光纖通信第一章

光纖通信技術(shù)第1章光纖通信概論1.1光纖通信發(fā)展歷程1.2光纖通信的系統(tǒng)構(gòu)成1.3光纖通信的特點(diǎn)1.4光纖通信新技術(shù)通信技術(shù)簡(jiǎn)史

按時(shí)代劃分，通信技術(shù)經(jīng)歷了三大飛躍光纖通信電通信光通信

光通信可以上溯西周時(shí)期建立的烽火臺(tái)作為軍事報(bào)警設(shè)施，下及當(dāng)今指揮城市交通的信號(hào)燈和航海中使用的燈塔。目視光通信

光通信可以上溯西周時(shí)期建立的烽火臺(tái)作為軍事報(bào)警設(shè)施，下及當(dāng)今指揮城市交通的信號(hào)燈和航海中使用的燈塔。

傳輸距離短光通信的缺點(diǎn)傳遞信息量少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”,通話距離達(dá)到213米。貝爾的光電話光電話原理圖光源

透鏡送話器反射鏡震動(dòng)片光敏電池貝爾用弧光燈或者太陽(yáng)光作為光源，光束通過(guò)透鏡聚焦在話筒的震動(dòng)片上。當(dāng)人對(duì)著話筒講話時(shí)，震動(dòng)片隨著話音震動(dòng)而使反射光的強(qiáng)弱隨著話音的強(qiáng)弱作相應(yīng)的變化，從而使話音信息“承載”在光波上（這個(gè)過(guò)程叫調(diào)制）。在接收端，裝有一個(gè)拋物面接收鏡，它把經(jīng)過(guò)大氣傳送過(guò)來(lái)的載有話音信息的光波反射到硅光電池上，硅光電池將光能轉(zhuǎn)換成電流（這個(gè)過(guò)程叫解調(diào)）。電流送到聽(tīng)筒，就可以聽(tīng)到從發(fā)送端送過(guò)來(lái)的聲音了。

接收鏡貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型1、為什么光通信傳輸?shù)木嚯x非常有限，這主要是因?yàn)椋@種傳輸方式里面的傳輸介質(zhì)是“大氣”，損耗大，如果碰上雨、雪甚至霧霾天氣，信號(hào)甚至可能會(huì)中斷。更深層次的原因，我們現(xiàn)代人都已經(jīng)知道了，是因?yàn)楣馐且环N“波”，且波長(zhǎng)很短（0.4—0.7μm），它很容易被大氣中的“塵埃粒子”所阻擋。2、另外，Bell的光電話是利用自然光（光源）作為載波，這種光的頻率和相位雜亂無(wú)章，不能用于大容量的通信。3、能否建立“光通道”如“波導(dǎo)管”式的東西以減少損失（損耗）呢？是否可以找到新型的光源呢？

1960年，美國(guó)人梅曼(T.H.Maiman)發(fā)明了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器。梅曼利用紅寶石晶體做發(fā)光材料，用發(fā)光度很高的脈沖氙燈做激發(fā)光源，獲得了人類有史以來(lái)的第一束激光。1965年，第一臺(tái)可產(chǎn)生大功率激光的器件--二氧化碳激光器誕生。1967年，第一臺(tái)Ｘ射線激光器研制成功。

激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入到了一個(gè)嶄新的階段。激光器大氣通信紅寶石激光器，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(wú)線電波的性質(zhì)，是一種理想的可以攜帶信息的光載波。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(wú)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。

研究人員曾經(jīng)將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)入到地下光波通信的實(shí)驗(yàn)，先后出現(xiàn)過(guò)反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)等地下通信的實(shí)驗(yàn)，但由于造價(jià)太高而出現(xiàn)了夭折，致使光通信發(fā)展一度出現(xiàn)長(zhǎng)期的低迷狀態(tài)。透鏡波導(dǎo)光波通信

受英國(guó)物理學(xué)家JohnTyndall（約翰）在1870年做的”光可以在水流柱里傳輸”的影響，在1920-1950期間,人們發(fā)現(xiàn)在纖細(xì)的、有柔韌性的玻璃中和塑料光纖可以用于導(dǎo)光。

終于在1950年，有人采用“玻璃纖維”傳輸光，但損耗達(dá)到了1000dB/Km，即在1Km的長(zhǎng)度上傳輸，損耗達(dá)到10100倍，這個(gè)數(shù)值顯然是太大了。真正的奇跡是在1966年才出現(xiàn)。光纖通信的誕生與迅速發(fā)展

1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)及其同事霍克哈姆(C.A.Hockham)在其發(fā)表的研究論文中指出，“玻璃纖維”的嚴(yán)重?fù)p耗是由其里面所含雜質(zhì)（如銅、鐵、鉻等金屬離子）太多及石英玻璃拉制工藝的不均勻性產(chǎn)生的。論文《介質(zhì)纖維表面光頻波導(dǎo)》明確提出：1、如果能將光纖中過(guò)渡金屬離子減少到最低限度，并改進(jìn)制造工藝，有可能使光纖損耗降到最低（預(yù)見(jiàn)可減小到20dB/km以下）；2、光纖可以實(shí)現(xiàn)高速通信；3、給出了光纖原始結(jié)構(gòu)。高錕(C.K.Kao)博士上述發(fā)現(xiàn)的重要意義在于：指出了光纖高損耗的真正來(lái)源以及研制通信光纖的正確方向。這一發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了在其后數(shù)年內(nèi)通信光纖制造領(lǐng)域所發(fā)生的質(zhì)的飛躍，以及光纖通信產(chǎn)業(yè)的迅速興起。1970年，光纖研制取得了重大突破美國(guó)康寧玻璃公司1970年首先研制出衰耗20dB/km的光纖。光纖通信正式開(kāi)始！據(jù)說(shuō)康寧公司花費(fèi)3000萬(wàn)美元，得到30米光纖樣品，認(rèn)為非常值得。這一突破，引起整個(gè)通信界的震動(dòng)，世界發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始投入巨大力量研究光纖通信。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(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1dB/km。1976年，日本電報(bào)電話（NTT）公司將光纖損耗降低到0.5dB/Km在以后的10年中，波長(zhǎng)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年開(kāi)始，光纖研制取得了重大突破1.1.2光纖通信發(fā)展趨勢(shì)

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

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)張又帶來(lái)全球性傳送業(yè)務(wù)的大增長(zhǎng)，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，以及其他一些不斷增長(zhǎng)的先進(jìn)業(yè)務(wù)。

視頻娛樂(lè)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(lè)節(jié)目。

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：通過(guò)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：允許幾百萬(wàn)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。

全球網(wǎng)絡(luò)：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)：對(duì)共同感興趣的商務(wù)運(yùn)作的合并過(guò)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)。

政府全球化：發(fā)達(dá)國(guó)家將更多地通過(guò)各種全球合作組織來(lái)協(xié)調(diào)世界經(jīng)濟(jì)、軍事、人道主義和其他活動(dòng)。

小用戶的作用上升：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。

網(wǎng)絡(luò)容量的需求和傳輸速率的提高一直是一對(duì)主要矛盾。在過(guò)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(shì)，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。

2.向超大容量WDM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(zhǎng)適當(dāng)錯(cuò)開(kāi)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。

3.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(wú)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（OADM）和光的交叉連接設(shè)備（OXC）均已在實(shí)驗(yàn)室研制成功，前者已投入商用。

4.新一代的光纖

傳統(tǒng)的G.652單模光纖在適應(yīng)超高速長(zhǎng)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(shì)，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(wú)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(shì)下誕生的。

5.解決全光網(wǎng)瓶頸的手段——光接入網(wǎng)

網(wǎng)絡(luò)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(shuō)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。唯一能夠根本上徹底解決這一瓶頸問(wèn)題的長(zhǎng)遠(yuǎn)技術(shù)手段是光接入網(wǎng)的全面實(shí)現(xiàn)。

6.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(zhǎng)遠(yuǎn)技術(shù)壽命的標(biāo)志。

IP網(wǎng)結(jié)構(gòu)省掉了中間ATM層與SDH層，簡(jiǎn)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(kāi)銷最低，傳輸效率最高；通過(guò)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)；簡(jiǎn)化了網(wǎng)管，又采用了波分復(fù)用技術(shù)，其總成本可望比傳統(tǒng)電路交換網(wǎng)降低一至二個(gè)量級(jí)。

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(lái)的視角看，IPoverOptical將是最具長(zhǎng)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(lái)網(wǎng)絡(luò)特別是骨干網(wǎng)的主導(dǎo)傳送技術(shù)。

7.智能光網(wǎng)絡(luò)新動(dòng)向

隨著IP業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求變得越來(lái)越大。因此，能夠自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)連接的智能光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。

新一代智能光網(wǎng)絡(luò)由DWDM加光交換機(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(jiǎn)單，維護(hù)方便。此外，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

1.2光纖通信的系統(tǒng)構(gòu)成

1977年，0.85μm波段的多模光纖成為第一代光纖通信系統(tǒng)。

1981年使用1.30μm多模光纖的通信系統(tǒng)為第二代光纖通信系統(tǒng)

1984年實(shí)現(xiàn)了1.31μm單模光纖的通信系統(tǒng)，即第三代光纖通信系統(tǒng)

20世紀(jì)90年代初期，又實(shí)現(xiàn)了1.55μm單模光纖通信系統(tǒng)，即第四代光纖通信系統(tǒng)。

用光波分復(fù)用提高速率、光波放大增長(zhǎng)傳輸距離的系統(tǒng)，為第五代光纖通信系統(tǒng)。

1.2.2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。圖1.1光纖通信系統(tǒng)的基本組成

光發(fā)射端機(jī)的功能是將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，然后將光信號(hào)耦合到光纖或光纜中傳輸。

主要由兩部分組成：驅(qū)動(dòng)器和光源。

半導(dǎo)體光源分為兩種：發(fā)光管LED和激光管LD。

半導(dǎo)體激光器發(fā)出的是激光，發(fā)光功率大、譜線寬度窄，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫度特性差。

半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)出的是熒光，發(fā)光功率不大，譜線寬度寬，但電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜。

光纖作為傳輸媒介，作用是將發(fā)射端機(jī)光源發(fā)出的光信號(hào)，經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸后耦合到接收端機(jī)的檢測(cè)器，完成信息傳輸任務(wù)。

光纖通信使用的光纖通常是由石英玻璃制成的，由纖芯和包層組成。光纖屬于光波導(dǎo)，一般雙向通信時(shí)需要兩根光纖，來(lái)去方向各需要一根光纖傳送光信號(hào)。

光纖有許多種分類方式，按傳輸模式分，有多模光纖和單模光纖；按折射率分，有突變光纖和漸變光纖等等。

為了保護(hù)光纖，在光纖拉絲成型的同時(shí)就在裸光纖上加了一層涂覆層，根據(jù)需要還要另加套塑。

光中繼器分為兩大類：一類是光—電—光間接放大光中繼器；另一類是全光中繼器。全光中繼技術(shù)是光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。

含有光中繼器的光纖傳輸系統(tǒng)稱為光纖中繼通信。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。

為保證通信質(zhì)量，必須對(duì)衰減和失真達(dá)到一定程度的光信號(hào)及時(shí)進(jìn)行放大和恢復(fù)，光中繼器的主要作用有兩個(gè)：一是補(bǔ)償光的衰減；二是對(duì)波形失真的脈沖進(jìn)行整形。

光接收端機(jī)主要由光電檢測(cè)器和放大器組成。作用是將光纖或光纜傳輸來(lái)的光信號(hào)經(jīng)光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后將這微弱的電信號(hào)經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送入接收端的電端機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

光纖通信使用的光電檢測(cè)器也是由半導(dǎo)體材料制成的，分為PIN光電二極管和APD光電二極管兩種。以光波長(zhǎng)為例：

光波長(zhǎng)（λ）×光頻（v）=光速（c）當(dāng)λ=1550nm時(shí)，v=c/λ=(3×1014μm/s)/(1.55μm)≈2×1014/s如果使用十五分之一的波段，即0.1μm的波長(zhǎng)寬度，對(duì)應(yīng)的頻帶寬度∣△v∣=∣-c△λ/λ2∣ =（3×1014μm/s×0.1μm）/（1.55μm）2 ≈1.2×1013Hz

1.3光纖通信的特點(diǎn)

1.信息容量巨大

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3×109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3.75×108個(gè)數(shù)字話路。

光纖的出現(xiàn)正好適應(yīng)了數(shù)字通信的這一特點(diǎn)，目前多模光纖的帶寬可以達(dá)到1～3GHz·km，單模光纖的帶寬可以達(dá)到THz量級(jí)，遠(yuǎn)超過(guò)了電纜的最高傳輸帶寬。

2.衰耗極低、傳輸距離長(zhǎng)

光纖的傳輸損耗比長(zhǎng)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1.3μm窗口的衰耗約為0.35dB/km，1.55μm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/