optical \u4e2d\u6587\u7248 - 21(CIP 2003.8 21 ISBN 7 115 11339 4.T N929.1 1 CIP(2003 049966

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Unformatted text preview: 21 世纪通信教材 光纤通信原理 邓大鹏 等编著 人民 邮 电出 版 社 图书在版 编目 (CIP) 数据 光纤通信原理 / 邓大鹏等编著 . —北京 : 人民邮电出版社 , 2003 .8 21 世纪通信通信教材 ISBN 7 - 115 - 11339 - 4 Ⅰ .光… Ⅱ .邓… Ⅲ .光纤通信—高等学校—教材 Ⅳ .T N929 .1 1 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2003) 第 049966 号 内 容 提 要 本书主要介绍了光纤通信的发展 ; 光纤的组成、导光原理 , 光纤光缆的损耗特性、色散特性 ; 常用无源光器 件的原理、结构和特性 ; 光源的种类、结构、工作原理 , 光发送机 的组成及特性 ; 光电探 测器及光接 收电路的 工 作原理和特性指标 ; 光放大器的工作原理、特性指标 ; 常用光 复用技术 ; 模拟光纤 通信系统和 数字光纤通信 系 统的构成、性能和系统设计 ; 最后还介绍了相干光通信、光孤子通信和全光网络等光通信新技术。 本书是作者们多年教学和研究的 总结 , 力求 内容新 颖 , 难 易适度 , 深入 浅出。避 免了 大篇幅 深奥 理论 推 导 , 注重理论性与实用性的结合。 本书为高等学校通信类专业的本科和专科生教材 , 也可作为从事光纤通信科研、生产、管理人员的培训教 材或相关科技人员的参考用书。 21 世纪通信教材 光纤通信原理 编 著 邓大鹏 等 策划编辑 滑 玉 责任编辑 须春美 人民邮电出版社出版发行 北京市 崇文 区夕照 寺街 14 号 邮编 100061 315 @ pt press .com .cn 网址 h tt p :/ / ww w .p tpress .com .cn 电子函件 读者热线 : 010 - 67180876 北京汉魂图文设计有限公司制作 北京朝阳隆昌印刷厂印刷 新华书店总店北京发行所经销 开本 : 787× 1092 1/ 16 印张 : 13 字数 : 309 千字 2003 年 月第 1 版 印数 : 1 - 2003 年 月北 京第 1 次印 刷 000 册 ISBN 7-115-11086 / TN 定价 : 18 .00 元 本书如有印装质量问题 , 请与本社联系 电话 : (010) 67129223 编 者 的 话 30 多年来光纤通信飞速发展 , 光 纤通信 新技 术层出 不穷 , 前 两年 还是 作为 新 技术 介绍 的 光放大器、密集波分复用技术等 , 目前已经大量投入 使用 , 使光 纤通 信逐步 进入 了以光 孤子 为 标志的 第五 代光 波通信 系统 , 并 且可以 预言 , 实 现全 光网络 指日 可待。光 纤通 信新技 术的 发 展、新器件的使用使光纤通信系统无中继距离极大地延伸 , 光纤的巨大带宽容量得到了进一步 的利用 , 同时也引入了一些诸如光纤非线性、光纤色散补偿、光孤子等许多新的概念和理论。 由于光纤通信日新月异 , 当前光纤通信原理方面的书籍有的部分内容已经过时 ; 有的内容 过于简单 , 不太适合作为通信专业本科生教材 ; 有的太专 , 太深奥 , 只适应于研究生和科研人员 阅读。出于教学的需要我们编写过多个版本的院 内教 材和教 学讲 义 , 收到了 较好 的效果。 在 这些教材和讲义的基础上经过修改整理 , 使内容 更系统 , 条 理更 清晰 , 以适 应在 校通信 专业 学 生和从事通信的工程技术人员的学习需要。使读者 通过本 书的 学习 , 能较 系统 地掌握 光纤 通 信的基本原理 , 了解国内外光纤通信的最新发展和光纤通信的新技术、新器件。 本书共分 10 章 , 第一章介绍光纤通信的发展 背景、基本 概念 和预 备知识。 第二章 介绍 光 纤的结构、类型、光纤射线理论和波动理论 , 光缆的构造、典型结构与光缆的型号。第三章介绍 光纤的损耗特性、色散特性及色散和带宽对通信容量的影响 , 成缆对光纤特性的影响及典型光 纤的主要特性参数。第四章介绍目前常用的无源 光器件 中的 连接器、耦 合器、波 分复用 器、光 开关等 器件 的结 构、工作原 理及 特性参 数。第 五章介 绍光 源的 结构、基本 工作 原理及 工作 特 性 , 光调制的基本原理 , 光发送机的构成、工作原 理及 主要技 术指 标。第六 章介 绍光电 检测 器 的结构、基本工作原理及其工作特性 , 光解调的基本原理 , 光接收机的构成、工作原理及主要技 术指标。第七章介绍光放大器的原理、结构、性能及系统应用。第八章介绍常用的几种光复用 技术 , 对密集波分复用系统 的构 成、分 类和 密集 波分 复用 系 统的 非线 性串 扰作 了 较详 细的 分 析。第九章介绍模拟光纤通信系统的主要性能指标 及传输 距离 设计方 法 , 数字 光纤通 信系 统 的主要性能指标及数字光纤 通信 系统 的损 耗 限制 距离、色 散 限制 距离 和光 通道 的 光信 噪比。 第十章介绍相干光通信技术的原理及关键技术 , 光孤子通信技术的原理及实验进展情况 , 同时 对全光网技术也作了介绍。 本书的第一、八章由邓大鹏同志编写 , 第二、三章由李卫同志编写 , 第四章由王英杰同志编 写 , 第五、六章由杨富印同志编写 , 第七章由党利 宏同志 编写 , 第 九章由 张引 发同 志编写 , 第 十 章由谢小平同志编写 , 全书由邓大鹏同志统稿。在本书的编写过程中 , 得到了西安通信学院领 导和同事的大力帮助 , 在此一并表示感谢。 由于编者的水平有限 , 书中难免还存在一些缺点和错误 , 恳请广大读者批评指正。 编者 2003 年 4 月 目 第一章 1. 1 1. 2 1. 3 录 概述 ……………………………………………………………………………………… 1 光纤通信的发展与现状 ……………………………………………………………… 1 1. 1. 1 早期的光通信 ………………………………………………………………… 1 1. 1. 2 光纤通信 ……………………………………………………………………… 2 光纤通信的主要特性 ………………………………………………………………… 4 1. 2. 1 光纤通信的优点 ……………………………………………………………… 4 1. 2. 2 光纤通信的缺点 ……………………………………………………………… 6 光纤通信系统的组成和分类 ………………………………………………………… 6 1. 3. 1 光纤通信系统的组成 ………………………………………………………… 6 1. 3. 2 光纤通信系统的分类 ………………………………………………………… 7 复习思考题 …………………………………………………………………………………… 7 第二章 2. 1 2. 2 2. 3 2. 4 光纤和光缆 ……………………………………………………………………………… 9 光纤的结构与类型 …………………………………………………………………… 9 2. 1. 1 光纤的结构 …………………………………………………………………… 9 2. 1. 2 光纤的类型 …………………………………………………………………… 9 光纤的射线理论分析 ………………………………………………………………… 11 2. 2. 1 基本光学定义和定律 ………………………………………………………… 12 2. 2. 2 光纤中光的传播 ……………………………………………………………… 13 2. 2. 3 光纤中的模式传输 …………………………………………………………… 15 2. 2. 4 多模光纤与单模光纤 ………………………………………………………… 18 均匀光纤的波动理论分析 …………………………………………………………… 20 2. 3. 1 平面波在理想介质中的传播 ………………………………………………… 20 2. 3. 2 阶跃光纤的波动理论 ………………………………………………………… 24 光缆 ………………………………………………………………………………… 39 2. 4. 1 光缆的典型结构 ……………………………………………………………… 39 2. 4. 2 光缆的种类与型号 ………………………………………………………… 42 小结 ………………………………………………………………………………………… 45 复习思考题 ………………………………………………………………………………… 45 第三章 3. 1 光纤的传输特性 ……………………………………………………………………… 48 光纤的损耗特性 ……………………………………………………………………… 48 3. 1. 1 吸收损耗 ……………………………………………………………………… 48 3. 1. 2 散射损耗 ……………………………………………………………………… 50 — 1 — 3. 2 3. 3 3. 4 3. 1. 3 弯曲损耗 ……………………………………………………………………… 51 3. 1. 4 光纤损耗系数 ………………………………………………………………… 52 光纤的色散特性 ……………………………………………………………………… 52 3. 2. 1 色散的概念 …………………………………………………………………… 52 3. 2. 2 模式色散 ……………………………………………………………………… 53 3. 2. 3 材料色散 ……………………………………………………………………… 55 3. 2. 4 波导色散 ……………………………………………………………………… 57 3. 2. 5 极化色散 ……………………………………………………………………… 58 3. 2. 6 总色散 ………………………………………………………………………… 59 3. 2. 7 光纤的色散和带宽对通信容量的影响 ……………………………………… 60 成缆对光纤特性的影响 ……………………………………………………………… 63 3. 3. 1 光缆特性 ……………………………………………………………………… 63 3. 3. 2 成缆对光纤特性的影响 ……………………………………………………… 63 典型光纤参数 ………………………………………………………………………… 64 小结 ………………………………………………………………………………………… 65 复习思考题 ………………………………………………………………………………… 66 第四章 4. 1 4. 2 4. 3 4. 4 常用光无源器件 ……………………………………………………………………… 67 光纤连接器 …………………………………………………………………………… 67 4. 1. 1 光纤连接器的结构与种类 …………………………………………………… 67 4. 1. 2 光纤连接器特性 ……………………………………………………………… 70 光纤耦合器 …………………………………………………………………………… 71 4. 2. 1 光纤耦合器的结构与原理 …………………………………………………… 71 4. 2. 2 光纤耦合器的特性 …………………………………………………………… 74 波分复用/ 解复用器 ………………………………………………………………… 76 4. 3. 1 波分复用/ 解复用器的原理与分类 ………………………………………… 76 4. 3. 2 波分复用/ 解复用器的特性 ………………………………………………… 78 光开关 ………………………………………………………………………………… 79 4. 4. 1 光开关的种类 ………………………………………………………………… 80 4. 4. 2 光开关的特性参 …………………………………………………………… 82 小结 ………………………………………………………………………………………… 83 复习思考题 ………………………………………………………………………………… 83 第五章 5. 1 5. 2 — 2 — 光源与光发送机 ……………………………………………………………………… 84 半导体光源的物理基础 ……………………………………………………………… 84 5. 1. 1 孤立原子的能级和半导体的能带 …………………………………………… 84 5. 1. 2 光与物质的相互作用 ………………………………………………………… 85 5. 1. 3 粒子数反转分布状态 ………………………………………………………… 86 半导体光源的工作原理 ……………………………………………………………… 86 5. 2. 1 发光二极管的工作原理 ……………………………………………………… 86 5. 2. 2 激光二极管的工作原理 ……………………………………………………… 87 5. 3 5. 4 5. 5 光源的工作特性 ……………………………………………………………………… 90 5. 3. 1 L ED 的工作特性 …………………………………………………………… 90 5. 3. 2 LD 的工作特性 ……………………………………………………………… 91 5. 3. 3 光源的主要技术指标及简易检测 …………………………………………… 93 光发送机 ……………………………………………………………………………… 94 5. 4. 1 光调制原理 …………………………………………………………………… 94 5. 4. 2 光发送机的构成及指标 ……………………………………………………… 95 驱动电路和辅助电路 ………………………………………………………………… 95 5. 5. 1 驱动电路 ……………………………………………………………………… 95 5. 5. 2 辅助电路 ……………………………………………………………………… 96 小结 ………………………………………………………………………………………… 98 复习思考题 ………………………………………………………………………………… 99 第六章 6. 1 6. 2 6. 3 6. 4 6. 5 光电检测器与光接收机 ……………………………………………………………… 100 光电检测器 ………………………………………………………………………… 100 6. 1. 1 PIN 光电二极管 …………………………………………………………… 100 6. 1. 2 雪崩光电二极管 …………………………………………………………… 101 光电检测器的特性指标 …………………………………………………………… 102 6. 2. 1 光电检测器的工作特性 …………………………………………………… 102 6. 2. 2 光电检测器的典型指标及简易检测 ……………………………………… 104 光接收机 …………………………………………………………………………… 105 6. 3. 1 光解调原理 ………………………………………………………………… 105 6. 3. 2 光接收机的构成与指标 …………………………………………………… 106 光接收机的噪声 …………………………………………………………………… 107 6. 4. 1 光接收机的噪声源 ………………………………………………………… 107 6. 4. 2 光接收机的信噪比 ………………………………………………………… 108 光接收机的灵敏度 ………………………………………………………………… 109 6. 5. 1 数字光接收机的误码率 ………………………………………………… 109 6. 5. 2 光接收机的灵敏度极限 …………………………………………………… 110 6. 5. 3 实际光接收机的灵敏度 …………………………………………………… 110 6. 5. 4 影响光接收机灵敏度的主要因素 ………………………………………… 111 小结 ………………………………………………………………………………………… 112 复习思考题 ………………………………………………………………………………… 112 第七章 7. 1 7. 2 光放大器 ……………………………………………………………………………… 113 光放大器概述 ……………………………………………………………………… 113 7. 1. 1 光放大器在现代光纤通信系统中的应用 ………………………………… 113 7. 1. 2 光放大器的发展史 ………………………………………………………… 114 7. 1. 3 光放大器的分类 …………………………………………………………… 115 7. 1. 4 光纤放大器的重要指标 …………………………………………………… 115 掺铒光纤放大器 …………………………………………………………………… 116 — 3 — 7. 3 7. 4 7. 2. 1 掺铒光纤放大器的工作原理 ……………………………………………… 117 7. 2. 2 掺铒光纤放大器的结构 …………………………………………………… 118 7. 2. 3 EDFA 的重要指标 ………………………………………………………… 120 7. 2. 4 掺铒光纤放大器的系统应用 ……………………………………………… 121 7. 2. 5 掺铒光纤放大器的优缺点 ………………………………………………… 123 光纤喇曼放大器 …………………………………………………………………… 123 7. 3. 1 光纤喇曼放大器的工作原理 ……………………………………………… 124 7. 3. 2 光纤喇曼放大器的结构 …………………………………………………… 124 7. 3. 3 光纤喇曼放大器的性能 …………………………………………………… 125 7. 3. 4 光纤喇曼放大器的系统应用 ……………………………………………… 126 7. 3. 5 光纤喇曼放大器的优缺点 ………………………………………………… 127 其他光放大器 ……………………………………………………………………… 128 7. 4. 1 光纤布里渊放大器 ………………………………………………………… 128 7. 4. 2 半导体光放大器 …………………………………………………………… 128 7. 4. 3 掺铒波导光放大器 ………………………………………………………… 129 小结 ………………………………………………………………………………………… 129 复习思考题 ………………………………………………………………………………… 129 第八章 光复用技术 …………………………………………………………………………… 131 8. 1 光复用技术的基本概念 …………………………………………………………… 131 8. 2 光时分复用技术 …………………………………………………………………… 133 8. 3 8. 4 8. 2. 1 比特交错光时分复用 ……………………………………………………… 134 8. 2. 2 分组交错光时分复用 ……………………………………………………… 135 密集波分复用技术 ………………………………………………………………… 138 8. 3. 1 WDM 系统基本类型 ……………………………………………………… 139 8. 3. 2 WDM 系统基本结构与工作原理 ………………………………………… 142 密集波分复用系统的非线串扰 ………………………………………………… 143 8. 4. 1 受激喇曼散射串扰 ………………………………………………………… 144 8. 4. 2 受激布里渊散射串扰 ……………………………………………………… 144 8. 4. 3 自相位调制和交叉相位调制 ……………………………………………… 145 8. 4. 4 四波混频 …………………………………………………………………… 146 小结 ………………………………………………………………………………………… 147 复习思考题 ………………………………………………………………………………… 147 第九章 光纤通信系统设计 …………………………………………………………………… 149 9. 1 概述 ………………………………………………………………………………… 149 9. 2 模拟光纤通信系统 ………………………………………………………………… 149 9. 3 9. 2. 1 系统主要性能指标 ………………………………………………………… 150 9. 2. 2 传输距离设计 ……………………………………………………………… 153 数字光纤通信系统 ………………………………………………………………… 154 9. 3. 1 — 4 — 主要性能指标 ……………………………………………………………… 155 9. 3. 2 系统设计 …………………………………………………………………… 162 小结 ………………………………………………………………………………………… 172 复习思考题 ………………………………………………………………………………… 173 第十章 光纤通信新技术 ……………………………………………………………………… 174 10. 1 10. 2 10. 3 相干光通信 ………………………………………………………………………… 174 10. 1. 1 相干光通信技术基本原理及发展 ………………………………………… 174 10. 1. 2 相干光通信关键技术 ……………………………………………………… 175 光孤子通信技术 …………………………………………………………………… 178 10. 2. 1 光孤子通信技术的基本原理 ……………………………………………… 178 10. 2. 2 光孤子通信技术的新进展 ………………………………………………… 182 全光通信网 ………………………………………………………………………… 187 10. 3. 1 全光网概述 ………………………………………………………………… 187 10. 3. 2 全光网关键技术 …………………………………………………………… 188 小结 ………………………………………………………………………………………… 191 复习思考题 ………………………………………………………………………………… 191 附录 英文缩写对照表 ………………………………………………………………………… 192 参考文献 ………………………………………………………………………………………… 196 — 5 — 第一章 概 述 3000 多年前人们就开始利用光进 行通 信 , 但光 通信的 真正 飞 跃是 在光 纤出 现之 后 , 由 于 光纤无可比 拟 的 优 越 性 , 在 短 短 的 几 十 年 中 迅 速 地 取 代 了 电 通 信 的 地 位 , 通 信 速 率 由 几 Mbit/ s , 发展到单信道 10G bit/ s , 40G bit/ s。 本章主要介绍光纤通信的一些发展背景、基本概念和预备知识。 1. 1 1. 1. 1 光纤通信的发展与现状 早期的光通信 几千年前 , 中国就有火光通讯 , 它的设施叫烽 火台。其 中著 名的有 周朝 的骊山 烽火 台 , 秦 汉的长城烽火台。当时汉武帝大修万里城 , 城上每隔五里设一个报警烽火台 , 一旦发现敌人 入侵 , 白天燃烟 , 夜间举火 , 利用火光来传送军事情报。这种烽火台报警 , 就是古代的光通信方 式。它也可以说是世界上最早利用光波通讯的形式了。 烽火台报警虽然简陋 , 但它却包含着近代 光通信 的一 些基 本要素。 首先 , 要 有一个 光源 , 烽火台报警用的光源就是烽火 ; 其次 , 必须有接收器 ( 在 光纤通 信中 又称 为光信 号接 收机 ) , 也 就是要有能感受火光的装置 , 烽火台报警用的接 收机就 是人 的眼 睛 ; 第 三 , 必须 设法把 要传 送 的信息加在光波上 , 就是对光波进行调制 , 在烽火台通信中 , 被调制的火光信号只有两种状态 : 有火光或无火光 ; 第四是必须有良好的光通道 , 烽火 台报警 , 就 是利 用地球 表面 的大气 作为 天 然的光通道。 到了 1880 年 , 贝尔发明了第一个光电话 , 这一大胆的尝试 , 可以说是现代光通信的开端。 贝尔的光电话是以弧光灯作光源 , 发出的光投射在话筒的音膜上 , 当音膜按照说话人声音 的强弱及音调不同而作相应的振动时 , 从音膜 上反射 出来的 光的 强弱 也随之 变化。这 种被 声 音信号所调制的光 , 通过大气而传播一段距离后 , 被 一个大 型抛 物面镜 所接 收 , 在该抛 物面 镜 的焦点上放着一个硅光电池 , 它就是光探测器。硅光电池能将射在它上面的光转变成电信号 , 这个电信号的强弱及变化频率 , 都恰好能反映 原来用 于调制 光信 号的 声音的 强弱 及频率。 这 个电信号被送进听筒 , 就能还原成原来的声音 , 完成了整个通信过程 , 如图 1. 1 所示。 在这里 , 将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上 , 随声音的振动而得到强弱变化的反射 光束 , 这个过程就是调制。而在接收端 , 载有信息的 光射在 硅光 电池上 , 直 接产 生反映 声音 变 化规律的光电流的过程就是解调。将这一电流送入听筒 , 从而恢复成声音信号 , 称为信息的再 现。贝尔的光电话装置在晴天时通话距离可达数公里至十几公里。 贝尔光电话和烽火报警一样 , 都是利用大气 作为光 通道 , 光 波传播 易受 气候 的影响 , 在 大 雾天气 , 它的可见度距离很短 , 遇到下雨下雪天也 有影 响。因此 气候不 好 , 光电 话常常 是不 能 — 1 — 光纤通信原理 图 1. 1 贝尔电 话系 统 通话 , 这显然限制了人们去考虑它的发展 , 甚至被 人们忽 视 , 几乎 处于停 顿状 态 , 但是 , 贝尔 光 电话的遗产在现代光通信中仍闪烁着光芒。它的伟 大发明 , 证 明了 可用光 波作 为载波 来传 递 信息。 1. 1. 2 光纤通信 在大气光通信受阻之后 , 人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验 , 先后出现过反射 波导和透镜波导等地下通信的实验 , 如图 1. 2 所示。但 由于 系统 复杂、造价 昂贵、施工 调试 困 难而无 法 投 入 使 用。 1950 年 , 也 曾 出 现 过 导 光 用 的 玻 璃 纤 维 ( 光 纤 ) , 但 传 输 损 耗 高 达 10 0 1000 dB/ km 左右。也就是说 , 在 1km 的光导 纤维 上传 送 的信 号损 耗 10 倍。这 是一 个天 文 数字的损耗量 , 于是有人认为用这类光纤作为光波传输手段并无实际意义。 图 1. 2 反射波 导和 透镜波 导 1966 年 , 英籍华人高锟 ( K. C. Kao , 当时工 作于 英国 标准电 信研 究所 ) 博 士深 入研 究了 光 在石英玻璃纤维中的严重损耗问题 , 发现这种玻 璃纤维引 起光 损耗 的主要 原因 是其中 含有 过 量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质 , 其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面 不均匀及其所引起的折射率不均 匀 , 他 还发 现一 些玻璃 纤维 在红外 光区 的损 耗较 小。同 年 7 月 , 高锟和他的同事 A. G. H eck hom 等 人 表 了著 名的 论文《介 质纤 维表 面光 频 波导》, 首 次 谈到实用型光纤的制造与在通信上的应用 , 提 出了光 纤传输 光信 号理 论。他指 出如能 将光 纤 中过渡金属离子减少到最低限度 , 并改进制造工 艺 , 提高材 料的 均匀性 , 就 可使 光纤的 质量 大 大地提高而成为实用的光传 输介 质 , 而 且有 可能 使光 纤的 光 损耗 减少 到每 公里 一 分贝 左右。 — 2 — 第一章 概述 他说“ : 一根带有包层的玻璃纤维 , 其芯线直径 约为一 个波 长 , 总直径 约 100 个波 长 , 这 根纤 维 就成为一根可能有实用价值的光学波导。它有充当 新型通 信手 段的巨 大潜 力 , 其信息 容量 可 能超过 100M H z。” 在高锟理论的指导 下 , 1970 年 美 国 的康 宁 公 司 拉 出了 第 一 根 损 耗为 20dB/ km 的光 纤。 同一年贝尔实验室研制成功室温下可以连续工作的半导体激光器 , 其体积小、重量轻、功耗低、 效率高 , 是光纤通信的理想光源。从此光纤通信开始飞速发展。 1977 年 美 国 在 芝 加 哥 进 行 了 44. 736Mbit/ s 的 现 场 实 验 , 1978 年 , 日 本 开 始 了 32. 064Mbit/ s 和 97. 728Mbit/ s 的光纤 通信 实验 ; 1979 年 , 美 国 A T & T 和日 本 N T T 均研 制 出了波长为 1. 35μm 的半导体激光器 , 日本也做出了超低损耗的光纤 ( 损耗为 0. 2dB/ km , 波长 为 1. 55μm) , 同时进行了多模光纤 ( 同时 允许 多个 方向 的光 线在 其中 传 送的 光纤 ) 1. 31μm 的 长波长传输系统的现场试验。到 1980 年 , 多模光纤通信系统已经投入了商用 , 单模光纤 ( 只允 许一个方向的光线在其中传送的 光纤 ) 通 信系 统也 进入了 现场 试验。 1983 年 , 日 本新 建了 一 条从北海道至冲绳岛纵贯南北的光缆干线 , 全长 3400km , 采用了 24 芯 单模 光纤 光缆 , 传输 速 率为 400Mbit/ s; 美国也从东西海岸各敷设了一条光 缆干线 , 长度分 别为 600 km 和 270 km , 芯 数为 144 芯 ; 紧接着又在 1985 年敷设了 2002km 的南北干线 , 增设了总长 5 万公里的 光缆 , 把 全美国 22 个州用光缆连了起来 , 形成了长途光缆干线网。 中国从 20 世纪 70 年代初 开始 光通 信的 研 究 , 到 1976 年 研制 出了 可 用 于通 信 的多 模 光 纤 ; 1979 年 , 多 模 光 纤 在 短 波 长 窗 口 的 损 耗 已 低 于 50dB/ km , 长 波 长 窗 口 的 损 耗 已 低 于 1. 0dB/ km , 并于当年建成了长约 5. 7 km 的光纤数字通信试验系统 ; 此 后又分别 在北京、上海、 武汉、天津等地建立了现场试验系统 , 特别是 1983 年建成的连接武汉三镇的 8Mbit/ s , 1985 年 扩容为 34Mbit/ s 的数字光纤传输系统的开通使 用 , 使中国 的光 纤通信 开始 走向 实用化 阶段。 1987 年底 , 中国建成了从武汉至荆州全长约 250km 的 第一条 长距离架 空光 缆 , 使用国 产长 途 光纤通信系统 , 传送 34Mbit/ s 的数字信号。1988 年起 , 国内光纤 通信系 统的应用 从多模向 单 模发展 , 建成了扬州至高邮全长 75km 的单模光纤传输系统 , 传 输速率为 34Mbit/ s ; 1989 年 建 成了合肥至芜湖单模光纤传输系统 , 传输速率为 140Mbit/ s ; 1990 年利用国产设备建成了兰州 至乌鲁木齐的直埋 式长 途 光缆 通 信 干线。“ 六五”期 间 , 中 国 公 用邮 电 通 信 网 建设 光 缆 线 路 331. 5km “ , 七五”期间建设光缆线路 7310. 5 km “ , 八五”期间完 成 22 条 光缆 干线 的建设 任务 , 使国内光缆总长度达到 14. 5 万公里。1994 年以后 , 除 极少数干 线采用 622Mbit/ s 系 统外 , 大 多数干线直接采用 2. 5G bit/ s 系 统、10 Gbit/ s 系统 和波 分复用 系统。 截止 到 1998 年底 , 中 国 公用邮电通信网已完成了连接全国 31 个省 ( 自治区、直辖市 ) 的“八纵八横”骨干光缆传输网建 设 , 铺设的长途和本地中继光缆 ( 不包括接入网 ) 总长度为 100 万公里。 到如今 , 光纤通信已经发展到以采用光放大器 ( O ptical A mplifier , O A ) 增加中继距离和采 用波分复用 ( Wavelengt h Division Multiplexing , WDM ) 增 加传 输容 量为 特征 的 第四 代 系统。 单信道商用速率 ( 采用电 时分 复用 E T DM ) 可 以做 到 10 G bit/ s , 实验 室速 率可 高 达 40G bit/ s , 几乎到达了电子器件的极 限速 率。320 G bit/ s ( 32 × 10G bit/ s ) 波 分复 用系 统已 开 始大 批量 装 备网络。北电等公司的 1. 6T bit/ s( 160×10 Gbit/ s ) WDM 系统 也已经开 始商用。朗 讯公司 则 采用 80nm 谱宽的光放大器创造了波长数达 1022 波 的世界记 录。N EC 公司 在实验室 已完 成 10. 92 Tbit/ s 的传输试验。 Essex 公司宣称实现了信道间隔 1 G H z 的 4000 个波长 的密集波 分 复用系统 , 信道总容量 4000×1 Gbit/ s。 — 3 — 光纤通信原理 1. 2 光纤通信的主要特性 光纤通信在短短的几十年中发展如此迅速 , 并使得世界 上 80 % 以上 的电信业 务在光纤 通 信网中传送 , 是与其无可比拟的优越性分不开的。 1. 2. 1 光纤通信的优点 1 . 光纤的容量大 光纤通信是以光纤为传输 媒 介 , 光波 为载 波 的通 信系 统 , 其载 波—光 波 具有 很 高的 频 率 14 ( 约 10 Hz ) , 因此光纤具有很 大的 通信 容量。目 前商用 系统 单信 道速 率可 达 10 Gbit/ s ( 相 当 于一对光纤上同时传送 12 万多路电话 ) , 多信道总容量可达 1. 6T bit/ s( 相当于 1920 多万路电 话 ) 。即便如此 , 使用的带宽也大概只有光纤带宽的 1 % 。图 1. 3 标示了 目前使用 的石英光 纤 的带宽潜力。从图中可以看到 : 目前使用的 1310nm 和 1550nm 两窗口的带 宽和就有 20 T Hz, - 如果消除 O H 吸收峰 , 长波长窗口的可用带宽可以到 50T H z, 从 1100nm 到 1700nm 的带宽更 宽达 140T H z。 图 1. 3 光纤带 宽潜 力 2 . 损耗低、中继距离长 目前 , 实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤 , 此类光纤在 1. 55μm 波 长区的损 耗 可低到 0. 18dB/ km , 比已知的其他通信线路的损耗都低得多 , 因此 , 由其 组成的光 纤通信系 统 的中继距离也较其它介质构成的系统长得多 , 参见表 1-1。 表 1. 1 — 4 — 各种传输线路的中继距离 传输线 路类 型 最大 通信容 量 ( 路 ) 中 继距离 ( k m ) 大 同轴电 缆 10800 1. 5 小 同轴电 缆 3600 2. 1 第一章 概述 续表 传输线 路类 型 最大 通信容 量 ( 路 ) 中 继距离 ( k m ) 微波 线路 3600 40 140 M bi t/ s 光 纤通信 系统 1920 100 2. 5Gbi t/ s 光 纤通信 系统 30240 50 ~60 如果今后采用非石英光纤 , 并工作在超长波长 ( > 2μm ) , 光纤的理论损耗系数 可以下降 到 10 - 3 ~ 10 - 5 dB/ k m , 此时光纤通信的中继 距离可 达数 千 , 甚至 数万公 里。这 样 , 在任何 情况 下 光纤通信系统均可以不设中继系统 , 它对于降低海底通信的成本、提高可靠性及稳定性具有特 别的意义。 3 . 抗电磁干扰能力强 我们知道 , 电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的 , 也不能在电气铁化路附近铺 设。这是因为高压电线会辐射出比较强的电磁波 , 开动的电气列车会产生很强的电火花 , 它们 都会干扰电话线里和电缆里传送的电信号 , 甚 至会使 打电话 的人 听不 清对方 在说 什么。而 光 导纤维是石英玻璃丝 , 是一种非导电的介质 , 交变电 磁波在 其中 不会产 生感 生电 动势 , 即不 会 产生与信号无关的噪声。这样 , 就是把它平行铺设到高压电线和电气铁路附近 , 也不会受到电 磁干扰。 因而 光纤通 信除 了可以 在邮 电通 信部门 使用 外 , 还特 别适合 在铁 道、电力等 部门 使 用。 4 . 保密性能好 对通信系统的重要要求之一是保密性好。然而 , 随着科学技术的发展 , 电通信方式很容易 被人窃听 : 只要在明线或电缆附近 ( 甚至几公里以外 ) 设置一个特别的接收装置 , 就可以获取明 线或电缆中传送的信息。更不用去说无线通信方式。 光纤通信与电通信不同 , 由于光纤的特殊设计 , 光纤中传送的光波被限制在光纤的纤芯和 芯包界面附近传送 , 很少会跑到光纤之外。即使在弯曲半径很小的位置 , 泄漏光功率也是十分 微弱的。并且成缆以后光纤的外面包有金属做的防 潮层和 橡胶 材料的 护套 , 这 些均是 不透 光 的 , 因此 , 泄漏到光缆外的光几乎没有。更何况长途光缆和中继光缆一般均埋于地下。所以光 纤的保密性能好。 此外 , 由于光纤中的光信号一般不会泄漏 , 因此电通信中常见的线路之间的串话现象也可 忽略。 5 . 体积小 , 重量轻 目前常用的光纤的纤芯直径只有几个微米 , 加上包层 以后 , 光纤 的直径 是 125μm , 比一 根 头发丝稍微粗一点。这样的光纤 , 500 m 长也不 过一两 重。为了 保护光 纤 , 同时 使它抗 拉又 抗 弯 , 在制作光纤的时候 , 还在它的表面加上一层聚 丙烯 或者尼 龙套 层。加上 这层 套层以 后 , 它 的直径也不超过两个毫米。在实际通信线路中使用 的不是 单根 的光纤 , 而 是把 好多根 光纤 跟 抗拉的钢丝、塑料和填充材料等组合在一起 , 外面再套上厚橡胶皮这就是通常所说的光缆。这 种光缆比电缆轻多了。有人把含有四根光纤的四芯光缆跟含有四根同轴管的同轴电缆作过比 较 , 同轴电 缆 的 直 径 是 45mm , 而 四 芯 光 缆 的 直 径 只 有 9mm , 一 公 里 的 四 管 同 轴 电 缆 重 4400 kg , 而一 公里 的 四芯 光缆 只有 200kg 重 , 是 电缆 重 量的 4. 6 % 。 采用 这种 又细 又轻 的 光 缆 , 不管是运输 , 还是铺设线路 , 都很方便。另外 , 这 种又细 又轻 的光缆 , 还 特别 适合用 在飞 机 — 5 — 光纤通信原理 和宇宙飞船上。 6 . 节省有色金属和原材料 光纤的主要成分是二氧化硅 ( SiO2 ) , 因此使用光纤可以节约大量的有色金属。我们知道 , 生产电缆需要大量的铜和铅。比 如 , 生产 一公里 四管 同轴 电缆 , 需要 500kg 铜、1500kg 铅 , 这 些有色 金属 在地 球上的 含量 是极其 有限 的。而二 氧化 硅在地 球上 遍地 都是 , 可以 说 , 取之 不 尽 , 用之不竭。日本专家预言 : 将日本本土挖掘 10c m , 石英可供日本使用 15 亿年。所以 , 光 纤 通信技术的发展应用既节约了大量的有色金属材料 , 也不会受到资源的限制。 1. 2. 2 光纤通信的缺点 事物都是一分为二的 , 光纤通信有许多优点 , 因而发展很快 , 但光纤通信也有以下缺点。 1 . 抗拉强度低 光纤的理论抗拉强度要大于钢的抗拉强度。但是 , 由 于光 纤在 生产过 程中 表面存 在或 产 生微裂痕 , 光纤受拉时应力全都加于此 , 从而使光纤 的实际 抗拉 强度非 常低 , 这 就是裸 光纤 很 容易折断的原因。为了保护光纤 , 在光纤制造使用过程中采用一系列保护措施。其一 , 在光纤 的生产过程中 , 给裸光纤增加涂覆层。其二 , 在光缆制造过程中 , 增加特殊的抗拉元件。其三 , 在光缆的施工过程中绝大部分拉力应加在抗拉元件上 , 使光纤基本不受到拉力。 2 . 光纤连接困难 要使光纤的连接损耗小 , 两根光纤的纤芯必须严格对准。由于光纤的纤芯很细 ( 只有几个 微米 ) , 加之石英的熔点很高 , 因此连接很困难 , 需要有昂贵的专门工具。 3 . 光纤怕水 - 水进入光缆后主要会产生三个方面的问题。其 一 , 水进 入光纤 后 , 会增 加光纤 的 O H 吸 收损耗 , 使信道总损耗增大 , 甚至使通信中断 ; 其 二 , 水进入 光缆 后 , 会造成 光缆 中的金 属构 件 氧化 , 使金属构件腐蚀 , 导致光缆强度降低 ; 其三 , 进 入光缆 中的 水遇冷 后 , 水结 冰体积 增大 有 可能压坏光纤。为了保持光纤的特性不致劣化 , 在光 纤和 光缆 的结构 设计、生 产、运 输、施工、 维护中应采取针对性的防水措施。 另外 , 光纤通信还存在分路、耦合不方便 , 弯曲半径不能太小等缺点。但应当指出 , 随着研 究的深入和技术的发展 , 光纤通信的这些缺点都已被克服了 , 已经不再影响光纤通信的推广和 应用。在此介绍这些缺点的目的 , 是要求我们在实际应用时尽量避免这些问题的发生。 1. 3 1. 3. 1 光纤通信系统的组成和分类 光纤通信系统的组成 光纤通信系统是以光纤 为传 输媒 介 , 光 波为 载波 的通 信系 统。主 要由 光 发送 机、光 纤 光 缆、中继器和光接收机组成。如图 1. 4 所示 ( 图中只画出了一个传输方向 ) 。此外 , 系统中还包 含了一些互连和光信号处理部件 , 如光纤连接器、隔离器、光开关等。 系统中光发送机的作用是将电信号转换为光 信号 , 并将 生成 的光 信号注 入光 纤。光发 送 机一般由驱动电路、光源和调制器构成 , 如果是直接 强度调 制可 以省去 调制 器 , 这些将 在后 续 章节中详细介绍。 — 6 — 第一章 图 1. 4 概述 光 纤通信 系统 构成 光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。它一般由光电检测器和解 调器组成 , 对于直接强度调制解调器可以省略。 光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介 ( 信道 ) , 将光信号由一处送到另一处。 中继器分为电中继器和光中继器 ( 光放大器 ) 两 种 , 其 主要 作用 就是延 长光 信号的 传输 距 离。电中继器是将经过长途传输损耗了的、有畸变的光信号转换为电信号 , 进行再定时、整形、 再生出规则的电脉冲 , 然后再转换为光信号送入光纤 ; 光中继器 ( 光放大器 ) 不需要进行光 - 电 - 光的转换 , 直接对光信号进行放大 , 因此比较简单。但光放大器不能对被放大信号进行再定 时、整形和再生 , 也就是说 , 它在放大信号的同时 , 也放大了噪声 , 因此 , 一般在连续应用几个光 放大器以后 , 要用一个电中继器进行再定时和整形。 1. 3. 2 光纤通信系统的分类 根据不同的分类方法 , 光纤通信系统可以分为不同的类型。 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。 模拟光纤通信系统的调制信号为模拟信号 , 它具有设备简单的特点 , 一般多用于广电系统传送 视频信号 , 如有线电视的 H F C 网。数字光纤通信系统的 调制信号 是数字 信号 , 它具有 通信 质 量高 , 传输距离远等优点 , 目前得到了广泛的应用。 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。直接调制光纤通信系统是用输入电信号直 接施加 于光 源的驱 动电 路上 , 对光 源的 注 入电流进行调制 , 具有设备简单的特点 , 因此在低速率设备中得到了广泛应用。在直接调制产 生的啾啁噪声影响通信系统的性能时 , 就要采用外调制器将电信号调制在光波上 , 这种系统就 为间接调制光纤通信系统 , 它具有调制速率高的优点 , 因此在一些高速系统中经常采用。 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。 多模光纤通信系统是以多模光纤为传输媒介的光 纤通信 系统 , 早 期应用 较多 , 目 前应用 较少 , 只在部分局域网中还在使用 , 其传输距离短、带宽窄。单模光纤通信系统是以单模光纤为传输 媒介的光纤通信系统 , 其传输距离长 , 传输带宽宽 , 目前被 广泛 应用 于长途 以及 大容量 的通 信 系中。 根据系统的工作波长 , 光纤通信系统可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤通信系统和超 长波长光纤通信系统。短波长光纤通信系统的工作波长为 0. 7~0. 9μm, 由于其线路损耗大 , 传 输距离短 , 早已不再使用。长波长光纤通信系统的工作波长为 1. 1~1. 6μm, 是现在普遍采用的 光纤通信系统, 其损耗小 , 中继距离长。超长波长光纤通信系统的工作波长大于 2μm , 采用的光 纤为非石英光纤 , 具有损耗极低, 中继距离极长的优点 , 是光纤通信的发展方向。 根据不同的分类方法 , 还可以把光纤通信系统分为其它类型 , 这里不再叙述。 复习思考题 1. 第一根光纤是什么时候出现的 ? 其损耗是多少 ? — 7 — 光纤通信原理 2. 试述光纤通信系统的组成及各部分的关系。 3. 光纤通信有哪些优缺点 ? 4. 查阅相关资料 , 简述当前光纤通信系统的商用和实验室速率 ( 单信道、多信道 ) 。 5. 查阅相关资料 , 简述当前光纤研究的一些最新技术。 — 8 — 第二章 光纤和光缆 光纤作为光纤通信系统的物理传输媒介 , 有 着巨 大的优 越性。 简单地 说光 纤就是 用来 导 光的透明介质纤维。光纤虽细 , 但其传输理论 却很 复杂。众 所周 知 , 光 具有 波粒 二象性 , 光 既 可以看 成电 磁波 , 又 可以看 成由 粒子组 成的 粒子 流。因此 , 分 析光 纤中光 的传 输理论 也有 两 套 : 波动光学理论和射线光学 ( 即几何光学 ) 理论。 本章首先介绍光纤的结构与类型 , 然后用射线 光学理 论和 波动 光学理 论重 点分析 光在 阶 跃型光纤中的传输情况 , 最后简要介绍光缆的构造、典型结构与光缆的型号。 2. 1 2. 1. 1 光纤的结构与类型 光纤的结构 光纤 ( Op tical Fibe r , 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、折射率较低的包层和外面的涂覆层 , 如 图 2. 1 所示。纤芯是由高度透明的材料制成的 ; 包层的折射率略小于纤芯的折射率 , 从而造成 一种光波导效应 , 使大部分的电磁场被束缚在纤芯中传输 ; 涂覆层的作用是保护光纤不受水汽 的侵蚀和机械擦伤 , 同时增加光纤的柔韧性 , 它不用来导光 , 因此可以染成各种颜色。 为了满 足 不 同 的 导 光 要 求 , 包 层 有 的 是 单 层 , 有的是多层 ; 涂覆 层一 般分 为 一次 涂 覆 层和 二次涂覆层 , 二次涂覆层是在一次涂覆层 的外面 涂上一层热塑材料 ...
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