光纤通信技术与应用

第1章 光纤通信系统导论 1.1 光纤通信发展过程 1.1.1 探索时期的光通信 光纤通信作为光通信中的一个重要分支，给人类的生活带来无限的便利。人类在很早的时候就开始对光通信进行探索，其历史可以追溯到《史记 周本纪》：“幽王为烽燧大鼓，有寇至则举烽火。”公元前11世纪，西周王朝，烽火台白天点狼粪、晚上燃柴火，以此来传递边关战事。 欧洲人发明的旗语也是典型的光通信案例。旗语，在古代是一种主要的通信方式，现在则是世界各国海军通用的语言。不同旗组表达不同的意思。事实上，如今的海军和陆军都在用旗语，所不同的是，陆军使用的旗语相对简单些，海军使用的旗语与莫尔斯电码一样，由26个英文字母组成，与海军夜间使用的灯光通信一样。即使在通信技术不断进步的今天，有时演习与作战仍要保持无线电静默，因此白天也要用旗语。 上述可以看作是原始形式的光通信。原始光通信的特点是以自然光作为光源（如太阳、火把），以大气作为光波传输的介质，以人眼作为探测器接收光波，因此这种光通信又可称为目视光通信。望远镜的出现，延长了这种目视光通信的距离。但是，这些却不是真正的意义上的光通信，更不是强大的光通信。 1880年，贝尔（Bell）发明了**个光电话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。如图1-1-1所示，光电话系统主要由弧光灯、话筒、振动镜片、透镜、硅电池、抛物镜和受话器组成。 在这里，弧光灯发出的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。这种光电话利用太阳光或弧光灯作光源，通过透镜把光束聚焦在话筒前的振动镜片上，使光强度随话音的变化而变化，实现话音对光强度的调制。在接收端，用抛物镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上，使光信号变换为电流信号，传送到受话器。贝尔光电话仍然沿用大气作为光波的传输介质，加之当时没有理想的光源，这种光电话的传输距离很短，并没有实际应用价值，因而发展很慢。然而，光电话**次采用了人造光源弧光灯作为光源、光电探测器代替人眼作为光波的接收器件，仍是一项伟大的发明，它证明了用光波作为载波传送信息的可行性。因此，可以说贝尔光电话是现代光通信的雏形。1881年，贝尔将这一成果以题为《关于利用光线进行声音的产生与复制》的论文进行了发表。 图1-1-1 贝尔光电话系统 1960年，美国人梅曼（Maiman）发明了**台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激光是一种高度相干光，它的特性与无线电波相似，是一种理想的光载波。激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。与普通光相比，激光具有波谱宽度窄、方向性极好、亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性。 激光器一经问世，人们就模拟无线电通信进行了大气激光通信的研究。以红宝石激光器作为光源在很大程度上延长了光通信的传输距离，明显优于弧光灯系统的传输距离。实验证明：用承载信息的光波，通过大气的传播，实现点对点的通信是可行的，但是通信能力和质量受天气影响十分严重。在大雾天气，它的可见距离很短，遇到雨雪天气也有影响，雨水能造成30dB/km的损耗，浓雾导致的损耗高达120dB/km；即便是在晴朗的天气，大气的密度和温度不均匀，也会造成折射率的变化，使光束位置发生偏移；而且大气通信会受到飞鸟、昆虫及任何可能出现光通道路径上的物体对光路的阻断，造成通信中的误码，影响通信质量。 大气激光通信与贝尔光电话和烽火报警一样，依旧是以大气作为光通道，光传播易受天气的影响。在大气光通信受阻之后，人们将研究的重点转入地下光通信，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验。 在一圆管内安装一系列透镜和反射镜，使光束限制在一定范围内并沿确定路线传播，这就构成了一种波导。 在透镜波导中，当圆管内不是真空时，管内气体受重力作用在其上部和下部形成密度差，光线在传播过程中向密度大的方向弯曲。若环境温度有变化，则在其上部和下部还会形成温度差。当管内上部和下部的温度差为0.01℃时，气体的折射率差是0.00028，这个数字非常小，虽然折射率的这种变化对于传输光线单次后的角度偏转较小，但是当光线在圆管内多次反射后，光束也会发生弯曲。为此，在圆管中心处的透镜的上下边缘放置两个光电导，当挪动透镜的位置使这两个光电导的输出相等时，光束恰好通过透镜的中心，这样就能正常地进行光传输。 透镜波导形成的光束称为高斯光束。用透镜波导的优点是光能集中在有限的范围内，同时，位于圆管中心部位沿直线前进的光线通过透镜中心较厚的部位，而偏离中心的光线虽然传播路径较长，但由于通过透镜较薄的部位，其光程和中心部位通过的光的光程相同，这样就消除了由于光程差而形成的光脉冲时间之差。 气体透镜的结构如图1-1-2所示。将气体泵入圆管之内，同时用电炉丝缠绕圆管从外围给它加热，在稳定的情况下，气体的流动保持层流而不是紊流。圆管中流过的气体呈中心凉而周围热的状态，因而中心的折射率大，周围的折射率小。一旦其中有光束通过，不论在什么情况下光束都向中心折射，这相当于有透镜的情形。与介质透镜波导相比，气体透镜波导可以消除介质透镜的介质吸收损耗及透镜表面的反射损耗。但是，保持气体流动的稳定性是相当困难和麻烦的。 图1-1-2 气体透镜的结构图 反射波导和透镜波导造价昂贵，调整、维护困难。由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。 1.1.2 现代光纤通信 现代光纤通信的模型与贝尔光电话的模型一致。光纤通信系统由光源、调制、传输和接收四个基本部分组成。现代光纤通信的发展可以从两条主线来论述：一是光源的发展，即激光器的发明与发展；二是传输介质—光纤的发明与发展。激光器提供了人造的、可控的、性能优良的光载波发生器，光纤为调制后的光波提供了稳定的低损耗传输通道。 首先来看光纤的发展。在光纤出现以前，人们一直在追寻一种性能稳定的、廉价的、可方便使用的介质来传输光信号。 早在古希腊时期，玻璃制作工人就发现玻璃可以传输可见光。他们利用玻璃的这种性质，制作了各种流光溢彩的玻璃工艺品。19世纪中期，英国的廷德尔（J. Tyndall）利用实验证明光的全反射原理，光线在水中可以实现弯曲传播。1927年，英国的贝尔德（J. G. Baird）提出利用光的全反射现象制成石英光纤，自此人们把注意力集中到了石英这种材料上。早期的光纤只有纤芯，利用空气-石英构成的界面实现光线的全反射。受限于这种开放性结构，经常引起光线的泄漏。为解决这一问题，人们试着在玻璃纤维上涂覆塑料，以降低光线的泄漏，同时也对玻璃芯起一定的保护作用。这时，初步形成了光纤纤芯-包层结构，但由于塑料包层难以做到均匀一致，而且塑料包层与玻璃纤芯之间界面不够平滑理想，光能量损失很大。1955年，美国人西斯乔威兹（B. I. Hirschowitz）把高折射率的玻璃棒插在低折射率的玻璃管中，将它们放在高温炉中拉制，得到玻璃（纤芯）-玻璃（包层）结构的光纤，解决了光纤的泄漏问题。随后这一结构被广泛采用，也就是今天的光纤结构的雏形。但这时光纤的损耗依然非常大，高于1000dB/km，即使是利用优质的光学玻璃制作也无法得到低损耗的光纤。人们曾经一度对玻璃这种材料产生怀疑，转向塑料光纤、液芯光纤的研制。直到英籍华裔科学家高锟（K. C. Kao）和霍克哈姆（G. A. Hockham）深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题。他们发现了这种玻璃纤维引起光能损耗的主要原因：首先是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质；其次是拉制光纤时的工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀。他们还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。1966年，高锟和霍克哈姆发表了题目为《用于光频的光纤表面波导》的论文，指明“通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向，为现代光通信—光纤通信奠定了基础。 1970年，以高锟、霍克哈姆的理论为基础，美国康宁公司的Maurer等首先制备出损耗为17dB/km的光纤。之后，世界各国纷纷开展了低损耗光纤制备的研究。光纤的发展如表1-1-1所示。 表1-1-1 光纤的发展 单模光纤（single mode fiber， SMF）的损耗接近光纤*低损耗的理论极限—瑞利散射理论值。 相较于大气波导和平面型介质波导（如介质透镜、反射镜波导、气体透镜波导等），光纤的制作成本低、工艺简单、适于大量铺设，令光信号可以低损耗、廉价地稳定传输，并使得长距离的光纤通信成为可能。 自此，光通信进入了崭新的局面—光纤通信。发展至今形成了各种各样的光纤。 光纤经历了结构的确定、损耗的降低、折射率的分布调整，发展为现阶段的通信用标准光纤。通信用光纤经过二十几年的发展形成了一系列标准。 国际电信联盟（International Telecommunication Union， ITU）目前将通信用光纤分为G.651、G.652（G.652A、G.652B、G.652C和G.652D）、G.653（G.653A和G.653B）、G.654（G.654A、G.654B和G.654C）、G.655（G.655A、G.655B和G.655C）及用于S+C+L三波段传输的G.656光纤。 （1）G.651光纤，1976年美国贝尔实验室在华盛顿至亚特兰大之间建立的世界上**个实用的光纤通信系统，其传输速率为45Mbit/s，采用的是多模光纤。国际电信联盟-电信标准部（International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector， ITU-T）建议将50/125μm多模光纤定义为G.651光纤，光源为工作波长为850nm发光二极管。G.651光纤标准建议是ITU-T第15组（1997～2000年研究期）创建的**个版本，此后几乎没有修改，但国际电工委员会（International Electrotechnical Commission， IEC）标准对多模光纤的分类不断进行细分和优化，目前有50/125μm（A1a）、62.5/125μm（A1b）和100/140μm（A1d）3个子类。 （2）G.652光纤，1310nm波长性能*佳的单模光纤（也称为非色散位移光纤），是目前较常用的单模光纤之一。由于此种光纤在1310nm具有零色散特性，所以无须进行色散补偿，但损耗>0.2dB/km，主要应用在1310nm波长区中长距离622Mbit/s波分复用系统，以及中短距离、中低容量的通信线路。G.652光纤在1550nm波段有零损耗特性（0.2dB/km）。是否可以设计一种光纤既具有零色散，又有零损耗呢？G.653光纤出现了。 （3）G.653光纤，1550nm波长性能*佳单模光纤［也称为色散位移光纤（dispersion- shifted fiber， DSF）］。为了在1550nm同样得到零色散，人们改变光纤的结构，加大光纤的波导色散，使得光纤的材料色散和波导色散在1550nm处相互抵消。在日本通信干线敷设使用了DSF。这种光纤虽然避免了长距离传输时色散补偿问题，但是波分复用（wavelength division multiplexing， WDM）系统中出现严重的四波混频，因此DSF也并非光纤通信的首选光纤。既要降低1550nm处的色散，又要抑制光纤中的非线性，这就给光纤提出了新的标准，零色散必须出现在1550nm窗口以下或以上，窗口内必须存在适当量的正色散或负色散，色散能够有效地抑制四波混频。这就是后来诞生的G.655光纤。 （4）G.654光纤，为了实现跨洋洲际海底光纤通信，人们又在G.652单模光纤基础上进一步研制出了截止波