1、光通信是光通信是20世紀世紀70年代發展起來的通信技術。年代發展起來的通信技術。光通信技術的誕生是通信發展史上的一次革命性光通信技術的誕生是通信發展史上的一次革命性進步，促進了人類社會向信息化社會的發展。進步，促進了人類社會向信息化社會的發展。光通信技術主要涉及光信號的產生、傳輸、檢測光通信技術主要涉及光信號的產生、傳輸、檢測以及組網技術。以及組網技術。本章將簡要介紹光通信的發展與特點，光纖通信本章將簡要介紹光通信的發展與特點，光纖通信系統的組成等。系統的組成等。1.1 光纖通信的發展歷程光纖通信的發展歷程1.2 光纖通信的特點與應用光纖通信的特點與應用1.3 光纖通信系統的分類與組成光纖通信

2、系統的分類與組成光纖通信是以光作為信息載體，以光纖作為傳輸光纖通信是以光作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的通信方式媒介的通信方式光纖通信技術是近光纖通信技術是近40年來迅猛發展起來的高新技年來迅猛發展起來的高新技術，給世界通信技術乃至國民經濟、國防事業和術，給世界通信技術乃至國民經濟、國防事業和人民生活帶來了巨大變革人民生活帶來了巨大變革我國的高速骨干網絡、城市環網已經建成并不斷我國的高速骨干網絡、城市環網已經建成并不斷發展，光纖已經開始進入辦公室和家庭，在信息發展，光纖已經開始進入辦公室和家庭，在信息社會里，光纖網絡將無處不在社會里，光纖網絡將無處不在直到直到20世紀世紀60年代，電通信在通

3、信領域都處于絕年代，電通信在通信領域都處于絕對統治地位對統治地位一般來說，傳送信息的總量與載波的工作頻率直一般來說，傳送信息的總量與載波的工作頻率直接相關，提高載波頻率在理論上可以增加傳輸帶接相關，提高載波頻率在理論上可以增加傳輸帶寬，通常也就可以提高信息傳輸容量寬，通常也就可以提高信息傳輸容量通信應用的電磁頻譜通信應用的電磁頻譜電磁波頻譜中，一個重要的部分是光頻區域電磁波頻譜中，一個重要的部分是光頻區域以光波形式實現信息傳輸一般不是通過對載波的以光波形式實現信息傳輸一般不是通過對載波的頻率調制完成的，而是通過改變光波的光功率來頻率調制完成的，而是通過改變光波的光功率來實現的實現的光波的傳輸可

4、以采用大氣信道和導波信道光波的傳輸可以采用大氣信道和導波信道早在早在1880年，貝爾就研制成功了光學電話年，貝爾就研制成功了光學電話大氣作為大氣作為光通道光通道地下光波通信的實驗地下光波通信的實驗反射波導反射波導透鏡波導透鏡波導建設成本極高建設成本極高沒有實用價值沒有實用價值 現代意義的光通信系統現代意義的光通信系統兩個關鍵問題：兩個關鍵問題：一是合適的光源；一是合適的光源；二是理想的傳光媒介二是理想的傳光媒介20世紀初就由德拜提出光學纖維波導中傳輸世紀初就由德拜提出光學纖維波導中傳輸一直到一直到60年代，用當時最好的光學玻璃做成的光年代，用當時最好的光學玻璃做成的光學纖維其損耗也高達學纖維其

5、損耗也高達1000 dB/km1966年，英籍華裔學者高錕（年，英籍華裔學者高錕（C. K. Kao）和霍）和霍克哈姆（克哈姆（C. A. Hockham）發表了關于傳輸介）發表了關于傳輸介質新概念的論文質新概念的論文玻璃纖維引起光損耗的主要原因是玻璃纖維引起光損耗的主要原因是其中含有過量的鉻、銅、鐵與錳等金屬離子和其它雜質其中含有過量的鉻、銅、鐵與錳等金屬離子和其它雜質其次是拉制光纖時工藝技術造成了芯、包層分界面不均其次是拉制光纖時工藝技術造成了芯、包層分界面不均勻及其所引起的折射率不均勻勻及其所引起的折射率不均勻還發現一些玻璃纖維在紅外光區的損耗較小還發現一些玻璃纖維在紅外光區的損耗較小1

6、970年美國的康寧玻璃公司（年美國的康寧玻璃公司（Corning Glass Work）拉出了第一根損耗為）拉出了第一根損耗為20dB/km的光纖的光纖它的意義在于：使光纖通信可以和同軸電纜通信它的意義在于：使光纖通信可以和同軸電纜通信競爭競爭 1970年，光纖通信用的光源也取得了實質性進展年，光纖通信用的光源也取得了實質性進展室溫下連續振蕩的鎵鋁砷（室溫下連續振蕩的鎵鋁砷（GaAlAs）雙異質結半導體）雙異質結半導體激光器（短波長）激光器（短波長） 重大意義在于為半導體激光器的發展奠定了基礎重大意義在于為半導體激光器的發展奠定了基礎 1972年，康寧公司高純石英多模光纖（同時允許年，康寧公司

7、高純石英多模光纖（同時允許多個方向的光線在其中傳送的光纖）損耗降低到多個方向的光線在其中傳送的光纖）損耗降低到4dB/km1973年，美國貝爾（年，美國貝爾（Bell）實驗室取得了更大成）實驗室取得了更大成績，光纖損耗降低到績，光纖損耗降低到2.5 dB/km1974年降低到年降低到1.1 dB/km1976年，日本電報電話（年，日本電報電話（NTT）公司等單位將）公司等單位將光纖損耗降低到光纖損耗降低到0.47 dB/km（波長（波長1.2 um）。）。在以后的在以后的10年中，波長為年中，波長為1550nm的光纖損耗：的光纖損耗：1979年是年是0.20 dB/km1984年是年是0.15

8、7 dB/km1986年是年是0.154 dB/km，接近了光纖最低損耗的，接近了光纖最低損耗的理論極限理論極限 1973年，半導體激光器壽命達到年，半導體激光器壽命達到7000小時小時1977年，貝爾實驗室研制的半導體激光器壽命達年，貝爾實驗室研制的半導體激光器壽命達到到10萬小時（約萬小時（約11.4年）年）1976年日本電報電話公司研制成功發射波長為年日本電報電話公司研制成功發射波長為1.3 um的銦鎵砷磷（的銦鎵砷磷（InGaAsP）激光器）激光器1979年美國電報電話（年美國電報電話（AT&T）公司和日本電報）公司和日本電報電話公司（電話公司（NTT）研制成功發射波長為）研制

9、成功發射波長為1.55 um的連續振蕩半導體激光器的連續振蕩半導體激光器 1970年成為年成為光纖通信發展的光纖通信發展的一個重要里程碑一個重要里程碑 光纖通信的發展可以粗略地分為三個階段光纖通信的發展可以粗略地分為三個階段第一階段（第一階段（19661976年），這是從基礎研究到商年），這是從基礎研究到商業應用的開發時期業應用的開發時期第二階段（第二階段（19761986年），這是以提高傳輸速率年），這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標和大力推廣應用的大發展時和增加傳輸距離為研究目標和大力推廣應用的大發展時期期第三階段（第三階段（19861996年），這是以超大容量超長年），這是以超大

10、容量超長距離為目標、全面深入開展新技術研究的時期距離為目標、全面深入開展新技術研究的時期第一階段（第一階段（19661976年）年）以以1976年美國在亞特蘭大（年美國在亞特蘭大（Atlanta）進行的世界上）進行的世界上第一個實用光纖通信系統的現場試驗為標志，光纖通信第一個實用光纖通信系統的現場試驗為標志，光纖通信開始走向實用化開始走向實用化第一代系統工作在第一代系統工作在850 nm附近，多模光纖作傳輸介附近，多模光纖作傳輸介質質采用采用GaAs為基礎材料制成的激光器作光源，硅材料制為基礎材料制成的激光器作光源，硅材料制成的光檢測器成的光檢測器速率在速率在45140 Mb/s之間，傳輸距離

11、約之間，傳輸距離約10 km第二階段（第二階段（19761986年）年）工作波長從工作波長從850 nm（短波長）移至（短波長）移至1310 nm（長波（長波長）長）光纖也從多模發展到單模光纖也從多模發展到單模長途干線的傳輸速率為長途干線的傳輸速率為140565 Mb/s的單模光纖的單模光纖通信系統，無中繼傳輸距離為通信系統，無中繼傳輸距離為1050 km 第三階段（第三階段（19861996年）年）實現了實現了1550 nm色散移位單模光纖通信系統色散移位單模光纖通信系統色散位移光纖色散位移光纖1988年，第一條橫跨大西洋年，第一條橫跨大西洋TAT-8海底光纜通信系統海底光纜通信系統1989

12、年第一條橫跨太平洋年第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光纜海底光纜通信系統通信系統1989年，年，ITU-T制定了制定了155 Mb/s、622 Mb/s、2.5 Gb/s等等SDH速率標速率標 第四代系統第四代系統光放大器（光放大器（OA，Optical Amplifier）增加中繼距離）增加中繼距離波分復用（波分復用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）增加傳輸容量）增加傳輸容量10 Gb/s、40 G系統也已商用化系統也已商用化1987年前在市話中繼線路上應用光纖通信年前在市話中繼線路上應用光纖通信1987年開始在長途干線上應用光纖通信，鋪設

13、了年開始在長途干線上應用光纖通信，鋪設了多條省內二級光纜干線多條省內二級光纜干線從從1988年起，我國的光纖通信系統由多模向單模年起，我國的光纖通信系統由多模向單模發展發展1998年年12月，貫穿全國的月，貫穿全國的“八縱八橫八縱八橫”光纖骨光纖骨干網建成，網絡覆蓋全國省會以上城市和干網建成，網絡覆蓋全國省會以上城市和70 %的地市，全國長途光纜達到的地市，全國長途光纜達到20萬千米萬千米光纖通信主要用于骨干網通信和城市環網通信等光纖通信主要用于骨干網通信和城市環網通信等諸多方面，并且向接入網延伸，這是和其顯著的諸多方面，并且向接入網延伸，這是和其顯著的特點分不開的特點分不開的速率高，傳輸容量

14、大速率高，傳輸容量大單模光纖的帶寬可以達到幾十單模光纖的帶寬可以達到幾十G/s損耗低，傳輸距離遠損耗低，傳輸距離遠石英光纖損耗為石英光纖損耗為0.2 dB/km（1550 nm窗口）和窗口）和0.35 dB/km（1310 nm窗口）窗口） 抗干擾能力強，保密性好抗干擾能力強，保密性好光纖是非金屬材料，它不會受到電磁干擾光纖是非金屬材料，它不會受到電磁干擾光纖的外泄光能很少，難以竊聽光纖的外泄光能很少，難以竊聽 重量輕，敷設方便重量輕，敷設方便在傳輸相同信息量時，光纜的質量為電纜質量的在傳輸相同信息量時，光纜的質量為電纜質量的1/301/10施工時可以采用與電纜相同的敷設技術進行敷設施工時可以

15、采用與電纜相同的敷設技術進行敷設耐腐蝕，壽命長耐腐蝕，壽命長石英玻璃耐腐蝕石英玻璃耐腐蝕光纖接頭處不產生放電、沒有火花光纖接頭處不產生放電、沒有火花光纖具有更適應環境變化的能力光纖具有更適應環境變化的能力事物都是一分為二的，光纖通信有許多優點，因事物都是一分為二的，光纖通信有許多優點，因而發展很快，但光纖通信也有以下缺點：而發展很快，但光纖通信也有以下缺點：抗拉強度低抗拉強度低光纖連接困難光纖連接困難光纖怕水光纖怕水通信網通信網主要用于電信網中的語音和數據傳輸主要用于電信網中的語音和數據傳輸 計算機局域網和廣域網計算機局域網和廣域網如光纖以太網、路由器之間的高速傳輸鏈路等如光纖以太網、路由器之

16、間的高速傳輸鏈路等有線電視網有線電視網如有線電視的干線和分配網、工業電視系統的監控、自如有線電視的干線和分配網、工業電視系統的監控、自動控制系統的數據傳輸等動控制系統的數據傳輸等綜合業務的光纖接入網綜合業務的光纖接入網實現用戶的（大）寬帶接入，光纖是理想的選擇實現用戶的（大）寬帶接入，光纖是理想的選擇光纖通信系統可以傳送數字信號或模擬信號光纖通信系統可以傳送數字信號或模擬信號傳送的信息可以是語音、數據、圖像、視頻等多傳送的信息可以是語音、數據、圖像、視頻等多媒體業務媒體業務光纖通信系統有多種不同的應用形式，可以按照光纖通信系統有多種不同的應用形式，可以按照不同分類方法進行分類不同分類方法進行分

17、類1按照傳輸信號類型分按照傳輸信號類型分2按照光波長和光纖類型分按照光波長和光纖類型分3按照調制方式分按照調制方式分光纖模擬通信系統光纖模擬通信系統用模擬電信號對光源強度調制，即傳輸的是模擬信號用模擬電信號對光源強度調制，即傳輸的是模擬信號如廣播電視節目、工業和交通監控信號等如廣播電視節目、工業和交通監控信號等光纖數字通信系統光纖數字通信系統采用采用PCM電信號對光源強度調制，即傳輸的是數字信電信號對光源強度調制，即傳輸的是數字信號號如長途骨干網、城市環網等如長途骨干網、城市環網等短波長（短波長（850nm）多模光纖通信系統）多模光纖通信系統通常速率低于通常速率低于34 Mb/s，中繼距離在，

18、中繼距離在10 km內。內。長波長（長波長（1310nm）多模光纖通信系統）多模光纖通信系統速率可以達到速率可以達到140 Mb/s，中繼距離，中繼距離20 km。長波長（長波長（1310nm）單模光纖通信系統）單模光纖通信系統速率為速率為140 Mb/s，中繼距離為，中繼距離為30 50 km。長波長（長波長（1550nm）單模光纖通信系統）單模光纖通信系統速率可以達到速率可以達到565 Mb/s以上，中繼距離可達以上，中繼距離可達70 km 直接強度調制光纖通信系統直接強度調制光纖通信系統采用電信號直接對光源強度調制，在接收端用光檢測器采用電信號直接對光源強度調制，在接收端用光檢測器直接檢

19、測直接檢測目前實用的光纖通信系統主要采用這類調制方式，其速目前實用的光纖通信系統主要采用這類調制方式，其速率已達率已達10 Gb/s外調制光纖通信系統外調制光纖通信系統在光源發出光后，在光的輸出通路上外加調制器（如電在光源發出光后，在光的輸出通路上外加調制器（如電光晶體等）對光載波調制光晶體等）對光載波調制高速系統高速系統公用光纖通信系統和專用光纖通信系統公用光纖通信系統和專用光纖通信系統PDH光纖通信系統和光纖通信系統和SDH光纖通信系統光纖通信系統 主要組成部分包括主要組成部分包括光纖光纖光發送器光發送器光接收器光接收器光中繼器光中繼器適當的接口設備適當的接口設備光發送機的作用是將電信號轉

20、換為光信號（光發送機的作用是將電信號轉換為光信號（E/O變換），并將生成的光信號注入光纖變換），并將生成的光信號注入光纖光發送機一般由驅動電路、光源和調制器構成，光發送機一般由驅動電路、光源和調制器構成，其核心是光源其核心是光源常用的光源有半導體激光器和半導體發光二極管常用的光源有半導體激光器和半導體發光二極管光接收機的作用是將光信號轉換為電信號，通常光接收機的作用是將光信號轉換為電信號，通常有放大、再生等功能有放大、再生等功能光接收機由光檢測器、放大器和相關電路組成光接收機由光檢測器、放大器和相關電路組成光電信號的轉換由光檢測器完成，廣泛使用的光電信號的轉換由光檢測器完成，廣泛使用的有有PI

21、N光電二極管和雪崩光電二極管（光電二極管和雪崩光電二極管（APD） 光纖線路是光信號的傳輸媒介，包括光纖、光纖光纖線路是光信號的傳輸媒介，包括光纖、光纖接頭和光纖連接器接頭和光纖連接器要求光纖的傳輸衰減和色散盡可能小要求光纖的傳輸衰減和色散盡可能小目前使用的光纖均為石英光纖，其損耗波長特目前使用的光纖均為石英光纖，其損耗波長特性中有三個低損耗區（三個窗口）性中有三個低損耗區（三個窗口）850 nm 2 dB/km1310 nm 0.4 dB/km1550 nm 0.2 dB/km遠距離的光纖通信系統還需要采用光中繼機，實遠距離的光纖通信系統還需要采用光中繼機，實現光信號的中繼傳輸現光信號的中繼

22、傳輸目前使用的石英光纖有多模光纖和單模光纖目前使用的石英光纖有多模光纖和單模光纖單模光纖的傳輸性能較好，因此在大容量、長距單模光纖的傳輸性能較好，因此在大容量、長距離的光纖傳輸系統中都采用單模光纖離的光纖傳輸系統中都采用單模光纖比較常見的光纖有比較常見的光纖有G.651光纖（漸變折射率多模光纖）光纖（漸變折射率多模光纖）G.652光纖（常規單模光纖）光纖（常規單模光纖）G.653光纖（色散位移光纖）光纖（色散位移光纖）G.654光纖（低損耗光纖）光纖（低損耗光纖）G.655光纖（非零色散位移光纖）光纖（非零色散位移光纖） 從從1976年光纖通信實用化以來，其通信容量發展年光纖通信實用化以來，其

23、通信容量發展迅速，這主要得益于下列支撐技術的發展迅速，這主要得益于下列支撐技術的發展光纖光纖光源光源SDH傳輸體制傳輸體制光放大器光放大器WDM復用技術復用技術全光網絡全光網絡光纖是構建光傳輸網的傳輸媒介，目前使用的通光纖是構建光傳輸網的傳輸媒介，目前使用的通信光纖都是石英光纖信光纖都是石英光纖光纖的主要傳輸特性是它的損耗、色散等，光信光纖的主要傳輸特性是它的損耗、色散等，光信號在注入光纖后，由于損耗和色散，會導致信號號在注入光纖后，由于損耗和色散，會導致信號隨距離的增加而產生連續的衰減和失真隨距離的增加而產生連續的衰減和失真多模光纖只能用于短距離、低速率的傳輸系統多模光纖只能用于短距離、低速

24、率的傳輸系統1984年單模光纖取代多模光纖作為長距離的光纖年單模光纖取代多模光纖作為長距離的光纖通信系統的傳輸媒介通信系統的傳輸媒介光纖通信采用的光源是半導體光源，如半導體發光纖通信采用的光源是半導體光源，如半導體發光二極管（光二極管（LED）和半導體激光器（）和半導體激光器（LD）半導體發光二極管是基于自發輻射發光機理的發半導體發光二極管是基于自發輻射發光機理的發光器件，是非相干光源光器件，是非相干光源如局域網中如局域網中半導體激光器是基于光的受激輻射放大機理的發半導體激光器是基于光的受激輻射放大機理的發光器件，是相干光源，相干光源具有很好的單色光器件，是相干光源，相干光源具有很好的單色性和

25、方向性性和方向性高速率、長距離的光纖通信高速率、長距離的光纖通信光檢測器將收到的極其微弱并有所失真的光信號光檢測器將收到的極其微弱并有所失真的光信號轉換為電信號轉換為電信號最主要的指標參數是接收靈敏度最主要的指標參數是接收靈敏度即在設計速率上滿足給定的誤碼率（或信噪比）條件下即在設計速率上滿足給定的誤碼率（或信噪比）條件下的最小光功率的最小光功率接收機所能達到的性能指標取決于光檢測器的類接收機所能達到的性能指標取決于光檢測器的類型、噪聲的影響等型、噪聲的影響等 為了充分利用光纖信道的帶寬，需要將眾多數字為了充分利用光纖信道的帶寬，需要將眾多數字信號復接成高速率信號信號復接成高速率信號準同步數字

26、復接體制（準同步數字復接體制（PDH，Plesiochronous Digital Hierarchy）同步數字系列（同步數字系列（SDH，Synchronous Digital Hierarchy） PDH32個數字話路組成一個個數字話路組成一個PCM基群（基群（2 M/s）4個個2 M信號組成一個信號組成一個8 M的二次群（的二次群（8 M/s）4個個8 M信號復接成一個信號復接成一個34 M的三次群的三次群 SDH是針對是針對PDH存在的問題而出現的一種傳輸體存在的問題而出現的一種傳輸體制，適合高速光纖線路傳輸制，適合高速光纖線路傳輸SONET OCSONET OC等級等級 ITUITU

27、T SDHT SDH等級等級線路速率（線路速率（M/sM/s）簡稱簡稱OCOC1 151.8451.84OCOC3 3STMSTM1 1155.520155.520155 M155 MOCOC1212STMSTM4 4622.08622.08622 M622 MOCOC24241244.161244.16OCOC4848STMSTM16162488.322488.322.5 G2.5 GOCOC192192STMSTM64649953.289953.2810 G10 G最基本的最基本的STM-1信號是承載在一個信號是承載在一個125s的幀結的幀結構中構中幀結構包括了所有的傳送開銷和有效信息載荷幀結構包括了所有的傳送開銷和有效信息載荷較高速的較高速的STM-N信號是由信號是由N個個STM-1按字節間按字節間插復用而成插復用而成 1989年，光纖放大器的使用是光纖通信發展過程年，光纖放大器的使用是光纖通信發展過程中的一個突破性進展中的一個突破性進展直接對光進行放大，簡化了原有的光電光中直接對光進行放大，簡化了原有的光電光