光纖通信系統(tǒng)（第4版）

緒

論光通信（OpticalCommunication）

利用某種特定波長（頻率）的光波信號承載信息，并將此光信號通過特定信道傳送到對方，最終還原出原始信息的過程。

根據(jù)所使用的傳輸媒質不同，光通信或光波通信（LightwaveCommunication）可以分為光纖通信（OpticalFiberCommunication）

使用光導纖維為傳輸媒質，是目前光通信的主要應用形式；自由空間光通信（FreeSpaceCommunication）

在大氣信道或水下信道中直接傳輸光信號，可以進一步地分為可見光通信（VisibleLightCommunication）和水下光通信（UnderwaterOpticalCommunication）等不同形式。1.1光纖通信的產(chǎn)生與發(fā)展1.1.1光通信的產(chǎn)生墨翟（約公元前479年-381）

亞里士多德（公元前384—322）

伊本·海賽姆（公元965—1040）人類很早就注意到自然界中光傳播的一些物理屬性，早在公元前四百年左右，我國春秋時期墨家學派的創(chuàng)始人墨翟對光的傳播機理開展了早期的研究。西方最早觀測和記載小孔成像現(xiàn)象的是希臘哲學家亞里士多德。中世紀阿拉伯數(shù)學家、自然科學家和哲學家伊本·海賽姆是西方最早系統(tǒng)地開展對光的本質及光學原理進行研究的人用光傳遞信息（光通信）的早期嘗試克孜爾尕哈烽燧，中國新疆，目前存世最早的漢代烽燧（烽火臺）遺址萬里長城，中國北部全球規(guī)模最大的烽燧傳信系統(tǒng)影視作品中的烽燧通信**出自電影《指環(huán)王3》近代以來光通信的嘗試ClaudeChappe（1763-1805）1792年，法國發(fā)明家ClaudeChappe首次提出并現(xiàn)場實驗了其稱為“光電報”（Semaphoreline）的帶有中繼的通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過信號塔上木質長臂旋轉不同的位置以代表字母組合，可以看作是一種視距范圍內的可見光通信方式。1793年，Chappe在巴黎和里爾之間建設了第一個實用化系統(tǒng)，相鄰信號站之間大約10~15公里，天氣晴朗時傳送每個符號需要20~30秒。A.G.Bell和光電話1880年，美國人亞歷山大·格雷厄姆·貝爾（A.G.Bell，1847-1922）發(fā)明了光電話，這被認為是現(xiàn)代意義光通信的起源。貝爾利用弧光作光源，弧光燈發(fā)出恒定亮度的光束并投射在送話器的薄膜上；薄膜隨發(fā)送端的人聲而振動，使得接收端接收到的光束強弱變化就可以反映出聲音的振動規(guī)律。在接收端利用一個大型的拋物面反射鏡，把發(fā)送端送來的隨著聲音變化的光反射到硅光電池上，硅光電池轉變的光電流再送給受話器還原出原始話音，就完成了發(fā)送和接收的過程。實用化光通信面臨的挑戰(zhàn)適宜的光源

亮度高、穩(wěn)定性好、壽命長……具有較好傳輸性能的媒質

損耗低、性能穩(wěn)定……現(xiàn)代光纖通信理論的誕生高錕和Hockham發(fā)表的光纖通信理論奠基論文高錕在實驗室工作場景高錕在2009年諾貝爾物理學獎頒獎現(xiàn)場1.1.2光纖通信發(fā)展歷程1973年，貝爾實驗室發(fā)明了改進的化學氣相沉積（MCVD）方法，使用該方法制造出的石英光纖的損耗系數(shù)下降到1dB/km級；1974年，日本解決了光纜的現(xiàn)場敷設及接續(xù)問題；1975年出現(xiàn)了光纖活動連接器，解決了光纖線路和傳輸系統(tǒng)間的重復性連接問題；1976年，日本把光纖的損耗降低到0.5dB/km；同年，美國實現(xiàn)了系統(tǒng)容量為44.736Mbit/s，傳輸距離為10km的光纖通信系統(tǒng)現(xiàn)場試驗；1977年，美國和日本幾乎同時研制成功壽命達10萬小時（實用中壽命可達10年左右）的半導體激光器；同年，世界上首個商用光纖通信系統(tǒng)在美國芝加哥開通；1979年，美國和日本先后研制出工作波長為1550nm的半導體激光器，日本制造出了超低損耗光纖（0.2dB/km，工作波長1550nm），同時進行了采用多模光纖、工作在1310nm波長光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗；到了20世紀80年代，采用多模光纖的光纖通信系統(tǒng)已投入商用，單模光纖通信系統(tǒng)也進行了現(xiàn)場試驗。早期光纖通信現(xiàn)場實驗和部署1976年，美國亞特蘭大首個商用部署的光纖通信系統(tǒng)1976年，中國武漢郵電學院趙梓森團隊拉制成功首根國產(chǎn)光纖光纖通信系統(tǒng)發(fā)展歷程第一代光纖通信系統(tǒng)在20世紀70年代末期投入使用，多為工作波長在850nm波段的多模光纖通信系統(tǒng)。光纖的損耗系數(shù)典型值為2.5～4.0dB/km，系統(tǒng)容量（傳輸速率）最高為34~45Mbit/s，中繼距離為8～10km。隨后，工作波長為1310nm的多模通信光纖系統(tǒng)開始投入使用，光纖損耗系數(shù)下降為0.55～1.0dB/km，系統(tǒng)傳輸容量達到140Mbit/s，中繼距離可達20～30km。第二代光纖通信系統(tǒng)在20世紀80年代中期投入使用，多為工作波長在1310nm波段的單模光纖通信系統(tǒng)。光纖損耗系數(shù)典型值為0.3～0.5dB/km，商用系統(tǒng)的最高傳輸容量可達140~565Mbit/s，中繼距離約為50km。第三代光纖通信系統(tǒng)在20世紀80年代后期投入使用，多是工作波長在1550nm波段的單模光纖通信系統(tǒng)。光纖損耗系數(shù)進一步下降到0.22~0.25dB/km，傳輸速率達2.5～10Gbit/s，中繼距離可超過100km。第四代光纖通信系統(tǒng)在20世紀90年代至今應用，一方面普遍采用了光放大器來增加中繼距離，同時采用波分復用/頻分復用（WDM/FDM）技術來提高傳輸速率。目前商用系統(tǒng)中單信道最高傳輸容量可達100Gbit/s級別，系統(tǒng)總傳輸容量可達1~10Tbit/s級，在實驗室中最高的系統(tǒng)容量已經(jīng)達到100Tbit/s級~1Pbit/s級。1.2光纖通信系統(tǒng)的構成光纖通信系統(tǒng)構成示例光纖通信系統(tǒng)中的主要部件（單元）1.光纖。光纖是光信號的傳輸媒質，對光纖的基本要求是其傳輸參數(shù)如損耗、色散和非線性等性能優(yōu)良。實際工程中一般使用的是由多根光纖和包括加強元件和外部護套等絞合在一起組成的光纜。2.光源和光發(fā)送機。實現(xiàn)電信號轉換為光信號的是光發(fā)送機，光發(fā)送機的核心器件是光源（器件），包括半導體激光器（LD）和半導體發(fā)光二極管（LED）兩種類型，其中高速率大容量系統(tǒng)主要使用的是LD，LED則適用于較低容量和短距離通信系統(tǒng)。3.光檢測器和光接收機。光接收機主要功能是將經(jīng)長距離光纖線路傳輸后產(chǎn)生畸變和功率損失的微弱光信號轉換為電信號，并經(jīng)放大、再生恢復為原來的電信號且保證足夠的誤碼率或信噪比性能。光接收機主要由光檢測器、各級放大器和相關電路組成，光檢測器主要有光電二極管（PIN）和雪崩光電二極管（APD），工作方式包括直接檢測和相干（外差）檢測，相干檢測是目前光纖通信系統(tǒng)中主要的檢測形式。4.其他無源及有源器件。包括各類光纖連接器、調制器、耦合器、濾波器、光開關、環(huán)行器等。5.光放大器。光放大器可以不將光信號轉換為電信號而直接對其進行放大，是解決高速率大容量光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)闹匾骷?，也是克服各種損耗的主要器件。主要包括光纖放大器和非線性光放大器兩類。1.3光纖通信的應用和發(fā)展1.3.1光纖通信系統(tǒng)的特點1.傳輸速率高，系統(tǒng)容量大2.傳輸損耗小，中繼距離長3.信號泄漏小，保密性能好4.制造成本低，對環(huán)境友好5.抗電磁干擾，適用場合廣6.體積重量小，工程敷設易1.3.2光纖通信系統(tǒng)的類型（1）按傳輸信號分類

模擬光纖通信系統(tǒng)：用模擬信號對光源調制并進行傳輸?shù)南到y(tǒng)。

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)：用數(shù)字信號對光源調制并進行傳輸?shù)南到y(tǒng)。（2）按調制方式分類

直接（強度）調制光纖通信系統(tǒng)

相干（外差）調制光纖通信系統(tǒng)。（3）按光纖的傳輸特性分類

多模光纖通信系統(tǒng)：使用多模光纖作為傳輸媒質的系統(tǒng)。

單模光纖通信系統(tǒng)：使用單模光纖作為傳輸媒質的系統(tǒng)。（4）按使用的光波長分類

短波長光纖通信系統(tǒng)。

長波長光纖通信系統(tǒng)。

超長波長光纖通信系統(tǒng)。1.3.3光纖通信的發(fā)展趨勢1.超大容量和超長距離傳輸2.全光網(wǎng)3.人工智能賦能的軟件定義光網(wǎng)絡1.4光纖通信中的基本概念1.4.1模擬與數(shù)字信號通信系統(tǒng)中傳輸?shù)男畔⑼ǔ？梢苑譃槟M（analog）和數(shù)字（digital）信號兩類，最常見的是模擬形式和數(shù)字形式的電信號，據(jù)此可以分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)兩類。模擬信號傳輸過程中會受到失真和附加噪聲的影響，這些影響會隨著傳輸距離的增加而逐漸積累。對于模擬信號而言，由于無法從已失真的信號準確無誤地推知出原始不失真的信號，因此傳輸質量的保證是較為困難的。與模擬信號需要重現(xiàn)完整的原始信號不同，數(shù)字信號傳輸過程中的信號幅度是有限個的，對于二進制系統(tǒng)而言接收端抽樣判決后只需辨別是兩種狀態(tài)中的哪一個即可正常接收，同時數(shù)字通信系統(tǒng)可以在傳輸過程中引入加密及編碼等技術，以更好地抵御噪聲等干擾?，F(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)系統(tǒng)多為數(shù)字通信系統(tǒng)。1.4.2復用與多址技術通信系統(tǒng)中常用的復用技術包括空分復用（SDN）、時分復用（TDM）、頻分復用（FDM）、碼分復用（CDM）、極分復用（PDM）等。多址技術與復用技術類似，主要是指把多個用戶按照特定規(guī)則接入一個公共傳輸媒質，實現(xiàn)各用戶之間通信的技術。多址技術多用于無線通信，也稱為多址連接技術，主要包括頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）、空分多址(SDMA)等。光纖通信中常用復用技術包括時分、波分（頻分）、空分和碼分等，對應地，多址技術包括空分多址、時分多址、空分多址和碼分多址等。1.4.3常用單位與量綱1.波長與頻率范圍頻譜名稱縮寫頻率范圍波段波長范圍極低頻ELF3Hz–30Hz極長波100,000千米–10,000千米超低頻SLF30Hz–300Hz超長波10,000千米–1,000千米特低頻ULF300Hz–3KHz特長波1,000千米–100千米甚低頻VLF3KHz–30KHz甚長波100千米–10千米低頻LF30KHz–300KHz長波10千米–1千米中頻MF300KHz–3MHz中波1千米–100米高頻HF3MHz–30MHz短波100米–10米甚高頻VHF30MHz–300MHz米波10米–1米特高頻UHF300MHz–3GHz分米波1米–100毫米超高頻SHF3GHz–30GHz厘米波100毫米–10毫米極高頻EHF30GHz–300GHz毫米波10毫米–1毫米

>300GHz

<1毫米光纖通信中使用的頻段O波段：Originalband(O-band):1260——1360nmE波段：Extendedband(E-band):1360——1460nmS波段：Shortband(S-band):1460——1530nm(較C-band短)C波段：Conventionalband(C-band):1530——1565nm(光纖放大器主要工作波段)L波段：Longband(L-band):1565——1625nm(較C-band長)U波段：Ultra-longband(U-band):1625——1675nmO-BandE-BandS-BandC-BandL-BandU-Band1260136014601530156516251675Wavelength(nm)2.分貝及對數(shù)單位在包括光纖通信系統(tǒng)在內的許多通信系統(tǒng)中，規(guī)劃、設計和分析系統(tǒng)性能時需要涉及多個參數(shù)，如發(fā)送機的發(fā)送功率、接收機的靈敏度、傳輸鏈路的損耗、信噪比等。由于通信系統(tǒng)中許多參數(shù)絕對值較小或相對變化范圍較大，因此一般采用對數(shù)單位較為適宜和常見，其單位為分貝（dB），定義為如圖中所示，該鏈路的傳輸損耗可以表示為

相對電平和絕對電平采用對數(shù)單位不僅可以直觀地表示兩個絕對值相差較大的參數(shù)，如相差10倍