第1章 概论

从诞生光纤通信以来，一场持续的革命一直改变着世界的通信。人们所需的清晰、可靠、远距离、大容量通信能力，逐步变成了现实。这场革命的核心是用传输光信息的光缆来代替铜线电缆。今天的光纤通信已渗透到各种电信网络、数据网络、有线电视（C AT V）网络和光互联网络等信息网络中，可以说，目前光纤通信已成为信息传输最重要的方式之一。现如今，只有对光纤通信系统与网络的传输性能和通信原理有足够的理解才能以较少的投入而获得高质量的通信。信息的高速传输使人们“决策帷幄中，致胜千里外”已不再是幻想。

1.1 光纤通信的发展简况

1.1.1 光纤通信的特点

光纤通信是以相干性和方向性极好的激光束作为载体来携带信息，并利用光纤来进行传输的通信方式。由于光纤的传光性能优异，传输带宽极大，现在已形成了以光纤通信为主，微波、卫星和电缆通信为辅的信息传输网络格局。

通信发展始终在追求两大目标，一是远距离传输，二是大容量通信。人们知道无论是无线电通信，还是有线电通信都是以电磁波为载体进行的，而电磁波的频谱很宽，其分布情况如图1-1所示。由图可见，无线电通信所用波段在波长为几厘米至几千米范围内。由通信理论可知，通信容量与电磁波频率成正比例增大，所以人们一直在探索将更高频率的电磁波用于通信技术。光纤通信中所用的光载波实质是人们所熟悉的、与无线电波相似的电磁波，其波长在μm级，频率非常高，约为1014 Hz量级。其频率比传统的电通信容量最高的“微波”段高104～105倍。目前光纤通信使用波长范围为0.85～2.00 μm，采用的典型中心波长为0.85 μm，1.31 μm，1.55 μm和1.625 μm。

光纤通信与电缆或微波等通信方式相比，主要区别有二，一是用很高频率的光波作载波；二是用光纤作为传输介质。光纤具有传输容量大、传输损耗小、重量轻、不怕电磁干扰等一系列优点。基于此，光纤通信有以下明显的特点。

（1）由于光波频率高，可供利用的频带极宽，尤其适合高速宽带信息的传输，在高速通信干线、宽带综合业务通信网络中，发挥着越来越大的作用。

（2）由于光纤的传输损耗很低，现已做到0.2 dB/km以下，因而可以大大增加通信无中继距离，这对于长途干线和海底传输十分有利。在采用了先进的相干光通信，光放大器和光孤子通信技术之后，无中继通信距离可提高到几百公里，甚至上千公里。

（3）光纤传输是限制在光纤内的，光能几乎不会向外辐射，因此不存在光缆中各光纤之间信号串扰，很难被窃听，信号传输质量高，保密性好。

（4）光纤抗电磁干扰能力很强，这对于电气铁路和高压电力线附近的通信极为有利，也不怕雷击和其他工业设备的电磁干扰，因此在一些要求防爆的场合使用光纤通信是十分安全的。

（5）光纤几何尺寸小，细如发丝，可绕性好，可多根成缆，便于敷设。光纤重量轻，特别适用于飞机、轮船、卫星和宇宙飞船。

（6）光纤的化学性能稳定，耐化学侵蚀、抗高温、不打火花，适用于特殊环境。

（7）光纤是石英玻璃拉制成形的，原料资源丰富，节约有色金属。

同时光纤通信也存在以下缺点：

（1）光纤弯曲半径不宜过小，否则可能引起较大的衰减。

（2）光纤的连接操作技术要求高，需专用设备。

（3）光纤的分路、耦合操作较困难、烦琐。

应该指出，光纤通信的上述缺点，现已在一定程度上得到克服，它们不影响光纤通信的实用。表1.1和表1.2分别列出了光纤与几种电通信传输介质的特性比较及光纤通信应用场所。

1.1.2 光纤通信的发展简史

众所周知，光早已用于远距离通信，如烽火台、信号灯等，但早期所用光通信方法是原始的、落后的和不太可靠的。现代光通信概念是1880年提出的，A.G贝尔研究出一个可以在可见光束上，两百米距离内传送话音的光电话机装置，其原理是用振动的话音声波调制阳光，将已调光波通过镜面反射入大气传输至终端，终端接收机将连续话音光信号通过光电池还原，这个想法是真正意义上的光通信。但遗憾的是此技术不能实用。究其原因有二：一是没有可靠的、高强度的光源；二是没有稳定的、低损耗的传输媒质，所以无法得到高质量的光通信。光纤通信及其技术是近几十年迅猛发展起来的高新技术，它的诞生和发展，给通信技术带来了划时代的革命。

1960年，梅曼（T.H.Maiman）发明了第一台相干振荡光源——红宝石激光器。激光器（Light Amp1ification by Stimu1ated Emission of Radiation，Laser）是基于物质原子、分子内能的变化而构成的光波振荡器。它可产生频谱纯度很高的激光。但气体和固体激光器体积大、效率低，不适宜在通信中使用。

1962年半导体激光器出现，为光通信光源实用化带来了希望。1970年，首次研制出在室温下连续工作的双异质结半导体激光器，为实用化通信光源奠定了基础。

1966年，华裔科学家高锟（C.K.Kao）根据介质波导理论提出光纤作为光通信传输媒质的概念，由此高锟教授荣获2009年诺贝尔物理学奖。

1970年，美国康宁公司的Maurer等人首次研制出阶跃折射率多模光纤，其在波长为630 nm处的衰减系数小于20 dB/km；同年美国贝尔实验室的Hayashi等人研制出室温下连续工作的GaALAs双异质结注入式激光器。正是光纤和激光器这两个科研成果的同时问世，拉开了光纤通信的序幕。到70年代末，在1310 nm波长上，光纤衰减系数已降至4 dB/km；在1550 nm波长上，降至0.20 dB/km，已接近理论值。与此同时，为促进光纤通信系统的实用化，人们又及时地开发出适用于长波长的光源（激光器、发光管）和光检测器。应运而生的光纤成缆、光无源器件和性能测试及工程应用仪表等技术的日趋成熟，都为光纤通信作为新的通信方式奠定了坚实的基础。

1976 年，美国西屋电气公司在亚特兰大成功地进行了世界上第一个传输距离为110 km的44.736 Mb/s光纤通信系统的现场实验，使光纤通信向实用化迈出了第一步。

我国自70年代初就已开始了光纤通信技术的研究，1977年，武汉邮电科学研究院研制成功中国第一根阶跃折射率分布的、波长为0.85 μm的的衰减系数为3 dB/km多模光纤。后来又研制成功单模光纤、特殊光纤以及光通信设备。

1987年底，建成第一个国产的长途光通信系统，由武汉至荆州，全长约250 km，传输34 Mb/s信号，光缆采用架空方式。

1988年起，国内光纤通信系统的应用由多模光纤转为单模光纤。

1993年，我国与日本、美国三方投资建设的第一条大容量海底光缆正式开通，全长1250 km，传输速率560 Mb/s，可提供7560条电路，相当于原有的中日海底同轴电缆的15倍。

1999年我国完成了“八纵八横”通信光缆工程，全长约80000 km，如图1-2所示。它作为整个国家南北东西的主干通信网，使我国光纤通信水平迈上了新台阶。

近年，着力解决全网瓶颈——将光纤接入网作为通信接入网的一部分，直接面向用户。提出“光进铜退”策略，即将光纤引入到千家万户，保证亿万用户的多媒体信息畅通无阻地进入信息高速公路。在网络传输的高速化方面，目前商用系统的速率已从155.520 Mb/s增加到10 Gb/s，不少已达到40 Gb/s，另外，速率达160 Gb/s和640 Gb/s的传输试验也获得成功。

光纤通信技术的问世与发展给世界通信业带来了一场变革。特别是40年间，光纤通信的研究和开发非常迅速：技术上不断更新换代，通信能力（传输速率和中继距离）不断提高，应用范围不断扩大。到目前为止光纤通信的发展可以粗略地分为四个阶段：

第一阶段（1966～1976年），从基础研究到商业应用的开发时期。在这个时期，实现了短波长（0.85 μm）低速率（34 Mb/s或45 Mb/s）多模光纤通信系统，无中继传输距离约10 km。

第二阶段（1976～1986年），以提高传输速率和增加传输距离为研究目标，大力推广应用的大发展时期。在这个时期，实现了工作波长为1.31 μm、传输速率为140～565 Mb/s的单模光纤通信系统，无中继传输距离为50～100 km。

第三阶段（1986～1996年），以超大容量和超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。在这个时期，实现了1.55 μm色散移位单模光纤通信系统。采用外调制技术，传输速率可达2.5～10 Gb/s，无中继传输距离可达100～150 km。

第四阶段（1996～2006年），主要研究光纤通信新技术，例如，超大容量的密集波分复用技术使最高速率达到256×40 Gb/s=10 Tb/s和超长距离的光孤子通信技术等。

目前人们正涉足第五阶段光纤通信系统的研究和开发，其至少具有四大特征：超宽带——单根光纤传输容量Tb/s以上；超长距离——光放大距离可达数千km；光交换——克服电交换瓶颈；智能化——智能光网络技术。

1.2 光纤通信系统及发展现状

1.2.1 光纤通信系统模型

光纤通信系统可以传输数字信号也可以传输模拟信号，传输的可以是话音、图像、数据和多媒体业务等各类信息。目前实用的光纤通信系统，采用的是强度调制（IM）—直接检测（DD）的实现方式，由光发送设备、光纤传输线路、光接收设备和各种耦合器件等构成，其示意图如图1-3所示，现主要用于骨干（长途）网、本地网以及光纤接入网。

图1-3中所示的是一个方向的传输系统，反方向传输系统的结构与之相同。光纤通信系统中电发射机的作用是对来自信源的信号进行模/数转换和多路复用处理；光发射机（如激光器LD或发光二极管LED）的作用是实现电/光转换，即把电信号调制成光信号，送入光纤传输至远方；光接收机（如光电二极管PIN或APD）的作用是实现光/电转换，即把来自光纤的光信号还原成电信号，经放大、整形、再生恢复原形后，送至电接收机，完成数字信号的分接以及数/模转换，送至信宿。

对于长距离的光纤传输系统，中途还需要中继器，其作用是将经过光纤长距离衰减和畸变后的微弱光信号放大、整形、再生成具有一定强度的光信号，继续送向前方，以保证良好的通信质量。目前的中继器都采用光—电—光形式，即将接收到的光信号，用光电检测器变换为电信号，经放大、整形、再生后再调制光源，将电信号变换成光信号重新发出。近年来，适合作光中继器的光放大器（如掺铒光纤放大器）已进入商用。也就是说，采用光放大器的全光中继及全光网络将为期不远了。

1.2.2 光纤通信系统的现状

1.模拟光纤通信系统的现状

传输模拟信号的光纤通信系统称为模拟光纤通信系统，模拟光纤通信系统多应用于工业控制和CATV网络，如用于工业监控的单路电视系统和用于CATV的多路光纤传输系统。多路光纤传输系统常用频分复用技术实现，目前已先后开发了16路、32路、48路、64路和128路的光纤CATV传输系统，应用在光纤彩色闭路电视和广播电视传送方面。光纤CATV传输系统一般由信号源、前端、干线传输和用户分配网络几个部分组成，如图1-4所示。由于线性度好、调制带宽很宽的半导体激光器和高频线性补偿电路的研制成功，使光纤C AT V传输系统得到了广泛应用。

2.数字光纤通信系统的现状

传输数字信号的光纤通信系统称为数字光纤通信系统，数字光纤通信系统有PDH和SDH两种传输体制。我国采用的PDH传输体制的速率分四级，即基群速率为2.048 Mb/s，2次群速率为8.448 Mb/s，3次群速率为34.368 Mb/s，4次群速率为139.264 Mb/s。SDH传输体制的速率，是按同步传输模块STM-N系列来分的，即STM-N（N=1，4，16，64）速率为155.520×N Mb/s，亦即STM-1速率是155.520 Mb/s，STM-4速率是622.080 Mb/s。根据所需传输容量选择同步数字传输系列等级，一般大中城市市内中继光纤通信系统选用STM-64；小城市（镇）和乡村中继光纤通信系统既可选用STM-4或STM-16，也可选PDH传输体制的2次群或3次群；长途干线光纤通信系统常用掺铒光纤放大器EDFA为光中继器，单一光波长的数字光纤通信系统，如图1-5所示。采用多波长复用的数字光纤通信系统称为密集波分复用（DWDM）系统。光波分复用是在一根光纤上传输多个光信道的光纤通信方式，充分利用了光纤带宽，有效扩展了通信容量，图1-6给出了一个32波分复用系统，即32×STM-64组成的光纤通信系统。

1.3 光纤通信网络及现状

1.3.1 通信网概念

两用户间需要通信时，利用通信系统来完成，也就是说，欲让A，B两地的用户互相通信，必须在他们之间建立一个通信系统。对于离散分布的n个用户，若要让其中任意两用户能互相通信，最简单的方法是用传输线把各用户分别一一连接起来，这就需要建立n（n-1）/2个通信系统。此时，若自高空向地面俯视，可以看到有很多传输设备与传输线路纵横交错地分布在大地上，犹如罩着一个鱼网，故称为“通信网”。一个完整的通信网由用户终端设备、传输设备、交换设备和相应的信令、协议、标准等软件构成。通信网的基本拓扑结构图如图1-7所示，图中圆点代表网络节点，节点既可以是终端节点，如电话机、传真机、电视机、计算机等，也可以是网络节点，如交换机、传输设备、路由器和中继器等。节点之间由传输线连接在一起。

通信网的基本结构主要有网状、星状、复合型、环状和总线型等（见图1-7）。将各类网型结合起来，网络的结构就会合理得多。网状网是完全互联网结构，需要传输系统多，利用率较低，但接续质量和网络稳定性好；具有N个节点的星状网共需（N-1）条传输系统，显然，N值较大时会节省大量的传输系统；复合型网兼备了网状网和星状网的优点；环状和总线型这两种网络在计算机通信中应用较多。

1.3.2 光纤通信网络模型

光纤通信网根据电信的业务来分，有电话网、电报网、传真通信网、计算机数据网、图像通信网及有线电视网等；按服务区域范围分为：长途骨干网、本地网以及用户接入网。

一个完整光纤通信网络实质上是由用户终端设备、传输设备、交换设备和相应的信令、协议、标准、资费制度与质量标准等软件构成。

用户终端设备是以用户线为传输信道的终端设施，也称为终端节点。

传输设备是为用户终端和业务网提供传输服务的电信终端，主要包括数字复用、解复用设备和光收、发信机设备。

交换设备用于完成用户群内的各个用户终端之间通信线路的汇聚、转接和交换，并控制信号的流向。交换设备的种类有：源于电话通信的程控电话交换机、源于数据通信的分组交换机、源于宽带通信的ATM交换机、软交换机及全光通信中即将问世的光交换机等。

信令系统是通信网的神经系统。比如，电话要接通，必须传递和交换必要的信令，完成各种呼叫处理、接续、控制与维护管理等功能。信令系统可使网络作为一个整体而正常运行，有效完成任何用户之间的通信。

协议是通信网中用户与用户、用户与网络资源、用户与交换中心间完成通信或服务所必须遵循的规则和约定的共同“语言”。这种语言能使通信网正确控制、合理运行。

标准是由权威机构建议的协议，是通信网应遵守的条款。

1.3.3 光纤通信网络现状

光纤通信网络不仅适用于电信业务网，而且也广泛适用于有线电视网、计算机局域网、光互联网等信息网络。

1.光纤通信在长途骨干网、本地网中的应用

骨干网、本地网中继传输主要以光纤传输（通信）系统为主，其结构如图1-3所示。

2.光纤通信在用户接入网中的应用

光纤接入网是指在用户接入网中采用光纤作为主要传输媒质来实现用户信息传送的应用形式。光纤接入网的主要优点是可以传输宽带业务，如高速数据下载业务、IPTV业务和图像传送业务等，且传输质量好、可靠性高。网径一般较小，可不需要中继器等。图1-8给出了一种光纤接入网示意图，它将光纤引入千家万户保正多媒体信息畅通无阻。

3.光纤通信在电视、数据传输网中的应用

利用光纤作为有线电视（C AT V）的干线传输媒质，可大大提高信号传输质量，为多功能、大容量的信息传送提供了基础。然而，目前做到光纤到户成本很高，难于大规模实现。因此，目前CATV网的最佳选择是光纤、同轴电缆混合（HFC）传输方式。基于光纤通信网络容易建成高速率计算机网，如可将计算机局域网连在如图1-9所示的分前端，借助光纤通信网络实现高速数据传输网络。

4.光纤通信在计算机校园网中的应用

利用光纤通信系统可容易地传输1000 Mb/s计算机校园网的数据信号，其结构可如图1-10所示。

1.4 光纤通信发展趋势

光纤通信技术的问世与发展给世界通信业带来了革命性的变革。特别是经历近40年的研究开发，光纤、光缆、器件、系统的品种不断更新，性能逐渐完善，已使光纤通信成为信息高速公路的传输平台。当今光纤通信技术的发展趋势主要有如下几点。

1.4.1 光纤、光缆发展趋势

由于光纤传输速率的逐步高速化、大容量化（如美国MCI于1991年开通了Chicago至St.Louis全长442.57 km的4×10 Gb/s的商用系统等），光纤衰减、色散、非线性效应等现象严重影响到光纤通信系统的质量，因而，人们已将光纤的工作波长由850 nm向1310 nm～1550 nm的长波长移动，进而向2000 nm波长区域扩展。

为降低衰减、色散和非线性效应，相继研制出了应用广泛的常规单模光纤（ITU—T G.652），其在1310 nm为零色散，在1550 nm为最低损耗，工作波长为1310 nm；色散位移单模光纤（ITU—T G.653），其低损耗和零色散均在1550 nm，工作波长为1550 nm；截止波长位移单模光纤（ITU—T G.654），其在1550 nm衰减仅为0.15 dB/km；非色散位移单模光纤（ITU—TG.655），其在1550 nm损耗小，色散小，非线性效应小；宽带光传送的非零色散光纤（ITU—TG.656）；用于接入网弯曲衰减不敏感的单模光纤（ITU—TG.657）。

随着光纤通信容量不断增大、中继距离不断增长的需求，保偏光纤是重要研究方向。采用相干光纤通信系统，可实现越洋无中继通信，但要求保持光的偏振方向不变，以保证相干探测效率，因此常规单模光纤要向着保偏光纤方向发展。

市场需求是最好的发展源动力。用户对通信的要求也从窄带电话、传真、数据和图像业务逐渐转向可视电话、电视点播、图文检索和高速数据等宽带新业务，由此而促生了光纤用户网。光纤用户网的主要传输媒介是光纤，而用户光纤光缆的特点是含纤数量要高，每缆可高达2000～4000芯，因此高密度化的带状光缆诞生了，它可减少光缆的直径和重量，又可在工程施工中便于分支和提高接续速度。

1.4.2 光纤通信系统发展趋势

随着信息社会的到来，信息共享、有线电视、电视点播、电视会议、家庭办公、计算机互联网等应运而生，迫使光纤通信向高速化、大容量发展。实现高速化、大容量的主要手段是采用时分复用，波分复用和频分复用。

现代电信网的发展对光纤通信提出更高的要求，光纤通信已由以往单信道的光纤通信系统向多信道的波分复用系统发展。采用波分复用技术充分利用光纤的宽低损耗区，在不改变现有光纤通信线路的基础上，可以很容易地成倍提高光纤通信系统的容量。目前，多波长复用（DWDM）加掺铒光纤放大器（EDFA）的高速光纤通信系统发展成为主流。实用的DWDM系统工作在8～32个波长，每个波长可传输2.5 Gb/s或10 Gb/s。

光纤通信系统向相干光纤通信系统方向发展，成为另一个趋势。目前，大多数光纤通信系统采用的是强度调制—直接检测方式，在相干光纤通信系统中采用相干检测方式，最大的好处是可提高光接收机的检测灵敏度，从而提高光纤通信系统的无中继传输距离。

1.4.3 光纤通信网络发展趋势

光纤通信从一开始就是为传送基于电路交换信息的，客户信号一般是TDM的连续码流，如PDH和SDH等。随着计算机网络，特别是互联网的发展，数据信息的传送量越来越大，客户信号中基于分组交换的具有随机性、突发性的分组信号码流的比例逐步增加。通过光纤通信SDH网络承载的数据信号的类型越来越多，如FR，ATM，IP，100BASE-FX，FE，GE，10GE，DDN，FDDI，Fiber Channe1，FICON和ESCON等。

由此可见，随着网络化时代的到来，网络的不断演进和巨大的信息传输需求，对光纤通信提出了更高的要求，同时也促进了光纤通信技术的发展。就光纤通信网络技术而言，其发展方向有以下几点。

1.信道容量不断增加

目前，实用化的单通道速率已由155 Mb/s到32×10 Gb/s，160×10 Gb/s系统也已投入商用。在实验室，NEC实现了274×40 Gb/s系统；阿尔卡特实现了256×40 Gb/s系统；西门子实现了176×40 Gb/s系统。

2.超长距离传输

目前，实用化的距离传输已由40 km到160 km。拉曼光纤放大器的出现，为进一步增大无中继距离创造了条件。在实验室，无电中继的传输距离已从600 km增加到4000 km。

3.光传输与交换技术融合

实用化的点到点通信的WDM系统具有巨大的传输容量，但其灵活性和可靠性不够理想。采用光分插复用器（OADM）和光交叉连接设备（OXC）实现光联网，发展自动交换光网络ASON。预计在未来10年内的超高速网络中，采用原来DXC设备的网络将走向采用OXC设备的光传送网。其关键技术是DWDM传输、光放大、光节点处理及多信道管理等。据报道，256×256全光交叉连接设备已研制出来。

4.光纤接入网

随着对光通信的需求由骨干网逐步向城域网（本地网中的城区部分，特别是大城市）转移，光纤传输在逐渐靠近业务节点。对于数据业务的用户，希望光通信既能提供传输功能，又能提供多种业务接入功能，这就是目前已广泛使用的基于SDH的多业务传送平台（MSTP），同时实现TDM，ATM，Ethernet及FR，FDDI，Fiber Channe1，FICON和ESCON等业务的接入处理和传送，提供统一网管的多业务的接入节点设备。基于WDM的多业务平台是将WDM的每个波道分别用作各个业务的通道，用透明传输的方式支持各种业务的接入处理，如在FE，GE等端口中嵌入Ethernet2层甚至3层交换功能等，使WDM系统不仅仅具有传送能力，而且具有业务提供能力。

光接入网络的核心是全数字化、软件控制、高度集成和智能化。现有的接入网仍有部分是双绞铜线的模拟系统，已成为制约全网进一步发展的瓶颈。双绞线上的xDSL系统、同轴电缆上的HFC系统及宽带无线接入系统只是一些过渡性方案，唯一能够从根本上彻底解决这一瓶颈问题的技术手段是光纤接入网。

光纤接入网从广义上包括光数字环路载波系统（ODLC）和无源光网络（PON）两类。ODLC不是新技术，是结合了开放的接口V5.1/V5.2，在美国受到重视；PON技术在德国和日本受到重视，它以ATM与PON结合形成APON，或以Ethernet与PON结合形成EPON，传输速率可达155 Mb/s或622 Mb/s甚至1Gb/s，可以提供经济高效的语音、IP数据、视频广播等多媒体传送平台，并有效地利用网络资源。

光纤接入网作为通信网的一部分，直接面向用户，通过把光纤引入千家万户，将使亿万用户的多媒体信息畅通无阻地进入信息高速公路。

习题

1.光纤通信的特点和应用。

2.简述光纤通信系统组成及各部分功能。

3.光纤通信与电通信方式的主要差异是什么？

4.比较光纤通信各发展阶段的特点与差别。

5.可通过哪些途径来提高光纤通信系统的传输容量。

6.简述光纤通信的发展趋势。