第1章 光纤通信概述

光纤通信光纤通信是以光导纤维作为传输煤质、以光波作为运载工具（载波）的通信方式。自从1977年世界上第一个光纤通信系统投入运营以来，光纤通信凭借它特有的优点迅速发展，已成为各种通信干线的主要传输手段。尤其是光传输网是通信网未来的发展方向。1·1光纤通信发展的历史和现状1.1.1探索时期的光通信1.1.2现代光纤通信1.1.3国内外光纤通信发展的现状1·21.2.1光通信与电通信1.2.2光纤通信的优点第1章概论1.2.3光纤通信的应用1·3光纤通信系统的基本组成1.3.1发射和接收1.3.2基本光纤传输系统1.3.3数字通信系统和模拟通信系统1.1光纤通信发展的历史和现状1.1.1探索时期的光通信原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。在这个时期，美国麻省理工学院利用He–Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验。由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。返回主目录1.1.2现代光纤通信1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(OpticalFiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。预测“通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向。光纤通信发明家高锟(左)1998年在英国接受IEE授予的奖章1970年，光纤研制取得了重大突破1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。1973年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47dB/km(波长1.2μm)。在以后的10年中，波长为1.55μm的光纤损耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。1970年，光纤通信用光源取得了实质性的进展1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3μm的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55μm的连续振荡半导体激光器。由于光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。实用光纤通信系统的发展1976年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。总之，光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：第一阶段(1966~1976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。第二阶段(1976~1986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。第三阶段(1986~1996年)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。返回主目录1.1.31976年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85μm发展到1.31μm和1.55μm(短波长向长波长），传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。返回主目录1.2光纤通信的优点和应用1.2.1通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。光通信的主要特点：载波频率高；频带宽度宽；光通信利用的传输媒质-光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。返回主目录1.2.2光纤通信的优点容许频带很宽，损耗很小，中继距离很长且误码率很小重量轻、体积小抗电磁干扰性能好泄漏小，节约金属材料，有利于资源合理使用返回主目录1.2.3光纤通信的应用光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。光纤通信的各种应用可概括如下：①通信网②构成因特网的计算机局域网和广域网③有线电视网的干线和分配网④综合业务光纤接入网返回主目录1.3下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本光纤传输系统光纤线路接收发射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出1.3.1发射和接收信源：消息的产生地，其作用是把各种信息转换为原始电信号，称之为消息信号或基带信号。电发送设备：基本作用是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。调制是最常见的变换方式。信道：传输信号的物理煤质。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间）；在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。有线和无线信道均有多种物理煤质。电接收设备：基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来。返回主目录1.3.2基本光纤传输系统基本光纤传输系统是一个独立的“光信道”，若配置适当的接口设备，则可以插入到现有的数字通信系统或模拟通信系统的接收机与发射机之间；基本传输系统若配置适当的光器件，可组成传输能力更强、功能更完善的光纤通信系统。例如，在光纤线路中插入光纤放大器组成光中继长途系统；配置波分复用器和解复用器，组成大容量波分复用系统；使用耦合器或光开关组成无源光网络。1.光发送机：功能是把输入的电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。组成框图：光源调制器通道耦合器电信号输入光输出驱动电路核心将电信号转换为关信号2.光纤线路功能：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。组成:光纤、光纤接头和光纤连接器。光纤是主体；接头和连接器是不可缺少的器件。工程中：使用容纳许多根光纤的光缆。光纤线路的性能主要由光缆内光纤的传输特性决定。对光纤的要求：损耗和色散这两个传输特性参数尽可能地小，而且由足够好的机械特性和环境特性。实际使用：石英光纤，有多模光纤和单模光纤。单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模光纤便宜，因而被广泛应用。低损耗“窗口”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85μm、1.31μm和1.55μm有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。光源激光器的发射波长和光检测器光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。目前在实验室条件下，1.55μm的损耗已达到0.154dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。3.光接收机功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。组成部分：光检测器、放大器、相关电路。组成框图：电子电路光输入耦合器光电检测器解调器电信号输出核心光接收机把光信号转换为电信号的过程是通过检测器的检测实现的。检测方式：直接检测和外差检测两种。结构参数：接收机灵敏度。灵敏度是衡量光接收机的综合指标，它反映接收机调整到最佳状态时，接收微弱光信号的能力。灵敏度主要取决于组成光接收机的光电二极管和放大器的噪声，并受传输速率和光纤线路色散的影响，还与系统要求的误码率或信噪比有密切关系。返回主目录1.3.3数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统用参数取值离散的信号(如脉冲的有和无、电平的高和低等)代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；模拟通信系统则用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。这种基本特征决定着两种通信方式的优缺点和不同时期的发展趋势。数字通信系统的优点如下：①抗干扰能力强，传输质量好。②可以用再生中继，传输距离长。③适用各种业务的传输，灵活性大。④容易实现高强度的保密通信。⑤数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。模拟通信系统的优点占用带宽较窄外，电路简单易于实现、价格便宜等。完光发射机的性能基本上取决于光源的特性。对光源的要求：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。半导体发光二极管（LED）、半导体激光二极管（LD）或称激光器、谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈（DFB）激光器。目前有直接调制和间接调制两种方案直接调制：用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。激光源驱动器光纤光信号输出电信号输入(a)激光源调制器驱动和控制电信号输入光纤光信号输出(b)外调制：把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。激光源驱动器光纤光信号输出电信号输入(a)激光源调制器驱动和控制电信号输入光纤光信号输出(b)对光参数的调制，原理上可以是光强(功率)、幅度、频率或相位调制，但实际上目前大多数光纤通信系统都采用直接光强调制。因为幅度、频率或相位调制，需要幅度和频率非常稳定，相位和偏振方向可以控制，谱线很窄的单模激光源，都采用外调制方案，故这些调制方案只在新技术系统中使用。对光检测器的要求：响应强度高、噪声低和响应速度快。目前使用类型：PIN光电二极管和雪崩光电二极管在PN结中加入本征层直接检测：用检测器直接把光信号转换为电信号。优点—设备简单、经济使用，普遍采用。外差检测：设置一个本地振荡器和一个光混频器，是本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输出中频光信号，再有光检测器把中频光信号装换为电信号。难点—需要频率非常稳定，相位和偏振方向可控制，谱线很窄的单模激光源。优点—有很高的接收灵敏度，很有发展前途。