【正文】 通信領域的主導技術。而且， 光纖 在制備技術、連接方式、傳輸理論、 檢測方式等方面，都采用了與銅質電纜不同的、比較獨特的理論與方法，也可以說，這是又一次新技術革命的一個里程碑 。 本論文將主要概述國內(nèi)外在通信技術方向的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀以及應用前景，重點分析了影響光纖 傳輸?shù)?損耗、 色散、非線性等因素 。 在內(nèi)容安排上，論文第一章簡述光纖通信技術的發(fā)展歷史、光纖通信技術的特點 及 光纖通信系統(tǒng)的組成 ；第二章介紹了傳輸介質 —— 光纖， 用射線光學理論和光纖導光原理 詳細闡述了光纖傳輸理論，并在此基礎上分析了光纖的傳輸特性 ， 另外 還介紹了新型光纖；第三章 歸結為光纖通信技術的前景展望，重點闡述了光孤子 通信和全光網(wǎng)絡 技術及其及應用前景 ；緊接著的是此次畢業(yè)論文的總結，包含著對此次畢業(yè)設計的整個研究工作的歸納，也是本文的思想精髓。最后是致謝和參考文獻部分。 2 1 簡述光纖通信技術 光纖通信技術的發(fā)展 歷史 在光纖問世之前 ,人們對光通信已經(jīng)進行了大量的探索 ,研究及使用 ,光波是我們最熟悉的電磁波 ,它的波長在微米級 ,頻率為 1014 數(shù)量級 ,從 圖 11 電磁波譜可以看出 ,紅外線、紫外線、可見光均屬于光波的范疇。截至目前為止，光纖通信技術最常使用的波長范圍是在近紅外區(qū)域，可分為短波長波段和長波長波段，即波長為～ 。目前也主要采用三種通信窗口，即波長為 、 。 采 用光導纖維作為光的傳輸介質的 光纖通信發(fā)展也只有三、四十年的歷史， 它 的發(fā)展是以 1960 年美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家梅曼設計的紅寶石激光 圖 111電磁波譜圖 器和 1966 年華人高錕博士提出的利用 2iOS 石英玻璃可制成的光纖的設想為基礎的，高錕 ()博士和霍克哈姆 ()發(fā)表了一 篇劃時代的性的論文， 從理 論上預言光纖損耗可降至 20dB/Km以下，預見了低損耗的 光纖能夠用于通信。從此，也宣告敲開了光纖通信的大門，引起了更多人的重視。這種設想到后來成為了現(xiàn)實，1970 年美國的康寧（ Corning）公司 根據(jù)高錕博士的思想，采用化學氣相沉積（ CVD）工藝第一個 制出 衰減少于 20dB/Km的高純石英光纖， 與同軸電纜 5～ 10dB/Km的損耗相比，還未達到理想的指標，但在當時已為通信工程師 們所接受， 也因此成為世界上公認的第一根通信光導纖維。 同年， Hayashi 等人研制出了室溫下連續(xù)運行的的GaAlAs(鎵鋁砷 )雙異質結注入式半導體激光器，從而為光通信提供了合適的光源和信道， 使光纖進行遠距離傳輸成為可能， 從此開啟光纖通信的的新紀元。因此從以1 0 0 T H z1 0 T H z1 T H z1 0 0 G H z1 0 G H z1 G H z1 0 0 M H z1 0 M H z1 M H z1 ? m 可見光線10 ? m1 0 0 ? m1 m m1 0 m m1 0 0 m m1 m10 m1 0 0 m中波 ( M F )短波 ( H F )米波 ( V H F )分米波 ( U H F )厘米波 ( S H F )毫米波 ( E H F )亞毫米波遠紅外線近紅外線( 光纖通信用）頻率 波長 名稱紫外線 3 上兩方面綜合來說， 1970 年是光纖通信史上十分關鍵的一年，被贊譽為“光纖通信年”。 自此以后，光纖通信的研究在世界范圍內(nèi)展開并得到迅猛發(fā)展，在 短短的三、四十年中，已經(jīng)從 ～ 纖，也相繼開發(fā)出 ～ ，激光器的壽命已達數(shù)十萬小時，甚至百萬小時 。 光纖通信的發(fā)展歷史如圖 112所示。 國外 光纖技術發(fā)展情況 ： ① 20 世紀 60 年代中期，所研制的最好的光纖損耗在 400dB/Km以上； ② 1966 年英國標準電信研究所高錕及 從理論上預言光纖損耗可降至 20dB/Km以下； ③ 1970 年康寧公司采用“粉末法”先后獲得了損耗低于 20dB/Km 和 4dB/Km的低損耗石英光纖； ④ 1974 年貝爾實驗室采用改進的化學汽相沉積法制出性能優(yōu)于康寧公司額光纖產(chǎn)品； ⑤ 1979 年，摻鍺石英光纖在 dB/km，這一數(shù)值已經(jīng)十分接近由瑞利散射所決定的石英光纖理論損耗極 限； ⑥ 1988 年 ，第一條跨越大西洋海底，連接美國東海岸同歐洲大陸的光纜開通。 國內(nèi)光纖技術發(fā)展情況： 雛形：古代烽火、手旗燈光 1880 年 貝爾的 光 電話 1960 年 梅曼發(fā)明紅寶石激光器 1962 年 半導體激光器誕生 (GaAs 870nm) 70 年代 室溫工作 LD(GaAsAl 850nm) 、 多模 LD 單模 LD 1951 年 醫(yī)用玻璃纖維 (損耗 1000dB/km) 1966 年高錕 理論預言 1970 年 康寧制出低損耗光纖 （ 20dB/km） 、 單模光纖 激光器 (發(fā)送端 ) 光纖 (傳輸介質 ) 圖 112 光纖通信的發(fā)展歷史 4 ① 1963年開始光通信的研究 ； ② 1977 年第一根短波長 （ ） 階躍 型 石英光纖問世，損耗為 300 dB/km； ③ 1978 年，階躍光纖的衰減降至 5 dB/km，同時研制出短波長多模梯度光纖 ； ④ 1979年研制出多模長波長光纖，衰減為 1 dB/km； ⑤ 1980 年， ， ； ⑥ 1990 年，研制出 標準單模光纖，最小衰減達 ,1992 年降至； ⑦ 1993年 ，在摻鉺光纖放大器的研究上取得突破性進展，小信號增益達 25dB。 ⑧ 相繼建成了多條長距離光纖通信 網(wǎng)絡 ，我國的“八橫八縱”格狀國家通信網(wǎng)骨干網(wǎng)也已基本建成，我國鋪設光纜的方向已經(jīng)開始轉向城域網(wǎng)等局部性網(wǎng)絡，而且隨著光通信的發(fā)展，高質量、高速度數(shù)據(jù)傳輸將進一步得到應用 [1]。 光纖通信技術經(jīng)過近 40 多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了 5個發(fā)展階段其中大多已由試驗研究進入了實用階段。 ㈠ 第一代光纖通信系統(tǒng) 1978 年， 第一代光纖通信系統(tǒng) ( )正式投 入商業(yè)應用，光源為半導體激光器（ GaAlAs LD）或發(fā)光二極管，其工作波長為 λ=， 該光纖通信系統(tǒng)稱為短波通信系統(tǒng) 。 信道為均勻多模光纖，衰減系數(shù)約為 ～ 4 dB/km,比特率為 20Mb/s～ 100Mb/s， 最大通信容量約為 500（ Mb/s） km（通信系統(tǒng)的通信容量通常用比特率與距離積 BL 表示。其中， B 表示比特率， L 表示中繼距離） ，最大中繼距離約為 10 km。 ㈡ 第二代光纖通信系統(tǒng) 1981 年又實現(xiàn)了兩電話局間使用 ，為第二代 早期多模 光纖通信系統(tǒng)，光源為 InGaAsP 半導體激光器，其工作波長為 λ=，該波段是石英系光纖的第二個低損耗窗口，有較低的損耗和最低的色散。信道為均勻多模光纖，由于多模光纖的模間色散，早期產(chǎn)品的比特率會有所限制。隨著由多模光纖發(fā)展到單模光纖 ，單模光纖比多模光纖的損耗更小，色散更低，因此采用單模光纖通信系統(tǒng)可進一步提高系統(tǒng)的比特率和中繼距離。 1987 年，第二代單模光纖通信系統(tǒng)（ 單模光纖通信系統(tǒng)，稱為長波光纖通信系統(tǒng)）投入了商業(yè)運營，其比特率高達 ，中繼距離可達 50 km左右 [2]。 ㈢ 第三代光纖通信系統(tǒng) 1990 年，第三代光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)可以初步 投入 商業(yè)運營，光源為 InGaAsP 半導體激光器，光電探測器與第二代光纖通信系統(tǒng)同為鍺光電探測器，信道為單模光纖，其工作波長為 λ=，該光纖通信系統(tǒng)稱為長波光纖通信系統(tǒng)。該波段也是 5 石英系光纖損耗最低的窗口， 1979 年其損耗已經(jīng)達到了 dB/km的低損耗，是石英光纖的第三個低損耗窗口。當時由于多縱模常規(guī) InGaAsP 半導體激光器 的譜寬問題未能解決，而且光纖在 ，也因此而推遲了第三代光纖通信系統(tǒng)的應用。而后，在波長為 ，研 制成功了具有最小色散的色散位移 DSF 單模光纖和單縱激光器，進而解決了 問題。 第三代光纖通信系統(tǒng)的比特率為 ，中繼距離大于 100 km[2]。 ㈣ 第四代光纖通信系統(tǒng) — 相干光纖通信系統(tǒng) 相干光纖通信系統(tǒng) (COFCS)是利用激光的相干性，將無線電通信中采用的“外差”接收（或“零差”接收）和先進的調(diào)制方式（ ASK、 PSK、 FSK）應用到光纖通信中的系統(tǒng)。 相干光纖通信結構圖如下圖 12 所示。相干通信系統(tǒng)的兩個突出的優(yōu)點是：靈敏度高和頻率選擇性好，可用于長途干線通 信和綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)中。 圖 113 相干光纖通信系統(tǒng)結構圖 ㈤ 第五代光纖通信系統(tǒng) — 光孤子通信系統(tǒng) 光孤子通信是利用光纖非線性進行超大容量、超長距離的光纖通信方式。光孤子的存在是光纖群速度色散 GVD 和自相位調(diào)制 SPM 平衡的結果 ，它的產(chǎn)生是由于在單模光纖中，當光的強度增加到一定程度時將出現(xiàn)非線性效應。 20 世紀 90 年代初期光纖放大器的問世引起了光纖通信領域的重大變革，摻鉺光纖放大器 EDFA 用于光孤子放大，進一步提升了高速長距離的潛力，因此光孤子通信是一種具有潛在應用前景的傳輸方式 [2]。 光纖通信技 術的 特點 光纖通信技術 已成為現(xiàn)代通信的基石。 其之所以得到如此飛速的發(fā)展，是因為它具有不可比擬的一系列獨特的優(yōu)點 [2]。 發(fā)射機 調(diào)制器 光 匹 配器 單模光纖 光載波激光器 光匹配器 混頻 本振激光器 光電檢測器 中頻放大、濾波 解調(diào)器 基帶放大、濾波 再生 6 ⑴ 光纖傳輸損耗 小 ， 中繼距離很長且誤碼率很小 。 目前，商品石英光纖損耗可低于 0～ 20dB/km，這樣的傳輸損耗比其他任何傳輸介質的損耗都低。 最低光纖損耗已降 至 dB/km 一下，這是以往的任何傳輸所不能與之相比的， 若采用非石英系統(tǒng)極低損耗光纖，其理論分析損耗可下降的更低。 對于一個長途傳輸線路，又由于中繼站數(shù)目的減少，系統(tǒng)成本和復雜性可大大降低。 因此光纖通信系統(tǒng)中的無中繼傳輸距離長，而 且 相干通 信的無中繼傳輸距離可超過 200 km。 ⑵ 頻帶寬、信息容量大。 光纖比銅線或電纜有大得多的傳輸帶寬，特別是密集波分復用技術極大地增加了光纖的傳輸容量，因此 光纖具有極寬的潛在帶寬 。 現(xiàn)在單模光纖的帶寬可達 THzkm量級，極大的擴大了通信的容量。 ⑶ 光纖通信系統(tǒng) 無串音干擾、 安全性好 。 在電波傳輸?shù)倪^程中，電磁波的泄漏會造成各傳輸通道的串擾，而容易被竊聽， 安全 性差。 光纖還是一種介質光波導，可以將光波封閉在其中進行傳播， 光波在光纖中傳輸，因為光信號被完善地限制在光波導結構中，而任何泄漏的射線都被環(huán)繞光纖的不透明包 層 所吸收， 即使在轉彎處，漏出的光波也十分微弱， 還有 即使光纜內(nèi)光纖總數(shù)很多，相鄰信道也不會出現(xiàn)串音干擾，同時在光纜外面，也無法竊聽到光纖中傳輸?shù)男畔ⅰ?因此在保密通信中具有廣泛的應用。 ⑷ 抗 電磁 干擾能力強的優(yōu)點 。 光纖原材料是由石英制成的絕緣體材料， 抗高溫、抗腐蝕能力強、 而且絕緣性好。與之相聯(lián)系的一個重要特性是光波導對電磁干擾的免疫力，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽黑子活動的干擾，也不受人為釋放的電磁干擾，還可用它與高壓輸電線平行架設或與電力導體復合構成復合光纜。這一點對于強電領域 (如電力傳輸線路和電氣化鐵道 )的 通信系統(tǒng)特別有利。由于能免除電磁脈沖效應，光 纖傳輸系還特別適合于軍事應用。 ⑸ 原材料豐富。制備光纖、光纜的主要原材料 2iOS 是地球上儲量最豐富的物質 。電纜的主要原材料是銅、鋁等有色金屬，資源有限， 因此 使用光纖 節(jié)約了金屬材料，有利于資源合理使用。 ⑹ 光纖信道體積小、重量輕 、便于傳輸和鋪設 的優(yōu)點。 可制成大芯數(shù)高密度光纜；單芯光纜可安裝在飛機、火箭、潛艇及航天飛