光纤通信系统与网络第1章.ppt

第1章　光纤通信概论 1第第1章　光纤通信概论章　光纤通信概论 1.1　光纤通信发展历程　光纤通信发展历程 1.2　光纤通信的系统构成　光纤通信的系统构成 1.3　光纤通信的特点　光纤通信的特点 1.4　光纤通信新技术　光纤通信新技术 第1章　光纤通信概论 21.1　光纤通信发展历程　光纤通信发展历程1.1.1　光纤通信的产生与发展　光纤通信的产生与发展　　　　1.目视光通信目视光通信　　人类社会发展中的远距离通信的主流是光通信，电气通信的历史不过一百多年从古埃及、古中国、古希腊和古罗马时代至发明莫尔斯电报的数千年间，远距离通信主要为目视光通信三千多年前我国周朝就利用烽火台的火光火光传送敌情消息，到了近现代，战争中用信号弹信号弹指挥作战、城市使用信号灯信号灯指挥交通等传递信息的方式均可称为目视光通信我们现在经常提到的光纤通信与这些简单的视觉光通信完全不同，光纤通信是由光通信逐步发展、演变而来的，是指以光波作载波传送信息是指以光波作载波传送信息的通信方式的通信方式 第1章　光纤通信概论 32.贝尔的光贝尔的光1880年，美国人贝尔年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音发明了用光波作载波传送话音的的“光光”。

第1章　光纤通信概论 4光话机 原 理 图弧光灯ABMNL送话器缺点：没有理想的光源和传光媒质没有理想的光源和传光媒质,传光距离短可靠性差传光距离短可靠性差第1章　光纤通信概论 61960年，美国人梅曼年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器发明了第一台红宝石激光器 激光激光(Laser)：激光是一种高度相干光：激光是一种高度相干光①①，是一种理想的光载波是一种理想的光载波波谱窄波谱窄方向性好方向性好亮度高亮度高频率和相位一致频率和相位一致第一台激光器，输出功率第一台激光器，输出功率为为10 000瓦，发出的激光瓦，发出的激光强度为阳光的强度为阳光的1000万倍　　3.激光器大气通信激光器大气通信第1章　光纤通信概论 7　　　　4.透镜波导光波通信透镜波导光波通信　　为了不使光波受大气层中各种因素的干扰，人们进行了光波地下传输的各种试验，即透镜波导光波传输系统透镜波导就是在金属管道内，每隔一定距离放置一个聚焦透镜，使光波在管道中不断地边聚焦边向前传输边聚焦边向前传输，实验是成功的，但由于现场施工十分复杂，对每个透镜或反射镜要进行严格的校准和牢固的安装，系统造价昂贵，调整、测试、维修都很困难，因此实用意义不大。

但这项实验对光纤通信的发展还是有贡献的，因为光纤的导光原理与透镜波导光波的原理基本相似，只是光纤导光原理的构思更巧妙、使用更合理第1章　光纤通信概论 8包括：光圈式波导，透镜列阵波导，反射镜列阵波导，气体透镜波导，介质薄模波导，空心金属圆波导及介质表面波导线路He-Ne激光器进入实用阶段 ，从微波通信转向光通信研究第1章　光纤通信概论 10 1966年，英籍华裔学者年，英籍华裔学者高锟高锟(C.K.Kao)和和霍克哈姆霍克哈姆(C.A.Hockham) 指出利用光纤指出利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础光纤通信的基础石英的损耗石英的损耗1000dB/kmØ玻璃纤维引起光损耗的主要玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质；铁与锰等金属离子和其他杂质；Ø拉制光纤时工艺技术造成了芯、拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀；折射率不均匀；Ø发现一些玻璃纤维在红外光区的发现一些玻璃纤维在红外光区的Ø损耗较小。

损耗较小5.光纤通信的诞生与迅速发展光纤通信的诞生与迅速发展　　1）光纤的产生第1章　光纤通信概论 11　　2）光纤通信迅速发展　　1974年贝尔实验室发明了制造低损耗光纤的方法，使光纤损耗下降到1dB/km；而日本电报公司研制出了更低损耗的光纤，损耗下降到0.5dB/km美国于1976年在亚特兰大成功地进行了码速为44.7Mb/s的光纤通信系统试验；日本也于同年开始了64km、32Mb/s光纤通信系统的室内试验 第1章　光纤通信概论 121970 年年 ，， 美美 国国 康康 宁宁 (Corning)公公 司司 首首 次次 研研 制制 成成 功功 损损 耗耗20dB/km的石英的石英光纤光纤 波长为波长为1.55 μm的光纤损耗：的光纤损耗： 1979 年年,0.20 dB/km 1984年年, 0.157 dB/km 1986 年年,0.154 dB/km 1972年，年， 4dB/km 1973 年，年，2.5dB/km 1974 年年, 1.1dB/km——贝尔实验室贝尔实验室 1976 年，年，0.47dB/km(波长波长1.2μm)。

　2）光纤通信迅速发展第1章　光纤通信概论 13 1970 年，光纤通信用的年，光纤通信用的光源光源也取得了实质性的进展也取得了实质性的进展 美美国国贝贝尔尔实实验验室室、、日日本本电电气气公公司司(NEC)和和前前苏苏联联研研制制成成功功室室温温下下连连续续工作的半导体激光器工作的半导体激光器(短波长短波长) 1973 年，年，7000小时 1977年，年，10万小时万小时(约约11.4年年)4））1976年，美国在年，美国在ATLANTA进行世界第一个光纤通信的进行世界第一个光纤通信的 实验，速率实验，速率44.7M，距离，距离10KM 随后美国很快敷设了东西干线和南北干线，穿越随后美国很快敷设了东西干线和南北干线，穿越22个州光缆总长达个州光缆总长达5×104 km第1章　光纤通信概论 151.1.2　光纤通信发展趋势　光纤通信发展趋势　　　　1.宽带通信业务需求激增、光纤通信向超高速系统发展宽带通信业务需求激增、光纤通信向超高速系统发展　　光纤产品的大规模采用成为全球宽带通信网络飞速发展的有力基础网络的扩张网络的扩张又带来全球性传送业务的大增长，这些业务需求包括Internet的蓬勃发展、大量的全球数据传送，以及其他一些不断增长的先进业务。

　　第1章　光纤通信概论 16 视频娱乐节目视频娱乐节目：采用速率高达几十兆比特的数字电视，提供同实物一样大的高分辨率、3D、真彩色视频娱乐节目 　　 可视可视：全球将有一亿以上的家庭装有带大型3D彩色屏幕的可视　　视频会议视频会议：通过Internet提供桌面或膝上机的一对一型或组对组型会议电视系统　　大量的、即时的、连续的全球数据传送大量的、即时的、连续的全球数据传送：允许几百万大小公司以及部门内部的各个相互连接的高瑞工作站之间进行数据通信 第1章　光纤通信概论 17　　全球网络全球网络：少数几个全球性的用户到用户通信公司将主宰全球通信市场这种全球化的过程将通过收购、兼并、合股和新建的方式来完成，而大量地敷设陆地和海底公用（用以出租）光缆为完成这一过程奠定了基础私营私营全球光网络将迅速发展采用一个便携式收发信机，以低廉的成本，实现在任何地方、任意时间、对任何人的通信（话音、数据、图像和视频）将变得可行　　全球业务全球业务：对共同感兴趣的商务运作的合并过程将继续下去依赖于通信的主要业务有遍布全球的生产、研发、管理和客户服务而高带宽的、即时的通信为此打下了基础。

随着远程办公形式的大量采用，知识员工的物理位置将彻底发生变化小型办公小型办公室和家庭办公室的光纤室和家庭办公室的光纤连接将非常普遍 第1章　光纤通信概论 18　　政府全球化政府全球化：发达国家将更多地通过各种全球合作组织来协调世界经济、军事、人道主义和其他活动这样的组织有世界贸易组织、国际货币基金会、北美自由贸易联盟、联合国以及北大西洋公约组织等　　小用户的作用上升小用户的作用上升：进入21世纪，大型企业、政府和教育机构是光纤通信市场中处于支配地位的用户数以亿计的全球居民用户现在正拥有自己的光纤连接竞争将使商用光纤连接更加可靠，通过各种各样的接入方式接入到大楼中去（城区光纤系统、网状／环状网络和光交换将首先采用）第1章　光纤通信概论 19　　网络容量的容量的需求和传输速率传输速率的提高一直是一对主要矛盾在过去几年中，光纤技术领域取得了大量突破性进展，其中包括10Gb/s网络的全面构建和单根光纤上每秒以太比特容量的成功演示40Gb/s和80Gb/s网络成功演示进一步突出了速率更高、容量更大的网络优势，为各种各样的新业务，特别是宽带业务和多媒体提供了实现的可能 第1章　光纤通信概论 20　　　　2.向超大容量向超大容量WDM系统的演进系统的演进　　光纤的200nm可用带宽资源仅利用了不到1％，99％的资源尚待发掘。

如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在一根光纤上传送，则可大大增加光纤的信息传输容量，这就是波分复用（WDM）的基本思路波分复用系统发展十分迅速目前全球实际敷设的WDM系统已超过3000个，而实用化系统的最大容量已达320Gb美国朗讯公司已宣布推出80个波长的WDM系统，其总容量可达200Gb或400Gb实验室的最高水平已达到2.6Tb，预计不久商用化系统的容量即可达到1Tb的水平近年来超大容量超大容量密集波分复用密集波分复用系统的发展是光纤通信发展史上的又一里程碑，不仅开发了无穷无尽的光传输链路的容量，而且也成为IP业务爆炸式发展的催化剂和下一代光传送网灵活光节点的基础 第1章　光纤通信概论 21　　　　3.实现光联网实现光联网　　波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量，但基本上是以点到点通信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想如果在光路上也能实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能的话，无疑将增加新的威力　　根据这一基本思路，光的分插复用器分插复用器（OADM）和光的交叉连接光的交叉连接设备（OXC）均已在实验室研制成功，前者已投入商用鉴于光联网具有潜在的巨大优势，发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行研究，特别是美国国防部预研局（DARPA）资助了一系列光联网项目，如以Be11core为主开发的“光网技术合作计划（ONTC）”，以朗讯公司为主开发的“全光通信网”预研计划，“多波长光网络（MONET）”和“国家透明光网络（NTON）”等，在欧洲和日本，也分别有类似的光联网项目在进行。

第1章　光纤通信概论 22　　　4.新一代的光纤新一代的光纤　　传统的G.652单模光纤在适应上述超高速长距离传送网络的发展需要方面已暴露出力不从心的态势，开发新型光纤已成为开发下一代网络基础设施的重要组成部分为了适应干线网和城域网的不同发展需要，已出现了三种不同的新型光纤，如非零色散光纤（G.655光纤）、低色散三波段光纤（G.656光纤）和无水吸收峰光纤（全波光纤）目前影响可用波段的主要因素是1385nm附近的水吸收峰，因而若能设法消除这一水峰，则光纤的可用频谱可望大大扩展全波光纤就是在这种形势下诞生的 第1章　光纤通信概论 23　　　　5.解决全光网瓶颈的手段解决全光网瓶颈的手段——光接入网光接入网　　过去几年间，网络的核心部分发生了翻天覆地的变化，无论是交换还是传输都已更新了好几代不久以后，网络的这一部分将成为全数字化的、软件主宰和控制的、高度集成和智能化的网络而另一方面，现存的接入网中双绞线铜线的模拟系统还有相当比例两者在技术上的巨大反差说明接入网已确实成为制约全光网进一步发展的瓶颈目前尽管出现了一系列解决这一瓶颈问题的技术手段，如双绞线上的XDSL系统，同轴电缆上的HFC系统，宽带无线接入系统，但这些都只能算是一些过渡性解决方案，唯一能够根本上彻底解决这一瓶颈问题的长远技术手段是光接入网的全面实现。

第1章　光纤通信概论 24　　　　6.IPoverOptical　　以IP业务为主的数据业务是当前世界信息业发展的主要推动力，因而，能否有效地支持IP业务已成为新技术能否有长远技术寿命的标志　　目前，ATM和SDH均能支持IP，分别称为IPoverATM和IPoverSDH虽然两者各有优势，但从长远看，当IP业务量逐渐增加，需要高于2.4Gb的链路容量时，则有可能最终会省掉中间的SDH层，IP直接在光路上跑，形成十分简单统一的IP网结构（IPoverOptical）显然，这是一种最简单直接的体系结构，省掉了中间ATM层与SDH层，简化了层次，减少了网络设备；减少了功能重叠，减轻了网管复杂性，特别是网络配置的复杂性；额外的开销最低，传输效率最高；通过业务量工程设计，可以与IP的不对称业务量特性相匹配；还可利用光纤环路的保护光纤吸收突发业务，尽量避免缓存，减少延时；由于省掉了昂贵的ATM交换机和大量普通SDH复用设备，简化了网管，又采用了波分复用技术，其总成本可望比传统电路交换网降低一至二个量级 第1章　光纤通信概论 25　　三种IP传送技术都将在电信网发展的不同时期和网络的不同部分发挥自己应有的历史作用。

但从面向未来的视角看，IPoverOptical将是最具长远生命力的技术特别是随着IP业务逐渐成为网络的主导业务后，这种对IP业务最理想的传送技术将会成为未来网络特别是骨干网的主导传送技术 第1章　光纤通信概论 26　　　　7.智能光网络新动向智能光网络新动向　　随着IP业务的快速增长，对网络带宽的需求变得越来越大同时，由于IP业务量本身的不确定性和不可预见性，对网络带宽的动态分配需求也亟待解决因此，能够自动完成网络连接自动完成网络连接的智能光网络应运而生　　几年前，美国AT&T公司已经率先在美国全国范围内敷设了连接约100个城市的智能光网络，这个网络由约100台智能光交换机和800多台SONET多业务平台构成它不仅减少了成本和指配出错机会，使运作流畅，还增加了容量，简化了网络结构层次，极大地缩短了企事业用户的高速电路指配时间，能有效对付网络大故障，快速恢复业务，恢复时间仅为数百毫秒第1章　光纤通信概论 27　　新一代智能光网络由DWDM加光交换机组光交换机组成，它的核心层设备是光交换机，一个设备便可以综合完成以前几个设备的功能，组网简单，维护方便此外，智能光网络的特点智能光网络的特点是交换粒度小，并具有疏导功能，是交换粒度小，并具有疏导功能，这两个特点为智能光网络实现任意级联、虚拟容量和网状恢复等奠定了基础。

先进智能化光网络系统是建立全球新一代网络及通信服务的骨干，运营商可以建立一个从网络核心到边缘的智能网络在全球电信业总体低迷的背景下，光交换是其中的一个亮点智能光网络将成为未来几年传送网发展的重要方向和市场机遇 第1章　光纤通信概论 28　　从上述光纤通信的几个方面的发展现状与趋势来看，光纤通信进入了又一次蓬勃发展的新高潮而这一次发展高潮涉及的范围更广，技术更新更难，影响力和影响面也更宽，势必对整个电信网和信息业产生更加深远的影响它的演变和发展结果将在很大程度上决定电信网和信息业的未来大格局，也将对社会经济发展产生巨大影响第1章　光纤通信概论 291.2　光纤通信的系统构成　光纤通信的系统构成★★第一代光纤通信系统：1977年，人们首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验，0.85μm波段的多模光纤成为第一代光纤通信系统★★第二代光纤通信系统：1981，1.30μm多模光纤★★第三代光纤通信系统：1984，1.31μm单模光纤的通信系统★★第四代光纤通信系统：20世纪90年代初期，1.55μm单模光纤★★第五代光纤通信系统：光波分复用提高速率、光波放大增长传输距离的系统　　光纤通信系统由光发送机、光接收机、光纤（光缆）和光中继器构成。

光纤通信系统根据系统所使用的光波长、传输信号形式、传输光纤和光接收方式的不同分成各种光纤通信系统 第1章　光纤通信概论 301.2.1　光纤通信系统的分类　光纤通信系统的分类 表表1.1　光纤通信系统的分类　光纤通信系统的分类 第1章　光纤通信概论 311.2.2　光纤通信系统的基本组成　光纤通信系统的基本组成　　光纤通信系统的基本组成如图1.1所示它由光发射端机、光纤或光缆、光中继器和光接收端机四部分组成 第1章　光纤通信概论 32 光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成(单向传输单向传输) 第1章　光纤通信概论 33Ø信息源信息源:用户信息转换为原始电信号用户信息转换为原始电信号---基带信号基带信号 Ø电发射机电发射机:基带信号转换为适合信道传输的信号基带信号转换为适合信道传输的信号 调制调制 PCM 数字复接数字复接Ø电电接接收收机机:电电发发射射机机的的功功能能相相反反，，它它把把接接收收的的电电信信号号转转换换为为基基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。

带信号，最后由信息宿恢复用户信息 第1章　光纤通信概论 341 光发射机光发射机 光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用耦光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路合技术把光信号最大限度地注入光纤线路对光源的要求对光源的要求输输出出光光功功率率大大谱谱线线宽宽度度窄窄光光束束发发散散角角小小输输出出功功率率和和波波长长稳稳定定器器件件寿寿命命长长调调制制频频率率足足够够高高 光源：半导体发光二极管光源：半导体发光二极管(LED) 半导体激光器半导体激光器(LD) 动态单纵模分布反馈动态单纵模分布反馈(DFB)激光器光发射机由光源、驱动器和调制器组成第1章　光纤通信概论 35调制技术：直接调制（内调制）、间接调制（外调制）调制技术：直接调制（内调制）、间接调制（外调制）特点：技术简单，特点：技术简单， 成本较低，容易实现，但调制速率受激光成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制器的频率特性所限制光源光源 驱动器驱动器光纤光信号输出电信号输入Ø直接调制（内调制）：用电信号直接调制半导体激光器或发直接调制（内调制）：用电信号直接调制半导体激光器或发光二极光二极 管的驱动电流，使输出光随电信号变化。

管的驱动电流，使输出光随电信号变化第1章　光纤通信概论 36激光源激光源调制器调制器驱动和控制驱动和控制电信号输入电信号输入光纤光信号输出Ø间接调制间接调制(外调制外调制)：外调制是把激光的产生和调制分开，用：外调制是把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的独立的调制器调制激光器的输出光而实现的特点：调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高特点：调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高目前大多数光纤通信系统都采用目前大多数光纤通信系统都采用直接光强调制直接光强调制第1章　光纤通信概论 372 光纤线路光纤线路 光光纤纤线线路路的的功功能能是是把把来来自自光光发发射射机机的的光光信信号号，，以以尽尽可可能能小小的畸变的畸变(失真失真)和衰减传输到光接收机和衰减传输到光接收机光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成石英光纤：石英光纤： 阶跃多模光纤阶跃多模光纤渐变多模光纤渐变多模光纤单模光纤单模光纤几十几十MHZ几百几百GHz第1章　光纤通信概论 38　　3 光中继器光中继器 光信号在光纤中传输一定距离后，由于受到光纤衰减和色散的影响会产生能量衰减和波形失真。

光中继器的主要作用有两个： (1)补偿光的衰减；(2)对波形失真的脉冲进行整形光中继器光检测器：接收部分光源：发射部分数字：判决再生电路模拟：检波中继方式 分类光—电—光间接放大光中继器全光中继器第1章　光纤通信概论 39 4 光接收机光接收机 光光接接收收机机的的功功能能是是把把从从光光纤纤线线路路输输出出、、产产生生畸畸变变和和衰衰减减的的微微弱弱光光信信号号转转换换为为电电信信号号，，并并经经放放大大和和处处理理后后恢恢复复成成发发射射前的电信号（前的电信号（O/E转换）转换）光检测器：光检测器：PIN光电二极管光电二极管(PIN - PD)、、 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD) 响应度高、响应度高、 噪声低和响应速度快噪声低和响应速度快检测方式：检测方式： 直接检测：直接把光信号转换为电信号直接检测：直接把光信号转换为电信号 外差检测：本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产外差检测：本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输出中频光信号生差拍而输出中频光信号光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成。

第1章　光纤通信概论 40　　1.3　光纤通信的特点　光纤通信的特点 1.信息容量巨大信息容量巨大　　通信技术的进步使电磁波谱的发掘利用扩展到光频段，光的基频为3×1014Hz，目前光纤通信的频率范围为1.67～3.75×1014Hz，对应的波长范围是0.8～1.7μm，属于近红外光区而从长波开始，包括微波在内直至毫米波的整个电通信可利用的电磁波谱仅为3×1011Hz，所以用光作载频其理论频带极其宽广，这是光纤通信优于其它通信方式的最显著特点 第1章　光纤通信概论 41　　以光波长为例：　　以光波长为例： 光波长（光波长（λ））×光频（光频（v））=光速（光速（c）） 当λ=1550nm时， v =c/λ=(3×1014μm/s)/(1.55μm)≈2×1014/s 如果使用十五分之一的波段，即0.1μm的波长宽度，对应的频带宽度 ∣△v∣=∣- c△λ/λ2∣ =（3×1014μm/s×0.1μm）/（1.55μm）2 ≈1.2×1013Hz 第1章　光纤通信概论 42　　若按4kHz一个模拟音频话路所需要的带宽计算，则可以传输3×109个模拟话路；若按32kHz一个数字音频话路所需要的带宽计算，则可以传输3.75×108个数字话路。

　　数字通信通信质量好，抗干扰能力强，但数字通信占用的频带较模拟通信宽得多，载波（模拟通信）一路带宽4kHz，而一路64kb/s的PCM数字话路至少需要带宽32kHz，占用了8个模拟话路光纤的出现正好适应了数字通信的这一特点，目前多模光纤的带宽可以达到1～3GHz·km，单模光纤的带宽可以达到THz量级，远超过了电缆的最高传输带宽 第1章　光纤通信概论 43　　因此，不论是从可利用的光波频段来讲，还是就光纤自身的带宽而言，光纤通信可以利用的频带比任何其他通信方式都宽得多，通信容量非常大，特别适合高速率的数字通信现在光纤通信使用的频率为1014～1015Hz数量级，如图1.2所示，比常用的微波频率高104～105倍，因而信息容量原则上比微波高出104～105倍光纤可利用的带宽约为50000GHz，频带宽，对于传输各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则无法满足未来宽带综合业务数字网(B-ISDN)发展的需要现代社会的发展要求通信网传输由高码率的数字音频信号、高速成批数据信号、宽带数字电视信号等组成的信息流时，只有光纤能够担当“信息高速公路”重任第1章　光纤通信概论 44　　　　2.衰耗极低、传输距离长衰耗极低、传输距离长　　光纤的传输损耗比长途电缆、同轴电缆、毫米波导管等任何一种线路都低，如图1.2所示，目前单模光纤在1.3μm窗口的衰耗约为0.35dB/km，1.55μm窗口的衰耗达0.2dB/km，与其相比，同轴电缆对60MHz信号的衰耗为19dB/km，市话电缆对4MHz信号的衰耗为20dB/km。

第1章　光纤通信概论 45图1.2　各种传输介质损耗特性的比较 第1章　光纤通信概论 46　　光纤不仅衰耗小，而且损耗的频率特性好，光纤传输的机理与电缆有本质区别，要想降低传输损耗，只要尽量降低玻璃中的杂质含量，尽量准确安排光纤横截面的折射率分布就可以了，损耗与光纤横截面的尺寸几乎没有关系，不像电缆那样横截面越小，损耗越大降低电缆传输损耗的主要方法是减少电阻，减少线间电容，这就意味着增加导体的结构尺寸，增加成本，即使这样也还是不能解决“损耗与传输信号频率的平方根成比例增大”的问题因为电缆损耗特性除了与横截面有关外，还是频率的增函数，对于信号来说，高频成分和低频成分损耗不同使信号失真，要加线路均衡；对于载波来说，工作频率越高，损耗越大，使传输距离（也称中继距离）越短10800路载波通信或400Mb/s数字通信的中同轴电缆每隔1.6km就得设立中继站在电缆通信中，通信容量与中继距离是不可调和的矛盾第1章　光纤通信概论 47　　利用光纤的低衰耗则可以拉长中继距离，例如中同轴电缆在传送400Mb/s信号（10800路）时中继距离仅1.6km，而光缆在传送565Mb/s信号时，中继距离可达60km，而且不需进行精密均衡。

光纤的损耗低，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达约200千米，由非石英系极低损耗光纤组成的通信系统，其最大中继距离则可达数千甚至数万千米，这对于进行长途传输，特别是越洋通信来讲，对降低海底通信的成本、提高可靠性和稳定性具有特别重要的意义光纤通信所能达到的大容量和长中继距离水平在电缆通信中是不可能做到的 第1章　光纤通信概论 48　　　　3.不受电磁干扰影响、信号串扰小，保密性能好不受电磁干扰影响、信号串扰小，保密性能好　　光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆 第1章　光纤通信概论 49　　电缆是电的良导体，故电磁感应既有外部的也有内部的在电缆内部，相邻芯线之间电磁场的互相耦合使之可能会产生严重的串话，不管采取多么复杂的绞扭措施也不能完全消除，这种芯线周围的电磁场还使电缆通信很容易被窃听电缆的外部感应更为严重，自然界的雷电、高压输电线，甚至无线电广播的电磁场都可能对电缆中的信号产生明显的影响，为了消除外部的电磁干扰，金属电缆常配有笨重而昂贵的金属屏蔽层。

第1章　光纤通信概论 50　　光纤是由玻璃制成的，材料的特性使光纤又拥有了一系列的优点：光纤不导电、不导磁，没有电磁感应；光纤的绝缘特性使它对外部电场的干扰“无动于衷”，这对于电气铁道和电力线等强电场附近的通信极为有利；又由于光纤包层以外还有涂覆层，纤芯内传播的光局限于光纤之中，基本不会向外逸出，光缆的周围基本上没有信息能量，在这种情况下，一方面同一根光缆中相邻的各根光纤几乎没有串话现象，另一方面，要想像电通信那样在光纤周围窃听光纤通信的内容几乎是不可能的，若采用光耦合的方法窃听，光端机马上就可以感觉到光能量的减少，并能用仪器测出耦合地点，因此，光纤通信保密性好；同时，光纤中的信号传输没有大地回路，因而不受大地电流或电位差的影响，不会因为短路而损坏两端的设备；光纤不会产生电火花，在易燃、易爆的场所使用比较安全；特别是和金属相比，光纤的耐腐蚀、耐潮湿的能力要更强一些，甚至还能经受核辐射的考验 第1章　光纤通信概论 51　　　　4.节约有色金属节约有色金属　　光纤由于材料特点带来的最大好处是可以大量节约有色金属光纤的原材料资源丰富，其材料主要是石英(二氧化硅)，地球上有取之不尽用之不竭的原材料，而电缆的主要材料是铜，世界上铜的储藏量却并不多，因此，用光纤取代电缆可节约大量的金属材料，具有合理使用地球资源的重大意义。

制造100km长的中同轴电缆需要12t铜、50t铝，如果全世界每家都用上电缆传输的电视、，即使把地球上所有的铜矿都开采出来，也不足以制造所需要的同轴电缆而拉制100km长的光纤，只需要1kg高纯度的石英玻璃另外，制造光纤所必需的能源消耗，与一般的金属电缆相比，估计要低两个数量级左右光纤通信与传统的通信方式相比，可节省大量铜、铝等金属材料，有利于降低通信系统的成本从节约能源、资源的角度看，光纤的这个优点是根本性的优点另外，由于光缆大大延长中继距离而节约的中继设备的费用也是十分可观的 第1章　光纤通信概论 52　　　　5.尺寸小、重量轻，便于敷设和运输尺寸小、重量轻，便于敷设和运输　　每千克石英可以拉出一百公里的光纤，光纤的芯径约为0.1mm，它只有单管同轴电缆的1%；光缆的直径也很小，8芯光缆的横截面直径约为10mm，而标准同轴电缆为47mm反过来，如果允许光缆和电缆一样粗细，则光缆中可容纳的芯线数目要多得多利用光纤这一特点，使传输系统所占空间小，解决地下管道拥挤的问题，节约地下管道建设投资此外，光纤的重量轻，光缆的重量比电缆轻得多，例如18管同轴电缆1m的重量为11kg，而同等容量的光缆1m重量只有90g，这对于在飞机、宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信更具有重要意义。

另外，表面涂覆的光纤可绕性好，弯曲成直径数毫米的小圈也不至于折断，光纤柔软可绕，容易成束，能得到直径小的高密度光缆　　光纤重量轻、可绕性好，使得运输和敷设都比较方便这些特点使它不仅适用于公用通信，在军事通信中也极为适用，如导弹、舰船、飞机、潜艇通信控制系统等 第1章　光纤通信概论 531.4　光纤通信新技术　光纤通信新技术1.4.1　相干光通信　相干光通信 相干光通信系统：把光频段划分为许多频道，从而使光频段得到充分利用，即多信道光纤通信 相干光接收机：采用如同外差收音机那样，在其内部设置一台本地激光器，稍微改变本地激光器的光频，就可改变所选择的信道第1章　光纤通信概论 54★发射端：光匹配器是保证从光调制器输出的已调光波的空间复数幅度分布和单模光纤中的基模HE11之间有尽可能好的匹配，以及已调光波的偏振状态和单模光纤中的本征偏振状态相匹配 ★接收端：光匹配器是为了达到光混频器最大可能的混频效率而使接收的光复数振幅和偏振与本振光波相匹配混频后输出的信号光波场强和本振光波场强之和的平方成正比，从中可选出本振光波与信号光波的差频信号由于该差频信号的变化规律与信号光波的变化规律相同，而不像直接检波通信方式那样，检测电流只反映光波的强度，因而，可以实现幅度、频率、相位和偏振等各种调制方式。

第1章　光纤通信概论 55相干光通信系统分为两类： ★外差接收系统：当本振光频率和信号光频率之差为一非零值时 ★零差接收系统：当本振光波的频率和相位与信号光波的频率和相位相同时 不管采用何种接收方式，其根本点是外差检测第1章　光纤通信概论 56　　外差检测相干光通信经光电检波器获得的是中频信号，中频信号还需二次解调才能被转换成基带信号 根据中频信号的解调方式不同，外差检测又分为：(1)同步解调中：探测器上输出的中频信号通过一个中频带滤波器后分成两路，其中一路用作中频载频恢复，恢复出的中频载波与另一路中频信号进行混频，再由低通滤波器输出基带信号2)包络解调：在包络检测器后接一个低通滤波器而直接检测出基带信号 外差检测相干光通信不要求本振光与信号光之间的相位锁定和光频率严格匹配第1章　光纤通信概论 57外差同步解调接收机方框图外差异步解调接收机方框图第1章　光纤通信概论 58 零差检测相干光通信，光信号经光电检波器后被直接转换成基带信号，而不用二次解调，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。

第1章　光纤通信概论 59　　相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混频增益、出色的信道选择性及可调性等特点与IM[CD*2]DD系统相比，具有以下独特的优点：　　(1)灵敏度高，中继距离长　　(2)选择性好，通信容量大　　(3)可以使用电子学的均衡技术来补偿光纤中光脉冲的色散效应　　(4)具有多种调制方式 第1章　光纤通信概论 601.4.2　光孤子通信　光孤子通信　　 孤子（Soliton）又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲（其宽度在皮秒级），或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波孤子与其他同类孤立波相遇后，能维持其幅度、形状和速度不变，好像粒子一样，故人们又把它称为孤立子 光孤子就是这种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲利用光孤子特性可以实现超长距离、超大容量的光通信第1章　光纤通信概论 61　　光纤的群速度色散：不同频率的光波以不同的速度传播，到达终点的时间也就不同，这便形成脉冲展宽，使得信号畸变失真 光纤非线性特性：它使脉冲受到压缩变窄 如果使折射率的非线性变化与群色散效应相平衡，光脉冲会形成一种基本孤子，在反常色散区稳定传输。

由此，逐渐产生了新的电磁理论——光孤子理论第1章　光纤通信概论 631.4.3　全光通信网　全光通信网　　随着社会的进步，大容量新业务不断涌现，人们对信息量的需求也不断增加，从而使高速带宽综合业务网络成为通信网的发展趋势但未来的网络技术到底应该采取[JP2]ATM机制、SDH机制还是基于WDM的全光网技术呢？目前串行电信号传输速率上限为40Gb/s，而一根光纤的容量是150THz由于受器件工作上限速率40GHz的限制，难以完成高速宽带综合业务的传送和交换处理，会出现带宽“瓶颈”，为了克服电子器件的“瓶颈”，提出了基于WDM的全光网技术 第1章　光纤通信概论 64　　全光网（AON）的概念是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而其在各网络节点的交换则使用高可靠性、大容量和高度灵活的光交叉连接设备（OXC）在全光网络中，由于不需要电信号的处理，因而允许存在各种不同的协议和编码形式，对信号的传输具有透明性 第1章　光纤通信概论 65　　在全光网中，高性能路由器通过光分插复用器OADM或WDM耦合器直接连至WDM光纤，光纤内各波长是链路层互连的。

高性能路由器取代传统的基于电路交换概念的ATM和SONET/SDH电交换与复用设备，成为关键的统计复用设备，用作主要的交换/选路设备，由它控制波长接入、交换、选路和保护因此，全光网是一个真正的链路层数据网，可以通过指定波长作为旁路或直通连接，网络的业务工程（trafficengineering）可以只在IP层完成它具备更强的可管理性、灵活性、透明性，与传统通信网和现行的光通信系统相比，它具有以下多种优点： 第1章　光纤通信概论 66　　（1）可提供更大的带宽，因为全光网对信号的交换都在光域内进行，可最大限度地利用光纤的传输容量　　（2）具有传输透明性，由于采用的光路交换以波长来选择路由，因此对传码率、数据格式以及调制方式具有透明性，即对信号形式无限制，允许采用不同的速率和协议　　（3）全光网比铜线或无线组成的网络具有更高的处理速度和更低的误码率　　（4）具有良好的兼容性，不仅可以与现有的通信网络兼容，而且还可以支持未来的宽带综合业务数字网以及网络的升级 第1章　光纤通信概论 67　　（5）具备良好的扩展性能，网络可同时扩展用户、容量和种类，新节点的加入并不会影响原来网络结构和原有各节点设备。

　　（6）具备可重构性，可以根据通信容量的要求，动态地改变网络结构，可进行恢复、建立、拆除光波长的连接　　（7）由于采用了较多无源器件，省去了庞大的光/电/光转换的设备及工作，可大幅提升网络整体的交换速度，提高可靠性 第1章　光纤通信概论 68　　全光通信网由内部全光网部分和通用网络控制部分组成，内部全光网是透明的，能容纳多种业务格式，网络节点可以通过选择合适的波长进行透明的发送或从别的节点处接收通过对波长路由的光交叉设备进行适当配置，透明光传输可以扩展到更大的距离外部控制部分可实现网络的重构，使得波长和容量在整个网络内动态分配，以满足通信量、业务和性能需求的变化，并提供一个生存性好、容错能力强的网络　　全光网整体上由核心网、城域网和接入网三级组成，主要设备有波分复用系统、光放大器、光分插复用器和光交叉连接设备，基本拓扑结构有星形网、总线网和树状网三种目前，关于全光网络的规范性结构尚未统一，但世界上有一些国家，如美国、德国、法国等已提出了自己的全光网络规划它们的基本结构大体一致，可以分为光网络层和电网络层 第1章　光纤通信概论 69　　光网络层（光链路相连的部分）采用了WDM技术，使一个光网络中能传送几个波长的光信号，并在网络各节点之间采用OXC，以实现多个光信号的交叉连接。

光网络层通过光链路与宽带网络用户接口和局域网（LAN）相连　　电网络层中的ADM为分插复用器，它能够把高速STM-N光信号直接分解成各种PDH支路信号，或作为STM-1信号的复用器，它的速率可选STM-1、STM-4或STM-16DXC相当于自动数字配线架的数字交叉连接设备，它可以对各种端口速率（PDH或SDH）进行可控的连接和再连接，所谓交叉连接也是一种“交换功能”，电网络层中有各种电子交换，从程控交换（如PABX）、ATM交换（如视频、数据信号的交换）到未来的某种交换（如图像、多媒体信号的交换）均属于交叉连接的范畴 第1章　光纤通信概论 70　　全光通信的实现可以分为两个阶段来完成：首先是在点-点光纤传输系统中，整条线路中间不需要作任何光/电和电/光的转换，这样，网内光信号的流动就没有光电转换的障碍，信息传递过程无需面对电子器件速率难以提高的困难，这样的长距离传输完全靠光波沿光纤传播，称为发端与收端间点-点全光传输，那么整个光纤通信网任一用户地点应该可以设法做到与任一其他用户地点实现全光传输，这样就组成全光传送网；其次是在完成上述用户间全程光传送网后，有不少的信号处理、储存、交换，以及多路复用/分接、进网/出网等功能都要由电子技术转变成光子技术完成，整个通信网将由光实现传输以外的许多重要功能，完成端到端的光传输、交换和处理等，这就形成了全光通信发展的第二阶段，将是更完整的全光通信。