光纖通信第一章光纖通信級1第第1章章 光纖通信概述光纖通信概述光纖通信概述光纖通信概述1.11.1光纖通信概述光纖通信概述光纖通信概述光纖通信概述1.21.2光纖通信的發(fā)展光纖通信的發(fā)展光纖通信的發(fā)展光纖通信的發(fā)展1.3 1.3 光纖通信系統(tǒng)簡介光纖通信系統(tǒng)簡介光纖通信系統(tǒng)簡介光纖通信系統(tǒng)簡介1.4 1.4 我國光纖通信發(fā)展簡介我國光纖通信發(fā)展簡介我國光纖通信發(fā)展簡介我國光纖通信發(fā)展簡介1.51.5光纖通信認(rèn)知光纖通信認(rèn)知光纖通信認(rèn)知光纖通信認(rèn)知第第第第2 2章章章章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ) 2.1 光的本質(zhì)光的本質(zhì) 2.2 光的反射、折射和全反射光的反射、折射和全反射 2.3 波導(dǎo)光學(xué)波導(dǎo)光學(xué) 2.4 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射 2.5 激光原理激光原理第第第第3 3章章章章 光纖光纖光纖光纖 3.1 光纖概述光纖概述 3.2 階躍型光纖的波導(dǎo)光學(xué)理論階躍型光纖的波導(dǎo)光學(xué)理論 3.3 漸變光纖的理論分析漸變光纖的理論分析 3.4 單模光纖單模光纖 3.5 光纖的損耗特性光纖的損耗特性 3.5 光纖的色散特性光纖的色散特性 3.7 光纖的特性參數(shù)光纖的特性參數(shù) 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 第第第第4 4章章章章 光源和光發(fā)射機(jī)光源和光發(fā)射機(jī)光源和光發(fā)射機(jī)光源和光發(fā)射機(jī) 4.1 半導(dǎo)體的能帶理論半導(dǎo)體的能帶理論 4.2發(fā)光二極管發(fā)光二極管 4.3 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器4.4 光調(diào)制光調(diào)制 4.5 光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī) 第第第第5 5章章章章 光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī)光檢測器與光接收機(jī) 5.1 光檢測器光檢測器 5.2 光檢測器的工作特性光檢測器的工作特性 5.3 光接收機(jī)光接收機(jī)2主要內(nèi)容主要內(nèi)容 5.4 光接收機(jī)的噪聲光接收機(jī)的噪聲 5.5 光接收機(jī)的誤碼率和接收靈敏度光接收機(jī)的誤碼率和接收靈敏度第第第第6 6章章章章 光纖通信系統(tǒng)與工程光纖通信系統(tǒng)與工程光纖通信系統(tǒng)與工程光纖通信系統(tǒng)與工程 6.1 強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測數(shù)字光纖通信系統(tǒng)直接檢測數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 6.2 光纖通信的線路碼型光纖通信的線路碼型 6.3 光纖通信的性能指標(biāo)光纖通信的性能指標(biāo)6.4 損耗和色散對系統(tǒng)的影響損耗和色散對系統(tǒng)的影響 6.5 光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計 6.6 光纖通信工程光纖通信工程第第第第7 7章章章章 SDH SDH技術(shù)技術(shù)技術(shù)技術(shù) 7.1 SDH的產(chǎn)生和基本特點(diǎn)的產(chǎn)生和基本特點(diǎn)7.2 SDH的速率和幀結(jié)構(gòu)的速率和幀結(jié)構(gòu)7.3 同步復(fù)用與映射方法同步復(fù)用與映射方法7.4 SDH設(shè)備設(shè)備7.5 SDH傳送網(wǎng)結(jié)構(gòu)和自愈保護(hù)傳送網(wǎng)結(jié)構(gòu)和自愈保護(hù)7.6 SDH同步與管理同步與管理 第第第第8 8章章章章 光放大和色散補(bǔ)償技術(shù)光放大和色散補(bǔ)償技術(shù)光放大和色散補(bǔ)償技術(shù)光放大和色散補(bǔ)償技術(shù) 8.1 光放大器及其工作性能光放大器及其工作性能 8.2 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器 8.3 光纖喇曼放大器光纖喇曼放大器 8.4 色散補(bǔ)償技術(shù)色散補(bǔ)償技術(shù)第第第第9 9章章章章 波分復(fù)用技術(shù)波分復(fù)用技術(shù)波分復(fù)用技術(shù)波分復(fù)用技術(shù)9.1 9.1 多信道復(fù)用技術(shù)多信道復(fù)用技術(shù) 9.2 9.2 光波分復(fù)用原理與技術(shù)光波分復(fù)用原理與技術(shù)9.3 9.3 光波分復(fù)用器光波分復(fù)用器 9.4 WDM 9.4 WDM光傳輸網(wǎng)及系統(tǒng)設(shè)計光傳輸網(wǎng)及系統(tǒng)設(shè)計第第第第1010章章章章 光纖通信的高新技術(shù)光纖通信的高新技術(shù)光纖通信的高新技術(shù)光纖通信的高新技術(shù)10.1 10.1 10.1 10.1 相干光通信技術(shù)相干光通信技術(shù)相干光通信技術(shù)相干光通信技術(shù)10.210.210.210.2光孤子通信技術(shù)光孤子通信技術(shù)光孤子通信技術(shù)光孤子通信技術(shù)10.310.310.310.3光接人技術(shù)光接人技術(shù)光接人技術(shù)光接人技術(shù)10.4 10.4 10.4 10.4 光交換技術(shù)光交換技術(shù)光交換技術(shù)光交換技術(shù)10.5 10.5 10.5 10.5 全光通信網(wǎng)全光通信網(wǎng)全光通信網(wǎng)全光通信網(wǎng)3第一章 光纖通信概述1.1 光纖通信概述光纖通信概述1.2 光纖通信的發(fā)展光纖通信的發(fā)展1.3 光纖通信系統(tǒng)簡介光纖通信系統(tǒng)簡介1.4 我國光纖通信發(fā)展簡介我國光纖通信發(fā)展簡介1.5 光纖通信認(rèn)知光纖通信認(rèn)知41.1光纖通信概述光纖通信概述n n什么是通信？什么是通信？n n“通通”傳送傳送，“信信”信息信息；信息的傳送；信息的傳送n n基本組成：發(fā)送、傳輸、接收基本組成：發(fā)送、傳輸、接收n n什么是光纖通信？什么是光纖通信？n n利用激光作為利用激光作為信息信息的載波信號，并通過的載波信號，并通過 光光纖來纖來傳送信息傳送信息的通信系統(tǒng)。的通信系統(tǒng)。5n n什么是通信？什么是通信？n n“通通”傳送傳送，“信信”信息信息；信息的傳送；信息的傳送n n基本組成：發(fā)送、傳輸、接收基本組成：發(fā)送、傳輸、接收n n什么是光纖通信？什么是光纖通信？n n利用激光作為利用激光作為信息信息的載波信號，并通過的載波信號，并通過 光光纖來纖來傳送信息傳送信息的通信系統(tǒng)。的通信系統(tǒng)。光纖通信是人類科學(xué)技術(shù)光纖通信是人類科學(xué)技術(shù)的重大突破，光纖通信的重大突破，光纖通信已成為現(xiàn)代信息社會的神經(jīng)系統(tǒng)已成為現(xiàn)代信息社會的神經(jīng)系統(tǒng)光纖光纖-信息社會的標(biāo)志信息社會的標(biāo)志6 現(xiàn)代通信方式示意圖現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息7 現(xiàn)代通信方式示意圖現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息信息指用戶要求傳送的信息指用戶要求傳送的語音、圖像、數(shù)據(jù)以及語音、圖像、數(shù)據(jù)以及它們的各種組合它們的各種組合8用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息 現(xiàn)代通信方式示意圖現(xiàn)代通信方式示意圖用戶終端用戶終端交換設(shè)備交換設(shè)備接入網(wǎng)接入網(wǎng)電復(fù)接設(shè)備電復(fù)接設(shè)備傳輸系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)9 現(xiàn)代通信方式示意圖現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息光纖通信經(jīng)過光纖通信經(jīng)過光纖通信經(jīng)過光纖通信經(jīng)過3030年的技術(shù)年的技術(shù)年的技術(shù)年的技術(shù)發(fā)展目前正在淘汰著發(fā)展目前正在淘汰著發(fā)展目前正在淘汰著發(fā)展目前正在淘汰著其他的其他的其他的其他的有線有線有線有線通信方式通信方式通信方式通信方式10光纖通信技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)光纖通信技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)光纖與光纖與 雙絞線對比圖雙絞線對比圖11 光通信與電通信光通信與電通信 任何通信系統(tǒng)追求的最終技術(shù)目標(biāo)都是要可靠地實現(xiàn)最大可能的信息傳輸容量和傳輸距離。通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)的的傳傳輸輸容容量量取取決決于于對對載載波波調(diào)調(diào)制制的的頻頻帶帶寬寬度度，載波頻率越高，頻帶寬度越寬。載波頻率越高，頻帶寬度越寬。通信技術(shù)發(fā)展的歷史，實際上是一個不斷提高載波頻率和增加傳輸容量的歷史。20世紀(jì)60年代，微波通信技術(shù)已經(jīng)成熟，因此開拓頻率更高的光波應(yīng)用，就成為通信技術(shù)發(fā)展的必然。12 電纜通信和微波通信的載波是電波，光纖通信的載波是光波。雖然光波和電波都是電磁波，但是頻率差別很大。光纖通信用的近紅外光(波長約1m)的頻率(約300 THz)比微波(波長為0.1m1 mm)的頻率(3300 GHz)高3個數(shù)量級以上。13圖 1.1 部分電磁波頻譜14圖 1.1 部分電磁波頻譜圖1.1是相關(guān)的電磁波頻譜。光光纖纖通通信信用用的的近近紅紅外外光光(波波長長為為0.71.7m)頻頻帶帶寬寬度度約約為為200THz，在在常常用用的的1.31 m和和1.55 m兩兩個波長窗口頻帶寬度在個波長窗口頻帶寬度在20 THz以上。以上。(0.7m430THz,1.7m180THz)由由于于光光源源和和光光纖纖特特性性的的限限制制，目目前前，光光強(qiáng)強(qiáng)度度調(diào)調(diào)制制的的帶帶寬寬一一般般只只有有20 GHz，因因此此還還有有3個個數(shù)數(shù)量量級級以以上上的的帶帶寬寬潛力可以挖掘。潛力可以挖掘。15 微波波段有線傳輸線路是由金屬導(dǎo)體制成的同軸電纜和波導(dǎo)管。同軸電纜的損耗隨信號頻率的平方根而增大，要減小損耗，必須增大結(jié)構(gòu)尺寸，但要保持單一模式的傳輸，又不允許增大結(jié)構(gòu)尺寸。波導(dǎo)管具有比同軸電纜更低的損耗，但隨著工作頻率的提高，要減小波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的尺寸以保持單一模式的傳輸，損耗仍然要增大。光纖是由絕緣的石英(SiO2)材料制成的，通過提高材料純度和改進(jìn)制造工藝，可以在寬波長范圍內(nèi)獲得很小的損耗。圖1.2給出各種傳輸線路的損耗特性。16圖圖 1.2 各種傳輸線路的損耗特性各種傳輸線路的損耗特性 17 光纖通信的優(yōu)點(diǎn)光纖通信的優(yōu)點(diǎn) 在光纖通信系統(tǒng)中，作作為為載載波波的的光光波波頻頻率率比比電電波波頻頻率率高高得得多多，而而作作為為傳傳輸輸介介質(zhì)質(zhì)的的光光纖纖又又比比同同軸軸電電纜纜或或波波導(dǎo)導(dǎo)管管的的損損耗耗低低得得多多，因此相對于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。18 1.容許頻帶很寬，傳輸容量很大容許頻帶很寬，傳輸容量很大 光纖通信系統(tǒng)的容許頻帶(帶帶寬寬GHz km)取決于光源的調(diào)制特性、調(diào)制方式和光纖的色散特性。石英單模光纖在1.31m波長具有零色散特性，通過光纖的設(shè)計，還可以把零色散波長移到1.55m。在零色散波長窗口，單模光纖都具有幾十GHz km的帶寬。另一方面，可以采用多種復(fù)用技術(shù)來增加傳輸容量。最簡單的是空空分分復(fù)復(fù)用用，因為光纖很細(xì)，直徑只有125 m,一根光纜可以容納幾百根光纖，1212=144根光纖的帶狀光纜早已實現(xiàn)。這種方法使線路傳輸容量數(shù)十成百倍地增加。19 就單單根根光光纖纖而而言言，采采用用波波分分復(fù)復(fù)用用(WDM)或或光光頻頻分分復(fù)復(fù)用用(OFDM)是是增增加加光光纖纖通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)傳傳輸輸容容量量最最有有效效的的方方法法。另一方面，減減小小光光源譜線寬度和采用外調(diào)制方式，也是增加傳輸容量的有效方法源譜線寬度和采用外調(diào)制方式，也是增加傳輸容量的有效方法 為了與同軸電纜通信和微波無線電通信比較，表1.4列出早已實現(xiàn)的單一波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和中繼距離。20表表 1.4 光纖通信與電纜或微波通信傳輸能力的比較光纖通信與電纜或微波通信傳輸能力的比較 通信手段 傳輸容量(話路)/條 中繼距離/km 1000 km內(nèi)中繼器個數(shù) 微波無線電 960 5020小同軸 9604250中同軸 180061600光纜 19203033光纜 14000(1Gb/s)8411光纜 6000(445MB/S)134721 目 前，單 波 長 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 的 傳 輸 速 率 一 般 為2.5 Gb/s和 10 Gb/s。采用外調(diào)制技術(shù)，傳輸速率可以達(dá)到40 Gb/s。波分復(fù)用(WDM)和光時分復(fù)用(TDM)更是極大地增加了傳輸容量。WDM最高水平為132個信道，傳輸容量為20 Gb/s132=2640 Gb/s，相當(dāng)于120 km的距離傳輸了3.3108條話路。222.損耗很小，損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小中繼距離很長且誤碼率很小 石英光纖在1.31 m和1.55 m波長，傳輸損耗分別為0.50 dB/km和0.20 dB/km，甚至更低。因此，用光纖比用同軸電纜或波導(dǎo)管的中繼距離長得多，見表1.4。目前，采用外調(diào)制技術(shù)，波長為1.55m的色散移位單模光纖通信系統(tǒng)，若其傳輸速率為2.5 Gb/s，則中繼距離可達(dá)150 km；若其傳輸速率為10 Gb/s，則中繼距離可達(dá)100 km。23 采用光纖放大器、色散補(bǔ)償光纖，中繼距離還可增加，見表1.5。而且，在表1.5中所列的中繼距離下，傳輸?shù)恼`碼率極低(10-9甚至更小)。復(fù)用技術(shù) 傳輸容量/Gbs-1 傳輸距離/km 跨距/km 研制單位 備注WDM 2017 2013