光纤通信第一章

光纤通信技术第1章光纤通信概论1.1光纤通信发展历程1.2光纤通信的系统构成1.3光纤通信的特点1.4光纤通信新技术通信技术简史按时代划分，通信技术经历了三大飞跃光纤通信电通信光通信光通信可以上溯西周时期建立的烽火台作为军事报警设施，下及当今指挥城市交通的信号灯和航海中使用的灯塔。目视光通信光通信可以上溯西周时期建立的烽火台作为军事报警设施，下及当今指挥城市交通的信号灯和航海中使用的灯塔。传输距离短光通信的缺点传递信息量少1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”,通话距离达到213米。贝尔的光电话光电话原理图光源透镜送话器反射镜震动片光敏电池贝尔用弧光灯或者太阳光作为光源，光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上。当人对着话筒讲话时，震动片随着话音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化，从而使话音信息“承载”在光波上（这个过程叫调制）。在接收端，装有一个抛物面接收镜，它把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上，硅光电池将光能转换成电流（这个过程叫解调）。电流送到听筒，就可以听到从发送端送过来的声音了。接收镜贝尔光电话是现代光通信的雏型1、为什么光通信传输的距离非常有限，这主要是因为，这种传输方式里面的传输介质是“大气”，损耗大，如果碰上雨、雪甚至雾霾天气，信号甚至可能会中断。更深层次的原因，我们现代人都已经知道了，是因为光是一种“波”，且波长很短（0.4—0.7μm），它很容易被大气中的“尘埃粒子”所阻挡。2、另外，Bell的光电话是利用自然光（光源）作为载波，这种光的频率和相位杂乱无章，不能用于大容量的通信。3、能否建立“光通道”如“波导管”式的东西以减少损失（损耗）呢？是否可以找到新型的光源呢？1960年，美国人梅曼(T.H.Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光。1965年，第一台可产生大功率激光的器件--二氧化碳激光器诞生。1967年，第一台Ｘ射线激光器研制成功。激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入到了一个崭新的阶段。激光器大气通信•红宝石激光器，激光器发出的激光与普通光相比，具有方向性好、亮度高等优点，同时也具有通常无线电波的性质，是一种理想的可以携带信息的光载波。•20世纪60年代初期研究的光通信大多是利用大气传输光波，但大气光波通信不稳定因素很多。主要原因是光波在大气中传输受到大气层中变化无常的气候条件的影响，光波能量损失严重，因此光波在大气层中的传输并不顺利。研究人员曾经将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验，但由于造价太高而出现了夭折，致使光通信发展一度出现长期的低迷状态。透镜波导光波通信受英国物理学家JohnTyndall（约翰）在1870年做的”光可以在水流柱里传输”的影响，在1920-1950期间,人们发现在纤细的、有柔韧性的玻璃中和塑料光纤可以用于导光。终于在1950年，有人采用“玻璃纤维”传输光，但损耗达到了1000dB/Km，即在1Km的长度上传输，损耗达到10100倍，这个数值显然是太大了。真正的奇迹是在1966年才出现。光纤通信的诞生与迅速发展1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)及其同事霍克哈姆(C.A.Hockham)在其发表的研究论文中指出，“玻璃纤维”的严重损耗是由其里面所含杂质（如铜、铁、铬等金属离子）太多及石英玻璃拉制工艺的不均匀性产生的。论文《介质纤维表面光频波导》明确提出：1、如果能将光纤中过渡金属离子减少到最低限度，并改进制造工艺，有可能使光纤损耗降到最低（预见可减小到20dB/km以下）；2、光纤可以实现高速通信；3、给出了光纤原始结构。高锟(C.K.Kao)博士上述发现的重要意义在于：指出了光纤高损耗的真正来源以及研制通信光纤的正确方向。这一发现直接导致了在其后数年内通信光纤制造领域所发生的质的飞跃，以及光纤通信产业的迅速兴起。1970年，光纤研制取得了重大突破美国康宁玻璃公司1970年首先研制出衰耗20dB/km的光纤。光纤通信正式开始！据说康宁公司花费3000万美元，得到30米光纤样品，认为非常值得。这一突破，引起整个通信界的震动，世界发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。1973年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1dB/km。1976年，日本电报电话（NTT）公司将光纤损耗降低到0.5dB/Km在以后的10年中，波长为1.55μm的光纤损耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。1970年开始，光纤研制取得了重大突破第1章光纤通信概论1.1.2光纤通信发展趋势1.宽带通信业务需求激增、光纤通信向超高速系统发展光纤产品的大规模采用成为全球宽带通信网络飞速发展的有力基础。网络的扩张又带来全球性传送业务的大增长，这些业务需求包括Internet的蓬勃发展、大量的全球数据传送，以及其他一些不断增长的先进业务。视频娱乐节目：采用速率高达几十兆比特的数字电视，提供同实物一样大的高分辨率、3D、真彩色视频娱乐节目。第1章光纤通信概论可视电话：全球将有一亿以上的家庭装有带大型3D彩色屏幕的可视电话。视频会议：通过Internet提供桌面或膝上机的一对一型或组对组型会议电视系统。大量的、即时的、连续的全球数据传送：允许几百万大小公司以及部门内部的各个相互连接的高瑞工作站之间进行数据通信。全球网络：实现在任何地方、任意时间、对任何人的通信（话音、数据、图像和视频）将变得可行。第1章光纤通信概论全球业务：对共同感兴趣的商务运作的合并过程将继续下去。依赖于通信的主要业务有遍布全球的生产、研发、管理和客户服务。政府全球化：发达国家将更多地通过各种全球合作组织来协调世界经济、军事、人道主义和其他活动。小用户的作用上升：数以亿计的全球居民用户现在正拥有自己的光纤连接。第1章光纤通信概论网络容量的需求和传输速率的提高一直是一对主要矛盾。在过去几年中，光纤技术领域取得了大量突破性进展，其中包括10Gb/s网络的全面构建和单根光纤上每秒以太比特容量的成功演示。40Gb/s和80Gb/s网络成功演示进一步突出了速率更高、容量更大的网络优势，为各种各样的新业务，特别是宽带业务和多媒体提供了实现的可能。第1章光纤通信概论2.向超大容量WDM系统的演进光纤的200nm可用带宽资源仅利用了不到1％，99％的资源尚待发掘。如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在一根光纤上传送，则可大大增加光纤的信息传输容量，这就是波分复用（WDM）的基本思路。第1章光纤通信概论3.实现光联网波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量，但基本上是以点到点通信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能的话，无疑将增加新的威力。根据这一基本思路，光的分插复用器（OADM）和光的交叉连接设备（OXC）均已在实验室研制成功，前者已投入商用。第1章光纤通信概论4.新一代的光纤传统的G.652单模光纤在适应超高速长距离传送网络的发展需要方面已暴露出力不从心的态势，为了适应干线网和城域网的不同发展需要，已出现了三种不同的新型光纤，如非零色散光纤（G.655光纤）、低色散三波段光纤（G.656光纤）和无水吸收峰光纤（全波光纤）。目前影响可用波段的主要因素是1385nm附近的水吸收峰，因而若能设法消除这一水峰，则光纤的可用频谱可望大大扩展。全波光纤就是在这种形势下诞生的。第1章光纤通信概论5.解决全光网瓶颈的手段——光接入网网络将成为全数字化的、软件主宰和控制的、高度集成和智能化的网络。而另一方面，现存的接入网中双绞线铜线的模拟系统还有相当比例。两者在技术上的巨大反差说明接入网已确实成为制约全光网进一步发展的瓶颈。唯一能够根本上彻底解决这一瓶颈问题的长远技术手段是光接入网的全面实现。第1章光纤通信概论6.IPoverOptical以IP业务为主的数据业务是当前世界信息业发展的主要推动力，因而，能否有效地支持IP业务已成为新技术能否有长远技术寿命的标志。IP网结构省掉了中间ATM层与SDH层，简化了层次，减少了网络设备；减少了功能重叠，减轻了网管复杂性，特别是网络配置的复杂性；额外的开销最低，传输效率最高；通过业务量工程设计，可以与IP的不对称业务量特性相匹配；还可利用光纤环路的保护光纤吸收突发业务，尽量避免缓存，减少延时；简化了网管，又采用了波分复用技术，其总成本可望比传统电路交换网降低一至二个量级。第1章光纤通信概论三种IP传送技术都将在电信网发展的不同时期和网络的不同部分发挥自己应有的历史作用。但从面向未来的视角看，IPoverOptical将是最具长远生命力的技术。特别是随着IP业务逐渐成为网络的主导业务后，这种对IP业务最理想的传送技术将会成为未来网络特别是骨干网的主导传送技术。第1章光纤通信概论7.智能光网络新动向随着IP业务的快速增长，对网络带宽的需求变得越来越大。因此，能够自动完成网络连接的智能光网络应运而生。新一代智能光网络由DWDM加光交换机组成，它的核心层设备是光交换机，一个设备便可以综合完成以前几个设备的功能，组网简单，维护方便。此外，智能光网络的特点是交换粒度小，并具有疏导功能第1章光纤通信概论1.2光纤通信的系统构成1977年，0.85μm波段的多模光纤成为第一代光纤通信系统。1981年使用1.30μm多模光纤的通信系统为第二代光纤通信系统1984年实现了1.31μm单模光纤的通信系统，即第三代光纤通信系统20世纪90年代初期，又实现了1.55μm单模光纤通信系统，即第四代光纤通信系统。用光波分复用提高速率、光波放大增长传输距离的系统，为第五代光纤通信系统。第1章光纤通信概论1.2.2光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成如图1.1所示。它由光发射端机、光纤或光缆、光中继器和光接收端机四部分组成。图1.1光纤通信系统的基本组成第1章光纤通信概论光发射端机的功能是将输入的电信号转换为光信号，然后将光信号耦合到光纤或光缆中传输。主要由两部分组成：驱动器和光源。半导体光源分为两种：发光管LED和激光管LD。半导体激光器发出的是激光，发光功率大、谱线宽度窄，但电路结构复杂，温度特性差。半导体发光二极管发出的是荧光，发光功率不大，谱线宽度宽，但电路结构简单、寿命长、价格便宜。第1章光纤通信概论光纤作为传输媒介，作用是将发射端机光源发出的光信号，经远距离传输后耦合到接收端机的检测器，完成信息传输任务。光纤通信使用的光纤通常是由石英玻璃制成的，由纤芯和包层组成。光纤属于光波导，一般双向通信时需要两根光纤，来去方向各需要一根光纤传送光信号。光纤有许多种分类方式，按传输模式分，有多模光纤和单模光纤；按折射率分，有突变光纤和渐变光纤等等。为了保护光纤，在光纤拉丝成型的同时就在裸光纤上加了一层涂覆层，根据需要还要另加套塑。第1章光纤通信概论光中继器分为两大类：一类是光—电—光间接放大光中继器；另一类是全光中继器。全光中继技术是光纤通信系统的发展方向。含有光中继器的光纤传输系统称为光纤中继通信。光信号在光纤中传输一定距离后，由于受到光纤衰减和色散的影响会产生能量衰减和波形失真。为保证通信质量，必须对衰减和失真达到一定程度的光信号及时进行放大和恢复，光中继器的主要作用有两个：一是补偿光的衰减；二是对波形失真的脉冲进行整形。第1章光纤通信概论光接收端机主要由光电检测器和放大器组成。作用是将光纤或光缆传输来的光信号经光电检测器转变为电信号，然后将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送入接收端的电端机进行进一步的处理。光纤通信使用的光电检测器也是由半导体材料制成的，分为PIN光电二极管和APD光电二极管两种。第1章光纤通信概论以光波长为例：光波长（λ）×光频（v）=