毕业设计--光纤通信技术研究现状和应用前景[管理资料]

毕业设计（论文）
题目名称：光纤通信技术研究现状和应用前景学院名称：
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学生姓名：
指导教师：
2011 年05 月
光纤通信技术研究现状和应用前景
Optical fiber communication technology research present situation and application prospect
学院名称：
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2011 年05 月
摘要
此次毕业论文的题目是“光纤通信技术研究现状和应用前景”，将光纤通信技术实现方法原理作为主要研究内容。

通信系统主要涉及信源（发射端）、信道（传输媒介）、信宿（接收端）三个主要部分。

本论文集中研究一种特殊的传输媒介——光纤，针对光纤的基本结构、光纤传输理论以及新型光纤和光纤的基本特性展开研究论述。

采用单独分析和综合分析对比, 重点分析了影响光纤传输的损耗、色散、非线性等因素,针对不同的传输模式、不同的应用场景、不同的需求等，通过对比来分析不同的传输模式、光纤传输特性对光纤通信的影响。

关键词：光纤通信,应用前景，传输损耗，色散，波分复用，光交换，光孤子，全光网络
Abstract
The graduation thesis topic is "optical fiber communications technology research present situation and application prospect", and take optical fiber communication technology realization method as the main research contents of the principle. Communication system mainly involves the source (emission end), channel (transmission medium), XinSu (receiver) three main parts.This paper focuses on the study of a special kind of transmission medium - for fiber optical fiber, basic structure, optical fiber transmission theory and new optical fiber and the basic characteristics of optical fiber launched research paper. Using a separate analysis and comprehensive analysis and comparison, analyzes the influence of optical fiber loss, the dispersion and nonlinearity factors, in view of the different transmission mode, different scenario, different needs, adopt corresponding way, and the compromise in the existing conditions, pertinently put forward rational, effective and design of optical fiber communication systems, economic, this also is the comprehensive discussion paper the conclusion. The analysis shows that the optical fiber communication technology application prospect and cutting-edge technology.
Key words：Optical fiber communication,application prospect, transmission loss , dispersion ,WDM,OSW Optical Switch,optical soliton,All Optical Network
目录
目录 (1)
引言 (1)
1 简述光纤通信技术 (2)
光纤通信技术的发展历史 (2)
光纤通信技术的特点 (5)
光纤通信系统结构 (6)
2 光纤 (9)
光纤的基本结构 (9)
光纤的分类 (10)
光纤传输理论 (12)
光的射线理论[8] (12)
光纤导光的原理[1] (13)
光纤的传输特性 (14)
光纤的衰减 (15)
光纤的色散 (15)
光纤的非线性效应 (16)
新型光纤 (16)
3 光纤通信前景展望 (20)
(20)
(21)
结论 (23)
参考文献 (25)
致谢 (26)
引言
光纤通信，顾名思义，简而言之就是以光为载波，以光导纤维作为传输媒介的一种通信方式。

光纤通信系统使用电磁波谱中的可见光或近红外区域的高频电磁波，运用光反射原理，把光的全反射限制在光纤内部，用光信号取代传统通信方式中的电信号，通过光交换从而实现信息的传递。

在现代前沿通信技术中，光纤通信已成为现代通信的主要支柱，并起着举足轻重的作用。

光纤与以往使用的传输媒介相比，具有诸多显著的传输优点。

因此，光纤通信近年来发展及其迅速，人们将其作为优质、灵活的的传输方式，并被广泛地应用于各种具体的通信传输中，业已成为通信领域的主导技术。

而且，光纤在制备技术、连接方式、传输理论、检测方式等方面，都采用了与铜质电缆不同的、比较独特的理论与方法，也可以说，这是又一次新技术革命的一个里程碑。

本论文将主要概述国内外在通信技术方向的发展历史、研究现状以及应用前景，重点分析了影响光纤传输的损耗、色散、非线性等因素。

在内容安排上，论文第一章简述光纤通信技术的发展历史、光纤通信技术的特点及光纤通信系统的组成；第二章介绍了传输介质——光纤，用射线光学理论和光纤导光原理详细阐述了光纤传输理论，并在此基础上分析了光纤的传输特性，另外还介绍了新型光纤；第三章归结为光纤通信技术的前景展望，重点阐述了光孤子通信和全光网络技术及其及应用前景；紧接着的是此次毕业论文的总结，包含着对此次毕业设计的整个研究工作的归纳，也是本文的思想精髓。

最后是致谢和参考文献部分。

1 简述光纤通信技术
光纤通信技术的发展历史
在光纤问世之前,人们对光通信已经进行了大量的探索,研究及使用,光波是我们最熟悉的电磁波,它的波长在微米级,频率为1014数量级,从图1-1电磁波谱可以看出,红外线、紫外线、可见光均属于光波的范畴。

截至目前为止，光纤通信技术最常使用的波长范围是在近红外区域，可分为短波长波段和长波长波段，～。

目前也主要采用三种通信窗口，、。

采用光导纤维作为光的传输介质的光纤通信发展也只有三、四十年的历史，它 的发展是以1960年美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼设计的红宝石激光
图1-1-1电磁波谱图
器和1966年华人高锟博士提出的利用2iO S 石英玻璃可制成的光纤的设想为基础的，高锟()博士和霍克哈姆()发表了一篇划时代的性的论文，从理
论上预言光纤损耗可降至20dB/Km 以下，预见了低损耗的光纤能够用于通信。

从此，也宣告敲开了光纤通信的大门，引起了更多人的重视。

这种设想到后来成为了现实，1970年美国的康宁（Corning ）公司根据高锟博士的思想，采用化学气相沉积（CVD ）工艺第一个制出衰减少于20dB/Km 的高纯石英光纤，与同轴电缆5～10dB/Km 的损耗相比，还未达到理想的指标，但在当时已为通信工程师们所接受，也因此成为世界上公认的第一根通信光导纤维。

同年，Hayashi 等人研制出了室温下连续运行的的GaAlAs (镓铝砷)双异质结注入式半导体激光器，从而为光通信提供了合适的光源和信道，使光纤进行远距离传输成为可能，从此开启光纤通信的的新纪元。

因此从以上两方面综合来说，1970
年是光纤通信史上十分关键的一年，被赞誉为“光纤通信100 THz 10 THz 1 THz 100 GHz 10 GHz 1 G Hz 100 MHz 10 MH z
1 MHz 1 μm 见光线10 μm 100 μm 1 m m 10 m m 100 m m 1 m 10 m 100 m 中波(MF)短波(H F)米波(VHF)分米波(U HF)厘米波(SHF)毫米波(E HF)亚毫米波远红外线近外线(光纤通信用）频率波长名称
紫外线
年”。

自此以后，光纤通信的研究在世界范围内展开并得到迅猛发展，在短短的三、四十年中，～，～，激光器的寿命已达数十万小时，甚至百万小时。

光纤通信的发展历史如图1-1-2所示。

国外光纤技术发展情况：
①20世纪60年代中期，所研制的最好的光纤损耗在400dB/Km以上；
②；
③1970年康宁公司采用“粉末法”先后获得了损耗低于20dB/Km和4dB/Km 的低损耗石英光纤；
④1974年贝尔实验室采用改进的化学汽相沉积法制出性能优于康宁公司额光纤产品；
⑤1979年，dB/km，这一数值已经十分接近由瑞利散射所决定的石英光纤理论损耗极限；
⑥1988年，第一条跨越大西洋海底，连接美国东海岸同欧洲大陆的光缆开通。

国内光纤技术发展情况：
①1963年开始光通信的研究；
②1977年第一根短波长（）阶跃型石英光纤问世，损耗为300 dB/km；
③1978年，阶跃光纤的衰减降至5 dB/km，同时研制出短波长多模梯度光纤；
④1979年研制出多模长波长光纤，衰减为1 dB/km；
⑤1980年，，；
⑥1990年，，,；
⑦1993年，在掺铒光纤放大器的研究上取得突破性进展，小信号增益达25dB。

⑧相继建成了多条长距离光纤通信网络，我国的“八横八纵”格状国家通信网骨干网也已基本建成，我国铺设光缆的方向已经开始转向城域网等局部性网络，而且随着光通信的发展，高质量、高速度数据传输将进一步得到应用[1]。

光纤通信技术经过近40多年的发展，大致经历了5个发展阶段其中大多已由试验研究进入了实用阶段。

㈠第一代光纤通信系统
1978年，第一代光纤通信系统()正式投入商业应用，光源为半导体激光器（GaAlAs LD）或发光二极管，其工作波长为λ=，该光纤通信系统称为短波通信系统。

信道为均匀多模光纤，～4 dB/km,比特率为20Mb/s～100Mb/s，最大通信容量约为500（Mb/s）·km（通信系统的通信容量通常用比特率与距离积BL表示。

其中，B表示比特率，L表示中继距离），最大中继距离约为10 km。

㈡第二代光纤通信系统
，为第二代早期多模光纤通信系统，光源为InGaAsP半导体激光器，其工作波长为λ=，该波段是石英系光纤的第二个低损耗窗口，有较低的损耗和最低的色散。

信道为均匀多模光纤，由于多模光纤的模间色散，早期产品的比特率会有所限制。

随着由多模光纤发展到单模光纤，单模光纤比多模光纤的损耗更小，色散更低，因此采用单模光纤通信系统可进一步提高系统的比特率和中继距离。

1987年，第二代单模光纤通信系统（，称为长波光纤通信系统）投入了商业运营，，中继距离可达50 km左右[2]。

㈢第三代光纤通信系统
1990年，第三代光纤通信系统已经可以初步投入商业运营，光源为InGaAsP半导体激光器，光电探测器与第二代光纤通信系统同为锗光电探测器，信道为单模光纤，其工作波长为λ=，该光纤通信系统称为长波光纤通信系统。

该波段也是石英系光纤损耗最低的窗口，dB/km的低损耗，是石英光纤的第三个低损耗窗口。

当时由于多纵模常规InGaAsP半导体激光器的谱宽问题未能解决，，也因此而推迟了第三代光纤通信系统的应用。

而后，，研制成功了具有最小色散的色散位移DSF单模光纤和单纵激光器，。

，中继距离大于100 km[2]。

㈣第四代光纤通信系统—相干光纤通信系统
相干光纤通信系统(COFCS)是利用激光的相干性，将无线电通信中采用的“外
差”接收（或“零差”接收）和先进的调制方式（ASK、PSK、FSK）应用到光纤通信中的系统。

相干光纤通信结构图如下图1-2所示。

相干通信系统的两个突出的优点是：灵敏度高和频率选择性好，可用于长途干线通信和综合业务数字网中。

图1-1-3 相干光纤通信系统结构图
㈤第五代光纤通信系统—光孤子通信系统
光孤子通信是利用光纤非线性进行超大容量、超长距离的光纤通信方式。

光孤子的存在是光纤群速度色散GVD和自相位调制SPM平衡的结果，它的产生是由于在单模光纤中，当光的强度增加到一定程度时将出现非线性效应。

20世纪90年代初期光纤放大器的问世引起了光纤通信领域的重大变革，掺铒光纤放大器EDFA用于光孤子放大，进一步提升了高速长距离的潜力，因此光孤子通信是一种具有潜在应用前景的传输方式[2]。

光纤通信技术的特点
光纤通信技术已成为现代通信的基石。

其之所以得到如此飞速的发展，是因为它具有不可比拟的一系列独特的优点[2]。

⑴光纤传输损耗小，中继距离很长且误码率很小。

目前，商品石英光纤损耗可低于0～20dB/km，这样的传输损耗比其他任何传输介质的损耗都低。

dB/km一下，这是以往的任何传输所不能与之相比的，若采用非石英系统极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降的更低。

对于一个长途传输线路，又由于中继站数目的减少，系统成本和复杂性可大大降低。

因此光纤通信系统中的无中继传输距离长，而且相干通信的无中继传输距离可超过200 km。

⑵频带宽、信息容量大。

光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽，特别是密集波分复用技术极大地增加了光纤的传输容量，因此光纤具有极宽的潜在带宽。

现在
单模光纤的带宽可达THz·km 量级，极大的扩大了通信的容量。

⑶ 光纤通信系统无串音干扰、安全性好。

在电波传输的过程中，电磁波的泄漏会造成各传输通道的串扰，而容易被窃听，安全性差。

光纤还是一种介质光波导，可以将光波封闭在其中进行传播，光波在光纤中传输，因为光信号被完善地限制在光波导结构中，而任何泄漏的射线都被环绕光纤的不透明包层所吸收，即使在转弯处，漏出的光波也十分微弱，还有即使光缆内光纤总数很多，相邻信道也不会出现串音干扰，同时在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。

因此在保密通信中具有广泛的应用。

⑷ 抗电磁干扰能力强的优点。

光纤原材料是由石英制成的绝缘体材料，抗高温、抗腐蚀能力强、而且绝缘性好。

与之相联系的一个重要特性是光波导对电磁干扰的免疫力，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受人为释放的电磁干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。

这一点对于强电领域(如电力传输线路和电气化铁道)的通信系统特别有利。

由于能免除电磁脉冲效应，光 纤传输系还特别适合于军事应用。

⑸ 原材料丰富。

制备光纤、光缆的主要原材料2iO S 是地球上储量最丰富的物质。

电缆的主要原材料是铜、铝等有色金属，资源有限，因此使用光纤节约了金属材料，有利于资源合理使用。

⑹ 光纤信道体积小、重量轻、便于传输和铺设的优点。

可制成大芯数高密度光缆；单芯光缆可安装在飞机、火箭、潜艇及航天飞机上。

⑺ 光纤使用寿命长的优点
光纤存在着诸多优点的同时，也有其相应的缺点。

⑴ 光纤性质脆、强度差，需要适当地涂覆加以保护。

此外，弯曲半径不宜太小，为了保证能承受一定的敷设张力，在光纤结构上也需要多加考虑。

⑵ 接口昂贵。

切断和连接光纤时，需要高精度技术，这在连接电缆时是没有的，且分路耦合不方便。

⑶ 不能传送电力。

光纤不能输送中继器所需要的电能。

⑷ 需要特殊的光源。

但这些缺点并不影响它的广泛应用。

可是我们有理由相信随着光纤通信技术的进一步发展，这些不足之处可以很好的得以解决。

光纤通信系统结构
以光波作为载波，以光纤作为传输介质的光纤通信系统，目前主要采用的是强度调制、数字编码、直接检波通信系统。

光纤通信系统可归结为电—光—电的简单
模型，传输的信号先变成电信号，然后转换为光信号它的基本构成如图所示，由光发信机、光收信机、光纤或光缆传输线路、中继器以及光无源器件五个部分组成。

光收信机和光收信机在一起称为光端机[10]。

①光发信机是实现电光转换的光端机。

它由光源、驱动器和调制器组成。

其主要功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，得到已调光信号。

然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆中进行传输。

②光收信机是实现光电转换的光端机。

它由光检测器和光放大器构成。

其主要功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经过光检测器转变成为电信号。

然后再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机。

③光纤或光缆构成光的传输线路。

其主要功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息过程。

④中继器由光检测器、光源以及判决再生电路组成。

其主要作用有两个：一个是对波形失真的脉冲进行整形；另一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减。

⑤光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有受限的。

所以一条光纤线路可能存在多根光纤连接的问题。

因此，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的采用是必需的。

光纤通信传输系统中，要提高传输性能，还必须依靠多信道系统。

常用的复用方式有：波分复用（WDM）、时分复用（TDM）、频分复用（FDM）、空分复用（SDM）、码分复用（CDM）等,当前的光纤通信技术应用中，也就波分复用、时分复用技术较为成熟，而其他方式尚处于试验研究阶段[1]。

①光波分复用。

光波分复用(WDM)技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项新技术。

其基本原理是在发送端将不同波长的光信号复用，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解复用。

由于WDM对长距离、大量波长数的限制，因而不适于波长数较多的情况。

②光时分复用。

时分复用(TDM)技术可解决WDM系统中受激喇曼散射和四波混频效应等限制，同时可以提高光谱带宽效率，还可以与WDM技术相结合，由WDM 构成子网，采用TDM高速信道将WDM互联。

在子网中使用WDM可增强网络的灵活性和可靠性，而TDM则是实现高速传输的有力途径。

时分复用的主要缺点：需要高速的开关器件，此外，在高速传输下，网路的控制、稳定性会受到一定的限制。

而且，如果不采用孤子传输，否则短脉冲的传输受光纤色散和非线性效应的影响很明显。

2 光纤
光纤全称为光导纤维，它是一种能够通光的、直径很细的透明玻璃丝，是一种新的传输介质。

随着通信技术的进一步发展，光纤光缆已逐步取代电缆成为国家通信技术的主干线。

光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称，光纤的基本结构十分简单，是由光折射率较高的纤芯和折射率较低的包层所组成。

纤芯和包层的折射率差异引起光波在纤芯内发生全反射，进而使光在纤芯内传播。

为了保护光纤不受外力和环境的影响，包层的外面还有涂覆层。

光纤的基本结构
光纤的典型结构是一种细长多层同轴圆柱形实体复合纤维。

自内向外为：纤芯(芯层)-→包层-→涂覆层-→护套。

核心部分为纤芯和包层，二者共同构成介质光波导,对光纤的特性起决定性作用，形成对光信号的传导和约束，实现光的传输。

其中纤芯由高度透明的材料制成,作为光波的主要传输通道。

包层的折射率小于略微小于纤芯，以期光的传输性能稳定，涂覆层主要对前两者提供机械保护，同时又增加光纤的柔韧性，起着延长光纤寿命的作用。

图2-1-1光纤的基本结构
光缆是由若干根这样的光纤经一定方式绞合、成缆并外挤保护层构成的实用导光线缆制品。

以下为光缆截面图：
图2-1-2常用光缆制品
光纤的分类
光纤的种类很多，分类方法也是各种各样的。

按照传输模式分类[1]：
①单模光纤。

光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。

单模光纤系统是透明、简单的传输系统，将光限制为单模，大大减少脉冲色散。

单模光纤的纤芯直径较小，约为4～10 μm，通常，纤芯的折射率分布被认为是均匀分布的。

由于传输模式只有一个，因此避免了模间色散、模噪声和多模传输附带的其它效应，单模光纤能实现高速传输，且传输信号的速度远远高于多模光纤，无中继传输距离大于几千米。

由于单模光纤只传输基模，从而完全避免了模间色散，使传输带宽大大加宽，因此，它适用于大容量、长距离的光纤通信。

更需要注意的是，单模光纤中会存在双折射特性和偏振现象。

存在双折射，要产生偏振色散，因而限制系统的传输容量。

许多单模光纤传输系统都要求尽可能减小或消除双折射。

②多模光纤。

在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。

由于模式色散的存在使多模光纤的带宽变窄，但制造、耦合、连接都比单模光纤容易。

阶跃光纤的传输模式很多，各种模式的传输路径不一样，经传输后到达终点的时间也不相同，因而产生时延差，使光脉冲受到展宽。

所以这种光纤的模式色散高，传输频带不宽，传输速率也不高，用于通信不够理想，只适用于短途、低速通信。

以某一角度入射光纤端面并能在纤芯-包层处形成全反射的光线就成为一个光纤的模式。

所谓模式，光纤纤芯中的电场和磁场，包层中的电场和磁场均满足波动方程，但它们的解不是彼此独立的，而是满足在纤芯和包层处电场和磁场的边界条件。

所谓的光纤模式，就是满足边界条件的电磁场波动方程的解，即电磁场的稳态分布。

这种空间分布在传播过程中只有相位的变化，没有形状的变化，且始终满足边界条件，每一种这样的分布对应一种模式。

按照折射率分布的不同分类[1]：
① 阶跃型光纤。

如果纤芯折射率沿半径方向保持一定，包层折射率沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤，称为阶跃型光纤，又可称为均匀光纤。

阶跃折射率单模光纤的性能并不尽如人意，，。

同时，性能最好的光放大器比如掺铒光纤放大器，～，但阶跃折射率单模光纤在这一波段的色散非常大。

② 渐变型光纤。

如果纤芯折射率随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。

这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。

渐变折射率多模光纤通过用纤芯、包层折射率渐变的方式来代替突变边界，从而基本上消除了模式色散，也使渐变折射率多模光纤的传输容量大大增加。

从原理上来说，渐变折射率光纤利用的是折射而不是全内反射传导光，光纤的折射率从光纤中心轴开始向外逐渐减小，在纤芯边界处减小到和包层的折射相同。

渐变折射率光纤也有着自身的局限性,由于存在一些制约因素，如不同模式间相互干扰产生模噪声，而不能适用于高性能多模传输。

按照纤芯和包层材料分类
[1]： ① 石英光纤。

这种光纤的纤芯和包层是由高纯度2iO S 的中掺杂适当的杂质制成的。

其损耗低、 强度和可靠性较高，目前应用最为广泛。

② 塑料光纤。

这种光纤的纤芯和包层都由塑料制成。

总结：①归一化频率V 的表达式：
图2-2 渐变折射率光纤折射率分布图
221201212()22aNA V k a n n an πλπλ
⎧⎪⎪=-=⎨⎪∆⎪⎩ ②光纤中可传播的模式数M 与V 的关系(当V>20):
221()21()4
V M V ⎧⎪⎪=⎨⎪⎪⎩阶跃光纤渐变光纤 归一化频率V 越大，能够传播的模式数就越多。

光纤传输理论
光波从折射率较大的介质入射到折射率较小的介质时,在边界发生反射和折射,当入射角超过临界角时,将发生全反射。

这正是光纤传输的原理。

从光学理论的观点出发，研究光纤中的光波，可以更好地认识光波在光纤中的传播机制以及运用光学理论研究分析阶跃型和渐变型多模光纤的传输特性。

光学理论的基本关系是有关光波反射和折射的菲涅尔定律。

光的射线理论[8]
光在均匀介质中是沿直线传播的，光在分层介质中传播时，如图2-3所示，介质1的折射率为1n ，介质2的折射率为2n ，若
，当光线以较小的角1θ入射到介质界面时，部分光被反射，部分光进入介质2并产生折射，二者之间的比例
取决于两种介质的折射率。

反射定律： 1=R θθ ()21- 2n r θ 1n
12
n n > 1
θ R θ c θ c θ 1c θθ> 入射光
折射光
图2-3光的折射与反射
反射光。