1、第第9 9章章 光纖通信技術光纖通信技術 光纖通信技術是光纖應用技術的一個重要應用方向，它是以光纖技術、激光技術和光電集成技術為基礎而發展起來的。光纖通信是以光纖作為傳輸媒介、光波為載頻的一種先進的通信手段。即利用近紅外區域波長1000nm左右的光波作為信息的載波信號，把電話、電視、數據等電信號調制到光載波上，再通過光纖傳輸信息的一種通信方式。光纖通信具有許多獨特的優點，所以光纖一經問世，就以科技史上罕見的速度迅速發展而成為有效的通信手段。本章主要介紹了光纖通信的特點、分類和光纖通信系統的基本組成，以及光纖通信網絡和光通信的新技術。9.1 9.1 概述概述9.1.1 9.1.1 光纖通信的發展

2、史光纖通信的發展史 由于光波具有極高的頻率和極寬的帶寬，從而可容納巨大的通信信息，所以用光波作為載體來進行通信一直是人們幾百年來追求的目標。 利用光來傳遞信息的歷史可追溯到幾千年前，但長期以來，光通信發展一直很緩慢，直至1960年，梅曼發明了激光器，光通信才進入了實質性發展階段。但終因當時光通信傳輸介質不是衰耗過大，就是造價昂貴而無法實用化。 1966年7月，英籍華裔學者高錕博士（K.C.Kao）發表了一篇十分著名的文章，從理論上分析并證明了用光纖作為傳輸媒體實現光通信的可能性，并科學地預言了制造通信用超低損耗光纖的可行性，即加強原材料提純，設法降低玻璃纖維中的雜質，加入適當的摻雜劑，可以使光

3、纖的損耗系數降低到20dB/km以下，從而奠定了光纖通信的理論基礎。 1970年，美國康寧玻璃公司根據高錕文章的設想，用改進型化學汽相沉積法（MCVD法）研制出當時世界上第一根損耗為20dB/km的超低損耗石英光纖，證明了用當時的科學技術與工藝方法制造超低損耗光纖作為通信的傳輸介質是大有希望的，即找到了實現低損耗傳輸光波的理想傳輸媒介，成為光纖通信發展的里程碑。同年美國貝爾實驗室研制出世界上第一只在室溫下連續波工作的砷化鎵鋁（GaAlAs）異質結半導體激光器，為光纖通信找到了合適的光源器件。從此，便開始了光纖通信迅速發展的時代。 自1970年以后，世界各國對光纖通信的研究傾注了大量的人力與物力

4、，其規模之大、速度之快遠遠超出了人們的意料，使光纖通信技術取得了極其驚人的進展，為國家信息基礎設施提供了寬敞的信息傳輸通路。 縱觀光纖通信的發展過程，可以看到以下幾點發展趨勢：光載波波長由短波長（0.85m）向長波長（1.31m和1.55m）發展；所采用的光纖由多模光纖向單模光纖發展；通信系統速率由低速率向高速率發展；數字傳輸系列由準同步數字系列（PDH）向同步數字系列（SDH）發展；光纖通信應用領域遍及市話、長途和接入網；光纖通信新技術、新型器件層出不窮。 此外，在光孤子通信、超長波長通信和相干光通信方面也取得了巨大進展。 總之，光纖通信技術用帶寬極寬的光波作為傳送信息的載體以實現通信取得了

5、極其驚人的進展。然而，就目前光纖通信而言，其實際應用僅是其潛在能力的2%左右，尚有巨大的潛力等待開發利用。因此，光纖通信技術并未停滯不前，而是在向更高水平、更高階段發展。9.1.29.1.2光纖通信的特點光纖通信的特點 光纖通信之所以受到人們的極大重視，得到如此迅速的發展，與光纖通信的優越性是分不開的。光纖通信的主要優點有： 傳輸頻帶寬，通信容量大，可比微波通信容量提高10萬倍。通信系統的通信容量與系統的帶寬成正比，帶寬通常用載頻的百分比表示。如果載波的頻率越高，則傳輸頻帶越寬，即通信容量就越大。光纖通信用頻率很高的光波作為載波，具有很寬的傳輸頻帶。理論上講，一根光纖的帶寬能力，可容納1010

6、路電話，或107路電視，傳輸數字信號的碼速容量為40Tb/s。光纖通信巨大的信息傳輸能力，使其成為信息傳輸的主體。 光纖損耗低，中繼距離長，適應于遠距離傳輸。由于光纖具有極低的衰耗系數，目前常用的石英光纖在1.31m和1.55m波長的傳輸損耗分別為0.50dB/km和0.20dB/km以下。配以適當的光發送與光接收設備，可使其中繼距離達數百公里以上。因此，光纖通信特別適用于長途一、二級干線通信。中繼距離的增加，大大減少了光纖通信系統的中繼器使用量，從而使光纖通信系統的總成本降低。 抗電磁干擾能力強，壽命長，環境適應性能好。光纖是一種非金屬的介質波導，大多由石英玻璃制成，傳輸的是光信號，在有強烈

7、電磁干擾的地區和場合中使用，光纖也不會產生感應電壓、電流，光纖通信抗電磁干擾能力很強。另外，光纖對惡劣環境有較強的抵抗能力，它比金屬電纜更能適應溫度變化，而且腐蝕性液體或氣體對其影響較小。從而提高了光纖通信系統的使用壽命，一般認為光纜的壽命為2030年。 光纜的尺寸小，質量輕，可繞性強，便于施工維護。光纖芯徑一般只有幾微米到幾十微米，相同容量話路光纜，要比電纜輕90%95%。光纜比電纜占用空間小，故光纜的敷設方式方便靈活，既可以直埋、管道敷設，又可以水底和架空。另外，運輸也比電纜方便。 無漏信號和串音，安全可靠，保密性強。光波在光纖中傳輸時主要被約束在纖芯區域，基本上沒有光泄露，很難對光纜進行

8、竊聽，因此，它比常用的銅纜保密性強。這也是光纖通信系統對軍事應用具有吸引力的又一方面。 工作頻帶內損耗基本相等，均衡容易。光纖對每一頻率成分的損耗幾乎是相等的，一般不需在中繼站和接收端采取幅度均衡措施。若需要均衡，一般也容易達到要求。 光纖資源豐富，節約有色金屬和能源。制造光纖纖芯和包層的主要原料是二氧化硅，它是地球上蘊藏量最豐富的物質，取之不盡，用之不竭，且價格便宜。而電纜主要材料是銅、鋁等有色金屬，與光纖相比之下稀少，采用光纖后可節省大量的銅材。9.1.39.1.3光纖通信系統簡介光纖通信系統簡介 一般通信系統由發送機、接收機和信道構成。在發送機端產生信息并將其轉換成適合在信道傳送的形式。

9、信息通過信道由發送機傳送到接收機。目前，全光通信技術尚未成熟，典型的點到點光纖通信系統方框圖如圖9.1所示，主要由光發送機、光接收機以及光纖信道等幾部分組成，若干個點到點光纖通信系統組合構成光纖通信網。圖圖9.1 9.1 光纖通信系統方框圖光纖通信系統方框圖 光纖通信系統中所傳輸的信息包括語音、圖像、數據等所有信號源，經光發送端機對信號進行處理將信號轉變成適合于在光纖上傳輸的光信號，經光纖傳輸，在長途光纖通信系統中，每隔一段距離需設置中繼器或光放大器，把經過長距離傳輸衰變的微弱和畸變的光信號進行放大整形再生后繼續傳輸。而光接收端機則接收光信號，將光信號轉變成電信號，并從中提取信息.最后得到對應

10、的語音、圖像、數據等信息。 光纖通信系統中要傳輸的信號可分成數字和模擬兩類信號，它們均可以作為光纖通信系統傳輸的信源。要使光波成為攜帶信息的載體，必須在發射端用傳輸信息對光波進行調制，在接收端再把信息從光波中檢測出來。然而，由于目前技術水平所限，對光波進行頻率調制與相位調制等仍局限在實驗室內，尚未達到實用化水平，因此目前實用的光纖通信系統大都采用強度調制與直接檢測方式(IM-DD)。又因為目前的光源器件與光接收器件的非線性比較嚴重，所以對光器件的線性度要求比較低的數字光纖通信在光纖通信中占據主要位置。1.光發送機 光發射機是實現電光轉換的光纖通信終端設備，主要由調制器、載波源和信號耦合器組成。

11、調制器有兩個功能，首先將電信號轉換成適合傳輸的形態，其次將這種信號加載到由載波源產生的載波上。所采用的調制格式有模擬和數字兩種不同類型。模擬信號為連續信號，與信源信息的形態類似，模擬調制不需要改變信號形式，但需要適當地放大這個信號，以便有足夠的幅度驅動載波源。數字調制所發送離散形式的信息，為了將數字信號加載到載波上，調制器只要在適當的時刻將載波源打開或關閉即可。光纖通信系統中常采用半導體激光器（LD）或發光二極管（LED）作為載波源產生光載波。這兩種器件都是通過控制注入電流來工作的，其輸出光功率與注入電流有確定的比例關系，可以使輸出光功率與來信調制器的輸入電流的形狀相關，將發送的信息包含在光功

12、率的變化之中。信道耦合器將已調制的光載波耦合到光纖線路中進行傳輸。2.信道(傳輸線路) 信道是指光發送機和光接收機之間的傳輸路徑，主要由光纖或光纜、中繼器或光放大器、光纖連接器、耦合器等構成。其功能是將光發射端機發出的已調制光信號傳輸給光接收端機，完成信息傳輸任務。 在長途光纖通信線路中，由于光纖的損耗和色散等會造成信號的幅度衰減和波形失真，這些衰減和失真隨著信號傳輸距離的延長而增加，因此，每隔一定距離（一般為5070km）就要設置一個中繼器或光放大器。光放大器可以放大弱小光信號的功率，為接收機提供足夠的功率。中斷器（又稱再生器）將微弱的并已失真的光信號轉換成電信號，然后還原成原來的數字脈沖串

13、，以便進一步傳輸。中繼器只能用在數字系統中，而光放大器則對模擬和數字信號都適用。 在光纖線路中光纖與光纖、光纖與光端機、光纖與中繼器、光纖與光放大器的連接耦合以及各路信號的分/合等，都使用光纖連接器、耦合器等無源器件來實現。3.光接收機 光接收端機主要由光電檢測器、放大器和信號處理器等組成。其功能是將光纖或光纜傳輸來的光信號經光電檢測器轉換為電信號，然后，將這微弱的電信號經放大電路放大到足夠的電平后，再傳送給接收端的信號處理器。信號處理器的任務是將調制的電信號再還原成語音、圖像、數據等信號，送給用戶。4.備用系統與輔助系統 為了確保系統的暢通，通常應設置備用系統，當主系統出現故障時，對人工或自

14、動切換到備用系統上工作，這樣就可以保障通信的暢通和正確無誤。 輔助系統包括：監控管理系統、公務通信系統、自動倒換系統、告警處理系統、電源供給系統等。9.1.4 9.1.4 光纖通信關鍵技術光纖通信關鍵技術 目前，光纖通信已經廣泛應用到長途骨干網、城域網和接人網中，在現代電信網中，光纖通信作為現代通信的重要手段之一起著關鍵的作用。就光纖通信技術本身而言，主要包括：光纖光纜技術、傳輸技術、光有源器件、光無源器件以及光網絡技術等。1 1、光纖光纜技術、光纖光纜技術 光纖技術的進步主要包括兩個方面:一是通信系統所用的光纖；二是特種光纖。早期光纖的傳輸窗口只有三個，即850nm（第一窗口）、1310nm

15、（第二窗口）和1550nm（第三窗口）。近幾年相繼開發出第四窗口（L波段）、第五窗口（無水峰的全波光纖）以及S波段窗口。這些傳輸窗口開發成功的巨大意義就在于從12801625nm的廣闊的光頻范圍內，都能實現低損耗、低色散傳輸，使通信系統傳輸容量幾百倍、幾千倍甚至上萬倍的增長。 另一方面是特種光纖的開發及其產業化，這是一個相當活躍的領域。特種光纖主要有包括以下幾種。（1）有源光纖 有源光纖主要是指摻有稀土離子的光纖。摻雜不同稀土離子的有源光纖應用于不同的工作波段器件的制作，這些摻雜光纖放大器與拉曼（Raman）光纖放大器一起給光纖通信技術帶來了革命性的變化。摻雜光纖放大器的顯著作用是可以直接放大

16、光信號、延長傳輸距離。（2）色散補償光纖（DCF） 色散補償光纖是利用基模波導色散來獲得高的負色散值，在1550nm處，色散值通常在-50200ps/（nmkm）。將這種色散值為負的色散補償光纖串接入系統中以抵消常規G.652光纖在1550nm波長處和正色散值，從而控制整個系統的色散大小，從而減小誤碼。為了能在整個波段均勻補償常規單模光纖的色散，最近又開發出一種既補償色散又能補償色散斜率的“雙補償”光纖（DECF）。該光纖的特點是色散斜率之比（RDE）與常規光纖相同，但符號相反，所以更適合在整個波形內的均衡補償。（3）多芯單模光纖（MCF） 多芯單模光纖是一個共用外包層、內含有多根纖芯、而每根

17、纖芯又有自己的內包層的單模光纖。這種光纖的明顯優勢是成本較低，生產成本較普通的光纖約低50%。此外，這種光纖可以提高成纜的集成密度，從而也可降低施工成本。 除了以上幾種光纖外，近年來還出現了如雙包層光纖、光子晶體光纖等特種光纖，這些光纖的出現都為推進光纖技術的發展起到了關鍵作用。光纜方面的成就主要表現在帶狀光纜的開發成功及批量化生產。帶狀光纜是光纖接入網及局域網中必備的一種光纜，目前光纜的含纖數量達千根，有力地保證了接入網的建設。2.2.光有源器件技術光有源器件技術 光纖通信系統中光有源器件的研究與開發一直是最為活躍的領域。激光二極管（LD）直接強度調制已經達到2.5Gb/s的速率，但為了提高

18、頻率穩定性和在密集波分復用等系統中的一些特殊應用，外調制技術也在不斷應用和發展。光電二極管（PIN）和雪崩光電二極管（APD）性能也在不斷發展和提高，一般結構的PIN和APD產品，其相應帶寬可達20GHz以上，隨著各項技術的發展，結構改進后的PIN和APD增益帶寬可以超過100GHz。 除此之外，目前在光電集成器件（OEIC）技術、垂直波面發射激光器（VCSEL）技術、窄帶響應可調諧集成光子探測器技術以及基于硅基的異質材料的多量子阱器件與集成（SiGe/SiMQW）等方面也取得了重大成就。3.3.光無源器件技術光無源器件技術 光無源器件種類繁多、功能各異，在光通信系統及光網絡雖發揮著關鍵作用，

19、如連接光波導或光路，控制光的傳播方向，控制光功率的分配，控制光波導之間、器件之間和光波導與器件之間的光耦合、合波與分波、光信道的上/下載與交叉連接等。常用的有光纖活動連接器、光分/合路器、光衰減器和光隔離器等。隨著光纖通信技術的發展，相繼又出現了許多光無源器件，如環行器、色散補償器、增益均衡器、光的上/下復用器、光交叉連接器、陣列波導光柵等。按光纖通信技術發展的一般規律來看，當光纖接入網大規模興建時，將大大推進光無源器件技術的發展，這主要是由于接入網的特點所決定的。4.4.光復用技術光復用技術 光復用技術種類很多，包括時分復用（TDM）技術、波分復用（WDM）技術、頻分復用（FDM）技術、空分

20、復用（SDM）技術和碼分復用（CDM）技術。其中最為重要的是波分復用（WDM）技術和光時分復用（OTDM）技術。 光復用技術是當今光纖通信技中最為活躍的一個領域，它的技術進步極大地推動了光纖通信事業的發展，給傳輸技術帶來了革命性的變革。波分復用技術當前的商業水平是273個或更多的波長，研究水平是1022個波長（能傳輸368億路電話），近期的潛在水平為幾千個波長，理論極限約為15000個波長（包括光的偏振模色散復用，OPDM）。OTDM是指在一個光頻率上，在不同的時刻傳送不同的信道信息。這種復用的速率已達到320Gb/s的水平。若將DWDM與OTDM相結合，則會使復用的容量增加得更大。5.5.光

21、放大技術光放大技術 光放大器的開發成功及其產業化是光纖通信技術中的一個非常重要的成果，它大大地促進了光復用技術、光孤子通信以及全光網絡的發展。光放大器主要有三種：光纖放大器、拉曼光放大器以及半導體光放大器。光纖放大器就是在光纖中摻雜稀土離子作為激光活性物質。每一種摻雜劑的增益帶寬是不同的。摻鉺光纖放大器的增益帶較寬，覆蓋S、C、L頻帶；摻銩光纖放大器的增益帶是S波段；摻鐠光纖放大器的增益帶在1310nm附近。而拉曼光放大器則是利用拉曼散射效應制作成的光放大器，拉曼放大是一個分布式的放大過程，即沿整個線路逐漸放大的，其工作帶寬幾乎不受限制。半導體光放大器（SOA）一般是指行波光放大器，工作原理與

22、半導體激光器相似，其工作帶寬是很寬的，但增益幅度稍小一些，制造難度較大。這種光放大器雖已實用，但產量很小。 除此之外，光纖通信技術還有很多其他技術，如光接入技術、孤子復用技術以及光通信路由技術等，這些技術的不斷發展和新技術的不斷涌現，都極大地提高了光纖通信系統的通信能力，并擴大了光纖通信系統的應用范圍。9.1.5 9.1.5 光纖通信的類型與應用光纖通信的類型與應用 光纖通信系統可以根據系統所使用的傳輸信號形式、傳輸光的波長和光纖類型以及光接收和發送方式不同進行的分類1.1.按傳輸信號分類按傳輸信號分類 數字光纖通信系統。這是目前光纖通信主要的通信方式。數字光纖通信輸入采用脈沖編碼（PCM）二

23、進制信號，信息由脈沖的“有”和“無”表示，所以噪聲不影響傳輸的質量。而且，數字光纖通信系統采用數字電路，易于集成以減少設備的體積和功耗，轉接交換方便，便于與計算機結合等，有利于降低成本。數字通信的優點是，抗干擾性強，傳輸質量好。中繼器采用判決再生技術，消除傳輸過程中的噪聲積累和信號損傷延長傳輸距離。數字通信的缺點是所占的頻帶寬。但光纖的帶寬比金屬傳輸線要寬許多，彌補了數字通信所占頻帶寬的缺點。 模擬光纖通信系統。若輸入電信號不采用脈沖編碼信號的通信系統即為模擬光纖通信系統。模擬光纖通信最主要的優點是占用帶寬較窄，電路簡單，不需要數字系統中的模/數和數/模轉換，所以價格便宜。目前，電視傳輸廣泛采用的模擬通信系統采用調頻（FM）或調幅（AM）技術，傳輸幾十至上百路電視。避免了數字電視傳輸中復雜的編碼和解碼技術，以及設備價格昂貴等問題。這種系統的缺點是光電變換時噪聲較大。在長距離傳輸時，采用中繼器將使噪聲積累，故只能