光通信基本研讨.doc

光通信基本教程 光纤和光缆 2005年8月 概述 所谓光通信就是利用光波载送信息的通信。在载波技术方面，电磁波的通信已广泛应用于广播、电视等领域，本世纪末，随着数字技术的进步，出现了移动通信等数字无线电波技术。在另一方面，光波作为一种波长很短的无线电波，同样也得到技术突破，目前已成为新一代的有线通信载波。光通信技术的进步，推动了整个信息产业的飞速发展。 光纤发展概况 1960年，梅曼（T.H.Maiman）发明了红宝石激光器，产生了单色相干光，实现了高速的光调制。美国林肯实验室首先研制出利用氦氖激光器通过大气传输彩色电视，利用大气传输光信号具有以下的缺点： 气候严重影响通信，如雾天；大气的密度不均匀，传输不稳定；传输设备之间要求没有阻隔 利用大气传输光波的思想实际上是电磁波传输的技术，光波实质上是频率极高的电磁波（3×1014Hz），其通信的容量比一般的电磁波大万倍以上，如果光通信能够实现，它将具有划时代的意义。 早期，为了避免大气对光传输的干扰，研制了透镜光波导的技术，利用管子进行光传输，在一定距离上设置聚焦透镜，汇聚散射光和诱导光转折，但振动和温度又严重影响了光传输。这种思想，被后来采用直至成功研制成光导纤维。 1966年，英籍华人高锟（C.K.Kao）和Hockham实验证明利用玻璃可以制作光导纤维（Optic Fiber）。但当时的玻璃衰减达1000dB/km，无法用于传输，后经过美国贝尔实验室主席Ian Ross、英国电信研究所（BTRL，BPO）和美国康宁玻璃公司（CORNING）的Maurer等合作，于1970年首先研制成功衰减为20 dB/km的光纤，取得重大突破。之后，各发达国家纷纷开展光纤通信研究，出现了多组成份玻璃光纤、塑料光纤、液芯光纤等，其中利用介质全反射原理导光的石英光纤被广泛采用。石英光纤衰减小，性能高，强度大，见图1-1。 要实现长距离的光纤通信，必须减少光纤的衰减。高锟指出降低玻璃内过度金属杂质离子是降低光纤衰减的主要因素，1974年，光纤衰减降低到2 dB/km。1976年通过研究发现降低玻璃内的OH离子含量就出现地衰减的长波长双窗口：1.3μm和 1.55μm。在1980年，1.55μm波长光纤衰减达到0.2 dB/km，接近理论值。80年代中，又发现水分和潮气长期接触光纤会扩散到石英光纤内，从而使光纤衰减增大且强度降低。于是采用注入油膏于光纤套管中隔绝水气，制成品质完善的光缆用于工程。 要实现大容量的通信，要求光纤有很宽的带宽。单模（SM：Single Mode）光纤的带宽最宽，是理想的传输介质。但是单模光纤纤芯很细，70年代工艺无法做到，因此，多模（MM：Multi Mode）光纤较早应用，光在多模光纤里各模式间存在光程差，造成输出的光信号带宽不宽。1976年日本研制成渐变型（又称自聚焦型，SELFCO）光纤，光纤的带宽达到KHz/km数量级。80年代，单模光纤研制成功，带宽增大到10 KHz/km，这一成就使大容量光通信成为可能，80年代中，零色散波长为1.55μm的光纤研制成功，光纤通信实现长距离超大容量传输。 70年代，光纤的低衰减窗口在近红外区0.85μm的短光波，光源采用GaAlAs（镓铝砷）注入式半导体激光器（LD：Laser Diode）），但是寿命很短。直到研制成功可连续运行的GaAlAs双异质结注入式激光器（Hayashi等），同时也发展了GaAlAs发光二极管（LED：Burrus），LED寿命长，价格低，但谱线宽，速率低，功率笑，属于非相干光源。80年代，研究出了InGaAsP（铟镓砷磷）长波长激光器和LED，现已广泛应用。 光检测器是光接收的主要器件，用于将光信号转变为电信号。主要有用于短波长的Si-PIN管和Si-APD雪崩光电二极管以及适用于长波长的InGaAs/InP的PIN管和APD管，还有Ge-APD管。 由于工程上的需要，各式各样的光无源器件和光仪表也相应出现。如：光活动连接器，光衰减器、光纤熔接机和光时域反射测试仪等。 光纤通信 1976年，美国首先在亚特兰大建成距离为10公里，码率为44Mbit/s的光纤通信系统，80年代，许多国家都建成商用的通信系统。 在此中，发现利用激光器和多模光纤，当光纤机械振动则接收的光信号随机起伏，出现所谓“模式噪声”，因此，用单模光纤的传输介质和激光器光源成为光纤通信的基本方式，80年代中，还发现FP型激光器不能维持单谱线相干性，使输出信号中带有“模分配噪声”，从而使光纤的容量和传输距离受到限制，之后研究出动态单纵模激光器解决了此问题，如：分布反馈（DFB）激光器和更优良的量子阱激光器。这些技术的解决，使超过100km已上无中继，容量到达Gbit/s的光