通信原理与通信技术（第五版）课件 第13章 光纤通信技术

1讲授：张卫钢通信原理与通信技术2024.8TEXTBOOK选用教材23微信公众号13光通信技术4问题：通信网在功能上类似交通网。如果说高速公路是交通网的终极传输手段或技术，那么，通信网的终极传输手段或技术是什么？CONTENT目录5光纤通信原理光纤通信系统常见光纤通信技术光纤通信概述光纤通信发展趋势13.113.213.313.413.6结语13.7无线光通信技术13.56

利用人眼接收光亮信号的传统光通信手段自古就有。比如，军警的信号弹、长城的烽火台、交通信号灯、求救的火堆、海岸上的航标灯、舰船上的灯语通信等，见图13-1。

而本章要介绍的现代光通信技术主要指利用光纤作传输介质的有线光通信技术和利用空间作传输介质的无线光通信技术。光纤通信概述13.1光通信：利用光波作为信号的信息传输过程或方法。7光纤通信概述13.113.1.1光纤通信的概念光纤通信：以光信号为载体，以光纤为传输介质的信息传输过程或方法。

第1章讲过，人们对通信系统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，可用于通信的频带就越宽，通信容量就越大。有线通信技术从明线发展到电缆，无线通信技术从长波发展到微波，一个主要目的就是要通过提高载波频率扩大通信容量，而20世纪60年代后出现的光纤通信将大容量通信技术提高到一个新阶段。

光纤通信基本原理：信源首先将欲传送的电话、电报、图像、数据等电信号转换为光信号（电/光转换），由光纤传输到信宿，信宿再将接收到的光信号还原成电信号（光/电转换），从而完成一次光纤通信全过程。8光纤通信概述13.113.1.1光纤通信的概念

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，二是传输介质是光纤而非电缆。另外，在光纤通信系统中，因为作为载波的光波频率比电波频率高得多，且作为传输介质的光纤又比铜轴电缆或波导管（一种传输微波信号的介质）的损耗低得多，所以，相对于电缆通信或微波通信，光纤通信系统具有容量更大、损耗更小等优势，可为人们提供更大容量和更高质量的通信服务。因此，光纤通信将是信息社会中各种通信网的主要、也可能是终极传输手段。光是一种电磁波。通常将红外线、可见光和紫外线都归入光波范围。可见光的波长范围约为0.39～0.76。除可见光外，所有的电磁波都是不可见的。

9光纤通信概述13.113.1.2光纤通信使用的波长～1.8范围内，其中，0.8～0.9范围被称为短波波段，1.2范围被称为长波波段。常用的工作波长主要为短波段的0.85，长波波段的1.31和1.55光纤通信使用的波长分布在近红外区的0.8～1.6。光在光纤中传输也会因“阻力”而衰减，而经过研究发现，光以上述三种波长通过光纤时，所受的“阻力”要比以其他波长小得多。10光纤通信概述13.113.1.3光纤通信的特点

（1）

传输频带宽，通信容量大

光纤通信系统使用的光波频率在1014Hz～1015Hz数量级，比常用的微波频率高103～104倍，故理论上其通信容量增加了103～104倍。虽然，受器件特性的限制，实际光纤系统的传输带宽比理论值小得多，但一对光纤仍可传输3万路电话。与电缆一样，也可将几对甚至上百对光纤组成一根光缆，以提高传输容量。（2）损耗低、中继距离远。因光纤损耗低（波长为1.55的光纤损耗已达0.2dB/km，甚至更低），中继距离长，所以，在通信线路中可减少中继站数量，降低成本并提高通信质量。例如，对400Mbps速率的信号，光纤通信系统可实现100km以上的无中继传输，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距离，这一点对于海底光缆通信等长途干线业务具有重大意义。

11光纤通信概述13.1

（3）抗干扰能力强，保密性好

13.1.3光纤通信的特点

因为光纤是由高纯度的玻璃材料制成，不导电、无电感、不受雷电和高压影响，所以不怕电磁干扰。另外，因为各种干扰的频率一般较低，故它们不能干扰频率比其高得多的光波信号。有实验表明，在核爆炸发生时，地球上所有的电通信系统均会受到严重干扰，惟独光通信系统不受影响。光信号在光纤中传播时，几乎不向外辐射。同一光缆中的数根光纤之间也不会相互干扰且难以被窃听，因此，光纤通信比其它通信系统保密性更好。

（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%，而直径不到电缆的五分之一。比如，通21000个话路的900对双绞线，其直径为3英寸，质量为8t/km；而通信量为其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。12光纤通信概述13.1（5）

资源丰富，成本低

很多有线通信线路是由储藏量有限的铜、铝、铅等金属材料制成，而光纤的原材料是石英，即随处可见的砂子，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1Km长的18管同轴电缆要耗120Kg的铜或500Kg的铅，造价昂贵。13.1.3光纤通信的特点

当然，光纤本身也有缺点，如质地脆弱、机械强度低，要求较高的切断和连接技术，分路和耦合比较麻烦等。但随着技术的不断发展，这些问题都在逐步得到解决。13光纤通信原理13.2

根据第1篇基础理论可知，若要实现光纤通信，首先必须在信源处对作为信息载体的光信号进行调制，即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，由相关设备接收并还原成电信号，然后再恢复出原始信息。光调制技术可分为直接调制和间接调制两种。（1）直接调制是一种光强度调制技术，仅适用于半导体光源（激光器件LD或发光二极管LED）。它把要传送的信息转变为电流信号并注入LD或LED，从而获得电场振幅随电调制信号幅值变化而变化的已调光信号。（2）间接调制是利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等特性来实现对激光辐射控制的调制技术，既适应于半导体激光器也适应于其他类型的激光器。14光纤通信原理13.2

间接调制最常用的是外调制法，即在激光形成以后再加载调制信号。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信号以控制调制器某些物理特性发生相应的变化，使通过调制器的激光得到调制。

对某些类型的激光器而言，间接调制也可采用内调制法，即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特性，从而改变激光输出特性以实现调制。15光纤通信系统13.3

根据上述原理，可以认为一个基本光纤通信系统必须包括发信端的光发射机（光调制设备）、收信端的光接收机（光解调设备）和连接它们的光纤介质。如果进行长途传输的话，还必须在通信线路中插入放大器或中继器。实用的光纤通信系统一般都是双向的，因此其结构就包含正、反两个方向的子系统，并且把每一端的发送机和接收机做在一起，称之为光端机。同样，中继器也有正反两个方向。如图13-3所示。

在发信端，用户的电报、电话、传真、图表文字、图像电视、可视电话和数据等各种信息均以电信号的形式送到电端机，电端机将这些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，并将光信号通过传输介质光纤发送到收信端。在收信端，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等处理，使其正确无误地送给指定用户。中继器负责将来自上一段光纤的衰减及失真光信号放大整形，然后再输出到下一段光纤中继续传输。中继方式有“光－电－光”方式和“光－光”方式。16光纤通信系统13.317光纤通信系统13.3

图13-3所示的系统示意图对模拟或数字信号都适用。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，因此，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，因为信号为脉冲形状，所以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缆通信系统的一切优点。在现已建成的系统中，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是数字式的。

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”。

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。1813.313.3.1光端机1.光发射机光纤通信系统

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去，主要由光源、光源驱动与调制以及信道编码电路三部分组成，如图13-4所示。19（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，加一扰码电路，它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。13.313.3.1光端机光纤通信系统20（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：用经过编码后的数字信号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，所以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。13.313.3.1光端机光纤通信系统2113.313.3.1光端机光纤通信系统

光接收机完成接收经光纤传输并衰减的微弱光信号再放大并检出信息的任务。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13-5所示。2.光接收机22（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伏数量级，使后面的判决电路能正常工作。均衡器对经光纤传输、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）信道译码电路。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。13.313.3.1光端机光纤通信系统

（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。23译码、解扰、码型反变换：与发送端完全对应的电路。首先，译码电路将光线路码型恢复为发端编码前的码型，然后经过解扰电路将发送端“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。此外，光接收机中还有一些辅助电路，如钳位电路、温度补偿电路和告警电路。13.313.3.1光端机光纤通信系统2413.3.2中继器

光中继器的功能是放大衰减的信号，再生光脉冲信号。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。原理组成如图13-6所示。13.3光纤通信系统

在长途光纤通信系统中，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，光脉冲信号的幅度会衰落，波形会失真，在光纤中的传输距离也会受限。为了延长通信距离，需在光信号传输一定距离后，进行光中继处理。2513.313.3.3监控系统对光纤通信进行监测的主要内容有：

（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。光纤通信系统

在光纤通信系统中，为保证信号可靠传输，必须有监控系统监测通信系统的运行情况，并用各种告警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。2613.3

对光纤通信进行控制的主要内容有：（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维修主用系统恢复正常后，监控系统应再发出指令，将系统从备用倒换回主用系统。

（2）当市电中断后，监控系统还要发出启动发电机发电的指令。又如当中继站温度过高，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功能。13.3.3监控系统光纤通信系统

在实际应用中，监控系统中的监控信号采用光纤传输。

有两种传输方法：一种是时分复用法，又称插入比特法，它把监控信息（比特）按时分复用方式插入主信号码流中传输。另一种是频分复用法，因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，所以可以利用频分复用进行传输。27常见光纤通信技术13.41.相干光通信技术

在已有的采用非相干光强度调制（直接检测IM-DD）方式进行光通信的技术之外，人们又提出了一种采用单一频率相干光作为光源（载波），利用无线电通信技术中的外差接收方式，再配以幅移键控ASK、频移键控FSK或相移键控PSK等调制方式进行光通信的技术，即外差式或相干光纤通信技术。与IM-DD方式相比，外差式的主要特点是在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，然后经光检波产生中频电信号，再经电解调就可得到原始信息。该技术可提高接收灵敏度20dB，相当于在相同发射功率下，光纤损耗降为0.2dB/km，传输距离增加100km。同时，还可提高光纤带宽利用率。282．波分复用技术13.4常见光纤通信技术

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法或过程。其基本原理是在发信端将不同波长的信号组合起来（复用），送入同一根光纤中进行传输，在收信端又将组合波长的光信号分开（解复用），然后通过其他处理恢复出原信号，再送入不同的终端，完成通信过程。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系统的容量，实现大容量的信息传输。在长距离光纤通信中，采用波分复用可以成倍增加光纤线路的传输容量，提高线路利用率，具有很高的经济性。

波分复用的系统带宽一般为几十个纳米。若用户较多，可使用波长小于一个纳米的波分复用系统，这种系统因光载波的间距小且密集而被称为高密度波分复用HDWDM系统。29

图13-7（a）和（b）分别给出在一根光纤上单向传输N个光波的波分复用系统和用棱镜实现波分复用的原理。发信端的N台光发射机发出N个不同波长的光信号，这些光信号通过复用器（合波器）被合并为一路光信号，再耦合到一根光纤中传输；这些被合并的光波传到接信端后，又通过解复用器（分波器）被分离出来，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路光信号的目的。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。可见，这样的复用方法会使一根光纤中的实际传输量成倍增加，极大地提高了光纤通信系统的有效性和经济效益。13.4常见光纤通信技术3013.4常见光纤通信技术313．全光网络技术13.4常见光纤通信技术全光网络技术：指网络用户与用户之间的信号传输和交换全部采用光波的技术。它主要包括光传输、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/出网等许多先进光技术。它将在干线网的交叉节点上引入光交叉连接OXC和光波长变换技术，从而形成端到端的“虚波长”通路，实现端到端的全光网络连接。它是光纤通信技术发展的最高阶段。因此，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技术发展的必然趋势。为使大家对光纤通信有一个更深刻的认识，图13-8给出了几种光纤及连接器照片。3213.4常见光纤通信技术3313.5无线光通信技术无线光通信技术主要有以下几种：

1.自由空间光通信自由空间光通信技术：以光波信号为载体的空间信息传输的过程或方法。

它又可分为大气光通信、星地间光通信和卫星间光通信三种。（1）大气光通信。这种通信技术利用大气作为传输介质，从传输普通光信号、红外线信号到现在的激光信号完成通信任务。图13-9给出一个大气激光通信系统示意图。3413.5无线光通信技术（2）星地间光通信。这种通信技术与常见的基于微波的卫星通信相似，以激光完成星地间的通信任务。2011年11月，哈尔滨工业大学研制的激光通信终端成功完成了“海洋二号”卫星与地面站间的特性实验，最高数据速率为504Mbps，实现了我国首次星地间高速直接探测激光通信。（3）卫星间光通信。这种技术可用于LEO（低轨道）卫星与GEO（静止/同步轨道）卫星间、GEO卫星与GEO卫星间、LEO卫星与LEO卫星间、GEO卫星与MEO（中轨道）卫星间等星间通信链路和空地间通信链路，具有广泛的应用前景。图13-10给出了几种空间激光链路示意图。3513.5无线光通信技术3613.5无线光通信技术2.蓝绿光通信蓝绿光通信技术：利用波长为450～570nm的蓝绿激光在海水中进行通信的

过程或方法。

蓝绿光通信的优点：穿透海水能力强，可实现与下潜400米到600米的潜艇直接通信，比超长波最多能穿透150米深海水的能力强几倍；激光通信频带宽，数据传输能力强；波束宽度窄，方向性好；设备轻小；抗截获、抗干扰、抗毁能力强；不受电磁及核辐射影响。从上世纪70年代开始至今，水下蓝绿光通信主要用途仍然是在军事国防领域，也可用于环境监测、近海勘探、灾害预防以及潜水员之间、各种水下设备之间的通信。图13-11给出一个蓝绿光通信示意图。3713.5无线光通信技术3813.5无线光通信技术

白色发光二极管LED是第四代节能环保照明产品。因其响应灵敏度高且具有良好的调制特性，在用作照明器件的同时，还可用于无线通信网的接入，形成可见光通信技术。3.LED灯光通信可见光通信技术：利用白色LED将室内通信基站接入通信网络的过程或方法。可见光通信的上行链路有三种：（1）射频上行链路。我们熟悉并经常使用的Wi-Fi（802.11）就是一种典型射频链路。（2）红外光上行链路。以473nm蓝光LED作为下行链路光源，以850nm红外光LED作为上行链路光源，上下行信号采用离散多音频DMT调制，接收采用放置了850nm和473nm带通滤光片的雪崩光电二极管APD探测器，从而形成波分双工通信系统。（3）激光上行链路。以1550nm激光作为上行载波（链路），以白光LED作为下行链路，接收也采用放置了1550nm窄带滤光片的APD探测器，形成双工通信系统。3913.5无线光通信技术

可见光通信应用非常广泛。比如，照明与通信结合，视觉信号与通信结合，室外显示与通信结合，室内定位等，尤其是源于物联网概念的灯联网将是可见光通信的亮点。40光纤通信的发展趋势13.6随着光电技术的进步，光纤通信技术会朝以下几个方向发展：1．向超高速系统的发展从技术角度上看，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45Mbps增加到10Gbps，其速率在20年时间里增加了2000倍，比同期微电子技术的集成度增加速度快得多。高速率系统不仅增加了业务传输容量而且也为各种新业务的实现提供了可能。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，使容量可以扩大几倍至上百倍；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最佳手段；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。目前，已出现以速率100Gbps为基础的WDM系统应用。41光纤通信的发展趋势13.6