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1、光纤通信光纤通信1.1.概论概论 2.2.光纤和光缆光纤和光缆3.3.通信用光器件通信用光器件4.4.光端机光端机5.5.数字光纤通信系统数字光纤通信系统6.6.模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统7.7.光纤通信新技术光纤通信新技术8.8.光纤通信网络光纤通信网络11 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信 1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状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纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信与电通信光通信与电通信 1.2.2 光纤通信的优点光纤通信的优点 1.

2、2.3 光纤通信的应用光纤通信的应用1 3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 1.3.1 发射和接收发射和接收 1.3.2 基本光纤传输系统基本光纤传输系统 1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统和模拟通信系统第第 1 章章 概概 论论返回主目录1.1 光纤通信的发展与现状光纤通信的发展与现状传输媒介传输媒介光纤通信系统光纤通信系统：利用光纤光缆传输光波信号的通信方式：利用光纤光缆传输光波信号的通信方式。优点：优点：价格便宜，线路损耗低、频带宽，已成为现代通信网价格便宜，线路损耗低、频带宽，已成为现代通信网 的骨干的骨干。无线通信：微波、卫星、激光无线通信：微波、卫星、

3、激光有线通信：铜线电缆、光纤光缆有线通信：铜线电缆、光纤光缆通信系统：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(传输媒介传输媒介)的总和的总和。在电磁波谱中，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波在电磁波谱中，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：长范围为：300 m mm 6103 m mm。1019 1017 1016 1015 1014 1013 1012 1010 109 108 107 106 105 104 103 102 10110-10 10-910-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-

4、1 100 101 102 103 104 105 106 107 1nm 1m mm 1mm 1m 1km1埃埃 X光 X光(伦琴射线)(伦琴射线)紫外线紫外线 可见光可见光近红近红外线外线远红远红外线外线米波米波电视电视发射 发射 用 用无线电广播无线电广播 发射用 发射用超声波超声波音 频音 频光通信光通信微波微波频率(Hz)波长(m)(1T)(1G)(1M)(1k)1011 1018 f f射频射频c=3108 m/s1MHz（兆赫）（兆赫）106 Hzl l=c/f1GHz（吉赫）（吉赫）109 Hz1 m mm(微米微米)=106 m1THz（太赫）（太赫）1012 Hz1 nm(

5、纳米纳米)=109 m1(埃埃)=1010 m 光纤通信的波谱在光纤通信的波谱在1.671014 Hz 3.751014 Hz之间，之间，即波长在即波长在0.8 m mm 1.8 m mm之间，属于红外波段；将之间，属于红外波段；将0.8 m mm 0.9 m mm称为短波长，称为短波长，1.0 m mm 1.8 m mm称为长波长，称为长波长，2.0 m mm以以上称为超长波长。上称为超长波长。1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信 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。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”。贝尔光电话是现

6、代光通信的雏型贝尔光电话是现代光通信的雏型。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。但是，普通光源强强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。但是，普通光源强度和纯度都成为制约光通信发展的因素。度和纯度都成为制约光通信发展的因素。1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用，激光器的发明和应用，使沉睡了使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段年的光通信进入一个崭新的阶段。在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激光器

7、进行了大气激光通信试验大气激光通信试验。大气光通信受阻，人们将研究的重点转入到地下光波通大气光通信受阻，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。但反射波导和透镜波导造价昂贵，调整、维护困难。验。但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。因因21nn 时，折射时，折射角要比入射角大，当折射角角要比入射角大，当折射角t达到达到 90o时，入射光沿交时，入射光沿交界面向前传播界面向前传播，此时的入射此

8、时的入射角称为临界角角称为临界角c，并由下，并由下式给出式给出 12ctcsinsinsinnn ikrktktc临界角临界角cii21nn 21nn光纤波导传输光的原理光纤波导传输光的原理-临界角临界角n2n1nr()r包层纤芯2a2amm=1001402bmm=2bSiO2SiO2GeO2+光纤是一种光纤是一种纤芯折射率纤芯折射率比包层折射比包层折射率高的同轴率高的同轴圆柱形电介圆柱形电介质波导质波导 阶跃阶跃(SI，Step Index)多模光纤折多模光纤折射率射率 n1在纤在纤芯保持不变，芯保持不变，到包层突然到包层突然变为变为 n2阶跃多模光纤结构阶跃多模光纤结构 1.1.2 现代光

9、纤通信现代光纤通信 1966年，英籍华裔学者英籍华裔学者高锟高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，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光纤通信的基础。指明通过指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离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通信使用的低损耗光纤”这一发展方向这一发展方向损耗原因：损耗原因：1)1)玻璃纤维中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属玻璃纤维中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属 离子和其他杂质；离子和其他杂质；2)2)拉制光纤工艺造成芯、包层拉制光

10、纤工艺造成芯、包层 分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀光纤通信发明家光纤通信发明家高锟高锟(左左)2019年在英国接受年在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章 1970年，年，光纤光纤研制取得了重大突破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。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。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

11、电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗：1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 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。全全 波波 光光 纤纤120014001600 衰衰减减波波长长0.10.20.30.51700150013000.40.6窗窗口口OSCLUE(dB/km)(nm)光纤在光纤在 1 280 nm 1 620 nm的近红外波段，具有的近红外波段，具有 6个传输窗口，采用密个传输窗口，采用密集波分复用技术，这集

12、波分复用技术，这 6 个窗口从理论上讲可以提供多达个窗口从理论上讲可以提供多达 10 000 个信道。个信道。WDMWDM和和常常规规的的光光通通信信系系统统的的比比较较常规的光通信系统常规的光通信系统DWDM光通信系统DWDM光通信系统光线路系统光线路系统复用/解复用复用/解复用终端1终端1终端2终端2终端N终端N终端1终端1终端2终端2终端N终端N 光线路系统 光线路系统复用/解复用复用/解复用光线路系统中继器光线路系统中继器终端1终端1终端2终端2终端N终端N终端1终端1终端2终端2终端N终端N 1970 年，光纤通信用年，光纤通信用光源光源取得了实质性的进展取得了实质性的进展 1970

13、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 m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 m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，使由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970

14、 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑年成为光纤通信发展的一个重要里程碑 实用实用光纤通信系统光纤通信系统的发展的发展 1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验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34 Mb/s的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100 Mb/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。随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。第一条横跨太

15、平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于1989年建成。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。2019年阿尔卡特在 C 波段和 L 波段成功地进行了10.2 Tb/s(25642.7 Gb/s)距离为 3100 km 的传输试验。当今世界范围的光纤通信系统当今世界范围的光纤通信系统光纤通信的发展可以粗略地分为四个阶段光纤通信的发展可以粗略地分为四个阶段：第一阶段(19661976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。激光器激光器(GaAs)波长波长0.8 m，多模光纤，最大中继距离，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当时的同

16、轴电缆系统中继距离为1 km)，比特率在，比特率在10100 Mb/s。多模色散和损耗是限制中继距离的关键。多模色散和损耗是限制中继距离的关键。第二阶段(19761986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。激光器激光器(InGaAs)波长波长1.3 m，单模光纤，最大中继距离，单模光纤，最大中继距离50 km，比特率，比特率140565Mb/s。光纤的损耗限制了中继距离，。光纤的损耗限制了中继距离，当时的损耗为当时的损耗为 0.5 dB/km。第三阶段(19862019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。激光器激光器(InG

17、aAsP)波长波长1.55m，单模，单模(色散位移色散位移)光纤，比特光纤，比特率率2.510 Gb/s，最大中继距离，最大中继距离100 km。这个阶段的缺点是采。这个阶段的缺点是采用电的方式中继。用电的方式中继。第四代：上世纪第四代：上世纪90年代之后年代之后(通过引入通过引入WDM和全光放大技术和全光放大技术)激光器激光器(InGaAsP)波长波长1.55 m，单模光纤，采用波分复用技，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术和光放大技术，单个波长信道比特率2.510 Gb/s，传输距，传输距离离14000 km，并提出光通信智能化的概念。，并提出光通信智能化的概念。

18、WDM技术出现 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状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多模发展到单模，工作波长从0.85 m发展到1.31 m和1.55 m(短波长向长波短波长向长波长长），传输速率传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下光纤价格不断下降降，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

19、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中占重要地位。光纤通信整体发展时间表光纤通信整体发展时间表1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 100000 10000 1000 100 10 1 0.1 0.8m多模1.3m单模1.55m直接检测光孤子光放大器1.55m相干检测系统性能(Gb/sKm）1.2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信与电通信光通信与电通信 通信系统的传输容量传输容量取决于对载波调制的频带宽度频带宽

20、度，载波载波频率越高，频带宽度越宽频率越高，频带宽度越宽。光通信的主要特点光通信的主要特点 载波频率高；频带宽度宽载波频率高；频带宽度宽（图 1.1）光通信利用的传输媒质光通信利用的传输媒质-光纤，可以在宽波长范围内获得光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。很小的损耗。（图 1.2）图 1.1 部分电磁波频谱100 THz10 THz1 THz100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10 MHz1 MHz1 mm可见光线10 mm100 mm1 m m10 m m100 m m1 m10 m100 m中波(MF)短波(HF)米波(VHF)分米波(UHF)厘米波(SHF)毫米波(EH

21、F)亚毫米波远红外线近红外线(光纤通信用）频率波长名称紫外线图 1.2 各种传输线路的损耗特性 10001001010.110 M标准同轴38 mm海底同轴光纤100 M1 G10 G100 G1 T10 T100 T 1000 T频率/HzM：(注)G：T：1061091012传输损耗/(dBkm1)51 mm波导器 1.2.2 光纤通信的光纤通信的优点优点 1.容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大目前的光纤容量已经达到十多个Tbits/s光缆光缆光纤光纤空分复用空分复用波长波长再利用再利用OXCOXCDWDMOTDMTDMOTDM光信道OTDM光信道波长信道波长信道波长复用

22、信道波长复用信道电信道电信道OCDM光码分信道光码分信道DWDMOTDMTDMOTDM光信道OTDM光信道波长信道波长信道波长复用信道波长复用信道电信道电信道OCDM光码分信道光码分信道光纤光纤波长波长再利用再利用OXCOXC中继站多：传输线路的成本高、维护不方便、运行不可靠中继站多：传输线路的成本高、维护不方便、运行不可靠石英光纤在石英光纤在1.55 m mm波长区的损耗可低到波长区的损耗可低到0.18 dB/km，比已，比已知的其他通信线路的损耗都低得多。知的其他通信线路的损耗都低得多。例：同轴电缆通信的中继距离只有几千米，最长的微波通信例：同轴电缆通信的中继距离只有几千米，最长的微波通信

23、是是 50 千米左右，而光纤通信系统的最长中继距离已达千米左右，而光纤通信系统的最长中继距离已达 300千米。千米。2.损耗低、中继距离长3.抗干扰能力强对于通信系统而言，最主要的干扰是对于通信系统而言，最主要的干扰是电磁干扰电磁干扰。现有的电通信。现有的电通信系统无法令人满意地解决这个问题。系统无法令人满意地解决这个问题。例：电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能例：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。在电气铁化路附近铺设。光纤为什么具有强抗干扰能力？光纤为什么具有强抗干扰能力？1.光纤属绝缘体，不怕雷电和高压光纤属绝缘体，不怕雷电和高压2.电

24、磁干扰源干扰不了频率比它们高得多的光电磁干扰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杰出的抗核辐射能力据专家测算，如果在美国本土中心上空据专家测算，如果在美国本土中心上空 463千米处爆炸一颗原千米处爆炸一颗原子弹，子弹，1 秒钟内即可使全美国所有的电缆通信系统失效。但光秒钟内即可使全美国所有的电缆通信系统失效。但光纤通信线路却照样畅通无阻，基本不受影响。纤通信线路却照样畅通无阻，基本不受影响。4.保密性强电通信方式很容易被人窃听电通信方式很容易被人窃听1.电缆通信：只要在电缆附近电缆通信：只要在电缆附近(甚至几公里以外甚至几公里以外)设置一个特别设置一个特别 的接收装置，就可以获

25、取明线或电缆中传送的信息。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。容易被人窃听。3.密码学的发展使加密往往也无济于事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，漏出包层的光也微乎其微。拐弯非常厉害的地方，漏出包层的光也微乎其微。5.体积小、重量轻1千克高纯度石英玻璃千克高纯度石英玻

26、璃 成千上万千米光纤成千上万千米光纤120吨铜和吨铜和 500 吨铅吨铅 1000千米的千米的 8 管同轴电缆管同轴电缆18管同轴电缆每米重管同轴电缆每米重11千克，而同等容量的光缆每米重千克，而同等容量的光缆每米重90克克光纤体积小、重量轻、柔软易弯曲、铺设非常方便。可广泛光纤体积小、重量轻、柔软易弯曲、铺设非常方便。可广泛应用于航天航空、汽车电子等领域。应用于航天航空、汽车电子等领域。6.光纤的原材料取之不竭电线主材：铜、铅等有色金属，预计只够使用电线主材：铜、铅等有色金属，预计只够使用50年左右年左右光纤主材：普通的石英砂光纤主材：普通的石英砂(SiO2)，它在地壳的化学成分中占了，它在

27、地壳的化学成分中占了 一半以上，可以说是取之不尽、用之不竭一半以上，可以说是取之不尽、用之不竭光纤材料光纤材料不怕腐蚀不怕腐蚀，可以，可以架在空中，也可埋入地下；架在空中，也可埋入地下；它有较强的它有较强的耐高低温耐高低温能力能力(-65200度度)，在一般的飞，在一般的飞机、舰艇和车辆上都可使机、舰艇和车辆上都可使用；它可实现多功能传输，用；它可实现多功能传输，同时传递话音、数据、传同时传递话音、数据、传真、图像等各种信息真、图像等各种信息。其它优点:1.2.3 光纤通信的光纤通信的应用应用 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统

28、中，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。光纤通信的各种应用可概括如下：通信网通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视网的干线和分配网有线电视网的干线和分配网 综合业务光纤接入网综合业务光纤接入网公用电信网：核心网、城域网通信网络通信网络电力、煤炭系统的监视、控制和管理电力系统：光纤可以放在输电线、地线的中心，不受干扰。尤其在观测雷击的时候能起到电设备不可替代的作用。煤炭系统：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

29、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。ATMInternet骨干网骨干网DDN/FRPSTN/ISDNTV业务分配节点业务分配节点(COT)(COT)业务接入节点（业务接入节点（RTRT）网管网管SNMP与电信网管中心相连Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622M SDH典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构典型应用之二：作为校园网的骨干传输网1.3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射发射、接收接收和作为广义信道的基本光纤传输系统光纤传输系统。信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本

30、光纤传输系统光纤线路接 收发 射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出 光发射机的作用是把电信号转变为光信号注入光纤传输。光发射机的作用是把电信号转变为光信号注入光纤传输。光接收机的作用是把经光纤传输后的微弱光信号转变为电光接收机的作用是把经光纤传输后的微弱光信号转变为电信号，对其放大并解调出原基带信号。信号，对其放大并解调出原基带信号。光中继器的作用是对经光纤传输衰减后的信号进行放大。光中继器的作用是对经光纤传输衰减后的信号进行放大。光中继器有光光中继器有光-电电-光中继器和全光中继器。光中继器和全光中继器。光光探探测测器器光光中中继继器器或或光光放放大大器器解解调调器器光光接接收收机机光

31、光纤纤光光纤纤调调制制器器光光发发射射机机光光源源信信息息复复用用器器信信息息解解复复用用器器 基本光纤传输系统的三个组成部分基本光纤传输系统的三个组成部分)(1)(lg10)(mvmvpdBmp电信号对光的调制的实现方式电信号对光的调制的实现方式 直接调制直接调制 用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。外调制外调制 把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中

32、使用。图 1.5两种调制方案(a)直接调制；(b)间接调制(外调制)输输入入电电信信号号光光源源控控制制 输输出出光光信信号号驱驱动动电电路路L LE ED D或或L LD D(a a)直直接接调调制制编码编码外调外调制器制器光源光源 输出 输出光信号光信号驱动驱动输入输入电信号电信号LD(b)外调制(b)外调制外调外调制器制器放大器放大器 电信号电信号调制光调制光电调制信号电调制信号调制后的光波调制后的光波LDLD 输出LD 输出连续光波连续光波外调制示意图外调制示意图 2.光纤线路光纤线路 是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失失真真)和衰

33、减传输到光接收机和衰减传输到光接收机光纤光纤、光纤接头光纤接头和光纤连接器光纤连接器 普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85 m、1.31 m和1.55 m有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。激光器的发射波长激光器的发射波长和光电二极管的波长响应光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口窗口相一致。目前在实验室条件下，1.55 m的损耗已达到0.154 dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。全波光纤全波光纤120014001600 衰减 衰减波长波长0.10.20.30.51700150013000.40.6窗口窗口OSCLUE(dB/km)(n

34、m)1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统和模拟通信系统用参数取值离散的信号(如脉冲的有和无、电 平的高和低等)代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；则用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。这种基本特征决定着两种通信方式的优缺点和不同时期的发展趋势。数字通信系统的数字通信系统的如下：如下：抗干扰能力强，传输质量好。可以用再生中继，传输距离长。适用各种业务的传输，灵活性大。容易实现高强度的保密通信。数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。模拟通信系统的模拟通信系统的 占用带宽较窄外，

35、电路简单易于实现、价格便宜等。光纤通信系统用来连接一些节点，这些节点通常可能是交换机、终端、计算机、光纤通信系统用来连接一些节点，这些节点通常可能是交换机、终端、计算机、工作站等。光纤通信系统可分为三类：点对点系统、一点对多点系统以及网络。工作站等。光纤通信系统可分为三类：点对点系统、一点对多点系统以及网络。在点对点系统中，可能是单向的，也可能是双向的。在点对点系统中，可能是单向的，也可能是双向的。在一点对多点在一点对多点(设有设有N个工作站个工作站)的系统中，其中站的系统中，其中站1可发送信息到所有其他可发送信息到所有其他N 1个个站，也可以接收其它各站发送来的信息，但其他各站之间不能相互通

36、信。该系统站，也可以接收其它各站发送来的信息，但其他各站之间不能相互通信。该系统的一个特殊情况是广播网络，即一个站可发送信息到所有其他的一个特殊情况是广播网络，即一个站可发送信息到所有其他N 1个站。个站。点对点系统和一点对多点系统仅仅是网络的特例。在网络中，每个站可以与其他点对点系统和一点对多点系统仅仅是网络的特例。在网络中，每个站可以与其他任一个站进行通信，而绝不仅仅是一个站只能与另外任一个站进行通信，而绝不仅仅是一个站只能与另外N 1个站通信。有时候我们个站通信。有时候我们要指出它们之间的区别，有时候我们通称以上三种情形均为系统或者网络。要指出它们之间的区别，有时候我们通称以上三种情形均

37、为系统或者网络。光纤通信系统结构分类 1213N2(b b)一一点点对对多多点点(a a)点点对对点点75123(c c)网网络络6489由于通信技术的飞速发展，出现了两种发展趋向由于通信技术的飞速发展，出现了两种发展趋向:光纤技术逐渐将光纤技术逐渐将渗透到局域网；以太网技术逐渐从渗透到局域网；以太网技术逐渐从 LAN 向骨干网发展。向骨干网发展。这两种技术的结合，将有可能导致最终广泛采用综合了最好的光纤这两种技术的结合，将有可能导致最终广泛采用综合了最好的光纤技术和以太网技术的光技术和以太网技术的光 IP 以太网（如以太网（如 IP over WDM）。它将是在）。它将是在一个平台上提供数据

38、视频和语音业务的主要工具。一个平台上提供数据视频和语音业务的主要工具。IP over WDMLANMANWANIP over DWDM骨干网WAN 光 纤 技术 IP 技 术MANMANMANLANLANLANLANLANLANLAN 全电网络，第一代网络，节点用电缆互连全电网络，第一代网络，节点用电缆互连在一起，电缆是一种窄带线路，它的容量在一起，电缆是一种窄带线路，它的容量有限；有限；电光网络，第二代网络，用一段段光纤取电光网络，第二代网络，用一段段光纤取代电缆后构成的网络，现在正被广泛使用，代电缆后构成的网络，现在正被广泛使用，因节点内仍是对电信号进行交换，所以称因节点内仍是对电信号进行

39、交换，所以称为电光网络为电光网络 全光网络，第三代网络，所有节点被不间全光网络，第三代网络，所有节点被不间断的光缆连接起来，节点内只对光信号进断的光缆连接起来，节点内只对光信号进行交换，这就是未来的第三代网络。行交换，这就是未来的第三代网络。三代网络技术比较 全全 光光 网网 络络 全光网络是光在全光网络是光在传输、放大、中继、传输、放大、中继、上下话路、交换、光上下话路、交换、光存储、复用和解复用存储、复用和解复用过程中完全是在光频过程中完全是在光频范围内进行处理的网范围内进行处理的网络络。WDM 技术加全光技术加全光节点技术才是全光网节点技术才是全光网络。络。表表1.4 三代网络比较三代网

40、络比较第一代网络第一代网络全电网络全电网络第二代网络第二代网络电光网络电光网络第三代网络第三代网络全光网络全光网络网络举例网络举例低速以太网低速以太网低速信令环低速信令环低速信令总线低速信令总线SDH网网ATM 网网MONET（美）（美）MWTN、OPEN、PHOTON（欧洲）（欧洲）WP/VWP、FRONTIER（日本）（日本）物理媒质物理媒质电电 缆缆光光 缆缆节点处理节点处理的信号的信号电电 信信 号号光电变换后，对电信号进行光电变换后，对电信号进行处理处理光光 信信 号号节点特性节点特性 节点是转发站节点是转发站 存在电子瓶颈存在电子瓶颈 本节点为其它节点传输本节点为其它节点传输 和处

41、理信号服务和处理信号服务 电分插复用电分插复用（ADMADM）、电交叉连接、电信号存储）、电交叉连接、电信号存储 不是转发站不是转发站 不存在电子瓶颈不存在电子瓶颈 本节点只处理与本节点有关的信息本节点只处理与本节点有关的信息 不为其它节点传输和处理信号服务不为其它节点传输和处理信号服务 光分插复用光分插复用（ADMADM）、光交叉连接、）、光交叉连接、光信号存储、光波长转换光信号存储、光波长转换 节点具有最少量的节点具有最少量的 O/EO/E、E/OE/O 变换变换结构特性结构特性 不灵活不灵活 电子瓶颈的限制，不能随时增加一些新节点电子瓶颈的限制，不能随时增加一些新节点 非常灵活非常灵活

42、随时可以增加一些新节点随时可以增加一些新节点透明度透明度不不 透透 明明完全透明完全透明同时兼容不同速率、协议、调制制式的信同时兼容不同速率、协议、调制制式的信号号构成通信网络的基础设施可用分层模型来描述。这种分层网络支持传统的电复用构成通信网络的基础设施可用分层模型来描述。这种分层网络支持传统的电复用信号传输，也提供全光端对端透明连接。在光层中完成光分插复用（信号传输，也提供全光端对端透明连接。在光层中完成光分插复用（OADM）、）、光交叉连接（光交叉连接（OXC）、信号存储以及业务调度等网络功能。）、信号存储以及业务调度等网络功能。电交换/复接层电交换/复接层(SDH/ATM 层)(SDH

43、/ATM 层)LANPOTSCATVOXCOXCOXC业务和应用层业务和应用层光传送/网络层光传送/网络层光接入光接入MSC视频视频网网络络管管理理OADMOADMOADM:OXC：光分插复用光分插复用光交叉连接光交叉连接通信网络分层结构通信网络分层结构几种可能的 MSC信号 传送技术ATM光传送网*光传送网*光传送网*:具有SDH接口光传送网*:具有SDH接口 的光传送网 的光传送网光传送网*光传送网*开放光接口开放光接口ATM光传送网光传送网SDHSDHIPMSCMSCMSC 电接口：电接口：N 2 Mb/s,光接口：基于光接口：基于 SDH 的的 155 Mb/s 光接口：光接口：N 1

44、55 Mb/s,基于基于 SDH 的的 2.5 Gb/s 占用占用 WDM 的一个或几个波长信道的一个或几个波长信道光纤用于移动局到移动局光纤用于移动局到移动局或市话局的传输或市话局的传输光光发发射射机机光光接接收收机机光光纤纤移移动动业业务务交交换换中中心心（MSC）市市话话局局或或长长途途局局1.4 1.4 光光 波波 基基 础础光具有两种特性：光具有两种特性：波动性波动性 粒子性粒子性下面分别加以介绍下面分别加以介绍。1.光光 的的 波波 动动 性性像无线电波和像无线电波和 x 射线一样，光是一种电磁波，具有反射、折射线一样，光是一种电磁波，具有反射、折射、衍射、干涉和衰减等特性。单频光

45、称为单色光，在均匀介质射、衍射、干涉和衰减等特性。单频光称为单色光，在均匀介质中，可用麦克斯韦中，可用麦克斯韦(Maxwell)波动方程的弱导近似形式描述波动方程的弱导近似形式描述22221tEE 和和 22221tHH(1.2.1)式中式中2是二阶拉普拉斯运算符，是二阶拉普拉斯运算符，是在均匀介质中的波速，是在均匀介质中的波速，E 和和H分别是电场和磁场。分别是电场和磁场。光波用频率光波用频率（波长）、相位和传播速度来描述。频率是每秒传（波长）、相位和传播速度来描述。频率是每秒传播的波数，波长是在介质或真空中传输一个波播的波数，波长是在介质或真空中传输一个波（波峰（波峰-波峰）的距波峰）的距

46、离。频率单位用离。频率单位用 Hz、MHz、GHz或或 THz 表示，波长用表示，波长用m mm 或或 nm 表表示。示。2.光光 的的 粒粒 子子 性性单色光的最小单位是光子，可用能量方程来描述单色光的最小单位是光子，可用能量方程来描述hvE（1.2.2）式中式中 h是普朗克常数，是普朗克常数，v 是光频。是光频。光在不同的介质中有不同的传输速度，在真空中它以最大的速光在不同的介质中有不同的传输速度，在真空中它以最大的速度直线传播，光子能量可用爱因斯坦方程描述度直线传播，光子能量可用爱因斯坦方程描述2mcE（1.2.3）式中式中 m 是光子质量。频率是光子质量。频率 v、波长、波长 l l

47、和光速和光速 c 的关系为的关系为lcv（1.2.4）用它可进行电磁波频率与波长的换算。图用它可进行电磁波频率与波长的换算。图 1.2.1 表示电磁波频率与表示电磁波频率与波长的换算，图中也标出光通信所用到的波段。波长的换算，图中也标出光通信所用到的波段。当光通过强当光通过强电磁场时，电磁场时，由于相互作由于相互作用，它的运用，它的运动轨迹要改动轨迹要改变方向，电变方向，电磁场越强，磁场越强，改变越大。改变越大。当光通过比当光通过比真空密度大真空密度大的介质时，的介质时，其传播速度其传播速度要减慢。要减慢。光光 波波 特特 性性光束光束强磁场强磁场原轨迹原轨迹改变后改变后的轨迹的轨迹c cv

48、v密度大介质密度大介质Vc 在介质中在介质中在真空中在真空中m/sncc0n0nn n 图图1.2.2 光通过强电磁场时,运动轨迹要改变方向光通过强电磁场时,运动轨迹要改变方向图图 1.2.3 光通过密度大的介质时,传播速度要减慢光通过密度大的介质时,传播速度要减慢相速度和介质折射率相速度和介质折射率电电场场和和它它产产生生的的偶偶极极子子相相互互作作用用的的程程度度可可用用相相对对介介电电常常数数r 来来表表示示。当当电电磁磁波波在在相相对对介介电电常常数数为为r的的非非磁磁介介电电质质中中传传播播时时，相相速速度度为为oor1m(1.2.5)假假如如电电磁磁场场的的频频率率是是在在光光频频

49、范范围围内内，电电场场产产生生的的介介质质极极化化是是离离子子极极化化，它它要要比比分分子子极极化化更更慢慢一一些些，相相速速度度也也更更慢慢一一些些。对对于于在在自自由由空空间间传传播播的的电电磁磁波波，r=1，真真空空中中的的光光速速-18oovms1031cm。介介质质折折射射率率 n 是是光光在在自自由由空空间间的的速速度度与与它它在在介介质质中中的的速速度度之之比比rcn(1.2.6)由由此此可可见见，介介质质折折射射率率 n 与与材材料料的的介介电电常常数数r 有有关关，真真空空中中的的光光速速要要比比介介质质中中的的光光速速快快。光在介质中的波长要比在真空光在介质中的波长要比在真

50、空中的短一些，但是频率仍相同中的短一些，但是频率仍相同假如假如 k 是自由空间波矢量是自由空间波矢量(l 2k)，l l 是自由空间波长，介质中的波矢量 为是自由空间波长，介质中的波矢量 为nkk v，波长为，波长为nllv，所以光在介质所以光在介质中的波长要比在真空中的短一些，但是频率中的波长要比在真空中的短一些，但是频率仍相同仍相同。由式。由式(1.2.6)可见，由于光在密集介可见，由于光在密集介质中传输更慢，所以具有较大的介质折射质中传输更慢，所以具有较大的介质折射率。率。实际上没有纯单色实际上没有纯单色光，我们必须考虑光，我们必须考虑波长稍微互不相同波长稍微互不相同的一组光波沿的一组光