光纖通信第一章

光纖通信技術第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1.4光纖通信新技術通信技術簡史

按時代劃分，通信技術經(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期建立的烽火臺作為軍事報警設施，下及當今指揮城市交通的信號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期建立的烽火臺作為軍事報警設施，下及當今指揮城市交通的信號燈和航海中使用的燈塔。

傳輸距離短光通信的缺點傳遞信息量少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”,通話距離達到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片光敏電池貝爾用弧光燈或者太陽光作為光源，光束通過透鏡聚焦在話筒的震動片上。當人對著話筒講話時，震動片隨著話音震動而使反射光的強弱隨著話音的強弱作相應的變化，從而使話音信息“承載”在光波上（這個過程叫調(diào)制）。在接收端，裝有一個拋物面接收鏡，它把經(jīng)過大氣傳送過來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（這個過程叫解調(diào)）。電流送到聽筒，就可以聽到從發(fā)送端送過來的聲音了。

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，這主要是因為，這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，信號甚至可能會中斷。更深層次的原因，我們現(xiàn)代人都已經(jīng)知道了，是因為光是一種“波”，且波長很短（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章，不能用于大容量的通信。3、能否建立“光通道”如“波導管”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，美國人梅曼(T.H.Maiman)發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器。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的第一束激光。1965年，第一臺可產(chǎn)生大功率激光的器件--二氧化碳激光器誕生。1967年，第一臺Ｘ射線激光器研制成功。

激光器的發(fā)明和應用，使沉睡了80年的光通信進入到了一個嶄新的階段。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，同時也具有通常無線電波的性質(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常的氣候條件的影響，光波能量損失嚴重，因此光波在大氣層中的傳輸并不順利。

研究人員曾經(jīng)將研究的重點轉(zhuǎn)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，但由于造價太高而出現(xiàn)了夭折，致使光通信發(fā)展一度出現(xiàn)長期的低迷狀態(tài)。透鏡波導光波通信

受英國物理學家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)在纖細的、有柔韌性的玻璃中和塑料光纖可以用于導光。

終于在1950年，有人采用“玻璃纖維”傳輸光，但損耗達到了1000dB/Km，即在1Km的長度上傳輸，損耗達到10100倍，這個數(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”的嚴重損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》明確提出：1、如果能將光纖中過渡金屬離子減少到最低限度，并改進制造工藝，有可能使光纖損耗降到最低（預見可減小到20dB/km以下）；2、光纖可以實現(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源以及研制通信光纖的正確方向。這一發(fā)現(xiàn)直接導致了在其后數(shù)年內(nèi)通信光纖制造領域所發(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。光纖通信正式開始！據(jù)說康寧公司花費3000萬美元，得到30米光纖樣品，認為非常值得。這一突破，引起整個通信界的震動，世界發(fā)達國家開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，美國貝爾(Bell)實驗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年開始，光纖研制取得了重大突破1.1.2光纖通信發(fā)展趨勢

1.寬帶通信業(yè)務需求激增、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)絡飛速發(fā)展的有力基礎。網(wǎng)絡的擴張又帶來全球性傳送業(yè)務的大增長，這些業(yè)務需求包括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的先進業(yè)務。

視頻娛樂節(jié)目：采用速率高達幾十兆比特的數(shù)字電視，提供同實物一樣大的高分辨率、3D、真彩色視頻娛樂節(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。

視頻會議：通過Internet提供桌面或膝上機的一對一型或組對組型會議電視系統(tǒng)。

大量的、即時的、連續(xù)的全球數(shù)據(jù)傳送：允許幾百萬大小公司以及部門內(nèi)部的各個相互連接的高瑞工作站之間進行數(shù)據(jù)通信。

全球網(wǎng)絡：實現(xiàn)在任何地方、任意時間、對任何人的通信（話音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻）將變得可行。

全球業(yè)務：對共同感興趣的商務運作的合并過程將繼續(xù)下去。依賴于通信的主要業(yè)務有遍布全球的生產(chǎn)、研發(fā)、管理和客戶服務。

政府全球化：發(fā)達國家將更多地通過各種全球合作組織來協(xié)調(diào)世界經(jīng)濟、軍事、人道主義和其他活動。

小用戶的作用上升：數(shù)以億計的全球居民用戶現(xiàn)在正擁有自己的光纖連接。

網(wǎng)絡容量的需求和傳輸速率的提高一直是一對主要矛盾。在過去幾年中，光纖技術領域取得了大量突破性進展，其中包括10Gb/s網(wǎng)絡的全面構(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)絡成功演示進一步突出了速率更高、容量更大的網(wǎng)絡優(yōu)勢，為各種各樣的新業(yè)務，特別是寬帶業(yè)務和多媒體提供了實現(xiàn)的可能。

2.向超大容量WDM系統(tǒng)的演進

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。如果將多個發(fā)送波長適當錯開的光源信號同時在一根光纖上傳送，則可大大增加光纖的信息傳輸容量，這就是波分復用（WDM）的基本思路。

3.實現(xiàn)光聯(lián)網(wǎng)

波分復用系統(tǒng)技術盡管具有巨大的傳輸容量，但基本上是以點到點通信為基礎的系統(tǒng)，其靈活性和可靠性還不夠理想。如果在光路上也能實現(xiàn)類似SDH在電路上的分插功能和交叉連接功能的話，無疑將增加新的威力。

根據(jù)這一基本思路，光的分插復用器（OADM）和光的交叉連接設備（OXC）均已在實驗室研制成功，前者已投入商用。

4.新一代的光纖

傳統(tǒng)的G.652單模光纖在適應超高速長距離傳送網(wǎng)絡的發(fā)展需要方面已暴露出力不從心的態(tài)勢，為了適應干線網(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，因而若能設法消除這一水峰，則光纖的可用頻譜可望大大擴展。全波光纖就是在這種形勢下誕生的。

5.解決全光網(wǎng)瓶頸的手段——光接入網(wǎng)

網(wǎng)絡將成為全數(shù)字化的、軟件主宰和控制的、高度集成和智能化的網(wǎng)絡。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)還有相當比例。兩者在技術上的巨大反差說明接入網(wǎng)已確實成為制約全光網(wǎng)進一步發(fā)展的瓶頸。唯一能夠根本上徹底解決這一瓶頸問題的長遠技術手段是光接入網(wǎng)的全面實現(xiàn)。

6.IPoverOptical

以IP業(yè)務為主的數(shù)據(jù)業(yè)務是當前世界信息業(yè)發(fā)展的主要推動力，因而，能否有效地支持IP業(yè)務已成為新技術能否有長遠技術壽命的標志。

IP網(wǎng)結(jié)構(gòu)省掉了中間ATM層與SDH層，簡化了層次，減少了網(wǎng)絡設備；減少了功能重疊，減輕了網(wǎng)管復雜性，特別是網(wǎng)絡配置的復雜性；額外的開銷最低，傳輸效率最高；通過業(yè)務量工程設計，可以與IP的不對稱業(yè)務量特性相匹配；還可利用光纖環(huán)路的保護光纖吸收突發(fā)業(yè)務，盡量避免緩存，減少延時；簡化了網(wǎng)管，又采用了波分復用技術，其總成本可望比傳統(tǒng)電路交換網(wǎng)降低一至二個量級。

三種IP傳送技術都將在電信網(wǎng)發(fā)展的不同時期和網(wǎng)絡的不同部分發(fā)揮自己應有的歷史作用。但從面向未來的視角看，IPoverOptical將是最具長遠生命力的技術。特別是隨著IP業(yè)務逐漸成為網(wǎng)絡的主導業(yè)務后，這種對IP業(yè)務最理想的傳送技術將會成為未來網(wǎng)絡特別是骨干網(wǎng)的主導傳送技術。

7.智能光網(wǎng)絡新動向

隨著IP業(yè)務的快速增長，對網(wǎng)絡帶寬的需求變得越來越大。因此，能夠自動完成網(wǎng)絡連接的智能光網(wǎng)絡應運而生。

新一代智能光網(wǎng)絡由DWDM加光交換機組成，它的核心層設備是光交換機，一個設備便可以綜合完成以前幾個設備的功能，組網(wǎng)簡單，維護方便。此外，智能光網(wǎng)絡的特點是交換粒度小，并具有疏導功能

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

用光波分復用提高速率、光波放大增長傳輸距離的系統(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、光纖或光纜、光中繼器和光接收端機四部分組成。圖1.1光纖通信系統(tǒng)的基本組成

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

主要由兩部分組成：驅(qū)動器和光源。

半導體光源分為兩種：發(fā)光管LED和激光管LD。

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

半導體發(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)簡單、壽命長、價格便宜。

光纖作為傳輸媒介，作用是將發(fā)射端機光源發(fā)出的光信號，經(jīng)遠距離傳輸后耦合到接收端機的檢測器，完成信息傳輸任務。

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，一般雙向通信時需要兩根光纖，來去方向各需要一根光纖傳送光信號。

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。

為了保護光纖，在光纖拉絲成型的同時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產(chǎn)生能量衰減和波形失真。

為保證通信質(zhì)量，必須對衰減和失真達到一定程度的光信號及時進行放大和恢復，光中繼器的主要作用有兩個：一是補償光的衰減；二是對波形失真的脈沖進行整形。

光接收端機主要由光電檢測器和放大器組成。作用是將光纖或光纜傳輸來的光信號經(jīng)光電檢測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后將這微弱的電信號經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送入接收端的電端機進行進一步的處理。

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

光波長（λ）×光頻（v）=光速（c）當λ=1550nm時，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的波長寬度，對應的頻帶寬度∣△v∣=∣-c△λ/λ2∣ =（3×1014μm/s×0.1μm）/（1.55μm）2 ≈1.2×1013Hz

1.3光纖通信的特點

1.信息容量巨大

若按4kHz一個模擬音頻話路所需要的帶寬計算，則可以傳輸3×109個模擬話路；若按32kHz一個數(shù)字音頻話路所需要的帶寬計算，則可以傳輸3.75×108個數(shù)字話路。

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

2.衰耗極低、傳輸距離長

光纖的傳輸損耗比長途電纜、同軸電纜、毫米波導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0.2dB/km，與其相比，同軸電纜對60MHz信號的衰耗為19dB/