第 1 章 概论 杜云刚 ygdu2004@163.com 内蒙古工业大学物理系.

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1 第 1 章 概论 杜云刚 内蒙古工业大学物理系

2 第 1 章 概 论 1·1 光纤通信发展的历史和现状 1· 2 光纤通信的优点和应用 1· 3 光纤通信系统的基本组成
第 1 章 概 论 1·1 光纤通信发展的历史和现状 探索时期的光通信 现代光纤通信 国内外光纤通信发展的现状 1· 2 光纤通信的优点和应用 光通信与电通信 光纤通信的优点 光纤通信的应用 1· 3 光纤通信系统的基本组成 发射和接收 基本光纤传输系统 数字通信系统和模拟通信系统

3 什么是通信？ “通”传送，“信”信息；信息的传送 基本组成：发送、传输、接收 什么是光纤通信？ 利用激光作为信息的载波信号，并通过光纤来传送信息的通信。

4 1.1 光纤通信发展的历史和现状 探索时期的光通信 一.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

5 2008上海F1赛车

6 欧洲 17世纪中叶 望远镜 中国 光学天文望远镜 高8米，重40余吨，通光孔径2.4米 世界 夏威夷 凯克望远镜 主镜片由36块口径为1.8米的六 角形小镜片组成，组合后的效果相当于一架口径10米的反射望远镜。 射电望远镜 波多黎各 阿雷西沃无线探测仪 直径305米

7 直到今天，信号灯、旗语、望远镜等目视光通信的手段仍在使用，是原始的光通信，不能算作真正的光通信。
1791年，法国人发明了信号灯 “灯语” 红绿灯 直到今天，信号灯、旗语、望远镜等目视光通信的手段仍在使用，是原始的光通信，不能算作真正的光通信。

8 1880年，美国人贝尔发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。
Bell ，

9 Bells Photophone 1880 - Photophone Receiver
Photophone Transmitter “The ordinary man…will find a little difficulty in comprehending how sunbeams are to be used. Does Prof. Bell intend to connect Boston and Cambridge…with a line of sunbeams hung on telegraph posts, and, if so, what diameter are the sunbeams to be…?…will it be necessary to insulate them against the weather…?…until (the public) sees a man going through the streets with a coil of No. 12 sunbeams on his shoulder, and suspending them from pole to pole, there will be a general feeling that there is something about Prof. Bell’s photophone which places a tremendous strain on human credulity.” New York Times Editorial, 30 August 1880

10 贝尔光电话是现代光通信的雏型。 弧光灯 M A L 送话器 B N 证明了用光波作为载波传送信息的可行性 ;
受光源和传输介质的制约，传输距离很短，不实用。 贝尔光电话是现代光通信的雏型。

11 1925年1月1日，AT&T 与Western Electric 公司的工程研究开发部合并，成立了贝尔实验室。
任务是提供技术以创建世界上最先进的电信系统。 贝尔实验室自成立以来共推出27，000多项专利，现在平均每个工作日推出4项专利。 晶体管、蜂窝系统、激光器、太阳能电池和光纤等发明从此走出，这里也是UNIX操作系统和C语言的发源地。 贝尔实验室在1996年被迫纳入朗讯科技旗下 2006年朗讯与法国阿尔卡特公司合并

12 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。

13 1960年5月6日，他通过把红宝石棒放置在铝制圆柱体里的螺旋形闪光光源中间，成功地使红宝石棒发射出激光束。
西奥多·梅曼（Theodore Maiman）, 1927–2007 1960年5月6日，他通过把红宝石棒放置在铝制圆柱体里的螺旋形闪光光源中间，成功地使红宝石棒发射出激光束。

14 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。
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。 实验证明，用承载信息的光波，通过大气的传播，实现点对点通信是可行的，受气候影响十分严重。 雨衰减 30dB/km 雾、雪、大气灰尘、湍流等 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 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《光频介质纤维表面波导》 ，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。

16 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
贝尔实验室：光纤通信前景渺茫 1000dB/km 20dB/km

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18 1998年在英国接受IEE（英国电机工程师协会）授予的奖章

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21 1970年，光纤研制取得了重大突破 损耗系数 （dB/km）
Corning 的3位科学家Dr.DonalKeck,Dr.Bob Maurer, Dr.Peter Schultz于1970年研制出低损失光纤.

22 1970年，光纤研制取得了重大突破 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。
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)。

23 接近了光纤最低损耗的理论极限。 1976--1986 年中，波长为1.55 μm的光纤损耗： 1979 年是0.20 dB/km，

24 1970 年，光纤通信用光源取得了实质性的进展 1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。
　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。

25 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。
　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。 LED and optical fiber from the first practical optical telephone service, 1977 National Museum of American History 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

26 雏形：古代烽火、旗语、灯光 1880年 贝尔的光电话 激光器(发送源） 光纤(传输介质) 1960 Maiman发明红宝石激光器
1880年 贝尔的光电话 激光器(发送源） 光纤(传输介质) 1960 Maiman发明红宝石激光器 1962 半导体激光器诞生(GaAs 870nm) 70 年代室温工作LD (GaAsAI 850nm) 1300、1550nm 多模LD 单模LD 1951 医用玻璃纤维(损耗1000dB/km) 1966 高锟 理论预言 1970 康宁制出低损耗光纤 (20dB/km) 1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km) 低损耗窗口光纤开发 单模光纤

27 美国 GaAlAs LD MMF 44.736 Mb/s (672ch) 10 km 实用光纤通信系统的发展
1976 年，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。 GaAlAs LD MMF Mb/s (672ch) 10 km 1980 年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用。

28 1976 年, 32.064 Mb/s (480ch)、SIF 光纤通信系统;
日本 1976 年, Mb/s (480ch)、SIF 光纤通信系统; 1978 年， Mb/s (1440ch) 、GIF 光纤通信系统; 1983年,敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。 3400km、 Mb/s (5760ch) Gb/s (23040ch)

29 1988年,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。
TAT-8: first transatlantic fiber-optic cable (40000) TAT-1, the first transatlantic telephone cable, 1956 National Museum of American History (36)

30 1988年一个“敌人”让美国差一点就成了“聋子”。这个“敌人”便是美国AT&T公司推出的海底光缆。它一次可以让4万门电话同时通话，是当时全世界铜线海底电缆通话总量的5倍。能耐如此了得的最新通讯技术自然被各家纷纷看好。1991年，第一条跨太平洋光缆投入使用；1997年，英国旗帜通讯公司总长达2.74万公里的光缆把欧洲与北非、中东、南亚和日本完全连接起来。世界通讯可谓在一夜之间迈入了全新时代。

31 1989年,第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于建成。
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。

32 光纤通信的发展可以粗略地分为四个阶段： 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。 第四阶段(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。

33 WDM光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；新型的光器件
工作 波长 光纤 激光 器 比特率B 中继距离L 第一代70年代 850nm 多模 10～100Mb/s 10km 第二代80年代初 1300nm 单模 100Mb/s 1.7Gb/s 20km 50km 第三代80年代中～90年代初 1550nm 2.5Gb/s～10Gb/s 100km 第四代90年代 2.5Gb/s 10Gb/s 21000km（环路） 1500km 光放大系统 第五代 波分复用WDM 单路速率: 40,160,640Gb/s 信道数:8,16,64,128,1024 超长传输距离: 27000Km(Loop) 6380(Line) 目前研究内容 WDM光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；新型的光器件

34 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。

35 据PIDA（台湾光电协进会）表示，2011年全球光通讯市场产值成长了8%，达到271
据PIDA（台湾光电协进会）表示，2011年全球光通讯市场产值成长了8%，达到271.7亿美元的规模，其中光通讯组件占20%（约54亿美元）、光纤光缆占整体产值22%（约60亿美元）、光通讯设备则占了57%（约157.7亿美元）。 　　 　　光纤网络的建置对光通讯产业的发展有直接影响。据统计，2011年全球FTTx（包含FTTH以及FTTB）用户数可望挑战9000万户的水平，并于2014年成长到1亿6000万户的规模。 　　 　　其中，中国在十二五计划及三网融合的政策推动之下，使得中国在2011年第一季就已超越日本成为全球FTTx用户数最多的市场；在十二五规划以及三网融合与宽带光纤接入建设推动期间，预估光通讯建设的投资金额将达人民币6000亿元。

36 光纤通信的产业链 运营商 网络集成商 光纤预制棒 关键原材料 光纤 光无源器件 光有源器件 光传输/交换 设备 光缆 网络管理系统 测试设备

37 全球光纤通信主要供应商

38 Fiber Optic Lines in Central Philadelphia
TELECOM HOTEL SOURCE: CYBERGEOGRAPHY.ORG TSBIT nd Term, Electronic Commerce, Dr. Zhonghui Ouyang

39 TSBIT 2003-04 2nd Term, Electronic Commerce, Dr. Zhonghui Ouyang

40 Submarine Cables in North East Asia
TSBIT nd Term, Electronic Commerce, Dr. Zhonghui Ouyang

41 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。

42 中国的光纤通信 1963年 开始光通信的研究 1974年 研究光纤通信(低损耗光纤 )
1963年 开始光通信的研究 1974年 研究光纤通信(低损耗光纤 ) 70年代中期研制出低损耗光纤和室温下可连续发光的半导体激光器。 1979年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验系统 . 80年代末，我国的光纤通信的关键技术已达到国际先进水平。 1991年起，我国已不再建长途电缆通信系统

43 赵梓森( ) , 男, 1953 年毕业于上海交通大学电信系。曾任邮电部武汉邮电科学研究院总工程师兼副院长。现任高级技术顾问, 中国工程院院士, 中国通信学会会士、IEEE Fellow 、湖北省科协副主席, 武汉中国光谷首席科学家。

44 2012年国际光纤通信论坛演讲题目是“世界光纤通信新进展”
2007年 深圳 中国国际光电博览会

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46 “六五”、“七五”、“八五” “九五”铺设“八纵八横”光纤线路总长约20万公里(1997年).
第三纵：呼和浩特—太原—北海，线路全长3969公里。 第六纵：呼和浩特—西安—昆明，线路全长3944公里。 第一横：天津—呼和浩特—兰州，线路全长2218公里。   第五横：上海—武汉—重庆—成都，线路全长3213公里。

47 “八纵八横”的光缆干线传输网 1.八条纵向光缆干线     第一纵：牡丹江—上海—广州，线路全长5241公里。     第二纵：齐齐哈尔—北京—三亚，全长5584公里。     第三纵：呼和浩特—太原—北海，全长3969公里。     第四纵：哈尔滨—天津—上海，线路全长3207公里。     第五纵：北京—九江—广州，线路全长3147公里。     第六纵：呼和浩特—西安—昆明，全长3944公里。     第七纵：兰州—西宁—拉萨，线路全长2754公里。     第八纵：兰州—贵阳—南宁，线路全长3228公里。

48     2.八条横向光缆干线     第一横：天津—呼和浩特—兰州，全长2218公里。     第二横：青岛—石家庄—银川，线路全长2214公里。     第三横：上海—南京—西安，线路全长1969公里。     第四横：连云港—乌鲁木齐—伊宁，全长5056公里。 第五横：上海—武汉—重庆—成都，全长3213公里。     第六横：杭州—长沙—成都，线路全长3499公里。     第七横：上海—广州—昆明，线路全长4788公里。     第八横：广州—南宁—昆明，线路全长1860公里。

49 综合起来，列入“八纵八横”的光缆长度大约56000公里，没有列入“八纵八横”的光缆长度大约23000公里，总计在79000公里。
3．没有列入“八纵八横”的其它光缆：  （1）与干线配套的支线光缆。 （2）各业务量较大的相邻城市间的连接光缆。 （3）因为位置和走向特殊需要干线光缆。 （4）架空光缆。 综合起来，列入“八纵八横”的光缆长度大约56000公里，没有列入“八纵八横”的光缆长度大约23000公里，总计在79000公里。

50 传输码率：从140Mb/s~2.5Gb/s，10Gb/s，40Gb/s已开始研究。
DFB（量子阱）激光器和EDFA研制成功，可供应用 高速电子器件、波导器件尚有差距

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53 证券代码：600522 股票简称：中天科技 中天科技股份有限公司是我国第一家拥有完全自主知识产权的海底光缆生产商。拥有13台拉丝塔26条高速生产线，年生产能力1500万芯公里。 海底光缆一直有“光缆之王”之称。在中国形成批量生产能力之前，全世界只有美国、日本、法国等国家的十多家公司能够批量生产海底光缆。据了解，江苏中天科技的海底光缆进入市场后，法国阿尔卡特在上海装配的同类产品价格已由每公里近40万元人民币降至20多万元。

54 中天科技2012年光纤预制棒产能仅为200吨，预计到2013年初将达到400吨，2014年将达600吨，随着规模效应的显现，光棒贡献的利润将大幅增加。
中天科技所产光棒价格为160美元/公斤-170美元/公斤，由于2012年产能尚未完全释放导致设备折旧压力较大，光棒单位成本较高，约为145美元/公斤；随着 年公司光棒产能规模全面释放，规模效应显现，光棒单位成本将逐步下降到110美元/公斤、100美元/公斤，将为公司 年贡献毛利润2480万元、1.36亿元、2.42亿元。

55 我国光纤光缆事业的发展主要经历了启动、实用化和产业化、干线大建设与产业跟进、成为世界级制造大国共四个阶段。近年来，我国光纤光缆的技术成熟度不断提高，新产品层出不穷，价格日益下降，全行业在激烈的竞争中获得了新的发展。到2007年底，我国基础运营商建成光缆总长度达573.7万公里，所用光纤约1.26亿公里，加上广电、电力、石油及其它专用线路，全国光缆总长度约718.7万公里，用光纤约1.55亿公里。2006、2007年国内光纤光缆市场总需求分别为2500万芯公里和3300万芯公里。 随着产量和需求增长，光纤价格也不断下滑。

56 在产业链上，光缆方面，现在我国已拥有长飞、亨通、烽火、中天、汇源、永鼎、通光、富通等几大光缆企业，以及特发、成康、北康、凯乐、通鼎、侯马、华新、港龙、双塔、富春江、西古、华伦、华达、宏安、南方、法尔胜、天虹等一大批骨干企业。光纤拉丝方面，长飞、藤仓、上海光纤、烽火、富通、深圳阿尔卡特、法尔胜、中住、西古、亨通、中天等公司都已形成可观的规模生产能力，而且产品技术和质量已达国际先进水平。光纤预制棒方面，之前国内厂商主要依赖进口，长飞具有大预制棒的生产能力，但基本是自用；近年来富通在制棒技术和装置上有所突破，2008年10月又与日本住友合作；亨通光电等企业也开始研发试制光纤预制棒，预计未来预制棒制造方面会有乐观前景。

57 根据英国CRU国际分析公司2010年最新统计数据，2009年全球光缆的总产量是1

58 2010年，富通集团（成都）科技园项目正式落成，富通住电光缆（成都）有限公司开业，富通住电光纤(杭州)有限公司（富通出资占比49%）的预制棒投产。
2010年，亨通光电预制棒产品形成年产200吨的生产能力，实现了光纤预制棒的规模化生产。亨通光电与OFS合作设立了中美合资企业（亨通光电出资占比49%），主营为光纤预制棒的研发及生产、销售。 2011年5月，中天科技具有完全自主知识产权的光纤预制棒试生产成功，并已开始投入批量生产。 2011年11月，藤仓烽火光电材料科技有限公司（烽火通信参股40%）光纤预制棒生产基地在武汉开业投产，采用VAD工艺实现了年产500万芯公里的目标 。

59 2011年12月份，我国生产光缆1544万芯公里，同比增长60. 85 %。中商情报网数据显示：2011年1-12月，全国光缆的产量达1
2011年12月份，我国生产光缆1544万芯公里，同比增长60.85 %。中商情报网数据显示：2011年1-12月，全国光缆的产量达1.38亿芯公里，同比增长38.23%。 从各省市的产量来看，2011年1-12月，江苏省光缆的产量达4711.5万芯公里，同比增长40.46%，占全国总产量的34.15%。紧随其后的是浙江、广东和湖北，分别占总产量的19.94%、9.65%和8.04 %。

60 2012年全球光通信最具竞争力企业10强 《全球光纤光缆》：
康宁、长飞、普睿司曼、古河电工、亨通光电、烽火通信、住友电工、富通、斯德雷特、藤仓； 《全球光传输与网络接入设备》： 华为、阿朗、爱立信、中兴、富士通、诺西、烽火通信、日电、泰乐通信、讯远通信； 《光器件与辅助设备》： 菲尼萨、JDSU、安华高、住友、奥兰若、古河电工、富士通、光联、光迅科技、新飞通；

61 2012年中国光通信最具竞争力企业10强 《综合竞争力》：烽火科技、华为、中兴、亨通、中天、富通、永鼎、中利科技、特发信息、富春江光电；
《光纤光缆》：长飞、亨通、烽火通信、富通、中天、永鼎、通鼎、特发信息、通光集团、法尔胜光通信； 《光传输与网络接入设备》：华为、中兴、烽火通信、瑞斯康达、南京普天、武汉日电、华环、讯风、特发信息、高科通信； 《光器件与辅助设备》：光讯科技、武汉电信器件、昂纳、日海通讯、华工正源、光恒、中航光电、博创科技、恒宝通、易飞扬； 《市场最具品牌》：华为、烽火科技、中兴、上海贝尔、长飞、康宁、爱立信、诺西、JDSU、帝斯曼。

62 作业 阅读 《光纤通信的过去、现在和未来 》 《我在武汉邮科院亲身经历的故事 》
华中科技大学“科学精神与实践”讲座第158期赵梓森院士PPT 通信学会赵梓森的PPT 网络招聘 浏览国内光纤通信企业的招聘信息

63 在全球光传输榜单中，华为高居榜首，竞争力综合得分超出第二名阿尔卡特朗讯达29分。此榜单10强中分别来自6个国家：法国（阿尔卡特朗讯）、日本（富士通、日电）、瑞典（爱立信）、美国（泰乐、迅远通信）、芬兰（诺基亚西门子）、中国（华为、中兴、烽火通信），其中华为、中兴、和烽火通信分别位列第1名、第4名和第7名，烽火通信与上一届相比前进2名。在全球光纤光缆榜单中，10强席位由5个国家瓜分，分别是来自美国（康宁）、意大利（普睿司曼）、印度（斯德雷特）、日本（古河/OFS、住友电工）和中国（长飞、亨通、烽火通信、富通），其中长飞位列第2名，亨通和烽火通信分列第5名和第6名，富通首次进入榜单之中，并位列第8。在全球光器件10强榜单中，主要来自美国企业，占6席之多，中国企业只有光迅入围，位列第9名，其它3席来自日本。