现代通信技术基础(蒋青主编)第5章

第五章光纤传输网技术5.1光纤通信5.2SDH光传输网5.3光纤通信新技术随着社会的进步，科学技术的发展，人类已进入信息化时代。信息化时代通信系统的主要特征无疑是它运载信息的能力，通信系统运载信息的能力与其带宽成正比，而带宽与载体的频率成正比。光纤通信系统的信息载体采用光——所有可用信号中具有最高频率的载体，它具有最高的运载信息能力：一根同轴电缆能够支持13000个信道，陆地上的微波链路最多可以支持20000个信道，而一根光纤通信链路，例如跨大西洋的电缆TAT-13，能够同时支持300000个双向语音信道。另一方面，因特网通信量的飞速增长要求得到更高质量的网络信息服务能力，光纤传输网能够提供这样的能力，从而成为现代通信的主干网。5.1光纤通信5.1.1基本概念光导纤维简称光纤。所谓光通信就是利用光波来载送信息，实现通信的目的。光纤通信是以光波为载波，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。由于光纤通信具有一系列优异的特性，近年来，光纤通信技术发展速度之快，应用面之广是通信史上罕见的。它是世界新技术革命的重要标志，也是信息社会中各种信息网的主要传输工具。1、光纤通信的发展历程光波是人们最熟悉的电磁波，其波长在微米级、频率为数量级、由图5-1电磁波谱中可以看出，紫外线、可见光、红外线均属于光波的范畴。目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区内，即波长为，可分为短波长波段和长波长波段。短波长波段是指波长为，长波长波段是指和，这是目前所采用的三个通信窗口。图5-1电磁波谱我国许多地方的烽火台就是最早光通信的历史见证。在这一古老而简单的光通信中，烽火是光源，传输介质是大气层，光接收器是人的眼睛。这种传输方式易受天气、地形的影响，抗干扰能力差，并且只能在可视距离内通信，与现在的光通信不可同日而语。虽然光远早于电被人所知，但由于光源、光探测器、光传输介质等一切光通信中的关键问题难于解决，因而光通信的发展极其缓慢。1880年，贝尔在他发明电话的4年后，又发明了一种利用光波作为载波传递话音信息的“光电话”，它证明了利用光波作为载波传递信息的可能性，是光通信历史上的第一步。贝尔“光电话”的实验之所以不实用，是由于光通信的源头—光源不理想。他使用的光源是可见光，可见光是复合光而不是单色光，这样它的光束方向性差，光强不集中，不便于传输。1960年，美国科学家梅曼（Merryman）发明了第一个红宝石激光器。激光（LASER：LightAmplificationbyStimulatedEmissiionofRadiation）与普通光相比，谱线很窄，方向性极好，是一种频率和相位都一致的相干光，特性与无线电波相似，是一种理想的光载波。因此，激光器的出现使光波通信进入了一个崭新的阶段。2、光纤通信的特点光纤通信与电通信方式的主要差异有两点：一是用光频作为载频传输信号，二是用光导纤维构成光缆作为传输线路。因此，在光纤通信中起主导作用的是产生光波的激光器和传输光波的光导纤维。光纤是一种介质光波导，具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。它是由直径大约只有0.1mm的细玻璃丝构成。光纤通信之所以能够飞速发展，是由于它具有以下突出优点。（1）传输频带很宽，通信容量大。随着科学技术的迅速发展，人们对通信的要求越来越多。为了扩大通信容量，有线通信从明线发展到电缆，无线通信从短波发展到微波和毫米波，它们都是通过提高载波频率来扩容的，光纤中传输的光波要比无线通信使用的频率高得多，所以，其通信容量也就比无线通信大得多。如果像电缆那样把几十根或几百根光纤组成一根光缆（即空分复用），其外径比电缆小得多，传输容量却成百倍的增长，如果再使用波分复用技术，其传输容量就会大得惊人了。这样，就可以满足任何条件下信息传输的需要，对各种宽频带信息的传输具有十分重要的意义。（2）中继距离长。我们知道，信号在传输线上传输，由于传输线的损耗会使信号不断的衰减，信号传输的距离越长，衰减就越严重，当信号衰减到一定程度以后，对方就接收不到信号了。为了长距离通信，往往需要在传输线路上设置许多中继器，将衰减了的信号放大后再继续传输。中继器越多，传输线路的成本就越高，维护也就越不方便，若某一中继器出现故障，就会影响全线的通信。因此，人们希望传输线路的中继器越少越好，最好是不要中继器。减小传输线路的损耗是实现长中继距离的首要条件。因为光纤的损耗很低，所以能实现很长的中继距离。目前，实用石英光纤的损耗可低于0.2dB/km，这比目前其他任何传输介质的损耗都低。由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200km还多。而现有的电通信中，同轴电缆系统最大中继距离为6km，最长的微波中继距离也只有50km左右。如果将来采用非石英系极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降到，则中继距离可达数千米甚至数万千米。这样，在任何情况下，通信线路都可以不设中继器了，它对降低海底通信的成本、提高可靠性和稳定性具有特别重要的意义。（3）抗电磁干扰。任何信息传输系统都应具有一定的抗干扰能力，否则就无实用意义了。而当代世界对通信的各种干扰源比比皆是，有天然干扰源，如雷电干扰、电离层的变化和太阳的黑子活动等；有工业干扰源，如电动马达和高压电力线；不能满意地解决以上各种干扰的影响，惟有光纤通信不受以上各种电磁干扰的影响，这将从根本上解决电通信系统多年来困扰人们的干扰问题。（4）保密性好，无串话干扰。对通信系统的另一个重要要求是保密性好，然而无线电通信很容易被人窃听，随着科学技术的发展，就是我们以前所讲的保密性好的有线电通信也不那么保密了。人们只要在明线或电缆附近设置一个特别的接收装置，就可以窃听明线或电缆中传输的信息，因此，现有的电通信都面临着一个怎样保密的问题。光纤通信与电通信不同，光波在光纤中传输是不会跑出光纤之外的，即使在转弯处，弯曲半径很小时，漏出的光波也十分微弱，如果在光纤或光缆的表面涂上一层消光剂，光纤中的光就完全不能跑出光纤。这样，用什么方法也无法在光纤外面窃听光纤中传输的信息了。此外，由于光纤中的光不会跑出来，我们在电缆通信中常见的串话现象，在光纤通信中也就不存在了。同时，它也不会干扰其他通信设备或测试设备。（5）节约有色金属和原材料。现有的电话线或电缆是由铜、铝、铅等金属材料制成的，但从目前的地质调查情况来看，世界上铜的储藏量不多，有人估计，按现在的开采速度只能再开采50年左右。而光纤的材料主要是石英（二氧化硅），地球上是取之不尽用之不竭的，并且很少的原材料就可拉制出很长的光纤。例如，40克高纯度的石英玻璃可拉制1km的光纤，而制造1km八管中同轴电缆需要耗铜120kg，铅500kg。光纤通信技术的推广应用将节约大量的金属材料，具有合理使用地球资源的战略意义。（6）线径细，重量轻。通信设备体积的大小和重量的轻重对许多领域具有特殊重要的意义，特别是在军事、航空和宇宙飞船等方面。光纤的芯径很细，它只有单管同轴电缆的百分之一，光缆直径也很小，8芯光缆横截面直径约为1mm，而标准同轴电缆为47mm。线径细对减小通信系统所占的空间具有重要意义。目前，利用光纤通信的这个特点，在市话中继线路中成功地解决了地下管道拥挤的问题，节约了地下管道的建设投资。光缆的重量比电缆要轻得多。例如，18管同轴电缆1m的重量为11kg，而同等容量的光缆lm的重量只有90g。近年来，许多国家在飞机上使用光纤通信设备，或将原来的电缆通信改为光纤通信，获得了很好的效果，它不但降低了通信设备的成本，飞机制造的成本，而且还提高了通信系统的抗干扰能力和飞机设计的灵活性。例如，美国在A7飞机上用光纤通信取代原有的电缆通信后，它使飞机减轻重量27磅。据飞机设计人员统计，高性能的飞机每增加一磅的重量，成本费用要增加一万美元。如果考虑在宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信，其意义就更大了。由于光纤通信上述的许多优点，除了在公用通信和专用通信中广泛使用之外，它还在其他许多领域，如测量，传感、自动控制和医疗卫生等得到了十分广泛的应用。当然，光纤本身也有缺点，如光纤质地脆、机械强度低；要求比较好的切断、连接技术；分路、耦合比较麻烦等。但这些问题随着技术的不断发展，都是可以克服的。3、数字光纤通信系统的组成数字光纤通信系统与一般通信系统相似，它由发送设备、传输信道和接收设备三大部分构成。5.1.2光纤的导光原理有关光纤的导光原理一般可以采用射线理论（几何光学）和波动理论来解释，本小节只从射线理论角度论述光纤的导光原理。5.1.3光纤的传输特性损耗特性和色散特性是光纤的两个主要传输特性。下面分别进行讨论。1、光纤的损耗光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。光纤每单位长度的损耗，直接关系到光纤通信系统传输距离的长短。光纤自身的损耗大致包括两类：吸收损耗和散射损耗。吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，造成光功率的损失。所谓散射，是指光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了在光的传播方向以外，在其它方向也可以看到光，这种现象称为光的散射。散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射，由此产生的损耗为散射损耗。形成光纤损耗的原因很多，除了光纤自身的损耗之外，光纤与光源的耦合损耗以及光纤之间的连接损耗也是引入光纤传输损耗的因素。2、光纤的色散光纤色散是光纤通信的另一个重要特性，简单地说，光纤的色散就是由于光纤中光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度的不同而使得传播时间不同，因此造成光信号中不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。5.1.4光端机光发射机、光缆和光接收机构成了光纤通信系统的三大主要部分。光端机指光发射机和光接收机。下面主要介绍其基本组成结构及作用。1、光发射机（1）光源光发射机的核心是产生激光或荧光的光源，它是组成光纤通信系统的重要器件。它的作用是将电信号转换成光信号。光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器（LD）和半导体发光二极管（LED）两种。半导体激光器（LD）自从20世纪70年代发展起来后，现在已被广泛应用于CD播放机中。随着商用光纤的出现，这种半导体激光器（LD）的辐射特性如亮度（brightness）、定向性(directivity)、窄光谱宽度（narrowspectralwidth）以及相干性（coherence）特性等使其成为长距离光纤链路的最佳光源。在过去这些年中，随着对于长距离通信系统可靠性要求的不断提高，对半导体激光器（LD）的质量要求也相应提高。作为回应，具有量子阱(quantum-well)、分试反馈(distributed-feedback)及极窄光谱宽度（大概在十几分之一纳米数量级上）特性的半导体激光器（LD）已经被研制出来了。这些二极管现在已经成为长距离发送器的最常用光源。垂直腔面发射激光器（vertical-cavitysurface-emittinglasers，VCSEL）就是光源技术的最新成果之一。半导体发光二极管（LED）的发展已经有超过30年的历史了。它们被广泛应用于几乎所有电子按设备中：电视机，录像机，电话，汽车仪表以及许多其他产品。它们之所以被用于光纤通信中，主要是由于它们较小的尺寸和较长的使用寿命。然而，与半导体激光二极管相比，它们较低的光亮度、糟糕的定向性、偏低的调制带宽以及不连贯的辐射性决定了它们只可能被应用于通信技术的某些特定部分：相对较短距离和较低带宽的网络。局域网是基于发光二极管的发送器的最主要的应用领域。光纤局域网在今天正处于一个急速发展的时期，所以发光二极得到了广泛的应用。下面分别讨论半导体激光器（LD）和半导体发光二极管（LED）的特性。1）半导体激光器（LD）的特性半导体激光器属于半导体二极管的范畴，除具有二极管的一般特性以外（如伏安特性），还应具有特殊的光频特性。①阈值特性对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，该电流值称为阈值电流，用表示。当时，激光器发出的是荧光；当时，激光器才发出激光。如图5-7所示曲线即