光纤光学-第9专题

第5章光纤通信技术光纤通信是一种“光通信”，以激光为信息载体，以光纤为传输介质的通信方式。依据光波的传播媒质可将光通信划分为。大气通信—以空气作为传播媒质；海水通信—以水作为传播媒质;光纤通信一以光纤作为传播媒质．这三种光通信方式覆盖陆、海、空,构成了现代社会信息传输的新框架。其中，光纤通信作为一项陆地有线光通信技术，自上世纪70年代后期发展以来，历经多年实现了由实验室研究向市场应用的转换，并得到迅猛发展，已开始逐步取代陆地有线电通信而成为公认的最具发展前途的通信工具.光纤通信系统——光纤发展简史

早期的光通信原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。1880年，贝尔发明了第一个光电话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。

贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，遇到下雨下雪天也有影响。光纤通信 在大气光通信受阻之后，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。在这个时期，美国麻省理工学院利用He–Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验。

由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(OpticalFiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。

预测“通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向。光纤通信发明家高锟(左)

1998年在英国接受IEE授予的奖章1970年，光纤研制取得了重大突破1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。1973年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47dB/km(波长1.2μm)。在以后的10年中，波长为1.55μm的光纤损耗：

1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。

1970年，光纤通信用光源取得了实质性的进展1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973年，半导体激光器寿命达到7000

小时。1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3μm的铟镓砷磷(InGaAsP)

激光器。

1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。

1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为

1.55μm的连续振荡半导体激光器。

由于光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。1980年制出低衰减光纤，在1550nm的衰减系数为0.20dB/km接近理论值。与此同时，开发出适用于长波长的光源：激光器、发光管、光检测器。成缆、无源器件、测试仪表等技术日趋成熟。

光纤通信系统——光纤发展简史1981年以后，世界各发达国家将光通信技术大规模推入商用。历经近20年，光纤通信速率由1978年地45Mbit/s提高到目前地40Gbit/s。我国自70年代初就已开始了光通信技术研究，1977年，武汉邮科院研制出中国第一根多模光纤，其在850nm地衰减系数为300dB/km。1979年建立了用多模短波长光纤进行的8Mbt/s、5.7km室内通信系统。光纤通信系统——光纤发展简史1987年底，建成第一个国产长途光通信系统，由武汉－荆州，全长约250km，传输34Mbit/s。1988年起，国内光纤通信系统的应用由多模光纤转为单模光纤。1991年，完成了第一条全国产化140Mbit/s合肥－芜湖长途直埋单模光纤光缆线路，全长150km。1993年建立全国产化上海至无锡的大容量565Mbit/s高速系统。1997年以后，部分厂家研制出622Mbit/s、2.5Gbit/s及其波分复用系统。

到如今，光纤通信已经发展到以采用光放大器(OpticalAmplifier，OA)增加中继距离和采用波分复用(WavelengthDivisionMultiplexing，WDM)增加传输容量为特征的第四代系统。迄今为止，光纤通信系统的发展已经经历了第一、二、三代变化，正在进入第四、五代．第一代光纤通信系统采用的是短波长0.85μm光电器件和多模光纤.第二代光纤通信系统采用了长波长1.31μm光电器件，使多模光纤损耗由3．5dB／km降到了0．5dB／km，从而使无中继距离得到延长．第三代光纤通信系统又引入单模光纤，使光纤的色散大幅度下降，无中继距离达到40km；

第四代光纤通信系统中出现了长波长1．55μm光电器件，在这一波长处光纤的损耗降到0.2dB／km，而且可以通过采用单频激光管及使光纤“色散移位”来使光纤色散降至零，从而使通信系统性能得到进一步改善；第五代光纤通信系统尚处于实验室研究阶段，其主要标志是从常规通信方式转移至其它新兴通信方式，例如相干光通信、光放大通信、光孤子通信以及全光通信等等,这些新兴的通信技术将有可能使未来的通信系统出现根本性变革．

光源光纤，损耗标志第一代850nmLEDMMF,3.6dB/km几十Mbit/s,几十km第二代1310nmLED,LDMMF,0.5dB/km140Mbit/s,20~50km第三代1310nmLED,LDSMF,0.5dB/km50km第四代1550nmLDSMF,0.2dB/km2.5Gbit/s,80km未来1550nmLDSMF,0.2dB/km相干光通信光纤通信系统的发展

本章首先介绍在光纤通信系统中应用的各种光电器件的基本原理和性能．然后简要论述光纤通信的基本原理以及各种光纤通信系统，最后对光纤通信的未来发展进行分析和展望．光纤通信的主要特性

光纤通信的优点1.光纤的容量大光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统，其载波—光波具有很高的频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信容量。与电通信相比，光纤通信的优点之一是其带宽宽，从而载荷和传输信息的容量大．从理论上讲，光纤的带宽可达40THz以上，可容纳107路的4MHz视频通路或1010路的4kHz音频话路(相当于100亿人可同时通过一根光纤通话)，传输码速可达40Tb／s(可将一个特大图书馆的全部图书信息用一根光纤在20秒内传送完毕)2.损耗低、中继距离长 光纤通信的另一优点是其传输损耗小．无中继距离长．利用光纤传输４００Mb／s的数字信号，无中继距离可达４０km甚至120km；而同轴电缆的无中继距离仅为1．6km.目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低得多，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得多。3.抗电磁干扰能力强由于光纤是由纯度较高的玻璃（二氧化硅）材料制成的，是不导电和无电感的，因此它不受电磁干扰。正是由于这样，电缆通信中常见的串话现象，在光纤通信中就不存在了。同时不会干扰其它的通信设备或测试设备。4.无串话、保密性强光在光纤中传播时，几乎不向外辐射。因此在同一光缆中，数根光纤之间不会相互干扰，即不会产生串话，也难以窃听，所以光纤通信和其它通信方式相比有更好的保密性。

5.线径细、重量轻由于光纤的直径很小，只有0.125mm左右，因此制成光缆后，直径要比相同容量的电缆小得多，而且重量也轻。这样在长途干线或市内干线上，空间利用率高，而且便于铺设。6.资源丰富、节约有色金属和原材料现有的通信线路是由铜、铝、铅等金属材料制成的，从目前的地质调查情况来看，世界上金属的储藏量有限，有人估计，按现有的开采速度，铜的储藏量只能再开采50年。而光纤的原材料是石英，在地球上资源丰富，而且用很少的原材料就可以拉制很长的光纤。随着光纤通信技术的推广应用，将会节约大量的有色金属材料，对合理使用地球资源有一定的战略意义。7.光纤接头不放电、不产生电火花这一优点使得光纤通信在矿井下、石油化工、军火仓库等易燃易爆的环境中能发挥更重要的作用。

8.抗化学腐蚀由于光纤取材于石英，因此具有一定的抗化学腐蚀能力。光纤通信具有的上述优点使之成为当今世界上的主要通信手段之一。当然光纤本身也有缺点，如光纤质地跪、机械强度低；要求比较好的切断、连接技术；分路、耦合比较麻烦等。但这些问题随着技术的不断发展，都是可以克服的。光纤通信的缺点 事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点。1.光纤弯曲半径不宜过小,抗拉强度低2.光纤的切断和连接操作技术要求较高,光纤连接困难3.光纤怕水4.分路、耦合操作繁琐

光纤通信系统的组成和分类

光纤通信系统的组成 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。其中电端机(收、发部分)为常规的电子通信设备。

光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介(信道)，将光信号由一处送到另一处中继器分为电中继器和光中继器(光放大器)两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。光纤通信系统的分类 根据调制信号的类型，光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。 根据光源的调制方式，光纤通信系统可以分为直接调制光纤通信系统和间接调制光纤通信系统。

根据光纤的传导模数量，光纤通信系统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤通信系统。 根据系统的工作波长，光纤通信系统可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤通信系统和超长波长光纤通信系统。光纤通信基本知识

光纤的传光原理

构成光纤的材料是石英纤维（SiO2）;光纤由内芯和包层组成，芯的折射率略大于包层，利用光在内芯的折射或在芯与包层界面上的全反射实现光的传播。n1n2n1SIFGIF

光纤通信基本知识

光纤基本类型

阶跃型多模光纤（Step-IndexFiber,SIF）：光线以折射形状沿纤芯轴线方向传播，存在多条路径，并有较大的时延差，因而信号畸变大。渐变型多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）：光线以曲线形状沿纤芯轴线方向传播，各条路径时延差较小，因而信号畸变较小。单模光纤（Single-ModeFiber,SMF：纤芯很细，光线以直线形状沿纤芯轴线方向传播，只有一种传播模式，信号畸变很小。相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤

三种基本类型的光纤(a)阶跃型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。单模光纤用在大容量长距离的系统。光纤通信基本知识

多模光纤中的光线阶跃折射率光纤中的光线渐变折射率光纤中的光线光纤通信基本知识

阶跃折射率光纤中的光线子午光线和空间光线。2．子午光线的数值孔径光纤通信基本知识

渐变折射率光纤中的光线

1．GI光纤中的于午光线与空间光线

由于渐变型多模光纤折射率分布是径向坐标r的函数，纤芯各点数值孔径不同，所以要定义局部数值孔径NA(r)和最大数值孔径NAmax

2.局部数值孔径和最大数值孔径它说明光纤截面上各点的数值孔径不同，折射率越大NA越大，一般说来纤芯轴上折射率n(０)＝no最大。定义该点的NA为最大数值孔径光纤通信基本知识

渐变折射率光纤中的光线

光纤通信基本知识

阶跃折射率光纤中的标量模

波动方程---直角坐标系下的分量形式---亥姆霍兹方程---利用这些方程求出了平板波导的解。在光纤中再采用直角坐标系是不方便的，显然应该来用圆柱坐标系。光纤通信基本知识

分离变量电矢量与磁矢量分离:

可得到只与电场强度E(x,y,z,t)有关的方程式及只与磁场强度H(x,y,z,t)有关的方程式；时、空坐标分离:

亥姆霍兹方程，是关于E(x,y,z)和H(x,y,z)的方程式；空间坐标纵、横分离：波导场方程，是关于E(x,y)和H(x,y)的方程式；边界条件：在两种介质交界面上电磁场矢量的E(x,y)和H(x,y)切向分量要连续。电磁场横向分量的完整表达式光纤通信基本知识

单模工作条件单模条件:单模光纤尺寸:单模光纤截止波长:单模光纤截止频率:光纤通信基本知识

光纤基本参数相对折射率差 相对折射率差是表示纤芯和包层折射率差异程度的参数，其物理含义是表示把光封闭在光纤中的难易程度。

光纤的损耗用损耗系数来表示，定义为每千米光功率损耗的分贝数。光纤通信基本知识

光纤基本参数光纤通信基本知识

光缆光缆的结构与分类光缆的基本结构光纤通信基本知识

光纤传输特性传输损耗，由材料吸收和杂质散射等因素引起。有三个低损耗窗口：（1）0.85μm附近，损耗2~4dB/km;（2）1.31μm附近，损耗约0.5dB/km;（3）1.55μm附近，损耗约0.2dB/km。色散（Dispersion）：一般包括材料色散、模式色散、波导色散等，引起接收的信号脉冲展宽，从而限制了信息传输速率。中继器间距受损耗限制和色散限制。光纤通信“窗口”（低损耗波长）：短波长窗口：850nm

第一长波长窗口：1310nm

第二长波长窗口：1550nm光纤通信基本知识

实用光纤标准G.651：GIF型光纤，适用于中小容量和中短距离；G.652：常规单模光纤，第一代SMF，在波长1.31μm处色散为零，传输距离只受损耗限制，适用于大容量传输；G.653：色散移位光纤，第二代SMF，在波长1.55μm色散为零，损耗小，适用于大容量长距离传输G.654：1.55μm损耗最小的SMF，1.31μm处色散为零；G.655：非零色散光纤，是新一代的SMF，适用于波分复用系统，提供更大的传输容量。光纤通信系统的基本组成光纤通信：以光纤为传输媒质，以光波为载波，实现信息传输。光纤通信传输系统的基本组成光纤线路光源光调制器光检测器基带处理基带处理基带电信号基带电信号调制电信号解调电信号已调光信号光发射机光接收机光发射机

光源对通信用光源的要求如下：

(1)发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85μm，1.3lμm和1.55μm附近。光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。

(2)电／光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发射光束的方向性要好，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之间的耦合效率。

(3)允许的调制速率要高或响应运度要快，以满足系统的大传输容量的要求。

(4)器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好，可靠性高，寿命长。

(5)此外，还要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。光源：目前，在光纤通信系统获得应用的光源器件有两种，即发光二极管LED和激光二极管LD

发光二极管（LED）：自发辐射，输出光功率小，谱宽，稳定，长寿命（107），价低，适用于小容量、短距离传输系统。激光二极管（LD）：受激辐射，输出光功率大，谱窄，波长稳定，长寿命（105至106），价高，适用于大容量、长距离传输系统。光源

发光二极管(LED)发光二极管（LED）：LED是一种自发辐射茧光器件．具有结构简单、温度灵敏度低、输出功率稳定、使用寿命长且成品率高、价格便宜等优点。其电流、功率曲线(P—I曲线)呈线性，有利于高速模拟调制．LED的缺点是：光谱宽(不宜于长途传输)．功率低且发散角大(可耦合进光纤中的光功率很小)，这就决定了它一般只适合于短距离的模拟光纤通信系统应用．图5.11LED的P-I特性光源

激光二极管(LD)

激光二极管（LD）：受激辐射，输出光功率大，谱窄，波长稳定，长寿命（105至106），价高，适用于大容量、长距离传输系统LD的基本构成包括三部分“具有高增益的半导体有源介质．提供光学反馈的谐振腔(由一对平行解理面构成)和提供泵浦的电流源．LD输出受激辐射的激光，其P—I曲线出现阈值．由于存在阈值现象，整体线性不如LED。其发散角与LED相比有很大改善，输出功率也大为提高(光纤耦合输出功率可以提高1-2个数量级)，因此在长距离高速通信系统中一律采用LD作光源．图5.13LD的P-I特性光发射机

光调制器1.光调制方式分类(1)按照光源与调制信号的关系分类 根据光源与调制信号的关系，可以将光源的调制方式分为直接调制方式和外部(或间接)调制方式。所谓直接调制方式，是指直接将调制信号施加在光源上来完成光源参数的调制过程。(2)按照已调制信号的性质分类 根据已调制信号的性质，可以将光源的调制方式分为模拟调制方式和数字调制方式。模拟调制方式是指已调制信号属于模拟信号，这种调制方式主要包括强度调制方式、振幅调制方式等。数字调制方式是指已调制信号属于数字信号，这种调制方式主要包括幅移键控调制方式、频移键控调制方式及相移键控调制方式等。

光发送机构成 一般地，光发送机主要由光源、驱动电路及辅助电路等构成。光接收机光检测器的功能：光信号的解调（O/E）光检测器的类型：PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）光接收机的灵敏度取决于噪声特性（包括光检测器的噪声和电放大器的噪声）和误码率指标APD是有增益的光电二极管适用于灵敏度要求较高的场合，但需采用复杂的温度补偿电路，故成本高；在灵敏度要求不高的场合，宜采用PIN管。光