光纤通信概述

第1章概述第1章概述光通信是20世纪70年代发展起来的通信技术。光通信技术的诞生是通信发展史上的一次革命性进步，促进了人类社会向信息化社会的发展。光通信技术主要涉及光信号的产生、传输、检测以及组网技术。本章将简要介绍光通信的发展与特点，光纤通信系统的组成等。第1章概述1.1光纤通信的发展历程1.2光纤通信的特点与应用1.3光纤通信系统的分类与组成1.1光纤通信的发展历程光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式光纤通信技术是近40年来迅猛发展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革我国的高速骨干网络、城市环网已经建成并不断发展，光纤已经开始进入办公室和家庭，在信息社会里，光纤网络将无处不在一、早期的光通信直到20世纪60年代，电通信在通信领域都处于绝对统治地位一般来说，传送信息的总量与载波的工作频率直接相关，提高载波频率在理论上可以增加传输带宽，通常也就可以提高信息传输容量一、早期的光通信通信应用的电磁频谱一、早期的光通信电磁波频谱中，一个重要的部分是光频区域以光波形式实现信息传输一般不是通过对载波的频率调制完成的，而是通过改变光波的光功率来实现的光波的传输可以采用大气信道和导波信道一、早期的光通信早在1880年，贝尔就研制成功了光学电话大气作为光通道一、早期的光通信地下光波通信的实验反射波导透镜波导建设成本极高没有实用价值二、光纤通信技术的发展现代意义的光通信系统两个关键问题：一是合适的光源；二是理想的传光媒介20世纪初就由德拜提出光学纤维波导中传输一直到60年代，用当时最好的光学玻璃做成的光学纤维其损耗也高达1000dB/km二、光纤通通信技术的的发展1966年年，英籍华华裔学者高高锟（C.K.Kao））和霍克哈哈姆（C.A.Hockham））发表了关关于传输介介质新概念念的论文玻璃纤维引引起光损耗耗的主要原原因是其中含有过过量的铬、、铜、铁与与锰等金属属离子和其其它杂质其次是拉制制光纤时工工艺技术造造成了芯、、包层分界界面不均匀匀及其所引引起的折射射率不均匀匀还发现一些些玻璃纤维维在红外光光区的损耗耗较小二、光纤通通信技术的的发展1970年年美国的康康宁玻璃公公司（CorningGlassWork）拉出了了第一根损损耗为20dB/km的光纤它的意义在在于：使光光纤通信可可以和同轴轴电缆通信信竞争二、光纤通通信技术的的发展1970年年，光纤通通信用的光光源也取得得了实质性性进展室温下连续续振荡的镓镓铝砷（GaAlAs）双异异质结半导导体激光器器（短波长长）重大意义在在于为半导导体激光器器的发展奠奠定了基础础二、光纤通通信技术的的发展1972年年，康宁公公司高纯石石英多模光光纤（同时时允许多个个方向的光光线在其中中传送的光光纤）损耗耗降低到4dB/km1973年年，美国贝贝尔（Bell）实实验室取得得了更大成成绩，光纤纤损耗降低低到2.5dB/km1974年年降低到1.1dB/km1976年年，日本电电报电话（（NTT））公司等单单位将光纤纤损耗降低低到0.47dB/km（（波长1.2um）。二、光纤通通信技术的的发展在以后的10年中，，波长为1550nm的光纤纤损耗：1979年年是0.20dB/km1984年年是0.157dB/km1986年年是0.154dB/km，接近了了光纤最低低损耗的理理论极限二、光纤通通信技术的的发展1973年年，半导体体激光器寿寿命达到7000小小时1977年年，贝尔实实验室研制制的半导体体激光器寿寿命达到10万小时时（约11.4年））1976年年日本电报报电话公司司研制成功功发射波长长为1.3um的的铟镓砷磷磷（InGaAsP）激光器器1979年年美国电报报电话（AT&T））公司和日日本电报电电话公司（（NTT））研制成功功发射波长长为1.55um的连续振振荡半导体体激光器二、光纤通通信技术的的发展1970年年成为光纤通信发发展的一个重要里里程碑二、光纤通通信技术的的发展光纤通信的的发展可以以粗略地分分为三个阶阶段第一阶段（（1966~1976年），，这是从基基础研究到到商业应用用的开发时时期第二阶段（（1976~1986年），，这是以提提高传输速速率和增加加传输距离离为研究目目标和大力力推广应用用的大发展展时期第三阶段（（1986~1996年），，这是以超超大容量超超长距离为为目标、全全面深入开开展新技术术研究的时时期二、光纤通通信技术的的发展第一阶段（（1966~1976年）以1976年美国在在亚特兰大大（Atlanta）进行的的世界上第第一个实用用光纤通信信系统的现现场试验为为标志，光光纤通信开开始走向实实用化第一代系统统工作在850nm附近，，多模光纤纤作传输介介质采用GaAs为基础础材料制成成的激光器器作光源，，硅材料制制成的光检检测器速率在45~140Mb/s之间，，传输距离离约10km二、光纤通通信技术的的发展第二阶段（（1976~1986年）工作波长从从850nm（短短波长）移移至1310nm（长波长长）光纤也从多多模发展到到单模长途干线的的传输速率率为140~565Mb/s的单模模光纤通信信系统，无无中继传输输距离为10~50km二、光纤通通信技术的的发展第三阶段（（1986~1996年）实现了1550nm色散移移位单模光光纤通信系系统色散位移光光纤1988年年，第一条条横跨大西西洋TAT-8海底底光缆通信信系统1989年年第一条横横跨太平洋洋TPC-3/HAW-4海海底光缆通通信系统1989年年，，ITU-T制制定定了了155Mb/s、、622Mb/s、、2.5Gb/s等等SDH速速率率标标二、、光光纤纤通通信信技技术术的的发发展展第四四代代系系统统光放放大大器器（（OA，，OpticalAmplifier））增增加加中中继继距距离离波分分复复用用（（WDM，，WavelengthDivisionMultiplexing））增增加加传传输输容容量量10Gb/s、、40G系系统统也也已已商商用用化化三、、我我国国光光纤纤通通信信的的发发展展1987年年前前在在市市话话中中继继线线路路上上应应用用光光纤纤通通信信1987年年开开始始在在长长途途干干线线上上应应用用光光纤纤通通信信，，铺铺设设了了多多条条省省内内二二级级光光缆缆干干线线从1988年年起起，，我我国国的的光光纤纤通通信信系系统统由由多多模模向向单单模模发发展展1998年年12月月，，贯贯穿穿全全国国的的““八八纵纵八八横横””光光纤纤骨骨干干网网建建成成，，网网络络覆覆盖盖全全国国省省会会以以上上城城市市和和70%的的地地市市，，全全国国长长途途光光缆缆达达到到20万万千千米米1.2光光纤纤通通信信的的特特点点与与应应用用光纤纤通通信信主主要要用用于于骨骨干干网网通通信信和和城城市市环环网网通通信信等等诸诸多多方方面面，，并并且且向向接接入入网网延延伸伸，，这这是是和和其其显显著著的的特特点点分分不不开开的的一、、光光纤纤通通信信的的优优点点速率率高高，，传传输输容容量量大大单模模光光纤纤的的带带宽宽可可以以达达到到几几十十G/s损耗耗低低，，传传输输距距离离远远石英英光光纤纤损损耗耗为为0.2dB/km（（1550nm窗窗口口））和和0.35dB/km（（1310nm窗窗口口））抗干干扰扰能能力力强强，，保保密密性性好好光纤纤是是非非金金属属材材料料，，它它不不会会受受到到电电磁磁干干扰扰光纤纤的的外外泄泄光光能能很很少少，，难难以以窃窃听听一、、光光纤纤通通信信的的优优点点重量量轻轻，，敷敷设设方方便便在传传输输相相同同信信息息量量时时，，光光缆缆的的质质量量为为电电缆缆质质量量的的1/30~1/10施工工时时可可以以采采用用与与电电缆缆相相同同的的敷敷设设技技术术进进行行敷敷设设耐腐腐蚀蚀，，寿寿命命长长石英英玻玻璃璃耐耐腐腐蚀蚀光纤纤接接头头处处不不产产生生放放电电、、没没有有火火花花光纤纤具具有有更更适适应应环环境境变变化化的的能能力力光纤纤通通信信的的特特点点事物物都都是是一一分分为为二二的的，，光光纤纤通通信信有有许许多多优优点点，，因因而而发发展展很很快快，，但但光光纤纤通通信信也也有有以以下下缺缺点点：：抗拉拉强强度度低低光纤纤连连接接困困难难光纤纤怕怕水水二、、光光纤纤通通信信的的应应用用通信信网网主要要用用于于电电信信网网中中的的语语音音和和数数据据传传输输计算算机机局局域域网网和和广广域域网网如光光纤纤以以太太网网、、路路由由器器之之间间的的高高速速传传输输链链路路等等有线线电电视视网网如有有线线电电视视的的干干线线和和分分配配网网、、工工业业电电视视系系统统的的监监控控、、自自动动控控制制系系统统的的数数据据传传输输等等综合合业业务务的的光光纤纤接接入入网网实现现用用户户的的（（大大））宽宽带带接接入入，，光光纤纤是是理理想想的的选选择择1.3光光纤纤通通信信系系统统的的分分类类与与组组成成光纤纤通通信信系系统统可可以以传传送送数数字字信信号号或或模模拟拟信信号号传送送的的信信息息可可以以是是语语音音、、数数据据、、图图像像、、视视频频等等多多媒媒体体业业务务一、、光光纤纤通通信信系系统统的的分分类类光纤纤通通信信系系统统有有多多种种不不同同的的应应用用形形式式，，可可以以按按照照不不同同分分类类方方法法进进行行分分类类1．．按按照照传传输输信信号号类类型型分分2．．按按照照光光波波长长和和光光纤纤类类型型分分3．．按按照照调调制制方方式式分分1．．按按照照传传输输信信号号类类型型分分光纤纤模模拟拟通通信信系系统统用模模拟拟电电信信号号对对光光源源强强度度调调制制，，即即传传输输的的是是模模拟拟信信号号如广广播播电电视视节节目目、、工工业业和和交交通通监监控控信信号号等等光纤纤数数字字通通信信系系统统采用用PCM电电信信号号对对光光源源强强度度调调制制，，即即传传输输的的是是数数字字信信号号如长长途途骨骨干干网网、、城城市市环环网网等等2．．按按照照光光波波长长和和光光纤纤类类型型分分短波波长长（（850nm））多多模模光光纤纤通通信信系系统统通常常速速率率低低于于34Mb/s，，中中继继距距离离在在10km内内。。长波波长长（（1310nm））多多模模光光纤纤通通信信系系统统速率率可可以以达达到到140Mb/s，，中中继继距距离离20km。。长波波长长（（1310nm））单单模模光光纤纤通通信信系系统统速率率为为140Mb/s，，中中继继距距离离为为30~50km。。长波波长长（（1550nm））单单模模光光纤纤通通信信系系统统速率率可可以以达达到到565Mb/s以以上上，，中中继继距距离离可可达达70km3．．按按照照调调制制方方式式分分直接接强强度度调调制制光光纤纤通通信信系系统统采用用电电信信号号直直接接对对光光源源强强度度调调制制，，在在接接收收端端用用光光检检测测器器直直接接检检测测目前前实实用用的的光光纤纤通通信信系系统统主主要要采采用用这这类类调调制制方方式式，，其其速速率率已已达达10Gb/s外调调制制光光纤纤通通信信系系统统在光光源源发发出出光光后后，，在在光光的的输输出出通通路路上上外外加加调调制制器器（（如如电电光光晶晶体体等等））对对光光载载波波调调制制高速速系系统统4．．其其它它分分类类方方式式公用用光光纤纤通通信信系系统统和和专专用用光光纤纤通通信信系系统统PDH光光纤纤通通信信系系统统和和SDH光光纤纤通通信信系系统统二、、光光纤纤通通信信系系统统的的基基本本组组成成主要要组组成成部部分分包包括括光纤纤光发发送送器器光接接收收器器光中中继继器器适当当的的接接口口设设备备二、、光光纤纤通通信信系系统统的的基基本本组组成成光发发送送机机的的作作用用是是将将电电信信号号转转换换为为光光信信号号（（E/O变变换换）），，并并将将生生成成的的光光信信号号注注入入光光纤纤光发发送送机机一一般般由由驱驱动动电电路路、、光光源源和和调调制制器器构构成成，，其其核核心心是是光光源源常用用的的光光源源有有半半导导体体激激光光器器和和半半导导体体发发光光二二极极管管二、、光光纤纤通通信信系系统统的的基基本本组组成成光接收收机的的作用用是将将光信信号转转换为为电信信号，，通常常有放放大、、再生生等功功能光接收收机由由光检检测器器、放放大器器和相相关电电路组组成光－电电信号号的转转换由由光检检测器器完成成，广广泛使使用的的有PIN光电电二极极管和和雪崩崩光电电二极极管（（APD））二、光光纤通通信系系统的的基本本组成成光纤线线路是是光信信号的的传输输媒介介，包包括光光纤、、光纤纤接头头和光光纤连连接器器要求光光纤的的传输输衰减减和色色散尽尽可能能小目前使使用的的光纤纤均为为石英英光纤纤，其其损耗耗－波波长特特性中中有三三个低低损耗耗区（（三个个窗口口）850nm2dB/km1310nm0.4dB/km1550nm0.2dB/km二、光光纤通通信系系统的的基本本组成成远距离离的光光纤通通信系系统还还需要要采用用光中中继机机，实实现光光信号号的中中继传传输目前使使用的的石英英光纤纤有多多模光光纤和和单模模光纤纤单模光光纤的的传输输性能能较好好，因因此在在大容容量、、长距距离的的光纤纤传输输系统统中都都采用用单模模光纤纤二、光光纤通通信系系统的的基本本组成成比较常常见的的光纤纤有G.651光纤纤（渐渐变折折射率率多模模光纤纤）G.652光纤纤（常常规单单模光光纤））G.653光纤纤（色色散位位移光光纤））G.654光纤纤（低低损耗耗光纤纤）G.655光纤纤（非非零色色散位位移光光纤））三、光光纤通通信的的支撑撑技术术从1976年光光纤通通信实实用化化以来来，其其通信信容量量发展展迅速速，这这主要要得益益于下下列支支撑技技术的的发展展光纤光源SDH传输输体制制光放大大器WDM复用用技术术全光网网络1．光光纤光纤是是构建建光传传输网网的传传输媒媒介，，目前前使用用的通通信光光纤都都是石石英光光纤光纤的的主要要传输输特性性是它它的损损耗、、色散散等，，光信信号在在注入入光纤纤后，，由于于损耗耗和色色散，，会导导致信信号随随距离离的增增加而而产生生连续续的衰衰减和和失真真多模光光纤只只能用用于短短距离离、低低速率率的传传输系系统1984年年单模模光纤纤取代代多模模光纤纤作为为长距距离的的光纤纤通信信系统统的传传输媒媒介2．光光源和和光检检测器器光纤通通信采采用的的光源源是半半导体体光源源，如如半导导体发发光二二极管管（LED）和和半导导体激激光器器（LD））半导体体发光光二极极管是是基于于自发发辐射射发光光机理理的发发光器器件，，是非非相干干光源源如局域域网中中半导体体激光光器是是基于于光的的受激激辐射射放大大机理理的发发光器器件，，是相相干光光源，，相干干光源源具有有很好好的单单色性性和方方向性性高速率率、长长距离离的光光纤通通信2．光光源和和光检检测器器光检测测器将将收到到的极极其微微弱并并有所所失真真的光光信号号转换换为电电信号号最主要要的指指标参参数是是接收收灵敏敏度即在设设计速速率上上满足足给定定的误误码率率（或或信噪噪比））条件件下的的最小小光功功率接收机机所能能达到到的性性能指指标取取决于于光检检测器器的类类型、、噪声声的影影响等等3．SDH传输输体制制为了充充分利利用光光纤信信道的的带宽宽，需需要将将众多多数字字信号号复接接成高高速率率信号号准同步步数字字复接接体制制（PDH，PlesiochronousDigitalHierarchy））同步数数字系系列（（SDH，，SynchronousDigitalHierarchy））3．SDH传输输体制制PDH32个个数字字话路路组成成一个个PCM基基群（（2M/s））4个2M信号号组成成一个个8M的的二次次群（（8M/s））4个8M信号号复接接成一一个34M的的三次次群3．SDH传输输体制制SDH是针对对PDH存存在的的问题题而出出现的的一种种传输输体制制，适适合高高速光光纤线线路传传输SONETOC等级ITU－TSDH等级线路速率（M/s）简称OC－151.84OC－3STM－1155.520155MOC－12STM－4622.08622MOC－241244.16OC－48STM－162488.322.5GOC－192STM－649953.2810G3．SDH传输输体制制最基本本的