光纤通信讲座-原荣

光纤通信

讲座原荣中国电子科技集团公司第三十四研究所（原信息产业部电子第三十四研究所）第一章概述1.1光纤通信技术发展1.1.1光纤通信史回顾

古老的光通信设备---烽火台光通信是利用光波作为载波来传递信息的。广义地说，用光传递信息并不是什么新鲜的事。早在公元两千多年以前，我们的祖先就在都城和边境堆起一些高高的土丘，遇到敌人入侵，就在这些土丘上燃起烟火传递受到入侵的信息，各地诸侯看见烟火就立刻领兵来救援。其中还有著名的“周幽王烽火戏诸侯”的故事。这种土丘就叫烽火台，它就是一种古老的光通信设备。1.1.1光纤通信史回顾

----古老的光通信由于人们无法解决光向四面八方散射时，光强减弱和不能通过障碍物的问题因此，直到上世纪六十年代初，光通信都没有什么重大的进展。它仅仅作为一种信号灯使用，如: 马路上的红绿灯 机场上的跑道标志灯和 航标灯等等。高锟提出光纤通信但是到了上世纪六十年代中期，情况就发生了根本的变化。而且这种变化还是由于一位中国人引起的，他就是高锟！早在1966年，英籍华人高锟发表了关于通信传输新介质的论文，当时他还是一个在英国工作的年轻工程师，他指出利用光导纤维进行信息传输的可能性和技术途径，从而奠定了光纤通信的基础。在高锟早期的实验中，光纤的损耗约为3000dB/km，他指出这么大的损耗不是石英纤维本身的固有特性，而是由于材料中的杂质离子的吸收产生的。高锟----光纤通信发明家（左） 1998年在英国接受IEE授予的奖章高锟提出光纤通信高锟指出，如果把材料中金属离子含量的比重降低到106以下，光纤损耗就可以减小到10dB/km。再通过改进制造工艺，提高材料的均匀性，可进一步把光纤的损耗减少到几dB/km。这种想法很快就变成了现实。光纤的进展情况1970年 光纤研制取得了重大突破，美国康宁公司按照高锟的思路，生产出了20dB/km的石英光纤1972年 该公司生产的多模光纤损耗已下降到4dB/km1973年 美国贝尔（Bell）实验室生产的光纤损耗为2.5dB/km，1974年已下降到1.1dB/km1976 日本NTT公司已减小到0.47dB/km80年代初 单模光纤在波长1550nm的损耗已降到0.2dB/km，接近了石英光纤的理论损耗极限。全波光纤光源---半导体激光器也发明了作为光纤通信用的光源，半导体激光器也发明了，并取得了实质性的进展。1973年半导体激光器的寿命是7000小时1977年贝尔实验室已达到10万小时，完全满足实用化的要求。1979美国ATT公司和日本NTT公司又研制成功了长波长（1550nm）连续振荡半导体激光器。低损耗光纤和连续振荡半导体激光器的研制成功，是光纤通信发展的重要里程碑。现已安装使用的光纤通信系统，光纤长度有的很短，只有几米长(计算机内部或机房内)；有的又很长，如连接洲与洲之间的海底光缆。上世纪70年代以来，光纤通信的发展速度之快令人震惊，可以说没有任何一种通信方式可与之相比拟。光纤通信已变成所有通信系统的最佳技术选择。世界光纤产值从96年92亿美元到2002年预计198亿美元，每6年翻一番现在世界上光纤生产速度为3200km/小时，即每天生产的光纤可绕地球两周目前光纤产量每年递增20~25%目前光缆产值按应用分类为：本地通信51.25%，LAN等20.82%，干线15.81%，CATV8.6%，其它3.5%

世界光纤通信发展情况

数据业务爆炸式增长，

光通信是唯一的出路世界上所有新建的干线通信系统均采用光纤。由于波分复用技术和光纤技术的突飞猛进，现在一根光纤上的传输容量每9~12个月就翻一番。5Gb/s系统已在横跨太平洋的海底光缆系统(TPC-5/6)中使用。波分复用(WDM)系统也在海底光缆系统上使用。2002年阿尔卡特在C波段和L波段成功地进行了10.2Tb/s(25642.7Gb/s)距离为3100km的传输试验。

通信和计算机技术的发展，出乎许多人的预料。电子传输设备速度的高速增加只有光纤线路的容量才能满足。 硅数字器件速度充其量可达到1~2Gb/s，而镓砷器件的速度是硅器件的2~5倍。10Gb/s的高速集成电路已经开发出来，200Gb/s的晶体管和40Gb/s的集成电路也已逐渐成熟。

在交换技术方面，电路交换逐渐被具有路由器功能的分组交换所取代，最后的发展趋势是实现光交换和电信网络的全光化。 由于光电技术的发展和逐渐成熟，世界光纤市场和光电器件市场大幅增长，而市场价格却急剧下降。光纤通信产业方兴未艾，其旺盛的生命力令人振奋。1.1.2光纤通信的特（优）点1.频带宽、传输容量大光纤频带宽、传输容量大在光纤通信系统中，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损耗低得多，因此相对于电缆或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。电缆基本上只适用于数据速率较低的LAN，距离较长的高速局域网（100Mb/s）和城域网（MAN）必须采用光纤。

光纤在1280nm~1620nm的近红外波段，具有6个传输窗口，采用密集波分复用技术，这6个窗口从理论上讲可以提供多达10000个信道。

过去，通信线路是信号传输的技术瓶颈，但是自从使用光缆后，这个问题就不复存在了。全波光纤光多路传输技术光多路传输技术是充分挖掘光纤带宽潜力、扩大通信容量的技术之一。采用多路传输技术可以充分利用光纤带宽，给通信带来巨大的经济效益。目前研究开发的光复用技术有WDM、OTDM和OCDM。目前OTDM和OCDM均不成熟。

WDM和常规的光哨通信系吹统的比救较商用W蚕DM和码TDM赞通信系抖统

单浪根光纤颈可实际现的贵最大传轿输容量使用复新用技术践扩展光额纤带宽光信道供忌应无限使光纤判损耗谱告平坦，米扩大可继利用的执窗口；采用DWDM，增加援使用波帽长的数笑量；采用波长熄转换技术罗，实现波球长再利用每；用OCDM扯A技术,膛扩大每射个波长源的信道纪数;采用OTD述M技术，割增加每姥个波长匀信道数法；使一根立光缆中洪包含多唉根光纤恶（已达砖432悉或86披4根）看，为多箱种业务舅提供了仰灵活的尺选择。2.怨损耗小姨、中继姓距离长表1.1腹.1给出愁了电缆和若光纤的每义公里传输山损耗。由薯表可见，逗电缆的损篮耗明显大庄于光纤，血有的甚至想大几个数胀量级。因盒此，电缆呆只能用于窃网径不大雕的LA虏N，网径钞较大的贝LAN喘以及M窑AN只勺能使用光绳纤。采用分滥布式喇旷曼放大倾技术，别已使钟32把波长40G雄b/s米WDM系俊统的无中阁继距离达恢到25嚷0km劳。3.诊重酱量轻、台体积小由于电拉缆体积手和重量西较大，泊安装时姿还必须搏慎重处随理接地概和屏蔽膝问题。肾在空间置狭小的概场合，变如舰船它和飞机绝中，这燃个弱点朗更显突披出。然而，光经纤重量很资轻，直径彼很小，即蜘使做成光董缆，在芯处数相同的盗条件下，坡其重量还岂是比电缆使轻得多，区体积也小此得多。通寸信设备的蹄重量和体狮积对许多马领域特别鞭是军事、翻航空和宇早宙飞船等薯方面的应顿用，具有驶特别重要拉的意义。在飞机上执用光纤代帅替电缆，牛不仅降低大了通信设耗备的成本授，提高了帐通信的质冠量，而且涨降低了飞声机的制造耗成本。分茶析表明，计每降低河12k放g，飞机贴制造成本递就减少待27万打美元。4.幸抗电嫁磁干扰里性能好光纤由便电绝缘阶的石英敞材料制帜成，光强纤通信泄线路不定受各种拌电磁场杀的干扰就和闪电甲雷击的矩损坏。助所以无彩金属加宁强筋光承缆非常连适合于则存在强桨电磁场像干扰的私高压电印力线路谅周围、谦油田、典煤矿和艳化工等元易燃易润爆环境蚂中使用债。而电缆系晓统，在使滴用中至少耕可能遇到鲁几种直接岸的电气危伴害:(1)优因电达缆和部脊件上累难积的静巡寿电放电削;(2)稿耦合到电谨缆系统上学的高频电袍磁场;(3)巩部件和接愿地点间的拍电位差。这些危优害可能欺导致励LAN边部件涌甚至联辩网计算腔机的损勒坏。在臭我国，戚已有不府少L船AN嫩遭到雷搬击导致柱计算机旦和L殃AN苏部件损顽坏的情玻况。5.泄威漏小、保霞密性好在现代丘社会中宴，不但厨国家的坚政治、骂军事和骡经济情静报需要猜保密，倾企业的品经济和嫌技术情秋报也已株成为竞领争对手巷的窃取哑目标。通因此，窜通信系卖统保密议性能是口用户往胜往必须差考虑的松一个问拌题。现雪代侦听类技术已滤能做到剂在离同抬轴电缆遇几公里博以外的自地方窃冻听电缆暖中传输狡的信号型，可是品对光缆券却困难浪得多。溉因此，偏要求保飘密性高厘的网络藏不能使婆用电缆则。在光纤中露传输的光羊泄漏非常炮微弱，即摘使在弯曲倒地段也无榆法窃听。尿没有专用估的特殊工帖具，光纤粗不能分接谣，因此信摔息在光纤站中传输非而常安全，镰对军事、咱政治和经斑济都有重关要的意义唤。6．节约蒙金属材料尚，有利于勾资源合理寄使用制造同旦轴电缆竞和波导浅管的金挂属材料稠，在地谨球上的冻储量是度有限的犹；而制造贞光纤的茄石英（拘SiO2）在地降球上是诞取之不甜尽的。结匪论总之，由老于通信用没光纤都用燃石英玻璃虽和塑料制塘成，是极喉好的电绝接缘体，而引且光信号疮在光缆中础传输时不虫产生泄漏纳，所以不陡存在电气陕危害、电进磁干扰、岛接地、屏渴蔽和保密还性差等问耻题。再加纵上传输特引性好的优习点，使光父纤成为迄枣今为止最失好的信息吨传输媒质沸。因此，预在短短被的三十怖几年中测，获得爹了迅速赤的发展机，不管瓦是在干倍线网上萝，还是洞在接入削网上。光发射机屠的作用是舟把电信号泳转变为光伐信号注入吴光纤传输为。光接收颗机的作柿用是把颜经光纤狗传输后恐的微弱外光信号竭转变为设电信号益，对其射放大并迎解调出汽原基带馅信号。光中继器临的作用是迅对经光纤特传输衰减平后的信号皮进行放大塔。光中继筋器有光-保电-光中残继器和全厉光中继器回。1.1.仅3光普纤通信系丽统单信道交光纤通述信系统伍构成光纤通信测系统构成刊---贴-光发射片机作用光纤通信棍系统通常蓝由光发射际机、光纤江、中继器限和光接收欧机组成。光发射迈机的作点用是把笔电信号愧转变为雅光信号砌注入光卵纤传输爆，它通资常由复理用器、揭调制器雀和光源机组成。复用器的时作用是把搂多路信息继信号复用合为时分复将用（TD负M）信号岛或频分复应用（FD糟M）信号景。调制器的醋作用是用挡复用信号珠直接调制怨（IM）哑激光器（星LD）的耻光强，或够通过外调网制器调制隆LD赌的相位。光源是秩把电信抢号转换臭为光信哈号，以额便在光营纤中传羽输。光接收机任和中继器光接收机辉的作用是踢把经光纤凝传输后的给微弱光信赢号转变为呼电信号，拜对其放大承并解调出种原基带信欺号。光中继舰器的作蒜用是对百经光纤丑传输衰贵减后的榜信号进球行放大采。光中丙继器有轿光-电覆-光中愈继器和绢全光中千继器。如需对业锦务进行分糕出和插入绳，可使用嫁光-电-峡光中继器默；如只要求汗对光信号较进行放大亡，则可以孔使用光放隔大器。光纤通柄信系统扣随着多秧模光纤谋发展到摔单模光煌纤，多窑模激光颗器发展抓到单模励激光器雕，从短涂波长系侍统发展喉到长波作长系统谊，已经踏历了三座代。图1.1这.3律系统速率们与无中继耻距离关系三代光纤树通信系统零的特点上世纪扫七十年速代，第宜一代光志纤通信聚系统是旬使用渐宣变多模厦光纤的喜短波长棚（0.典85m）系统炼，光源采浙用发光二岔极管(L券ED)，租速率为手34M降b/s臭或45摆Mb/旱s，无中其距传输距挨离仅为（亭10~2勿0）km目。上世纪八接十年代，燃第二代光落纤通信系奸统使用单状模光纤的健1.3m系统，沟工作波长候已由短波怕长发展到颈长波长（帽1.31m和倡1.55m），光精源使用多侮模激光器劲（LD）报，传输速叹率已提高技到14夹0Mb慎/s和物565检Mb/紫s，无中狗距传输距源离已增加络到（10巡寿0~15毅0）km端。上世纪九哑十年代以络来，第三吵代光纤通惯信系统使舌用1.5根5m的单挽模光纤浪，光源笔采用单突频D巡寿FB抖激光器滋和外调控制技术汤，单信滨道传输杂速率可滤达到启2.5统Gb霞/s伟和1聪0G金b/s暂以上尺，采用税色散补仙偿技术恋无中继价传输距掏离已达潮到几百巾千米。光纤通露信系统窝用来连尊接一些般节点，体这些节显点通常匪可能是军交换机僻、终端坏、计算汗机、工染作站等芦。光纤桃通信系衰统可分常为三类利：点对贸点系统连、一点劣对多点转系统以潮及网络向。在点对点裂系统中，抽可能是单踏向的，也帜可能是双往向的。在一点头对多点介(设有N个工作检站)的月系统中搁，其中塑站1可牺发送信绵息到所少有其他N1个站终，也可照以接收笨其它各陆站发送赚来的信团息，但夕其他各普站之间荐不能相温互通信溪。该系厅统的一仇个特殊勇情况是虚广播网勤络，即态一个站衣可发送械信息到桨所有其污他N1个站军。点对点系葱统和一点再对多点系温统仅仅是孤网络的特俱例。在网顶络中，每尿个站可以幻玉与其他任块一个站进炮行通信，明而绝不仅兰仅是一个秋站只能与病另外N1个站驼通信。穴有时候套我们要附指出它监们之间膝的区别哨，有时偶候我们陷通称以句上三种宿情形均宋为系统败或者网度络。光纤通狸信系统抄结构分场类网络霞分碌类传统上早，以服脊务范围售把网络堆分为三胁类:(1)挖局域日网，服域务范围膏2路km狂，如以钓太网，眉信令环抽和信令狮总线;(2)贷城域网，逮服务范围奶100原km，认如电话本叠地交换网损或者有线属电视)分季配系统;(3)自广域网络姻，服务范馒围可达数字千公里，钟如开放系披统互连国慕际网络等厦。第一种是恐光纤技术撤逐渐从骨残干网向广凉域网和城蔬域络发展股，最后也乏将渗