光纤通信进展 李淳飞-第2章

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光传输的光波的模式。单模就只有一个模，单模的很细只有2到12个微米量级。它的折射率就是相对两种折射率的相对比呢，是比较小一点，多模光纤折射率比比较大一点，它的芯径比较粗，50到500个微米，如果按照用途来分的话，我们可以看到在市场上可以买到各种不同的光纤，有保偏光纤，就是保持偏振态不变，就是光的偏振态不变；另外就是可以避光色散，希望它不要色散，是零色散的光纤，所谓零色散的光纤。以后呢，就是我们又采用了波分复用，就要用1。55微米的这个光纤，这个就叫色散位移光纤，它在1。55微米这个地方没有色散；另外我们还可以制造出在1。3微米到1。55微米之间都是有很平坦的色散特性的这样的光纤，我们叫做色散平坦光纤。

　　　　我们先来谈吸收，光纤的吸收。大家知道光纤虽然石英透射率很高，但是它还存在着吸收，所以影响了我们传输的距离，吸收越小，传输就越远，放大器可以越少。这是一根实际测量到的一个光纤吸收的曲线，这个纵坐标是吸收，横坐标是波长。那么我们怎么会形成这样一个曲线的呢？这是因为在光纤里边有杂质，这些杂质造成了紫外的吸收和红外的吸收。另外还有它是一个波导器件，也有缺陷，另外就是瑞利散射分子的瑞利散射，也可以产生吸收。所以，在这些缺陷的包罗下，就得到了这样一条曲线。这个曲线有几个低的窗口，这里可以看到，这是低吸收的窗口，但是这里有一个吸收峰。我们看下面的图比较清楚，这是经过改进以后的一个光纤的吸收特性曲线。这个峰很不好，它是由于OH根，有人叫水根这样一种杂质在里边造成了一个吸收。其他有几个吸收的谷，就是吸收的窗口。所以，现在科学家们正在研究所谓全波光纤，就是它的带宽可以达到400纳米，从1250纳米到1650纳米这么宽都是低吸收的，就把这个峰啊给它砍掉，现在已经做到了，但是市场上还很少。

　　　　下面我们讲光纤的色散。色散有几个分类，如果是光源，由于光源不是很纯，再加上光的调制过程当中要使带宽展宽，所以这样的话就造成了波长色散。对于多模光纤来说，由于模式很多，它们模式之间速度也不一样，所以就是模式色散就产生了。单模光纤本身也是有色散的，它的色散是由于材料本身有色散，另外这个波导结构，一个高折射的，一个低折射的，形成的一个柱形的波导，它的结构也不一定是很完善，本身它也产生色散。

　　　　另外，光纤本身它的形状可能不对称，不会做得非常圆。另外，它有的时候要受到硬力，受到外界的磁场的干扰，这些因素就产生了双折射现象，就是两个偏振的方向相互垂直的模。它们传播的速度不一样，这就是双折射。这样就引起了偏振色散，所以色散可以分成这样几类。

　　　　我们从这张图上可以看到，这边是纵坐标是色散，横坐标是波长。对于过去那个常规光纤，就是1。31微米这个附近的这个波长的光纤我们开始把它零色散点设在1。31微米，这个叫做常规光纤。它的色散曲线是这样的，随着波长而变。以后我们发展了色散位移光纤，就是把它的零色散点，放在1。55微米这个地方，那么这样的光纤特性是这样的，在1。55微米附近我们都可以用这样的光纤，因为色散比较小。

　　　　下面我们介绍光纤通信系统，我们先从单路的光纤通信开始，最早的光纤通信是光电混合的，它要把光信号由电来调制，调制我们这个发光二极管，或者是激光器，就是半导体激光器。使它发出的信号除了载波之外，还有一个被调制的信号在上面，把这个光波送到光纤里去传输。大概过了100公里左右，就需要加一个放大器，这个放大器在过去是电子的，要把光信号变成电信号进行放大、整形，我们叫中继器，然后由它再转成光信号发射出去。这边有个接受器，主要是有一个光电探测器，能够把光信号变成电信号，然后解开信号的载波，载波的信号。所以这个是光电光中继的，这样的一种数字通信系统。后来我们发展了光放大器，这是一个很重要的发明，这样就不需要经过电了，就是光　光　光的传输，这是单信道的光中继器的数字通信系统，其他部分都是很像的，都是一样的。

　　　　我们再谈谈波分复用的光通信系统。它是这样的，它是激光器有好多个，发出不同颜色的光，不同频率的光，然后把它用光的合波器，我们叫做WDM的这个器件，把这些光信号都合在一起，送到单根光纤里去。然后中间经过功率放大，线路放大，前置放大，一直到用户手里，这就是我们现在波分复用的光通信系统的一个原理。

　　　　刚才讲的波分复用是WDM，现在经常又提到DWDM，这是什么意思呢？这是密集波分复用。密集波分复用什么意思呢？就是它这个波非常密，它的间隔很小，同一个光纤的窗口，信道间隔很小，这个叫密集波分复用。因为我们现在能够使用的是光纤放大器，它的频带是有一定的宽度，大概40纳米左右，正好是在C波段，所以我们在C波段就做成很密集的波的信号，这个波束的数量可以从8个到16个、到32个、到64个，再继续增多。这就随着技术的发展，间隔就越来越小。现在我们看一看，一个点到点的密集波分复用系统它的原理图。这里是很多信道，合在一起复用，然后放大，但是中间呢，我们可能要下载一个信号。比如说我们从哈尔滨发一个信号到广州，也许北京就要下载一个信号，另外北京还要送一个信号上去。可以下可以上，这个呢，我们叫做分插复用器，或者上路下路这样一个复用器。

　　　　还有一种更加改进的就是环状的网络。中间还要除了这个OADM以外，对于外网要进行上下的工作，另外还要有一个中心站来控制，里边有一个路由器，这个电子学里边都有路由器。它就决定了你的光波向哪个方向走。这个中心站发出信号，分配这些配置这些光波，使它朝不同的方向去，送到不同的站点、结点。很多的网就是可以是很多的圆圈，很多的环状的网把它组成，这是很复杂的。我们可以把它分成三个层次，一个就是长途干线网，这个是远距离的。这个是城市里边一个大城市它有很多的光纤的用户，组成了一个城市网。另外还有到用户手里，比如一个单位、一个大楼，一个家庭，我们这里所用的叫本地就是接入网。有这样三个：长途、城域、本地网。这三个点之间要有连接，我们是用光交叉连接，叫OXC这么一个东西来把它连起来。就是一些光开关，要使得我们光纤可以每一个信道都可以通到另外其他的信道里边，可以自由交换。所以这些干线之间，这些大的城市之间，都要加上光交叉连接的网络。另外，到用户去我们要有上路下路，就是光分插复用器，叫OADM，蓝颜色的就是这样。每个用户都是需要有这样的东西，这就是我们现在光纤通信的一个网络情况。

　　　　下面我们要说一下波分复用，特别是密集波分复用，它有什么优越性。它的优点是这样的，有这样三点，一个就是可以充分利用光纤带宽的资源。比如说我们对全波光纤它有400个纳米，间隔如果是25G赫兹的话，那么就可以容纳640个波长，一根光纤可以有640个信道，当然我们那个间隔要是再小，可以更加多。所以，这个光纤本身是有很大很大的潜力，我们要充分地挖掘，所以用这种WDM的形式，我们用单通光纤可以同时输送音频、数据、文字、图像等多媒体的信号。

　　　　第二个优点就是这种方式比较灵活，可以适应于各种网络形式，干线网、局域网、广播网都可以，配合了OXC和OADM。这样的话，我们就可以在网络当中上下路由交换很自由。甚至于一根光纤可以对讲，对传信号。第三个优点就是节约光纤和器件的投资。因为我们不用为了多一个信道就加一根光纤，把这个地下挖起来再埋设，我们就一根光纤就增加它的容量就可以了，节约大量的光纤材料。另外，对于器件的要求也不那么高了。虽然你达不到很高的速度，但是如果并行的数目比较高的话，就可以了。就像我们的脑子，神经网络，它的运算速度并不很快，但是由于它是高度互联，所以它照样是可以提高运算的速度，一样的。

　　　　下面我们讲光纤通信器件，这个光纤通信器件我们把它分类一下，大概光纤通信分成两部分，一个是光的传输，另外一个是光的交换。这个传输部分呢，我们有很多的器件，必须用的，有源的器件，和无源的器件。有源就是说我们要用电来控制的，比如说半导体激光器光源，是把电信号变成光信号，探测器是把光信号变成电信号。光纤放大器也是需要用电来控制，要有一个泵浦源，还有光的调制器等等。无源器件连接起两个光纤，一拧把它连接起来，耦合器。一根光纤要分成几路，就叫分路器，环形器下面再介绍。滤波器要把光纤的频率让它变得很窄，很纯。隔离器也是为了隔离这些信号之间的干扰的。另外呢，衰减器，可以随意地调节输出的大小，特别是波分复用要求它出来的光都是同样的强度。偏振控制器，刚才我讲了，这个光纤是很容易改变偏振方向的，所以我们要用偏振控制器来补偿。下面是色散补偿，这个已经介绍了。分岔器，这主要是为波分复用器服务的。

　　　　下面我们讲光交换器。光交换的系统，这里面所需要的器件，光开关，这个开关不仅是空间的开关，还有波长的转换。另外，还有上路下路的分叉复用，还有互联、开关互联。下面我们先讲光传输器件，这个图给出了DWDM系统，发射端的光器件。这里是有很多不同颜色的发光激光器，另外每一个激光器都要进行信号的调制，把信号载进去。还要调整它的光强，使它们都是很均匀的，一样的强度。然后要锁定它的频率。最后进入到合波器里边，然后再变成了一路光纤传输，中间要经过放大器，后面还有探测器，我们分别介绍一下。

　　　　首先是半导体激光器，这个半导体激光器呢，有很多种，我这里只介绍两种。这个叫做FP型的，这是两个谐振腔，这两个腔是平行腔，是晶体的结，里面组成，一个前面一个后面，中间是放大介质，主要是PN结材料，这种激光器发射的光不够窄，它的频率不够窄，上面还有点小峰。频带比较宽，就不太理想。我们把这个反射器做一个改进，不是用两个镜子，而是用PN结，一端做上了周期性变化的一个光栅，这个折射率周期性变化。这样的话，这个光栅本身就是一个反射器，它是一个布拉克光栅，光在里面要来回地反射。最后，只能输出一个单纯的光，所以这个光就非常窄，一个单脉冲，这个是分布反馈激光器。

　　　　下面我们介绍探测器。这样一个器件的作用，就是把光变成电，后来又进一步发展了具有放大能力的，不仅是转换，还有放大，叫有倍增区的，在这里。所以叫雪崩光电二极管。它也是把光信号变成电信号，但是它效率更高，下面讲光放大器，这里它的主要的原理我们简单地说一下。信号从这儿输进去，经过一个耦合器，这是可以说是两个波长，一个980的，一个1。5的，混到这里面去，然后放