第一章光纖簡(jiǎn)介

1、21世紀(jì)高 等 學(xué) 校 通 信 類 系 系 列 教 材高 等 學(xué) 校 電 子 信 息 類 規(guī) 劃 教 材光光 纖纖 通通 信信劉增基劉增基 周洋溢周洋溢 胡遼林胡遼林 周綺麗周綺麗 編著編著西西 西西 安安 電電 子子 科科 技技 大大 學(xué)學(xué) 出出 版版 社社http:/21世紀(jì)高 等 學(xué) 校 通 信 類 系 系 列 教 材高 等 學(xué) 校 電 子 信 息 類 規(guī) 劃 教 材光光 纖纖 通通 信信劉增基劉增基 周洋溢周洋溢 胡遼林胡遼林 周綺麗周綺麗 編著編著西西 西西 安安 電電 子子 科科 技技 大大 學(xué)學(xué) 出出 版版 社社http:/第第1 章章 概概 論論第第2 章章 光纖和光纜光纖和光

2、纜第第3 章章 通信用光器件通信用光器件第第4 章章 光端機(jī)光端機(jī)第第5章章 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)*第第6章章 模擬光纖通信系統(tǒng)模擬光纖通信系統(tǒng)第第7 章章 光纖通信新技術(shù)光纖通信新技術(shù)第第8章章 光纖通信網(wǎng)絡(luò)光纖通信網(wǎng)絡(luò) 目目 錄錄1 1 光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀1 2 光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用1 3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成 第第 1 章章 概概 論論返回主目錄 現(xiàn)代通信方式示意圖現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動(dòng)通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶

3、環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息 現(xiàn)代通信方式示意圖現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動(dòng)通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息信息指用戶要求傳送信息指用戶要求傳送的語音、圖像、數(shù)據(jù)的語音、圖像、數(shù)據(jù)以及它們的各種組合以及它們的各種組合用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動(dòng)通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息 現(xiàn)代通信方式示意圖現(xiàn)代通信方式示意圖用戶終端用戶終端交換設(shè)備交換設(shè)備接入網(wǎng)接入網(wǎng)電復(fù)接設(shè)備電復(fù)接設(shè)備傳輸系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)

4、現(xiàn)代通信方式示意圖現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動(dòng)通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息 1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀 1.1.1探索時(shí)期的光通信探索時(shí)期的光通信 討論光通信的幾個(gè)重要時(shí)期： 1、1880年，美國(guó)人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”，見圖1。 特點(diǎn): 1）沒有理想的光源和傳輸介質(zhì)，這種光電話的傳輸距離很短，并沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，因而進(jìn)展很慢。 2）光電話仍是一項(xiàng)偉大的發(fā)明，它證明了用光波作為載波傳送信息的可行性。因此，可以說貝爾光電話是

5、現(xiàn)代光通信的雛型。調(diào)制器語音電信號(hào)電/光光源光信號(hào)大氣解調(diào)器受話器光/電圖1 “光電話”原理示圖透鏡振動(dòng)鏡片硅光電池 2 .1960年，美國(guó)人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器， 給光通信帶來了新的希望。 激光和普通光相比：激光和普通光相比：激光具有波譜寬度窄，方向性極好，亮度極高，以及頻率和相位較一致的良好特性。激光是一種高度相干光，它的特性和無線電波相似，是一種理想的光載波。繼紅寶石激光器之后，氦氖(He - Ne)激光器、二氧化碳(CO2)激光器先后出現(xiàn)，并投入實(shí)際應(yīng)用。激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。 美國(guó)麻省理工學(xué)院利用He - Ne激光器和C

6、O2激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn)。：用承載信息的光波，通過大氣的傳播，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信是可行的，但是通信能力和質(zhì)量受氣候影響十分嚴(yán)重。固體激光器(例如摻釹釔鋁石榴石(Nd: YAG)激光器)的發(fā)明大大提高了發(fā)射光功率，延長(zhǎng)了傳輸距離，但是大氣激光通信的穩(wěn)定性和可靠性仍然沒有解決。 解決方案：解決方案：把激光束限制在特定的空間內(nèi)傳輸。因而提出了透鏡波導(dǎo)和反射鏡波導(dǎo)的光波傳輸系統(tǒng)。從理論上講是可行的，但在實(shí)際應(yīng)用中遇到了不可克服的困難。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：1）不實(shí)用，安裝復(fù)雜 2）深埋或在人車稀少的地區(qū)實(shí)用。 由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，對(duì)光通信的研究曾一度走入了低潮。 1.1.2現(xiàn)代光纖通信（

7、解決傳輸媒質(zhì)問題）現(xiàn)代光纖通信（解決傳輸媒質(zhì)問題） 幾個(gè)重要時(shí)期1.1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖(Optical Fiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信光纖通信的基礎(chǔ)。2.光纖制造方面光纖制造方面: 1970 年，光纖研制取得了重大突破。在當(dāng)年，美國(guó)康寧(Corning)公司就研制成功損耗20 dB/km的石英光纖。它的意義在于：使光纖通信可以和同軸電纜通信競(jìng)爭(zhēng)，從而展現(xiàn)了光纖通信美好的前景。光纖通信發(fā)明家光纖通信發(fā)明家高錕高錕( (左左) )1998年在英國(guó)接受年在英國(guó)接

8、受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)率谟璧莫?jiǎng)?wù)鹿庠吹陌l(fā)展：光源的發(fā)展：1970年，激光器的壽命只有幾個(gè)小時(shí)。到1977年 可達(dá)10萬小時(shí)（約11.4年）；激光器的發(fā)射波長(zhǎng)出現(xiàn)了1.3um,1.55um 3、由于光纖與激光器的技術(shù)進(jìn)步：由于光纖與激光器的技術(shù)進(jìn)步： 1976 年，美國(guó)在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，系統(tǒng)采用GaAlAs激光器作光源，多模光纖作傳輸介質(zhì)，速率為44.7 Mb/s，傳輸距離約10 km。 隨著時(shí)間的推移，光纖通信系統(tǒng)性能在傳輸速度和距離方面有了迅猛發(fā)展。P3 通信網(wǎng) 4、自從 1966 年以來 光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個(gè)階段： 第一階段(

9、19661976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，實(shí)現(xiàn)了短波長(zhǎng)(0.85 m)低速率(45或34 Mb/s)多模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離約10 km。 第二階段(19761986年)，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期， 光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長(zhǎng)從短波長(zhǎng)(0.85 m) 發(fā)展到長(zhǎng)波長(zhǎng)(1.31 m和1.55 m)， 實(shí)現(xiàn)了工作波長(zhǎng)為1.31 m、傳輸速率為140565Mb/s 的單模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離為10050 km。 第三階段(19861996年)，這是以超大容量超長(zhǎng)距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時(shí)

10、期。在這個(gè)時(shí)期，實(shí)現(xiàn)了1.55 m色散移位單模光纖通信系統(tǒng)。采用外調(diào)制技術(shù)，傳輸速率可達(dá)2.510 Gb/s，無中繼傳輸距離可達(dá)150100 km。實(shí)驗(yàn)室可以達(dá)到更高水平。 目前，正在開展研究的光纖通信新技術(shù)，例如，超大容量的波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing, WDM)光纖通信系統(tǒng)和超長(zhǎng)距離的光孤子(Soliton)通信系統(tǒng)，將在第 7章作介紹。 1970 年，光纖研制取得了重大突破。在當(dāng)年，美國(guó)康寧年，光纖研制取得了重大突破。在當(dāng)年，美國(guó)康寧(Corning)公司就研制成功損耗公司就研制成功損耗 20dB/km 的石英光纖。它的意的石英光纖。它的意義

11、在于：使光纖通信可以和同軸電纜通信競(jìng)爭(zhēng)，從而展現(xiàn)了光義在于：使光纖通信可以和同軸電纜通信競(jìng)爭(zhēng)，從而展現(xiàn)了光纖通信美好的前景纖通信美好的前景。 1972年 康寧公司高純石英多模光纖損耗 4 dB/km 1973年 貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室 2.5dB/km 1974年貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室 1.1dB/km 1976年日本電報(bào)電話(NTT)公司 0.47 dB/km 1979年 0.20 dB/km, 1984年 0.157 dB/km 1986 年 0.154 dB/km， 接近光纖損耗的理論極限 1970 年，作為光纖通信用的光源也取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。 當(dāng)年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NE

12、C)和前蘇聯(lián)先后突破了半導(dǎo)體激光器在低溫突破了半導(dǎo)體激光器在低溫(-200 )或脈沖激勵(lì)條件下工作或脈沖激勵(lì)條件下工作的限制的限制，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長(zhǎng))。 雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但其意義是重大的雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但其意義是重大的，它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1973 年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時(shí)。 1977 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到命達(dá)到10萬小時(shí)萬小時(shí)(約11.4年)，完全滿足實(shí)用化的要求。完全滿足實(shí)用化的要求。 在這個(gè)期間，1976年日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為

13、1.3 m的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器，1979年美國(guó)電報(bào)電話(AT&T)公司和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.55 m的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。 由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使 1970 年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。 1976 年，美國(guó)在亞特蘭大年，美國(guó)在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，系統(tǒng)采用GaAlAs激光器作光源，多模光纖作傳輸介質(zhì)，速率為44.7 Mb/s，傳輸距離約10 km。 1980 年，美

14、國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化FT - 3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用， 系統(tǒng)采用漸變型多模光纖，速率為44.7 Mb/s。 隨后美國(guó)很快敷設(shè)了東西干線和南北干線，穿越22個(gè)州 光纜總長(zhǎng)達(dá)5104 km。1976 年和年和 1978 年，日本先后進(jìn)行了速年，日本先后進(jìn)行了速率為率為34 Mb/s，傳輸距離為，傳輸距離為64 km的突變型多模光纖通信系統(tǒng)的突變型多模光纖通信系統(tǒng)， 以及速率為100 Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。 1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)途干線，全長(zhǎng)3400 km，初期傳輸速率為400 Mb/s，后來擴(kuò)容到1.6 Gb/s。隨后，由美、隨后，由美、日、日、 英、法發(fā)起的第一條橫跨大西

15、洋英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋 TAT-8海底光纜通信系海底光纜通信系統(tǒng)于統(tǒng)于1988年建成，全長(zhǎng)年建成，全長(zhǎng)6400 km； 第一條橫跨太平洋第一條橫跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光纜通信系統(tǒng)于海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成，年建成， 全長(zhǎng)全長(zhǎng)13 200 km。 從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。 1966 年高錕提出光纖作為傳輸介質(zhì)的概念以來，光纖通信從研究到應(yīng)用，發(fā)展非常迅速：技術(shù)上不斷更新?lián)Q代， 通信能力(傳輸速率和中繼距離)不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。 1976年 美國(guó)亞特蘭大第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)試驗(yàn) 1986年 光纖通信系統(tǒng)在全球廣泛

16、應(yīng)用 (從提出光纖作為傳輸介質(zhì)的概念從提出光纖作為傳輸介質(zhì)的概念,到用廣泛應(yīng)用到用廣泛應(yīng)用,20年時(shí)間年時(shí)間)高錕高錕-光纖之父光纖之父 1.1.3 國(guó)內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀 1976年美國(guó)在亞特蘭大進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，標(biāo)志著光纖通信從基礎(chǔ)研究發(fā)展到了商業(yè)應(yīng)用的新階段。此后，光纖通信技術(shù)不斷創(chuàng)新：1）光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長(zhǎng)從0.85 m發(fā)展到1.31 m和1.55 m，傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s。 2）光纖價(jià)格不斷下降，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大：從初期的市話局間中繼到長(zhǎng)途干線進(jìn)一步延伸到用戶接入網(wǎng)。3）從單一類型信息的傳輸?shù)蕉喾N業(yè)務(wù)的傳輸。 目前光纖已成為信息

17、寬帶傳輸?shù)闹饕劫|(zhì)，光纖通信系統(tǒng)將成為未來國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。 每秒鐘傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)目。每秒鐘傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)目。Optical networking 波分復(fù)用波分復(fù)用WDMWDM和光纖放大器和光纖放大器EDFAEDFA 40G 器件器件產(chǎn)品領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)廠商光纖Corning,Lucent,Alcatel,Sumitomo,Fujikura,Furukara光纜Siemens,Lucent,Pirelli,Alcatel,Sumitomo,Corning光纖放大器Lucent,Pirelli,Ciena,Corning,Nortel,Alcatel,Fujitsu光發(fā)/光收Lucent,Nortel

18、,Alcatel,Fujitsu,AMP,Agilent,Hitachi,NEC,Siemens光纖連接器Lucent,AMP,3M,Siecor,Molex,Seiko,Alcoa Fujikura,DiamondDWDM器件Corning,JDSU,DiCon,Lucent,Hitachi,Pirelli,3M光無源器件DiCon,Corning,Lucent,JDSU,ADC,Gould光通信設(shè)備Nortel,Lucent,Alcatel,NEC,CIENA,Fujitsu,CISCOComponents and Modules in DWDM Networks DWDM Thin fi

19、lm filters Fiber gratings Waveguides Circulators Interleavers Mux/Demux modulesAmplifiers Isolators Tap couplers Pump lasers Gain equalizers Attenuators Integrated amplifiers SOAs Optical Switches Circulators Couplers Add/drop modulesSwitchingTransmission Source lasers Modulators Wavelockers Receive

20、rs Detectors Tx/Rx modulesOver 9000 Products表表 1.1 世界成纜光纖市場(chǎng)銷售量世界成纜光纖市場(chǎng)銷售量 年份 1994 1995199619971998199920002001光纖銷售總長(zhǎng)度/104 km 18102300290034704070473055806570表表 1.2 世界市場(chǎng)單模光纖平均價(jià)格世界市場(chǎng)單模光纖平均價(jià)格 年份 1994 1995199619971998199920002001價(jià)格/($km-1) 6867726960524644 實(shí)際銷售量比預(yù)測(cè)的數(shù)字還要大，到1998年底，僅單模光纖的銷售量就達(dá)到4110104 km，見

21、表1.3。隨著光纖產(chǎn)量的增加，價(jià)格逐年下降，促進(jìn)了光纖在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用和新技術(shù)的研究，推動(dòng)著光纖產(chǎn)業(yè)不斷向前發(fā)展。 表表 1.3 世界成纜單模光纖市場(chǎng)銷售量世界成纜單模光纖市場(chǎng)銷售量 年份 1998 19992000200120022003光纖銷售總長(zhǎng)度/104 km 411046005350623072008110光纖通信整體發(fā)展時(shí)間表光纖通信整體發(fā)展時(shí)間表1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 100000 10000 1000 100 10 1 0.1 0.8m多模1.3m單模1.55m直接檢測(cè)光孤子光放大器1.55m相干檢測(cè)系

22、統(tǒng)性能(Gb/sKm）1.1.4 光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)光纖通信的發(fā)展趨勢(shì) 1. 時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用(TDM)方式向超高速系統(tǒng)發(fā)展方式向超高速系統(tǒng)發(fā)展 2. 波分復(fù)用波分復(fù)用(WDM)方式向密集化方向發(fā)展方式向密集化方向發(fā)展 3. 新型光纖不斷發(fā)展新型光纖不斷發(fā)展 4向?qū)拵Ч饫w接入網(wǎng)方向發(fā)展向?qū)拵Ч饫w接入網(wǎng)方向發(fā)展 5新型器件和高新技術(shù)在光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)新型器件和高新技術(shù)在光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用用 6全光通信網(wǎng)絡(luò)全光通信網(wǎng)絡(luò)1.2 光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用 1.2.1光通信與電通信的比較光通信與電通信的比較光波與電波 雖然光波和電波都是電磁波，但是頻率差別很大。圖1.12. 從信息傳輸?shù)?/p>

23、角度，衡量通信系統(tǒng)的指標(biāo)是信息傳輸容量和傳輸距離。傳輸容量取決于對(duì)載波調(diào)制的頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度越寬。因此開拓頻率更高的光波應(yīng)用，就成為通信技術(shù)發(fā)展的必然。 1. 同軸電纜、波導(dǎo)管與光纖的損耗特性 圖1.2圖 1.1 部分電磁波頻譜光纖通信用的近紅外光(波長(zhǎng)約1m)的頻率(約300 THz)比微波(波長(zhǎng)為0.1m1 mm)的頻率(3300 GHz)高3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。T=1012100 THz10 THz1 THz100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10 MHz1 MHz1 m可見光線10 m100 m1 mm10 mm100 mm1 m10 m100 m中波(MF)短

24、波(HF)米波(VHF)分米波(UHF)厘米波(SHF)毫米波(EHF)亞毫米波遠(yuǎn)紅外線近紅外線(光纖通信用）頻率波長(zhǎng)名稱紫外線微波3GHz300GHz300 THz光纖通信圖 1.2 各種傳輸線路的損耗特性 10001001010.110 M標(biāo)準(zhǔn)同軸38 mm海底同軸光纖100 M1 G10 G100 G1 T10 T100 T 1000 T頻率/HzM：(注)G：T：1061091012傳輸損耗/(dBkm1)51 mm波導(dǎo)器 同軸電纜：f信號(hào)增大，損耗增大；增大尺寸，損耗減少，但保持單一模式傳輸要求尺寸不變。光纖采用新工藝，在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)，可獲得很小的損耗。 1.2.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)光纖

25、通信的優(yōu)點(diǎn) 在光纖通信系統(tǒng)中，作為載波的光波頻率比電波頻率高得多，而作為傳輸介質(zhì)的光纖又比同軸電纜或波導(dǎo)管的損耗低得多，因此相對(duì)于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 1. 容許頻帶很寬，傳輸容量很大容許頻帶很寬，傳輸容量很大 光纖通信系統(tǒng)的容許頻帶(帶寬)取決于光源的調(diào)制特性、 調(diào)制方式和光纖的色散特性。(零色散，幾十Ghz) 可以采用多種復(fù)用技術(shù)來增加傳輸容量。（最簡(jiǎn)單是空用 直徑 125um) 減小光源譜線寬度和采用外調(diào)制方式，也是增加傳輸容量的有效方法, 為了與同軸電纜通信和微波無線電通信比較，表1.4列出早已實(shí)現(xiàn)的單一波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和中繼距離。圖 1.1 部分

26、電磁波頻譜100 THz10 THz1 THz100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10 MHz1 MHz1 m可見光線10 m100 m1 mm10 mm100 mm1 m10 m100 m中波(MF)短波(HF)米波(VHF)分米波 (UHF)厘米波 (SHF)毫米波 (EHF)亞毫米波遠(yuǎn)紅外線近紅外線(光纖通信用）頻率波長(zhǎng)名稱紫外線圖1.1是相關(guān)的電磁波頻譜。光纖通信用的近紅外光光纖通信用的近紅外光(波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為0.71.7m)頻帶寬度約為頻帶寬度約為200THz， 在常用的在常用的1.31 m和和1.55 m兩個(gè)波長(zhǎng)窗口頻帶寬度兩個(gè)波長(zhǎng)窗口頻帶寬度在在20 THz以上。以上

27、。( 0 . 7 m 4 3 0 T H z , 1.7m180THz)由于光源和光纖特性的限制，由于光源和光纖特性的限制，目前，光強(qiáng)度調(diào)制的帶寬一般目前，光強(qiáng)度調(diào)制的帶寬一般只有只有20 GHz，因此還有，因此還有3個(gè)數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)以上的帶寬潛力可以挖掘。量級(jí)以上的帶寬潛力可以挖掘。 表表 1.4 光纖通信與電纜或微波通信傳輸能力的比較光纖通信與電纜或微波通信傳輸能力的比較 通信手段 傳輸容量(話路)/條 中繼距離/km 1000 km內(nèi)中繼器個(gè)數(shù) 微波無線電 960 5020小同軸 9604250中同軸 180061600光纜 19203033光纜 14000(1Gb/s)8411光纜 600

28、0(445MB/S)1347 目前，單波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般為2.5 Gb/s和10 Gb/s。采用外調(diào)制技術(shù)，傳輸速率可以達(dá)到40 Gb/s。波分復(fù)用(WDM)和光時(shí)分復(fù)用(TDM)更是極大地增加了傳輸容量， 見表 1.。表表 1.5 WDM和和TDM光纖通信試驗(yàn)系統(tǒng)的傳輸能力光纖通信試驗(yàn)系統(tǒng)的傳輸能力 復(fù)用技術(shù) 傳輸容量/Gbs-1 傳輸距離/km 跨距/km 研制單位 備注WDM 2017 20132 150 120 50 AT&T NEC TDM 160 20 20 200 103 106 50 140 NTT NTT 法Telcom 單通道 環(huán)測(cè) WDM最高水平為13

29、2個(gè)信道，傳輸容量為20 Gb/s132=2640 Gb/s。 2. 損耗很小，損耗很小， 中繼距離很長(zhǎng)且誤碼率很小中繼距離很長(zhǎng)且誤碼率很小 石英光纖在1.31 m和1.55 m波長(zhǎng)，傳輸損耗分別為0.50 dB/km和0.20 dB/km，甚至更低。因此，用光纖比用同軸電纜或波導(dǎo)管的中繼距離長(zhǎng)得多，見表1.4。目前，采用外調(diào)制技術(shù)，波長(zhǎng)為1.55m的色散移位單模光纖通信系統(tǒng)，若其傳輸速率為2.5 Gb/s，則中繼距離可達(dá)150 km；若其傳輸速率為10 Gb/s，則中繼距離可達(dá)100 km。 采用光纖放大器、色散補(bǔ)償光纖，中繼距離還可增加， 見表1.5。而且，在表1.5中所列的中繼距離下，傳

30、輸?shù)恼`碼率極低(10-9甚至更小)。 傳輸容量大、傳輸誤碼率低、中繼距離長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，使光纖通信系統(tǒng)不僅適合于長(zhǎng)途干線網(wǎng)而且適合于接入網(wǎng)的使用， 這也是降低每公里話路的系統(tǒng)造價(jià)的主要原因。 3. 重量輕、重量輕、 體積小體積小直徑 125um 。即使做成光纜，在芯數(shù)相同的條件下，其重量還是比電纜輕得多，體積也小得多。項(xiàng)目 8 芯 18 芯 光纜 電纜 光纜 電纜 重量/(kgm-1) 重量比 0.42 16.3150.4211126直徑/mm 截面積比 211475211659.6表表 1.6鋁鋁/聚乙烯粘結(jié)護(hù)套聚乙烯粘結(jié)護(hù)套(LAP)單元結(jié)構(gòu)光纜和標(biāo)準(zhǔn)同軸單元結(jié)構(gòu)光纜和標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜的重量和截面積

31、的比較電纜的重量和截面積的比較 通信設(shè)備的重量和體積對(duì)許多領(lǐng)域特別是軍事、航空通信設(shè)備的重量和體積對(duì)許多領(lǐng)域特別是軍事、航空和宇宙飛船等方面的應(yīng)用，具有特別重要的意義。和宇宙飛船等方面的應(yīng)用，具有特別重要的意義。 在飛機(jī)上用光纖代替電纜，不僅降低了通信設(shè)備的成本，而且降低了飛機(jī)的制造成本。例如，在美國(guó)在美國(guó)A-7飛機(jī)飛機(jī)上，用光纖通信代替電纜通信，使飛機(jī)重量減輕上，用光纖通信代替電纜通信，使飛機(jī)重量減輕27磅磅(約約12.247 kg)，相當(dāng)于飛機(jī)制造成本減少，相當(dāng)于飛機(jī)制造成本減少27萬萬美元。美元。 圖1-2-1 光纖與電話雙絞線對(duì)比圖 4. 抗電磁干擾性能好抗電磁干擾性能好 光纖由電絕緣

32、的石英材料制成，光纖通信線路不受各種電磁場(chǎng)的干擾和閃電雷擊的損壞。無金屬光纜非常適合于存在強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾的高壓電力線路周圍和油田、煤礦等易燃易爆環(huán)境中使用。光纖(復(fù)合)架空地線(Optical Fiber Overhead Ground Wire, OPGW)是光纖與電力輸送系統(tǒng)的地線組合而成的通信光纜，已在電力系統(tǒng)的通信中發(fā)揮重要作用。 5. 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好 在光纖中傳輸?shù)墓庑孤┓浅Ｎ⑷?，即使在彎曲地段也無法竊聽。沒有專用的特殊工具，光纖不能分接光纖不能分接，因此信息在光纖中傳輸非常安全。保密性能好的這一特點(diǎn)，對(duì)軍事、政治和經(jīng)濟(jì)都有重要的意義。 6. 節(jié)約金屬材料，節(jié)約

33、金屬材料， 有利于資源合理使用有利于資源合理使用 制造同軸電纜和波導(dǎo)管的銅、鋁、鉛等金屬材料，在地球上的儲(chǔ)存量是有限的；而制造光纖的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不盡的材料。制造8 km管中同軸電纜，1 km需要120 kg銅和500 kg鋁；而制造8 km光纖只需320 g石英。所以，推廣光纖通信，有利于地球資源的合理使用。 總之，光纖通信不僅在技術(shù)上具有很大的優(yōu)越性，而且在經(jīng)濟(jì)上具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)能力，因此其在信息社會(huì)中將發(fā)揮越來越重要的作用。圖1.3給出各種通信系統(tǒng)相對(duì)造價(jià)與傳輸容量(話路數(shù))的關(guān)系。 圖 1.3 各種通信系統(tǒng)相對(duì)造價(jià)與傳輸容量的比較 平行雙絞線電纜同軸電纜微波1021

34、0103104105106101102103104105系統(tǒng)/話路公里相對(duì)造價(jià)話路數(shù)/條光纜可見，隨著傳輸容量的增加，由于采用了新的傳輸媒質(zhì)， 使得相對(duì)造價(jià)直線下降。 1.2.3光纖通信的應(yīng)用光纖通信的應(yīng)用 光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。光纖在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)，以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中， 都得到了廣泛應(yīng)用。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速， 是當(dāng)前研究開發(fā)應(yīng)用的主要目標(biāo)。光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下： 通信網(wǎng)，包括全球通信網(wǎng)(如橫跨大西洋和太平洋的海底光纜和跨越歐亞大陸的洲際光纜干線)、各國(guó)的公共電信網(wǎng)(如我國(guó)的國(guó)家一級(jí)干線、各省二級(jí)干線和縣以下的支線)、各種專用通信

35、網(wǎng)(如電力、鐵道、國(guó)防等部門通信、指揮、調(diào)度、 監(jiān)控的光纜系統(tǒng))、特殊通信手段(如石油、化工、煤礦等部門易燃易爆環(huán)境下使用的光纜， 以及飛機(jī)、軍艦、潛艇、導(dǎo)彈和宇宙飛船內(nèi)部的光纜系統(tǒng))。 構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，如光纖以太網(wǎng)、 路由器之間的光纖高速傳輸鏈路。 有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)；工業(yè)電視系統(tǒng)，如工廠、 銀行、商場(chǎng)、交通和公安部門的監(jiān)控； 自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。 綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)，分為有源接入網(wǎng)和無源接入網(wǎng)， 可實(shí)現(xiàn)電話、數(shù)據(jù)、視頻(會(huì)議電視、可視電話等)及多媒體業(yè)務(wù)綜合接入核心網(wǎng)，提供各種各樣的社區(qū)服務(wù)。 ATMInternet骨干網(wǎng)骨干網(wǎng)DDN/ FRPSTN/ISDNT

36、V業(yè)務(wù)分配節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)分配節(jié)點(diǎn) (COT)(COT)業(yè)務(wù)接入節(jié)點(diǎn)（業(yè)務(wù)接入節(jié)點(diǎn)（RTRT）網(wǎng)管網(wǎng)管SNMP與電信網(wǎng)管中心相連Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622M SDH典型應(yīng)用之一：寬帶綜合業(yè)務(wù)光纖接入系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)典型應(yīng)用之二：作為校園網(wǎng)的骨干傳輸網(wǎng)1.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成 光纖通信系統(tǒng)可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。 用戶要傳輸?shù)男畔⒍喾N多樣，一般有話音、圖像、數(shù)據(jù)或多媒體信息。 圖1.4示出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)。 光纖系統(tǒng)的實(shí)物光纖系統(tǒng)的實(shí)物flash 圖 1.4 光纖通信系統(tǒng)的基本組成(單

37、向傳輸) 信息源電發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)電接收機(jī)信息宿基本光纖傳輸系統(tǒng)光纖線路接 收發(fā) 射電信號(hào)輸入光信號(hào)輸出光信號(hào)輸入電信號(hào)輸出光中繼光源光源放大器放大器光電二光電二極管極管判決器判決器 基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個(gè)組成部分基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個(gè)組成部分)( 1)(lg10)(mvmvpdBmp電信號(hào)對(duì)光的調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式電信號(hào)對(duì)光的調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式 直接調(diào)制直接調(diào)制 用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流，使輸出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)的。 這種方案技術(shù)簡(jiǎn)單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。 外調(diào)制外調(diào)制 把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實(shí)現(xiàn)

38、的。 外調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制速率高，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，成本較高，因此只有在大容量的波分復(fù)用和相干光通信系統(tǒng)中使用。 圖 1.5兩種調(diào)制方案 (a) 直接調(diào)制； (b) 間接調(diào)制(外調(diào)制) 激光源驅(qū)動(dòng)器光纖光信號(hào)輸出電信號(hào)輸入(a)激光源調(diào)制器驅(qū)動(dòng)和控制電信號(hào)輸入光纖光信號(hào)輸出(b) 2. 光纖線路光纖線路 是把來自光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)，以盡可能小的畸變是把來自光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)，以盡可能小的畸變(失失真真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)光纖光纖、光纖接頭光纖接頭和光纖連接器光纖連接器 普通石英光纖在近紅外波段，除雜質(zhì)吸收峰外，其損耗隨波長(zhǎng)的增加而減小，在0.85 m、1.31 m和1.55 m有

39、三個(gè)損耗很小的波長(zhǎng)“窗口”，見后圖。激光器的發(fā)射波長(zhǎng)激光器的發(fā)射波長(zhǎng)和光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)，都要和光纖這三個(gè)波長(zhǎng)窗口窗口相一致。 目前在實(shí)驗(yàn)室條件下，1.55 m的損耗已達(dá)到0.154 dB/km， 接近石英光纖損耗的理論極限。0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰減（衰減（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波長(zhǎng)波長(zhǎng)（m）普通單模光纖的衰減隨波長(zhǎng)變化示意圖普通單模光纖的衰減隨波長(zhǎng)變化示意圖6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段 1.3.3 數(shù)字通信系統(tǒng)和

40、模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)用參數(shù)取值離散的信號(hào)(如脈沖的有和無、電 平的高和低等)代表信息，強(qiáng)調(diào)的是信號(hào)和信息之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系； 則用參數(shù)取值連續(xù)的信號(hào)代表信息，強(qiáng)調(diào)的是變換過程中信號(hào)和信息之間的線性關(guān)系。 這種基本特征決定著兩種通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)和不同時(shí)期的發(fā)展趨勢(shì)。基帶光纖電視傳輸系統(tǒng)演示基帶光纖電視傳輸系統(tǒng)演示 數(shù)字通信系統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)的如下：如下： 抗干擾能力強(qiáng)，傳輸質(zhì)量好。 可以用再生中繼，傳輸距離長(zhǎng)。 適用各種業(yè)務(wù)的傳輸，靈活性大。 容易實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的保密通信。 數(shù)字通信系統(tǒng)大量采用數(shù)字電路，易于集成，從而實(shí)現(xiàn)小型化、微型化，增強(qiáng)設(shè)備可靠性，有利于降低成本。 模擬通信系

41、統(tǒng)的模擬通信系統(tǒng)的 占用帶寬較窄外，電路簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)、價(jià)格便宜等。 1.4 1.4 光纖通信要解決的基本問題光纖通信要解決的基本問題 從信息傳輸?shù)慕嵌龋藗兿Ｍ饫w通信系統(tǒng)能將頻帶盡可能寬的信號(hào)以盡可能低的成本傳輸?shù)奖M可能遠(yuǎn)的地方。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，根據(jù)光纖傳輸系統(tǒng)的組成，在傳輸領(lǐng)域，光纖通信要解決光纖線路問題及基于光纖傳輸?shù)墓獍l(fā)射及光檢測(cè)問題。 1 1光纖線路問題光纖線路問題 光纖線路是傳輸光信號(hào)的通道，與之相關(guān)的問題很多，具體有以下一些技術(shù)問題： （1 1）光纖的設(shè)計(jì)與制造問題。）光纖的設(shè)計(jì)與制造問題。從通信的角度，作為傳輸介質(zhì)的光纖的通信頻帶應(yīng)盡可能寬，對(duì)光信號(hào)的損耗盡可能小，對(duì)光信號(hào)的

42、的畸變也應(yīng)盡可能小，并且機(jī)械性能能滿足實(shí)際工程使用要求。這就要解決光纖的材料問題、光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題及光纖的制造問題。為充分利用密集波分復(fù)用通信技術(shù)挖掘光纖的帶寬資源，還必須根據(jù)密集波分復(fù)用通信的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)光纖，研制開發(fā)適合不同需求的新型光纖。 （2 2）光信號(hào)的放大問題。）光信號(hào)的放大問題。由于光纖對(duì)信號(hào)的衰減總是存在的，在光纖的傳輸線路中就需要解決光信號(hào)的放大問題，在密集波分復(fù)用通信中要求光放大器有足夠的帶寬，并且在帶寬范圍內(nèi)增益要足夠平坦。 （3）光信號(hào)碼型的控制問題光信號(hào)碼型的控制問題。由于光纖的色散和非線性，對(duì)信號(hào)的畸變總是存在的，在光纖的傳輸線路中就需要解決光信號(hào)碼型的問題。 （4）光通道中噪聲的抑制問題光通道中噪聲的抑制問題。在光纖線路中，由于多種因素的影響，有可能出現(xiàn)信道噪聲，為抑制信道噪聲，需解決信道的濾波問題。 （5）光通道中反向噪聲的隔離問題光通道中反向噪聲的隔離問題。在光傳輸信道中，器件的連接、耦合及非線性等因素都可能引起與光傳輸方向相反方向的反向噪聲，這種噪聲會(huì)干擾激光器及光放大器等有源光器件的正常工作，需解決這種噪聲的隔離問題。 （6）光路控制問題光路控制問題。在光傳輸中有時(shí)要對(duì)光信號(hào)進(jìn)行分路，對(duì)不同通道的光信號(hào)進(jìn)行分波或合波，以及對(duì)光信號(hào)按