1、 現代通信方式示意圖現代通信方式示意圖用戶環路交換設備電復接設備衛星通信微波通信光纖通信移動通信發送機接收機傳輸系統用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環路交換設備電復接設備信息信息 現代通信方式示意圖現代通信方式示意圖用戶環路交換設備電復接設備衛星通信微波通信光纖通信移動通信發送機接收機傳輸系統用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環路交換設備電復接設備信息信息信息指用戶要求傳送信息指用戶要求傳送的語音、圖像、數據的語音、圖像、數據以及它們的各種組合以及它們的各種組合用戶環路交換設備電復接設備衛星通信微波通信光纖通信移動通信發送機接收機傳輸系統用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用

2、戶終端用戶環路交換設備電復接設備信息信息 現代通信方式示意圖現代通信方式示意圖用戶終端用戶終端交換設備交換設備接入網接入網電復接設備電復接設備傳輸系統傳輸系統 現代通信方式示意圖現代通信方式示意圖用戶環路交換設備電復接設備衛星通信微波通信光纖通信移動通信發送機接收機傳輸系統用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環路交換設備電復接設備信息信息圖 1.1 部分電磁波頻譜100 THz10 THz1 THz100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10 MHz1 MHz1 m可見光線10 m100 m1 mm10 mm100 mm1 m10 m100 m中波(MF)短波(HF)米波(V

3、HF)分米波 (UHF)厘米波 (SHF)毫米波 (EHF)亞毫米波遠紅外線近紅外線(光纖通信用）頻率波長名稱紫外線圖1.1是相關的電磁波頻譜。光纖通信用的近紅外光光纖通信用的近紅外光(波長為波長為0.71.7m)頻帶寬度約為頻帶寬度約為200THz， 在常用的在常用的1.31 m和和1.55 m兩個波長窗口頻帶寬度兩個波長窗口頻帶寬度在在20 THz以上。以上。( 0 . 7 m 4 3 0 T H z , 1.7m180THz)由于光源和光纖特性的限制，由于光源和光纖特性的限制，目前，光強度調制的帶寬一般目前，光強度調制的帶寬一般只有只有20 GHz，因此還有，因此還有3個數個數量級以上的

4、帶寬潛力可以挖掘。量級以上的帶寬潛力可以挖掘。 通信設備的重量和體積對許多領域特別是軍事、航空通信設備的重量和體積對許多領域特別是軍事、航空和宇宙飛船等方面的應用，具有特別重要的意義。和宇宙飛船等方面的應用，具有特別重要的意義。 在飛機上用光纖代替電纜，不僅降低了通信設備的成本，而且降低了飛機的制造成本。例如，在美國在美國A-7飛機飛機上，用光纖通信代替電纜通信，使飛機重量減輕上，用光纖通信代替電纜通信，使飛機重量減輕27磅磅(約約12.247 kg)，相當于飛機制造成本減少，相當于飛機制造成本減少27萬萬美元。美元。 總之，光纖通信不僅在技術上具有很大的優越性，總之，光纖通信不僅在技術上具有

5、很大的優越性，而且在經濟上具有巨大的競爭能力，因此其在信息社會而且在經濟上具有巨大的競爭能力，因此其在信息社會中將發揮越來越重要的作用。中將發揮越來越重要的作用。 貝爾光電話貝爾光電話的傳輸距離很短，并沒有實際應用價值,然而， 光電話仍是一項偉大的發明，它證明了用光波作為載波傳送信息的可行性,貝爾光電話是現代光通信的雛型貝爾光電話是現代光通信的雛型。 1960年，美國人梅曼美國人梅曼(Maiman)發明了第一臺紅寶石激光器，發明了第一臺紅寶石激光器， 給光通信帶來了新的希望，給光通信帶來了新的希望，和普通光相比，激光具有高亮度，高亮度，高高方向性，方向性，高單色性高單色性(光光譜寬度窄譜寬度窄

6、) ,以及以及高相干性高相干性(頻率和相位頻率和相位較一致較一致) 。激光是一種高度相干光。激光是一種高度相干光，激光器的發明和應用， 使沉睡了80年的光通信進入一個嶄新的階段。 大氣激光通信大氣激光通信 二十世紀六十年代二十世紀六十年代,美國麻省理工學院利用美國麻省理工學院利用He - Ne激光器激光器和和CO2激光器進行了大氣激光通信試驗。實驗證明：用承載信激光器進行了大氣激光通信試驗。實驗證明：用承載信息的光波，息的光波， 通過大氣的傳播，實現點對點的通信是可行的通過大氣的傳播，實現點對點的通信是可行的。 但但通信能力和質量受氣候影響十分嚴重。由于雨、霧、雪通信能力和質量受氣候影響十分嚴

7、重。由于雨、霧、雪和大氣灰塵的吸收和散射，光波能量衰減很大。另一方面，大和大氣灰塵的吸收和散射，光波能量衰減很大。另一方面，大氣的密度和溫度不均勻，造成折射率的變化，使光束位置發生氣的密度和溫度不均勻，造成折射率的變化，使光束位置發生偏移。通信的距離和穩定性都受到極大的限制，不能實現偏移。通信的距離和穩定性都受到極大的限制，不能實現“全全天候天候”通信。通信。 但但大氣激光通信仍有重要應用大氣激光通信仍有重要應用,在某些在某些特定場合特定場合,如江河兩如江河兩岸、海島之間岸、海島之間、小區樓房之間宇宙空間、大氣海洋之間、小區樓房之間宇宙空間、大氣海洋之間(蘭綠蘭綠光光)等等。 為了克服氣候對激

8、光通信的影響，人們自然想到把激光束限制在特定的空間內傳輸。因而提出了透鏡波導和反射鏡透鏡波導和反射鏡波導的光波傳輸系統。該波導的光波傳輸系統。該系統系統是在金屬管內每隔一定距離安裝一個透鏡或反射鏡，從理論上講是可行的，但在實際應用中遇到了不可克服的困難。首先，現場施工中校準和安裝十分復雜；其次，為了防止地面活動對波導的影響，必須把波導深埋或選擇在人車稀少的地區使用。 由于沒有找到穩定可靠和低損耗的傳輸介質， 對光通信的研究曾一度走入了低潮。 現代光纖通信現代光纖通信 1966年，英籍華裔學者高錕年，英籍華裔學者高錕(C.K.Kao)和霍克和霍克哈姆哈姆(C.A.Hockham)發表了關于傳輸介

9、質新概念的發表了關于傳輸介質新概念的論文，指出了利用光纖論文，指出了利用光纖(Optical Fiber)進行信息傳輸進行信息傳輸的可能性和技術途徑，奠定了現代光通信的可能性和技術途徑，奠定了現代光通信光纖光纖通信的基礎。通信的基礎。 現代光纖通信現代光纖通信 當時石英纖維的損耗高達1000 dB/km以上，高錕等人指出：這樣大的損耗不是石英纖維本身固有的特性，這樣大的損耗不是石英纖維本身固有的特性， 而是由于材料中的雜質，例如過渡金屬而是由于材料中的雜質，例如過渡金屬(Fe、 Cu等等)離離子的吸收產生的。子的吸收產生的。 材料本身固有的損耗基本上由瑞利材料本身固有的損耗基本上由瑞利(Ray

10、leigh)散射散射決定，它隨波長的四次方而下降，其損耗很小。決定，它隨波長的四次方而下降，其損耗很小。 因此有可能通過原材料的提純制造出適合于長距因此有可能通過原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖。離通信使用的低損耗光纖。 如果把材料中金屬離子含量的比重降低到如果把材料中金屬離子含量的比重降低到10-6以以下，就可以使光纖損耗減小到下，就可以使光纖損耗減小到10 dB/km。再通過改。再通過改進制造工藝的熱處理提高材料的均勻性，可以進一進制造工藝的熱處理提高材料的均勻性，可以進一步把損耗減小到幾步把損耗減小到幾dB/km。 這個思想和預測受到世界各國極大的重視。這個思想和預測受

11、到世界各國極大的重視。 1970 年，光纖研制取得了重大突破。在當年，美國康寧年，光纖研制取得了重大突破。在當年，美國康寧(Corning)公司就研制成功損耗公司就研制成功損耗 20dB/km 的石英光纖。它的意的石英光纖。它的意義在于：使光纖通信可以和同軸電纜通信競爭，從而展現了光義在于：使光纖通信可以和同軸電纜通信競爭，從而展現了光纖通信美好的前景纖通信美好的前景。 1972年 康寧公司高純石英多模光纖損耗 4 dB/km 1973年 貝爾(Bell)實驗室 2.5dB/km 1974年貝爾(Bell)實驗室 1.1dB/km 1976年日本電報電話(NTT)公司 0.47 dB/km 1

12、979年 0.20 dB/km, 1984年 0.157 dB/km 1986 年 0.154 dB/km， 接近光纖損耗的理論極限 1970 年，作為光纖通信用的光源也取得了實質性的進展。 當年，美國貝爾實驗室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯先后突破了半導體激光器在低溫突破了半導體激光器在低溫(-200 )或脈沖激勵條件下工作或脈沖激勵條件下工作的限制的限制，研制成功室溫下連續振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質結半導體激光器(短波長)。 雖然壽命只有幾個小時，但其意義是重大的雖然壽命只有幾個小時，但其意義是重大的，它為半導體激光器的發展奠定了基礎。1973 年，半導體激光器壽命達到7000小

13、時。 1977 年，貝爾實驗室研制的半導體激光器壽年，貝爾實驗室研制的半導體激光器壽命達到命達到10萬小時萬小時(約11.4年)，完全滿足實用化的要求。完全滿足實用化的要求。 在這個期間，1976年日本電報電話公司研制成功發射波長為1.3 m的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器，1979年美國電報電話(AT&T)公司和日本電報電話公司研制成功發射波長為1.55 m的連續振蕩半導體激光器。 由于光纖和半導體激光器的技術進步，使由于光纖和半導體激光器的技術進步，使 1970 年成為光纖通信發展的一個重要里程碑。年成為光纖通信發展的一個重要里程碑。 1976 年，美國在亞特蘭大年，美國在亞特蘭

14、大(Atlanta)進行了世界上第進行了世界上第一個實用光纖通信系統的現場試驗，一個實用光纖通信系統的現場試驗，系統采用GaAlAs激光器作光源，多模光纖作傳輸介質，速率為44.7 Mb/s，傳輸距離約10 km。 1980 年，美國標準化FT - 3光纖通信系統投入商業應用， 系統采用漸變型多模光纖，速率為44.7 Mb/s。 隨后美國很快敷設了東西干線和南北干線，穿越22個州 光纜總長達5104 km。1976 年和年和 1978 年，日本先后進行了速年，日本先后進行了速率為率為34 Mb/s，傳輸距離為，傳輸距離為64 km的突變型多模光纖通信系統的突變型多模光纖通信系統， 以及速率為1

15、00 Mb/s的漸變型多模光纖通信系統的試驗。 1983年敷設了縱貫日本南北的光纜長途干線，全長3400 km，初期傳輸速率為400 Mb/s，后來擴容到1.6 Gb/s。隨后，由美、隨后，由美、日、日、 英、法發起的第一條橫跨大西洋英、法發起的第一條橫跨大西洋 TAT-8海底光纜通信系海底光纜通信系統于統于1988年建成，全長年建成，全長6400 km； 第一條橫跨太平洋第一條橫跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光纜通信系統于海底光纜通信系統于1989年建成，年建成， 全長全長13 200 km。 從此，海底光纜通信系統的建設得到了全面展開，促進了全球通信網的發展。 1966 年高錕提出

16、光纖作為傳輸介質的概念以來，光纖通信從研究到應用，發展非常迅速：技術上不斷更新換代， 通信能力(傳輸速率和中繼距離)不斷提高，應用范圍不斷擴大。 1976年 美國亞特蘭大第一個實用光纖通信系統試驗 1986年 光纖通信系統在全球廣泛應用 (從提出光纖作為傳輸介質的概念從提出光纖作為傳輸介質的概念,到用廣泛應用到用廣泛應用,20年時間年時間)高錕高錕-光纖之父光纖之父 每秒鐘傳輸的比特數目。每秒鐘傳輸的比特數目。Optical networking 波分復用波分復用WDMWDM和光纖放大器和光纖放大器EDFAEDFA 40G 器件器件產品領域領導廠商光纖Corning,Lucent,Alcate

17、l,Sumitomo,Fujikura,Furukara光纜Siemens,Lucent,Pirelli,Alcatel,Sumitomo,Corning光纖放大器Lucent,Pirelli,Ciena,Corning,Nortel,Alcatel,Fujitsu光發/光收Lucent,Nortel,Alcatel,Fujitsu,AMP,Agilent,Hitachi,NEC,Siemens光纖連接器Lucent,AMP,3M,Siecor,Molex,Seiko,Alcoa Fujikura,DiamondDWDM器件Corning,JDSU,DiCon,Lucent,Hitachi,P

18、irelli,3M光無源器件DiCon,Corning,Lucent,JDSU,ADC,Gould光通信設備Nortel,Lucent,Alcatel,NEC,CIENA,Fujitsu,CISCOComponents and Modules in DWDM Networks DWDM Thin film filters Fiber gratings Waveguides Circulators Interleavers Mux/Demux modulesAmplifiers Isolators Tap couplers Pump lasers Gain equalizers Attenuators Integrated amplifiers SOAs Optical Switches Circulators Couplers Add/drop modulesSwitchingTransmission Source lasers Modulators Wavelockers Receivers Detectors Tx/Rx modulesOver 9000 Products光源光源放大器放大器光電二光電二極管極管判決器判決器 對光纖的要求是損耗和色散參數都盡可能地小對光纖的要求是損耗