光纖通信技術-第一章-緒論

1.1光纖通信概述1.2光纖通信系統(tǒng)主要特點1.3光纖通信系統(tǒng)的簡介1.4光纖通信技術發(fā)展展望第1章緒論1.1光纖通信概述光纖通信的基本概念光纖通信是指利用相干性和方向性極好的激光作為載波（也稱光載波）來攜帶信息，并利用光導纖維（光纖）來進行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。光纖通信使用的波段光纖通信常用的波長范圍為近紅外區(qū),即從0.85-1.6，其頻率范圍約為hz數(shù)量級，其比常用的微波頻率高

倍，所以其通信容量也較常用的微波通信原則上高

。光纖通信的故事烽火傳信古希臘的火炬墻貝爾光電話系統(tǒng)大氣光通信地下光通信光纖的雛形高錕和現(xiàn)代光纖通信原始形式的光通信:中國古代用“烽火臺”報警，歐洲人用旗語傳送信息。

烽火傳信古希臘的火炬墻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”他以日光為光源，大氣為傳輸媒介，傳輸距離是200米。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。貝爾光電話系統(tǒng)激光器的發(fā)明和應用，光通信進入一個嶄新的階段，它具有亮度高、譜線窄、方向性好但由于大氣通信受氣象條件的影響，通信不穩(wěn)定頻率為100太赫茲的紅寶石激光器[美國梅曼(Maiman)，1960]大氣光通信

大氣光通信受阻，人們將研究的重點轉入到地下光波通信的實驗，先后出現(xiàn)過反射波導和透鏡波導等地下通信的實驗。但反射波導和透鏡波導造價昂貴，調整、維護困難。地下光通信沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質對光通信的研究走入了低潮在這個時期，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。由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質，對光通信的研究曾一度走入了低潮1870年，英國物理學家丁達爾發(fā)現(xiàn)太陽光隨著水流發(fā)生彎曲

n水

>n空氣，光發(fā)生全反射光纖的雛形1953年，英國倫敦學院卡帕尼博士首次將丁達爾的觀察用于實際，發(fā)明了用極細的玻璃制作的光導纖維：芯層+包層。芯層的折射率大于包層，光在其中做全反射。

1960年左右，最好的光纖損耗也在1000分貝/公里(dB/km)。由于，損耗很大，它最初被用于醫(yī)療，如內窺鏡。

由于人們無法解決光向四面八方散射時，光強減弱和不能通過障礙物的問題，（也就是沒有找到合適的載體和光源）因此，直到上世紀六十年代初，光通信都沒有什么重大的進展。它僅僅作為一種信號燈使用，如:馬路上的紅綠燈、機場上的跑道標志燈和航標燈等等。

而此時電通信卻迅速發(fā)展起來，人類進入了電通信時代。1966年，英籍華裔學者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關于傳輸介質新概念的論文，指出了利用光纖(OpticalFiber)進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎。高昆與現(xiàn)代光纖通信高昆和他的同事在英國標準電信研究所對光在石英玻璃纖維中的嚴重損耗問題進行了深入研究，指出光纖產生損耗的原因：1)玻璃纖維中含有過量的鉻、銅、鐵與錳等金屬離子和其他雜質；2)拉制光纖工藝造成芯、包層分界面不均勻及其所引起的折射率不均勻新的發(fā)現(xiàn)：一些玻璃纖維在紅外光區(qū)的損耗較小，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。光纖發(fā)明人高錕CharlesK.Kao論文：《光頻介質纖維表面波導》1966（Dielectric-FiberSufaceWaveguideforOpticalFrequency)提出：制造石英光纖可實現(xiàn)光纖通信指出三點：光纖的容量很大高純石英光纖的損失可低達20dB/km

單模光纖的原理構造高錕——光纖之父光纖通信發(fā)明家高錕(左)

1998年在英國接受IEE授予的獎章2009年諾貝爾物理學獎獲得者英國華裔科學家高錕，美國科學家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯。瑞典皇家科學院說，高錕在“有關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，他將獲得今年物理學獎一半的獎金，共500萬瑞典克朗（約合70萬美元）；博伊爾和史密斯發(fā)明了半導體成像器件——電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器，將分享今年物理學獎另一半獎金光在光纖中的傳播芯包層樹脂被覆層光纖的形狀全波光纖光纖研制的重大突破

?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。

?1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km。

?1973年，美國貝爾(Bell)實驗室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。

?1976年，日本電報電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2μm)。

?在以后的10年中，波長為1.55μm的光纖損耗：

1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。1970年康寧研制出低損失光纖Corning的3位科學家Dr.DonalKeck,Dr.BobMaurer,Dr.PeterSchultz于1970年研制出低損失光纖.

光纖長度(米)29, 28.1損失(dB/km)17,18.2

芯直徑(微米) 3.7(單模)(Dr.Keck的實驗室記錄)光纖通信用光源的實質性進展

?1970年，美國貝爾實驗室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質結半導體激光器(短波長)。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導體激光器的發(fā)展奠定了基礎。

?1973年，半導體激光器壽命達到7000小時。

?1976年，日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。

?1977年，貝爾實驗室研制的半導體激光器壽命達到10萬小時。

?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1.55μm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進步，使1970年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑實用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展

?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。

?1980年，美國標準化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應用。

?1976年和1978年，日本先后進行了速率為34Mb/s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。

?1983年敷設了縱貫日本南北的光纜長途干線。

?

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。

?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。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設得到了全面展開，促進了全球通信網的發(fā)展。光纖通信的發(fā)展歷程自光纖問世以來,光纖通信的發(fā)展主要經歷了四個發(fā)展時期:

第一個時期是1970年代的初期發(fā)展階段,主要解決了光纖的低損耗,光源和光接收器等光器件,小容量的光纖通信系統(tǒng)的商用化。到1976年,日本電話電報公司使光纖損耗下降到0.5dB/km。1979年,日本電報電話公司研制出損耗0.2dB/km的光纖。目前,通信光纖最低損耗0.17dB/km。第二個時期是1980年代的準同步數(shù)字系列(PDH)設備的突破和商用化。這個時期光纖開始代替電纜,數(shù)字傳輸制取代模擬傳輸制,由于PDH系統(tǒng)是點對點系統(tǒng),沒有國際統(tǒng)一的光接口規(guī)范、上下電路不方便、成本高、幀結構中沒有足夠的管理比特,無法進行網絡的運行、管理與維護等缺點,中期出現(xiàn)了同步數(shù)字系列(SDH)。第三個時期是1990年代的通信標準的建立和同步數(shù)字系列(SDH)設備的研制成功及其大量商用化。 1984年初,美國貝爾通信研究所首先開始了同步信號光傳輸體系的研究.

1986年國際電報電話咨詢委員會(CCITT)開始審議SONET標準,隨后建議增加2Mbit/s和34Mbit/s支60在設備功能、光接口、組網方式和網絡管理等方面逐步地予以規(guī)范,到目前為止已形成了一個完整的全球統(tǒng)一的光纖數(shù)字通信標準。第四個時期是21世紀以來,波分復用(WDM)通信系統(tǒng)設備的突破和大量商用化。

-光波分復用是多個信源的電信號調制各自的光載波,經復用后在一根光纖上傳輸,使一根光纖起到多根光纖的作用,通信容量成數(shù)十倍、百倍地提高。

-隨著網絡業(yè)務向動態(tài)的IP業(yè)務的繼續(xù)匯聚,一個靈活、動態(tài)的光網絡是不可或缺的,最新發(fā)展趨勢是自動交換光網絡(ASON),使光聯(lián)網從靜態(tài)光聯(lián)網走向動態(tài)交換光網絡。1.2光纖通信的優(yōu)勢和特點

在光纖通信系統(tǒng)中，光波作為載波，光纖作為傳送媒介。由于光波頻率比電波頻率高得多，光纖又比同軸電纜損耗低得多，因此相對于用電磁波作為載波的電通信系統(tǒng)，光纖通信具有許多獨特的優(yōu)點。1.頻帶寬、傳輸容量大2.損耗小、中繼距離長電通信中繼站多：傳輸線路的成本高、維護不方便、運行不可靠。石英光纖在1.55μm波長區(qū)的損耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信線路的損耗都低得多。3.重量輕、體積小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。所以無金屬加強筋光纜非常適合于存在強電磁場干擾的高壓電力線路周圍、油田、煤礦和化工等易燃易爆環(huán)境中使用。

5.泄漏小、保密性好在光纖中傳輸?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，對軍事、政治和經濟都有重要的意義。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管的金屬材料，在地球上的儲量是有限的；而制造光纖的石英（SiO2）在地球上是取之不盡的缺點

光纖通信有許多優(yōu)點，因而發(fā)展很快，但光纖通信也有以下缺點。1.容易折斷(比如經常被挖斷)2.光纖連接困難(斷面是否垂直、焊接點是否有氣泡等)3.光纖通信過程中怕水、怕冰(OH-根吸收增大損耗)4.光纖怕彎曲(導致?lián)p耗增加)案例：新疆某地區(qū)大雪導致光纖故障(2006年10月報道)原因：光纜沒有防護好被冰雪包裹，并由于冰雪壓力和熱脹冷縮導致光纖彎曲1.3光纖通信系統(tǒng)的簡介目前實用的光纖通信系統(tǒng)，較多采用的是數(shù)字編碼、強度調制－直接檢測的通信系統(tǒng)（IM－DD系統(tǒng)），這種系統(tǒng)的框圖如圖所示。圖1.2光纖通信系統(tǒng)的構成光發(fā)送機的作用是把輸入的電信號轉換成光信號，并將光信號最大限度地注入光纖線路。光發(fā)送機由光源、驅動器和調制器組成。光發(fā)送機的核心是光源，對光源的要求是輸出功率足夠大，調制速率高，光譜線寬度和光束發(fā)散角小，輸出光功率和光波長要穩(wěn)定，器件壽命長。目前，最廣泛使用的光源有半導體激光器（或稱激光二極管，LD）和半導體發(fā)光二極管（LED）。光發(fā)送機光纖線路是光信號的傳輸媒質，可把來自發(fā)送機的光信號以盡可能小的衰減和脈沖展寬傳送到接收機。對光纖的要求是其基本傳輸參數(shù)衰減和色散要盡可能小，并要有一定的機械特性和環(huán)境特性。工程中使用的是由許多根光纖絞合在一起組成的光纜。整個光纖線路由光纖、光纖接頭和光纖連接器等組成。目前使用的光纖均為石英光纖。石英光纖的損耗－波長特性中有三個低損耗的波長區(qū)，即波長分別為850nm、1310nm、1550nm的三個低損耗區(qū)。光纖線路光接收機的功能是把由發(fā)送機發(fā)送的、經光纖線路傳輸后輸出的已產生畸變和衰減的微弱光信號轉換為電信號，并經放大、再生恢復為原來的電信號。光接收機由光檢測器、放大器和相關電路組成。對光檢測器的要求是響應度高、噪聲低、響應速度快。目前廣泛使用的光檢測器有光電二極管（PIN）和雪崩光電二極管（APD）。光接收機按系統(tǒng)傳輸?shù)男盘柗职凑展饫w通信系統(tǒng)中所傳信號的形式可將光纖通信系統(tǒng)分為模擬光纖通信系統(tǒng)和數(shù)字光纖通信系統(tǒng)兩類。按光纖通信系統(tǒng)所用光纖分光纖通信系統(tǒng)的主要傳輸介質為光纖，而目前在市場上主要有單模光纖和多模光纖兩種，所以按所用光纖可將光纖通信系統(tǒng)分為單模光纖系統(tǒng)和多模光纖系統(tǒng)兩類。按光源的調制方式分通常光纖通信系統(tǒng)將待傳送的電信號調制到光源器件（激光器或發(fā)光管）上變?yōu)楣庑盘栐诠饫w中傳送，按照信號對光源的調制方式，我們換可以將光纖通信系統(tǒng)分為直接調制光通信系統(tǒng)和間接調制光通信系統(tǒng)。1.4光纖通信系統(tǒng)的分類按拓撲結構分光纖通信系統(tǒng)用來連接一些節(jié)點，這些節(jié)點通?？赡苁墙粨Q機、終端、計算機、工作站等。光纖通信系統(tǒng)可分為三類：點對點系統(tǒng)、一點對多點系統(tǒng)以及網絡。

圖1.3光纖通信系統(tǒng)拓撲結構按網絡服務范圍分傳統(tǒng)上，以網絡的服務范圍把網絡分為三類:(1)局域網，服務范圍2km，如以太網，信令環(huán)和信令總線;(2)城域網，服務范圍100km，如電話本地交換網或者有線電視)分配系統(tǒng);(3)廣域網絡，服務范圍可達數(shù)千公里，如開放系統(tǒng)互連國際網絡等。

1.5光纖通信系統(tǒng)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、廣播電視網與計算機網，以及在其它數(shù)據傳輸系統(tǒng)中，都得到了廣泛應用。通信網構成因特網的計算機局域網和廣域網有線電視網的干線和分配網；工業(yè)電視系統(tǒng)綜合業(yè)務光纖接入網通信網公用電信網：核心網、城域網光纖接入網海底光纜及洲際通信網無線通信網光纖通信的典型應用PassiveOpticalNetwork無源光網絡OLTONUOpticalLineTerminal光線路終端OpticalNetworkUnit光網絡單元PassiveOpticalSplitter

無源分光器PSTNInternetCATVONUONUPON是一種點到多點（P2MP）結構的無源光網絡；

PON由光線路終端OLT（OpticalLineTerminal）、光網絡單元ONU（OpticalNetworkUnit）和無源分光器POS（PassiveOpticalSplitter）組成；PassiveOpticalSplitter

無源分光器三網融合

ATMInternet骨干網DDN/FRPSTN/ISDNTV業(yè)務分配節(jié)點(COT)業(yè)務接入節(jié)點（RT）網管SNMP與電信網管中心相連Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622MSDH寬帶綜合業(yè)務光纖接入系統(tǒng)電力、煤炭系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和管理電力系統(tǒng)：光纖可以放在輸電線、地線的中心，不受干擾。尤其在觀測雷擊的時候能起到電設備不可替代的作用。煤炭系統(tǒng)：電監(jiān)控系統(tǒng)信號均為電信號，在含瓦斯高的礦井中容易引起爆炸。因此，如果考慮安全因素，電信號功率不能太大，這又導致傳輸距離受限。而如果采用光纖系統(tǒng)，很多設備可以無源化，即保證了安全，又能實現(xiàn)遠距離監(jiān)控。能源系統(tǒng)其他工業(yè)應用鐵路、地鐵和高速公路通信及監(jiān)控網絡系統(tǒng)交通系統(tǒng)光纖通信的典型應用例如在鐵路通信網特點：1.

節(jié)點多，分支、插入話路頻繁2.

通信量大小不一，需求不同(傳輸電話、數(shù)據、圖像)3.

要求有強抗電磁干擾能力除了光纖通信，沒有哪一種通信方式能滿足這些要求

光纖制導武器：光纖制導導彈、光纖制導魚雷需要獲得實時的目標圖像同時要求控制線輕巧水下通信系統(tǒng)是掃雷艦與浮游載體之間的數(shù)據傳輸線路。

軍事光纖通信的典型應用

利用傳像束的內窺鏡激光手術刀醫(yī)療器械激光手術中，有時需要手術的部位在人體腔道內，這就要求激光能拐彎。目前大多數(shù)醫(yī)療激光可以通過石英光纖來實現(xiàn)拐彎，因此激光手術刀又叫光纖手術刀。光纖通信的典型應用機載電子光纖通信的典型應用1.光纖通信在我國的發(fā)展現(xiàn)狀我國的光纖通信技術在發(fā)展的過程中經歷很多的波折和困難，但是隨著科學的不斷進步和發(fā)展，我國的光纖通信已經掌握了光纖、系統(tǒng)以及器件等等各個方面的重要技術。光纖通信技術的應用和創(chuàng)新在國際上也是比較先進的國家。到目前為止，我國的光纖通信的應用范圍也越來越廣，不僅涉及到海底通信、長途干線以及局域網等等，而且在國際上應用也是非常廣泛的。1.6光纖通信技術發(fā)展現(xiàn)狀及展望單模和多模光纖

隨著我國通信技術和通信設備的不斷發(fā)展，對長距離的網絡信號的傳輸運用的需求量越來越多，當前我國所采用的光纖通信主要是單模和多模光纖，多模光纖的價格比較低，傳輸?shù)木嚯x相對較短，主要應用于中短距離的傳輸信號的場合，單模光纖主要應用于長距離的傳輸，并且適合在多個不同的地域應用。光纖接入技術的應用

光纖接入技術的應用不僅可以實現(xiàn)信息的傳輸?shù)母咚倩?，而且滿足人們的需求。光纖接入技術是高速信息接入用戶中的關鍵措施，在光纖接入技術中，由于光纖到達的地理位置不同有不同的應用，比如FTTC、FTTH、FTTB等就是根據用戶的程度進行定義的。其中FTTH是光纖接入技術中最后一種方式，他可以給用戶提供全光的接入技術。所以可以充分利用寬帶的特性，給用戶提供不受任何限制的寬帶。這種技術的應用主要是從2003年投入使用的，目前已經在全國的30多個城市內建立實驗網。光波復用技術的應用

光纖通信的復用技術的應用已經從電時分系統(tǒng)（ETDM）的應用發(fā)展到光時分復用（OTDM）系統(tǒng)、光波分復用系統(tǒng)（WDM），光碼分復用系統(tǒng)（OCDM）以及光頻分復用系統(tǒng)（OFDM）等等方向發(fā)展應用。

光纖通信技術的發(fā)展已歷經40余年，其技術和應用已經得到飛速的發(fā)展，可以這樣說在現(xiàn)今的信息應用領域，光纖通信技術的應用無處不在。但是隨著科學技術的不斷發(fā)展和社會的不斷進步，光纖通信技術依然有很大的發(fā)展前景和發(fā)展空間。下面我們就光纖技術、光器件技術、光纖傳輸技術、光網絡技術及相關光纖通信新技術等對光纖通信技術的發(fā)展趨勢作一展望。2.光纖通信技術未來發(fā)展趨勢光纖技術的發(fā)展

當前光纖通信技術主要采用石英作為原材料進行制造的光纖，但是石英光纖的發(fā)展以及達到0.2db/Km，已經接近理論的數(shù)值，石英光纖不可能再達到0.1db/Km以下，所以，人們正在進行探索采用重金屬氧化物、氟化物以及鹵化物玻璃纖維不僅可以達到0.7db/Km,而且可以將之減少到0.02db/Km，這些光纖原材料可以將光纖技術向超長波進行轉換。從而可以使一次傳輸距離不僅達到上萬米，而且可以達到更長的傳輸距離。另外人們也在研究其他一些特殊用途光纖。光器件技術

光通信的核心技術在于光器件和光電器件技術,許多系統(tǒng)技術的實現(xiàn)是建立在器件技術進步的基礎上的。光器件和光電器件技術