光纖通信 第 章 概論

光纖通信光纖通信是以光導(dǎo)纖維作為傳輸煤質(zhì)、以光波作為運載工具（載波）的通信方式。自從1977年世界上第一個光纖通信系統(tǒng)投入運營以來，光纖通信憑借它特有的優(yōu)點迅速發(fā)展，已成為各種通信干線的主要傳輸手段。尤其是光傳輸網(wǎng)是通信網(wǎng)未來的發(fā)展方向。1·1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀

1.1.1探索時期的光通信

1.1.2現(xiàn)代光纖通信

1.1.3國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀1·2光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用

1.2.1光通信與電通信

1.2.2光纖通信的優(yōu)點第1章概論

1.2.3光纖通信的應(yīng)用1·3光纖通信系統(tǒng)的基本組成

1.3.1發(fā)射和接收

1.3.2基本光纖傳輸系統(tǒng)

1.3.3數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀

1.1.1探索時期的光通信

原始形式的光通信:中國古代用“烽火臺”報警，歐洲人用旗語傳送信息。1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器，給光通信帶來了新的希望。激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進入一個嶄新的階段。在這個時期，美國麻省理工學(xué)院利用He–Ne激光器和CO2激光器進行了大氣激光通信試驗。由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，對光通信的研究曾一度走入了低潮。返回主目錄1.1.2現(xiàn)代光纖通信1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖(OpticalFiber)進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。

預(yù)測“通過原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向。光纖通信發(fā)明家高錕(左)

1998年在英國接受IEE授予的獎?wù)?970年，光纖研制取得了重大突破1970年，美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段。1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km。1973年，美國貝爾(Bell)實驗室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。1976年年，日本本電報電話話(NTT)公司將將光纖損耗耗降低到0.47dB/km(波長長1.2μμm)。在以后的10年年中，波長長為1.55μm的光纖損損耗：1979年年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年年是0.154dB/km，接接近了光纖最低損損耗的理論論極限。1970年年，光纖纖通信用光源取得了實質(zhì)質(zhì)性的進展1970年，美美國貝爾爾實驗室室、日本本電氣公司(NEC)和前蘇蘇聯(lián)先后后，研制制成功室溫下連續(xù)續(xù)振蕩的鎵鋁砷砷(GaAlAs)雙雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體體激光器器(短波波長)。。雖然壽壽命只有幾個小小時，但但它為半半導(dǎo)體激激光器的的發(fā)展奠定了了基礎(chǔ)。。1973年，，半導(dǎo)體體激光器器壽命達達到7000小時。1976年，日日本電報報電話公公司研制制成功發(fā)發(fā)射波長為為1.3μm的銦鎵鎵砷磷(InGaAsP)激光器。。1977年，，貝爾實實驗室研研制的半半導(dǎo)體激激光器壽命達達到10萬小時時。1979年美國國電報電電話(AT&T)公司司和日本電報電電話公司司研制成成功發(fā)射射波長為為1.55μm的連續(xù)續(xù)振蕩半半導(dǎo)體激激光器。。由于光纖纖和半導(dǎo)導(dǎo)體激光光器的技技術(shù)進步步，使1970年年成為光光纖通信信發(fā)展的的一個重重要里程程碑。實用光纖通信系系統(tǒng)的發(fā)展1976年年，美國國在亞特蘭蘭大(Atlanta)進行行了世界上第一一個實用光光纖通信系系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗。1980年年，美國國標準化FT-3光纖通通信系統(tǒng)投入商業(yè)業(yè)應(yīng)用。1976年年和1978年年，日本本先后進行行了速率為34Mb/s的突變型型多模光纖纖通信系統(tǒng)，以及及速率為100Mb/s的的漸變型多多模光纖通信信系統(tǒng)的試試驗。1983年年敷設(shè)了縱縱貫日本南南北的光纜纜長途干線。隨后，由美美、日、英英、法發(fā)發(fā)起的第一一條橫跨大西西洋TAT-8海海底光纜通通信系統(tǒng)于1988年建成。。第一條橫跨跨太平洋TPC-3/HAW-4海海底光纜通信信系統(tǒng)于1989年年建成。從從此，海底光光纜通信系系統(tǒng)的建設(shè)設(shè)得到了全面展開，，促進了全全球通信網(wǎng)網(wǎng)的發(fā)展。?？傊?，光纖纖通信的發(fā)發(fā)展可以粗粗略地分為為三個階段段：第一階段(1966~1976年)，，這是從基基礎(chǔ)研究到到商業(yè)應(yīng)用用的開發(fā)時時期。第二階段(1976~1986年)，，這是以提提高傳輸速速率和增加加傳輸距離離為研究目目標和大力力推廣應(yīng)用用的大發(fā)展展時期。第三階段(1986~1996年)，，這是以超超大容量超超長距離為為目標、全全面深入開開展新技術(shù)術(shù)研究的時時期。返回主目錄錄1.1.3國國內(nèi)外光纖纖通信發(fā)展展的現(xiàn)狀1976年年美國在亞亞特蘭大進進行的現(xiàn)場場試驗，標標志著光纖纖通信從基基礎(chǔ)研究發(fā)發(fā)展到了商商業(yè)應(yīng)用的的新階段。此后，光纖纖通信技術(shù)術(shù)不斷創(chuàng)新新：光纖從從多模發(fā)展到到單模，工作波長長從0.85μm發(fā)展到1.31μμm和1.55μμm(短波長向長長波長），傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展展到幾十Gb/s。。隨著技術(shù)的的進步和大大規(guī)模產(chǎn)業(yè)業(yè)的形成，，光纖價格不不斷下降，應(yīng)用范圍圍不斷擴大大。目前光纖已已成為信息息寬帶傳輸輸?shù)闹饕矫劫|(zhì)，光纖纖通信系統(tǒng)統(tǒng)將成為未未來國家信信息基礎(chǔ)設(shè)設(shè)施的支柱柱。在許多發(fā)達達國家，生生產(chǎn)光纖通通信產(chǎn)品的的行業(yè)已在在國民經(jīng)濟濟中占重要要地位。返回主目錄錄1.2光光纖通信的的優(yōu)點和應(yīng)應(yīng)用1.2.1光光通信與電電通信通信系統(tǒng)的的傳輸容量取決于對載載波調(diào)制的的頻帶寬度，載波頻率越越高，頻帶帶寬度越寬寬。光通信的主主要特點：：載波頻率高高；頻帶寬寬度寬；光光通信利用用的傳輸媒媒質(zhì)-光纖纖，可以在在寬波長范范圍內(nèi)獲得得很小的損損耗。返回主目錄錄1.2.2光光纖通信的的優(yōu)點容許頻帶很很寬，傳輸輸容量很大大損耗很小，，中繼距距離很長且且誤碼率很很小重量輕、體體積小抗電磁干擾擾性能好泄漏小，保保密性能能好節(jié)約金屬材材料，有有利于資源源合理使用用返回主目錄錄1.2.3光光纖通信的的應(yīng)用光纖可以傳傳輸數(shù)字信信號，也可可以傳輸模模擬信號。。光纖在通通信網(wǎng)、廣廣播電視網(wǎng)網(wǎng)與計算機機網(wǎng)，以及及在其它數(shù)數(shù)據(jù)傳輸系系統(tǒng)中，都都得到了了廣泛應(yīng)用用。光纖寬寬帶干線傳傳送網(wǎng)和接接入網(wǎng)發(fā)展展迅速，是是當前研研究開發(fā)應(yīng)應(yīng)用的主要要目標。光纖通信的的各種應(yīng)用用可概括如如下：①通信網(wǎng)網(wǎng)②構(gòu)成因因特網(wǎng)的計計算機局域域網(wǎng)和廣域域網(wǎng)③有線電電視網(wǎng)的干干線和分配配網(wǎng)④綜合業(yè)業(yè)務(wù)光纖接接入網(wǎng)返回主目錄錄1.3光光纖通通信系統(tǒng)的的基本組成成下圖示出單單向傳輸?shù)牡墓饫w通信信系統(tǒng)，包包括發(fā)射、接收和作為廣義義信道的基基本光纖傳輸系系統(tǒng)。1.3.1發(fā)射和和接收信源：消息的產(chǎn)產(chǎn)生地，其其作用是把把各種信息轉(zhuǎn)換為為原始電信信號，稱之之為消息信信號或基帶信號。。電發(fā)送設(shè)備備：基本作用用是將信源源和信道匹配起來，，即將信源源產(chǎn)生的消消息信號變換成適合在信信道中傳輸輸?shù)男盘枴?。調(diào)制是最常見的的變換方式式。信道：傳輸信號號的物理煤煤質(zhì)。在無線信道中，信道可可以是大氣氣（自由空空間）；在在有線信道中，信道可可以是明線線、電纜纜或光纖。。有線和無線線信道均有有多種物物理煤質(zhì)。。電接收設(shè)備備：基本功能能是完成發(fā)發(fā)送設(shè)備的的反變換，，即進行解解調(diào)、譯碼碼、解碼等等。它的任任務(wù)是從帶帶有干擾的的接收信號號中正確恢恢復(fù)出相應(yīng)應(yīng)的原始基基帶信號來來。返回主目錄錄1.3.2基本光光纖傳輸系系統(tǒng)基本光纖傳傳輸系統(tǒng)是是一個獨立立的“光信道”，若配置置適當?shù)慕咏涌谠O(shè)備，，則可以插插入到現(xiàn)有有的數(shù)字通通信系統(tǒng)或或模擬通信信系統(tǒng)的接接收機與發(fā)發(fā)射機之間間；基本傳傳輸系統(tǒng)若若配置適當當?shù)墓馄骷?，可組成成傳輸能力力更強、功功能更完善善的光纖通通信系統(tǒng)。。例如，在光光纖線路中中插入光纖纖放大器組組成光中繼長途系系統(tǒng)；配置波分分復(fù)用器和和解復(fù)用器器，組成大大容量波分復(fù)用系系統(tǒng)；使用耦合合器或光開開關(guān)組成無源光網(wǎng)絡(luò)絡(luò)。1.光發(fā)發(fā)送機：功功能是把輸輸入的電信信號轉(zhuǎn)換為為光信號，，并用耦合合技術(shù)把光光信號最大大限度地注注入光纖線線路。組成框圖：：

光源調(diào)制器通道耦合器電信號輸入光輸出驅(qū)動電路核心將電信號轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為關(guān)信信號2.光纖纖線路功能：是把來自光光發(fā)射機的的光信號，，以盡可能能小的畸變變(失真)和衰減傳傳輸?shù)焦饨咏邮諜C。組成:光纖、光纖纖接頭和光光纖連接器器。光纖是是主體；接頭和連接接器是不可可缺少的器器件。工程中：使用容納納許多根光光纖的光纜。光纖線路路的性能主主要由光纜纜內(nèi)光纖的的傳輸特性性決定。對光纖的要要求：損耗和色色散這兩個個傳輸特性性參數(shù)盡可可能地小，，而且由足足夠好的機機械特性和和環(huán)境特性性。實際使用：：石英光纖纖，有多模模光纖和單單模光纖。。單模光纖纖的傳輸特特性比多模模光纖好，，價格比多多模光纖便便宜，因而而被廣泛應(yīng)應(yīng)用。低損耗““窗口”：：普通石英光光纖在近紅紅外波段，，除雜質(zhì)吸吸收峰外，，其損耗隨隨波長的增增加而減小，，在0.85μm、1.31μm和1.55μm有三個損損耗很小的的波長“窗窗口”，見見后圖。光源激光器的發(fā)發(fā)射波長和光檢測器光電二極管管的波長響響應(yīng)，都要和光光纖這三個個波長窗口相一致。目前在實驗驗室條件下下，1.55μm的損耗已已達到0.154dB/km，接近石石英光纖損損耗的理論論極限。3.光接收收機功能：是把從光纖纖線路輸出出、產(chǎn)生畸畸變和衰減減的微弱光光信號轉(zhuǎn)換換為電信號號，并經(jīng)放放大和處理理后恢復(fù)成成發(fā)射前的的電信號。。組成部分：光檢測器器、放大器器、相關(guān)電電路。組成框圖：：電子電路光輸入耦合器光電檢測器解調(diào)器電信號輸出核心光接收機把把光信號轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為電信信號的過程程是通過檢檢測器的檢檢測實現(xiàn)的的。檢測方式：直接檢測和和外差檢測測兩種。結(jié)構(gòu)參數(shù)：：接收機靈敏敏度。靈敏敏度是衡量量光接收機機的綜合指指標，它反反映接收機機調(diào)整到最最佳狀態(tài)時時，接收微微弱光信號號的能力。。靈敏度主主要取決于于組成光接接收機的光光電二極管管和放大器器的噪聲，，并受傳輸輸速率和光光纖線路色色散的影響響，還與系系統(tǒng)要求的的誤碼率或或信噪比有有密切關(guān)系系。返回主目錄錄1.3.3數(shù)字通通信系統(tǒng)和和模擬通信信系統(tǒng)數(shù)字通信系系統(tǒng)用參數(shù)取值值離散的信信號(如脈脈沖的有和和無、電平平的高和低低等)代表表信息，強強調(diào)的是信信號和信息息之間的一一一對應(yīng)關(guān)關(guān)系；模擬通信系系統(tǒng)則用參數(shù)取取值連續(xù)的的信號代表表信息，強強調(diào)的是變變換過程中中信號和信信息之間的的線性關(guān)系系。這種基本特特征決定著著兩種通信信方式的優(yōu)優(yōu)缺點和不不同時期的的發(fā)展趨勢勢。數(shù)字通信系系統(tǒng)的優(yōu)點如下：①抗干擾擾能力強，，傳輸質(zhì)量量好。②②可以以用再生中中繼，傳輸輸距離長。。③適用各各種業(yè)務(wù)的的傳輸，靈靈活性大。。④容易實實現(xiàn)高強度度的保密通通信。⑤數(shù)字通通信系統(tǒng)大大量采用數(shù)數(shù)字電路，，易于集成成，從而實實現(xiàn)小型化化、微型化化，增強設(shè)設(shè)備可靠性性，有利于于降低成本本。模擬通信系系統(tǒng)的優(yōu)點占用帶寬較較窄外，電電路簡單易易于實現(xiàn)、、價格便宜宜等。完光發(fā)射機的的性能基本本上取決于于光源的特特性。對光源的要要求：輸出光功功率足夠大大，調(diào)制頻頻率足夠高高，譜線寬寬度和光束束發(fā)散角盡盡可能小，，輸出功率率和波長穩(wěn)穩(wěn)定，器器件壽命長長。半導(dǎo)體發(fā)光光二極管（（LED））、半導(dǎo)體體激光二極極管（LD）或稱激激光器、譜譜線寬度很很小的動態(tài)態(tài)單縱模分分布反饋（（DFB））激光器。。目前有直接接調(diào)制和間間接調(diào)制兩兩種方案直接調(diào)制：：用電信號直直接調(diào)制半半導(dǎo)體激光光器或發(fā)光光二極管的的驅(qū)動電流流，使輸出出光隨電信信號變化而而實現(xiàn)的。。這種方案技技術(shù)簡單，，成本較低，，容易實現(xiàn)現(xiàn)，但調(diào)制速率率受激光器器的頻率特特性所限制制。外調(diào)制：把激光的產(chǎn)產(chǎn)生和調(diào)制制分開，用用獨立的調(diào)調(diào)制器調(diào)制制激光器的的輸出光而而實現(xiàn)的。。外調(diào)制的優(yōu)優(yōu)點是調(diào)制制速率高，，缺點是技技術(shù)復(fù)雜，，成本較高高，因此只有在在大容量的波分復(fù)用用和相