程控交換與光纖通信第1章

1、光 纖 通 信西安電子科技大學 劉增基主講人：李秋菊主要內(nèi)容第1章 緒論第2章 光纖和光纜第3章 通信用光器材第4章 光端機第5章 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)11 光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀1 2 光纖通信的優(yōu)點和應用1 3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成 第 1 章 概 論返回主目錄第 1 章 概論 1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀 1.1.1探索時期的光通信 中國古代用“烽火臺”報警。 1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。缺點：沒有理想的光源和傳輸介質(zhì)。 1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器， 給光通信帶來了新的希望。 激光器的發(fā)明和應用， 使沉睡

2、了80年的光通信進入一個嶄新的階段。 在這個時期，美國麻省理工學院利用He - Ne激光器和CO2激光器進行了大氣激光通信試驗。 實驗證明： 用承載信息的光波， 通過大氣的傳播，實現(xiàn)點對點的通信是可行的，但是通信能力和質(zhì)量受氣候影響十分嚴重。由于雨、霧、雪和大氣灰塵的吸收和散射，光波能量衰減很大。另一方面，大氣的密度和溫度不均勻，造成折射率的變化，使光束位置發(fā)生偏移。 因而通信的距離和穩(wěn)定性都受到極大的限制，不能實現(xiàn)“全天候”通信。大氣激光通信的穩(wěn)定性和可靠性仍然沒有解決。透鏡波導和反射鏡波導的光波傳輸系統(tǒng)。 透鏡波導是在金屬管內(nèi)每隔一定距離安裝一個透鏡，每個透鏡把經(jīng)傳輸?shù)墓馐鴷鄣较乱粋€透鏡

3、而實現(xiàn)的。反射鏡波導和透鏡波導相似，是用與光束傳輸方向成45角的二個平行反射鏡代替透鏡而構(gòu)成的。 由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)， 對光通信的研究曾一度走入了低潮。 1.1.2現(xiàn)代光纖通信 1966年，英籍華裔學者高錕(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。 當時石英纖維的損耗高達1000 dB/km以上，高錕等人指出：這樣大的損耗不是石英纖維本身固有的特性， 而是由于材料中的雜質(zhì)，例如過渡金屬(Fe、 Cu等)離子的吸收產(chǎn)生的。材料

4、本身固有的損耗基本上由瑞利(Rayleigh)散射決定，它隨波長的四次方而下降，其損耗很小因此有可能通過原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖。 1970 年，光纖研制取得了重大突破。在當年，美國康寧(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爭，把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段。1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4 dB/km。1973 年，美國貝爾(Bell)實驗室取得了更大成績，光纖損耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。1976 年，日本電報電話(NTT)公司等單位將光纖損

5、耗降低到0.47 dB/km(波長1.2m)。在以后的 10 年中，波長為1.55 m的光纖損耗：1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纖最低損耗的理論極限。 1970 年，作為光纖通信用的光源也取得了實質(zhì)性的進展。 當年，美國貝爾實驗室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后突破了半導體激光器在低溫(-200)或脈沖激勵條件下工作的限制，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導體激光器(短波長)。 1973 年，半導體激光器壽命達到7000小時。 1977 年，貝爾實驗室研制的半導體激光器壽命達到

6、10萬小時(約11.4年)，外推壽命達到100萬小時，完全滿足實用化的要求。 在這個期間，1976年日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3 m的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器.1979年美國電報電話(AT&T)公司和日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55 m的連續(xù)振蕩半導體激光器。 由于光纖和半導體激光器的技術(shù)進步，使 1970 年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑。 1976 年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進行了世界上第一個實用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗，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，美國標準化FT

7、 - 3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應用， 系統(tǒng)采用漸變型多模光纖，速率為44.7 Mb/s。 隨后美國很快敷設了東西干線和南北干線，穿越22個州 光纜總長達5104 km。1983年敷設了縱貫日本南北的光纜長途干線，全長3400 km，初期傳輸速率為400 Mb/s，后來擴容到1.6 Gb/s。隨后，由美、日、 英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋 海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成；第一條橫跨太平洋海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。 從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設得到了全面展開，促進了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個階段： 第一階段(19661976年)，這是從基礎研究到商業(yè)應用的開發(fā)時期。

8、在這個時期，實現(xiàn)了短波長(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)，光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從短波長(0.85 m) 發(fā)展到長波長(1.31 m和1.55 m)， 實現(xiàn)了工作波長為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距離為目標、全面深入開展新技術(shù)研究的時期。在這個時期，實現(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2.510 Gb/s，無中繼傳輸距離可達150100

9、km。實驗室可以達到更高水平。 1.1.3國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從0.85m發(fā)展到1.31m和1.55m，傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s。隨著技術(shù)的進步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖價格不斷下降應用范圍不斷擴大：從初期的市話局間中繼到長途干線進一步延伸到用戶接入網(wǎng)，從數(shù)字電話到有線電視(CATV)， 從單一類型信息的傳輸?shù)蕉喾N業(yè)務的傳輸。目前光纖已成為信息寬帶傳輸?shù)闹饕劫|(zhì)，光纖通信系統(tǒng)將成為未來國家信息基礎設施的支柱。1998年我國國內(nèi)公共電信網(wǎng)形成了連接全國各省市區(qū)的“八橫八縱”光纜骨干傳輸網(wǎng)，標志著傳輸網(wǎng)的技術(shù)和規(guī)模進入世界先進行列。2006年，我國研

10、制成功每波長40Gb/s，80個波長的WDM長途光纖傳輸系統(tǒng)。1.2 光纖通信的優(yōu)點和應用 1.2.1光通信與電通信任何通信系統(tǒng)追求的最終技術(shù)目標都是要可靠地實現(xiàn)最大可能的信息傳輸容量和傳輸距離。通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于對載波調(diào)制的頻帶寬度。光波和電波頻率差別:光纖通信用的近紅外光(波長約1m)的頻率(約300 THz)比微波(波長為0.1m1 mm)的頻率(3300 GHz)高3個數(shù)量級以上。 光纖通信用的近紅外光(波長為0.71.7m)頻帶寬度約為200THz， 在常用的1.31 m和1.55 m兩個波長窗口頻帶寬度也在20 THz以上。微波波段有線傳輸線路是由金屬導體制成的同軸電纜和波導

11、管。同軸電纜的損耗隨信號頻率的平方根而增大，要減小損耗，必須增大結(jié)構(gòu)尺寸，但要保持單一模式的傳輸，又不允許增大結(jié)構(gòu)尺寸。波導管具有比同軸電纜更低的損耗， 但隨著工作頻率的提高，要減小波導結(jié)構(gòu)的尺寸以保持單一模式的傳輸，損耗仍然要增大。光纖是由絕緣的石英(SiO2)材料制成的，通過提高材料純度和改進制造工藝，可以在寬波長范圍內(nèi)獲得很小的損耗。 圖 1.2 各種傳輸線路的損耗特性 1.2.2光纖通信的優(yōu)點1. 容許頻帶很寬，傳輸容量很大 光纖通信系統(tǒng)的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。石英單模光纖在1.31m波長具有零色散特性，通過光纖的設計，還可以把零色散波長移到1.55m。

12、在零色散波長窗口，單模光纖都具有幾十GHz km的帶寬。另一方面，可以采用多種復用技術(shù)來增加傳輸容量。最簡單的是空分復用，因為光纖很細，直徑只有125 m, 一根光纜可以容納幾百根光纖，1212=144根光纖的帶狀光纜早已實現(xiàn)。 表 1.4 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 6000(445MB/S)13472. 損耗很小， 中繼距離很長且誤碼率很小石英光纖在1.31 m和

13、1.55 m波長， 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管的中繼距離長得多。傳輸容量大、傳輸誤碼率低、中繼距離長的優(yōu)點，使光纖通信系統(tǒng)不僅適合于長途干線網(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)造價的主要原因。3. 重量輕、 體積小 光纖重量很輕，直徑很小。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。通信設備的重量和體積對許多領(lǐng)域特別是軍事、航空和宇宙飛船等方面的應用，具有特別重要的意義。在飛機上用光纖代替電纜，不僅降低了通信設備的成本，而且降低了飛機的制造成本。 4. 抗電磁干擾性能好 光纖

14、由電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不受各種電磁場的干擾和閃電雷擊的損壞。無金屬光纜非常適合于存在強電磁場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。 5. 泄漏小， 保密性能好 在光纖中傳輸?shù)墓庑孤┓浅Ｎ⑷酰词乖趶澢囟我矡o法竊聽。沒有專用的特殊工具，光纖不能分接，因此信息在光纖中傳輸非常安全。 6. 節(jié)約金屬材料， 有利于資源合理使用 制造同軸電纜和波導管的銅、鋁、鉛等金屬材料，在地球上的儲存量是有限的；而制造光纖的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不盡的材料。 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)濟上具有巨大的競爭能力，因此其在信息社會中將發(fā)揮越來越重要的

15、作用。圖1.3給出各種通信系統(tǒng)相對造價與傳輸容量(話路數(shù))的關(guān)系。圖 1.3 各種通信系統(tǒng)相對造價與傳輸容量的比較 1.2.3光纖通信的應用 光纖可以傳輸數(shù)字信號，也可以傳輸模擬信號。光纖在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計算機網(wǎng)，以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中， 都得到了廣泛應用。 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)、各國的公共電信網(wǎng)(如我國的國家一級干線、各省二級干線和縣以下的支線)、各種專用通信網(wǎng)、特殊通信手段。 構(gòu)成因特網(wǎng)的計算機局域網(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、

16、交通和公安部門的監(jiān)控； 自動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。 綜合業(yè)務光纖接入網(wǎng)，可實現(xiàn)電話、數(shù)據(jù)、視頻(會議電視、可視電話等)及多媒體業(yè)務綜合接入核心網(wǎng)，提供各種各樣的社區(qū)服務。 1.3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，也可以傳輸模擬信號。 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。 為敘述方便，這里僅以數(shù)字電話和模擬電視為例。 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)。圖 1.4 光纖通信系統(tǒng)的基本組成(單向傳輸) 1.3.1發(fā)射和接收信息源把用戶信息轉(zhuǎn)換為原始電信號，這種信號稱為基帶信號。電發(fā)射機把基帶信號轉(zhuǎn)換為適合信

17、道傳輸?shù)男盘?，這個轉(zhuǎn)換如果需要調(diào)制， 則其輸出信號稱為已調(diào)信號。 對于數(shù)字電話傳輸，電話機把話音轉(zhuǎn)換為頻率范圍為0.33.4 kHz的模擬基帶信號，電發(fā)射機把這種模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并把多路數(shù)字信號組合在一起。一路話音轉(zhuǎn)換成傳輸速率為64 kb/s的數(shù)字信號，然后用數(shù)字復接器把24路或30路PCM信號組合成1.544 Mb/s或2.048 Mb/s的一次群甚至高次群的數(shù)字系列，后輸入光發(fā)射機。對于模擬電視傳輸，則用攝像機把圖像轉(zhuǎn)換為6 MHz的模擬基帶信號，直接輸入光發(fā)射機。 1.3.2基本光纖傳輸系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)由光發(fā)射機和光接收機和光纖線路三部分組成。 光發(fā)射機的作用是把輸入電信號轉(zhuǎn)換

18、為光信號，并用耦合技術(shù)把光信號最大限度注入光纖線路。光發(fā)射機由光源、驅(qū)動器、調(diào)制器組成，光源是光發(fā)射機的核心。光纖線路把來自于光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的失真和損耗傳輸?shù)焦饨邮諜C。光接收機把從光纖線路輸出的產(chǎn)生畸變和衰減的微弱信號還原為電信號。 1.3.3數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng) 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)比模擬光纖通信系統(tǒng)具有更多的優(yōu)點， 也更能適應社會對通信能力和通信質(zhì)量越來越高的要求。 20 世紀70年代光纖通信的應用和80年代計算機的普及，為數(shù)字通信的發(fā)展創(chuàng)造了極其有利的條件。目前雖有數(shù)字通信幾乎完全代替模擬通信的趨勢，但是模擬通信仍然有著重要的應用。 抗干擾能力強，傳輸質(zhì)量好。 可以用再生中繼，傳輸距離長。 適用各種業(yè)務的傳輸，靈活性大。 數(shù)字通信系統(tǒng)的缺點是占用頻帶較寬，系統(tǒng)的頻帶利用率不高。 例如，一路模擬電話只占用4 kHz的帶寬，而一路數(shù)字電話要占用2064 kHz的帶寬。數(shù)字通信系統(tǒng)的許多優(yōu)點是以犧牲頻帶為代價得到的，然而光纖通信的頻帶很寬，完全能夠克服數(shù)字通信的缺點。 因而對于電話的傳輸， 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)是最佳的選擇。 模擬通信系統(tǒng)除占