1、光纖通信原理,Guangming Li 李光明 Office: EE505 Phone: 5688066-505 Email: ,課程簡介,定位：限選課 講義：光纖通信原理（第2版）鄧大鵬，人民郵電出版社 參考書： 1.光纖通信系統(tǒng)顧畹儀、李國瑞著，北京郵電大學(xué)出版社 2. Optical Networks: A Practical Perspective, Second Edition, Rajiv Ramaswami, Kumar Sivarajan, Morgan Kaufmann, Inc. 3. Fiber Optic Communications (Fifth Edition)，J

2、oseph C. Palais，電子工業(yè)出版社 4. Fiber-Optic Communications Technology, Djafar K. Mynbaev, Lowell L. Scheiner eds., Pearson Education,Inc.,2001. 光纖通信技術(shù)，科學(xué)出版社,課程性質(zhì)、任務(wù),光纖通信是通信工程專業(yè)的專業(yè)課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握光纖傳輸用到的主要器件，光纖傳輸原理，光信號的產(chǎn)生和接收，光纖通信系統(tǒng)的組成等內(nèi)容。開設(shè)光纖通信系統(tǒng)的系列實驗課程，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，強化理論知識，使學(xué)生掌握光纖通信的基本特點，以及光纖通信系統(tǒng)的原理，具備設(shè)計光纖

3、傳輸系統(tǒng)的能力，了解光纖通信的未來與發(fā)展，為今后的工程應(yīng)用和研究生階段的學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)。結(jié)合光纖通信技術(shù)的發(fā)展，介紹一些相關(guān)領(lǐng)域的前沿技術(shù)、方法和成就，為學(xué)生的視野拓展和就業(yè)打下基礎(chǔ)。,課程考查方式,實驗+平時+作業(yè)： 30% 期末：開卷考試：70%,第一章 概 述,1.1 光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀 1.2 光纖通信的主要特性 1.3 光纖通信系統(tǒng)的組成和分類,1.1 光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀,1.1.1 早期的光通信 Smoke signals Blinker lights,現(xiàn)代光通信的開端- 貝爾光電話 到了1880年，貝爾發(fā)明了第一個光電話，這一大膽的嘗試，可以說是現(xiàn)代光通信的開端。 在這里，

4、將弧光燈的恒定光束投射在話筒的音膜上，隨聲音的振動而得到強弱變化的反射光束，這個過程就是調(diào)制。,Bells Photophone,1880 - Photophone Transmitter,1880 - Photophone Receiver,“The ordinary manwill find a little difficulty in comprehending how sunbeams are to be used. Does Prof. Bell intend to connect Boston and Cambridgewith a line of sunbeams hung on

5、 telegraph posts, and, if so, what diameter are the sunbeams to be?will it be necessary to insulate them against the weather?until (the public) sees a man going through the streets with a coil of No. 12 sunbeams on his shoulder, and suspending them from pole to pole, there will be a general feeling

6、that there is something about Prof. Bells photophone which places a tremendous strain on human credulity.” New York Times Editorial, 30 August 1880,Bell photophone 貝爾電話系統(tǒng),光通信的三大要素,光源 傳輸介質(zhì) 光檢測（光接收）,貝爾光電話和烽火報警一樣，都是利用大氣作為光通道。 大氣光通信優(yōu)點：有一定的容量、傳輸距離，方便靈活 缺點：1 光波傳播易受氣候的影響，在大霧天氣，它的可見度距離很短，遇到下雨下雪天也有影響。 2. 距離帶

7、寬有限 3.通信兩點必須直線可見,1.1.2 光纖通信 在大氣光通信受阻之后，人們將研究的重點轉(zhuǎn)入到地下光波通信的實驗，先后出現(xiàn)過反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)等地下通信的實驗，如圖所示。,圖1.2 反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo),1966年，英籍華人高錕(K.C.Kao，當(dāng)時工作于英國標(biāo)準(zhǔn)電信研究所)博士深入研究了光在石英玻璃纖維中的嚴(yán)重?fù)p耗問題，發(fā)現(xiàn)這種玻璃纖維引起光損耗的主要原因是其中含有過量的鉻、銅、鐵與錳等金屬離子和其他雜質(zhì)，其次是拉制光纖時工藝技術(shù)造成了芯、包層分界面不均勻及其所引起的折射率不均勻，他還發(fā)現(xiàn)一些玻璃纖維在紅外光區(qū)的損耗較小。,1966年：光纖損耗為1000dB/km 高錕博士發(fā)表他的著名論

8、文“光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)”首次明確提出：通過改進制備工藝，減少原材料雜質(zhì) ，可使石英光纖的損耗大大下降 ，并有可能拉制出損耗低于20dB/km的光纖，從而使光纖可用于通信之中。稱為“光纖之父”。,K. C. Kao, G. A. Hockham (1966), Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies, Proc. IEE 113 (7): 11511158,在高錕理論的指導(dǎo)下，1970年美國的康寧公司拉出了第一根損耗為20dB/km的光纖。 1977年美國在芝加哥進行了44.736Mbit/s的現(xiàn)場實驗，1978年

9、，日本開始了32.064Mbit/s和97.728Mbit/s的光纖通信實驗；1979年，美國AT&T和日本NTT均研制出了波長為1.35m的半導(dǎo)體激光器，,日本也做出了超低損耗的光纖(損耗為0.2dB/km，波長為1.55m)，同時進行了多模光纖(同時允許多個方向的光線在其中傳送的光纖)1.31m的長波長傳輸系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗。 到如今，光纖通信已經(jīng)發(fā)展到以采用光放大器(Optical Amplifier，OA)增加中繼距離和采用波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)增加傳輸容量為特征的第四代系統(tǒng)。,光通信 vs 光纖通信,光通信 ：一切運用光作為載

10、體傳送信息的所有通信方式的總稱 光纖通信：依靠光纖作為媒質(zhì)來傳送信息,1.2 光纖通信的主要特性,1.2.1 光纖通信的優(yōu)點 1. 光纖的容量大 光纖通信是以光纖為傳輸媒介，光波為載波的通信系統(tǒng)，其載波光波具有很高的頻率(約1014Hz)，因此光纖具有很大的通信容量。,Electromagnetic spectrum,大多數(shù)光通信系統(tǒng)使用紅外區(qū)域的波長,0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1.0 1.5 2.0 Wavelength (m),Ultraviolet,Visible,Infrared,Optical Spectrum (Partial),Blue,Red,光的波動性,

11、光的特性,Fiber optic systems must have low loss. For glass low loss occurs at several wavelengths. The major operation regions (windows) are:,WavelengthWindow 0.8-0.9 m First Window 1.300 m Second Window 1.550 m Third Window 1.600 mmFourth Window,These are all in the infrared.,2. 損耗低、中繼距離長 目前，實用的光纖通信系統(tǒng)使

12、用的光纖多為石英光纖，此類光纖在1.55m波長區(qū)的損耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信線路的損耗都低得多，因此，由其組成的光纖通信系統(tǒng)的中繼距離也較其它介質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)長得多。,如果今后采用非石英光纖，并工作在超長波長(2m)，光纖的理論損耗系數(shù)可以下降到10-310-5dB/km，此時光纖通信的中繼距離可達數(shù)千，甚至數(shù)萬公里。 3. 抗電磁干擾能力強 電話線和電纜一般是不能跟高壓電線平行架設(shè)的，也不能在電氣化鐵路附近鋪設(shè)。,4. 保密性能好 對通信系統(tǒng)的重要要求之一是保密性好。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電通信方式很容易被人竊聽：只要在明線或電纜附近(甚至幾公里以外)設(shè)置一個特別的接收

13、裝置，就可以獲取明線或電纜中傳送的信息。更不用去說無線通信方式。 5. 體積小，重量輕 6. 節(jié)省有色金屬和原材料,1.2.2 光纖通信的缺點 事物都是一分為二的，光纖通信有許多優(yōu)點，因而發(fā)展很快，但光纖通信也有以下缺點。 1. 抗拉強度低 2. 光纖連接困難 3. 光纖怕水,1.3 光纖通信系統(tǒng)的組成和分類,1.3.1 光纖通信系統(tǒng)的組成 光纖通信系統(tǒng)是以光纖為傳輸媒介，光波為載波的通信系統(tǒng)。主要由光發(fā)送機、光纖光纜、中繼器和光接收機組成。 系統(tǒng)中光發(fā)送機的作用是將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并將生成的光信號注入光纖。光發(fā)送機一般由驅(qū)動電路、光源和調(diào)制器構(gòu)成，如果是直接強度調(diào)制可以省去調(diào)制器，這些將

14、在后續(xù)章節(jié)中詳細(xì)介紹。,光接收機的作用是將光纖送來的光信號還原成原始的電信號。它一般由光電檢測器和解調(diào)器組成，對于直接強度調(diào)制解調(diào)器可以省略。 光纖的作用是為光信號的傳送提供傳送媒介(信道)，將光信號由一處送到另一處。 中繼器分為電中繼器和光中繼器(光放大器)兩種，其主要作用就是延長光信號的傳輸距離。,廣義光纖通信系統(tǒng)的基本組成,基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分,1、光發(fā)送機 組成框圖：,結(jié)構(gòu)參數(shù)：發(fā)送功率，dbm概念,光源光譜特性：輸出光功率足夠大，調(diào)制頻率足夠高，譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長穩(wěn)定， 器件壽命長,電信號對光的調(diào)制的實現(xiàn)方式 直接調(diào)制 用電信號直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器

15、或發(fā)光二極管的驅(qū)動電流，使輸出光隨電信號變化而實現(xiàn)的。 這種方案技術(shù)簡單，成本較低，容易實現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。 外調(diào)制 把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實現(xiàn)的。 外調(diào)制的優(yōu)點是調(diào)制速率高，缺點是技術(shù)復(fù)雜，成本較高，因此只有在大容量的波分復(fù)用和相干光通信系統(tǒng)中使用。 , (a) 直接調(diào)制； (b) 間接調(diào)制(外調(diào)制), 2. 光纖線路 功能：是把來自光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C 組成:光纖、光纖接頭和光纖連接器 低損耗 “窗口”：普通石英光纖在近紅外波段，除雜質(zhì)吸收峰外，其損耗隨波長的增加而減小，在0.85 m、1.31 m和1.55 m有三個損耗很小的波長“窗口”，見后圖。 光源激光器的發(fā)射波長和光檢測器光電二極管的波長響應(yīng)，都要和光纖這三個波長窗口相一致。 目前在實驗室條件下，1.55 m的損耗已達到0.154 dB/km， 接近石英光纖損耗的理論極限。,0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5,衰減（dB/km）,波長（m）,普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖,3、光接收機 功能：是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號 組成部分：耦合器，光電檢測器，解調(diào)器