光纤通信技术概述.pdf

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1、光纤通信技术概述AnIntroductiontoFiber-OpticCommunicationTechnology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

2、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，

3、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

4、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

5、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

6、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141

7、5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10～10Hz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（μm）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。但是，一个新的通信系统的建立和发展，取决于它所能

8、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