光纖通信技術(shù)概論

內(nèi)容概要

近幾年，通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有較大的發(fā)展，光器件也有新的發(fā)展。光纖通信技術(shù)概論概要地介紹了光纖通信技術(shù)，包括光纖光纜、光纖通信所用的器件、光纖通信系統(tǒng)和光纖通信網(wǎng)絡(luò)。光纖通信技術(shù)概論的特點(diǎn)是內(nèi)容新穎，簡明扼要。
光纖通信技術(shù)概論內(nèi)容通俗易懂，適合通信專業(yè)人員、學(xué)生和教師參考，也可供非通信專業(yè)人員閱讀學(xué)習(xí)。

書籍目錄

前言第1章 概論1.1 光纖通信發(fā)展史1.2 光纖導(dǎo)光原理1.3 光纖通信系統(tǒng)工作原理1.4 光纖通信網(wǎng)1.5 光纖通信的發(fā)展前景和趨勢第2章 光纖和光纜2.1 概述2.2 光纖的制造工藝2.2.1 OVD法制造光纖預(yù)制棒2.2.2 MCVD法制造光纖預(yù)制棒2.2.3 VAD法制造光纖預(yù)制棒2.2.4 PCVD法制造光纖預(yù)制棒2.2.5 各種制造預(yù)制棒方法的優(yōu)缺點(diǎn)和混合方法2.2.6 光纖拉制工藝2.3 光纖的特性2.3.1 光纖的衰減特性(損失特性)2.3.2 光纖的色散和帶寬特性2.3.3 光纖的偏振特性2.3.4 光纖的標(biāo)準(zhǔn)2.3.5 特種光纖2.4 光纜2.4.1 光纖套塑2.4.2 光纜的結(jié)構(gòu)和種類2.4.3 光纖光纜的連接第3章 光纖通信用的光源和光放大3.1 概述3.2 光源3.2.1 半導(dǎo)體光源發(fā)光原理3.2.2 LED和激光器的特性3.3 光放大器3.3.1 半導(dǎo)體光放大器3.3.2 摻鉺光纖光放大器3.3.3 采用平面光波導(dǎo)集成工藝3.3.4 摻鐠光纖光放大器3.3.5 拉曼放大3.4 先進(jìn)的光源和光放大器3.4.1 分布反饋激光器3.4.2 多量子阱激光器3.4.3 垂直腔激光器3.4.4 波長可調(diào)激光器3.4.5 外腔光纖光柵DFB激光器3.4.6 光纖激光器3.5 光器件與光纖的耦合連接第4章 光檢測器、光開關(guān)和其他光器件4.1 光檢測器4.1.1 概述4.1.2 PIN光電檢測器4.1.3 雪崩光電二極管4.1.4 光檢測器的應(yīng)用4.2 光開關(guān)4.2.1 機(jī)械光開關(guān)4.2.2 微電機(jī)光開關(guān)4.2.3 熱光開關(guān)4.2.4 平面波導(dǎo)光開關(guān)4.2.5 半導(dǎo)體光開關(guān)4.2.6 高分子光開關(guān)4.2.7 液晶光開關(guān)4.3 其他光器件4.3.1 光濾波器4.3.2 光功率分配器4.3.3 光隔離器第5章 光纖通信系統(tǒng)5.1 概述5.2 電路交換、ATM交換和包交換5.2.1 電路交換5.2.2 ATM交換5.2.3 包交換5.3 光調(diào)制和光復(fù)用技術(shù)5.3.1 光直接調(diào)制5.3.2 光外調(diào)制5.3.3 光正交相移鍵控調(diào)制和正交幅度調(diào)制5.3.4 時(shí)分復(fù)用編碼技術(shù)5.3.5 光波分復(fù)用技術(shù)5.3.6 極化復(fù)用技術(shù)5.3.7 光正交頻分復(fù)用5.3.8 光碼分多址復(fù)用5.4 光纖通信系統(tǒng)設(shè)備5.4.1 光發(fā)送機(jī)5.4.2 光接收機(jī)5.4.3 相干光接收機(jī)5.4.4 光中間放大5.4.5 光纖線路設(shè)計(jì)5.4.6 光纖線路保護(hù)系統(tǒng)5.5 維護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)5.6 實(shí)用化的光纖通信系統(tǒng)終端5.6.1 光傳送網(wǎng)終端設(shè)備5.6.2 包交換機(jī)和包傳送網(wǎng)5.6.3 軟交換5.6.4 多業(yè)務(wù)傳送平臺5.6.5 多媒體子系統(tǒng)第6章 光纖通信網(wǎng)、局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)和接入網(wǎng)6.1 概述6.2 通信網(wǎng)的總體基本架構(gòu)6.2.1 網(wǎng)絡(luò)的垂直和分割架構(gòu)6.2.2 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)6.2.3 網(wǎng)絡(luò)需要的帶寬6.3 城域網(wǎng)、局域網(wǎng)和以太網(wǎng)6.3.1 城域網(wǎng)6.3.2 多業(yè)務(wù)傳送平臺6.3.3 彈性分組環(huán)6.3.4 局域網(wǎng)和以太網(wǎng)6.4 廣域網(wǎng)6.4.1 電路方式與點(diǎn)對點(diǎn)鏈路和分組方式6.4.2 幀中繼6.4.3 異步傳輸模式和多協(xié)議標(biāo)簽交換技術(shù)6.5 接入網(wǎng)6.5.1 數(shù)字用戶線6.5.2 光纖電纜混合6.5.3 光接入網(wǎng)和FTTx6.5.4 PON的P2P和P2MP需要的有源器件6.5.5 FTTx第7章 互聯(lián)網(wǎng)、光傳送網(wǎng)和分組傳送網(wǎng)7.1 概述7.1.1 TCP/IP7.1.2 IP地址7.1.3 子網(wǎng)劃分7.1.4 路由器7.1.5 服務(wù)器、轉(zhuǎn)發(fā)器、集線器和網(wǎng)橋7.1.6 Web和DNS7.2 光傳送網(wǎng)7.2.1 概述7.2.2 光交叉連接設(shè)備7.2.3 光分插復(fù)用器7.3 分組傳送網(wǎng)7.3.1 PTN分組的T-MPLS和PBT技術(shù)體制7.3.2 PTN偽線技術(shù)第8章 綜述和展望8.1 綜述8.1.1 電信局和計(jì)算機(jī)網(wǎng)的連接8.1.2 城域網(wǎng)的OTN和PTN架構(gòu)8.1.3 IP傳送網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢和路線8.1.4 接入網(wǎng)寬帶傳送技術(shù)的參數(shù)比較8.1.5 P2P和PON的對比8.1.6 P2P通信時(shí)第1、2、3層的傳輸過程8.1.7 互聯(lián)網(wǎng)、以太網(wǎng)和ATM協(xié)議的主要特點(diǎn)8.2 展望參考文獻(xiàn)常用術(shù)語英漢對照表

章節(jié)摘錄

　　第1章 概論 1.1 光纖通信發(fā)展史 1966年，在英國標(biāo)準(zhǔn)通信實(shí)驗(yàn)室（STL）工作的英籍華人高錕，發(fā)表論文光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)（Dielectric-Fiber Sur f ace Waveguide For Optical Frequency），提出石英光纖可實(shí)現(xiàn)光纖通信。該論文的要點(diǎn)如下：光纖的容量很大；②高純石英光纖對光能的損失可低達(dá)20dB/km；③單模光波導(dǎo)的原理構(gòu)造。但當(dāng)時(shí)絕大多數(shù)人認(rèn)為和②是不可能成立的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)照相機(jī)鏡頭用最好的光學(xué)玻璃，損失是700dB/km，通常的窗玻璃損失是10000xdB/km。然而，少數(shù)有遠(yuǎn)見的科學(xué)家如英國電信研究所（British Telecom Research Laboratories，BTRL）領(lǐng)導(dǎo)、美國貝爾實(shí)驗(yàn)室主席Ross 和世界最大的玻璃公司康寧（Corning Glass Work）認(rèn)為可能。1970年，康寧公司研制出一根約30m長的石英光纖，其損失約20dB/km，據(jù)說花費(fèi)了3000萬美元。1976年，貝爾實(shí)驗(yàn)室在美國華盛頓和亞特蘭大之間建立世界第一條實(shí)驗(yàn)線路，速率為45Mb/s。由于當(dāng)時(shí)激光器尚未研制成功，采用發(fā)光二極管（LED）做光源，因此速率很低。1981年，通信用的半導(dǎo)體激光器研制成功，光纖通信的傳輸速率達(dá)到144Mb/s，相當(dāng)于1920路數(shù)字電話，超過電纜傳輸?shù)?800路模擬電話。之后，光纖通信全面取代電纜通信。由于當(dāng)時(shí)電子器件的速率有限，因此無法發(fā)揮光纖帶寬很大的優(yōu)勢。1990年，微電子有了一定的進(jìn)步，之后光纖通信的速率達(dá)到xGb/s。1996年，各種不同波長的激光器研制成功，在一根光纖內(nèi)用許多波長來傳輸通信信號，即波分復(fù)用技術(shù)，使傳輸?shù)男畔床ㄩL數(shù)倍增，于是一根光纖的傳輸速率達(dá)到640Gb/s或更高。英國、日本、德國、法國和意大利等發(fā)達(dá)國家也隨之研發(fā)、生產(chǎn)、建設(shè)光纖通信設(shè)備和線路。2000年后，一根光纖的傳輸速率達(dá)到xTb/s（1Tb＝1000Gb）。2010年，實(shí)驗(yàn)室中單波長可傳輸100Gb/s，一根光纖的傳輸速率達(dá)到100Tb/s?，F(xiàn)在商用的光纖通信線路的速率可達(dá)100Gb/s。人們認(rèn)識到光纖通信的價(jià)值，可毫不夸張地說，光纖的誕生引發(fā)了通信技術(shù)的一場革命。2009年10月6日，光纖發(fā)明人高錕獲得諾貝爾獎?，F(xiàn)在，全世界的通信線路幾乎都是光纖，只有用戶到通信小站一小段線路仍是銅線。相信不久的將來，光纖到戶（fiber to the home，F(xiàn)TTH）一定會實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在，發(fā)達(dá)國家如美國和日本等已有約50%的用戶實(shí)現(xiàn)FTTH。在中國，1973年武漢郵電科學(xué)研究院開始研究光纖通信，當(dāng)時(shí)也是幾乎無人相信光纖可用于通信。在與國外隔絕的情況下，研究工作進(jìn)展得很艱難。1978年起改革開放的實(shí)行大大加快了研發(fā)工作的進(jìn)展，實(shí)用化的光纖光纜開發(fā)成功，可批量生產(chǎn)。相繼光纖通信光端機(jī)和數(shù)字編碼通信機(jī)在武漢和上海研制成功，光源LED在上海、四川綿陽和武漢等地研制成功。1982年，中國第一條商用光纖通信線路在武漢建成，跨越武昌―漢陽―漢口，全長13.3km，傳輸速率為8.448 Mb/s，相當(dāng)于120 路電話。我國第一條商用各種速率的光纖通信線路如表1.1 所示。1.2 光纖導(dǎo)光原理 光纖又稱光導(dǎo)纖維，是頭發(fā)粗細(xì)的玻璃絲，其功用是引導(dǎo)光信號轉(zhuǎn)彎，以便和遠(yuǎn)方通信。眾所周知，光是直線傳播，不會轉(zhuǎn)彎。光纖是利用物理的全反射原理使光轉(zhuǎn)彎。光纖由纖芯和包層組成，芯材料對光的折射率n2 大于包層的折射率n1，以形成全反射，只要彎曲不太大，就可使光信號在光纖的纖芯內(nèi)傳播而轉(zhuǎn)彎，如圖1.1所示。1.3 光纖通信系統(tǒng)工作原理 光纖通信原理如圖1.2所示，圖中僅表示了單方向的傳輸，反方向的結(jié)構(gòu)是相同的。其中的電端機(jī)（發(fā)）的作用是把來自信息源的模擬信號變換成數(shù)字信號，同時(shí)進(jìn)行光時(shí)分復(fù)用（time division multiplex，TDM），把多路信號（1～n）變換成1個(gè)信號，以便在1根光纖內(nèi)傳輸。注意到通常激光器的非線性嚴(yán)重，不適合發(fā)送模擬信號，會發(fā)生串話。電信號進(jìn)入光端機(jī)（發(fā)）內(nèi)，驅(qū)動和調(diào)制光端機(jī)內(nèi)的激光器，發(fā)出帶有信息的光信號進(jìn)入光纖，傳導(dǎo)至遠(yuǎn)方。遠(yuǎn)方的光信號進(jìn)入光端機(jī)（收），由光端機(jī)（收）內(nèi)的光檢測器把光信號還原為電信號，再經(jīng)電端機(jī)（收）把復(fù)用的數(shù)字解時(shí)分成為1～n路，并且把數(shù)字信號還原成模擬信號，如話音。如果傳輸?shù)木嚯x太遠(yuǎn)，由于光纖對光信號有能量損失，信號太弱，那么在線路中間需要采用中繼站或光放大器，以確保通信質(zhì)量，這部分內(nèi)容將在后面詳述。1.4光纖通信網(wǎng)通常光纖通信系統(tǒng)的一端是用戶，經(jīng)過光纖線路到另一端是電信局。電信局內(nèi)光纖通信設(shè)備中的電端機(jī)連接交換機(jī)。交換機(jī)連接多個(gè)方向的光纖通信系統(tǒng)構(gòu)成光纖通信網(wǎng)。接入網(wǎng)――直接連接用戶的通信線路稱為接入網(wǎng)（access network，AN），通常AN線路長約1km，所以又稱為“最后一公里”（采用英制的國家稱為“最后一英里”）。AN 可采用光纖通信，也可采用銅線。局域網(wǎng)――連接局部地區(qū)進(jìn)行通信的網(wǎng)絡(luò)稱為局域網(wǎng)（local area network，LAN）。城域網(wǎng)――城市內(nèi)的通信網(wǎng)稱為城域網(wǎng)（metropolitan area network，MAN）。通常MAN 采用光纖通信。廣域網(wǎng)――多個(gè)城市連接的網(wǎng)絡(luò)稱為廣域網(wǎng)（wide area network，WAN）。通常WAN 采用光纖通信。1.5 光纖通信的發(fā)展前景和趨勢 光纖通信的容量大、傳輸距離長，比銅介質(zhì)大成百上千倍。光纖通信的優(yōu)越性已十分明顯，毫無疑問光纖通信具有良好的發(fā)展前景。有人說：“光纖通信是最后一個(gè)頻道”，也就是說沒有別的傳輸介質(zhì)能比光纖更好。無源光網(wǎng)絡(luò)――光纖的損失很小，可在無源情況下傳輸很長的距離，于是光纖通信產(chǎn)生一種無源光網(wǎng)絡(luò)（passive optical network，PON）。PON的一端只有一個(gè)端口（通常是電信局端），而另一端可有許多端口（通常是用戶端）。PON 的成本比較低，是光纖通信發(fā)展的趨勢。光纖到戶――隨著人民生活的提高和高清電視（high definition TV，HDTV）的發(fā)展，人們需要更多的帶寬，銅介質(zhì)AN的帶寬小，不能滿足要求，需要采用FTTH（也稱光纖到家庭）。FTTH的成本比較高，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家開始發(fā)展FTTH，如美國和日本等，當(dāng)今采用FT TH 的用戶約占50 %。第2章 光纖和光纜 2.1 概述 光實(shí)際上是頻率更高的電磁場。通常光的電磁場分布復(fù)雜而且混亂，光波的頻率、相位均不規(guī)則，人們通常觀測到的是似乎均勻的平均值。激光卻不同，激光的光頻率單一，光波的相位穩(wěn)定。多個(gè)同頻的激光混在一起會發(fā)生相位干涉，可能形成不均勻而穩(wěn)定的光場，其中有亮暗不勻的光斑（如激光筆射出的光束，有時(shí)可觀察到其中有若干亮點(diǎn)在活動），用電磁場的概念來描述，這稱為激光光場的模。采用幾何光學(xué)的說法，光束內(nèi)有許多光線。若光束內(nèi)含多個(gè)模，則稱為多模；若只含1個(gè)模，則稱為單模。1966年，高錕在其論文中提出：研制石英光纖可用于通信。1970年，美國康寧公司研制出的30m光纖樣品，屬于單模光纖，其芯直徑僅8μm，只能傳送單模光束。起初，由于纖芯太細(xì)，難以進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，于是發(fā)展多模光纖。多模光纖的纖芯直徑比較粗，可達(dá)50μm，外直徑是125μm，可大批量生產(chǎn)。多模光纖可傳輸多模光束，曾經(jīng)在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)用于建設(shè)光纖通信線路。多模光纖的帶寬比較小，約1GHz，因?yàn)槎鄠€(gè)光線可經(jīng)過不同長度的路徑到達(dá)終點(diǎn)，而不能同時(shí)到達(dá)，所以易形成延遲如脈沖信號展寬。采用拋物線折射率分布，理論上可避免路徑不同的延遲，但由于難以實(shí)現(xiàn)高精度的拋物線折射率分布，因此使多模光纖的帶寬有限。單模光纖纖芯很細(xì)，只能傳輸單模光，所以帶寬很大，可達(dá)到數(shù)THz 以上（1 THz ＝ 1000GHz）［見圖2.1（b）］。單模光纖優(yōu)點(diǎn)明顯，現(xiàn)在大都采用單模光纖來建設(shè)光纖通信線路。2.2 光纖的制造工藝 光纖制造的第一步是制造石英的光纖預(yù)制棒；第二步是把預(yù)制棒拉成細(xì)的光纖。光纖預(yù)制棒的制造工藝有許多種。1970 年，康寧公司最早采用外部氣相沉積（outside vapour deposition，OVD）法制造光纖預(yù)制棒。不久，貝爾實(shí)驗(yàn)室采用改良的化學(xué)氣相沉積（modified chemical vapour deposition，MCVD）法制造光纖預(yù)制棒。后來，日本NTT采用氣相軸向沉積（vapour axis deposition，VAD）法制造光纖預(yù)制棒。飛利浦公司采用等離子化學(xué)氣相沉積（plasma chemical vapour dep-osition，PCVD）法制造光纖預(yù)制棒。當(dāng)時(shí)可能為了避免涉及專利，發(fā)達(dá)國家各大公司均提出了自己的光纖工藝方法。每種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，直到現(xiàn)在無一種方法被淘汰。近來，許多光纖生產(chǎn)廠商采用混合的方法來生產(chǎn)光纖。下面簡要介紹各種光纖預(yù)制棒制造工藝方法。

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　　《光纖通信技術(shù)概論》敘說光纖通信的工作原理；光纖制造工藝；光纖通信用的光電子器件；光纖通信系統(tǒng)；光纖通信網(wǎng)絡(luò)；無線網(wǎng)絡(luò)和光纖網(wǎng)的關(guān)連；接入網(wǎng)；互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)；三網(wǎng)融合--等。光纖通信的展望--包括：光纖通信發(fā)展史，光電子和光纖的技術(shù)進(jìn)步，帶動光纖通信和光網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步。人類對信息需求的高速增長，使光纖通信市場隨之增長。

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