光纤通信与系统设计

1. 光纤通信与系统设计 主讲人：叶通 区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室 地址：电信楼群5-211 Tel：34204602 Email: yetong@sjtu.edu.cn Web: otip.sjtu.edu.cn/members/ye_tong.html

2. 课程助教 严慈朔 地址：电信楼群5-210 Email：ycs_super@sjtu.edu.cn 职责：批改作业、答疑、习题课、实验室参观讲解

3. 参考书 《光纤通信 (第三版)》Gerd Keiser著 电子工业出版社

4. 课程内容 1.概论 2.光纤的结构和导波原理和制造 3.光纤中的信号损伤 4.光源 5.光功率发射和耦合 6.光检测器 7.光接收机 8.数字光纤通信系统 9.模拟光纤通信系统 10.WDM概念和器件 11.光放大器 12.光纤通信网络 13.光纤通信测量

5. 第一章 概 述

6. 主要内容 • 光纤通信的历史 • 光纤通信的主要特征：优缺点 • 光纤通信系统的组成和分类 • 应用

7. 1.1 光纤通信的发展与现状 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、激光 传输媒介 有线通信：铜线电缆、光纤光缆 光纤通信系统：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，已成为通信网骨干

8. 光通信的基础：电磁波理论 电磁波：交变电场产生交变磁场，交变磁场激起交变电场 电场、磁场无限地交变产生形成电磁场 光也是一种电磁波 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

9. 电磁波谱 在电磁波谱中，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300 mm ~ 6×10−3mm。 发送信号的频率越高 (波长越短)，可载送的信息量就越多 常用通信光载波频率~190 THz

10. 通信用光波范围 • 光纤通信载波在167~ 375 THz之间(波段在0.8 mm~1.8 mm) • 0.8 mm ~ 0.9 mm称为短波段 • 1.0 mm ~ 1.8 mm称为长波段 • 2.0 mm以上称为超长波段 • 各种单位的换算公式

11. 最早的光通信 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”

12. 现代光通信的开端：第一个光电话系统 1880年贝尔发明了第一个光电话系统，通话距离213米 光源不行：普通光源强度和纯度都成为制约光通信发展的因素

13. 新阶段：大气激光通信 频率为100太赫兹的红宝石激光器[美国梅曼(Maiman)，1960] 激光器的发明和应用， 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 介质不行：大气通信受气象条件的影响，通信不稳定

14. 地下光通信 人们将研究的重点转入到地下，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验，但它们造价昂贵，调整、维护困难。 没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质 使光通信的研究走入了低谷

15. 光纤的雏形 1870年，英国物理学家丁达尔 太阳光随着水流发生弯曲 n水> n空气，光发生全反射 1953年，英国伦敦学院卡帕尼博士将此用于实际，发明了玻 璃光导纤维：芯层+包层 (n芯层>n包层) –光纤 1960年，最好的光纤损耗也在1000 dB/km，故它仅能用于 医疗，如内窥镜

16. 现代光纤通信的大发展：光纤损耗的解决 1966年英国标准电信研究所 光纤之父：高锟 研究对象：光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题 损耗原因：1) 玻璃纤维中含有过量的铬、铜、铁、锰、OH- 2) 光纤拉制工艺造成芯、包层分界面不均匀及其 所引起的折射率不均匀 新的发现：玻璃纤维在红外光区的损耗较小

17. 低损耗光纤的研制 1970年，美国康宁公司研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。 1973年，美国贝尔实验室的光纤损耗降低到2.5 dB/km。 1974年，贝尔实验室将损耗进一步降低到1.1 dB/km。 1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km (工作波长1.2mm)。 目前，波长为1.55 mm的标准光纤损耗为< 0.2 dB/km。

18. 半导体通信光源的出现 1970年，BellLab、日本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，成为光纤通信史上的里程碑。 1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。 1976年，日本NTT研制出波长为1.3mm的铟镓砷磷(InGaAsP)激 光器。 1977 年，BellLab研制的半导体激光器寿命达到10万小时。 1979年，AT&T和NTT研制成功波长为1.55mm的半导体激光器。

19. 光纤通信系统的发展 1976年，美国在亚特兰大进行世界上第一个实用光纤通信系统 的现场试验 1976年，日本进行了 34 Mb/s 的阶跃多模光纤通信系统试验 1978年，日本进行了100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统试验 1980年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用 1983年，敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线 1988年，美日英法建成第一条横跨大西洋海底光缆通信系统 1989年，建成第一条横跨太平洋 海底光缆通信系统

20. 当今世界范围的光纤通信系统

21. 光纤通信的四个发展阶段 第一代：1966~1979 (从基础研究到商业应用的开发时期) 激光器(GaAs)，波长0.8µm，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1km)，比特率为10~100Mb/s。多模色散和损耗是限制中继距离的关键。

22. 光纤通信的四个发展阶段 第二代：上世纪80年代早期 (减小了光纤色散) 激光器(InGaAs)，波长1.3µm，单模光纤，最大中继距离50km，比特率为2.0Gb/s。光纤的损耗(~0.5 dB/km)限制了中继距离。

23. 光纤通信的四个发展阶段 第三代：上世纪80年代后期初90年代初 (降低了光纤损耗) 激光器(InGaAsP)波长1.55µm，单模(色散位移)光纤，比特率为2.5~10Gb/s，最大中继距离100km。这个阶段的缺点是采用电的方式中继。

24. 光纤通信的四个发展阶段 第四代：上世纪90年代之后 (引入了WDM和全光放大技术) 激光器(InGaAsP)波长1.55µm，单模光纤，采用波分复用技术和光放大技术，单波长信道比特率为2.5~10Gb/s，传输距离14000 km，并提出光通信智能化的概念 WDM技术出现

25. 1.2 光纤通信的主要特性 大容量：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。 目前的光纤容量已经达到十多个Tb/s

26. 损耗低、中继距离长 中继站多：传输线路的成本高、维护不方便、运行不可靠 石英光纤在1.55 mm波长区的损耗可低到0.18 dB/km 例：同轴电缆通信的中继距离只有几公里 最长的微波通信是50公里左右 光纤通信系统的最长中继距离已达数千公里

27. 抗干扰能力强 现有的电通信系统无法令人满意地解决抗干扰问题。 例1：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 例2：据专家测算，如果在美国本土中心上空 463公里处爆炸 一颗原子弹，1秒钟内即可使全美所有的电缆通信系统 失效。但光纤通信线路却能基本不受影响 光纤为什么具有强抗干扰能力？ 1. 光纤属绝缘体，不怕雷电和高压 2. 电磁源干扰不了频率比它们高得多的光 3. 杰出的抗核辐射能力

28. 保密性强 电通信方式很容易被人窃听 1. 电缆通信：只要在电缆附近 (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。 2. 无线通信方式：无线电波在大气中传播，甚至充斥全球，很 容易被人窃听。 3. 密码学的发展使加密往往也无济于事 光纤通信是保密性能最好的通信方式之一 - 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，漏出包层的光微乎其微。

29. 体积小、重量轻 1千克高纯度石英玻璃  成千上万公里光纤 120吨铜和 500 吨铅  1000公里的 8 管同轴电缆 18管同轴电缆每米重11千克，而同等容量的光缆每米重90克 光纤体积小、重量轻、柔软易弯曲、铺设非常方便。

30. 光纤的原材料取之不竭 电线主材：铜、铅等有色金属，预计只够使用50年左右 光纤主材：普通的石英砂(SiO2)，它在地壳的化学成分中占了 一半以上，可以说是取之不尽、用之不竭

31. 其它优点 不怕腐蚀 耐高低温能力较强(-65~200度) 可实现多功能传输(同时传递话音、数据、图像等信息)

32. 缺点 • 1. 容易折断 (比如经常被挖断) • 2. 光纤连接困难 (断面是否垂直、焊接点是否有气泡等) • 3. 光纤通信过程中怕水、怕冰 (OH-根吸收增大损耗) • 4. 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

33. 1.3 光纤通信系统的构成和分类 主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。

34. 分类 根据调制信号的类型： 模拟光纤通信系统 数字光纤通信系统 根据光源的调制方式： 直接调制系统 间接调制系统 根据光纤的传导模数量： 多模光纤通信系统 单模光纤通信系统 根据系统的工作波长： 短波长光纤通信系统 长波长光纤通信系统 超长波长光纤通信系统

35. 1.4 光纤通信系统的应用 通信网络 公用电信网： 核心网、城域网 光纤接入网 无线通信网 海底光缆及洲际通信网

36. 能源系统 电力、煤炭系统的监视、控制和管理 抗干扰能力强 无源传感、宽带传输

37. 交通系统 铁路、地铁和高速公路通信及监控网络系统 铁路通信网特点： 1. 节点多，分支、插入话路频繁 2. 通信量大小不一，需求不同(传输电话、数据、图像) 3. 要求有强抗电磁干扰能力 除了光纤通信，没有哪一种通信方式能满足这些要求

38. 军事 光纤制导武器：光纤制导导弹、光纤制导鱼雷 需要获得实时的目标图像同时要求控制线轻巧 水下通信系统是扫雷舰与浮游载体之间的数据传输线路。 1. 浮游载体需要传回声纳信号和遥测信号(都是视频信号) 2. 舰体对浮游载体进行控制 雷达：要求保证雷达室与作战情报中心之间信息传输的抗干扰能力和保密性，要能保证作战情报中心的安全(长途控制)

39. 医疗器械 内窥镜 激光手术刀 激光手术中，有时需要手术的部位在人体腔道内， 这就要求激光能拐弯。目前大多数医疗激光可以通 过石英光纤来实现拐弯，因此激光手术刀又叫光纤 手术刀。

40. 机载电子

41. 实验室概况 实验室名称： 区域光纤通信网与新型光通信系统 依托单位： 上海交通大学、北京大学 主管部门： 教育部 1988年： 开始筹建 1995年9月： 通过国家验收 2002年3月： 通过国家评估 2007年3月： 通过国家评估 地点：电信楼群5号楼、物理系楼 研究方向：光网络结构 光传输与信号处理 光器件与光传感

42. 光网络与结构 3TNet 高性能宽带信息网 长三角示范工程 ASON testbed & GMPLS 自动交换光网络 （异构） 80×40 Gb/s 中国高速信息示范网 3 OADM 1 OXC STONETS 上海科技网升级改造 SHAONET 全光通信试验网 1997-1999 1999-2001 2001-2002 2002-2006

43. 光发射模块 100 GbE TWIN 可重构光分插复用器 光接收模块 光传输与光处理 光高速传输 (教育部自然科学一等奖) 网络子模块和子系统 (硅基)光信号处理 生物光电子

44. 掺铒光纤放大器 机械光开关 调制器 拉曼放大器 波分复用/解复用器 波长交错器 光开关 光器件与光传感