第1章光纤通信概述
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近乎无限的带宽（没有光纤就没有当今的信息高 速公路) 低损耗（<0.2dB/km)，（传输距离远） 无电磁干扰，信号传输质量高，保密性好 耐化学腐蚀 光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设； 低价 （光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰 富，并节约了大量有色金属）
2020/7/28
高速宽带DWDM光传输的容量潜力
2020/7/28
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 μm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 μm的连续振荡半导体激光器。
频段 电力、电话 划分
传 输 介 质
无线电、电视
微波
AM无线电 FM无线电 卫星/微波
同轴电缆 双铰线
红外
可见光
光纤
107 106 105 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6
自由空间波长，m
2020/7/28
电磁频谱：电磁波的波长范围
由于光源、光探测器及光纤均已成功。所以在 70 年 代后期光纤通信便正式登上通信的舞台。
2020/7/28
3.5 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。
➢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。
2020/7/28
1960年，大气光波通信
图1.2 红宝石激光器[美国梅曼(Maiman)，1960]
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，它具有亮度高、谱线 窄、方向性好，但通信不稳定。
2020/7/28
光波地下传输
在大气光通信受阻之后，人们将研究的重 点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反 射波导和透镜波导等地下通信的实验。
当今世界范围的光纤通信系统
2020/7/28
海底光缆及洲际通信网
3.6光通信容量发展的五个阶段：
➢0.8微米短波长(多模,GaAs,0.85um) ➢1.3微米长波长(单模, GaAlAs, 1.3um) ➢1.5微米(单模) ➢1.5微米相干光通信(未实用) ➢1.5微米EDFA+WDM。
2020/7/28
1970年起，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。 ➢1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/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。 ➢1 9 76 年 ，日 本 电报电 话 (N T T) 公 司将 光纤 损 耗降低 到 0. 4 7 dB/km(波长1.2μm)。 ➢目前，波长为1.55 μm的光纤损耗< 0.2 dB/km，已接近了光纤 最低损耗的理论极限。
➢ 有线： ➢ 无线：
光纤 （频率很高 1014，载波能力强） 铜线 （同轴线、屏蔽与非屏蔽双绞铜线） 微波、无线电
频率，Hz
101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015
ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
2020/7/28
图1.3 反射波导和透镜波导
——红宝石激光器、贝尔光电话和烽火报警 一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易 受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离 很短，遇到下雨下雪天也有影响。
——反射波导和透镜波导造价昂贵，调整、 维护困难。
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。
➢1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。 ➢1988年由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海 底光缆通信系统建成。
➢1989年第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统建 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。
2020/7/28
2020/7/28
什么是光纤通信？
通信系统：将信息从一处传到另一处的全部技术设备和信 道（传输媒介）的总和。
无线通信：微波、卫星…… 传输媒介
有线通信: 铜线电缆、光纤光缆
光纤通信：利用光纤光缆传输光波信号的通信方式。 优点：价格便宜，线路损耗低、频带宽。是现代通信网的 骨干。
2020/7/28
电磁波
麦克斯韦1865年发表电磁场理论
赫兹1888年实验 证实电磁波存在
电磁波——交变的电场会产生交变的磁场，交变的磁场源自文库会激 起交变的电场，这种电场、磁场无限地交变产生，合称电磁场。 这种交变的电磁场会在空间以波的形式由近及远地传播开去， 这就是电磁波。
——光也是电磁波
2020/7/28
通信传输媒介分类及相应波段划分
表1-1 各种单位的换算公式
c＝3×108m/s λ＝c/f 1μm（微米）＝10−6m 1nm（纳米）＝10−9m
1Å（埃）＝10−10m
1MHz（兆赫）＝106 Hz 1GHz（吉赫）＝109 Hz 1THz（太赫）＝1012Hz 1PHz（拍赫）＝1015 Hz
2020/7/28
2.Why fiber ？(光纤的优点)
由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为 光纤通信发展的一个重要里程碑。
2020/7/28
3.4 光电探测器的发展
• 半导体光电探测器的进步 1970年代 半导体光电探测器的技术已很成熟 当时的 PIN 二极管，入射一个光子可产生一 个电子。雪崩光电二极管 (APD) 入射一个光 子则可产生 10~100 个电子。
2020/7/28
3.1 早期的光通信
公元前 11世纪，西周王朝，烽火台 白天点狼粪，晚上燃柴火——“狼烟四起”
2020/7/28
到了1880年，贝尔发明了第一个光电话，这一大 胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。
图1.1 贝尔电话系统
在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上， 随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程 就是调制。
2020/7/28
1260
1530
1675 nm
10 Gb/s 能作什么？
1. ASCII Character (8 bit) 109 Char./s
(1000 books)
2. Voice Channel (64Kb/s) 155,000 Channels
3. HDTV (60Mb/s)
160 Channels
(无水峰)单纤全部可用频段为400nm，约50THz 〖频谱效率〗为 0.4 bit/s/Hz(说明…) 则【可用容量上限】为 50THz 0.4 bit/s/Hz ＝ 20Tb/s 若每波长 信道速率 40Gb/s, 单根纤芯可传 500个波长
500路x40Gb/s=20Tb/s
0.3dB 0.2dB
• 1974年美国康宁公司的 French 采用 MCVD方 法制出损耗小于4 dB/km 的石英光纤，从此石 英光纤正式登上光通信的宝座。
2020/7/28
光纤之父： 英籍华人高锟(K.C.Kao)博士 工作地点：英国标准电信研究所
高锟(K.C.Kao)博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题， 发现这种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他杂质，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，他还发现一些玻璃纤 维在红外光区的损耗较小。
2020/7/28
第一章 光纤通信概论 光纤通信的发展历程和光网络的概况
1. 通信发展历程 2. 为什么是光纤 3. 光纤通信的发展 4. 光纤通信的支撑技术 5. 光纤通信系统的应用
2020/7/28
1. 通信的发展历程
1873年，美国人莫尔斯发明了电报，用电传输了文字信息； 1876年，美国人贝尔发明了电话，用电传输了声音； 1924年，英国人贝尔德发明了电视机，用电传输了图像； 1946年，美国美国宾夕法尼亚大学，电子计算机 。
芯层+包层。芯层的折射率大 于包层，光在其中做全反射。
1960年左右，最好的光纤损 耗也在1000 分贝/公里 (dB/km)。 由于，损耗很大，它最初被用
2020/于7/2医8 疗，如内窥镜。
• 1966年高锟提出光纤波导的概念，当时最好光 纤的损耗1000 dB/km ，但他推测出小于 20 dB/km的损耗是可以做到的并可进入商用。
2020/7/28
3.3半导体激光器的发展
• 1960年美国休斯公司实验室的西奥多梅曼发明红 宝石激光
这就是在光频下发明了连续波的振荡器。1961年出现 He—Ne 激光器之后，便开始了光通信的研究 (自由空间 与透镜波导)。
• 半导体双异质结激光器
1969年研究成功 GaAlAs 在室温下，连续工作的半导体 激光器 。由于半导体激光器体积小，发光谱线窄以及与 光纤的耦合效率高、价格低廉等优点，已成为光通信不 可缺少的光源器件。
2020/7/28
高锟(左)从瑞典国王手中 接过2009诺贝尔物理学奖
1966年，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《用于光频的光 纤表面波导》, 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, 奠 定了现代光通信——光纤通信的基础。
2020/7/28
3.2光纤的发展
• 1870年，英国物理学家廷德尔在实验中观察到，把光 照射到盛水的容器内，从出水口向外倒水时，光线也 沿着水流传播，出现弯曲现象，这好象不符合光只能 直线传播的定律。
• 1955年光纤才得到实际应用。 当时在英国伦敦学院工作的 卡帕尼博士，发明了用极细 的玻璃制做的光导纤维。
光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为： 300μm～6×10−3μm。
发送信号的频率越高（波长越短）， 可载送的信息量就越多
2020/7/28
光纤通信的光波波谱
光纤通信的波谱在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之间， 即波长在0.8μm～1.8μm之间，属于红外波段，将 0.8μm～0.9μm称为短波长，1.0μm～1.8μm称为长波长， 2.0μm以上称为超长波长。
Compressed (20Mb/s) 500 Channels
4. Gigabit Ethernet (1Gb/s) 8 Channels
2020/7/28
3. 光通信的发展
电信号 输入
E
半导体 激光器
E/O
fiber
光探测器
O/E
电信号 输出
E
几个里程碑：
激光的发明 主要是半导体激光器（60年代-） 光导纤维技术的发展（70年代--） 半导体探测器（60年代--） WDM技术的出现（90年代--） 光放大技术（90年代---）
Communication and Information School Shanghai University
Zou Xuemei
zxm@staff.shu.edu.cn
2020/7/28
目
录
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章
光纤通信概论 光纤 光源与光发送机 光检测器与光接收机 光放大器 光纤通信系统
电报、电话和电视都是用无线电或有线电传输信息，电通信作 为信息传输的有效通道，一直沿用了一个多世纪。
20世纪----电子世纪 21世纪----光子世纪, 光子技术将带来一场超过电子技术的产业革命. 光子技术的应用: （1）作为光子发生与控制的激光技术和产业。 （2）运算速度更快的光子计算机。 （3）存储量大的光存储技术。 （4）代替现行通信方式的光通信。 （5）全息光技术。
2020/7/28
高速宽带DWDM光传输的容量潜力
2020/7/28
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 μm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 μm的连续振荡半导体激光器。
频段 电力、电话 划分
传 输 介 质
无线电、电视
微波
AM无线电 FM无线电 卫星/微波
同轴电缆 双铰线
红外
可见光
光纤
107 106 105 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6
自由空间波长，m
2020/7/28
电磁频谱：电磁波的波长范围
由于光源、光探测器及光纤均已成功。所以在 70 年 代后期光纤通信便正式登上通信的舞台。
2020/7/28
3.5 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。
➢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。
2020/7/28
1960年，大气光波通信
图1.2 红宝石激光器[美国梅曼(Maiman)，1960]
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，它具有亮度高、谱线 窄、方向性好，但通信不稳定。
2020/7/28
光波地下传输
在大气光通信受阻之后，人们将研究的重 点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反 射波导和透镜波导等地下通信的实验。
当今世界范围的光纤通信系统
2020/7/28
海底光缆及洲际通信网
3.6光通信容量发展的五个阶段：
➢0.8微米短波长(多模,GaAs,0.85um) ➢1.3微米长波长(单模, GaAlAs, 1.3um) ➢1.5微米(单模) ➢1.5微米相干光通信(未实用) ➢1.5微米EDFA+WDM。
2020/7/28
1970年起，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。 ➢1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/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。 ➢1 9 76 年 ，日 本 电报电 话 (N T T) 公 司将 光纤 损 耗降低 到 0. 4 7 dB/km(波长1.2μm)。 ➢目前，波长为1.55 μm的光纤损耗< 0.2 dB/km，已接近了光纤 最低损耗的理论极限。
➢ 有线： ➢ 无线：
光纤 （频率很高 1014，载波能力强） 铜线 （同轴线、屏蔽与非屏蔽双绞铜线） 微波、无线电
频率，Hz
101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015
ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
2020/7/28
图1.3 反射波导和透镜波导
——红宝石激光器、贝尔光电话和烽火报警 一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易 受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离 很短，遇到下雨下雪天也有影响。
——反射波导和透镜波导造价昂贵，调整、 维护困难。
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。
➢1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。 ➢1988年由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海 底光缆通信系统建成。
➢1989年第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统建 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。
2020/7/28
2020/7/28
什么是光纤通信？
通信系统：将信息从一处传到另一处的全部技术设备和信 道（传输媒介）的总和。
无线通信：微波、卫星…… 传输媒介
有线通信: 铜线电缆、光纤光缆
光纤通信：利用光纤光缆传输光波信号的通信方式。 优点：价格便宜，线路损耗低、频带宽。是现代通信网的 骨干。
2020/7/28
电磁波
麦克斯韦1865年发表电磁场理论
赫兹1888年实验 证实电磁波存在
电磁波——交变的电场会产生交变的磁场，交变的磁场源自文库会激 起交变的电场，这种电场、磁场无限地交变产生，合称电磁场。 这种交变的电磁场会在空间以波的形式由近及远地传播开去， 这就是电磁波。
——光也是电磁波
2020/7/28
通信传输媒介分类及相应波段划分
表1-1 各种单位的换算公式
c＝3×108m/s λ＝c/f 1μm（微米）＝10−6m 1nm（纳米）＝10−9m
1Å（埃）＝10−10m
1MHz（兆赫）＝106 Hz 1GHz（吉赫）＝109 Hz 1THz（太赫）＝1012Hz 1PHz（拍赫）＝1015 Hz
2020/7/28
2.Why fiber ？(光纤的优点)
由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为 光纤通信发展的一个重要里程碑。
2020/7/28
3.4 光电探测器的发展
• 半导体光电探测器的进步 1970年代 半导体光电探测器的技术已很成熟 当时的 PIN 二极管，入射一个光子可产生一 个电子。雪崩光电二极管 (APD) 入射一个光 子则可产生 10~100 个电子。
2020/7/28
3.1 早期的光通信
公元前 11世纪，西周王朝，烽火台 白天点狼粪，晚上燃柴火——“狼烟四起”
2020/7/28
到了1880年，贝尔发明了第一个光电话，这一大 胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。
图1.1 贝尔电话系统
在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上， 随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程 就是调制。
2020/7/28
1260
1530
1675 nm
10 Gb/s 能作什么？
1. ASCII Character (8 bit) 109 Char./s
(1000 books)
2. Voice Channel (64Kb/s) 155,000 Channels
3. HDTV (60Mb/s)
160 Channels
(无水峰)单纤全部可用频段为400nm，约50THz 〖频谱效率〗为 0.4 bit/s/Hz(说明…) 则【可用容量上限】为 50THz 0.4 bit/s/Hz ＝ 20Tb/s 若每波长 信道速率 40Gb/s, 单根纤芯可传 500个波长
500路x40Gb/s=20Tb/s
0.3dB 0.2dB
• 1974年美国康宁公司的 French 采用 MCVD方 法制出损耗小于4 dB/km 的石英光纤，从此石 英光纤正式登上光通信的宝座。
2020/7/28
光纤之父： 英籍华人高锟(K.C.Kao)博士 工作地点：英国标准电信研究所
高锟(K.C.Kao)博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题， 发现这种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他杂质，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，他还发现一些玻璃纤 维在红外光区的损耗较小。
2020/7/28
第一章 光纤通信概论 光纤通信的发展历程和光网络的概况
1. 通信发展历程 2. 为什么是光纤 3. 光纤通信的发展 4. 光纤通信的支撑技术 5. 光纤通信系统的应用
2020/7/28
1. 通信的发展历程
1873年，美国人莫尔斯发明了电报，用电传输了文字信息； 1876年，美国人贝尔发明了电话，用电传输了声音； 1924年，英国人贝尔德发明了电视机，用电传输了图像； 1946年，美国美国宾夕法尼亚大学，电子计算机 。
芯层+包层。芯层的折射率大 于包层，光在其中做全反射。
1960年左右，最好的光纤损 耗也在1000 分贝/公里 (dB/km)。 由于，损耗很大，它最初被用
2020/于7/2医8 疗，如内窥镜。
• 1966年高锟提出光纤波导的概念，当时最好光 纤的损耗1000 dB/km ，但他推测出小于 20 dB/km的损耗是可以做到的并可进入商用。
2020/7/28
3.3半导体激光器的发展
• 1960年美国休斯公司实验室的西奥多梅曼发明红 宝石激光
这就是在光频下发明了连续波的振荡器。1961年出现 He—Ne 激光器之后，便开始了光通信的研究 (自由空间 与透镜波导)。
• 半导体双异质结激光器
1969年研究成功 GaAlAs 在室温下，连续工作的半导体 激光器 。由于半导体激光器体积小，发光谱线窄以及与 光纤的耦合效率高、价格低廉等优点，已成为光通信不 可缺少的光源器件。
2020/7/28
高锟(左)从瑞典国王手中 接过2009诺贝尔物理学奖
1966年，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《用于光频的光 纤表面波导》, 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, 奠 定了现代光通信——光纤通信的基础。
2020/7/28
3.2光纤的发展
• 1870年，英国物理学家廷德尔在实验中观察到，把光 照射到盛水的容器内，从出水口向外倒水时，光线也 沿着水流传播，出现弯曲现象，这好象不符合光只能 直线传播的定律。
• 1955年光纤才得到实际应用。 当时在英国伦敦学院工作的 卡帕尼博士，发明了用极细 的玻璃制做的光导纤维。
光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为： 300μm～6×10−3μm。
发送信号的频率越高（波长越短）， 可载送的信息量就越多
2020/7/28
光纤通信的光波波谱
光纤通信的波谱在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之间， 即波长在0.8μm～1.8μm之间，属于红外波段，将 0.8μm～0.9μm称为短波长，1.0μm～1.8μm称为长波长， 2.0μm以上称为超长波长。
Compressed (20Mb/s) 500 Channels
4. Gigabit Ethernet (1Gb/s) 8 Channels
2020/7/28
3. 光通信的发展
电信号 输入
E
半导体 激光器
E/O
fiber
光探测器
O/E
电信号 输出
E
几个里程碑：
激光的发明 主要是半导体激光器（60年代-） 光导纤维技术的发展（70年代--） 半导体探测器（60年代--） WDM技术的出现（90年代--） 光放大技术（90年代---）
Communication and Information School Shanghai University
Zou Xuemei
zxm@staff.shu.edu.cn
2020/7/28
目
录
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章
光纤通信概论 光纤 光源与光发送机 光检测器与光接收机 光放大器 光纤通信系统
电报、电话和电视都是用无线电或有线电传输信息，电通信作 为信息传输的有效通道，一直沿用了一个多世纪。
20世纪----电子世纪 21世纪----光子世纪, 光子技术将带来一场超过电子技术的产业革命. 光子技术的应用: （1）作为光子发生与控制的激光技术和产业。 （2）运算速度更快的光子计算机。 （3）存储量大的光存储技术。 （4）代替现行通信方式的光通信。 （5）全息光技术。