光纤通信与系统设计 主讲人：郭 薇 上海交通大学电子信息与电气工程学院 区域光纤与新型光通信系统国家重点实验室

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1 光纤通信与系统设计 主讲人：郭 薇 上海交通大学电子信息与电气工程学院 区域光纤与新型光通信系统国家重点实验室
主讲人：郭 薇 上海交通大学电子信息与电气工程学院 区域光纤与新型光通信系统国家重点实验室 Homepage: Tel: Office: SEIEE 5-515

2 教学目的 理解和掌握光纤通信系统的基本原理与基础知识；概括地了解光纤通信的最新发展、成果及前沿研究；
为进一步深造及从事相关领域的研究奠定基础。

3 教材及参考书 教材： 李玉权等译（[美] Gerd Keiser著）“光纤通信（第三版）” ，电子工业出版社，2002年7月。 参考书：
《Fiber-Optic Communication System》, Third Edition, J.P.Agrawall 《光纤通信》，原荣 编著，电子工业出版社，2006年9月 《光纤通信原理》，袁国良，清华大学出版社，2004年8月

4 课程内容及安排 概论 (2) 光纤光缆技术 (4) 光电器件-光源(2) 无源器件、光放大器(6) 光纤通信设备(6)
——光发射机、光接收机、光检测器 光纤通信系统(4) ——数字传输系统、模拟传输系统 光纤通信网络（8） ——SDH、WDM、ASON

5 第一章 概 述 1.1 光纤通信的发展与现状 1.2 光纤通信的主要特性 1.3 光纤通信系统的组成和分类

6 1.1 光纤通信的发展与现状 1.1.1 什么是光纤通信？ 通信系统：将信息从一处传到另一处的全部技术设备和信道（传输媒介）的总和。
1.1 光纤通信的发展与现状 什么是光纤通信？ 通信系统：将信息从一处传到另一处的全部技术设备和信道（传输媒介）的总和。 无线通信：微波、卫星…… 传输媒介 有线通信: 铜线电缆、光纤光缆 光纤通信：利用光纤光缆传输光波信号的通信方式。 优点：价格便宜，线路损耗低、频带宽。是现代通信网的骨干。

7 电磁波 麦克斯韦1865年发表电磁场理论 赫兹1888年实验 证实电磁波存在 电磁波——交变的电场会产生交变的磁场，交变的磁场又会激起交变的电场，这种电场、磁场无限地交变产生，合称电磁场。这种交变的电磁场会在空间以波的形式由近及远地传播开去，这就是电磁波。 ——光也是电磁波

8 电磁频谱：电磁波的波长范围 光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300μm～6×10−3μm。
发送信号的频率越高（波长越短）， 可载送的信息量就越多

9 光纤通信的光波波谱 光纤通信的波谱在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之间，即波长在0.8μm～1.8μm之间，属于红外波段，将0.8μm～0.9μm称为短波长，1.0μm～1.8μm称为长波长，2.0μm以上称为超长波长。 表1-1 各种单位的换算公式 c＝3×108m/s 1MHz（兆赫）＝106 Hz λ＝c/f 1GHz（吉赫）＝109 Hz 1μm（微米）＝10−6m 1THz（太赫）＝1012Hz 1nm（纳米）＝10−9m 1PHz（拍赫）＝1015 Hz 1Å（埃）＝10−10m

10 早期的光通信 公元前 11世纪，西周王朝，烽火台 白天点狼粪，晚上燃柴火——“狼烟四起”

11 在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。
到了1880年，贝尔发明了第一个光电话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。 图1.1 贝尔电话系统 在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。

12 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，它具有亮度高、谱线窄、方向性好，但通信不稳定。
1960年，大气光波通信 图1.2 红宝石激光器[美国梅曼(Maiman)，1960] 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，它具有亮度高、谱线窄、方向性好，但通信不稳定。

13 在大气光通信受阻之后，人们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。
光波地下传输 在大气光通信受阻之后，人们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。 图1.3 反射波导和透镜波导

14 ——红宝石激光器、贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，遇到下雨下雪天也有影响。
——反射波导和透镜波导造价昂贵，调整、维护困难。 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。

15 现代光纤通信 1953年，英国伦敦学院卡帕尼博士首次发明了用极细的玻璃制作的光导纤维：芯层+包层。芯层的折射率大于包层，光在其中做全反射。 1960年左右，最好的光纤损耗也在1000 分贝/公里 (dB/km)。由于，损耗很大，它最初被用于医疗，如内窥镜。

16 光纤之父： 英籍华人高锟(K.C.Kao)博士 工作地点：英国标准电信研究所

17 高锟(左)从瑞典国王手中接过2009诺贝尔物理学奖
1966年，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《用于光频的光纤表面波导》, 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, 奠定了现代光通信——光纤通信的基础。

18 1970年起，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。
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)。 目前，波长为1.55 μm的光纤损耗< 0.2 dB/km，已接近了光纤最低损耗的理论极限。

19 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。

20 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。 1988年由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统建成。 1989年第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统建成。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。

21 当今世界范围的光纤通信系统 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 海底光缆及洲际通信网

22 1.1.5 光纤通信的四个发展阶段 第一代：从基础研究到商业应用的开发时期 (1966~1979)
光纤通信的四个发展阶段 第一代：从基础研究到商业应用的开发时期 (1966~1979) 激光器 (GaAs) 波长0.8 µm，多模光纤，最大中继距离10 km (当时的同轴电缆系统中继距离为1 km)，比特率在10~100 Mb/s。多模色散和损耗是限制中继距离的关键。

23 第二代：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 (上世纪80年代早期)
激光器 (InGaAs) 波长1.3 µm，单模光纤，最大中继距离50 km，比特率2.0Gb/s。光纤的损耗限制了中继距离，当时的损耗为 ~0.5 dB/km。

24 第三代：进一步提高传输速率和增加传输距离的时期 (上世纪80年代后期初90年代初)
激光器 (InGaAsP) 波长1.55µm，单模 (色散位移) 光纤，比特率2.5~10 Gb/s，最大中继距离100 km。这个阶段的缺点是采用电的方式中继。

25 第四代：以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力发展下一代光通信系统时期 (上世纪90年代之后)
激光器 (InGaAsP) 波长1.55 µm，单模光纤，采用波分复用技术和光放大技术，单个波长信道比特率2.5~10 Gb/s，传输距离14000 km OBS技术 ASON技术 OTN技术…… WDM技术出现 目前，工作波长已扩展为1350～1650nm，单路速率 40Gb/s, 160Gb/s, 640Gb/s 信道数8，16，64，128，1022，传输距离27,000km(Loop)，6,380km(Line)

26 1.2 光纤通信的主要特性 1.2.1 光纤通信的优点 1. 光纤的容量大——“超高速公路”
1.2 光纤通信的主要特性 光纤通信的优点 1. 光纤的容量大——“超高速公路” 马路越宽，容许通过的车辆越多，交通运输能力也越大。 如果把通信线路比作马路，那么应该说是通信线路的频带越宽，容许传输的信息越多，通信容量就越大。

27 光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统，其载波—光波具有很高的频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信容量。
目前的光纤容量已经达到十多个Tbit/s

28 2. 损耗低、中继距离长——“长跑健将” 信号在传输线上传输，由于传输线本身的原因，强度将逐渐变弱，而且随着传输距离的增加，这种衰减会越来越严重。因此，长距离传输信息必须设立中继站，把衰减了的信号放大以后再转输。中继站越多，传输线路的成本越高，维护越不方便，运行越不可靠。 中继站的多少取决于中继距离的长短，中继距离的长度又受传输线路损耗的限制。

29 目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在1. 55μm波长区的损耗可低到0
目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低得多，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得多。 例如，同轴电缆通信的中继距离只有几千米，最长的微波通信是 50 千米左右，而光纤通信系统的最长中继距离已达 300千米。

30 如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长(＞2μm)，光纤的理论损耗系数可以下降到10-3～10-5dB/km，此时光纤通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。那在许多情况下，通信线路中就可以不设中继站了。这对越洋通信意义尤其重大，因为在海底设立中继站，不仅使线路成本大为提高，也大大增加了维修工作的困难。

31 3. 抗电磁干扰能力强 我们知道，电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁化路附近铺设。任何通信系统都应具有一定的抗干扰能力，否则无法保证通信工作的可靠和稳定。最主要的干扰是电磁干扰。天然的电磁干扰包括雷电干扰、电离层的变化和太阳核子活动引起的干扰，人为的电磁干扰有电动机、高压电力线造成的干扰等。这些干扰都必须认真对待。现有的电通信系统无法令人满意地解决这个问题。

32 光纤通信具有怎么样的抗干扰能力呢？第一个原因是光纤属绝缘体，不怕雷电和高压；另一个原因是光纤中传输着频率极高的光波，各种干扰源的频率一般都比较低，干扰不了频率比它们高得多的光。还有一种重要的干扰源是原子辐射。据专家们测算，如果在美国本土中心上空 463 千米处爆炸一颗原子弹，1 秒钟内即可使全美国未暴露的通信电缆，包括地面、飞机、舰艇等上面的通信电缆全部失效，通信中断，但光纤通信线路却照样畅通无阻，基本不受影响。

33 4. 保密性能好——“安全保密员” 对通信系统的重要要求之一是保密性好。然而，随着科学技术的发展，电通信方式很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近(甚至几公里以外)设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。更不用去说无线通信方式，因为无线电波在大气中传播，甚至充斥全球，很容易被人窃听。即使用了加密往往也无济于事，因为密码分析或密码破译已成为一门科学。

34 光纤通信是保密性能最好的通信方式之一，这是因为光在光纤中传输时不会跑出光纤和向外辐射电磁波。即使在拐弯非常厉害的地方，漏出的光也微乎其微，而且如果在光纤表面再涂上一层吸光剂，那连这样的“漏网之鱼”也休想溜走。任凭你采用什么办法，也不能在光纤外面搜集到光纤里面的“情报”。光纤通信真是一位“守口如瓶”、“滴水不漏”的“保密员”。

35 5. 体积小，重量轻 1 千克高纯度石英玻璃可以拉制成千上万千米光纤，而制造 1000 千米的 8 管同轴电缆却需要消耗120吨铜和 500 吨铅。18 管同轴电缆每米重 11 千克，100 芯铅皮对称电缆每米重 2.9 千克，而同等容量的光缆每米只有90克重。 光纤不仅体积小、重量轻，而且很柔软，可以自由弯曲，铺设非常方便。可广泛应用于航天航空、汽车电子等领域。

36 6. 节省有色金属和原材料 电线要用铜、铅等有色金属材料来制作，制作光纤的原材料却是普普通通的石英砂。铜是一种很重要的战略金属，地球上的储量按目前的开采速度估计，只够使用 50年左右。而二氧化硅，在地壳的化学成分中占了一半 以上，真正可以说是 取之不尽、用之不竭 的。

37 7.其它 光纤还有其他一些优良特性，也为普通金属导线所不及。它不怕潮湿和腐蚀，可以架在空中，也可埋入地下；它有较高的抗拉强度，与铁接近，比铜还高得多；它有较强的耐高低温能力，从 - 65 ~200°C，在一般的飞机、舰艇和车辆上都可使用；它可实现多功能传输，同时传递话音、数据、传真、图像等各种信息。

38 1.2.2 光纤通信的缺点 事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点。
光纤通信的缺点 事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点。 抗拉强度低，容易折断 (比如经常被挖断) 光纤连接困难(断面是否垂直、焊接点是否有气泡等) 光纤通信过程中怕水、怕冰 (OH-根吸收增大损耗) 光纤怕弯曲 (导致损耗增加) 案例：新疆某地区大雪导致光纤故障 (2006年10月报道) 原因：光缆没有防护好被冰雪包裹，并由于冰雪压力和热胀 冷缩导致光纤弯曲

39 1.3 光纤通信系统的组成和分类 1.3.1 光纤通信系统的组成
1.3 光纤通信系统的组成和分类 光纤通信系统的组成 光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。

40 系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，如果是直接强度调制可以省去调制器。

41 光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。它一般由光电检测器和解调器组成，对于直接强度调制解调器可以省略。
光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介(信道)，将光信号由一处送到另一处。 中继器分为电中继器和光中继器(光放大器)两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。

42 1.3.2 光纤通信系统的分类 根据调制信号的类型，光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。
光纤通信系统的分类 根据调制信号的类型，光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。 根据光源的调制方式，光纤通信系统可以分为直接调制光纤通信系统和间接调制光纤通信系统。

43 根据光纤的传导模数量，光纤通信系统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤通信系统。
根据系统的工作波长，光纤通信系统可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤通信系统和超长波长光纤通信系统。

44 1.3.3 光纤通信系统的应用 1. 光纤通信网 光纤公用电信网：核心网、城域网
光纤通信系统的应用 1. 光纤通信网 光纤公用电信网：核心网、城域网 我国市内电话光缆传输试验从 1978 年开始。目前，公用电信网的传输线基本上均是采用光纤光缆连接。 光纤局域网 光纤宽带网 光纤接入网 无线通信网 海底光缆及洲际通信网

45 2. 能源、交通和其他 电力系统的监视、控制和管理：由于使用了光纤，不受强电磁干扰，不仅信息传输量增大，而且工作更加可靠。传输信息用的光纤，可以放在输电线、地线的中心，不受干扰，施工方便。用电设备观测雷击很困难，因为雷击对电设备也可能造成破坏。而用光纤却可以直接观测雷击现象，观测装置由检测器、光纤和观测记录仪等组成。雷击时位于铁塔上的检测器产生瞬间高电压，由于是光纤传输，对观测记录仪不会造成影响。 煤炭系统的监视、控制和管理： 电监控系统信号均为电信号，在含瓦斯高的矿井中容易引起爆炸。因此，如果考虑安全因素，电信号功率不能太大，这又导致传输距离受限。而如果采用光纤系统，很多设备可以无源化，即保证了安全，又能实现远距离监控。

46 铁路通信网 铁路通信网是直接为铁路运输调度服务的独立通信网。它具有结点多，分支、插入话路频繁，通信容量有大有小，通信距离长短不一，组网方式多种多样，传输信号种类各异等特点。电气化铁路对通信要求：通信容量要大，不受电力机车强电磁干扰，传输电话、数据以外还要传输列车运行的长距离无人监控图像信号。除了光纤通信，没有哪一种通信方式能满足这些要求。 地铁控制系统 高速公路监控系统

47 3. 军事 战术通信主要有两种系统：一种是本地分配系统，包括战地指挥所的布线，兵器之间的连接，野战计算机的互连，以及基地信息传输系统等；一种是长距离战术通信系统，一般通信距离超过 1千米。 水下通信系统是扫雷舰与浮游载体之间的数据传输线路。扫雷舰的主要任务是清扫航道上的水雷，而利用浮游载体扫雷最为安全而可靠。扫雷舰与浮游载体之间连着 3根光纤：一根光纤把水下浮游载体探测到的声纳信号和遥测信号（都是视频信号）传给舰船；另一根光纤用来传输舰船给水下浮游载体的控制信息；第三根光纤备用。光纤反潜战网络，也就是把光纤传输线路与水听器相连，把监测到的敌潜声音信号通过光纤传输到舰上或岸上信息处理中心，以便确定作战方案。光纤用于水下通信，探测的灵敏度高，传输的信息量大，抗各种干扰的能力强，而且重量轻、浮力大。

48 航空母舰：机载通信、舰载通信。 雷达：在雷达室与作战情报中心之间传输信息，不仅改善了抗干扰能力和保密性能，而且还能更好保证作战情报中心的安全。 光纤制导武器主要包括光纤制导导弹和光纤制导鱼雷。它用光纤传输目标图像，制导精度高，导弹射程远，而且更安全可靠，是一种由射击手控制的人工智能武器。

49 4. 医学应用 利用传光束的照明器和测氧计 利用传像束的内窥镜 激光手术刀。

50 5. 机车电子

51 6. 宽带应用－三网融合 三重播放业务的驱动(3 Play: 数据＋IP 视频＋宽带语音): 带宽需求大量增长
支持单播业务和组播业务的高效率传送 支持接入技术的不断演进 (例如： ATM 转向 Ethernet) 对语音和视频业务提供高可靠性的传送保障 商业用户业务的演进： IP-VPN, 以太网VPNs, 存储区域网络SAN 高带宽的业务需求 提供网络高可用性和高安全性 业务的快速提供和端到端管理及故障定位 固定/移动网络的融合: 公共的网络汇聚层 (在网络L2/L1/L0提供业务疏导) 支持接入技术的不断演进 (e.g., TDM to Ethernet for WiMAX) 减少独立的骨干网络数量，优化网络结构，降低网络建设维护成本 卓越的多层业务OAM，提供高可用性和可恢复的网络支持 WiMAX: e 51

52 目前的叠加的城域传送网 汇聚 Aggregate 接入/Access 边缘Edge/核心Core Wireless 城域传送
Metro Transmission 核心传送 Core Network Transmission FE Wireless IP/MPLS 业务路由器 Service Router 3G 核心网3G Core Network 传送节点 Node-B WiMAX E1 语音/Voice STM/OC IP-DSLAM N x GE FTTx GE DSL 视频/Video 数据/Data RNC SGSN GGSN Transmission Node SDH 环 SDH 以太网交换机 Ethernet Switch 端局CO SDH/环 SDH Ring SDH/MSTP BRAS

53 长三角地区试验网（一期） Each user can possess about ~50 Mb/s bandwidth.
One user can enjoy 1 HDTV channel with 25 Mb/s, 2 SDTV channels with 14 Mb/s, and 9 Mb/s high speed Internet simultaneously. Users can enjoy 101 DTV/HDTV and 2000 interactive VODs e-health, e-learning, e-show, e-science …… ASON ACR ACR 10GE EMD GE RIU FE

54 作业： 你眼中的光通信系统 —— XXXXXX 提示： 光通信技术存在的问题？研究进展？ 光通信在XXX行业中的应用？存在问题？研究进展？