频 率 f
(1T)
(1G)
(1M)
(1k)
(Hz ) 1019 1018 1017 1016 1015 1014 1013 1012 1011 1010 109 108 107 106 105 104 103 102 101
光纤通信的故事
烽火传信 古希腊的火炬墙 贝尔光电话系统 大气光通信 地下光通信 光纤的雏形 高锟和现代光纤通信
1960年左右，最好的光纤损耗也在1000 分贝/公里 (dB/km)。 由于，损耗很大，它最初被用于医疗，如内窥镜。
由于人们无法解决光向四面八方散射时，光强减弱和不能通过障碍物 的问题，（也就是没有找到合适的载体和光源）因此，直到上世纪六十年 代初，光通信都没有什么重大的进展。它仅仅作为一种信号灯使用，如:
•1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2μm)。
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。 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潮
光纤的雏形
1870年，英国物理学家丁达 尔 发现太阳光随着水流发生弯曲
n水 > n空气，光发生全反射
1953年，英国伦敦学院卡帕尼博士首次将丁达尔的观察用于实 际，发明了用极细的玻璃制作的光导纤维：芯层+包层。芯层的折射 率大于包层，光在其中做全反射。
的低损耗光纤”这一发展方向。
光纤发明人高锟 Charles K.Kao
高锟——光纤之父
论文：《光频介质纤维表面波导》1966 （Dielectric-Fiber Suface Waveguide for
Optical Frequency)
提出：制造石英光纤可实现光纤通信
指出 三点：
• 光纤的容量很大
第1章 绪 论
1.1光纤通信概述 1.2光纤通信系统主要特点 1.3光纤通信系统的简介 1.4光纤通信技术发展展望
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总体概述
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1.1 光纤通信概述
光纤通信的基本概念 光纤通信是指利用相干性和方向性
X光 (伦琴射线)
光通信
紫
外
线 可
见
光 近 外
红 线远红Biblioteka 外线米波电视 发射
用
无
线电广播 发射用
微波
射频 超声波
音频
1埃 1nm
1m
1mm
1m
1km
波长
(m)
10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 106 107
马路上的红绿灯、机场上的跑道标志灯和航标灯等等。
而此时电通信却迅速发展起来，人类进入了电通信时代。
高昆与现代光纤通信
1966 年 ， 英 籍 华 裔 学 者 高 锟 (C.K.Kao) 和 霍 克 哈 姆 (C.A.Hockham) 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。
E
S CLU
1400 1500 1600 波长 ( nm )
1700
光纤研制的重大突破
• 1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。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)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。
烽火传信
原始形式的光通信:中国古 代用“烽火台”报警，欧 洲人用旗语传送信息。
古希腊的火炬墙
贝尔光电话系统
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”他以日光为光源，大气为传 输媒介，传输距离是200米。贝尔光电话是现代光通信的雏型。
大气光通信
频率为100太赫兹的红宝石激光器[美国梅曼(Maiman)，1960]
• 高纯石英光纤的损失可低达 20dB/km
• 单模光纤的原理构造
光纤通信发明家高锟(左) 1998年在英国接受IEE授予的奖章
2009年诺贝尔物理学奖获得者英国华裔科学家高锟，美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯。
瑞典皇家科学院说，高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，他将获得今年物理 学奖一半的奖金，共500万瑞典克朗（约合70万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件——电荷耦合器件
（CCD）图像传感器，将分享今年物理学奖另一半奖金
光在光纤中的传播
n1 n2 > n0 n0
B
>c
<max
A B
>max
<c 900_ c
光纤的形状
包层
芯
损失
n2
消逝波
A全反射
n1 n2
树脂被覆层
全波光纤
0 .6 衰减 (dB /km ) 0.5
0 .4 0 .3
0 .2
窗口 O
0 .1 1200 1300
激光器的发明和应用， 光通信进入一个崭新的阶段，它具有亮度高、谱线窄、方向性好 但由于大气通信受气象条件的影响，通信不稳定
地下光通信
大气光通信受阻，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波 导等地下通信的实验。但反射波导和透镜波导造价昂贵，调整、维护困难。
没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质 对光通信的研究走入了低潮
高昆和他的同事在英国标准电信研究所对光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题进行了深入研究，指出光纤 产生损耗的原因：1) 玻璃纤维中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质；2) 拉制光纤工艺造
成芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀 新的发现：一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小，指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用
极好的激光作为载波（也称光载 波）来携带信息，并利用光导纤 维（光纤）来进行传输的通信方 式。
光纤通信使用的波段
光纤通信常用的波长范围为近红外区,即从0.85 -1.6 ， 其频率范围约为 1 0 1 4 hz数量级，其比常用的微波频率 高104 105 倍，所以其通信容量也较常用的微波通信原 则上高 104 105。