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
1.1.2 现代光纤通信
1.1.3 国内外光纤通信发展的现状
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第 1 章 概 论返回主目录
1.1
1.1.1 探索时期的光通信
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 。
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 。
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 80年的光通信进入一个崭新的阶段 。
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 。
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 。
1.1.2 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 。
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,这一发展方向光纤通信发明家 高锟 (左 )
1998年在英国接受 IEE授予的奖章
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 4 dB/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 0.47
dB/km(波长 1.2μm)。
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,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 。
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 34 Mb/s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 。
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三个阶段,
第一阶段 (1966~1976年 ),这是从基础研究到商业应用的开发时期 。
第二阶段 (1976~1986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 。
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 。
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。
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 。
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 。
在许多发达国家,生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位 。
光纤通信整体发展时间表
1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992
100000
10000
1000
100
10
1
0.1
0.8μm
多模
1.3μm
单模
1.55μm
直接检测光孤子光放大器
1.55μm
相干检测系统性能(G
b/s
Km
）
1.2 光纤通信的优点和应用
1.2.1
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 。
光通信的主要特点载波频率高；频带宽度宽 （ 图 1.1 ）
光通信利用的传输媒质 -光纤,可以在宽波长范围内获得很小的损耗 。 （ 图 1.2 ）
图 1.1 部分电磁波频谱
1 0 0 T H z
1 0 TH z
1 TH z
1 0 0 G H z
1 0 G H z
1 G H z
1 0 0 M H z
1 0 M H z
1 M H z
1? m 可见光线
1 0? m
1 0 0? m
1 m m
1 0 m m
1 0 0 m m
1 m
1 0 m
1 0 0 m
中波 ( M F )
短波 ( H F )
米波 ( V H F )
分米波 ( U H F )
厘米波 ( S H F )
毫米波 ( E H F )
亚毫米波远红外线近红外线
( 光纤通信用）
频率 波长 名称紫外线图 1.2 各种传输线路的损耗特性
1 0 0 0
1 0 0
10
1
0,1
1 0 M
标准同轴
3
8
m
m
海底同轴光纤
1 0 0 M 1 G 1 0 G 1 0 0 G 1 T 1 0 T 1 0 0 T 1 0 0 0 T
频率 / H z
M,( 注 )
G,
T,
10
6
10
9
10
12
传输损耗
/
(
d
B
·
k
m
－
1
)
5 1 m m 波导器
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,
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：
① 通信网
② 构成因特网的计算机局域网和广域网
③ 有线电视网的干线和分配网
④ 综合业务光纤接入网
ATM
Internet骨干网
DDN/ FR
PSTN/ISDN
TV
业务分配节点 (COT)
业务接入节点 （ RT）
网管
SNMP
与电信网管中心相连
Q3
100/1000M
E1/BRA/PRA 155M
622M SDH
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 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 发射,接收 和作为广义信道的基本 光纤传输系统 。
信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本光纤传输系统光纤线路接 收发 射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出基本光纤传输系统的三个组成部分
1、光发送机组成框图：
光 源 调制器 通道耦合器电信号输入光输出驱动电路
)(1
)(lg10)(
mv
mvpd B mp
结构参数,发送功率,dbm概念光源光谱特性,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,器件寿命长电信号对光的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 。
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 。
图 1.5
(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 )
2.
功能,是把来自光发射机的光信号,以尽可能小的畸变 (失真 )和衰减传输到光接收机组成,光纤,光纤接头 和 光纤连接器低损耗,窗口,,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 0.85 μm,1.31 μm和 1.55
μm有三个损耗很小的波长,窗口,,见后图 。
光源 激光器的发射波长 和 光检测器 光电二极管的波长响应,
都要和光纤这三个波长 窗口 相一致 。
目前在实验室条件下,1.55 μm的损耗已达到 0.154 dB/km，
接近石英光纤损耗的理论极限 。
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
第一窗口第二窗口波长 —— λ（ μm）
普通单模光纤的衰减随波长变化示意图
6
5
4
3
2
10
。 4
0。 2
第三窗口
C 波段
1525~1565nm
1.57 1.62
L波段
3、光接收机功能,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,耦合器，光电检测器，解调器组成框图：
电子电路光输入 耦合器 光电检测器 解调器电信号输出结构参数,接收机灵敏度,定为 BER≤10-9条件下，所要求的最小平无接收功率。
检测方式,直接检测 和 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 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；
模拟通信系统 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 优点 如下：
① 抗干扰能力强,传输质量好 。
② 可以用再生中继,传输距离长 。
③ 适用各种业务的传输,灵活性大 。
④ 容易实现高强度的保密通信 。
⑤ 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 优点占用带宽较窄外,电路简单易于实现,价格便宜等 。
1.1.1 探索时期的光通信
1.1.2 现代光纤通信
1.1.3 国内外光纤通信发展的现状
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第 1 章 概 论返回主目录
1.1
1.1.1 探索时期的光通信
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 。
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 。
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 80年的光通信进入一个崭新的阶段 。
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 。
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 。
1.1.2 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 。
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,这一发展方向光纤通信发明家 高锟 (左 )
1998年在英国接受 IEE授予的奖章
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 4 dB/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 0.47
dB/km(波长 1.2μm)。
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,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 。
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 34 Mb/s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 。
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三个阶段,
第一阶段 (1966~1976年 ),这是从基础研究到商业应用的开发时期 。
第二阶段 (1976~1986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 。
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 。
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。
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 。
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 。
在许多发达国家,生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位 。
光纤通信整体发展时间表
1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992
100000
10000
1000
100
10
1
0.1
0.8μm
多模
1.3μm
单模
1.55μm
直接检测光孤子光放大器
1.55μm
相干检测系统性能(G
b/s
Km
）
1.2 光纤通信的优点和应用
1.2.1
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 。
光通信的主要特点载波频率高；频带宽度宽 （ 图 1.1 ）
光通信利用的传输媒质 -光纤,可以在宽波长范围内获得很小的损耗 。 （ 图 1.2 ）
图 1.1 部分电磁波频谱
1 0 0 T H z
1 0 TH z
1 TH z
1 0 0 G H z
1 0 G H z
1 G H z
1 0 0 M H z
1 0 M H z
1 M H z
1? m 可见光线
1 0? m
1 0 0? m
1 m m
1 0 m m
1 0 0 m m
1 m
1 0 m
1 0 0 m
中波 ( M F )
短波 ( H F )
米波 ( V H F )
分米波 ( U H F )
厘米波 ( S H F )
毫米波 ( E H F )
亚毫米波远红外线近红外线
( 光纤通信用）
频率 波长 名称紫外线图 1.2 各种传输线路的损耗特性
1 0 0 0
1 0 0
10
1
0,1
1 0 M
标准同轴
3
8
m
m
海底同轴光纤
1 0 0 M 1 G 1 0 G 1 0 0 G 1 T 1 0 T 1 0 0 T 1 0 0 0 T
频率 / H z
M,( 注 )
G,
T,
10
6
10
9
10
12
传输损耗
/
(
d
B
·
k
m
－
1
)
5 1 m m 波导器
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,
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：
① 通信网
② 构成因特网的计算机局域网和广域网
③ 有线电视网的干线和分配网
④ 综合业务光纤接入网
ATM
Internet骨干网
DDN/ FR
PSTN/ISDN
TV
业务分配节点 (COT)
业务接入节点 （ RT）
网管
SNMP
与电信网管中心相连
Q3
100/1000M
E1/BRA/PRA 155M
622M SDH
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 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 发射,接收 和作为广义信道的基本 光纤传输系统 。
信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本光纤传输系统光纤线路接 收发 射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出基本光纤传输系统的三个组成部分
1、光发送机组成框图：
光 源 调制器 通道耦合器电信号输入光输出驱动电路
)(1
)(lg10)(
mv
mvpd B mp
结构参数,发送功率,dbm概念光源光谱特性,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,器件寿命长电信号对光的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 。
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 。
图 1.5
(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 )
2.
功能,是把来自光发射机的光信号,以尽可能小的畸变 (失真 )和衰减传输到光接收机组成,光纤,光纤接头 和 光纤连接器低损耗,窗口,,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 0.85 μm,1.31 μm和 1.55
μm有三个损耗很小的波长,窗口,,见后图 。
光源 激光器的发射波长 和 光检测器 光电二极管的波长响应,
都要和光纤这三个波长 窗口 相一致 。
目前在实验室条件下,1.55 μm的损耗已达到 0.154 dB/km，
接近石英光纤损耗的理论极限 。
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
第一窗口第二窗口波长 —— λ（ μm）
普通单模光纤的衰减随波长变化示意图
6
5
4
3
2
10
。 4
0。 2
第三窗口
C 波段
1525~1565nm
1.57 1.62
L波段
3、光接收机功能,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,耦合器，光电检测器，解调器组成框图：
电子电路光输入 耦合器 光电检测器 解调器电信号输出结构参数,接收机灵敏度,定为 BER≤10-9条件下，所要求的最小平无接收功率。
检测方式,直接检测 和 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 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；
模拟通信系统 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 优点 如下：
① 抗干扰能力强,传输质量好 。
② 可以用再生中继,传输距离长 。
③ 适用各种业务的传输,灵活性大 。
④ 容易实现高强度的保密通信 。
⑤ 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 优点占用带宽较窄外,电路简单易于实现,价格便宜等 。
