第1章光纖通信概述

光纖通信第一頁(yè)，共四十三頁(yè)。光纖通信是以光導(dǎo)纖維作為傳輸煤質(zhì)、以光波作為運(yùn)載工具（載波）的通信方式。自從1977年世界上第一個(gè)光纖通信系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，光纖通信憑借它特有的優(yōu)點(diǎn)迅速發(fā)展，已成為各種通信干線的主要傳輸手段。尤其是光傳輸網(wǎng)是通信網(wǎng)未來(lái)的發(fā)展方向。第二頁(yè)，共四十三頁(yè)。1·1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀

1.1.1探索時(shí)期的光通信

1.1.2現(xiàn)代光纖通信

1.1.3國(guó)內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀1·2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用

1.2.1光通信與電通信

1.2.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)第1章概論第三頁(yè)，共四十三頁(yè)。

1.2.3光纖通信的應(yīng)用1·3光纖通信系統(tǒng)的基本組成

1.3.1發(fā)射和接收

1.3.2基本光纖傳輸系統(tǒng)

1.3.3數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)第四頁(yè)，共四十三頁(yè)。1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀

1.1.1探索時(shí)期的光通信

原始形式的光通信:中國(guó)古代用“烽火臺(tái)”報(bào)警，歐洲人用旗語(yǔ)傳送信息。1880年，美國(guó)人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。第五頁(yè)，共四十三頁(yè)。1960年，美國(guó)人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器，給光通信帶來(lái)了新的希望。激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。在這個(gè)時(shí)期，美國(guó)麻省理工學(xué)院利用He–Ne激光器和CO2激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn)。第六頁(yè)，共四十三頁(yè)。由于沒(méi)有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，對(duì)光通信的研究曾一度走入了低潮。返回主目錄第七頁(yè)，共四十三頁(yè)。1.1.2現(xiàn)代光纖通信1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖(OpticalFiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。

預(yù)測(cè)“通過(guò)原材料的提純制造出適合于長(zhǎng)距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向。第八頁(yè)，共四十三頁(yè)。光纖通信發(fā)明家高錕(左)

1998年在英國(guó)接受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)碌诰彭?yè)，共四十三頁(yè)。1970年，光纖研制取得了重大突破1970年，美國(guó)康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖通信的研究開(kāi)發(fā)推向一個(gè)新階段。1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km。1973年，美國(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。第十頁(yè)，共四十三頁(yè)。1976年，日本電報(bào)電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長(zhǎng)1.2μm)。在以后的10年中，波長(zhǎng)為1.55μm的光纖損耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。第十一頁(yè)，共四十三頁(yè)。

1970年，光纖通信用光源取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長(zhǎng))。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1973年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時(shí)。第十二頁(yè)，共四十三頁(yè)。1976年，日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.3μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。1977年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)。1979年美國(guó)電報(bào)電話(AT&T)公司和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.55μm的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。

由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使1970年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。第十三頁(yè)，共四十三頁(yè)。實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展1976年，美國(guó)在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。1980年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。1976年和1978年，日本先后進(jìn)行了速率為34Mb/s的突變型多模光纖通信系第十四頁(yè)，共四十三頁(yè)。統(tǒng)，以及速率為100Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)途干線。隨后，由美、日、英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成。第十五頁(yè)，共四十三頁(yè)。第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開(kāi)，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。第十六頁(yè)，共四十三頁(yè)?？傊饫w通信的發(fā)展可以粗略地分為三個(gè)階段：第一階段(1966~1976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)時(shí)期。第二階段(1976~1986年)，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。第三階段(1986~1996年)，這是以超大容量超長(zhǎng)距離為目標(biāo)、全面深入開(kāi)展新技術(shù)研究的時(shí)期。返回主目錄第十七頁(yè)，共四十三頁(yè)。1.1.3國(guó)內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀

1976年美國(guó)在亞特蘭大進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，標(biāo)志著光纖通信從基礎(chǔ)研究發(fā)展到了商業(yè)應(yīng)用的新階段。此后，光纖通信技術(shù)不斷創(chuàng)新：光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長(zhǎng)從0.85μm發(fā)展到1.31μm和1.55μm(短波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)），傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s。第十八頁(yè)，共四十三頁(yè)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖價(jià)格不斷下降，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。目前光纖已成為信息寬帶傳輸?shù)闹饕劫|(zhì)，光纖通信系統(tǒng)將成為未來(lái)國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。在許多發(fā)達(dá)國(guó)家，生產(chǎn)光纖通信產(chǎn)品的行業(yè)已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占重要地位。返回主目錄第十九頁(yè)，共四十三頁(yè)。1.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用

1.2.1光通信與電通信通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于對(duì)載波調(diào)制的頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度越寬。光通信的主要特點(diǎn)：載波頻率高；頻帶寬度寬；光通信利用的傳輸媒質(zhì)-光纖，可以在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得很小的損耗。返回主目錄第二十頁(yè)，共四十三頁(yè)。

1.2.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)容許頻帶很寬，傳輸容量很大損耗很小，中繼距離很長(zhǎng)且誤碼率很小重量輕、體積小抗電磁干擾性能好泄漏小，保密性能好節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用返回主目錄第二十一頁(yè)，共四十三頁(yè)。

1.2.3光纖通信的應(yīng)用光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。光纖在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)，以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，都得到了廣泛應(yīng)用。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速，是當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用的主要目標(biāo)。光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下：

第二十二頁(yè)，共四十三頁(yè)。①通信網(wǎng)②構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)③有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)④綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)返回主目錄第二十三頁(yè)，共四十三頁(yè)。1.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成

下圖示出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)。第二十四頁(yè)，共四十三頁(yè)。1.3.1發(fā)射和接收信源：消息的產(chǎn)生地，其作用是把各種信息轉(zhuǎn)換為原始電信號(hào)，稱之為消息信號(hào)或基帶信號(hào)。電發(fā)送設(shè)備：基本作用是將信源和信道匹配起來(lái)，即將信源產(chǎn)生的消息信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。調(diào)制是最常見(jiàn)的變換方式。第二十五頁(yè)，共四十三頁(yè)。信道：傳輸信號(hào)的物理煤質(zhì)。在無(wú)線信道中，信道可以是大氣（自由空間）；在有線信道中，信道可以是明線、電纜或光纖。有線和無(wú)線信道均有多種物理煤質(zhì)。電接收設(shè)備：基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換，即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等。它的任務(wù)是從帶有干擾的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號(hào)來(lái)。返回主目錄第二十六頁(yè)，共四十三頁(yè)。

1.3.2基本光纖傳輸系統(tǒng)基本光纖傳輸系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的“光信道”，若配置適當(dāng)?shù)慕涌谠O(shè)備，則可以插入到現(xiàn)有的數(shù)字通信系統(tǒng)或模擬通信系統(tǒng)的接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間；基本傳輸系統(tǒng)若配置適當(dāng)?shù)墓馄骷山M成傳輸能力更強(qiáng)、功能更完善的光纖通信系統(tǒng)。例如，在光纖線路中插入光纖放大器組成光中繼長(zhǎng)途系統(tǒng)；配置波分復(fù)用器和解復(fù)用器，組成大容量波分復(fù)用系統(tǒng)；使用耦合器或光開(kāi)關(guān)組成無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)。第二十七頁(yè)，共四十三頁(yè)。

1.光發(fā)送機(jī)：功能是把輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并用耦合技術(shù)把光信號(hào)最大限度地注入光纖線路。組成框圖：

光源調(diào)制器通道耦合器電信號(hào)輸入光輸出驅(qū)動(dòng)電路核心將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為關(guān)信號(hào)第二十八頁(yè)，共四十三頁(yè)。2.光纖線路

功能：是把來(lái)自光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)。

組成:光纖、光纖接頭和光纖連接器。光纖是主體；接頭和連接器是不可缺少的器件。

工程中：使用容納許多根光纖的光纜。光纖線路的性能主要由光纜內(nèi)光纖的傳輸特性決定。第二十九頁(yè)，共四十三頁(yè)。對(duì)光纖的要求：損耗和色散這兩個(gè)傳輸特性參數(shù)盡可能地小，而且由足夠好的機(jī)械特性和環(huán)境特性。實(shí)際使用：石英光纖，有多模光纖和單模光纖。單模光纖的傳輸特性比多模光纖好，價(jià)格比多模光纖便宜，因而被廣泛應(yīng)用。

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(zhǎng)的增第三十頁(yè)，共四十三頁(yè)。加而減小，在0.85μm、1.31μm和1.55μm有三個(gè)損耗很小的波長(zhǎng)“窗口”，見(jiàn)后圖。

光源激光器的發(fā)射波長(zhǎng)和光檢測(cè)器光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)，都要和光纖這三個(gè)波長(zhǎng)窗口相一致。目前在實(shí)驗(yàn)室條件下，1.55μm的損耗已達(dá)到0.154dB/km，接近石英光纖損耗的理論極限。第三十一頁(yè)，共四十三頁(yè)。3.光接收機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號(hào)。

組成部分：光檢測(cè)器、放大器、相關(guān)電路。組成框圖：電子電路光輸入耦合器光電檢測(cè)器解調(diào)器電信號(hào)輸出核心第三十二頁(yè)，共四十三頁(yè)。光接收機(jī)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程是通過(guò)檢測(cè)器的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的。檢測(cè)方式：直接檢測(cè)和外差檢測(cè)兩種。結(jié)構(gòu)參數(shù)：接收機(jī)靈敏度。靈敏度是衡量光接收機(jī)的綜合指標(biāo)，它反映接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，接收微弱光信號(hào)的能力。靈敏度主要取決于組成光接收機(jī)的光電二極管和放大器的噪聲，并受傳輸速率和光纖線路色散的影響，還與系統(tǒng)要求的誤碼率或信噪比有密切關(guān)系。返回主目錄第三十三頁(yè)，共四十三頁(yè)。

1.3.3數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)用參數(shù)取值離散的信號(hào)(如脈沖的有和無(wú)、電平的高和低等)代表信息，強(qiáng)調(diào)的是信號(hào)和信息之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；

模擬通信系統(tǒng)則用參數(shù)取值連續(xù)的信號(hào)代表信息，強(qiáng)調(diào)的是變換過(guò)程中信號(hào)和信息之間的線性關(guān)系。這種基本特征決定著兩種通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)和不同時(shí)期的發(fā)展趨勢(shì)。第三十四頁(yè)，共四十三頁(yè)。

數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：①抗干擾能力強(qiáng)，傳輸質(zhì)量好。②可以用再生中繼，傳輸距離長(zhǎng)。③適用各種業(yè)務(wù)的傳輸，靈活性大。④容易實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的保密通信。⑤數(shù)字通信系統(tǒng)大量采用數(shù)字電路，易于集成，從而實(shí)現(xiàn)小型化、微型化，增強(qiáng)設(shè)備可靠性，有利于降低成本。第三十五頁(yè)，共四十三頁(yè)。

模擬通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)占用帶寬較窄外，電路簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)、價(jià)格便宜等。完第三十六頁(yè)，共四十三頁(yè)。光發(fā)射機(jī)的性能基本上取決于光源的特性。對(duì)光源的要求：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(zhǎng)穩(wěn)定，器件壽命長(zhǎng)。半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）、半導(dǎo)體激光二極管（LD）或稱激光器、譜線寬度很小的動(dòng)態(tài)單縱模分布反饋（DFB）激光器。第三十七頁(yè)，共四十三頁(yè)。目前有直接調(diào)制和間接調(diào)制兩種方案

直接調(diào)制：用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流，使輸出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)的。這種方案技術(shù)簡(jiǎn)單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。第三十八頁(yè)，共四十三頁(yè)。

外調(diào)制：把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開(kāi)，用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實(shí)現(xiàn)的。外調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制速率高，缺點(diǎn)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。第三十九頁(yè)，共四十三頁(yè)。對(duì)光參數(shù)的調(diào)制，原理上可以是光強(qiáng)(功率)、幅度、頻率或相位調(diào)制，但實(shí)際上目前大多數(shù)光纖通信系統(tǒng)都采用直接光強(qiáng)調(diào)制。因?yàn)榉?、頻率或相位調(diào)制，需要幅度和頻率非常穩(wěn)定，相位和偏振方向可以控制，譜線很窄的單模激光源，都采