光纤通信原理第1章

光纤通信原理PrincipleofOpticalFiberCommunication教材：光纤通信，顾畹仪，黄永清，等编著，人民邮电出版社，2007年。参考书籍：1.光纤通信（第二版），张宝富等编著，西安电子科技大学出版社，2009年。2.光纤通信，刘增基等编著，西安电子科技大学出版社，2003年。3.FiberOpticCommunications（5thEd.），JosephC.Palais编著，电子工业出版社，2005年。4.光纤通信系统学习指导与习题解析，刘振霞，等编著，西安电子科技大学出版社，2006年。《光纤通信原理》课程教学基本信息总学时：48讲课学时：40实验学时：8学分：3先修课程：大学物理（1），大学物理（2），电磁场与微波技术，通信电子电路，通信系统原理。一、课程性质、目的和任务《光纤通信原理》是通信工程专业的一门主要专业必修课。目的是使学生了解光纤通信系统的基本组成，掌握光纤的传光原理和特性；掌握光源、光检测器、光放大器和光无源器件的工作原理和特性；掌握光发射机、光接收机的各部分组成、结构及原理；掌握光纤通信系统的基本设计方法；了解光纤通信新技术。掌握光纤通信基本实验技能，培养学生分析和解决问题的能力，培养学生的动手能力，为毕业后从事光纤通信专业技术工作打下坚实的理论基础。二、教学基本要求掌握光纤传光原理的射线光学和波动理论分析方法，光纤的传输特性；掌握光源、光检测器的基本结构、原理和特性；掌握光发射机、光接收机的组成、结构及原理，光接收机灵敏度的基本计算方法；了解数字光纤通信系统的组成、原理和性能指标，掌握系统基本设计方法，掌握掺铒光纤放大器的组成、结构和原理；掌握波分复用器件的类型、结构、原理和特性，光波分复用的原理、系统构成和管理技术；掌握自动交换光网络的概念和控制平面、光传送平面、管理平面的功能和结构；掌握光纤和主要光器件基本特性测量系统的组成、原理和测量方法，光纤通信系统基本参数的测量原理、方法和系统组成。三、教学内容及学时分配、授课教师第一章概述（2学时）李永倩第二章光纤和光缆（8学时）杨志第三章光源和光检测器（6学时）尚秋峰第四章光发射机和光接收机（8学时）李永倩第五章光纤通信系统（6学时）张淑娥第六章无源光器件和WDM技术（4学时）李永倩第七章自动交换光网络（2学时）张淑娥第八章光纤通信测量（4学时）李永倩实践环节（8学时）杨再旺实验1截断法光纤衰减系数测量；LED的P-I特性测量2学时实验2光纤熔接；OTDR光纤损耗特性测量2学时实验3光端机码型变换测试；系统眼图测试2学时实验4光纤通信系统光接口性能测试2学时教学辅导赵丽娟交作业时间：周一上午上课前答疑时间：周三下午2：30答疑地点：教三楼通信教研室四、考核方式期末闭卷笔试占70%小测验、平时作业、课堂提问和出勤情况占20%实验占10%1.1光纤通信发展的历史和现状1.1.1探索时期的光通信1.1.2现代光纤通信1.1.3国内外光纤通信发展的现状1.21.2.1光通信与电通信1.2.2光纤通信的优点1.2.3光纤通信的应用1.3光纤通信系统的基本组成1.3.1发射和接收1.3.2基本光纤传输系统1.3.3数字通信系统和模拟通信系统第一章概述1.11.1.1探索时期的光通信•在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验。由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。•1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。•1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。•原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。利用反射镜传送光束1.1.2现代光纤通信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，指出了利用光纤(OpticalFiber)进行信息传输的可能性（石英1000dB/km的损耗非固有，产生于杂质吸收和瑞利散射）和技术途径(材料提纯和制造的均匀性)，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向光纤通信发明家高锟(左)1998年在英国接受IEE授予的奖章1970年，光纤研制取得了重大突破•1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。•1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。•1973年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。•1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47dB/km(波长1.2m)。•在以后的10年中，波长为1.55μm的光纤损耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。1970年，光纤通信用光源取得了实质性的进展•1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联,先后研制成功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)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。•1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。•1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。•1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。•1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55m的连续振荡半导体激光器。光纤和半导体激光器技术的进步，使1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑实用光纤通信系统的发展•1976年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。GaAlAsLD，多模光纤，10km，44.7Mb/s•1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。•1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。•1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。•随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。•第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。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。短波长、低速率、多模，无中继距离10km。•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。多模到单模，短波长到长波长，速率140-565Mb/s,无中继距100-50km。•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。1.55m色散位移单模系统；外调制，速率2.5-10Gb/s,无中继距150-100km。1.1.31976年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85μm发展到1.31m和1.55m，传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。光纤通信整体发展时间表19741976197819801982198419861988199019921000001000010001001010.10.8μm多模1.3μm单模光孤子光放大器1.55μm相干检测系统性能(Gb/s•Km）1.55μm直接检测1.2光纤通信的优点和应用1.2.1通信系统最终技术目标：增加信息传输容量和距离。通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。光通信的主要特点载波频率高；频带宽度宽（图1.1）光通信利用的传输媒质-光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。（图1.2）图1.1部分电磁波频谱图1.2各种传输线路的损耗特性0.7-1.7m带宽200THz1.2.2光纤通信的优点•容许频带很宽，传输容量很大。本质宽、空分复用、波•损耗很小，中继距离很长且误码率很小•重量轻、体积小•抗电磁干扰性能好•泄漏小，•节约金属材料，有利于资源合理使用1.2.3光纤通信的应用光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。光纤通信的各种应用可概括如下：①通信网②构成因特网的计算机局域网和广域网③有线电视网的干线和分配网④综合业务光纤接入网ATMInternet骨干网DDN/FRPSTN/ISDNTV业务分配节点(COT)业务接入节点（RT）网管SNMP与电信网管中心相连Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622MSDH典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构典型应用之二：作为校园网的骨干传输网1.3下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。基本光纤传输系统的三个组成部分1、光发送机组成框图：光源调制器通道耦合器电信号输入光输出驱动电路()()10lg1()pmWpdBmmW结构参数：发送功率，dBm概念光源光谱特性：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长电信号对光的调制的实现方式直接调制用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性限制。外调制把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。图1.5(a)直接调制；(b)间接调制(外调制)2.功能：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机组成:光纤、光纤接头和光纤连接器低损耗“窗口”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85m、1.31m和1.55m有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。光源激光器的发射波长和光检测器光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。目前在实验室条件下，1.55m的损耗已达到0.154dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。普通单模光纤的衰减随波长变化示意图0.70.80.91.01.11.21.31.41.5第一窗口第二窗口波长-λ（m）6543210。40。2第三窗口C波段1525~1565nm1.571.62L波段3、光接收机功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号组成部分：耦合器，光电检测器，解调器组成框图：电子电路光输入耦合器光电检测器解调器电信号输出结构参数：接收机灵敏度，定义为BER≤10-9条件下，所要求的最小平均接收功率。检测方式：直接检测和外差检测1.3.3数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统用参数取值离散的信号(如脉冲的有和无、电平的高和低等)代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；模拟通信系统则用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。这种基本特