论述光纤通信系统的原理及技术发展

论述光纤通信的基本原理、系统构成与技术发展。

随着国际互联网业务和通信业的飞速发展，信息化给世界生产力和人类社会的发展带来了极大的推动。光纤通信作为信息化的主要技术支柱之一，必将成为21世纪最重要的战略性产业。光纤通信技术和计算机技术是信息化的两大核心支柱，计算机负责把信息数字化，输入网络中去；光纤则是担负着信息传输的重任。当代社会和经济发展中，信息容量日益剧增，为提高信息的传输速度和容量，光纤通信被广泛的应用于信息化的发展，成为继微电子技术之后信息领域中的重要技术。

光纤通信的基本原理

光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。光纤传输基于可用光在两种介质界面发生全反射的原理。光纤是由单根玻璃光纤、紧靠纤心的包层、一次涂履层以及套塑保护层组成。纤芯和包层由两种光学性能不同的介质构成，内部的介质对光的折射率比环绕它的介质的折射率高，因此当光从折射率高的一侧射入折射率低的一侧时，只要入射角度大于一个临界值，就会发生反射现象，能量将不受损失。这时包在外围的覆盖层就象不透明的物质一样，防止了光线在穿插过程中从表面逸出。

由发光二极管LED 或注入型激光二极管ILD 发出光信号沿光纤传播，在另一端则有PIN 或APD 光电二极管作为检波器接收信号。为确保信号的有效传输，在光发送端之前需增加光放大器，以提高入纤的光功率，在接收端的光电检测器之后将微信号进行放大，以提高接收能力。

光纤通信系统构成

(1)光发射机

光发射机的功能是把输入的电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光发射机由光源、驱动器和调制器组成，光源是光发射机的核心。光发射机的性能主要取决于光源的特性，对光源的要求是：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)、半导体激光二极管(LD)和动态单纵模分布

反馈(DFB)激光器。也有使用固体激光器作为光源。

光发射机把电信号转换为光信号的过程称为调制。调制方式主要有直接调制和间接调制两种。

(2)光接收机

光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成，光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、噪声低、响应速度快。

（3）光纤或光缆

光纤或光缆构成光的传输通路。其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，完成传送信息任务。

（4）中继器

中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。

（5）光纤连接器、耦合器等无源器件

由于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限度的（如1Km)。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，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使用是必不可少的。

2、备用系统与辅助设备

为了确保系统的畅通，通常设置都有备用系统，就好比对磁盘的备份。正常情况下只有主系统工作，一旦主要系统出现故障，就可以立即切换到备用系统，这样就可以保障通信的畅通和正确无误。辅助设备是对系统的完善，它包括监控管理系统、公务通信系统、自动倒换系统、告警处理系统、电源供给系统等。

其中，监控管理系统可对组成光纤传输系统的各种设备自动进行性能和工作状态的监测，发生故障时会自动告警并予以处理，对保护倒换系统实行自动控制。对于设有多个中继站的长途通信线路及装有通达多方向、多系统的线路维护中心局来说，集中监控是必须采用的维护手段。

光纤通信的发展

近代光纤通信的真正发展则只是近三四十年的事，其中起主导作用的是激光器和光纤的诞生。首先是1960年Maiman发明了红宝石激光器，激光器产生的强相干光为现代光通信提供了可靠的光源。这种单波长的激光具有普通无线电波一样的特性，可对其调制而携带信息。利用激光的早期光通信也是通过大气传输的。但很快发现，许多因素如雾、雨、云，甚至一队偶然飞过的鸟，都会干扰光波的传播，因而只能作短距离通

信。显然，需要一种像射频或微波通信的电缆或波导那样的光波通信传输线，以克服这些影响，实现信息的长距离稳定传输。

1966年，C．K.Kao和G．A.Hockman发表了对光纤通信发展具有历史意义的著名论文。他们在分析了造成光纤传输损耗高的主要原因后指出，如能完全除去玻璃中的杂质，损耗就可降到20dB／km——相当于同轴电缆的水平，那么，光纤就可用来进行光通信。在这种预想的鼓舞下，Corning公司终于在1970年制出了20dB/km损耗的光纤，从而为光纤通信的发展铺平了道路。对光纤谱特性的研究发现，它有3个低损耗的传输窗口，即850nm的短波长窗口和1300nm、1500nm的长波长窗口。而后，随着新的制造方法的出现及工艺水平的不断提高，光纤损耗不断降低。到1979年，单模光纤在1550nm波长的损耗已降到0.2dB／km，接近石英光纤的理论损耗极限。

而且光波频率高，光纤的带宽资源亦十分可观，是任何其他传输媒质无法比拟的。可以这样说，光纤是通信工作者梦寐以求的理想传输媒质，有近乎完美的品质：无限的带宽、零损耗、零信号失真

、零功率消耗和零材料消耗等。

在光纤损耗不断降低的同时，光源研究的进展亦十分迅速。1962年，GaAs半导体激光二极管(LD)问世，意味着现代光通信有了小体积的高速光源。后来，GaAs-LD又实现了室温长时间工作。之后由于LD 昂贵，适合光纤通信的高亮度LED也研制了出来。这样，随着符合光纤传输要求，各种波长、高效率、长寿命、高速率半导体光源的研制成功，光纤通信的实用化及大发展已是水到渠成。

此外，在光接收机的研究方面，各种波长范围的高效率、高速率半导体光电转换器件(如APD、PIN)也陆续问世。为了满足系统应用的需要，各种光无源器件(如光纤活动连接据、光衰减器、光波分复用器、隔离器及分路器等)及专用仪器设备(如光纤嫁接机、时域反射计、光功率计等)也陆续配套商用。

1974年左右，许多国家进行了各种室内的光纤通信传输实验，1976年后出现了各种实用的光纤通信系统,1980年美国电报电话公司的45Mb/s光纤通信系统FT-3实现商用。从20世纪80年代起进入了光纤通信高速发展的时期，经历了从短波长到长波长、从多模光纤到单模光纤、从低速率到高速率的发展过程。至今，商用光纤通信系统的发展已经历四代，即850nm波长多模光纤的第一代系统、1300nm波长单模光纤的第二代系统、1550nm单模光纤单频激光器的第三代系统及采用光放大器的第四代系统。全世界已铺设的光缆总长达几干万公里。从2.5-10Gb/s的系统均已实用化并大量应用，40Gb/s的超高速光纤通信技术进展亦十分迅速。图为通信系统容量的发展图，可见只有采用了光纤通信后才实现指数式的增长。

为了充分发挥光纤的带宽潜力，克服光纤损耗及色散的影响、延长中继距离、扩大传输容量及降低成本，一直是光纤通信的发展目标。各种光纤通信新技术不断出现，系统的码速距离积一再提高．几乎每4年增加一个数量级。这些新技术包括：