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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0.47dB/km（波长1.2μm）。

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，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。

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44.7Mb/s，传输距离约10km。

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44.7Mb/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5×

104km。

1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s，传输距离为64km的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100Mb/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3400km，初期传输速率为400Mb/s，后来扩容到1.6Gb/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6400km；

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13200km。

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（1966~1976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（0.85μm）低速率（45或34Mb/s）多模光纤通信系统，无中继传输距离约10km。

第二阶段（1976~1986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（0.85μm）发展到长波长（1.31μm和1.55μm），实现了工作波长为1.31μm、传输速率为140~565Mb/s的单模光纤通信系统，无中继传输距离为100~50km。

第三阶段（1986~1996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1.55μm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2.5~10Gb/s，无中继传输距离可达150~100km。

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（WavelengthDivisionMultiplexing,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0.85μm发展到1.31μm和1.55μm，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。

两者的比例不同，是由于单模光纤比多模光纤便宜的结果。

1.2光纤通信的优点和应用

1.2.1光通信与电通信

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1μm）的频率（约300THz）比微波（波长为0.1m~1mm）的频率（3~300GHz）高3个数量级以上。

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。

1.2.2光纤通信的优点

在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多，因此相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点

1.容许频带很宽，传输容量很大

2.损耗很小，中继距离很长且误码率很小

3.重量轻、体积小

4.抗电磁干扰性能好

5.泄漏小，保密性能好

总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，而且在经济上具有巨大的竞争能力，因此其在信息社会中将发挥越来越重要的作用。

1.2.3光纤通信的应用

光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。

光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。

光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。

光纤通信的各种应用可概括如：

①通信网，包括全球通信网（如横跨大西洋和太平洋的海底光缆和跨越欧亚大陆的洲际光缆干线）、各国的公共电信网（如我国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线）、各种专用通信网（如电力、铁道、国防等部门通信、指挥、调度、监控的光缆系统）、特殊通信手段（如石油、化工、煤矿等部门易燃易爆环境下使用的光缆，以及飞机、军舰、潜艇、导弹和宇宙飞船内部的光缆系统）。

②构成因特网的计算机局域网和广域网，如光纤以太网、路由器之间的光纤高速传输链路。

③有线电视网的干线和分配网；

工业电视系统，如工厂、银行、商场、交通和公安部门的监控；

自动控制系统的数据传输。

④综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源接入网，可实现电话、数据、视频（会议电视、可视电话等）及多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样的社区服务。

1.3光纤通信系统的基本组成

光纤通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。

用户要传输的信息多种多样，一般有话音、图像、数据或多媒体信息。

光纤通信系统的基本组成（单向传输

1.3.1发射和接收

信息源把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。

电发射机把基带信号转换为适合信道传输的信号，这个转换如果需要调制，则其输出信号称为已调信号。

对于数字电话传输，电话机把话音转换为频率范围为0.3~3.4kHz的模拟基带信号，电发射机把这种模拟信号转换为数字信号，并把多路数字信号组合在一起。

模/数转换目前普遍采用脉冲编码调制（PCM）方式，这种方式是通过对模拟信号进行抽样、量化和编码而实现的。

一路话音转换成传输速率为64kb/s的数字信号，然后用数字复接器把24路或30路PCM信号组合成1.544Mb/s或2.048Mb/s的一次群甚至高次群的数字系列，后输入光发射机。

对于模拟电视传输，则用摄像机把图像转换为6MHz的模拟基带信号，直接输入光发射机

为提高传输质量，通常把这种模拟基带信号转换为频率调制（FM）、脉冲频率调制（PFM）或脉冲宽度调制（PWM）信号，最后把这种已调信号输入光发射机。

还可以采用频分复用（FDM）技术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号（或数字基带信号）分别调制指定的不同频率的射频（RF）电波，然后把多个这种带有信息的RF信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机，由光载波进行传输。

在这个过程中，受调制的RF电波称为副载波，这种采用频分复用的多路电视传输技术，称为副载波复用（SCM）。

不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号。

光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。

电接收机的功能和电发射机的功能相反，它把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。

在整个通信系统中，在光发射机之前和光接收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备与电缆通信相同，不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输。

1.3.2基本光纤传输系统

基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元，若配置适当的接口设备，则可以插入现有的数字通信系统或模拟通信系统，或者有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间光发射机、光纤线路和光接收机，若配置适当的光器件，可以组成传输能力更强、功能更完善的光纤通信系统。

例如，在光纤线路中插入光纤放大器组成光中继长途系统，配置波分复用器和解复用器，组成大容量波分复用系统，使用耦合器或光开关组成无源光网络，

基本光纤传输系统的三个组成部分：

1.光发射机：

光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路

2.光纤线路：

光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变（失真）和衰减传输到光接收机

3.光接收机：

光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。

1.3.3数字通信系统和模拟通信系统

数字光纤通信系统比模拟光纤通信系统具有更多的优点，也更能适应社会对通信能力和通信质量越来越高的要求。

数字通信系统用参数取值离散的信号（如脉冲的有和无、电平的高和低等）代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；

而模拟通信系统则用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。

这种基本特征决定着两种通信方式的优缺点和不同时期的发展趋势。

20世纪70年代光纤通信的应用和80年代计算机的普及，为数字通信的发展创造了极其有利的条件。

目前虽有数字通信几乎完全代替模拟通信的趋势，但是模拟通信仍然有着重要的应用。

数字通信系统的优点如下：

①抗干扰能力强，传输质量好。

②可以用再生中继，传输距离长。

③适用各种业务的传输，灵活性大。

④容易实现高强度的保密通信

⑤数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本

因而对于电话的传输，数字光纤通信系统是最佳的选择。

第2章光纤和光缆

2.1光纤结构和类型

光纤（OpticalFiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。

纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输

光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英（SiO2）制成的光纤

2.2光纤传输原理

要详细描述光纤传输原理，需要求解由麦克斯韦方程组导出的波动方程。

但在极限（波数k=2π/λ非常大，波长λ→0）条件下，可以用几何光学的射线方程作近似分析。

几何光学的方法比较直观，容易理解，但并不十分严格。

不管是射线方程还是波动方程，数学推演都比较复杂，我们只选取其中主要部分和有用的结果。

2.2.1光纤传输的波动理论

虽然几何光学的方法对光线在光纤中的传播可以提供直观的图像，但对光纤的传输特性只能提供近似的结果。

光波是电磁波，只有通过求解由麦克斯韦方程组导出的波动方程分析电磁场的分布（传输模式）的性质，才能更准确地获得光纤的传输特性

2.3光纤传输特性

光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变（失真），因而输出信号和输入信号不同。

对于脉冲信号，不仅幅度要减小，而且波形要展宽。

产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。

损耗和色散是光纤最重要的传输特性。

损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输容量。

本节讨论光纤的色散和损耗的机理和特性，为光纤通信系统的设计提供依据

2.3.1光纤色散

色散（Dispersion）是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。

色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散

2.3.2光纤标准和应用

制订光纤标准的国际组织主要有ITU-T（国际电信联盟电信标准化机构），即原CCITT（国际电报电话咨询委员会）和IEC（国际电工委员会）。

表2.3列出ITU-T已公布的光纤特性的标准。

G.651多模渐变型（GIF）光纤，这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统。

G.652常规单模光纤，是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31μm色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。

目前世界上已敷设的光纤线路90%采用这种光纤。

2.4光缆

2.4.1光缆基本要求

保护光纤固有机械强度的方法，通常是采用塑料被覆和应力筛选。

光纤从高温拉制出来后，要立即用软塑料（例如紫外固化的丙烯酸树脂）进行一次被覆和应力筛选，除去断裂光纤，并对成品光纤用硬塑料（例如高强度聚酰胺塑料）进行二次被覆。

2.4.2光缆结构和类型

光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。

第3章通信用光器

通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。

有源器件包括光源、光检测器和光放大器，这些器件是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着基本光纤传输系统的水平。

光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等，这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。

3.1光源

光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。

目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器（LD）和发光二极管或称发光管（LED），有些场合也使用固体激光器，例如掺钕钇铝石榴石（Nd:

YAG）激光器

3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构

半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。

激光，其英文LASER就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation（受激辐射的光放大）的缩写

1.受激辐射和粒子数反转分布

有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。

在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei（i=2,3,4…）称为激发态。

电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式（见图3.1）：

图3.1能级和电子跃迁

（a）受激吸收；

（b）自发辐射；

（c）受激辐射

（1）在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。

电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图3.1（a）。

（2）在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图3.1（b）。

（3）在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射，见图3.1（c）。

2.PN结的能带和电子分布

半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体。

在这种晶体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带，如图3.2。

能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。

电子不可能占据禁带。

图3.2半导体的能带和电子分布

（a）本征半导体；

（b）N型半导体；

（c）P型半导体

图3.2示出不同半导体的能带和电子分布图。

根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布

式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。

当T→0时，P（E）→0，这时导带上几乎没有电子，价带上填满电子。

Ef称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。

在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。

图3.3PN结的能带和电子分布

（a）P-N结内载流子运动；

（b）零偏压时P-N结的能带图；

（c）正向偏压下P-N结能带图

一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef位于禁带中央来表示，见图3.2（a）。

在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体。

在N型半导体中，Ef增大，导带的电子增多，价带的空穴相对减少，见图3.2（b）。

在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体。

在P型半导体中，Ef减小，导带的电子减少，价带的空穴相对增多，见图3.3（c）。

在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子（电子或空穴）的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场，见图3.3（a）。

内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图3.3（b）。

这时在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。

电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。

增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图3.3（c）。

在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。

3.激光振荡和光学谐振腔

粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。

只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。

4.半导体激光器基本结构

半导体激光器的结构多种多样，基本结构是双异质结（DH）平面条形结构。

这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。

图中标出所用材料和近似尺寸。

结构中间有一层厚0.1~0.3μm的窄带隙P型半导体，称为有源层；

两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。

三层半导体置于基片（衬底）上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里-珀罗（FP）谐振腔。

3.1.2半导体激光器的主要特性

1.发射波长和光谱特性

半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg（eV），由式E2-E1=hf12得到

hf=Eg

式中，f=c/λ，f（Hz）和λ（μm）分别为发射光的频率和波长，c=3×

108m/s为光速，h=6.628×

10-34J·

S为普朗克常数，1eV=1.6×

10-19J，代入上式得到

不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长λ。

镓铝砷-镓砷（GaAlAsGaAs）材料适用于0.85μm波段，铟镓砷磷-铟磷（InGaAsPInP）材料适用于1.3~1.55μm波段。

2.激光束的空间分布

激光束的空间分布用近场和远场来描述。

近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。

3.转换效率和输出光功率特性

激光器的电/光转换效率用外微分量子效率ηd表示，其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数

由此得到

式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth和Ith分别为相应的阈值，hf和e分别为光子能量和电子电荷。

4.频率特性

在直接光强调制下，激光器输出光功率P和调制频率f的关系为

P（f）=

5.温度特性

激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：

一是激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大，二是外微分量子效率ηd随温度升高而减小。

温度升高时，Ith增大，ηd减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。

当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为

Ith=I0exp

式中，I0为常数，T为结区的热力学温度，T0为激光器材料的特征温度。

GaAlAsGaAs激光器T0=100~150K、InGaAsPInP激光器T0=40~70K，所以长波长InGaAsPInP激光器输出光功率对温度的变化更加敏感。

3.1.3分布反馈激光器

随着技术的进步，高速率光纤通信系统的发展和新型光纤通信系统例如波分复用系统的出现，都对激光器提出更高的要求。

和由FP谐振腔构成的DH激光器相比，要求新型半导体激光器的谱线宽度更窄，并在高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性；

发射光波长更加稳定，并能实现调谐；

阈值电流更低，而输出光功率更大。

具有这些特性的动态单纵模激光器有多种类型，其中性能优良并得到广泛应用的是分布反馈（DistributedFeed