光通信基本教程

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1、光通信基本教程光纤和光缆2017 年 10 月概述所谓光通信就是利用光波载送信息的通信。在载波技术方面，电磁波的通信已广泛应用于广播、电视等领域，本世纪末，随着数字技术的进步，出现了移动通信等数字无线电波技术。在另一方面，光波作为一种波长很短的无线电波，同样也得到技术突破，目前已成为新 一代的有线通信载波。光通信技术的进步，推动了整个信息产业的飞速发展。光纤发展概况1960年，梅曼(T.H.Maiman)发明了红宝石激光器，产生了单色相干光，实现了高速 的光调制。美国林肯实验室首先研制出利用氢速激光器通过大气传输彩色电视，利用大气传输光信号具有以下的缺点：气候严重影响通信， 如雾天；大气的密度

2、不均匀，传输不稳定；传输设备之间要求没有阻隔利用大气传输光波的思想实际上是电磁波传输的技术，光波实质上是频率极高的电磁波(3X1014Hz),其通信的容量比一般的电磁波大万倍以上，如果光通信能够实现，它将具有 划时代的意义。早期，为了避免大气对光传输的干扰，研制了透镜光波导的技术， 利用管子进行光传输，在一定距离上设置聚焦透镜，汇聚散射光和诱导光转折，但振动和温度又严重影响了光传输。 这种思想，被后来采用直至成功研制成光导纤维。1966年，英籍华人高银(C.K.Kao)和Hockham实验证明利用玻璃可以制作光导纤维 (Optic Fiber)。但当时的玻璃衰减达 1000dB/km ,无法用

3、于传输，后经过美国贝尔实验室 主席Ian Ross、英国电信研究所 (BTRL , BPO)和美国康宁玻璃公司 (CORNING )的Maurer 等合作，于1970年首先研制成功衰减为 20 dB/km的光纤，取得重大突破。之后，各发达国 家纷纷开展光纤通信研究，出现了多组成份玻璃光纤、塑料光纤、液芯光纤等，其中利用介质全反射原理导光的石英光纤被广泛采用。石英光纤衰减小，性能高，强度大，见图1-1。图1-1光纤导光原理要实现长距离的光纤通信，必须减少光纤的衰减。高银指出降低玻璃内过度金属杂质离子是降低光纤衰减的主要因素， 1974年，光纤衰减降低到 2 dB/km。1976年通过研究发现 降

4、低玻璃内的 OH离子含量就出现地衰减的长波长双窗口：1.3m和1.55pm。在1980年,1.55pm波长光纤衰减达到 0.2 dB/km ,接近理论值。80年代中，又发现水分和潮气长期接 触光纤会扩散到石英光纤内，从而使光纤衰减增大且强度降低。于是采用注入油膏于光纤套管中隔绝水气，制成品质完善的光缆用于工程。要实现大容量的通信，要求光名f有很宽的带宽。单模( SM: Single Mode)光纤的带宽 最宽， 是理想的传输介质。 但是单模光纤纤芯很细， 70 年代工艺无法做到， 因此， 多模 （ MM ：Multi Mode ）光纤较早应用，光在多模光纤里各模式间存在光程差，造成输出的光信号

5、带宽不宽。 1976 年日本研制成渐变型 （又称自聚焦型， SELFCO ） 光纤， 光纤的带宽达到 KHz/km数量级。 80 年代，单模光纤研制成功，带宽增大到 10 KHz/km ，这一成就使大容量光通信成为可能，80年代中，零色散波长为1.55科m的光纤研制成功，光纤通信实现长距离超大容量传输。70年代，光纤的低衰减窗口在近红外区0.85 m的短光波，光源采用GaAlAs （钱铝神）注入式半导体激光器（ LD ： Laser Diode ） ） ，但是寿命很短。直到研制成功可连续运行的GaAlAs 双异质结注入式激光器（ Hayashi 等） ，同时也发展了 GaAlAs 发光二极管（

6、 LED ：Burrus） ， LED 寿命长，价格低，但谱线宽，速率低，功率笑，属于非相干光源。 80年代， 研究出了 InGaAsP （铟镓砷磷）长波长激光器和 LED ，现已广泛应用。光检测器是光接收的主要器件，用于将光信号转变为电信号。主要有用于短波长的Si-PIN 管和 Si-APD 雪崩光电二极管以及适用于长波长的 InGaAs/InP 的 PIN 管和 APD 管， 还有 Ge-APD 管。由于工程上的需要，各式各样的光无源器件和光仪表也相应出现。如：光活动连接器，光衰减器、光纤熔接机和光时域反射测试仪等。光纤通信1976年，美国首先在亚特兰大建成距离为10 公里，码率为 44M

7、bit/s 的光纤通信系统，80 年代，许多国家都建成商用的通信系统。在此中， 发现利用激光器和多模光纤， 当光纤机械振动则接收的光信号随机起伏， 出现所谓“模式噪声” ，因此，用单模光纤的传输介质和激光器光源成为光纤通信的基本方式，80 年代中，还发现FP 型激光器不能维持单谱线相干性，使输出信号中带有“模分配噪声” ，从而使光纤的容量和传输距离受到限制，之后研究出动态单纵模激光器解决了此问题，如：分布反馈（ DFB ）激光器和更优良的量子阱激光器。这些技术的解决，使超过 100km 已上无中继，容量到达Gbit/s 的光通信成为现实。目前，全世界广泛应用光纤通信网络，光纤用量超过 2000

8、 万 km ，建成了横跨太平洋、大西洋的海底光缆线路，见图 1-2，国际上 565Mbit/s 高速光纤通信系统（可传送7680路双向电话）已广泛使用， 2.4Gbit/s 超高速系统也付诸商用。70年代初，我国已开始光纤技术的研究。70年代末，制造出衰减为4dB/km, 1.3 m波长的光纤，并能制造0.85科m的LED和LD以及Si-APD雪崩光电二极管，实验系统码率 为 8Mbit/s。80年代初，开始研制长波长多模光纤、长波长激光器和PIN-FET光电检测组件。82年在武汉建立了 13多公里的短波长、长波长实用市内线路，码率为8Mbit/s和34 Mbit/s。80年代末，研制出单模光

9、纤和140Mbit/s系统，88年在武汉建立了单模架空线路，距离为35公里。1991年在合肥和芜湖间建成单模直埋线路，全长 150km,从水下跨越长江。图1-3我国光缆干线网络现在，国内已广泛使用光纤通信，至今已敷设近 60000km光缆。如北京-武汉-广州，北 京-沈阳-哈尔滨国家干线光缆等，如图1-3所示。我国幅员广阔，光纤通信在不同的地理、气候环境中使用，在北方要求耐-40C低温，在南方的架空光缆要抗台风与雷击，在西北沙漠地带，直埋光缆要防风沙的袭击，在华东经济发达地区，如在上海等建成了565Mbit/s的高速系统，在华中地区如武汉， 则建成了跨长江的水下线路。我国现已有了一定规模的光纤

10、通信产业，能生产光纤、光缆、光电器件、光端机和光仪表，国产光纤衰减能达到 0.38 dB/km （1.3 m）,其产量包括合资生产年约100000km,如侯马光缆厂，武汉长飞，成都西门子等。我国能生产少数国家才能生产的长波长激光器、PIN-FET和nGaAs/InP-PAD组件，寿命可达200000小时，满足商用要求。国产光端机的传输码率达到140Mbit/s、565Mbit/s （ PDH系统），90年代随着 SDH技术的发展，又相继推出了 155Mbit/s、622Mbit/s甚至2.4Gbit/s 的超高速系统，如“巨大中华”（巨龙、大唐、中兴和华为）等民族企业，其生产的光端机广泛应用于

11、国家一级干线、二级干线（省级） 、本地网和市话网。随着接入网络（ AN）技术 的成熟，我国光纤通信技术将会更快速地发展。未来光纤接入网络到90年代，通信技术高速发展，移动通信，卫星传输和光纤通信，将通信演变为高速、大容量、数字化和综合的多媒体业务。在 ITU-T的推动下，光纤通信的各种标准纷纷制定， 如PDH、SDH、DWDM、AN和B-ISDN等。因此，美国首先提出建立国家信息高速公路 的构想：国家信息基础建设（NII）,之后各国纷纷制定计划，并推出全球的信息技术建设计 划（GII）。70年代，光纤网络主要用于市内等大容量业务区，80年代向市外长途干线发展，到90年代逐步向用户方向延伸，即所

12、谓光纤道路边（ FTTC）、光纤到大楼（FTTB）直到光 纤到家庭（FTTH）。目前也有采用电缆到家庭（如： CABLE MODEM 和ADSL技术）的经图1-4未来光纤接入网络FTTA、B、C构成未来的光纤接入网络，用户可以采用BRI （2B+D）的ISDN设备实现电话、传真、数据和计算机等通信，利用 PRI （30B+D）的B-ISDN设备则可以完成除 Hi-Fi和TV外的所有业务包含在内，预计到 2020年，交换中心局到远端模块带宽达到 2.4Gbit/s ,远端模块带宽到用户间带宽达到622Mbit/s后，电视信号由 MPEG-1的34Mbit/s压缩到20 Mbit/s （MPEG-

13、2）,声音由64Kbit/s压缩到16 Kbit/s ,这样，通信、计算机、广播电视和其它光通信将构成统一的4c网络(Communication , Computer, Consumer &Component)。光纤通信原理光纤通信系统如图2-1所示，电端机(交换机)将来自信号源的信号进行模/数转换、多路复用等处理(1.44Mbit/s或2Mbit/s , 34Mbit/S和140Mbit/s等)送给发光端机，变成光 信号，并按SDH的格式输入光纤，收光端机通过光检测器还原成电信号，放大、整形、恢 复后输入到电端机(交换机或远端模块)，完成通信。光端机间的传输距离在长波长达到100公里，超过距

14、离则用中继器将光纤衰减和畸变后的弱光信号再生成，继续向前传输。将来， 掺饵光发大器可实现全光中继。光端机Public switch光缆光中继光缆光端机Public switch图2-1光纤通信系统简图光纤通信可采用模拟和数字调制，由于激光器的线性不够理想，不能像电气中载波模拟调制和多路复用，只能用于模拟电视信号的多路复用，如光付载波调制技术。未来，包括电 视在内的光纤通信将都是数字式的。在光端机中，对电信号有两种光调制方法：其一是在光源如激光器上调制，产生随电信号变化的光信号，此为直接调制。其二为外调制，利用电光晶体调制器在光源外部调制，调制速率高。所有的调制速率可达1020Gbit/s,远远

15、低于光纤的传输带宽(20000Gbit/s )。要充分发挥光纤的超大容量的通信传输能力，必须采用光频复用的光纤通信系统，光频复用 (FDM)又称光波复用(WDM),就是在光纤中同时采用许多不同波长的光进行传输，光 频复用技术可在光纤中开发出100200个光频道，每个频道可容纳1020 Gbit/s的信息容量，目前以朗讯(LUCENT )为首的通信企业已成功开发了WDM产品，预计下一个世纪， 随着通信需求的越来越大，WDM通信技术将会广泛应用。光波光波与通信用的无线电磁波一样，也是一种电波，光波的波长很短，或者说频率很高， 达到10131014Hz, 一般无线电磁波可用作广播电台、电视、移动通信的信号传输，光波也 可以，而且是大容量、高速度、数字化和综合业务的通信传输，所不同的是：一般无线电波通过空气传输，而通信用光波是通过光纤（ Optic Fiber）来实现的。是一种有线传输。如图2-2所示光波在电磁波谱中的位置，可见光的波长在 0.39科m到0.76科m,包括红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，混合而成白光。红光的波长长。比红光波长更长的光，即波长大于0.76 pm,是不可见的红外光，在0.76 m75 dm的光波称为近红外波，在15 d m25科m称为中红外波，在 25 d m300科m称为远红外波。0.39