光 纤 通 信,主讲教师：赵 冬 娥,OPTICAL FIBER COMMUNICATION,简 介,学时：讲授40学时，实验8学时 评分比例：试卷80%，平时成绩20%,参 考 书 目,顾畹仪 李国瑞编“光纤通信系统”，北京邮电大学出版社 刘增基 周洋溢 胡辽林等编著“光纤通信”，西安电子科技大学出版社 赵梓森编“光纤通信工程”，人民邮电出版社,11 光纤通信发展的历史和现状 1 2 光纤通信的优点和应用 1 3 光纤通信系统的基本组成,第 1 章 概 论,返回主目录,第 1 章 概论,1.1光纤通信发展的历史和现状 1.1.1探索时期的光通信 中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息， 这些都可以看作是原始形式的光通信。望远镜的出现，又极大地延长了这种目视光通信的距离。 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”。这种光电话利用太阳光或弧光灯作光源，通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的变化而变化，实现话音对光强度的调制。在接收端，用抛物面反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上，使光信号变换为电流， 传送到受话器。,由于当时没有理想的光源和传输介质， 这种光电话的传输距离很短，并没有实际应用价值，因而进展很慢。然而， 光电话仍是一项伟大的发明，它证明了用光波作为载波传送信息的可行性。因此，可以说贝尔光电话是现代光通信的雏型。 1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器， 给光通信带来了新的希望，和普通光相比，激光具有波谱宽度窄，方向性极好， 亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性。激光是一种高度相干光，它的特性和无线电波相似， 是一种理想的光载波。继红宝石激光器之后，氦氖(He - Ne)激光器、二氧化碳(CO2)激光器先后出现，并投入实际应用。 激光器的发明和应用， 使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。,在这个时期，美国麻省理工学院利用He - Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验。实验证明：用承载信息的光波， 通过大气的传播，实现点对点的通信是可行的，但是通信能力和质量受气候影响十分严重。由于雨、雾、雪和大气灰尘的吸收和散射，光波能量衰减很大。例如，雨能造成30 dB/km的衰减， 浓雾衰减高达120 dB/km。另一方面，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。 因而通信的距离和稳定性都受到极大的限制，不能实现“全天候”通信。虽然，固体激光器(例如掺钕钇铝石榴石(Nd: YAG)激光器)的发明大大提高了发射光功率，延长了传输距离，使大气激光通信可以在江河两岸、海岛之间和某些特定场合使用， 但是大气激光通信的稳定性和可靠性仍然没有解决。 ,为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光束限制在特定的空间内传输。因而提出了透镜波导和反射镜波导的光波传输系统。透镜波导是在金属管内每隔一定距离安装一个透镜，每个透镜把经传输的光束会聚到下一个透镜而实现的。反射镜波导和透镜波导相似，是用与光束传输方向成45角的二个平行反射镜代替透镜而构成的。这两种波导， 从理论上讲是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服的困难。首先，现场施工中校准和安装十分复杂；其次，为了防止地面活动对波导的影响，必须把波导深埋或选择在人车稀少的地区使用。 由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质， 对光通信的研究曾一度走入了低潮。 ,1.1.2现代光纤通信 1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高达1000 dB/km以上，高锟等人指出：这样大的损耗不是石英纤维本身固有的特性， 而是由于材料中的杂质，例如过渡金属(Fe、 Cu等)离子的吸收产生的。材料本身固有的损耗基本上由瑞利(Rayleigh)散射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤。,如果把材料中金属离子含量的比重降低到10-6以下，就可以使光纤损耗减小到10 dB/km。再通过改进制造工艺的热处理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几dB/km。这个思想和预测受到世界各国极大的重视。 1970 年，光纤研制取得了重大突破。在当年，美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。它的意义在于：使光纤通信可以和同轴电缆通信竞争，从而展现了光纤通信美好的前景，促进了世界各国相继投入大量人力物力， 把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。1973 年，美国贝尔(Bell)实验室取得了更大成绩，光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。1976 年，日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。,在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗：1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限。 1970 年，作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。 当年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后突破了半导体激光器在低温(-200 )或脉冲激励条件下工作的限制，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。 虽然寿命只有几个小时，但其意义是重大的，它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。 1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时(约11.4年)，外推寿命达到100万小时，完全满足实用化的要求。,在这个期间，1976年日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器，1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55 m的连续振荡半导体激光器。 由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。 1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验，系统采用GaAlAs激光器作光源，多模光纤作传输介质，速率为44.7 Mb/s，传输距离约10 km。1980 年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用， 系统采用渐变型多模光纤，速率为44.7 Mb/s。,随后美国很快敷设了东西干线和南北干线，穿越22个州 光缆总长达5104 km。1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 Mb/s，传输距离为64 km的突变型多模光纤通信系统， 以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线，全长3400 km，初期传输速率为400 Mb/s，后来扩容到1.6 Gb/s。随后，由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成，全长6400 km；第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于1989年建成， 全长13 200 km。 从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。,自从 1966 年高锟提出光纤作为传输介质的概念以来，光纤通信从研究到应用，发展非常迅速：技术上不断更新换代， 通信能力(传输速率和中继距离)不断提高，应用范围不断扩大。 光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段： 第一阶段(19661976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。在这个时期，实现了短波长(0.85 m)低速率(45或34 Mb/s)多模光纤通信系统，无中继传输距离约10 km。 第二阶段(19761986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。在这个时期， 光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长(0.85 m) 发展到长波长(1.31 m和1.55 m)， 实现了工作波长为1.31 m、传输速率为140565Mb/s 的单模光纤通信系统，无中继传输距离为10050 km。,第三阶段(19861996年)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。在这个时期，实现了1.55 m色散移位单模光纤通信系统。采用外调制技术，传输速率可达2.510 Gb/s，无中继传输距离可达150100 km。实验室可以达到更高水平。 目前，正在开展研究的光纤通信新技术，例如，超大容量的波分复用(Wavelength Division Multiplexing, WDM)光纤通信系统和超长距离的光孤子(Soliton)通信系统，将在第 7章作介绍。 ,1.1.3国内外光纤通信发展的现状 1976年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85 m发展到1.31 m和1.55 m，传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。 另一方面，随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大：从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接入网，从数字电话到有线电视(CATV)， 从单一类型信息的传输到多种业务的传输。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。 ,在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。根据资料，仅光缆产品一项(约占整个光纤通信产品的一半)，1995年在世界市场销售额达38亿美元，预测2000年可达85亿美元，2005年可达155亿美元，10年中复合年增长率(CAGR)为15%。世界成缆光纤市场销售量，1994年为1810104 km，预测2001年为6570104 km，7年中CAGR为20%，每年数据见表1.1。市场销售额和市场销售量的年增长率不同，主要是由于光纤价格呈下降趋势，见表1.2。在1995年光缆市场销售额的38亿美元中，单模占28亿美元，为74%。同年成缆光纤销售量的2300104 km中，单模为2130104 km， 占93%。 两者的比例不同， 是由于单模光纤比多模光纤便宜的结果。 ,表 1.1 世界成缆光纤市场销售量,表 1.2 世界市场单模光纤平均价格,实际销售量比预测的数字还要大，到1998年底，仅单模光纤的销售量就达到4110104 km，见表1.3。随着光纤产量的增加，价格逐年下降，促进了光纤在各个领域的应用和新技术的研究，推动着光纤产业不断向前发展。 ,表 1.3 世界成缆单模光纤市场销售量,1.2 光纤通信的优点和应用,1.2.1光通信与电通信 任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。通信技术发展的历史，实际上是一个不断提高载波频率和增加传输容量的历史。20世纪60年代，微波通信技术已经成熟，因此开拓频率更高的光波应用，就成为通信技术发展的必然。 电缆通信和微波通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。 光纤通信用的近红外光(波长约1m)的频率(约300 THz)比微波(波长为0.1m1 mm)的频率(3300 GHz)高3个数量级以上。,图 1.1 部分电磁波频谱,为便于比较，图1.1给出相关部分的电磁波频谱。光纤通信用的近红外光(波长为0.71.7m)频带宽度约为200THz， 在常用的1.31 m和1.55 m两个波长窗口频带宽度也在20