光纖通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)第1章

1、第1章光纖通信概論 1第第1章光纖通信概論章光纖通信概論 1.1光纖通信發(fā)展歷程光纖通信發(fā)展歷程 1.2光纖通信的系統(tǒng)構(gòu)成光纖通信的系統(tǒng)構(gòu)成 1.3光纖通信的特點(diǎn)光纖通信的特點(diǎn) 1.4光纖通信新技術(shù)光纖通信新技術(shù) 第1章光纖通信概論 21.1光纖通信發(fā)展歷程光纖通信發(fā)展歷程1.1.1光纖通信的產(chǎn)生與發(fā)展光纖通信的產(chǎn)生與發(fā)展1.目視光通信目視光通信人類社會(huì)發(fā)展中的遠(yuǎn)距離通信的主流是光通信，電氣通信的歷史不過一百多年。從古埃及、古中國、古希臘和古羅馬時(shí)代至發(fā)明莫爾斯電報(bào)的數(shù)千年間，遠(yuǎn)距離通信主要為目視光通信。三千多年前我國周朝就利用烽火臺(tái)的火光火光傳送敵情消息，到了近現(xiàn)代，戰(zhàn)爭中用信號(hào)彈信號(hào)彈指揮

2、作戰(zhàn)、城市使用信號(hào)燈信號(hào)燈指揮交通等傳遞信息的方式均可稱為目視光通信。我們現(xiàn)在經(jīng)常提到的光纖通信與這些簡單的視覺光通信完全不同，光纖通信是由光通信逐步發(fā)展、演變而來的，是指以光波作載波傳送信息是指以光波作載波傳送信息的通信方式。的通信方式。 第1章光纖通信概論 32.貝爾的光電話貝爾的光電話1880年，美國人貝爾年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音發(fā)明了用光波作載波傳送話音的的“光電話光電話”。第1章光纖通信概論 4光話機(jī) 原 理 圖弧光燈ABMNL送話器缺點(diǎn)：沒有理想的光源和傳光媒質(zhì)沒有理想的光源和傳光媒質(zhì),傳光距離短可靠性差。傳光距離短可靠性差。第1章光纖通信概論 53.激

3、光器大氣通信激光器大氣通信1960年，美國科學(xué)家梅曼（Maiman）發(fā)明了紅寶石激光器，激光器發(fā)出的激光與普通光相比，具有方向性好、亮度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有通常無線電波的性質(zhì)，是一種理想的可以攜帶信息的光載波。激光器光源的出現(xiàn)，解決了長期以來找不到合適光源的問題，使長期徘徊不前的光通信得以繼續(xù)向前發(fā)展。20世紀(jì)60年代初期研究的光通信大多是利用大氣傳輸光波，但大氣光波通信不穩(wěn)定因素很多。主要原因是光波在大氣中傳輸受到大氣層中變化無常的氣候條件的影響，光波能量損失嚴(yán)重，因此光波在大氣層中的傳輸并不順利。光波通信的許多優(yōu)越性激發(fā)了人們的熱情，驅(qū)使人們?nèi)ミM(jìn)一步探索新的傳輸介質(zhì)。 第1章光纖通信概論

4、61960年，美國人梅曼年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器。發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器。 激光激光(Laser)：激光是一種高度相干光：激光是一種高度相干光，是一種理想的光載波。，是一種理想的光載波。波譜窄波譜窄方向性好方向性好亮度高亮度高頻率和相位一致頻率和相位一致第一臺(tái)激光器，輸出功率第一臺(tái)激光器，輸出功率為為10 000瓦，發(fā)出的激光瓦，發(fā)出的激光強(qiáng)度為陽光的強(qiáng)度為陽光的1000萬倍。萬倍。3.激光器大氣通信激光器大氣通信第1章光纖通信概論 74.透鏡波導(dǎo)光波通信透鏡波導(dǎo)光波通信為了不使光波受大氣層中各種因素的干擾，人們進(jìn)行了光波地下傳輸?shù)母鞣N試驗(yàn)，即透鏡波導(dǎo)光波傳輸系

5、統(tǒng)。透鏡波導(dǎo)就是在金屬管道內(nèi)，每隔一定距離放置一個(gè)聚焦透鏡，使光波在管道中不斷地邊聚焦邊向前傳輸邊聚焦邊向前傳輸，實(shí)驗(yàn)是成功的，但由于現(xiàn)場施工十分復(fù)雜，對(duì)每個(gè)透鏡或反射鏡要進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)和牢固的安裝，系統(tǒng)造價(jià)昂貴，調(diào)整、測試、維修都很困難，因此實(shí)用意義不大。但這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對(duì)光纖通信的發(fā)展還是有貢獻(xiàn)的，因?yàn)楣饫w的導(dǎo)光原理與透鏡波導(dǎo)光波的原理基本相似，只是光纖導(dǎo)光原理的構(gòu)思更巧妙、使用更合理。第1章光纖通信概論 8包括：光圈式波導(dǎo)，透鏡列陣波導(dǎo)，反射鏡列陣波導(dǎo)，氣體透鏡波導(dǎo)，介質(zhì)薄模波導(dǎo)，空心金屬圓波導(dǎo)及介質(zhì)表面波導(dǎo)線路。He-Ne激光器進(jìn)入實(shí)用階段 ，從微波通信轉(zhuǎn)向光通信研究。第1章光纖通信概論 9

6、5.光纖通信的誕生與迅速發(fā)展光纖通信的誕生與迅速發(fā)展1）光纖的產(chǎn)生1933年出生于上海的英國標(biāo)準(zhǔn)電信研究所的英籍華人高錕（K.C.Kao）博士對(duì)光波通信提出了大膽的設(shè)想，他認(rèn)為電可以沿著導(dǎo)電的金屬導(dǎo)線遠(yuǎn)距離傳輸，光也能沿著可以導(dǎo)光的玻璃纖維傳輸。1966年，高錕首次提出低損耗光導(dǎo)纖維（簡稱光纖）的概念，他從理論上預(yù)言，如果能消除玻璃中的各種雜質(zhì)，使光的吸收減到非常小，就可以生產(chǎn)出一種有實(shí)用意義的低損耗光纖。在高錕提出的理論指導(dǎo)下，美國康寧公司馬勒博士等三人的研究小組，經(jīng)過大量的研究和試驗(yàn)，終于在1970年8月首次研制出損耗為20dB/km(光波沿光纖傳輸1km后，光能損耗到原來的1%)的石英光

7、纖。這種光纖直徑很小，只有人的頭發(fā)那么細(xì)，并且柔軟可繞，它既克服了地下透鏡波導(dǎo)存在的問題，又能防止大氣對(duì)光波的干擾，是一種理想的傳輸介質(zhì)。在光纖損耗獲得巨大突破的同一年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功了室溫下連續(xù)振蕩的半導(dǎo)體激光器，從此為光纖通信技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了更為有利的條件。 第1章光纖通信概論 10 1966年，英籍華裔學(xué)者年，英籍華裔學(xué)者高錕高錕(C.K.Kao)和和霍克哈姆霍克哈姆(C.A.Hockham) 指出利用光纖指出利用光纖(Optical Fiber)進(jìn)行信息傳輸進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信的可能性和技術(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信光纖通信的基礎(chǔ)。光纖通信的基礎(chǔ)。石英的

8、損耗石英的損耗1000dB/km玻璃纖維引起光損耗的主要玻璃纖維引起光損耗的主要原因是其中含有過量的鉻、銅、原因是其中含有過量的鉻、銅、鐵與錳等金屬離子和其他雜質(zhì)；鐵與錳等金屬離子和其他雜質(zhì)；拉制光纖時(shí)工藝技術(shù)造成了芯、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引起的包層分界面不均勻及其所引起的折射率不均勻；折射率不均勻；發(fā)現(xiàn)一些玻璃纖維在紅外光區(qū)的發(fā)現(xiàn)一些玻璃纖維在紅外光區(qū)的損耗較小。損耗較小。5.光纖通信的誕生與迅速發(fā)展光纖通信的誕生與迅速發(fā)展1）光纖的產(chǎn)生第1章光纖通信概論 112）光纖通信迅速發(fā)展1974年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了制造低損耗光纖的方法，使光纖損耗下降到1dB/km；而日

9、本電話電報(bào)公司研制出了更低損耗的光纖，損耗下降到0.5dB/km。美國于1976年在亞特蘭大成功地進(jìn)行了碼速為44.7Mb/s的光纖通信系統(tǒng)試驗(yàn)；日本也于同年開始了64km、32Mb/s光纖通信系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)。 第1章光纖通信概論 121970 年，美國康寧年，美國康寧(Corning)公司首次研制成功損耗公司首次研制成功損耗20dB/km的石英的石英光纖光纖。 波長為波長為1.55 m的光纖損耗：的光纖損耗： 1979 年年,0.20 dB/km 1984年年, 0.157 dB/km 1986 年年,0.154 dB/km 1972年，年， 4dB/km 1973 年，年，2.5dB/km

10、 1974 年年, 1.1dB/km貝爾實(shí)驗(yàn)室貝爾實(shí)驗(yàn)室 1976 年，年，0.47dB/km(波長波長1.2m)。2）光纖通信迅速發(fā)展第1章光纖通信概論 13 1970 年，光纖通信用的年，光纖通信用的光源光源也取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。也取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。 美國貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司美國貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)研制成功室溫下連續(xù)和前蘇聯(lián)研制成功室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器工作的半導(dǎo)體激光器(短波長短波長)。 1973 年，年，7000小時(shí)。小時(shí)。 1977年，年，10萬小時(shí)萬小時(shí)(約約11.4年年)。（4）1976年，美國在年，美國在ATLANTA進(jìn)行世界第一個(gè)光纖通信的進(jìn)

11、行世界第一個(gè)光纖通信的 實(shí)驗(yàn)，速率實(shí)驗(yàn)，速率44.7M，距離，距離10KM 。隨后美國很快敷設(shè)了東西干線和南北干線，穿越隨后美國很快敷設(shè)了東西干線和南北干線，穿越22個(gè)州光纜總長達(dá)個(gè)州光纜總長達(dá)5104 km。第1章光纖通信概論 14我國的光纖通信也緊跟世界發(fā)展步伐，經(jīng)過近30年的發(fā)展，已建成以“八縱八橫”為標(biāo)志的大容量光纜通信干線傳輸網(wǎng)，再考慮本地中繼光纜線路和接入網(wǎng)光纜線路，目前我國敷設(shè)光纜總長度已經(jīng)超過150萬千米。30年的積累不僅打造了傳輸骨干體系，還為我國營造了一個(gè)巨大的光纖光纜產(chǎn)業(yè)規(guī)模。資料顯示，2005年我國共生產(chǎn)、銷售光纜1750萬芯千米，約占全球生產(chǎn)量的30%，位居世界第一，

12、已成為世界光纖光纜的主要生產(chǎn)基地之一。2006年，全國產(chǎn)銷光纜達(dá)2000萬芯千米。其中，長飛為460萬芯千米、亨通為408萬芯千米、烽火為280萬芯千米，中天、通光、永鼎、奧星都達(dá)150萬芯千米以上，成康、富通、匯源、特發(fā)都達(dá)100萬芯千米以上。 第1章光纖通信概論 151.1.2光纖通信發(fā)展趨勢光纖通信發(fā)展趨勢1.寬帶通信業(yè)務(wù)需求激增、光纖通信向超高速系統(tǒng)發(fā)展寬帶通信業(yè)務(wù)需求激增、光纖通信向超高速系統(tǒng)發(fā)展光纖產(chǎn)品的大規(guī)模采用成為全球?qū)拵ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展的有力基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張又帶來全球性傳送業(yè)務(wù)的大增長，這些業(yè)務(wù)需求包括Internet的蓬勃發(fā)展、大量的全球數(shù)據(jù)傳送，以及其他一些不斷

13、增長的先進(jìn)業(yè)務(wù)。第1章光纖通信概論 16 視頻娛樂節(jié)目視頻娛樂節(jié)目：采用速率高達(dá)幾十兆比特的數(shù)字電視，提供同實(shí)物一樣大的高分辨率、3D、真彩色視頻娛樂節(jié)目。 可視電話可視電話：全球?qū)⒂幸粌|以上的家庭裝有帶大型3D彩色屏幕的可視電話。視頻會(huì)議視頻會(huì)議：通過Internet提供桌面或膝上機(jī)的一對(duì)一型或組對(duì)組型會(huì)議電視系統(tǒng)。大量的、即時(shí)的、連續(xù)的全球數(shù)據(jù)傳送大量的、即時(shí)的、連續(xù)的全球數(shù)據(jù)傳送：允許幾百萬大小公司以及部門內(nèi)部的各個(gè)相互連接的高瑞工作站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 第1章光纖通信概論 17全球網(wǎng)絡(luò)全球網(wǎng)絡(luò)：少數(shù)幾個(gè)全球性的用戶到用戶通信公司將主宰全球通信市場。這種全球化的過程將通過收購、兼并、合股

14、和新建的方式來完成，而大量地敷設(shè)陸地和海底公用（用以出租）光纜為完成這一過程奠定了基礎(chǔ)。私營私營全球光網(wǎng)絡(luò)將迅速發(fā)展。采用一個(gè)便攜式收發(fā)信機(jī)，以低廉的成本，實(shí)現(xiàn)在任何地方、任意時(shí)間、對(duì)任何人的通信（話音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻）將變得可行。全球業(yè)務(wù)全球業(yè)務(wù)：對(duì)共同感興趣的商務(wù)運(yùn)作的合并過程將繼續(xù)下去。依賴于通信的主要業(yè)務(wù)有遍布全球的生產(chǎn)、研發(fā)、管理和客戶服務(wù)。而高帶寬的、即時(shí)的通信為此打下了基礎(chǔ)。隨著遠(yuǎn)程辦公形式的大量采用，知識(shí)員工的物理位置將徹底發(fā)生變化。小型辦公小型辦公室和家庭辦公室的光纖室和家庭辦公室的光纖連接將非常普遍。 第1章光纖通信概論 18政府全球化政府全球化：發(fā)達(dá)國家將更多地通過各種

15、全球合作組織來協(xié)調(diào)世界經(jīng)濟(jì)、軍事、人道主義和其他活動(dòng)。這樣的組織有世界貿(mào)易組織、國際貨幣基金會(huì)、北美自由貿(mào)易聯(lián)盟、聯(lián)合國以及北大西洋公約組織等。小用戶的作用上升小用戶的作用上升：進(jìn)入21世紀(jì)，大型企業(yè)、政府和教育機(jī)構(gòu)是光纖通信市場中處于支配地位的用戶。數(shù)以億計(jì)的全球居民用戶現(xiàn)在正擁有自己的光纖連接。競爭將使商用光纖連接更加可靠，通過各種各樣的接入方式接入到大樓中去（城區(qū)光纖系統(tǒng)、網(wǎng)狀環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)和光交換將首先采用）。第1章光纖通信概論 19網(wǎng)絡(luò)容量的容量的需求和傳輸速率傳輸速率的提高一直是一對(duì)主要矛盾。在過去幾年中，光纖技術(shù)領(lǐng)域取得了大量突破性進(jìn)展，其中包括10Gb/s網(wǎng)絡(luò)的全面構(gòu)建和單根光纖上每

16、秒以太比特容量的成功演示。40Gb/s和80Gb/s網(wǎng)絡(luò)成功演示進(jìn)一步突出了速率更高、容量更大的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，為各種各樣的新業(yè)務(wù)，特別是寬帶業(yè)務(wù)和多媒體提供了實(shí)現(xiàn)的可能。 第1章光纖通信概論 202.向超大容量向超大容量WDM系統(tǒng)的演進(jìn)系統(tǒng)的演進(jìn)光纖的200nm可用帶寬資源僅利用了不到1，99的資源尚待發(fā)掘。如果將多個(gè)發(fā)送波長適當(dāng)錯(cuò)開的光源信號(hào)同時(shí)在一根光纖上傳送，則可大大增加光纖的信息傳輸容量，這就是波分復(fù)用（WDM）的基本思路。波分復(fù)用系統(tǒng)發(fā)展十分迅速。目前全球?qū)嶋H敷設(shè)的WDM系統(tǒng)已超過3000個(gè)，而實(shí)用化系統(tǒng)的最大容量已達(dá)320Gb。美國朗訊公司已宣布推出80個(gè)波長的WDM系統(tǒng)，其總?cè)萘靠蛇_(dá)

17、200Gb或400Gb。實(shí)驗(yàn)室的最高水平已達(dá)到2.6Tb，預(yù)計(jì)不久商用化系統(tǒng)的容量即可達(dá)到1Tb的水平。近年來超大容量超大容量密集波分復(fù)用密集波分復(fù)用系統(tǒng)的發(fā)展是光纖通信發(fā)展史上的又一里程碑，不僅開發(fā)了無窮無盡的光傳輸鏈路的容量，而且也成為IP業(yè)務(wù)爆炸式發(fā)展的催化劑和下一代光傳送網(wǎng)靈活光節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)。 第1章光纖通信概論 213.實(shí)現(xiàn)光聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)光聯(lián)網(wǎng)波分復(fù)用系統(tǒng)技術(shù)盡管具有巨大的傳輸容量，但基本上是以點(diǎn)到點(diǎn)通信為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，其靈活性和可靠性還不夠理想。如果在光路上也能實(shí)現(xiàn)類似SDH在電路上的分插功能和交叉連接功能的話，無疑將增加新的威力。根據(jù)這一基本思路，光的分插復(fù)用器分插復(fù)用器（OADM）和光

18、的交叉連接光的交叉連接設(shè)備（OXC）均已在實(shí)驗(yàn)室研制成功，前者已投入商用。鑒于光聯(lián)網(wǎng)具有潛在的巨大優(yōu)勢，發(fā)達(dá)國家投入了大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行研究，特別是美國國防部預(yù)研局（DARPA）資助了一系列光聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，如以Be11core為主開發(fā)的“光網(wǎng)技術(shù)合作計(jì)劃（ONTC）”，以朗訊公司為主開發(fā)的“全光通信網(wǎng)”預(yù)研計(jì)劃，“多波長光網(wǎng)絡(luò)（MONET）”和“國家透明光網(wǎng)絡(luò)（NTON）”等，在歐洲和日本，也分別有類似的光聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目在進(jìn)行。 第1章光纖通信概論 224.新一代的光纖新一代的光纖傳統(tǒng)的G.652單模光纖在適應(yīng)上述超高速長距離傳送網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要方面已暴露出力不從心的態(tài)勢，開發(fā)新型光纖已成為開發(fā)下

19、一代網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。為了適應(yīng)干線網(wǎng)和城域網(wǎng)的不同發(fā)展需要，已出現(xiàn)了三種不同的新型光纖，如非零色散光纖（G.655光纖）、低色散三波段光纖（G.656光纖）和無水吸收峰光纖（全波光纖）。目前影響可用波段的主要因素是1385nm附近的水吸收峰，因而若能設(shè)法消除這一水峰，則光纖的可用頻譜可望大大擴(kuò)展。全波光纖就是在這種形勢下誕生的。 第1章光纖通信概論 235.解決全光網(wǎng)瓶頸的手段解決全光網(wǎng)瓶頸的手段光接入網(wǎng)光接入網(wǎng)過去幾年間，網(wǎng)絡(luò)的核心部分發(fā)生了翻天覆地的變化，無論是交換還是傳輸都已更新了好幾代。不久以后，網(wǎng)絡(luò)的這一部分將成為全數(shù)字化的、軟件主宰和控制的、高度集成和智能化的網(wǎng)絡(luò)。而另一

20、方面，現(xiàn)存的接入網(wǎng)中雙絞線銅線的模擬系統(tǒng)還有相當(dāng)比例。兩者在技術(shù)上的巨大反差說明接入網(wǎng)已確實(shí)成為制約全光網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。目前盡管出現(xiàn)了一系列解決這一瓶頸問題的技術(shù)手段，如雙絞線上的XDSL系統(tǒng)，同軸電纜上的HFC系統(tǒng)，寬帶無線接入系統(tǒng)，但這些都只能算是一些過渡性解決方案，唯一能夠根本上徹底解決這一瓶頸問題的長遠(yuǎn)技術(shù)手段是光接入網(wǎng)的全面實(shí)現(xiàn)。第1章光纖通信概論 246.IPoverOptical以IP業(yè)務(wù)為主的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是當(dāng)前世界信息業(yè)發(fā)展的主要推動(dòng)力，因而，能否有效地支持IP業(yè)務(wù)已成為新技術(shù)能否有長遠(yuǎn)技術(shù)壽命的標(biāo)志。目前，ATM和SDH均能支持IP，分別稱為IPoverATM和IPoverS

21、DH。雖然兩者各有優(yōu)勢，但從長遠(yuǎn)看，當(dāng)IP業(yè)務(wù)量逐漸增加，需要高于2.4Gb的鏈路容量時(shí)，則有可能最終會(huì)省掉中間的SDH層，IP直接在光路上跑，形成十分簡單統(tǒng)一的IP網(wǎng)結(jié)構(gòu)（IPoverOptical）。顯然，這是一種最簡單直接的體系結(jié)構(gòu)，省掉了中間ATM層與SDH層，簡化了層次，減少了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；減少了功能重疊，減輕了網(wǎng)管復(fù)雜性，特別是網(wǎng)絡(luò)配置的復(fù)雜性；額外的開銷最低，傳輸效率最高；通過業(yè)務(wù)量工程設(shè)計(jì)，可以與IP的不對(duì)稱業(yè)務(wù)量特性相匹配；還可利用光纖環(huán)路的保護(hù)光纖吸收突發(fā)業(yè)務(wù)，盡量避免緩存，減少延時(shí)；由于省掉了昂貴的ATM交換機(jī)和大量普通SDH復(fù)用設(shè)備，簡化了網(wǎng)管，又采用了波分復(fù)用技術(shù)，其總成

22、本可望比傳統(tǒng)電路交換網(wǎng)降低一至二個(gè)量級(jí)。 第1章光纖通信概論 25三種IP傳送技術(shù)都將在電信網(wǎng)發(fā)展的不同時(shí)期和網(wǎng)絡(luò)的不同部分發(fā)揮自己應(yīng)有的歷史作用。但從面向未來的視角看，IPoverOptical將是最具長遠(yuǎn)生命力的技術(shù)。特別是隨著IP業(yè)務(wù)逐漸成為網(wǎng)絡(luò)的主導(dǎo)業(yè)務(wù)后，這種對(duì)IP業(yè)務(wù)最理想的傳送技術(shù)將會(huì)成為未來網(wǎng)絡(luò)特別是骨干網(wǎng)的主導(dǎo)傳送技術(shù)。 第1章光纖通信概論 267.智能光網(wǎng)絡(luò)新動(dòng)向智能光網(wǎng)絡(luò)新動(dòng)向隨著IP業(yè)務(wù)的快速增長，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求變得越來越大。同時(shí)，由于IP業(yè)務(wù)量本身的不確定性和不可預(yù)見性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的動(dòng)態(tài)分配需求也亟待解決。因此，能夠自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)連接自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)連接的智能光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而

23、生。幾年前，美國AT&T公司已經(jīng)率先在美國全國范圍內(nèi)敷設(shè)了連接約100個(gè)城市的智能光網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)由約100臺(tái)智能光交換機(jī)和800多臺(tái)SONET多業(yè)務(wù)平臺(tái)構(gòu)成。它不僅減少了成本和指配出錯(cuò)機(jī)會(huì)，使運(yùn)作流暢，還增加了容量，簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次，極大地縮短了企事業(yè)用戶的高速電路指配時(shí)間，能有效對(duì)付網(wǎng)絡(luò)大故障，快速恢復(fù)業(yè)務(wù)，恢復(fù)時(shí)間僅為數(shù)百毫秒。第1章光纖通信概論 27新一代智能光網(wǎng)絡(luò)由DWDM加光交換機(jī)組光交換機(jī)組成，它的核心層設(shè)備是光交換機(jī)，一個(gè)設(shè)備便可以綜合完成以前幾個(gè)設(shè)備的功能，組網(wǎng)簡單，維護(hù)方便。此外，智能光網(wǎng)絡(luò)的特智能光網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是交換粒度小，并具有疏導(dǎo)功能，點(diǎn)是交換粒度小，并具有疏

24、導(dǎo)功能，這兩個(gè)特點(diǎn)為智能光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)任意級(jí)聯(lián)、虛擬容量和網(wǎng)狀恢復(fù)等奠定了基礎(chǔ)。先進(jìn)智能化光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是建立全球新一代網(wǎng)絡(luò)及通信服務(wù)的骨干，運(yùn)營商可以建立一個(gè)從網(wǎng)絡(luò)核心到邊緣的智能網(wǎng)絡(luò)。在全球電信業(yè)總體低迷的背景下，光交換是其中的一個(gè)亮點(diǎn)。智能光網(wǎng)絡(luò)將成為未來幾年傳送網(wǎng)發(fā)展的重要方向和市場機(jī)遇。 第1章光纖通信概論 28從上述光纖通信的幾個(gè)方面的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢來看，光纖通信進(jìn)入了又一次蓬勃發(fā)展的新高潮。而這一次發(fā)展高潮涉及的范圍更廣，技術(shù)更新更難，影響力和影響面也更寬，勢必對(duì)整個(gè)電信網(wǎng)和信息業(yè)產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。它的演變和發(fā)展結(jié)果將在很大程度上決定電信網(wǎng)和信息業(yè)的未來大格局，也將對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生巨

25、大影響。第1章光纖通信概論 291.2光纖通信的系統(tǒng)構(gòu)成光纖通信的系統(tǒng)構(gòu)成第一代光纖通信系統(tǒng)：1977年，人們首次用多模光纖成功地進(jìn)行了光纖通信試驗(yàn)，0.85m波段的多模光纖成為第一代光纖通信系統(tǒng)。第二代光纖通信系統(tǒng)：1981，1.30m多模光纖。第三代光纖通信系統(tǒng)：1984，1.31m單模光纖的通信系統(tǒng)。第四代光纖通信系統(tǒng)：20世紀(jì)90年代初期，1.55m單模光纖。第五代光纖通信系統(tǒng)：光波分復(fù)用提高速率、光波放大增長傳輸距離的系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)由光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)、光纖（光纜）和光中繼器構(gòu)成。光纖通信系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)所使用的光波長、傳輸信號(hào)形式、傳輸光纖和光接收方式的不同分成各種光纖通信系統(tǒng)。

26、第1章光纖通信概論 301.2.1光纖通信系統(tǒng)的分類光纖通信系統(tǒng)的分類 表表1.1光纖通信系統(tǒng)的分類光纖通信系統(tǒng)的分類 第1章光纖通信概論 311.2.2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)的基本組成如圖1.1所示。它由光發(fā)射端機(jī)、光纖或光纜、光中繼器和光接收端機(jī)四部分組成。 信源電發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光中繼光接收機(jī)電接收機(jī)信 宿第1章光纖通信概論 32 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)送機(jī)、光纖光纜、中繼器和光接收機(jī)組成。統(tǒng)。主要由光發(fā)送機(jī)、光纖光纜、中繼器和光接收機(jī)組成。 光纖通信系統(tǒng)的基本組成

27、光纖通信系統(tǒng)的基本組成(單向傳輸單向傳輸) 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)輸出第1章光纖通信概論 33信息源信息源:用戶信息轉(zhuǎn)換為原始電信號(hào)用戶信息轉(zhuǎn)換為原始電信號(hào)-基帶信號(hào)?；鶐盘?hào)。 電發(fā)射機(jī)電發(fā)射機(jī):基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合信道傳輸?shù)男盘?hào)?；鶐盘?hào)轉(zhuǎn)換為適合信道傳輸?shù)男盘?hào)。 調(diào)制調(diào)制 PCM 數(shù)字復(fù)接數(shù)字復(fù)接電接收機(jī)電接收機(jī):電發(fā)射機(jī)的功能相反，它把接收的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為基電發(fā)射機(jī)的功能相反，它把接收的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，最后由信息宿恢復(fù)用戶信息。帶信號(hào)，最后由信息宿恢復(fù)用戶信息。 第1章光纖通信概論 341

28、光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 光發(fā)射機(jī)的功能是把輸入電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并用耦光發(fā)射機(jī)的功能是把輸入電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并用耦合技術(shù)把光信號(hào)最大限度地注入光纖線路。合技術(shù)把光信號(hào)最大限度地注入光纖線路。對(duì)光源的要求對(duì)光源的要求輸輸出出光光功功率率大大譜譜線線寬寬度度窄窄光光束束發(fā)發(fā)散散角角小小輸輸出出功功率率和和波波長長穩(wěn)穩(wěn)定定器器件件壽壽命命長長調(diào)調(diào)制制頻頻率率足足夠夠高高 光源：半導(dǎo)體發(fā)光二極管光源：半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED) 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器(LD) 動(dòng)態(tài)單縱模分布反饋動(dòng)態(tài)單縱模分布反饋(DFB)激光器。激光器。光發(fā)射機(jī)由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。第1章光纖通信概論 35調(diào)制技術(shù)：直接調(diào)制（

29、內(nèi)調(diào)制）、間接調(diào)制（外調(diào)制）調(diào)制技術(shù)：直接調(diào)制（內(nèi)調(diào)制）、間接調(diào)制（外調(diào)制）特點(diǎn)：技術(shù)簡單，特點(diǎn)：技術(shù)簡單， 成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。器的頻率特性所限制。光源光源 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器光纖光信號(hào)輸出電信號(hào)輸入直接調(diào)制（內(nèi)調(diào)制）：用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)直接調(diào)制（內(nèi)調(diào)制）：用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極光二極 管的驅(qū)動(dòng)電流，使輸出光隨電信號(hào)變化。管的驅(qū)動(dòng)電流，使輸出光隨電信號(hào)變化。第1章光纖通信概論 36激光源激光源調(diào)制器調(diào)制器驅(qū)動(dòng)和控制驅(qū)動(dòng)和控制電信號(hào)輸入電信號(hào)輸入光纖光信號(hào)輸出間接調(diào)制間接調(diào)制(外調(diào)制外調(diào)制)：外調(diào)制

30、是把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用：外調(diào)制是把激光的產(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)的。獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實(shí)現(xiàn)的。特點(diǎn)：調(diào)制速率高，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，成本較高。特點(diǎn)：調(diào)制速率高，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，成本較高。目前大多數(shù)光纖通信系統(tǒng)都采用目前大多數(shù)光纖通信系統(tǒng)都采用直接光強(qiáng)調(diào)制。直接光強(qiáng)調(diào)制。第1章光纖通信概論 372 光纖線路光纖線路 光纖線路的功能是把來自光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)，以盡可能小光纖線路的功能是把來自光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)，以盡可能小的畸變的畸變(失真失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)。和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)。光纖線路由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。光纖線路由光纖、光纖接頭和光

31、纖連接器組成。石英光纖：石英光纖： 階躍多模光纖階躍多模光纖漸變多模光纖漸變多模光纖單模光纖單模光纖幾十幾十MHZ幾百幾百GHz第1章光纖通信概論 383 光中繼器光中繼器 光信號(hào)在光纖中傳輸一定距離后，由于受到光纖衰減和色散的影響會(huì)產(chǎn)生能量衰減和波形失真。光中繼器的主要作用有兩個(gè)： (1)補(bǔ)償光的衰減；(2)對(duì)波形失真的脈沖進(jìn)行整形。光中繼器光檢測器：接收部分光源：發(fā)射部分?jǐn)?shù)字：判決再生電路模擬：檢波中繼方式 分類光電光間接放大光中繼器全光中繼器第1章光纖通信概論 39 4 光接收機(jī)光接收機(jī) 光接收機(jī)的功能是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減光接收機(jī)的功能是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微

32、弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號(hào)（前的電信號(hào)（O/E轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換）。光檢測器：光檢測器：PIN光電二極管光電二極管(PIN - PD)、 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD) 響應(yīng)度高、響應(yīng)度高、 噪聲低和響應(yīng)速度快。噪聲低和響應(yīng)速度快。檢測方式：檢測方式： 直接檢測：直接把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)直接檢測：直接把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 外差檢測：本地振蕩光和光纖輸出的信號(hào)光在混頻器中產(chǎn)外差檢測：本地振蕩光和光纖輸出的信號(hào)光在混頻器中產(chǎn)生差拍而輸出中頻光信號(hào)。生差拍而輸出中頻光信號(hào)。光接收機(jī)由光檢測器、放大器和相關(guān)電路組成。第

33、1章光纖通信概論 401.3光纖通信的特點(diǎn)光纖通信的特點(diǎn) 1.信息容量巨大信息容量巨大通信技術(shù)的進(jìn)步使電磁波譜的發(fā)掘利用擴(kuò)展到光頻段，光的基頻為31014Hz，目前光纖通信的頻率范圍為1.673.751014Hz，對(duì)應(yīng)的波長范圍是0.81.7m，屬于近紅外光區(qū)。而從長波開始，包括微波在內(nèi)直至毫米波的整個(gè)電通信可利用的電磁波譜僅為31011Hz，所以用光作載頻其理論頻帶極其寬廣，這是光纖通信優(yōu)于其它通信方式的最顯著特點(diǎn)。 第1章光纖通信概論 41以光波長為例：以光波長為例： 光波長（光波長（）光頻（光頻（v）=光速（光速（c） 當(dāng)=1550nm時(shí)， v =c/=(31014m/s)/(1.55m

34、)21014/s 如果使用十五分之一的波段，即0.1m的波長寬度，對(duì)應(yīng)的頻帶寬度 v = - c/2 =（31014m/s0.1m）/（1.55m）2 1.21013Hz 第1章光纖通信概論 42若按4kHz一個(gè)模擬音頻話路所需要的帶寬計(jì)算，則可以傳輸3109個(gè)模擬話路；若按32kHz一個(gè)數(shù)字音頻話路所需要的帶寬計(jì)算，則可以傳輸3.75108個(gè)數(shù)字話路。數(shù)字通信通信質(zhì)量好，抗干擾能力強(qiáng)，但數(shù)字通信占用的頻帶較模擬通信寬得多，載波電話（模擬通信）一路帶寬4kHz，而一路64kb/s的PCM數(shù)字話路至少需要帶寬32kHz，占用了8個(gè)模擬話路。光纖的出現(xiàn)正好適應(yīng)了數(shù)字通信的這一特點(diǎn)，目前多模光纖的帶

35、寬可以達(dá)到13GHzkm，單模光纖的帶寬可以達(dá)到THz量級(jí)，遠(yuǎn)超過了電纜的最高傳輸帶寬。 第1章光纖通信概論 43因此，不論是從可利用的光波頻段來講，還是就光纖自身的帶寬而言，光纖通信可以利用的頻帶比任何其他通信方式都寬得多，通信容量非常大，特別適合高速率的數(shù)字通信?，F(xiàn)在光纖通信使用的頻率為10141015Hz數(shù)量級(jí)，如圖1.2所示，比常用的微波頻率高104105倍，因而信息容量原則上比微波高出104105倍。光纖可利用的帶寬約為50000GHz，頻帶寬，對(duì)于傳輸各種寬頻帶信息具有十分重要的意義，否則無法滿足未來寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN)發(fā)展的需要?，F(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展要求通信網(wǎng)傳輸由高碼率

36、的數(shù)字音頻信號(hào)、高速成批數(shù)據(jù)信號(hào)、寬帶數(shù)字電視信號(hào)等組成的信息流時(shí)，只有光纖能夠擔(dān)當(dāng)“信息高速公路”重任。第1章光纖通信概論 442.衰耗極低、傳輸距離長衰耗極低、傳輸距離長光纖的傳輸損耗比長途電纜、同軸電纜、毫米波導(dǎo)管等任何一種線路都低，如圖1.2所示，目前單模光纖在1.3m窗口的衰耗約為0.35dB/km，1.55m窗口的衰耗達(dá)0.2dB/km，與其相比，同軸電纜對(duì)60MHz信號(hào)的衰耗為19dB/km，市話電纜對(duì)4MHz信號(hào)的衰耗為20dB/km。 第1章光纖通信概論 45圖1.2各種傳輸介質(zhì)損耗特性的比較 第1章光纖通信概論 46光纖不僅衰耗小，而且損耗的頻率特性好，光纖傳輸?shù)臋C(jī)理與電纜

37、有本質(zhì)區(qū)別，要想降低傳輸損耗，只要盡量降低玻璃中的雜質(zhì)含量，盡量準(zhǔn)確安排光纖橫截面的折射率分布就可以了，損耗與光纖橫截面的尺寸幾乎沒有關(guān)系，不像電纜那樣橫截面越小，損耗越大。降低電纜傳輸損耗的主要方法是減少電阻，減少線間電容，這就意味著增加導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)尺寸，增加成本，即使這樣也還是不能解決“損耗與傳輸信號(hào)頻率的平方根成比例增大”的問題。因?yàn)殡娎|損耗特性除了與橫截面有關(guān)外，還是頻率的增函數(shù)，對(duì)于信號(hào)來說，高頻成分和低頻成分損耗不同使信號(hào)失真，要加線路均衡；對(duì)于載波來說，工作頻率越高，損耗越大，使傳輸距離（也稱中繼距離）越短。10800路載波電話通信或400Mb/s數(shù)字通信的中同軸電纜每隔1.6km

38、就得設(shè)立中繼站。在電纜通信中，通信容量與中繼距離是不可調(diào)和的矛盾。第1章光纖通信概論 47利用光纖的低衰耗則可以拉長中繼距離，例如中同軸電纜在傳送400Mb/s信號(hào)（10800路電話）時(shí)中繼距離僅1.6km，而光纜在傳送565Mb/s信號(hào)時(shí)，中繼距離可達(dá)60km，而且不需進(jìn)行精密均衡。光纖的損耗低，由石英光纖組成的光纖通信系統(tǒng)最大中繼距離可達(dá)約200千米，由非石英系極低損耗光纖組成的通信系統(tǒng)，其最大中繼距離則可達(dá)數(shù)千甚至數(shù)萬千米，這對(duì)于進(jìn)行長途傳輸，特別是越洋通信來講，對(duì)降低海底通信的成本、提高可靠性和穩(wěn)定性具有特別重要的意義。光纖通信所能達(dá)到的大容量和長中繼距離水平在電纜通信中是不可能做到的

39、。 第1章光纖通信概論 483.不受電磁干擾影響、信號(hào)串?dāng)_小，保密性能好不受電磁干擾影響、信號(hào)串?dāng)_小，保密性能好光纖是絕緣體材料，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽黑子活動(dòng)的干擾，也不受電氣化鐵路饋電線和高壓設(shè)備等工業(yè)電器的干擾，還可用它與高壓輸電線平行架設(shè)或與電力導(dǎo)體復(fù)合構(gòu)成復(fù)合光纜。 第1章光纖通信概論 49電纜是電的良導(dǎo)體，故電磁感應(yīng)既有外部的也有內(nèi)部的。在電纜內(nèi)部，相鄰芯線之間電磁場的互相耦合使之可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的串話，不管采取多么復(fù)雜的絞扭措施也不能完全消除，這種芯線周圍的電磁場還使電纜通信很容易被竊聽。電纜的外部感應(yīng)更為嚴(yán)重，自然界的雷電、高壓輸電線，甚至無線電廣播的電磁場都

40、可能對(duì)電纜中的信號(hào)產(chǎn)生明顯的影響，為了消除外部的電磁干擾，金屬電纜常配有笨重而昂貴的金屬屏蔽層。 第1章光纖通信概論 50光纖是由玻璃制成的，材料的特性使光纖又擁有了一系列的優(yōu)點(diǎn)：光纖不導(dǎo)電、不導(dǎo)磁，沒有電磁感應(yīng)；光纖的絕緣特性使它對(duì)外部電場的干擾“無動(dòng)于衷”，這對(duì)于電氣鐵道和電力線等強(qiáng)電場附近的通信極為有利；又由于光纖包層以外還有涂覆層，纖芯內(nèi)傳播的光局限于光纖之中，基本不會(huì)向外逸出，光纜的周圍基本上沒有信息能量，在這種情況下，一方面同一根光纜中相鄰的各根光纖幾乎沒有串話現(xiàn)象，另一方面，要想像電通信那樣在光纖周圍竊聽光纖通信的內(nèi)容幾乎是不可能的，若采用光耦合的方法竊聽，光端機(jī)馬上就可以感覺到

41、光能量的減少，并能用儀器測出耦合地點(diǎn)，因此，光纖通信保密性好；同時(shí)，光纖中的信號(hào)傳輸沒有大地回路，因而不受大地電流或電位差的影響，不會(huì)因?yàn)槎搪范鴵p壞兩端的設(shè)備；光纖不會(huì)產(chǎn)生電火花，在易燃、易爆的場所使用比較安全；特別是和金屬相比，光纖的耐腐蝕、耐潮濕的能力要更強(qiáng)一些，甚至還能經(jīng)受核輻射的考驗(yàn)。 第1章光纖通信概論 514.節(jié)約有色金屬節(jié)約有色金屬光纖由于材料特點(diǎn)帶來的最大好處是可以大量節(jié)約有色金屬。光纖的原材料資源豐富，其材料主要是石英(二氧化硅)，地球上有取之不盡用之不竭的原材料，而電纜的主要材料是銅，世界上銅的儲(chǔ)藏量卻并不多，因此，用光纖取代電纜可節(jié)約大量的金屬材料，具有合理使用地球資源的

42、重大意義。制造100km長的中同軸電纜需要12t銅、50t鋁，如果全世界每家都用上電纜傳輸?shù)碾娨?、電話，即使把地球上所有的銅礦都開采出來，也不足以制造所需要的同軸電纜。而拉制100km長的光纖，只需要1kg高純度的石英玻璃。另外，制造光纖所必需的能源消耗，與一般的金屬電纜相比，估計(jì)要低兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右。光纖通信與傳統(tǒng)的通信方式相比，可節(jié)省大量銅、鋁等金屬材料，有利于降低通信系統(tǒng)的成本。從節(jié)約能源、資源的角度看，光纖的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)是根本性的優(yōu)點(diǎn)。另外，由于光纜大大延長中繼距離而節(jié)約的中繼設(shè)備的費(fèi)用也是十分可觀的。 第1章光纖通信概論 525.尺寸小、重量輕，便于敷設(shè)和運(yùn)輸尺寸小、重量輕，便于敷設(shè)和運(yùn)輸

43、每千克石英可以拉出一百公里的光纖，光纖的芯徑約為0.1mm，它只有單管同軸電纜的1%；光纜的直徑也很小，8芯光纜的橫截面直徑約為10mm，而標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜為47mm。反過來，如果允許光纜和電纜一樣粗細(xì)，則光纜中可容納的芯線數(shù)目要多得多。利用光纖這一特點(diǎn)，使傳輸系統(tǒng)所占空間小，解決地下管道擁擠的問題，節(jié)約地下管道建設(shè)投資。此外，光纖的重量輕，光纜的重量比電纜輕得多，例如18管同軸電纜1m的重量為11kg，而同等容量的光纜1m重量只有90g，這對(duì)于在飛機(jī)、宇宙飛船和人造衛(wèi)星上使用光纖通信更具有重要意義。另外，表面涂覆的光纖可繞性好，彎曲成直徑數(shù)毫米的小圈也不至于折斷，光纖柔軟可繞，容易成束，能得到直

44、徑小的高密度光纜。光纖重量輕、可繞性好，使得運(yùn)輸和敷設(shè)都比較方便。這些特點(diǎn)使它不僅適用于公用通信，在軍事通信中也極為適用，如導(dǎo)彈、艦船、飛機(jī)、潛艇通信控制系統(tǒng)等。 第1章光纖通信概論 531.4光纖通信新技術(shù)光纖通信新技術(shù)1.4.1相干光通信相干光通信 相干光通信系統(tǒng)：把光頻段劃分為許多頻道，從而使光頻段得到充分利用，即多信道光纖通信。 相干光接收機(jī)：采用如同外差收音機(jī)那樣，在其內(nèi)部設(shè)置一臺(tái)本地激光器，稍微改變本地激光器的光頻，就可改變所選擇的信道。第1章光纖通信概論 54發(fā)射端：光匹配器是保證從光調(diào)制器輸出的已調(diào)光波的空間復(fù)數(shù)幅度分布和單模光纖中的基模HE11之間有盡可能好的匹配，以及已調(diào)光

45、波的偏振狀態(tài)和單模光纖中的本征偏振狀態(tài)相匹配。 接收端：光匹配器是為了達(dá)到光混頻器最大可能的混頻效率而使接收的光復(fù)數(shù)振幅和偏振與本振光波相匹配。混頻后輸出的信號(hào)光波場強(qiáng)和本振光波場強(qiáng)之和的平方成正比，從中可選出本振光波與信號(hào)光波的差頻信號(hào)。由于該差頻信號(hào)的變化規(guī)律與信號(hào)光波的變化規(guī)律相同，而不像直接檢波通信方式那樣，檢測電流只反映光波的強(qiáng)度，因而，可以實(shí)現(xiàn)幅度、頻率、相位和偏振等各種調(diào)制方式。第1章光纖通信概論 55相干光通信系統(tǒng)分為兩類： 外差接收系統(tǒng)：當(dāng)本振光頻率和信號(hào)光頻率之差為一非零值時(shí)。 零差接收系統(tǒng)：當(dāng)本振光波的頻率和相位與信號(hào)光波的頻率和相位相同時(shí)。 不管采用何種接收方式，其根本

46、點(diǎn)是外差檢測。第1章光纖通信概論 56外差檢測相干光通信經(jīng)光電檢波器獲得的是中頻信號(hào)，中頻信號(hào)還需二次解調(diào)才能被轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)。 根據(jù)中頻信號(hào)的解調(diào)方式不同，外差檢測又分為：(1)同步解調(diào)中：探測器上輸出的中頻信號(hào)通過一個(gè)中頻帶濾波器后分成兩路，其中一路用作中頻載頻恢復(fù)，恢復(fù)出的中頻載波與另一路中頻信號(hào)進(jìn)行混頻，再由低通濾波器輸出基帶信號(hào)。(2)包絡(luò)解調(diào)：在包絡(luò)檢測器后接一個(gè)低通濾波器而直接檢測出基帶信號(hào)。 外差檢測相干光通信不要求本振光與信號(hào)光之間的相位鎖定和光頻率嚴(yán)格匹配。第1章光纖通信概論 57光檢測器帶通基帶信號(hào)本振光信號(hào)光SL低通載波恢復(fù)外差同步解調(diào)接收機(jī)方框圖光檢測器帶通基帶信號(hào)本

47、振光信號(hào)光SL低通包絡(luò)檢波外差異步解調(diào)接收機(jī)方框圖第1章光纖通信概論 58 零差檢測相干光通信，光信號(hào)經(jīng)光電檢波器后被直接轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)，而不用二次解調(diào)，但它要求本振光頻率與信號(hào)光頻率嚴(yán)格匹配，并且要求本振光與信號(hào)光的相位鎖定。第1章光纖通信概論 59相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混頻增益、出色的信道選擇性及可調(diào)性等特點(diǎn)。與IMCD*2DD系統(tǒng)相比，具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：(1)靈敏度高，中繼距離長。(2)選擇性好，通信容量大。(3)可以使用電子學(xué)的均衡技術(shù)來補(bǔ)償光纖中光脈沖的色散效應(yīng)。(4)具有多種調(diào)制方式。 第1章光纖通信概論 601.4.2光孤子通信光孤子通信 孤子（Soliton）

48、又稱孤立波，是一種特殊形式的超短脈沖（其寬度在皮秒級(jí)），或者說是一種在傳播過程中形狀、幅度和速度都維持不變的脈沖狀行波。孤子與其他同類孤立波相遇后，能維持其幅度、形狀和速度不變，好像粒子一樣，故人們又把它稱為孤立子。 光孤子就是這種能在光纖中傳播的長時(shí)間保持形態(tài)、幅度和速度不變的光脈沖。利用光孤子特性可以實(shí)現(xiàn)超長距離、超大容量的光通信。第1章光纖通信概論 61光纖的群速度色散：不同頻率的光波以不同的速度傳播，到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間也就不同，這便形成脈沖展寬，使得信號(hào)畸變失真。 光纖非線性特性：它使脈沖受到壓縮變窄。 如果使折射率的非線性變化與群色散效應(yīng)相平衡，光脈沖會(huì)形成一種基本孤子，在反常色散區(qū)穩(wěn)定

49、傳輸。由此，逐漸產(chǎn)生了新的電磁理論光孤子理論。第1章光纖通信概論 62一束光脈沖包含許多不同的頻率成分，頻率不同，在介質(zhì)中的傳播速度也不同，因此，光脈沖在光纖中將發(fā)生色散，使得脈寬展寬。但當(dāng)具有高強(qiáng)度的極窄單色光脈沖入射到光纖中時(shí)，將產(chǎn)生克爾效應(yīng)，即介質(zhì)的折射率隨光強(qiáng)而變化，由此導(dǎo)致在光脈沖中產(chǎn)生自相位調(diào)制，使脈沖前沿產(chǎn)生的相位變化引起頻率降低，脈沖后沿產(chǎn)生的相位變化引起頻率升高，于是脈沖前沿比其后沿傳播得慢，從而使脈寬變窄。當(dāng)脈沖具有適當(dāng)?shù)姆葧r(shí)，以上兩種作用可以恰好抵消，則脈沖可以保持波形穩(wěn)定不變地在光纖中傳輸，即形成了光孤子，也稱為基階光孤子。根據(jù)理論分析，光孤子在光纖中傳輸時(shí)，盡管各種

50、波長的光波傳輸速度各不相同，但它們能夠以統(tǒng)一整體的狀態(tài)前進(jìn)，而且脈沖的寬度不會(huì)改變，這樣就確保了傳輸質(zhì)量。光孤子通信是一種全光非線性通信方案，它完全擺脫了光纖色散對(duì)傳輸速率和通信容量的限制，其傳輸容量比當(dāng)今最好的通信系統(tǒng)高出12個(gè)數(shù)量級(jí)，中繼距離可達(dá)幾百千米，被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的傳輸方式之一。 第1章光纖通信概論 631.4.3全光通信網(wǎng)全光通信網(wǎng)隨著社會(huì)的進(jìn)步，大容量新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，人們對(duì)信息量的需求也不斷增加，從而使高速帶寬綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)成為通信網(wǎng)的發(fā)展趨勢。但未來的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)到底應(yīng)該采取JP2ATM機(jī)制、SDH機(jī)制還是基于WDM的全光網(wǎng)技術(shù)呢？目前串行電信號(hào)傳輸速率上限為40Gb/s，而一根光纖的容量是150THz。由于受器件工作上限速率40GHz的限制，難以完成高速寬帶綜合業(yè)務(wù)的傳送和交換處理，會(huì)出現(xiàn)帶寬“瓶頸”，為了克服電子器件的“瓶頸”，提出了基于WDM的全光網(wǎng)技術(shù)。 第1章光纖通信概論 64全光網(wǎng)（AON）的概念是指用戶與用戶之間的信號(hào)傳輸與交換全部采用光波技術(shù)，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過程都在光域內(nèi)進(jìn)行，而其在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的交換則使用高可靠性、大容量和高度靈活的光交叉連接設(shè)備（OXC）。在全光網(wǎng)絡(luò)中，由于不需要電信號(hào)的處理，因而允許存在各種不同的協(xié)議和編碼形式，對(duì)信號(hào)的傳輸具有透明性。 第1章光纖通信概論