1、瑞典皇家科学院日宣布，将年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及两位美国科学家。高锟获奖，是因为他在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”做出了突破性成就。 Asiaweek回顾影响20世纪的5位亚洲人时，他和邓小平、黑泽明、甘地、盛天昭夫并列，各自在不同的领域塑造了整个世界的面貌。1 光纤通信概述1.1什么是光纤通信1.2光纤通信的发展史1.3光纤通信的特点1.4光纤通信系统的组成1.5光纤通信的发展趋势1.1什么是光纤通信q 利用光导纤维传输光波信号的通信方式，称为光纤通信。q 光纤通信是工作在近红外区，其波长是0.81.8m，对应的频率为167375THz。q 光纤通信技术的发展十
2、分迅速，已经起到了举足轻重的地位，发展前景十分广阔。 1.2光纤通信的发展史我国古代使用的烽火台就是大气光通信的最好例子。后来的手旗、灯光甚至交通红绿灯等均可划入光通信的范畴。近代光通信的雏形可追朔到1880年Bell发明的光电话。但通信光电话未能像其它电通信方式那样得到发展。1966年英籍华人高琨博士提出光导纤维的概念在全世界范围内掀起了发展光纤通信的高潮。 1978年工作于0.8m的第一代光波系统正式投入商业应用。上世纪80年代初，早期的采用多模光纤的第二代光波通信系统问世。1990年，工作于2.4Gb/s，1.55m的第三代光波系统已能提供通信商业业务。第四代光波系统以采用光放大器(OA
3、)增加中继距离和采用频分与波分复用(FDM与WDM)增加比特率为特征。第五代光波通信系统的研究与发展也经历了20多年历程，已取得突破性进展。它基于光纤非线性压缩抵消光纤色散展宽的新概念产生的光孤子，实现光脉冲信号保形传输。 从通信网来看第一代为纯电信网第二代通信网仅仅是用光纤代替铜线，使通信网的性能得到了某种改善，而网络的拓扑骨架基本上之前的模式，光波通信的潜力尚未完全发挥。第三代通信网为全光通信网。1990年后，随着光纤与光波电子技术的发展，新颖光纤与半导体功能光器件相继问世，掀起了发展全光通信网的潮流。这种通信网中，不仅用光波系统传输信号，交换、复用、控制与路由选择等亦全部在光域完成，由此
4、构建真正的光波通信网。 1.3光纤通信的特点传输频带宽，通信容量大。 中继距离远。 抗电磁干扰能力强，无串话。 光纤细，光缆轻。 资源丰富，节约有色金属和能源。 均衡容易。 经济效益好。 抗腐蚀、不怕潮湿。1.4光纤通信系统的组成根据调制信号的类型，光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。根据光源的调制方式，光纤通信系统可以分为直接调制光纤通信系统和间接调制光纤通信系统。 根据光纤的传导模数量，光纤通信系统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤通信系统。根据系统的工作波长，光纤通信系统可分为短波长(0.80.9m)光纤通信系统、长波长(1.01.7m)光纤通信系统和超长波长(2m以
5、上)光纤通信系统。1.5光纤通信的发展趋势国家863计划通信技术主题专家组副组长 纪越峰 ：在高速光传输方面，目前已实现了10.96Tbit/s（274波40Gbit/s）的实验系统；在超长距离传输方面，已达到了4000km无电中继的技术水平 我国已成为世界上为数不多的几个掌握了全套SDH和WDM光通信系统系列产品技术的国家之一，在世界光通信系统和光网络领域已经占据了一席之地。 从一九七年到现在虽然只有短短不到三十年的时间，但光纤通信技术却取得了极其惊人的进展。用带宽极宽的光波作为传送信息的载体以实现通信。然而就目前的光纤通信而言，其实际应用仅是其潜在能力的2左右，尚有巨大的潜力等待人们去开发
6、利用。2 光波波谱 光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300m6103m。 可见光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的连续光波组成，其中红光的波长最长，紫光的波长最短。波长再短就是X射线、射线。电磁波波谱图3 光纤3.1 光纤的结构与类型3.2 光纤的射线理论分析3.3 光纤的损耗特性3.4 光纤的色散特性3.5 单模光纤3.6 光纤的传输带宽3.7 光纤连接器特性3.1光纤的结构与类型n3.1.1 光纤的结构光纤(Optical Fiber，OF)就是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的，一般可以分为三部分：折射率较高的纤芯、折射率较
7、低的包层和外面的涂覆层光纤结构示意图光纤结构示意图 3.1.2 光纤的类型 光纤的分类方法很多，既可以按照1.光纤截面折射率分布来分类，2.光纤中传输模式数的多少3.光纤使用的材料4.传输的工作波长来分类。w1. 按光纤截面上折射率分布分类按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤(Step-Index Fiber，SIF)和渐变型光纤(Graded-Index Fiber，GIF)光纤的折射率分布光纤的折射率分布w2. 按传输模式的数量分类按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)
8、。在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。单模和多模光纤结构示意图w3. 按光纤的工作波长分类按光纤的工作波长可以将光纤分为 短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。w4. 按ITU-T建议分类按照ITU-T关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G.651光纤(渐变型多模光纤)、G.652光纤(常规单模光纤)、G.653光纤(色散位移光纤)、G.654光纤(截止波长光纤)和G.655(非零色散位移光纤)光纤。ITU-T的中文名称是国际电信联盟远程通信标准化组(ITU-T for ITU Telecommunication Standardization Sector),
9、 它是国际电信联盟管理下的专门制定远程通信相关国际标准的组织。（1）G.652光纤。G.652光纤特点是零色散波长在1.31m，故其被称为常规单模光纤或非色散位移单模光纤。G.652光纤在1.31m处衰减系数为0.35dB/km左右，在1.55m处衰减系数为人0.20dB/km左右，但1.55m处的色散系数大约为1720ps/km.nm，从而限制了其在工作波长为1550nm系统中的传输速率和传输距离。（2）G.653光纤。G.653光纤特点是零色散波长由G.652光纤的1.31m位移到1.55m制得的光纤，故其称为色散位移光纤。G.653光纤同时实现了1.55m窗口的低衰减系数和小色散系数。但
10、是当其用于带有掺铒光纤放大器的波分复用系统中时，由于光纤芯中的光功率密度过大产生了非线性效应，限制了G.653光纤在单信道速率10Gbit/s以上波分复用或密集波分复用系统中的应用（3）G.655光纤。G.655光纤特点是在1.5301.565m波长区为非零色散，故其称为非零色散位移光纤。G.655光纤解决G.653光纤在单信道速率10Gbit/s以上波分复用中出现的非线性效应，特别是四波混频，所以其在10Gbit/s以上波分复用或密集波分复用的高速率、大容量、远距离光纤传输系统中得到极为广泛地应用。G.657光纤标准将成为光纤标准将成为FTTx建设的主流建设的主流G.652标准光纤的弯曲半径
11、为25mm，受弯曲半径的限制，光纤不能随意地进行小角度拐弯安装2006年12月，ITU-T第十五工作组通过了一个新的光纤标准，即G.657，称为“用于接入网的低弯曲损耗敏感单模光纤和光缆特性”。根据G.657标准，光纤的弯曲半径可达510mm，因此符合G.657标准的光纤可以像铜缆一样，沿着建筑物内很小的拐角安装，非专业的技术人员也可以掌握施工的方法，降低了FTTx网络布线的成本。除此以外，实际施工中光纤的弯曲半径一般会小于该类光纤的最小弯曲半径，当光纤发生一定程度的老化时，信号仍然可以正常传送。因此，G.657标准有助于提高光纤的抗老化能力，降低FTTx的维护成本。3.2 光纤的射线理论分析
12、n3.2.1基本光学定义和定律光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为v=c/n式中：c2.997105km/s，是光在真空中的传播速度；n是介质的折射率(空气的折射率为1.00027，近似为1；玻璃的折射率为1.45左右)。反射定律：反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，并且反射角等于入射角，即：11。折射定律 ：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：n1sin1=n2sin23.2.2光纤中的模式传输w1. 传导模的概念模式是波动理论的概念。在波动理论中，一种电磁场的分布称之为一个模式。在射线理论中，通常
13、认为一个传播方向的光线对应一种模式，有时也称之为射线模式。2. 相位一致条件光纤中光波相位的变化情况光纤中光波相位的变化情况相位一致条件就是说：如果图中所示的这个模式在A、B处相位相等，则经过一段传播距离后，在A、B处也应该相位相等或相差2的整数倍。光纤的相位一致条件也可以从另外一个角度出发得到。根据物理学的知识可知：波在无限空间中传播时，形成行波；而在有限空间传播时，形成驻波。3.3光纤的损耗特性光纤的损耗特性q1.衰减系数衰减系数q损耗是光纤的一个重要传输参量，是光纤传输系统中继距离的主要限制因素之一。q损耗的大小可以用衰减常数定义。q通常表示成dB/km为单位的形式。2.光纤通信的低损耗
14、窗口光纤通信的低损耗窗口v由石英光纤的损耗谱曲线自然地显示光纤通信系统的三个低损耗窗口： 第一低损耗窗口短波长0.85m附近； 第二低损耗窗口长波长1.31m附近； 第三低损耗窗口长波长1.55m附近；v实验上曲线的损耗值为：对于单模光纤，在0.85m时约为2.5dB/km；在1.31m时约为0.4dB/km；在1.55m时仅为0.2dB/km，已接近理论值(理论极限为0.1dB/km)。 3.光纤损耗主要包括：(1) 材料的吸收损耗光纤材料吸收损耗包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收等，它是材料本身所固有的，因此是一种本征吸收损耗。(2) 光纤的散射损耗瑞利散射损耗。光纤在加热过程中，热扰动使原
15、子产生压缩性的不均匀，造成密度不均匀，进一步造成折射率不均匀。这种不均匀性在冷却过程中固定了下来并引起光的散射。波导散射损耗。当光纤的纤芯直径沿轴向不均匀时，产生导模和辐射模间的耦合，能量从导模转移到辐射模，从而形成附加的波导散射损耗。非线性散射损耗。当光线中传输的光强大到一定程度时，就会产生非线性受激拉曼散射和受激布里渊散射，是输入光能部分转移到新的频率分量上。(3) 辐射损耗当理想的圆柱形光纤受到某种外力作用时，会产生一定曲率半径的弯曲，导致能量泄露到包层，这种由能量泄露导致的损耗称为辐射损耗。3.4光纤的色散特性 1.什么是光纤色散q信号在光纤中是由不同的频率成分和不同模式成分携带的，这
16、些不同的频率成分和模式成分有不同的传播速度，从而引起色散。q也可以从波形在时间上展宽的角度去理解，即光脉冲在通过光纤传播期间，其波形在时间上发生了展宽，这种观象就称为色散。v光纤色散是光纤通信的另一个重要特性，光纤的色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量。因此制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统容量和加大传输距离是非常重要的。v引起光纤色散的原因很多，由于信号不是单一频率而引起的色散有材料色散和波导色散，由于信号不是单一模式所引起的色散称为模式色散。2.色散的程度描述色散的程度描述v时延差可以表示光纤的色散程度：=DL式中：D为色散系数，单位为ps
17、/(nmkm)，为光源谱宽，L为传输的距离时延差越大，色散越严重。3.材料色散和波导色散材料色散和波导色散(1) 材料色散材料色散v它是由于材料折射率随光波长非线性变化引起的色散在0=1.27m时，时延差最小，这个波长称为材料的零色散波长。(2) 波导色散波导色散v对于单模光纤，波导的作用不能忽略。对于某模式的电磁波而言，传播常数可以由U（导波径向归一化常数）、V（归一化频率）和W（导波径向归一化衰减系数）推出，在不同的频率下，相位常数不同，使得群速不同而引起色散，这种色散称为波导色散。4.模式色散模式色散v模式色散是指不同模式的电磁波在光纤中传播，群速不同而引起的色散。可以用光纤中传输的最高
18、模式与最低模式之间的时延差来表示3.5单模光纤单模光纤q1、什么是单模光纤、什么是单模光纤q单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单一基模的光纤。q在单模光纤中不存在模式色散，因此它具有相当宽的传输频带，适用于长距离、大容量的传输，近年来，单模光纤通信系统得到迅速发展2、单模光纤的折射率分布、单模光纤的折射率分布(1) 阶跃型单模光纤折射率分布形式(2) 下凹型单模光纤3、单模传输条件、单模传输条件0V2.40483 (3-10-1)上式称为单模光纤的单模传输条件。4、单模光纤的特征参数、单模光纤的特征参数(1) 衰减系数衰减系数对 于 单 模 光 纤 在 1 . 3 1 m 附 近 约 为0.
19、35dB/km，在1.55m附近，可降至0.2dB/km以下。(2) 截止波长截止波长c所谓截止波长，一般指的是LP11模的截止波长(3) 模场直径模场直径d从理论上讲，单模光纤只有基模（LP01）传输，寂寞场强在光纤截面上的分布与光纤的结构有关，而模场直径就是衡量光纤横截面上一定场强范围的物理量。对于均匀单模光纤，基模场强在光纤横截面上近似为高斯分布。通常，将纤芯中场分布曲线最大值的1/e处，所对应的宽度定义为模场直径，用d表示。3.6光纤的传输带宽光纤的传输带宽色散使沿光纤传输的光脉冲展宽，最终可能使两个相邻脉冲发生重叠。重叠严重时使接收机无法区分它们，造成误码v定义相邻两脉冲虽重叠但仍能
20、区别开时的最高脉冲速率为该光纤线路的最大可用带宽。v光纤的带宽特性如图3-11-2v对阶跃多模光纤，带宽主要受模间色散的限制，仅数十MHzkm。v渐变多模光纤，当工作在1.3m波长、采用LD光源时，模间色散是主要的限制。v对单模光纤，影响带宽的是材料色散和波导色散，单模光纤有最大的带宽距离积。v另外，梯度折射率分布的塑料多模光纤(芯径420m)已达到2.5GHz的带宽，传输距离100m，光源为647nmLD，预期可达到1020GHz带宽，距离100m。这种光纤可用于近距离的局域网(LAN)中。3.7 光纤连接器特性评价一个连接器的主要指标有4个，即插入损耗、回波损耗、重复性和互换性。w1. 插
21、入损耗插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数，表达式为：Ac-10lgP1/P0(dB)式中：Ac为连接器插入损耗；P0为输入端的光功率；P1为输出端的光功率。w2. 回波损耗回波损耗又称为后向反射损耗。是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一对线自身的反射。不匹配主要发生在连接器的地方，但也可能发生于电缆中特性阻抗发生变化的地方。回波损耗将引入信号的波动，返回的信号将被双工的千兆 网 误 认 为 是 收 到 的 信 号 而 产 生 混 乱 。后向反射光对输入光的比率的分贝数，表达式为：Ar-10lgPR/P0 (dB)式中：Ar表示回波损耗；
22、P0表示输入光功率；PR表示后向反射光功率。（可达60dB）w3. 重复性和互换性重复性是指光纤(缆)活动连接器多次插拔后插入损耗的变化，用dB表示。互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变化，也用dB表示。4 光端机4.1 光源与光纤的耦合4.2 光调制4.1光源与光纤的耦合从光源发射出来的光功率尽可能多地送入光纤中传输，这就是光源与光纤的耦合问题。 衡量光源与光纤耦合的质量可以用耦合效率，它定义为 =PF/PS (6-1-1)式中： PF耦合进入光纤的光功率 PS光源发射的功率。光源与光纤的耦合效率：与光源的类型(LED或LD)及光纤的类型(多模光纤或模光纤)有关。LD与单模光纤的耦合效率
23、较高，可以达到3050%，而LED与单模光纤的耦合效率较低，可能小于1%。 4.2 光调制要实现光纤通信，首先要解决的问题是如何将电信号加载到光源的发射光束上，即需要进行光调制。根据调制与光源的关系，光调制可分为：直接调制和间接调制。 4.2.1光源的直接调制直接调制就是将调制信号直接作用在光源上，把要传送的信息转变为电源信号注入到LD或LED，获得相应的光信号。这种方法调制的是光源的发光强度调制(IM)。直接调制具有简单、经济、容易实现等优点，但存在波长(频率)的抖动，是光纤通信系统中广泛采用的调制方式。从调制信号的形式来说，光源的直接调制又可分为模拟信号调制和数字信号调制模拟调制数字调制4
24、.2.2LD调制特性LD的直接调制具有许多突出的特点，它在光纤通信系统中应用极其广泛。LD的调制特性如下：(1) 电光延迟(2) 张驰振荡(3) 小信号输入的频率响应(4) 频率啁啾4.2.3光源的外部调制光源内调制的优点是电路简单容易实现，但是，在高码速下将使光源的性能变坏，因此需要对光源的外调制方式。外调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统目前使用的外调制方式有： (1) 电光调制（2）声光调制 （3）磁光调制电光调制器电光调制的基本工作原理是晶体的线性电光效应。电光效应是指电场引起晶体折射率变化的现象，能够产生电光效应的晶体称为电光晶体声光调制器声
25、光调制器是利用介质的圣光效应制成，他的工作原理是，当调制电信号变化时，由于压电效应，使压电晶体产生机械振动形成超声波，这个声波引起声光介质的密度发生变化，使介质折射率跟着变化，从而形成一个变化的光栅，由于光栅的变化，时光强随之发生变化，结果使光波受到调制磁光调制 磁光调制是利用法拉第效应得到的一种光外调制，入射光信号经过起偏器，使入射光变为偏振光，这束偏振光通过YIG（掺钇铁石榴石）磁棒时，其偏振方向随绕在上面线圈的调制信号而变化，当偏振方向与后面的检偏器相同时，输出光强最大，当偏振方向与检偏器方向垂直时，输出光强最小，从而使输出光强随调制信号变化，实现了光的外调制。4.3 光中继器在光纤通信
26、线路上，光纤的吸收和散射导致光信号衰减，光纤的色散将使光脉冲信号畸变，导致信息传输质量降低，误码率增高，限制了通信距离。为了满足长距离通信的需要，必须在光纤传输线路上每隔一定距离加入一个中继器，以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形，然后继续向终端传送。5 波分复用技术5.1多信道复用技术5.2 波分复用技术5.1多信道复用技术尽管目前光纤通信单信道实用化系统的传输速率发展到了10Gbit/s，线路的利用率有了很大提高，但与光纤巨大的带宽潜力相比还微不足道。复用技术是为了提高通信线路的利用率，而采用的在同一传输线路上同时传输多路不同信号而互不干扰的技术。光时分复用(OTDM)光码分复用(OCD
27、M)副载波复用(SCM)空分复用(SDM)光波分复用(WDM)5.2 波分复用技术5.2.1 WDM光波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用技术，简称光波分复用技术。通常把光信道间隔较大（甚至在光纤的不同窗口上）的复用称为光波分复用（WDM），而把在同一窗口中信道间隔较小的WDM称
28、为密集波分复用（DWDM）。5.2.2光信号的分出和插入 通过光分插复用器（OADM）可以实现各波长的光信号在中间站的分出与插入，即完成上/下光路，利用这种方式可以完成DWDM系统的环形组网。5.2.3波分复用技术有以下主要特点。(1) 可以充分利用光纤的巨大带宽潜力，使一根光纤上的传输容量比单波长传输增加几十至上万倍。(2) N个波长复用以后在一根光纤中传输，在大容量长途传输时可以节约大量的光纤。(3) 波分复用通道对传输信号是完全透明的，即对传输码率、数据格式及调制方式均具有透明性，可同时提供多种协议的业务，不受限制地提供端到端业务。(4) 可扩展性好。(5) 降低器件的超高速要求。n5.
29、2.4 WDM系统基本类型WDM系统从不同的角度可以分为不同的类型，常见的分类方法有：从传输方向分，可以分为双纤单向波分复用系统和单纤双向波分复用系统；从光接口类型分，可以分为集成式波分复用系统和开放式波分复用系统。w1. 双纤单向传输单向DWM是指所有光路同时在一根光纤上沿同一方向传送，如图8.10所示。双纤单向传输示意图双纤单向传输示意图w2. 单纤双向传输同一光波分复用器既可作合波器，又可作分波器，具有方向的可逆性，因此，可以在同一根光纤上实现双向传输。w3. 集成式波分复用系统考虑到各波长之间的影响最小和更多厂家的设备能互通工作，WDM使用的激光器发出的光的中心波长、波长间隔、中心频率
30、偏移等均有严格的规定，必需符合ITU-T G.692建议。w4. 开放式波分复用系统开放式系统就是在波分复用器前加入波长转换器(Optical Transition Unit，OTU)，将SDH非规范的波长转换为标准波长，如图8.13 所示。开放式开放式WDM系统系统n5.2.5 WDM系统基本结构与工作原理一般来说，WDM系统主要由以下五部分组成：光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统。光发射机是WDM系统的核心，除了对WDM系统中发射激光器的中心波长有特殊的要求外，还需要根据WDM系统的不同应用(主要是传输光纤的类型和无电中继传输的距离)来选择具有一定色度色散容限的发射机
31、。经过长距离光纤传输后(80120km)，需要对光信号进行光中继放大。在接收端，光前置放大器(PA)放大经传输而衰减的主信道光信号后，利用分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号送往各终端设备。5.3 掺饵光纤放大器掺铒光纤放大器是将掺铒光纤在泵浦源的作用下而形成的光纤放大器。对这种掺杂光纤放大器影响较大的工作可追溯到1963年对玻璃激光器的研究。掺铒光纤放大器的工作原理激光器的工作原理：经泵浦源的作用，工作物质粒子由低能级跃迁到高能级(一般通过另一辅助能级)，在一定泵浦强度下，得到了粒子数反转分布而具有光放大作用。当工作频带范围内的信号光输入时便得到放大。这也就是掺铒光纤放大器的基本工作原
32、理。只是EDFA(及其他掺杂光纤放大器)细长的纤形结构使得有源区能量密度很高，光与物质的作用区很长，有利于降低对泵浦源功率的要求。泵浦效率Wp可以用来衡量泵浦的有效性，其表达式如下：Wp=放大器增益(dB)/泵浦功率(mW)掺铒光纤放大器的结构w1. 同向泵浦在同向泵浦方案中，泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。w2. 反向泵浦反向泵浦，泵浦光与信号光从不同的方向输入掺杂光纤，两者在掺铒光纤中反向传输。w3. 双向泵浦为了使掺铒光纤中的铒离子能够得到充分的激励，必须提高泵浦功率。三种泵浦方式比较前向（同向）噪声特性较好 ；后向（反向）较高的输出信号功率，但噪声特性较差 ；双向输出信号功率最高，噪声特性也不差
