光纤通信技术简介

第1章概论1.1光纤通信技术简介1.2现代光纤通信的主要特点与发展趋势小结思考题第1章概论目标目标：通过本章的学习，应掌握和了解以下内容：了解光纤通信发展史掌握光纤通信系统的组成掌握现代光纤通信的主要特点了解现代光纤通信的发展趋势1.1光纤通信技术简介光通信，顾名思义就是利用光进行信息传输的一种通信方式。光通信技术是当代通信技术发展的最新成就，已经成为现代通信的基石。目前广泛使用的光通信方式是利用光导纤维传输光波信号，这种通信方式称为光纤通信。光纤通信、卫星通信和无线电通信是现代通信网的三大支柱，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发展优势。1.1.1光纤通信发展史与现代光纤通信的应用1．光纤通信发展史利用光进行通信并不是一个全新的概念，我国古代使用烽火台报警就是目视光通信的最好的例子，欧洲人用旗语传输信息等，这些都可以看作是原始形式的光通信。望远镜的出现，又极大地延长了这种目视光通信的距离。但可惜此时信息传递的距离和信息量都十分有限。现代光通信的雏形可追溯到1880年Bell发明的光电话，可以说贝尔光电话是现代光通信的雏型。灯的发明使人们可能构造简单的光通信系统，并以此作为光源。1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，在某种意义上解决光源的问题，给光通信带来新的希望。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。1970年，这是光纤通信史上闪光的一年。美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗20dB/km的石英光纤，使光纤通信可以和同轴电缆通信竞争，从而展现了光纤通信美好的前景，促进了世界各国相继投入大量人力物力，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)实验室取得了更大成绩，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)公司等单位将光纤损耗降低到0.47dB/km(波长1.2μm)。1970年，作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。当年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后突破了半导体激光器在低温(-200℃)或脉冲激励条件下工作的限制，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)。这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。1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时(约11.4年)，外推寿命达到100万小时，完全满足实用化的要求。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。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。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，系统采用GaAlAs激光器作光源，多模光纤作传输介质，速率为44.7Mb/s，传输距离约10km。1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用，系统采用渐变型多模光纤，速率为44.7Mb/s。随后美国很快敷设了东西干线和南北干线，穿越22个州光缆总长达5×104km。1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s，传输距离为64km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，全长3400km，初期传输速率为400Mb/s，后来扩容到1.6Gb/s。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1988年建成，全长6400km；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，全长132000km。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。自从1966年高锟提出光纤作为传输介质的概念以来，光纤通信从研究到应用，发展非常迅速：技术上不断更新换代，通信能力(传输速率和中继距离)不断提高，应用范围不断扩大。光纤通信的发展可以粗略地分为五个阶段：第一阶段，这是从基础研究到商业应用的开发时期。第二阶段，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实用化时期。第三阶段，在此期间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。第四阶段，光纤通信系统是以采用光放大器增加中继距离和采用波分复用技术来增加比特率和中继距离为特征，由于这种系统有时采用零差或外差方案，故又称为相干光波通信系统。第五阶段，光纤通信系统基于非线性压缩抵消光纤色散展宽，实现光脉冲信号保形传输，即所谓的光纤孤子通信。2．现代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。现在世界通信业务的90%需要经光纤传输。随着光纤通信技术的发展，世界上许多国家都将光纤通信系统引入了公用电信网、中继网和接入网中。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1）全球通信网2）各国的公共电信网3）各种专用通信网4）特殊通信5）飞机、军舰、潜艇、导弹和宇宙飞船内部使用光缆系统，可以利用光纤重量轻、体积小、抗电磁干扰和无信号辐射特性。（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、工业电视系统（4）综合业务光纤接入网（5）光纤传感器3.我国光纤通信事业发展概况我国的光纤通信技术研究方面起步并不算太晚，早在1963年，就有人对激光大气通信进行研究，并在青岛附近建立了第一个激光大气通信实验线路，随之又进行光纤和光电器件的研究。1973年，世界光纤通信尚未实用。邮电部武汉邮电科学研究院（当时是武汉邮电学院）就开始研究光纤通信。自1977年初，研制出第一根石英光纤起，跨过一道道难关，取得一个又一个零的突破。我国光纤通信技术发展速度之快令世界瞩目。我国关于光纤通信技术的研究，大体可以分为三个阶段：1971-1977年为理论研究阶段，主要进行了基础理论和基础元器件的研究工作。1978-1981年为室内研究和现场试验阶段。1982以后，为光纤通信的应用阶段，早期为小规模推广应用阶段，后期为大容量长距离及新技术研究应用阶段。1.1.2光纤通信系统的基本构成与分类1．光纤通信系统的基本构成光纤通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。用户要传输的信息多种多样，一般有话音、图像、数据或多媒体信息。该系统主要包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统3个大部分。图1-1光纤通图信系统的基本组成（1）发射部分发射部分是信息源把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。电发射机把基带信号转换为适合信道传输的信号，这个转换如果需要调制，则其输出信号称为已调信号。为提高传输质量，通常把这种模拟基带信号转换为频率调制(FM)、脉冲频率调制(PFM)或脉冲宽度调制(PWM)信号，最后把这种已调信号输入光发射机。（2）接收部分光载波经过光纤线路传输到接收端,再由光接收机把光信号转换为电信号。电接收机的功能和电发射机的功能相反，它把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。（3）基本光纤传输系统基本光纤传输系统可以细分为3个部分，即光发射机部分、光纤线路部分、光接收机部分：光发射机的功能是把发射部分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。光发射机的核心设备是光源，还有驱动器和调制器组成。目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(或称激光器，LD)，以及谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈(DFB)激光器。有些场合也使用固体激光器。光纤线路的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。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。实际工程中使用的是容纳许多根光纤的光缆。光纤有三个低损耗窗口，波长为：λ0=0.85μm短波长波段λ0=1.31μm长波长波段λ0=1.55μm长波长波段光接收机的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。光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成，光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。目前广泛使用的光检测器有两种类型：在半导体PN结中加入本征层的PIN光电二极管(PIN-PD)和雪崩光电二极管(APD)。光接收机最重要的特性参数是灵敏度。灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，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、光发射机的参数和光纤线路的色散的影响，还与系统要求的误码率或信噪比有密切关系。所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的重要指标。2．光纤通信系统的分类有几种，一般情况，常按照以下几种方式进行：（1）按照所传输信号类型划分，可以分为光纤模拟通信系统和光纤数字通信系统。（2）按照光波长和光纤类型，可以划分为短波长多模光纤通信系统和长波长光纤通信系统。（3）数字复用方式可以划分为：准同步（PDH）数字方式和同步数字方式（SDH）。（4）按传输速率可以将光纤通信系统分为以下三种：低速光纤通信系统、中速光纤通信系统、高速光纤通信系统。（5）按调制方式划分为：直接强度调制光纤通信系统和外调制光纤通信系统。1.2.2现代光纤通信的发展趋势1．网络化、大容量与高速化2．长波化3．传递业务的IP化4．全光化5．器件集成化小结1．本章回顾了光纤通信发展的历史，并介绍了光纤通信的6大特点及其主要应用的领域。光纤通信正向着网络化、大容量与高速化、长波化、传递业务的IP化、全光化、器件集成化方向发展。2．光纤通信系统主要由发射、接收和基本光纤传输系统3个大部分组成，其中最主要的设备是光源、光检测器。光源是光发射机的核心，它将电信号转化为光信号。光检测器是光接收机的主要设备，它将光信号转化为电信号，完成与光源相反的功能。光纤线路是光信号进行传输的通道。3．根据光纤通信系统的特点，可以将光纤通信系统按照传输信号类型、光波长和光纤类型、数字复用方式、传输速率和按调制方式进行分类。