【2017年整理】gx第1章.ppt

袁国良编著 课程简介 本书主要介绍光纤通信的原理及其发展；光纤通信的物理学基础；光纤的传输理论和特性；光源和光电检测器的结构与工作原理；光发射机和光接收机，光缆和光纤通信器件；光纤通信系统的构成、性能和设计；系统性能的提高，包括光放大和色散补偿技术、光波分复用技术、相干光通信、光孤子通信等；光纤通信的基本实验。 本书力求从基础知识出发，深入浅出、循序渐进，以方便读者阅读。本书可以作为高等学校本科生和研究生的教材，也可以作为从事光纤通信的科研人员、工程技术人员和其他相关人员的参考书。 第1章 光纤通信概述 本章内容 1.1 什么是光纤通信 1.2 光纤通信的发展历史 1.3 光纤通信的优点和应用 1.4 光纤通信系统的组成 1.5 光纤通信的发展趋势 小结、习题 1.1 什么是光纤通信 光纤通信是利用光导纤维传输光波信号的通信方式 实现光纤通信要解决两个问题 第一个是光信号问题：使用激光器产生的激光作为信息载体。 第二个是传输介质问题：使用光导纤维作为传输光波信号的通信介质。 图1-1 光纤与电话双绞线对比图 目前使用的通信光纤大多数采用的基础材料为SiO2的光纤。它工作在近红外区，波长为0.8～1.8μm，对应的频率为167～375THz。光纤通信技术的发展十分迅猛，在通信领域已经起到了举足轻重的作用，发展方向十分广阔。 1.2 光纤通信的发展历史 早期的光通信 利用光进行通信并不是一个新概念，在早期的光通信研究中，人们做了许多尝试。我国古代使用的烽火台就是大气光通信的最好例子，那时候大部分文明社会已经使用烟火信号传递单个的信息，后来的手旗、灯光甚至交通红绿灯等均可划入光通信的范畴，但可惜它们所能传递的距离和信息量都是十分有限的。 2. 近代光通信的雏形 近代光通信的雏形可追溯到1880年Bell发明的光电话，他用阳光作为光源、硒晶体作为光接收检测器件，通过200m的大气空间成功地传送了语音信号。虽然在以后的几十年中，科技工作者对Bell的光电话具有浓厚的兴趣，但由于缺乏合适的光源及光在大气中传输的严重衰减性，这种大气通信光电话未能像其他电通信方式那样得到发展。 3. 光纤通信发展历史的里程碑 光纤通信发展历史中的一个里程碑是1966年7月，英籍华人高琨博士在Proc.IEE杂志上发表了一篇十分著名的论文--《用于光频的光纤表面波导》。该论文从理论上分析证明了用光纤作为传输介质以实现光通信的可能性，设计了通信用光纤的波导结构，更重要的是他科学地预言了制造通信用低损耗光纤，即通过加强原材料提纯、加入适当的掺杂剂，可把光纤的衰减系数降低到20dB/km以下。 4. 光纤通信在技术上经历了五个发展阶段 (1) 第一代光纤通信系统在20世纪70年代末投入商业应用。第一代光纤通信系统的光源的波长为0.85μm，光纤采用多模光纤。由于0.85μm波长上光纤损耗较大，多模光纤的传输带宽有限，因此第一代光波通信系统传输距离较短，传输速率也较低。如1976年在美国亚特兰大建设的商用实验系统，传输码速率在44.736Mb/s，中继间距10km。但是与同轴系统相比，中继间距已经长得很多，投资和维护费用也较低，因此被迅速投入工程和商业运营。 (2) 第二代光纤通信系统在20世纪80年代初问世，早期的第二代光波通信系统的光源是波长为1.3μm的半导体二极管或激光二极管，光纤采用多模光纤。由于1.3μm光波的光纤损耗较低，所以中继距离超过了20km，但由于多模光纤的模间色散，早期的系统的比特率被限制在140Mb/s以下。后来人们研制了单模光纤，它能克服模间色散，所以传输距离可以延伸至几十千米，码速率可以达数百兆比特每秒以上。 (3) 第三代光纤系统采用1.55μm作为工作波长，以色散位移光纤作为传输介质。理论研究发现，石英光纤最低损耗在1.55μm附近，光纤损耗可以达到0.2dB/km的低损耗。光源采用单纵模激光器。这样工作于1.55μm的第三代光纤系统传输距离达到100km以上，码速率达到2.5Gb/s。后来，通过精心设计的激光器和光接收机，其比特率能超过10Gb/s. (4) 第四代光纤系统以采用光放大器(OA)增加中继距离和采用波分复用(WDM)增加比特率为特征。采用波分复用技术，目前已经在商用上实现了160波特的波分复用，实验室中的数据则远远高于这个水平。 (5) 第五代光纤通信系统是以新技术在光纤通信中的应用为标志的。如光孤子通信，它是基于光纤非线性压缩抵消光纤色散展宽的新概念产生的光孤子，实现光脉冲信号保形传输。这种基本思想在1973年就已被提出，但直到1988年才由贝