第1章光纤通信概述
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光纤通信第1章概论.pptx
1·2 1.2.1 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
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
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。 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。
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。
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1.1.3
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(短波长向长波长），传输速率从 几十Mb/s发展到几十Gb/s。
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。
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。
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1.2.2 光纤通信的优点
容许频带很宽，
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，
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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 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
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
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。 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。
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。
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1.1.3
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(短波长向长波长），传输速率从 几十Mb/s发展到几十Gb/s。
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。
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。
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1.2.2 光纤通信的优点
容许频带很宽，
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，
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节约金属材料， 有利于资源合理使用
光纤通信原理ppt课件教学教程
第三代通信网为全光通信网。1990年后，随着光纤与光波电子技 术的发展，新颖光纤与半导体功能光器件相继问世，掀起了发展 全光通信网的潮流。这种通信网中，不仅用光波系统传输信号， 交换、复用、控制与路由选择等亦全部在光域完成，由此构建真 正的光波通信网。
1.3
传输频带宽，通信容量大。 中继距离远。 抗电磁干扰能力强，无串话。 光纤细，光缆轻。 资源丰富，节约有色金属和能源。 均衡容易。 经济效益好。 抗腐蚀、不怕潮湿。
发展前景十分广阔。
1.2
我国古代使用的烽火台就是大气光通信的最好例子。后来的手旗、 灯光甚至交通红绿灯等均可划入光通信的范畴。
近代光通信的雏形可追朔到1880年Bell发明的光电话。 但通信光电话未能像其它电通信方式那样得到发展。
1966年英籍华人高琨博士提出光导纤维的概念在全世界范 围内掀起了发展光纤通信的高潮。
第五代光波通信系统的研究与发展也经历了20多年历程， 已取得突破性进展。它基于光纤非线性压缩抵消光纤色散 展宽的新概念产生的光孤子，实现光脉冲信号保形传输。
从通信网来看
第一代为纯电信网
第二代通信网仅仅是用光纤代替铜线，使通信网的性能得到了某 种改善，而网络的拓扑骨架基本上之前的模式，光波通信的潜力 尚未完全发挥。
第一章：光纤通信概述
1.1什么是光纤通信 1.2光纤通信的发展史 1.3光纤通信的特点 1.4光纤通信系统的组成 1.5光纤通信的发展趋势
1.1什么是光纤通信
利用光导纤维传输光波信号的通信方式，称为光纤通信。 光纤通信是工作在近红外区，其波长是0.8～1.8μm，对应的频 率为167～375THz。 光纤通信技术的发展十分迅速，已经起到了举足轻重的地位，
1.4光纤通信系统的组成
1.3
传输频带宽，通信容量大。 中继距离远。 抗电磁干扰能力强，无串话。 光纤细，光缆轻。 资源丰富，节约有色金属和能源。 均衡容易。 经济效益好。 抗腐蚀、不怕潮湿。
发展前景十分广阔。
1.2
我国古代使用的烽火台就是大气光通信的最好例子。后来的手旗、 灯光甚至交通红绿灯等均可划入光通信的范畴。
近代光通信的雏形可追朔到1880年Bell发明的光电话。 但通信光电话未能像其它电通信方式那样得到发展。
1966年英籍华人高琨博士提出光导纤维的概念在全世界范 围内掀起了发展光纤通信的高潮。
第五代光波通信系统的研究与发展也经历了20多年历程， 已取得突破性进展。它基于光纤非线性压缩抵消光纤色散 展宽的新概念产生的光孤子，实现光脉冲信号保形传输。
从通信网来看
第一代为纯电信网
第二代通信网仅仅是用光纤代替铜线，使通信网的性能得到了某 种改善，而网络的拓扑骨架基本上之前的模式，光波通信的潜力 尚未完全发挥。
第一章：光纤通信概述
1.1什么是光纤通信 1.2光纤通信的发展史 1.3光纤通信的特点 1.4光纤通信系统的组成 1.5光纤通信的发展趋势
1.1什么是光纤通信
利用光导纤维传输光波信号的通信方式，称为光纤通信。 光纤通信是工作在近红外区，其波长是0.8～1.8μm，对应的频 率为167～375THz。 光纤通信技术的发展十分迅速，已经起到了举足轻重的地位，
1.4光纤通信系统的组成
光纤通信原理-(全套)课件
1.2 光纤通信的主要特性
1.2.1 光纤通信的优点
1. 光纤的容量大
光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载 波的通信系统，其载波—光波具有很高的 频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信 容量。
2. 损耗低、中继距离长
目前，实用的光纤通信系统使用的光 纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长 区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其他 通信线路的损耗都低得多，因此，由其组 成的光纤通信系统的中继距离也较其它介 质构成的系统长得多。
光纤通信原理
1
第一章 概 述
1.1 光纤通信的发展与现状 1.2 光纤通信的主要特性 1.3 光纤通信系统的组成和分类
1.1 光纤通信的发展与现状
1.1.1 早期的光通信
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。
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。
式中：R、T都是复数，包括大小及相
位。其模值分别表示反射波、传递波与入
射波幅度的大小之比；2Ф1、2Ф2是R和T的
相角，分别表示在介质分界面上反射波、 传递波比入射波超前的相位。
3. 平面波的全反射
全反射是一种重要的物理现象，当光 波从光密介质射入光疏介质，且入射角大 于临界角时才能产生全反射，即全反射必
1. 子午射线在阶跃型光纤中的传播
阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常 数n 1的纤芯和折射率为常数n2的包层组 成，并且n1>n2，如图2.6所示。
图2.6 光线在阶跃型光纤中的传播
2. 子午射线在渐变型光纤中的传播
渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于 其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的 增加而递减直到等于包层的折射率。
光纤通信系统 第一章 概述
制造中造成强度下降的原因
（1）预制棒在制造中可能存在杂质和气泡，会 转移到光纤中。由于杂质的膨胀系数与周围玻 璃不同，可能导致裂纹，造成强度的下降；气 泡对强度的影响将更大。 （2）拉丝过程中，拉丝炉的温度稳定性、周围环 境中的粉尘及拉丝卷绕等有可能使光纤表面出 现划痕、裂纹等机械损伤，影响光纤的强度。 环境中的水分等有害物质将对光纤造成腐蚀， 使光纤表面的裂纹扩展，降低光纤强度。
光纤简介
光纤通信的发展概况
光纤通信的主要特点
光纤通信系统的基本组成（重点）
光纤通信要解决的基本问题
一、光纤简介
光纤结构
光纤材料
玻璃光纤
塑料光纤
专用光纤（氟化物光纤，光敏光纤等）
光纤的制造
目前通信用光纤主要是以石英玻璃 （SiO2）为主的石英光纤。 制造光纤流程：
涂覆和套塑流程
光纤预制棒生产企业有五家：长飞、法尔 胜光子、烽火通信、杭州富通和特恩弛，5 家企业的生产能力是2000万公里／年。 光纤拉丝生产企业有19家：长飞、上海光 纤、南京华新藤仓、深圳特发、成都中住、 杭州富通、法尔胜光子、西古、烽火通信、 天大天财、特恩弛、亨通阿尔法、中天科 技、华伦光纤、富春江、上海华源、山东 太平洋、海南韩国三星、海南睿丰，这19 家企业的生产能力是3500万公里／年。
衰减、色散对脉冲的影响示意
3. 非线性效应
光波间或光波与其中传输的材料之间 的相互作用，从而对光信号产生影响。能 引起噪声和串扰。
光缆
1. 要求： 避免受到破坏力 防止光纤传输特性的劣化 易于操作 2. 构造: 缆芯，加强元件，护层
缆芯 缆芯由光纤的芯数决定，有单芯、多 芯。 多芯光缆要对光纤进行着色以便于识 别。 为防止气体和水分子浸入， 光纤中应 具有各种防潮层并填充油膏。
通信专业实务——传输与接入(有线)串讲
●第一章光纤通信概述1.光纤通信是利用光导纤维（光纤）传输光波信号的通信方式2.光纤通信的优点：1传输频带宽，通信容量大2传输损耗小，中继距离长3抗电磁干扰的能力强3.光纤的折射率分布的形状有：阶跃、高斯、三角形等4.光纤按照折射分布分为阶跃型光纤和渐变型光纤5.光纤按照传输模式数目分为多模光纤和单模光纤6.光纤的传输特性：色散和损耗。
色散直接影响到传输系统的最大中继传输距离7.光波在光线中传输一段距离后能量会衰减，导致光功率下降，这就是光纤损耗8.光纤损耗计算公式一： ‴㜲 ݀ ܤ Ȁ 公式二： ݀ Ȁ log Ȁ Ȁ9.光纤材料固有损耗产生的原因大致分为：吸收损耗和散射损耗10.光纤三个低损耗窗口：第1低损耗窗口位于0.85μm附近第2低损耗窗口位于1.31μm附近（S波段）第3低损耗窗口位于1.55μm附近（C波段）11.光纤色散分为模式色散和频率色散，多模光纤中模式色散占主要地位，频率色散分为材料色散和波导色散12.常用的单模光纤：G.652,G.653,G,655,色散平坦型单模光纤，色散补偿光纤。
13.G.652零色散波长在1310nm附近，最低损耗在1550nm附近，是目前城域网使用最多的光纤。
可用在2波长（1310nm和1550nm）的WDM系统，使用色散补偿技术可用于短距离的DWDM系统中14.G.653非常适合单波长远距离传输的光纤通信系统，不适合于DWDM系统15.G.655在1550nm窗口处色散不为零，具有较小色散和最低损耗，能够避免FWM的影响，最适合用于DWDM环境16.数字光纤通信系统采用点对点的强度调制/直接检波（IM/DD）的形式，主要由光纤、光发射机、光接收机一级长途干线上必须设置的光中继器组成17.数字光纤通信系统包括三大组成部分：发送部分、传输部分和接收部分。
光发射机的作用是将电信号转换成光信号耦合进光纤，光接收机的作用是将传送过来的光信号转换成电信号，对于长距离的传输，需要进行中继放大18.光信号的调制方法分为直接调制和间接调制。
光纤通信复习
新型的G.
光纤损耗的计算: Loss= P i / P o 谱线宽 20-50nm
调制是用数字或模拟信号改变载波的幅度、频率或相位的过程。
P i — 为输入功率 即：L(km)= （Pout-Prec-Ac-Pm）/Af
发散角大，与光纤的耦合效率低 （5-10%）
P o —为输出功率
常以分贝dB来表示 Ltot 所有损耗
DWDM技术 DWDM当前水平：
目前1.6Tbit/s WDM系统已经大量商用。
100km 10.9Tbit/s（273x40Gbit/s） 50GHz S、C和L波段
100km 10.2Tbit/s（256x40Gbit/s）交替75和 50GHz ，C和L波段
CWDM技术 技术参数：
波长组合：三种，即4、8和16个 波长通路间隔：20nm 允许波长漂移±6.5nm
LD特点 ： 受激辐射、相干光、谱线窄、功率高 发光面小、发散较小，与光纤耦合效率高 寿命和可靠性比LED稍低
Table - Comparison of LEDs and Lasers
Characteristic
LEDs
Lasers
Output Power
Pr=10 μW=10log(10μ W/1mW)
<0.1
光检测器和光接收机
PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导 体之间，加一层轻掺杂的N型材料，称为I（本征 层）。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形 成一个很宽的耗尽层。这样可以提高其响应速度和 转换效率。
PIN光电二极管的优点
提高了响应速度
提高了长波的量子效率
噪声小
APD光电二极管 雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche
《光纤通信》的复习要点
《光纤通信》的复习要点《光纤通信》课程复习要点和重点浙江传媒学院陈柏年（2014年6⽉）第⼀章概述1、光纤通信：以光波作为信号载体，以光纤作为传输媒介的通信⽅式。
2、光纤通信发展历程：（1）光纤模式：从多模发展到单模；（2）⼯作波长：从短波长到长波长；（3）传输速率：从低速到⾼速；（4）光纤价格：不断下降；（5）应⽤范围：不断扩⼤。
3、光纤通信系统基本组成：（1）光纤，（2）光发送器，（3）光接收器，（4）光中继器，（5）适当的接⼝设备。
第⼆章光纤光缆⼀、光纤（Fibel）1、光纤三层结构：（1）纤芯（core），（2）包层（coating），（3）涂覆层（jacket）。
2、各类光纤的缩写和概念：SIF（突变型折射率光纤），GIF（渐变折射率光纤）；DFF（⾊散平坦光纤）、DSF（⾊散移位光纤）；MMF（多模光纤），SMF（单模光纤）；松套光纤，紧套光纤。
⼆、光的两种传输理论（⼀）光的射线传输理论1、光纤的⼏何导光原理：光纤是利⽤光的全反射特性导光；纤芯折射率必须⼤于包层折射率，但相差不⼤。
2、突变型折射率多模光纤主要参数：★（1）光纤的临界⾓θc：只有在半锥⾓为θ≤θc的圆锥内的光束才能在光纤中传播。
★（2）数值孔径NA：⼊射媒质折射率与最⼤⼊射⾓（临界⾓）的正弦值之积。
与纤芯与包层直径⽆关，只与两者的相对折射率差有关。
它表⽰光纤接收和传输光的能⼒。
（3）光纤的时延差Δτ：时延差⼤，则造成脉冲展宽和信号畸变，影响光纤的容量，模间⾊散增⼤。
3、渐变型折射率多模光纤主要参数：（1）⾃聚焦效应：如果折射率分布恰当，有可能使不同⾓度⼊射的全部光线以同样的轴向速度在光纤中传输，同时达到光纤轴上的某点，即所有光线都有相同的空间周期。
（2）光纤的时延差Δτ：⽐突变型光纤要⼩，减⼩脉冲展宽，增加传输带宽。
（⼆）光纤波动传输理论★1、光纤模式：⼀个满⾜电磁场⽅程和边界条件的电磁场结构。
表⽰光纤中电磁场（传导模）沿光纤横截⾯的场形分布和沿光纤纵向的传播速度。
精品课件-光纤通信(第二版)(张宝富)-第1章 概述
第1章 概述
图 1.1 电 磁 波 频 谱 图
第1章 概述
红外线（波长＞0.76 μm）： 这一波段的波 长比人眼实际可见的光的波长要长得多， 可细分为近红 外（波长为0.76 ～15 μm）、 中红外（波长为15～25 μm）和远红外（波长为 25～300 μm）。 这一波段的 信号主要用于光波通信、 红外制导、 电子摄像及天文学。
第1章 概述
1.1.1
光波实际上是一高频的电磁波。 在讨论高频
电磁波时，我们习惯采用波长来代替频率描述。 波长与
频率的关系为
c
f
（ 1.1 ）
其中： λ为电磁波的波长， 其物理含义是电磁波在时间上变 化一周， 其波前在空间变化一周所行进的长度; c为光波在自 由空间中传播的速度， 其值为 3×108 m/s； f为电磁波的频 率，其物理含义是交变电磁波在单位时间（每秒）变化的周期 数。
第1章 概述
第1章 概 述
1.1 光通信的基本概念 1.2 光纤通信的优点 1.3 光纤通信的系统组成 1.4 光纤通信的回顾与展望 1.5 光波技术基础 习题一
第1章 概述
1.1 光通信的基本概念
光通信是利用光波来传送信息的。光波的频率比目前电通 信使用的频率高得多，因而其通信容量很大。
通信系统的通信容量与系统的带宽成正比。为了比较方便， 通常系统的带宽用载频的百分比，即带宽利用系数来表示。例 如，一个载波频率为100 MHz的无线电通信系统，如果带宽利 用系数为10%，则系统带宽为10 MHz； 而对于载仍为10%，则系统带宽为1 GHz。 光波的频率一般在1×1014～4×1014 Hz范围内，在带宽利用率 仍为10%的情况下，系统的利用带宽在10 000～40 000GHz范围 内， 这是电通信无法比拟的。
第1章光纤通信概述
(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
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年5月11日8时3分
高速宽带DWDM光传输的容量潜力
2020年5月11日8时3分
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年5月11日8时3分
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年5月11日8时3分
电磁频谱：电磁波的波长范围
2020年5月11日8时3分
1960年，大气光波通信
图1.2 红宝石激光器[美国梅曼(Maiman)，1960]
500路x40Gb/s=20Tb/s
0.3dB 0.2dB
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年5月11日8时3分
高速宽带DWDM光传输的容量潜力
2020年5月11日8时3分
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年5月11日8时3分
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年5月11日8时3分
电磁频谱：电磁波的波长范围
2020年5月11日8时3分
1960年，大气光波通信
图1.2 红宝石激光器[美国梅曼(Maiman)，1960]
梁瑞生《现代光纤通信技术及应用》课后习题及参考答案
第1章概述1－1、什么是光纤通信？参考答案：光纤通信(Fiber-optic communication)是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式，其先将电信号转换成光信号，再透过光纤将光信号进行传递，属于有线通信的一种。
光经过调变后便能携带资讯。
光纤通信利用了全反射原理，即当光的注入角满足一定的条件时，光便能在光纤内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。
1－2、光纤通信技术有哪些特点？参考答案：(1)无串音干扰，保密性好。
(2)频带极宽，通信容量大。
(3)抗电磁干扰能力强。
(4)损耗低，中继距离长。
(5)光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设。
除以上特点之外，还有光纤的原材料资源丰富，成本低;温度稳定性好、寿命长等特点。
1－3、光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作用。
参考答案：光纤通信系统最基本由光发送机、光接收机、光纤线路、中继器以及无源器件组成。
其中光发送机负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，光纤线路负责传输信号，而光接收机负责接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。
(1)光发送机：由光源、驱动器和调制器组成，实现电/光转换的光端机。
其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。
(2)光接收机：由光检测器和光放大器组成，实现光/电转换的光端机。
其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。
(3)光纤线路：其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。
(4)中继器：由光检测器、光源和判决再生电路组成。
它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减;另一个是对波形失真的脉冲进行整形。
(5)无源器件：包括光纤连接器、耦合器等，完成光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合。
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(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
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。
• 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。
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，交变的磁场又会激 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
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---）
➢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
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
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。
Communication and Information School Shanghai University
Zou Xuemei
zxm@
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
➢ 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
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。
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
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。
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
3.3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
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。
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。
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/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
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
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。
500路x40Gb/s=20Tb/s
0.3dB 0.2dB
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。
• 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。
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，交变的磁场又会激 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
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---）
➢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
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
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。
Communication and Information School Shanghai University
Zou Xuemei
zxm@
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
➢ 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
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。
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
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。
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
3.3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
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。
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。
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/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
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
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。