光纖第1章教材

第1章概述

第1章1.1光纖通信的發(fā)展史1.2光纖通信的特點(diǎn)1.3光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.4光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

1.1光纖通信的發(fā)展史光纖是現(xiàn)代化通信網(wǎng)中傳輸信息的媒質(zhì)。光纖通信作為一種新興的通信技術(shù)，從一開(kāi)始就顯示出無(wú)比的優(yōu)越性，引起人們的極大興趣和關(guān)注，在短短二十多年中取得了迅速的發(fā)展。自從1966年高錕提出以光纖作為傳輸介質(zhì)的概念以來(lái)，光纖通信從研究到應(yīng)用、發(fā)展非常迅速，技術(shù)上不斷更新?lián)Q代，通信能力(傳輸速率和中繼距離)不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為四個(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(kāi)發(fā)時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，實(shí)現(xiàn)了短波長(zhǎng)(850nm)低速率(45或34Mb/s)多模光纖通信系統(tǒng)，無(wú)中繼傳輸距離約10km。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。在這個(gè)時(shí)期，光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長(zhǎng)從短波長(zhǎng)(850nm)發(fā)展到長(zhǎng)波長(zhǎng)(1310nm和1551nm)，實(shí)現(xiàn)了工作波長(zhǎng)為1310nm、傳輸速率為140~565Mb/s的單模光纖通信系統(tǒng)，無(wú)中繼傳輸距離為50~100km。第三階段(1986-1996年)，這是以超大容量超長(zhǎng)距離為目標(biāo)、全面深入開(kāi)展新技術(shù)研究的時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，實(shí)現(xiàn)了1550nm色散位移單模光纖通信系統(tǒng)。采用外調(diào)制技術(shù)，傳輸速率可達(dá)2.5~10Gb/s，無(wú)中繼傳輸距離可達(dá)100~150km，實(shí)驗(yàn)室可以達(dá)到更高水平。第四階段(1996年至今)，采用光放大器，波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)和超長(zhǎng)距離的光孤子通信系統(tǒng)。1.1光纖通信的發(fā)展史光纖通信技術(shù)發(fā)展迅速，至今已在公用通信網(wǎng)中占據(jù)了半壁江山，在未來(lái)的信息傳輸與交換網(wǎng)中將起舉足輕重的作用，發(fā)展前景十分廣闊。光纖通信與傳統(tǒng)的電信區(qū)別：光終端(光源，光發(fā)射機(jī)，光接收機(jī)，光檢測(cè)器)；傳輸介質(zhì)(屬特殊的電磁波譜)；PDH調(diào)制碼率：基群(2.048Mb/s)二次群(8.448Mb/s)三次群(34.368Mb/s)四次群(139.264Mb/s)

傳送的信息在發(fā)送端輸入到發(fā)送機(jī)中，將信息疊加或調(diào)制到作為信息信號(hào)載體的載波上，然后將已調(diào)制的載波通過(guò)傳輸介質(zhì)傳送到遠(yuǎn)處的接收端，由接收機(jī)解調(diào)出原來(lái)的信息。通常信息的載波是射頻波、微波或毫米波等，傳輸介質(zhì)為金屬導(dǎo)線、同軸電纜、金屬波導(dǎo)管或大氣等。近20多年來(lái)，以光波為載波、光纖作為傳輸介質(zhì)的光纖通信異軍突起，在通信領(lǐng)域中發(fā)展十分迅速。光纖通信與其它通信方式相比，其優(yōu)點(diǎn)為：1.光纖損耗低，在1550mm波長(zhǎng)僅0.2～0.3dB/km，因而中繼距離長(zhǎng)，可達(dá)50～100km，用光放大器作功率放大器及接收機(jī)前置放大器后可達(dá)300km以上。

2.光纖的可用帶寬非常大，每個(gè)傳輸窗口(850、1300或1550nm波長(zhǎng))的帶寬約有20000GHz，通信容量十分大。3.光纖尺寸小，重量輕，其制造原料SiO2資源十分豐富。4.光纖是電絕緣的，也不受強(qiáng)電磁干擾的響。5.光纖間串話小，保密性好。

光纖通信的發(fā)展目標(biāo)：充分發(fā)揮光纖帶寬潛力，克服光纖損耗及色散影響、延長(zhǎng)中繼距離、擴(kuò)大傳輸容量及降低成本。1.2光纖通信的特點(diǎn)光波的波長(zhǎng)在微米級(jí)，相對(duì)應(yīng)的頻率非常高，因而它特別適于作寬帶信號(hào)的載頻。光纖通信具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：容許頻帶很寬，傳輸容量很大傳輸損耗小，中繼距離長(zhǎng)保密性好，不易被竊聽(tīng)節(jié)省大量有色金屬抗電磁干擾性能好重量輕，安全，易敷設(shè)。適應(yīng)環(huán)境壽命長(zhǎng)1.2光纖通信的特點(diǎn)總之，光纖通信不僅在技術(shù)上具有很大的優(yōu)越性，而且在經(jīng)濟(jì)上亦具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)能力，因此在通信領(lǐng)域中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

當(dāng)然光纖系統(tǒng)也存在一些不足：

＊接口昂貴。

＊強(qiáng)度差。

＊不能傳送電力。

＊需要專用的工具、設(shè)備以及培訓(xùn)。1.3光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的用戶要求，不同的業(yè)務(wù)種類，以及不同階段技術(shù)水平的發(fā)展情況，光纖通信系統(tǒng)的形式多種多樣。如圖1-3-1給出的是光纖通信系統(tǒng)鏈路的簡(jiǎn)化框圖。通信鏈路中最基本的三個(gè)組成部分是光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)和光纖鏈路。光發(fā)射機(jī)由模擬或數(shù)字電接口、電壓-電流驅(qū)動(dòng)、光源和光源與光纖之間的耦合接口等組成。光纖是高純度的玻璃或塑料光纖，長(zhǎng)距離大容量的光纖鏈路普遍采用玻璃光纖，對(duì)于低速率短距離的傳輸系統(tǒng)可以采用塑料光纖。光接收機(jī)包括光纖與光檢測(cè)器之間的耦合器件、光檢測(cè)器、電流-電壓轉(zhuǎn)換器、放大器和模擬或數(shù)字接口等。

圖1-3-1光纖通信系統(tǒng)鏈路

1.3光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)新技術(shù)包括：1.系統(tǒng)端機(jī)的集成化與模塊化，提高速率與性能，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)降低成本；2.密集多路波分復(fù)用(WDM)及頻分復(fù)用(FDM)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單根光纖上超高速、超大容量傳輸；3.全光通信技術(shù)，光放大器在長(zhǎng)途干線系統(tǒng)及用戶分配系統(tǒng)中的應(yīng)用；4.孤子通信技術(shù)；5.高速光纖網(wǎng)技術(shù)，如光纖/同軸電纜混合網(wǎng)、高速信息公路等。若干個(gè)點(diǎn)一點(diǎn)通信系統(tǒng)組合構(gòu)成通信網(wǎng)，以提供異地用戶間的通信?？煞譃楣餐ㄐ啪W(wǎng)和專用通信網(wǎng)。公共通信網(wǎng)向全社會(huì)用戶提供通信服務(wù)，如電話網(wǎng)及正在推出的信息高速公路等。專用通信網(wǎng)是為某個(gè)特定用戶或單位服務(wù)的通信網(wǎng)，如鐵路、電力、軍事等部門(mén)的通信網(wǎng)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)、CATV網(wǎng)等。傳統(tǒng)上采用電纜或微波，但當(dāng)今通信信息量劇增，廣泛采用光纖通信技術(shù)。光纖通信技術(shù)基本內(nèi)容有：1.光纖傳輸理論與技術(shù)、光纖器件；2.信號(hào)傳輸原理，包括調(diào)制解調(diào)方式、信號(hào)編碼及信道復(fù)用等；3.光源與光發(fā)送機(jī)；4.光檢測(cè)器與光接收機(jī)：5.光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用；6.高速光纖通信系統(tǒng)與光纖通信新技術(shù)等。光纖通信系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.4光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)光纖通信的誕生與發(fā)展是電信史上的一次重要革命。隨著技術(shù)的進(jìn)步，電信管理體制的改革以及電信市場(chǎng)的全面開(kāi)放，光纖通信的發(fā)展又一次呈現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的新局面，光纖通信領(lǐng)域的主要發(fā)展熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

1.新一代的光纖隨著IP業(yè)務(wù)量的爆炸式增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的G.652單模光纖在適應(yīng)上述超高速長(zhǎng)距離傳送網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要方面已暴露出力不從心的態(tài)勢(shì)，開(kāi)發(fā)新型光纖已成為開(kāi)發(fā)下一代網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。目前，為了適應(yīng)干線網(wǎng)和城域網(wǎng)的不同發(fā)展需要，已出現(xiàn)了兩種不同的新型光纖，即非零色散光纖(G.655光纖)和無(wú)水吸收峰光纖(全波光纖)。1.4光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

2．向超高速系統(tǒng)的發(fā)展目前商用系統(tǒng)已從45Mb/s增加到10Mb/s，其速率在20年時(shí)間里增加了2000倍，比同期微電子技術(shù)的集成度增加速度還快得多。高速系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅增加了業(yè)務(wù)傳輸容量，而且也為各種各樣的新業(yè)務(wù)，特別是寬帶業(yè)務(wù)和多媒體提供了實(shí)現(xiàn)的可能。然而，目前來(lái)看電的時(shí)分復(fù)用已經(jīng)沒(méi)有太多潛力可挖了，因而更現(xiàn)實(shí)的出路是轉(zhuǎn)向光的復(fù)用方式。

1.4光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

3．向超大容量WDM系統(tǒng)的演進(jìn)采用波分復(fù)用系統(tǒng)的主要好處是：充分利用了光纖的巨大帶寬資源；

同時(shí)傳輸多種不同類型的信號(hào)；實(shí)現(xiàn)單根光纖雙向傳輸；多種應(yīng)用形式；節(jié)約線路投資；

降低器件的超高速要求；

1.4光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

4．全光網(wǎng)絡(luò)全光網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)信號(hào)的連接和交換在光域內(nèi)進(jìn)行，波長(zhǎng)路由就是指這種連接和交換依據(jù)波長(zhǎng)來(lái)確定，亦即當(dāng)光信號(hào)從輸入端(信號(hào)源)傳送到輸出端(用戶)時(shí)，是根據(jù)它們的波長(zhǎng)進(jìn)行路由選擇的。波長(zhǎng)路由有兩個(gè)特點(diǎn)：

(1)波長(zhǎng)路由決定了光信號(hào)選取的路徑，如果多波長(zhǎng)復(fù)合信號(hào)從同一節(jié)點(diǎn)發(fā)出，則各個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)將達(dá)到不同的目的點(diǎn)，而目的點(diǎn)的數(shù)目等于各個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的波長(zhǎng)數(shù)。

(2)每個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)被限制在某一特定路徑，因而在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的不同路徑上同一個(gè)波長(zhǎng)可以多次重用，只要這些路徑不共存于相同的光纖鏈路。這就是所謂的波長(zhǎng)空間復(fù)用。

全光網(wǎng)絡(luò)具有如下的主要優(yōu)點(diǎn)：可以極大地提高光纖的傳輸容量和節(jié)點(diǎn)的吞吐量，以適應(yīng)未來(lái)高速寬帶通信網(wǎng)的要求；OXC和OADM對(duì)信號(hào)速率和格式透明，可建立一個(gè)支持多種通信格式的、透明的光傳送平臺(tái)；以波長(zhǎng)路由為基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)和故障的自