光纖通信(朱宗玖)第一章

1、 主主 編編 朱宗玖朱宗玖副主編副主編 譚振建譚振建 白志青白志青 人類利用光通信的歷史也早在幾千年前就已經(jīng)出現(xiàn)在中國(guó)，最著名的是萬(wàn)里長(zhǎng)城上的烽火臺(tái)，城上每隔五里設(shè)一個(gè)報(bào)警烽火臺(tái)，若發(fā)現(xiàn)來(lái)犯敵人，白天燃煙，夜間舉火，告訴城內(nèi)軍民。 到了到了1880年，貝爾發(fā)明了第一個(gè)光電年，貝爾發(fā)明了第一個(gè)光電話，這一大膽的嘗試，可以說(shuō)是現(xiàn)代光通話，這一大膽的嘗試，可以說(shuō)是現(xiàn)代光通信的開(kāi)端。信的開(kāi)端。在這里，將弧光燈的恒定光束投射在在這里，將弧光燈的恒定光束投射在話筒的音膜上，隨聲音的振動(dòng)而得到強(qiáng)弱話筒的音膜上，隨聲音的振動(dòng)而得到強(qiáng)弱變化的反射光束，這個(gè)過(guò)程就是調(diào)制。變化的反射光束，這個(gè)過(guò)程就是調(diào)制。貝爾光電

2、話和烽火報(bào)警一樣，都是利貝爾光電話和烽火報(bào)警一樣，都是利用大氣作為光通道，光波傳播易受氣候的用大氣作為光通道，光波傳播易受氣候的影響，在大霧天氣，它的可見(jiàn)度距離很短，影響，在大霧天氣，它的可見(jiàn)度距離很短，遇到下雨下雪天也有影響。遇到下雨下雪天也有影響。在大氣光通信受阻之后，人們將研究在大氣光通信受阻之后，人們將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)入到地下光波通信的實(shí)驗(yàn)。的重點(diǎn)轉(zhuǎn)入到地下光波通信的實(shí)驗(yàn)。1966年，英籍華人高錕年，英籍華人高錕(K.C.Kao，當(dāng)當(dāng)時(shí)工作于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信研究所時(shí)工作于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信研究所)博士深入研博士深入研究了光在石英玻璃纖維中的嚴(yán)重?fù)p耗問(wèn)題，究了光在石英玻璃纖維中的嚴(yán)重?fù)p耗問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)這種

3、玻璃纖維引起光損耗的主要原因發(fā)現(xiàn)這種玻璃纖維引起光損耗的主要原因是其中含有過(guò)量的鉻、銅、鐵與錳等金屬是其中含有過(guò)量的鉻、銅、鐵與錳等金屬離子和其他雜質(zhì)，其次是拉制光纖時(shí)工藝離子和其他雜質(zhì)，其次是拉制光纖時(shí)工藝技術(shù)造成了芯、包層分界面不均勻及其所技術(shù)造成了芯、包層分界面不均勻及其所引起的折射率不均勻，他還發(fā)現(xiàn)一些玻璃引起的折射率不均勻，他還發(fā)現(xiàn)一些玻璃纖維在紅外光區(qū)的損耗較小。纖維在紅外光區(qū)的損耗較小。在高錕理論的指導(dǎo)下，在高錕理論的指導(dǎo)下，1970年美國(guó)的年美國(guó)的康寧公司拉出了第一根損耗為康寧公司拉出了第一根損耗為20dB/km的的光纖。光纖。1 9 7 7 年 美 國(guó) 在 芝 加 哥 進(jìn) 行

4、 了年 美 國(guó) 在 芝 加 哥 進(jìn) 行 了44.736Mbit/s的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，1978年，日本開(kāi)年，日本開(kāi)始了始了32.064Mbit/s和和97.728Mbit/s的光纖通的光纖通信實(shí)驗(yàn)；信實(shí)驗(yàn)；1979年，美國(guó)年，美國(guó)AT&T和日本和日本NTT均研制出了波長(zhǎng)為均研制出了波長(zhǎng)為1.35m的半導(dǎo)體激光器，的半導(dǎo)體激光器，日本也做出了超低損耗的光纖日本也做出了超低損耗的光纖(損耗為損耗為0.2dB/km，波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為1.55m)，同時(shí)進(jìn)行了多同時(shí)進(jìn)行了多模光纖模光纖(同時(shí)允許多個(gè)方向的光線在其中傳同時(shí)允許多個(gè)方向的光線在其中傳送的光纖送的光纖)1.31m的長(zhǎng)波長(zhǎng)傳輸系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)

5、的長(zhǎng)波長(zhǎng)傳輸系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)。到如今，光纖通信已經(jīng)發(fā)展到以采用到如今，光纖通信已經(jīng)發(fā)展到以采用光放大器光放大器(Optical Amplifier，OA)增加中增加中繼距離和采用波分復(fù)用繼距離和采用波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)增加傳輸容增加傳輸容量為特征的第四代系統(tǒng)。量為特征的第四代系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)是以光纖為傳輸媒介，光纖通信系統(tǒng)是以光纖為傳輸媒介，光波為載波的通信系統(tǒng)。主要由光發(fā)射機(jī)、光波為載波的通信系統(tǒng)。主要由光發(fā)射機(jī)、光纖、光中繼器、光放大器、光接收機(jī)等光纖、光中繼器、光放大器、光接收機(jī)等組成，一般系統(tǒng)中還包括一些連接器、隔組

6、成，一般系統(tǒng)中還包括一些連接器、隔離器、波分復(fù)用器、耦合器等器件。離器、波分復(fù)用器、耦合器等器件。 如圖如圖1.1所示所示.圖圖1.1 通信系統(tǒng)的基本組成通信系統(tǒng)的基本組成(單向傳輸單向傳輸)系統(tǒng)中光發(fā)送機(jī)的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)系統(tǒng)中光發(fā)送機(jī)的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并將生成的光信號(hào)注入光纖。換為光信號(hào)，并將生成的光信號(hào)注入光纖。光發(fā)送機(jī)一般由驅(qū)動(dòng)電路、光源和調(diào)制器光發(fā)送機(jī)一般由驅(qū)動(dòng)電路、光源和調(diào)制器構(gòu)成，如果是直接強(qiáng)度調(diào)制可以省去調(diào)制構(gòu)成，如果是直接強(qiáng)度調(diào)制可以省去調(diào)制器，這些將在后續(xù)章節(jié)中詳細(xì)介紹。光接器，這些將在后續(xù)章節(jié)中詳細(xì)介紹。光接收機(jī)的作用是將光纖送來(lái)的光信號(hào)還原成收機(jī)的作用是將光

7、纖送來(lái)的光信號(hào)還原成原始的電信號(hào)。它一般由光電檢測(cè)器和解原始的電信號(hào)。它一般由光電檢測(cè)器和解調(diào)器組成，對(duì)于直接強(qiáng)度調(diào)制解調(diào)器可以調(diào)器組成，對(duì)于直接強(qiáng)度調(diào)制解調(diào)器可以省略。省略。 光纖的作用是為光信號(hào)的傳送提供光纖的作用是為光信號(hào)的傳送提供傳送媒介傳送媒介(信道信道)，將光信號(hào)由一處送到，將光信號(hào)由一處送到另一處。另一處。 中繼器分為電中繼器和光中繼器中繼器分為電中繼器和光中繼器(光放大器光放大器)兩種，其主要作用就是延長(zhǎng)兩種，其主要作用就是延長(zhǎng)光信號(hào)的傳輸距離。光信號(hào)的傳輸距離。 根據(jù)光纖傳導(dǎo)模式的不同，光纖通信系統(tǒng)可根據(jù)光纖傳導(dǎo)模式的不同，光纖通信系統(tǒng)可以分為多模光纖通信系統(tǒng)和單模光纖通信系

8、統(tǒng)。以分為多模光纖通信系統(tǒng)和單模光纖通信系統(tǒng)。 根據(jù)調(diào)制信號(hào)的類型，光纖通信系統(tǒng)可以分根據(jù)調(diào)制信號(hào)的類型，光纖通信系統(tǒng)可以分為模擬光纖通信系統(tǒng)和數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。為模擬光纖通信系統(tǒng)和數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。 根據(jù)光源的調(diào)制方式，光纖通信系統(tǒng)可以分根據(jù)光源的調(diào)制方式，光纖通信系統(tǒng)可以分為直接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)和間接調(diào)制光纖通信系為直接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)和間接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)。統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)，光纖通信系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)，光纖通信系統(tǒng)可分為短波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖可分為短波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)。 光纖的傳輸帶寬很寬，若將低損

9、耗及光纖的傳輸帶寬很寬，若將低損耗及低色散區(qū)做到低色散區(qū)做到1.451.65微米范圍，則相應(yīng)微米范圍，則相應(yīng)的帶寬可達(dá)幾十的帶寬可達(dá)幾十THz。 目前，在光纖的低損耗窗口之一目前，在光纖的低損耗窗口之一1.55微微米波長(zhǎng)處，商用光纖的損耗已經(jīng)可以做到米波長(zhǎng)處，商用光纖的損耗已經(jīng)可以做到0.25dB/km，這是以往任何形式的傳輸線都，這是以往任何形式的傳輸線都無(wú)法達(dá)到的一個(gè)指標(biāo)。損耗低，意味著無(wú)中無(wú)法達(dá)到的一個(gè)指標(biāo)。損耗低，意味著無(wú)中繼傳輸距離遠(yuǎn)?，F(xiàn)在的強(qiáng)度調(diào)制、直接檢測(cè)繼傳輸距離遠(yuǎn)?，F(xiàn)在的強(qiáng)度調(diào)制、直接檢測(cè)光纖通信系統(tǒng)的無(wú)中繼傳輸距離可以達(dá)到幾光纖通信系統(tǒng)的無(wú)中繼傳輸距離可以達(dá)到幾十到上百公里

10、。十到上百公里。 通用裸光纖的外徑為通用裸光纖的外徑為125m，套過(guò)塑的光，套過(guò)塑的光纖外徑也小于纖外徑也小于1mm，加之光纖的材料為石英玻，加之光纖的材料為石英玻璃，比重輕于金屬，成纜后的光纜重量輕。涂璃，比重輕于金屬，成纜后的光纜重量輕。涂覆后的光纖具有很好的柔韌性覆后的光纖具有很好的柔韌性 ，成纜后，各種，成纜后，各種結(jié)構(gòu)的光纜可架空、埋地或置入管道。結(jié)構(gòu)的光纜可架空、埋地或置入管道。 光纖光纜的密封性好，載波為光波，不易光纖光纜的密封性好，載波為光波，不易受到各種低頻電磁波的干擾，具有很強(qiáng)的抗電受到各種低頻電磁波的干擾，具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力。光波在光纖結(jié)構(gòu)的纖芯中傳播，磁干擾能力。光波在光纖結(jié)構(gòu)的纖芯中傳播，不容易受到類似于電纜形式的搭接，因而保密不容易受到類似于電纜形式的搭接，因而保密性好。光纖材料是石英，具有耐高溫、耐腐蝕性好。光纖材料是石英，具有耐高溫、耐腐蝕的特點(diǎn)，可工作于各種惡劣的工作環(huán)境。的特點(diǎn)，可工作于各種惡劣的工作環(huán)境。 通信電纜的主要材料是稀有金屬銅，其資通信電纜的主要材料是稀有金屬銅，其資源較為匱乏。光纖的主