光纤通信课件刘增基第二版第1章.ppt
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第第11章章概论概论第第1章章概论概论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第11章章概论概论1.1光纤通信发展历史和现状光纤通信发展历史和现状第第11章章概论概论1.1探索时期的光纤通信探索时期的光纤通信1.1880年，美国人贝尔发明了光电话。
年，美国人贝尔发明了光电话。
实现了用光载波传送话音。
证明了用光载波传送信息实现了用光载波传送话音。
证明了用光载波传送信息的可行性。
的可行性。
2.激光器的发明激光器的发明激光是高度相干光，具有波谱宽度窄、方向性极好、亮激光是高度相干光，具有波谱宽度窄、方向性极好、亮度极高频率和相位较一致的良好特性。
是一种理想的度极高频率和相位较一致的良好特性。
是一种理想的载波。
载波。
第第11章章概论概论1960年，美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器。
年，美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器。
氦氖激光器、二氧化碳激光器相继出现，并投入应氦氖激光器、二氧化碳激光器相继出现，并投入应用用麻省理工学院进行了大气激光通信实验麻省理工学院进行了大气激光通信实验证明了：
证明了：
用激光作为载波实现点对点的通信是可行的。
用激光作为载波实现点对点的通信是可行的。
通信能力和质量受气候的影响十分严重。
通信能力和质量受气候的影响十分严重。
大气的吸收、散射使光波的能量损耗很大大气的吸收、散射使光波的能量损耗很大大气密度、温度的变化，造成折射率的变化，使光束发大气密度、温度的变化，造成折射率的变化，使光束发生偏移。
生偏移。
大气激光通信的距离和稳定性受到了极大的限制。
大气激光通信的距离和稳定性受到了极大的限制。
第第11章章概论概论1.1.2现代光纤通信现代光纤通信1966年，高锟和霍克哈姆提出了利用光纤进行通信的可年，高锟和霍克哈姆提出了利用光纤进行通信的可能性和技术途径。
奠定了现代光通信光纤通信的基能性和技术途径。
奠定了现代光通信光纤通信的基础。
础。
当时石英纤维损耗高达当时石英纤维损耗高达1000dB/km是杂质吸收产生的是杂质吸收产生的材料的本征损耗由瑞利散射决定，与波长的材料的本征损耗由瑞利散射决定，与波长的4次方成反次方成反比，实际很小。
比，实际很小。
通过材料的提纯可制造低损耗光纤。
通过材料的提纯可制造低损耗光纤。
第第11章章概论概论光纤的研制进程光纤的研制进程19701970年年，美美国国康康宁宁（Corning）（Corning）公公司司就就研研制制成成功功损损耗耗2020dB/kmdB/km的的石石英英光光纤纤。
它它的的意意义义在在于于：
使使光光纤纤通通信信可可以以和和同同轴轴电电缆缆通通信信竞竞争争，从从而而展展现现了了光光纤纤通通信信美美好好的的前前景景，促促进进了了世世界界各各国国相相继继投投入入大大量量人人力物力，力物力，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。
19721972年，康宁公司高纯石英多模光纤将损耗降低到年，康宁公司高纯石英多模光纤将损耗降低到4dB/km4dB/km。
19731973年年，美美国国贝贝尔尔（Bell）（Bell）实实验验室室将将光光纤纤损损耗耗降降低低到到2.5dB/km2.5dB/km。
19741974年降低到年降低到1.1dB/km1.1dB/km。
19761976年年，日日本本电电报报电电话话（NTT）（NTT）公公司司等等单单位位将将光光纤纤损损耗耗降降低低到到0.470.47dB/km（dB/km（波长波长1.2m）1.2m）。
19861986年是年是0.154dB/km0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。
接近了光纤最低损耗的理论极限。
第第11章章概论概论光纤通信用激光器的发展进程光纤通信用激光器的发展进程19701970年年，美美国国、日日本本和和前前苏苏联联先先研研制制成成功功室室温温下下连连续续振振荡的镓铝砷荡的镓铝砷（GaAlAsGaAlAs）双异质结半导体激光器。
双异质结半导体激光器。
虽虽然然寿寿命命只只有有几几个个小小时时，但但其其意意义义是是重重大大的的，它它为为半半导体激光器的发展奠定了基础。
导体激光器的发展奠定了基础。
19731973年，半导体激光器寿命达到年，半导体激光器寿命达到70007000小时。
小时。
19771977年年，贝贝尔尔实实验验室室研研制制的的半半导导体体激激光光器器寿寿命命达达到到1010万万小小时时（约约11.411.4年年），外外推推寿寿命命达达到到100100万万小小时时，完完全全满满足足实用化的要求。
实用化的要求。
第第11章章概论概论在这个期间：
在这个期间：
19761976年年日日本本电电报报电电话话公公司司研研制制成成功功发发射射波波长长为为1.31.3mm的的铟镓砷磷铟镓砷磷（InGaAsPInGaAsP）激光器。
激光器。
19791979年年美美国国电电报报电电话话（AT&T）（AT&T）公公司司和和日日本本电电报报电电话话公公司司研研制制成成功功发发射射波波长长为为1.551.55mm的的连连续续振振荡荡半半导导体体激激光光器器。
由由于于光光纤纤和和半半导导体体激激光光器器的的技技术术进进步步，使使19701970年年成成为光纤通信发展的一个重要里程碑。
为光纤通信发展的一个重要里程碑。
第第11章章概论概论光纤通信发展的三个阶段光纤通信发展的三个阶段第第一一阶阶段段（1966（196619761976年年），这这是是从从基基础础研研究究到到商商业业应应用用的的开开发发时时期期。
在在这这个个时时期期，实实现现了了短短波波长长（0.85（0.85m）m）低低速速率率（45（45或或3434Mb/s）Mb/s）多多模模光纤通信系统，无中继传输距离约光纤通信系统，无中继传输距离约10km10km。
第第二二阶阶段段（1976（197619861986年年），这这是是以以提提高高传传输输速速率率和和增增加加传传输输距距离离为为研究目标并大力推广应用的大发展时期。
研究目标并大力推广应用的大发展时期。
在在这这个个时时期期，光光纤纤从从多多模模发发展展到到单单模模，工工作作波波长长从从短短波波长长（0.85（0.85m）m）发发展展到到长长波波长长（1.31（1.31mm和和1.551.55m）m），实实现现了了工工作作波波长长为为1.311.31mm、传传输输速速率率为为140140565565Mb/sMb/s的的单单模模光光纤纤通通信信系系统统，无中继传输距离为无中继传输距离为10010050km50km。
第第11章章概论概论第第三三阶阶段段（1986（198619961996年年），这这是是以以超超大大容容量量、超超长长距距离离为目标，全面深入开展新技术研究的时期。
为目标，全面深入开展新技术研究的时期。
在在这这个个时时期期，实实现现了了1.551.55mm色色散散移移位位单单模模光光纤纤通通信信系系统统。
采采用用外外调调制制技技术术，传传输输速速率率可可达达2.52.51010Gb/sGb/s，无无中中继继传传输输距距离离可可达达150150100km100km。
实实验验室室可可以以达达到到更高水平。
更高水平。
目目前前，正正在在开开展展研研究究的的光光纤纤通通信信新新技技术术，例例如如，超超大大容容量量的的波波分分复复用用（Wavelength（WavelengthDivisionDivisionMultiplexing,Multiplexing,WDM）WDM）光光纤纤通通信信系系统统（实实现现）和和超超长长距距离离的的光光孤孤子子（SolitonSoliton）通通信信系系统统，将将在在第第77章章作作介介绍绍。
第第11章章概论概论1.1.31.1.3国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状光纤通信技术发展历程：
光纤通信技术发展历程：
光光纤纤从从多多模模发发展展到到单单模模，工工作作波波长长从从0.850.85mm发发展展到到1.311.31mm和和1.55m1.55m，传输速率从几十传输速率从几十Mb/sMb/s发展到几十发展到几十Gb/sGb/s。
另另一一方方面面，随随着着技技术术的的进进步步和和大大规规模模产产业业的的形形成成，光光纤纤价价格格不断下降，应用范围不断扩大：
不断下降，应用范围不断扩大：
从从初初期期的的市市话话局局间间中中继继到到长长途途干干线线进进一一步步延延伸伸到到用用户户接接入入网网，从从数数字字电电话话到到有有线线电电视视（CATV）（CATV），从从单单一一类类型型信信息息的的传传输输到到多多种种业业务务的的传传输输。
目目前前光光纤纤已已成成为为信信息息宽宽带带传传输输的的主主要媒质，光纤通信系统成为国家信息基础设施的支柱要媒质，光纤通信系统成为国家信息基础设施的支柱第第11章章概论概论1.2光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用任何通信系统追求的任何通信系统追求的最终技术目标最终技术目标都都是要可靠地实现最大可能的信息传输是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和无中继传输距离。
容量和无中继传输距离。
通信系统的传输容量取决于对载波调通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，通信制的频带宽度，载波频率越高，通信系统的传输容量越大。
系统的传输容量越大。
通信技术发展的历史，实际上是一个通信技术发展的历史，实际上是一个不断提高载波频率和增加传输容量的不断提高载波频率和增加传输容量的历史。
历史。
第第11章章概论概论1.2.1光通信与电通信光通信与电通信电缆通信和微波通信的载波是电电缆通信和微波通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。
虽波，光纤通信的载波是光波。
虽然光波和电波都是电磁波，但是然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。
频率差别很大。
光纤通信用的近红外光光纤通信用的近红外光（波长约波长约1m）1m）的频率的频率（约约300THz）300THz）比微波比微波（波长为波长为0.1m0.1m1mm）1mm）的频率的频率（3（3300GHz）300GHz）高高33个数量级以上个数量级以上第第11章章概论概论光光纤纤通通信信用用的的近近红红外外光光（波波长长为为0.70.71.7m）1.7m）频频带带宽宽度度约为约为200THz200THz。
在在常常用用的的1.311.31mm和和1.551.55mm两两个个波波长长窗窗口口，频频带带宽宽度度也在也在20THz20THz以上。
以上。
由由于于光光源源和和光光纤纤特特性性的的限限制制，目目前前，光光强强度度调调制制的的带带宽宽一般只有一般只有20GHz20GHz因此还有因此还有33个数量级以上的带宽潜力可以挖掘。
个数量级以上的带宽潜力可以挖掘。
第第11章章概论概论图图1.21.2各种传输线路的损耗特性各种传输线路的损耗特性第第11章章概论概论1.2.2光纤通信的优点光纤通信的优点一、频带宽，传输容量大一、频带宽，传输容量大二、损耗低，传输距离远二、损耗低，传输距离远三、重量轻、体积小，便于施工三、重量轻、体积小，便于施工四、抗干扰能力强，保密性能好四、抗干扰能力强，保密性能好五、耐腐蚀、耐高温，可在恶劣环境中工作五、耐腐蚀、耐高温，可在恶劣环境中工作六、节约金属材料，有利于资源的合理利用六、节约金属材料，有利于资源的合理利用第第11章章概论概论图图1.3各种通信系统相对造价与传输容量的比较各种通信系统相对造价与传输容量的比较第第11章章概论概论1.2.3光纤通信的应用光纤通信的应用光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。
光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。
光光纤纤在在通通信信网网、广广播播电电视视网网与与计计算算机机网网，以以及及在在其其它它数数据传输系统中，据传输系统中，都得到了广泛应用。
都得到了广泛应用。
光光纤纤宽宽
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