第一章光纖通信技術(shù)

光纖通信技術(shù)1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀1.2光纖通信發(fā)展的優(yōu)點1.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成1.4光纖通信發(fā)展的應(yīng)用

第一章光纖通信的概述1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀通信是通過某種媒體進行的信息傳遞。

通信是人與人或人與自然之間通過某種行為或媒介進行的信息交流與傳遞，從廣義上指需要信息的雙方或多方在不違背各自意愿的情況下無論采用何種方法，使用何種媒質(zhì)，將信息從某方準確安全傳送到另方。

?原始形式的光通信:中國古代用“烽火臺”通信烽火臺又稱烽燧，俗稱烽堠、煙墩、墩臺。古時用于點燃煙火傳遞重要消息的高臺，系古代重要軍事防御設(shè)施，是為防止敵人入侵而建的，遇有敵情發(fā)生，則白天施煙，夜間點火，臺臺相連，傳遞消息。是最古老但行之有效的消息傳遞方式。

1.1.1探索時期的光通信

?旗語

在古代是一種主要的通訊方式，現(xiàn)在是世界各國海軍通用的語言。不同的旗子，不同的旗組表達著不同的意思。

?紅綠燈

紅燈停，綠燈行

不論是烽火臺，還是紅綠燈、旗語，它們都是光通信不同形式，但是它們有一個共同點，就是利用大氣來傳播可見光，由人眼來接收。也正因為如此，我們才會對它們?nèi)绱说氖煜?，可是這些卻不是真正的意義上的光通信，更不是強大的光通信，真正強大的光通信應(yīng)該是光纖通信。光纖通信則是單純地依靠光纖作為媒質(zhì)來傳送信息的通信方式。弧光燈ABMNL送話器光話機原理圖?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”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。貝爾光電話的缺點傳輸媒質(zhì)：大氣的不穩(wěn)定性光源：太陽光的不穩(wěn)定性光檢測器：硅光電池的響應(yīng)問題容量：單路光纖通信的關(guān)鍵問題：1、必須有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì)；2、高可靠、長壽命的光源及高響應(yīng)的光檢測器件；3、光測量及光纖連接技術(shù)；

難題之一:傳輸介質(zhì)

光纖的誕生

理想光傳輸介質(zhì)的尋找透明度很高的石英玻璃絲叫做光學纖維簡稱“光纖”內(nèi)窺鏡

一米衰減損耗很大光的損耗程度用每千米的分貝為單位來衡量的。直到20世紀60年代，每公里1000分貝以上

光纖的誕生

比較復(fù)雜的波導結(jié)構(gòu)放棄用玻璃纖維通信希望渺茫??損耗問題如何解決？

1.1.2現(xiàn)代光纖通信

指明“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”這一發(fā)展方向1966年7月，高錕就光纖傳輸?shù)那熬鞍l(fā)表了具有重大歷史意義的論文，論文分析了玻璃纖維損耗大的主要原因。大膽地預(yù)言，只要能設(shè)法降低玻璃纖維的雜質(zhì)，就有可能使光纖的損耗從每公里1000分貝降低到20分貝／公里，從而有可能用于通信。光纖通信發(fā)明家高錕(左)

1998年在英國接受IEE（國際電氣工程師學會）授予的獎?wù)芦@得2009諾貝爾物理學獎“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學通信方面”取得了突破性成就

世界上第一根低損耗的石英光纖

?1970年，美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段。

標志著光纖用于通信有了現(xiàn)實的可能性光透過玻璃功率損耗一半（相當于3分貝）的長度：普通玻璃幾厘米高級光學玻璃幾米光纖（20dB/Km）150米難題之二:光源?1970年貝爾研究所的林嚴雄等人研制出能夠在室溫下連續(xù)工作的半導體激光器（壽命短）里程碑?

1977年貝爾研究所和日本的電報電話公司幾乎同時研制出壽命達100萬小時的半導體激光器，從而有了真正實用的激光器。?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(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進入一個嶄新的階段。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。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回憶一下——相關(guān)知識

1．

光波波譜光波是電磁波，光波范圍包括紅外線、可見光、紫外線，其波長范圍為：300μm～6×10?3μm?？梢姽庥杉t、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色的連續(xù)光波組成，其中紅光的波長最長，紫光的波長最短。波長再短就是X射線、γ射線。電磁波波譜圖如圖1.1所示。圖1.1電磁波波譜圖

2．光纖通信的光波波譜

光纖通信的波譜在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之間，即波長在0.8μm～1.8μm之間，屬于紅外波段，將0.8μm～0.9μm稱為短波長，1.0μm～1.8μm稱為長波長，2.0μm以上稱為超長波長。各種單位的換算公式如表1-1所示。

表1-1 各種單位的換算公式c＝3×108m/s1MHz（兆赫）＝106Hzλ＝c/f1GHz（吉赫）＝109Hz1μm（微米）＝10?6m1THz（太赫）＝1012Hz1nm（納米）＝10?9m1PHz（拍赫）＝1015Hz1?（埃）＝10?10m

雖然光波和電波都是電磁波，但是頻率差別很大。通信容量和載波頻率成正比，通過提高載波頻率可以擴大通信容量，光波的頻率要比無線通信頻率高很多，因此通信容量也要增大很多0.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰減（dB/km）第一窗口第二窗口波長——λ（μm）普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm

1.571.62L波段

1.2

光纖通信的優(yōu)點

?容許頻帶很寬，傳輸容量很大

?損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小

?重量輕、體積小

?抗電磁干擾性能好

?泄漏小，保密性能好

?節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用

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管的損耗低得多，因此，相對于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨特的優(yōu)點。

1.容許頻帶很寬，傳輸容量很大目前，單波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般為2.5Gb/s和10Gb/s。波分復(fù)用和光時分復(fù)用極大地增加了傳輸容量。DWDM最高水平為132個信道，傳輸容量為20Gb/s×132=2640Gb/s。

Gb/S：數(shù)據(jù)傳輸速率1GB=1024KB1KB=1024B波分復(fù)用(WND)：是將兩種或多種不同波長的光載波信號（攜帶各種信息）在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器(亦稱合波器，Multiplexer)匯合在一起，并耦合到光線路的同一根光纖中進行傳輸?shù)募夹g(shù)；在接收端，經(jīng)解復(fù)用器(亦稱分波器或稱去復(fù)用器，Demultiplexer)將各種波長的光載波分離，然后由光接收機作進一步處理以恢復(fù)原信號。這種在同一根光纖中同時傳輸兩個或眾多不同波長光信號的技術(shù)，稱為波分復(fù)用。2.損耗小，中繼距離長中繼站，將衰減了的信號進行放大，然后接著往下傳。石英光纖在1.31μm和1.55μm波長，傳輸損耗分別為0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。因此，中繼距離長。

3.重量輕、體積小、便于施工和維修光纖重量很輕，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。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?，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。

6.原材料來源豐富，潛在價格低廉制造同軸電纜和波導管的銅、鋁、鉛等為金屬材料；而制造光纖的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不盡的材料?？傊?，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)揮越來越重要的作用。

缺點:光纖質(zhì)地脆、彎曲半徑不易過小、機械強度低，需要比較好的切割及連接技術(shù)、分路、耦合比較麻煩等1.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成

下圖示出單向傳輸?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)。

光纖通信系統(tǒng)的三要素：光發(fā)射端機光接收端機光纖基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分1、光發(fā)送機組成框圖：光源調(diào)制器通道耦合器電信號輸入光輸出驅(qū)動電路光源光譜特性：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，輸出功率和波長穩(wěn)定，器件壽命長。半導體發(fā)光二極管（LED）半導體激光二極管（或稱激光器）（LD）分布反饋激光器（DFB）電信號對光的調(diào)制的實現(xiàn)方式

直接調(diào)制用電信號直接調(diào)制半導體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動電流，使輸出光隨電信號變化而實現(xiàn)的。這種方案技術(shù)簡單，成本較低，容易實現(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，用獨立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實現(xiàn)的。外調(diào)制的優(yōu)點是調(diào)制速率高，缺點是技術(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)射機的光信號，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C

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，其損耗隨波長的增加而減小，在0.85μm、1.31μm和1.55μm有三個損耗很小的波長“窗口”。

光源激光器的發(fā)射波長和光檢測器光電二極管的波長響應(yīng)，都要和光纖這三個波長窗口相一致。目前在實驗室條件下，1.55μm的損耗已達到0.154dB/km，接近石英光纖損耗的理論極限。3、光接收機功能：（O/E轉(zhuǎn)換）是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號組成部分：耦合器，光電檢測器，解調(diào)器組成框圖：電子電路光輸入耦合器光電檢測器解調(diào)器電信號輸出檢測方式：直接檢測和外差檢測

1.4光纖通信的應(yīng)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