光纤通信系统与网络第1章

1、第1章光纤通信概论 1第第1章光纤通信概论章光纤通信概论 1.1光纤通信发展历程光纤通信发展历程 1.2光纤通信的系统构成光纤通信的系统构成 1.3光纤通信的特点光纤通信的特点 1.4光纤通信新技术光纤通信新技术 第1章光纤通信概论 21.1光纤通信发展历程光纤通信发展历程1.1.1光纤通信的产生与发展光纤通信的产生与发展1.目视光通信目视光通信人类社会发展中的远距离通信的主流是光通信，电气通信的历史不过一百多年。从古埃及、古中国、古希腊和古罗马时代至发明莫尔斯电报的数千年间，远距离通信主要为目视光通信。三千多年前我国周朝就利用烽火台的火光火光传送敌情消息，到了近现代，战争中用信号弹信号弹指挥

2、作战、城市使用信号灯信号灯指挥交通等传递信息的方式均可称为目视光通信。我们现在经常提到的光纤通信与这些简单的视觉光通信完全不同，光纤通信是由光通信逐步发展、演变而来的，是指以光波作载波传送信息是指以光波作载波传送信息的通信方式。的通信方式。 第1章光纤通信概论 32.贝尔的光电话贝尔的光电话1880年，美国人贝尔年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音发明了用光波作载波传送话音的的“光电话光电话”。第1章光纤通信概论 4光话机 原 理 图弧光灯ABMNL送话器缺点：没有理想的光源和传光媒质没有理想的光源和传光媒质,传光距离短可靠性差。传光距离短可靠性差。第1章光纤通信概论 53.激

3、光器大气通信激光器大气通信1960年，美国科学家梅曼（Maiman）发明了红宝石激光器，激光器发出的激光与普通光相比，具有方向性好、亮度高等优点，同时也具有通常无线电波的性质，是一种理想的可以携带信息的光载波。激光器光源的出现，解决了长期以来找不到合适光源的问题，使长期徘徊不前的光通信得以继续向前发展。20世纪60年代初期研究的光通信大多是利用大气传输光波，但大气光波通信不稳定因素很多。主要原因是光波在大气中传输受到大气层中变化无常的气候条件的影响，光波能量损失严重，因此光波在大气层中的传输并不顺利。光波通信的许多优越性激发了人们的热情，驱使人们去进一步探索新的传输介质。 第1章光纤通信概论

4、61960年，美国人梅曼年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器。发明了第一台红宝石激光器。 激光激光(Laser)：激光是一种高度相干光：激光是一种高度相干光，是一种理想的光载波。，是一种理想的光载波。波谱窄波谱窄方向性好方向性好亮度高亮度高频率和相位一致频率和相位一致第一台激光器，输出功率第一台激光器，输出功率为为10 000瓦，发出的激光瓦，发出的激光强度为阳光的强度为阳光的1000万倍。万倍。3.激光器大气通信激光器大气通信第1章光纤通信概论 74.透镜波导光波通信透镜波导光波通信为了不使光波受大气层中各种因素的干扰，人们进行了光波地下传输的各种试验，即透镜波导光波传输系

5、统。透镜波导就是在金属管道内，每隔一定距离放置一个聚焦透镜，使光波在管道中不断地边聚焦边向前传输边聚焦边向前传输，实验是成功的，但由于现场施工十分复杂，对每个透镜或反射镜要进行严格的校准和牢固的安装，系统造价昂贵，调整、测试、维修都很困难，因此实用意义不大。但这项实验对光纤通信的发展还是有贡献的，因为光纤的导光原理与透镜波导光波的原理基本相似，只是光纤导光原理的构思更巧妙、使用更合理。第1章光纤通信概论 8包括：光圈式波导，透镜列阵波导，反射镜列阵波导，气体透镜波导，介质薄模波导，空心金属圆波导及介质表面波导线路。He-Ne激光器进入实用阶段 ，从微波通信转向光通信研究。第1章光纤通信概论 9

6、5.光纤通信的诞生与迅速发展光纤通信的诞生与迅速发展1）光纤的产生1933年出生于上海的英国标准电信研究所的英籍华人高锟（K.C.Kao）博士对光波通信提出了大胆的设想，他认为电可以沿着导电的金属导线远距离传输，光也能沿着可以导光的玻璃纤维传输。1966年，高锟首次提出低损耗光导纤维（简称光纤）的概念，他从理论上预言，如果能消除玻璃中的各种杂质，使光的吸收减到非常小，就可以生产出一种有实用意义的低损耗光纤。在高锟提出的理论指导下，美国康宁公司马勒博士等三人的研究小组，经过大量的研究和试验，终于在1970年8月首次研制出损耗为20dB/km(光波沿光纤传输1km后，光能损耗到原来的1%)的石英光

7、纤。这种光纤直径很小，只有人的头发那么细，并且柔软可绕，它既克服了地下透镜波导存在的问题，又能防止大气对光波的干扰，是一种理想的传输介质。在光纤损耗获得巨大突破的同一年，美国贝尔实验室研制成功了室温下连续振荡的半导体激光器，从此为光纤通信技术的发展创造了更为有利的条件。 第1章光纤通信概论 10 1966年，英籍华裔学者年，英籍华裔学者高锟高锟(C.K.Kao)和和霍克哈姆霍克哈姆(C.A.Hockham) 指出利用光纤指出利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信的基础。光纤通信的基础。石英的

8、损耗石英的损耗1000dB/km玻璃纤维引起光损耗的主要玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质；铁与锰等金属离子和其他杂质；拉制光纤时工艺技术造成了芯、拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀；折射率不均匀；发现一些玻璃纤维在红外光区的发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。损耗较小。5.光纤通信的诞生与迅速发展光纤通信的诞生与迅速发展1）光纤的产生第1章光纤通信概论 112）光纤通信迅速发展1974年贝尔实验室发明了制造低损耗光纤的方法，使光纤损耗下降到1dB/km；而日

9、本电话电报公司研制出了更低损耗的光纤，损耗下降到0.5dB/km。美国于1976年在亚特兰大成功地进行了码速为44.7Mb/s的光纤通信系统试验；日本也于同年开始了64km、32Mb/s光纤通信系统的室内试验。 第1章光纤通信概论 121970 年，美国康宁年，美国康宁(Corning)公司首次研制成功损耗公司首次研制成功损耗20dB/km的石英的石英光纤光纤。 波长为波长为1.55 m的光纤损耗：的光纤损耗： 1979 年年,0.20 dB/km 1984年年, 0.157 dB/km 1986 年年,0.154 dB/km 1972年，年， 4dB/km 1973 年，年，2.5dB/km

10、 1974 年年, 1.1dB/km贝尔实验室贝尔实验室 1976 年，年，0.47dB/km(波长波长1.2m)。2）光纤通信迅速发展第1章光纤通信概论 13 1970 年，光纤通信用的年，光纤通信用的光源光源也取得了实质性的进展。也取得了实质性的进展。 美国贝尔实验室、日本电气公司美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联研制成功室温下连续和前苏联研制成功室温下连续工作的半导体激光器工作的半导体激光器(短波长短波长)。 1973 年，年，7000小时。小时。 1977年，年，10万小时万小时(约约11.4年年)。（4）1976年，美国在年，美国在ATLANTA进行世界第一个光纤通信的进

11、行世界第一个光纤通信的 实验，速率实验，速率44.7M，距离，距离10KM 。随后美国很快敷设了东西干线和南北干线，穿越随后美国很快敷设了东西干线和南北干线，穿越22个州光缆总长达个州光缆总长达5104 km。第1章光纤通信概论 14我国的光纤通信也紧跟世界发展步伐，经过近30年的发展，已建成以“八纵八横”为标志的大容量光缆通信干线传输网，再考虑本地中继光缆线路和接入网光缆线路，目前我国敷设光缆总长度已经超过150万千米。30年的积累不仅打造了传输骨干体系，还为我国营造了一个巨大的光纤光缆产业规模。资料显示，2005年我国共生产、销售光缆1750万芯千米，约占全球生产量的30%，位居世界第一，

12、已成为世界光纤光缆的主要生产基地之一。2006年，全国产销光缆达2000万芯千米。其中，长飞为460万芯千米、亨通为408万芯千米、烽火为280万芯千米，中天、通光、永鼎、奥星都达150万芯千米以上，成康、富通、汇源、特发都达100万芯千米以上。 第1章光纤通信概论 151.1.2光纤通信发展趋势光纤通信发展趋势1.宽带通信业务需求激增、光纤通信向超高速系统发展宽带通信业务需求激增、光纤通信向超高速系统发展光纤产品的大规模采用成为全球宽带通信网络飞速发展的有力基础。网络的扩张网络的扩张又带来全球性传送业务的大增长，这些业务需求包括Internet的蓬勃发展、大量的全球数据传送，以及其他一些不断

13、增长的先进业务。第1章光纤通信概论 16 视频娱乐节目视频娱乐节目：采用速率高达几十兆比特的数字电视，提供同实物一样大的高分辨率、3D、真彩色视频娱乐节目。 可视电话可视电话：全球将有一亿以上的家庭装有带大型3D彩色屏幕的可视电话。视频会议视频会议：通过Internet提供桌面或膝上机的一对一型或组对组型会议电视系统。大量的、即时的、连续的全球数据传送大量的、即时的、连续的全球数据传送：允许几百万大小公司以及部门内部的各个相互连接的高瑞工作站之间进行数据通信。 第1章光纤通信概论 17全球网络全球网络：少数几个全球性的用户到用户通信公司将主宰全球通信市场。这种全球化的过程将通过收购、兼并、合股

14、和新建的方式来完成，而大量地敷设陆地和海底公用（用以出租）光缆为完成这一过程奠定了基础。私营私营全球光网络将迅速发展。采用一个便携式收发信机，以低廉的成本，实现在任何地方、任意时间、对任何人的通信（话音、数据、图像和视频）将变得可行。全球业务全球业务：对共同感兴趣的商务运作的合并过程将继续下去。依赖于通信的主要业务有遍布全球的生产、研发、管理和客户服务。而高带宽的、即时的通信为此打下了基础。随着远程办公形式的大量采用，知识员工的物理位置将彻底发生变化。小型办公小型办公室和家庭办公室的光纤室和家庭办公室的光纤连接将非常普遍。 第1章光纤通信概论 18政府全球化政府全球化：发达国家将更多地通过各种

15、全球合作组织来协调世界经济、军事、人道主义和其他活动。这样的组织有世界贸易组织、国际货币基金会、北美自由贸易联盟、联合国以及北大西洋公约组织等。小用户的作用上升小用户的作用上升：进入21世纪，大型企业、政府和教育机构是光纤通信市场中处于支配地位的用户。数以亿计的全球居民用户现在正拥有自己的光纤连接。竞争将使商用光纤连接更加可靠，通过各种各样的接入方式接入到大楼中去（城区光纤系统、网状环状网络和光交换将首先采用）。第1章光纤通信概论 19网络容量的容量的需求和传输速率传输速率的提高一直是一对主要矛盾。在过去几年中，光纤技术领域取得了大量突破性进展，其中包括10Gb/s网络的全面构建和单根光纤上每

16、秒以太比特容量的成功演示。40Gb/s和80Gb/s网络成功演示进一步突出了速率更高、容量更大的网络优势，为各种各样的新业务，特别是宽带业务和多媒体提供了实现的可能。 第1章光纤通信概论 202.向超大容量向超大容量WDM系统的演进系统的演进光纤的200nm可用带宽资源仅利用了不到1，99的资源尚待发掘。如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在一根光纤上传送，则可大大增加光纤的信息传输容量，这就是波分复用（WDM）的基本思路。波分复用系统发展十分迅速。目前全球实际敷设的WDM系统已超过3000个，而实用化系统的最大容量已达320Gb。美国朗讯公司已宣布推出80个波长的WDM系统，其总容量可达

17、200Gb或400Gb。实验室的最高水平已达到2.6Tb，预计不久商用化系统的容量即可达到1Tb的水平。近年来超大容量超大容量密集波分复用密集波分复用系统的发展是光纤通信发展史上的又一里程碑，不仅开发了无穷无尽的光传输链路的容量，而且也成为IP业务爆炸式发展的催化剂和下一代光传送网灵活光节点的基础。 第1章光纤通信概论 213.实现光联网实现光联网波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量，但基本上是以点到点通信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能的话，无疑将增加新的威力。根据这一基本思路，光的分插复用器分插复用器（OADM）和光

18、的交叉连接光的交叉连接设备（OXC）均已在实验室研制成功，前者已投入商用。鉴于光联网具有潜在的巨大优势，发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行研究，特别是美国国防部预研局（DARPA）资助了一系列光联网项目，如以Be11core为主开发的“光网技术合作计划（ONTC）”，以朗讯公司为主开发的“全光通信网”预研计划，“多波长光网络（MONET）”和“国家透明光网络（NTON）”等，在欧洲和日本，也分别有类似的光联网项目在进行。 第1章光纤通信概论 224.新一代的光纤新一代的光纤传统的G.652单模光纤在适应上述超高速长距离传送网络的发展需要方面已暴露出力不从心的态势，开发新型光纤已成为开发下

19、一代网络基础设施的重要组成部分。为了适应干线网和城域网的不同发展需要，已出现了三种不同的新型光纤，如非零色散光纤（G.655光纤）、低色散三波段光纤（G.656光纤）和无水吸收峰光纤（全波光纤）。目前影响可用波段的主要因素是1385nm附近的水吸收峰，因而若能设法消除这一水峰，则光纤的可用频谱可望大大扩展。全波光纤就是在这种形势下诞生的。 第1章光纤通信概论 235.解决全光网瓶颈的手段解决全光网瓶颈的手段光接入网光接入网过去几年间，网络的核心部分发生了翻天覆地的变化，无论是交换还是传输都已更新了好几代。不久以后，网络的这一部分将成为全数字化的、软件主宰和控制的、高度集成和智能化的网络。而另一

20、方面，现存的接入网中双绞线铜线的模拟系统还有相当比例。两者在技术上的巨大反差说明接入网已确实成为制约全光网进一步发展的瓶颈。目前尽管出现了一系列解决这一瓶颈问题的技术手段，如双绞线上的XDSL系统，同轴电缆上的HFC系统，宽带无线接入系统，但这些都只能算是一些过渡性解决方案，唯一能够根本上彻底解决这一瓶颈问题的长远技术手段是光接入网的全面实现。第1章光纤通信概论 246.IPoverOptical以IP业务为主的数据业务是当前世界信息业发展的主要推动力，因而，能否有效地支持IP业务已成为新技术能否有长远技术寿命的标志。目前，ATM和SDH均能支持IP，分别称为IPoverATM和IPoverS

21、DH。虽然两者各有优势，但从长远看，当IP业务量逐渐增加，需要高于2.4Gb的链路容量时，则有可能最终会省掉中间的SDH层，IP直接在光路上跑，形成十分简单统一的IP网结构（IPoverOptical）。显然，这是一种最简单直接的体系结构，省掉了中间ATM层与SDH层，简化了层次，减少了网络设备；减少了功能重叠，减轻了网管复杂性，特别是网络配置的复杂性；额外的开销最低，传输效率最高；通过业务量工程设计，可以与IP的不对称业务量特性相匹配；还可利用光纤环路的保护光纤吸收突发业务，尽量避免缓存，减少延时；由于省掉了昂贵的ATM交换机和大量普通SDH复用设备，简化了网管，又采用了波分复用技术，其总成

22、本可望比传统电路交换网降低一至二个量级。 第1章光纤通信概论 25三种IP传送技术都将在电信网发展的不同时期和网络的不同部分发挥自己应有的历史作用。但从面向未来的视角看，IPoverOptical将是最具长远生命力的技术。特别是随着IP业务逐渐成为网络的主导业务后，这种对IP业务最理想的传送技术将会成为未来网络特别是骨干网的主导传送技术。 第1章光纤通信概论 267.智能光网络新动向智能光网络新动向随着IP业务的快速增长，对网络带宽的需求变得越来越大。同时，由于IP业务量本身的不确定性和不可预见性，对网络带宽的动态分配需求也亟待解决。因此，能够自动完成网络连接自动完成网络连接的智能光网络应运而

23、生。几年前，美国AT&T公司已经率先在美国全国范围内敷设了连接约100个城市的智能光网络，这个网络由约100台智能光交换机和800多台SONET多业务平台构成。它不仅减少了成本和指配出错机会，使运作流畅，还增加了容量，简化了网络结构层次，极大地缩短了企事业用户的高速电路指配时间，能有效对付网络大故障，快速恢复业务，恢复时间仅为数百毫秒。第1章光纤通信概论 27新一代智能光网络由DWDM加光交换机组光交换机组成，它的核心层设备是光交换机，一个设备便可以综合完成以前几个设备的功能，组网简单，维护方便。此外，智能光网络的特智能光网络的特点是交换粒度小，并具有疏导功能，点是交换粒度小，并具有疏

24、导功能，这两个特点为智能光网络实现任意级联、虚拟容量和网状恢复等奠定了基础。先进智能化光网络系统是建立全球新一代网络及通信服务的骨干，运营商可以建立一个从网络核心到边缘的智能网络。在全球电信业总体低迷的背景下，光交换是其中的一个亮点。智能光网络将成为未来几年传送网发展的重要方向和市场机遇。 第1章光纤通信概论 28从上述光纤通信的几个方面的发展现状与趋势来看，光纤通信进入了又一次蓬勃发展的新高潮。而这一次发展高潮涉及的范围更广，技术更新更难，影响力和影响面也更宽，势必对整个电信网和信息业产生更加深远的影响。它的演变和发展结果将在很大程度上决定电信网和信息业的未来大格局，也将对社会经济发展产生巨

25、大影响。第1章光纤通信概论 291.2光纤通信的系统构成光纤通信的系统构成第一代光纤通信系统：1977年，人们首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验，0.85m波段的多模光纤成为第一代光纤通信系统。第二代光纤通信系统：1981，1.30m多模光纤。第三代光纤通信系统：1984，1.31m单模光纤的通信系统。第四代光纤通信系统：20世纪90年代初期，1.55m单模光纤。第五代光纤通信系统：光波分复用提高速率、光波放大增长传输距离的系统。光纤通信系统由光发送机、光接收机、光纤（光缆）和光中继器构成。光纤通信系统根据系统所使用的光波长、传输信号形式、传输光纤和光接收方式的不同分成各种光纤通信系统。

26、第1章光纤通信概论 301.2.1光纤通信系统的分类光纤通信系统的分类 表表1.1光纤通信系统的分类光纤通信系统的分类 第1章光纤通信概论 311.2.2光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成如图1.1所示。它由光发射端机、光纤或光缆、光中继器和光接收端机四部分组成。 信源电发射机光发射机光中继光接收机电接收机信 宿第1章光纤通信概论 32 光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。统。主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。 光纤通信系统的基本组成

27、光纤通信系统的基本组成(单向传输单向传输) 信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本光纤传输系统光纤线路接 收发 射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出第1章光纤通信概论 33信息源信息源:用户信息转换为原始电信号用户信息转换为原始电信号-基带信号。基带信号。 电发射机电发射机:基带信号转换为适合信道传输的信号。基带信号转换为适合信道传输的信号。 调制调制 PCM 数字复接数字复接电接收机电接收机:电发射机的功能相反，它把接收的电信号转换为基电发射机的功能相反，它把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。带信号，最后由信息宿恢复用户信息。 第1章光纤通信概论 341

28、光发射机光发射机 光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用耦光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。对光源的要求对光源的要求输输出出光光功功率率大大谱谱线线宽宽度度窄窄光光束束发发散散角角小小输输出出功功率率和和波波长长稳稳定定器器件件寿寿命命长长调调制制频频率率足足够够高高 光源：半导体发光二极管光源：半导体发光二极管(LED) 半导体激光器半导体激光器(LD) 动态单纵模分布反馈动态单纵模分布反馈(DFB)激光器。激光器。光发射机由光源、驱动器和调制器组成。第1章光纤通信概论 35调制技术：直接调制（

29、内调制）、间接调制（外调制）调制技术：直接调制（内调制）、间接调制（外调制）特点：技术简单，特点：技术简单， 成本较低，容易实现，但调制速率受激光成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。器的频率特性所限制。光源光源 驱动器驱动器光纤光信号输出电信号输入直接调制（内调制）：用电信号直接调制半导体激光器或发直接调制（内调制）：用电信号直接调制半导体激光器或发光二极光二极 管的驱动电流，使输出光随电信号变化。管的驱动电流，使输出光随电信号变化。第1章光纤通信概论 36激光源激光源调制器调制器驱动和控制驱动和控制电信号输入电信号输入光纤光信号输出间接调制间接调制(外调制外调制)：外调制

30、是把激光的产生和调制分开，用：外调制是把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。特点：调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高。特点：调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高。目前大多数光纤通信系统都采用目前大多数光纤通信系统都采用直接光强调制。直接光强调制。第1章光纤通信概论 372 光纤线路光纤线路 光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变的畸变(失真失真)和衰减传输到光接收机。和衰减传输到光接收机。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤线路由光纤、光纤接头和光

31、纤连接器组成。石英光纤：石英光纤： 阶跃多模光纤阶跃多模光纤渐变多模光纤渐变多模光纤单模光纤单模光纤几十几十MHZ几百几百GHz第1章光纤通信概论 383 光中继器光中继器 光信号在光纤中传输一定距离后，由于受到光纤衰减和色散的影响会产生能量衰减和波形失真。光中继器的主要作用有两个： (1)补偿光的衰减；(2)对波形失真的脉冲进行整形。光中继器光检测器：接收部分光源：发射部分数字：判决再生电路模拟：检波中继方式 分类光电光间接放大光中继器全光中继器第1章光纤通信概论 39 4 光接收机光接收机 光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微

32、弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号（前的电信号（O/E转换）转换）。光检测器：光检测器：PIN光电二极管光电二极管(PIN - PD)、 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD) 响应度高、响应度高、 噪声低和响应速度快。噪声低和响应速度快。检测方式：检测方式： 直接检测：直接把光信号转换为电信号直接检测：直接把光信号转换为电信号 外差检测：本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产外差检测：本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输出中频光信号。生差拍而输出中频光信号。光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成。第

33、1章光纤通信概论 401.3光纤通信的特点光纤通信的特点 1.信息容量巨大信息容量巨大通信技术的进步使电磁波谱的发掘利用扩展到光频段，光的基频为31014Hz，目前光纤通信的频率范围为1.673.751014Hz，对应的波长范围是0.81.7m，属于近红外光区。而从长波开始，包括微波在内直至毫米波的整个电通信可利用的电磁波谱仅为31011Hz，所以用光作载频其理论频带极其宽广，这是光纤通信优于其它通信方式的最显著特点。 第1章光纤通信概论 41以光波长为例：以光波长为例： 光波长（光波长（）光频（光频（v）=光速（光速（c） 当=1550nm时， v =c/=(31014m/s)/(1.55m

34、)21014/s 如果使用十五分之一的波段，即0.1m的波长宽度，对应的频带宽度 v = - c/2 =（31014m/s0.1m）/（1.55m）2 1.21013Hz 第1章光纤通信概论 42若按4kHz一个模拟音频话路所需要的带宽计算，则可以传输3109个模拟话路；若按32kHz一个数字音频话路所需要的带宽计算，则可以传输3.75108个数字话路。数字通信通信质量好，抗干扰能力强，但数字通信占用的频带较模拟通信宽得多，载波电话（模拟通信）一路带宽4kHz，而一路64kb/s的PCM数字话路至少需要带宽32kHz，占用了8个模拟话路。光纤的出现正好适应了数字通信的这一特点，目前多模光纤的带

35、宽可以达到13GHzkm，单模光纤的带宽可以达到THz量级，远超过了电缆的最高传输带宽。 第1章光纤通信概论 43因此，不论是从可利用的光波频段来讲，还是就光纤自身的带宽而言，光纤通信可以利用的频带比任何其他通信方式都宽得多，通信容量非常大，特别适合高速率的数字通信。现在光纤通信使用的频率为10141015Hz数量级，如图1.2所示，比常用的微波频率高104105倍，因而信息容量原则上比微波高出104105倍。光纤可利用的带宽约为50000GHz，频带宽，对于传输各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则无法满足未来宽带综合业务数字网(B-ISDN)发展的需要。现代社会的发展要求通信网传输由高码率

36、的数字音频信号、高速成批数据信号、宽带数字电视信号等组成的信息流时，只有光纤能够担当“信息高速公路”重任。第1章光纤通信概论 442.衰耗极低、传输距离长衰耗极低、传输距离长光纤的传输损耗比长途电缆、同轴电缆、毫米波导管等任何一种线路都低，如图1.2所示，目前单模光纤在1.3m窗口的衰耗约为0.35dB/km，1.55m窗口的衰耗达0.2dB/km，与其相比，同轴电缆对60MHz信号的衰耗为19dB/km，市话电缆对4MHz信号的衰耗为20dB/km。 第1章光纤通信概论 45图1.2各种传输介质损耗特性的比较 第1章光纤通信概论 46光纤不仅衰耗小，而且损耗的频率特性好，光纤传输的机理与电缆

37、有本质区别，要想降低传输损耗，只要尽量降低玻璃中的杂质含量，尽量准确安排光纤横截面的折射率分布就可以了，损耗与光纤横截面的尺寸几乎没有关系，不像电缆那样横截面越小，损耗越大。降低电缆传输损耗的主要方法是减少电阻，减少线间电容，这就意味着增加导体的结构尺寸，增加成本，即使这样也还是不能解决“损耗与传输信号频率的平方根成比例增大”的问题。因为电缆损耗特性除了与横截面有关外，还是频率的增函数，对于信号来说，高频成分和低频成分损耗不同使信号失真，要加线路均衡；对于载波来说，工作频率越高，损耗越大，使传输距离（也称中继距离）越短。10800路载波电话通信或400Mb/s数字通信的中同轴电缆每隔1.6km

38、就得设立中继站。在电缆通信中，通信容量与中继距离是不可调和的矛盾。第1章光纤通信概论 47利用光纤的低衰耗则可以拉长中继距离，例如中同轴电缆在传送400Mb/s信号（10800路电话）时中继距离仅1.6km，而光缆在传送565Mb/s信号时，中继距离可达60km，而且不需进行精密均衡。光纤的损耗低，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达约200千米，由非石英系极低损耗光纤组成的通信系统，其最大中继距离则可达数千甚至数万千米，这对于进行长途传输，特别是越洋通信来讲，对降低海底通信的成本、提高可靠性和稳定性具有特别重要的意义。光纤通信所能达到的大容量和长中继距离水平在电缆通信中是不可能做到的

39、。 第1章光纤通信概论 483.不受电磁干扰影响、信号串扰小，保密性能好不受电磁干扰影响、信号串扰小，保密性能好光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。 第1章光纤通信概论 49电缆是电的良导体，故电磁感应既有外部的也有内部的。在电缆内部，相邻芯线之间电磁场的互相耦合使之可能会产生严重的串话，不管采取多么复杂的绞扭措施也不能完全消除，这种芯线周围的电磁场还使电缆通信很容易被窃听。电缆的外部感应更为严重，自然界的雷电、高压输电线，甚至无线电广播的电磁场都

40、可能对电缆中的信号产生明显的影响，为了消除外部的电磁干扰，金属电缆常配有笨重而昂贵的金属屏蔽层。 第1章光纤通信概论 50光纤是由玻璃制成的，材料的特性使光纤又拥有了一系列的优点：光纤不导电、不导磁，没有电磁感应；光纤的绝缘特性使它对外部电场的干扰“无动于衷”，这对于电气铁道和电力线等强电场附近的通信极为有利；又由于光纤包层以外还有涂覆层，纤芯内传播的光局限于光纤之中，基本不会向外逸出，光缆的周围基本上没有信息能量，在这种情况下，一方面同一根光缆中相邻的各根光纤几乎没有串话现象，另一方面，要想像电通信那样在光纤周围窃听光纤通信的内容几乎是不可能的，若采用光耦合的方法窃听，光端机马上就可以感觉到

41、光能量的减少，并能用仪器测出耦合地点，因此，光纤通信保密性好；同时，光纤中的信号传输没有大地回路，因而不受大地电流或电位差的影响，不会因为短路而损坏两端的设备；光纤不会产生电火花，在易燃、易爆的场所使用比较安全；特别是和金属相比，光纤的耐腐蚀、耐潮湿的能力要更强一些，甚至还能经受核辐射的考验。 第1章光纤通信概论 514.节约有色金属节约有色金属光纤由于材料特点带来的最大好处是可以大量节约有色金属。光纤的原材料资源丰富，其材料主要是石英(二氧化硅)，地球上有取之不尽用之不竭的原材料，而电缆的主要材料是铜，世界上铜的储藏量却并不多，因此，用光纤取代电缆可节约大量的金属材料，具有合理使用地球资源的

42、重大意义。制造100km长的中同轴电缆需要12t铜、50t铝，如果全世界每家都用上电缆传输的电视、电话，即使把地球上所有的铜矿都开采出来，也不足以制造所需要的同轴电缆。而拉制100km长的光纤，只需要1kg高纯度的石英玻璃。另外，制造光纤所必需的能源消耗，与一般的金属电缆相比，估计要低两个数量级左右。光纤通信与传统的通信方式相比，可节省大量铜、铝等金属材料，有利于降低通信系统的成本。从节约能源、资源的角度看，光纤的这个优点是根本性的优点。另外，由于光缆大大延长中继距离而节约的中继设备的费用也是十分可观的。 第1章光纤通信概论 525.尺寸小、重量轻，便于敷设和运输尺寸小、重量轻，便于敷设和运输

43、每千克石英可以拉出一百公里的光纤，光纤的芯径约为0.1mm，它只有单管同轴电缆的1%；光缆的直径也很小，8芯光缆的横截面直径约为10mm，而标准同轴电缆为47mm。反过来，如果允许光缆和电缆一样粗细，则光缆中可容纳的芯线数目要多得多。利用光纤这一特点，使传输系统所占空间小，解决地下管道拥挤的问题，节约地下管道建设投资。此外，光纤的重量轻，光缆的重量比电缆轻得多，例如18管同轴电缆1m的重量为11kg，而同等容量的光缆1m重量只有90g，这对于在飞机、宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信更具有重要意义。另外，表面涂覆的光纤可绕性好，弯曲成直径数毫米的小圈也不至于折断，光纤柔软可绕，容易成束，能得到直

44、径小的高密度光缆。光纤重量轻、可绕性好，使得运输和敷设都比较方便。这些特点使它不仅适用于公用通信，在军事通信中也极为适用，如导弹、舰船、飞机、潜艇通信控制系统等。 第1章光纤通信概论 531.4光纤通信新技术光纤通信新技术1.4.1相干光通信相干光通信 相干光通信系统：把光频段划分为许多频道，从而使光频段得到充分利用，即多信道光纤通信。 相干光接收机：采用如同外差收音机那样，在其内部设置一台本地激光器，稍微改变本地激光器的光频，就可改变所选择的信道。第1章光纤通信概论 54发射端：光匹配器是保证从光调制器输出的已调光波的空间复数幅度分布和单模光纤中的基模HE11之间有尽可能好的匹配，以及已调光

45、波的偏振状态和单模光纤中的本征偏振状态相匹配。 接收端：光匹配器是为了达到光混频器最大可能的混频效率而使接收的光复数振幅和偏振与本振光波相匹配。混频后输出的信号光波场强和本振光波场强之和的平方成正比，从中可选出本振光波与信号光波的差频信号。由于该差频信号的变化规律与信号光波的变化规律相同，而不像直接检波通信方式那样，检测电流只反映光波的强度，因而，可以实现幅度、频率、相位和偏振等各种调制方式。第1章光纤通信概论 55相干光通信系统分为两类： 外差接收系统：当本振光频率和信号光频率之差为一非零值时。 零差接收系统：当本振光波的频率和相位与信号光波的频率和相位相同时。 不管采用何种接收方式，其根本

46、点是外差检测。第1章光纤通信概论 56外差检测相干光通信经光电检波器获得的是中频信号，中频信号还需二次解调才能被转换成基带信号。 根据中频信号的解调方式不同，外差检测又分为：(1)同步解调中：探测器上输出的中频信号通过一个中频带滤波器后分成两路，其中一路用作中频载频恢复，恢复出的中频载波与另一路中频信号进行混频，再由低通滤波器输出基带信号。(2)包络解调：在包络检测器后接一个低通滤波器而直接检测出基带信号。 外差检测相干光通信不要求本振光与信号光之间的相位锁定和光频率严格匹配。第1章光纤通信概论 57光检测器带通基带信号本振光信号光SL低通载波恢复外差同步解调接收机方框图光检测器带通基带信号本

47、振光信号光SL低通包络检波外差异步解调接收机方框图第1章光纤通信概论 58 零差检测相干光通信，光信号经光电检波器后被直接转换成基带信号，而不用二次解调，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。第1章光纤通信概论 59相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混频增益、出色的信道选择性及可调性等特点。与IMCD*2DD系统相比，具有以下独特的优点：(1)灵敏度高，中继距离长。(2)选择性好，通信容量大。(3)可以使用电子学的均衡技术来补偿光纤中光脉冲的色散效应。(4)具有多种调制方式。 第1章光纤通信概论 601.4.2光孤子通信光孤子通信 孤子（Soliton）

48、又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲（其宽度在皮秒级），或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。孤子与其他同类孤立波相遇后，能维持其幅度、形状和速度不变，好像粒子一样，故人们又把它称为孤立子。 光孤子就是这种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。利用光孤子特性可以实现超长距离、超大容量的光通信。第1章光纤通信概论 61光纤的群速度色散：不同频率的光波以不同的速度传播，到达终点的时间也就不同，这便形成脉冲展宽，使得信号畸变失真。 光纤非线性特性：它使脉冲受到压缩变窄。 如果使折射率的非线性变化与群色散效应相平衡，光脉冲会形成一种基本孤子，在反常色散区稳定

49、传输。由此，逐渐产生了新的电磁理论光孤子理论。第1章光纤通信概论 62一束光脉冲包含许多不同的频率成分，频率不同，在介质中的传播速度也不同，因此，光脉冲在光纤中将发生色散，使得脉宽展宽。但当具有高强度的极窄单色光脉冲入射到光纤中时，将产生克尔效应，即介质的折射率随光强而变化，由此导致在光脉冲中产生自相位调制，使脉冲前沿产生的相位变化引起频率降低，脉冲后沿产生的相位变化引起频率升高，于是脉冲前沿比其后沿传播得慢，从而使脉宽变窄。当脉冲具有适当的幅度时，以上两种作用可以恰好抵消，则脉冲可以保持波形稳定不变地在光纤中传输，即形成了光孤子，也称为基阶光孤子。根据理论分析，光孤子在光纤中传输时，尽管各种

50、波长的光波传输速度各不相同，但它们能够以统一整体的状态前进，而且脉冲的宽度不会改变，这样就确保了传输质量。光孤子通信是一种全光非线性通信方案，它完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制，其传输容量比当今最好的通信系统高出12个数量级，中继距离可达几百千米，被认为是最有发展前途的传输方式之一。 第1章光纤通信概论 631.4.3全光通信网全光通信网随着社会的进步，大容量新业务不断涌现，人们对信息量的需求也不断增加，从而使高速带宽综合业务网络成为通信网的发展趋势。但未来的网络技术到底应该采取JP2ATM机制、SDH机制还是基于WDM的全光网技术呢？目前串行电信号传输速率上限为40Gb/s，而一根光纤的容量是150THz。由于受器件工作上限速率40GHz的限制，难以完成高速宽带综合业务的传送和交换处理，会出现带宽“瓶颈”，为了克服电子器件的“瓶颈”，提出了基于WDM的全光网技术。 第1章光纤通信概论 64全光网（AON）的概念是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而其在各网络节点的交换则使用高可靠性、大容量和高度灵活的光交叉连接设备（OXC）。在全光网络中，由于不需要电信号的处理，因而允许存在各种不同的协议和编码形式，对信号的传输具有透明性。 第1章光纤通信概论