《光纤通信技术》第一章 绪论

1、第1 章 绪 论第2 章 光纤光缆第3 章 光源与光发射系统 第4 章 光探测器与光接收系统第5章 光无源器件第6章 光通信中的光放大器 第7章 光纤通信系统与网络 目 录2022/8/27第1章 绪论光纤发展简史1光纤通信概念及其特点2光纤通信系统基本构成3光纤通信的现状及光纤发展趋势4本章内容2022/8/27光纤通信的定义指以光作为信息的载体，以光纤（光导纤维）作为传输媒质来实现通信的方式2022/8/27随着科学技术发展,世界正走向信息时代，人们需要更宽带、更高速的大容量通信方式，并要求这种通信方式的传输成本不断降低。光纤通信则是实现这一目标的最理想手段，成为构筑信息化时代信息传输网的

2、主要通信方式。光缆是通信网络的主流传输媒介，这是由光纤本身的良好特性所决定的。2022/8/27光纤通信是以激光为信息载体，以光纤为传输介质的通信方式。光纤通信技术是近30多年迅猛发展起来的高新技术；它的诞生和发展，给世界通信技术带来了划时代的革命。1966年美籍华裔科学家高锟提出光纤通信概念。1970年美国CORNING公司首次研制出阶跃折射率多模光纤，波长630nm处的衰减系数小于20dB/km。同年，贝尔实验室研制出室温下连续工作的激光器。光纤发展简史2022/8/271976年发现光纤的衰减在两个长波长区有：1310nm及1550nm两个窗口。美国西屋电器公司在亚特兰大进行了世界上第一

3、个44.736Mbit/s传输110km的光纤通信系统现场试验。1980年制出低衰减光纤，在1550nm的衰减系数为0.20dB/km接近理论值。与此同时，开发出适用于长波长地光源：激光器、发光管、光检测器。成缆、无源器件、测试仪表等技术日趋成熟。光纤发展简史2022/8/271981年以后，世界各发达国家将光通信技术大规模推入商用。历经近20年，光纤通信速率由1978年地45Mbit/s提高到目前地40Gbit/s。我国自70年代初就已开始了光通信技术研究，1977年，武汉邮科院研制出中国第一根多模光纤，其在850nm地衰减系数为300dB/km。1979年建立了用多模短波长光纤进行的8Mb

4、t/s、5.7km室内通信系统。光纤发展简史2022/8/271987年底，建成第一个国产长途光通信系统，由武汉荆州，全长约250km，传输34Mbit/s。1988年起，国内光纤通信系统的应用由多模光纤转为单模光纤。1991年，完成了第一条全国产化140Mbit/s合肥芜湖长途直埋单模光纤光缆线路，全长150km。1993年建立全国产化上海至无锡的大容量565Mbit/s高速系统。1997年以后，部分厂家研制出622Mbit/s、2.5Gbit/s及其波分复用系统。光纤发展简史2022/8/27我国光纤光缆生产企业：制棒拉丝成缆：长飞、富通买棒拉丝：上海朗讯、南京华新藤仓、深圳特发、成都中住

5、、西古、富通昭和。光缆生产企业：接近200家。光纤发展简史2022/8/271、光纤通信：光波为载波，光导纤维为传输介质的通信方式2、光纤通信优点： 光纤通信的概念及特点频带宽，通信容量大。 光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一对光纤能同时传输24192路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输30000多路电话。频带宽，对于传输各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则，无法满足未来宽带综合业务数字网(B-ISDN)发展的需要。损耗低，中继距离长。 目前实用石英光纤的损耗可低于0.2dB/km，比其它任何传输介质的损耗都低，若将来采用非石英系极低损

6、耗光纤，其理论分析损耗可下降至10-9 dB/km。由于光纤的损耗低，所以能实现中继距离长，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200多千米，由非石英系极低损耗光纤组成的通信系统，其最大中继距离则可达数千甚至数万千米，这对于降低海底通信的成本、提高可靠性和稳定性具有特别的意义。2022/8/27表 1.1 光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较 通信手段 传输容量(话路)/条 中继距离/km 1000 km内中继器个数 微波无线电 960 5020小同轴 9604250中同轴 180061600光缆 19203033光缆 14000(1Gb/s)8411光缆 6000(445MB/S)

7、13472022/8/27抗电磁干扰。 光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。无串音干扰，保密性好。 光波在光缆中传输，很难从光纤中泄漏出来，即使在转弯处，弯曲半径很小时，漏出的光波也十分微弱，若在光纤或光缆的表面涂上一层消光剂效果更好，这样，即使光缆内光纤总数很多，也可实现无串音干扰，在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。光纤线径细、重量轻、柔软。 光纤的芯径很细，约为0.1mm，它只有单管同轴电缆的百分之一；光缆的直径也很小，8芯光缆的横截面

8、直径约为10mm，而标准同轴电缆为47mm。利用光纤这一特点，使传输系统所占空间小，解决地下管道拥挤的问题，节约地下管道建设投资。此外，光纤的重量轻，光缆的重量比电缆轻得多，例如18管同轴电缆1m的重量为11kg，而同等容量的光缆1m重只有90g，这对于在飞机、宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信更具有重要意义。2022/8/27表 1.2 光缆和电缆的重量和截面积比较 项目 8 芯 18 芯 光缆 电缆 光缆 电缆 重量/(kgm-1) 重量比 0.42 16.3150.4211126直径/mm 截面积比 211475211659.62022/8/27光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料。

9、 光纤的材料主要是石英(二气化硅)，地球上有取之不尽用之不竭的原材料，而电缆的主要材料是铜，世界上铜的储藏量并不多，用光纤取代电缆，则可节约大量的金属材料，具有合理使用地球资源的重大意义。光纤除具有以上突出的优点外，还具有耐腐蚀力强、抗核幅射、能源消耗小等优点，其缺点是质地脆、机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小等。这些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤通信的实用。近年来，光纤通信发展很快，它已深刻地改变了电信网的面貌，成为现代信息社会最坚实的基础，并向我们展现了无限美好的未来。2、光纤通信缺点：光纤弯曲半径不宜过小光纤的切断和连接操作技术要求较高分路、耦合操作繁

10、琐2022/8/27通信传输网常用的物理媒体光纤、微波、电缆以光纤为通信载体，可提供高速往外通道的光纤传输网已成为目前通信传输网的主要部分。一个基本的光纤通信系统由三大部分构成：光发射设备、光纤光缆、光接收设备。光纤通信系统的基本构成输出电信号调制光源光电检测放大恢复输入电信号光发射机光纤光缆光接收机2022/8/27光纤信号传输实现过程如下：输入的电信号即可以是模拟信号，也可以是数字信号；调制器将输入的电信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进行直接强度调制，完成电/光变换的功能；光源输出的光信号直接耦合到传输光纤中，经一定长度的光纤传输后送达接收端；在接收端，光

11、电检测器对输入的光信号进行直接检波，将光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等电处理过程，弥补线路传输过程中带来的信号损伤，最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整个传输过程。光纤通信系统的基本构成2022/8/27 1. 光发射设备 光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光发射机由光源、 驱动器和调制器组成，光源是光发射机的核心。 目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(或称激光器)(LD)， 以及谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈(DFB)激光器。有些场合也使用固体激光器，例如大功率的掺钕钇铝石榴石(Nd:

12、YAG)激光器。 2022/8/27 光发射设备把电信号转换为光信号的过程(简称为电/光或E/O转换)，是通过电信号对光的调制实现的。直接调制和间接调制:直接调制用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。 这种方案的优点是技术简单， 成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。 2022/8/27 间接调制(外调制)把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。目前有多种调制器可供选择，最常用的是电光调制器。这种调制器是利用电信号改变电光晶体的折射率，使通过调制器的光参数随电信号变化而实现调制的。 外调制的优点是调制速率高

13、，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。 2022/8/27 图 1-1 两种调制方案 (a) 直接调制； (b) 间接调制(外调制) 2022/8/27 对光参数的调制: 光强(功率)调制 幅度调制 频率调制 相位调制 目前大多数光纤通信系统都采用直接光强调制。因为幅度、频率或相位调制，需要幅度和频率非常稳定，相位和偏振方向可以控制，谱线宽度很窄的单模激光源，并采用外调制方案，所以这些调制方式只在新技术系统中使用。 2022/8/27 2. 光纤光缆 光纤光缆的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。光纤线路由光纤、光

14、纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。实际工程中使用的是容纳许多根光纤的光缆。 2022/8/27对光纤的基本要求:损耗和色散小， 机械特性和环境特性好.例如，在不可避免的应力作用下和环境温度改变时，保持传输特性稳定。 目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤，单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。 单模光纤配合半导体激光器，适合大容量长距离光纤传输系统，而小容量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更加合适。 2022/8/27 单模光纤种类G.652光纤即常规单模光纤，在1310nm波长工作时，理论色散值为零；在15

15、50nm波长工作时，传输损耗最低，但色散系数较大。单通路速率达到STM-64时，需要采取色散调节手段。G.653光纤在1550nm波长工作时性能最佳，又称为色散移位光纤。零色散点从1310nm移至1550nm波长区。G.654光纤截止波长移位的单模光纤，它的设计重点是降低1550nm波长处的衷减。主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信。G.655光纤又称之为非零色散移位单模光纤，零色散点移至1570nm或15101520nm附近，使1550nm处具有一定的色散值。色散受限距离达数百公里。可以有效的减少波分复用系统的四波混频的影响。2022/8/27 光纤的结构纤芯 ：折射率较高，用来传送光

16、；包层 ：折射率较低，与纤芯一起形成全反射；保护套 ：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。纤芯包层保护套2022/8/27 3. 光接收设备 光接收设备的功能把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。光接收机由光检测器、 放大器和相关电路组成。 光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、 噪声低和响应速度快。目前广泛使用的光检测器有两种类型： 在半导体PN结中加入本征层的PIN光电二极管(PIN - PD)和雪崩光电二极管(APD)。 2022/8/27 光接收机把光信号转换为电信号的过程(常简称为光/电或O/E转换)，是通过光检

17、测器的检测实现的。检测方式：直接检测和外差检测：直接检测用检测器直接把光信号转换为电信号。这种检测方式设备简单、 经济实用， 是当前光纤通信系统普遍采用的方式。 2022/8/27 外差检测设置一个本地振荡器和一个光混频器，使本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输出中频光信号，再由光检测器把中频光信号转换为电信号。外差检测方式的难点是需要频率非常稳定，相位和偏振方向可控制，谱线宽度很窄的单模激光源；优点是有很高的接收灵敏度。 2022/8/27 光接收设备最重要的特性参数是灵敏度。 灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，它反映接收机调整到最佳状态时， 接收微弱光信号的能力。 灵敏度主

18、要取决于组成光接收机的光电二极管和放大器的噪声，并受传输速率、光发射机的参数和光纤线路的色散的影响，还与系统要求的误码率或信噪比有密切关系。所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的重要指标。 2022/8/27光缆工程的现状中国在通信网络建设中应用光纤是从第六个五年计划期间开始，中国信息产业高速发展，光纤市场平均年增长率高达20 30。目前，我国已经建设成覆盖全国的光缆传输网络，公共电信光缆网络总长度超过430万公里，光纤总长度超过8000万公里。已经具有年生产通信光缆4000万芯公里，光纤4000万公里，年产近2000万公里光纤预制棒的生产能力。光纤通信的现状与发展2022/8/27光缆工程的现

19、状国内各大运营商纷纷在规划建设全新的全国骨干光传输网络。中国电信建设以环状网为主体的全国高速大容量骨干网；中国铁通全面启动全国网一期工程；中国联通建设国家级高速骨干网；中国移动建设国家干线网和省内二级干线网；中国网通策划其骨干网络的扩展和提速。光纤通信的现状与发展2022/8/27光缆工程的现状各大运营商的一级干线光缆线路主要施工方式是直埋和简易塑料管道，省内二级干线是直埋、管道与架空几种形式的结合，沿高速公路铺设塑料管道光缆现己开始采用气送光缆的敷设方法。在本地网的光缆线路中，城市光缆线路的主要施工方法是管道，在农村及少数县城仍以架空或直埋方式为主。光纤通信的现状与发展2022/8/272022/8/27光纤的发展趋势在光纤通信系统为宽带网络提供更高速率、更高可靠性的传输链路的同时，光纤通信的容量也在不断扩大。商用时分复用、波