光纖通信概論

關(guān)于光纖通信概論第一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀

1.1.1探索時期的光通信中國古代用“烽火臺”報警，歐洲人用旗語傳送信息，這些都可以看作是原始形式的光通信。望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)，又極大地延長了這種目視光通信的距離。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”。這種光電話利用太陽光或弧光燈作光源，通過透鏡把光束聚焦在送話器前的振動鏡片上，使光強(qiáng)度隨話音的變化而變化，實現(xiàn)話音對光強(qiáng)度的調(diào)制。在接收端，用拋物面反射鏡把從大氣傳來的光束反射到硅光電池上，使光信號變換為電流，傳送到受話器。第二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日由于當(dāng)時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，并沒有實際應(yīng)用價值，因而進(jìn)展很慢。然而，光電話仍是一項偉大的發(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。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，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)入一個嶄新的階段。第三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日在這個時期，美國麻省理工學(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。實驗證明：用承載信息的光波，通過大氣的傳播，實現(xiàn)點對點的通信是可行的，但是通信能力和質(zhì)量受氣候影響十分嚴(yán)重。由于雨、霧、雪和大氣灰塵的吸收和散射，光波能量衰減很大。例如，雨能造成30dB/km的衰減，濃霧衰減高達(dá)120dB/km。另一方面，大氣的密度和溫度不均勻，造成折射率的變化，使光束位置發(fā)生偏移。因而通信的距離和穩(wěn)定性都受到極大的限制，不能實現(xiàn)“全天候”通信。雖然，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，延長了傳輸距離，使大氣激光通信可以在江河兩岸、海島之間和某些特定場合使用，但是大氣激光通信的穩(wěn)定性和可靠性仍然沒有解決。第四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日為了克服氣候?qū)す馔ㄐ诺挠绊?，人們自然想到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)。透鏡波導(dǎo)是在金屬管內(nèi)每隔一定距離安裝一個透鏡，每個透鏡把經(jīng)傳輸?shù)墓馐鴷鄣较乱粋€透鏡而實現(xiàn)的。反射鏡波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)相似，是用與光束傳輸方向成45°角的二個平行反射鏡代替透鏡而構(gòu)成的。這兩種波導(dǎo)，從理論上講是可行的，但在實際應(yīng)用中遇到了不可克服的困難。首先，現(xiàn)場施工中校準(zhǔn)和安裝十分復(fù)雜；其次，為了防止地面活動對波導(dǎo)的影響，必須把波導(dǎo)深埋或選擇在人車稀少的地區(qū)使用。由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，對光通信的研究曾一度走入了低潮。第五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1.1.2現(xiàn)代光纖通信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)。當(dāng)時石英纖維的損耗高達(dá)1000dB/km以上，高錕等人指出：這樣大的損耗不是石英纖維本身固有的特性，而是由于材料中的雜質(zhì)，例如過渡金屬(Fe、Cu等)離子的吸收產(chǎn)生的。材料本身固有的損耗基本上由瑞利(Rayleigh)散射決定，它隨波長的四次方而下降，其損耗很小。因此有可能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。第六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日如果把材料中金屬離子含量的比重降低到10-6以下，就可以使光纖損耗減小到10dB/km。再通過改進(jìn)制造工藝的熱處理提高材料的均勻性，可以進(jìn)一步把損耗減小到幾dB/km。這個思想和預(yù)測受到世界各國極大的重視。1970年，光纖研制取得了重大突破。在當(dāng)年，美國康寧(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爭，從而展現(xiàn)了光纖通信美好的前景，促進(jìn)了世界各國相繼投入大量人力物力，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)實驗室取得了更大成績，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)公司等單位將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2μm)。第七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日在以后的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，作為光纖通信用的光源也取得了實質(zhì)性的進(jìn)展。當(dāng)年，美國貝爾實驗室、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)。雖然壽命只有幾個小時，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。1977年，貝爾實驗室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬小時(約11.4年)，外推壽命達(dá)到100萬小時，完全滿足實用化的要求。第八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日在這個期間，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，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(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)展的一個重要里程碑。1976年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個實用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗，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。第九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日隨后美國很快敷設(shè)了東西干線和南北干線，穿越22個州光纜總長達(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。1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長途干線，全長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。第十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日自從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。光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個階段：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)時期。在這個時期，實現(xiàn)了短波長(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)展時期。在這個時期，光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從短波長(0.85μm)發(fā)展到長波長(1.31μm和1.55μm)，實現(xiàn)了工作波長為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。第十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日第三階段(1986~1996年)，這是以超大容量超長距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時期。在這個時期，實現(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。實驗室可以達(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)和超長距離的光孤子(Soliton)通信系統(tǒng)。第十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

1.1.3國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀1976年美國在亞特蘭大進(jìn)行的現(xiàn)場試驗，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：光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從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。另一方面，隨著技術(shù)的進(jìn)步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖價格不斷下降，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大：從初期的市話局間中繼到長途干線進(jìn)一步延伸到用戶接入網(wǎng)，從數(shù)字電話到有線電視(CATV)，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)將成為未來國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。第十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日在許多發(fā)達(dá)國家，生產(chǎn)光纖通信產(chǎn)品的行業(yè)已在國民經(jīng)濟(jì)中占重要地位。根據(jù)資料，僅光纜產(chǎn)品一項(約占整個光纖通信產(chǎn)品的一半)，1995年在世界市場銷售額達(dá)38億美元，預(yù)測2000年可達(dá)85億美元，2005年可達(dá)155億美元，10年中復(fù)合年增長率(CAGR)為15%。世界成纜光纖市場銷售量，1994年為1810×104km，預(yù)測2001年為6570×104km，7年中CAGR為20%，每年數(shù)據(jù)見表1.1。市場銷售額和市場銷售量的年增長率不同，主要是由于光纖價格呈下降趨勢，見表1.2。在1995年光纜市場銷售額的38億美元中，單模占28億美元，為74%。同年成纜光纖銷售量的2300×104km中，單模為2130×104km，占93%。兩者的比例不同，是由于單模光纖比多模光纖便宜的結(jié)果。第十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日表1.1世界成纜光纖市場銷售量

年份19941995199619971998199920002001光纖銷售總長度/104km18102300290034704070473055806570第十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日表1.2世界市場單模光纖平均價格

年份19941995199619971998199920002001價格/($·km-1)6867726960524644第十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日實際銷售量比預(yù)測的數(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，價格逐年下降，促進(jìn)了光纖在各個領(lǐng)域的應(yīng)用和新技術(shù)的研究，推動著光纖產(chǎn)業(yè)不斷向前發(fā)展。表1.3世界成纜單模光纖市場銷售量年份199819992000200120022003光纖銷售總長度/104km411046005350623072008110第十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1.2光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用1.2.1光通信與電通信

任何通信系統(tǒng)追求的最終技術(shù)目標(biāo)都是要可靠地實現(xiàn)最大可能的信息傳輸容量和傳輸距離。通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于對載波調(diào)制的頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度越寬。通信技術(shù)發(fā)展的歷史，實際上是一個不斷提高載波頻率和增加傳輸容量的歷史。20世紀(jì)60年代，微波通信技術(shù)已經(jīng)成熟，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。電纜通信和微波通信的載波是電波，光纖通信的載波是光波。雖然光波和電波都是電磁波，但是頻率差別很大。光纖通信用的近紅外光(波長約1μm)的頻率(約300THz)比微波(波長為0.1m~1mm)的頻率(3~300GHz)高3個數(shù)量級以上。第十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日圖1.1部分電磁波頻譜第十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日為便于比較，圖1.1給出相關(guān)部分的電磁波頻譜。光纖通信用的近紅外光(波長為0.7~1.7μm)頻帶寬度約為200THz，在常用的1.31μm和1.55μm兩個波長窗口頻帶寬度也在20THz以上。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個數(shù)量級以上的帶寬潛力可以挖掘。微波波段有線傳輸線路是由金屬導(dǎo)體制成的同軸電纜和波導(dǎo)管。同軸電纜的損耗隨信號頻率的平方根而增大，要減小損耗，必須增大結(jié)構(gòu)尺寸，但要保持單一模式的傳輸，又不允許增大結(jié)構(gòu)尺寸。波導(dǎo)管具有比同軸電纜更低的損耗，但隨著工作頻率的提高，要減小波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的尺寸以保持單一模式的傳輸，損耗仍然要增大。光纖是由絕緣的石英(SiO2)材料制成的，通過提高材料純度和改進(jìn)制造工藝，可以在寬波長范圍內(nèi)獲得很小的損耗。圖1.2給出各種傳輸線路的損耗特性。第二十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日圖1.2各種傳輸線路的損耗特性第二十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1.2.2光纖通信的優(yōu)點在光纖通信系統(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。石英單模光纖在1.31μm波長具有零色散特性，通過光纖的設(shè)計，還可以把零色散波長移到1.55μm。在零色散波長窗口，單模光纖都具有幾十GHz·km的帶寬。另一方面，可以采用多種復(fù)用技術(shù)來增加傳輸容量。最簡單的是空分復(fù)用，因為光纖很細(xì)，直徑只有125μm,一根光纜可以容納幾百根光纖，12×12=144根光纖的帶狀光纜早已實現(xiàn)。第二十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日這種方法使線路傳輸容量數(shù)十成百倍地增加。就單根光纖而言，采用波分復(fù)用(WDM)或光頻分復(fù)用(OFDM)是增加光纖通信系統(tǒng)傳輸容量最有效的方法。另一方面，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列出早已實現(xiàn)的單一波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和中繼距離。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。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)和光時分復(fù)用(TDM)更是極大地增加了傳輸容量，見表1.５。WDM最高水平為132個信道，傳輸容量為20Gb/s×132=2640Gb/s，相當(dāng)于120km的距離傳輸了3.3×108條話路。第二十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日表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)中繼器個數(shù)微波無線電9605020小同軸9604250中同軸18006160光纜19203033光纜14000(1Gb/s)8411光纜6000(445MB/S)1347第二十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日目前，單波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般為2.5Gb/s和10Gb/s。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)和光時分復(fù)用(TDM)更是極大地增加了傳輸容量，見表1.５。WDM最高水平為132個信道，傳輸容量為20Gb/s×132=2640Gb/s，相當(dāng)于120km的距離傳輸了3.3×108條話路。

2.損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小石英光纖在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，用光纖比用同軸電纜或波導(dǎo)管的中繼距離長得多，見表1.4。目前，采用外調(diào)制技術(shù)，波長為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。第二十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日采用光纖放大器、色散補償光纖，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、中繼距離長的優(yōu)點，使光纖通信系統(tǒng)不僅適合于長途干線網(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)造價的主要原因。

3.重量輕、體積小光纖重量很輕，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。表1.6給出了鋁/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。第二十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日表1.5WDM和TDM光纖通信試驗系統(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

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50140NTTNTT法Telcom單通道環(huán)測第二十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日傳輸容量大、傳輸誤碼率低、中繼距離長的優(yōu)點，使光纖通信系統(tǒng)不僅適合于長途干線網(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)造價的主要原因。3.重量輕、體積小光纖重量很輕，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。表1.6給出了鋁/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。第二十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日表1.6光纜和電纜的重量和截面積比較

項目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第二十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日此外，利用光纜體積小的特點，在市話中繼線中成功地解決了地下管道擁擠問題。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(qiáng)電磁場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。

第三十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日5.泄漏小，保密性能好在光纖中傳輸?shù)墓庑孤┓浅Ｎ⑷酰词乖趶澢囟我矡o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.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。保密性能好的這一特點，對軍事、政治和經(jīng)濟(jì)都有重要的意義。第三十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日總之，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)上具有巨大的競爭能力，因此其在信息社會中將發(fā)揮越來越重要的作用。圖1.3給出各種通信系統(tǒng)相對造價與傳輸容量(話路數(shù))的關(guān)系。由圖1.3可見，隨著傳輸容量的增加，由于采用了新的傳輸媒質(zhì)，使得相對造價直線下降。第三十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日圖1.3各種通信系統(tǒng)相對造價與傳輸容量的比較第三十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1.2.3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(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)、各國的公共電信網(wǎng)(如我國的國家一級干線、各省二級干線和縣以下的支線)、各種專用通信網(wǎng)(如電力、鐵道、國防等部門通信、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))。第三十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日②構(gòu)成因特網(wǎng)的計算機(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、交通和公安部門的監(jiān)控；自動控制系統(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)，可實現(xiàn)電話、數(shù)據(jù)、視頻(會議電視、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)。第三十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日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，也可以傳輸模擬信號。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。為敘述方便，這里僅以數(shù)字電話和模擬電視為例。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)。第三十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日圖1.4光纖通信系統(tǒng)的基本組成(單向傳輸)第三十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1.3.1發(fā)射和接收如圖1.4所示，信息源把用戶信息轉(zhuǎn)換為原始電信號，這種信號稱為基帶信號。電發(fā)射機(jī)把基帶信號轉(zhuǎn)換為適合信道傳輸?shù)男盘?，這個轉(zhuǎn)換如果需要調(diào)制，則其輸出信號稱為已調(diào)信號。對于數(shù)字電話傳輸，電話機(jī)把話音轉(zhuǎn)換為頻率范圍為0.3~3.4kHz的模擬基帶信號，電發(fā)射機(jī)把這種模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并把多路數(shù)字信號組合在一起。模/數(shù)轉(zhuǎn)換目前普遍采用脈沖編碼調(diào)制(PCM)方式，這種方式是通過對模擬信號進(jìn)行抽樣、量化和編碼而實現(xiàn)的。一路話音轉(zhuǎn)換成傳輸速率為64kb/s的數(shù)字信號，然后用數(shù)字復(fù)接器把24路或30路PCM信號組合成1.544Mb/s或2.048Mb/s的一次群甚至高次群的數(shù)字系列，后輸入光發(fā)射機(jī)。對于模擬電視傳輸，則用攝像機(jī)把圖像轉(zhuǎn)換為6MHz的模擬基帶信號，直接輸入光發(fā)射機(jī)。第三十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日為提高傳輸質(zhì)量，通常把這種模擬基帶信號轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)制(FM)、脈沖頻率調(diào)制(PFM)或脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號，最后把這種已調(diào)信號輸入光發(fā)射機(jī)。還可以采用頻分復(fù)用(FDM)技術(shù)，用來自不同信息源的視頻模擬基帶信號(或數(shù)字基帶信號)分別調(diào)制指定的不同頻率的射頻(RF)電波，然后把多個這種帶有信息的RF信號組合成多路寬帶信號，最后輸入光發(fā)射機(jī)，由光載波進(jìn)行傳輸。在這個過程中，受調(diào)制的RF電波稱為副載波，這種采用頻分復(fù)用的多路電視傳輸技術(shù)，稱為副載波復(fù)用(SCM)。不管是數(shù)字系統(tǒng)，還是模擬系統(tǒng)，輸入到光發(fā)射機(jī)帶有信息的電信號，都通過調(diào)制轉(zhuǎn)換為光信號。光載波經(jīng)過光纖線路傳輸?shù)浇邮斩?，再由光接收機(jī)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。第三十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日電接收機(jī)的功能和電發(fā)射機(jī)的功能相反，它把接收的電信號轉(zhuǎn)換為基帶信號，最后由信息宿恢復(fù)用戶信息。在整個通信系統(tǒng)中，在光發(fā)射機(jī)之前和光接收機(jī)之后的電信號段，光纖通信所用的技術(shù)和設(shè)備與電纜通信相同，不同的只是由光發(fā)射機(jī)、光纖線路和光接收機(jī)所組成的基本光纖傳輸系統(tǒng)代替了電纜傳輸。第四十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1.3.2基本光纖傳輸系統(tǒng)基本光纖傳輸系統(tǒng)作為獨立的“光信道”單元，若配置適當(dāng)?shù)慕涌谠O(shè)備，則可以插入現(xiàn)有的數(shù)字通信系統(tǒng)或模擬通信系統(tǒng)，或者有線通信系統(tǒng)或無線通信系統(tǒng)的發(fā)射與接收之間光發(fā)射機(jī)、光纖線路和光接收機(jī)，若配置適當(dāng)?shù)墓馄骷?，可以組成傳輸能力更強(qiáng)、功能更完善的光纖通信系統(tǒng)。例如，在光纖線路中插入光纖放大器組成光中繼長途系統(tǒng)，配置波分復(fù)用器和解復(fù)用器，組成大容量波分復(fù)用系統(tǒng)，使用耦合器或光開關(guān)組成無源光網(wǎng)絡(luò)，等等。下面簡要介紹基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分。第四十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1.光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)的功能是把輸入電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并用耦合技術(shù)把光信號最大限度地注入光纖線路。光發(fā)射機(jī)由光源、驅(qū)動器和調(diào)制器組成，光源是光發(fā)射機(jī)的核心。光發(fā)射機(jī)的性能基本上取決于光源的特性，對光源的要求是輸出光功率足夠大，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。目前廣泛使用的光源有半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光二極管(或稱激光器)(LD)，以及譜線寬度很小的動態(tài)單縱模分布反饋(DFB)激光器。有些場合也使用固體激光器，例如大功率的摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器。第四十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日光發(fā)射機(jī)把電信號轉(zhuǎn)換為光信號的過程(常簡稱為電/光或E/O轉(zhuǎn)換)，是通過電信號對光的調(diào)制而實現(xiàn)的。目前有直接調(diào)制和間接調(diào)制(或稱外調(diào)制)兩種調(diào)制方案，如圖1.5所示。直接調(diào)制是用電信號直接調(diào)制半導(dǎo)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)制是把激光的產(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。目前有多種調(diào)制器可供選擇，最常用的是電光調(diào)制器。這種調(diào)制器是利用電信號改變電光晶體的折射率，使通過調(diào)制器的光參數(shù)隨電信號變化而實現(xiàn)調(diào)制的。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。第四十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

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)第四十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日對光參數(shù)的調(diào)制，原理上可以是光強(qiáng)(功率)、幅度、頻率或相位調(diào)制，但實際上目前大多數(shù)光纖通信系統(tǒng)都采用直接光強(qiáng)調(diào)制。因為幅度、頻率或相位調(diào)制，需要幅度和頻率非常穩(wěn)定，相位和偏振方向可以控制，譜線寬度很窄的單模激光源，并采用外調(diào)制方案，所以這些調(diào)制方式只在新技術(shù)系統(tǒng)中使用。2.光纖線路光纖線路的功能是把來自光發(fā)射機(jī)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(jī)。光纖線路由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。光纖是光纖線路的主體，接頭和連接器是不可缺少的器件。實際工程中使用的是容納許多根光纖的光纜。第四十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日光纖線路的性能主要由纜內(nèi)光纖的傳輸特性決定。對光纖的基本要求是損耗和色散這兩個傳輸特性參數(shù)都盡可能地小，而且有足夠好的機(jī)械特性和環(huán)境特性，例如，在不可避免的應(yīng)力作用下和環(huán)境溫度改變時，保持傳輸特性穩(wěn)定。目前使用的石英光纖有多模光纖和單模光纖，單模光纖的傳輸特性比多模光纖好，價格比多模光纖便宜，因而得到更廣泛的應(yīng)用。單模光纖配合半導(dǎo)體激光器，適合大容量長距離光纖傳輸系統(tǒng)，而小容量短距離系統(tǒng)用多模光纖配合半導(dǎo)體發(fā)光二極管更加合適。為適應(yīng)不同通信系統(tǒng)的需要，已經(jīng)設(shè)計了多種結(jié)構(gòu)不同、特性優(yōu)良的單模光纖，并成功地投入實際應(yīng)用。第四十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日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”。在這三個波長窗口損耗分別小于2dB/km、0.4dB/km和0.2dB/km。石英光纖在波長1.31μm色散為零，帶寬極大值高達(dá)幾十GHz·km。通過光纖設(shè)計，可以使零色散波長移到1.55μm，實現(xiàn)損耗和色散都最小的色散移位單模光纖；或者設(shè)計在1.31μm和1.55μm之間色散變化不大的色散平坦單模光纖，等等。根據(jù)光纖傳輸特性的特點，光纖通信系統(tǒng)的工作波長都選擇在0.85μm、1.31μm或1.55μm，特別是1.31μm和1.55μm應(yīng)用更加廣泛。第四十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日因此，作為光源的激光器的發(fā)射波長和作為光檢測器的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(dá)到0.154dB/km，接近石英光纖損耗的理論極限，因此人們開始研究新的光纖材料。光纖是光纖通信的基礎(chǔ)，光纖的技術(shù)進(jìn)步，有力地推動著光纖通信向前發(fā)展。3.光接收機(jī)光接收機(jī)的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。光接收機(jī)由光檢測器、放大器和相關(guān)電路組成光檢測器是光接收機(jī)的核心。對光檢測器的要求是響應(yīng)度高、噪聲低和響應(yīng)速度快。目前廣泛使用的光檢測器有兩種類型：在半導(dǎo)體PN結(jié)中加入本征層的PIN光電二極管(PIN-PD)和雪崩光電二極管(APD)。第四十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日光接收機(jī)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程(常簡稱為光/電或O/E轉(zhuǎn)換)，是通過光檢測器的檢測實現(xiàn)的。檢測方式有直接檢測和外差檢測兩種。直接檢測是用檢測器直接把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。這種檢測方式設(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)實用，是當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)普遍采用的方式。外差檢測要設(shè)置一個本地振蕩器和一個光混頻器，使本地振蕩光和光纖輸出的信號光在混頻器中產(chǎn)生差拍而輸出中頻光信號，再由光檢測器把中頻光信號轉(zhuǎn)換為電信號。外差檢測方式的難點是需要頻率非常穩(wěn)定，相位和偏振方向可控制，譜線寬度很窄的單模激光源；優(yōu)點是有很高的接收靈敏度。第四十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日目前，實用光纖通信系統(tǒng)普遍采用直接調(diào)制—直接檢測方式。外調(diào)制—外差檢測方式雖然技術(shù)復(fù)雜，但是傳輸速率和接收靈敏度很高，是很有發(fā)展前途的通信方式。光接收機(jī)最重要的特性參數(shù)是靈敏度。靈敏度是衡量光接收機(jī)質(zhì)量的綜合指標(biāo)，它反映接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時，接收微弱光信號的能力。靈敏度主要取決于組成光接收機(jī)的光電二極管和放大器的噪聲，并受傳輸速率、光發(fā)射機(jī)的參數(shù)和光纖線路的色散的影響，還與系統(tǒng)要求的誤碼率或信噪比有密切關(guān)系。所以靈敏度也是反映光纖通信系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標(biāo)。第五十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

1.3.3數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)比模擬光纖通信系統(tǒng)具有更多的優(yōu)點，也更能適應(yīng)社會對通信能力和通信質(zhì)量越來越高的要求。數(shù)字通信系統(tǒng)用參數(shù)取值離散的信號(如脈沖的有和無、電平的高和低等)代表信息，強(qiáng)調(diào)的是信號和信息之間的一一對應(yīng)關(guān)系；而模擬通信系統(tǒng)則用參數(shù)取值連續(xù)的信號代表信息，強(qiáng)調(diào)的是變換過程中信號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)