光纤通信讲座1-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106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/km1973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/km1976日本NTT公司已减小到0.47dB/km80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120014001600衰减波长0.10.20.30.51700150013000.40.6窗口OSCLUE(dB/km)(nm)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(25642.7Gb/s)距离为3100km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、传输容量大表１.1.1电缆和光纤的损耗和频带比较类型频带(或频率)损耗(dB/km)传输容量（话路/线）粗同轴电缆2494./.1MHz60MHz2.4218.771800渐变折射率多模光纤0.85m1.31m200~1000MHzkm≥1000MHzkm≤3≤1.0200单模光纤1.31m1.55m100GHz10~100GHz0.360.232000(2.5Gb/s)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120014001600衰减波长0.10.20.30.51700150013000.40.6窗口OSCLUE(dB/km)(nm)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和常规的光通信系统的比较常规的光通信系统DWDM光通信系统光线路系统复用/解复用终端1终端2终端N终端1终端2终端N光线路系统复用/解复用光线路系统中继器终端1终端2终端N终端1终端2终端N商用WDM和TDM通信系统单根光纤可实现的最大传输容量199495Gb/s800最大传输速率TDM+WDM20030040050060070040969799TDM980002年011000010005000使用复用技术扩展光纤带宽光缆光纤空分复用波长再利用OXCDWDMOTDMTDMOTDM光信道波长信道波长复用信道电信道OCDM光码分信道DWDMOTDMTDMOTDM光信道波长信道波长复用信道电信道OCDM光码分信道光纤波长再利用OXC光信道供应无限•使光纤损耗谱平坦，扩大可利用的窗口；•采用DWDM，增加使用波长的数量；•采用波长转换技术，实现波长再利用；•用OCDMA技术,扩大每个波长的信道数;•采用OTDM技术，增加每个波长信道数；•使一根光缆中包含多根光纤（已达432或864根），为多种业务提供了灵活的选择。2.损耗小、中继距离长表1.1.1给出了电缆和光纤的每公里传输损耗。由表可见，电缆的损耗明显大于光纤，有的甚至大几个数量级。因此，电缆只能用于网径不大的LAN，网径较大的LAN以及MAN只能使用光纤。采用分布式喇曼放大技术，已使32波长40Gb/sWDM系统的无中继距离达到250km。3.重量轻、体积小由于电缆体积和重量较大，安装时还必须慎重处理接地和屏蔽问题。在空间狭小的场合，如舰船和飞机中，这个弱点更显突出。然而，光纤重量很轻，直径很小，即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。通信设备的重量和体积对许多领域特别是军事、航空和宇宙飞船等方面的应用，具有特别重要的意义。在飞机上用光纤代替电缆，不仅降低了通信设备的成本，提高了通信的质量，而且降低了飞机的制造成本。分析表明，每降低12kg，飞机制造成本就减少27万美元。表1.1.3光缆和标准同轴电缆的重量和截面积数据比较8芯18芯项目光缆电缆光缆电缆重量比（kg/m）115126截面积比(直径,mm)1519.64.抗电磁干扰性能好光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。所以无金属加强筋光缆非常适合于存在强电磁场干扰的高压电力线路周围、油田、煤矿和化工等易燃易爆环境中使用。而电缆系统，在使用中至少可能遇到几种直接的电气危害:(1)因电缆和部件上累积的静电放电;(2)耦合到电缆系统上的高频电磁场;(3)部件和接地点间的电位差。这些危害可能导致LAN部件甚至联网计算机的损坏。在我国，已有不少LAN遭到雷击导致计算机和LAN部件损坏的情况。5.泄漏小、保密性好在现代社会中，不但国家的政治、军事和经济情报需要保密，企业的经济和技术情报也已成为竞争对手的窃取目标。因此，通信系统保密性能是用户往往必须考虑的一个问题。现代侦听技术已能做到在离同轴电缆几公里以外的地方窃听电缆中传输的信号，可是对光缆却困难得多。因此，要求保密性高的网络不能使用电缆。在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全，对军事、政治和经济都有重要的意义。6．节约金属材料，有利于资源合理使用制造同轴电缆和波导管的金属材料，在地球上的储量是有限的；而制造光纤的石英（SiO2）在地球上是取之不尽的。结论总之，由于通信用光纤都用石英玻璃和塑料制成，是极好的电绝缘体，而且光信号在光缆中传输时不产生泄漏，所以不存在电气危害、电磁干扰、接地、屏蔽和保密性差等问题。再加上传输特性好的优点，使光纤成为迄今为止最好的信息传输媒质。因此，在短短的三十几年中，获得了迅速的发展，不管是在干线网上，还是在接入网上。光发射机的作用是把电信号转变为光信号注入光纤传输。光接收机的作用是把经光纤传输后的微弱光信号转变为电信号，对其放大并解调出原基带信号。光中继器的作用是对经光纤传输衰减后的信号进行放大。光中继器有光-电-光中继器和全光中继器。1.1.3光纤通信系统单信道光纤通信系统构成光探测器光中继器或光放大器解调器光接收机光纤光纤调制器光发射机光源信息复用器信息解复用器光纤通信系统构成----光发射机作用光纤通信系统通常由光发射机、光纤、中继器和光接收机组成。光发射机的作用是把电信号转变为光信号注入光纤传输，它通常由复用器、调制器和光源组成。复用器的作用是把多路信息信号复用为时分复用（TDM）信号或频分复用（FDM）信号。调制器的作用是用复用信号直接调制（IM）激光器（LD）的光强，或通过外调制器调制LD的相位。光源是把电信号转换为光信号，以便在光纤中传输。光接收机和中继器光接收机的作用是把经光纤传输后的微弱光信号转变为电信号，对其放大并解调出原基带信号。光中继器的作用是对经光纤传输衰减后的信号进行放大。光中继器有光-电-光中继器和全光中继器。如需对业务进行分出和插入，可使用光-电-光中继器；如只要求对光信号进行放大，则可以使用光放大器。光纤通信系统随着多模光纤发展到单模光纤，多模激光器发展到单模激光器，从短波长系统发展到长波长系统，已经历了三代。图1.1.3系统速率与无中继距离关系无中继距离10(km)比特率(Gb/s)0.11.01000.010.0010.000111010010000.851.3单模光纤色散移位光纤同轴电缆渐变折射率多模光纤阶跃折射率多模光纤246204060200400600mmLED多模第一代第二代第三代单频LDLD1.55m单模光纤三代光纤通信系统的特点上世纪七十年代，第一代光纤通信系