第4章光纤通信系统

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1、第4章 光纤通信系统v4.1 光纤通信概述光纤通信概述v4.2 光纤与光缆光纤与光缆v4.3 光纤通信系统光纤通信系统v4.4 光纤通信新技术光纤通信新技术14.1 光纤通信概述v 光纤通信是以光波作为载体，以光导纤维作为传输媒介光纤通信是以光波作为载体，以光导纤维作为传输媒介的一种通信技术。光纤通信以其宽带、大容量、低损耗、长的一种通信技术。光纤通信以其宽带、大容量、低损耗、长中继、抗电磁干扰、体积小、重量轻、便于敷设等优点，成中继、抗电磁干扰、体积小、重量轻、便于敷设等优点，成为当代长途通信最主要手段。为当代长途通信最主要手段。v 本章首先对光纤通信的发展历史做出回顾，然后对光纤通本章首先

2、对光纤通信的发展历史做出回顾，然后对光纤通信的特点进行说明，重点阐述光纤的结构、分类、光波传输信的特点进行说明，重点阐述光纤的结构、分类、光波传输机理以及光纤通信系统各组成部分的工作原理。最后，简要机理以及光纤通信系统各组成部分的工作原理。最后，简要介绍了一些光纤通信新技术。介绍了一些光纤通信新技术。2 光通信光通信可以上溯西周时期建立的烽火台作为军事报警设施，下及当今指挥城市交通的信号灯和航海中使用的灯塔。 光通信光通信可以上溯西周时期建立的烽火台作为军事报警设施，下及当今指挥城市交通的信号灯和航海中使用的灯塔。 传输距离短光通信的缺点光通信的缺点传递信息量少 为了使光通信光通信延长传输距离

3、和增加传递信息内容，1792年，法国工程师Claude Chappe（却柏）发明了采用机械臂编码来传输信息的光电报，利用中间接续站（现在通信术语称为中继站）可以实现超过100km的通信。 1794年，世界上第一个光电报在法国的两个城市巴黎和里尔投入商用，从而实现了相距200km的通信。图1-1给出了Claude Chappe及其发明的光电报的示意图。从中可以看到这个光电报通过转动机械臂角度发出了一条由CH 、A、 P、 P 、E 5个字母组成的消息。这个非常有趣的消息恰好就是光电报发明人的名字 Chappe。自1794年到1830年为止，法国光电报系统从巴黎延伸到意大利、德国、比利时的边界。光

4、电报系统是一种视距通信，其系统十分简单、传输距离和传递信息量少，而其系统十分简单、传输距离和传递信息量少，而且保密性差。且保密性差。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”,通话距离达到213米。光电话原理图光电话原理图光源 透镜送话器反射镜震动片光敏电池 贝尔用弧光灯或者太阳光作为光源，光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上。当人对着话筒讲话时，震动片随着话音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化，从而使话音信息“承载”在光波上（这个过程叫调制调制）。 在接收端，装有一个抛物面接收镜，它把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上，硅光电池将光能转

5、换成电流（这个过程叫解调解调）。电流送到听筒，就可以听到从发送端送过来的声音了。 接收镜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1、为什么光通信传输的距离非常有限，这主要是因为，这种传输方式里面的传输介质传输介质是“大气”，损耗大，如果碰上雨、雪甚至雾霾天气，信号甚至可能会中断。 更深层次的原因，我们现代人都已经知道了，是因为光是一种“波”，且波长很短（0.40.7 m ），它很容易被大气中的“尘埃粒子”所阻挡。2、另外，Bell的光电话是利用自然光（光源光源）作为载波，这种光的频率和相位杂乱无章，不能用于大容量的通信。3、能否建立“光通道”如“波导管”式的东西以减少损失（损耗

6、）呢？是否可以找到新型的光源呢？ 研究人员曾经将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验，但由于造价太高而出现了夭折，致使光通信发展一度出现长期的低迷状态。 受英国物理学家John Tyndall（约翰）在1870年做的”光可以在水流柱里传输”的影响，在1920-1950期间,人们发现在纤细的、有柔韧性的玻璃中和塑料光纤可以用于导光。 终于在1950年，有人采用“玻璃纤维”传输光，但损耗达到了1000dB/Km，即在1Km的长度上传输，损耗达到10100倍，这个数值显然是太大了。 真正的奇迹是在1966年才出现。 1966年，英籍华裔学者高锟高锟(C.K

7、.Kao)(C.K.Kao)及其同事霍克哈姆(C.A.Hockham)在其发表的研究论文中指出，“玻璃纤维”的严重损耗是由其里面所含杂质（如铜、铁、铬等金属离子）太多及石英玻璃拉制工艺的不均匀性产生的。论文介质纤维表面光频波导明确提出：1、如果能将光纤中过渡金属离子减少到最低限度，并改进制造工艺，有可能使光纤损耗降到最低（预见可减小到20dB/km以下）；2、光纤可以实现高速通信；3、给出了光纤原始结构。 高锟(C.K.Kao)博士上述发现的重要意义在于：指出了光纤高损耗的真正来源以及研制通信光纤的正确方向。这一发现直接导致了在其后数年内通信光纤制造领域所发生的质的飞跃，以及光纤通信产业的迅速

8、兴起。光纤通信发明家高锟(左)1998年在英国接受IEE授予的奖章；并于2009年，获得诺贝尔物理学奖。获得诺贝尔物理学奖。19701970年，光纤研制取得了重大突破年，光纤研制取得了重大突破 美国康宁玻璃公司1970年首先研制出衰耗20dB/km的光纤。光纤通信正式开始！ 据说康宁公司花费3000万美元，得到30米光纤样品，认为非常值得。这一突破，引起整个通信界的震动，世界发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km4dB/km。1973年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km2.5dB/km。1974 年降低到1.1

9、dB/km1.1dB/km。1976年，日本电报电话（NTT）公司将光纤损耗降低到0.47dB/Km0.47dB/Km（波长1.2 m ）。在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗： 1979 年是0.20 dB/km0.20 dB/km， 1984年是0.157 dB/km0.157 dB/km， 1986 年是0.154 dB/km0.154 dB/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。 19701970年开始，光纤研制取得了重大突破年开始，光纤研制取得了重大突破 1960年，美国人梅曼(T. H. Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红宝

10、石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光。 1965年，第一台可产生大功率激光的器件-二氧化碳激光器诞生。 1967年，第一台射线激光器研制成功。 激光器的发明和应用，使沉睡了激光器的发明和应用，使沉睡了8080年的年的光通信进入到了一个崭新的阶段。光通信进入到了一个崭新的阶段。 在光纤突飞猛进的同时，光源光源的研究工作也有了起色4.1.1 光纤通信发展简史1919601960年，美国加州休斯实验室第一台固体红宝石激年，美国加州休斯实验室第一台固体红宝石激光器光器19611961年，美国贝尔实验室氦年，美国贝尔实验室氦- -氢气体激光器氢气体激光器19

11、661966年，高锟提出带有包层材料的石英玻璃光纤年，高锟提出带有包层材料的石英玻璃光纤19701970年，美国康宁玻璃公司首次制成了损耗仅为年，美国康宁玻璃公司首次制成了损耗仅为20dB/km20dB/km的低损耗光纤的低损耗光纤19701970年，美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光器年，美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光器光纤通信发展简史（续）2019741974年，美国贝尔实验室制造出年，美国贝尔实验室制造出1dB/km1dB/km损耗的低损耗损耗的低损耗光纤。光纤。 至此制约光纤通信的两个关键问题，至此制约光纤通信的两个关键问题，光源光源和和传输传输媒介媒介问题完全得到解决。光纤通信的普及