第一章 概论教材

光纤传感技术第1章

光纤及光纤通信

1.1

光纤(通信)的发展历史

1．早期的光通信•古代烽火台、旗语、灯塔、望远镜等•1880年，贝尔发明了第一个光电话，是现代光通信的开端。

方法：将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制，……。

贝尔电话系统缺陷：没有理想的光源和传输介质•1960年，美国人梅曼发明了的第一台红宝石激光器，给光通信带来了新希望。

激光：波谱宽度窄、方向性极好、亮度极高、频率和相位较一致。

高度相干光，理想的光载波。

大气光通信的缺点：光通信的距离和稳定性受到限制。

a.雨、雾、雪和灰尘的吸收和散射，光波能量衰减很大。

b.大气的密度和温度不均匀，造成折射率的变化，使光束位置发生偏移。•在大气光通信受阻之后，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射镜波导和透镜波导等地下通信的实验。

反射波导和透镜波导缺陷：安装和校准十分复杂、地面活动的影响

2．光纤通信发展的里程碑

1966年高锟和霍克哈姆发表的论文《用于光频的光纤表面波导》，指出了石英纤维进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了光纤通讯的基础。

石英纤维中的杂质是损耗大的原因，并提出预测。

(>1000dB/km)

3．光纤通信发展的实质性突破

1970年美国康宁公司制造出当时世界上第一根20dB/km低损耗光纤.

4．光纤通信的飞速发展

（1）光纤损耗1970年：20dB/km；1974年：1.1dB/km；1979年：0.2dB/km；1972年：4dB/km；1976年：0.47dB/km；1984年：0.157dB/km；1985年：0.154dB/km；

1990年：0.14dB/km

。

接近光纤最低损耗的理论极限（2）光器件光发送器件、光接收器件、中继器件、耦合器件等有源和无源器件。（3）光纤通信系统

从小容量到大容量、从短距离到长距离、从PDH

→SDH

→

DWDM。在智能光网络（ION）、光分插复用器（OADM）、光交叉连接设备（OXC）等方面也取得巨大进展。•1966-1976，短波长0.85um，速率45Mb/s或34Mb/s多模光纤通信系统，无中继传输距离约10km•1976-1986，长波长1.31um和1.55um，速率140-565Mb/s单模光纤通信系统，无中继传输距离约50-100km•1986-1996，1.55um色散移位单模光纤通信系统，速率2.5-10Gb/s，无中继传输距离约100-150km•1996以后，超大容量的波分复用光纤通信系统，超长距离的光孤子通信系统。光纤通信发展的几个阶段：1.2

光纤通信的优点和应用1．光波波谱光通信的光波是电磁波，光波范围包括紫外线、可见光、红外线，其波长范围为：6×10−

3μm

～

300μm

。可见光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的连续光波组成，其中红光的波长最长，紫光的波长最短。波长再短就是X射线、γ射线。电磁波波谱图如图所示。8c＝3×10m/s61MHz（兆赫）＝10Hzλ＝c/f91GHz（吉赫）＝10Hz−61μm（微米）＝10m121THz（太赫）＝10Hz−91nm（纳米）＝10m151PHz（拍赫）＝10Hz−101Å（埃）＝10m各种单位的换算公式

2.

光纤通信的光波波谱

光纤通信的波谱在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之间，即波长在0.8μm～1.8μm之间，属于近红外波区。

将0.8μm～0.9μm称为短波长，1.0μm～1.8μm称为长波长，2.0μm以上称为超长波长。

通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，在常用的1.31um和1.55um两个波长窗口，频带宽度在20THz以上。由于光源和光纤特性的限制，目前光强度调制的带宽一般只有20GHz，，因此还有3个数量级以上的带宽潜力可挖。2.

光纤通信的特点

（1）通信容量大、频带宽

（2）衰减小、中继距离长

（3）泄漏小、保密性能好

（4）串扰小、信号传输质量高

（5）体积小、重量轻、便于施工和维护

（6）原材料来源丰富，节约有色金属

（7）抗电磁干扰，耐化学腐蚀，无电流，可在易燃、易爆场合工作

（8）光纤通信的缺点：②

光直接放大难；

④

弯曲半径不宜太小；①

需要电/光和光/电变换部分；③需要高级的切断接续技术；⑤分路、耦合不方便。3.光纤通信的应用（1）光纤在公用电信网间作为传输线。（2）局域网、广域网、广播电视网中的应用。（3）光纤宽带综合业务数字网及光纤用户线。（4）作为危险环境下的通信线。如发电厂、化工厂、石油库等场所。（5）满足不同网络层面的应用。核心网、城域网、局域网等。（6）应用于专网。主要应用于电力、公路、铁路、矿山等通信专网。1.3

光纤通信系统的基本组成与分类1.3.1

光纤通信系统的基本组成光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。基本光纤传输系统：光发射机、光纤线路、光接收机。光纤通信系统主要由光发射机、光纤和光接收机组成。1.光发射机：进行电/光转换，并用耦合技术把光信号最大限度地注入到光纤中进行传输。光发射机由光源、驱动器和调制器组成；光源器件一般是LED和LD。要求光源的输出功率大，调制频率高。电信号对光的调制：直接调制、间接调制（外调制）。a.直接调制：是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。

优点是成本低，容易实现；缺点是调制速率受激光器的频率特性所限制；b.外调制：是把激光的产生和调制分开，用独立的调制器对激光器的输出光进行调制来实现的。优点是调制速率高；缺点是技术复杂，成本高。3.光接收机：把光纤线路输出、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，光检测器是核心。光检测器一般有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)两种。2.光纤线路：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、光纤接头和光纤连接器等组成。线路的性能主要由光纤的传输特性所决定，要求色散和损耗尽可量小。石英光纤的三个损耗很小的波长窗口：0.85um、1.31um、1.55um。•

石英光纤在波长1.55um损耗最小，在波长1.31um色散为零；•

通过光纤设计，可使零色散波长移到1.55um，制成损耗和色散都最小的色散移位单模光纤；•

设计成在1.31um和1.55um之间色散变化不大的色散平坦单模光纤。1.3.2

光纤通信系统的分类1．按传输信号分类（1）数字光纤通信系统抗干扰能力强，传输质量好；可以用再生中继，传输距离长；适合各种业务的传输，灵活性大；采用密钥，容易实现高强度的保密通信；易于集成，实现小型化、微型化，增强可靠性，有利于降低成本。（2）模拟光纤通信系统占用带宽较窄，电路简单，价格便宜等。2．按波长和光纤类型分类（1）短波长（0.85μm左右）多模光纤通信系统（2）长波长（1.31μm）多模光纤通信系统（3）长波长（1.31μm）单模光纤通信系统（4）长波长（1.55μm）单模光纤通信系统