光纤通信原理第1章

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1、光纤通信原理Principle of Optical FiberCommunication华北电力大養=S壳纤通伶原理教材:光纤通信，顾碗仪，黄永清，等编著,人民邮电出版社，2007年。华北越力大光纤通伶原理I =令 A华北电力大学瘵纤通佶原理华北越力大光纤通伶原理I =令 A光纤通信原理课程教学基本信息总学时: 讲课学时: 实验学时: 学 分:先修课程：大学物理（1 1）, ,大学物理（2 2）, , 电磁场与微波技术，通信电子电路, 通信系统原理。参考书籍:2.3 4.光纤通信（第二版），张宝富等编著，西安电子科 技大学出版社，20092009 年。光纤通信，刘增基等编著，西安电子科技大学

2、出版 社，2002003 3年。FiberFiber OpticOptic CommunicationsCommunications （5 5ththEd.Ed.） , , JosephJoseph C.C.PalaisPalais 编著，电子工业出版社，20052005 年。光纤通信系统学习指导与习题解析，刘振霞，等编 著，西安电子科技大学出版社，20062006 年。侈牝电力 7纤通伶原理484840408 83 31.华北电力矢遨免纤通伶履理 A一、课程性质、目的和任务光纤通信原理是通信工程专业的一门主要专 业必修课。目的是使学生了解光纤通信系统的基本 组成，掌握光纤的传光原理和特性；掌

3、握光源、光 检测器、光放大器和光无源器件的工作原理和特性; 掌握光发射机、光接收机的各部分组成、结构及原 理；掌握光纤通信系统的基本设计方法；了解光纤 通信新技术。掌握光纤通信基本实验技能， 培养学 生分析和解决问题的能力， 培养学生的动手能力，为毕业后从事光纤通信专业技术工作打下坚实的理论基础。掌握光纤传光原理的射线光学和波动理论分析方 法，光纤的传输特性； 掌握光源、光检测器的基本结构、原理和特性; 掌握光发射机、光接收机的组成、结构及原理, 光接收机灵敏度的基本计算方法； 了解数字光纤通信系统的组成、原理和性能指标, 掌握系统基本设计方法，掌握掺钩光纤放大器的 组成、结构和原理；二、教学

4、基本要求华北电力大学丸纤通伶原理聶=令 A掌握波分复用器件等无源器件的类型、结构、原 理和特性，光波分复用的原理、系统构成和管理 技术：掌握自动交换光网络的概念和控制平面、光传送 平面、管理平面的功能和结构；掌握光纤和主要光器件基本特性测量系统的组成、 原理和测量方法，光纤通信系统基本参数的测量 原理、方法和系统组成。概述（2 2 学时）光纤和光缆（8 8 学时） 光源和光检测器（6 6 学时） 光发射机和光接收机（8 8 学时） 光纤通信系统（6 6 学时） 无源光器件和 WDMWDM 技术（4 4 学时） 自动交换光网络（2 2 学时） 光纤通信测量（4 4 学时）章章章章章章章章一二三四

5、五六七八第第第第第第第第李 氷 倩杨志 尚秋峰 李永倩 张淑娥 李永倩 张淑娥 李永倩实验2光纤熔接；OTDR光纤损耗特性测量2学时实验3光端机码型变换测试；波分复用器测试2学时教学辅导交作业时间：周三上午上课前答疑时间：周三下午 2 2： 3030答疑地点：教三楼通信教研室四、考核方式期末闭卷笔试占 70%70%小测验、平时作业、课堂提问和出勤情况占 20%20%实验占 10%10%实验4光纤通信系统整机性能测试2学时赵丽娟实践环节（8 8 学时）杨再旺实验1截断法光纤衰减系数测量；LED的P-I特性测量2学时丸纤通伶原理第一章概述H ii光纤通信发展的历史和现状1.1.1探索时期的光通信1

6、. 1. 2现代光纤通信1. 1. 3国内外光纤通信发展的现状HI 12光纤通信的优点和应用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13光纤通信系统的基本组成131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锲牝电力大学二老纤遍信廉理-光纤通信发展的历史和现状1.1.11.1.1 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。I960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光

7、 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。在这个时期，美国麻省理工学院利用HeNe激光器和CO。 激光器进行了大气激光通信试验oII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。华北越力大学“二亮纤通伶原理利川反射镜传送光束1.1.21.1.2 现代光纤通信(C.A.Hockham)发表了关丁传输介质新概念的论文，指出了利川 光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性(石英1000 dB/km的 损耗非固有，产生于杂质吸收和瑞利散射)和技术途径(材料提 纯和制造的均匀性)，奠定了现代光通信一光纤通信的基

8、础。徴牝电力九 V V 士纤通伶原理1966年，英籍华裔学者高银(C.K.Kao)和霍克哈姆华北越力木&纤通信原理指明通过“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”这一发展方华北电力大学一纤通伶原理=金 A光纤通信发明家高银(左)19981998 年在英国接受 IEEIEE 授予的奖章1970年， 美国康宁(Corn i n g)公司研制成功损耗20d R/k m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至04 dB/knio1973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l.ldB/km。

9、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1.2 p.m)o在以后的10年中，波长为1.55屮n的光纤损耗：1979年是0.20 dB/km, 1984年是0.157 dB/km, 1986年是2塡经牝电力木型=s丸纤通信原理19701970 年，光纤研制取得了重大突破华北电力大逾纤通伶原理X 令0.154 dB/km,接近了光纤最低损耗的理论极限。华北电力大逾纤通伶原理X 令970970 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傢铝神(GaAIAs)双异质结半导体激 光

10、器(短波长)。虽然寿命只有儿个小时，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的錮琢碑磷(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 pm的连续振荡半导体激光器。光纤和半导体激光器技术的进步，使197(?年成为光纤通信发展的一个重要里程碑 经牝翹力大单=丸纤通伶原理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

11、。GaAlAsLD,多模光纤，10km, 44.7Mb/s1980年，美国标准化FT3光纤通信系统投入商业应用。1976年和1978年，LI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而展开，促进了 全球通信网的发展。华北电力天学尧纤通伶原理A第一阶段（19661976年）， 这

12、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10 kmo 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EI标和人力推广应用的人发展时期。多模到 单模，短波长到长波长，速率140-565 Mb/s,无中继距100-50 km。第三阶段（1986-1996年），这是以超次容量超K距离为 目标、全面深入开展新技术研究的时期。1.55 pm色散位移单 模系统；外调制，速率2.510Gb/s,无屮继距150-100 kmo丸纤通伶原理1.131.13 国内外光纤通信发展的现状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

13、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屮Yi发展到1.31 pm和.55 ptm,传输速率从儿I 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。光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段:光纤通信整体发展时间表10000010000 -10001001010.8J.L1Y1-多模1.55pm 直接检测1.3gm单模0.11974 1976 1978 1

14、980 1982 1984 1986 1988 1990 1992免纤通伶原理L2光纤通信的优点和应用令 A121121 光通信与电通信通信系统最终技术日标：增加信息传输容量和距离。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）O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）o系统性能(Gb、s Km)1.55 pm相干检测华北电力大学=晓纤通信廉理=令 A頻奉名称100 THz10 THz1 THz100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10 MHz亚竜米波亳米政EHF)厘米

15、政SHF)分来玫UTHF)来VHF)1 MHz短波F)蟻外线二丄町见光线f(光纤通佶用) 近红外线 込红夕卜绥- 1 j-im- 10 |_un- 100 pxn- 1 rrcm- 10 mm- 100 mm1 m10 in100 m鎖牝电.力大邈图11部分电磁波频谱謎纤通伶原理1000频報Hz100 M 1G 10 G 100 G 1T 10 T 100 T 1000 T01001010.110M0.7-L7屮n带宽200 THzM：106G：109T；1012图1.2各种传输线路的损耗特性1.2.21.2.2 光纤通信的优点 容许频带很宽，传输容量很大。本质宽、空分复用、波 分复用损耗很小

16、，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，保密性能好节约金属材料，有利于资源合理使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5物联网、智能电网华北电力天仁N 纤通伶原理1.231.23 光纤通信的应用El/BF网管与电信网管中心相连典型应JUZ-：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构丸纤通伶原理典型应用之二

17、作为校园网1KJ骨干传输网华北电力天光=$亮纤通伶原理物联网概述处理弓决築阪疔轨康军爭【I）彷倚皑农业送在dt）朋I亦平占应用/眼务安全直披斑R汁畀效裾中心|Zil算半的/甲冋件| 一 %泛在接入ttLAN i MAXIAN/PST MCabl物联网在智能电网各个环节的应用变电配电华北越力米学纤通伶原理 A2009年4月,在北京建设了莲香园小区和阜成路95号院两处智能电网用户服务 试点,分别采用电力线宽带通信(BPLC)和电力光纤到户(PFHH)信息采集和智能用电双向交互功能，以及“三1.3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。

18、1、用电信思采集2、种能用电互动3、三网融合业务电力光纤到户试点工程北京阜成路 95 号电力光纤到户试点小区结构图经牝电力大養丸纤通传原理输入基本光纤传输系-光信乏 光信厚 输出输入收接信息宿华北电力木筮丸纤通伶原理I =令 A如上图所示，信息源把用户信息转换为原始电信号，这种 信号称为基带信号。电发射机把基带信号转换为适合信道传输 的信号，这个转换如果需要调制，则其输出信号称为已调信号。 对于数字电话传输，电话机把话音转换为频率范围为 03-3.403-3.4 kHzkHz 的模拟基带信号，电发射机把这种模拟信号转换为数字信 号，并把多路数字信号组合在一起。模/数转换目前普遍采用 脉冲编码调

19、制（PCMPCM）方式，这种方式是通过对模拟信号进 行抽样、量化和编码而实现的。一路话音转换成传输速率为 6464 kb/skb/s 的数字信号，然后用数字复接器把2424 路或 3030 路 PCMPCM 信号 组合成 1.5441.544 Mb/sMb/s 或 2.0482.048 Mb/sMb/s 的一次群甚至高次群的数字系 列，最后输入光发射机。鎖牝电力木学丸纤通伶原理对于模拟电视传输，则用摄像机把图像转换为 6 6 MHzMHz 的模拟基带信号，直接输入光发射机。为提高传输质量， 通常把这种模拟基带信号转换为频率调制（FMFM）、脉冲 频率调制（PFMPFM）或脉冲宽度调制（PWMP

20、WM）信号，最后 把这种已调信号输入光发射机。还可以采用频分复用 （FDMFDM）技术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号 （或数字基带信号）分别调制指定的不同频率的射频（RFRF） 电波，然后把多个这种带有信息的 RFRF 信号组合成多路宽带 信号，最后输入光发射机，由光载波进行传输。在这个过 程中，受调制的 RFRF 电波称为副载波，这种釆用频分复用的 多路电视传输技术，称为副载波复用（SCMSCM） o o1.3.11.3.1 发射和接收华北电力大免纤通伶原理不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机 带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号。光载波 经过光纤线路传输到接收端，再由光接

21、收机把光信号转 换为电信号。电接收机的功能和电发射机的功能相反， 它把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复 用户信息。在整个通信系统中， 在光发射机之前和光接收机之 后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备与电缆通信 相同，不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所 组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输。经牝也力大学=丸纤通伶原理-BS1.3.21.3.2 基本光纤传输系统基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元， 若配 置适当的接口设备，则可以插入现有的数字通信系统或模 拟通信系统，或者有线通信系统或无线通信系统的发射与 接收之间。光发射机、光纤线路和光接收机，若配置适当 的光器件，可

22、以组成传输能力更强、功能更完善的光纤通 信系统。例如，在光纤线路中插入光纤放大器组成光中继 长途系统，配置波分复用器和解复用器，组成大容量波分 复用系统，使用耦合器或光开关组成无源光网络，等等。华北电力天学免纤通伶原理=余 A基本光纤传输系统的三个组成部分K光发送机组成框图:XUlOxlg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，器件寿命长经牝电力米学=丸纤通伶原理-BS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。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

23、频率特性限制。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。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高, 因此只有在大容结构参数:发送功率,dBm概念华北电力天学免纤通伶原理=余 A量的波分复用和相干光通信系统中使用。华北电力大途丸纤通伶原理n图1 5两种调制方案(a)直接调制；(b)间接调制(外调制)经牝电力大迸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處光纤、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 “1、1.31 ptm和1 55 Rm有三个损耗很

24、小的波长“窗口”，见后图。光沥激光器的发射波长和光检测器光电二极管的波长响应, 都要和光纤这三2.光纤线路电佶号输入e)华北电力大途丸纤通伶原理n个波长窗口相一致。目前在实验室条件下，1 55 pm的损耗已达到0.154 dB/km,接近石英光纤损耗的理论极限。0.70.80.91.01.1 1.21.3 1.4 1.51.57 1.62波长九(pm)I波段普通单模光纤的衰减随波长变化示意图丸纤通信原理3、光接收机勿盛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:结构参数:接收机灵敏度,定义为BE

25、R109条件下， 所耍 求的最小平均接收功率。检测方式:直接检测和外差检测(UDVHP)星快6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 10.10.4 4C波段15251565nm第二窗口第三窗口光输华北电力大遊龙纤通伶原理!华北电力 5丸纤通信廉理-1.3.31.3.3 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。塑牝电为矢咎瘵纤通伶原理srara

26、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数字通信系统犬量采用数字电路，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。华北电力大遊龙纤通伶原理!习题与思考题1 1 光纤通信有哪些优点？2 2光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部 分的作用。3 3 假设数字通信系统能够在高达 1 1 % %的载波频率的比 特率下工作，试问在 5 5 GHzGHz 的微波载波和 1 1 5555 屮 n n 的光载波上能传输多少路 6464 kb/skb/s 的音频信道？华北电力矢養-纤通信廉理am