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光纤通信系统姓名：吴景彬班级：12物本非学号：1205080128光纤通信系统引言：光纤是光导纤维的简称。光纤通信是以光波为载频，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。光纤通信使用的波长在近红外区，即波长800～1800nm，可分为短波长波段（850nm）和长波长波段（1310nm和1550nm），这是目前所采用的三个通信窗口。光纤通信是人类通信史上一重大突破，现今的光纤通信已成为信息社会的神经系统，其主要优点是：1、光波频率很高，光纤传输频带很宽，故传输容量很大，理论上可通过上亿门话路或上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制、打印等多种业务；2、损耗小，中继距离长；3、不受电磁干扰，保密性好，且不怕雷击，可利用高压电缆架空敷设，用于国防、铁路、防爆等；4、耐高温、高压、抗腐蚀，不受潮，工作十分可靠；5、光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属（如铜、铝），且直径小、重量轻、可挠性好，便于安装和使用。在20世纪70年代，光纤通信由起步到逐渐成熟，这首先表现为光纤的传输质量大大提高，光纤的传输损耗逐年下降。1972～1973年，在850nm波段，光纤的传输损耗已下降到2dB/km左右；与此同时，光纤的带宽不断增加。光纤的生产从带宽较窄的阶跃型折射率光纤转向带宽较大的渐变型折射率光纤；另外，光源的寿命不断增加，光源和光检测器件的性能也不断改善。光纤和光学器件的发展为光纤传输系统的诞生创造了有利条件。到1976年，第一条速率为44.7MB/s的光纤通信系统在美国亚特兰大的地下管道中诞生。80年代是光纤通信大发展的年代。在这个时期，光纤通信迅速由850nm波段转向1310nm波段，由多模光纤传输系统转向单模光纤传输系统。通过理论分析和实践摸索，人们发现，在较长波段光纤的损耗可以达到更小的值。经过科学家和工程技术人员的努力，很快在1300nm和1500nm波段分别实现了损耗为0.5dB/km和0.2dB/km的极低损耗的光纤传输。同时，石英光纤在1300nm波段时色度色散为零，这就促使1300nm波段单模光纤通信系统的迅速发展。各种速率的光纤通信系统如雨后春笋般在世界各地建立起来，显示出光纤通信优越的性能和强大的竞争力，并很快替代电缆通信，成为电信网中重要的传输手段。光纤通信技术的发展，大致可以分为三个阶段：第一阶段（1970～1979年）：光导纤维与半导体激光器的研制成功，使光纤通信进入实用化。1977年美国亚特兰大的光纤市话局间中继系统称为世界上第一个光纤通信系统。第二阶段（1979～1989年）：光纤技术取得进一步突破，光纤损耗降至0.5dBm/km以下。由多模光纤转向单模光纤，由短波长向长波长转移。数字系统的速率不断提高，光纤连接技术与器件寿命问题都得到解决，光纤传输系统与光缆线路建设逐渐进入高速发展时期。第三阶段（1989年至今）：光纤数字系统由PDH向SDH过渡，传输速率进一步提高。1989年掺铒光纤放大器（EDFA）的问世给光纤通信技术带来巨大变革。EDFA的应用不仅解决了长途光纤传输损耗的放大问题，而且为光源的外调制、波分复用器件、色散补偿元件等提供能量补偿，这些网络元件的应用，又使得光传输系统的调制速率迅速提高，并促成了光波分复用技术的实用化。光纤通信系统原理模型：光纤通信系统主要由三部分组成：光发射机、传输光纤和光接收机。其电/光和光/电变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。实现过程如下：输入电信号既可以是模拟信号（如视频信号、电话语音信号），也可以是数字信号（如计算机数据、PCM编码信号）；调制器将输入的电信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进行直接强度调制，完成电/光变换的功能；光源输出的光信号直接耦合到传输光纤中，经一定长度的光纤传输后送达接收端；在接收端，光电检测器对输入的光信号进行直接检波，将光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等电处理过程，以弥补线路传输过程中带来的信号损伤（如损耗、波形畸变），最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整个传送过程。根据所使用的光波长、传输信号形式、传输光纤类型和光接收方式的不同，光纤通信系统可分成：（1）按光波长划分可以分为短波长和长波长光纤通信系统类别特点短波长光纤通信系统工作波长：800nm～900nm；中继距离：10km长波长光纤通信系统工作波长：1000nm～1600nm；中继距离：100km超长波长光纤通信系统工作波长：2000nm；中继距离：1000km；采用非石英光纤（2）按光纤特点划分类别特点多模光纤通信系统传输容量：100Mbit/s；传输损耗：较高单模光纤通信系统传输容量：140Mbit/s；传输损耗：较低（3）按传输信号形式划分类别特点图0-1光纤通信系统模型用户接口电发射端机输入接口光发端机用户接口电接收端机输出接口光收端机光缆光缆光中继器备用系统辅助系统数字光纤通信系统传输信号：数字；抗干扰；可中继模拟光纤通信系统传输信号；模拟；短距离；成本低(4)按光调制的方式划分类别特点强度调制直接检测系统简单、经济、但通信容量受到限制外差光纤通信系统技术难度大，传输容量大（5）其它类别特点相干光纤通信系统光接收灵敏度高；光频率选择性好；设备复杂光波分复用通信系统一根光纤中传送多个单/双向波长；超大容量，经济效益好光时分复用通信系统可实现超高速传输；技术先进全光通信系统传送过程无光电变换；具有光交换功能；通信质量高副截波复用光纤通信系统数模混传；频带宽，成本低；对光源线性度要求高光孤子通信系统传输速率高，中继距离长；设计复杂量子光通信系统量子信息论在光通信中的应用应用领域光纤通信的应用领域是很广泛的，主要用于市话中继线，光纤通信的优点在这里可以充分发挥，逐步取代电缆，得到广泛应用。还用于长途干线通信过去主要靠电缆、微波、卫星通信，现以逐步使用光纤通信并形成了占全球优势的比特传输方法；用于全球通信网、各国的公共电信网（如中国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线）；它还用于高质量彩色的电视传输、工业生产现场监视和调度、交通监视控制指挥、城镇有线电视网、共用天线（CATV）系统，用于光纤局域网和其他如在飞机内、飞船内、舰艇内、矿井下、电力部门、军事及有腐蚀和有辐射等中使用。它适合于光纤模拟通信系统中，而且也适用于光纤数字通信系统和数据通信系统。在光纤模拟通信系统中，电信号处理是指对基带信号进行放大、预调制等处理，而电信号反处理则是发端处理的逆过程，即解调、放大等处理。在光纤数字通信系统中，电信号处理是指对基带信号进行放大、取样、量化，即脉冲编码调制（PCM）和线路码型编码处理等，而电信号反处理也是发端的逆过程。对数据光纤通信，电信号处理主要包括对信号进行放大，和数字通信系统不同的是它不需要码型变换。对未来的预计光纤通信发展总趋势为：不断提高信息率和增长中继距离。系统的优值用“信息率”与“距离”的乘积表示，该值每年约增加一倍；发展光纤网，特别是光纤用户网-光纤到户；采用新技术，特别是掺稀土金属的光纤放大器，光电集成和光集成。①90年代初商用光纤通信系统的最高水平为2.488Gbit/s系统。实验室里实验系统信息率为8、10、16Gbit/s，相应的无中继距离为76、80、65km，信息率已高达20Gbit/s。单机的速率过高，大规模集成电路的电时分复用和解复器的速率将提高，要求激光器必须能在极高速率下稳定工作。如采用1.55μm波长，用常规单模光纤，将出现色散过大，码间干扰过大等都是技术上的困难。经济上也不合算。可采用光波分复用（OWDM）来提高信息率，实验室里复用数量用高达100个622Mbit/s的系统作复用，波长间隔为0.lnm，传输距离为50km，用非相干接收。还可采用副载波调制（SCM）来增加系统容量，将在光缆电视系统中应用。掺稀土金属铒的单模光纤放大器的成功，大大增加了系统的灵敏度和传输距离。近期发表的常规系统的环路试验，在此环路里有4支掺铒光纤放大器，传输速率为2.4Gbit/s和5Gbit/s，计算结果表明传输距离达21000km和9000km。波长为1.55μm，采用色散位移光纤。这个试验系统将在新的横跨太平洋和大西洋的光缆系统里实用。用光波分复用提高速率，用光放大增长传输距离的系统，为第五代光纤通信系统。新系系统中，相干光纤通信系统，已达现场实验水平，将得到应用。光孤子通信系统可以获得极高的速率，实验结果已达32Gbit/s，20世纪末或21世纪初可能达到实用化。在该系统中加上光纤放大器有可能实现极高速率和极长距离的光纤通信。②光纤用户网-光纤到户，采用同步光纤网（SONET）或同步数字体系（SDH）和建立光纤用户网是实现宽带业务的两大步骤。光纤用户网有不同结构，其中之一如图5所示，中心局与远区局的连接，即本地网，可以用环状网路以提高网路的灵活性和效率。远区局到用户的网可以单星形或双星形网路。③掺铒光纤放大器具有增益高、带宽宽、噪音低、易与传输光纤连接、易于制造等优点，可作前置放大、线路放大和末级放大。可提高系统灵敏度，增长传输距离。把它用在用户网里，可扩大网的范围，也可增加用户数量，对光纤通信的发展将起重大作用。掺铒光纤放大器只工作在1.55μm，还需探索掺另一种稀土金属的光纤，得到在1.3μm工作的放大器。另外，为提高系统的可靠性和经济性，需要光电集成和光集成，对此已有不少实验成果。