第1章光通信概述

1光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学教材：《光通信原理与系统》黎洪松高等教育出版社普通高等教育“十一五”国家级规划教材2光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学本书内容1.光通信概述2.光通信的理论基础3.光纤4.光通信器件5.光纤通信系统6.光网络7.无线激光通信3光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学第1章光通信概述讲述光通信的发展概况，光通信系统的主要组成部分，光通信系统的基本问题与主要性能指标4光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学什么是光通信？5光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学光通信就是将光波作为载体来实现信息传输。两个基本条件：1、光源2、传输光的介质6光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学1.1光波的电磁频谱考研面试常问问题1：可见光的波长范围是多少？考研面试常问问题2：目前光通信的波段是多少？7光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学1.2光通信发展一、原始形式的光通信古代通信形式8光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学一、原始形式的光通信——烽火台报警通信（目视通信）缺点：信息量小，受环境影响大烽火台告诉我们关于现代通信的两个概念：（1）光通信（2）接力通信由于人们无法解决光向四面八方散射时光强减弱和不能通过障碍物的问题。直到上世纪六十年代初，光通信都没有什么重大的进展。它仅仅作为一种信号灯使用，如:马路上的红绿灯机场上的跑道标志灯等等。9光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学二、19世纪中叶，电通信出现——电报、电话以及无线电通信等1837年，美国人莫尔斯发明了电报；贝尔发明了电话；马可尼、波波夫发明了无线电通信。一直到20世纪60年代，电通信都在通信领域处于绝对的统治地位。缺点：随着科技的发展，容量越来越难满足要求10光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学三、20世纪60年代以后，现代光通信出现——光纤通信等光纤通信的特点：(1)通信容量大；(2)传输距离长；(3)抗电磁干扰；(5)适应环境，重量轻，安全等。11光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学类型频带（或频率）损耗/（dB/km）传输容量（话路/线）微波960对称电缆4kHz2.06细同轴电缆1MHz30MHz5.2428.70960粗同轴电缆1MHz60MHz2.4218.771800渐变折射率多模光纤0.85m1.31m（200~1000）MHzkm≥1000MHzkm≤3≤1.0200单模光纤1.31m1.55m100GHz（10~100）GHz0.360.232000（2.5Gb/s）电缆和光纤的损耗和频带比较12光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学三、现代光通信技术的产生和发展1、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。2、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，使沉睡了近百年的光通信进入一个崭新的阶段。激光器发出的激光与普通光源发出的光相比，其光束的强度高，方向性好，光谱的范围小，相位和频率一致性好，其特性与无线电磁波类似，是一种理想的通信载波，可用来携带信息进行长距离传输13光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学在这个时期，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。这一阶段研究的重点主要是解决光的传输路径问题：（1）大气光波通信（2）地下透镜波导光许多不可克服的困难：现场施工复杂；对每个透镜要进行严格校准和牢固安装；转弯时，需要增加透镜或反射镜，弯度越大，增加数越多，光能损耗越大，因此，系统造价昂贵，并且调整、测试、维修都非常困难，实用意义不大。14光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究一度走入了低潮。15光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学3、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和技术途径，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”这一发展方向论文针对当时损耗达1000dB/km的情况指出：这样大的损耗不是石英玻璃光纤本身固有的基本特性，而是由于材料中带有杂质，如含有过渡金属离子造成的。材料本身的损耗由瑞利散射决定的，它随波长的四次方下降，损耗很低。16光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学2009年获诺贝尔物理学奖高锟----光纤通信发明家17光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学4、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1.2μm)。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。18光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学5、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1.3μm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1.55μm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19光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学6、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。…………90年代以后，除用户线外，光纤传输已经完全取代了传统的电缆通信，成为通信网的主体。光纤通信技术成为主流技术，以异乎寻常的速度发展，人类进入了光通信时代。20光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学7、其他光通信技术的发展大气激光通信技术：虽不是主流技术，但发展并未停滞。在一些不宜铺设光纤的地区，如海岛，海岛陆地之间还是有很好的发展空间。卫星间激光通信技术：地球外层空间及星际间不存在大气对光信号的吸收及遮挡。蓝绿激光水下通信技术：海水对蓝绿激光的损耗较小，可以用激光通信解决潜艇通信的问题。21光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学考研面试常问问题3：以波长划分的光纤通信发展的三个重要阶段。第一代光纤通信系统：0.85微米多模光纤通信系统第二代光纤通信系统：1.3微米低色散窗口第三代光纤通信系统：1.55微米低损耗窗口22光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学1.3光通信系统组成电端机电端机光接收机光发送机信道信息数据信息数据1.光源；2.光源调制3.光发送机；4.信道5.光检测器；6.光接收机23光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学光纤连接器电接口驱动电路光源组件光检测器组件放大电路电接口电信号输入光发送机中继器光纤跳线光纤连接器光缆终端盒光缆线路盒光缆线路盒光纤跳线光缆终端盒光接收机电信号输出光纤光缆举例：光纤通信系统构成24光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学（1）光发送机：一般由半导体光源(核心)、驱动器和调制器等组成，将待发送的电信号进行电/光转换,并将转换出的光信号最大限度的注入光纤中进行传输。半导体光源调制器电信号输入光输出驱动电路25光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学光源：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。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而实现的。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所限制。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而实现的。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。26光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学两种调制方案(a)直接调制；(b)间接调制(外调制)激光源驱动器光纤光信号输出电信号输入(a)激光源调制器驱动和控制电信号输入光纤光信号输出(b)27光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学（2）光纤线路：是把来自光发送机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。光纤光缆线路(接续)盒中继器包含多根光纤，可架空铺设，也可以铺设在管道内，或直埋于地下，或铺设于海底；光缆一般2km一盘，盘与盘相连采用光缆盒用于光信号的恢复与放大，目前广泛采用EDFA作为中继器28光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学（3）光接收机机：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。电子电路光输入耦合器光电检测器解调器电信号输出29光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学检测方式：直接检测和外差检测直接检测：将探测器上的光功率直接转化为电信号输出。这种方案实现起来容易，节省成本，但噪声大。对于弱信号探测时，失真较大。外差检测：通过本振激光器混频实现信号探测。这种方案适用于微弱信号探测，噪声低，灵敏度高。但技术复杂，成本较高。30光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学3、光纤通信的优势：（1）巨大的传输带宽。光纤低损耗频段为0.8-1.65um，单根光纤的可用频带几乎达到200THz，即使在1.55um处，带宽也可以达到15THz。（2）极低的传输损耗。1.55um波段损耗已降至0.2dB/km以下。同时EDFA技术的发展，可以有效补偿光纤损耗。（3）抗电磁干扰，不向外辐射电磁波，提高了保密性，又不产生电磁污染。光纤通信系统避免了电缆间由于相互靠近而引起的电磁干扰。金属电缆发生干扰的主要原因就是金属导体向外泄漏电磁波。由于光纤的材料是玻璃或塑料，都不导电，因而不会产生电磁波的泄漏，也就不存在相互之间的电磁干扰。31光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学(4)重量轻，安全，易敷设。光缆的安装和维护比较安全、简单，这是因为：首先，玻璃或塑料都不导电，没有电流通过或电压的干扰；其次，它可以在易挥发的液体和气体周围使用而不必担心会引起爆炸或起火；第三，它比相应的金属电缆体积小,重量轻,更便于机载工作，而且它占用的存储空间小，运输也方便。(5)寿命长。尽管还没有得到证实，但可以断言，光纤通信系统远比金属设施的使用寿命长，因为光缆具有更强的适应环境变化和抗腐蚀的能力。32光通信原理课程物理与材料科学学院@安徽大学4、光纤通信的不足：（1）接口昂贵。在实际使用中，需要昂贵的接口器件将光纤接到标准的电子设备上。（2）强度差。光缆本身与同轴电缆相比抗拉强