光纤通信ppt
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光纤通信技术应用1光纤光缆认识PPT培训课件
04
光纤通信的优势与挑战
光纤通信的优势
高带宽
光纤通信使用光信号作 为传输介质，具有极高 的带宽，可以同时传输
大量数据。
低损耗
光纤传输过程中的光信 号衰减极小，传输距离 长，降低了中继站的需
求。
抗干扰能力强
光纤不受电磁波干扰， 保证了通信的稳定性和
可靠性。
安全保密
光信号在光纤中传输时 不易被窃取，提高了通
光纤通信技术的发展历程
总结词
起步、突破、普及
详细描述
光纤通信技术自20世纪60年代起步，经历了石英光纤突破和光电器件技术发展等 阶段，逐渐普及应用于通信领域。
光纤通信技术的应用场景
总结词
长距离通信、宽带接入、数据中心、 工业自动化
详细描述
光纤通信技术在长距离通信、宽带接 入、数据中心和工业自动化等领域有 广泛应用，以其高速和大容量的传输 能力满足了各行业的通信需求。
02
光纤与光缆的介绍
光纤的结构与分类
光纤的结构
光纤由纤芯、包层和涂覆层组成。纤芯是传输光信号的主要 部分，包层用于反射光信号，涂覆层起到保护光纤的作用。
光纤的分类
根据纤芯和包层的折射率不同，光纤可分为单模光纤和多模 光纤。单模光纤只传输单一模式的光信号，适用于长距离传 输；多模光纤可传输多个模式的光信号，适用于短距离传输 。
光纤通信在智能交通领域的应用
总结词
光纤通信技术为智能交通提供了实时、高效的信息传 输解决方案，推动了交通行业的智能化发展。
详细描述
智能交通系统需要对大量的数据进行快速、准确的处理 和传输，光纤通信技术以其大容量、高速率的优势，满 足了智能交通系统的需求。通过光纤网络，可以实现交 通信号灯控制、交通监控、车辆调度等系统的实时数据 传输和处理，提高交通运行效率和管理水平，提升交通 安全和减少交通拥堵。同时，光纤通信技术也在无人驾 驶汽车中发挥着重要作用，为无人驾驶汽车的导航、定 位、控制等方面提供了稳定、可靠的信息传输保障。
光纤通信PPT资料
表8.2是国际电信联盟对CWDM信道间隔的划分。全波长18个 光信道。
8.2 WDM的基本组成
前边已介绍，也可自己看看这一节内容。
8.3 WDM系统中的关键器件
8.3.1 WDM系统中的光源
1. WDM系统对光源的要求
LED：谱线宽度50~100nm,输出功率低，调制速率低，不适于 WDM光源。 F-P腔LD：谱线宽度8nm左右，可作为粗波分复用（CWDM）。
☆ 光频分复用 (OFDM) 波分复用密集程度与电通信的频分复用密集程度相当时。
8.1 WDM工作原理 8.1.1 WDM工作原理
目前单波长可以达到40Gb/s，但原中继器已经不能胜任， 单波长提高传输容量必须构建新的路由，升级比较困难。
升级措施：
（1）波分复用：每个波长无须达到40Gb/s，多个波长可大幅度 提高通信容量。当今采用波分复用技术最高速率已达到11Tb/s。 （2）采用光时分复用和光码分复用：但目前技术还不很成熟。 单波长时分和码分在实验室已经达到640Gb/s (0.64Tb/s)。 我们重点讲解波分复用技术。
收端要求，必须自动进行调谐，（自动检测波长，转换到相 应光电二极管上）时间要求几ns。
8.3.3 WDM系统中的光放大器
对WDM系统若用过去的中继器，光电光，只能真对一 个波长，多个波长则会使中继器十分庞大，是不现实的。
用掺铒光纤放大器EDFA，在1550nm窗口附近，约有35nm 带宽。可以对该波长范围的WDM系统进行光放大。
（3）光栅外腔激光器
在LD外边增加一个可移动和可转动的光栅，该光栅与LD 的自然解理面构成一个外腔。移动光栅可粗调，转动光栅可细 调。调谐范围达80nm，不足之处，体积大，稳定性差，调谐 速度慢，早期曾用于WDM系统，现在只当作测试光源。
8.2 WDM的基本组成
前边已介绍，也可自己看看这一节内容。
8.3 WDM系统中的关键器件
8.3.1 WDM系统中的光源
1. WDM系统对光源的要求
LED：谱线宽度50~100nm,输出功率低，调制速率低，不适于 WDM光源。 F-P腔LD：谱线宽度8nm左右，可作为粗波分复用（CWDM）。
☆ 光频分复用 (OFDM) 波分复用密集程度与电通信的频分复用密集程度相当时。
8.1 WDM工作原理 8.1.1 WDM工作原理
目前单波长可以达到40Gb/s，但原中继器已经不能胜任， 单波长提高传输容量必须构建新的路由，升级比较困难。
升级措施：
（1）波分复用：每个波长无须达到40Gb/s，多个波长可大幅度 提高通信容量。当今采用波分复用技术最高速率已达到11Tb/s。 （2）采用光时分复用和光码分复用：但目前技术还不很成熟。 单波长时分和码分在实验室已经达到640Gb/s (0.64Tb/s)。 我们重点讲解波分复用技术。
收端要求，必须自动进行调谐，（自动检测波长，转换到相 应光电二极管上）时间要求几ns。
8.3.3 WDM系统中的光放大器
对WDM系统若用过去的中继器，光电光，只能真对一 个波长，多个波长则会使中继器十分庞大，是不现实的。
用掺铒光纤放大器EDFA，在1550nm窗口附近，约有35nm 带宽。可以对该波长范围的WDM系统进行光放大。
（3）光栅外腔激光器
在LD外边增加一个可移动和可转动的光栅，该光栅与LD 的自然解理面构成一个外腔。移动光栅可粗调，转动光栅可细 调。调谐范围达80nm，不足之处，体积大，稳定性差，调谐 速度慢，早期曾用于WDM系统，现在只当作测试光源。
光纤通信系统模型课件
谢谢您的聆听
THANKS
拉曼放大器
拉曼放大器利用拉曼散射 效应实现光的放大，具有 较宽的放大带宽和较低的 噪声。
半导体光放大器
半导体光放大器利用半导 体材料实现光的放大，具 有较高的响应速度和较低 的成本。
光接收技术
光电二极管
光电倍增管
光电二极管可以将光信号转换为电信 号，是光纤通信中的主要光接收器件 。
光电倍增管可以将微弱的光信号转换 为电信号，具有较高的灵敏度和较低 的噪声。
雪崩光电二极管
雪崩光电二极管具有较高的灵敏度和 较低的噪声，适用通信系统应用
电信网络
固定电话网络
光纤通信系统为固定电话网络提 供传输通道，支持语音通话和数
据传输。
长途和国际通信
光纤通信系统具有大容量和高速 度的传输能力，适用于长途和国
际通信网络的建设。
宽带接入
广播电视网
节目传输
光纤通信系统用于广播电视节目的传输，提供高 质量的视频和音频信号。
有线电视网络
光纤通信系统构建有线电视网络，实现信号的分 配和传输。
直播卫星
光纤通信系统支持直播卫星信号传输，为广播电 视节目的直播提供可靠保障。
05
光纤通信系统发展趋势
超高速率、超大容量、超长距离传
总结词
随着人们对信息传输需求的不断增长，光纤通信系统正朝着超高速率、超大容量 和超长距离的方向发展。
光纤通信系统可以提供高速宽带 接入服务，支持互联网接入、云
计算和大数据等应用。
电力通信网
调度自动化
光纤通信系统为电力通信网提供可靠的传输通道，支持调度自动 化系统的实时数据传输。
配电网自动化
光纤通信系统应用于配电网自动化建设，实现远程监控、控制和保 护等功能。
光纤通信介绍-PPT
•本征吸收：是光纤基础材料(如SiO2)固有的吸收，不是 杂质或缺陷引起的，因此，本征吸收基本确定了某一种 材料吸收损耗的下限。 •杂质吸收：由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损 耗。
损耗起因（二）
散射损耗：由于光纤的材料、形状、折射率分布等
的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光与微小粒子相碰撞 发生散射，由此产生的损耗。
分类： 同质结半导体激光器：早期使用，阈值电流高 异质结半导体激光器：阈值电流小，发光强度高
工作特性： 阈值特性 光谱特性 温度特性 转换效率
半导体发光二极管(LED)
半导体发光二极管(LED)是无阈值器件，没有光学谐振腔， 发光只限于自发辐射，发出的是荧光。 半导体发光二极管(LED)工作特性：
模间色散
多模光纤中，各传输模式路径不同，到达出射端时间不同， 从而引起光脉冲展宽，产生的色散。
材料色散
由于光纤材料的折射率随光波长而变化，使得信号各频率 成分群速不同，引起脉冲展宽的色散现象。
波导色散
把具有一定波谱线宽的光源发出的光脉冲射入到光纤后， 由于不同波长的光传输路程不完全相同，所以到达光纤出 射端时间不同，从而使脉冲展宽的色散。
规率减少: P(L)=P(0)10(α L/10)
式中： P(0)－在L＝0处注入光纤的光功率 P(L)－传输到轴向距离L处的光功率
衰减系数α（L） ＝－(10/L)㏒[P(L)/P(0)] dB/km
衰减谱
衰减系数与波长的函数关系
损耗起因（一）
吸收损耗：光波通过光纤材料时，一部分 光能变成热能，造成光功率的损失。
1550nm波长最低衰减光纤（G.654光纤）
选用纯SiO2芯来降低光纤的衰减 最大优点：在1550nm波长的最低衰减为0.18dB/km 制造困难，价格昂贵，适用于海底光缆。
损耗起因（二）
散射损耗：由于光纤的材料、形状、折射率分布等
的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光与微小粒子相碰撞 发生散射，由此产生的损耗。
分类： 同质结半导体激光器：早期使用，阈值电流高 异质结半导体激光器：阈值电流小，发光强度高
工作特性： 阈值特性 光谱特性 温度特性 转换效率
半导体发光二极管(LED)
半导体发光二极管(LED)是无阈值器件，没有光学谐振腔， 发光只限于自发辐射，发出的是荧光。 半导体发光二极管(LED)工作特性：
模间色散
多模光纤中，各传输模式路径不同，到达出射端时间不同， 从而引起光脉冲展宽，产生的色散。
材料色散
由于光纤材料的折射率随光波长而变化，使得信号各频率 成分群速不同，引起脉冲展宽的色散现象。
波导色散
把具有一定波谱线宽的光源发出的光脉冲射入到光纤后， 由于不同波长的光传输路程不完全相同，所以到达光纤出 射端时间不同，从而使脉冲展宽的色散。
规率减少: P(L)=P(0)10(α L/10)
式中： P(0)－在L＝0处注入光纤的光功率 P(L)－传输到轴向距离L处的光功率
衰减系数α（L） ＝－(10/L)㏒[P(L)/P(0)] dB/km
衰减谱
衰减系数与波长的函数关系
损耗起因（一）
吸收损耗：光波通过光纤材料时，一部分 光能变成热能，造成光功率的损失。
1550nm波长最低衰减光纤（G.654光纤）
选用纯SiO2芯来降低光纤的衰减 最大优点：在1550nm波长的最低衰减为0.18dB/km 制造困难，价格昂贵，适用于海底光缆。
光纤通信第五版调制ppt课件
➢ 输出脉冲光功率最大值Pmax和最小值Pmin的比值为消光比
10lg Pmax
Pmin
实际的消光比η>10 dB
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
消光比
P Ith
Pmax Pmin
输出光功率脉冲
光发射机的功能
➢ 电光变换---将信息从电信号“搬移”到高端电磁波 （光）的电路组件,及完成为了适应光信号的有关信号 变换(线路编码)
➢ 输入的是双极性数字电信号(电压)，输出的是“有 光”、“无光”或“光平”高低代表的数字信号(功率)
➢ 在光通信系统中，可能的承载信息的参量有光的强度、 光的频率、光的相位、光的偏振.
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
声光布拉格调制器由声光介质、电声换能 器、吸声（反射）装置等组成。电压调制信号 经过电声换能器转化为超声波，然后加到电光 晶体上。电声换能器利用某些晶体(如石英、 LiNbO3等)的压电效应，在外加电场的作用下 产生机械振动形成声波。
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
直接强度调制和外调制的区别
电信号输入 线路编码
驱动电路
LD 或 光信号 LED
直接调制的光发射机
控制电路
电信号输入 线路编码
驱动电路
控制电路
LD或LED
光信号 外调制器件
▪LED驱动电路要求： 提 供所需的驱动电流及满足 其动态变化的幅度和充分 发挥调制速率的作用，即 保证其输出光脉冲波形相 应的速度。
10lg Pmax
Pmin
实际的消光比η>10 dB
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
消光比
P Ith
Pmax Pmin
输出光功率脉冲
光发射机的功能
➢ 电光变换---将信息从电信号“搬移”到高端电磁波 （光）的电路组件,及完成为了适应光信号的有关信号 变换(线路编码)
➢ 输入的是双极性数字电信号(电压)，输出的是“有 光”、“无光”或“光平”高低代表的数字信号(功率)
➢ 在光通信系统中，可能的承载信息的参量有光的强度、 光的频率、光的相位、光的偏振.
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
声光布拉格调制器由声光介质、电声换能 器、吸声（反射）装置等组成。电压调制信号 经过电声换能器转化为超声波，然后加到电光 晶体上。电声换能器利用某些晶体(如石英、 LiNbO3等)的压电效应，在外加电场的作用下 产生机械振动形成声波。
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
直接强度调制和外调制的区别
电信号输入 线路编码
驱动电路
LD 或 光信号 LED
直接调制的光发射机
控制电路
电信号输入 线路编码
驱动电路
控制电路
LD或LED
光信号 外调制器件
▪LED驱动电路要求： 提 供所需的驱动电流及满足 其动态变化的幅度和充分 发挥调制速率的作用，即 保证其输出光脉冲波形相 应的速度。
光纤通信基础（PPT版）
光纤通信基础（PPT版）
光纤通信技术，简称光纤通信，由纤芯，包层和涂层组成，内芯一般为几十微米或几微米，中间层称为包层，通过纤芯和包层的折射率不同，从而实现光信号在纤芯内的全反射也就是光信号的传输，涂层的作用就是增加光纤的韧性保护光纤。
光纤结构
光纤由纤芯，包层和涂层组成，内芯一般为几十微米或几微米，中间层称为包层，通过纤芯和包层的折射率不同，从而实现光信号在纤芯内的全反射也就是光信号的传输，涂层的作用就是增加光纤的韧性保护光纤。
光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式。
发展历史
1966年英籍华人高锟博士发表了一篇划时代性的论文，他提出利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维，能作为通信媒质。
从此，开创了光纤通信领域的研究工作。
1977年美国在芝加哥相距7000米的两电话局之间，首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。
0.85微米波段的多模光纤为第一代光纤通信系统。
1981年又实现了两电话局间使用1.3微米多模光纤的通信系统，为第二代光纤通信系统。
1984年实现了1.3微米单模光纤的通信系统，即第三代光纤通信系统。
20世纪80年代中后期又实现了1.55微米单模光纤通信系统，即第四代光纤通信系统。
20世纪末或21世纪初发明了第五代光纤通信系统，用光波分复用提高速率，用光波放大增长传输距离的系统，光孤子通信系统可以获得极高的速率，在该系统中加上光纤放大器有可能实现极高速率和极长距离的光纤通信。
光纤通信(Optical Fiber Communication)Optical Amplifiers PPT课件
9
The Sch. Of Information Engineering, WHUT
CONTENT
11.1.3 Amplifier noise
Optical amplifiers introduce noise and degrade SNR. Source of noise: Spontaneous emission Noise spectral density
P is the optical power of the signal being amplified
Ps is the saturation power
2016/3/7 The Sch. Of Information Engineering, WHUT 5
CONTENT
In the unsaturated regime P Ps 1
2016/3/7
The Sch. Of Information Engineering, WHUT
18
CONTENT
11.2.3 Problems with SOAs
2016/3/7
The Sch. Of Information Engineering, WHUTLeabharlann 19CONTENT
SOA provide Polarization dependent gain: several schemes can solve this problem partially.
15
CONTENT
2016/3/7
The Sch. Of Information Engineering, WHUT
16
CONTENT
11.2.2 Amplifier characteristics
The Sch. Of Information Engineering, WHUT
CONTENT
11.1.3 Amplifier noise
Optical amplifiers introduce noise and degrade SNR. Source of noise: Spontaneous emission Noise spectral density
P is the optical power of the signal being amplified
Ps is the saturation power
2016/3/7 The Sch. Of Information Engineering, WHUT 5
CONTENT
In the unsaturated regime P Ps 1
2016/3/7
The Sch. Of Information Engineering, WHUT
18
CONTENT
11.2.3 Problems with SOAs
2016/3/7
The Sch. Of Information Engineering, WHUTLeabharlann 19CONTENT
SOA provide Polarization dependent gain: several schemes can solve this problem partially.
15
CONTENT
2016/3/7
The Sch. Of Information Engineering, WHUT
16
CONTENT
11.2.2 Amplifier characteristics
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第1章概论
1·1 光纤通信发展的历史和现状 1· 2 光纤通信的优点和应用 光纤通信的优点和应用 1· 3 光纤通信系统的基本组成
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第 1 章 概论
1.1光纤通信发展的历史和现状 光纤通信发展的历史和现状 光纤通信发展的历史和现状
1.1.1探索时期的光通信 探索时期的光通信
中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息， 这些都可以看作是原始形式的光通信。望远镜的出现，又极大 地延长了这种目视光通信的距离。 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”。这种光电话利用太阳光或弧光灯作光源，通过 透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的 变化而变化，实现话音对光强度的调制。在接收端，用抛物面 反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上，使光信号变换 为电流， 传送到受话器。
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，和普通光相比，激光具有波谱宽度 窄，方向性极好， 亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特 性。 激光： 继红宝石激光器之后，氦—氖(He - Ne)激光器、二氧化碳(CO2) 激光器先后出现，并投入实际应用。 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。
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。 实验证明： 另一方面： 虽然，固体激光器(例如掺钕钇铝石榴石(Nd: YAG)激光器)的发 明大大提高了发射光功率，延长了传输距离，使大气激光通信 可以在江河两岸、海岛之间和某些特定场合使用， 但是大气 激光通信的稳定性和可靠性仍然没有解决。
价格 /($·km-1)
68
67
72
69
60
52
46
44
实际销售量比预测的数字还要大，到1998年底，仅单模 光纤的销售量就达到4110×104 km，见表1.3。随着光纤产量 的增加，价格逐年下降，促进了光纤在各个领域的应用和新 技术的研究，推动着光纤产业不断向前发展。
表 1.3 世界成缆单模光纤市场销售量 年份 1998 1999 2000 2001 2002 2003
自从 1966 年高锟提出光纤作为传输介质的概念以来，光 纤通信从研究到应用，发展非常迅速：技术上不断更新换代， 通信能力(传输速率和中继距离)不断提高，应用范围不断扩大。 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)： 第二阶段(1976~1986年)：
第三阶段(1986~1996年)： 目前，正在开展研究的光纤通信新技术，例如，超大容 量的波分复用(Wavelength Division Multiplexing, WDM)光 纤通信系统和超长距离的光孤子(Soliton)通信系统，将在第 7 章作介绍。
如果把材料中金属离子含量的比重降低到10-6以下，就可 以使光纤损耗减小到10 dB/km。再通过改进制造工艺的热处理 提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几dB/km。这个 思想和预测受到世界各国极大的重视。 1970 年，光纤研制取得了重大突破。在当年，美国康宁 (Corning)公司就研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。它的意义 在于：使光纤通信可以和同轴电缆通信竞争，从而展现了光纤 通信美好的前景，促进了世界各国相继投入大量人力物力， 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4 dB/km。1973 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/km。1974 年降低 到1.1dB/km。1976 年，日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤 损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2µm)。
在这个期间，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，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。 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。 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，系统采用GaAlAs激光器作光 源，多模光纤作传输介质，速率为44.7 Mb/s，传输距离约10 km。1980 年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用， 系统采用渐变型多模光纤，速率为44.7 Mb/s。
光纤销售 总长度 /104 km
4110
4600
5350
6230
7200
8110
1.2 光纤通信的优点和应用
1.2.1光通信与电通信 光通信与电通信 光通信与电通信
任何通信系统追求的最终技术目标： 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。通信技术发展的历史，实际上是一 个不断提高载波频率和增加传输容量的历史。20世纪60年代， 微波通信技术已经成熟，因此开拓频率更高的光波应用，就 成为通信技术发展的必然。 电缆通信和微波通信的载波是电波，光纤通信的载波是 光波。虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。 光纤通信用的近红外光(波长约1µm)的频率(约300 THz)比微 波(波长为0.1m~1 mm)的频率(3~300 GHz)高3个数量级以上。
厘米波 (SHF) 分米波 (UHF) 米波(VHF) 短波(HF) 中波(MF)
图 1.1 部分电磁波频谱
为便于比较，图1.1给出相关部分的电磁波频谱。光纤 通信用的近红外光(波长为0.7~1.7µm)频带宽度约为200THz， 在常用的1.31 µm和1.55 µm两个波长窗口频带宽度也在20 THz以上。由于光源和光纤特性的限制，目前，光强度调制 的带宽一般只有20 GHz，因此还有3个数量级以上的带宽潜 力可以挖掘。 微波波段有线传输线路是由金属导体制成的同轴电缆和 波导管。同轴电缆的损耗随信号频率的平方根而增大，要减 小损耗，必须增大结构尺寸，但要保持单一模式的传输，又 不允许增大结构尺寸。波导管具有比同轴电缆更低的损耗， 但随着工作频率的提高，要减小波导结构的尺寸以保持单一 模式的传输，损耗仍然要增大。光纤是由绝缘的石英(SiO2) 材料制成的，通过提高材料纯度和改进制造工艺，可以在宽 波长范围内获得很小的损耗。图1.2给出各种传输线路的损 耗特性。
1.1.2现代光纤通信 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(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠 定了现代光通信——光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高 达1000 dB/km以上。 高锟等人指出： 因此有可能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。
1.1.3国内外光纤通信发展的现状 国内外光纤通信发展的现状 国内外光纤通信发展的现状
1976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0.85 µm发展 到1.31 µm和1.55 µm，传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。 另一方面，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：从初期的市话局间中继到长途干 线进一步延伸到用户接入网，从数字电话到有线电视(CATV)， 从单一类型信息的传输到多种业务的传输。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。
随后美国很快敷设了东西干线和南北干线，穿越22个州 光缆总长达5×104 km。1976 年和 1978 年，日本先后进行了速 率为34 Mb/s，传输距离为64 km的突变型多模光纤通信系统， 以及速率为100 Mb/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，全长3400 km，初期 传输速率为400 Mb/s，后来扩容到1.6 Gb/s。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，全长6400 km；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， 全长13 200 km。 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。
为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光 束限制在特定的空间内传输。因而提出了透镜波导和反射镜 波导的光波传输系统。 透镜波导： 反射镜波导： 这两种波导， 从理论上讲是可行的，但在实际应用中遇到了 不可克服的困难。首先，现场施工中校准和安装十分复杂； 其次，为了防止地面活动对波导的影响，必须把波导深埋或 选择在人车稀少的地区使用。 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。
频率Leabharlann 波长名称 紫外线 可见光线 (光纤通信用） 近红外线 远红外线 亚毫米波 毫米波 (EHF)
1 µm 100 THz 10 THz 1 THz 1 mm 100 GHz 10 mm 10 GHz 100 mm 1 GHz 1m 100 MHz 10 m 10 MHz 100 m 1 MHz 10 µm 100 µm
在以后的 10 年中，波长为1.55 µm的光纤损耗：1979 年 是 0.20 dB/km ， 1984 年 是 0.157 dB/km ， 1986 年 是 0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限。 1970 年，作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。 当年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后 突破了半导体激光器在低温(-200 ℃)或脉冲激励条件下工作 的限制，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，但其意义是重大的，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。 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)，外推寿命达到100万小时，完全 满足实用化的要求。
1·1 光纤通信发展的历史和现状 1· 2 光纤通信的优点和应用 光纤通信的优点和应用 1· 3 光纤通信系统的基本组成
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第 1 章 概论
1.1光纤通信发展的历史和现状 光纤通信发展的历史和现状 光纤通信发展的历史和现状
1.1.1探索时期的光通信 探索时期的光通信
中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息， 这些都可以看作是原始形式的光通信。望远镜的出现，又极大 地延长了这种目视光通信的距离。 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”。这种光电话利用太阳光或弧光灯作光源，通过 透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的 变化而变化，实现话音对光强度的调制。在接收端，用抛物面 反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上，使光信号变换 为电流， 传送到受话器。
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，和普通光相比，激光具有波谱宽度 窄，方向性极好， 亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特 性。 激光： 继红宝石激光器之后，氦—氖(He - Ne)激光器、二氧化碳(CO2) 激光器先后出现，并投入实际应用。 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。
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。 实验证明： 另一方面： 虽然，固体激光器(例如掺钕钇铝石榴石(Nd: YAG)激光器)的发 明大大提高了发射光功率，延长了传输距离，使大气激光通信 可以在江河两岸、海岛之间和某些特定场合使用， 但是大气 激光通信的稳定性和可靠性仍然没有解决。
价格 /($·km-1)
68
67
72
69
60
52
46
44
实际销售量比预测的数字还要大，到1998年底，仅单模 光纤的销售量就达到4110×104 km，见表1.3。随着光纤产量 的增加，价格逐年下降，促进了光纤在各个领域的应用和新 技术的研究，推动着光纤产业不断向前发展。
表 1.3 世界成缆单模光纤市场销售量 年份 1998 1999 2000 2001 2002 2003
自从 1966 年高锟提出光纤作为传输介质的概念以来，光 纤通信从研究到应用，发展非常迅速：技术上不断更新换代， 通信能力(传输速率和中继距离)不断提高，应用范围不断扩大。 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)： 第二阶段(1976~1986年)：
第三阶段(1986~1996年)： 目前，正在开展研究的光纤通信新技术，例如，超大容 量的波分复用(Wavelength Division Multiplexing, WDM)光 纤通信系统和超长距离的光孤子(Soliton)通信系统，将在第 7 章作介绍。
如果把材料中金属离子含量的比重降低到10-6以下，就可 以使光纤损耗减小到10 dB/km。再通过改进制造工艺的热处理 提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几dB/km。这个 思想和预测受到世界各国极大的重视。 1970 年，光纤研制取得了重大突破。在当年，美国康宁 (Corning)公司就研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。它的意义 在于：使光纤通信可以和同轴电缆通信竞争，从而展现了光纤 通信美好的前景，促进了世界各国相继投入大量人力物力， 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4 dB/km。1973 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/km。1974 年降低 到1.1dB/km。1976 年，日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤 损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2µm)。
在这个期间，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，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。 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。 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，系统采用GaAlAs激光器作光 源，多模光纤作传输介质，速率为44.7 Mb/s，传输距离约10 km。1980 年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用， 系统采用渐变型多模光纤，速率为44.7 Mb/s。
光纤销售 总长度 /104 km
4110
4600
5350
6230
7200
8110
1.2 光纤通信的优点和应用
1.2.1光通信与电通信 光通信与电通信 光通信与电通信
任何通信系统追求的最终技术目标： 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。通信技术发展的历史，实际上是一 个不断提高载波频率和增加传输容量的历史。20世纪60年代， 微波通信技术已经成熟，因此开拓频率更高的光波应用，就 成为通信技术发展的必然。 电缆通信和微波通信的载波是电波，光纤通信的载波是 光波。虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。 光纤通信用的近红外光(波长约1µm)的频率(约300 THz)比微 波(波长为0.1m~1 mm)的频率(3~300 GHz)高3个数量级以上。
厘米波 (SHF) 分米波 (UHF) 米波(VHF) 短波(HF) 中波(MF)
图 1.1 部分电磁波频谱
为便于比较，图1.1给出相关部分的电磁波频谱。光纤 通信用的近红外光(波长为0.7~1.7µm)频带宽度约为200THz， 在常用的1.31 µm和1.55 µm两个波长窗口频带宽度也在20 THz以上。由于光源和光纤特性的限制，目前，光强度调制 的带宽一般只有20 GHz，因此还有3个数量级以上的带宽潜 力可以挖掘。 微波波段有线传输线路是由金属导体制成的同轴电缆和 波导管。同轴电缆的损耗随信号频率的平方根而增大，要减 小损耗，必须增大结构尺寸，但要保持单一模式的传输，又 不允许增大结构尺寸。波导管具有比同轴电缆更低的损耗， 但随着工作频率的提高，要减小波导结构的尺寸以保持单一 模式的传输，损耗仍然要增大。光纤是由绝缘的石英(SiO2) 材料制成的，通过提高材料纯度和改进制造工艺，可以在宽 波长范围内获得很小的损耗。图1.2给出各种传输线路的损 耗特性。
1.1.2现代光纤通信 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(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠 定了现代光通信——光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高 达1000 dB/km以上。 高锟等人指出： 因此有可能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。
1.1.3国内外光纤通信发展的现状 国内外光纤通信发展的现状 国内外光纤通信发展的现状
1976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0.85 µm发展 到1.31 µm和1.55 µm，传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。 另一方面，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：从初期的市话局间中继到长途干 线进一步延伸到用户接入网，从数字电话到有线电视(CATV)， 从单一类型信息的传输到多种业务的传输。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。
随后美国很快敷设了东西干线和南北干线，穿越22个州 光缆总长达5×104 km。1976 年和 1978 年，日本先后进行了速 率为34 Mb/s，传输距离为64 km的突变型多模光纤通信系统， 以及速率为100 Mb/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，全长3400 km，初期 传输速率为400 Mb/s，后来扩容到1.6 Gb/s。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，全长6400 km；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， 全长13 200 km。 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。
为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光 束限制在特定的空间内传输。因而提出了透镜波导和反射镜 波导的光波传输系统。 透镜波导： 反射镜波导： 这两种波导， 从理论上讲是可行的，但在实际应用中遇到了 不可克服的困难。首先，现场施工中校准和安装十分复杂； 其次，为了防止地面活动对波导的影响，必须把波导深埋或 选择在人车稀少的地区使用。 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。
频率Leabharlann 波长名称 紫外线 可见光线 (光纤通信用） 近红外线 远红外线 亚毫米波 毫米波 (EHF)
1 µm 100 THz 10 THz 1 THz 1 mm 100 GHz 10 mm 10 GHz 100 mm 1 GHz 1m 100 MHz 10 m 10 MHz 100 m 1 MHz 10 µm 100 µm
在以后的 10 年中，波长为1.55 µm的光纤损耗：1979 年 是 0.20 dB/km ， 1984 年 是 0.157 dB/km ， 1986 年 是 0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限。 1970 年，作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。 当年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后 突破了半导体激光器在低温(-200 ℃)或脉冲激励条件下工作 的限制，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，但其意义是重大的，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。 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)，外推寿命达到100万小时，完全 满足实用化的要求。