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第1章概述第1章概述光通信是20世纪70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，光纤通信系统的组成等。第1章概述1.1光纤通信的发展历程1.2光纤通信的特点与应用1.3光纤通信系统的分类与组成1.1光纤通信的发展历程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光纤通信技术是近40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发展，光纤已经开始进入办公室和家庭，在信息社会里，光纤网络将无处不在一、早期的光通信直到20世纪60年代，电通信在通信领域都处于绝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一、早期的光通信通信应用的电磁频谱1015101410G100M1M10K1um1cm1m100m10km音频100km10cm10m1km100G1G10M100K1K甚低频（VLF）低频（LF）中频（MF）高频（HF）甚高频（VHF）超高频（UHF）特高频（SHF）毫米波双绞线同轴电缆波导红外光可见光紫外光光纤长波无线电中波无线电短波无线电微波无线电超短波无线电波长频率一、早期的光通信电磁波频谱中，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载波的频率调制完成的，而是通过改变光波的光功率来实现的光波的传输可以采用大气信道和导波信道一、早期的光通信早在1880年，贝尔就研制成功了光学电话大气作为光通道一、早期的光通信地下光波通信的实验反射波导透镜波导建设成本极高没有实用价值二、光纤通信技术的发展现代意义的光通信系统两个关键问题：一是合适的光源；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一直到60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1000dB/km二、光纤通信技术的发展1966年，英籍华裔学者高锟（C.K.Kao）和霍克哈姆（C.A.Hockham）发表了关于传输介质新概念的论文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还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小二、光纤通信技术的发展1970年美国的康宁玻璃公司（CorningGlassWork）拉出了第一根损耗为20dB/km的光纤它的意义在于：使光纤通信可以和同轴电缆通信竞争二、光纤通信技术的发展1970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（GaAlAs）双异质结半导体激光器（短波长）重大意义在于为半导体激光器的发展奠定了基础二、光纤通信技术的发展1972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4dB/km1973年，美国贝尔（Bell）实验室取得了更大成绩，光纤损耗降低到2.5dB/km1974年降低到1.1dB/km1976年，日本电报电话（NTT）公司等单位将光纤损耗降低到0.47dB/km（波长1.2um）。二、光纤通信技术的发展在以后的10年中，波长为1550nm的光纤损耗：1979年是0.20dB/km1984年是0.157dB/km1986年是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限二、光纤通信技术的发展1973年，半导体激光器寿命达到7000小时1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时（约11.4年）1976年日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3um的铟镓砷磷（InGaAsP）激光器1979年美国电报电话（AT&T）公司和日本电报电话公司（NTT）研制成功发射波长为1.55um的连续振荡半导体激光器二、光纤通信技术的发展1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑二、光纤通信技术的发展光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段第一阶段（1966~1976年），这是从基础研究到商业应用的开发时期第二阶段（1976~1986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第三阶段（1986~1996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二、光纤通信技术的发展第一阶段（1966~1976年）以1976年美国在亚特兰大（Atlanta）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，光纤通信开始走向实用化第一代系统工作在850nm附近，多模光纤作传输介质采用GaAs为基础材料制成的激光器作光源，硅材料制成的光检测器速率在45~140Mb/s之间，传输距离约10km二、光纤通信技术的发展第二阶段（1976~1986年）工作波长从850nm（短波长）移至1310nm（长波长）光纤也从多模发展到单模长途干线的传输速率为140~565Mb/s的单模光纤通信系统，无中继传输距离为10~50km二、光纤通信技术的发展第三阶段（1986~1996年）实现了1550nm色散移位单模光纤通信系统色散位移光纤1988年，第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统1989年第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统1989年，ITU-T制定了155Mb/s、622Mb/s、2.5Gb/s等SDH速率标二、光纤通信技术的发展第四代系统光放大器（OA，OpticalAmplifier）增加中继距离波分复用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）增加传输容量10Gb/s、40G系统也已商用化三、我国光纤通信的发展1987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，铺设了多条省内二级光缆干线从1988年起，我国的光纤通信系统由多模向单模发展1998年12月，贯穿全国的“八纵八横”光纤骨干网建成，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20万千米1.2光纤通信的特点与应用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，这是和其显著的特点分不开的一、光纤通信的优点速率高，传输容量大单模光纤的带宽可以达到几十G/s损耗低，传输距离远石英光纤损耗为0.2dB/km（1550nm窗口）和0.35dB/km（1310nm窗口）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的外泄光能很少，难以窃听一、光纤通信的优点重量轻，敷设方便在传输相同信息量时，光缆的质量为电缆质量的1/30~1/10施工时可以采用与电缆相同的敷设技术进行敷设耐腐蚀，寿命长石英玻璃耐腐蚀光纤接头处不产生放电、没有火花光纤具有更适应环境变化的能力光纤通信的特点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：抗拉强度低光纤连接困难光纤怕水二、光纤通信的应用通信网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如光纤以太网、路由器之间的高速传输链路等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、自动控制系统的数据传输等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1.3光纤通信系统的分类与组成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、视频等多媒体业务一、光纤通信系统的分类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1．按照传输信号类型分2．按照光波长和光纤类型分3．按照调制方式分1．按照传输信号类型分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采用PCM电信号对光源强度调制，即传输的是数字信号如长途骨干网、城市环网等2．按照光波长和光纤类型分短波长（850nm）多模光纤通信系统通常速率低于34Mb/s，中继距离在10km内。长波长（1310nm）多模光纤通信系统速率可以达到140Mb/s，中继距离20km。长波长（1310nm）单模光纤通信系统速率为140Mb/s，中继距离为30~50km。长波长（1550nm）单模光纤通信系统速率可以达到565Mb/s以上，中继距离可达70km3．按照调制方式分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直接检测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10Gb/s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（如电光晶体等）对光载波调制高速系统4．其它分类方式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SDH光纤通信系统二、光纤通信系统的基本组成主要组成部分包括光纤光发送器光接收器光中继器适当的接口设备电信号驱动电路光源光中继机光缆O/E变换信号恢复电信号光检测器光纤连结器E/O变换发送机接收机放大器二、光纤通信系统的基本组成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，其核心是光源常用的光源有半导体激光器和半导体发光二极管二、光纤通信系统的基本组成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，广泛使用的有PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）二、光纤通信系统的基本组成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－波长特性中有三个低损耗区（三个窗口）850nm2dB/km1310nm0.4dB/km1550nm0.2dB/km二、光纤通信系统的基本组成远距离的光纤通信系统还需要采用光中继机，实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二、光纤通信系统的基本组成比较常见的光纤有G.651光纤（渐变折射率多模光纤）G.652光纤（常规单模光纤）G.653光纤（色散位移光纤）G.654光纤（低损耗光纤）G.655光纤（非零色散位移光纤）三、光纤通信的支撑技术从1976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光纤光源SDH传输体制光放大器WDM复用技术全光网络1．光纤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，会导致信号随距离的增加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1984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2．光源和光检测器光纤通信采用的光源是半导体光源，如半导体发光二极管（LED）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光器件，是非相干光源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光器件，是相干光源，相干光源具有很好的单色性和方向性高速率、长距离的光纤通信2．光源和光检测器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型、噪声的影响等3．SDH传输体制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准同步数字复接体制（PDH，PlesiochronousDigitalHierarchy）同步数字系列（SDH，SynchronousDigitalHierarchy）3．SDH传输体制PDH32个数字话路组成一个PCM基群（2M/s）4个2M信号组成一个8M的二次群（8M/s）4个8M信号复接成一个34M的三次群四次群复接三次群复接二次群复接PCM基群DS4：140MDS3；34MDS2：8MDS1：2M132¡32×64Kbit/s4×2M4×8M4