第一章光纖簡(jiǎn)介

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)劃教材光纖通信劉增基周洋溢胡遼林周綺麗編著西西安電子科技大學(xué)出版社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)劃教材光纖通信劉增基周洋溢胡遼林周綺麗編著西西安電子科技大學(xué)出版社第1章概論第2章光纖和光纜第3章通信用光器件第4章光端機(jī)第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)*第6章模擬光纖通信系統(tǒng)第7章光纖通信新技術(shù)第8章光纖通信網(wǎng)絡(luò)

目錄1·1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1·3光纖通信系統(tǒng)的基本組成第1章概論返回主目錄什么是通信？“通”傳送，“信”信息；信息的傳送基本組成：發(fā)送、傳輸、接收什么是光纖通信？利用激光作為信息的載波信號(hào)，并通過光纖來傳送信息的通信系統(tǒng)。什么是通信？“通”傳送，“信”信息；信息的傳送基本組成：發(fā)送、傳輸、接收什么是光纖通信？利用激光作為信息的載波信號(hào)，并通過光纖來傳送信息的通信系統(tǒng)。光纖通信是人類科學(xué)技術(shù)的重大突破，光纖通信已成為現(xiàn)代信息社會(huì)的神經(jīng)系統(tǒng)光纖----信息社會(huì)的標(biāo)志

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

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的語(yǔ)音、圖像、數(shù)據(jù)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)代通信方式示意圖用戶終端交換設(shè)備接入網(wǎng)電復(fù)接設(shè)備傳輸系統(tǒng)

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)備信息信息光纖通信經(jīng)過30年的技術(shù)發(fā)展目前正在淘汰著其他的有線通信方式

1.1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現(xiàn)代光通信的雛型。調(diào)制器語(yǔ)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CO2激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明：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：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)：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（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(OpticalFiber)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: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20dB/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)明家高錕(左)

1998年在英國(guó)接受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)鹿庠吹陌l(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,1.55um3、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44.7Mb/s，傳輸距離約10km。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)

光纖通信器件的發(fā)展過程雛形：古代烽火、手旗、燈光1880年貝爾的光電話------大氣激光通信激光器(發(fā)送源）光纖(傳輸介質(zhì))1960Maiman發(fā)明紅寶石激光器1962半導(dǎo)體激光器誕生(GaAs870nm)70年代室溫工作LD(GaAsAI850nm)1300、1550nm多模LD單模LD1951醫(yī)用玻璃纖維(損耗1000dB/km)1966高錕理論預(yù)言1970康寧制出低損耗光纖(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低損耗窗口光纖開發(fā)單模光纖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(1966~1976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)(0.85μm)低速率(45或34Mb/s)多模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離約10km。第二階段(1976~1986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)(0.85μm)發(fā)展到長(zhǎng)波長(zhǎng)(1.31μm和1.55μm)，實(shí)現(xiàn)了工作波長(zhǎng)為1.31μm、傳輸速率為140~565Mb/s的單模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離為100~50km。第三階段(1986~1996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)期。在這個(gè)時(shí)期，實(shí)現(xiàn)了1.55μm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)2.5~10Gb/s，無中繼傳輸距離可達(dá)150~100km。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(WavelengthDivisionMultiplexing,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(Corning)公司就研制成功損耗20dB/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。1972年康寧公司高純石英多模光纖損耗4dB/km1973年貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室2.5dB/km1974年貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室1.1dB/km1976年日本電報(bào)電話(NTT)公司0.47dB/km1979年0.20dB/km,1984年0.157dB/km1986年0.154dB/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(NEC)和前蘇聯(lián)先后突破了半導(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，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)體激光器壽命達(dá)到10萬小時(shí)(約11.4年)，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1.3μm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1.55μm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1970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(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44.7Mb/s，傳輸距離約10km。1980年，美國(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44.7Mb/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)5×104km。1976年和1978年，日本先后進(jìn)行了速率為34Mb/s，傳輸距離為64km的突變型多模光纖通信系統(tǒng)，以及速率為100Mb/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)3400km，初期傳輸速率為400Mb/s，后來擴(kuò)容到1.6Gb/s。隨后，由美、日、英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成，全長(zhǎng)6400km；第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成，全長(zhǎng)13200km。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)在全球廣泛應(yīng)用(從提出光纖作為傳輸介質(zhì)的概念,到用廣泛應(yīng)用,20年時(shí)間)高錕------光纖之父

1.1.3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0.85μm發(fā)展到1.31μm和1.55μm，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。光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程光纖通信追求目標(biāo):大容量、長(zhǎng)距離技術(shù)發(fā)展：短波長(zhǎng)-長(zhǎng)波長(zhǎng)、多模光纖-單模光纖、多模激光器-單模激光器通信系統(tǒng)容量：比特率-距離積BL，B比特率，

L中繼距離每秒鐘傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)目。光纖通信技術(shù)的發(fā)展大體上可分為：工作波長(zhǎng)光纖激光器比特率B中繼距離L第一代70年代850nm多模多模10～100Mb/s10Km第二代80年代初1300nm多模單模多模100Mb/s1.7Gb/s20Km50Km第三代80年代中～90年代初1550nm單模單模2.5Gb/s～10Gb/s100Km光纖通信技術(shù)的發(fā)展大體上可分為:（續(xù)）工作波長(zhǎng)光纖激光器比特率B中繼距離L第四代90年代1550nm單模單模2.5Gb/s10Gb/s21000Km（環(huán)路）1500Km光放大系統(tǒng)第五代1550nm單模單模波分復(fù)用WDM單路速率:40,160,640Gb/s信道數(shù):8,16,64,128,1022超長(zhǎng)傳輸距離:27000Km(Loop)6380(Line)目前研究?jī)?nèi)容WDM光網(wǎng)絡(luò)；全光分組交換；光時(shí)分復(fù)用；光孤子通信；新型的光器件光纖通信技術(shù)的三次飛躍(1)20世紀(jì)60年代。1962年第一只半導(dǎo)體激光器誕生，隨后半導(dǎo)體光檢測(cè)器也研究成功。特別是1966年英籍華人科學(xué)家高錕與Hockham提出用玻璃可以制成衰減為20dB/km的通信光導(dǎo)纖維，1970年美國(guó)康寧公司首先制出了20dB/km的光纖，這標(biāo)志著光纖通信系統(tǒng)的實(shí)際研究條件得以具備。20世紀(jì)70年代。1970年發(fā)明了LD的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使得光源與光檢測(cè)器的壽命都達(dá)到了10萬小時(shí)的實(shí)用化水平。1979年發(fā)現(xiàn)了光纖1310nm和1550nm新的低損耗窗口，緊接著單模光纖問世。光纖的衰減系數(shù)一下降到0.5dB/km。這使得光纖通信邁進(jìn)了實(shí)用化階段，從80年代初開始光纖通信便大步地邁向了市場(chǎng)。光纖通信技術(shù)的三次飛躍(2)20世紀(jì)90年代初。1989年摻鉺光纖放大器EDFA的研制成功是光纖通信新一輪突破的開始。EDFA的應(yīng)用不僅解決了光纖傳輸衰減的補(bǔ)償問題，而且為一批光網(wǎng)絡(luò)器件的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。使得光纖通信的數(shù)字傳輸速率迅速提高，促成了波分復(fù)用技術(shù)的實(shí)用化。光纖通信技術(shù)的三次飛躍(3)光纖通信超高速大容量長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)化一根光纖中可同時(shí)傳輸一百多路信號(hào)，采用特殊技術(shù)甚至可以同時(shí)傳輸1022路單路速率不斷提升，已達(dá)到10、20、40Gb/s采用OTDM技術(shù)甚至可達(dá)640Gb/s各種通信技術(shù)的快速發(fā)展使上千甚至上萬公里的長(zhǎng)距離傳輸成為可能全光網(wǎng)成為目前光通信領(lǐng)域最熱門的話題之一EducationTelephoneTravelEntertainmentHealth……AllservicesNetworktrafficisgrowing!!Thewholeworldisinmymind!!DemandforBroadbandwidthOpticalnetworkingShoppingBanking21世紀(jì)的通信業(yè)務(wù)全球通信業(yè)務(wù)需求估計(jì)用戶增加；每個(gè)用戶的業(yè)務(wù)量增加；服務(wù)質(zhì)量的提高；通信容量需求急增光纖通信最具代表性技術(shù)

－波分復(fù)用WDM和光纖放大器EDFA

40G器件關(guān)鍵原材料光纖預(yù)制棒網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備光纖光纜光傳輸/交換設(shè)備光無源器件光有源器件運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)集成商光纖通信的產(chǎn)業(yè)鏈全球光纖通信主要供應(yīng)商ComponentsandModulesinDWDMNetworks

DWDMThinfilmfiltersFibergratingsWaveguidesCirculatorsInterleaversMux/Demux

modulesAmplifiersIsolatorsTapcouplersPumplasersGainequalizersAttenuatorsIntegrated

amplifiersSOAsOpticalSwitchesCirculatorsCouplersAdd/dropmodulesSwitchingTransmissionSourcelasersModulatorsWavelockersReceiversDetectorsTx/RxmodulesOver9000Products表1.1世界成纜光纖市場(chǎng)銷售量

年份19941995199619971998199920002001光纖銷售總長(zhǎng)度/104km18102300290034704070473055806570表1.2世界市場(chǎng)單模光纖平均價(jià)格

年份19941995199619971998199920002001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4110×104km，見表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1.3世界成纜單模光纖市場(chǎng)銷售量年份199819992000200120022003光纖銷售總長(zhǎng)度/104km411046005350623072008110光纖通信整體發(fā)展時(shí)間表1974197619781980198219841986198819901992

100000

1000010001001010.1

0.8μm多模1.3μm單模1.55μm直接檢測(cè)光孤子光放大器1.55μm相干檢測(cè)系統(tǒng)性能(Gb/s?Km）1.1.4光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)1.時(shí)分復(fù)用(TDM)方式向超高速系統(tǒng)發(fā)展2.波分復(fù)用(WDM)方式向密集化方向發(fā)展

3.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5．新型器件和高新技術(shù)在光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用6．全光通信網(wǎng)絡(luò)1.2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)慕嵌龋饬客ㄐ畔到y(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。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1μm)的頻率(約300THz)比微波(波長(zhǎng)為0.1m~1mm)的頻率(3~300GHz)高3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。T=1012微波3GHz300GHz300THz光纖通信圖1.2各種傳輸線路的損耗特性同軸電纜：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)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。理論上一根光纖可通上億門話路或上萬套電視圖1.1部分電磁波頻譜圖1.1是相關(guān)的電磁波頻譜。光纖通信用的近紅外光(波長(zhǎng)為0.7~1.7μm)頻帶寬度約為200THz，在常用的1.31μm和1.55μm兩個(gè)波長(zhǎng)窗口頻帶寬度在20THz以上。(0.7μm~430THz,1.7μm~180THz)由于光源和光纖特性的限制，目前，光強(qiáng)度調(diào)制的帶寬一般只有20GHz，因此還有3個(gè)數(shù)量級(jí)以上的帶寬潛力可以挖掘。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/km1000km內(nèi)中繼器個(gè)數(shù)微波無線電9605020小同軸9604250中同軸180061600光纜19203033光纜14000(1Gb/s)8411光纜6000(445MB/S)1347目前，單波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般為2.5Gb/s和10Gb/s。采用外調(diào)制技術(shù)，傳輸速率可以達(dá)到40Gb/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1.５。表1.5WDM和TDM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/Gb·s-1傳輸距離/km跨距/km研制單位備注WDM20×1720T&TNECTDM1602020200103

106

50140NTTNTT法Telcom單通道環(huán)測(cè)WDM最高水平為132個(gè)信道，傳輸容量為20Gb/s×132=2640Gb/s。

2.損耗很小，中繼距離很長(zhǎng)且誤碼率很小石英光纖在1.31μm和1.55μm波長(zhǎng)，傳輸損耗分別為0.50dB/km和0.20dB/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1.55μm的色散移位單模光纖通信系統(tǒng)，若其傳輸速率為2.5Gb/s，則中繼距離可達(dá)150km；若其傳輸速率為10Gb/s，則中繼距離可達(dá)100km。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、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/(kg·m-1)重量比0.4216.3150.4211126直徑/mm截面積比211475211659.6表1.6鋁/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)A-7飛機(jī)上，用光纖通信代替電纜通信，使飛機(jī)重量減輕27磅(約12.247kg)，相當(dāng)于飛機(jī)制造成本減少27萬美元。圖1-2-1光纖與電話雙絞線對(duì)比圖

4.抗電磁干擾性能好光纖由電絕緣的石英材料制成，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(OpticalFiberOverheadGroundWire,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，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，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，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8km管中同軸電纜，1km需要120kg銅和500kg鋁；而制造8km光纖只需320g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：

①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))。②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。③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。④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)DDN/FRPSTN/ISDNTV業(yè)務(wù)分配節(jié)點(diǎn)(COT)業(yè)務(wù)接入節(jié)點(diǎn)（RT）網(wǎng)管SNMP與電信網(wǎng)管中心相連Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622MSDH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)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flash

圖1.4光纖通信系統(tǒng)的基本組成(單向傳輸)光中繼

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的組成由光發(fā)射機(jī)、光纖光纜、中繼器與光接收機(jī)等基本單元組成。此外還包括一些互連與光信號(hào)處理器件，如光纖連接器、隔離器、調(diào)制器、濾波器、光開關(guān)及路由器、分插復(fù)用器ADM等。光源調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路光發(fā)射機(jī)放大器光電二極管判決器光接收機(jī)光纖光纖中繼器基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個(gè)組成部分1、光發(fā)送機(jī)組成框圖：

光源調(diào)制器通道耦合器電信號(hào)輸入光輸出驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)參數(shù)：發(fā)送功率，dbm概念光源光譜特性：輸出光功率足夠大，調(diào)制頻率足夠高，譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長(zhǎng)穩(wěn)定，器件壽命長(zhǎng)電信號(hào)對(duì)光的調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式

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。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)2.光纖線路

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(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)

組成:光纖、光纖接頭和光纖連接器

低損耗“窗口”：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0.85μm、1.31μm和1.55μm有三個(gè)損耗很小的波長(zhǎng)“窗口”，見后圖。

光源激光器的發(fā)射波長(zhǎng)和光檢測(cè)器光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)，都要和光纖這三個(gè)波長(zhǎng)窗口相一致。目前在實(shí)驗(yàn)室條件下，1.55μm的損耗已達(dá)到0.154dB/km，接近石英光纖損耗的理論極限。0.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰減（dB/km）第一窗口第二窗口波長(zhǎng)——λ（μm）普通單模光纖的衰減隨波長(zhǎng)變化示意圖6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm1.571.62L波段光纖的研究光纖：將光信號(hào)從光發(fā)射機(jī)無失真地傳送到光接收機(jī)。基本特性參數(shù)：損耗（dB/km）：直接影響通信距離。色散（ps/nm.km）：將引起光脈沖信號(hào)展寬和碼間串?dāng)_，影響通信距離和容量。為實(shí)現(xiàn)高速長(zhǎng)距離傳輸，要求光纖具有低損耗和低色散特性。3、光接收機(jī)功能：是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(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)組成部分：耦合器，光電檢測(cè)器，解調(diào)器組成框圖：電子電路光輸入耦合器光電檢測(cè)器解調(diào)器電信號(hào)輸出結(jié)構(gòu)參數(shù)：接收機(jī)靈敏度，定為BER≤10-9條件下，所要求的最小平無接收功率。檢測(cè)方式：直接檢測(cè)和外差檢測(cè)

1.3.3數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(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；

模擬通信系統(tǒng)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)?；鶐Ч饫w電視傳輸系統(tǒng)演示數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：①抗干擾能力強(qiáng)，傳輸質(zhì)量好。②可以用再生中繼，傳輸距離長(zhǎng)。③適用各種業(yè)務(wù)的傳輸，靈活性大。④容易實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的保密通信。⑤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。

模擬通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)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．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）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）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。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。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。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