【正文】 或 功 率 傳輸距離 這里討論的傳輸距離指的是中繼距離。光纖的衰減和色散是限制傳輸距離的兩大主要因素，而它們對(duì)傳輸距離影響程度與工作波長(zhǎng)以及比特率有關(guān)，由圖 ，在短波窗口 850nm波段，光纖存在著較大的損耗，大約為2dB/km，根據(jù)傳輸信息的比特率不同，中繼距離一般在 10公里到 30公里之間，在長(zhǎng)波段窗口，尤其在 1550nm波長(zhǎng)處，光纖存在最低損耗，中繼距離最大可達(dá) 200公里。 僅考慮光纖損耗，光信號(hào)沿光纖傳輸?shù)淖畲缶嚯x L可用（ ）式計(jì)算，將它改寫為 （ ） 式中 為光纖的損耗，單位為 dB/km, 包括熔接和連接損耗， 為光源最大平均輸出功率， 為接收機(jī)探測(cè)器的最小平均接收光功率 , 兩者單位均為mW。 recoutf PPL lg10???f? outPrecP圖 。圖中的接頭是用熔接機(jī)將光纖連接起來(lái)時(shí)形成的，因接頭引起的損耗 LS對(duì)單模光纖來(lái)說(shuō)可以做到小于 。連接器也是連接光纖的方式之一，它是用高精度結(jié)構(gòu)的機(jī)械，使光纖纖芯緊密接觸，光纖纖芯接觸得越緊，同心度越高，則連接損耗 LC越小。單模光纖使用連接器相連時(shí)，連接損耗可以做到 。 當(dāng)光纖系統(tǒng)的信息傳輸速率較高時(shí)，色散對(duì)傳輸距離起到主要的限制作用，圖 ，圖中實(shí)線表示損耗對(duì)傳輸距離和比特率的限制，虛線表示受色散限制。各種光纖的意義將在第 2章中作進(jìn)一步的介紹。 LC 連接器 光發(fā)射機(jī) 距離 L (km) 光接收機(jī) 連接器 接頭 接頭 Pout Prec LC LS LS dBm 圖 光纖傳輸系統(tǒng)的損耗 500 200 ④ ② ① 比特率 B(Gb/s) 距離 (km) 30 ① 1550nm色散位移光纖 ② 1550nm單模光纖 ③ 1310nm單模光纖 ④ 850nm多模漸變光纖 ⑤ 850nm多模階躍光纖 ③ ⑤ 1 10 100 圖 光纖的傳輸速率與傳輸距離的關(guān)系 通信容量 光纖通信系統(tǒng)的通信容量用比特率－距離積 BL來(lái)表示， B為系統(tǒng)傳輸信息的比特速率， L則是中繼距離，單位是（ Mbit/s） km。通信容量也可以用帶寬－距離積來(lái)表示，單位是 MHzkm。通信容量與光纖的類型、工作波長(zhǎng)、以及使用的激光器類型等諸多因素有關(guān)。 對(duì)于工作于 850nm的階躍折射率多模光纖，比特率－距離積被限制在 50（ Mbit/s） km左右，因此除了短距離傳輸?shù)牡退俾蕯?shù)據(jù)，一般都不采用階躍折射率多模光纖。工作于 1550nm的色散位移光纖系統(tǒng)的 BL積可達(dá)到 1600（ Gbit/s） km。見圖 。 光纖通信技術(shù)的回顧和展望 回顧 利用光載波遠(yuǎn)距離傳輸信道的設(shè)想在 19世紀(jì)就被提了出來(lái)，但是因?yàn)楣庠春蛡鬏斀橘|(zhì)這兩個(gè)基本限制一直未得到發(fā)展。 1966年，英籍華裔科學(xué)家高錕（ Charles Kao）首次提出了光纖傳輸光信號(hào)的理論，他研究了光在石英玻璃中嚴(yán)重?fù)p耗的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維的損耗不是固有的，而是由于其中含有過(guò)量的鉻、銅、鐵與錳等金屬離子和其它雜質(zhì)造成的，其次是拉制光纖時(shí)的工藝造成了纖芯、包層分界面的不均勻及其所引起的折射率不均勻。通過(guò)降低材料中的雜質(zhì)含量和改善工藝，可以使光纖成為實(shí)用的光傳輸介質(zhì)。隨后在 1970年，康寧 (Corning)公司研制出衰減為 20dB/km的光纖。同年，貝爾（ Bell）實(shí)驗(yàn)室研制成功室溫下可以連續(xù)工作的鋁鎵砷（ AlGaAs）半導(dǎo)體激光器，它體積小，功耗低，效率高，是光纖通信中的理想光源。這兩項(xiàng)研究成果的出現(xiàn)，使得光纖通信開始得到了迅速發(fā)展。 1977年在芝加哥相距 7公里的兩個(gè)電信局之間進(jìn)行了數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸試驗(yàn)，使用的速率為 ，采用的光纖工作波長(zhǎng)為 850nm，衰減為，光源采用鋁鎵砷半導(dǎo)體激光器，光電探測(cè)器采用硅材料制作，它成為第一代光纖通信的標(biāo)志。第一代光纖通信的特征是采用 850nm的多模光纖，光纖損耗為 ～ 3dB/km，傳輸速率為 50～ 100Mb/s，中繼距離為 8～ 10公里。大約在 1980年，進(jìn)入了工作波長(zhǎng)在 1310nm、使用多模光纖傳輸?shù)牡诙饫w通信時(shí)代。該波段是石英光纖的第二個(gè)低損耗窗口，且有最低的色散，相應(yīng)的光源長(zhǎng)波長(zhǎng)銦鎵砷磷（ InGaAsP） /銦磷（ InP）半導(dǎo)體激光器，光電探測(cè)器采用鍺材料，傳輸速率為 140Mb/s，中繼距離為 20～ 50公里。 1983年實(shí)現(xiàn)了使用單模光纖在 1310nm波長(zhǎng)傳輸?shù)牡谌饫w通信。單模光纖較多模光纖色散低得多，損耗也更小，降至 ～ ，中繼距離為 50～ 100公里，這一代光纖通信廣泛地應(yīng)用于長(zhǎng)途干線和跨洋通信中，如日本，敷設(shè)了一條從北海道到?jīng)_繩島縱貫?zāi)媳钡墓饫|干線，全長(zhǎng) 3400公里，采用 24芯單模光纖光纜，傳輸速率為 400Mb/s。美國(guó)也從東西海岸各敷設(shè)了一條光纜干線，長(zhǎng)度分別為 600公里和 270公里，芯數(shù)為 144芯。后來(lái)在 1985年，又敷設(shè)了 2022公里的南北干線，增設(shè)了總長(zhǎng)為 5萬(wàn)公里的光纜，把美國(guó)的 22個(gè)州連接形成了長(zhǎng)途光纜干線網(wǎng)。國(guó)際上第一條海底光纜于 1986年在北海海底敷設(shè)，它連接了英格蘭和比利時(shí)。美國(guó)到歐洲的跨大西洋海底光纜在 1988年敷設(shè)，長(zhǎng)度為 5600公里，到歐洲后分成兩個(gè)分支，一路經(jīng) 500多公里到英國(guó)，另一路經(jīng) 300多公里到法國(guó)，它的語(yǔ)音信道為 80000路，為了補(bǔ)償信號(hào)衰減，沿光纜每隔 50公里安裝了一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器。 80年代后期，進(jìn)入了使用單模光纖在 1550nm波段上傳輸?shù)牡谒拇饫w通信階段。 1550nm是石英光纖的最低損耗窗口，為 ，傳輸速率達(dá) ，中繼距離為 80～ 120公里。在這個(gè)時(shí)期，摻鉺光纖放大器的出現(xiàn)成為光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。 1986年，英國(guó)南安普敦大學(xué)制作了最初的摻鉺光纖放大器。當(dāng)作為摻鉺光纖放大器的泵浦源， 980nm和 1480nm的大功率半導(dǎo)體激光器研制成功后，摻鉺光纖放大器趨于成熟，進(jìn)入了實(shí)用化階段。摻鉺光纖放大器研制成功的意義不僅在于可進(jìn)行全光中繼，它還多方面推動(dòng)了光纖通信的發(fā)展。尤其是在波分復(fù)用 WDM（ Wavelength Division Multiplexing）光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，波分復(fù)用是將一根光纖分割成多個(gè)光信道，從而成為充分利用光纖帶寬，有效擴(kuò)展通信容量的一種光纖通信方式，這項(xiàng)技術(shù)使光纖使光纖通信進(jìn)入了高速光纖通信階段。 自 1995年以來(lái)，光纖通信的發(fā)展進(jìn)入了第五代。其主要特征是采用了密集波分復(fù)用 DWDM對(duì)光纖系統(tǒng)傳輸容量進(jìn)行擴(kuò)容。截至 2022年 ,商用 DWDM系統(tǒng)容量已達(dá) 160 10Gb/s(),實(shí)驗(yàn)室水平為 256 ()。 趨勢(shì) 目前 ,光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)可以從這幾個(gè)方面來(lái)透視。 1. 光纖傳輸容量的提高 隨著社會(huì)的發(fā)展，信息的傳輸量需求大幅度提高，提高通信容量的主要途徑是減小信道間距 ,擴(kuò)展帶寬以及采用混合復(fù)用技術(shù)，信道間距是在帶寬不變的條件下，增加光信道數(shù)目從而提高 WDM系統(tǒng)的通信容量的一種方法。擴(kuò)展帶寬是針對(duì)傳統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng)主要工作在低損耗 C波段 (1530nm~1565nm)而言的。在此基礎(chǔ)上，已經(jīng)開辟了長(zhǎng)波段 L(1565nm~1625nm)與短波段 S(1460nm~1530nm)兩個(gè)波段，并且實(shí)現(xiàn)了三個(gè)波段信號(hào)的同時(shí)傳輸。而混合復(fù)用技術(shù)是由單一復(fù)用技術(shù)向多種復(fù)用技術(shù)混合使用的方向發(fā)展，如雙向傳輸?shù)牟ǚ謴?fù)用、偏振復(fù)用（ PDM）與波分復(fù)用混合方式，波分復(fù)用與碼分復(fù)用（ CDM）混合方式等。當(dāng)單信道碼率達(dá)到 40Gb/s以上時(shí)，信號(hào)必須采用光時(shí)分復(fù)用。光時(shí)分復(fù)用利用了高速光開關(guān)將多路光信號(hào)在時(shí)域里復(fù)用到一路上的技術(shù)，其基本原理是在發(fā)送端的同一載波波長(zhǎng)上 ,把時(shí)間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙，然后根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，使不同的信源在每幀內(nèi)按照指定的時(shí)隙向信道發(fā)送信號(hào)，接收端在同步的條件下，分別在各個(gè)時(shí)隙中取回各自的信號(hào)。下表為 2022年 OFC會(huì)議論文中出現(xiàn)的光纖通信系統(tǒng)傳輸實(shí)驗(yàn)。 2. 寬帶光放大器 隨著光纖通信的帶寬從 C波段到 L波段及 S波段的發(fā)展，要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸 ,對(duì)光放大器帶寬提出了新的要求 ,寬帶光放大器成為研究的熱點(diǎn)。前述的摻鉺光纖放大器（硅化物）工作在 C波段，其平坦增益帶寬為 30nm，它對(duì)波分復(fù)用系統(tǒng)有較大的限制。而碲化物摻鉺光纖放大器的增益帶寬高到 50nm(1560nm~1610nm)增益光譜覆蓋了 C和 L兩個(gè)區(qū)域。而覆蓋全光波段 (1270~1670nm)喇曼光纖放大器的研究已經(jīng)成熟，已有 10Gb/sh波分復(fù)用系統(tǒng) (40個(gè)信道 )利用分布喇曼放大方式傳輸 1600km和 10Gb/s波分復(fù)用 (105個(gè)信道 )利用分布喇曼放大方式傳輸 8186km的實(shí)驗(yàn)報(bào)道。正在研制中的寬帶放大器還有摻銩光纖放大器，其工作波段為 1450~1480nm，增益漂移的摻銩光纖放大器工作波段為 1480nm~1510nm。 3. 密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的光源復(fù)用和解復(fù)用器 按照通信間隔的差異 ,波分復(fù)用 WDM又可分為粗波分復(fù)用 CWDM(Coarse WDM,信道間隔小于 20nm),密集波分復(fù)用 DWDM(Dense WDM，信道間隔小于或等于)，超密集波分復(fù)用 SDWDM(Super DWDM,信道間距小于或等于 25GHz)，信道間隔可用頻率表示 ,也可用長(zhǎng)度表示，兩者之間的關(guān)系是 （ ） 介于 CWDM和 DWDM之間的波分復(fù)用，為前述的一般波分復(fù)用。在 DWDM和SDWDM系統(tǒng)中，要求采用可調(diào)諧光源替代固定波長(zhǎng)光源以降低通信系統(tǒng)的成本 ,波分復(fù)用可調(diào)諧光源的基本要求是輸出波長(zhǎng)穩(wěn)定 ,波段間隙小。目前研制的可調(diào)諧激光器主要有以下幾種方式 :可調(diào)分布反饋激光器，分布布拉格反射激光器，垂直腔表面發(fā)射激光器，外腔二極管激光器 ,可調(diào)鎖模激光器 , 可調(diào)光纖激光器?？烧{(diào)鎖模激光器已經(jīng)能輸出 32個(gè)信道波長(zhǎng) .波長(zhǎng)從 ,信道之間間隔 100Ghz。 復(fù)用 /解復(fù)用器是組合和分離不同波長(zhǎng)信號(hào)的裝置，制作光復(fù)用 /解復(fù)用的技術(shù)很多，其中陣列波長(zhǎng)光柵 AWG (Arrayed Wavelength Grating)由于結(jié)構(gòu)具有復(fù)用 /解復(fù)用雙向?qū)ΨQ功能 .信道數(shù)幾乎不受限制而成為研究的熱點(diǎn)，如現(xiàn)在已經(jīng)能制作400個(gè)信道、 25GHz間距的 AWG，它可以覆蓋整個(gè)Ｃ和 L波段。 AWG除了最基本的復(fù)用 /解復(fù)用功能外 ,還便于與其它器件集成，如和集成電吸收調(diào)制器 /半導(dǎo)體光放大器構(gòu)成 32波長(zhǎng)直接可調(diào)鎖模激光器，與點(diǎn)陣式交叉濾波器集成構(gòu)成 WDM濾波器等， AWG器件具有尺寸小、易于集成、性能穩(wěn)定和制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，它正受到越來(lái)越多的關(guān)注。 2/)( ????? cf4. 偏振模色散補(bǔ)償技術(shù) 偏振模色散是由于光纖不園度、光纖內(nèi)部殘留應(yīng)力、環(huán)境溫度變化等因素導(dǎo)致的光纖內(nèi)部產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，引起在垂直光纖軸線的平面內(nèi)兩個(gè)相互正交偏振的基模光場(chǎng)的傳輸速度不同，從而產(chǎn)生了脈沖展寬。因?yàn)槠衲Ｉ?duì)系統(tǒng)的損害在碼率較高時(shí)（大于 10Gb/s）較為明顯，所以，它成為高速光通信系統(tǒng)發(fā)展的主要障礙之一。目前抑制和補(bǔ)償偏振模色散的技術(shù)主要有：制作超低偏振模色散光纖；選擇信號(hào)碼型（如歸零碼）以抑制偏振模色散，在 DWDM系統(tǒng)中，相鄰信道采用正交入射的方法抑制偏振模色散等。 本章小結(jié) 光纖通信系統(tǒng)就其基本組成而言有三部分：光發(fā)射機(jī)、光纖和光接收機(jī)，讀者應(yīng)牢固建立它們地位和作用的概念。作為光傳輸媒質(zhì)的光纖，它們的衰減性能決定了它的工作波長(zhǎng)以及光系統(tǒng)的作用距離，這個(gè)局限可由光放大器大大緩解。光纖的色散則限制了傳輸數(shù)據(jù)的速率。輸入到光纖中光強(qiáng)的大小對(duì)光纖特性也有影響，這就是非線性效應(yīng)。通信容量作為光纖通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)也是讀者應(yīng)掌握的基本內(nèi)容。