通信原理1

光纤通信技术概述

An Introduction to

Fiber-Optic Communication Technology

陈根祥

北京交通大学

全光网与现代通信网教育部重点实验室

光纤通信技术概述

广义而言，通信是指异地间的信息传送与交换，光通信就是用光进行信息传送的通信方式。光通信的历史可以追溯到远古时代，是人类最古老的通信方式之一。在古代，人们常常用火光或烟雾进行一条简单信息的传送，如敌人入侵或战斗结束等。后来，人们学会了以事先约定的规则（编码）用信号灯、旗语等进行较为复杂的信息传递活动。同时，通过采用接力（中继）的方式可以将这些信息传送到很远的地方。直到十九世纪初，这种简单的光通信系统一直是人类的主要通信方式之一，甚至在今天的某些特殊场合仍然被沿用。然而，从现代通信技术的角度来看，其通信速率之低令人难以置信，通常小于每秒一个比特(1bit/s)。

§1 电通信技术的发展

十九世纪三十年代，随着莫尔斯发明电报，人类迎来了电通信时代。电报采用两种不同长度的电脉冲进行编码，是一种数字通信技术，通信速率达到了10bit/s。1876年，A. G. Bell发明了用电流的连续变化进行语音传送的模拟电通信系统，即电话。在随后的近一个世纪时间里，模拟通信系统一直占据着通信技术领域的主导地位。

随着世界范围内电话通信网的建设，对通信干线传输带宽和容量的需求迅速增长，并导致了通信领域的多项技术进步。为了使电信号的发送、传输和接收更加方便和有效，并通过频谱分割复用（频分复用）的方式充分利用传输介质（信道）的带宽资源以增大系统容量，采用了将电信号迭加（调制）在以某一频率振荡的电磁波（载波）上进行发送和传输，在接收端通过检波等方式恢复出原始电信号（解调）的技术。根据载波频段在电磁波频谱中位置的不同，相应的通信系统所要求的设备技术、传输介质和通信能力也不同。通常情况下，系统所能达到的调制带宽为其载波频率的约十分之一，系统传输容量的大小直接受系统载波频率的限制。因此，设法提高系统的载波频率是增加系统传输容量的一条根本途径。图1.1给出了从射频（RF）到紫外区域的电磁波频谱图。

图1.1 电磁波频谱图

另一方面，由于模拟信号在长距离传输过程中所积累的噪声和波形畸变很难通过中继的方式加以消除，抗干扰能力较差，同时也不易于进行保密通信等方面的原因，从二十世纪四十年代开始，基于脉冲编码调制（PCM）的数字通信技术开始出现，并采用时隙分割复用（时分复用）的方式实现多路数字信号在同一信道上的传输。随着计算机和大规模集成电路的出现，数字通信技术更加显示出其在抗干扰、保密通信、设备集成化

和标准化、交换技术以及对各种信息（语音、视频、数据等）透明等方面的巨大优势。然而，数字通信的上述优点是以占用比模拟通信大的多的信道带宽资源为代价而取得的。系统传输速率（比特率）越高，每一比特（脉冲）所占用的时间间隙越短，变换到频域后，表现为占用更大的频带宽度。因此，通过提高载波频率，尽可能增大通信系统的信道带宽是推动通信技术向前发展最基本的途径之一，也是充分利用数字通信技术的优势逐步取代模拟通信系统的前提和基础。 由于电磁辐射的存在，一般的双绞线不适宜进行高频电磁波和高速信号的传输，信道带宽极其有限。采用同轴电缆可以使载波频率提升到3～10MHz ，进一步提高载波频率将使电磁波在同轴电缆内的传输损耗迅速增加。微波通信技术的应用使通信频率进一步提升至1～10GHz 频段。在1940～1970年期间，同轴和微波通信系统的实际应用使得通信速率显著提高，达到了～100Mbit/s 的水平。但由于传输损耗等因素的存在，系统的中继距离仅为一至数公里。 系统的速率－传输距离乘积BL 是一个被广泛采用并能够较为全面地反映系统通信能力的技术指标，其中B 为系统的传输速率（bit/s ），L 为系统的中继距离。由于来自载波频率和传输介质特性等基本物理因素的制约，到二十世纪七十年代，电信系统的速率－距离乘积一直被限制在100(Mbit/s)-km 的水平。

§2 光通信的必要性及其技术基础 光波是波长位于红外、可见光和紫外光区域的电磁波，其振荡频率为～Hz 数量级，是微波的10万～100万倍。因此，使用光载波进行通信无疑可以使系统的通信容量得到飞跃式的提升，同时利用数字技术大幅度提高通信网的规模和业务量，具有十分巨大的吸引力和实际意义。此外，由于光波波长在微米（μ）量级，光波通信系统不仅拥有大容量、宽带宽的特点，而且还具有能量集中程度高、器件尺寸小和低功耗等许多潜在的优点。因此，把通信系统的载波频率推进到光频区域，将会对通信技术发展产生广泛而深刻的影响，并引发历史性的技术变革。 14101510m 但是，一个新的通信系统的建立和发展，取决于它所能采用的发送装置、传输媒质

和接收设备等系统构成要素的技术和特性。光波系统与射频或微波通信系统有着本质上的不同。首先，光频所对应的电磁波具有非常小的波长，因此光波器件的尺寸将显著减小，其设计和制作技术也必定与射频系统所需的电子器件完全不同；其次，光波长几乎与分子和其他微粒的尺寸相当，由于光散射和衍射效应，一般的传输媒质将对光载波的传输产生不利的影响。 早在19世纪，A. G . Bell 即用一束光线在长达数百米的距离上进行过话音传送，贝尔研究所也曾进行过利用可见光通信的实验。但由于当时所具备的光源、光调制、光接收和传输媒质等技术水平尚不足以显示出光通信所具有的任何优点，因此这些早期的工作并没有引起人们对其进行持续研究的兴趣。直到20世纪50年代末和60年代初，激光器的发明和实验室验证给光波系统的发展带来了光明的前景。尤其是半导体激光器（LD ）、发光二极管（LED ）和半导体光电检测器（PD ）的出现，由于它们具有可用电信号进行直接调制、小型化、高可靠性和低成本的巨大潜力而成为近乎理想的光发送和光接收器

件。在这些工作之后，寻找适合于光载波传输的媒质具有特别重要的意义，并成为光通信开发研究工作的主要方面。

光波可以通过大气和自由空间进行传播，是天然的光学信道。在没有障碍物的情况下，携带信息的激光信号可以通过大气传输到达光电探测器，构成所谓空间光通信系统。但是构建空间光通信系统存在如下一些基本的问题。首先，尘埃、雨雪和大雾等大气介质的不稳定性以及由此而引起的传输损耗问题会导致在某些情况下通信的中断。其次，由太阳、月亮、星系以及各种民用光源所产生的背景光进入探测器直接转变为系统的噪声。此外，即使是方向性最好的激光束在传输过程中也存在光束发散的问题，当传输距离较大时，这种发散将非常严重，导致到达探测器表面的光功率显著减少，并引起系统性能的劣化。由于光在大气中的直线传播，发送机光源与探测器之间必须进行严格的对准，并在整个通信过程中能够随时对对准偏差进行自动校正。这些问题使得建立商用化大容量空间光通信系统的可能性变得十分渺茫，长期以来，相关技术和设备的研究也没有受到太多的重视。近年来，随着太空技术和光电子器件技术的发展，空间光通信在航空航天器之间、航空航天器与地面基站之间以及野战条件下的军事通信等特殊领域的应用方面所具有的优势开始显现，正逐渐受到通信研究领域的重视，甚至在某些场合已经得到了初步的实际应用。

光纤是具有圆对称结构的介质光波导纤维，通常由芯子和包层两部分组成，其中芯子具有较高的折射率。在芯子和包层分界面上满足全反射条件的光线将被约束在光纤内不断向前传输，形成对光的定向导引。用光纤进行光信号的传输可以克服前面所提到的空间光学信道所面临的所有问题，是最具研究和开发潜力的光载波传输介质。因此，在激光器问世之后，很多研究机构即开展了对各种光纤的研制以及用光纤进行光载波传输的研究。但是直到20世纪60年代中期，所研制的最好的光纤也具有400dB/km以上的损耗。这一结果意味着将光纤用于长距离光波传输系统的希望十分渺茫。1966年，英国标准电信研究所的华裔学者高琨及其同事Hockham首次从理论上推测出石英材料光纤的损耗可以降低到20dB/km的水平。正是这一惊人的预言使人们看到了光纤通信技术即将来临的曙光，也使得国际上多家大型研究机构和公司开始投入大量的人力物力对低损耗光纤展开大规模的研究，并在很短的时间内即将光纤的损耗降低到可以实际应用的水平。

由于纯SiO2具有已知的最低光学损耗，这些工作主要集中在石英光纤的研究上。日本于1969年首先研制出第一条通信用光纤，但其损耗仍然超过100dB/km。与此同时，美国的康宁公司和贝尔研究所各自独立地开发出可以用于制作低损耗光纤的内容十分相近的技术。康宁公司于1970年采用所谓“粉末法（Soot Method）”先后获得了损耗低于

20dB/km和4dB/km的低损耗石英光纤，其芯子微量掺锗以提高其折射率。而贝尔研究所

则采用改进的化学汽相沉积法（MCVD法）于1974年研制出性能优于康宁公司光纤的产品，并发现掺硼可以使SiO2玻璃的折射率降低。目前，MCVD法仍然是光纤制作最广泛使用的方法之一。同时英国的多家研究机构合作也研制出了损耗降低到4～7dB/km范围内的光纤。

除MCVD法之外，外部汽相沉积法（OVD法）、轴向汽相沉积法（V AD法）等光纤制作技术也陆续得到发展并趋于成熟，光纤的传输损耗也得以显著降低。到1979年，掺锗

μ处的损耗被降低到0.2dB/km，这一数值已十分接近由Rayleigh散射损石英光纤在1.55m

耗所决定的石英光纤理论损耗极限。图1.2为石英光纤损耗谱的一个典型结果，由图可见，