光纤通信讲义

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1、 1第一章 绪 论 通信系统将信息从一个地方传送到另一个地方，距离可能是几米，也可能是几万公里。要传送的信息通常被电磁波携带，其频率在几兆赫兹到几百太（1012）赫兹。光通信系统采用电磁波谱中可见光或近红外区域的高频电磁波（约 100THz） ，为了与载波频率在 1GHz 量级的微波通信系统相区分，通常称其为光波通信系统。光纤通信系统就是利用光纤进行光传输的通信系统，自 1980 年以来在世界上得到广泛应用，使电信技术发生了根本变革。光波技术与微电子技术一起并称为信息时代的基石。 本讲义将全面阐述光纤通信系统， 重点讲解光纤通信系统的理论基础，工程技术方面的问题也作了简要讨论。 本章将介绍光纤

2、通信的发展史以及一些基本概念和背景知识。1.1 节介绍光纤通信的发展史，1.2 节介绍了光纤通信系统的基本组成及其优缺点，1.3 节介绍了模拟和数字信号、信道复用、调制格式、同步数字体系和异步转移模式等一些基本概念。 1.1 光纤通信发展的历史回顾 1.1.1 早期的光通信 所谓光通信就是用光波载运信息，实现通信。光纤通信就是用光波载运信息，用光纤作传输媒体，实现通信。 广义地说， 我国三千多年前开始使用的烽火台、 现在用以指挥交通的红绿灯以及战争中采用的信号弹均可算作光通信。 而我们今天所指的光通信与这种利用普通光的视觉通信不同， 通常是指容量大、 传输距离远的用光波作为载波来传递信息的通信

3、方式。 真正意义上的光通信应起源于1 8 8 0 年贝尔发明的“光电话” 。 如图 1 . 1 所示, 贝尔利用太阳光或弧光灯作光源， 光束通过透镜 1 聚焦在话筒的振动镜片上，当人对着话筒说话时，振动镜随着话音振动，从而使反射光的强度随着话音的变化而变化。受话音调制的反射光经大气传输到接收端。 接收端利用一面凹面镜将大气中传送来的调制光波聚焦在硅光电池上，硅光电池将光转变成电流，经过话筒就可以听到发送端讲话的声音。 贝尔光电话的发明证明了利用光波作载波传递信息的可能性，但由于各种技术条件的限制，这种光电话实验只传输 2 0 0 m ，而且传输质量不高。在光电话问世后一段漫长的时间里，由于缺乏

4、稳定可靠的光源和低损耗的传输媒质，光通信的进展缓慢。 光通信沉睡 8 0 年之后，1 9 6 0 年美国科学家发明了第一台红宝石激光器，使光通信的研究又进入了一个崭新的阶段。激光器发出的激光与普通光相比，具有谱线窄、方向性好、亮度极高的优点，是一种理想的光载波。激光与无线电波具有相似的性质，但频率又比无线电波高得多，因而可以极大地增加通信容量。激光的出现，引起了通信研究工作者的极大兴趣，使激光很快在通信领域中得到应用。 美国麻省理工学院利用氦氖激光器和二氧化碳激光器模拟无线电通信进行了2激光大气传输实验。 但是好景不长，虽然激光光束的方向性很好、亮度极高，能使光能量集中在非常小的范围内在一个方

5、向上进行传输，但由于地球表面大气层中云、雾、雨、雪对激光束的强烈衰减，使得作为“无线光通信”的大气光通信的前景又黯淡下来。但正是这段时期大气光通信的迅速发展，对光源、光电探测器、光调制器和各种非线性光学材料的发展都产生了极大的推动作用。同时随着大功率半导体激光器的出现，自适应光学的运用，大气光通信在一些特殊应用场合（如军事场合的应用、太空通信、边远山区的光接入）还有着广阔的应用前景。 为了克服大气传光的缺点，人们自然会想到将激光束限制在特定的光路中进行传输，从而避免外界的影响，实现持久可靠的通信。在这种思想指导下，先后提出了空心式光波导管、薄膜式光波导、透镜阵列式光波导等多种传光方式。例如，2

6、0 世纪 60 年代报道了一种透镜阵列式光波导系统， 该实验系统放置在直径为 90mm 的充气管道中， 管中配置了焦距为 70m、 直径为 60mm的透镜，每个透镜的反射损耗为 0.5%，相邻透镜之间的距离为 140m。这样在传播过程中光束隔一段距离又重新会聚一次， 可以将光束约束在管道内进行传播。 实验中脉冲光束在这样的管道中累计传输了 120km 之后，仍能得到良好的脉冲波形。但由于这种光波导系统体积庞大，不便于安装和使用， 只有当光束与管道的轴线严格对中时才能有效传输， 这对于长距离通信是很难做到的，因而未能得到实际推广应用。 激光器和光波导为人们探索光通信的新技术提供了很好的思路，半导

7、体激光器和低损耗光纤的出现，使得光纤通信相对与其他通信方式具有许多突出的优点，并得以迅速发展，成为占最主要地位的通信方式。 1.1.2 光纤通信的发展史 1966 年英国华裔科学家高琨提出可通过降低光纤中杂质浓度的方法将光纤损耗从1000dB/km 降低到 20dB/km，使人们看到了光纤通信的曙光。 1970 年康宁公司第一次宣布研制出的高纯硅酸盐玻璃单模光纤在 1m附近波长区域的损耗送话器 振动镜 透镜 1 反射镜 透镜 2 受话器 凹面镜 硅光电池 图 1.1 贝尔的光电话原理示意图 3小于 20dB/km。 几乎在同时双异质结结构的 GaAs/GaAlAs 半导体激光器实现了室温下连续

8、工作。小型光源和低损耗光纤的同时问世，在全世界范围内掀起了发展光纤通信的高潮。1970 年可以看成是光纤通信正式起步的一年。 1972 年康宁公司又推出了损耗为 7dB/km 的光纤，1973 年贝尔实验室又将此项指标降为2.5dB/km，1976 年日本茨城通信研究所采用化学汽相轴向沉积法（VAD）将光纤损耗降低到0.5dB/km，1979 年又降低到 0.2dB/km，已接近理论极限值。目前采用各种工艺制造的石英单模光纤都已接近理论极限值，随着光放大器的出现，损耗不再是限制光纤通信容量的主要因素，如何降低光纤的色散和非线性效应则成为关键问题， 如色散位移光纤和大有效面积光纤。 随着新型光纤

9、通信技术的出现，各种新型光纤如雨后春笋，这在后面的章节中将详细介绍。 在光纤损耗不断降低的同时，半导体激光器也不断得到发展，尤其是能带工程的出现使其性能得到质的飞跃。1970 年在室温下连续工作的半导体激光器问世的同时，分布布拉格反射（DFB）激光器也诞生了，进一步改善了激光器的光谱特性。1975 年波长大于 1000nm 的长波长InGaAsP 激光器的出现使光纤的第二个和第三个通信窗口得以利用， 同年制造出了第一个多量子阱结构，半导体激光器的性能得到显著改善。目前通信系统中普遍采用的量子阱结构 DFB 激光器阈值电流在 10mA 以下， 光谱线宽 （20dB） 小于 0.1nm， 输出功率

10、在 1mW 以上， 能在 2.5Gbit/s的速率下直接调制工作。 伴随着半导体激光器和光纤制造工艺的发展，以及许多光纤通信新技术的产生，光纤通信系统的容量不断得到提高。自 1976 年美国的亚特兰大第一条光纤通信实验系统到最新的 273 路40Gbit/s 的密集波分复用实验系统， 短短的二十多年时间传输速率已从 47Mbit/s 提高到 11Tbit/s。回顾光纤通信的发展历程，光纤通信系统的发展大概可以分为五个阶段。 1978 年工作于 0.85m 的第一代光纤通信系统正式投入商业应用，其比特率在 20100Mbit/s 之间，最大中继间距约 10km，最大通信容量（BL）约 500（M

11、bit/s） km。与同轴系统相比，光纤通信系统中继间距长，投资和维护费用低，是工程和商业运营的追求目标。 早在 1970 年人们就认识到，光纤通信系统工作于 1.3m 时，光纤损耗小于 1.0dB/km，且有最低色散， 可大大增加中继距离。 随着 1.3m 的 InGaAsP 半导体激光器和检测器的研制成功，在 80 年代初，早期的采用多模光纤的第二代光纤通信系统问世，其中继距离超过了 20km，但由于多模光纤的模间色散，早期系统的比特率限制在 100Mbit/s 以下。采用单模光纤能克服这种限制， 一个实验室于 1981 年演示了比特率为 2Gbit/s， 传输距离为 44km 的单模光纤

12、通信实验系统。至 1987 年，商业运行的 1.3m 单模第二代光纤通信系统，工作在 1.7Gbit/s 时无中继距离可达50km。 第二代光纤通信系统的无中继距离受到 1.3m 附近光纤损耗 （典型值为 0.5dB/km） 的限制。石英光纤最低损耗在 1.55m 附近，1979 年在该波长区域就制作出了 0.2dB/km 的低损耗光纤。然而由于 1.55m 处高的光纤色散，当时多纵模同时振荡的常规 InGaAsP 半导体激光器的脉冲展宽问题尚未解决，就推迟了第三代光纤通信系统的问世。后来的研究表明，色散问题可以通过使用在 1.55m 附近具有最小色散的色散位移光纤（DSF）与单纵模激光器来克

13、服。在 80 年代这两种技术都得到发展，1985 年在实验室传输 4Gbit/s 的信号，无中继离超过 100km。1990 年，4工作于 2.5Gbit/s、1.55m 的第三代光纤通信系统已能商业运行。这样的第三代光纤通信系统，通过精心设计激光器和光接收机，其传输速率可以超过 10Gbit/s。 第三代光纤通信系统的缺点在于每隔 60- 70km 后需要采用电中继系统对光信号进行整形、放大和重新定时，虽然可以采用相干检测的方案改善接收机的灵敏度，即相干光波通信系统，来提高无中继传输距离，但随着光放大器的出现，这个问题得到有效解决，相干光通信系统的研究得以滞后。 第四代光纤通信系统中采用光放

14、大器 （OA） 来增加无中继距离和采用频分与波分复用 （FDM与 WDM）技术来增加比特率。可以说光放大器和 WDM 技术的采用引起了光纤通信领域的重大变革。在第四代系统中，每隔 60- 100km 采用一个掺铒光纤放大器（EDFA）来补偿光纤损耗，EDFA 在 80 年代被提出后， 在 1990 年就已经商用化。 1991 年报道的一个实验中利用一个环路结构实现了2.5Gbit/s信号无电中继传输21000km以及5Gbit/s信号传输14300km， 这表明基于EDFA的第四代光纤通信系统可用于跨洋通信中。1996 年实际的基于光放大器的越洋通信系统就产生了，将 5Gbit/s 的信号传输

15、了 11300km。目前第四代光纤通信系统发展的重点是采用 WDM 技术增加复用的信道数，以提高通信容量。EDFA 的采用使多信道同时放大成为可能，而无需将各信道解复用出来分别放大。 1996 年报道的实验中实现 20 路 5Gbit/s 的信号无电中继传输了 9100km，总速率达 100Gbit/s，比特率距离乘积高达 910(Tbit/s)km。目前美国的 Lucent 公司、德国的HHI 公司、日本的 NTT 实验室、NEC 公司和富士通公司以及法国的 Alcatel 公司在超大容量DWDM 通信系统的研究方面保持了很高的水平。2000 年 NEC 公司报道了 160 路 20Gbit

16、/s 的DWDM 系统，传输距离为 1500km；Lucent 公司报道了 82 路 40Gbit/s 的 DWDM 系统，传输距离为 300km。目前 DWDM 系统总传输速率的世界纪录是日本 NEC 公司在 2001 年创造的，实现了 273 路 40Gbit/s 的 DWDM 通信系统，总传输速率高达 11Tbit/s。在 DWDM 通信系统中，随着单信道传输速率的提高和复用信道数的增加，光纤不再是一个“透明”的管道，光纤的色散和非线性效应称为限制通信容量进一步提高的最主要因素。 第五代光纤通信系统就是为了克服光纤色散的影响而发展起来的。 光放大器虽然能弥补光纤的损耗，但在多次放大的过程中，使光纤的色散积累起来严重影响通信质量。虽然有多种色散补偿的方案， 但光孤子技术被认为是最终的解决方案。 光孤子技术是基于光纤的非线性压缩与光纤色散引起展宽相互抵消的机理来实现脉冲在无损耗光纤中的无变形传输。虽然这种思想早 1973年就已被提出，但直到 1988 年才由贝尔(Bell)实验室采用受激喇曼分布放大技术补偿光纤损耗，将光孤子脉冲传输了 400