光通讯技术 第1章 概述.ppt

,第二级,第三级,第四级,第五级,第,1,章,概述,第1章 概述,1.1 光通信的基本概念,1.2 光纤通信的优点,1.3 光纤通信的系统组成,1.4 光纤通信的回顾与展望,1.5 光波技术基础,习题一,1.1 光通信的基本概念,光通信是利用光波来传送信息的。 光波的频率比目前电通信使用的频率高得多， 因而其通信容量很大。 通信系统的通信容量与系统的带宽成正比。 为了比较方便， 通常系统的带宽用载频的百分比， 即带宽利用系数来表示。,例如， 一个载波频率为100 MHz的无线电通信系统， 如果带宽利用系数为10%， 则系统带宽为10 MHz； 而对于载频为10 GHz的微波通信系统， 若带宽利用率仍为10%， 则系统带宽为1 GHz。 光波的频率一般在110,14,410,14,Hz范围内， 在带宽利用率仍为10%的情况下， 系统的利用带宽在10 00040 000 GHz范围内， 这是电通信无法比拟的。 ,光波实际上是一高频的电磁波。 在讨论高频电磁波时， 我们习惯采用波长来代替频率描述。 波长与频率的关系为,（1.1）,其中： 为电磁波的波长， 其物理含义是电磁波在时间上变化一周， 其波前在空间变化一周所行进的长度;,c,为光波在自由空间中传播的速度， 其值为,310,8,m/s；,f,为电磁波的频率， 其物理含义是交变电磁波在单位时间（每秒）变化的周期数。,对于光波来说， 波长常用单位有微米 m(1 m=10,-6,m)、 纳米nm(1 nm=10,-9,m)、 埃(1=10,-10,m)。,图1.1给出了光波在电磁波频谱中的大体位置分布（注意： 通常将频率为1 GHz以上的无线电波称为微波）。 光波的频率一般可达到10,13,10,14,Hz， 对应的波长在10100 000 nm之间。 可进一步将光波细分为红外线、 可见光和紫外线。,图 1.1 电磁波频谱图,红外线（波长0.76 m）： 这一波段的波长比人眼实际可见的光的波长要长得多， 可细分为近红外（波长为0.7615 m）、 中红外（波长为1525 m）和远红外（波长为 25300 m）。 这一波段的信号主要用于光波通信、 红外制导、 电子摄像及天文学。,可见光（波长位于0.390.76 m）： 这一波段就是人眼实际可见的波长， 像自然光源(如太阳光)和白炽灯、 日光灯以及许多激光源(如He-Ne激光器)等装饰性的人造光源， 它们发出的光都是人眼可见的可见光。,紫外线（波长0.39 m）： 这一波段的波长比人眼实际可见的光的波长要短得多， 这一波段的信号很少应用于通信。,目前光通信所使用的光波波长大约为1 m， 主要位于近红外波段。 通常将小于1 m的红外波长称为短波长， 将大于1 m的红外波长称为长波长。,早期的光通信， 如用烽火台的火光传递简短的消息， 贝尔的光 利用太阳光来传递话音信号， 它们所传送信息的容量小、 距离短、 可靠性低、 设备笨重， 究其原因是由于采用了太阳光等普通光源。,1960年7月8日， 美国科学家梅曼(Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。 激光器发出的激光与普通光源发出的光相比， 其光束的强度极高， 方向性极好， 光谱的范围小， 相位和频率一致性好， 其特性与无线电磁波类似， 是一种理想的通信载波， 可用来携带信息进行长距离传输。 因此激光器的出现使得光通信进入了一个崭新的阶段。,激光一词是从英文LASER翻译过来的， 而LASER一词是由英文“Light Amplification by Stimulated Emission Radiation”中的首字母构成的， 其含义是受激辐射光放大。 由于其频率很高, 可极大地提高通信容量， 因此引起了通信工作者的广泛重视， 使激光很快在通信领域得到应用。 继红宝石激光器问世后， 各种不同材料的激光器相继出现， 如氦-氖激光器、 二氧化碳激光器、 氩离子激光器和半导体激光器等。,激光器一问世， 人们就模拟无线电通信进行了大气激光通信的研究， 采用的激光源有氦-氖激光器和二氧化碳激光器等。 由于发射功率很大， 因此那时所需的激光器的体积相对较大， 相应的设备较笨重。 近年来大功率半导体激光器的研制成功， 使得大气激光通信在实用化的道路上迈出了一大步。,目前， 大气激光通信（由于光通信使用的光源无一例外地都采用激光器， 因而光通信实际上就是激光通信）在民用和军事通信中都具有重要作用， 为建立全天候、 具有高机动性和高灵活性、 工作稳定可靠的信息平台开辟了广阔前景。 这主要是由于其具有如下优点：,(1) 具有安装便捷、 使用方便的特点， 很适合于在特殊地形、 地貌及有线通信难以实现和机动性要求较高的场所工作。,(2) 具有不挤占宝贵的无线电频率资源、 电磁兼容性好、 抗强电磁干扰能力强、 保密性好等特点。 当然其有效通信距离和带宽有待进一步提高。,(3) 跟微波、 毫米波通信相比， 半导体激光通信系统在价格上也有较强的竞争优势， 是一种易于被市场和用户接受的通信手段。,(4) 它是组建各种室内、 室外局域网和最后1000 m接入的有效手段。 因为它的合理应用， 会使蜂窝网中宝贵的频率资源得到更加充分的利用， 所以它对于城市中移动 蜂窝网的建设和发展有着不可低估的价值。,(5) 它是未来实现卫星之间通信的有效手段， 因此， 在构筑外层空间通信网上， 半导体激光自由空间通信将发挥重要的作用。,(6) 由于它利用极窄的激光束作为载波， 传播的发散角非常小， 不易捕获， 保密性好， 因此具有很好的军事应用前景。,虽然大气光通信与其他无线通信相比， 具有如上的优点， 但是由于它以大气作为光波的传输介质， 因而存在致命的缺点， 目前远未得到应有的发展和推广应用。 大气光通信主要存在以下的技术问题：,(1) 大气信道衰减随机变化量大（雨、 雾、 灰尘和自然辐射对光能的吸收和散射， 使光能迅速衰减）， 需要补偿。,(2) 大气湍流现象（因大气中各处的密度和温度不同而引起的）使介质折射率发生不均匀的随机变化， 其结果是使接收光斑发生所谓的闪烁现象和漂移现象。,(3) 需要功耗小， 转换效率高， 激光输出功率大， 调制带宽及伺服系统简单的激光发射器件。,(4) 需要灵敏度高， 噪声特性好， 适合于常温环境下工作的接收器件。,(5) 需要体积小, 重量轻, 光学特性好, 便于安装、 调整校准的光学收发天线。,(6) 需要背景噪声的滤除技术。,(7) 在机动性要求高和工作平台方位稳定性差的场合应用时需要自动跟踪瞄准。,大气光通信虽然在机动性、 灵活性方面具有优势， 适合于大气层视距范围、 星际之间、 水下等特殊场合的通信， 但用于长距离的陆地和海底通信显然不理想。 然而光通信的许多优点驱使人们进一步探索光波新的传输介质。,为了克服大气对激光束的影响， 人们将光波在大气中的传输转移到地下， 如在金属或水泥管道内每隔一段距离安放一个反射镜， 通过反射镜的反射使光波限制在管道内向前传输， 如图1.2所示。 这种方法虽然克服了大气对激光束的影响， 但需要摆放许多反射镜， 给实际的施工、 维护带来诸多不便， 而且每反射一次， 光能就损耗一次， 经过多次反射之后光能迅速降低， 传输距离受到限制。,图 1.2 利用反射镜传送光束,1.2 光纤通信的优点,就在对光纤损耗的研究获得巨大突破的同时， 美国贝尔实验室于1970年研制成功了可在室温连续工作的半导体激光器。 与气体、 液体、 固体、 离子等激光器相比， 半导体激光器体积小, 耗电少, 通过改变注入电流可方便地实现对信号的调制， 具有寿命长、 可靠性高等优点。 至此， 可以说光纤通信向实用化方向发展的两大障碍没有良好的激光源和理想的传输介质， 都得到了圆满的解决。 此后各种各样的光纤通信系统如雨后春笋般地发展起来。,1976年， 在美国亚特兰大成功进行了速率为44.7 Mb/s的光纤通信系统实验。,1977年， 美国芝加哥 局进行了速率为44.7 Mb/s的光纤通信系统现场试验。,1978年， 日本进行了速率为100 Mb/s的光纤通信系统现场试验。,1980年， 日本进行了速率为400 Mb/s的光纤通信系统现场试验。,1989年， ITU-T（国际电信联盟电信委员会）制定了155 Mb/s、 622 Mb/s、 2.5 Gb/s等速率标准。 现在， 10 Gb/s 系统也已商用化。,自1982年以后， 光纤通信迅速发展， 促进了光纤的应用和产业化， 光纤的需求量呈指数规律上升。 无论是在陆地， 还是在海底都敷设了光纤， 光纤甚至已经延伸到了我们的办公桌和家中。 光纤之所以在世界各国的各个领域得到广泛的应用， 成为高质量信息传输的主要手段， 是因为光纤与传统的金属同轴电缆相比， 具有如下的优点：,(1) 通信容量大。 由于光纤的可用带宽较大， 一般在10 GHz以上， 使光纤通信系统具有较大的通信容量。 而金属电缆存在的分布电容和分布电感实际起到了低通滤波器的作用， 使传输频率、 带宽以及信息承载能力受到限制。 现代光纤通信系统能够将速率为几十 Gb/s以上的信息传输上百英里， 允许大约数百万条话音和数据信道同时在一根光缆中传输。 实验室里， 传输速率达Tb/s级的系统现已研制成功。 光纤通信巨大的信息传输能力， 使其成为了信息传输的主体。,(2) 传输距离长。光缆的传输损耗比电缆低， 因而可传输更长的距离。 光纤系统仅需要少量的中继器， 而光缆与金属电缆的造价基本相同， 少量的中继器使光纤通信系统的总成本比相应的金属电缆通信系统的要低。,(3) 抗电磁干扰。 光纤通信系统避免了电缆间由于相互靠近而引起的电磁干扰。 金属电缆发生干扰的主要原因就是金属导体向外泄漏电磁波。 由于光纤的材料是玻璃或塑料， 都不导电， 因而不会产生电磁波的泄漏， 也就不存在相互之间的电磁干扰。,(4) 抗噪声干扰。 光纤不导电的特性还避免了光缆受到闪电、 电机、 荧光灯及其他电器源的电磁干扰（EMI）， 外部的电噪声也不会影响光波的传输能力。 此外， 光缆不辐射射频（RF）能量的特性也使它不会干扰其他通信系统， 这在军事上的运用是非常理想的， 而其他种类的通信系统在核武器的影响下（电磁脉冲干扰）会遭到毁灭性的破坏。,(5) 适应环境。 光纤对恶劣环境有较强的抵抗能力。 它比金属电缆更能适应温度的变化， 而且腐蚀性的液体或气体对其影响较小。,(6) 重量轻， 安全， 易敷设。 光缆的安装和维护比较安全、 简单， 这是因为： 首先，玻璃或塑料都不导电， 没有电流通过或电压的干扰； 其次， 它可以在易挥发的液体和气体周围使用而不必担心会引起爆炸或起火； 第三， 它比相应的金属电缆体积小, 重量轻, 更便于机载工作， 而且它占用的存储空间小， 运输也方便。,(7) 保密。 由于光纤不向外辐射能量， 很难用金属感应器对光缆进行窃听， 因此， 它比常用的铜缆保密性强。 这也是光纤通信系统对军事应用具有吸引力的又一个方面。,(8) 寿命长。 尽管还没有得到证实， 但可以断言， 光纤通信系统远比金属设施的使用寿命长， 因为光缆具有更强的适应环境变化和抗腐蚀的能力。,当然光纤系统也存在一些不足:,(1) 接口昂贵。 在实际使用中， 需要昂贵的接口器件将光纤接到标准的电子设备上。,(2) 强度差。 光缆本身与同轴电缆相比抗拉强度要低得多。 这可以通过使用标准的光纤包层PVC得到改善。,(3) 不能传送电力。 有时需要为远处的接口或再生的设备 提供电能， 光缆显然不能胜任，在光缆系统中还必须额外使用金属电缆。,(4) 需要专用的工具、 设备以及培训。 需要使用专用工具完成光纤的焊接以及维修； 需要专用测试设备进行常规测量； 光缆的维修既复杂又昂贵， 从事光缆工作的技术人员需要通过相应的技术培训并掌握一定的专业技能。,(5) 未经受长时间的检验。 光纤通信系统的普及时间不太长， 还没有足够的时间证实它的可靠性。,1.3 光纤通信的系统组成,光纤通信系统链路的简化框图如图1.3所示。 通信链路中最基本的三个组成部分是光发射机、 光接收机和光纤链路。 光发射机由模拟或数字电接口、 电压电流驱动、 光源和光源与光纤之间的耦合接口等组成。 光纤是高纯度的玻璃或塑料光纤， 长距离大容量的光纤链路普遍采用玻璃光纤， 对于低速率短距离的传输系统可以采用塑料光纤。 光接收机包括光纤与光检波器之间的耦合器件、 光检测器、 电流电压转换器、 放大器和模拟或数字接口等。,图 1.3 光纤通信系统链路的框图,在光发射机中， 光源可由数字信号或模拟信号调试。 对于模拟调制， 输入接口要求阻抗匹配并限制输入信号的振幅； 对于数字调制， 信号源已经是数字形式了， 若信号为模拟信号， 则应先转变成数字脉冲流， 此时输入接口应包含模数转换器。 电压电流驱动是输入电路与光源间的电接口。 发射机中的光源是半导体发光二极管（LED）或注入式半导体激光二极管（ILD）， 简称LD。 这两种二极管的光功率与驱动电流成正比。,因此， 电压电流驱动电路是用来将输入信号的电压转换为电流以驱动光源的。 光源光纤耦合器是一种机械式接口， 它的作用是把光源发出的光耦合到光纤或光缆中， 光缆由玻璃或塑料纤维光纤、 金属包层和外套管组成。 光纤光检波器的耦合器件也是一种机械接口， 其作用是把光缆中的光尽可能多地耦合到光检测器中。 目前在实际的系统中， 都是将光源、 光源与光纤的接口和一段光纤封装在一起， 形成光源组件。 这样就增加了系统的可靠性。 这一小段光纤常称为尾纤或光纤跳线。 同样， 将光纤、 光纤与光检测器之间的接口和光检测器封装在一起， 就形成光检测器组件。,光检测器常用的有光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）， 二者都能将光能转化为电流， 然后再通过电流电压转换器变成输出电压信号。,光接收机输出端的模拟或数字接口是一种电接口。 该接口对输出电路起阻抗匹配和信号电平匹配的作用。,光纤链路由光纤光缆、 光纤光缆线路(接续)盒、 中继器等构成。 光缆可以架空铺设(敷设)， 也可以铺设在管道内， 或直埋于地下， 或铺设于海底。 由于制造、 铺设等原因， 光缆生产厂家生产的光缆一般为2 km一盘， 因而如果光发送与光接收之间的距离超过2 km时， 每隔2 km将需要用光缆线路盒将光缆连接起来。 光缆线路盒一般置于户外， 因而要注意防潮、 防腐等措施。 光缆终端盒主要用于将光缆从户外引入到室内， 将光缆中的光纤从光缆中分出来， 一般放置在光设备机房内。 光纤连接器主要用于将光发送机或光接收机与光缆终端盒分出的光纤连接起来， 即连接光纤跳线与光缆中的光纤。,中继器主要用于补偿信号由于长距离传送所损失的能量。 由于光纤的损耗和带宽限制了光波的传输距离， 因此当光纤通信线路很长时， 则要求每隔一定的距离加入一个中继器， 它与有线通信的增音机的作用相同。 但应该指出， 由于光纤损耗很低， 因此光纤通信的中继距离要比有线通信， 甚至微波通信大得多。 目前， 2.5 Gb/s单模光纤长波长通信系统的中继距离可达153 km， 已超过微波中继距离的几倍， 这就可以减少光纤通信线路的中继器数目， 从而提高光纤通信的可靠性和经济效益。,从光纤通信的意义来说， 中继器应是光波的直接放大， 但目前实用的光纤通信系统都是光电转换型的中继器， 即电中继器， 它由光接收机和光发送机组成。 光接收机首先接收从光纤中传来的被衰减的光信号， 并将它变为电信号， 然后对电信号进行放大， 再用电信号直接调制发送机中的光源产生已调光波， 再耦合进入光纤， 达到光信号放大的目的。 此种中继器设备比较复杂， 而且因反复的光电、 电光变换而增加了信号的失真。,随着光电器件制造技术的进一步发展， 将光波直接放大已成为现实。 现已研制成功各种类型的光放大器， 它可作为光直接放大中继器。 通过光纤传输后衰减的光信号可用光放大器直接放大并继续向前传输， 以达到长距离通信的目的。 目前， 光放大器尤其是掺铒光纤放大器(EDFA)已在实际的光纤通信系统中被广泛使用。,1.4 光纤通信的回顾与展望,光纤通信采用的光源是半导体光源， 如半导体发光二极管LED、 半导体激光器LD。 之所以选择半导体光源是由于它们具有以下优良的特性：,(1) 几何尺寸小, 结构紧凑。 半导体光源相对其他光源如固体光源、 气体光源等是体积最小的， 这一特性对于实际应用的通信设备来说是很重要的。,(2) 高的耦合效率。 半导体光源由于几何尺寸与光纤的端面尺寸相匹配， 因而其发出的光能够更好地耦合进光纤中。,(3) 合适的发光波长。 半导体光源的发光波长与光纤中传输时损耗较低的光波的波长相一致。,(4) 可靠性较高。 半导体光源的功耗较其他光源都低， 室温下可连续工作， 寿命长。,(5) 可以直接进行调制。 通过直接改变其注入电流就可以进行光调制输出。,LED和LD的主要区别是： LED是非相干光源， 而LD是相干光源。 相干光源发出的光在时间和空间上是相干的， 具有很好的单色性和方向性。 高速率长距离的光纤通信常采用LD。 低速率短距离的局域网、 楼宇之间的通信等可以选用LED。,早期的光纤通信系统采用的是由三元化合物镓铝砷GaAlAs制成的半导体光源， 其发光波长为0.85 m。 但人们发现， 当光波的波长为1.30 m和1.55 m时， 在光纤中传输的损耗比0.85 m还低， 因而如采用长波长光源的光纤通信系统， 其中继距离还会增加， 这推动了全世界努力发展长波长激光器的研究工作。 终于在1977年， 人们采用四元化合物铟镓砷磷InGaAsP研制成功了1.3 m波长的激光器。,1984年， 单模光纤取代了多模光纤， 使得光纤通信系统的容量又有了很大增长， 这主要归因于单模光纤的带宽比多模光纤的带宽大得多。 所谓单模光纤， 是指光纤中只存在一种模式（由光纤导引沿光纤轴线向前传播的电磁波）， 光源耦合进光纤的能量， 以该模式向前传输。 单模光纤的纤芯直径较小， 一般为510 m， 只有一个传播模； 而多模光纤的直径较大， 为50 m或62.5 m， 存在多个传播模。,光源发出的光在多模光纤传输时， 能量被分配在不同的模(模式)上向前传输， 不同模在光纤中传输时速率是不一样的， 因而经过一定长度的光纤后， 不同的模到达的时间有差异。 如有一个光脉冲注入光纤后， 经过长距离传输后光脉冲的宽度被展宽了， 这种光脉冲的展宽通常称为色散， 它严重影响了光纤通信系统的误码性能， 限制了光纤通信系统的容量。,SDH传输体制,为了充分利用光纤信道， 通常将来自不同用户的信息(如声音、 图像、 数据等)组成一个复合信号， 并将这一合成的信号通过单一的光纤信道进行传送。 如果每个用户的数据速率为R b/s， 则N个独立的用户以电的方式组成一个速率为NR b/s的合成信号， 这一过程在数字通信中通常称为时分复用TDM或数字复接。,早期的光纤通信主要用来传送数据速率为64 kb/s的话音信号， 64 kb/s的话音信号将通过时分复用TDM组成一个高速的数据流。 由于欧洲和北美的 体制不同， 因而也存在两种复接方式。 我国采用了欧洲的体制， 这里主要给出欧洲及我国的数字复接体制。 首先将32个64 kb/s的数字信号复用成一个E1（2.048 Mb/s）信号， 简称为2M基群或一次群信号， 这是第一次复接DS1； 然后用4个2M信号复接成一个8M的二次群信号， 其标称速率为8.448 Mb/s, 这是第二次复接。 依次类推， 用4个8M信号复接成一个34M的三次群信号。 该复接体制如图1.4所示。,图 1.4 PDH数字复接体制,表1.1 SDH的标称速率,图 1.5 STM-1的帧结构及段开销字节,1989年， 光纤放大器的使用是光纤通信发展过程中的一个突破性进展。 它给光纤通信带来许多优点：,（1） 中继器的价格下降了。 原有的中继器采用的是光电光中继， 即将光纤中接收的光信号转换为电信号， 对电信号进行放大， 然后再转换为光信号发送到光纤中， 因而， 中继器实际上相当于一个光接收机和一个光发送机， 其成本相当高。 采用了光纤放大器（直接进行光放大）代替了原来的中继器后， 中继器的成本降低了。,（2） 对传送的数据速率和调制格式透明， 这样系统只需改变链路的终端设备就很容易升级到高的速率。,（3） 可以同时放大多个波长信号， 使波分复用（WDM）的实现成为可能。,（4） 提供了系统扩容的新途径， 无需增加光纤和工作的速率， 只需通过增加波长就可提高系统的容量。,（5） 最关键的是系统的成本下降了。 虽然增加了更多的波长来扩容， 但每根光纤所需的中继器或放大器的数目却降低了， 而这是决定系统成本的关键因素。,WDM复用技术,波分复用WDM技术， 是继光放大器之后， 光纤通信发展史上又一次突破性进展。 利用WDM技术， 可使光纤传输容量获得突破。 WDM的基本思想是将工作波长略微不同、 各自携带了不同信息的多个光源发出的光信号， 一起注入同一根光纤进行传输。 一个简化的带有光放大器的多个波长点到点的光纤通信系统的框图如图1.6所示。,图 1.6 WDM的简化原理图,由于同一根光纤耦合进了许多波长， 因此有效地提高了每根光纤的总带宽。 总的信息速率是每个波长的信息速率之和。 例如， 在同一根光纤中每个波长的速率为10 Gb/s, 如果 有40个波长， 则总的信息速率为400 Gb/s。 目前， 每秒达几个太比特（Tb/s）的惊人信息速率也已经实现。,采用WDM技术的光纤通信系统具有的主要优点如下：,(1) 充分利用了光纤的巨大带宽资源。 WDM技术充分利用了光纤的巨大带宽资源（低损耗波段）， 使一根光纤的传输容量比单波长传输的传输容量增加了几倍至几十倍， 从而降低了成本， 具有很大的应用价值和经济价值。 早期的光纤通信系统只在一根光纤中传输一个波长信道， 而光纤本身在长波长区域有很宽的低损耗区， 有很多的波长可以利用， 所以WDM技术可以充分利用单模光纤的巨大带宽， 从而在很大程度上解决了传输的带宽问题。,(2) 同时传输多种不同类型的信号。 由于WDM技术中使用的各波长相互独立， 因而每个波长可以传输特性完全不同的信号， 完成各种电信业务信号的综合和分离， 包括数字信号和模拟信号以及PDH信号和SDH信号， 实现多媒体信号（如音频、 视频、 数据、 文字、 图像等）混合传输。,(3) 实现单根光纤双向传输。 由于许多通信（如打 ）都采用全双工方式， 因而需要两根光纤， 一根用于发送信息， 另一根用于从对方接收信息。 但如果采用WDM技术， 则只需要一根光纤， 其中用一半的波长数发送信息， 另一半的波长数用于接收信息， 因此采用WDM技术可节省大量的线路投资。,(4) 多种应用形式。 根据需要， WDM技术可有很多应用形式， 如陆地长途干线网、 广播式分配网络、 用户接入网、 局域网络、 海底光缆等， 因此对网络应用十分重要。,(5) 节约线路投资。 采用WDM技术可使N个波长复用起来在单模光纤中传输， 在大容量长途传输时可以节约大量光纤。 另外， 对已建成的光纤通信系统扩容方便， 只要原系统的功率富余度较大， 就可进一步增容而不必对原系统做大的改动。,(6) 降低器件的超高速要求。 随着单个波长上传输速率的不断提高， 许多光电器件的性能已明显不足， 使用WDM技术可降低对一些器件在性能上的极高要求， 同时又可实现大容量传输。 如要达到总的速率为40 Gb/s的传输， 采用单个波长传输， 光发送和光接收机中电子器件要工作在如此高的速率， 技术上难度是很大的， 对器件的要求是相当高的， 但如果采用16个波长的WDM通信， 则每个波长上的工作速率只有2.5 Gb/s ， 这对器件的要求不高， 目前很容易实现， 而且16个波长的WDM技术实现起来也很容易。,WDM波分复用技术的实用化， 提供了利用光纤带宽的有效途径， 使大容量光纤传输技术取得了突破性进展。 点到点之间的光纤传输容量的提高， 为高速大容量宽带综合业务网的传输提供了有效途径， 而传输容量的飞速增长对现存的交换系统的发展产生了压力。 由于电子器件本身的物理极限， 传统的电子设备在交换容量上难以再有质的提高， 交换过程引入的“电子瓶颈”问题成为限制通信网络吞吐能力的主要因素。,全光网络中各节点信号的连接和交换在光域内进行， 波长路由就是指这种连接和交换依据波长来确定， 亦即当光信号从输入端（信号源）传送到输出端（用户）时， 是根据它们的波长进行路由选择的。 波长路由有两个特点：,（1） 波长路由决定了光信号选取的路径， 如果多波长复合信号从同一节点发出， 则各个波长信号将达到不同的目的点， 而目的点的数目等于各个节点产生的波长数。,（2） 每个波长的信号被限制在某一特定路径， 因而在整个网络的不同路径上同一个波长可以多次重用， 只要这些路径不共存于相同的光纤链路。 这就是所谓的波长空间复用。,全光网络具有如下的主要优点：,（1） 可以极大地提高光纤的传输容量和节点的吞吐量， 以适应未来高速宽带通信网的要求。,（2） OXC和OADM对信号的速率和格式透明， 可以建立一个支持多种电通信格式的、 透明的光传送平台。,（3） 以波长路由为基础， 可实现网络的动态重构和故障的自动恢复， 构成具有高度灵活性和生存性的光传送网。,全光网具有可重构性、 可扩展性、 透明性、 兼容性、 完整性和生存性等优点， 是目前光纤通信领域的研究热点和前沿。 以美国为代表的北美地区、 欧洲联盟以及亚洲的日本都已开展了光网络技术的研究， 并进行了系统性的大规模网络应用试验。 我国自1996年开始设立国家级项目， 研究波分复用全光网， 并取得了突出进展。 可以预言， 全光网的研究和实用化进程， 必将使网络的性能和业务的提供能力跨上新的台阶。,1.5 光波技术基础,光具有两种特性： 波动性和粒子性。 所谓波动性, 就是说光具有电磁波的特性， 粒子性就是说光具有运动粒子所具有的特性。,1. 光的波动性,就像无线电波或X射线一样， 光也是电磁波， 会产生反射、 折射、 衍射、 干涉、 偏振、 衰落、 损耗等。 电磁波满足电磁波方程即麦克斯韦方程。,当电磁波在没有电流和电荷的线性均匀介质上传播时， 麦克斯韦方程可化简为波动方程， 用公式表述为,和,(1.2a),(1.2b),式中： ,2,是二阶拉普拉斯算子， v是均匀介质中光波的前进速度， E和H分别是电场和磁场。 单个频率或波长的波称为单色波， 相应的单个频率或波长的光称为单色光， 它们是麦克斯韦方程的一个特解:,E,(,r,t,)=,E,0,e,i(2f)t-ikr,(1.3),式中: E,0,为光波电场的振幅矢量; k为波矢， 对于单色平面电磁波， 它的方向就是光的传播方向， 大小就是波的相位传播常数; r为空间位置坐标矢量。光作为一列波， 常使用频率（和波长）、 相位常数、 传播速度、 偏振等物理量来说明其特征。,如前所述， 波长的单位为纳米（nm）或微米（m）， 另一个偶尔会用到的单位是埃（1=10,-10,m）。,频率是每秒的波数， 其单位是周每秒(C/s)或赫兹（Hz）， 它与波长的关系如公式(1.1)所示。 光波的速度与光波所在的介质有关。 光在真空中的速度最快， 为2.997 924 58310,8,m/s, 约为310,8,m/s。 光在介质中的传播速率为,(1.),式中， n为介质的光学折射率。,光波具有偏振特性。 由于电场和磁场都是矢量， 它们的幅度和方向都随时间改变。 实际上， 这两个矢量在垂直于光波的传播方向上变化， 也就是说它们在光的传播方向上的分量一般很小甚至为零， 这种电磁波称为模电磁波TEM。 如果在所有垂直传播方向上的电场和磁场的振幅不变， 即具有相同的强度， 则称为圆偏振光或无偏振光； 但如果其强度在某些方向强， 在某些方向弱甚至为零， 则称为偏振光， 如椭圆偏振光和线性偏振光。 线性偏振光是一种极端情况， 即电场和磁场只存在于垂直于传播方向的一个方向上。 我们习惯将电场的振动方向称为偏振方向。 图1.7给出了沿光波传播方向上的偏振情形， 图中假设光波垂直入射到纸面。,图 1.7 光波的偏振,2. 光的粒子性,和所有运动的粒子一样， 光具有能量、 动量和质量， 也能产生压力， 使轮子转动（Compton的实验）等。 因此， 光也可以用粒子的数目来描述。 单色光的最小量称为光子。,(1) 光子的能量,E,与光波频率,f,的对应关系为,(1.),式中，h6.62610,-34,Js， 称为普朗克常数。,() 光子具有运动质量， 可表示为,光子的静止质量为零。,(1.),() 光子的动量与单色平面光波的波动矢量的对应关系为,(1.7),() 光子具有两种可能的独立偏振状态， 对应于光,波场的两个独立偏振方向。,() 光子具有自旋特性。,当光进入物质时， 它的电磁波与物质原子之间要相互作用， 这种相互作用导致了光纤的色散和非线性现象。 色散和非线性是光纤通信系统设计时必须考虑的重要因素, 并且这种相互作用中的受激辐射过程是激光器的物理基础。,激光的特性和它的物理现象是十分丰富的。 为了揭示从宏观的激光强度、 频率特性到微观的场的量子起伏如激光的相干性、 激光器和光检测器的噪声特性等现象的物理本质及激光器和光检测器的工作理， 需要在光与物质相互作用的理论基础上来进行学习、 领会。 本小节只给出受激辐射的基本概念， 较详细的内容留到后面的章节介绍。,受激辐射的概念是爱因斯坦在1917年首先提出的。 为了从理论上解释黑体辐射分布规律， 人们从经典物理学出发所作的努力都归于失败。 后来普朗克提出了与经典理论概念完全不相容的辐射量子化假设， 并在此基础上成功地得到了与实验相符的黑体辐射普朗克公式。 爱因斯坦从光量子概念出发重新推导了黑体辐射普朗克公式， 并在推导中提出了两个重要概念： 自发辐射和受激辐射。 40年后， 受激辐射的概念在激光技术中得到了广泛应用。,我们知道， 处于某一温度T的物体能够吸收或发射电磁波。 例如不透明的物体能吸收部分波长的电磁辐射， 普通光源如日光灯能产生热辐射。 如果某一物体是能够完全吸收任何波长的电磁辐射的物体， 则称此物体为黑体。 如果将一个球状物的表面开一个小孔， 就成为一个较理想的黑体， 因为从小孔射入物体内的任何波长的电磁辐射在物体内来回反射而不再逸出来， 在温度T的热平衡下， 为了保持能量守恒， 则它吸收的辐射量应等于发出的热辐射能， 即黑体与辐射场之间应处于热平衡状态。 显然， 这种热平衡必然导致物体内存在确定的辐射场， 辐射场是温度T和频率的函数， 即黑体辐射满足普朗克公式。,普朗克公式表示的黑体辐射， 实质上是辐射场和构成黑体的物质原子相互作用的结果。 爱因斯坦从辐射与原子相互作用的量子论观点出发， 提出相互作用应包含原子的自发辐射跃迁、 受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三个过程。 为简化问题， 我们只考虑原子的两个能级,E,2,和,E,1,， 并有,E,2,-,E,1,=,hf,(1.8),其中，,f,为辐射场的频率。,(1) 自发辐射(如图1.8（a）所示)。 处于高能级,E,2,的一个电子自发地向E1跃迁， 并发射一个能量为,hf,的光子， 这种过程称为自发跃迁。 由电子自发跃迁发出的光子称为自发辐射。 自发跃迁是一种只与原子本身性质有关而与辐射场无关的自发过程。,(2) 受激吸收(如图1.8（b）所示)。 显然， 如果黑体物质原子和辐射场相互作用只包含上述自发跃迁过程， 是不能维持物体内辐射场的稳定值的。 因此， 爱因斯坦认为， 必然还存在一种原子在辐射场作用下的受激跃迁过程， 从而第一次从理论上预言了受激辐射的存在。 由于自发辐射会由于高能态的粒子数很快消耗而衰弱， 因此如果只存在自发辐射过程， 则不可能建立稳定的场。,处于低能态E1的一个原子， 在频率为,f,的辐射场作用（激励）下， 受激地向,E,2,能态跃迁并吸收一个能量为,hf,的光子， 这种过程称为受激吸收跃迁。 应该强调的是， 受激跃迁和自发跃迁是本质不同的物理过程， 自发辐射只与原子本身性质有关， 而受激吸收不仅与原子本身性质有关， 还与辐射场有关。,(3) 受激辐射(如图1.8（c）所示)。 受激吸收跃迁的反过程就是受激辐射跃迁。 由原子受激辐射跃迁发出的光子称为受激辐射。,图 1.8 原子自发辐射、 受激吸收、 受激辐射示意图,受激辐射与自发辐射的重要区别是相干性。 如前所述， 自发辐射是电子在不受外界辐射场控制情况下的自发过程。 因此， 大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的， 因而是不相干的。 此外， 自发辐射场的传播方向和偏振方向也是无规则分布的。 而受激辐射是在外界辐射场的控制下， 高能态,E,2,的电子跃迁到低能态E1， 释放出一个能量为,hf,的光子， 该光子与辐射场的光子完全一样。 由于所有受激辐射光子是在同一辐射场激发下产生的， 受激辐射场与入射辐射场完全一样， 因而是相干的。 受激辐射是激光工作的物理基础。,处在电磁场中的物质， 会受到场的作用。 对电介质来说， 电磁场中电场分量的作用是主要的。 因此在讨论它与场的相互作用时， 我们忽略磁场分量的影响。,电介质由原子组成， 原子所带的电荷只局限在空间小区域内， 这样一个微小的带电体系可看作该区域内某一点处各级电多极子（单极子、 偶极子、 四极子）的叠加， 它与电磁场的作用表现为各级电多极子与电场的作用。,在没有外场时， 原子内的电荷分布使原子不表现出极性。 然而当存在外加电场时， 原子内正负电荷在场的作用下， 其分布会发生变化， 结果使得电荷体系的多极子展开不同于无外场时的情形。 这时原来不具有偶极性的原子可能表现出偶极性， 这就是原子在外场作用下的感应电偶极化。 由于原子的正负电荷数量相等， 因此其多极子展开式中第一项（单极子）为零。 在激光器中， 外加电场就是腔内的激光场，它可能很强， 但在原子范围内变化缓慢， 因此高阶项（如四极子等）与场的作用为零。,鉴于上述理由， 我们以后只考虑场与原子的偶极相互作用。 在这种情况下， 原子与外场的作用等同于一个偶极子与外场的作用。 因此可以设想原子由两个很小的带电小球（为简单起见， 假定原子只有一个电子）组成， 它们是如此之小， 以至于可以被当作点电荷。 在没有外场时， 它们几乎重合在一起， 因而不具有偶极性。,有外场时， 由于场的作用， 正负电荷不再重合， 被拉开了一段距离， 从而形成电偶极子。 电偶极子的特性存在主动方面和被动方面， 即在它产生场方面和受其它场的作用方面， 均可由电偶极矩来描述，它是电子电荷量的绝对值与正负电荷之间距离的乘积。 显然， 场强越强， 正负电荷受到的场的作用力越大。 不过它随场强的变化并不完全是线性关系。 以上就是我们所熟悉的原子极化的经典模型。,一般采用宏观电极化强度来描述物质的极化， 它定义为单位体积内电偶极矩的总和。 在偶极相互作用下， 电感应强度D、 电场强度E、 电极化强度P存在着一定的关系。 实验表明， 当与原子相互作用的场比较弱， 即外界场远远小于原子内的电子所经受到的库仑场(它约为10,9,V/cm） 时， 极化强度与电场强度近似成线性关系：,P,L,=,0,L,E,（1.9）,式中:,P,L,表示与,E,成线性关系的介质极化强度；,L,为线性电极化率。,激光技术的出现， 使获得强场成为可能。 当场强增大到可与原子内的电子所经受到的库仑场相比拟的程度时， 在一些非线性介质中， 会明显地出现一些在弱场时观察不到或不易观察到的非线性现象。 在强场时， P与E的近似线性关系已不适用， 因此应对式（1.9）进行修改。 修改后的极化强度与场强的关系式对强场与弱场均能适用。,既然在弱场时式（1.9）成立， 所以可以认为它是极化强度的一级近似表达式， 它只包含场强的一次幂。 当场强增强时， 一级近似表达式不复成立， 这时可以在一级近似表达式的基础上加一项二级修正项P,(2),， 它包含场强的二次幂。 如果加了二级修正项后还不能解释新的物理现象（如四波混频过程）， 则应在极化强度的表达式中再加进三级修正项P,(3),， 它与场强的二次幂有关。,这样， 极化强度P可写成：,P,=,P,L,+,P,NL,=,P,(1),+,P,(2),+,P,(3),+,=,0,(1),E,+,(2),E,+,(3),E,+ （1.10),式中：,P,L,=,P,(1),P,NL,=,P,(2),+,P,(3),+， 它们分别为极化强度的线性项与非线性项。,(1),为线性电极化率；,(2),为二次非线性电极化率， 为二阶张量；,(3),为三阶张量； 余类推。,场与物质相互作用的非线性效应向人们揭示了新的物理现象， 有的非线性效应已经得到了越来越多的应用。 实际上， 当许多波长以高的功率进入光纤时， 即波分复用WDM光纤传输时就会有非线性效应产生， 如四波混频FWM、 受激布里渊散射SBS、 受激拉曼散射SRS等。 这些将在后面介绍。,由上面的分析可知， 分析光的波粒二象性及光与物质的相互作用时， 严格的理论是量子电动力学， 即将光频电磁场和物质原子都作量子化处理， 并将二者作为一个统一的整体来描述。 但并不是说描述光的任何特性时都一定要采用量子电动力学的全部观点和方法， 这将会带来不必要的复杂性。 正确的做法是用不同近似程度的理论来描述光的不同层次的特性， 每一种近似理论都揭示出光的某些规律， 但也掩盖了某些更深层次的规律。,人们在多年科学研究的基础上总结了许多好的近似分析方法： 几何光学即射线理论可用来描述光的粒子性，揭示了光的直线传播、 反射折射等现象， 但不能描述光的波动特性； 波动理论用来描述光的波动特性， 揭示了光的干涉、 衍射等现象， 但掩盖了光的粒子性； 上面的原子极化的经典模型（物质被看作电偶极子）成功地解释了光的吸收、 色散特性; 速率方程理论（量子化光的辐射场）成功地解释了激光的强度。,这里采用波动理论来描述一些光在介质中的传输特性。,我们知道光在介质中传播时， 不同的物质对光的影响是不同的， 同时这种影响还会受到介质本身的缺陷、 杂质以及环境如温度、 压力等的影响。 对光而言， 物质大体可分为透明物质（让光全部通过）、 半透明物质（让部分光通过）和不透明物质（不让光通过）。 显然我们感兴趣的是半透明物质和透明物质， 因为半透明的物质可以用来制作光纤通信用的光器件， 如红色等彩色玻璃（让部分波长的光通过）可以用作光学滤波器， 透明玻璃上镀一层金属膜， 可以制作光衰减器（衰减部分光功率）， 而透明物质如干净的玻璃、 晶体等， 具有很好的光学特性。,透明物质又可以细分为以下几种：,(1) 各向同性物质与各向异性物质。 各向同性物质是指整个材料中的每一个方向都具有相同的光学特性， 如相同的折射率、 偏振、 传播常数等； 反之， 不具备这些特性的材料为各向异性物质。 双折射现象就是由于材料在特定的方向具有不同的折射率所致。 当无偏振光束进入物质时， 该光束会分为两束， 这两束光具有不同的偏振、 不同的方向和不同的传播常数， 称为寻常光和不寻常光。 值得注意的是， 各向同性物质在外界应力的作用下会变成各向异性物质。,(2) 线性介质与非线性介质。 线性介质的电极化强度与电场成正比即成线性关系。 非线性介质的电极化强度与电场的一次方有关， 还与电场的平方甚至三次方有关。 当电场强度较强时， 原来的线性介质会变成非线性介质， 如注入光纤的光强较强时光纤就是非线性介质。,(3) 均匀物质与不均匀物质。 均匀物质其整个材料通体都具有一致的性质, 包括机械、 电、 磁、 化学、 结晶等。 不均匀物质不具有均匀性。,光实际上也是电磁波， 只不过其频率比大家熟知的无线电波等的频率高得多。 光波在介质中的传播同样可以用以上的电磁波的麦克斯韦方程来描述。 单色平面电磁波是麦克斯韦方程的一个特解， 由公式（1.2）给出。 而麦克斯韦方程的通解可表示为一系列单色平面电磁波的线性叠加。,在自由空间中， 具有任意波矢k的单色平面电磁波都可以存在。 但在一个有边界条件限制的空间如矩形波导、 谐振腔、 光纤（实际上是一圆柱波导）中， 只能存在一系列独立的具有特定波矢k的单色驻波。 这种能够存在于有限空间内的驻波（以某一波矢k为标志）称为电磁波的模式或光波模。 一种模式就是电磁波运动的一种类型， 不同的模式以不同的波矢k区分。 考虑到电磁波的两种独立的偏振， 因此同一波矢k对应着两个具有不同偏振方向的模， 被称为偏振模 PM。,习 题 一,1. 光纤通信的优缺点各是什么？,2. 光纤通信系统由哪几部分组成? 各部分的功能是什么？,3. 假设数字通信系统能够在高达1%的载波频率的比特率下工作， 试问在5 GHz的微波载波和1.55 m的光载波上能传输多少路64 kb/s的音频信道？,4. SDH体制有什么优点？,5. 简述未来光网络的发展趋势及关键技术。,6. 简述WDM的概念。,7. 解释光纤通信为何越来越多地采用WDM+EDFA方式。,8. 全光网络的优点是什么？,