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光纤通信技术
1概述
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30dB/km的衰减，浓雾衰减高达120dB/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（OpticalFiber）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1000dB/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10dB/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20dB/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4dB/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0.47dB/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。
在这个期间，1976年日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3μm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1.55μm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44.7Mb/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。
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。
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1810×104km，预测2001年为6570×104km，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2300×104km中，单模为2130×104km，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
年份
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
光纤销售总长度/104km
1810
2300
2900
3470
4070
4730
5580
6570
表1.2世界市场单模光纤平均价格
年份
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
价格/（$·km-l）
68
67
72
69
60
52
46
44
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4110×104km，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
表1.3世界成缆单模光纤市场销售量
年份
1998
1999
2000
2001
2002
2003
光纤销售总长度/104km
4110
4600
5350
6230
7200
8110
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。
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0.7～1.7μm）频带宽度约为200THz，在常用的1.31μm和1.55μm两个波长窗口频带宽度也在20THz以上。
由于光源和光纤特性的限制，目前，光强度调制的带宽一般只有20GHz，因此还有3个数量级以上的带宽潜力可以挖掘。
微波波段有线传输线路是由金属导体制成的同轴电缆和波导管。
同轴电缆的损耗随信号频率的平方根而增大，要减小损耗，必须增大结构尺寸，但要保持单一模式的传输，又不允许增大结构尺寸。
波导管具有比同轴电缆更低的损耗，但随着工作频率的提高，要减小波导结构的尺寸以保持单一模式的传输，损耗仍然要增大。
光纤是由绝缘的石英（SiO2）材料制成的，通过提高材料纯度和改进制造工艺，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。
图1.2给出各种传输线路的损耗特性。
图1.2各种传输路线的损耗特性
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
光纤通信系统的容许频带（带宽）取决于光源的调制特性、调制方式和光纤的色散特性。
石英单模光纤在1.31μm波长具有零色散特性，通过光纤的设计，还可以把零色散波长移到1.55μm。
在零色散波长窗口，单模光纤都具有几十GHz·km的带宽。
另一方面，可以采用多种复用技术来增加传输容量。
最简单的是空分复用，因为光纤很细，直径只有125μm,一根光缆可以容纳几百根光纤，12×12=144根光纤的带状光缆早已实现。
这种方法使线路传输容量数十成百倍地增加。
就单根光纤而言，采用波分复用（WDM）或光频分复用（OFDM）是增加光纤通信系统传输容量最有效的方法。
另一方面，减小光源谱线宽度和采用外调制方式，也是增加传输容量的有效方法为了与同轴电缆通信和微波无线电通信比较，表1.4列出早已实现的单一波长光纤通信系统的传输容量和中继距离。
表1.4光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较
通信手段
传输容量（话路）/条
中继距离/km
1000km内中继个数
微波无线电
960
50
20
小同轴
960
4
250
中同轴
1800
6
1600
光缆
1920
30
33
光缆
14000（1Gb/s）
84
11
光缆
6000（445Mb/s）
134
7
目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5Gb/s和10Gb/s。
采用外调制技术，传输速率可以达到40Gb/s。
波分复用（WDM）和光时分复用（TDM）更是极大地增加了传输容量，见表1.5。
WDM最高水平为132个信道，传输容量为20Gb/s×132=2640Gb/s，相当于120km的距离传输了3.3×108条话路。
目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5Gb/s和10Gb/s。
采用外调制技术，传输速率可以达到40Gb/s。
波分复用（WDM）和光时分复用（TDM）更是极大地增加了传输容量，见表1.5。
WDM最高水平为132个信道，传输容量为20Gb/s×132=2640Gb/s，相当于120km的距离传输了3.3×108条话路。
2.损耗很小,中继距离很长且误码率很小
石英光纤在1.31μm和1.55μm波长，传输损耗分别为0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。
因此，用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多，见表1.4。
目前，采用外调制技术，波长为1.55μm的色散移位单模光纤通信系统，若其传输速率为2.5Gb/s，则中继距离可达150km；若其传输速率为10Gb/s，则中继距离可达100km。
采用光纤放大器、色散补偿光纤，中继距离还可增加，见表1.5。
而且，在表1.5中所列的中继距离下，传输的误码率极低（10-9甚至更小）。
传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点，使光纤通信系统不仅适合于长途干线网而且适合于接入网的使用，这也是降低每公里话路的系统造价的主要原因。
3.重量轻、体积小
光纤重量很轻，直径很小。
即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。
表1.6给出了铝/聚乙烯粘结护套（LAP）单元结构光缆和标准同轴电缆的重量和截面积的比较。
表1.5WDM和TDM光纤通信实验系统的传输能力
复用
传输容量/Gb·s-1
传输距离/km
距离/km
研制单位
备注
WDM
20×17
20×132
150
120
50
AT&T
NEC
TDM
160
20
20
200
103
106
50
140
NTT
NTT
法Telcom
单通道环测
传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点，使光纤通信系统不仅适合于长途干线网而且适合于接入网的使用，这也是降低每公里话路的系统造价的主要原因。
光纤重量很轻，直径很小。
即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。
表1.6给出了铝/聚乙烯粘结护套（LAP）单元结构光缆和标准同轴电缆的重量和截面积的比较。
通信设备的重量和体积对许多领域特别是军事、航空和宇宙飞船等方面的应用，具有特别重要的意义。
在飞机上用光纤代替电缆，不仅降低了通信设备的成本，而且降低了飞机的制造成本。
例如，在美国A-7飞机上，用光纤通信代替电缆通信，使飞机重量减轻27磅（约12.247kg），相当于飞机制造成本减少27万美元。
表1.6光缆和电缆的重量和截面积比较
项目
8芯
18芯
光缆
电缆
光缆
电缆
重量/（kg·m-1）
0.42
1
6.3
15
0.42
1
11
26
直径/mm截面积比
21
1
47
5
21
1
65
9.6
此外，利用光缆体积小的特点，在市话中继线中成功地解决了地下管道拥挤问题。
4.抗电磁干扰性能好
光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。
无金属光缆非常适合于存在强电磁场干扰的高压电力线路周围和油田、煤矿等易燃易爆环境中使用。
光纤（复合）架空地线（OpticalFiberOverheadGroundWire,OPGW）是光纤与电力输送系统的地线组合而成的通信光缆，已在电力系统的通信中发挥重要作用。
5.泄漏小，保密性能好
在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。
没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全。
6.节约金属材料，有利于资源合理使用
制造同轴电缆和波导管的铜、铝、铅等金属材料，在地球上的储存量是有限的；而制造光纤的石英（SiO2）在地球上基本上是取之不尽的材料。
制造8km管中同轴电缆，1km需要120kg铜和500kg铝；而制造8km光纤只需320g石英。
所以，推广光纤通信，有利于地球资源的合理使用。
保密性能好的这一特点，对军事、政治和经济都有重要的意义。
图1.3各种通信系统相对造价与相对容量的比较
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。
图1.3给出各种通信系统相对造价与传输容量（话路数）的关系。
由图1.3可见，随着传输容量的增加，由于采用了新的传输媒质，使得相对造价直线下降。
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下：
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。
这里仅以数字电话和模拟电视为例。
图1.4示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。
图1.4光纤通信系统的基本组成（单向传输）
1.3.1发射和接收
如图1.4所示，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。
光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
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