光纤通信第1章概述试卷.ppt

第1章概论
光纤通信发展的历史和现状
光纤通信的优点和应用
光纤通信系统的基本组成
光纤通信发展的历史和现状 探索时期的光通信 中国古代用“烽火台”报警,欧洲人用旗语传送信息,这些都可以看做是原始形式的光通信。望远镜的出现,又极大地延长了这种目视光通信的距离。
1880年,美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。这种光电话利用太阳光或弧光灯作光源,通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上,使光强度随话音的变化而变化,实现话音对光强度的调制。在接收端,用抛物面反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上,使光信号变换为电流,传送到受话器。由于当时没有理想的光源和传输介质,这种光电话的传输距离很短,并没有实际应用价值,因而进展很慢。然而,光电话仍是一项伟大的发明,它证明了用光波作为载波传送信息的可行性。因此,可以说贝尔光电话是现代光通信的雏形。
1960年,美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器,给光通信带来了新的希望,和普通光相比,激光具有波谱宽度窄,方向性极好,亮度极高,以及频率和相位较一致的良好特性。激光是一种高度相干光,它的特性和无线电波相似,是一种理想的光载波。继红宝石激光器之后,氦-氖(He-Ne)激光器、二氧化碳(CO2)激光器先后出现,并投入实际应用。激光器的发明和应用,使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。
在这个时期,美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验。实验证明:用承载信息的光波,通过大气的传播,实现点对点的通信是可行的,但是通信能力和质量受气候影响十分严重。由于雨、雾、雪和大气灰尘的吸收和散射,光波能量衰减很大。例如,暴雨能造成3~12 dB/km的衰减,浓雾衰减高达60~200 dB/km。另一方面,大气的密度和温度不均匀,造成折射率的变化,使光束位置发生偏移。因而通信的距离和稳定性都受到极大的限制,不能实现“全天候”通信。虽然,固体激光器(例如掺钕钇铝石榴石(Nd: YAG)激光器)的发明大大提高了发射光功率,延长了传输距离,使大气激光通信可以在江河两岸、海岛之间和某些特定场合使用,但是大气激光通信的稳定性和可靠性仍然没有解决。
为了克服气候对激光通信的影响,人们自然想到把激光束限制在特定的空间内传输, 因而提出了透镜波导和反射镜波导的光波传输系统。透镜波导是在金属管内每隔一定距离安装一个透镜,每个透镜把经传输的光束会聚到下一个透镜而实现的。反射镜波导和透镜波导相似,是用与光束传输方向成45°角的两个平行反射镜代替透镜而构成的。这两种波导,从理论上讲是可行的,但在实际应用中遇到了不可克服的困难。首先,现场施工中校准和安装十分复杂;其次,为了防止地面活动对波导的影响,必须把波导深埋或选择在人车稀少的地区使用。 由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质,对光通信的研究曾一度走入了低谷。
现代光纤通信 1966 年,英籍华裔学者高锟()和霍克哈姆()发表了关于传输介质新概念的论文,指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径,奠定了现代光通信——光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高达1000 dB/km以上,高锟等人指出:这样大的损耗不是石英纤维本身固有的特性,而是由于材料中的杂质,例如过渡金属(Fe、Cu等)离子的吸收产生的。材料本身固有的损耗基本上由瑞利(Rayleigh)散射决定,它随波长的四次方而下降,其损耗很小。因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤。如果把材料中金属离子含量的比重降低到10-6以下,就可以使光纤损耗减小到10 dB/km。再通过改进制造工艺的热处理提高材料的均匀性,可以进一步把损耗减小到几dB/km。这个思想和预测受到世界各国极大的重视。
1970 年,光纤研制取得了重大突破。在当年,美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。它的意义在于:使光纤通信可以和同轴电缆通信竞争,从而展现了光纤通信美好的前景,促进了世界各国相继投入大量人力物力,把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。1972 年,康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。1973年,美国贝尔(Bell)实验室取得了更大成绩, dB/km。1974 dB/km。1976 年,日本电报电话(NTT) dB/km( μm)。在以后的 10 年中, μm的光纤损耗:1979 dB/km, dB/km,1986