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光纤通信技术电子科技大学通信与信息工程学院Email:yjrao@uestc.edu.cn二零零五年九月饶云江长江特聘教授提纲光纤通信的发展历程光纤通信关键技术1.光纤通信的发展历程(1)光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。光纤通信技术是30年来迅猛发展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革。1.1光通信技术的逐年进步1966年，英籍华人高锟（C.K.Kao)预见利用玻璃可以制成衰减为20dB/Km的通信光导纤维（即光纤）。当时世界上最优秀的光学玻璃衰减高达1000dB/Km。1970年，美国康宁（Corning）公司首先研制成衰减为20dB/Km的光纤。从此，光纤就进入了实用化的发展阶段，世界各国纷纷开展光纤通信的研究。高锟博士早就指出降低玻璃内的过渡金属杂质离子是降低光纤衰耗的主要因素，后来研究发现OH离子对衰耗也有重要影响，通过限制上面两方面的杂质离子，1980年，光纤衰减就降低到了0.2dB/Km，接近理论值。这就使得长距离的光纤通信成为可能，这在光纤通信史上具有里程碑的意义。我国目前也有相当多的公司可以拉制性能很好的通信光纤，比如长飞、大唐电信等等。不同种类的光纤也相继研发出来，比如色散位移光纤、保偏光纤、掺杂光纤、塑料光纤、光子晶体光纤等等。目前，半导体激光器不仅可以在室温下工作，而且其直接调制速率可以达到10Gbit/s乃至更高，逐渐满足了高效率、高速率、低啁啾、大功率、长寿命等要求。光纤与光源的逐年进步解决了衰减和色散问题，其结果是增加了光纤系统的通信容量。光探测器发展异常迅速。(2)光纤通信系统中使用的光源经历了从发光二极管到半导体激光器的进步。光探测器也达到了GHz的响应灵敏度。光放大器都是由增益介质、能源、输入输出耦合结构组成。根据增益介质的不同，目前主要有两类光放大器：(3)90年代初，光放大器的问世引起了光纤通信技术的重大变革，这在光通信史上具有里程碑的意义。它节省了光电变换的中继过程，而且实现了波长透明、速率透明和调制方式透明的光信号放大，从而诞生了采用波分复用（WDM）技术的新一代光纤系统商用化。一类是用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素（如Nd，Sm，Ho，Er，Pr，Tm和Yb）的光纤，利用受激辐射机制实现光的直接放大，如半导体激光放大器和掺杂光纤放大器；一类是基于光纤的非线性效应，利用受激散射机制实现光的直接放大，如光纤喇曼放大器和光纤布里渊放大器。在光纤放大器被新一代波分复用系统广泛使用的同时，光纤放大器的研究和开发也在不断进步。最近五年，技术上已经成熟的多种类型的光放大器（EDFA、GS-EDFA、TDFA、GS-TDFA和RFA）已经覆盖了1365-1650nm波长范围，使得在上述范围内实施波分复用成为可能。拉曼放大器（RA）利用了光纤中的拉曼散射效应实现光信号的放大。由于受激拉曼散射效应的阈值很高，随作近年来大功率半导体激光器的研制成功，这项光放大技术已经开始走向实用。光通信窗口新的划分：1570-1604nm称为L波段，短于1525nm的波长范围称为S波段，这个波段因为全波光纤的研制成功可以扩展到1365nm。这两个波段又可以分别称为光通信的第4窗口和第5窗口。①工作波长为0.85μm多模光纤光通信系统；②工作波长为1.3μm多模光纤光通信系统和单模光纤光通信系统；③工作波长为1.55μm单模光纤光通信系统。而色散位移光纤（DSF，G.653）是应用于第三代光纤通信系统的一项重要成就。普通单模光纤的零色散点在1.31μm附近，色散位移光纤将零色散点从1.31μm移到1.55μm，有效地解决了1.55μm光通信系统的色散问题。（1）在数十年的发展过程中，光纤通信系统经历了三代：1.2光通信系统的发展从1980年以来的20年间，随着光器件的发展和光系统的演进，光传输系统的容量已从Mbit/s发展到Tbit/s，提高了近10万倍。从理论上讲，全光网络是指光信息流在网络中的传输及交换始终以光的形式实现，而不需要经过光/电、电/光变换。也就是说，信息从源节点到目的节点的传输过程中始终在光域内。在波分复用技术提出以后，波长本身成为组网（分插、交换、路由）的资源。伴随着光分插复用（OADM）和光交叉联接（OXC）技术的逐步成熟，原来被认为只是提供带宽传输的光层开始有了组网能力，因此成为最近几年光通信研发的热点。WDM全光网络是基于WDM技术，以波长作为组网资源，灵活可靠、性能稳定的光网络，它可以划分为长途骨干网、区域网和城域网三个等级。WDM全光网络通过波长路由机制实现路由选择，具有良好的可扩展性、可重构性和可操作性。（2）全光网络：频带宽，通信容量大。光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一对光纤能同时传输24192路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输30000多路电话。频带宽，对于传输各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则，无法满足未来宽带综合业务数字网(B-ISDN)发展的需要。损耗低，中继距离长。目前实用石英光纤的损耗可低于0.2dB/km，比其它任何传输介质的损耗都低，若将来采用非石英系极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降至10-9dB/km。由于光纤的损耗低，所以能实现中继距离长，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200多千米，由非石英系极低损耗光纤组成的通信系统，其最大中继距离则可达数千甚至数万千米，这对于降低海底通信的成本、提高可靠性和稳定性具有特别的意义。现代通信网的三大支柱是光纤通信、卫星通信和无线电通信，而其中光纤通信是主体，这是因为光纤通信本身具有许多突出的优点：1.3光通信技术优缺点抗电磁干扰。光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。无串音干扰，保密性好。光波在光缆中传输，很难从光纤中泄漏出来，即使在转弯处，弯曲半径很小时，漏出的光波也十分微弱，若在光纤或光缆的表面涂上一层消光剂效果更好，这样，即使光缆内光纤总数很多，也可实现无串音干扰，在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。光纤线径细、重量轻、柔软。光纤的芯径很细，约为0.1mm，它只有单管同轴电缆的百分之一；光缆的直径也很小，8芯光缆的横截面直径约为10mm，而标准同轴电缆为47mm。利用光纤这一特点，使传输系统所占空间小，解决地下管道拥挤的问题，节约地下管道建设投资。此外，光纤的重量轻，光缆的重量比电缆轻得多，例如18管同轴电缆1m的重量为11kg，而同等容量的光缆1m重只有90g，这对于在飞机、宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信更具有重要意义。光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料。光纤的材料主要是石英(二气化硅)，地球上有取之不尽用之不竭的原材料，而电缆的主要材料是铜，世界上铜的储藏量并不多，用光纤取代电缆，则可节约大量的金属材料，具有合理使用地球资源的重大意义。光纤除具有以上突出的优点外，还具有耐腐蚀力强、抗核幅射、能源消耗小等优点，其缺点是质地脆、机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小等。这些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤通信的实用。近年来，光纤通信发展很快，它已深刻地改变了电信网的面貌，成为现代信息社会最坚实的基础，并向我们展现了无限美好的未来。光纤通信时也具有如下缺点：光纤弯曲半径不宜过小；光纤的切断和连接操作相对复杂；分路、耦合相对麻烦。2.光纤通信系统及关键技术2.1光纤通信基本系统发送器：发送器的核心是一个光源，其主要功能就是将一个信息信号从电子格式转换为光格式。可采用发光二极管(LED)或激光二极管(LD)作为光源。光纤：光纤通信系统中的传输介质是光纤。接收器：光接收器的关键设备是光检测器，其主要功能就是把光信息信号转换回电信号(光电流)。当今光纤通信系统中的光检测器是个半导体光电二极管(PD)光纤的结构•纤芯：折射率较高，用来传送光；•包层：折射率较低，与纤芯一起形成全反射；•保护套：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。纤芯包层保护套光纤中光波的传输原理-全反射n2n1n2空气ABθMAX当n1n2θ1θc时发生全反射θc：临界角只要满足全内反射条件连续改变入射角的任何光射线都能在光纤纤芯内传输入射光反射光折射光折射率n1折射率n1n2θ1光纤的类型光纤的性质•光纤的损耗损耗特性与光的工作波长有关,在三个工作窗口有相对小的损耗:第一窗口光工作波长0.85μm,损耗稍大第二窗口光工作波长1.31μm,损耗中等第三窗口光工作波长1.55μm,损耗最小•光纤的色散由于光纤所传输信号中不同模式或不同频率成分因传输速度的不同而引起传输信号发生畸变的一种物理现象光纤中的成缆干线缆(架空光缆,直埋光缆,海底光缆,复合光缆……)96芯以下局内光缆芯数少，比干线缆柔软用户缆根据需要几百芯或几千芯,纤芯为带状光纤单模光纤种类•G.652光纤–即常规单模光纤，在1310nm波长工作时，理论色散值为零；在1550nm波长工作时，传输损耗最低，但色散系数较大。单通路速率达到STM-64时，需要采取色散调节手段。•G.653光纤–在1550nm波长工作时性能最佳，又称为色散移位光纤。零色散点从1310nm移至1550nm波长区。•G.654光纤–截止波长移位的单模光纤，它的设计重点是降低1550nm波长处的衷减。主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信。•G.655光纤–又称之为非零色散移位单模光纤，零色散点移至1570nm或1510…1520nm附近，使1550nm处具有一定的色散值。色散受限距离达数百公里。可以有效的减少波分复用系统的四波混频的影响。光发送器与光接收器•光源与光接收器是光纤通信系统中的两种有源器件•光源主要有发光二极管，F-P腔半导体激光器分布反馈式（DFB）和分布布拉格反射式（DBR）半导体激光器•光接收器主要包括PIN型光接收器雪崩型二极管发光二极管（LED）•LED的发光机理是在电场作用下，半导体中载流子的复合•LED带宽较宽，一般只用于低速的系统P-3dBPpeakBWF-P腔半导体激光器•发光机理和LED相同，但有FP腔，一般为多模（即多个波长）。•右图下图为半导体激光器的发光光谱Ppeak分布反馈式（DFB）和分布布拉格反射式（DBR）半导体激光器•采用DFB和DBR结构，可以实现单模输出，是目前密集波分复用系统中的主流光源•单模输出有利于实现长距离和高速率的传输PpeakSMSR光信号的调制•把信号加到光源上的方法有多种。内调制，直接调节光源的电流等外调制，采用如上图的电光调制器，一般采用电吸收调制器，和光源集成在一块芯片上激光部分调制部分M-Z型电光调制器集成电吸收调制常用的光电接收器材料•常用光电接收器的材料有硅锗等•右图为几种常用材料的响应曲线•光电接收器的基本性能：响应波长，敏感度，噪声性能等Wavelengthnm50010001500SiliconGermaniumInGaAsQuantumEfficiency=10.10.5PIN型光接收器•PIN型光接收器的基本构造如下图所示：由三部分构成p型半导体，n型半导体和中间层•PIN型光接收器的工作原理雪崩二极管（APD）的基本原理•雪崩二极管的工作原理是：光在二极管中产生载流子，载流子在电场的作用下能量增加，在第二级产生放大APD型光接收器•APD型光接收器的基本结构如下图•APD型光接收器具有更好的敏感度，具有更高的速率。但工艺复杂，成本较高。2.2光纤通信复用技术目前光纤通信单信道实用化系统的传输速率发展到了10Gbit/s，线路的利用率有了很大提高，但与光纤巨大的带宽潜力相比还微不足道。电复用技术目前在实验室虽可以达到40Gbit/s的水平，但受电子迁移速率的限制，进一步提高速率已经十分困难。要克服电复用的这一“瓶颈