光纖通信系統基礎簡介

光纖通信

起源:

1966年，美籍華人高錕博士（C.K.Kao）和霍克哈姆（C.A.Hockham）發表論文，預見了低損耗的光纖能夠應用于通信，敲開了光纖通信的大門。從此光纖在通信中的應用引起了人們的重視，很快在1970年8月，美國康寧公司首次研制成功損耗為20dB/km的光纖，光纖通信的時代由此開始了。

發展：

光纖通信系統的傳輸容量從1980年到2000年這20年間增加了近一萬倍，傳輸速度在過去的10 年中大約提高了100 倍。目前我國長途傳輸網的光纖化比例已超過80%，預計到2010年，全國光纜建設長度將再增加約105km，并且將有11個大城市鋪設10G以上的大容量光纖通信網絡。

系統組成

數字光纖傳輸系統的主要組成部分為光發送機、光纖信道和光接收機。對于高速率長距離數字光通信系統，此時多采用外調制方式，其組成框圖如圖所示。

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光纖通信系統概述

近代光通信的真正發展則只是近三四十年的事，其中起主導作用的是激光器和光纖的誕生。首先是1960年Maiman發明了紅寶石激光器，激光器產生的強相干光為現代光通信提供了可靠的光源。這種單波長的激光具有普通無線電波一樣的特性，可對其調制而攜帶信息。利用激光的早期光通信也是通過大氣傳輸的。但很快發現，許多因素如霧、雨、云，甚至一隊偶然飛過的鳥，都會干擾光波的傳播，因而只能作短距離通信用c顯然，需要一種像射頻或微波通信的電纜或波導那樣的光波通信傳輸線，以克服這些影響，實現信息的長距離穩定傳輸。

1965年，E.Miller報導了出金屬空心管內一系列透鏡構成的透鏡光波導．可避免大氣傳輸的缺點，但田其結構太復雜且精度要求太高而不能實用。而另一方面，光導纖維的研究正在扎實進行。早在1951年就發明了醫療用玻璃纖維，但這種早期的光導纖維損耗太大(大于1000dB/km)，也不能作為光通信的傳輸媒質.1966年，C．K.Kao和G．A.Hockman發表了對光纖通信發展具有歷史意義的著名論文。他們在分析了造成光纖傳輸損耗高的主要原因后指出，如能完全除去玻璃中的雜質，損耗就可降到20dB／km——相當于同軸電纜的水平，那么，光纖就可用來進行光通信。在這種預想的鼓舞下，Corning公司終于在1970年制出了20dB/km損耗的光纖，從而為光纖通信的發展鋪平了道路。對光纖譜特性的研究發現，它有3個低損耗的傳輸窗口，即850nm的短波長窗口和1300nm、1500nm的長波長窗口。而后，隨著新的制造方法的出現及工藝水平的不斷提高，光纖損耗不斷降低。到1979年，單模光纖在1550nm波長的損耗已降到0.2dB／km，接近石英光纖的理論損耗極限。

而且光波頻率高，光纖的帶寬資源亦十分可觀，是任何其他傳輸媒質無法比擬的。可以這樣說，光纖是通信工作者夢寐以求的理想傳輸媒質，有近乎完美的品質：

?幾乎是無限的帶寬；

?幾乎是零的損耗：

?幾乎為零的信號失真

?幾乎為零的功率消耗

?幾乎為零的材料消耗

?幾乎為零的占有空間

?幾乎為零的價格。

因此，光纖是信息高速公路基礎，開創當今信息革命的新紀元。

在光纖損耗不斷降低的同時，光源研究的進展亦十分迅速。1962年，GaAs半導體激光二極管(LD)問世，意味著現代光通信有了小體積的高速光源。GaAs-LD的發射波長為870nm，在摻雜鋁后移到了光纖的短波長低損耗窗口。后來，GaAs-LD又實現了室溫長時間工作。利用四元系合金InGaAsP制造出了1300nm及1550 nm的LD光源。由于LD 昂貴，適合光纖通信的高亮度LED也研制了出來。這樣，隨著符合光纖傳輸要求，各種波長、高效率、長壽命、高速率半導體光源的研制成功，光纖通信的實用化及大發展已是水到渠成。 LD輸出進入單模光纖的功率約為1mW。在光纖通信中又常用dBm作為功率單位，它是以1mW為基準、用dB表示的相對功率大小。

此外，在光接收機的研究方面，各種波長范圍的高效率、高速率半導體光電轉換器件(如APD、PIN)也陸續問世。1973年，S.D.Personick發表了有關PCM數字光接收機分析的論文，解決了現代光纖通信系統中光接收機的設計問題。數字接收機的靈敏度是很高的，如2．5Gb/s的信早時可達-30 dBm(1微瓦)。那未對于似乎很小的1mW發送功率，光纖損耗為0.2dB／km時，僅從損耗而言的傳輸距離就可達100km以上。

此外，為了滿足系統應用的需要，各種光無源器件(如光纖活動連接據、光衰減器、光波分復用器、隔離器及分路器等)及專用儀器設備(如光纖嫁接機、時域反射計、光功率計等)也陸續配套商用。

1974年左右，許多國家進行了各種室內的光纖通信傳輸實驗，1976年后出現了各種實用的光纖通信系統,1980年美國電報電話公司的45Mb/s光纖通信系統FT-3實現商用。從20世紀80年代起進入了光纖通信高速發展的時期，經歷了從短波長到長波長、從多模光纖到單模光纖、從低速率到高速率的發展過程。至今，商用光纖通信系統的發展已經歷四代，即850nm波長多模光纖的第一代系統(1980-)、1300nm波長單模光纖的第二代系統(1983-)、1550nm單模光纖單頻激光器的第三代系統(199l-)及采用光放大器的第四代系統(1995-)。全世界已鋪設的光纜總長達幾干萬公里，我國亦鋪設了數十萬公里，形成了遍布全國、全世界的陸地及海底光纖網。從2.5-10Gb/s的系統均已實用化并大量應用，40Gb/s的超高速光纖通信技術進展亦十分迅速。圖為通信系統容量的發展圖，可見只有采用了光纖通信后才實現指數式的增長。

為了充分發揮光纖的帶寬潛力，克服光纖損耗及色散的影響、延長中繼距離、擴大傳輸容量及降低成本，一直是光纖通信的發展目標。各種光纖通信新技術不斷出現，系統的碼速距離積一再提高．幾乎每4年增加一個數量級。這些新技術包括：

(1)有源及無源光器件、系統端機的集成化與模塊化，提高速率與性能．簡化結構降低成本，是系統發展最主要的技術基礎；

(2)波分復用(WDM，Wavelength Division Multiplexing)技術，實現單根光纖上超高速、超大容量傳輸；

(3)光放大器技術，尤其是摻餌光纖放大器(EDFA，Erbium-Doped Fiber Amplifier)及光放大器在長途干線系統以及用戶分配系統中的應用；

(4)孤子通信技術；

(5)高速光纖網技術，全光網技術等。

發展這些新技術的宗旨，都是為了更好地滿足日益增長的信息需求。其中，WDM技術與光放大器處術的完美結合，極大地提高了光纖通信系統的性能與通信容量，成為現代光通信技術的閃亮明珠，通向全光通信網的橋梁。

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數字光纖通信系統的基本結構如圖6．1．5所示，它包括PCM端機、輸入接口、光發送機 (Tx)、光纖線路、光中繼器、輸出接口及光接收機(Rx)等。

一個典型的點--點光纖通信系統(如上圖)主要包括收發信息電端機、光發送接收端機、傳輸光纖等幾部分。從光發送機到光接收機是光信息的傳輸通道，稱為光信道，其任務是把信息可靠有效地從始端傳送到終端。各部分的作用如下：

(1)PCM電端機 需傳輸的信息信號包括話音、圖像及計算機數據等，電端機就是常規電通信中的載波機、圖像設備及計算機等終端設備。對數字通信來說，信號在電端機內要進行A/D及D/A轉換，變換成數字信號。

(2)光發送機 包括光源(LD或LED)及其驅動電路，電端機來的電信號經編碼后調制光源，產生載有信息的光信號，完成電--光(E/O)轉換。

(3)傳輸光纖或光纜 將光源發射的光信號傳送到遠處的接收端，它可以是多模光纖或單模光纖。

(4)光接收機 完成光--電(O/E)轉換。接收的光信號由光檢測器檢測轉換成電信號，然后放大解調、判決再生，送入電端機恢復出原信號。

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在長途光纖通信系統中，每隔一段距離需設置中繼器，以把經過長距離傳輸衰減變得很微弱并畸變的光信號進行光檢測變成電信號，經放大整形再生后驅動光源，產生光信號再送入光纖傳輸，這就是傳統的光-電-光中繼器(圖1.2.2(a))。然而現在，光放大器．尤其是EDFA已經成熟，其增益高、輸出功率大、噪聲低、帶寬大、碼速穿透，完全可代替光-電-光中繼器，正推動著光纖通信技術的革命——新一代全光通信技術(圖1.2.2(b))。圖1.2.2(c)為WDM系統的示意圖，幾個—幾百、上千個波長在單根光纖中一起傳獨，用EDPA中繼放大，使傳輸容量提高幾倍—幾百、上千倍，代表新一代高速大容量光纖通信技術的發展方向與研究熱點。

若干個點-點通信系統組合就構成通信網(圖1.2.3)，以提供異地用戶之間通信。通信網又可分為公共通信網和專用通信網。公共通信網向全社會用戶提供通信服務，如電話網及公共數據網等。專用通信網是為特定用戶或單位服務的通信網，如鐵路、電力、軍事等部門的通信網及計算機網、州網等。這些網傳統上都采用電纜或微波，但當今通信信息量劇增，它們已難以勝任，采用光纖通信技術已是大勢所趨。

光纖通信技術的基本內容有：

(1)光纖傳物理論與技術、光纖器件；

(2)信號傳輸原理、調制解調方式、信號編碼及信道復用等；

(3)光源與光發送機；

(4)光檢測器與光接收機；

(5)光纖通信系統的設計、結構及應用；

(6)光纖通信技術，如光放大器技術、WDM技術、全光網絡技術

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無源光元件

構成一個完整的光纖傳輸系統，除了光源、光檢測器及光纖外，還需要眾多的無源光器件，如連接器、衰減器、隔離器、濾波器、分路器、復用器、光開關和調制器等，它們在系統中起著光學連接、光功率分配、光波分復用、光信道切換及光信息的衰減、隔離和調制等。可以說，沒有這類無源光器件，就構不成光纖通信系統。