第一章光纖通信

許海燕xuhaiyan11@物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院光纖通信著重介紹光纖通信的基礎(chǔ)知識，從光纖的基本原理、構(gòu)造和加工方法出發(fā)，全面闡述光纖通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成及功能，以及光纖通信系統(tǒng)中主要器件和功能模塊的結(jié)構(gòu)和工作原理。課程介紹一、課時分配理論課時：32學(xué)時

實驗課時：8學(xué)時

二、成績比例

考試70%實驗20%作業(yè)10%

參考教材光纖通信劉增基西安電子科技大學(xué)Fiber-opticCommunicationsTechnologyDjafarK.Mynbaev科學(xué)出版社光纖通信顧畹儀人民郵電出版社光纖光學(xué)廖延彪清華大學(xué)出版社GerdKeiser,OpticalFiberCommunications,4thEdition,電子工業(yè)出版社，2011.課程主要內(nèi)容：1、光纖通信系統(tǒng)的基本組成2、光纖光纜的結(jié)構(gòu)和類型，光纖的傳輸原理和特性，光纖特性的測量3、光源、探測器和無源器件的類型、原理和性質(zhì)；4、光端機的組成和特性5、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)6、模擬光纖通信系統(tǒng)7、光纖通信的若干新技術(shù)8、光纖通信網(wǎng)絡(luò)課程主要內(nèi)容：第一節(jié)光纖通信發(fā)展歷史和現(xiàn)狀第二節(jié)光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用第三節(jié)光纖通信系統(tǒng)第一章光纖通信概論第一節(jié)光纖通信發(fā)展歷史和現(xiàn)狀為什么要光纖通信？通信（telecommunications）含義?–Tele:一定的距離–Communications:信息交換----聲音,視頻,數(shù)據(jù)。–Telecommunications利用某種設(shè)備實現(xiàn)的一定距離的信息交換。原始光通信–“光”—“火”–烽火臺:~780BC,周幽王;–中世紀(jì)(500-1000AD),俄國第一節(jié)光纖通信發(fā)展歷史和現(xiàn)狀電通信:1837年---摩爾斯電磁式有線電報1876年---貝爾發(fā)明有線電話1895年---俄羅斯波波夫發(fā)出第一份無線電報1895年---意大利馬可尼在英國取得無線電專利權(quán)，成為無線電的創(chuàng)始人。Telegraph(電報1837):–Carriers:current,EMwaves–Coding:MorseCodeTelephony(電話1876):–Voice-Electricpulses–AnalogsignalsInformation:–Voice–Video–DataMedia:Cooperwire,coaxialcable,air,opticalfiberModernCommunications:Conversion—Modulation—Transmission----Demodulation第一節(jié)光纖通信發(fā)展歷史和現(xiàn)狀Thecapacitylimit–Shannon-Hartleytheorem:–Bndwidth:therangeoffrequencieswithinwhichthesignalscanbetranmittedwithoutsubstantialattenuation–Thehigherthecarrier’sfrequency,thegreaterthechannelbandwidthandthehighertheinformation-carriercapacity.Cooperwire:1MHzCoaxialcable:100MHzRadiofrequency:500KHz~100MHzMicrowave:100GHz(Satellites,Radiooverfiber)Opticalfiber:50THz!第一節(jié)光纖通信發(fā)展歷史和現(xiàn)狀Whatwewantfrommoderntelecommunications?–Capacity,capacity,andmorecapacity!–Information-carryingcapacityistheabilityofacommunicationlinktotransmitacertainamountofinformationperunitoftime.Moreinformationisproduced–Postindustrialera-Informationera–Internet,telephone,mobile,creditcard,onlinebank,onlineTV,movie,………Analog&Digital–Analog:amplitude,frequency,phase–Digital:bits“0”and“1”–Morereliable!–Requiremorechannelcapacity!第一節(jié)光纖通信發(fā)展歷史和現(xiàn)狀探索時期的光纖通信1.1880年，美國人貝爾發(fā)明了光電話。實現(xiàn)了用光載波傳送話音。證明了用光載波傳送信息的可行性。2.激光器的發(fā)明激光是高度相干光，具有波譜寬度窄、方向性極好、亮度極高頻率和相位較一致的良好特性。是一種理想的載波。－1960年，美國人梅曼發(fā)明了第一臺紅寶石激光器。－氦－氖激光器、二氧化碳激光器相繼出現(xiàn)，并投入應(yīng)用－麻省理工學(xué)院進行了大氣激光通信實驗證明了：?用激光作為載波實現(xiàn)點對點的通信是可行的。?通信能力和質(zhì)量受氣候的影響十分嚴(yán)重。大氣的吸收、散射使光波的能量損耗很大大氣密度、溫度的變化，造成折射率的變化，使光束發(fā)生偏移。大氣激光通信的距離和穩(wěn)定性受到了極大的限制。1.1.2現(xiàn)代光纖通信

1966年，高錕和霍克哈姆提出了利用光纖進行通信的可能性和技術(shù)途徑。奠定了現(xiàn)代光通信－光纖通信的基礎(chǔ)。－當(dāng)時石英纖維損耗高達1000dB/km是雜質(zhì)吸收產(chǎn)生的－材料的本征損耗由瑞利散射決定，與波長的4次方成反比，實際很小。－通過材料的提純可制造低損耗光纖光纖的研制進程1970年，美國康寧(Corning)公司就研制成功損耗20dB/km的石英光纖。1972年，康寧公司高純石英多模光纖將損耗降低到4dB/km。1973年，美國貝爾(Bell)實驗室將光纖損耗降低到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)。1986年是0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。光纖通信用激光器的發(fā)展進程1970年，美國、日本和前蘇聯(lián)先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。1973年，半導(dǎo)體激光器壽命達到7000小時。1977年，貝爾實驗室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達到10萬小時(約11.4年)，外推壽命達到100萬小時，完全滿足實用化的要求。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)進步，使1970年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑。光纖通信發(fā)展的三個階段第一階段(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)并大力推廣應(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2.5－10Gb/s，無中繼傳輸距離可達150－100km。實驗室可以達到更高水平。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(WDM)光纖通信系統(tǒng)（實現(xiàn)）和超長距離的光孤子(Soliton)通信系統(tǒng)。我國光纖通信的開發(fā)里程

1977年，第一根短波長(0．85mm)階躍型石英光纖問世，長度為17m，衰減系數(shù)為300dB/km。1978年，研制出短波長多模梯度光纖，即G.651光纖。1979年，研制出多模長波長光纖，衰減為1dB/km。建成5.7km、8Mb/s光通信系統(tǒng)試驗段。1980年，1300nm窗口衰減降至0.48dB/km，1550nm窗口衰減為0.29dB/km。

1984年，武漢、天津34Mb/s市話中繼光傳輸系統(tǒng)工程建成(多模)。

1988年，全長245km的武漢－長沙市34Mb/s多模光纜通信系統(tǒng)工程通過郵電部鑒定驗收。1989年，漢陽——漢南40Mb/s單模光傳輸系統(tǒng)工程通過郵電部鑒定驗收。1991年，研制出G.653色散位移光纖。最小衰減達0.22dB/km。合肥——蕪湖40Mb/s單模光傳輸系統(tǒng)工程通過國家鑒定驗收。

1993年，在摻鉺光纖放大器的研究上取得突破性進展，小信號增益達25dB。上?！獰o錫65Mb/s單模光傳輸系統(tǒng)工程通過郵電部鑒定驗收。1997年，研制出G.655非零色散位移光纖。成都——攀枝花22Mb/sSDH光傳輸工程通過郵電部鑒定驗收。1998年，?？凇齺?Gb/s光傳輸系統(tǒng)工程通過郵電部鑒定驗收，該工程全長322km，僅在萬寧設(shè)一個中繼站，?？凇f寧的中繼距離為172km。1999年，8×2.5Gb/sDWDM系統(tǒng)通過國家驗收。1.1.3國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀光纖通信技術(shù)發(fā)展歷程：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)用范圍不斷擴大：從初期的市話局間中繼到長途干線進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)成為國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱1.2.1光纖通信的優(yōu)點一、頻帶寬，傳輸容量大激光的頻率約為100THz,微波的頻率為10GHz。從理論上講，用光傳輸信息，通信容量比微波通信容量大一萬倍！二、損耗小，中繼距離長dBm/km第二節(jié)光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用三、重量輕、體積小，便于施工四、抗干擾能力強，保密性能好光纖不受強電干擾、電氣化鐵道干擾和雷電干擾，抗電磁脈沖能力也很強，保密性好五、耐腐蝕、耐高溫，可在惡劣環(huán)境中工作六、節(jié)約金屬材料，有利于資源的合理利用光纖的主要成分是SiO2資源十分豐富。電纜的主要成分是Cu,Al等有色金屬，資源有限。1.2.1光纖通信的優(yōu)點圖1.3各種通信系統(tǒng)相對造價與傳輸容量的比較提純工藝的發(fā)展幾百公里無中繼傳輸

電纜的損耗隨頻率按f的規(guī)律增加，光纖通信的帶內(nèi)損耗不隨頻率變化。如：數(shù)字接收機的靈敏度很高，可達－30dB/km。那么發(fā)送1mw的光功率，光纖損耗為0.2dB/km時，光從損耗方面考慮，傳輸距離可達100km以上（150km)。除上述優(yōu)點之外，光纖本身也有一些缺點。如光纖質(zhì)地脆、機械強度低，需要比較好的切割及連接技術(shù)，分路、耦合比較麻煩。1.2.2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)、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)。1.2.2光纖通信的應(yīng)用用于市話中繼線。用于長途干線通信。用于高質(zhì)量彩色電視傳輸用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)視和調(diào)度用于交通監(jiān)視控制指揮CATV光纖局域網(wǎng)光纖傳感器、醫(yī)療設(shè)備、信號顯示處理等

ATMInternet骨干網(wǎng)DDN/FRPSTN/ISDNTV業(yè)務(wù)分配節(jié)點(COT)業(yè)務(wù)接入節(jié)點（RT）網(wǎng)管SNMP與電信網(wǎng)管中心相連Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622MSDH寬帶綜合業(yè)務(wù)光纖接入系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)作為校園網(wǎng)的骨干傳輸網(wǎng)第三節(jié)光纖通信系統(tǒng)信源電發(fā)射機光發(fā)射機光中繼光接收機電接收機信宿光纖通信系統(tǒng)的組成包括發(fā)射、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)。

一、基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分1、光發(fā)送機組成框圖：

光源調(diào)制器通道耦合器電信號輸入光輸出驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)參數(shù)：發(fā)送功率，dbm概念光源光譜特性：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LD；LED;DFB電信號對光的調(diào)制的實現(xiàn)方式

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。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。

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)2、光接收機功能：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)射前的電信號組成部分：耦合器，光電檢測器，解調(diào)器組成框圖：電子電路光輸入耦合器光電檢測器解調(diào)器電信號輸出2、光接收機結(jié)構(gòu)參數(shù)：接收機靈敏度：表征光接收機調(diào)整到最佳工作狀態(tài)時，光接收機接收微弱光信號的能力。定義：在保證達到所要求的誤比特率的條件下，接收機所需要的最小輸入光功率，一般用dBm表示，是以1mw光功率為基礎(chǔ)的絕對功率。Pr=10log（Pmin/10-3）影響接收機靈敏度的主要因素：噪聲；接收信號的波形；傳輸信號的碼率。檢測方式：直接檢測和外差檢測光探測器：響應(yīng)度高，噪聲低，高可靠性、高性價比和響應(yīng)速度快PIN-PD；APD

3.光纖線路

功能：是把來自光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C

組成:光纖、光纖接頭和光纖連接器

低損耗“窗口”：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。目前在實驗室條件下，1.55μm的損耗已達到0.154dB/km，接近石英光纖損耗的理論極限。

1.01.41.5衰減（dB/km）第一窗口第二窗口波長——λ（μm）普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm1.571.62L波段有效性：指信息的傳輸速度可靠性：指信息的傳輸質(zhì)量適應(yīng)性：環(huán)境使用條件標(biāo)準(zhǔn)性：元件的標(biāo)準(zhǔn)性、互換性經(jīng)濟性保密性使用維修是否方便二、光纖通信系統(tǒng)的評價根據(jù)電端機送入光端機信號性質(zhì)的不同，可分為模擬和數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。二、光纖通信系統(tǒng)的分類1、第一代：20世紀(jì)70年代末。光源：0.85微米，多模光纖，應(yīng)用低速率、短距離通信。2、第二代：80年代初，光源：1.3微米，多模光纖，無中繼距離20公里，140Mbit/s。3、第三代：80年代末，光源：1.55微米，色散位移光纖，超高速，長距離，無中繼傳輸大于100公里，565Mbit/s，622Mbit/s，2.5Gbit/s。4、第四代：波分復(fù)用技術(shù)，90年代中期商用。160X10Gbit/s。5、第五代：光孤子通信。二、光纖通信系統(tǒng)的演進傳輸容量：2.5Gbit/s，10Gbit/s，40Gbit/s，大量采用WDM系統(tǒng)提高中繼距離：上千公里的無電中繼距離。展望：1、傳輸速率高速化2、用戶網(wǎng)的光纖化3、光交換節(jié)點取得電交換節(jié)點4、相干光通信5、孤子通信、全光通信。二、光纖通信系統(tǒng)現(xiàn)狀展望光纖通信系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)：光纖通信系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)(a)點對點系統(tǒng)(b)一點對多點系統(tǒng)（c）光纖網(wǎng)

我們目前實際只用了光纖巨大潛力的1/1000。為了充分發(fā)揮光纖的帶寬潛力，克服光纖損耗及色散的影響、延長中級距離、擴大傳輸容量及降低成本，人們不斷地開發(fā)新技術(shù)。主要有：1、光器件的集成化及模塊化提高速率與性能，簡化結(jié)構(gòu)，降低成本2、波分復(fù)用——什么叫“波分復(fù)用”？所謂波分復(fù)用就是讓不同波長的光信號同在一根光纖上傳輸而互不干擾。

光纖通信中的新技術(shù)

因為目前光通信的光源在光通信的“窗口”上只占用了很窄的一部分，還有很大的范圍沒有利用。如果利用多個波長適當(dāng)錯開的光源同時在一根光纖上傳送各自攜帶的信息，就可以大大增加所傳輸?shù)男畔⑷萘?。由于是用不同的波長傳送各自的信息，因此即使在同一根光纖上也不會相互干擾。在接收端轉(zhuǎn)換成電信號時，可以獨立地保持每一個不同波長的光源所傳送的信息。這種方式就叫做“波分復(fù)用”。如果在光纖的工作窗口上安排100個波長不同的光源，同時在一根光纖上傳送各自攜帶的信息，就能使現(xiàn)在的光纖通信系統(tǒng)的容量提高100倍。光纖上各路光載波的波長間隔大部分減至0.8nm，少數(shù)已達到0.4nm光纖的頻帶資源3、光放大技術(shù)由于光信號在光纖中傳輸時要受到損耗，因此每隔幾十千米，就要設(shè)置一個“再生中繼器”。光電光隨著光纖通信系統(tǒng)傳輸容量的增大，需要速率極高的電子器件。能否去掉這種復(fù)雜的光電轉(zhuǎn)換過程直接在光纖線路上對光信號進行放大，也就是用一個全光方式的放大器來代替現(xiàn)在的這種光電光型的再生中繼器，即“光纖放大器”？——摻餌光纖放大器是利用在光纖中摻雜了稀土元素餌來實現(xiàn)光放大的。當(dāng)用高能量的泵浦激光器激勵摻餌光纖時，餌離子會發(fā)出頻譜很寬的熒光帶，這時光信號通過摻餌光纖時，熒光帶的能量會轉(zhuǎn)移到信號光上，使信號光得到增強和放大。摻餌光纖放大器的研制成功，使進入90年代的光纖通信容量又提高了一個數(shù)量級。隨著技術(shù)的發(fā)展和改進，摻餌光纖放大器必將滲透到光纖通信的各個領(lǐng)域，從而使光纖通信從發(fā)送端到接收端可以實現(xiàn)“全光傳輸”。這是光纖通信發(fā)展史的一個新的里程碑。4、光孤子技術(shù)

什么叫“光孤子”？光孤子是一種能在光纖中傳播的長時間保持形態(tài)、幅度和速度不變的光脈沖。光纖通信中，限制傳輸距離和傳輸容量的主要原因是“損耗”和“色散”。

“損耗”使光信號在傳輸時能量不斷減弱。

“色散”則是使光信號的脈沖在傳輸中逐漸展寬，從而使信號畸變失真?，F(xiàn)在隨著光纖制造技術(shù)的發(fā)展，光纖的損耗已經(jīng)降低到接近理論極限值的程度，色散問題就成為實現(xiàn)超長距離和超大容量光纖通信的主要問題。

光纖的色散是使光信號的脈沖展寬，而光纖中還有一種非線性的特性，這種特性會使光信號的脈沖產(chǎn)生壓縮效應(yīng)。光纖的非線性特性在光的強度變化時使頻率發(fā)生變化，從而使傳播速度變化。在光纖中這種變化使光脈沖后沿的頻率變高、傳播速度變快；而前沿的頻率變低、傳播速度變慢。這就造成脈沖后沿比前沿運動快，從而使脈沖受到壓縮變窄。如果有辦法使光脈沖變寬和變窄這兩種效應(yīng)正好互相抵消，光脈沖就會像一個一個孤立的粒子那樣形成光孤子，能在光纖傳輸中保持不變，實現(xiàn)超長距離、超大容量的通信。孤子源調(diào)制信號源EDFA探測器EDF