第一章 概論教材

光纖傳感技術(shù)第1章

光纖及光纖通信

1.1

光纖(通信)的發(fā)展歷史

1．早期的光通信?古代烽火臺(tái)、旗語、燈塔、望遠(yuǎn)鏡等?1880年，貝爾發(fā)明了第一個(gè)光電話，是現(xiàn)代光通信的開端。

方法：將弧光燈的恒定光束投射在話筒的音膜上，隨聲音的振動(dòng)而得到強(qiáng)弱變化的反射光束，這個(gè)過程就是調(diào)制，……。

貝爾電話系統(tǒng)缺陷：沒有理想的光源和傳輸介質(zhì)?1960年，美國人梅曼發(fā)明了的第一臺(tái)紅寶石激光器，給光通信帶來了新希望。

激光：波譜寬度窄、方向性極好、亮度極高、頻率和相位較一致。

高度相干光，理想的光載波。

大氣光通信的缺點(diǎn)：光通信的距離和穩(wěn)定性受到限制。

a.雨、霧、雪和灰塵的吸收和散射，光波能量衰減很大。

b.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。?在大氣光通信受阻之后，人們將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)入到地下光波通信的實(shí)驗(yàn)，先后出現(xiàn)過反射鏡波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)等地下通信的實(shí)驗(yàn)。

反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)缺陷：安裝和校準(zhǔn)十分復(fù)雜、地面活動(dòng)的影響

2．光纖通信發(fā)展的里程碑

1966年高錕和霍克哈姆發(fā)表的論文《用于光頻的光纖表面波導(dǎo)》，指出了石英纖維進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了光纖通訊的基礎(chǔ)。

石英纖維中的雜質(zhì)是損耗大的原因，并提出預(yù)測(cè)。

(>1000dB/km)

3．光纖通信發(fā)展的實(shí)質(zhì)性突破

1970年美國康寧公司制造出當(dāng)時(shí)世界上第一根20dB/km低損耗光纖.

4．光纖通信的飛速發(fā)展

（1）光纖損耗1970年：20dB/km；1974年：1.1dB/km；1979年：0.2dB/km；1972年：4dB/km；1976年：0.47dB/km；1984年：0.157dB/km；1985年：0.154dB/km；

1990年：0.14dB/km

。

接近光纖最低損耗的理論極限（2）光器件光發(fā)送器件、光接收器件、中繼器件、耦合器件等有源和無源器件。（3）光纖通信系統(tǒng)

從小容量到大容量、從短距離到長距離、從PDH

→SDH

→

DWDM。在智能光網(wǎng)絡(luò)（ION）、光分插復(fù)用器（OADM）、光交叉連接設(shè)備（OXC）等方面也取得巨大進(jìn)展。?1966-1976，短波長0.85um，速率45Mb/s或34Mb/s多模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離約10km?1976-1986，長波長1.31um和1.55um，速率140-565Mb/s單模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離約50-100km?1986-1996，1.55um色散移位單模光纖通信系統(tǒng)，速率2.5-10Gb/s，無中繼傳輸距離約100-150km?1996以后，超大容量的波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)，超長距離的光孤子通信系統(tǒng)。光纖通信發(fā)展的幾個(gè)階段：1.2

光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用1．光波波譜光通信的光波是電磁波，光波范圍包括紫外線、可見光、紅外線，其波長范圍為：6×10?

3μm

～

300μm

?？梢姽庥杉t、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種顏色的連續(xù)光波組成，其中紅光的波長最長，紫光的波長最短。波長再短就是X射線、γ射線。電磁波波譜圖如圖所示。8c＝3×10m/s61MHz（兆赫）＝10Hzλ＝c/f91GHz（吉赫）＝10Hz?61μm（微米）＝10m121THz（太赫）＝10Hz?91nm（納米）＝10m151PHz（拍赫）＝10Hz?101?（埃）＝10m各種單位的換算公式

2.

光纖通信的光波波譜

光纖通信的波譜在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之間，即波長在0.8μm～1.8μm之間，屬于近紅外波區(qū)。

將0.8μm～0.9μm稱為短波長，1.0μm～1.8μm稱為長波長，2.0μm以上稱為超長波長。

通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于對(duì)載波調(diào)制的頻帶寬度，在常用的1.31um和1.55um兩個(gè)波長窗口，頻帶寬度在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(gè)數(shù)量級(jí)以上的帶寬潛力可挖。2.

光纖通信的特點(diǎn)

（1）通信容量大、頻帶寬

（2）衰減小、中繼距離長

（3）泄漏小、保密性能好

（4）串?dāng)_小、信號(hào)傳輸質(zhì)量高

（5）體積小、重量輕、便于施工和維護(hù)

（6）原材料來源豐富，節(jié)約有色金屬

（7）抗電磁干擾，耐化學(xué)腐蝕，無電流，可在易燃、易爆場(chǎng)合工作

（8）光纖通信的缺點(diǎn)：②

光直接放大難；

④

彎曲半徑不宜太??；①

需要電/光和光/電變換部分；③需要高級(jí)的切斷接續(xù)技術(shù)；⑤分路、耦合不方便。3.光纖通信的應(yīng)用（1）光纖在公用電信網(wǎng)間作為傳輸線。（2）局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)中的應(yīng)用。（3）光纖寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)及光纖用戶線。（4）作為危險(xiǎn)環(huán)境下的通信線。如發(fā)電廠、化工廠、石油庫等場(chǎng)所。（5）滿足不同網(wǎng)絡(luò)層面的應(yīng)用。核心網(wǎng)、城域網(wǎng)、局域網(wǎng)等。（6）應(yīng)用于專網(wǎng)。主要應(yīng)用于電力、公路、鐵路、礦山等通信專網(wǎng)。1.3

光纖通信系統(tǒng)的基本組成與分類1.3.1

光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信，就是利用光纖來傳輸攜帶信息的光波以達(dá)到通信的目的?；竟饫w傳輸系統(tǒng)：光發(fā)射機(jī)、光纖線路、光接收機(jī)。光纖通信系統(tǒng)主要由光發(fā)射機(jī)、光纖和光接收機(jī)組成。1.光發(fā)射機(jī)：進(jìn)行電/光轉(zhuǎn)換，并用耦合技術(shù)把光信號(hào)最大限度地注入到光纖中進(jìn)行傳輸。光發(fā)射機(jī)由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成；光源器件一般是LED和LD。要求光源的輸出功率大，調(diào)制頻率高。電信號(hào)對(duì)光的調(diào)制：直接調(diào)制、間接調(diào)制（外調(diào)制）。a.直接調(diào)制：是用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流，使輸出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)。

優(yōu)點(diǎn)是成本低，容易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制；b.外調(diào)制：是把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨(dú)立的調(diào)制器對(duì)激光器的輸出光進(jìn)行調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制速率高；缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，成本高。3.光接收機(jī)：把光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號(hào)。光接收機(jī)由光檢測(cè)器、放大器和相關(guān)電路組成，光檢測(cè)器是核心。光檢測(cè)器一般有PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)兩種。2.光纖線路：把來自光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)，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等組成。線路的性能主要由光纖的傳輸特性所決定，要求色散和損耗盡可量小。石英光纖的三個(gè)損耗很小的波長窗口：0.85um、1.31um、1.55um。?

石英光纖在波長1.55um損耗最小，在波長1.31um色散為零；?

通過光纖設(shè)計(jì)，可使零色散波長移到1.55um，制成損耗和色散都最小的色散移位單模光纖；?

設(shè)計(jì)成在1.31um和1.55um之間色散變化不大的色散平坦單模光纖。1.3.2

光纖通信系統(tǒng)的分類1．按傳輸信號(hào)分類（1）數(shù)字光纖通信系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，傳輸質(zhì)量好；可以用再生中繼，傳輸距離長；適合各種業(yè)務(wù)的傳輸，靈活性大；采用密鑰，容易實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的保密通信；易于集成，實(shí)現(xiàn)小型化、微型化，增強(qiáng)可靠性，有利于降低成本。（2）模擬光纖通信系統(tǒng)占用帶寬較窄，電路簡單，價(jià)格便宜等。2．按波長和光纖類型分類（1）短波長（0.85μm左右）多模光纖通信系統(tǒng)（2）長波長（1.31μm）多模光纖通信系統(tǒng)（3）長波長（1.31μm）單模光纖通信系統(tǒng)（4）長波長（1.55μm）單模光纖通信系統(tǒng)