第一章光纖通信技術(shù)

光纖通信技術(shù)1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀1.2光纖通信發(fā)展的優(yōu)點(diǎn)1.3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

第一章光纖通信的概述1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀通信是通過(guò)某種媒體進(jìn)行的信息傳遞。

通信是人與人或人與自然之間通過(guò)某種行為或媒介進(jìn)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(wú)論采用何種方法，使用何種媒質(zhì)，將信息從某方準(zhǔn)確安全傳送到另方。

?原始形式的光通信:中國(guó)古代用“烽火臺(tái)”通信烽火臺(tái)又稱烽燧，俗稱烽堠、煙墩、墩臺(tái)。古時(shí)用于點(diǎn)燃煙火傳遞重要消息的高臺(tái)，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(diǎn)火，臺(tái)臺(tái)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(shí)期的光通信

?旗語(yǔ)

在古代是一種主要的通訊方式，現(xiàn)在是世界各國(guó)海軍通用的語(yǔ)言。不同的旗子，不同的旗組表達(dá)著不同的意思。

?紅綠燈

紅燈停，綠燈行

不論是烽火臺(tái)，還是紅綠燈、旗語(yǔ)，它們都是光通信不同形式，但是它們有一個(gè)共同點(diǎn)，就是利用大氣來(lái)傳播可見(jiàn)光，由人眼來(lái)接收。也正因?yàn)槿绱?，我們才?huì)對(duì)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(qiáng)大的光通信，真正強(qiáng)大的光通信應(yīng)該是光纖通信。光纖通信則是單純地依靠光纖作為媒質(zhì)來(lái)傳送信息的通信方式?；」鉄鬉BMNL送話器光話機(jī)原理圖?1880年，美國(guó)人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。貝爾光電話的缺點(diǎn)傳輸媒質(zhì)：大氣的不穩(wěn)定性光源：太陽(yáng)光的不穩(wěn)定性光檢測(cè)器：硅光電池的響應(yīng)問(wèn)題容量：?jiǎn)温饭饫w通信的關(guān)鍵問(wèn)題：1、必須有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì)；2、高可靠、長(zhǎng)壽命的光源及高響應(yīng)的光檢測(cè)器件；3、光測(cè)量及光纖連接技術(shù)；

難題之一:傳輸介質(zhì)

光纖的誕生

理想光傳輸介質(zhì)的尋找透明度很高的石英玻璃絲叫做光學(xué)纖維簡(jiǎn)稱“光纖”內(nèi)窺鏡

一米衰減損耗很大光的損耗程度用每千米的分貝為單位來(lái)衡量的。直到20世紀(jì)60年代，每公里1000分貝以上

光纖的誕生

比較復(fù)雜的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)放棄用玻璃纖維通信希望渺茫??損耗問(wèn)題如何解決？

1.1.2現(xiàn)代光纖通信

指明“通過(guò)原材料的提純制造出適合于長(zhǎng)距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向1966年7月，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)，就有可能使光纖的損耗從每公里1000分貝降低到20分貝／公里，從而有可能用于通信。光纖通信發(fā)明家高錕(左)

1998年在英國(guó)接受IEE（國(guó)際電氣工程師學(xué)會(huì)）授予的獎(jiǎng)?wù)芦@得2009諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)“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

?1970年，美國(guó)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(kāi)發(fā)推向一個(gè)新階段。

標(biāo)志著光纖用于通信有了現(xiàn)實(shí)的可能性光透過(guò)玻璃功率損耗一半（相當(dāng)于3分貝）的長(zhǎng)度：普通玻璃幾厘米高級(jí)光學(xué)玻璃幾米光纖（20dB/Km）150米難題之二:光源?1970年貝爾研究所的林嚴(yán)雄等人研制出能夠在室溫下連續(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(bào)電話公司幾乎同時(shí)研制出壽命達(dá)100萬(wàn)小時(shí)的半導(dǎo)體激光器，從而有了真正實(shí)用的激光器。?1960年，美國(guó)人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器，給光通信帶來(lái)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(jìn)入一個(gè)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(jìn)步，使1970年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑回憶一下——相關(guān)知識(shí)

1．

光波波譜光波是電磁波，光波范圍包括紅外線、可見(jiàn)光、紫外線，其波長(zhǎng)范圍為：300μm～6×10?3μm?？梢?jiàn)光由紅、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(zhǎng)最長(zhǎng)，紫光的波長(zhǎng)最短。波長(zhǎng)再短就是X射線、γ射線。電磁波波譜圖如圖1.1所示。圖1.1電磁波波譜圖

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(zhǎng)在0.8μm～1.8μm之間，屬于紅外波段，將0.8μm～0.9μm稱為短波長(zhǎng)，1.0μm～1.8μm稱為長(zhǎng)波長(zhǎng)，2.0μm以上稱為超長(zhǎng)波長(zhǎng)。各種單位的換算公式如表1-1所示。

表1-1 各種單位的換算公式c＝3×108m/s1MHz（兆赫）＝106Hzλ＝c/f1GHz（吉赫）＝109Hz1μm（微米）＝10?6m1THz（太赫）＝1012Hz1nm（納米）＝10?9m1PHz（拍赫）＝1015Hz1?（埃）＝10?10m

雖然光波和電波都是電磁波，但是頻率差別很大。通信容量和載波頻率成正比，通過(guò)提高載波頻率可以擴(kuò)大通信容量，光波的頻率要比無(wú)線通信頻率高很多，因此通信容量也要增大很多0.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰減（dB/km）第一窗口第二窗口波長(zhǎng)——λ（μm）普通單模光纖的衰減隨波長(zhǎng)變化示意圖6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm

1.571.62L波段

1.2

光纖通信的優(yōu)點(diǎn)

?容許頻帶很寬，傳輸容量很大

?損耗很小，中繼距離很長(zhǎng)且誤碼率很小

?重量輕、體積小

?抗電磁干擾性能好

?泄漏小，保密性能好

?節(jié)約金屬材料，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(duì)于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

1.容許頻帶很寬，傳輸容量很大目前，單波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般為2.5Gb/s和10Gb/s。波分復(fù)用和光時(shí)分復(fù)用極大地增加了傳輸容量。DWDM最高水平為132個(gè)信道，傳輸容量為20Gb/s×132=2640Gb/s。

Gb/S：數(shù)據(jù)傳輸速率1GB=1024KB1KB=1024B波分復(fù)用(WND)：是將兩種或多種不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)（攜帶各種信息）在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器(亦稱合波器，Multiplexer)匯合在一起，并耦合到光線路的同一根光纖中進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)；在接收端，經(jīng)解復(fù)用器(亦稱分波器或稱去復(fù)用器，Demultiplexer)將各種波長(zhǎng)的光載波分離，然后由光接收機(jī)作進(jìn)一步處理以恢復(fù)原信號(hào)。這種在同一根光纖中同時(shí)傳輸兩個(gè)或眾多不同波長(zhǎng)光信號(hào)的技術(shù)，稱為波分復(fù)用。2.損耗小，中繼距離長(zhǎng)中繼站，將衰減了的信號(hào)進(jìn)行放大，然后接著往下傳。石英光纖在1.31μm和1.55μm波長(zhǎng)，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(zhǎng)。

3.重量輕、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(chǎng)的干擾和閃電雷擊的損壞。無(wú)金屬光纜非常適合于存在強(qiáng)電磁場(chǎng)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，保密性能好在光纖中傳輸?shù)墓庑孤┓浅Ｎ⑷?，即使在彎曲地段也無(wú)法竊聽(tīng)。沒(méi)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(lái)源豐富，潛在價(jià)格低廉制造同軸電纜和波導(dǎo)管的銅、鋁、鉛等為金屬材料；而制造光纖的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不盡的材料?？傊?，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(jì)上具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)能力，因此其在信息社會(huì)中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

缺點(diǎn):光纖質(zhì)地脆、彎曲半徑不易過(guò)小、機(jī)械強(qiáng)度低，需要比較好的切割及連接技術(shù)、分路、耦合比較麻煩等1.3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)，包括發(fā)射、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)。

光纖通信系統(tǒng)的三要素：光發(fā)射端機(jī)光接收端機(jī)光纖基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個(gè)組成部分1、光發(fā)送機(jī)組成框圖：光源調(diào)制器通道耦合器電信號(hào)輸入光輸出驅(qū)動(dòng)電路光源光譜特性：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(zhǎng)穩(wěn)定，器件壽命長(zhǎng)。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(hào)對(duì)光的調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式

直接調(diào)制用電信號(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)的。這種方案技術(shù)簡(jiǎn)單，成本較低，容易實(shí)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(kāi)，用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實(shí)現(xiàn)的。外調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制速率高，缺點(diǎn)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.光纖線路

功能：是把來(lái)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)

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(zhǎng)的增加而減小，在0.85μm、1.31μm和1.55μm有三個(gè)損耗很小的波長(zhǎng)“窗口”。

光源激光器的發(fā)射波長(zhǎng)和光檢測(cè)器光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)，都要和光纖這三個(gè)波長(zhǎng)窗口相一致。目前在實(shí)驗(yàn)室條件下，1.55μm的損耗已達(dá)到0.154dB/km，接近石英光纖損耗的理論極限。3、光接收機(jī)功能：（O/E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(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)組成部分：耦合器，光電檢測(cè)器，解調(diào)器組成框圖：電子電路光輸入耦合器光電檢測(cè)器解調(diào)器電信號(hào)輸出檢測(cè)方式：直接檢測(cè)和外差檢測(cè)

1.4光纖通信的應(yīng)用光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。光纖在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)，以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中