光纤通信新技术的结课报告

光纤通信新技术的应用

光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命。近几年来，随着技术的进步，电信管理体制的改革以及电信市场的逐步全面开放，光纤通信的发展又一次呈现了蓬勃发展的新局面，本文旨在对光纤通信领域的主要发展热点作一简述与展望。

一、光纤通信的概述

1.1光纤通信的发展史

80年代一项最重要的技术发展是光纤通信成为一个主要的国际性产业。用光纤铺设的总长度可以表明其发展的程度。据估计，截止2001年底，全世界铺设的光纤总长度就达3.81亿英里。

1955年，英国科学家卡帕尼，发明了玻璃光导纤维。1960年被称为光纤之父的华人高锟等人首先提出了用低吸收的光纤做光通信。1970年，美国的柯林公司做出了每公里20分贝的低损耗光纤，贝尔实验室研制成功室温连续运转的半导体激光器，这奠定了光纤通信的基础。七八年以后，美国在芝加哥市首先开辟了第一条光纤通信线路。再过10年左右，1.55微米波长的光纤损耗率低到0.2个分贝每公里，这样低的损耗就可以传输很远。在同年，英国的南安普敦大学，发明了掺铒光纤放大器。

1989年美国首次进行了波分复用的光通信实验，是四个频道的，四个通道。1998年，美国实现了密集波分复用的长途光通信，它的传输速率达到每秒一个太比特，从此，我们就进入了这样一个高速的时代，太比特的时代。

中国光通信的历史是在20世纪80年代的上海首先铺设了一条1.8公里的数字光通信线路。20世纪80年代投资的武汉邮电研究院，研制光纤的器件和光纤本身，现在也成为光纤器件的一个最大的研究单位。1995年到1998年，上海交大完成了九五项目，四个节点的全光城域网、实验网。20世纪90年代起，全国各地都普遍铺设和使用单路的光纤通信线路，截止到2004年底，全国敷设光纤总长度已超过350万公里。2000年底中国网通公司建成了3400公里的波分复用的光纤通信网；2001年完成了863项目，中国高速示范网；2000年，国家自然科学基金资助了一个项目，中国高速互联研究实验网。现在，我们国内

有很多的公司可以批量生产光纤通信的系统和器件。

1.2光纤通信的概念

所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。要使光波成为携带信息的载体，必须在发射端对其进行调制，而在接收端把信息从光波中检测出来（解调）。依目前技术水平，大部分采用强度调制与直接检测方式（IM-DD）。典型的数字光纤通信系统方框图如图1-1所示。

图1-1 数字光纤通信系统

从图1-1可以看出，数字光纤通信系统基本上由光发射机、光纤与光接收机组成。在发射端，电端机把模拟信息（如话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发射机中的光源器件（一般是半导体激光器LD），则光源器件就会发出携带信息的光波。如当数字信号为“1”时，光源器件发射一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发射一个“空号”（不发光）。光波经光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的模拟信息。就这样完成了一次通信的全过程。

1.3光纤基础

1.3.1 光纤的结构

通信用光纤主要是由纤芯和包层构成，包层外是涂覆层，整根光纤呈圆柱形。光纤的典型结构如图1-2所示。

图1-2 光纤的典型结构

纤芯的粗细、纤芯材料和包层材料的折射率，对光纤的特性起着决定性的影响。图1-3所示为常用光纤三种基本类型。

图1-3 常用光纤三种基本类型

按照光在光纤中传输模式的不同，分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径极细，一般不到10μm，如图1-5（a）所示；多模光纤的纤芯直径较粗，通常在50μm左右。但从光纤的外观上来看，两种光纤区别不大。

从图中可以看出，在纤芯和包层横截面上，折射率剖面有两种典型的分布。对于多模光纤而言，一种是纤芯和包层折射率沿光纤径向分布都是均匀的，而在纤芯和包层的交界面上，折射率呈阶梯形突变，这种光纤称为突变型光纤，如图1-5（b）所示；另一种是纤芯的折射率不是均匀常数，而是随纤芯径向坐标增加而逐渐减小，一直渐变到等于包层折射率值，因而将这种光纤称为渐变型光纤，如图1-5（c）所示。这两种光纤剖面的共同特点是：纤芯的折射率n1

大于包层折射率n2，这也是光信号在光纤中传输的必要条件。对于突变型光纤而言，它可以使光波在纤芯和包层的交界面形成全反射，引导光波沿纤芯向前传播；对于渐变型光纤而言，它可以使光波在纤芯中产生连续折射，形成穿过光纤轴线的类似于正弦波的光射线，引导光波沿纤芯向前传播，两种光射线轨迹如图1-5（b）、（c）所示。

1.3.2 光纤的基本特性

（1）衰减系数

光纤的损耗主要包括吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种，在弯曲半径较大的情况下，弯曲损耗对光纤衰减系数的影响不大，决定光纤衰减系数的损耗主要是吸收损耗和散射损耗。吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的，是光纤中过量金属杂质和氢氧根离子OH-吸收光而产生的光功率损耗。

散射损耗通常是由于光纤材料密度的微观变化，以及所含SiO2、GeO2和P2O5等成分的浓度不均匀，使得光纤中出现一些折射率分布不均匀的局部区域，从而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部引起损耗；或者在制造光纤的过程中，在纤芯和包层交界面上出现某些缺陷、残留一些气泡和气痕等。这些结构上有缺陷的几何尺寸远大于光波，引起与波长无关的散射损耗，并且将整个光纤损耗谱曲线上移，但这种散射损耗相对前一种散射损耗而言要小得多。

综合以上几个方面的损耗，单模光纤的衰减系数一般分别为0.3～0.4dB/km （1310nm区域）和0.17～0.25dB/km（1550nm区域）。ITU-T G.652建议规定光纤在1310nm和1550nm的衰减系数应分别小于0.5dB/km和0.4dB/km。（注1310nm和1550nm均为波长区）

（2）色散系数

光纤的色散指光纤中携带信号能量的各种模式成分或信号自身的不同频率成分因群速度不同，在传播过程中互相散开，从而引起信号失真的物理现象。一般光纤存在三种色散：

模式色散：光纤中携带同一个频率信号能量的各种模式成分，在传输过程中由于不同模式的时间延迟不同而引起的色散。