《光纖通信技術(shù)》第一章-緒論

目錄第1章緒論第2章光纖光纜第3章光源與光發(fā)射系統(tǒng)第4章光探測器與光接收系統(tǒng)第5章光無源器件第6章光通信中的光放大器第7章光纖通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)2022/4/4第1章緒論本章內(nèi)容1光纖發(fā)展簡史2光纖通信概念及其特點3光纖通信系統(tǒng)基本構(gòu)成4光纖通信的現(xiàn)狀及光纖發(fā)展趨勢2022/4/4光纖通信的定義指以光作為信息的載體，以光纖（光導(dǎo)纖維）作為傳輸媒質(zhì)來實現(xiàn)通信的方式2022/4/4

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展,世界正走向信息時代，人們需要更寬帶、更高速的大容量通信方式，并要求這種通信方式的傳輸成本不斷降低。

光纖通信則是實現(xiàn)這一目標(biāo)的最理想手段，成為構(gòu)筑信息化時代信息傳輸網(wǎng)的主要通信方式。

光纜是通信網(wǎng)絡(luò)的主流傳輸媒介，這是由光纖本身的良好特性所決定的。2022/4/4光纖發(fā)展簡史

光纖通信是以激光為信息載體，以光纖為傳輸介質(zhì)的通信方式。

光纖通信技術(shù)是近30多年迅猛發(fā)展起來的高新技術(shù)；它的誕生和發(fā)展，給世界通信技術(shù)帶來了劃時代的革命。

1966年美籍華裔科學(xué)家高錕提出光纖通信概念。

1970年美國CORNING公司首次研制出階躍折射率多模光纖，波長630nm處的衰減系數(shù)小于20dB/km。同年，貝爾實驗室研制出室溫下連續(xù)工作的激光器。2022/4/4光纖發(fā)展簡史

1976年發(fā)現(xiàn)光纖的衰減在兩個長波長區(qū)有：1310nm及1550nm兩個窗口。美國西屋電器公司在亞特蘭大進(jìn)行了世界上第一個44.736Mbit/s傳輸110km的光纖通信系統(tǒng)現(xiàn)場試驗。

1980年制出低衰減光纖，在1550nm的衰減系數(shù)為0.20dB/km接近理論值。與此同時，開發(fā)出適用于長波長地光源：激光器、發(fā)光管、光檢測器。成纜、無源器件、測試儀表等技術(shù)日趨成熟。2022/4/4光纖發(fā)展簡史

1981年以后，世界各發(fā)達(dá)國家將光通信技術(shù)大規(guī)模推入商用。歷經(jīng)近20年，光纖通信速率由1978年地45Mbit/s提高到目前地40Gbit/s。

我國自70年代初就已開始了光通信技術(shù)研究，1977年，武漢郵科院研制出中國第一根多模光纖，其在850nm地衰減系數(shù)為300dB/km。

1979年建立了用多模短波長光纖進(jìn)行的8Mbt/s、5.7km室內(nèi)通信系統(tǒng)。2022/4/4光纖發(fā)展簡史

1987年底，建成第一個國產(chǎn)長途光通信系統(tǒng)，由武漢－荊州，全長約250km，傳輸34Mbit/s。1988年起，國內(nèi)光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用由多模光纖轉(zhuǎn)為單模

光纖。1991年，完成了第一條全國產(chǎn)化140Mbit/s合肥－蕪湖長途直埋單模光纖光纜線路，全長150km。1993年建立全國產(chǎn)化上海至無錫的大容量565Mbit/s高速

系統(tǒng)。1997年以后，部分廠家研制出622Mbit/s、2.5Gbit/s及其

波分復(fù)用系統(tǒng)。2022/4/4光纖發(fā)展簡史我國光纖光纜生產(chǎn)企業(yè)：

制棒拉絲成纜：長飛、富通

買棒拉絲：上海朗訊、南京華新藤倉、深圳特發(fā)、成都中住、西古、富通昭和。

光纜生產(chǎn)企業(yè)：接近200家。2022/4/4光纖通信的概念及特點1、光纖通信：光波為載波，光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的通信方式2、光纖通信——優(yōu)點：

頻帶寬，通信容量大。光纖可利用的帶寬約為50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纖通信系統(tǒng)，一對光纖能同時傳輸24192路電話，2.4Gb/s系統(tǒng)，能同時傳輸30000多路電話。頻帶寬，對于傳輸各種寬頻帶信息具有十分重要的意義，否則，無法滿足未來寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN)發(fā)展的需要。損耗低，中繼距離長。目前實用石英光纖的損耗可低于0.2dB/km，比其它任何傳輸介質(zhì)的損耗都低，若將來采用非石英系極低損耗光纖，其理論分析損耗可下降至10-9dB/km。由于光纖的損耗低，所以能實現(xiàn)中繼距離長，由石英光纖組成的光纖通信系統(tǒng)最大中繼距離可達(dá)200多千米，由非石英系極低損耗光纖組成的通信系統(tǒng)，其最大中繼距離則可達(dá)數(shù)千甚至數(shù)萬千米，這對于降低海底通信的成本、提高可靠性和穩(wěn)定性具有特別的意義。

2022/4/4表1.1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(話中繼距離/km1000km內(nèi)中繼器路)/條個數(shù)微波無線電9605020小同軸9604250中同軸180061600光纜19203033光纜14000(1Gb/s)8411光纜6000(445MB/S)13472022/4/4

抗電磁干擾。光纖是絕緣體材料，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽黑子活動的干擾，也不受電氣化鐵路饋電線和高壓設(shè)備等工業(yè)電器的干擾，還可用它與高壓輸電線平行架設(shè)或與電力導(dǎo)體復(fù)合構(gòu)成復(fù)合光纜。無串音干擾，保密性好。光波在光纜中傳輸，很難從光纖中泄漏出來，即使在轉(zhuǎn)彎處，彎曲半徑很小時，漏出的光波也十分微弱，若在光纖或光纜的表面涂上一層消光劑效果更好，這樣，即使光纜內(nèi)光纖總數(shù)很多，也可實現(xiàn)無串音干擾，在光纜外面，也無法竊聽到光纖中傳輸?shù)男畔?。光纖線徑細(xì)、重量輕、柔軟。光纖的芯徑很細(xì)，約為0.1mm，它只有單管同軸電纜的百分之一；光纜的直徑也很小，8芯光纜的橫截面直徑約為10mm，而標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜為47mm。利用光纖這一特點，使傳輸系統(tǒng)所占空間小，解決地下管道擁擠的問題，節(jié)約地下管道建設(shè)投資。此外，光纖的重量輕，光纜的重量比電纜輕得多，例如18管同軸電纜1m的重量為11kg，而同等容量的光纜1m重只有90g，這對于在飛機、宇宙飛船和人造衛(wèi)星上使用光纖通信更具有重要意義。

2022/4/4表1.2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重量比-1)0.426.30.42112665115471直徑/mm截面積比21211519.62022/4/4

光纖的原材料資源豐富，用光纖可節(jié)約金屬材料。光纖的材料主要是石英(二氣化硅)，地球上有取之不盡用之不竭的原材料，而電纜的主要材料是銅，世界上銅的儲藏量并不多，用光纖取代電纜，則可節(jié)約大量的金屬材料，具有合理使用地球資源的重大意義。光纖除具有以上突出的優(yōu)點外，還具有耐腐蝕力強、抗核幅射、能源消耗小等優(yōu)點，其缺點是質(zhì)地脆、機械強度低，連接比較困難，分路、耦合不方便，彎曲半徑不宜太小等。這些缺點在技術(shù)上都是可以克服的，它不影響光纖通信的實用。近年來，光纖通信發(fā)展很快，它已深刻地改變了電信網(wǎng)的面貌，成為現(xiàn)代信息社會最堅實的基礎(chǔ)，并向我們展現(xiàn)了無限美好的未來。2、光纖通信——缺點：光纖彎曲半徑不宜過小光纖的切斷和連接操作技術(shù)要求較高分路、耦合操作繁瑣2022/4/4光纖通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成

通信傳輸網(wǎng)常用的物理媒體——光纖、微波、電纜

以光纖為通信載體，可提供高速往外通道的光纖傳輸網(wǎng)已成為目前通信傳輸網(wǎng)的主要部分。

一個基本的光纖通信系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成：光發(fā)射設(shè)備、光纖光纜、光接收設(shè)備。光發(fā)射機光纖光纜光接收機輸入光電放大輸出調(diào)制光源檢測恢復(fù)電信號電信號2022/4/4光纖通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成光纖信號傳輸實現(xiàn)過程如下：

輸入的電信號即可以是模擬信號，也可以是數(shù)字信號；調(diào)制器將輸入的電信號轉(zhuǎn)換成適合驅(qū)動光源器件的電流信號并用來驅(qū)動光源器件，對光源器件進(jìn)行直接強度調(diào)制，完成電/光變換的功能；光源輸出的光信號直接耦合到傳輸光纖中，經(jīng)一定長度的光纖傳輸后送達(dá)接收端；

在接收端，光電檢測器對輸入的光信號進(jìn)行直接檢波，將光信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，再經(jīng)過放大恢復(fù)等電處理過程，彌補線路傳輸過程中帶來的信號損傷，最后輸出和原始輸入信號相一致的電信號，從而完成整個傳輸過程。2022/4/41.光發(fā)射設(shè)備光發(fā)射機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)射機由光源、驅(qū)動器和調(diào)制器組成，光源是光發(fā)射機的核心。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。2022/4/4光發(fā)射設(shè)備把電信號轉(zhuǎn)換為光信號的過程(簡稱為電/光或E/O轉(zhuǎn)換)，是通過電信號對光的調(diào)制實現(xiàn)的。直接調(diào)制和間接調(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)光二極管的驅(qū)動電流，使輸出光隨電信號變化而實現(xiàn)的。這種方案的優(yōu)點是技術(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。2022/4/4間接調(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。2022/4/4圖1-1兩種調(diào)制方案(a)直接調(diào)制；(b)間接調(diào)制(外調(diào)制)2022/4/4對光參數(shù)的調(diào)制:光強(功率)調(diào)制幅度調(diào)制頻率調(diào)制相位調(diào)制目前大多數(shù)光纖通信系統(tǒng)都采用直接光強調(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。2022/4/42.光纖光纜光纖光纜的功能是把來自光發(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。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。2022/4/4對光纖的基本要求:損耗和色散小，機械特性和環(huán)境特性好.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。2022/4/4單模光纖種類?G.652光纖–即常規(guī)單模光纖，在1310nm波長工作時，理論色散值為零；在1550nm波長工作時，傳輸損耗最低，但色散系數(shù)較大。單通路速率達(dá)到STM-64時，需要采取色散調(diào)節(jié)手段。?G.653光纖–在1550nm波長工作時性能最佳，又稱為色散移位光纖。零色散點從1310nm移至1550nm波長區(qū)。?G.654光纖–截止波長移位的單模光纖，它的設(shè)計重點是降低1550nm波長處的衷減。主要應(yīng)用于需要很長再生段距離的海底光纖通信。?G.655光纖–又稱之為非零色散移位單模光纖，零色散點移至1570nm或1510…1520nm附近，使1550nm處具有一定的色散值。色散受限距離達(dá)數(shù)百公里。可以有效的減少波分復(fù)用系統(tǒng)的四波混頻的影響。2022/4/4光纖的結(jié)構(gòu)?纖芯：折射率較高，用來傳送光；?包層：折射率較低，與纖芯一起形成全反射；?保護(hù)套：強度大，能承受較大沖擊，保護(hù)光纖。纖芯包層保護(hù)套2022/4/43.光接收設(shè)備光接收設(shè)備的功能——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(APD)。-PD)和雪崩光電二極管2022/4/4光接收機把光信號轉(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：直接檢測和外差檢測：直接檢測——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)濟實用，是當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)普遍采用的方式。2022/4/4外差檢測———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。2022/4/4光接收設(shè)備最重要的特性參數(shù)是靈敏度。靈敏度是衡量光接收機質(zhì)量的綜合指標(biāo)，它反映接收機調(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的光電二極管和放大器的噪聲，并受傳輸速率、光發(fā)射機的參數(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)。2022/4/4光纖通信的現(xiàn)狀與發(fā)展光纜工程的現(xiàn)狀

中國在通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中應(yīng)用光纖是從第六個五年計劃期間開始，中國信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，光纖市場平均年增長率高達(dá)20％～30％。

目前，我國已經(jīng)建設(shè)成覆蓋全國的光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)，公共電信光纜網(wǎng)絡(luò)總長度超過430萬公里，光纖總長度超過8000萬公里。已經(jīng)具有年生產(chǎn)通信光纜4000萬芯公里，光纖4000萬公里，年產(chǎn)近2000萬公里光纖預(yù)制棒的生產(chǎn)能力。2022/4/4光纖通信的現(xiàn)狀與發(fā)展光纜工程的現(xiàn)狀

國內(nèi)各大運營商紛紛在規(guī)劃建設(shè)全新的全國骨干光傳輸網(wǎng)絡(luò)。

中國電信建設(shè)以環(huán)狀網(wǎng)為主體的全國高速大容量骨干網(wǎng)；

中國鐵通全面啟動全國網(wǎng)一期工程；

中國聯(lián)通建設(shè)國家級高速骨干網(wǎng)；

中國移動建設(shè)國家干線網(wǎng)和省內(nèi)二級干線網(wǎng)；

中國網(wǎng)通策劃其骨干網(wǎng)絡(luò)的擴展和提速。2022/4/4光纖通信的現(xiàn)狀與發(fā)展光纜工程的現(xiàn)狀

各大運營商的一級干線光纜線路主要施工方式是直埋和簡易塑料管道，省內(nèi)二級干線是直埋、管道與架空幾種形式的結(jié)合，沿高速公路鋪設(shè)塑料管道光纜現(xiàn)己開始采用氣送光纜的敷設(shè)方法。

在本地網(wǎng)的光纜線路中，城市光纜線路的主要施工方法是管道，在農(nóng)村及少數(shù)縣城仍以架空或直埋方式為主。2022/4/42022/4/4光纖通信的現(xiàn)狀與發(fā)展光纖的發(fā)展趨勢

在光纖通信系統(tǒng)為寬帶網(wǎng)絡(luò)提供更高速率、更高可靠性的傳輸鏈路的同時，光纖通信的容量也在不斷擴大。商用時