光纤通信原理第1章.ppt

光纤通信原理光纤通信原理Principle of Optical Fiber Communication 教材：教材：l 光纤通信，光纤通信，顾畹仪，黄永清，等编著，顾畹仪，黄永清，等编著，人民邮电出版人民邮电出版 社，社，2007年。年。参考书籍：参考书籍：1.1.光光纤纤通通信信（第二版），张张宝宝富富等等编编著著，西西安安电电子科技大学出版社，子科技大学出版社，20092009年。年。2.2.光光纤纤通通信信，刘刘增增基基等等编编著著，西西安安电电子子科科技技大大学学出出版社，版社，20032003年。年。3.Fiber Optic Communications（5th Ed.），Joseph C.Palais编著，电子工业出版社，编著，电子工业出版社，2005年。年。4.光光纤纤通通信信系系统统学学习习指指导导与与习习题题解解析析，刘刘振振霞霞，等编著，西安电子科技大学出版社，等编著，西安电子科技大学出版社，2006年。年。光纤通信原理课程教学基本信息光纤通信原理课程教学基本信息l 总总 学学 时：时：48 48 l 讲课学时：讲课学时：40 40 l 实验学时：实验学时：8 8l 学学 分：分：3 3l 先修课程：大学物理（先修课程：大学物理（1 1），大学物理（），大学物理（2 2），），电磁场与微波技术，通信电子电路，电磁场与微波技术，通信电子电路，通信系统原理。通信系统原理。一、课程性质、目的和任务一、课程性质、目的和任务 光光纤纤通通信信原原理理是是通通信信工工程程专专业业的的一一门门主主要要专专业业必必修修课课。目目的的是是使使学学生生了了解解光光纤纤通通信信系系统统的的基基本本组组成成，掌掌握握光光纤纤的的传传光光原原理理和和特特性性；掌掌握握光光源源、光光检检测测器器、光光放放大大器器和和光光无无源源器器件件的的工工作作原原理理和和特特性性；掌掌握握光光发发射射机机、光光接接收收机机的的各各部部分分组组成成、结结构构及及原原理理；掌掌握握光光纤纤通通信信系系统统的的基基本本设设计计方方法法；了了解解光光纤纤通通信信新新技技术术。掌掌握握光光纤纤通通信信基基本本实实验验技技能能，培培养养学学生生分分析析和和解解决决问问题题的的能能力力，培培养养学学生生的的动动手手能能力力，为为毕毕业业后后从从事事光纤通信专业技术工作打下坚实的理论基础。光纤通信专业技术工作打下坚实的理论基础。二、教学基本要求二、教学基本要求 l掌掌握握光光纤纤传传光光原原理理的的射射线线光光学学和和波波动动理理论论分分析析方方法法，光光纤纤的的传传输特性；输特性；l掌握光源、光检测器的基本结构、原理和特性；掌握光源、光检测器的基本结构、原理和特性；l掌掌握握光光发发射射机机、光光接接收收机机的的组组成成、结结构构及及原原理理，光光接接收收机机灵灵敏敏度的基本计算方法；度的基本计算方法；l了了解解数数字字光光纤纤通通信信系系统统的的组组成成、原原理理和和性性能能指指标标，掌掌握握系系统统基基本设计方法，掌握掺铒光纤放大器的组成、结构和原理；本设计方法，掌握掺铒光纤放大器的组成、结构和原理；l掌掌握握波波分分复复用用器器件件的的类类型型、结结构构、原原理理和和特特性性，光光波波分分复复用用的的原理、系统构成和管理技术；原理、系统构成和管理技术；l掌掌握握自自动动交交换换光光网网络络的的概概念念和和控控制制平平面面、光光传传送送平平面面、管管理理平平面的功能和结构；面的功能和结构；l掌掌握握光光纤纤和和主主要要光光器器件件基基本本特特性性测测量量系系统统的的组组成成、原原理理和和测测量量方法，光纤通信系统基本参数的测量原理、方法和系统组成。方法，光纤通信系统基本参数的测量原理、方法和系统组成。三、教学内容及学时分配、授课教师三、教学内容及学时分配、授课教师第一章第一章 概述概述 （2 2学时）学时）李永倩李永倩第二章第二章 光纤和光缆光纤和光缆 （8 8学时）学时）杨志杨志第三章第三章 光源和光检测器光源和光检测器 （6 6学时）学时）尚秋峰尚秋峰第四章第四章 光发射机和光接收机光发射机和光接收机 （8 8学时）学时）李永倩李永倩第五章第五章 光纤通信系统光纤通信系统 （6 6学时）学时）张淑娥张淑娥第六章第六章 无源光器件和无源光器件和WDMWDM技术技术 （4 4学时）学时）李永倩李永倩第七章第七章 自动交换光网络自动交换光网络 （2 2学时）学时）张淑娥张淑娥第八章第八章 光纤通信测量光纤通信测量 （4 4学时）学时）李永倩李永倩实践环节实践环节 （8 8学时）学时）杨再旺杨再旺l 实验实验1 1 截断法光纤衰减系数测量；截断法光纤衰减系数测量；LEDLED的的P-IP-I特性测量特性测量 2 2学时学时l 实验实验2 2 光纤熔接；光纤熔接；OTDROTDR光纤损耗特性测量光纤损耗特性测量 2 2学时学时l 实验实验3 3 光端机码型变换测试；系统眼图测试光端机码型变换测试；系统眼图测试 2 2学时学时l 实验实验4 4 光纤通信系统光接口性能测试光纤通信系统光接口性能测试 2 2学时学时教学辅导教学辅导 赵丽娟赵丽娟l 交作业时间：周一上午上课前交作业时间：周一上午上课前l 答疑时间：答疑时间：周三下午周三下午2 2：3030l 答疑地点：答疑地点：教三楼通信教研室教三楼通信教研室四、考核方式四、考核方式 l 期末闭卷笔试期末闭卷笔试 占占70%70%l 小测验、平时作业、课堂提问和出勤情况小测验、平时作业、课堂提问和出勤情况 占占20%20%l 实验实验 占占10%10%1.1 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 1.1.1 1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信 1.1.2 1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信 1.1.3 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1.2 1.2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用 1.2.1 1.2.1 光通信与电通信光通信与电通信 1.2.2 1.2.2 光纤通信的优点光纤通信的优点 1.2.3 1.2.3 光纤通信的应用光纤通信的应用1.3 1.3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 1.3.1 1.3.1 发射和接收发射和接收 1.3.2 1.3.2 基本光纤传输系统基本光纤传输系统 1.3.3 1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统和模拟通信系统第一章第一章 概述概述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1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信在这个时期，美国麻麻省省理理工工学学院院利用He-Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光大气激光通信试验通信试验。由于没有找到稳稳定定可可靠靠和和低低损损耗耗的的传传输输介介质质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。1960年，美国人梅梅曼曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激激光光器器的的发发明明和和应应用用，使使沉睡了沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段年的光通信进入一个崭新的阶段。1880年，美国人贝贝尔尔(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贝尔光电话是现代光通信的雏型。原原始始形形式式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。利用反射镜传送光束1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信 1966年，英英 籍籍 华华 裔裔 学学 者者 高高 锟锟(C.K.Kao)和和 霍霍 克克 哈哈 姆姆(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)进行信息传输的可可能能性性（石英1000dB/km的损耗非固有，产生于杂质吸收和瑞利散射）和和技技术术途途径径(材料提纯和制造的均匀性)，奠定了现代光通信光纤通信光纤通信的基础。指指明明通通过过“原原材材料料的的提提纯纯制制造造出出适适合合于于长距离通信使用的低损耗光纤长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向这一发展方向光纤通信发明家光纤通信发明家高锟高锟(左左)1998年在英国接受年在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章1970年，年，光纤光纤研制取得了重大突破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。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1.2m)。在以后的10年中，波长为1.55m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光纤最低损耗的理论极限。1970 年，光纤通信用年，光纤通信用光源光源取得了实质性的进展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,先后研制成功室室温温下下连连续续振振荡荡的镓铝砷(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1.3m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1.55m的连续振荡半导体激光器。光光纤纤和和半半导导体体激激光光器器技技术术的的进进步步，使使 1970 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑年成为光纤通信发展的一个重要里程碑 实用实用光纤通信系统光纤通信系统的发展的发展1976年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世世界界上上第第一一个个实实用用光纤通信系统的现场试验光纤通信系统的现场试验。GaAlAs LD，多模光纤，多模光纤，10km，44.7Mb/s1980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。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。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。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。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。光纤通信的发展可以粗略地分为光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段三个阶段：第一阶段(19661976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。短波长、低速率、多模，无中继距离10km。第二阶段(19761986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。多模到单模，短波长到长波长，速率140-565Mb/s,无中继距100-50km。第三阶段(19861996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。1.55m色散位移单模系统；外调制，速率2.5-10Gb/s,无中继距150-100km。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1976年年美美国国在在亚亚特特兰兰大大进进行行的的现现场场试试验验，标标志志着着光光纤纤通通信信从基础研究发展到了商业应用的新阶段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：光纤从多多模模发发展展到到单单模模，工作波长从0.85m发展到1.31m和1.55m，传传输输速速率率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。随着技术的进步和大规模产业的形成，光光纤纤价价格格不不断断下下降降，应用范围不断扩大。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。在在许许多多发发达达国国家家，生生产产光光纤纤通通信信产产品品的的行行业业已已在在国国民民经经济济中占重要地位中占重要地位。光纤通信整体发展时间表光纤通信整体发展时间表19741976197819801982198419861988199019921000001000010001001010.10.8m多模1.3m单模光孤子光放大器1.55m相干检测系统性能(Gb/sKm）1.55m直接检测1.2 1.2 光纤通信的优点和应用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通信系统最终技术目标：增加信息传输容量和距离。通信系统的传传输输容容量量取决于对载波调制的频频带带宽宽度度，载载波波频频率率越越高高，频带宽度越宽频带宽度越宽。光通信的主要特点光通信的主要特点 载波频率高；频带宽度宽载波频率高；频带宽度宽（图1.1）光光通通信信利利用用的的传传输输媒媒质质-光光纤纤，可可以以在在宽宽波波长长范范围围内内获获得得很小的损耗。很小的损耗。（图1.2）图图 1.1 部分电磁波频谱部分电磁波频谱图1.2各种传输线路的损耗特性0.7-1.7 m带宽带宽200 THz1.2.2 光纤通信的光纤通信的优点优点 容容许许频频带带很很宽宽，传传输输容容量量很很大大。本本质质宽宽、空空分分复复用用、波波分复用分复用 损耗很小，损耗很小，中继距离很长且误码率很小中继距离很长且误码率很小 重量轻、重量轻、体积小体积小抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 泄漏小，泄漏小，保密性能好保密性能好节约金属材料，节约金属材料，有利于资源合理使用有利于资源合理使用1.2.3 光纤通信的光纤通信的应用应用光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。光纤通信的各种应用可概括如下：通信网通信网构成因特网的计算机局域网和广域网构成因特网的计算机局域网和广域网有线电视网的干线和分配网有线电视网的干线和分配网综合业务光纤接入网综合业务光纤接入网 ATMInternet骨干网骨干网DDN/FRPSTN/ISDNTV业务分配节点业务分配节点(COT)(COT)业务接入节点（业务接入节点（RTRT）网管网管SNMP与电信网管中心相连Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622MSDH典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构典型应用之二：作为校园网的骨干传输网1.3 1.3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发发射射、接接收收和作为广义信道的基本光纤传输系统基本光纤传输系统。基本光纤传输系统的三个组成部分基本光纤传输系统的三个组成部分1 1 1 1、光发送机、光发送机、光发送机、光发送机组成框图：组成框图：组成框图：组成框图：光光源源调制器调制器通道耦合器通道耦合器电信号输入电信号输入光输出光输出驱动电路驱动电路结构参数：结构参数：结构参数：结构参数：发送功率，发送功率，dBmdBm概念概念光源光谱特性：光源光谱特性：光源光谱特性：光源光谱特性：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽输出光功率足够大，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，度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长器件寿命长器件寿命长器件寿命长电信号对光的调制的实现方式电信号对光的调制的实现方式 直接调制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。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性限制。外调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。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。图1.5两种调制方案(a)直接调制；(b)间接调制(外调制)2.光纤线路光纤线路 功功功功能能能能：是是把把来来自自光光发发射射机机的的光光信信号号，以以尽尽可可能能小小的的畸畸变变(失失真真)和衰减传输到光接收机和衰减传输到光接收机组成组成组成组成:光纤光纤、光纤接头光纤接头和光纤连接器光纤连接器低低低低损损损损耗耗耗耗 “窗窗窗窗口口口口”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85m、1.31m和1.55m有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。光光光光源源源源激激光光器器的的发发射射波波长长和光光光光检检检检测测测测器器器器光光电电二二极极管管的的波波长长响响应应，都要和光纤这三个波长窗口窗口相一致。目前在实验室条件下，1.55m的损耗已达到0.154 dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。普通单模光纤的衰减随波长变化示意图普通单模光纤的衰减随波长变化示意图0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰减（衰减（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波长波长-（m）6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段3 3 3 3、光接收机、光接收机、光接收机、光接收机功能：功能：功能：功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换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为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号组成部分：组成部分：组成部分：组成部分：耦合器，光电检测器，解调器耦合器，光电检测器，解调器组成框图：组成框图：组成框图：组成框图：电子电路电子电路光输入光输入耦合器耦合器光电检测器光电检测器解调器解调器电信号输出电信号输出结构参数：结构参数：结构参数：结构参数：接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度，定义为，定义为BER10BER10-9-9条件下，所要条件下，所要求的最小平均接收功率。求的最小平均接收功率。检测方式：检测方式：检测方式：检测方式：直接检测直接检测直接检测直接检测和和外差检测外差检测外差检测外差检测1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统和模拟通信系统 数数数数字字字字通通通通信信信信系系系系统统统统用参数取值离散的信号(如脉冲的有和无、电平的高和低等)代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；模模模模拟拟拟拟通通通通信信信信系系系系统统统统则用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。这种基本特征决定着两种通信方式的优缺点和不同时期的发展趋势。数字通信系统的数字通信系统的优点优点优点优点如下：如下：抗干扰能力强，传输质量好。可以用再生中继，传输距离长。适用各种业务的传输，灵活性大。容易实现高强度的保密通信。数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。模拟通信系统的模拟通信系统的优点优点优点优点占用带宽较窄外，电路简单易于实现、价格便宜等。习题与思考题习题与思考题1.光纤通信有哪些优点？光纤通信有哪些优点？2.光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部 分的作用。分的作用。3.假设数字通信系统能够在高达假设数字通信系统能够在高达1%的载波频率的比的载波频率的比 特率下工作，试问在特率下工作，试问在5 GHz的微波载波和的微波载波和1.55 m 的光载波上能传输多少路的光载波上能传输多少路64 kb/s的音频信道？的音频信道？感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络，感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络，如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！