第一章光纤通信技术

光纤通信技术1.1光纤通信发展的历史和现状1.2光纤通信发展的优点1.3光纤通信系统的基本组成1.4光纤通信发展的应用

第一章光纤通信的概述1.1光纤通信发展的历史和现状通信是通过某种媒体进行的信息传递。

通信是人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递，从广义上指需要信息的双方或多方在不违背各自意愿的情况下无论采用何种方法，使用何种媒质，将信息从某方准确安全传送到另方。

•原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”通信烽火台又称烽燧，俗称烽堠、烟墩、墩台。古时用于点燃烟火传递重要消息的高台，系古代重要军事防御设施，是为防止敌人入侵而建的，遇有敌情发生，则白天施烟，夜间点火，台台相连，传递消息。是最古老但行之有效的消息传递方式。

1.1.1探索时期的光通信

•旗语

在古代是一种主要的通讯方式，现在是世界各国海军通用的语言。不同的旗子，不同的旗组表达着不同的意思。

•红绿灯

红灯停，绿灯行

不论是烽火台，还是红绿灯、旗语，它们都是光通信不同形式，但是它们有一个共同点，就是利用大气来传播可见光，由人眼来接收。也正因为如此，我们才会对它们如此的熟悉，可是这些却不是真正的意义上的光通信，更不是强大的光通信，真正强大的光通信应该是光纤通信。光纤通信则是单纯地依靠光纤作为媒质来传送信息的通信方式。弧光灯ABMNL送话器光话机原理图•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。贝尔光电话的缺点传输媒质：大气的不稳定性光源：太阳光的不稳定性光检测器：硅光电池的响应问题容量：单路光纤通信的关键问题：1、必须有稳定的、低损耗的传输媒质；2、高可靠、长寿命的光源及高响应的光检测器件；3、光测量及光纤连接技术；

难题之一:传输介质

光纤的诞生

理想光传输介质的寻找透明度很高的石英玻璃丝叫做光学纤维简称“光纤”内窥镜

一米衰减损耗很大光的损耗程度用每千米的分贝为单位来衡量的。直到20世纪60年代，每公里1000分贝以上

光纤的诞生

比较复杂的波导结构放弃用玻璃纤维通信希望渺茫??损耗问题如何解决？

1.1.2现代光纤通信

指明“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1966年7月，高锟就光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的论文，论文分析了玻璃纤维损耗大的主要原因。大胆地预言，只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从每公里1000分贝降低到20分贝／公里，从而有可能用于通信。光纤通信发明家高锟(左)

1998年在英国接受IEE（国际电气工程师学会）授予的奖章获得2009诺贝尔物理学奖“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就

世界上第一根低损耗的石英光纤

•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。

标志着光纤用于通信有了现实的可能性光透过玻璃功率损耗一半（相当于3分贝）的长度：普通玻璃几厘米高级光学玻璃几米光纤（20dB/Km）150米难题之二:光源•1970年贝尔研究所的林严雄等人研制出能够在室温下连续工作的半导体激光器（寿命短）里程碑•

1977年贝尔研究所和日本的电报电话公司几乎同时研制出寿命达100万小时的半导体激光器，从而有了真正实用的激光器。•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。谱宽度窄，方向性极好，亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性。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回忆一下——相关知识

1．

光波波谱光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300μm～6×10−3μm。可见光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的连续光波组成，其中红光的波长最长，紫光的波长最短。波长再短就是X射线、γ射线。电磁波波谱图如图1.1所示。图1.1电磁波波谱图

2．光纤通信的光波波谱

光纤通信的波谱在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之间，即波长在0.8μm～1.8μm之间，属于红外波段，将0.8μm～0.9μm称为短波长，1.0μm～1.8μm称为长波长，2.0μm以上称为超长波长。各种单位的换算公式如表1-1所示。

表1-1 各种单位的换算公式c＝3×108m/s1MHz（兆赫）＝106Hzλ＝c/f1GHz（吉赫）＝109Hz1μm（微米）＝10−6m1THz（太赫）＝1012Hz1nm（纳米）＝10−9m1PHz（拍赫）＝1015Hz1Å（埃）＝10−10m

虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。通信容量和载波频率成正比，通过提高载波频率可以扩大通信容量，光波的频率要比无线通信频率高很多，因此通信容量也要增大很多0.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰减（dB/km）第一窗口第二窗口波长——λ（μm）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm

1.571.62L波段

1.2

光纤通信的优点

•容许频带很宽，传输容量很大

•损耗很小，中继距离很长且误码率很小

•重量轻、体积小

•抗电磁干扰性能好

•泄漏小，保密性能好

•节约金属材料，有利于资源合理使用

在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多，因此，相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。

1.容许频带很宽，传输容量很大目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5Gb/s和10Gb/s。波分复用和光时分复用极大地增加了传输容量。DWDM最高水平为132个信道，传输容量为20Gb/s×132=2640Gb/s。

Gb/S：数据传输速率1GB=1024KB1KB=1024B波分复用(WND)：是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。2.损耗小，中继距离长中继站，将衰减了的信号进行放大，然后接着往下传。石英光纤在1.31μm和1.55μm波长，传输损耗分别为0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。因此，中继距离长。

3.重量轻、体积小、便于施工和维修光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。4.抗电磁干扰性能好光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。无金属光缆非常适合于存在强电磁场干扰的高压电力线周围和油田、煤矿等易燃易爆环境中使用。

5.泄漏小，保密性能好在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全。

6.原材料来源丰富，潜在价格低廉制造同轴电缆和波导管的铜、铝、铅等为金属材料；而制造光纤的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不尽的材料。总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，而且在经济上具有巨大的竞争能力，因此其在信息社会中将发挥越来越重要的作用。

缺点:光纤质地脆、弯曲半径不易过小、机械强度低，需要比较好的切割及连接技术、分路、耦合比较麻烦等1.3光纤通信系统的基本组成

下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。

光纤通信系统的三要素：光发射端机光接收端机光纤基本光纤传输系统的三个组成部分1、光发送机组成框图：光源调制器通道耦合器电信号输入光输出驱动电路光源光谱特性：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。半导体发光二极管（LED）半导体激光二极管（或称激光器）（LD）分布反馈激光器（DFB）电信号对光的调制的实现方式

直接调制用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单，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。

外调制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。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。

图1.5两种调制方案

(a)直接调制；(b)间接调制(外调制)

2.光纤线路

功能：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机

组成:光纤、光纤接头和光纤连接器

低损耗“窗口”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85μm、1.31μm和1.55μm有三个损耗很小的波长“窗口”。

光源激光器的发射波长和光检测器光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。目前在实验室条件下，1.55μm的损耗已达到0.154dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。3、光接收机功能：（O/E转换）是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减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组成部分：耦合器，光电检测器，解调器组成框图：电子电路光输入耦合器光电检测器解调器电信号输出检测方式：直接检测和外差检测

1.4光纤通信的应用光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中