第一章光纖通信技術(shù)

1、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)用光纖通信發(fā)展的應(yīng)用 第一章第一章 光纖通信的概述光纖通信的概述1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀光纖通信發(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。 原始形式的光通信原始形式的光通

2、信:中國古代用中國古代用“烽火臺烽火臺”通信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 探索時期的光通信探索時期的光通信 旗語旗語 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。 紅綠燈紅綠燈 紅燈停，綠燈行紅燈停，綠燈行 不論是烽火臺，還是紅綠燈、旗語，不論是烽火臺，還是紅綠燈、旗語，它們都是光通信不同形式，它們都是光通信不同形式， 但是它們有一個共同點，但

3、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。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)绱说氖煜ぃ墒沁@些卻也正因為如此，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，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。真正強大的光通信應(yīng)該是光纖通信。光纖通信光纖通信則是單純地依靠光纖作為媒質(zhì)來傳則是單純地依靠光纖作為媒質(zhì)來傳送信息的通信方式。送信息的通信方式。弧光燈ABMNL送話器光話機光話機 原原 理理 圖圖 1880年，美國人貝爾年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的發(fā)

4、明了用光波作載波傳送話音的“光電話光電話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。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：光纖通信的關(guān)鍵問題：1、必須有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸、必須有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì)；媒質(zhì)；2、高可靠、長壽命的光源及高響、高可靠、長壽命的光源及高響應(yīng)的光檢測器件；應(yīng)的光檢測器件；3、光測量及光纖連接技術(shù)；、光測量及光纖連接技術(shù)； 難題之一難題之一:傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì) 光纖的誕生光纖的誕生 理想光傳輸介質(zhì)的尋找理想光傳輸介質(zhì)的尋找透明度很高的石英玻璃絲透明度很高的石英

5、玻璃絲 叫做光學(xué)纖維叫做光學(xué)纖維簡稱簡稱“光纖光纖”內(nèi)窺鏡內(nèi)窺鏡 一米衰減損耗很大一米衰減損耗很大光的損耗程度用每千米的分光的損耗程度用每千米的分貝為單位來衡量的。直到貝為單位來衡量的。直到20世紀世紀60年代，每公里年代，每公里1000分分貝以上貝以上 光纖的誕生光纖的誕生 比較復(fù)雜的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 放棄放棄用玻璃纖維通信希望渺茫用玻璃纖維通信希望渺茫?損耗問題如何解決？損耗問題如何解決？ 1.1.2 現(xiàn)代光纖通信現(xiàn)代光纖通信 指明指明 “通過原材料的提純制造出適合于長距離通信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使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向這一發(fā)展方向1966

6、年年7月月，高錕就光纖傳輸?shù)那熬鞍l(fā)表了具有，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)，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就有可能使光纖的損耗從每公里1000分貝降低到分貝降低到20分貝公里，從而有可能用于通信。分貝公里，從而有可能用于通信。光纖通信發(fā)明家光纖通信發(fā)明家高錕高錕( (左左) )1998年在英國接受年在英國接受IEE（國際電氣工程師學(xué)會（國際電氣工程師學(xué)會 ）授予的獎?wù)率谟璧莫務(wù)芦@得2009諾貝爾物理學(xué)獎“

7、有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)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)推向一個把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段。新階段。 標志著光纖用于通信有了現(xiàn)實的可能性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（相當于光透過玻璃功率損耗一半（相當于3分貝）的長分貝）的長度：度：普通玻璃普通玻璃 幾厘米幾厘米高級光學(xué)玻璃高級光學(xué)玻璃 幾米幾米光纖（光纖（20dB/Km） 150米米難題之二難題之二:光源光源 1970年貝爾研究所的林嚴雄等人研制出能

8、夠 在室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體激光器的技術(shù)進步，使由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進步，使 1970 年成為光年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑纖通信發(fā)展的一個重要里程碑 1 光波波譜光波波譜 光波是電磁波，光波范圍包括紅

9、外線、可見光、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：紫外線，其波長范圍為：300m6103m。 可見光由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏可見光由紅、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。波長再短就是波長最短。波長再短就是X射線、射線、射線。射線。 電磁波波譜圖如圖電磁波波譜圖如圖1.1所示。所示。圖圖1.1電磁波波譜圖電磁波波譜圖 2光纖通信的光波波譜光纖通信的光波波譜 光纖通信的波譜在光纖通信的波譜在1.671014Hz3.751014Hz之間，之間，即波長在即波長在0.8m1.

10、8m之間，屬于紅外波段，將之間，屬于紅外波段，將0.8m0.9m稱為短波長，稱為短波長，1.0m1.8m稱為長稱為長波長，波長，2.0m以上稱為超長波長。以上稱為超長波長。 各種單位的換算公式如表各種單位的換算公式如表1-1所示。所示。 表表1-1 各種單位的換算公式各種單位的換算公式c3108m/s1MHz（兆赫）（兆赫）106 Hzc/f1GHz（吉赫）（吉赫）109 Hz1m（微米）（微米）106m1THz（太赫）（太赫）1012Hz1nm（納米）（納米）109m1PHz（拍赫）（拍赫）1015 Hz1（埃）（埃）1010m 雖然光波和電波都是電磁波，但是頻雖然光波和電波都是電磁波，但是

11、頻率差別很大。率差別很大。通信容量和載波頻率成通信容量和載波頻率成正比正比，通過提高載波頻率可以擴大通，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率高很多，因此通信容量也要增大很多多0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰減（衰減（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波長波長（m）普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段 1.2 光纖

12、通信的光纖通信的優(yōu)點優(yōu)點 容許頻帶很寬，傳輸容量很大容許頻帶很寬，傳輸容量很大 損耗很小，損耗很小， 中繼距離很長且誤碼率很小中繼距離很長且誤碼率很小 重量輕、重量輕、 體積小體積小 抗電磁干擾性能好抗電磁干擾性能好 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好 節(jié)約金屬材料，節(jié)約金屬材料， 有利于資源合理使用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(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.

13、5 Gb/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/s132=2640 Gb/s。 Gb/S：數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率 1GB=1024KB 1KB=1024B 波分復(fù)用波分復(fù)用(WND)：是將兩種或多種不同波長的光載波信號（攜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)用器帶各種信息）在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器(亦稱亦稱合波合波器器，Multiplexer)匯合在一起，并耦合到光匯合在一起，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)用器收端，經(jīng)解復(fù)用器(亦稱亦

14、稱分波器或稱去復(fù)用分波器或稱去復(fù)用器器，Demultiplexer)將各種波長的光載波分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)原離，然后由光接收機作進一步處理以恢復(fù)原信號。信號。這種在同一根光纖中同時傳輸兩個或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。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1.31m和1.55m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、便于施工和維修重量

15、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，潛在價格低廉原材料來源豐富，潛在價格低廉 制造同軸電纜和波導(dǎo)管的銅、鋁、鉛等為金屬材

16、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。 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。 缺點缺點:光纖質(zhì)地脆光纖質(zhì)地脆、彎曲半徑不易過小、機械強、彎曲半徑不易過小、機械強度低，需要比較度低，需要比較好的切割及連接技術(shù)好的切割及連接技術(shù)、分路、分路、耦合比較麻煩等耦合比較麻煩等1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成 下圖示出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括下圖示出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射發(fā)射、接收接收和作和作為廣義信道的基本為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng)。 光纖通信系統(tǒng)的

17、三要素：光纖通信系統(tǒng)的三要素：光發(fā)射端機光發(fā)射端機光接收端機光接收端機光纖光纖 基本光纖傳輸系統(tǒng)基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分的三個組成部分半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）半導(dǎo)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)方式電信號對光的調(diào)制的實現(xiàn)方式 直接調(diào)制直接調(diào)制 用電信號直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的用電信號直接調(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。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。調(diào)制速率受激光器的頻

18、率特性所限制。 外調(diào)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。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，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。信系統(tǒng)中使用。 圖圖 1.5兩種調(diào)制方案兩種調(diào)制方案 (a) 直接調(diào)制；直接調(diào)制； (b) 間接調(diào)制間接調(diào)制(外調(diào)制外調(diào)制) 2. 光纖線路光纖線路 是把來自光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的畸變是把來自光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的畸變(失失真真)

19、和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C光纖光纖、光纖接頭光纖接頭和光纖連接器光纖連接器 普通石英光纖在近紅外波段，除雜質(zhì)吸收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，在峰外，其損耗隨波長的增加而減小，在0.85 m、1.31 m和和1.55 m有三個損耗很小的波長有三個損耗很小的波長“窗口窗口”。激光器的發(fā)射波長激光器的發(fā)射波長和光電二極管的波長響應(yīng)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。都要和光纖這三個波長窗口相一致。 目前在實驗室條件下，目前在實驗室條件下，1.55 m的損耗已達到的損耗已達到0.154 dB/km， 接近石英光纖損耗的理論極限。接近石英光纖損耗的理論極限。3 3、光接收機、光接收機功能功能：（O/EO/E轉(zhuǎn)換轉(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）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：組成部分：耦合器，光電檢測器，解調(diào)器耦合器，光電檢測器，解調(diào)器組成框圖：組成框圖：電子電路電子電路光輸入光輸入耦合器耦合器光電檢測器光電檢測器解調(diào)器解調(diào)器電信號輸出電信號輸出檢測方式：檢測方式：直接檢測和外差檢測直接檢測和外差檢測 1.4光纖通