1、光通信技术The Technology of Optical Communication 臧小飞臧小飞光电信息与计算机工程学院光电信息与计算机工程学院推荐教材 书名：光纤通信书名：光纤通信 作者：陈才和作者：陈才和 出版单位：电子工业出版社出版单位：电子工业出版社 推荐教材 书名：光纤通信书名：光纤通信 作者：张宝富作者：张宝富 出版单位：西安电子科技大学出版社出版单位：西安电子科技大学出版社 书名：光纤通信原理与系统书名：光纤通信原理与系统(第第3版版)作者：张明德，孙小菡作者：张明德，孙小菡 出版单位：东南大学出版社出版单位：东南大学出版社 参考教材参考教材 书名：光纤通信（第五版）书名：
2、光纤通信（第五版）作者：作者：Joseph C.Palais 译者：王江平、刘杰等译者：王江平、刘杰等 出版单位：电子工业出版社出版单位：电子工业出版社思考 什么是光纤通信？什么是光纤通信？“烽火台烽火台”传递军情？传递军情？光源光源接收器接收器光调制光解调缺点：缺点：传送信息少；传送信息少；受地形、气象等外在条件的限制。受地形、气象等外在条件的限制。贝尔的光电话（贝尔的光电话（PhotoPhone）？）？1880 1880，贝尔发明了第一个光电话。，贝尔发明了第一个光电话。光源：弧光灯光源：弧光灯 调制光：发出的光投射在话筒的音膜上，当音膜按照说话人声音的调制光：发出的光投射在话筒的音膜上，
3、当音膜按照说话人声音的强弱及音调不同而作相应的振动时，从音膜上反射出来的光的强弱也强弱及音调不同而作相应的振动时，从音膜上反射出来的光的强弱也随之变化随之变化 传播介质：大气传播介质：大气 光接收器和光解调：硅光电池。硅光电池放在一个大型抛物面镜的光接收器和光解调：硅光电池。硅光电池放在一个大型抛物面镜的焦点上。硅光电池能将射在它上面的光转变成电信号，这个电信号的焦点上。硅光电池能将射在它上面的光转变成电信号，这个电信号的强弱及变化频率，都恰好能反映原来用于调制光信号的声音的强弱及强弱及变化频率，都恰好能反映原来用于调制光信号的声音的强弱及频率。这个电信号被送进听筒，就能还原成原来的声音，完成
4、了整个频率。这个电信号被送进听筒，就能还原成原来的声音，完成了整个通信过程。通信过程。应用：应用：第一次世界大战和第二次世界大战期间，军事部门先后试第一次世界大战和第二次世界大战期间，军事部门先后试验过几种光电话装置，还采用了人眼看不见的保密性更好的红验过几种光电话装置，还采用了人眼看不见的保密性更好的红外光作为光载波。贝尔的光电话装置在晴天时通话距离可达数外光作为光载波。贝尔的光电话装置在晴天时通话距离可达数公里至十几公里。公里至十几公里。优点：优点：在贝尔的光电话中，包含着近代光通信技术的萌芽。在发在贝尔的光电话中，包含着近代光通信技术的萌芽。在发射端，电能转换成弧光灯的光能；在调制器中，
5、声音转变成电射端，电能转换成弧光灯的光能；在调制器中，声音转变成电流，然后驱动话筒的音膜振动；在接收端，接收到的光信号在流，然后驱动话筒的音膜振动；在接收端，接收到的光信号在硅光电池中转换成电信号，电信号又在听筒中转换成声音信号，硅光电池中转换成电信号，电信号又在听筒中转换成声音信号，实现了光、电、声音（或文字、图像）的相互转换。实现了光、电、声音（或文字、图像）的相互转换。这是一切现代光通信的共同特点。缺点：缺点：光波通信都是利用自然光源，它包括自然光和一般的灯光光光波通信都是利用自然光源，它包括自然光和一般的灯光光源，人工不好控制它的变化，也不好处理，不能像短波波段源，人工不好控制它的变化
6、，也不好处理，不能像短波波段和微波波段的电磁波那样进行复杂的通信工作。和微波波段的电磁波那样进行复杂的通信工作。光波传播易受气候的影响，可见度距离很短，遇到下雨下雪光波传播易受气候的影响，可见度距离很短，遇到下雨下雪天也有影响。天也有影响。在1870 年，英国物理学家丁达尔做了个实验。现象：现象：射入水中的光竟随着水从小孔流出，并且同射入水中的光竟随着水从小孔流出，并且同水流一起沿着弧线落到地面，在地面上产生水流一起沿着弧线落到地面，在地面上产生一个光斑。一个光斑。结论：结论：像水这样的透明物质是可以传送光束的。像水这样的透明物质是可以传送光束的。启发：启发：光导纤维来作为光的光导纤维来作为光
7、的“导线导线”。不管玻璃丝怎样弯曲，从它的一端射入的光都会顺着它弯曲地传播，而不管玻璃丝怎样弯曲，从它的一端射入的光都会顺着它弯曲地传播，而从另一端射出。从另一端射出。19661966年，英籍华裔学者年，英籍华裔学者高锟高锟指出了利用光纤指出了利用光纤(Optical Fiber)(Optical Fiber)进进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤光纤通信的基础。通信的基础。光纤通信发明家光纤通信发明家高锟高锟(左左)19981998年英国接受年英国接受IEEEIEEE授予的奖章授予的奖章20092009年获得诺贝年获得诺贝尔物理学
8、奖尔物理学奖 所谓光纤通信，就是利用所谓光纤通信，就是利用光纤（光导纤维）光纤（光导纤维）来传输携来传输携带信息的带信息的光波光波以达到以达到信息传输信息传输的目的。的目的。回答三个问题：回答三个问题：1.1.传输媒质？传输媒质？2.2.载波？载波？3.3.实现目的？实现目的？光纤光接收机光放大器光发送机光源信息源光纤通信系统简单组成：教学内容 第第1章章 绪论绪论 第第2章章 光纤传输理论光纤传输理论 第第3章章 光纤传输器件光纤传输器件 第第4章章 光源与光发送机光源与光发送机 第第5章章 光检测器与光接收机光检测器与光接收机 第第6章章 光放大器光放大器 第第7章章 光纤通信系统光纤通信
9、系统 第第8章章 现代光纤通信技术现代光纤通信技术教学目的与考核说明 光纤通信课程是光信息科学与技术领域的一门主干技术基础课光纤通信课程是光信息科学与技术领域的一门主干技术基础课程，也是光学工程领域中一门现代技术基础课程。通过学习使程，也是光学工程领域中一门现代技术基础课程。通过学习使学生掌握光纤通信的基本原理和系统组成，了解光纤通信的未学生掌握光纤通信的基本原理和系统组成，了解光纤通信的未来与发展，为进一步学习光纤通信技术和设备打下基础。来与发展，为进一步学习光纤通信技术和设备打下基础。为学生今后研究更先进光通信技术与系统打下基础。为学生今后研究更先进光通信技术与系统打下基础。考核(1)(1
10、)平时成绩占平时成绩占30%30%(2)(2)期终考察占期终考察占70%70%目的：11光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 光纤的发展 1.1.2 激光器的发展 1.1.3 实用光纤通信系统的发展 1.1.4 国内外光纤通信的研究现状及展望12 光纤通信的优点和应用 1.2.1 光纤通信的优点 1.2.2 光纤通信的应用1 3 光纤通信系统的组成 第第1章章 绪绪 论论 补充：补充：分贝（dB，decibel）1.分贝表示相对功率。分贝表示相对功率。2.分贝表示绝对功率。分贝表示绝对功率。3.为什么采用分贝表示功率？为什么采用分贝表示功率？分贝表示相对功率：分贝表示相对功率：12lg10dB
11、PP要求：要求：P2和和P1的单位必须相同。的单位必须相同。放大增益时损耗情况下12120dB0dBPPPP10/dB121210lg10dBPPPP2.已知相对功率时，可以得到传输功率状态：已知相对功率时，可以得到传输功率状态：1.已知相对功率时，可以通过输入功率求输出功率：已知相对功率时，可以通过输入功率求输出功率：如果所指的明显是损耗的话，有时负号可以省略。如功率变化如果所指的明显是损耗的话，有时负号可以省略。如功率变化-3dB-3dB时称为时称为3dB3dB损耗。损耗。分贝表示绝对功率：将功率与一个固定的参考值做比较，称为分贝表示绝对功率：将功率与一个固定的参考值做比较，称为用分贝表示
12、的绝对功率。用分贝表示的绝对功率。1mWlg10dBmlg10dB21mW121PPPP时当所以：所以：当功率为当功率为0dBm时表示功率为？时表示功率为？当功率为当功率为-30dBm时表示功率为？时表示功率为？答案为：答案为：1mW和和1W。为什么用分贝来表示功率的变化？为什么用分贝来表示功率的变化？用分贝表示功率是一个十分方便的量。主要考虑用分贝表示功率是一个十分方便的量。主要考虑元件级联元件级联时，时，计算十分方便。计算十分方便。总的效率（以分贝为单位）是单个级联部分的总的效率（以分贝为单位）是单个级联部分的效率（以分贝为单位）之效率（以分贝为单位）之和和，这是采用分贝计算的主要优点。，
13、这是采用分贝计算的主要优点。)lg(10)lg(10)lg(10)lg(10lg10dB12233412233414PPPPPPPPPPPPPP计算：计算：1.如图所示的三个级联部分的损耗分别为如图所示的三个级联部分的损耗分别为-11dB，-6dB和和-3dB。计算此系统的总损耗。如果输入功率为计算此系统的总损耗。如果输入功率为5mW，试计算输出功，试计算输出功率。率。2.假设有个发光二极管的输出功率为假设有个发光二极管的输出功率为2mW，计算与此辐射功率相，计算与此辐射功率相对应的对应的dBm值。此功率通过一组元件后有值。此功率通过一组元件后有23dB的损耗，计算的损耗，计算输出功率。输出功
14、率。dB20)dB3()dB6()dB11()lg(10)lg(10)lg(10)lg(10lg10dB12233412233414PPPPPPPPPPPPPP%101.0101010/20dB/1014PPmW05.0%1mW5%114 PP1.解：总损耗为解：总损耗为等效的功率比（即功率传输效率）为：等效的功率比（即功率传输效率）为：则接收功率为：则接收功率为：2.解：发射功率是以毫瓦为单位的，所以解：发射功率是以毫瓦为单位的，所以dBm01.3mW1mW2lg10mW1lg10dBm1P 由于此功率有由于此功率有23dB的损耗，也就是说输出功率比输入功率小的损耗，也就是说输出功率比输入功
15、率小23dB。对应的功率比为对应的功率比为由于参考功率值为由于参考功率值为1mW，所以输出功率为，所以输出功率为dB/1023/102110100.0050.5%PP22mW0.5%0.01mWP 1.1.1 光纤的发展 降低损耗 1951年，医疗用玻璃纤维发明。但这种早期的光导纤维损耗太年，医疗用玻璃纤维发明。但这种早期的光导纤维损耗太大（大于大（大于1000dB/km），），不能用。1965年，由一系列透镜构成的透镜光波导被报导。但结构太复年，由一系列透镜构成的透镜光波导被报导。但结构太复杂且精度要求太高，杂且精度要求太高，不实用。1966年，英籍华裔学者高锟年，英籍华裔学者高锟(C.K.
16、Kao)和霍克哈姆和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，分析了造发表了关于传输介质新概念的论文，分析了造成光纤传输损耗高的主要原因，指出如果完全除去玻璃中的杂成光纤传输损耗高的主要原因，指出如果完全除去玻璃中的杂质，光纤损耗可降到质，光纤损耗可降到20dB/km(相当于同轴电缆相当于同轴电缆)，可以用于光纤通信。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“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤用的低损耗光纤”1970年，光纤研制取得了重大突破年，光纤研制取得了重大突破 1970年，美国康宁(Cornin
17、g)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。用它和玻璃的透明程度比较，光透过玻璃功率损耗一半（相当于3分贝）的长度分别是：普通玻璃为几厘米、高级光学玻璃最多也只有几米，而通过每千米损耗为20分贝的光纤的长度可达150米。这就是说，光纤的透明程度已经比玻璃高出了几百倍！1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/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0.47 dB/km(波长1.
18、2m)。在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗：1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/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。1.1.2激光器的发展 1960年，美国人梅曼年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，发明了第一台红宝石激光器，给光通给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用，信带来了新的希望。激光器的发明和应用，使沉睡了使沉睡了80年的光通信年的光通信进入一个崭新的阶段。进入一个崭新的阶段。在这个时期，美国麻省理工学院利用在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和
19、激光器和CO2激光器进行激光器进行了大气激光通信试验。了大气激光通信试验。1962年，年，GaAs半导体激光二极管（半导体激光二极管（LD）问世，意味着现代光通信有）问世，意味着现代光通信有了小体积的高速光源。了小体积的高速光源。LD输出进入单模光纤的功率约为输出进入单模光纤的功率约为1mW，且掺，且掺杂后可以将发射波长移到短波长低损耗窗口。杂后可以将发射波长移到短波长低损耗窗口。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，研制成功室温下连续振荡室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结
20、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1.3 m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1.55 m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 年成为年成为光纤通信发展的一个重要里程碑光纤通信发展的一个重要里程碑 1.1.3实用实用光纤通信系统光纤通信系统的发展的发
21、展 1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验纤通信系统的现场试验。1977年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用，速率为45Mbs。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34 Mb/s的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100 Mb/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
22、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。总的来说，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单多模发展到单模模，工作波长从0.85 m发展到1.3 m和1.55 m(短波长向长波短波长向长波长长），传输速率传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s（低速率到高速低速率到高速率率）。随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降光纤价格不断下降，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。在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经
23、济中占重要地位中占重要地位。商用光纤通信的发展可以粗略地分为四个阶段商用光纤通信的发展可以粗略地分为四个阶段：第一阶段(1980年1983年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期：0.85 m波长多模光纤的第一代系统。第二阶段(1983年1991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。1.3 m波长单模光纤的第二代系统。第三阶段(1991年1995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。1.55 m单频激光器的第三代系统。第四阶段(1995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。采用光放大器的第四代系统。光
24、纤通信整体发展时间表光纤通信整体发展时间表1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 100000 10000 1000 100 10 1 0.1 0.8m 多模1.3m 多模1.55m 单模光孤子光放大器1.55m相干检测系统性能(Gb/sKm）1.1.4 国内外光纤通信的研究现状和展望国内外光纤通信的研究现状和展望 近十几年来，光纤通信发展得很快，世界上许多国家都在大力发展光纤通信。在科技发达国家，光纤通信技术已基本成熟，世界上形成了北美、西欧和远东三个光通信发达地区，其代表国分别为美国、英国和日本，其它国家如法国、西德、意大利等国家
25、的光纤通信发展也很快。近20 年来，我国一直把光通信的有关课题当作重点攻关项目。许多专家学者为之奋斗，取得了一系列重要成果。目前，光纤通信已成为世界通信网的骨干：光纤到办公室，光纤进入家庭。光网联天下光网联天下光传输技术的发展、光传输市场热点光传输技术的发展、光传输市场热点 全光通信网全光通信网未来宽带的发展方向未来宽带的发展方向 光纤通信系统的展望具体技术展望具体技术展望 波分复用技术波分复用技术 相干光通信相干光通信 全光放大器全光放大器 光孤子通信光孤子通信 量子光通信量子光通信 1.2.1 光纤通信的优点光纤通信的线路又细又轻；光纤通信可以节约大量的有色金属；光纤通信的通信容量大；光纤
26、通信的通信距离远；抗电磁干扰能力强，保密性能好。1.2 光纤通信的优点和应用通信手段通信手段容量（电话路数）容量（电话路数）中继距离（中继距离（km）1000km中继器中继器数数微波微波9605020小同轴小同轴9604250大同轴大同轴18006166光缆光缆76807014光纤通信与其它通信方式比较光纤通信与其它通信方式比较补充补充:光纤通信的缺点光纤通信的缺点 非线性效应非线性效应 量子噪声大量子噪声大 接续、合路、分路复杂接续、合路、分路复杂 弯曲不能过小弯曲不能过小 1.2.2 光纤通信的应用光纤通信的应用 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤通信应用非常广泛，大到包括世界
27、不同地区、整个国家、城市，小到某个区域，如一个工厂、一幢办公楼！光纤通信使人们摆脱了地域束缚，实行资源共享，进行快速、及时、可靠的信息交流。1.3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 点-点光纤通信系统组成 PCM电端机：电端机：常规电通信中的载波机、图像设备及计算机等终端设备。产生电信号。常规电通信中的载波机、图像设备及计算机等终端设备。产生电信号。光发送机：光发送机：编码电信号，产生载有信息的光信号，完成电光转换。编码电信号，产生载有信息的光信号，完成电光转换。传输光纤或光缆：传输光纤或光缆：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真失真)和衰减传输到光接收机。和衰减传输到光接收机。光接收机：光接收机：接收光信号。接收光信号。PCM电端机：电端机：转换光信号为电信号。转换光信号为电信号。The End
