光纤通信原理与技术

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1、第一章 绪论,1.1 光通信发展史 1.2 国内外光纤通信技术发展概况 1.3 光纤通信系统的基本构成,1.1 光通信发展史,1.1.1 现代通信的发展,人类社会出现后，人与人之间就需要信息交流。原始社会人们可以靠声音（语言）、肢体动作（肢体语言）或面部表情等交流信息，这就是原始的通信，是人们面对面的交流。 在人类学会使用工具以后，人们开始借助于工具进行较远距离的信息交流，如烽火、灯光（蜡烛）以及以后的旗语等。图1是一种利用绳子定向传输声音振动的例子。与此类似，在过去的大型船舶上用两端带喇叭的铜管定向传导声音。,图1. 利用绳子定向传输声音振动,电的使用开创了人类社会的一个新纪元，引起了一场新

2、的工业革命，也迎来了现代通信的时代以电报和电话为标志的电通信时代。最近三十多年来光通信异军突起，迅速发展，并大大改变了通信业的面貌，也成为电信的主要成员。光纤通信网已经成为现代通信网骨干，并正在向用户/家庭扩展，即光纤到户（Fiber to the Home）。 现代通信发展的主要标志是通信容量的增加，与通信容量的增加相对应则是载波频率的增加。电通信的载波由长波中波短波超短波，最终发展到微波（米波厘米波毫米波）。,为了增加通信容量，必须增加可用带宽，因此带宽成为资源。在微波波段带宽资源是有限的。在光通信发展以前，人们试图开发毫米波和亚毫米波作为通信的载波，以增加带宽资源。例如有人提出用铜制圆波

3、导作为传输线（传输媒质）传输毫米波和亚毫米波；用半导体器件制作发射机和接收机。这一方案在技术上是可行的。但是这一波段的波导管制作要求非常高，而且要在野外铺设数千千米，工程施工非常困难。同时毫米波和亚毫米波半导体器件价格也很高。因此，要实现这一要求，经济上非常不合算。更何况在世界上铜的储量有限，属于稀缺的资源。因而毫米波和亚毫米波通信没有得到很大的发展（毫米波通信在无线和空间通信中有部分应用）。,光波所占频带非常宽，相当于当前的应用，带宽资源几乎是无限的。因此人们势必要开发光波波段的带宽资源。光纤的发明解决了光通信的传输媒质问题。不像铜制圆波导管那样，光纤具有许多非常优秀的性能，是非常理想的传输

4、媒质；同时，半导体激光器的发明也解决了光源问题，可以制作出价格适中甚至廉价的光发射机。因此通信的载波频率由微波跳过了毫米波和亚毫米波波段，直接进入到光波波段。 图1.1示出了无线电波段的分布情况，可以看出光通信使用的光波波段也只是无线电波波段的一个很小部分，但是这一部分的带宽资源已经足够大，大概在数十年的时间内，这一资源也不会枯竭。,图1.1 电磁波谱及电通信和光通信所用频带在其中位置,1.1.2 光通信的发展,原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，手电筒，海港信号灯通信与此类似 。 上世纪60年代初激光器被发明，人们开始了利用激光器作光源进行光通信的研究，这是现代光通信与原始光通信的分

5、界线。 60年代70年代初，人们还没有制造出可以实用的光纤，当时主要研究大气光通信。光源主要使用CO2气体激光器（但由于空气不是理想的光传输媒质，空气中的水汽(雾)、雨雪和沙尘的影响，使光信号被散射、吸收，以致传输距离很短，在恶劣气候的条件下，光信号仅能传播百米量级，甚至更短。,1.光纤传输衰减的降低 60年代最好的光纤传输衰减为1000dB/km，即传输1km，光功率降到原来的1/101000，因而这种光纤不可能用作通信媒质。当时没有人相信光纤可以用于通信，也没有人从事光纤用于通信的研究。英藉华人学者高锟博士的贡献在于理论上证明这样大的传输衰减是由于光纤中杂质吸收和散射引起的。如将光纤提纯，

6、则传输衰减可以降到可在通信中实用的程度（最初提出的指标是20dB/km）1.这一贡献具有深远意义，完全改变了通信容量不适应社会发展的需求，推动了信息社会更快地到来。由于这一贡献，高锟博士获得了2009年诺贝尔物理学奖。,1970年美国康宁公司首次制成了传输衰减为20dB/km的光纤，每传输1km,光功率降到原来的1/100，可以用作光通信的传输媒质。此后，光纤传输衰减逐年下降，到79年已降到0.2dB/km，后来又降到0.16dB/km,几乎达到纯石英光纤损耗的理论极限。与此对照，同轴电缆传输线的传输衰减大约在30-100dB/km。 这一突破的意义在于说明光纤可以作为光通信的传输媒质，从而为

7、光纤通信打开大门。这也是称高锟博士为光纤通信之父的原因。,2.半导体激光器性能的突破,1960年发明的第一个激光器是红宝石(固体)激光器，不久（1961年）半导体激光器研制成功，但当时需要在低温(液氮)下脉冲工作。后来采用异质结技术使激光器可在常温下连续工作，但开始只有数小时甚至数分钟的寿命，由于寿命极短不能实用化。经过一段时间的努力，才研制成功可实用的半导体激光器。现在的半导体激光器的性能有了极大的提高，其寿命可达106小时，甚至达108小时，功率可达10 毫瓦量级(泵浦激光器可达几百毫瓦),可调谐范围几百GHz,线宽低到110MHz(外腔激光器能达几十kHz)，适用于各种光通信系统，为光纤

8、通信实用化打下了基础。激光器价格也在不断下降，干线通信系统所用激光器已降到千美元量级；几十美元，甚至几美元的半导体激光器可用于接入网系统。,有了这两个技术突破，70年代中期就出现了第一代光纤通信系统。世界上第一套商用光纤通信系统于1975年敷设于美国亚特兰大，其工作波长为0.85m，比特率为45Mbit/s。经过三十多年的努力，光纤通信系统已经经历数代的发展，如表1.1所示。,1.1.3 光纤通信的优点,1.巨大的传输容量 前已说到光波载波频率比微波高得多，光纤通信使用的波段载频约为1014 Hz量级,而微波大约1010 Hz量级，两者差四个量级，带宽资源比微波大得多。具体说现有普通单模光纤在

9、1.3m和1.55m波段可用于光纤通信的低损耗窗口的带宽各有25,000 GHz，如图1.1所示（参考图3.1）。若把1.39m附近的氢氧根离子吸收峰清除掉，将两个低损耗区连接起来则可有50,000 GHz(波长范围400 nm，即波长在12601660 nm之间 )以上的低损耗带宽，当前技术还不能完全利用，也还没有如此大的带宽需求，因此光纤通信技术在将来还有巨大的发展潜力。,2.优越的传输性能,在1.55m波段最低传输损耗约0.2 dB/km，即传输100 km光信号才衰减20 dB。完全可以用光放大器来补偿损耗，即放大器间距100 km 是可能的。而同轴电缆中继放大器间距在500 m几km

10、。此外光纤不存在外来的信道噪声的干扰，这一点是其它通信体系所不具备的。以后我们会讲到，以发射机的功率和接收机的灵敏度作比较，电通信系统比光通信系统好，但光通信中继距离反而长，这都是得益于光纤优良的传输特性。 其它优点还有制作光纤的材料易于得到、价格便宜（光纤材料的基质是石英玻璃，即二氧化硅(SiO2)，可以从石英砂中提炼，而石英砂在世界上的储量非常丰富）；光纤质量轻、直径细，只占据很小空间，易于铺设。由于外界信号不能干扰光纤中传输的信号，光纤中传输的信号几乎不能辐射出光纤，因此光纤的电磁兼容性非常好。,1.2 国内外光纤通信技术发展概况,由于光纤通信技术无可比拟的优点，在大容量、长距离传输系统

11、中已经普遍采用光纤通信系统和网络，现在的所谓三大网（电话网、电视网和计算机网）也都采用了光纤网。表1.1给出了各个时期光纤通信系统研究的最高水平。其中用了比特率和无电中继传输距离的乘积（BL）来表示光纤通信系统的水平。以后本书也常用这一参量表示系统水平。 从服务范围看，光纤通信网可以分为用于长途干线系统组成的广域网以及城域网、局域网和接入网。,长途干线系统又有陆上系统和海底光缆系统的分别。陆上光纤通信干线系统主要指各个国家的光纤通信干线网，包括各发达国家和许多发展中国家的干线网和部分跨国和跨州的光缆通信干线。海底光缆系统包括跨海和跨洋的光缆系统、以及沿海岸海底光缆系统和岛屿间光缆系统。其中以T

12、AT（Trans-Atlantic Transmission）和TPC（Trans-Pacific Communication)为代号的跨大西洋和跨太平洋光缆通信系统从八十年代后半期开始建设，现在已有多条跨这两个大洋的光缆通信系统。其它著名的系统还有FLAG系统（连接欧洲和东南亚，全长26,000km），和 AFRICA ONE系统（环非洲海岸海底光缆系统，全长40,000km ）。全球海底光缆系统分布如图1.2所示。,我国光纤通信研究和产业发展几乎和国际上同步进行。在七十年代初武汉邮电科学研究院赵梓森院士就提出了开展光纤通信技术研究的建议。当时国际上也刚刚开始相关研究。在七十年代末一些实用的

13、光纤通信系统已经在我国电话网中应用。如，北京大学研制的系统（比特率8 Mbit/s，传输距离3 km）于1979年安装于北京市电话网中使用多年，获国家科技进步二等奖。由于当时客观条件的限制，我国研制的系统比特率不高，直到九十年代初我国光纤传输系统的比特率仍维持在140Mbit/s。由于发达国家的禁运，进口系统也限制在140Mbit/s以下。这一速率已经不能适应我国国民经济和社会发展的需要。为了增加通信容量，当时只能增加光缆中的光纤芯数。,进入九十年代我国光纤通信研究和产业都得到巨大的发展。商用系统的比特率从140Mbit/s为主，跳过了565Mbit/s和622mbit/s（这两个比特率在我国

14、使用较少）进入比特率为2.5Gbit/s的系统的研究和实用化。当前我国已有10Gbit/s和40Gbit/s的实用化系统，已经开始研究速率100Gbit/s以上的系统，与国际上基本同步。 在全国通信网的建设方面也进展迅速。“八五”和“九五”计划期间（1991-2000），我国建设了两个“八纵八横”通信光缆，通信干线网基本覆盖全国。,此外，我国波分复用技术的研究也是和国际上同步进行。1992年北京大学提出了采用波分复用+光纤放大器技术实现我国通信干线扩容的建议，受到相关部委的重视，并开始立项研究。在当时该项技术在国际上还没有得到共识，国内外都有反对意见。直到1996年波分复用技术被公认为当前光纤

15、通信系统扩容的最佳方案，并在国内外得到迅速发展。1997年由北京大学和有关公司合作研制的42.5 Gbit/s波分复用系统安装于国家光缆干线上，成为我国第一条实际使用的波分复用系统，获得国家科技进步三等奖。 而且我国的通信网已经成为全球通信网的一部分。陆地上已有光缆通到欧洲和东南亚。海上也有了中日、中韩和中美之间海底光缆系统。 可以看到，光纤通信技术已经为我国通信现代化作出了重要贡献 。,光纤通信系统必须有电光转换和光电转换,1.3 光纤通信系统的基本构成,思考题与习题,1.1试讨论当代通信技术发展的特点（主要讨论除通信容量迅速增加外的其它特点）。 1.2试讨论为什么光纤通信技术发展如此迅速（从需要和可能两方面讨论）。 1.3下面要提到的全波光纤具有可能的低损耗带宽约为12601660 nm，试估算这一带宽占图1.1中所画的1020 Hz带宽的多大分数？当前光纤通信系统中使用的单信道最高比特率为40 Gbit/s，如果系统的带宽利用率为0.5(bit/s)/Hz，试估算该系统占据光纤可用的低损耗带宽的分数是多大？ 1.4试举例说明图1.1所示的无线电波的各个波段可能在哪些领域应用。,