1、2023-2-9光纤通信01概述光纤通信光纤通信01概述概述光纤通信01概述光通信是光通信是20世纪世纪70年代发展起来的通信技术。年代发展起来的通信技术。光通信技术的诞生是通信发展史上的一次革命性光通信技术的诞生是通信发展史上的一次革命性进步，促进了人类社会向信息化社会的发展。进步，促进了人类社会向信息化社会的发展。光通信技术主要涉及光信号的产生、传输、检测光通信技术主要涉及光信号的产生、传输、检测以及组网技术。以及组网技术。本章将简要介绍光通信的发展与特点，光纤通信本章将简要介绍光通信的发展与特点，光纤通信系统的组成等。系统的组成等。光纤通信01概述1.1 光纤通信的发展历程光纤通信的发展
2、历程1.2 光纤通信的特点与应用光纤通信的特点与应用1.3 光纤通信系统的分类与组成光纤通信系统的分类与组成光纤通信01概述光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式媒介的通信方式光纤通信技术是近光纤通信技术是近40年来迅猛发展起来的高新技年来迅猛发展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革人民生活带来了巨大变革我国的高速骨干网络、城市环网已经建成并不断我国的高速骨干网络、城市环网已经建成并不断发展，光纤已经开始进入办公室和家庭，在信息发展，光纤已经开始进入办公
3、室和家庭，在信息社会里，光纤网络将无处不在社会里，光纤网络将无处不在光纤通信01概述直到直到20世纪世纪60年代，电通信在通信领域都处于绝年代，电通信在通信领域都处于绝对统治地位对统治地位一般来说，传送信息的总量与载波的工作频率直一般来说，传送信息的总量与载波的工作频率直接相关，提高载波频率在理论上可以增加传输带接相关，提高载波频率在理论上可以增加传输带宽，通常也就可以提高信息传输容量宽，通常也就可以提高信息传输容量光纤通信01概述通信应用的电磁频谱通信应用的电磁频谱光纤通信01概述电磁波频谱中，一个重要的部分是光频区域电磁波频谱中，一个重要的部分是光频区域以光波形式实现信息传输一般不是通过对
4、载波的以光波形式实现信息传输一般不是通过对载波的频率调制完成的，而是通过改变光波的光功率来频率调制完成的，而是通过改变光波的光功率来实现的实现的光波的传输可以采用大气信道和导波信道光波的传输可以采用大气信道和导波信道光纤通信01概述早在早在1880年，贝尔就研制成功了光学电话年，贝尔就研制成功了光学电话大气作为大气作为光通道光通道光纤通信01概述地下光波通信的实验地下光波通信的实验反射波导反射波导透镜波导透镜波导建设成本极高建设成本极高没有实用价值没有实用价值 光纤通信01概述现代意义的光通信系统现代意义的光通信系统两个关键问题：两个关键问题：一是合适的光源；一是合适的光源；二是理想的传光媒介
5、二是理想的传光媒介20世纪初就由德拜提出光学纤维波导中传输世纪初就由德拜提出光学纤维波导中传输一直到一直到60年代，用当时最好的光学玻璃做成的光年代，用当时最好的光学玻璃做成的光学纤维其损耗也高达学纤维其损耗也高达1000 dB/km光纤通信01概述1966年，英籍华裔学者高锟（年，英籍华裔学者高锟（C.K.Kao）和霍）和霍克哈姆（克哈姆（C.A.Hockham）发表了关于传输介）发表了关于传输介质新概念的论文质新概念的论文玻璃纤维引起光损耗的主要原因是玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其它杂质其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其它杂质其次是拉制光纤
6、时工艺技术造成了芯、包层分界面不均其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀匀及其所引起的折射率不均匀还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小光纤通信01概述1970年美国的康宁玻璃公司（年美国的康宁玻璃公司（Corning Glass Work）拉出了第一根损耗为）拉出了第一根损耗为20dB/km的光纤的光纤它的意义在于：使光纤通信可以和同轴电缆通信它的意义在于：使光纤通信可以和同轴电缆通信竞争竞争 光纤通信01概述1970年，光纤通信用的光源也取得了实质性进展年，光纤通信用的光源也取得了实质性进展室温下连续振荡的镓铝砷（室
7、温下连续振荡的镓铝砷（GaAlAs）双异质结半导体）双异质结半导体激光器（短波长）激光器（短波长）重大意义在于为半导体激光器的发展奠定了基础重大意义在于为半导体激光器的发展奠定了基础 光纤通信01概述1972年，康宁公司高纯石英多模光纤（同时允许年，康宁公司高纯石英多模光纤（同时允许多个方向的光线在其中传送的光纤）损耗降低到多个方向的光线在其中传送的光纤）损耗降低到4dB/km1973年，美国贝尔（年，美国贝尔（Bell）实验室取得了更大成）实验室取得了更大成绩，光纤损耗降低到绩，光纤损耗降低到2.5 dB/km1974年降低到年降低到1.1 dB/km1976年，日本电报电话（年，日本电报电
8、话（NTT）公司等单位将）公司等单位将光纤损耗降低到光纤损耗降低到0.47 dB/km（波长（波长1.2 um）。）。光纤通信01概述在以后的在以后的10年中，波长为年中，波长为1550nm的光纤损耗：的光纤损耗：1979年是年是0.20 dB/km1984年是年是0.157 dB/km1986年是年是0.154 dB/km，接近了光纤最低损耗的，接近了光纤最低损耗的理论极限理论极限 光纤通信01概述1973年，半导体激光器寿命达到年，半导体激光器寿命达到7000小时小时1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到到10万小时（约万小时（约11.4年）
9、年）1976年日本电报电话公司研制成功发射波长为年日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 um的铟镓砷磷（的铟镓砷磷（InGaAsP）激光器）激光器1979年美国电报电话（年美国电报电话（AT&T）公司和日本电报）公司和日本电报电话公司（电话公司（NTT）研制成功发射波长为）研制成功发射波长为1.55 um的连续振荡半导体激光器的连续振荡半导体激光器 光纤通信01概述1970年成为年成为光纤通信发展的光纤通信发展的一个重要里程碑一个重要里程碑 光纤通信01概述光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段第一阶段（第一阶段（19661976年），这是从基础研究到商年
10、），这是从基础研究到商业应用的开发时期业应用的开发时期第二阶段（第二阶段（19761986年），这是以提高传输速率年），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期第三阶段（第三阶段（19861996年），这是以超大容量超长年），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距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期光纤通信01概述第一阶段（第一阶段（19661976年）年）以以1976年美国在亚特兰大（年美国在亚特兰大（Atlanta）进行的世界上）进行的世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验为标志，光纤通信
11、第一个实用光纤通信系统的现场试验为标志，光纤通信开始走向实用化开始走向实用化第一代系统工作在第一代系统工作在850 nm附近，多模光纤作传输介附近，多模光纤作传输介质质采用采用GaAs为基础材料制成的激光器作光源，硅材料制为基础材料制成的激光器作光源，硅材料制成的光检测器成的光检测器速率在速率在45140 Mb/s之间，传输距离约之间，传输距离约10 km光纤通信01概述第二阶段（第二阶段（19761986年）年）工作波长从工作波长从850 nm（短波长）移至（短波长）移至1310 nm（长波（长波长）长）光纤也从多模发展到单模光纤也从多模发展到单模长途干线的传输速率为长途干线的传输速率为14
12、0565 Mb/s的单模光纤的单模光纤通信系统，无中继传输距离为通信系统，无中继传输距离为1050 km 光纤通信01概述第三阶段（第三阶段（19861996年）年）实现了实现了1550 nm色散移位单模光纤通信系统色散移位单模光纤通信系统色散位移光纤色散位移光纤1988年，第一条横跨大西洋年，第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统海底光缆通信系统1989年第一条横跨太平洋年第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆海底光缆通信系统通信系统1989年，年，ITU-T制定了制定了155 Mb/s、622 Mb/s、2.5 Gb/s等等SDH速率标速率标 光纤通信01概述第四代系统第四代系
13、统光放大器（光放大器（OA，Optical Amplifier）增加中继距离）增加中继距离波分复用（波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）增加传输容量）增加传输容量10 Gb/s、40 G系统也已商用化系统也已商用化光纤通信01概述1987年前在市话中继线路上应用光纤通信年前在市话中继线路上应用光纤通信1987年开始在长途干线上应用光纤通信，铺设了年开始在长途干线上应用光纤通信，铺设了多条省内二级光缆干线多条省内二级光缆干线从从1988年起，我国的光纤通信系统由多模向单模年起，我国的光纤通信系统由多模向单模发展发展1998年年12月，贯穿全国的月，
14、贯穿全国的“八纵八横八纵八横”光纤骨光纤骨干网建成，网络覆盖全国省会以上城市和干网建成，网络覆盖全国省会以上城市和70%的地市，全国长途光缆达到的地市，全国长途光缆达到20万千米万千米光纤通信01概述光纤通信主要用于骨干网通信和城市环网通信等光纤通信主要用于骨干网通信和城市环网通信等诸多方面，并且向接入网延伸，这是和其显著的诸多方面，并且向接入网延伸，这是和其显著的特点分不开的特点分不开的光纤通信01概述速率高，传输容量大速率高，传输容量大单模光纤的带宽可以达到几十单模光纤的带宽可以达到几十G/s损耗低，传输距离远损耗低，传输距离远石英光纤损耗为石英光纤损耗为0.2 dB/km（1550 nm
15、窗口）和窗口）和0.35 dB/km（1310 nm窗口）窗口）抗干扰能力强，保密性好抗干扰能力强，保密性好光纤是非金属材料，它不会受到电磁干扰光纤是非金属材料，它不会受到电磁干扰光纤的外泄光能很少，难以窃听光纤的外泄光能很少，难以窃听 光纤通信01概述重量轻，敷设方便重量轻，敷设方便在传输相同信息量时，光缆的质量为电缆质量的在传输相同信息量时，光缆的质量为电缆质量的1/301/10施工时可以采用与电缆相同的敷设技术进行敷设施工时可以采用与电缆相同的敷设技术进行敷设耐腐蚀，寿命长耐腐蚀，寿命长石英玻璃耐腐蚀石英玻璃耐腐蚀光纤接头处不产生放电、没有火花光纤接头处不产生放电、没有火花光纤具有更适应
16、环境变化的能力光纤具有更适应环境变化的能力光纤通信01概述事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点：而发展很快，但光纤通信也有以下缺点：抗拉强度低抗拉强度低光纤连接困难光纤连接困难光纤怕水光纤怕水光纤通信01概述通信网通信网主要用于电信网中的语音和数据传输主要用于电信网中的语音和数据传输 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、路由器之间的高速传输链路等如光纤以太网、路由器之间的高速传输链路等有线电视网有线电视网如有线电视的干线和分配网、工业电视系统的监控、自如有线电视的干线和分配网、工业电视系统的监控
17、、自动控制系统的数据传输等动控制系统的数据传输等综合业务的光纤接入网综合业务的光纤接入网实现用户的（大）宽带接入，光纤是理想的选择实现用户的（大）宽带接入，光纤是理想的选择光纤通信01概述光纤通信系统可以传送数字信号或模拟信号光纤通信系统可以传送数字信号或模拟信号传送的信息可以是语音、数据、图像、视频等多传送的信息可以是语音、数据、图像、视频等多媒体业务媒体业务光纤通信01概述光纤通信系统有多种不同的应用形式，可以按照光纤通信系统有多种不同的应用形式，可以按照不同分类方法进行分类不同分类方法进行分类1按照传输信号类型分按照传输信号类型分2按照光波长和光纤类型分按照光波长和光纤类型分3按照调制方
18、式分按照调制方式分光纤通信01概述光纤模拟通信系统光纤模拟通信系统用模拟电信号对光源强度调制，即传输的是模拟信号用模拟电信号对光源强度调制，即传输的是模拟信号如广播电视节目、工业和交通监控信号等如广播电视节目、工业和交通监控信号等光纤数字通信系统光纤数字通信系统采用采用PCM电信号对光源强度调制，即传输的是数字信电信号对光源强度调制，即传输的是数字信号号如长途骨干网、城市环网等如长途骨干网、城市环网等光纤通信01概述短波长（短波长（850nm）多模光纤通信系统）多模光纤通信系统通常速率低于通常速率低于34 Mb/s，中继距离在，中继距离在10 km内。内。长波长（长波长（1310nm）多模光纤
19、通信系统）多模光纤通信系统速率可以达到速率可以达到140 Mb/s，中继距离，中继距离20 km。长波长（长波长（1310nm）单模光纤通信系统）单模光纤通信系统速率为速率为140 Mb/s，中继距离为，中继距离为30 50 km。长波长（长波长（1550nm）单模光纤通信系统）单模光纤通信系统速率可以达到速率可以达到565 Mb/s以上，中继距离可达以上，中继距离可达70 km 光纤通信01概述直接强度调制光纤通信系统直接强度调制光纤通信系统采用电信号直接对光源强度调制，在接收端用光检测器采用电信号直接对光源强度调制，在接收端用光检测器直接检测直接检测目前实用的光纤通信系统主要采用这类调制方
20、式，其速目前实用的光纤通信系统主要采用这类调制方式，其速率已达率已达10 Gb/s外调制光纤通信系统外调制光纤通信系统在光源发出光后，在光的输出通路上外加调制器（如电在光源发出光后，在光的输出通路上外加调制器（如电光晶体等）对光载波调制光晶体等）对光载波调制高速系统高速系统光纤通信01概述公用光纤通信系统和专用光纤通信系统公用光纤通信系统和专用光纤通信系统PDH光纤通信系统和光纤通信系统和SDH光纤通信系统光纤通信系统 光纤通信01概述主要组成部分包括主要组成部分包括光纤光纤光发送器光发送器光接收器光接收器光中继器光中继器适当的接口设备适当的接口设备光纤通信01概述光发送机的作用是将电信号转换
21、为光信号（光发送机的作用是将电信号转换为光信号（E/O变换），并将生成的光信号注入光纤变换），并将生成的光信号注入光纤光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，其核心是光源其核心是光源常用的光源有半导体激光器和半导体发光二极管常用的光源有半导体激光器和半导体发光二极管光纤通信01概述光接收机的作用是将光信号转换为电信号，通常光接收机的作用是将光信号转换为电信号，通常有放大、再生等功能有放大、再生等功能光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成光电信号的转换由光检测器完成，广泛使用的光电信号的转换由光检测器完成，广泛
22、使用的有有PIN光电二极管和雪崩光电二极管（光电二极管和雪崩光电二极管（APD）光纤通信01概述光纤线路是光信号的传输媒介，包括光纤、光纤光纤线路是光信号的传输媒介，包括光纤、光纤接头和光纤连接器接头和光纤连接器要求光纤的传输衰减和色散尽可能小要求光纤的传输衰减和色散尽可能小目前使用的光纤均为石英光纤，其损耗波长特目前使用的光纤均为石英光纤，其损耗波长特性中有三个低损耗区（三个窗口）性中有三个低损耗区（三个窗口）850 nm 2 dB/km1310 nm 0.4 dB/km1550 nm 0.2 dB/km光纤通信01概述远距离的光纤通信系统还需要采用光中继机，实远距离的光纤通信系统还需要采用
23、光中继机，实现光信号的中继传输现光信号的中继传输目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤单模光纤的传输性能较好，因此在大容量、长距单模光纤的传输性能较好，因此在大容量、长距离的光纤传输系统中都采用单模光纤离的光纤传输系统中都采用单模光纤光纤通信01概述比较常见的光纤有比较常见的光纤有G.651光纤（渐变折射率多模光纤）光纤（渐变折射率多模光纤）G.652光纤（常规单模光纤）光纤（常规单模光纤）G.653光纤（色散位移光纤）光纤（色散位移光纤）G.654光纤（低损耗光纤）光纤（低损耗光纤）G.655光纤（非零色散位移光纤）光纤（非零色散位移光纤）光纤通信01概
24、述从从1976年光纤通信实用化以来，其通信容量发展年光纤通信实用化以来，其通信容量发展迅速，这主要得益于下列支撑技术的发展迅速，这主要得益于下列支撑技术的发展光纤光纤光源光源SDH传输体制传输体制光放大器光放大器WDM复用技术复用技术全光网络全光网络光纤通信01概述光纤是构建光传输网的传输媒介，目前使用的通光纤是构建光传输网的传输媒介，目前使用的通信光纤都是石英光纤信光纤都是石英光纤光纤的主要传输特性是它的损耗、色散等，光信光纤的主要传输特性是它的损耗、色散等，光信号在注入光纤后，由于损耗和色散，会导致信号号在注入光纤后，由于损耗和色散，会导致信号随距离的增加而产生连续的衰减和失真随距离的增加
25、而产生连续的衰减和失真多模光纤只能用于短距离、低速率的传输系统多模光纤只能用于短距离、低速率的传输系统1984年单模光纤取代多模光纤作为长距离的光纤年单模光纤取代多模光纤作为长距离的光纤通信系统的传输媒介通信系统的传输媒介光纤通信01概述光纤通信采用的光源是半导体光源，如半导体发光纤通信采用的光源是半导体光源，如半导体发光二极管（光二极管（LED）和半导体激光器（）和半导体激光器（LD）半导体发光二极管是基于自发辐射发光机理的发半导体发光二极管是基于自发辐射发光机理的发光器件，是非相干光源光器件，是非相干光源如局域网中如局域网中半导体激光器是基于光的受激辐射放大机理的发半导体激光器是基于光的受
26、激辐射放大机理的发光器件，是相干光源，相干光源具有很好的单色光器件，是相干光源，相干光源具有很好的单色性和方向性性和方向性高速率、长距离的光纤通信高速率、长距离的光纤通信光纤通信01概述光检测器将收到的极其微弱并有所失真的光信号光检测器将收到的极其微弱并有所失真的光信号转换为电信号转换为电信号最主要的指标参数是接收灵敏度最主要的指标参数是接收灵敏度即在设计速率上满足给定的误码率（或信噪比）条件下即在设计速率上满足给定的误码率（或信噪比）条件下的最小光功率的最小光功率接收机所能达到的性能指标取决于光检测器的类接收机所能达到的性能指标取决于光检测器的类型、噪声的影响等型、噪声的影响等 光纤通信01
27、概述为了充分利用光纤信道的带宽，需要将众多数字为了充分利用光纤信道的带宽，需要将众多数字信号复接成高速率信号信号复接成高速率信号准同步数字复接体制（准同步数字复接体制（PDH，Plesiochronous Digital Hierarchy）同步数字系列（同步数字系列（SDH，Synchronous Digital Hierarchy）光纤通信01概述PDH32个数字话路组成一个个数字话路组成一个PCM基群（基群（2 M/s）4个个2 M信号组成一个信号组成一个8 M的二次群（的二次群（8 M/s）4个个8 M信号复接成一个信号复接成一个34 M的三次群的三次群 光纤通信01概述SDH是针对是
28、针对PDH存在的问题而出现的一种传输体存在的问题而出现的一种传输体制，适合高速光纤线路传输制，适合高速光纤线路传输SONET OCSONET OC等级等级 ITUITUT SDHT SDH等级等级线路速率（线路速率（M/sM/s）简称简称OCOC1 151.8451.84OCOC3 3STMSTM1 1155.520155.520155 M155 MOCOC1212STMSTM4 4622.08622.08622 M622 MOCOC24241244.161244.16OCOC4848STMSTM16162488.322488.322.5 G2.5 GOCOC192192STMSTM64649
29、953.289953.2810 G10 G光纤通信01概述最基本的最基本的STM-1信号是承载在一个信号是承载在一个125s的帧结的帧结构中构中帧结构包括了所有的传送开销和有效信息载荷帧结构包括了所有的传送开销和有效信息载荷较高速的较高速的STM-N信号是由信号是由N个个STM-1按字节间按字节间插复用而成插复用而成 光纤通信01概述1989年，光纤放大器的使用是光纤通信发展过程年，光纤放大器的使用是光纤通信发展过程中的一个突破性进展中的一个突破性进展直接对光进行放大，简化了原有的光电光中直接对光进行放大，简化了原有的光电光中继，使中继成本下降继，使中继成本下降光放大器以掺铒光放大器（光放大器
30、以掺铒光放大器（EDFA）应用最为成功）应用最为成功并广泛使用，它工作于并广泛使用，它工作于1550 nm波长，与光纤的波长，与光纤的第三个低损耗窗口相一致第三个低损耗窗口相一致EDFA促进了促进了WDM技术的实用化技术的实用化光纤通信01概述波分复用（波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplex）技术是光纤通信史上继光放大器之）技术是光纤通信史上继光放大器之后的又一次突破性进展后的又一次突破性进展WDM的基本思想是在一根光纤中耦合多个波长，的基本思想是在一根光纤中耦合多个波长，从而提高每根光纤的总带宽从而提高每根光纤的总带宽例如，在同一根光纤中每个波长的速率是
31、例如，在同一根光纤中每个波长的速率是10 Gb/s，如果有如果有16个波长，则总的信息速率是个波长，则总的信息速率是160 Gb/s采用采用WDM技术提高带宽，比在单个波长上提高传技术提高带宽，比在单个波长上提高传输速率更加容易实现输速率更加容易实现光纤通信01概述由于电子器件本身的物理极限，传统的电子设备由于电子器件本身的物理极限，传统的电子设备在交换容量上难以再有质的提高在交换容量上难以再有质的提高光放大器、波分复用器、光开关、光路由器等新光放大器、波分复用器、光开关、光路由器等新颖器件的相继问世，通信网络向全光网络发展颖器件的相继问世，通信网络向全光网络发展光交换是指对送来的光信号直接进行交换，而不光交换是指对送来的光信号直接进行交换，而不需要经过光电光的变换方式需要经过光电光的变换方式目前的光交换都是交换颗粒较大的波长交换目前的光交换都是交换颗粒较大的波长交换2023-2-9光纤通信01概述
