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光纤通信技术第一章光纤通信概述•光纤发展简史•光纤通信的特点•光纤通信应用类型•光纤通信系统涉及的产品光传输设备光纤光缆及附件光电器件测试仪器与专用工具1.1光纤发展简史•通信系统的基本组成：信号源，发送机，传输通道，接收机，信宿。信号源：将信息送入发送机。发送机：将信息以信号的形式连接到传输通道。传输通道：链接发送机与接收机的桥梁。接收机：从通道中提取信号，还原成信息。信宿：接收通过接收机还原的信息。1.1光纤发展简史•在通信系统中，传输的信息量与已调载频的带宽有关，提高载频频率理论上可增加有效传输带宽及系统的信息量。未来发展应尽可能提高波段频率。100THz10THz1THz100GHz10GHz1GHz100MHz10MHz1MHz1m可见光线10m100m1mm10mm100mm1m10m100m中波(MF)短波(HF)米波(VHF)分米波(UHF)厘米波(SHF)毫米波(EHF)亚毫米波远红外线近红外线(光纤通信用）频率波长名称紫外线1.1光纤发展简史•光通信的早期探索•目视光通信阶段（利用大气来传播可见光，由人眼来接收）3千多年前，中国古代的烽火台1650年，望远镜1791年，法国人发明了灯信号和灯语欧洲人的旗语信号弹,交通灯这些都不是真正的光通信！1.1光纤发展简史•光电话•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”。1.1光纤发展简史•光电话原理贝尔用弧光灯或者太阳光作为光源，光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上。当人对着话筒讲话时，震动片随着话音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化，从而使话音信息“承载”在光波上（这个过程叫调制）。在接收端，装有一个抛物面接收镜，它把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上，硅光电池将光能转换成电流（这个过程叫解调）。电流送到听筒，就可以听到从发送端送过来的声音了。1.1光纤发展简史•利用太阳光作光源，用硒晶体作为光接收器件，成功进行了光电话的实验，传输距离200多米。•由于没有合适的光源及传输媒质，未得到发展。•意义：利用光波作为载波传送信息是可行的。1.1光纤发展简史•要解决两个问题1.有稳定的、低损耗的传输媒质光在大气中的传送要受到气象条件的很大限制使信号传输受到很大阻碍。2.高强度的、可靠的光源太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适合作为通信的光源。1.1光纤发展简史•光源的探索激光（LASER）：受激辐射的光放大。它的产生基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出的一套全新的理论。它的频率稳定，约为300THZ。这种光的频率比已经广泛应用的微波（1GHz～40GHz）的频率高近万倍。激光来传送信息从理论上来说，通信的容量可以比微波通信的容量也大近万倍！1.1光纤发展简史•和普通光源相比，激光的优点•(1)单色性好：频率范围极窄，发散角很小，只有几毫弧，激光束几乎就是一条直线。氦氖激光的谱线宽度，只有10-8nm，颜色非常纯。这种光波在光纤中传输产生的噪声很小。•(2)相干性高从激光器发出的光可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来，送入光纤。•(3)方向性强几乎是一束平行线。如果把激光发射到月球上去，历经38.4万公里的路程后，也只有一个直径为2km左右的光斑。1.1光纤发展简史•1960年7月8日，美国科学家梅曼发明了第一台红宝石激光器(LASER)，给光通信带来了新的希望，研究现代化光通信的时代开始。（在室温下不能连续工作）•1961年，氦氖气体激光器。•1970年，贝尔研究所的林严雄等人研制出能在室温下连续工作的半导体激光器。光源的问题得到解决！1.1光纤发展简史•传输媒质的探索1.大气传播通信能力和质量受周围大气环境的影响很大，如雨可造成30dB/km的损耗，浓雾衰减可达120dB/km10dB/km的损耗意味着输入的信号传送1公里后只剩下十分之一20dB/km的损耗意味着输入的信号传送1公里后只剩下百分之一30dB/km的损耗意味着输入的信号传送1公里后只剩下千分之一1.1光纤发展简史2.光学透镜波导管传输1.1光纤发展简史•反射镜波导：用与光束传输方向成45度角的两个平行反射镜代替透镜而构成。•缺点：现场施工中校准和安装十分复杂；地面活动对波导影响很大;1.1光纤发展简史3.玻璃纤维传输玻璃纤维（透明度很高的石英玻璃丝），人们用它制造了医疗上用的内窥镜，如做成胃镜，可以观察到距离体内1米左右的情况。但是它的衰减损耗特别大，只能传输很短的距离。直到20世纪60年代，最好的光纤的损耗仍在1000dB/km以上。这是不能用于通信的。1966年7月，英籍华裔学者高锟大胆预言：只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从1000dB/km降低到20dB/km，甚至更低，从而可以用于通信。1.1光纤发展简史光纤通信发明家高锟(左)1998年在英国接受IEE授予的奖章1.1光纤发展简史•1970年美国康宁公司用高纯石英生产出世界上第一根低损耗光纤（20dB/km），开创了光纤通信的新篇章。•1970年被称为光纤通信元年。1.1光纤发展简史•光纤通信技术发展的四个阶段•第一阶段（1970-1979）光导纤维与半导体激光器的研制成功，使光纤通信进入实用化。1977年美国亚特兰大的光纤市话局间中继系统称为世界上第一个光纤通信系统。•第二阶段（1979-1989）光纤技术取得进一步突破，•光纤损耗降至0.5dBm/km以下。由多模光纤转向单模光纤，由短波长向长波长转移。数字系统的速率不断提高，光纤连接技术与器件寿命问题都得到解决，光纤传输系统与光缆线路建设逐渐进入高速发展时期。1.1光纤发展简史•第三阶段（1989-1999）：光纤数字系统由PDH向SDH过渡，传输速率进一步提高。1989年掺铒光纤放大器（EDFA）的问世给光纤通信技术带来巨大变革。EDFA的应用不仅解决了长途光纤传输损耗的放大问题，而且为光源的外调制、波分复用器件、色散补偿元件等提供能量补偿，这些网络元件的应用，又使得光传输系统的调制速率迅速提高，并促成了光波分复用技术的实用化。1.1光纤发展简史•第四阶段（1999至今）光纤传输性能的改进，光放大技术、传输色散补偿技术、光信号分插复用、交叉连接技术的应用，使光纤通信的优越性进一步显现，光纤网络智能化程度大大提高。我国光纤通信的发展•1961年9月由中国科学院-长春光学精密机械研究所研制成功中国第一台红宝石激光器。•70年代中期研制出低损耗光纤和室温下可连续发光的半导体激光器。•1979年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验系统。•“八五”期间建成了含22条光缆干线、总长达3.3万公里的“八横八纵”大容量光纤通信干线传输网（SDH）。第一章光纤通信概述•光纤发展简史•光纤通信的特点•光纤通信应用类型•光纤通信系统涉及的产品光传输设备光纤光缆及附件光电器件测试仪器与专用工具1.2光纤通信的特点•1.通信容量大90年代，光纤的传输速率已经达到了每秒T比特（1012），1Tb/s的速率意味着我们可以用一对只有头发丝粗细的光纤在1秒钟之内将300年的泰晤士报传送到世界上任何一个角落，或者同时传送10万路电视节目，或同时通1200万路电话。一根光纤的传输容量如此巨大，而一根光缆中可以包括几十根直至上千根光纤，如果再加上波分复用技术把一根光纤当作几十根、几百根光纤使用，其通信容量之大就更加惊人了。1.2光纤通信的特点•2.中继距离长减少长距离通信的中继站，最主要的方法是减少传输线路的损耗。由于光纤具有极低的衰减系数（目前已达0.25dB/km以下），若配以适当的光发射、光接收设备以及光放大器，可使其中继距离达数百公里以上甚至数千公里。这是传统的电缆（1.5km）、微波（50km）等根本无法与之相比拟的。1.2光纤通信的特点•3.保密性能好光纤是石英介质材料构成的，它是绝缘体，不怕雷电和高压，不受电磁干扰；光纤中传输的是频率很高的光波，而各种干扰的频率一般都比较低，所以它不能干扰频率比它高的多的光波。1.2光纤通信的特点•4.适应能力强，体积小重量轻、便于施工和维护光纤不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀、可挠性强（弯曲半径大于250毫米时其性能不受影响），具有较强的适应能力。相同线路的光缆要比电缆轻90%～95%(光缆重量仅为电缆重量的十分之一到二十分之一)，而直径不到电缆的五分之一。光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底或架空敷设。1.2光纤通信的特点•5.原材料来源丰富，潜在价格低廉制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅即砂子，而砂子在大自然界中几乎是取之不尽、用之不竭的，而且1公斤高纯度的石英玻璃可以制成上万公里的光纤，而制造1公里18管的同轴电缆需120公斤的铜，或500公斤的铝。1.2光纤通信的特点•光纤通信的缺点1.光纤性质脆，需涂覆保护层2.机械强度低3.分路耦合不方便4.光纤不能输送中继器所需要的电能5.光纤切断和连接需用高精度技术和仪表器具。第一章光纤通信概述•光纤发展简史•光纤通信的特点•光纤通信应用类型•光纤通信系统涉及的产品光传输设备光纤光缆及附件光电器件测试仪器与专用工具1.3光纤通信应用类型•一.光纤通信系统是以光波为载波，以光纤为传输介质的通信系统。主要由光发送、光传输、光接收三部分组成。下图示出单向传输的光纤通信系统信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本光纤传输系统光纤线路接收发射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出1.3光纤通信应用类型•信息源：消息的产生地，其作用是把各种信息转换为原始电信号，称之为消息信号或基带信号。•电发射机：基本作用是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。调制是最常见的变换方式。•光发射机：功能是把输入的电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。1.3光纤通信应用类型•光纤线路：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。•光接收机：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。1.3光纤通信应用类型•电接收机：基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等，并从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来。•信息宿：信息的接收者，将从电接收机收到的复原出的原始基带信号转换为信息。1.3光纤通信应用类型•基本光纤传输系统是一个独立的“光信道”，若配置适当的接口设备，则可以插入到现有的数字通信系统或模拟通信系统的接收机与发射机之间；基本传输系统若配置适当的光器件，可组成传输能力更强、功能更完善的光纤通信系统。•例如，在光纤线路中插入光纤放大器组成光中继长途系统；配置波分复用器和解复用器，组成大容量波分复用系统；使用耦合器或光开关组成无源光网络。1.3光纤通信应用类型•二.光纤通信系统可根据其所使用的传输信号形式、传输光的波长、光纤类型、信号调制方式、应用范围以及传输信道数目进行不同方式的分类。1.3光纤通信应用类型1.按传输信号的类型分类光纤模拟通信系统；光纤数字通信系统。2.按传输光的波长短波长光纤通信系统；长波长光纤通信系统；超长波长光纤通信系统。1.3光纤通信应用类型3.按光纤类型分类多模光纤通信系统；单模光纤通信系统。4.按信号调制方式分类强度调制直接检测系统；外差光纤通信系统。1.3光纤通信应用类型5.按应用范围与服务对象分类公用光纤通信系统；专用光纤通信系统。6.按传输信道数目分类单信道系统；粗波分复用系统；密集波分复用系统。第一章光纤通信概述•光纤发展简史•光纤通信的特点•光纤通信应用类型•光纤通信系统涉及的产品光传输设备光纤光缆及附件光电器件测试仪器与专用工具1.4光纤通信系统涉及的产品•光纤通信技术涉及的产品主要有以下四大类：1.光传输设备；2.光纤光缆及附件；3.光电器件；4.测试仪器与专用工具。光纤通信的发展和未来•一.现代光纤通信技术的发展趋势1.向超高速系统的发展2.向超大