第一章光纤通信概述

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第一章光纤通信概述第一章光纤通信概述

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§1.1 光纤通信的概念

§1.2 光纤通信的发展历史

§1.3 现代光纤通信技术

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通信（ communication ） : 从广义的角度来说，就是彼此之间传递信息。现代的通信一般是指电信（ telecommunication ）。

IEEE （电气和电子工程师协会）对电信的定义是借助诸如电话系统、无线电系统或电视系统这样的设备，在相隔一定距离的条件下进行的信息交换。

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电通信（ electrical communication ）广义的电通信指的是一切运用电波作为载体而传送信

息的所有通信方式的总称，而不管传输所使用的介质是什么。

电通信又可分为有线电通信和无线电通信。光通信（ optical communication ）

广义的光通信指的是一切运用光波作为载体而传送信息的所有通信方式的总称，而不管传输所使用的介质是什么。

光通信也可以分为利用大气进行通信的无线光通信和利用石英光纤或塑料光纤进行通信的有线光通信。


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光通信光纤通信

人们通常把应用石英光纤的有线光通信简称为光纤通信（ optical fiber communication ）


≠

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点对点光纤通信链路示意图


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DWDM 系统器件


一个完整的 DWDM 系统。其通常包含光收发器、光耦合器、光复用 / 解复用器、光纤放大器、光上 / 下分路器、光交叉波分复用器、光色散补偿装置、光偏振控制装置、光开关、光波长转换器以及其他光通信器件、处理电路模块等

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光纤通信技术发展的精髓——提高光纤通信系统容量


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•雏形：古代烽火、手旗、灯光

1880 年贝尔的光电话激光器 ( 发送源 )

1960 Maiman 发明红宝石激光器

1962 半导体激光器诞生 (GaAs 870nm)

70 年代室温工作 LD(GaAsAI 850nm)

1300 、 1550nm 多模 LD

单模 LD

光纤 ( 传输介质 )

1951 医用玻璃纤维 ( 损耗 1000dB/km)

1966 高锟理论预言

1970 康宁制出低损耗光纤(20dB/km)

1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低损耗窗口光纤开发

单模光纤


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四大里程碑 1960 年，世界上第一台相干振荡光源－红宝石激光器

问世。 1970 年，美国康宁玻璃公司的卡普隆（ Kapron ）博

士等拉制出损耗仅为 20 dB/km 的光纤 1985 年，南安普敦大学的 Mears 等人制成了掺铒光

纤放大器（ erbium-doped fiber amplifier, EDFA ） 90 年代，光纤光栅、全光纤光子器件、平面波导器件及其集成的出现

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20 世纪 60 年代。 1962 年第一只半导体激光器诞生，随后半导体光检测器也研究成功。

1966 年英籍华人科学家高锟与 Hockham 提出用玻璃可以制成衰减为 20dB/km 的通信光导纤维， 1970 年美国康宁公司首先制出了 20dB/km 的光纤，这标志着光纤通信系统的实际研究条件得以具备。


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20 世纪 70 年代。 1970 年发明了 LD 的双异质结构，使得光源与光检测器的寿命都达到了 10万小时的实用化水平。 1979 年发现了光纤 1310nm 和 1550nm 新的低损耗窗口，紧接着单模光纤问世。光纤的衰减系数一下降到 0.5dB/km 。这使得光纤通信迈进了实用化阶段，从 80 年代初开始光纤通信便大步地迈向了市场。


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20 世纪 90 年代初。 1989 年掺铒光纤放大器EDFA 的研制成功是光纤通信新一轮突破的开始。 EDFA 的应用不仅解决了光纤传输衰减的补偿问题，而且为一批光网络器件的应用创造了条件。使得光纤通信的数字传输速率迅速提高，促成了波分复用技术的实用化。


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光纤通信是目前世界上发展最快的领域，平均每 9 个月性能翻一番、价格降低一半，其速度已超过了计算机芯片性能每 18 个月翻一番的摩尔定律的一倍。在短短的 30 多年时间里已经经历了五代通信系统的使用。

爆炸性发展

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2.5Gb/s 10Gb/s 40Gb/s

10Gb/s 40Gb/s

20Gb/s 80Gb/s

80Gb/s 320Gb/s32

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8

4

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WDM 波长数

每波长比特率 (TDM)

40Gb/s

网络容量演进战略

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工作波长工作波长光纤光纤激光器激光器比特率比特率 BB 中继距离中继距离LL

第一代第一代 7070年代年代

850nm850nm 多模多模多模多模 44.7Mb/s44.7Mb/s ～～ 10Km10Km

第二代第二代 8080年代初年代初

1300nm1300nm 多模多模单模单模

多模多模 140Mb/s140Mb/s 20 20 ～～50Km50Km

第三代第三代 8080年代中～年代中～ 9900 年代初年代初

1550nm1550nm 单模单模单模单模 PDHPDH 群路群路（（ 140Mb/140Mb/ss ））

5050 ～～ 100100KmKm

爆炸性发展

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工作工作波长波长

光纤光纤激光激光器器

比特率比特率 BB 中继距离中继距离 LL

第四第四代代 9090年代年代

1550n1550nmm

单模单模单模单模 SDHSDH ，， WDMWDM技术技术 2.5Gb/s2.5Gb/s

无中继：无中继： 8080 ～～ 120Km120KmEDFAEDFA ：： 1500Km1500Km

第五第五代代

1550n1550nmm

单模单模单模单模 WDMWDM 网络，网络，单波长单波长 10,40,10,40,160Gb/s160Gb/s

信道数信道数 : 8,16,64,128,1022: 8,16,64,128,1022超长传输距离超长传输距离 :27000Km(Lo:27000Km(Loop) 6380(Line)op) 6380(Line)

目前目前研究研究内容内容

WDMWDM 光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；新型的光器件新型的光器件

爆炸性发展

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光纤通信技术特点传输容量大。传输损耗小，中继距离长抗干扰性好，保密性强，使用安全材料资源丰富，可节约金属材料重量轻，可挠性好，敷设方便

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光纤通信是不是完美无缺？

光纤通信除了上述优点外，也存在一些缺点。例如组件昂贵，光纤质地脆、机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小等。这些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤通信的实用。


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未来技术角色超大容量光纤通信系统光集成器件和光电集成器件的研究新类型光纤的研究解决全网瓶颈的手段——光接入网

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光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信

超高速超高速大容量大容量

长距离长距离网络化网络化

一根光纤中可同时传输一百一根光纤中可同时传输一百多路信号，采用特殊技术多路信号，采用特殊技术甚至可以同时传输甚至可以同时传输 10221022 路路

一根光纤中可同时传输一百一根光纤中可同时传输一百多路信号，采用特殊技术多路信号，采用特殊技术甚至可以同时传输甚至可以同时传输 10221022 路路

单路速率不断提升，单路速率不断提升，已达到已达到 1010 、、 2020 、、 40Gb/s40Gb/s采用采用 OTDMOTDM 技术甚至技术甚至

可达可达 640Gb/s640Gb/s

单路速率不断提升，单路速率不断提升，已达到已达到 1010 、、 2020 、、 40Gb/s40Gb/s采用采用 OTDMOTDM 技术甚至技术甚至

可达可达 640Gb/s640Gb/s

各种通信技术的快速各种通信技术的快速发展使上千甚至上万公发展使上千甚至上万公

里的长距离传输成为可能里的长距离传输成为可能

各种通信技术的快速各种通信技术的快速发展使上千甚至上万公发展使上千甚至上万公

里的长距离传输成为可能里的长距离传输成为可能

全光网成为目前光通信全光网成为目前光通信领域最热门的话题之一领域最热门的话题之一全光网成为目前光通信全光网成为目前光通信领域最热门的话题之一领域最热门的话题之一

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光纤通信最具代表性技术光纤通信最具代表性技术－－波分复用波分复用 WDMWDM 和光纤放大器和光纤放大器

EDFAEDFA

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• 光集成器件

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光纤通信系统的新波段

1450 1490 1530 1570 1610 1650

S+ S C L L+

波长 (nm)

波段波长范围 (nm)

带宽 (THz) 光放大器应用

C 1530-1570 5.0 有长途干线C+L 1530-1610 9.7 有长途干线S+C+L 1490-1610 15.0 无城 / 局域网S+

+S+C+L+L+

1450-1650 25.1 无城 / 局域网

全波 1300-1650 48.9 无城 / 局域网

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寻找合适的光纤，实用化的光损耗为 20dB/km (99.5%/m)； 60 年代研究， 70 年代突破， 2000 年 0.2dB/km (99.995%/m); 新的实用化光纤不断涌现

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21 世纪是光子的世纪，是光网络的世纪，通信走向全光网络必然要涉及开发一系列不同于以往传统光纤通信要求的新技术、新器件。


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第一章 光纤通信概述

第一章光纤通信概述