第九章光纤通信技术—1

1、第第9 9章章 光纤通信技术光纤通信技术 光纤通信技术是光纤应用技术的一个重要应用方向，它是以光纤技术、激光技术和光电集成技术为基础而发展起来的。光纤通信是以光纤作为传输媒介、光波为载频的一种先进的通信手段。即利用近红外区域波长1000nm左右的光波作为信息的载波信号，把电话、电视、数据等电信号调制到光载波上，再通过光纤传输信息的一种通信方式。光纤通信具有许多独特的优点，所以光纤一经问世，就以科技史上罕见的速度迅速发展而成为有效的通信手段。本章主要介绍了光纤通信的特点、分类和光纤通信系统的基本组成，以及光纤通信网络和光通信的新技术。9.1 9.1 概述概述9.1.1 9.1.1 光纤通信的发展

2、史光纤通信的发展史 由于光波具有极高的频率和极宽的带宽，从而可容纳巨大的通信信息，所以用光波作为载体来进行通信一直是人们几百年来追求的目标。 利用光来传递信息的历史可追溯到几千年前，但长期以来，光通信发展一直很缓慢，直至1960年，梅曼发明了激光器，光通信才进入了实质性发展阶段。但终因当时光通信传输介质不是衰耗过大，就是造价昂贵而无法实用化。 1966年7月，英籍华裔学者高锟博士（K.C.Kao）发表了一篇十分著名的文章，从理论上分析并证明了用光纤作为传输媒体实现光通信的可能性，并科学地预言了制造通信用超低损耗光纤的可行性，即加强原材料提纯，设法降低玻璃纤维中的杂质，加入适当的掺杂剂，可以使光

3、纤的损耗系数降低到20dB/km以下，从而奠定了光纤通信的理论基础。 1970年，美国康宁玻璃公司根据高锟文章的设想，用改进型化学汽相沉积法（MCVD法）研制出当时世界上第一根损耗为20dB/km的超低损耗石英光纤，证明了用当时的科学技术与工艺方法制造超低损耗光纤作为通信的传输介质是大有希望的，即找到了实现低损耗传输光波的理想传输媒介，成为光纤通信发展的里程碑。同年美国贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下连续波工作的砷化镓铝（GaAlAs）异质结半导体激光器，为光纤通信找到了合适的光源器件。从此，便开始了光纤通信迅速发展的时代。 自1970年以后，世界各国对光纤通信的研究倾注了大量的人力与物力

4、，其规模之大、速度之快远远超出了人们的意料，使光纤通信技术取得了极其惊人的进展，为国家信息基础设施提供了宽敞的信息传输通路。 纵观光纤通信的发展过程，可以看到以下几点发展趋势：光载波波长由短波长（0.85m）向长波长（1.31m和1.55m）发展；所采用的光纤由多模光纤向单模光纤发展；通信系统速率由低速率向高速率发展；数字传输系列由准同步数字系列（PDH）向同步数字系列（SDH）发展；光纤通信应用领域遍及市话、长途和接入网；光纤通信新技术、新型器件层出不穷。 此外，在光孤子通信、超长波长通信和相干光通信方面也取得了巨大进展。 总之，光纤通信技术用带宽极宽的光波作为传送信息的载体以实现通信取得了

5、极其惊人的进展。然而，就目前光纤通信而言，其实际应用仅是其潜在能力的2%左右，尚有巨大的潜力等待开发利用。因此，光纤通信技术并未停滞不前，而是在向更高水平、更高阶段发展。9.1.29.1.2光纤通信的特点光纤通信的特点 光纤通信之所以受到人们的极大重视，得到如此迅速的发展，与光纤通信的优越性是分不开的。光纤通信的主要优点有： 传输频带宽，通信容量大，可比微波通信容量提高10万倍。通信系统的通信容量与系统的带宽成正比，带宽通常用载频的百分比表示。如果载波的频率越高，则传输频带越宽，即通信容量就越大。光纤通信用频率很高的光波作为载波，具有很宽的传输频带。理论上讲，一根光纤的带宽能力，可容纳1010

6、路电话，或107路电视，传输数字信号的码速容量为40Tb/s。光纤通信巨大的信息传输能力，使其成为信息传输的主体。 光纤损耗低，中继距离长，适应于远距离传输。由于光纤具有极低的衰耗系数，目前常用的石英光纤在1.31m和1.55m波长的传输损耗分别为0.50dB/km和0.20dB/km以下。配以适当的光发送与光接收设备，可使其中继距离达数百公里以上。因此，光纤通信特别适用于长途一、二级干线通信。中继距离的增加，大大减少了光纤通信系统的中继器使用量，从而使光纤通信系统的总成本降低。 抗电磁干扰能力强，寿命长，环境适应性能好。光纤是一种非金属的介质波导，大多由石英玻璃制成，传输的是光信号，在有强烈

7、电磁干扰的地区和场合中使用，光纤也不会产生感应电压、电流，光纤通信抗电磁干扰能力很强。另外，光纤对恶劣环境有较强的抵抗能力，它比金属电缆更能适应温度变化，而且腐蚀性液体或气体对其影响较小。从而提高了光纤通信系统的使用寿命，一般认为光缆的寿命为2030年。 光缆的尺寸小，质量轻，可绕性强，便于施工维护。光纤芯径一般只有几微米到几十微米，相同容量话路光缆，要比电缆轻90%95%。光缆比电缆占用空间小，故光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空。另外，运输也比电缆方便。 无漏信号和串音，安全可靠，保密性强。光波在光纤中传输时主要被约束在纤芯区域，基本上没有光泄露，很难对光缆进行

8、窃听，因此，它比常用的铜缆保密性强。这也是光纤通信系统对军事应用具有吸引力的又一方面。 工作频带内损耗基本相等，均衡容易。光纤对每一频率成分的损耗几乎是相等的，一般不需在中继站和接收端采取幅度均衡措施。若需要均衡，一般也容易达到要求。 光纤资源丰富，节约有色金属和能源。制造光纤纤芯和包层的主要原料是二氧化硅，它是地球上蕴藏量最丰富的物质，取之不尽，用之不竭，且价格便宜。而电缆主要材料是铜、铝等有色金属，与光纤相比之下稀少，采用光纤后可节省大量的铜材。9.1.39.1.3光纤通信系统简介光纤通信系统简介 一般通信系统由发送机、接收机和信道构成。在发送机端产生信息并将其转换成适合在信道传送的形式。

9、信息通过信道由发送机传送到接收机。目前，全光通信技术尚未成熟，典型的点到点光纤通信系统方框图如图9.1所示，主要由光发送机、光接收机以及光纤信道等几部分组成，若干个点到点光纤通信系统组合构成光纤通信网。图图9.1 9.1 光纤通信系统方框图光纤通信系统方框图 光纤通信系统中所传输的信息包括语音、图像、数据等所有信号源，经光发送端机对信号进行处理将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，经光纤传输，在长途光纤通信系统中，每隔一段距离需设置中继器或光放大器，把经过长距离传输衰变的微弱和畸变的光信号进行放大整形再生后继续传输。而光接收端机则接收光信号，将光信号转变成电信号，并从中提取信息.最后得到对应

10、的语音、图像、数据等信息。 光纤通信系统中要传输的信号可分成数字和模拟两类信号，它们均可以作为光纤通信系统传输的信源。要使光波成为携带信息的载体，必须在发射端用传输信息对光波进行调制，在接收端再把信息从光波中检测出来。然而，由于目前技术水平所限，对光波进行频率调制与相位调制等仍局限在实验室内，尚未达到实用化水平，因此目前实用的光纤通信系统大都采用强度调制与直接检测方式(IM-DD)。又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重，所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。1.光发送机 光发射机是实现电光转换的光纤通信终端设备，主要由调制器、载波源和信号耦合器组成。

11、调制器有两个功能，首先将电信号转换成适合传输的形态，其次将这种信号加载到由载波源产生的载波上。所采用的调制格式有模拟和数字两种不同类型。模拟信号为连续信号，与信源信息的形态类似，模拟调制不需要改变信号形式，但需要适当地放大这个信号，以便有足够的幅度驱动载波源。数字调制所发送离散形式的信息，为了将数字信号加载到载波上，调制器只要在适当的时刻将载波源打开或关闭即可。光纤通信系统中常采用半导体激光器（LD）或发光二极管（LED）作为载波源产生光载波。这两种器件都是通过控制注入电流来工作的，其输出光功率与注入电流有确定的比例关系，可以使输出光功率与来信调制器的输入电流的形状相关，将发送的信息包含在光功

12、率的变化之中。信道耦合器将已调制的光载波耦合到光纤线路中进行传输。2.信道(传输线路) 信道是指光发送机和光接收机之间的传输路径，主要由光纤或光缆、中继器或光放大器、光纤连接器、耦合器等构成。其功能是将光发射端机发出的已调制光信号传输给光接收端机，完成信息传输任务。 在长途光纤通信线路中，由于光纤的损耗和色散等会造成信号的幅度衰减和波形失真，这些衰减和失真随着信号传输距离的延长而增加，因此，每隔一定距离（一般为5070km）就要设置一个中继器或光放大器。光放大器可以放大弱小光信号的功率，为接收机提供足够的功率。中断器（又称再生器）将微弱的并已失真的光信号转换成电信号，然后还原成原来的数字脉冲串

13、，以便进一步传输。中继器只能用在数字系统中，而光放大器则对模拟和数字信号都适用。 在光纤线路中光纤与光纤、光纤与光端机、光纤与中继器、光纤与光放大器的连接耦合以及各路信号的分/合等，都使用光纤连接器、耦合器等无源器件来实现。3.光接收机 光接收端机主要由光电检测器、放大器和信号处理器等组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号经光电检测器转换为电信号，然后，将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平后，再传送给接收端的信号处理器。信号处理器的任务是将调制的电信号再还原成语音、图像、数据等信号，送给用户。4.备用系统与辅助系统 为了确保系统的畅通，通常应设置备用系统，当主系统出现故障时，对人工或自

14、动切换到备用系统上工作，这样就可以保障通信的畅通和正确无误。 辅助系统包括：监控管理系统、公务通信系统、自动倒换系统、告警处理系统、电源供给系统等。9.1.4 9.1.4 光纤通信关键技术光纤通信关键技术 目前，光纤通信已经广泛应用到长途骨干网、城域网和接人网中，在现代电信网中，光纤通信作为现代通信的重要手段之一起着关键的作用。就光纤通信技术本身而言，主要包括：光纤光缆技术、传输技术、光有源器件、光无源器件以及光网络技术等。1 1、光纤光缆技术、光纤光缆技术 光纤技术的进步主要包括两个方面:一是通信系统所用的光纤；二是特种光纤。早期光纤的传输窗口只有三个，即850nm（第一窗口）、1310nm

15、（第二窗口）和1550nm（第三窗口）。近几年相继开发出第四窗口（L波段）、第五窗口（无水峰的全波光纤）以及S波段窗口。这些传输窗口开发成功的巨大意义就在于从12801625nm的广阔的光频范围内，都能实现低损耗、低色散传输，使通信系统传输容量几百倍、几千倍甚至上万倍的增长。 另一方面是特种光纤的开发及其产业化，这是一个相当活跃的领域。特种光纤主要有包括以下几种。（1）有源光纤 有源光纤主要是指掺有稀土离子的光纤。掺杂不同稀土离子的有源光纤应用于不同的工作波段器件的制作，这些掺杂光纤放大器与拉曼（Raman）光纤放大器一起给光纤通信技术带来了革命性的变化。掺杂光纤放大器的显著作用是可以直接放大

16、光信号、延长传输距离。（2）色散补偿光纤（DCF） 色散补偿光纤是利用基模波导色散来获得高的负色散值，在1550nm处，色散值通常在-50200ps/（nmkm）。将这种色散值为负的色散补偿光纤串接入系统中以抵消常规G.652光纤在1550nm波长处和正色散值，从而控制整个系统的色散大小，从而减小误码。为了能在整个波段均匀补偿常规单模光纤的色散，最近又开发出一种既补偿色散又能补偿色散斜率的“双补偿”光纤（DECF）。该光纤的特点是色散斜率之比（RDE）与常规光纤相同，但符号相反，所以更适合在整个波形内的均衡补偿。（3）多芯单模光纤（MCF） 多芯单模光纤是一个共用外包层、内含有多根纤芯、而每根

17、纤芯又有自己的内包层的单模光纤。这种光纤的明显优势是成本较低，生产成本较普通的光纤约低50%。此外，这种光纤可以提高成缆的集成密度，从而也可降低施工成本。 除了以上几种光纤外，近年来还出现了如双包层光纤、光子晶体光纤等特种光纤，这些光纤的出现都为推进光纤技术的发展起到了关键作用。光缆方面的成就主要表现在带状光缆的开发成功及批量化生产。带状光缆是光纤接入网及局域网中必备的一种光缆，目前光缆的含纤数量达千根，有力地保证了接入网的建设。2.2.光有源器件技术光有源器件技术 光纤通信系统中光有源器件的研究与开发一直是最为活跃的领域。激光二极管（LD）直接强度调制已经达到2.5Gb/s的速率，但为了提高

18、频率稳定性和在密集波分复用等系统中的一些特殊应用，外调制技术也在不断应用和发展。光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）性能也在不断发展和提高，一般结构的PIN和APD产品，其相应带宽可达20GHz以上，随着各项技术的发展，结构改进后的PIN和APD增益带宽可以超过100GHz。 除此之外，目前在光电集成器件（OEIC）技术、垂直波面发射激光器（VCSEL）技术、窄带响应可调谐集成光子探测器技术以及基于硅基的异质材料的多量子阱器件与集成（SiGe/SiMQW）等方面也取得了重大成就。3.3.光无源器件技术光无源器件技术 光无源器件种类繁多、功能各异，在光通信系统及光网络虽发挥着关键作用，

19、如连接光波导或光路，控制光的传播方向，控制光功率的分配，控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合、合波与分波、光信道的上/下载与交叉连接等。常用的有光纤活动连接器、光分/合路器、光衰减器和光隔离器等。随着光纤通信技术的发展，相继又出现了许多光无源器件，如环行器、色散补偿器、增益均衡器、光的上/下复用器、光交叉连接器、阵列波导光栅等。按光纤通信技术发展的一般规律来看，当光纤接入网大规模兴建时，将大大推进光无源器件技术的发展，这主要是由于接入网的特点所决定的。4.4.光复用技术光复用技术 光复用技术种类很多，包括时分复用（TDM）技术、波分复用（WDM）技术、频分复用（FDM）技术、空分

20、复用（SDM）技术和码分复用（CDM）技术。其中最为重要的是波分复用（WDM）技术和光时分复用（OTDM）技术。 光复用技术是当今光纤通信技中最为活跃的一个领域，它的技术进步极大地推动了光纤通信事业的发展，给传输技术带来了革命性的变革。波分复用技术当前的商业水平是273个或更多的波长，研究水平是1022个波长（能传输368亿路电话），近期的潜在水平为几千个波长，理论极限约为15000个波长（包括光的偏振模色散复用，OPDM）。OTDM是指在一个光频率上，在不同的时刻传送不同的信道信息。这种复用的速率已达到320Gb/s的水平。若将DWDM与OTDM相结合，则会使复用的容量增加得更大。5.5.光

21、放大技术光放大技术 光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果，它大大地促进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。光放大器主要有三种：光纤放大器、拉曼光放大器以及半导体光放大器。光纤放大器就是在光纤中掺杂稀土离子作为激光活性物质。每一种掺杂剂的增益带宽是不同的。掺铒光纤放大器的增益带较宽，覆盖S、C、L频带；掺铥光纤放大器的增益带是S波段；掺镨光纤放大器的增益带在1310nm附近。而拉曼光放大器则是利用拉曼散射效应制作成的光放大器，拉曼放大是一个分布式的放大过程，即沿整个线路逐渐放大的，其工作带宽几乎不受限制。半导体光放大器（SOA）一般是指行波光放大器，工作原理与

22、半导体激光器相似，其工作带宽是很宽的，但增益幅度稍小一些，制造难度较大。这种光放大器虽已实用，但产量很小。 除此之外，光纤通信技术还有很多其他技术，如光接入技术、孤子复用技术以及光通信路由技术等，这些技术的不断发展和新技术的不断涌现，都极大地提高了光纤通信系统的通信能力，并扩大了光纤通信系统的应用范围。9.1.5 9.1.5 光纤通信的类型与应用光纤通信的类型与应用 光纤通信系统可以根据系统所使用的传输信号形式、传输光的波长和光纤类型以及光接收和发送方式不同进行的分类1.1.按传输信号分类按传输信号分类 数字光纤通信系统。这是目前光纤通信主要的通信方式。数字光纤通信输入采用脉冲编码（PCM）二

23、进制信号，信息由脉冲的“有”和“无”表示，所以噪声不影响传输的质量。而且，数字光纤通信系统采用数字电路，易于集成以减少设备的体积和功耗，转接交换方便，便于与计算机结合等，有利于降低成本。数字通信的优点是，抗干扰性强，传输质量好。中继器采用判决再生技术，消除传输过程中的噪声积累和信号损伤延长传输距离。数字通信的缺点是所占的频带宽。但光纤的带宽比金属传输线要宽许多，弥补了数字通信所占频带宽的缺点。 模拟光纤通信系统。若输入电信号不采用脉冲编码信号的通信系统即为模拟光纤通信系统。模拟光纤通信最主要的优点是占用带宽较窄，电路简单，不需要数字系统中的模/数和数/模转换，所以价格便宜。目前，电视传输广泛采用的模拟通信系统采用调频（FM）或调幅（AM）技术，传输几十至上百路电视。避免了数字电视传输中复杂的编码和解码技术，以及设备价格昂贵等问题。这种系统的缺点是光电变换时噪声较大。在长距离传输时，采用中继器将使噪声积累，故只能