光纤通信 第 章 概论

光纤通信光纤通信是以光导纤维作为传输煤质、以光波作为运载工具（载波）的通信方式。自从1977年世界上第一个光纤通信系统投入运营以来，光纤通信凭借它特有的优点迅速发展，已成为各种通信干线的主要传输手段。尤其是光传输网是通信网未来的发展方向。1·1光纤通信发展的历史和现状

1.1.1探索时期的光通信

1.1.2现代光纤通信

1.1.3国内外光纤通信发展的现状1·2光纤通信的优点和应用

1.2.1光通信与电通信

1.2.2光纤通信的优点第1章概论

1.2.3光纤通信的应用1·3光纤通信系统的基本组成

1.3.1发射和接收

1.3.2基本光纤传输系统

1.3.3数字通信系统和模拟通信系统1.1光纤通信发展的历史和现状

1.1.1探索时期的光通信

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，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。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。返回主目录1.1.2现代光纤通信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年年，日本本电报电话话(NTT)公司将将光纤损耗耗降低到0.47dB/km(波长长1.2μμm)。在以后的10年年中，波长长为1.55μm的光纤损损耗：1979年年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年年是0.154dB/km，接接近了光纤最低损损耗的理论论极限。1970年年，光纤纤通信用光源取得了实质质性的进展1970年，美美国贝尔尔实验室室、日本本电气公司(NEC)和前苏苏联先后后，研制制成功室温下连续续振荡的镓铝砷砷(GaAlAs)双双异质结半导体体激光器器(短波波长)。。虽然寿寿命只有几个小小时，但但它为半半导体激激光器的的发展奠定了了基础。。1973年，，半导体体激光器器寿命达达到7000小时。1976年，日日本电报报电话公公司研制制成功发发射波长为为1.3μm的铟镓镓砷磷(InGaAsP)激光器。。1977年，，贝尔实实验室研研制的半半导体激激光器寿命达达到10万小时时。1979年美国国电报电电话(AT&T)公司司和日本电报电电话公司司研制成成功发射射波长为为1.55μm的连续续振荡半半导体激激光器。。由于光纤纤和半导导体激光光器的技技术进步步，使1970年年成为光光纤通信信发展的的一个重重要里程程碑。实用光纤通信系系统的发展1976年年，美国国在亚特兰兰大(Atlanta)进行行了世界上第一一个实用光光纤通信系系统的现场试验。1980年年，美国国标准化FT-3光纤通通信系统投入商业业应用。1976年年和1978年年，日本本先后进行行了速率为34Mb/s的突变型型多模光纤纤通信系统，以及及速率为100Mb/s的的渐变型多多模光纤通信信系统的试试验。1983年年敷设了纵纵贯日本南南北的光缆缆长途干线。随后，由美美、日、英英、法发发起的第一一条横跨大西西洋TAT-8海海底光缆通通信系统于1988年建成。。第一条横跨跨太平洋TPC-3/HAW-4海海底光缆通信信系统于1989年年建成。从从此，海底光光缆通信系系统的建设设得到了全面展开，，促进了全全球通信网网的发展。。总之，光纤纤通信的发发展可以粗粗略地分为为三个阶段段：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。返回主目录录1.1.3国国内外光纤纤通信发展展的现状1976年年美国在亚亚特兰大进进行的现场场试验，标标志着光纤纤通信从基基础研究发发展到了商商业应用的的新阶段。此后，光纤纤通信技术术不断创新新：光纤从从多模发展到到单模，工作波长长从0.85μm发展到1.31μμm和1.55μμm(短波长向长长波长），传输速率从几十Mb/s发展展到几十Gb/s。。随着技术的的进步和大大规模产业业的形成，，光纤价格不不断下降，应用范围围不断扩大大。目前光纤已已成为信息息宽带传输输的主要媒媒质，光纤纤通信系统统将成为未未来国家信信息基础设设施的支柱柱。在许多发达达国家，生生产光纤通通信产品的的行业已在在国民经济济中占重要要地位。返回主目录录1.2光光纤通信的的优点和应应用1.2.1光光通信与电电通信通信系统的的传输容量取决于对载载波调制的的频带宽度，载波频率越越高，频带带宽度越宽宽。光通信的主主要特点：：载波频率高高；频带宽宽度宽；光光通信利用用的传输媒媒质-光纤纤，可以在在宽波长范范围内获得得很小的损损耗。返回主目录录1.2.2光光纤通信的的优点容许频带很很宽，传输输容量很大大损耗很小，，中继距距离很长且且误码率很很小重量轻、体体积小抗电磁干扰扰性能好泄漏小，保保密性能能好节约金属材材料，有有利于资源源合理使用用返回主目录录1.2.3光光纤通信的的应用光纤可以传传输数字信信号，也可可以传输模模拟信号。。光纤在通通信网、广广播电视网网与计算机机网，以及及在其它数数据传输系系统中，都都得到了了广泛应用用。光纤宽宽带干线传传送网和接接入网发展展迅速，是是当前研研究开发应应用的主要要目标。光纤通信的的各种应用用可概括如如下：①通信网网②构成因因特网的计计算机局域域网和广域域网③有线电电视网的干干线和分配配网④综合业业务光纤接接入网返回主目录录1.3光光纤通通信系统的的基本组成成下图示出单单向传输的的光纤通信信系统，包包括发射、接收和作为广义义信道的基基本光纤传输系系统。1.3.1发射和和接收信源：消息的产产生地，其其作用是把把各种信息转换为为原始电信信号，称之之为消息信信号或基带信号。。电发送设备备：基本作用用是将信源源和信道匹配起来，，即将信源源产生的消消息信号变换成适合在信信道中传输输的信号。。调制是最常见的的变换方式式。信道：传输信号号的物理煤煤质。在无线信道中，信道可可以是大气气（自由空空间）；在在有线信道中，信道可可以是明线线、电缆缆或光纤。。有线和无线线信道均有有多种物物理煤质。。电接收设备备：基本功能能是完成发发送设备的的反变换，，即进行解解调、译码码、解码等等。它的任任务是从带带有干扰的的接收信号号中正确恢恢复出相应应的原始基基带信号来来。返回主目录录1.3.2基本光光纤传输系系统基本光纤传传输系统是是一个独立立的“光信道”，若配置置适当的接接口设备，，则可以插插入到现有有的数字通通信系统或或模拟通信信系统的接接收机与发发射机之间间；基本传传输系统若若配置适当当的光器件件，可组成成传输能力力更强、功功能更完善善的光纤通通信系统。。例如，在光光纤线路中中插入光纤纤放大器组组成光中继长途系系统；配置波分分复用器和和解复用器器，组成大大容量波分复用系系统；使用耦合合器或光开开关组成无源光网络络。1.光发发送机：功功能是把输输入的电信信号转换为为光信号，，并用耦合合技术把光光信号最大大限度地注注入光纤线线路。组成框图：：

光源调制器通道耦合器电信号输入光输出驱动电路核心将电信号转转换为关信信号2.光纤纤线路功能：是把来自光光发射机的的光信号，，以尽可能能小的畸变变(失真)和衰减传传输到光接接收机。组成:光纤、光纤纤接头和光光纤连接器器。光纤是是主体；接头和连接接器是不可可缺少的器器件。工程中：使用容纳纳许多根光光纤的光缆。光纤线路路的性能主主要由光缆缆内光纤的的传输特性性决定。对光纤的要要求：损耗和色色散这两个个传输特性性参数尽可可能地小，，而且由足足够好的机机械特性和和环境特性性。实际使用：：石英光纤纤，有多模模光纤和单单模光纤。。单模光纤纤的传输特特性比多模模光纤好，，价格比多多模光纤便便宜，因而而被广泛应应用。低损耗““窗口”：：普通石英光光纤在近红红外波段，，除杂质吸吸收峰外，，其损耗随随波长的增增加而减小，，在0.85μm、1.31μm和1.55μm有三个损损耗很小的的波长“窗窗口”，见见后图。光源激光器的发发射波长和光检测器光电二极管管的波长响响应，都要和光光纤这三个个波长窗口相一致。目前在实验验室条件下下，1.55μm的损耗已已达到0.154dB/km，接近石石英光纤损损耗的理论论极限。3.光接收收机功能：是把从光纤纤线路输出出、产生畸畸变和衰减减的微弱光光信号转换换为电信号号，并经放放大和处理理后恢复成成发射前的的电信号。。组成部分：光检测器器、放大器器、相关电电路。组成框图：：电子电路光输入耦合器光电检测器解调器电信号输出核心光接收机把把光信号转转换为电信信号的过程程是通过检检测器的检检测实现的的。检测方式：直接检测和和外差检测测两种。结构参数：：接收机灵敏敏度。灵敏敏度是衡量量光接收机机的综合指指标，它反反映接收机机调整到最最佳状态时时，接收微微弱光信号号的能力。。灵敏度主主要取决于于组成光接接收机的光光电二极管管和放大器器的噪声，，并受传输输速率和光光纤线路色色散的影响响，还与系系统要求的的误码率或或信噪比有有密切关系系。返回主目录录1.3.3数字通通信系统和和模拟通信信系统数字通信系系统用参数取值值离散的信信号(如脉脉冲的有和和无、电平平的高和低低等)代表表信息，强强调的是信信号和信息息之间的一一一对应关关系；模拟通信系系统则用参数取取值连续的的信号代表表信息，强强调的是变变换过程中中信号和信信息之间的的线性关系系。这种基本特特征决定着着两种通信信方式的优优缺点和不不同时期的的发展趋势势。数字通信系系统的优点如下：①抗干扰扰能力强，，传输质量量好。②②可以以用再生中中继，传输输距离长。。③适用各各种业务的的传输，灵灵活性大。。④容易实实现高强度度的保密通通信。⑤数字通通信系统大大量采用数数字电路，，易于集成成，从而实实现小型化化、微型化化，增强设设备可靠性性，有利于于降低成本本。模拟通信系系统的优点占用带宽较较窄外，电电路简单易易于实现、、价格便宜宜等。完光发射机的的性能基本本上取决于于光源的特特性。对光源的要要求：输出光功功率足够大大，调制频频率足够高高，谱线宽宽度和光束束发散角尽尽可能小，，输出功率率和波长稳稳定，器器件寿命长长。半导体发光光二极管（（LED））、半导体体激光二极极管（LD）或称激激光器、谱谱线宽度很很小的动态态单纵模分分布反馈（（DFB））激光器。。目前有直接接调制和间间接调制两两种方案直接调制：：用电信号直直接调制半半导体激光光器或发光光二极管的的驱动电流流，使输出出光随电信信号变化而而实现的。。这种方案技技术简单，，成本较低，，容易实现现，但调制速率率受激光器器的频率特特性所限制制。外调制：把激光的产产生和调制制分开，用用独立的调调制器调制制激光器的的输出光而而实现的。。外调制的优优点是调制制速率高，，缺点是技技术复杂，，成本较高高，因此只有在在大容量的波分复用用和相