香农公式通信中，信道的带宽和信道的容量遵所谓的香农通信中，信道的带宽和信道的容量遵所谓的香农公式：公式：C=BLog2 (1+S/N) 其中，其中，B是信道频带宽度（简称带宽）是信道频带宽度（简称带宽） S是信号功率谱密度是信号功率谱密度 N是信道噪声功率谱密度是信道噪声功率谱密度 C是信道容量是信道容量由于任何信道都无法避免地会有各种噪声，而信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
21、可能太高，所以信道的容量不可能号的功率也不可能太高，所以信道的容量不可能达到无穷。达到无穷。3030光纤通信的主要特点光纤通信的主要特点2、损耗很小，中继距离很长、损耗很小，中继距离很长中继站，将衰减了的信号进行放大，然后接着往中继站，将衰减了的信号进行放大，然后接着往下传。下传。微波接力通信微波接力通信3、重量轻、体积小、重量轻、体积小通信设备的体积和重量对于许多领域具有非常重通信设备的体积和重量对于许多领域具有非常重要的意义要的意义3131光纤通信的主要特点光纤通信的主要特点4、抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好任何的通信系统都应具有一定的抗干扰能力任何的通信系统都应具有一定的抗干扰能力主要
22、有两个原因：主要有两个原因：第一第一是光纤是绝缘体，不怕雷电和高压，不受电磁是光纤是绝缘体，不怕雷电和高压，不受电磁干扰；干扰； 第二第二是光纤中传输的是频率很高的光波，而各种干是光纤中传输的是频率很高的光波，而各种干扰的频率一般都比较低，所以它不能干扰频率比扰的频率一般都比较低，所以它不能干扰频率比它高的多的光波。它高的多的光波。5、泄露小，保密性能好、泄露小，保密性能好6、节约有色金属，有利于资源合理使用、节约有色金属，有利于资源合理使用 石英（主要成分是二氧化硅），砂子石英（主要成分是二氧化硅），砂子3232光纤通信的缺点光纤通信的缺点缺点缺点:光纤质地脆、机械强度低、需要光纤质地脆、机
23、械强度低、需要比较好的切割及连接技术，分路、耦比较好的切割及连接技术，分路、耦合比较麻烦。合比较麻烦。33331.3 光纤通信系统基本组成光纤通信系统基本组成光纤通信系统示意图光纤通信系统示意图3434光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本光纤传输系统光纤线路接 收发 射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出图图 1.4 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成(单向传输单向传输) 光纤通信系统的三要素：光纤通信系统的三要素：光发射端机光发射端机，光接收端机光接收端机，光纤光纤3535光发射机光发射机光发射机的光发射机的功能功能 ：把
24、输入电信号转换为光信号，并用耦：把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度的注入光纤线路合技术把光信号最大限度的注入光纤线路 光发射机由光发射机由光源光源、驱动器驱动器和和调制器调制器组成。组成。光发射机的核光发射机的核心是光源。心是光源。对光源的要求？对光源的要求？输出功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发输出功率足够大，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，器件寿命长。散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。半导体发光二极管（半导体发光二极管（LED）半导体激光二极管（或称激光器）（半导体激光二极管（或称激光器）（LD）分布反馈（分布反
25、馈（DFB）激光器）激光器3636光发射机光发射机光发射机把电信号转换为光信号的过程（通常简光发射机把电信号转换为光信号的过程（通常简称为电称为电/光或光或E/O转换），是通过电信号对光信号转换），是通过电信号对光信号的调制而实现的。的调制而实现的。目前有目前有直接调制直接调制和和间接调制（或称外调制）间接调制（或称外调制）两种两种调制方案。调制方案。3737光发射端机光发射端机激光源驱动器光纤光信号输出电信号输入(a)激光源调制器驱动和控制电信号输入光纤光信号输出(b) 图图 1.5两种调制方案两种调制方案 (a) 直接调制；直接调制； (b) 间接调制间接调制(外调制外调制) 3838光发
26、射端机光发射端机直接调制：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。的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。 特点：特点：技术简单，技术简单， 成本较低，容易实现，但调制速率受激成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。光器的频率特性所限制。间接调制：间接调制：把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调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。前有多种调制器可供选择，制激光器的输出光而实现的。前有多种调制器可供选择，最常用的是最常用的是电光调制器电光调制器。这种调制器
27、是利用电信号改变电。这种调制器是利用电信号改变电光晶体的折射率，使通过调制器的光参数随电信号变化而光晶体的折射率，使通过调制器的光参数随电信号变化而实现调制的。实现调制的。 特点特点：调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高。：调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高。3939光纤光纤光纤线路是光信号的传输媒质，可把来自发送机的光信号光纤线路是光信号的传输媒质，可把来自发送机的光信号以尽可能小的衰减和脉冲展宽传送到接收机。以尽可能小的衰减和脉冲展宽传送到接收机。光纤通信中，限制传输距离和传输容量的主要原因是光纤通信中，限制传输距离和传输容量的主要原因是“损损耗耗”和和“色散色散”。对光纤的要求是其基本
28、传输参数对光纤的要求是其基本传输参数衰减衰减和和色散色散要尽可能小，要尽可能小，并要有一定的机械特性和环境特性。工程中使用的是由许多并要有一定的机械特性和环境特性。工程中使用的是由许多根光纤绞合在一起组成的光缆。整个光纤线路由根光纤绞合在一起组成的光缆。整个光纤线路由光纤光纤、光纤光纤接头接头和和光纤连接器光纤连接器等组成。等组成。目前使用的光纤均为目前使用的光纤均为石英光纤石英光纤。石英光纤的损耗波长特。石英光纤的损耗波长特性中有三个低损耗的波长区，即波长分别为性中有三个低损耗的波长区，即波长分别为850nm850nm、1310nm1310nm、1550nm1550nm的三个低损耗区。的三个
29、低损耗区。目前使用的石英光纤有目前使用的石英光纤有多模光纤多模光纤和和单模光纤单模光纤。4040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把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成弱信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。发射前的电信号。光接收机由光接收机由光探测器光探测器、放大器放大器和和相关电路相关电路组成，组成，光探测器是光接收机的核心。光探测器是光接收机的核心。对光探测器的要求？对光探测器的要求？响应度高、噪声低、高可靠性、高性价比和响应响应度高、噪声低、高可靠性、高性价比和响应速度快。速度快。4141光接收
30、机光接收机光接收机把光信号转换为电信号的过程（常简称为光光接收机把光信号转换为电信号的过程（常简称为光/电电或或O/E转换），是通过光探测器的检测实现的。转换），是通过光探测器的检测实现的。检测的方式有两种：检测的方式有两种：直接检测直接检测和和外差检测外差检测。直接检测直接检测是用检测器直接把光信号转换为电信号。这种检是用检测器直接把光信号转换为电信号。这种检测方式设备简单、测方式设备简单、 经济实用，是当前光纤通信系统普遍经济实用，是当前光纤通信系统普遍采用的方式。采用的方式。外差检测外差检测要设置一个本地振荡器和一个光混频器，使本地要设置一个本地振荡器和一个光混频器，使本地振荡光和光纤输
31、出的信号光在混频器中产生差拍而输出中振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输出中频光信号，再由光检测器把中频光信号转换为电信号。频光信号，再由光检测器把中频光信号转换为电信号。实现难度大，高灵敏度实现难度大，高灵敏度42421.4 光纤通信系统的分类光纤通信系统的分类按系统的传输信号分按系统的传输信号分按所用光纤分按所用光纤分按光源的调制方式分按光源的调制方式分按拓扑结构分按拓扑结构分按网络服务范围分按网络服务范围分模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统数字光纤通信系统数字光纤通信系统单模光纤通信系统单模光纤通信系统多模光纤通信系统多模光纤通信系统直接调制光通信系统直接调制光通信系统间接调制光
32、通信系统间接调制光通信系统点对点系统点对点系统一点对多点系统一点对多点系统多点对多点（网络）多点对多点（网络）局域网系统局域网系统城域网系统城域网系统广域网系统广域网系统43431.5 1.5 光纤通信系统的应用光纤通信系统的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、计算机网以及其他数据传输系统中都得到了广泛的应用。视、计算机网以及其他数据传输系统中都得到了广泛的应用。光纤通信的各种应用概括如下：光纤通信的各种应用概括如下：（1 1）通信网，）通信网，主要用于遍及全球的电信网中作为语音和数据通信，包括主要
33、用于遍及全球的电信网中作为语音和数据通信，包括全球通信网（国家和国家间的光缆干线）、各国的公共电信网（如我国全球通信网（国家和国家间的光缆干线）、各国的公共电信网（如我国的国家一级干线、省级干线及县以下的支线和市话中继通信系统）、专的国家一级干线、省级干线及县以下的支线和市话中继通信系统）、专用网（如电力、铁道、国防通信等的光缆系统）和特殊的通信网络（如用网（如电力、铁道、国防通信等的光缆系统）和特殊的通信网络（如石油、化工、煤矿等易燃易爆环境下使用的光缆通信系统）。石油、化工、煤矿等易燃易爆环境下使用的光缆通信系统）。（2 2）计算机局域网和广域网，）计算机局域网和广域网，如光纤以太网、路由
34、器之间的高速传输链如光纤以太网、路由器之间的高速传输链路等。路等。（3 3）有线电视网）有线电视网，如有线电视的干线和分配网；工业电视系统，如工厂如有线电视的干线和分配网；工业电视系统，如工厂、银行、商场、交通和公安部门的监控；自动控制系统的数据传输等。、银行、商场、交通和公安部门的监控；自动控制系统的数据传输等。（4 4）综合业务的光纤接入网）综合业务的光纤接入网，分为有源接入网和无源接入网，可实现电分为有源接入网和无源接入网，可实现电话、数据、视频及多媒体业务的接入，提供各种各样的社区服务。话、数据、视频及多媒体业务的接入，提供各种各样的社区服务。 FTTC/FTTB/FTTH FTTC/
35、FTTB/FTTH4444通信网通信网公用电信网：公用电信网：核心网、城域网核心网、城域网光纤接入网光纤接入网海底光缆及洲际通信网海底光缆及洲际通信网无线通信网无线通信网4545光纤通信的典型应用光纤通信的典型应用光光发发射射机机光光接接收收机机光光纤纤移移动动业业务务交交换换中中心心（MSC）市市话话局局或或长长途途局局46464747电力、煤炭系统的监视、控制和管理电力、煤炭系统的监视、控制和管理电力系统：光纤可以放在输电线、地线的中心，不电力系统：光纤可以放在输电线、地线的中心，不 受干扰。受干扰。尤其在观测雷击的时候能起到电设备不可替代的作用。尤其在观测雷击的时候能起到电设备不可替代的
36、作用。煤炭系统：电监控系统信号均为电信号，在含瓦斯高的矿井中容易引起煤炭系统：电监控系统信号均为电信号，在含瓦斯高的矿井中容易引起爆炸。因此，如果考虑安全因素，电信号功率不能太大，这又导致传爆炸。因此，如果考虑安全因素，电信号功率不能太大，这又导致传输距离受限。而如果采用光纤系统，很多设备可以无源化，即保证了输距离受限。而如果采用光纤系统，很多设备可以无源化，即保证了安全，又能实现远距离监控。安全，又能实现远距离监控。能源系统4848铁路、地铁和高速公路通信及监控网络系统铁路、地铁和高速公路通信及监控网络系统交通系统例如在例如在铁路通信网特点：铁路通信网特点：1. 1. 节点多，分支、插入话路
37、频繁节点多，分支、插入话路频繁2.2. 通信量大小不一，需求不同通信量大小不一，需求不同( (传输电话、数据、图像传输电话、数据、图像) )3.3. 要求有要求有强抗电磁干扰能力强抗电磁干扰能力除了光纤通信，没有哪一种通信方式能满足这些要求除了光纤通信，没有哪一种通信方式能满足这些要求4949 利用传像束的内利用传像束的内窥镜激光手术刀窥镜激光手术刀医疗器械激光手术中，有时需要手术的激光手术中，有时需要手术的部位在人体腔道内，部位在人体腔道内，这就要求激光能拐弯。目前大这就要求激光能拐弯。目前大多数医疗激光可以通多数医疗激光可以通过石英光纤来实现拐弯，因此过石英光纤来实现拐弯，因此激光手术刀又
38、叫光纤激光手术刀又叫光纤手术刀。手术刀。 50501.6 光纤通信的发展现状及展望光纤通信的发展现状及展望1.6.1 光纤通信系统的演进光纤通信系统的演进20世纪世纪70年代年代1、第一代光纤通信系统在、第一代光纤通信系统在20世纪世纪70年代末大量投年代末大量投入运营。由入运营。由0.85微米微米的的光源光源和和多模光纤多模光纤构成构成。 光纤损耗大（光纤损耗大（2dB/km），多模光纤的传输带），多模光纤的传输带宽有限。宽有限。 应用在低速率、短距离条件。应用在低速率、短距离条件。7676年亚特兰大安装的商用系统，传输速率年亚特兰大安装的商用系统，传输速率4 44 4Mbit/sMbit/
39、s，传输距离，传输距离1010公里。公里。5151光纤通信的演进2、20世纪世纪80年代初，采用年代初，采用1.31微米微米的半导体发的半导体发光二光二 极管或激光二极管作为光源，再加上极管或激光二极管作为光源，再加上多模光多模光纤纤构成了早期的第二代光纤传输系统。构成了早期的第二代光纤传输系统。 无中继距离无中继距离20公里。公里。 传输速率传输速率140 Mbit/s(多径色散多径色散)20世纪世纪80年中期，投入运营的第二代光纤通信系统由年中期，投入运营的第二代光纤通信系统由1.31微米的半导体激光器和单模光纤构成。微米的半导体激光器和单模光纤构成。传输损耗低传输损耗低(0.4dB/km
40、)，色散小。，色散小。5252光纤通信的演进3、第三代光纤通信系统采用了、第三代光纤通信系统采用了1.55微米微米作为工作为工作波长，以作波长，以色散位移光纤色散位移光纤作为传输媒介。作为传输媒介。适宜于超高速、长距离无中继传输。适宜于超高速、长距离无中继传输。 典型传输速率为典型传输速率为565 Mbit/s、622 Mbit/s、2.488Gbit/s。 无中继距离超过无中继距离超过100公里。公里。 自自80年代后期已经大量投入商用。年代后期已经大量投入商用。5353光纤通信的演进、第四代光纤通信系统采用波分复用（、第四代光纤通信系统采用波分复用（WDM）技术，即在同一根光纤中传输多个光
41、载波，获得了技术，即在同一根光纤中传输多个光载波，获得了更高的传输速率，同时采用光纤放大器（更高的传输速率，同时采用光纤放大器（EDFA）直接放大光信号以代替传统的光直接放大光信号以代替传统的光电电光中继方式光中继方式 90年代中期投入商用年代中期投入商用 160*10Gbit/s电时分系统（电时分系统（ETDM）光时分复用（光时分复用（OTDM）光波分复用（光波分复用（WDM）光码分复用（光码分复用（OCDM）光频分复用（光频分复用（OFDM）5454光纤通信的演进第五代光纤通信系统的研究与发展也经历了第五代光纤通信系统的研究与发展也经历了20年的历程。年的历程。超宽带单根光纤传输容量达到超
42、宽带单根光纤传输容量达到Tbit/s超长距离光放大传输距离达到超长距离光放大传输距离达到100010000Km光交换克服电交换的瓶颈光交换克服电交换的瓶颈光孤子光孤子 以光纤非线性压缩抵消光纤色散展宽，实现光脉以光纤非线性压缩抵消光纤色散展宽，实现光脉冲信号在传输过程中保持其形状不变冲信号在传输过程中保持其形状不变智能化智能光网络技术智能化智能光网络技术光交换：光交换：是指对光纤传送的光信号直接进行交换。在光域中完是指对光纤传送的光信号直接进行交换。在光域中完成交换功能，而无需将光信号转换为电信号。成交换功能，而无需将光信号转换为电信号。有效的减小了时延，增加了系统的吞吐量。有效的减小了时延，
43、增加了系统的吞吐量。55551.6 光纤通信的发展现状及展望光纤通信的发展现状及展望近几十年光纤通信已经取得了突飞猛进的进展。近几十年光纤通信已经取得了突飞猛进的进展。传输容量上：传输容量上：2.5Gbit/s、10Gbit/s、40Gbit/s 大量采用大量采用WDM系统系统提高中继距离：上千公里的无电中继距离技术上已提高中继距离：上千公里的无电中继距离技术上已经可行经可行56561974年年开始了低损耗光纤和光通信的研究工作开始了低损耗光纤和光通信的研究工作70年代中期年代中期研制出低损耗光纤和室温下可连续发光的半研制出低损耗光纤和室温下可连续发光的半导体激光器导体激光器1979年分别在北
44、京和上海建成了市话光缆通信试验系统年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验系统1991 不再建长途电缆通信系统不再建长途电缆通信系统“八五八五”期间，建成了含期间，建成了含22条条光缆干线、总长达光缆干线、总长达 33000公里的公里的“八横八纵八横八纵” 光纤通信干线传输网光纤通信干线传输网光纤通信已是各种通信网的主要传输方式光纤通信已是各种通信网的主要传输方式1.6.2 光纤通信在我国的发展现状光纤通信在我国的发展现状57571.单模和多模光纤单模和多模光纤随着我国通信技术和通信设备的不断发展，随着我国通信技术和通信设备的不断发展，对长距离的网络信号的传输运用的需求量越来对长距离的网络信号
45、的传输运用的需求量越来越多，当前我国所采用的光纤通信主要是单模越多，当前我国所采用的光纤通信主要是单模和多模光纤，多模光纤的价格比较低，传输的和多模光纤，多模光纤的价格比较低，传输的距离相对较短，主要应用于中短距离的传输信距离相对较短，主要应用于中短距离的传输信号的场合，单模光纤主要应用于长距离的传输，号的场合，单模光纤主要应用于长距离的传输，并且适合在多个不同的地域应用。并且适合在多个不同的地域应用。58582. 光纤接入技术的应用光纤接入技术的应用光纤接入技术的应用不仅可以实现信息的光纤接入技术的应用不仅可以实现信息的传输的高速化，而且满足人们的需求。光纤接传输的高速化，而且满足人们的需求
46、。光纤接入技术是高速信息接入用户中的关键措施，在入技术是高速信息接入用户中的关键措施，在光纤接入技术中，由于光纤到达的地理位置不光纤接入技术中，由于光纤到达的地理位置不同有不同的应用，比如同有不同的应用，比如FTTC、FTTH、FTTB（统称（统称FTTx）等就是根据用户的程度进行定义等就是根据用户的程度进行定义的。其中的。其中FTTH是光纤接入技术中最后一种方式，是光纤接入技术中最后一种方式，他可以给用户提供全光的接入技术。所以可以他可以给用户提供全光的接入技术。所以可以充分利用宽带的特性，给用户提供不受任何限充分利用宽带的特性，给用户提供不受任何限制的宽带。制的宽带。59593.光波复用技
47、术的应用光波复用技术的应用光纤通信的复用技术的应用已经从电时分光纤通信的复用技术的应用已经从电时分系统（系统（ETDM）的应用发展到光时分复用）的应用发展到光时分复用（OTDM）系统、光波分复用系统（）系统、光波分复用系统（WDM），），光码分复用系统（光码分复用系统（OCDM）以及光频分复用系）以及光频分复用系统（统（OFDM）等等方向发展应用。）等等方向发展应用。6060光纤通信技术展望 1. 光纤的发展光纤的发展采用采用石英石英为原材料的光纤，为原材料的光纤，理论值理论值0.2db/Km 不可能再达到不可能再达到0.1db/Km以下以下探索采用探索采用重金属氧化物、氟化物以及卤化物重金属
48、氧化物、氟化物以及卤化物 损耗降到损耗降到0.7db/Km，甚至到，甚至到0.02db/Km6161光纤通信技术展望2.光器件的发展光器件的发展 光器件的集成化和小型化光器件的集成化和小型化支持智能化的光可变换器件，包括可调谐光源、支持智能化的光可变换器件，包括可调谐光源、可调谐光滤波器、全光波长转换器等可调谐光滤波器、全光波长转换器等支持全光网实现的平面光波技术支持全光网实现的平面光波技术新一代的光电子材料新一代的光电子材料光子晶体及其光子晶体光子晶体及其光子晶体光纤（光纤（PCF）。）。6262光纤通信技术展望 3. 光纤传输技术光纤传输技术通信传输体制：从准同步体系到同步数字体通信传输体
49、制：从准同步体系到同步数字体系，再到由波分复用技术（系，再到由波分复用技术（WDM）引入的光传）引入的光传送体系（送体系（OTH）。）。 光纤传输系统由光纤传输系统由单波长单波长通道进入了通道进入了多波长多波长通道通道，再通过，再通过空分、时分、频分、码分空分、时分、频分、码分等多址复用的等多址复用的引入进一步提高了光纤通信系统的传输容量。目引入进一步提高了光纤通信系统的传输容量。目前光纤传输技术正在朝着超大容量和超长距离传前光纤传输技术正在朝着超大容量和超长距离传输的方向发展。输的方向发展。6363光纤通信技术展望 4.光网络技术光网络技术 光网络技术包括交换节点技术和相关网络演光网络技术包
50、括交换节点技术和相关网络演化技术。为骨干网、城域网和接入网。骨干网主化技术。为骨干网、城域网和接入网。骨干网主要往大容量、长距离或超长距离、智能化方面发要往大容量、长距离或超长距离、智能化方面发展；城域网主要朝多业务智能化传输平台发展（展；城域网主要朝多业务智能化传输平台发展（如如ASON-MSTP,PTN-MSTP等）；接入网主要等）；接入网主要向混合复用技术的长距离向混合复用技术的长距离PON （如（如WDM-PON，TDM-PON，CDMA-PON，LR-PON等）和光等）和光纤无线混合接入技术（纤无线混合接入技术（WIFI or HOWBAN等）等）。6464光纤通信光纤通信超高速超高
