第1章 光纖通信概論

第1章光纖通信概論1.1光纖通信發(fā)展歷程1.2光纖通信的系統(tǒng)構(gòu)成1.3光纖通信的特點(diǎn)1.4光纖通信新技術(shù)

1.1光纖通信發(fā)展歷程

1.1.1光纖通信的產(chǎn)生與發(fā)展

1.目視光通信

人類(lèi)社會(huì)發(fā)展中的遠(yuǎn)距離通信的主流是光通信，電氣通信的歷史不過(guò)一百多年。從古埃及、古中國(guó)、古希臘和古羅馬時(shí)代至發(fā)明莫爾斯電報(bào)的數(shù)千年間，遠(yuǎn)距離通信主要為目視光通信。三千多年前我國(guó)周朝就利用烽火臺(tái)的火光傳送敵情消息，到了近現(xiàn)代，戰(zhàn)爭(zhēng)中用信號(hào)彈指揮作戰(zhàn)、城市使用信號(hào)燈指揮交通等傳遞信息的方式均可稱為目視光通信。我們現(xiàn)在經(jīng)常提到的光纖通信與這些簡(jiǎn)單的視覺(jué)光通信完全不同，光纖通信是由光通信逐步發(fā)展、演變而來(lái)的，是指以光波作載波傳送信息的通信方式。

2.貝爾的光電話

1880年貝爾發(fā)明了一種利用光波作載波傳送話音信息的“光電話”，利用太陽(yáng)光或弧光燈作光源，光束通過(guò)透鏡聚焦在話筒的振動(dòng)鏡片上，當(dāng)人對(duì)著話筒說(shuō)話時(shí)，振動(dòng)鏡隨著話音振動(dòng)，從而使反射光的強(qiáng)度隨著話音的變化而變化。接收端設(shè)有一面拋物面反射鏡，把從大氣中傳送來(lái)的隨著話音而變化的光波反射到硅片上，硅片將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，把電流送到?tīng)筒就可以聽(tīng)到發(fā)送端講話的聲音。

貝爾的光電話曾受到人們的關(guān)注和重視，但是由于當(dāng)時(shí)各種技術(shù)條件的限制，這種光電話的傳輸距離很短，實(shí)用意義不大，只能說(shuō)是光通信的雛形。因?yàn)闆](méi)有理想的光源和良好的傳輸介質(zhì)，光通信沉睡了80年。但光電話的發(fā)明的確證明了利用光波作載波傳遞信息的可能性。

3.激光器大氣通信

1960年，美國(guó)科學(xué)家梅曼（Maiman）發(fā)明了紅寶石激光器，激光器發(fā)出的激光與普通光相比，具有方向性好、亮度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有通常無(wú)線電波的性質(zhì)，是一種理想的可以攜帶信息的光載波。激光器光源的出現(xiàn)，解決了長(zhǎng)期以來(lái)找不到合適光源的問(wèn)題，使長(zhǎng)期徘徊不前的光通信得以繼續(xù)向前發(fā)展。

20世紀(jì)60年代初期研究的光通信大多是利用大氣傳輸光波，但大氣光波通信不穩(wěn)定因素很多。主要原因是光波在大氣中傳輸受到大氣層中變化無(wú)常的氣候條件的影響，光波能量損失嚴(yán)重，因此光波在大氣層中的傳輸并不順利。光波通信的許多優(yōu)越性激發(fā)了人們的熱情，驅(qū)使人們?nèi)ミM(jìn)一步探索新的傳輸介質(zhì)。

4.透鏡波導(dǎo)光波通信

為了不使光波受大氣層中各種因素的干擾，人們進(jìn)行了光波地下傳輸?shù)母鞣N試驗(yàn)，即透鏡波導(dǎo)光波傳輸系統(tǒng)。透鏡波導(dǎo)就是在金屬管道內(nèi)，每隔一定距離放置一個(gè)聚焦透鏡，使光波在管道中不斷地邊聚焦邊向前傳輸，實(shí)驗(yàn)是成功的，但由于現(xiàn)場(chǎng)施工十分復(fù)雜，對(duì)每個(gè)透鏡或反射鏡要進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)和牢固的安裝，系統(tǒng)造價(jià)昂貴，調(diào)整、測(cè)試、維修都很困難，因此實(shí)用意義不大。但這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對(duì)光纖通信的發(fā)展還是有貢獻(xiàn)的，因?yàn)楣饫w的導(dǎo)光原理與透鏡波導(dǎo)光波的原理基本相似，只是光纖導(dǎo)光原理的構(gòu)思更巧妙、使用更合理。

5.光纖通信的誕生與迅速發(fā)展

1）光纖的產(chǎn)生

1933年出生于上海的英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信研究所的英籍華人高錕（K.C.Kao）博士對(duì)光波通信提出了大膽的設(shè)想，他認(rèn)為電可以沿著導(dǎo)電的金屬導(dǎo)線遠(yuǎn)距離傳輸，光也能沿著可以導(dǎo)光的玻璃纖維傳輸。1966年，高錕首次提出低損耗光導(dǎo)纖維（簡(jiǎn)稱光纖）的概念，他從理論上預(yù)言，如果能消除玻璃中的各種雜質(zhì)，使光的吸收減到非常小，就可以生產(chǎn)出一種有實(shí)用意義的低損耗光纖。在高錕提出的理論指導(dǎo)下，美國(guó)康寧公司馬勒博士等三人的研究小組，經(jīng)過(guò)大量的研究和試驗(yàn)，終于在1970年8月首次研制出損耗為20dB/km(光波沿光纖傳輸1km后，光能損耗到原來(lái)的1%)的石英光纖。這種光纖直徑很小，只有人的頭發(fā)那么細(xì)，并且柔軟可繞，它既克服了地下透鏡波導(dǎo)存在的問(wèn)題，又能防止大氣對(duì)光波的干擾，是一種理想的傳輸介質(zhì)。在光纖損耗獲得巨大突破的同一年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功了室溫下連續(xù)振蕩的半導(dǎo)體激光器，從此為光纖通信技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了更為有利的條件。

2）光纖通信迅速發(fā)展

1974年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了制造低損耗光纖的方法，使光纖損耗下降到1dB/km；而日本電話電報(bào)公司研制出了更低損耗的光纖，損耗下降到0.5dB/km。美國(guó)于1976年在亞特蘭大成功地進(jìn)行了碼速為44.7Mb/s的光纖通信系統(tǒng)試驗(yàn)；日本也于同年開(kāi)始了64km、32Mb/s光纖通信系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)。

1979年美國(guó)電報(bào)電話公司和日本電話電報(bào)公司研制成功了1.55μm連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器，日本研制出了0.2dB/km的極低損耗石英光纖，同時(shí)進(jìn)行了1.3μm長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。1980年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化FT3光纖通信系統(tǒng)投入商用；1981年日本F[CD*2]32M和F[CD*2]100M光纖通信系統(tǒng)投入商用。1994年1月全球光纜敷設(shè)總長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到5470km，1995年超過(guò)了18000km。我國(guó)的光纖通信也緊跟世界發(fā)展步伐，經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，已建成以“八縱八橫”為標(biāo)志的大容量光纜通信干線傳輸網(wǎng)，再考慮本地中繼光纜線路和接入網(wǎng)光纜線路，目前我國(guó)敷設(shè)光纜總長(zhǎng)度已經(jīng)超過(guò)150萬(wàn)千米。30年的積累不僅打造了傳輸骨干體系，還為我國(guó)營(yíng)造了一個(gè)巨大的光纖光纜產(chǎn)業(yè)規(guī)模。資料顯示，2005年我國(guó)共生產(chǎn)、銷(xiāo)售光纜1750萬(wàn)芯千米，約占全球生產(chǎn)量的30%，位居世界第一，已成為世界光纖光纜的主要生產(chǎn)基地之一。2006年，全國(guó)產(chǎn)銷(xiāo)光纜達(dá)2000萬(wàn)芯千米。其中，長(zhǎng)飛為460萬(wàn)芯千米、亨通為408萬(wàn)芯千米、烽火為280萬(wàn)芯千米，中天、通光、永鼎、奧星都達(dá)150萬(wàn)芯千米以上，成康、富通、匯源、特發(fā)都達(dá)100萬(wàn)芯千米以上。1.1.2光纖通信發(fā)展趨勢(shì)

1.寬帶通信業(yè)務(wù)需求激增、光纖通信向超高速系統(tǒng)發(fā)展

光纖產(chǎn)品的大規(guī)模采用成為全球?qū)拵ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展的有力基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張又帶來(lái)全球性傳送業(yè)務(wù)的大增長(zhǎng)，這些業(yè)務(wù)需求包括Internet的蓬勃發(fā)展、大量的全球數(shù)據(jù)傳送，以及其他一些不斷增長(zhǎng)的先進(jìn)業(yè)務(wù)。

視頻娛樂(lè)節(jié)目：采用速率高達(dá)幾十兆比特的數(shù)字電視，提供同實(shí)物一樣大的高分辨率、3D、真彩色視頻娛樂(lè)節(jié)目?？梢曤娫挘喝?qū)⒂幸粌|以上的家庭裝有帶大型3D彩色屏幕的可視電話。

視頻會(huì)議：通過(guò)Internet提供桌面或膝上機(jī)的一對(duì)一型或組對(duì)組型會(huì)議電視系統(tǒng)。

大量的、即時(shí)的、連續(xù)的全球數(shù)據(jù)傳送：允許幾百萬(wàn)大小公司以及部門(mén)內(nèi)部的各個(gè)相互連接的高瑞工作站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。全球網(wǎng)絡(luò)：少數(shù)幾個(gè)全球性的用戶到用戶通信公司將主宰全球通信市場(chǎng)。這種全球化的過(guò)程將通過(guò)收購(gòu)、兼并、合股和新建的方式來(lái)完成，而大量地敷設(shè)陸地和海底公用（用以出租）光纜為完成這一過(guò)程奠定了基礎(chǔ)。私營(yíng)全球光網(wǎng)絡(luò)將迅速發(fā)展。采用一個(gè)便攜式收發(fā)信機(jī)，以低廉的成本，實(shí)現(xiàn)在任何地方、任意時(shí)間、對(duì)任何人的通信（話音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻）將變得可行。

全球業(yè)務(wù)：對(duì)共同感興趣的商務(wù)運(yùn)作的合并過(guò)程將繼續(xù)下去。依賴于通信的主要業(yè)務(wù)有遍布全球的生產(chǎn)、研發(fā)、管理和客戶服務(wù)。而高帶寬的、即時(shí)的通信為此打下了基礎(chǔ)。隨著遠(yuǎn)程辦公形式的大量采用，知識(shí)員工的物理位置將徹底發(fā)生變化。小型辦公室和家庭辦公室的光纖連接將非常普遍。政府全球化：發(fā)達(dá)國(guó)家將更多地通過(guò)各種全球合作組織來(lái)協(xié)調(diào)世界經(jīng)濟(jì)、軍事、人道主義和其他活動(dòng)。這樣的組織有世界貿(mào)易組織、國(guó)際貨幣基金會(huì)、北美自由貿(mào)易聯(lián)盟、聯(lián)合國(guó)以及北大西洋公約組織等。

小用戶的作用上升：進(jìn)入21世紀(jì)，大型企業(yè)、政府和教育機(jī)構(gòu)是光纖通信市場(chǎng)中處于支配地位的用戶。數(shù)以億計(jì)的全球居民用戶現(xiàn)在正擁有自己的光纖連接。競(jìng)爭(zhēng)將使商用光纖連接更加可靠，通過(guò)各種各樣的接入方式接入到大樓中去（城區(qū)光纖系統(tǒng)、網(wǎng)狀／環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)和光交換將首先采用）。網(wǎng)絡(luò)容量的需求和傳輸速率的提高一直是一對(duì)主要矛盾。在過(guò)去幾年中，光纖技術(shù)領(lǐng)域取得了大量突破性進(jìn)展，其中包括10Gb/s網(wǎng)絡(luò)的全面構(gòu)建和單根光纖上每秒以太比特容量的成功演示。40Gb/s和80Gb/s網(wǎng)絡(luò)成功演示進(jìn)一步突出了速率更高、容量更大的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，為各種各樣的新業(yè)務(wù)，特別是寬帶業(yè)務(wù)和多媒體提供了實(shí)現(xiàn)的可能。

2.向超大容量WDM系統(tǒng)的演進(jìn)

光纖的200nm可用帶寬資源僅利用了不到1％，99％的資源尚待發(fā)掘。如果將多個(gè)發(fā)送波長(zhǎng)適當(dāng)錯(cuò)開(kāi)的光源信號(hào)同時(shí)在一根光纖上傳送，則可大大增加光纖的信息傳輸容量，這就是波分復(fù)用（WDM）的基本思路。波分復(fù)用系統(tǒng)發(fā)展十分迅速。目前全球?qū)嶋H敷設(shè)的WDM系統(tǒng)已超過(guò)3000個(gè)，而實(shí)用化系統(tǒng)的最大容量已達(dá)320Gb。美國(guó)朗訊公司已宣布推出80個(gè)波長(zhǎng)的WDM系統(tǒng)，其總?cè)萘靠蛇_(dá)200Gb或400Gb。實(shí)驗(yàn)室的最高水平已達(dá)到2.6Tb，預(yù)計(jì)不久商用化系統(tǒng)的容量即可達(dá)到1Tb的水平。近年來(lái)超大容量密集波分復(fù)用系統(tǒng)的發(fā)展是光纖通信發(fā)展史上的又一里程碑，不僅開(kāi)發(fā)了無(wú)窮無(wú)盡的光傳輸鏈路的容量，而且也成為IP業(yè)務(wù)爆炸式發(fā)展的催化劑和下一代光傳送網(wǎng)靈活光節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)。

3.實(shí)現(xiàn)光聯(lián)網(wǎng)

波分復(fù)用系統(tǒng)技術(shù)盡管具有巨大的傳輸容量，但基本上是以點(diǎn)到點(diǎn)通信為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，其靈活性和可靠性還不夠理想。如果在光路上也能實(shí)現(xiàn)類(lèi)似SDH在電路上的分插功能和交叉連接功能的話，無(wú)疑將增加新的威力。

根據(jù)這一基本思路，光的分插復(fù)用器（OADM）和光的交叉連接設(shè)備（OXC）均已在實(shí)驗(yàn)室研制成功，前者已投入商用。鑒于光聯(lián)網(wǎng)具有潛在的巨大優(yōu)勢(shì)，發(fā)達(dá)國(guó)家投入了大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行研究，特別是美國(guó)國(guó)防部預(yù)研局（DARPA）資助了一系列光聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，如以Be11core為主開(kāi)發(fā)的“光網(wǎng)技術(shù)合作計(jì)劃（ONTC）”，以朗訊公司為主開(kāi)發(fā)的“全光通信網(wǎng)”預(yù)研計(jì)劃，“多波長(zhǎng)光網(wǎng)絡(luò)（MONET）”和“國(guó)家透明光網(wǎng)絡(luò)（NTON）”等，在歐洲和日本，也分別有類(lèi)似的光聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目在進(jìn)行。

4.新一代的光纖

傳統(tǒng)的G.652單模光纖在適應(yīng)上述超高速長(zhǎng)距離傳送網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要方面已暴露出力不從心的態(tài)勢(shì)，開(kāi)發(fā)新型光纖已成為開(kāi)發(fā)下一代網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。為了適應(yīng)干線網(wǎng)和城域網(wǎng)的不同發(fā)展需要，已出現(xiàn)了三種不同的新型光纖，如非零色散光纖（G.655光纖）、低色散三波段光纖（G.656光纖）和無(wú)水吸收峰光纖（全波光纖）。目前影響可用波段的主要因素是1385nm附近的水吸收峰，因而若能設(shè)法消除這一水峰，則光纖的可用頻譜可望大大擴(kuò)展。全波光纖就是在這種形勢(shì)下誕生的。

5.解決全光網(wǎng)瓶頸的手段——光接入網(wǎng)

過(guò)去幾年間，網(wǎng)絡(luò)的核心部分發(fā)生了翻天覆地的變化，無(wú)論是交換還是傳輸都已更新了好幾代。不久以后，網(wǎng)絡(luò)的這一部分將成為全數(shù)字化的、軟件主宰和控制的、高度集成和智能化的網(wǎng)絡(luò)。而另一方面，現(xiàn)存的接入網(wǎng)中雙絞線銅線的模擬系統(tǒng)還有相當(dāng)比例。兩者在技術(shù)上的巨大反差說(shuō)明接入網(wǎng)已確實(shí)成為制約全光網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。目前盡管出現(xiàn)了一系列解決這一瓶頸問(wèn)題的技術(shù)手段，如雙絞線上的XDSL系統(tǒng)，同軸電纜上的HFC系統(tǒng)，寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)，但這些都只能算是一些過(guò)渡性解決方案，唯一能夠根本上徹底解決這一瓶頸問(wèn)題的長(zhǎng)遠(yuǎn)技術(shù)手段是光接入網(wǎng)的全面實(shí)現(xiàn)。

6.IPoverOptical

以IP業(yè)務(wù)為主的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是當(dāng)前世界信息業(yè)發(fā)展的主要推動(dòng)力，因而，能否有效地支持IP業(yè)務(wù)已成為新技術(shù)能否有長(zhǎng)遠(yuǎn)技術(shù)壽命的標(biāo)志。

目前，ATM和SDH均能支持IP，分別稱為IPoverATM和IPoverSDH。雖然兩者各有優(yōu)勢(shì)，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，當(dāng)IP業(yè)務(wù)量逐漸增加，需要高于2.4Gb的鏈路容量時(shí)，則有可能最終會(huì)省掉中間的SDH層，IP直接在光路上跑，形成十分簡(jiǎn)單統(tǒng)一的IP網(wǎng)結(jié)構(gòu)（IPoverOptical）。顯然，這是一種最簡(jiǎn)單直接的體系結(jié)構(gòu)，省掉了中間ATM層與SDH層，簡(jiǎn)化了層次，減少了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；減少了功能重疊，減輕了網(wǎng)管復(fù)雜性，特別是網(wǎng)絡(luò)配置的復(fù)雜性；額外的開(kāi)銷(xiāo)最低，傳輸效率最高；通過(guò)業(yè)務(wù)量工程設(shè)計(jì)，可以與IP的不對(duì)稱業(yè)務(wù)量特性相匹配；還可利用光纖環(huán)路的保護(hù)光纖吸收突發(fā)業(yè)務(wù)，盡量避免緩存，減少延時(shí)；由于省掉了昂貴的ATM交換機(jī)和大量普通SDH復(fù)用設(shè)備，簡(jiǎn)化了網(wǎng)管，又采用了波分復(fù)用技術(shù)，其總成本可望比傳統(tǒng)電路交換網(wǎng)降低一至二個(gè)量級(jí)。三種IP傳送技術(shù)都將在電信網(wǎng)發(fā)展的不同時(shí)期和網(wǎng)絡(luò)的不同部分發(fā)揮自己應(yīng)有的歷史作用。但從面向未來(lái)的視角看，IPoverOptical將是最具長(zhǎng)遠(yuǎn)生命力的技術(shù)。特別是隨著IP業(yè)務(wù)逐漸成為網(wǎng)絡(luò)的主導(dǎo)業(yè)務(wù)后，這種對(duì)IP業(yè)務(wù)最理想的傳送技術(shù)將會(huì)成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)特別是骨干網(wǎng)的主導(dǎo)傳送技術(shù)。

7.智能光網(wǎng)絡(luò)新動(dòng)向

隨著IP業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求變得越來(lái)越大。同時(shí)，由于IP業(yè)務(wù)量本身的不確定性和不可預(yù)見(jiàn)性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的動(dòng)態(tài)分配需求也亟待解決。因此，能夠自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)連接的智能光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。

幾年前，美國(guó)AT&T公司已經(jīng)率先在美國(guó)全國(guó)范圍內(nèi)敷設(shè)了連接約100個(gè)城市的智能光網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)由約100臺(tái)智能光交換機(jī)和800多臺(tái)SONET多業(yè)務(wù)平臺(tái)構(gòu)成。它不僅減少了成本和指配出錯(cuò)機(jī)會(huì)，使運(yùn)作流暢，還增加了容量，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次，極大地縮短了企事業(yè)用戶的高速電路指配時(shí)間，能有效對(duì)付網(wǎng)絡(luò)大故障，快速恢復(fù)業(yè)務(wù)，恢復(fù)時(shí)間僅為數(shù)百毫秒。新一代智能光網(wǎng)絡(luò)由DWDM加光交換機(jī)組成，它的核心層設(shè)備是光交換機(jī)，一個(gè)設(shè)備便可以綜合完成以前幾個(gè)設(shè)備的功能，組網(wǎng)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。此外，智能光網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是交換粒度小，并具有疏導(dǎo)功能，這兩個(gè)特點(diǎn)為智能光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)任意級(jí)聯(lián)、虛擬容量和網(wǎng)狀恢復(fù)等奠定了基礎(chǔ)。先進(jìn)智能化光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是建立全球新一代網(wǎng)絡(luò)及通信服務(wù)的骨干，運(yùn)營(yíng)商可以建立一個(gè)從網(wǎng)絡(luò)核心到邊緣的智能網(wǎng)絡(luò)。在全球電信業(yè)總體低迷的背景下，光交換是其中的一個(gè)亮點(diǎn)。智能光網(wǎng)絡(luò)將成為未來(lái)幾年傳送網(wǎng)發(fā)展的重要方向和市場(chǎng)機(jī)遇。從上述光纖通信的幾個(gè)方面的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)來(lái)看，光纖通信進(jìn)入了又一次蓬勃發(fā)展的新高潮。而這一次發(fā)展高潮涉及的范圍更廣，技術(shù)更新更難，影響力和影響面也更寬，勢(shì)必對(duì)整個(gè)電信網(wǎng)和信息業(yè)產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。它的演變和發(fā)展結(jié)果將在很大程度上決定電信網(wǎng)和信息業(yè)的未來(lái)大格局，也將對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。 1.2光纖通信的系統(tǒng)構(gòu)成

1977年，人們首次用多模光纖成功地進(jìn)行了光纖通信試驗(yàn)，0.85μm波段的多模光纖成為第一代光纖通信系統(tǒng)。1981年使用1.30μm多模光纖的通信系統(tǒng)為第二代光纖通信系統(tǒng)。1984年實(shí)現(xiàn)了1.31μm單模光纖的通信系統(tǒng)，即第三代光纖通信系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代初期，又實(shí)現(xiàn)了1.55μm單模光纖通信系統(tǒng)，即第四代光纖通信系統(tǒng)。用光波分復(fù)用提高速率、光波放大增長(zhǎng)傳輸距離的系統(tǒng)，為第五代光纖通信系統(tǒng)。

光纖通信系統(tǒng)由光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)、光纖（光纜）和光中繼器構(gòu)成。光纖通信系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)所使用的光波長(zhǎng)、傳輸信號(hào)形式、傳輸光纖和光接收方式的不同分成各種光纖通信系統(tǒng)。1.2.1光纖通信系統(tǒng)的分類(lèi)

表1.1光纖通信系統(tǒng)的分類(lèi)1.2.2光纖通信系統(tǒng)的基本組成

光纖通信系統(tǒng)的基本組成如圖1.1所示。它由光發(fā)射端機(jī)、光纖或光纜、光中繼器和光接收端機(jī)四部分組成。圖1.1光纖通信系統(tǒng)的基本組成1.光發(fā)射端機(jī)

光發(fā)射端機(jī)是電/光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)，主要由兩部分組成：驅(qū)動(dòng)器和光源。光發(fā)射端機(jī)的功能是將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，然后將光信號(hào)耦合到光纖或光纜中傳輸。

光源是光發(fā)射端機(jī)的核心，其性能好壞將對(duì)光纖通信系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響。目前光纖通信系統(tǒng)使用的光源都是由半導(dǎo)體材料制成的，半導(dǎo)體光源分為兩種：發(fā)光管LED和激光管LD。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的是激光，發(fā)光功率大、譜線寬度窄，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫度特性差。半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)出的是熒光，發(fā)光功率不大，譜線寬度寬，但電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜。

2.光纖或光纜

光纖作為傳輸媒介，作用是將發(fā)射端機(jī)光源發(fā)出的光信號(hào)，經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸后耦合到接收端機(jī)的檢測(cè)器，完成信息傳輸任務(wù)。光纖通信使用的光纖通常是由石英玻璃制成的，由纖芯和包層組成。光纖屬于光波導(dǎo)，一般雙向通信時(shí)需要兩根光纖，來(lái)去方向各需要一根光纖傳送光信號(hào)。光纖有許多種分類(lèi)方式，按傳輸模式分，有多模光纖和單模光纖；按折射率分，有突變光纖和漸變光纖等等。不同種類(lèi)的光纖，其傳輸特性也不相同。

為了保護(hù)光纖，在光纖拉絲成型的同時(shí)就在裸光纖上加了一層涂覆層，根據(jù)需要還要另加套塑。同時(shí)，為使光纖能適應(yīng)各種敷設(shè)條件和各種環(huán)境，還需把光纖和其它元件組合起來(lái)制成光纜才能在實(shí)際的工程中使用。

3.光中繼器

含有光中繼器的光纖傳輸系統(tǒng)稱為光纖中繼通信。光信號(hào)在光纖中傳輸一定距離后，由于受到光纖衰減和色散的影響會(huì)產(chǎn)生能量衰減和波形失真。為保證通信質(zhì)量，必須對(duì)衰減和失真達(dá)到一定程度的光信號(hào)及時(shí)進(jìn)行放大和恢復(fù)，光中繼器的主要作用有兩個(gè)：一是補(bǔ)償光的衰減；二是對(duì)波形失真的脈沖進(jìn)行整形。光中繼器主要由光檢測(cè)器、光源和判決再生電路組成。光檢測(cè)器是光中繼器的接收部分；光源是發(fā)射部分；判決再生電路主要指數(shù)字通信系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)常采用檢波中繼方式。

光中繼器分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是光—電—光間接放大光中繼器；另一類(lèi)是全光中繼器。全光中繼技術(shù)是光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。

4.光接收端機(jī)

光接收端機(jī)主要由光電檢測(cè)器和放大器組成。作用是將光纖或光纜傳輸來(lái)的光信號(hào)經(jīng)光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后將這微弱的電信號(hào)經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送入接收端的電端機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

光纖通信使用的光電檢測(cè)器也是由半導(dǎo)體材料制成的，分為PIN光電二極管和APD光電二極管兩種。這兩種光電二極管的主要區(qū)別是：APD光電二極管有雪崩增益，內(nèi)部有光電流放大作用，有時(shí)也稱雪崩光電二極管；PIN光電二極管沒(méi)有增益。但APD光電二極管工作時(shí)需要較高的反向偏壓，并且溫度特性差，為保證輸出穩(wěn)定，需要對(duì)反向偏壓進(jìn)行控制，因此電路比較復(fù)雜。

1.3光纖通信的特點(diǎn)

1.信息容量巨大

通信技術(shù)的進(jìn)步使電磁波譜的發(fā)掘利用擴(kuò)展到光頻段，光的基頻為3×1014Hz，目前光纖通信的頻率范圍為1.67～3.75×1014Hz，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍是0.8～1.7μm，屬于近紅外光區(qū)。而從長(zhǎng)波開(kāi)始，包括微波在內(nèi)直至毫米波的整個(gè)電通信可利用的電磁波譜僅為3×1011Hz，所以用光作載頻其理論頻帶極其寬廣，這是光纖通信優(yōu)于其它通信方式的最顯著特點(diǎn)。以光波長(zhǎng)為例：光波長(zhǎng)（λ）×光頻（v）=光速（c）當(dāng)λ=1550nm時(shí)，v=c/λ=(3×1014μm/s)/(1.55μm)≈2×1014/s如果使用十五分之一的波段，即0.1μm的波長(zhǎng)寬度，對(duì)應(yīng)的頻帶寬度∣△v∣=∣-c△λ/λ2∣ =（3×1014μm/s×0.1μm）/（1.55μm）2 ≈1.2×1013Hz若按4kHz一個(gè)模擬音頻話路所需要的帶寬計(jì)算，則可以傳輸3×109個(gè)模擬話路；若按32kHz一個(gè)數(shù)字音頻話路所需要的帶寬計(jì)算，則可以傳輸3.75×108個(gè)數(shù)字話路。

數(shù)字通信通信質(zhì)量好，抗干擾能力強(qiáng)，但數(shù)字通信占用的頻帶較模擬通信寬得多，載波電話（模擬通信）一路帶寬4kHz，而一路64kb/s的PCM數(shù)字話路至少需要帶寬32kHz，占用了8個(gè)模擬話路。光纖的出現(xiàn)正好適應(yīng)了數(shù)字通信的這一特點(diǎn)，目前多模光纖的帶寬可以達(dá)到1～3GHz·km，單模光纖的帶寬可以達(dá)到THz量級(jí)，遠(yuǎn)超過(guò)了電纜的最高傳輸帶寬。因此，不論是從可利用的光波頻段來(lái)講，還是就光纖自身的帶寬而言，光纖通信可以利用的頻帶比任何其他通信方式都寬得多，通信容量非常大，特別適合高速率的數(shù)字通信?，F(xiàn)在光纖通信使用的頻率為1014～1015Hz數(shù)量級(jí)，如圖1.2所示，比常用的微波頻率高104～105倍，因而信息容量原則上比微波高出104～105倍。光纖可利用的帶寬約為50000GHz，頻帶寬，對(duì)于傳輸各種寬頻帶信息具有十分重要的意義，否則無(wú)法滿足未來(lái)寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN)發(fā)展的需要?，F(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展要求通信網(wǎng)傳輸由高碼率的數(shù)字音頻信號(hào)、高速成批數(shù)據(jù)信號(hào)、寬帶數(shù)字電視信號(hào)等組成的信息流時(shí)，只有光纖能夠擔(dān)當(dāng)“信息高速公路”重任。

2.衰耗極低、傳輸距離長(zhǎng)

光纖的傳輸損耗比長(zhǎng)途電纜、同軸電纜、毫米波導(dǎo)管等任何一種線路都低，如圖1.2所示，目前單模光纖在1.3μm窗口的衰耗約為0.35dB/km，1.55μm窗口的衰耗達(dá)0.2dB/km，與其相比，同軸電纜對(duì)60MHz信號(hào)的衰耗為19dB/km，市話電纜對(duì)4MHz信號(hào)的衰耗為20dB/km。圖1.2各種傳輸介質(zhì)損耗特性的比較光纖不僅衰耗小，而且損耗的頻率特性好，光纖傳輸?shù)臋C(jī)理與電纜有本質(zhì)區(qū)別，要想降低傳輸損耗，只要盡量降低玻璃中的雜質(zhì)含量，盡量準(zhǔn)確安排光纖橫截面的折射率分布就可以了，損耗與光纖橫截面的尺寸幾乎沒(méi)有關(guān)系，不像電纜那樣橫截面越小，損耗越大。降低電纜傳輸損耗的主要方法是減少電阻，減少線間電容，這就意味著增加導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)尺寸，增加成本，即使這樣也還是不能解決“損耗與傳輸信號(hào)頻率的平方根成比例增大”的問(wèn)題。因?yàn)殡娎|損耗特性除了與橫截面有關(guān)外，還是頻率的增函數(shù)，對(duì)于信號(hào)來(lái)說(shuō)，高頻成分和低頻成分損耗不同使信號(hào)失真，要加線路均衡；對(duì)于載波來(lái)說(shuō)，工作頻率越高，損耗越大，使傳輸距離（也稱中繼距離）越短。10800路載波電話通信或400Mb/s數(shù)字通信的中同軸電纜每隔1.6km就得設(shè)立中繼站。在電纜通信中，通信容量與中繼距離是不可調(diào)和的矛盾。利用光纖的低衰耗則可以拉長(zhǎng)中繼距離，例如中同軸電纜在傳送400Mb/s信號(hào)（10800路電話）時(shí)中繼距離僅1.6km，而光纜在傳送565Mb/s信號(hào)時(shí)，中繼距離可達(dá)60km，而且不需進(jìn)行精密均衡。光纖的損耗低，由石英光纖組成的光纖通信系統(tǒng)最大中繼距離可達(dá)約200千米，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(wàn)千米，這對(duì)于進(jìn)行長(zhǎng)途傳輸，特別是越洋通信來(lái)講，對(duì)降低海底通信的成本、提高可靠性和穩(wěn)定性具有特別重要的意義。光纖通信所能達(dá)到的大容量和長(zhǎng)中繼距離水平在電纜通信中是不可能做到的。

3.不受電磁干擾影響、信號(hào)串?dāng)_小，保密性能好

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(yáng)黑子活動(dòng)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。電纜是電的良導(dǎo)體，故電磁感應(yīng)既有外部的也有內(nèi)部的。在電纜內(nèi)部，相鄰芯線之間電磁場(chǎng)的互相耦合使之可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的串話，不管采取多么復(fù)雜的絞扭措施也不能完全消除，這種芯線周?chē)碾姶艌?chǎng)還使電纜通信很容易被竊聽(tīng)。電纜的外部感應(yīng)更為嚴(yán)重，自然界的雷電、高壓輸電線，甚至無(wú)線電廣播的電磁場(chǎng)都可能對(duì)電纜中的信號(hào)產(chǎn)生明顯的影響，為了消除外部的電磁干擾，金屬電纜常配有笨重而昂貴的金屬屏蔽層。光纖是由玻璃制成的，材料的特性使光纖又擁有了一系列的優(yōu)點(diǎn)：光纖不導(dǎo)電、不導(dǎo)磁，沒(méi)有電磁感應(yīng)；光纖的絕緣特性使它對(duì)外部電場(chǎng)的干擾“無(wú)動(dòng)于衷”，這對(duì)于電氣鐵道和電力線等強(qiáng)電場(chǎng)附近的通信極為有利；又由于光纖包層以外還有涂覆層，纖芯內(nèi)傳播的光局限于光纖之中，基本不會(huì)向外逸出，光纜的周?chē)旧蠜](méi)有信息能量，在這種情況下，一方面同一根光纜中相鄰的各根光纖幾乎沒(méi)有串話現(xiàn)象，另一方面，要想像電通信那樣在光纖周?chē)`聽(tīng)光纖通信的內(nèi)容幾乎是不可能的，若采用光耦合的方法竊聽(tīng)，光端機(jī)馬上就可以感覺(jué)到光能量的減少，并能用儀器測(cè)出耦合地點(diǎn)，因此，光纖通信保密性好；同時(shí)，光纖中的信號(hào)傳輸沒(méi)有大地回路，因而不受大地電流或電位差的影響，不會(huì)因?yàn)槎搪范鴵p壞兩端的設(shè)備；光纖不會(huì)產(chǎn)生電火花，在易燃、易爆的場(chǎng)所使用比較安全；特別是和金屬相比，光纖的耐腐蝕、耐潮濕的能力要更強(qiáng)一些，甚至還能經(jīng)受核輻射的考驗(yàn)。

4.節(jié)約有色金屬

光纖由于材料特點(diǎn)帶來(lái)的最大好處是可以大量節(jié)約有色金屬。光纖的原材料資源豐富，其材料主要是石英(二氧化硅)，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(chǔ)藏量卻并不多，因此，用光纖取代電纜可節(jié)約大量的金屬材料，具有合理使用地球資源的重大意義。制造100km長(zhǎng)的中同軸電纜需要12t銅、50t鋁，如果全世界每家都用上電纜傳輸?shù)碾娨暋㈦娫?，即使把地球上所有的銅礦都開(kāi)采出來(lái)，也不足以制造所需要的同軸電纜。而拉制100km長(zhǎng)的光纖，只需要1kg高純度的石英玻璃。另外，制造光纖所必需的能源消耗，與一般的金屬電纜相比，估計(jì)要低兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右。光纖通信與傳統(tǒng)的通信方式相比，可節(jié)省大量銅、鋁等金屬材料，有利于降低通信系統(tǒng)的成本。從節(jié)約能源、資源的角度看，光纖的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)是根本性的優(yōu)點(diǎn)。另外，由于光纜大大延長(zhǎng)中繼距離而節(jié)約的中繼設(shè)備的費(fèi)用也是十分可觀的。

5.尺寸小、重量輕，便于敷設(shè)和運(yùn)輸

光纖的芯徑約為0.1mm，它只有單管同軸電纜的1%；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。反過(guò)來(lái)，如果允許光纜和電纜一樣粗細(xì)，則光纜中可容納的芯線數(shù)目要多得多。利用光纖這一特點(diǎn)，使傳輸系統(tǒng)所占空間小，解決地下管道擁擠的問(wèn)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重量只有90g，這對(duì)于在飛機(jī)、宇宙飛船和人造衛(wèi)星上使用光纖通信更具有重要意義。另外，表面涂覆的光纖可繞性好，彎曲成直徑數(shù)毫米的小圈也不至于折斷，光纖柔軟可繞，容易成束，能得到直徑小的高密度光纜。

光纖重量輕、可繞性好，使得運(yùn)輸和敷設(shè)都比較方便。這些特點(diǎn)使它不僅適用于公用通信，在軍事通信中也極為適用，如導(dǎo)彈、艦船、飛機(jī)、潛艇通信控制系統(tǒng)等。 1.4光纖通信新技術(shù)

1.4.1相干光通信

相干光通信系統(tǒng)可以把光頻段劃分為許多頻道，從而使光頻段得到充分利用，即多信道光纖通信。我們知道無(wú)線電技術(shù)中相干通信具有接收靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，相干光通信技術(shù)同樣具有這個(gè)特點(diǎn)，該技術(shù)的接收靈敏度可比直接檢測(cè)技術(shù)高18dB。同時(shí)，相干光接收機(jī)可以采用如同外差收音機(jī)那樣，在其內(nèi)部設(shè)置一臺(tái)本地激光器，稍微改變本地激光器的光頻，就可改變所選擇的信道。早期，研究相干光通信時(shí)要求采用保偏光纖作傳輸介質(zhì)，因?yàn)楣庑盘?hào)在常規(guī)光纖線路中傳輸時(shí)其相位和偏振面會(huì)隨機(jī)變化，要保持光信號(hào)的相位、偏振面不變就需要采用保偏光纖。但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)，光信號(hào)在常規(guī)光纖中傳輸時(shí)，其相位和偏振面的變化是慢變化，可以通過(guò)接收機(jī)內(nèi)用偏振控制器來(lái)糾正，因此仍然可以用常規(guī)光纖進(jìn)行相干通信，這個(gè)發(fā)現(xiàn)使相干光通信的前景呈現(xiàn)光明。

與強(qiáng)度調(diào)制—直接檢測(cè)系統(tǒng)不同，相干光纖通信系統(tǒng)在光接收機(jī)中增加了外差或零差接收所需的本地振蕩光源，該光源輸出的光波與接收到的已調(diào)光波在滿足匹配條件下，進(jìn)行光電混頻。其中，發(fā)射端的光匹配器是保證從光調(diào)制器輸出的已調(diào)光波的空間復(fù)數(shù)幅度分布和單模光纖中的基模HE11之間有盡可能好的匹配，以及已調(diào)光波的偏振狀態(tài)和單模光纖中的本征偏振狀態(tài)相匹配。接收端的光匹配器是為了達(dá)到光混頻器最大可能的混頻效率而使接收的光復(fù)數(shù)振幅和偏振與本振光波相匹配?；祛l后輸出的信號(hào)光波場(chǎng)強(qiáng)和本振光波場(chǎng)強(qiáng)之和的平方成正比，從中可選出本振光波與信號(hào)光波的差頻信號(hào)。由于該差頻信號(hào)的變化規(guī)律與信號(hào)光波的變化規(guī)律相同，而不像直接檢波通信方式那樣，檢測(cè)電流只反映光波的強(qiáng)度，因而，可以實(shí)現(xiàn)幅度、頻率、相位和偏振等各種調(diào)制方式。根據(jù)本振光波的頻率與信號(hào)光波的頻率是否相等可以將相干光通信系統(tǒng)分為兩類(lèi)：當(dāng)本振光頻率和信號(hào)光頻率之差為一非零值時(shí)，該系統(tǒng)稱為外差接收系統(tǒng)；當(dāng)本振光波的頻率和相位與信號(hào)光波的頻率和相位相同時(shí)，稱為零差接收系統(tǒng)。但不管采用何種接收方式，其根本點(diǎn)是外差檢測(cè)。外差檢測(cè)相干光通信經(jīng)光電檢波器獲得的是中頻信號(hào)，中頻信號(hào)還需二次解調(diào)才能被轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)。根據(jù)中頻信號(hào)的解調(diào)方式不同，外差檢測(cè)又分為同步解調(diào)和包絡(luò)解調(diào)。外差同步解調(diào)中，探測(cè)器上輸出的中頻信號(hào)通過(guò)一個(gè)中頻帶濾波器后分成兩路，其中一路用作中頻載頻恢復(fù)，恢復(fù)出的中頻載波與另一路中頻信號(hào)進(jìn)行混頻，再由低通濾波器輸出基帶信號(hào)。外差包絡(luò)解調(diào)是在包絡(luò)檢測(cè)器后接一個(gè)低通濾波器而直接檢測(cè)出基帶信號(hào)。外差檢測(cè)相干光通信不要求本振光與信號(hào)光之間的相位鎖定和光頻率嚴(yán)格匹配。零差檢測(cè)相干光通信，光信號(hào)經(jīng)光電檢波器后被直接轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)，而不用二次解調(diào)，但它要求本振光頻率與信號(hào)光頻率嚴(yán)格匹配，并且要求本振光與信號(hào)光的相位鎖定。相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混頻增益、出色的信道選擇性及可調(diào)性等特點(diǎn)。與IM[CD*2]DD系統(tǒng)相比，具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

(1)靈敏度高，中繼距離長(zhǎng)。

(2)選擇性好，通信容量大。

(3)可以使用電子學(xué)的均衡技術(shù)來(lái)補(bǔ)償光纖中光脈沖的色散效應(yīng)。

(4)具有多種調(diào)制方式。相干光通信近年來(lái)得到迅速的發(fā)展，特別是對(duì)于超長(zhǎng)波長(zhǎng)(2～10μm)光纖通信來(lái)說(shuō)，相干光通信最具吸引力。因?yàn)樵诔L(zhǎng)波段，由瑞利散射決定的光纖固有損耗將進(jìn)一步大幅度降低(瑞利散射損耗與1/λ4成正比)，故從理論上講，在超長(zhǎng)波段可實(shí)現(xiàn)光纖跨洋無(wú)中繼通信。而在超長(zhǎng)波段，直接探測(cè)接收機(jī)的性能很差，于是相干探測(cè)方式自然而然地成為唯一的選擇了。而且，利用相干檢測(cè)的調(diào)諧選擇性，將大大提高光纖網(wǎng)絡(luò)的功能和靈活性，在本地網(wǎng)和多用戶接入網(wǎng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。相干光通信技術(shù)與光波分復(fù)用、副載波復(fù)用、光放大技術(shù)的密切結(jié)合與互相滲透，將使光纖通信在技術(shù)上發(fā)生根本變化。1.4.2光孤子通信

孤子（Soliton）又稱孤立波，是一種特殊形式的超短脈沖（其寬度在皮秒級(jí)），或者說(shuō)是一種在傳播過(guò)程中形狀、幅度和速度都維持不變的脈沖狀行波。孤子與其他同類(lèi)孤立波相遇后，能維持其幅度、形狀和速度不變，好像粒子一樣，故人們又把它稱為孤立子。孤子這個(gè)名詞首先是在物理的流體力學(xué)中提出來(lái)的。1834年，美國(guó)科學(xué)家約翰·斯科特·羅素觀察到這樣一個(gè)現(xiàn)象：在一條窄河道中，迅速拉一條船前進(jìn)，當(dāng)船突然停下時(shí)，在船頭形成的一個(gè)孤立的水波迅速離開(kāi)船頭，以每小時(shí)14～15km的速度前進(jìn)，而波的形狀不變，前進(jìn)了2～3km才消失，而且兩個(gè)相向而行的孤立波相遇后仍保持原有狀態(tài)，因此他稱這個(gè)波為孤立波。

1895年，卡維特等人對(duì)此進(jìn)行了進(jìn)一步研究，使人們對(duì)孤子有了更清楚的認(rèn)識(shí)，并先后發(fā)現(xiàn)了聲孤子、電孤子和光孤子等現(xiàn)象。它們都能始終保持其波形和速度不變。由于孤子具有這種特殊性質(zhì)，因而它在等離子物理學(xué)、高能電磁學(xué)、流體力學(xué)和非線性光學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用。

1973年，孤立波的觀點(diǎn)開(kāi)始引入到光纖傳輸中。光纖的色散使得不同頻率的光波以不同的速度傳播，這樣，同時(shí)出發(fā)的光脈沖，由于頻率不同，傳輸速度就不同，到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間也就不同，這便形成脈沖展寬，使得信號(hào)畸變失真。而光纖中還有一種非線性特性，它使脈沖受到壓縮變窄。如果使折射率的非線性變化與群色散效應(yīng)相平衡，光脈沖會(huì)形成一種基本孤子，在反常色散區(qū)穩(wěn)定傳輸。由此，逐漸產(chǎn)生了新的電磁理論——光孤子理論，從而把通信引向非線性光纖孤子傳輸系統(tǒng)這一新領(lǐng)域。光孤子就是這種能在光纖中傳播的長(zhǎng)時(shí)間保持形態(tài)、幅度和速度不變的光脈沖。利用光孤子特性可以實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離、超大容量的光通信。一束光脈沖包含許多不同的頻率成分，頻率不同，在介質(zhì)中的傳播速度也不同，因此，光脈沖在光纖中將發(fā)生色散，使得脈寬展寬。但當(dāng)具有高強(qiáng)度的極窄單色光脈沖入射到光纖中時(shí)，將產(chǎn)生克爾效應(yīng)，即介質(zhì)的折射率隨光強(qiáng)而變化，由此導(dǎo)致在光脈沖中產(chǎn)生自相位調(diào)制，使脈沖前沿產(chǎn)生的相位變化引起頻率降低，脈沖后沿產(chǎn)生的相位變化引起頻率升高，于是脈沖前沿比其后沿傳播得慢，從而使脈寬變窄。當(dāng)脈沖具有適當(dāng)?shù)姆葧r(shí)，以上兩種作用可以恰好抵消，則脈沖可以保持波形穩(wěn)定不變地在光纖中傳輸，即形成了光孤子，也稱為基階光孤子。根據(jù)理論分析，光孤子在光纖中傳輸時(shí)，盡管各種波長(zhǎng)的光波傳輸速度各不相同，但它們能夠以統(tǒng)一整體的狀態(tài)前進(jìn)，而且脈沖的寬度不會(huì)改變，這樣就確保了傳輸質(zhì)量。光孤子通信是一種全光非線性通信方案，它完全擺脫了光纖色散對(duì)傳輸速率和通信容量的限制，其傳輸容量比當(dāng)今最好的通信系統(tǒng)高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，中繼距離可達(dá)幾百千米，被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的傳輸方式之一。1.4.3全光通信網(wǎng)

隨著社會(huì)的進(jìn)步，大容量新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，人們對(duì)信息量的需求也不斷增加，從而使高速帶寬綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)成為通信網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。但未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)到底應(yīng)該采取[JP2]ATM機(jī)制、SDH機(jī)制還是基于WDM的全光網(wǎng)技術(shù)呢？目前串行電信號(hào)傳輸速率上限為40Gb/s，而一根光纖的容量是150THz。由于受器件工作上限速率40GHz的限制，難以完成高速寬帶綜合業(yè)務(wù)的傳送和交換處理，會(huì)出現(xiàn)帶寬“瓶頸”，為了克服電子器件的“瓶頸”，提出了基于WDM的全光網(wǎng)技術(shù)。全光網(wǎng)（AON）的概念是指用戶與用戶之間的信號(hào)傳輸與交換全部采用光波技術(shù)，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過(guò)程都在光域內(nèi)進(jìn)行，而其在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的交換則使用高可靠性、大容量和高度靈活的光交叉連接設(shè)備（OXC）。在全光網(wǎng)絡(luò)中，由于不需要電信號(hào)的處理，因而允許存在各種不同的協(xié)議和編碼形式，對(duì)信號(hào)的傳輸具有透明性。在全光網(wǎng)中，高性能路由器通過(guò)光分插復(fù)用器OADM或WDM耦合器直接連至WDM光纖，光纖內(nèi)各波長(zhǎng)是鏈路層互連的。高性能路由器取代傳統(tǒng)的基于電路交換概念的ATM和SONET/SDH電交換與復(fù)用設(shè)備，成為關(guān)鍵的統(tǒng)計(jì)復(fù)用設(shè)備，用作主要的交換/選路設(shè)備，由它控制波長(zhǎng)接入、交換、選路和保護(hù)。因此，全光網(wǎng)是一個(gè)