光纖通信系統(tǒng)基礎(chǔ)簡(jiǎn)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(fā)表論文，預(yù)見(jiàn)了低損耗的光纖能夠應(yīng)用于通信，敲開(kāi)了光纖通信的大門(mén)。從此光纖在通信中的應(yīng)用引起了人們的重視，很快在1970年8月，美國(guó)康寧公司首次研制成功損耗為20dB/km的光纖，光纖通信的時(shí)代由此開(kāi)始了。

發(fā)展：

光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量從1980年到2000年這20年間增加了近一萬(wàn)倍，傳輸速度在過(guò)去的10 年中大約提高了100 倍。目前我國(guó)長(zhǎng)途傳輸網(wǎng)的光纖化比例已超過(guò)80%，預(yù)計(jì)到2010年，全國(guó)光纜建設(shè)長(zhǎng)度將再增加約105km，并且將有11個(gè)大城市鋪設(shè)10G以上的大容量光纖通信網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)組成

數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)的主要組成部分為光發(fā)送機(jī)、光纖信道和光接收機(jī)。對(duì)于高速率長(zhǎng)距離數(shù)字光通信系統(tǒng)，此時(shí)多采用外調(diào)制方式，其組成框圖如圖所示。

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光纖通信系統(tǒng)概述

近代光通信的真正發(fā)展則只是近三四十年的事，其中起主導(dǎo)作用的是激光器和光纖的誕生。首先是1960年Maiman發(fā)明了紅寶石激光器，激光器產(chǎn)生的強(qiáng)相干光為現(xiàn)代光通信提供了可靠的光源。這種單波長(zhǎng)的激光具有普通無(wú)線(xiàn)電波一樣的特性，可對(duì)其調(diào)制而攜帶信息。利用激光的早期光通信也是通過(guò)大氣傳輸?shù)?。但很快發(fā)現(xiàn)，許多因素如霧、雨、云，甚至一隊(duì)偶然飛過(guò)的鳥(niǎo)，都會(huì)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(dǎo)那樣的光波通信傳輸線(xiàn)，以克服這些影響，實(shí)現(xiàn)信息的長(zhǎng)距離穩(wěn)定傳輸。

1965年，E.Miller報(bào)導(dǎo)了出金屬空心管內(nèi)一系列透鏡構(gòu)成的透鏡光波導(dǎo)．可避免大氣傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，但田其結(jié)構(gòu)太復(fù)雜且精度要求太高而不能實(shí)用。而另一方面，光導(dǎo)纖維的研究正在扎實(shí)進(jìn)行。早在1951年就發(fā)明了醫(yī)療用玻璃纖維，但這種早期的光導(dǎo)纖維損耗太大(大于1000dB/km)，也不能作為光通信的傳輸媒質(zhì).1966年，C．K.Kao和G．A.Hockman發(fā)表了對(duì)光纖通信發(fā)展具有歷史意義的著名論文。他們?cè)诜治隽嗽斐晒饫w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(zhì)，損耗就可降到20dB／km——相當(dāng)于同軸電纜的水平，那么，光纖就可用來(lái)進(jìn)行光通信。在這種預(yù)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(fā)展鋪平了道路。對(duì)光纖譜特性的研究發(fā)現(xiàn)，它有3個(gè)低損耗的傳輸窗口，即850nm的短波長(zhǎng)窗口和1300nm、1500nm的長(zhǎng)波長(zhǎng)窗口。而后，隨著新的制造方法的出現(xiàn)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(zhǎng)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(guān)，是任何其他傳輸媒質(zhì)無(wú)法比擬的?？梢赃@樣說(shuō)，光纖是通信工作者夢(mèng)寐以求的理想傳輸媒質(zhì)，有近乎完美的品質(zhì)：

?幾乎是無(wú)限的帶寬；

?幾乎是零的損耗：

?幾乎為零的信號(hào)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(jià)格。

因此，光纖是信息高速公路基礎(chǔ)，開(kāi)創(chuàng)當(dāng)今信息革命的新紀(jì)元。

在光纖損耗不斷降低的同時(shí)，光源研究的進(jìn)展亦十分迅速。1962年，GaAs半導(dǎo)體激光二極管(LD)問(wèn)世，意味著現(xiàn)代光通信有了小體積的高速光源。GaAs-LD的發(fā)射波長(zhǎng)為870nm，在摻雜鋁后移到了光纖的短波長(zhǎng)低損耗窗口。后來(lái)，GaAs-LD又實(shí)現(xiàn)了室溫長(zhǎng)時(shí)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(lái)。這樣，隨著符合光纖傳輸要求，各種波長(zhǎng)、高效率、長(zhǎng)壽命、高速率半導(dǎo)體光源的研制成功，光纖通信的實(shí)用化及大發(fā)展已是水到渠成。 LD輸出進(jìn)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(zhǔn)、用dB表示的相對(duì)功率大小。

此外，在光接收機(jī)的研究方面，各種波長(zhǎng)范圍的高效率、高速率半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換器件(如APD、PIN)也陸續(xù)問(wèn)世。1973年，S.D.Personick發(fā)表了有關(guān)PCM數(shù)字光接收機(jī)分析的論文，解決了現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)中光接收機(jī)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。數(shù)字接收機(jī)的靈敏度是很高的，如2．5Gb/s的信早時(shí)可達(dá)-30 dBm(1微瓦)。那未對(duì)于似乎很小的1mW發(fā)送功率，光纖損耗為0.2dB／km時(shí)，僅從損耗而言的傳輸距離就可達(dá)100km以上。

此外，為了滿(mǎn)足系統(tǒng)應(yīng)用的需要，各種光無(wú)源器件(如光纖活動(dòng)連接據(jù)、光衰減器、光波分復(fù)用器、隔離器及分路器等)及專(zhuān)用儀器設(shè)備(如光纖嫁接機(jī)、時(shí)域反射計(jì)、光功率計(jì)等)也陸續(xù)配套商用。

1974年左右，許多國(guó)家進(jìn)行了各種室內(nèi)的光纖通信傳輸實(shí)驗(yàn)，1976年后出現(xiàn)了各種實(shí)用的光纖通信系統(tǒng),1980年美國(guó)電報(bào)電話(huà)公司的45Mb/s光纖通信系統(tǒng)FT-3實(shí)現(xiàn)商用。從20世紀(jì)80年代起進(jìn)入了光纖通信高速發(fā)展的時(shí)期，經(jīng)歷了從短波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)、從多模光纖到單模光纖、從低速率到高速率的發(fā)展過(guò)程。至今，商用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)歷四代，即850nm波長(zhǎng)多模光纖的第一代系統(tǒng)(1980-)、1300nm波長(zhǎng)單模光纖的第二代系統(tǒng)(1983-)、1550nm單模光纖單頻激光器的第三代系統(tǒng)(199l-)及采用光放大器的第四代系統(tǒng)(1995-)。全世界已鋪設(shè)的光纜總長(zhǎng)達(dá)幾干萬(wàn)公里，我國(guó)亦鋪設(shè)了數(shù)十萬(wàn)公里，形成了遍布全國(guó)、全世界的陸地及海底光纖網(wǎng)。從2.5-10Gb/s的系統(tǒng)均已實(shí)用化并大量應(yīng)用，40Gb/s的超高速光纖通信技術(shù)進(jìn)展亦十分迅速。圖為通信系統(tǒng)容量的發(fā)展圖，可見(jiàn)只有采用了光纖通信后才實(shí)現(xiàn)指數(shù)式的增長(zhǎng)。

為了充分發(fā)揮光纖的帶寬潛力，克服光纖損耗及色散的影響、延長(zhǎng)中繼距離、擴(kuò)大傳輸容量及降低成本，一直是光纖通信的發(fā)展目標(biāo)。各種光纖通信新技術(shù)不斷出現(xiàn)，系統(tǒng)的碼速距離積一再提高．幾乎每4年增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。這些新技術(shù)包括：

(1)有源及無(wú)源光器件、系統(tǒng)端機(jī)的集成化與模塊化，提高速率與性能．簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)降低成本，是系統(tǒng)發(fā)展最主要的技術(shù)基礎(chǔ)；

(2)波分復(fù)用(WDM，Wavelength Division Multiplexing)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單根光纖上超高速、超大容量傳輸；

(3)光放大器技術(shù)，尤其是摻餌光纖放大器(EDFA，Erbium-Doped Fiber Amplifier)及光放大器在長(zhǎng)途干線(xiàn)系統(tǒng)以及用戶(hù)分配系統(tǒng)中的應(yīng)用；

(4)孤子通信技術(shù)；

(5)高速光纖網(wǎng)技術(shù)，全光網(wǎng)技術(shù)等。

發(fā)展這些新技術(shù)的宗旨，都是為了更好地滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的信息需求。其中，WDM技術(shù)與光放大器處術(shù)的完美結(jié)合，極大地提高了光纖通信系統(tǒng)的性能與通信容量，成為現(xiàn)代光通信技術(shù)的閃亮明珠，通向全光通信網(wǎng)的橋梁。

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數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖6．1．5所示，它包括PCM端機(jī)、輸入接口、光發(fā)送機(jī) (Tx)、光纖線(xiàn)路、光中繼器、輸出接口及光接收機(jī)(Rx)等。

一個(gè)典型的點(diǎn)--點(diǎn)光纖通信系統(tǒng)(如上圖)主要包括收發(fā)信息電端機(jī)、光發(fā)送接收端機(jī)、傳輸光纖等幾部分。從光發(fā)送機(jī)到光接收機(jī)是光信息的傳輸通道，稱(chēng)為光信道，其任務(wù)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(jī) 需傳輸?shù)男畔⑿盘?hào)包括話(huà)音、圖像及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)等，電端機(jī)就是常規(guī)電通信中的載波機(jī)、圖像設(shè)備及計(jì)算機(jī)等終端設(shè)備。對(duì)數(shù)字通信來(lái)說(shuō)，信號(hào)在電端機(jī)內(nèi)要進(jìn)行A/D及D/A轉(zhuǎn)換，變換成數(shù)字信號(hào)。

(2)光發(fā)送機(jī) 包括光源(LD或LED)及其驅(qū)動(dòng)電路，電端機(jī)來(lái)的電信號(hào)經(jīng)編碼后調(diào)制光源，產(chǎn)生載有信息的光信號(hào)，完成電--光(E/O)轉(zhuǎn)換。

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

(4)光接收機(jī) 完成光--電(O/E)轉(zhuǎn)換。接收的光信號(hào)由光檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后放大解調(diào)、判決再生，送入電端機(jī)恢復(fù)出原信號(hào)。

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在長(zhǎng)途光纖通信系統(tǒng)中，每隔一段距離需設(shè)置中繼器，以把經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸衰減變得很微弱并畸變的光信號(hào)進(jìn)行光檢測(cè)變成電信號(hào)，經(jīng)放大整形再生后驅(qū)動(dòng)光源，產(chǎn)生光信號(hào)再送入光纖傳輸，這就是傳統(tǒng)的光-電-光中繼器(圖1.2.2(a))。然而現(xiàn)在，光放大器．尤其是EDFA已經(jīng)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(dòng)著光纖通信技術(shù)的革命——新一代全光通信技術(shù)(圖1.2.2(b))。圖1.2.2(c)為WDM系統(tǒng)的示意圖，幾個(gè)—幾百、上千個(gè)波長(zhǎng)在單根光纖中一起傳獨(dú)，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(shù)的發(fā)展方向與研究熱點(diǎn)。

若干個(gè)點(diǎn)-點(diǎn)通信系統(tǒng)組合就構(gòu)成通信網(wǎng)(圖1.2.3)，以提供異地用戶(hù)之間通信。通信網(wǎng)又可分為公共通信網(wǎng)和專(zhuān)用通信網(wǎng)。公共通信網(wǎng)向全社會(huì)用戶(hù)提供通信服務(wù)，如電話(huà)網(wǎng)及公共數(shù)據(jù)網(wǎng)等。專(zhuān)用通信網(wǎng)是為特定用戶(hù)或單位服務(wù)的通信網(wǎng)，如鐵路、電力、軍事等部門(mén)的通信網(wǎng)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)、州網(wǎng)等。這些網(wǎng)傳統(tǒng)上都采用電纜或微波，但當(dāng)今通信信息量劇增，它們已難以勝任，采用光纖通信技術(shù)已是大勢(shì)所趨。

光纖通信技術(shù)的基本內(nèi)容有：

(1)光纖傳物理論與技術(shù)、光纖器件；

(2)信號(hào)傳輸原理、調(diào)制解調(diào)方式、信號(hào)編碼及信道復(fù)用等；

(3)光源與光發(fā)送機(jī)；

(4)光檢測(cè)器與光接收機(jī)；

(5)光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用；

(6)光纖通信技術(shù)，如光放大器技術(shù)、WDM技術(shù)、全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

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無(wú)源光元件

構(gòu)成一個(gè)完整的光纖傳輸系統(tǒng)，除了光源、光檢測(cè)器及光纖外，還需要眾多的無(wú)源光器件，如連接器、衰減器、隔離器、濾波器、分路器、復(fù)用器、光開(kāi)關(guān)和調(diào)制器等，它們?cè)谙到y(tǒng)中起著光學(xué)連接、光功率分配、光波分復(fù)用、光信道切換及光信息的衰減、隔離和調(diào)制等。可以說(shuō)，沒(méi)有這類(lèi)無(wú)源光器件，就構(gòu)不成光纖通信系統(tǒng)。