光纤通信系统。什么叫光纤通信系统

光纤通信系统

光纤通信系统是以光为载体，采用纯度极高的玻璃制成的极细光纤作为传输介质，通过光电转换和光传输信息的通信系统。随着互联网商业和通信业的飞速发展，信息技术极大地促进了世界生产力和人类社会的发展。光纤通信作为信息技术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技术的两大核心支柱，计算机负责信息的数字化，输入到网络中；光纤负责信息的传输。随着当代社会和经济的发展，信息容量迅速增加。为了提高信息的传输速度和容量，光纤通信在信息技术的发展中得到了广泛的应用，成为继微电子技术之后信息领域的重要技术。

基本光纤通信系统

最基本的光纤通信系统由数据源、光发射机、光信道和光接收机组成。数据源包括所有信号源，即通过源编码的语音、图像、数据等业务信号；光发射机和调制器负责将信号转换成适合在光纤上传输的光信号。光波窗口分别为0.85、1.31和1.55。光通道包括最基本的光纤，以及中继放大器EDFA等；光接收机接收到光信号，从中提取信息，然后将其转换为电信号，最后得到相应的语音、图像、数据等信息。

数字光纤通信系统

光纤传输系统是数字通信的理想信道。与模拟通信相比，数字通信具有灵敏度高、传输质量好等优点。因此，大容量、长距离光纤通信系统大多采用数字传输方式。

在光纤通信系统中，通过二进制数字信号对光源的通断调制而产生的二进制光脉冲“0”码和“1”码在光纤中传输。而数字信号是通过对连续变化的模拟信号进行采样、量化和编码而产生的，称为脉冲编码调制(PCM)。这种电气数字信号称为数字基带信号，由PCM电气终端机产生。

光纤通信系统的基本结构

(1)光发射机

光发射机是实现电到光的转换的光终端。它由光源、驱动器和调制器组成。其作用是通过电气终端机的电信号对光源发出的光波进行调制，然后将调制后的光信号耦合到光纤或电缆上进行传输。终端是传统的电子通信设备。

(2)光接收机

光接收机是实现光/电转换的光终端。它由一个光电探测器和一个光放大器组成。它的作用是将光信号从光纤或光缆传输出去，经过光电探测器转换成电信号，然后，将微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端去漏极。

(3)光纤或光缆

光纤或电缆形成光传输的路径。它的作用是将发送端发出的调光信号经光纤或电缆远距离传输后，耦合到接收端的光探测器上，完成信息传输的任务。

(4)中继器

该中继器由光探测器、光源和判决再生电路组成。它有两个作用：一是补偿光信号在光纤中传输时的衰减；另一种是波形失真的脉冲近似管理。

(5)光纤连接器、耦合器及其他无源器件

因为光纤或光缆的长度受光纤拉拔技术和光缆施工条件的限制，光纤的长度也有限制(如1Km)。因此，一条光纤线可以连接多根光纤。因此，光纤之间的连接，光纤与光终端机的连接与耦合，使用光纤连接器、耦合器等无源器件是必不可少的。

备用系统及辅助设备

为了确保系统平稳运行，通常会设置一个备份系统，比如磁盘的备份。正常情况下，只有主系统工作。一旦主系统出现故障，可以立即切换到备用系统，使通信畅通、正确。

辅助设备是对系统的完善，包括监控管理系统、公共服务通信系统、自动切换系统、报警处理系统、供电系统等。

其中，监控管理系统可以自动监控组成光纤传输系统的各种设备的性能和工作状态。当发生故障时，自动报警和处理，并自动控制保护和开关系统。集中监控是具有多个中继站的长途通信线路和多方向、多系统接入的线路维护中心局的必要维护手段。

现代光通信的真正发展是在最近三四十年间，以激光和光纤的诞生为主导。首先，梅曼在1960年发明了红宝石激光器。激光产生的强相干光为现代光通信提供了可靠的光源。这种单波长激光具有与普通无线电波相同的特性，并且可以被调制以携带信息。早期使用激光的光通信也是通过大气传输的。但人们很快发现，许多因素，如雾、雨、云，甚至一群偶然经过的鸟，都会干扰光波的传播，因此只能用于短距离的通信。显然，需要光波通信传输线，例如无线电频率或微波通信电缆或波导，以克服这些影响并实现长距离稳定的信息传输。

1965年，E. iller报道了一种由一系列透镜组成的金属空心管透镜光波导。它可以避免大气传输的缺陷，但场的结构太复杂，精度太高，不实用。另一方面，对光纤的研究正在顺利进行。早在1951年，玻纤就被发明用于医疗，但这种早期的光纤损耗太大(超过1000dB/km)，不能作为光通信的传输介质。1966年，c.k.o和g.a.h hakman发表了一篇具有历史意义的光纤通信发展的著名论文。在分析了传输损耗高的主要原因后，他们指出，如果能够将玻璃中的杂质完全去除，传输损耗就可以降低到20dB/km——同轴电缆的水平，那么这种光纤就可以用于光通信。在这一愿景的鼓舞下，康宁于1970年开发了20dB/km损耗的光纤，为光纤通信的发展铺平了道路。发现存在三个低损耗传输窗口，即850nm的短波窗和1300nm、1500nm的长波窗。后来，随着新的制造方法的出现和技术水平的不断提高，光纤的损耗降低了。到1979年，单模光纤在1550nm波长处的损耗已降至0.2dB/km，接近石英光纤的理论损耗极限。

而高频率的光波，光纤的带宽资源也十分可观，是其他任何传输介质所无法比拟的。可以说，光纤是通信工作者梦寐以求的理想传输介质，具有近乎完美的品质：

几乎无限带宽；

几乎零损失：

信号失真几乎为零

几乎零能耗

几乎零材料消耗

几乎零空间

价格几乎为零。

因此，光纤是信息高速公路的基础，开创了信息革命的新时代。

在光纤损耗不断降低的同时，光源的发展也非常迅速。1962年，GaAs半导体激光二极管(LD)问世，这意味着现代光通信有了小体积的高速光源。GaAs-LD的发射波长为870nm，掺铝后向光纤短波低损耗窗口移动。后来，GaAs-LD能够在室温下长时间工作。采用季元合金InGaAsP制备了波长为1300nm和1550 nm的LD光源。由于LDS价格昂贵，因此也开发了适合光纤通信的高亮度led。这样，随着符合光纤传输要求的各种波长、高效率、长寿命、高速率半导体光源的研制成功，光纤通信的实际应用和大发展也就水到渠成了。LD输出到单模光纤的功率约为1mW。在光纤通信中，也常用dBm作为功率单位，它是以1mW为单位，用dB相对功率大小表示。

此外，在光接收机的研究方面，各种波长范围内的高效率、高速率半导体光电转换器件(如APD、PIN)也陆续发表。1973年，S.D. Pelsonick发表了一篇分析PCM数字光接收机的论文，解决了现代光纤通信系统中光接收机的设计问题。数字接收机的灵敏度非常高，如2.5Gb/s字母早期可达-30 dBm(1微瓦)。看似很小的1mW传输功率，如果光纤损耗为0.2dB/km，单从损耗来看，传输距离可以达到100km以上。

此外，为了满足系统应用的需要，各种光无源器件(如光纤主动连接数据、光衰减器、光波分复用器、隔离器和分频器等)和专用仪器设备(如光纤接枝机、时域反射计、光功率计等)也在配套商用。

1974年前后，许多国家进行了各种室内光纤通信传输实验。1976年以后，出现了各种实用的光纤通信系统。1980年，AT&T 45Mb/s光纤通信系统FT-3实现商用。20世纪80年代以来，进入了光纤通信的高速发展期，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。到目前为止，商用光纤通信系统已经发展了四代，第一代850nm波长多模光纤(1980-)，第二代1300nm波长单模光纤(1983-)，第三代1550nm单模光纤单频激光系统(1991 -)和第四代光放大器系统(1995-)。世界上铺设的光缆总长度已达几千公里，其中中国已铺设数十万公里，形成了覆盖全国和世界的陆地和海底光纤网络。从2.5-10Gb/s系统已经得到实际和大量的应用，40Gb/s超高速光纤通信技术的进步也非常快。该图显示了通信系统容量的发展情况。可见，只有引入光纤通信后，才实现了指数级增长。

为了充分发挥光纤的带宽潜力，克服光纤损耗和色散的影响，延长中继距离，扩大传输容量，降低成本，一直是光纤通信的发展目标。光纤通信的各种新技术不断出现，提高了系统的范围产品。它几乎每四年增加一个数量级。这些新技术包括：

(1)将有源、无源光器件和系统终端机集成、模块化，提高速度和性能。简化结构，降低成本是系统开发的主要技术基础。

(2)波分复用(WDM)技术，在单光纤上实现超高速、超高容量传输；

(3)光放大器技术，特别是EDFA、掺铒光纤放大器及其在长途干线系统和用户分配系统中的应用；

(4)孤子通信技术；

(5)高速光纤网络技术、全光网络技术等。

开发这些新技术的目的是为了更好地满足日益增长的信息需求。其中，波分复用技术与光放大器的完美结合，极大地提高了光纤通信系统的性能和通信容量，成为现代光通信技术中一颗璀璨的明珠，是通向全光通信网络的桥梁。

数字光纤通信系统的基本结构如图6.1.5所示，包括PCM终端机、输入接口、光发射器(Tx)、光纤线路、光中继器、输出接口和光接收器(Rx)等。

典型的点对点光纤通信系统主要包括收发信息终端、光收发终端、传输光纤等部分。从光发射器到光接收器的是光信息传输通道，称为光通道，它的任务是从头到尾可靠有效地发送信息。各部件的作用如下：

(1) PCM终端机传输的信息信号包括语音、图像和计算机数据等。终端机是常规电气通信中的载体机、图像设备和计算机等终端设备。对于数字通信，将信号在电机中进行A/D和D/A转换，转换成数字信号。

(2)光发射机包括光源(LD或LED)及其驱动电路。对来自电终端的电信号进行编码以调制光源并产生包含信息的光信号，完成电光(E/O)转换。

(3)传输光纤或电缆将光源发出的光信号传输到远端的接收端，接收端可以是多模光纤，也可以是单模光纤。

(4)光接收机完成光电(O/E)转换。接收到的光信号经光探测器检测，转换为电信号，经放大解调，判决再现，送至电终端恢复原始信号。

在长距离光纤通信系统中，每隔一段距离都需要设置一个中继器，将因长距离传输而衰减和失真的光信号转换成电信号，用于光检测。光源经过放大、整形、再生后驱动产生光信号，再送入光纤传输。这是传统的光电中继器(图1.2.2(a))。然而，现在，光放大器。特别是EDFA已经成熟，具有高增益、大输出功率、低噪声、大带宽、码速穿透等特点，完全可以取代光-电光中继器，正在推动光通信技术的革命——新一代全光通信技术(图1.2.2(b))。图1.2.2(c)为WDM系统原理图。在一根光纤中独立传输数、数百乃至数千个波长，通过EDPA中继和放大使传输容量提高数、数百乃至数千倍，代表了新一代高速大容量光纤通信技术的发展方向和研究热点。

几个点对点通信系统的组合构成了一个通信网络(图1.2.3)，以提供远程用户之间的通信。通信网络可分为公共通信网和专用通信网。公共通信网，如电话网和公共数据网，为所有社会用户提供通信服务。专用通信网是为特定用户或单位服务的通信网，如铁路、电力、军队等部门的通信网，以及计算机网、国家网等。这些网络传统上采用电缆或微波，但如今通信信息量剧增，它们已不能胜任，采用光纤通信技术已是大势所趋。

光纤通信技术的基本内容包括：

(1)光纤传输理论与技术，光纤器件；

(2)信号传输原理、调制解调方式、信号编码和信道复用等；

(三)光源和光发射机；

(4)光探测器和光接收器；

(5)光纤通信系统的设计、结构及应用；

(6)光纤通信技术，如光放大器技术、WDM技术、全光网络技术等