《通信原理与通信技术》课件第17章

第17章光纤通信技术17.1光纤通信概述

17.2光纤通信原理

17.3光纤通信系统的组成

17.4几种光纤通信技术

17.5光纤通信的发展趋势

17.6小资料——“光纤之父”高锟

17.1.1光纤通信的概念

人们对通信的要求之一就是尽可能地提高通信容量。对于载波通信而言，载波频率越高，意味着可以用于通信的频带就越宽，通信容量也就越大。有线通信从明线发展到电缆，无线通信从短波发展到微波，目的都是通过提高载波频率来扩大通信容量。

光纤（OpticalFiber）通信就是以光波为载波，以光纤为传输介质的信息传输过程或方式。光纤通信可以为人

们提供大容量和高质量的通信服务。17.1光纤通信概述光纤通信首先将信源欲传送的电话、电报、图像或数据等信号进行电/光转换，即把电信号先变成光信号，再经由光纤传输到信宿，信宿再将接收到的光信号做光/电转换，还原成电信号，从而完成一次光纤通信的全过程。可见，光纤通信与我们熟悉的电缆通信主要有两点不同：一是传输信号为光信号而不是电信号，另一个是传输介质是

光纤而非电缆。另外，在光纤通信中，由于作为载波的光波频率比电波频率高得多，所以其通信容量就比无线电通信大得多，同时作为传输介质的光纤又比铜轴电缆或波导管的损耗低得多，因此，相对电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多优势。光纤通信技术是世界新技术革命的重要标志，也是未来信息社会中各种信息网的主要传输手段。17.1.2光纤通信使用的波长

光是一种电磁波，通常将红外线、可见光、紫外线都归入光波范围。可见光的波长范围是0.39～0.76μm，大于0.76μm部分是红外光，小于0.39μm部分是紫外光。除可见光外，所有的电磁波人眼都看不见。

光纤通信使用的波长范围在近红外区内，0.8～1.8μm的波长可分为短波波段和长波波段，短波波段为0.8～0.9μm，长波波段为1.2～1.6μm。常用的工作波长主要为短波段的0.85μm，长波波段的1.31μm和1.55μm。

光在光纤中传输，也会因“阻力”而变得微弱，但是经过研究发现，光以0.85μm、1.31μm和1.55μm三种波长通过光纤时，所受的“阻力”要比以其他波长通过时小得多，因此，光纤通信实用的波长就以这几种为主。显然，这几个波长不在可见光的范围之内，它们都在近红外区，肉眼无法看见它们。

需要提醒大家的是，如果有机会接触光纤，千万不要用眼睛对着光纤的断面看，因为光纤在传输信号时，光的能量很集中，稍不注意就会灼伤眼睛。17.1.3光纤通信的特点

1.传输频带宽、通信容量大

对光纤通信而言，载波为光波，频率为光频。通常使用的光波频率在1014～1015Hz数量级，比常用微波频率高103～104倍，所以理论上其通信容量增加了103～104倍。虽然在实际应用中由于受到了光电器件特性的限制，传输带宽比理论上要窄得多，但已投入运营的光纤通信系统中，一对光纤仍可通3万路电话，是目前通信容量最大的一种通信方式。与电缆一样，可将几对甚至上百对光纤组成一根光缆，传输容量就更大了。

2.损耗低、中继距离远

由于光纤的损耗低（波长为1.55μm的光纤损耗已达0.2dB/km，甚至更低），因此中继距离可以很长，在通信线路中可减少中继站的数量，降低成本并提高通信质量。例如，对于400Mb/s速率的信号，光纤通信系统可达100km以上的无中继传输距离，然而，同样速率的同轴电缆通信系统，无中继传输距离仅为1.6km左右。如果再使用光纤放大器，则可以直通上万千米，而不需要再生中继，这一点对于海底光缆通信等长途干线业务具有重大意义。

3.抗干扰能力强、保密性好

由于光纤是由纯度较高的玻璃（二氧化硅）材料制成的，不导电，无电感，不怕雷电和高压，因此它不受电磁干扰。另外，因为光纤中传输的是频率很高的光波，而各种干扰的频率一般相对比较低，所以它们不能干扰频率比其高得多的光波。有实验表明，在核爆炸发生时，地球上所有的电通信均受严重干扰，而惟独光通信不受影响。光在光纤中传播时，几乎不向外辐射，在同一光缆中，数根光纤之间不会相互干扰，也难以窃听，所以光纤通信比其他通信方式有更好的保密性。

4.重量轻、体积小

通信设备的体积和重量对于许多领域尤其是航空航天以及军事领域来说，具有非常重要的意义。相同话路的光缆要比电缆轻90%～95%，而直径不到电缆的1/5。通21000个话路的900对双绞线，其直径为3英寸，质量为8t/km；通信量为其10倍的光缆，直径仅为0.5英寸，质量仅为203kg/km。这样在长途干线或市内干线上使用，不仅空间利用率高，而且便于铺设。

5.资源丰富、成本低

现有的通信线路是由铜、铝、铅等金属材料制成的，而世界上金属的储藏量有限。光纤的原材料是石英（主要成分为二氧化硅），说得更通俗一点就是随处可见的砂子，在地球上资源丰富。用1kg的高纯度石英玻璃可以拉制上万米的光纤，相比之下制造1km18管同轴电缆要耗120kg的铜或500kg的铅，造价昂贵。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。

光纤通信的上述优点使之成为当今世界上主要通信手段之一。当然，光纤本身也有缺点，如光纤质地脆弱、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，都在逐步得到克服。

17.2光纤通信原理

若要实现光纤通信，首先必须在信源对作为信息载体的光信号进行调制，也就是说必须让光信号的某个参量随电信号的变化而变化。调制后的光波经过光纤信道传送到信宿，由相关设备鉴别出它的变化并还原成电信号，然后再现出原始信息。

根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两大类。直接调制方法仅适用于半导体光源（半导体激光器LD和半导体发光二极管LED），这种方法是把要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED，从而获得相应的光信号。直接调制后的光波电场振幅的平方与调制信号成比例，是一种光强度调制（IM）的方法。间接调制是利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制，这种调制方式既适应于半导体激光器，也适应于其他类型的激光器。间接调制最常用的是外调制的方法，即在激光形成以后加载调制信号。其具体方法是在激光器谐振腔外的光路上放置调制器，在调制器上加调制电压，使调制器的某些物理特性发生相应的变化，当激光通过它时得到调制。对于某些类型的激光器，间接调制也可采用内调制的方法，即用集成光学的方法把激光器和调制器集成在一起，用调制信号控制调制元件的物理性质，从而改变激光输出特性以实现其调制。

17.3光纤通信系统的组成

通过上述原理描述，我们可以认为一个基本光纤通信系统必须包括信源端的光发射机（光调制设备）、信宿端的光接收机（光解调设备）和连接它们的光纤介质，如果进行远距离传输，则必须在通信线路中间插入中继器。实用的光纤通信系统一般都是双向的，因此其系统的组成包含了正、反两个方向的基本系统，并且每一端的发送机和接收机集成在一起，称为光端机，同样，中继器也有正反两个方向。光纤通信系统示意图如图17－1所示。

图17－1光纤通信系统示意图

在发送端，用户的电报、电话、传真、图表文字、图像电视、可视电话、数据等各种信息以电信号的形式送到电端机，电端机将所有用户的信息进行复用再送到光端机，光端机再将电信号变成光信号送往传输介质光纤。

在接收端，光端机将光信号解调出来变成电信号，经过放大整形后再送到电端机，电端机再将电信号进行解复用，同时将信号进行变换，使其正确无误地送给指定用户。

中继器是将经过一段距离传输衰减并失真的光信号进行放大整形，然后再进行传输。中继方式有光—电—光方式和光—光方式。

光纤通信系统可归结为“电—光—电”的简单模型，即发信端把需要传输的信号先变成电信号，然后再转换成光信号在光纤内传输，收信端又将光信号还原成电信号。整个过程中，光纤部分只起传输作用，信号的生成和处理仍由电系统来完成。

与电通信类似，光纤通信也可分为模拟通信和数字通信两种。模拟光通信中的光信号强度随电信号的变化而线性变化，通俗地讲，就是光线有“明”、“暗”之分。而数字光通信中的光信号与数字电信号相似，只有两种状态：“亮”和“灭”。

图17－1所示的系统示意图对模拟和数字信号都适用。对模拟信号而言，要使信号不失真，就要求光源有良好的线性幅度特性。但是常用的光源，尤其是半导体激光器的非线性比较严重，所以模拟光通信常用在非线性失真要求不太严格的地方。对数字光纤通信系统而言，由于信号为脉冲形状，因此光源的非线性对系统性能影响不大。数字光纤通信系统也具有数字电通信系统的一切优点。现已建成的系统中，除少数专用光纤通信系统外，几乎所有公用及大多数专用光纤系统都使用数字式。

17.3.1光端机

1.光发射机

光发射机的作用是将电端机输出的电信号转换成适合光纤传输的光信号并将其发送出来。光发送机主要由光源、光源驱动与调制电路以及信道编码电路三部分组成，如图17－2所示。

图17－2光发射机框图

（1）信道编码电路

信道编码电路用于对基带信号的波形和码型进行变换，使其适合作为光源的控制信号。它主要完成以下功能：

均衡：由PCM电端机送来的HDB3或CMI码流，首先需要经过均衡器均衡，用于补偿由电缆传输产生的衰减和畸变，以便正确译码。

码型变换：由均衡器输出的HDB3或CMI码变换成为二进制单极性不归零码（NRZ），以便数字电路处理。

扰码：若信号码流中出现长连“0”或长连“1”的情况，将会给时钟信号的提取带来困难。为了避免出现这种情况，加入扰码电路，可有规律地破坏长连“0”或长连“1”的码流，使得0、1等概率出现。

时钟提取：提取时钟信号，供给码型变换和扰码电路以及编码电路使用。

编码：对经过扰码以后的信码流进行信道编码，变为适合光纤线路传送的线路码型。

（2）光源驱动与调制电路

光源驱动与调制电路主要包含下面几个电路：

光源驱动：用经过编码以后的数字信号来调制发光器件的发光强度，完成电／光变换任务。

APC（自动光输出功率控制电路）：由于温度变化和工作时间加长，光源输出的光功率会发生变化，为保证输出光功率的稳定，必须加自动光功率控制电路。

ATC（自动温度控制电路）：半导体光源的输出特性受温度影响很大，特别是长波长半导体激光器对温度更加敏感，为保证输出的稳定，对激光器进行温度控制是十分必要的。

光监测：监测光电二极管用于检测激光器发出的光功率，经放大器放大后控制激光器的偏置电流，使其输出的平均功率保持恒定。

（3）光源

光发送部分的核心是产生激光或荧光的光源，它是组成光纤通信系统的重要器件。目前，用于光纤通信的光源主要是半导体激光器LD和半导体发光二极管LED，它们都属于半导体器件，特点是体积小、重量轻、耗电量小。

此外，光发射机中还有一些辅助电路，如告警电路，当光发送机出现故障、输入信号中断或激光器失效时，这时告警电路就会发出告警提示。

2.光接收机

光接收机的作用是接收经光纤传输衰减后的十分微弱的光信号，从中检测出传送的信息，放大到足够大后，供终端处理使用。这里介绍的是目前广泛使用的强度调制—直接检波系统中的光接收机，它包括光电检测器、光信号接收电路和信道解码电路三部分，如图17－3所示。

图17－3光接收机框图

（1）光电检测器

光电检测器把光纤传送过来的光信号转为电信号，其输出的电信号的大小与输入光的强弱变化一致。在光纤通信中广泛使用的光电检波管是半导体光电二极管，其主要原理是利用光电效应来实现光电转换。

（2）光信号接收电路

前置放大器将光电检测器输出的微弱电信号进行放大，在对其进行放大时首先必须考虑的是抑制放大器的内部噪声。

主放大器是将前置放大器输出的信号放大到几伏数量级，使后面的判决电路能正常工作。

均衡器对经光纤信道传输、光/电转换和放大后产生畸变的电信号进行补偿，以利于判决。

自动增益控制电路根据输入光功率的大小（即根据经光监测和放大后的电信号大小）产生相应的控制电压，控制主放增益做相应调整。

（3）信道解码电路。时钟恢复电路从信号码流中提取与发送一样的时钟信号。

判决器逐个对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。

解码、解扰、码型反变换：与发送端完全对应的电路。首先通过解码器将光线路码型恢复为发送端编码前的码型，然后经过解扰器将发送端“扰乱”的码恢复为被扰前的状况，最后由码型反变换器将解扰后的码变换为原来适于在电端机系统中传输的HDB3码或CMI码。

17.3.2中继器

在远距离光纤通信系统中，由于受发送光功率、光接收机灵敏度、光纤的损耗和色散的影响，将使光脉冲信号的幅度受到衰落，波形出现失真。这样就限制了光脉冲信号在光纤中长距离的传输。为了延长通信距离，需在光波信号传输一定距离以后，加一个光中继器。

光中继器的功能是放大衰减的信号，恢复失真的波形，使光脉冲得到再生，目前常用的是光—电—光的转换方式，即先用光电检测器接收光纤中已衰减的光信号，经放大和再生，恢复原来的数字电信号，再对光源进行驱动，产生光信号送入光纤。光中继器框图如图17－4所示。

图17－4光中继器框图

17.3.3监控系统

在光纤通信系统中，为保证信号的可靠传输，必须具有监控系统。监控系统的作用是监测光纤通信系统的运行情况和故障情况，并用各种告警或显示方式向值班人员报告，如果有备用设备（或备用系统），还能进行主备倒换。

对光纤通信进行监测的内容如下：

（1）误码率是否满足指标要求；

（2）各个中继器是否有故障；

（3）接收光功率是否满足指标要求；

（4）光源的寿命；

（5）电源是否有故障；

（6）环境的温度、湿度是否在要求的范围内，包括火灾告警等。

对光纤通信进行控制的主要内容如下：

（1）自动地对通信线路的传输质量和各个组成设备的工作状态进行监测，当光纤通信系统中的主用系统出现故障时，监控系统即由主控站发出自动倒换指令，遥控装置就将备用系统接入，将主用系统退出工作。当经过维护值守人员的维修，主用系统恢复正常后，监控系统会再发出指令，将系统从备用倒换回主用系统。（2）当供电中断后，监控系统还要发出启动发电机发电的指令。而当中继站温度过高时，则发出启动风扇或空调的指令。同样，还可根据需要设置其他控制内容。

监控系统中监控信号的传输有两种方式：一种是在光缆中加金属导线来传输监控信号；另一种是由光纤来传输监控信号。在实际应用中，第一种方法主信号和监控信号可以完全分开，互不影响，光系统的设备相对简单。然而，光缆中加设金属导线，也将带来许多缺点：如由于金属线要受雷电和其他强电、磁场的干扰，影响所传输的监控信号，使监控的可靠性要求难以满足；而且距离越长，干扰越严重，使监控距离受到限制。鉴于上述原因，在光缆中加金属线来传输监控信号已逐渐淘汰，而采用光纤来传输监控信号的方法会越来越普及。

利用光纤通信线路本身传送监控信息的方法也有两种：一种叫时分复用法，又称插入比特法，它是利用插入比特信息把监控信息按时分复用方式插入主信号码流中进行传输；另一种是频分复用法，由于光纤通信的主信号速率很高，而监控、公务等辅助信号的速率低得多，两者在频谱上是分开的，因此可以利用频分复用进行传输。

17.4几种光纤通信技术

1.相干光通信技术

大多数光纤通信系统都采用非相干光的强度调制——直接检测（IM－DD）方式。也就是把光作为载波，发送时主信号对光载波进行强度调制，接收时对光载波直接进行包络检测，恢复发送端的信号，完成通信。这种方式的优点是调制和解调简单，容易实现，成本低，但这种方式没有充分发挥光纤通信本身所具有的优越性，没有利用光载波的频率和相位信息，限制了系统性能的进一步提高。

随着光纤通信技术的发展，人们提出采用单一频率的相干光作为光源（载波），利用无线电技术中的外差接收方式，再配以幅移键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK等调制方式的一种新型的光纤通信方式，称为外差光纤通信系统，又称为相干光通信系统。相干光通信与传统的无线电和微波通信一样，在发射端对光载波进行幅度、频率或相位调制，在接收端采用外差检测。与原IM－DD方式相比，主要差别是光接收机中增加了外差接收需要的本机振荡光源和光混频器。本振光源与光信号在混频器混合，经光检波后产生电中频信号，再经电解调就可得到发送的原数字信息。相干检测可以提高接收灵敏度20dB，相当于在相同发射功率下，光纤损耗为0.2dB/km，则传输距离增加100km。同时，采用相干检测还可以充分利用光纤带宽。

2．光波分复用技术

光波分复用技术（WDM）是把具有不同波长的几个或几十个光路信号复用到一根光纤中进行传送的方式或过程。其基本原理是在发送端将不同波长的信号组合起来（复用），送入到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用），并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波分割复用，简称光波分复用技术。它类似于电通信中的频分复用。采用这种技术可以扩大光纤通信的容量，实现大容量的光纤通信。

在长距离光纤通信中，波分复用具有很高的经济性。因为线路的投资很大，占总投资的70%～80%，采用波分复用，相当于成倍地增加光纤线路的传输总量，提高了线路的利用率。

图17－5所示的方框图就是在一根光纤上单向传输N个光波波长的波分复用系统。

系统在发送端有N台光发射机（即有N个不同波长的光源），这N个光信号通过复用器——合波器，将来自N台光发射机的光信号合并起来，耦合进入同一根光纤中传输。当这些被合并的光波传到接收端后，又通过一个复用器——分波器，将合并的信号分开，再分别送到各自相应的光电检波器通道中，从而实现在一根光纤上传输多个光源光信号的目的。当然，每个光源本身又能传输成百上千路信号，如传输五次群（7680路）信号。于是，这样的复用方式可使一根光纤中的实际传输量得到成倍的增加，从而极大地提高了光纤通信系统的有效性和经济效益。

图17－5波分复用示意图

3．全光网络技术

全光网络技术是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术的先进网络，它包括光传输、光放大、光再生、光交换、光存储、光信息处理、光信号多路复用/分插、进网/出网等许多先进的全光技术。

全光网络是光纤通信技术发展的最高阶段，实现透明、具有高度生存性的全光通信网是宽带通信网未来的发展目标。全光网络的建立将在干线网的交叉节点上引入光交叉连接（OXC）和光波长变换，从而形成端到端之间的“虚波长”通路，实现用户端到端的全光网络连接，这将使电路之间的调配和转接变得简单和方便。从发展趋势看，形成一个真正的以WDM技术及光交换技术为基础的光网络层，建立纯粹的“全光网络”，消除光/电转换的瓶颈已成为光通信发展的必然趋势。图17－6光纤连接器

17.5光纤通信的发展趋势

1．向超高速系统的发展

从过去20多年的电信发展史看，网络容量的需求和传输速率的提高一直是一对主要矛盾。传统光纤通信的发展始终按照电的时分复用（TDM）方式进行，每当传输速率提高4倍，传输每比特的成本大约下降30％～40％。因而，高比特率系统的经济效益大致按指数规律增长，这就是为什么光纤通信系统的传输速率在过去20多年来一直在持续增加的根本原因。目前商用系统已从45Mb/s增加到10Gb/s，其速率在20多年的时间里增加了2000倍，比同期微电子技术的集成度增加速度还快得多。高速系统的出现不仅增加了业务传输容量，而且也为各种各样的新业务，特别是宽带业务和多媒体提供了实现的可能。

2．向超大容量WDM系统的演进

采用波分复用系统的主要好处有：可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使容量迅速扩大几倍至上百倍；在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器，从而大大降低传输成本；与信号速率及电调制方式无关，是引入宽带新业务的方便手段；利用WDM网络实现网络交换和恢复，可望实现未来透明的、具有高度生存性的光联网。鉴于上述应用的巨大好处及近几年来技术上的重大突破和市场的驱动，波分复用系统发展十分迅速，预计不久实用化系统的容量即可达到1Tb/s的水平。可以认为超大容量密集波分复用系统的发展是光纤通信发展史上的又一里程碑，不仅彻底开发了无穷无尽的光传输链路的容量，而且也成为IP业务爆炸式发展的催化剂和下一代光传送网灵活光节点的基础。

3．实现光联网——战略大方向

实用化的波分复用系统尽管具有巨大的传输容量，但基本上是以点到点通信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能的话，无疑将增加新一层的威力。实现光联网的基本目的是实现超大容量光网络；实现网络扩展性，允许网络的节点数和业务量的不断增长；实现网络可重构性，达到灵活重组网络的目的；实现网络的透明性，允许互连任何系统和不同制式的信号；实现快速网络恢复，恢复时间可达100ms。鉴于光联网具有上述潜在的巨大优势，发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行预研，光联网已经成为继SDH电联网以后的又一新的光通信发展高潮。建设一个最大透明的、高度灵活的和超大容量的国家骨干光网络可为未来的国家信息基础设施（NII）奠定一个坚实的物理基础。

4．新一代光纤

随着IP业务量的爆炸式增长，电信网正开始向下一代可持续发展的方向发展，而构筑具有巨大传输容量的光纤基础设施是下一代网络的物理基础。传统的G.652单模光纤在适应上述超高速长距离传送网络的发展需要方面已暴露出力不从心的态势，开发新型光纤已成为开发下一代网络基础设施的重要组成部分。目前，为了适应干线网和城域网的不同发展需要，已出现了两种不同的新型光纤，即非零色散光纤（G.655光纤）和无水吸收峰光纤（全波光纤）。

5.基于光路的IP网结构

以IP业务为主的数据业务是当前世界信息业发展的主要推动力，因而能否有效地支持IP业务已成为新技术能否有长远技术寿命的标志。但从长远看，当IP业务量逐渐增加，需要高于2.4Gb/s的链路容量时，则有可能最终会省掉中间的SDH层，IP直接在光路上形成十分简单统一的IP网结构（IPoverOptical）。这是一种最简单直接的体系结构，省掉了中间ATM层与SDH层，减化了层次，减少了网络设备；减少了功能重叠，简化了设备，减轻了网管的复杂性，特别是网络配置的复杂性；额外的开销最低，传输效率最高；通过业务量工程设计，可以与IP的不对称业务量特性相匹配；还可利用光纤环路的保护光纤吸收突发业务，尽量避免缓存，减少延时；由于省掉了昂贵的ATM交换机和大量普通SDH复用设备，简化了网管，又采用了波分