光纖通信系統(tǒng)(無水印)課件

第4章光纖通信系統(tǒng)4.1光纖通信概述 4.2光纖與光纜4.3光纖通信系統(tǒng)4.4光纖通信新技術(shù)1第4章光纖通信系統(tǒng)4.1光纖通信概述 24.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述Bell的光電話—近代光通信的開始Bell的光電話沒能得到普及使用1880年，貝爾發(fā)明光電話結(jié)構(gòu)：發(fā)送端有一臺弧光燈作為光源，發(fā)出的光投射到話筒的音膜上，再反射回來。接收端有一個拋物面反射鏡，其焦點上放著一個硅光電池，能將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，末端是聽筒。原理：讓聲音改變音膜反射光的強?4.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述Bell2Bell光電話的弱點：光信號是在大氣中直接傳遞的，敏感、易受干擾、傳輸距離近（幾百米）光纖通信的瓶頸：光波在大氣中被吸收、反射、折射、干擾，嚴重限制了傳輸距離解決方法：挖地下管道來傳輸?shù)叵峦ǖ涝趲缀紊媳仨殗栏?，且要放置許多反射鏡或透鏡4.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述Bell光電話的弱點：光信號是在大氣中直接傳遞的，敏感、易受相比之下，由于金屬中的電子可以自由移動，所以電通信中的電纜不需要精密的幾何結(jié)構(gòu)光波也是電磁波，是否能找到一種光導(dǎo)線，能夠方便高效地傳輸光波呢？4.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述相比之下，由于金屬中的電子可以自由移動，所以電通信中的電纜不光的全反射：光從水（或玻璃）中射到空氣中時，在兩者的交界面上，一部分光線發(fā)生反射，另一部分發(fā)生折射。反射角=入射角，折射角>入射角當(dāng)入射角較大時，在交界面上，全部入射光都被反射回水中，這就是全反射。4.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述光的全反射：光從水（或玻璃）中射到空氣中時，在兩者的交界面上第4章光纖通信系統(tǒng)(無水印)課件光纖的誕生可以制造透明的光導(dǎo)體，使得入射的光波信號在其中不斷地全反向，最終傳到接收端。這種導(dǎo)體叫做——光導(dǎo)纖維光纖的誕生可以制造透明的光導(dǎo)體，使得入射的光波信號在其中不斷1950年研制出了用玻璃制成的光纖，然而損耗較大，信號每傳輸10米，能量損耗達90%1966年，英籍華人高錕發(fā)現(xiàn)，玻璃光纖的損耗，主要是因為其中含有銅、鐵、錳等金屬粒子和雜質(zhì)，只要減少雜質(zhì)，提高制造水平，就能大大減小光纖的損耗1970年，美國康寧公司拉出了第一根有實用意義的光纖，損耗僅為20dB/km的低損耗光纖，傳輸1000米，損耗掉能量的99%，揭開光纖通信序幕。1974年，美國貝爾實驗室制造出1dB/km損耗的低損耗光纖。4.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述1950年研制出了用玻璃制成的光纖，然而損耗較大，信號每傳輸兩個關(guān)鍵問題：一是必須有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì)；二是必須要找到高強度的、可靠的光源。94.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述我們今天所說的光通信已不再是用可見光進行的視覺通信，而是采用光波作為載波來傳遞信息的通信方式。94.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述我們今天所9對光源的要求波長與低損耗“窗口”一致：0.85微米，1.31

微米或1.55微米左右光譜單色性要好，減少色散對帶寬的限制電/光轉(zhuǎn)換效率要高發(fā)射光束的穩(wěn)定性要好調(diào)制速率高，響應(yīng)速度快溫度穩(wěn)定性好，可靠性高，壽命長體積小、重量輕，安裝方便，價格便宜4.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述對光源的要求4.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述激光——物質(zhì)（紅寶石、砷化鎵等）受激躍遷輻射所發(fā)出的一種特殊光。具有良好的相干性、單色性、方向性和極高的亮度。4.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述激光——物質(zhì)（紅寶石、砷化鎵等）受激躍遷輻射所發(fā)出的一種特殊4.1.1光纖通信發(fā)展簡史121960年，美國加州休斯實驗室第一臺固體紅寶石激光器1961年，美國貝爾實驗室氦-氫氣體激光器1970年，美國貝爾實驗室砷化鎵鋁半導(dǎo)體激光器4.1光纖通信概述至此制約光纖通信的兩個關(guān)鍵問題，光源和傳輸媒介問題完全得到解決。光纖通信的普及和推廣獲得了高速發(fā)展的基本條件。4.1.1光纖通信發(fā)展簡史121960年，美國加州休斯實驗12光纖通信發(fā)展簡史（續(xù)）4.1光纖通信概述1977年美國芝加哥率先開通了第一條45Mb/s的商用光纖通信系統(tǒng)。目前，國際國內(nèi)長途通信傳輸網(wǎng)的光纖化比例已經(jīng)超過90%今天，全球已敷設(shè)光纜長度超過100萬km，光纜已敷設(shè)到世界屋脊西藏。生產(chǎn)光纜的廠家有200多家，每年所用光纖的數(shù)量超過400萬km。在實際網(wǎng)絡(luò)中，無論是核心網(wǎng)還是接入網(wǎng)，目前主要應(yīng)用的是G.652光纖。在核心網(wǎng)中新建線路已開始采用G.655光纖，在接入網(wǎng)中已開始應(yīng)用光纖帶光纜。光纖通信發(fā)展簡史（續(xù)）4.1光纖通信概述1977年美國芝加144.1光纖通信概述光纖通信發(fā)展簡史（續(xù)）上世紀30年代，有人提出這樣的觀點：“總有一天光通信會取代有線和微波通信而成為通信主流”。144.1光纖通信概述光纖通信發(fā)展簡史（續(xù)）上世紀30年代14154.1光纖通信概述金磚國家光纜計劃154.1光纖通信概述金磚國家光纜計劃15

光纖通信是以光波作為載體，以光導(dǎo)纖維作為傳輸媒介的一種通信技術(shù)。載波：波長0.8-2微米的近紅外光波特點：寬帶、大容量、低損耗、長中繼、抗電磁干擾、體積小、重量輕、便于敷設(shè)等優(yōu)點，成為當(dāng)代長途通信最主要的手段。164.1光纖通信概述光纖通信是以光波作為載體，以光導(dǎo)纖維作為傳輸媒介的一種通信光纖通信系統(tǒng)框圖光纖通信系統(tǒng)框圖如何讓光波攜帶信息？數(shù)字信號為“1”時，光源器件發(fā)送一個“傳號”光脈沖數(shù)字信號為“0”時，光源器件發(fā)送一個“空號”（不發(fā)光）如何讓光波攜帶信息？數(shù)字信號為“1”時，光源器件發(fā)送一個“傳光纖通信的優(yōu)點光纖通信的優(yōu)點光纖通信的優(yōu)點光纖通信的優(yōu)點引言21公里Ｘ每秒比特一個半世紀以來人類通信能力增長示意圖引言21公里Ｘ每秒比特一個半世紀以來人類通信能力增長示意不足：光纖質(zhì)地脆弱易斷，敷設(shè)時的彎曲半徑不宜太小224.1光纖通信概述4.1.2光纖通信的特點不足：光纖質(zhì)地脆弱易斷，敷設(shè)時的彎曲半徑不宜太小224.14.2光纖與光纜23光纖與光纜的結(jié)構(gòu)

光纖的導(dǎo)光原理4.2光纖與光纜23光纖與光纜的結(jié)構(gòu)4.2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類24

光纖是多層同軸圓柱體，自內(nèi)向外為纖芯、包層、涂覆層，纖芯與包層稱為裸纖。包層外面涂覆一層硅酮樹脂或聚氨基甲酸乙酯（30~150μm），然后增加保護套加以保護。

纖芯和包層是高純度石英材料，4.2光纖與光纜4.2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類24光纖是多層同軸圓柱體，自內(nèi)包層折射率略低于纖芯，與纖芯一起形成光的全反射通道，使光波的傳輸局限于纖芯內(nèi)。光纖的構(gòu)造包層折射率略低于纖芯，與纖芯一起形成光的全反射通道，使光波的1.光纖的結(jié)構(gòu)264.2光纖與光纜1.光纖的結(jié)構(gòu)264.2光纖與光纜按材料分：全石英光纖多組分玻璃光纖塑料包層石英芯光纖全塑料光纖2.光纖的分類4.2光纖與光纜按材料分：2.光纖的分類4.2光纖與光纜按模式分：多模光纖，單模光纖模式——電磁場分布從幾何學(xué)角度看，每根以不同角度入射到光纖中的光射線都有不同于其它光射線的模式。當(dāng)光纖纖芯的幾何尺寸大于光波波長時，光可以以多種模式傳輸，形成多模光纖，纖芯直徑約50-70μm單模光纖纖芯直徑只有5-10μm2.光纖的分類4.2光纖與光纜按模式分：多模光纖，單模光纖2.光纖的分類4.2光纖與光多模光纖中的模間色散：不同模式的光信號走過的距離不同，入射角越小，傳播路徑越長，而在纖芯中傳輸速度又是一樣的，所以到達接收端的時間不同，這使得不同模式的信號出現(xiàn)了時間上的差距，稱為模間色散。解決方法：改變各種光的傳播速度，讓距離遠的光，速度加快，距離近的光，速度放慢。傳播速度由折射率決定，折射率越大，速度越低?？拷行牡牡胤剑瑐鬏斔俣容^慢，讓纖芯折射率較大2.光纖的分類4.2光纖與光纜多模光纖中的模間色散：2.光纖的分類4.2光纖與光纜多模光纖按照折射率分布，又分為：階躍型和漸變型2.光纖的分類4.2光纖與光纜多模光纖按照折射率分布，又分為：階躍型和漸變型2.光纖的分304.2.2光纖的導(dǎo)光原理31

在光學(xué)理論中，當(dāng)傳輸媒介的幾何尺寸遠大于光波波長時，可以把光表示成其傳播方向上的一條幾何線，稱為光射線。用光射線來分析光傳播特性的方法，稱為射線法。下面通過射線法來分析光在階躍型光纖中的導(dǎo)光原理。4.2光纖與光纜4.2.2光纖的導(dǎo)光原理31在光學(xué)理論中，當(dāng)傳輸媒介的幾1.光的反射與折射定律

θ入=θ反32當(dāng)θ折>900時，折射光線會反射回到纖芯進行傳播，這種現(xiàn)象稱為全反射4.2光纖與光纜1.光的反射與折射定律θ入=θ反32當(dāng)θ折>900時，折射2.光纖中的全反射傳輸調(diào)整入射角θ，使得θ折2>90度而發(fā)生全反射：334.2光纖與光纜2.光纖中的全反射傳輸調(diào)整入射角θ，使得θ折2>90度而發(fā)生4.2光纖與光纜4.2光纖與光纜4.2.3光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性描述的是光纖的傳輸損耗、色散和非線性效應(yīng)。354.2光纖與光纜4.2.3光纖的傳輸特性354.2光纖與光纜1.傳輸損耗

光纖傳輸損耗表現(xiàn)為隨著傳輸距離的增加光功率逐漸下降，主要原因是吸收和散射造成再加光纖結(jié)構(gòu)不完善導(dǎo)致。36式中λ是光波波長，L是光纖長度（km），Po與Pi分別是光纖輸出和輸入端的光功率.4.2光纖與光纜1.傳輸損耗光纖傳輸損耗表現(xiàn)為隨著傳輸距離的增加光功2.色散37

理想光源應(yīng)是頻率單一的單色光，但現(xiàn)實光源信號不純，含有不同的波長成分，在折射率為n1的光纖介質(zhì)中傳輸速度不同，從而導(dǎo)致光信號分量產(chǎn)生不同延遲，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散。

具體表現(xiàn)為當(dāng)光脈沖沿著光纖傳輸一定距離后脈沖寬度展寬，嚴重時前后脈沖相互重疊，難以分辨。4.2光纖與光纜2.色散37理想光源應(yīng)是頻率單一的單色光，但現(xiàn)實38光纖色散的類型模式色散：在多模光纖中，因同一波長分量的各種傳導(dǎo)模式的相位不同、群速度不同而導(dǎo)致光脈沖展寬的現(xiàn)象，稱為模式色散（或模間色散）。材料色散：由光纖材料自身特性造成的。波導(dǎo)色散：由光纖中的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的。多模光纖主要考慮模式色散，單模光纖主要考慮材料色散和波導(dǎo)色散。4.2光纖與光纜38光纖色散的類型模式色散：在多模光纖中，因同一波長分量的38單模光纖中的色散系數(shù)與波長關(guān)系單模光纖中的色散系數(shù)與波長關(guān)系393.非線性效應(yīng)40非線性效應(yīng)在波分復(fù)用信道間產(chǎn)生串話和功率降低代價，限制光纖通信的傳輸容量和最大傳輸距離，影響系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)。

光纖中的非線性效應(yīng)分為兩類:非彈性過程和彈性過程。4.2光纖與光纜3.非線性效應(yīng)40非線性效應(yīng)在波分復(fù)用信道間產(chǎn)生4.2.4光纜41分類方法光纜種類按用途長途光纜、短途中繼光纜、室內(nèi)光纜、混合光纜按敷設(shè)方式直埋光纜、管道光纜、架空光纜、水底光纜按傳輸模式單模光纜、多模光纜（階躍型、漸變型）按結(jié)構(gòu)層絞式、骨架式、大束管式、帶式、單元式按外護套結(jié)構(gòu)無鎧裝、鋼帶鎧裝、鋼絲鎧裝按光纜中有無金屬有金屬光纜、無金屬光纜按維護方式充油光纜、充氣光纜光纜的分類4.2.4光纜41分類方法光纜種類按用途長途光纜、短途中幾種光纜的結(jié)構(gòu)幾種光纜的結(jié)構(gòu)434.2光纖與光纜434.2光纖與光纜4.3光纖通信系統(tǒng)44光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，以光導(dǎo)纖維為傳輸媒介來傳輸消息的通信系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)主要由電端機、光端機、光中繼器和光纜組成。4.3光纖通信系統(tǒng)44光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，以光導(dǎo)

1.電發(fā)送端機45把信源消息轉(zhuǎn)換成電數(shù)字信號。4.3光纖通信系統(tǒng)

1.電發(fā)送端機45把信源消息轉(zhuǎn)換成電數(shù)字信號。2.光發(fā)送端機46光源的調(diào)制有直接調(diào)制或外調(diào)制兩種方式：4.3光纖通信系統(tǒng)2.光發(fā)送端機46光源的調(diào)制有直接調(diào)制或外調(diào)制兩種方式：4思考：為什么不直接把原始信號變成光信號，并在光纖中傳輸？盡管電信號從遠距離傳輸?shù)男Ч喜蝗绻饫w中的光信號，但就整個領(lǐng)域來看，電信號依然是信息時代的主力。對于電信號的存儲、處理、分析、轉(zhuǎn)換已經(jīng)形成了相當(dāng)完善的一套機制。思考：為什么不直接把原始信號變成光信號，并在光纖中傳輸？3.光端機的調(diào)制方式48直接調(diào)制（強-直調(diào)制）：利用電信號調(diào)制光波的幅度，驅(qū)動電路輸出“0”、“1”脈沖信號直接控制光源的發(fā)光強度。適用于光源為低速的半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）的情況。外腔調(diào)制（相干光調(diào)制）：把激光送入到外腔調(diào)制器，然后用電數(shù)字信號控制調(diào)制器，適用于高速激光器（LD）調(diào)制。外調(diào)制可選擇調(diào)制光波的頻率或相位。4.3光纖通信系統(tǒng)3.光端機的調(diào)制方式48直接調(diào)制（強-直調(diào)制）：利用電信例子：一種直接調(diào)制的共發(fā)射極驅(qū)動電路494.3光纖通信系統(tǒng)例子：一種直接調(diào)制的共發(fā)射極驅(qū)動電路494.3光纖通信系統(tǒng)4.光中繼器

光-電-光中繼方式光放大器——直接對光信號進行放大504.3光纖通信系統(tǒng)4.光中繼器光-電-光中繼方式504.3光纖通信系統(tǒng)5.光接收端機將光纖傳輸過來的微弱光信號，經(jīng)光檢測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后再?jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到電接收端機去。51電信號4.3光纖通信系統(tǒng)5.光接收端機將光纖傳輸過來的微弱光信號，經(jīng)光檢測6.電接收端機52電接收端機接收判決器輸出的再生碼元數(shù)據(jù)流，并還原為信宿可接收的形式。4.3光纖通信系統(tǒng)6.電接收端機52電接收端機接收判決器輸出的再生碼元數(shù)4.4光纖通信新技術(shù)53超大容量、超長距離、超高速傳輸一直是光纖通信新技術(shù)的發(fā)展目標。拓展光纖可用“窗口”的波長范圍可以提高

光纖帶寬；

降低損耗系數(shù)可以增加光纖中繼距離；

光波分復(fù)用或光時分復(fù)用可以增大系統(tǒng)容量；

相干光通信和光孤子通信也是研發(fā)熱點。

4.4光纖通信新技術(shù)53超大容量、超長距離、超高速4.4.1光波分復(fù)用與光時分復(fù)用54采用光波分復(fù)用（WDM）或光時分復(fù)用（OTDM）技術(shù)可以在不增加線路投資的情況下，擴大系統(tǒng)容量。4.4光纖通信新技術(shù)4.4.1光波分復(fù)用與光時分復(fù)用54采用光波分復(fù)用1.光波分復(fù)用55光波分復(fù)用：把多路信號變換成不同波長的光波，用一根光纖傳輸。4.4光纖通信新技術(shù)1.光波分復(fù)用55光波分復(fù)用：把多路信號變換成不同波長的光2.光波分復(fù)用的類型56根據(jù)光波分復(fù)用時波長間隔的大小可以將波分復(fù)用系統(tǒng)分為三種類型：密集波分復(fù)用（DWDM）：波長間隔1~10nm稀疏波分復(fù)用（CWDM）：波長間隔10~100nm光頻分復(fù)用（OFDM）：波長間隔<1nm

（未獲實用）4.4光纖通信新技術(shù)2.光波分復(fù)用的類型56根據(jù)光波分復(fù)用時波長間隔的大3.光時分復(fù)用57

OpticalTimeDivisionMultiplexing:類似于電信號的時分復(fù)用，把低速的光脈沖信號復(fù)合在一起，形成超高速光脈沖信號。實現(xiàn)OTDM的基本技術(shù)主要包括超短光脈沖（10ps以下）發(fā)生技術(shù)、全光時分復(fù)用/去復(fù)用技術(shù)、超高速光定時提取技術(shù)等。4.4光纖通信新技術(shù)3.光時分復(fù)用57OpticalTimeDivi常規(guī)光纖通信：光強度調(diào)制+直接檢測優(yōu)點：原理簡單，成本低弱點：頻帶利用率低，接收機靈敏度差，中繼距離短相干光通信：接收端有一個與發(fā)送端同頻同相的本振光源，采用相干檢測4.4.2相干光通信4.4光纖通信新技術(shù)常規(guī)光纖通信：光強度調(diào)制+直接檢測4.4.2相干光通信4.4.4.2相干光通信59本振光源的頻率與相位與發(fā)送光源要嚴格匹配，否則會產(chǎn)生中頻誤差，導(dǎo)致判斷出錯。4.4光纖通信新技術(shù)4.4.2相干光通信59本振光源的頻率與相位與發(fā)送光源要4.4.3光孤子通信60

光孤子是一種能在光纖中傳輸，并且長時間保持形態(tài)、幅度和速度不變的光脈沖。因為它很窄，所以可使鄰近光脈沖間隔很小而不至于發(fā)生重疊干擾，從而實現(xiàn)超長距離、超大容量光通信。4.4光纖通信新技術(shù)4.4.3光孤子通信60光孤子是一種能在光纖中傳4.4.4光交換技術(shù)61光交換是指不經(jīng)過任何光/電轉(zhuǎn)換，把輸入端光信號直接交換到不同輸出端。采用光交換技術(shù)不但可以克服電子交換的容量瓶頸問題，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高速率和協(xié)議透明性，而且可以提高網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)靈活性和生存性，大量節(jié)省建網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)升級成本。4.4光纖通信新技術(shù)4.4.4光交換技術(shù)61光交換是指不經(jīng)過任何光/電轉(zhuǎn)1.光交換系統(tǒng)的組成62類似電交換，但交換的是光信號。4.4光纖通信新技術(shù)1.光交換系統(tǒng)的組成62類似電交換，但交換的是光信號。4.2.光交換的基本功能器件—光開關(guān)63把光開關(guān)組成陣列，構(gòu)成一個多級互聯(lián)受控網(wǎng)絡(luò)，就可以實現(xiàn)光信號交換。把輸入/輸出的光路接通或斷開把波長λ轉(zhuǎn)換為波長λ‘4.4光纖通信新技術(shù)2.光交換的基本功能器件—光開關(guān)63把光開關(guān)組成陣列4.4.5全光通信網(wǎng)64

全光通信網(wǎng)簡稱全光網(wǎng)，是指信號在網(wǎng)絡(luò)傳輸和交換的過程中始終以光的形式出現(xiàn)的一種通信網(wǎng)，消除“電光瓶頸”現(xiàn)象。全光網(wǎng)絡(luò)具有良好的透明性、開放性、兼容性、可靠性和可擴展性，并能提供巨大的帶寬、超大容量、極高的處理速度、較低的誤碼率，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，組網(wǎng)非常靈活，可以隨時增加新節(jié)點而不需要電交換和處理設(shè)備。4.4光纖通信新技術(shù)4.4.5全光通信網(wǎng)64全光通信網(wǎng)簡稱全光網(wǎng)，是指信本章小結(jié)和知識點 光纖通信的特點光纖光纜的結(jié)構(gòu)與分類光在光纖中傳輸機理光纖的傳輸特性光纖通信系統(tǒng)的組成光纖通信新技術(shù)：光波分復(fù)用、相干光通信、光孤子通信、全光通信系統(tǒng)

65本章小結(jié)和知識點 光纖通信的特點65第4章光纖通信系統(tǒng)4.1光纖通信概述 4.2光纖與光纜4.3光纖通信系統(tǒng)4.4光纖通信新技術(shù)66第4章光纖通信系統(tǒng)4.1光纖通信概述 674.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述Bell的光電話—近代光通信的開始Bell的光電話沒能得到普及使用1880年，貝爾發(fā)明光電話結(jié)構(gòu)：發(fā)送端有一臺弧光燈作為光源，發(fā)出的光投射到話筒的音膜上，再反射回來。接收端有一個拋物面反射鏡，其焦點上放著一個硅光電池，能將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺┒耸锹犕病Ｔ恚鹤屄曇舾淖円裟し瓷涔獾膹娙?4.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述Bell67Bell光電話的弱點：光信號是在大氣中直接傳遞的，敏感、易受干擾、傳輸距離近（幾百米）光纖通信的瓶頸：光波在大氣中被吸收、反射、折射、干擾，嚴重限制了傳輸距離解決方法：挖地下管道來傳輸?shù)叵峦ǖ涝趲缀紊媳仨殗栏?，且要放置許多反射鏡或透鏡4.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述Bell光電話的弱點：光信號是在大氣中直接傳遞的，敏感、易受相比之下，由于金屬中的電子可以自由移動，所以電通信中的電纜不需要精密的幾何結(jié)構(gòu)光波也是電磁波，是否能找到一種光導(dǎo)線，能夠方便高效地傳輸光波呢？4.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述相比之下，由于金屬中的電子可以自由移動，所以電通信中的電纜不光的全反射：光從水（或玻璃）中射到空氣中時，在兩者的交界面上，一部分光線發(fā)生反射，另一部分發(fā)生折射。反射角=入射角，折射角>入射角當(dāng)入射角較大時，在交界面上，全部入射光都被反射回水中，這就是全反射。4.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述光的全反射：光從水（或玻璃）中射到空氣中時，在兩者的交界面上第4章光纖通信系統(tǒng)(無水印)課件光纖的誕生可以制造透明的光導(dǎo)體，使得入射的光波信號在其中不斷地全反向，最終傳到接收端。這種導(dǎo)體叫做——光導(dǎo)纖維光纖的誕生可以制造透明的光導(dǎo)體，使得入射的光波信號在其中不斷1950年研制出了用玻璃制成的光纖，然而損耗較大，信號每傳輸10米，能量損耗達90%1966年，英籍華人高錕發(fā)現(xiàn)，玻璃光纖的損耗，主要是因為其中含有銅、鐵、錳等金屬粒子和雜質(zhì)，只要減少雜質(zhì)，提高制造水平，就能大大減小光纖的損耗1970年，美國康寧公司拉出了第一根有實用意義的光纖，損耗僅為20dB/km的低損耗光纖，傳輸1000米，損耗掉能量的99%，揭開光纖通信序幕。1974年，美國貝爾實驗室制造出1dB/km損耗的低損耗光纖。4.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述1950年研制出了用玻璃制成的光纖，然而損耗較大，信號每傳輸兩個關(guān)鍵問題：一是必須有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì)；二是必須要找到高強度的、可靠的光源。744.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述我們今天所說的光通信已不再是用可見光進行的視覺通信，而是采用光波作為載波來傳遞信息的通信方式。94.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述我們今天所74對光源的要求波長與低損耗“窗口”一致：0.85微米，1.31

微米或1.55微米左右光譜單色性要好，減少色散對帶寬的限制電/光轉(zhuǎn)換效率要高發(fā)射光束的穩(wěn)定性要好調(diào)制速率高，響應(yīng)速度快溫度穩(wěn)定性好，可靠性高，壽命長體積小、重量輕，安裝方便，價格便宜4.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述對光源的要求4.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述激光——物質(zhì)（紅寶石、砷化鎵等）受激躍遷輻射所發(fā)出的一種特殊光。具有良好的相干性、單色性、方向性和極高的亮度。4.1.1光纖通信發(fā)展簡史4.1光纖通信概述激光——物質(zhì)（紅寶石、砷化鎵等）受激躍遷輻射所發(fā)出的一種特殊4.1.1光纖通信發(fā)展簡史771960年，美國加州休斯實驗室第一臺固體紅寶石激光器1961年，美國貝爾實驗室氦-氫氣體激光器1970年，美國貝爾實驗室砷化鎵鋁半導(dǎo)體激光器4.1光纖通信概述至此制約光纖通信的兩個關(guān)鍵問題，光源和傳輸媒介問題完全得到解決。光纖通信的普及和推廣獲得了高速發(fā)展的基本條件。4.1.1光纖通信發(fā)展簡史121960年，美國加州休斯實驗77光纖通信發(fā)展簡史（續(xù)）4.1光纖通信概述1977年美國芝加哥率先開通了第一條45Mb/s的商用光纖通信系統(tǒng)。目前，國際國內(nèi)長途通信傳輸網(wǎng)的光纖化比例已經(jīng)超過90%今天，全球已敷設(shè)光纜長度超過100萬km，光纜已敷設(shè)到世界屋脊西藏。生產(chǎn)光纜的廠家有200多家，每年所用光纖的數(shù)量超過400萬km。在實際網(wǎng)絡(luò)中，無論是核心網(wǎng)還是接入網(wǎng)，目前主要應(yīng)用的是G.652光纖。在核心網(wǎng)中新建線路已開始采用G.655光纖，在接入網(wǎng)中已開始應(yīng)用光纖帶光纜。光纖通信發(fā)展簡史（續(xù)）4.1光纖通信概述1977年美國芝加794.1光纖通信概述光纖通信發(fā)展簡史（續(xù)）上世紀30年代，有人提出這樣的觀點：“總有一天光通信會取代有線和微波通信而成為通信主流”。144.1光纖通信概述光纖通信發(fā)展簡史（續(xù)）上世紀30年代79804.1光纖通信概述金磚國家光纜計劃154.1光纖通信概述金磚國家光纜計劃80

光纖通信是以光波作為載體，以光導(dǎo)纖維作為傳輸媒介的一種通信技術(shù)。載波：波長0.8-2微米的近紅外光波特點：寬帶、大容量、低損耗、長中繼、抗電磁干擾、體積小、重量輕、便于敷設(shè)等優(yōu)點，成為當(dāng)代長途通信最主要的手段。814.1光纖通信概述光纖通信是以光波作為載體，以光導(dǎo)纖維作為傳輸媒介的一種通信光纖通信系統(tǒng)框圖光纖通信系統(tǒng)框圖如何讓光波攜帶信息？數(shù)字信號為“1”時，光源器件發(fā)送一個“傳號”光脈沖數(shù)字信號為“0”時，光源器件發(fā)送一個“空號”（不發(fā)光）如何讓光波攜帶信息？數(shù)字信號為“1”時，光源器件發(fā)送一個“傳光纖通信的優(yōu)點光纖通信的優(yōu)點光纖通信的優(yōu)點光纖通信的優(yōu)點引言86公里Ｘ每秒比特一個半世紀以來人類通信能力增長示意圖引言21公里Ｘ每秒比特一個半世紀以來人類通信能力增長示意不足：光纖質(zhì)地脆弱易斷，敷設(shè)時的彎曲半徑不宜太小874.1光纖通信概述4.1.2光纖通信的特點不足：光纖質(zhì)地脆弱易斷，敷設(shè)時的彎曲半徑不宜太小224.14.2光纖與光纜88光纖與光纜的結(jié)構(gòu)

光纖的導(dǎo)光原理4.2光纖與光纜23光纖與光纜的結(jié)構(gòu)4.2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類89

光纖是多層同軸圓柱體，自內(nèi)向外為纖芯、包層、涂覆層，纖芯與包層稱為裸纖。包層外面涂覆一層硅酮樹脂或聚氨基甲酸乙酯（30~150μm），然后增加保護套加以保護。

纖芯和包層是高純度石英材料，4.2光纖與光纜4.2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類24光纖是多層同軸圓柱體，自內(nèi)包層折射率略低于纖芯，與纖芯一起形成光的全反射通道，使光波的傳輸局限于纖芯內(nèi)。光纖的構(gòu)造包層折射率略低于纖芯，與纖芯一起形成光的全反射通道，使光波的1.光纖的結(jié)構(gòu)914.2光纖與光纜1.光纖的結(jié)構(gòu)264.2光纖與光纜按材料分：全石英光纖多組分玻璃光纖塑料包層石英芯光纖全塑料光纖2.光纖的分類4.2光纖與光纜按材料分：2.光纖的分類4.2光纖與光纜按模式分：多模光纖，單模光纖模式——電磁場分布從幾何學(xué)角度看，每根以不同角度入射到光纖中的光射線都有不同于其它光射線的模式。當(dāng)光纖纖芯的幾何尺寸大于光波波長時，光可以以多種模式傳輸，形成多模光纖，纖芯直徑約50-70μm單模光纖纖芯直徑只有5-10μm2.光纖的分類4.2光纖與光纜按模式分：多模光纖，單模光纖2.光纖的分類4.2光纖與光多模光纖中的模間色散：不同模式的光信號走過的距離不同，入射角越小，傳播路徑越長，而在纖芯中傳輸速度又是一樣的，所以到達接收端的時間不同，這使得不同模式的信號出現(xiàn)了時間上的差距，稱為模間色散。解決方法：改變各種光的傳播速度，讓距離遠的光，速度加快，距離近的光，速度放慢。傳播速度由折射率決定，折射率越大，速度越低。靠近中心的地方，傳輸速度較慢，讓纖芯折射率較大2.光纖的分類4.2光纖與光纜多模光纖中的模間色散：2.光纖的分類4.2光纖與光纜多模光纖按照折射率分布，又分為：階躍型和漸變型2.光纖的分類4.2光纖與光纜多模光纖按照折射率分布，又分為：階躍型和漸變型2.光纖的分954.2.2光纖的導(dǎo)光原理96

在光學(xué)理論中，當(dāng)傳輸媒介的幾何尺寸遠大于光波波長時，可以把光表示成其傳播方向上的一條幾何線，稱為光射線。用光射線來分析光傳播特性的方法，稱為射線法。下面通過射線法來分析光在階躍型光纖中的導(dǎo)光原理。4.2光纖與光纜4.2.2光纖的導(dǎo)光原理31在光學(xué)理論中，當(dāng)傳輸媒介的幾1.光的反射與折射定律

θ入=θ反97當(dāng)θ折>900時，折射光線會反射回到纖芯進行傳播，這種現(xiàn)象稱為全反射4.2光纖與光纜1.光的反射與折射定律θ入=θ反32當(dāng)θ折>900時，折射2.光纖中的全反射傳輸調(diào)整入射角θ，使得θ折2>90度而發(fā)生全反射：984.2光纖與光纜2.光纖中的全反射傳輸調(diào)整入射角θ，使得θ折2>90度而發(fā)生4.2光纖與光纜4.2光纖與光纜4.2.3光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性描述的是光纖的傳輸損耗、色散和非線性效應(yīng)。1004.2光纖與光纜4.2.3光纖的傳輸特性354.2光纖與光纜1.傳輸損耗

光纖傳輸損耗表現(xiàn)為隨著傳輸距離的增加光功率逐漸下降，主要原因是吸收和散射造成再加光纖結(jié)構(gòu)不完善導(dǎo)致。101式中λ是光波波長，L是光纖長度（km），Po與Pi分別是光纖輸出和輸入端的光功率.4.2光纖與光纜1.傳輸損耗光纖傳輸損耗表現(xiàn)為隨著傳輸距離的增加光功2.色散102

理想光源應(yīng)是頻率單一的單色光，但現(xiàn)實光源信號不純，含有不同的波長成分，在折射率為n1的光纖介質(zhì)中傳輸速度不同，從而導(dǎo)致光信號分量產(chǎn)生不同延遲，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散。

具體表現(xiàn)為當(dāng)光脈沖沿著光纖傳輸一定距離后脈沖寬度展寬，嚴重時前后脈沖相互重疊，難以分辨。4.2光纖與光纜2.色散37理想光源應(yīng)是頻率單一的單色光，但現(xiàn)實103光纖色散的類型模式色散：在多模光纖中，因同一波長分量的各種傳導(dǎo)模式的相位不同、群速度不同而導(dǎo)致光脈沖展寬的現(xiàn)象，稱為模式色散（或模間色散）。材料色散：由光纖材料自身特性造成的。波導(dǎo)色散：由光纖中的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的。多模光纖主要考慮模式色散，單模光纖主要考慮材料色散和波導(dǎo)色散。4.2光纖與光纜38光纖色散的類型模式色散：在多模光纖中，因同一波長分量的103單模光纖中的色散系數(shù)與波長關(guān)系單模光纖中的色散系數(shù)與波長關(guān)系1043.非線性效應(yīng)105非線性效應(yīng)在波分復(fù)用信道間產(chǎn)生串話和功率降低代價，限制光纖通信的傳輸容量和最大傳輸距離，影響系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)。

光纖中的非線性效應(yīng)分為兩類:非彈性過程和彈性過程。4.2光纖與光纜3.非線性效應(yīng)40非線性效應(yīng)在波分復(fù)用信道間產(chǎn)生4.2.4光纜106分類方法光纜種類按用途長途光纜、短途中繼光纜、室內(nèi)光纜、混合光纜按敷設(shè)方式直埋光纜、管道光纜、架空光纜、水底光纜按傳輸模式單模光纜、多模光纜（階躍型、漸變型）按結(jié)構(gòu)層絞式、骨架式、大束管式、帶式、單元式按外護套結(jié)構(gòu)無鎧裝、鋼帶鎧裝、鋼絲鎧裝按光纜中有無金屬有金屬光纜、無金屬光纜按維護方式充油光纜、充氣光纜光纜的分類4.2.4光纜41分類方法光纜種類按用途長途光纜、短途中幾種光纜的結(jié)構(gòu)幾種光纜的結(jié)構(gòu)1084.2光纖與光纜434.2光纖與光纜4.3光纖通信系統(tǒng)109光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，以光導(dǎo)纖維為傳輸媒介來傳輸消息的通信系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)主要由電端機、光端機、光中繼器和光纜組成。4.3光纖通信系統(tǒng)44光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，以光導(dǎo)

1.電發(fā)送端機110把信源消息轉(zhuǎn)換成電數(shù)字信號。4.3光纖通信系統(tǒng)

1.電發(fā)送端機45把信源消息轉(zhuǎn)換成電數(shù)字信號。2.光發(fā)送端機111光源的調(diào)制有直接調(diào)制或外調(diào)制兩種方式：4.3光纖通信系統(tǒng)2.光發(fā)送端機46光源的調(diào)制有直接調(diào)制或外調(diào)制兩種方式：4思考：為什么不直接把原始信號變成光信號，并在光纖中傳輸？盡管電信號從遠距離傳輸?shù)男Ч喜蝗绻饫w中的光信號，但就整個領(lǐng)域來看，電信號依然是信息時代的主力。對于電信號的存儲、處理、分析、轉(zhuǎn)換已經(jīng)形成了相當(dāng)完善的一套機制。思考：為什么不直接把原始信號變成光信號，并在光纖中傳輸？3.光端機的調(diào)制方式113直接調(diào)制（強-直調(diào)制）：利用電信號調(diào)制光波的幅度，驅(qū)動電路輸出“0”、“1”脈沖信號直接控制光源的發(fā)光強度。適用于光源為低速的半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）的情況。外腔調(diào)制（相干光調(diào)制）：把激光送入到外腔調(diào)制器，然后用電數(shù)字信號控制調(diào)制器，適用于高速激光器（LD）調(diào)制。外調(diào)制可選擇調(diào)制光波的頻率或相位。4.3光纖通信系統(tǒng)3.光端機的調(diào)制方式48直接調(diào)制（強-直調(diào)制）：利用電信例子：一種直接調(diào)制的共發(fā)射極驅(qū)動電路1144.3光纖通信系統(tǒng)例子：一種直接調(diào)制的共發(fā)射極驅(qū)動電路494.3光纖通信系統(tǒng)4.光中繼器

光-電-光中繼方式光放大器——直接對光信號進行放大1154.3光纖通信系統(tǒng)4.光中繼器光-電-光中繼方式504.3光纖通信系統(tǒng)5.光接收端機將光纖傳輸過來的微弱光信號，經(jīng)光檢測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后再?jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到電接收端機去。116電信號4.3光纖通信系統(tǒng)5.光接收端機將光纖傳輸過來的微弱光信號，經(jīng)光檢測6.電接收端機117電接收端機接收判決器輸出的再生碼元數(shù)據(jù)流，并還原為信宿可接收的形式。4.3光纖通信系統(tǒng)6.電接收端機52電接收端機接收判決器輸出的再生碼元數(shù)4.4光纖通信新技術(shù)118超大容量、超長距離、超高速傳輸一直是光纖通信新技術(shù)的發(fā)展目標。拓展光纖可用“窗口”的波長范圍可以提高

光纖帶寬；

降低損耗系數(shù)可以增加光纖中繼距離；

光波分復(fù)用或光時分復(fù)用可以增大系統(tǒng)容量；

相干光通信和光孤子通信也是研發(fā)熱點。

4.4光纖通信新技術(shù)53超大容量、超長距離、超高速4.4.1光波分復(fù)用與光時分復(fù)用119采用光波分復(fù)用（WDM）或光時分復(fù)用（OTDM）技術(shù)可以在不增加線路投資的情況下，擴大系統(tǒng)容量。4.4光纖通信新技術(shù)4.4.1光波分復(fù)用與光時分復(fù)用54采用光波分復(fù)用1.光波分復(fù)用120光波分復(fù)用：把多路信號變換成不同波長的光波，用一根光纖傳輸。4.4光纖通信新技術(shù)1.光波分復(fù)