現(xiàn)代通信第05章-光纖

第五章光纖通信5.1概述5.2光纖5.3光發(fā)射機(jī),光接收機(jī)5.4光纖通信系統(tǒng)5.5光纖通信新技術(shù)

光纖通信作為現(xiàn)代通信的主要支柱，是信息社會(huì)中各種信息網(wǎng)的主要傳輸工具。對于光纖通信技術(shù)，本章重點(diǎn)介紹以下幾個(gè)問題：光纖通信的基本概念、光纖通信系統(tǒng)的基本組成，光纖和光纜、光纖通信中的光源和光電檢測器、光端機(jī)以及光纖通信系統(tǒng)，對光放大器作一簡單介紹。5.1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀探索時(shí)期的光通信

?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。?原始形式的光通信:中國古代用“烽火臺(tái)”報(bào)警，歐洲人用旗語傳送信息。

?1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)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(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。?在這個(gè)時(shí)期，美國麻省理工學(xué)院利用He-Ne激光器和CO2激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn)。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。

5.1.2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(jìn)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)。

指明通過“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1970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(gè)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(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。

?1976年，日本電報(bào)電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2μm)。

?在以后的10年中，波長為1.55μm的光纖損耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個(gè)階段：

?第一階段(1966~1976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期。?第二階段(1976~1986年)，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。

?第三階段(1986~1996年)，這是以超大容量超長距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時(shí)期。光纖通信是以光波為載頻、光導(dǎo)纖維（簡稱光纖）為傳輸媒質(zhì)的一種通信方式。光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用光通信與電通信

通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于對載波調(diào)制的頻帶寬度。光通信的主要特點(diǎn)

載波頻率高；頻帶寬度寬光通信利用的傳輸媒質(zhì)-光纖，可以在寬波長范圍內(nèi)獲得很小的損耗。圖各種傳輸線路的損耗特性

光纖通信的優(yōu)點(diǎn)

?容許頻帶很寬，傳輸容量很大

?損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小

?重量輕、體積小

?抗電磁干擾性能好

?泄漏小，保密性能好

?節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用光纖通信的應(yīng)用

光纖可以傳輸數(shù)字信號，也可以傳輸模擬信號。光纖在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)，以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，都得到了廣泛應(yīng)用。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速，是當(dāng)前研究開發(fā)應(yīng)用的主要目標(biāo)。光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下：

①通信網(wǎng)②構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)③有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)④綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)

SDH骨干網(wǎng)

SDH匯聚網(wǎng)

PDH網(wǎng)絡(luò)國際長途傳輸國內(nèi)長途傳輸

本地傳輸海底光纜通信國內(nèi)長途傳輸節(jié)點(diǎn)國際長途傳輸節(jié)點(diǎn)本地傳輸骨干節(jié)點(diǎn)

本地傳輸匯聚節(jié)點(diǎn)陸地光纜通信中國電信光纜、微波和衛(wèi)星的立體傳送網(wǎng)衛(wèi)星通信微波通信光纖通信系統(tǒng)的基本組成

下圖示出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)。p83

光端機(jī)的發(fā)送端：有光源，如激光器，把電信號變成光信號，輸入光纖傳輸；*光端機(jī)的接收端：有光檢測器，把光纖過來的光信號還原成電信號；*光中繼器：光－電（電信號放大）－光變換；把電－光轉(zhuǎn)換：叫做電信號對光的調(diào)制強(qiáng)度是指單位面積上的光功率。強(qiáng)度調(diào)制就是在發(fā)送端用電信號通過調(diào)制器控制光源的發(fā)光強(qiáng)度，使光強(qiáng)隨著信號電流線性變化，從而將電信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的已調(diào)光信號送入光纖進(jìn)行傳輸。－常用的電信號對光的調(diào)制方法光纖通信的工作窗口

光纖的損耗系數(shù)隨著波長而變化，為獲得低損耗特性，光纖通信選用的波長范圍在0.8～1.8μm，并稱0.8～1.0μm為短波長波段，1.0～1.8μm為長波長波段。目前光纖通信實(shí)用的波長即短波長段的0.85μm、長波長波段的1.31μm和1.55μm，通常稱其為是目前光纖通信的三個(gè)實(shí)用窗口。0.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰減（dB/km）第一窗口第二窗口波長——λ（μm）普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm1.571.62L波段5.2光纖光纖的結(jié)構(gòu)和分類 光纖由纖芯和包層兩部分組成，纖芯完成光信號的傳輸，包層是為了將光信號封閉在纖芯中并保護(hù)纖芯。纖芯和包層的折射率不同，設(shè)纖芯、包層的折射率分別為n1、n2,則n1>n2。一、光纖的結(jié)構(gòu)

目前通信用的光纖大多采用石英玻璃(SiO２)制成的橫截面很小的雙層同心圓柱體，未經(jīng)涂覆和套塑時(shí)稱為裸光纖，如圖所示。光纖與光纜

1.光纖的結(jié)構(gòu)石英玻璃、塑料或晶體纖芯(折射率大)和包層全反射光纖的分類按工作波長：短波長(850nm)和長波長(1310nm、1550nm)按傳輸模式(根據(jù)光纖中傳輸模式數(shù)量的不同)：多模光纖和單模光纖按折射率分布：階躍(突變)型(SI)、漸變(梯度)型(GI)和W型按材料：石英光纖、塑料光纖等光纖的分類1.按照光纖橫截面上折射率分布不同來分(1)階躍型光纖（突變型多模光纖）(2)

漸變型光纖

圖三種基本類型的光纖(a)突變型多模光纖；(b)漸變型多模光纖；（c）單模光纖

2.按照傳輸?shù)目偰?shù)來分所謂模式，實(shí)質(zhì)上是電磁場的一種分布形式。模式不同，其分布不同，根據(jù)光纖中傳輸模式數(shù)量來分，可分為單模光纖和多模光纖。(1)單模光纖(SM-Singlemodefiber)(2)多模光纖(MM-Multimodefiber)

多模光纖62.5/125μm的光纖典型距離達(dá)5英里用于：CCTV門禁控制系統(tǒng)內(nèi)部通訊多模MMF

單模光纖無限帶寬8~10μm典型距離超過5英里用于：長途電信長途電視監(jiān)控及多路切換共用天線電視系統(tǒng)單模SMF

光傳播的基本知識n1n2n1>n2n1n2臨界角900臨界角n1n2全反射入射角=反射角θ1θ2產(chǎn)生全反射的條件：n1>n290o>θ>臨界角

圖突變型多模光纖的光線傳播原理1.突變型多模光纖設(shè)纖芯和包層折射率分別為n1和n2，空氣的折射率n0=1，纖芯中心軸線與z軸一致，如下圖。光線在光纖端面以小角度θ從空氣入射到纖芯(n0<n1)，折射角為θ1，折射后的光線在纖芯直線傳播，并在纖芯與包層交界面以角度ψ1入射到包層(n1>n2)。

改變角度θ，不同θ相應(yīng)的光線將在纖芯與包層交界面發(fā)生反射或折射。根據(jù)全反射原理，存在一個(gè)臨界角θc。

?當(dāng)θ<θc時(shí)，相應(yīng)的光線將在交界面發(fā)生全反射而返回纖芯，并以折線的形狀向前傳播，如光線1。根據(jù)斯奈爾(Snell)定律得到n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(4.1)

?當(dāng)θ=θc時(shí)，相應(yīng)的光線將以ψc入射到交界面，并沿交界面向前傳播(折射角為90°)，如光線2，

?當(dāng)θ>θc時(shí)，相應(yīng)的光線將在交界面折射進(jìn)入包層并逐漸消失，如光線3。由此可見，只有在半錐角為θ≤θc的圓錐內(nèi)入射的光束才能在光纖中傳播。光纖的傳輸特性1.損耗

光纖的傳輸損耗是影響系統(tǒng)傳輸距離的重要因素，光纖自身的損耗主要有吸收損耗和散射損耗。

吸收損耗是光波通過光纖材料時(shí)，有一部分光能變成熱能，造成光功率的損失。

散射損耗是由于光纖的材料、形狀、折射率分布等的缺陷或不均勻，使光纖中傳導(dǎo)的光發(fā)生散射，由此產(chǎn)生的損耗為散射損耗。光纖色散(Dispersion)由于光纖中色散的存在，會(huì)使得輸入脈沖在傳輸過程中展寬，產(chǎn)生碼間干擾，增加誤碼率。它是限制傳輸速率的主要因素。散射由于光線的基本結(jié)構(gòu)不完美，引起的光能量損失，此時(shí)光的傳輸不再具有很好的方向性。簡單地說，光纖的色散就是由于光纖中光信號中的不同頻率成分或不同的模式，在光纖中傳輸時(shí)，由于速度的不同而使得傳播時(shí)間不同，因此造成光信號中的不同頻率成分或不同模式到達(dá)光纖終端有先有后，從而產(chǎn)生波形畸變的一種現(xiàn)象。

光線缺陷3.非線性效應(yīng) 光纖通信中，激光器輸出的高功率導(dǎo)致光纖的非線性極為顯著。非線性效應(yīng)：在輸出端可以產(chǎn)生輸入端所沒有的新的頻率分量。光纖的傳輸性能1.衰減(Loss)(1)衰減(dB)

衰減是光纖的一個(gè)重要傳輸參數(shù)。它表明了光纖對光能量的傳輸損耗，對光纖質(zhì)量的評定和對光纖通信系統(tǒng)的中繼距離的確定都起著十分重要的作用，其評定量綱為dB。

(2)衰減系數(shù)(dB/km)衰減系數(shù)定義為單位長度光纖引起的光功率衰減，其評定量綱為dB/Km。光纜按芯數(shù)分為單芯、雙芯、多芯按敷設(shè)場合分為架空、直埋、管道、移動(dòng)、室內(nèi)、水下、海底等按用途分為通信用光纜和非通信用光纜加強(qiáng)元件加強(qiáng)元件加強(qiáng)元件加強(qiáng)元件加強(qiáng)元件光纖光纜分類根據(jù)使用條件光纜可以分為：

室內(nèi)光纜、架空光纜、埋地光纜和管道光纜等。特種光纜常見的有：電力網(wǎng)使用的架空地線復(fù)合光纜(OPGW)，跨越海洋的海底光纜，易燃易爆環(huán)境使用的阻燃光纜以及各種不同條件下使用的軍用光纜等。5.3光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)光源

在光纖通信系統(tǒng)中光源的作用是將被傳輸?shù)碾娦盘栟D(zhuǎn)換為光信號送入光纖，即完成電/光轉(zhuǎn)換任務(wù)。1.LD的特性 半導(dǎo)體激光器在注入電流達(dá)到一定數(shù)值（I>It）時(shí)，才發(fā)出激光；而I<It時(shí)發(fā)出的是熒光，即LD具有閾值性。2.LED的特性 LED與LD的差別是它沒有光學(xué)諧振腔，不能產(chǎn)生激光，靠自發(fā)輻射發(fā)光，產(chǎn)生的是熒光。光發(fā)射機(jī)

?數(shù)字光發(fā)射機(jī)的功能:?電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶電信號轉(zhuǎn)換為光信號?用耦合技術(shù)注入光纖線路

?用數(shù)字電信號對光源進(jìn)行調(diào)制

?調(diào)制分為直接調(diào)制和外調(diào)制兩種方式

受調(diào)制的光源特性參數(shù)有：功率、幅度、頻率和相位

光發(fā)射機(jī)的組成

直接強(qiáng)度調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機(jī)組成方框圖如圖4-8所示，其作用是將PCM設(shè)備送來的電信號進(jìn)行電/光變換，并處理成為滿足一定要求的光信號后送入光纖傳輸。光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī)的組成原理方框圖：碼型變換光源驅(qū)動(dòng)發(fā)送光源溫控電路光檢測器自動(dòng)增益控制

1.光源:光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，它產(chǎn)生光纖通信系統(tǒng)所需要的載波。

對通信用光源的要求如下

(1)發(fā)射的光波長應(yīng)和光纖低損耗“窗口”一致，即中心波長應(yīng)在0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。

光譜單色性要好，即譜線寬度要窄，以減小光纖色散對帶寬的限制。

(2)電/光轉(zhuǎn)換效率要高，即要求在足夠低的驅(qū)動(dòng)電流下，有足夠大而穩(wěn)定的輸出光功率，且線性良好。發(fā)射光束的方向性要好，即遠(yuǎn)場的輻射角要小，以利于提高光源與光纖之間的耦合效率。2輸入接口:在電發(fā)射機(jī)與光發(fā)射機(jī)之間解決阻抗、功率及電位的匹配問題。3線路編碼。4調(diào)制電路:將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)制電流，實(shí)現(xiàn)對光源輸出功率的調(diào)制。5控制電路包括自動(dòng)溫度控制（ATC）和自動(dòng)光功率控制（APC）電路，防止環(huán)境溫度變化和器件老化，影響輸出光功率的穩(wěn)定而采取的措施。數(shù)字光接收機(jī)光接收機(jī)的組成 光接收機(jī)：把經(jīng)過光纖傳輸后，脈沖幅度被衰減、寬度被展寬的微弱光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并放大、再生，恢?fù)出原來的信號。 光信號傳送到接收端，通過光電檢測器的光/電轉(zhuǎn)換作用變成電信號，再送入前置放大器放大。光接收機(jī)基本組成直接強(qiáng)度調(diào)制、直接檢測方式的數(shù)字光接收機(jī)方框圖示于圖。

主要包括：

光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、時(shí)鐘提取電路、取樣判決器以及自動(dòng)增益控制(AGC)電路。

光檢測器偏壓控制前置放大器AGC電路均衡器判決器時(shí)鐘提取再生碼流主放大器光信號光電檢測器光接收機(jī)中實(shí)現(xiàn)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的器件稱為光電檢測器。半導(dǎo)體光電檢測器是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。一般采用半導(dǎo)體光電二極管或雪崩光電二極管。組成光纖傳輸系統(tǒng)光源的發(fā)光波長必須與傳輸光纖呈現(xiàn)低損耗窗口的波段、光電檢測器件的峰值響應(yīng)波段匹配。光電檢測器是影響光接收機(jī)性能的主要器件，對它的要求是：（1）響應(yīng)波長：每種材料制造的光電檢測器對光波有固定的峰值響應(yīng)波長，不同材料的光電檢測器峰值響應(yīng)波長不同。（2）光電轉(zhuǎn)換效率：工程上用響應(yīng)度和量子效率兩個(gè)物理量來衡量光電轉(zhuǎn)換效率。（3）響應(yīng)速度：是描述光電檢測器生成的光電流隨著入射光信號變化快慢的物理量，用上升時(shí)間和下降時(shí)間（統(tǒng)稱響應(yīng)時(shí)間）表示。（4）暗電流I：是指無光照射時(shí)，光電檢測器的輸出電流（反向電流）。（5）要求光電檢測器的主要特性隨外界環(huán)境和溫度的變化盡可能小，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。5.4光纖通信系統(tǒng)光中繼器光檢測器脈沖分離電路判決器解編碼ATC電源監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)鐘恢復(fù)電路自動(dòng)增益控制光源均衡放大器解碼擾碼編碼輸入脈沖調(diào)制光監(jiān)測告警電路APC脈沖復(fù)接時(shí)鐘提取倒換系統(tǒng)光纖自動(dòng)溫度控制前置放大器主放大器均衡器脈沖分接監(jiān)控公務(wù)區(qū)間通信其它輸出至電端機(jī)光纖自動(dòng)功率控制PCM點(diǎn)脈沖信號監(jiān)控公務(wù)區(qū)間通信其它光中繼器光中繼器有兩種類型。一種是光—光中繼器，這種光中繼器直接對光信號進(jìn)行放大處理。另一種是光—電—光中繼器，這種光中繼器對光信號進(jìn)行間接放大。數(shù)字光纖通信的線路碼型電端機(jī)輸出的數(shù)字信號是適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼，而光源不能發(fā)射負(fù)脈沖，要變換為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼;線路碼型的要求：能夠提供定時(shí)信息，誤碼性能檢測，功率譜中低高頻分量少；適用于光纖通信系統(tǒng)的線路碼型主要有mBnB碼、插入比特碼和加擾碼。1.mBnB碼(n>m) mBnB碼又叫分組碼，是把輸入的信息碼流以m比特（mB）分為一組，再按一定規(guī)則（變換表）變換成n比特（nB）一組的碼組輸出。常用碼型：5B6B碼01111111111011011101100101110110101001100100001110110110010101001000011001001000010000004B3B3B和4B的碼字

2.插入比特碼 這種碼型是把輸入的信息碼流按m比特分為一組，再在每組的m位之后插入一個(gè)比特（根據(jù)每組中奇偶校驗(yàn)結(jié)果，插入奇偶校正位），組成線路碼。3.加擾碼 擾碼是把已知的二進(jìn)制序列按一定方法加入到信息碼流中，在接收端，用同樣方法再恢復(fù)出原來的信息碼流。在系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)的調(diào)制器前，需要附加一個(gè)擾碼器，將原始的二進(jìn)制碼序列加以變換，使其接近于隨機(jī)序列。5.5光纖通信新技術(shù)光放大器光波分復(fù)用技術(shù)光弧子通信技術(shù)摻鉺光纖放大器(EDFA)光纖放大器包括稀土摻雜光纖放大器和利用非線性效應(yīng)的常規(guī)光纖放大器。損耗是限制無中繼傳輸距離的主要原因。摻鉺光纖放大器如圖4-6-1所示，20世紀(jì)80年代末期，波長為1.55μm的摻鉺(Er)光纖放大器(EDFA：ErbiumDopedFiberAmplifier)研制成功并投入實(shí)用，把光纖通信技術(shù)水平推向一個(gè)新高度，成為光纖通信發(fā)展史上一個(gè)重要的里程碑。摻鉺光纖放大器示意圖當(dāng)泵浦(Pump)光的光子能量等于能級3和能級1的能量差時(shí)，鉺離子吸收泵浦光從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)(1→3)。這種放大是由于泵浦光的能量轉(zhuǎn)換為信號光的結(jié)果。摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)：它工作在1.55μm，正好是波分復(fù)用系統(tǒng)工作波段；它的增益帶寬很寬，達(dá)30nm或更高，可以實(shí)現(xiàn)各路光信號的同時(shí)放大，尤其實(shí)用于密集波分（DWDM)系統(tǒng)；它的增益高，約為20~40dB，且有較高的飽和輸出功率，可用于功率放大；它能做到低噪聲工作；它便于與光纖通信系統(tǒng)連接，耦合損耗小，可達(dá)0.1dB；最后，它所需泵浦光功率低，約數(shù)十毫瓦，泵浦效率較高。光波分復(fù)用技術(shù)

隨著人類社會(huì)信息時(shí)代的到來，對通信的需求呈現(xiàn)加速增長的趨勢。發(fā)展迅速的各種新型業(yè)務(wù)(特別是高速數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù))對通信網(wǎng)的帶寬(或容量)提出了更高的要求。為了適應(yīng)通信網(wǎng)傳輸容量的不斷增長和滿足網(wǎng)絡(luò)交互性、靈活性的要求，產(chǎn)生了各種復(fù)用技術(shù)。

光波分復(fù)用（WDM）波分復(fù)用技術(shù)：利用單模光纖在低損耗區(qū)的巨大帶寬，在發(fā)端將多路處在不同光波長上的信道合波后送進(jìn)同一芯光纖進(jìn)行傳輸，每一個(gè)光波長傳輸一個(gè)TDM信號，只要各波長間有足夠的間隔，就不會(huì)相互干擾，在收端又將這些合在一起的波長分開，稱為“波分復(fù)用（WDM）”系統(tǒng)。DWDM:各路光載波波長間隔減小，同一根光纖可以容許更多路光載波同時(shí)傳輸；

90年代中期以前，WDM系統(tǒng)發(fā)展速度并不快，主要原因在于時(shí)分復(fù)用（TDM）技術(shù)比較成熟，而波分復(fù)用則受