第1章光纖通信概述

光纖通信原理與系統CommunicationandInformationSchoolShanghaiUniversity

ZouXuemeizxm@5/28/2025第一章光纖通信概論第二章

光纖第三章

光源與光發送機第四章

光檢測器與光接收機第五章

光放大器第六章

光纖通信系統目錄

5/28/2025第一章光纖通信概論光纖通信的發展歷程和光網絡的概況通信發展歷程為什么是光纖光纖通信的發展光纖通信的支撐技術光纖通信系統的應用5/28/2025

1.通信的發展歷程1873年，美國人莫爾斯發明了電報，用電傳輸了文字信息；1876年，美國人貝爾發明了電話，用電傳輸了聲音；1924年，英國人貝爾德發明了電視機，用電傳輸了圖像；1946年，美國美國賓夕法尼亞大學，電子計算機。電報、電話和電視都是用無線電或有線電傳輸信息，電通信作為信息傳輸的有效通道，一直沿用了一個多世紀。

20世紀----電子世紀21世紀----光子世紀,光子技術將帶來一場超過電子技術的產業革命.光子技術的應用:（1）作為光子發生與控制的激光技術和產業。（2）運算速度更快的光子計算機。（3）存儲量大的光存儲技術。（4）代替現行通信方式的光通信。（5）全息光技術。5/28/2025

什么是光纖通信？光纖通信：利用光纖光纜傳輸光波信號的通信方式。優點：價格便宜，線路損耗低、頻帶寬。是現代通信網的骨干。傳輸媒介無線通信：微波、衛星……有線通信:銅線電纜、光纖光纜通信系統：將信息從一處傳到另一處的全部技術設備和信道（傳輸媒介）的總和。5/28/2025電磁波——交變的電場會產生交變的磁場，交變的磁場又會激起交變的電場，這種電場、磁場無限地交變產生，合稱電磁場。這種交變的電磁場會在空間以波的形式由近及遠地傳播開去，這就是電磁波。——光也是電磁波電磁波麥克斯韋1865年發表電磁場理論赫茲1888年實驗證實電磁波存在5/28/2025通信傳輸媒介分類及相應波段劃分10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF自由空間波長，m頻率，Hz電力、電話無線電、電視微波紅外可見光雙鉸線同軸電纜光纖衛星/微波AM無線電FM無線電頻段劃分傳輸介質有線：光纖（頻率很高1014，載波能力強）銅線（同軸線、屏蔽與非屏蔽雙絞銅線）無線：微波、無線電5/28/2025電磁頻譜：電磁波的波長范圍發送信號的頻率越高（波長越短），可載送的信息量就越多光波是電磁波，光波范圍包括紅外線、可見光、紫外線，其波長范圍為：300μm～6×10?3μm。5/28/2025光纖通信的光波波譜光纖通信的波譜在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之間，即波長在0.8μm～1.8μm之間，屬于紅外波段，將0.8μm～0.9μm稱為短波長，1.0μm～1.8μm稱為長波長，2.0μm以上稱為超長波長。

表1-1 各種單位的換算公式c＝3×108m/s1MHz（兆赫）＝106Hzλ＝c/f1GHz（吉赫）＝109Hz1μm（微米）＝10?6m1THz（太赫）＝1012Hz1nm（納米）＝10?9m1PHz（拍赫）＝1015Hz1?（埃）＝10?10m5/28/20252.Why

fiber？(光纖的優點)近乎無限的帶寬（沒有光纖就沒有當今的信息高速公路)低損耗（<0.2dB/km)，（傳輸距離遠）無電磁干擾，信號傳輸質量高，保密性好耐化學腐蝕光纖尺寸小，重量輕，便于傳輸和鋪設；低價（光纖是石英玻璃拉制成形,原材料來源豐富，并節約了大量有色金屬）5/28/2025高速寬帶DWDM光傳輸的容量潛力15301675nm

1260

(無水峰)單纖全部可用頻段為400nm，約50THz

〖頻譜效率〗為0.4bit/s/Hz(說明…)則【可用容量上限】為50THz

0.4bit/s/Hz＝20Tb/s

若每波長信道速率40Gb/s,單根纖芯可傳500個波長500路x40Gb/s=20Tb/s0.2dB0.3dB5/28/202510Gb/s能作什么？

1.

ASCIICharacter

(8bit)109Char./s(1000books)2.

VoiceChannel

(64Kb/s)155,000Channels3.

HDTV

(60Mb/s)160Channels

Compressed

(20Mb/s)500Channels4.

GigabitEthernet

(1Gb/s)8Channels5/28/2025電信號輸入半導體激光器光探測器電信號輸出fiberE E/OO/E E3.光通信的發展激光的發明主要是半導體激光器（60年代-）光導纖維技術的發展（70年代--）半導體探測器（60年代--）WDM技術的出現（90年代--）光放大技術（90年代---）幾個里程碑：5/28/20253.1早期的光通信公元前11世紀，西周王朝，烽火臺白天點狼糞，晚上燃柴火——“狼煙四起”5/28/2025圖1.1貝爾電話系統

在這里，將弧光燈的恒定光束投射在話筒的音膜上，隨聲音的振動而得到強弱變化的反射光束，這個過程就是調制。到了1880年，貝爾發明了第一個光電話，這一大膽的嘗試，可以說是現代光通信的開端。5/28/2025激光器的發明和應用，使沉睡了80年的光通信進入一個嶄新的階段，它具有亮度高、譜線窄、方向性好，但通信不穩定。1960年，大氣光波通信圖1.2紅寶石激光器[美國梅曼(Maiman)，1960]5/28/2025光波地下傳輸在大氣光通信受阻之后，人們將研究的重點轉入到地下光波通信的實驗，先后出現過反射波導和透鏡波導等地下通信的實驗。圖1.3反射波導和透鏡波導5/28/2025

——紅寶石激光器、貝爾光電話和烽火報警一樣，都是利用大氣作為光通道，光波傳播易受氣候的影響，在大霧天氣，它的可見度距離很短，遇到下雨下雪天也有影響。

——反射波導和透鏡波導造價昂貴，調整、維護困難。

由于沒有找到穩定可靠和低損耗的傳輸介質，對光通信的研究曾一度走入了低潮。5/28/20251870年，英國物理學家廷德爾在實驗中觀察到，把光照射到盛水的容器內，從出水口向外倒水時，光線也沿著水流傳播，出現彎曲現象，這好象不符合光只能直線傳播的定律。1955年光纖才得到實際應用。當時在英國倫敦學院工作的卡帕尼博士，發明了用極細的玻璃制做的光導纖維。芯層+包層。芯層的折射率大于包層，光在其中做全反射。1960年左右，最好的光纖損耗也在1000分貝/公里(dB/km)。由于，損耗很大，它最初被用于醫療，如內窺鏡。3.2光纖的發展5/28/20251966年高錕提出光纖波導的概念，當時最好光纖的損耗1000dB/km，但他推測出小于20dB/km的損耗是可以做到的并可進入商用。1974年美國康寧公司的French采用MCVD方法制出損耗小于4dB/km的石英光纖，從此石英光纖正式登上光通信的寶座。5/28/2025

高錕(K.C.Kao)博士深入研究了光在石英玻璃纖維中的嚴重損耗問題，發現這種玻璃纖維引起光損耗的主要原因是其中含有過量的鉻、銅、鐵與錳等金屬離子和其他雜質，其次是拉制光纖時工藝技術造成了芯、包層分界面不均勻及其所引起的折射率不均勻，他還發現一些玻璃纖維在紅外光區的損耗較小。光纖之父：英籍華人高錕(K.C.Kao)博士工作地點：英國標準電信研究所5/28/20251966年，高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發表了關于傳輸介質新概念的論文《用于光頻的光纖表面波導》,指明通過“原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖”這一發展方向,奠定了現代光通信——光纖通信的基礎。高錕(左)從瑞典國王手中接過2009諾貝爾物理學獎5/28/20251970年起，光纖研制取得了重大突破1970年，美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km。1973年，美國貝爾(Bell)實驗室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。1976年，日本電報電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2μm)。目前，波長為1.55μm的光纖損耗<0.2dB/km，已接近了光纖最低損耗的理論極限。5/28/20253.3半導體激光器的發展1960年美國休斯公司實驗室的西奧多梅曼發明紅寶石激光

這就是在光頻下發明了連續波的振蕩器。1961年出現He—Ne激光器之后，便開始了光通信的研究(自由空間與透鏡波導)。半導體雙異質結激光器

1969年研究成功GaAlAs在室溫下，連續工作的半導體激光器。由于半導體激光器體積小，發光譜線窄以及與光纖的耦合效率高、價格低廉等優點，已成為光通信不可缺少的光源器件。5/28/20251970年，光纖通信用光源取得了實質性的進展

1970年，美國貝爾實驗室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯先后，研制成功室溫下連續振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質結半導體激光器(短波長)。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導體激光器的發展奠定了基礎。1973年，半導體激光器壽命達到7000小時。1976年，日本電報電話公司研制成功發射波長為1.3μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。1977年，貝爾實驗室研制的半導體激光器壽命達到10萬小時。1979年美國電報電話(AT&T)公司和日本電報電話公司研制成功發射波長為1.55μm的連續振蕩半導體激光器。由于光纖和半導體激光器的技術進步，使1970年成為光纖通信發展的一個重要里程碑。5/28/2025半導體光電探測器的進步1970年代半導體光電探測器的技術已很成熟當時的PIN二極管，入射一個光子可產生一個電子。雪崩光電二極管(APD)入射一個光子則可產生10~100個電子。3.4光電探測器的發展由于光源、光探測器及光纖均已成功。所以在70年代后期光纖通信便正式登上通信的舞臺。5/28/20253.5實用光纖通信系統的發展1976年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進行了世界上第一個實用光纖通信系統的現場試驗。1980年，美國標準化FT-3光纖通信系統投入商業應用。1976年和1978年，日本先后進行了速率為34Mb/s的突變型多模光纖通信系統，以及速率為100Mb/s的漸變型多模光纖通信系統的試驗。1983年敷設了縱貫日本南北的光纜長途干線。1988年由美、日、英、法發起的第一條橫跨大西洋TAT-8海底光纜通信系統建成。1989年第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光纜通信系統建成。從此，海底光纜通信系統的建設得到了全面展開，促進了全球通信網的發展。5/28/2025當今世界范圍的光纖通信系統海底光纜及洲際通信網5/28/20253.6光通信容量發展的五個階段：0.8微米短波長(多模,GaAs,0.85um)1.3微米長波長(單模,GaAlAs,1.3um)1.5微米(單模)1.5微米相干光通信(未實用)1.5微米EDFA+WDM。5/28/2025光通信容量的發展1977年，世界上第一條光纖通信系統在美國芝加哥投入商用，速率為45Mb／s。1979年，我國在上海也率先進行了光纖通信的實驗。120路的光纖電話并入從四川路局到海寧路局(1.8km)的市話網。5/28/2025單纖傳輸容量:？74~94：一個數量級/4年95~

：指數增長，數量級/6個月>摩爾定律（數量級/18month.)5/28/2025信源信源編碼TDM信道編碼調制信源解碼TDM信道解碼調制光纖PCM電端機光接收機光發射機PCM解調信源語音圖象數據信源數字光通信系統構成5/28/2025(1)傳統的電傳輸系統EMUX電端機再生中繼再生中繼EDMUX電復用電解復用電端機同軸電纜、微波……O/E/O光纜EMUX再生中繼再生中繼EDMUX電復用電解復用光接收(2)光電混合型光纖傳輸系統光發送4.光纖通信的支撐技術---OAMP+DWDM5/28/2025(3)DWDM光纖傳輸系統OMUXOAOAOA光發送光發送光發送λ１λ２λΝλ１，λ２……λΝ光接收光接收光接收λ１λ２λΝODMUX5/28/2025TXTXTXTXTXTXTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX40km40km40km40km40km40km40km40km40km1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXMUX120km120km120kmWDM+EDFA革新了光纖傳輸DEMWDM+EDFA革新了光纖傳輸EDFAEDFA5/28/20255.1光纖通信網光纖公用電信網：核心網、城域網我國市內電話光纜傳輸試驗從1978年開始。目前，公用電信網的傳輸線基本上均是采用光纖光纜連接。光纖局域網光纖寬帶網光纖接入網無線通信網海底光纜及洲際通信網

5.光纖通信系統的應用5/28/20255.2能源、交通和其他電力系統的監視、控制和管理：由于使用了光纖，不受強電磁干擾，不僅信息傳輸量增大，而且工作更加可靠。傳輸信息用的光纖，可以放在輸電線、地線的中心，不受干擾，施工方便。用電設備觀測雷擊很困難，因為雷擊對電設備也可能造成破壞。而用光纖卻可以直接觀測雷擊現象。

煤炭系統的監視、控制和管理：電監控系統信號均為電信號，在含瓦斯高的礦井中容易引起爆炸。因此，如果考慮安全因素，電信號功率不能太大，這又導致傳輸距離受限。而如果采用光纖系統，很多設備可以無源化，即保證了安全，又能實現遠距離監控。5/28/2025鐵路通信網

鐵路通信網是直接為鐵路運輸調度服務的獨立通信網。它具有結點多，分支、插入話路頻繁，通信容量有大有小，通信距離長短不一，組網方式多種多樣，傳輸信號種類各異等特點。電氣化鐵路對通信要求：通信容量要大，不受電力機車強電磁干擾，傳輸電話、數據以外還要傳輸列車運行的長距離無人監控圖像信號。除了光纖通信，沒有哪一種通信方式能滿足這些要求。地鐵控制系統高速公路監控系統5/28/20255.3軍事戰術通信主要有兩種系統：一種是本地分配系統，包括戰地指揮所的布線，兵器之間的連接，野戰計算機的互連，以及基地信息傳輸系統等；一種是長距離戰術通信系統，一般通信距離超過1千米。水下通信系統是掃雷艦與浮游載體之間的數據傳輸線路。掃雷艦的主要任務是清掃航道上的水雷，而利用浮游載體掃雷最為安全而可靠。掃雷艦與浮游載體之間連著3根光纖：一根光纖把水下浮游載體探測到的聲納信號和遙測信號（都是視頻信號）傳給艦船；另一根光纖用來傳輸艦船給水下浮游載體的控制信息；第三根光纖備用。光纖反潛戰網絡，也就是把光纖傳輸線路與水聽器相連，把監測到的敵潛聲音信號通過光纖傳輸到艦上或岸上信息處理中心，以便確定作戰方案。光纖用于水下通信，探測的靈敏度高，傳輸的信息量大，抗各種干擾的能力強，而且重量輕、浮力大。5/28/2025航空母艦：機載通信、艦載通信。雷達：在雷達室與作戰情報中心之間傳輸信息，不僅改善了抗干擾能力和保密性能，而且還能更好保證作戰情報中心的安全。光纖制導武器主要包括光纖制導導彈和光纖制導魚雷。它用光纖傳輸目標圖像，制導精度高，導彈射程遠，而且更安全可靠，是一種由射擊手控制的人工智能武器。5/28/20255.4醫學應用利用傳光束的照明器和測氧計利用傳像束的內窺鏡激光手術刀。5/28/20255.5機車電子5/28/20255.6寬帶應用－三網融合三重播放業務的驅動(3Play:數據＋IP視頻＋寬帶語音):帶寬需求大量增長支持單播業務和組播業務的高效率傳送支持接入技術的不斷演進

(例如：ATM轉向Ethernet)對語音和視頻業務提供高可靠性的傳送保障商業用戶業務的演進：IP-VPN,以太網VPNs,存儲區域網絡SAN高帶寬的業務需求提供網絡高可用性和高安全性業務的快速提供和端到端管理及故障定位固定/移動網絡的融合:公共的網絡匯聚層

(在網絡L2/L1/L0提供業務疏導)支持接入技術的不斷演進(e.g.,TDMtoEthernetforWiMAX)減少獨立的骨干網絡數量，優化網絡結構，降低網絡建設維護成本卓越的多層業務OAM，提供高可用性和可恢復的網絡支持5/28/2025目前疊加的城域傳送網匯聚Aggregate接入/Access邊緣Edge/核心Core城域傳送MetroTransmission核心傳送CoreNetworkTransmissionFEWirelessIP/MPLS業務路由器ServiceRouter3G核心網3GCoreNetwork傳送節點Node-BWiMAXE1語音/VoiceSTM/OCIP-DSLAMNxGEFTTxGEDSL視頻/Video數據/DataGEE1RNCSGSNGGSN傳送節點TransmissionNodeSDH環SDH以太網交換機EthernetSwitch端局COSDH/環SDHRingSDH/MS