第 1章 绪论
?光纤通信概念
?光纤通信系统的基本单元
?光纤通信的基本问题
?光纤通信系统的主要性能指标
?光纤通信技术的回顾和展望
1.1 光纤通信概念
1.1.1 什么是光纤通信
通信是各种形式信息的有效传递，为了实现这一目的，需要相应的
技术设备和传输介质。
我们以调幅广播为例，话音信号经过话筒后转变为电信号，然后借
助于频率范围是 526.5~1605.5kHz的载波，将信号“装载”到载波上通
过发射天线发送出去，在接收端由接收天线再将其“卸载”下来，这个
过程称为信号的调制和解调。调幅广播的传输介质是大气信道。
而光纤通信则是用光作为信息的载体，以光纤作为传输介质的一种
通信方式。它首先要在发射端将需传送的电话、电报、图像和数据等信
号进行光电转换，即将电信号变成光信号，再经光纤传输到接收端，接
收端将接收到的光信号转变成电信号，最后还原成消息。图 1.1.1为光纤
通信系统示意图。
电信号输入
调制 光源
光放大
器
光检测
器
信号恢
复
电信号输
出
光发射机
尾纤
连接器
光纤
光纤接头
盒
光耦合器
其它设备
光接收机
光纤接头
盒 连接器
再生
中继器
尾纤
光纤
光纤
图 1.1.1 光纤通信系统的构成
基本单元为三个部分：光发射机、光纤和光接收机。光发射机由将
带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输
装置组成，光源是其核心部件，由半导体发光二极管 LED（ Light
Emission Diode）或者激光二极管 LD（ Laser Diode）构成；光纤在实用
系统中一般以光缆的形式存在；光接收机由光检测器、放大电路和信号
恢复电路组成。光发射机和光接收机也称为光端机。在光纤通信系统中
还包括大量的有源、无源光器件，图 1.1.4中示出的连接器起着各种设备
与光纤之间的连接作用，光耦合器用于需要将传输的光分路或合路的场
合，光放大器起着对光波放大的作用，用于弥补光信号传输一定距离后，
因光纤衰减致使的光功率减弱。
1.1.2 光纤通信中光的作用及特性
在光纤通信系统中，光是信息的载体，光必须经过光纤传播，而在光发射机和光接收
机中，核心部件承担着电 /光、光 /电的转换，可见光在光纤通信中的重要地位。光的
性质有很多，下面我们围绕光在光纤通信中的作用进行讨论。
1,光作为载波，可以极大地提高信道的带宽
带宽是信号进行传输且没有明显衰减的频率范围，信道的带宽越大，信道容量就越大。
我们以模拟信号为例，说明信号携带的信息量与其所占的带宽有关。比如，话音信号
的带宽约为 4kHz，电视图像信号的带宽为 6MHz，显然电视图像的信息量比话音信号
大。所以信号占据的频带宽，意味着携带的信息量大，则传输该信号的信道带宽也要
随之增大。信道容量与信道带宽之间的关系可由香农哈特利（ Shannon-Hartley）定
理决定：
(1.1.1)
式中,C为信道容量（单位为比特 /秒,bps）,B为信道带宽（单位为赫兹,Hz），
SNR是信号功率与噪声功率的比值，称之为信噪比。由 (1.1.1)式可见，增加信道带宽
可以有效地提高信道容量。
信道的带宽又取决于载波的频率，载波频率越高，信道的带宽就越大，系统
的信息传输能力也就越强。按经验，带宽大约为载波信号频率的十分之一。从图 1.1.2
的通信用电磁波频谱可见，双绞线的工作频率可以到 300kHz，同轴电缆为 1GHz，微
波波导传输信号的频率可高达 100GHz，而光纤通信所用光的频率范围为 100THz到
1000THz，根据估计，其带宽可达 50THz。目前单波长信号速率已达到 40Gbit/s，已
经实现了单根光纤传输容量为 10.96Tb/s的实验系统。
)1(lo g 2 S N RBC ??
名称 应用传输介质
有线介质 无线介质
紫外线
可见光
红外线
电话
数据
视频
激
光
束光纤
毫米波
特高频（ SHF）
超高频（ UHF）
甚高频（ VHF）
高频（ HF）
中频（ MF）
低频（ LF）
甚低频（ VLF）
音频
波导
同轴电缆
双绞线
微波无线电
短波无线电
长波无线电
卫星通信
微波通信
电话, 电报
调幅广播
移动无线电
UHF TV
移动通信
导航
潜艇通信
飞行器通信
导航, 雷达
业余无线电
商务应用
调频广播
1014 Hz
1015 Hz
10-6 m
100 GHz
10 GHz
1 GHz
100 MHz
10 MHz
1 MHz
100 kHz
10 kHz
1 kHz
1 c m
10 c m
1 m
10 m
100 m
1 km
10 km
100 km
800nm
1700nm
2,光在光纤中传输的工作波长是由光纤特性决定的
可见光的波长范围为 400nm~700nm，从理论上来说，光还包括紫
外线和红外线，其波长范围大约为 3nm~3?106nm，光纤通信光源使用的
波长范围在近红外区内，波长在 800nm~1700nm之间，属于不可见光，但
这个范围的光不是都可以在光纤中传输的。事实上光纤对不同波长的光呈
现的传输特性是有很大差别的，这里我们主要考虑光纤的衰减特性，也称
为损耗特性，因为低损耗是实现光信号长距离无中继传输的前提。
光纤的损耗包含两个方面：一是因光纤材料（石英）和结构引起的
吸收、散射等造成的损耗，二是组成系统时所产生的损耗，例如接插件连
接损耗、弯曲损耗等，在此仅说明光纤本身的损耗。图 1.1.3是一个典型的
石英光纤损耗谱，由图可见，大约在 850nm,1300nm和 1550nm处有三个
低损耗窗口，也称为透光窗口。第一代光纤通信系统工作在 850nm附近，
早期制造的光纤在这个区域有局部的最小损耗。通过降低光纤材料中氢氧
根离子和金属离子的含量，已经可以制造在 1100nm到 1600nm范围内损耗
极低的光纤，目前常用的工作波长在 1310nm和 1550nm处。三个窗口的衰
减分别为,850nm附近为 2dB/km,1310nm附近为 0.5dB/km，在 1550nm
附近为 0.2dB/km。我们把 1530~1565nm的波长范围称为 C波段，这是目前
高速大容量长距离系统常用的波段。
波长 (nm)
损耗(dB/km)
700 900 1100 1300 1500 1700
1
10 15501310850
图 1.1.3 光纤损耗的波长特性
3,光在光发射机和光接收机中的工作基于光的辐射与吸收
光发射机和光接收机中的光源和光检测器是基于半导体材料对光的辐射与吸
收机理工作的。半导体材料的导电特性介于金属和绝缘体之间，其导电特性
可以借助于图 1.1.4所示的能带图来解释，纵轴表示能量，横轴长度没有意义。
如果导带 EC上的电子跃迁到价带 EV上，就会将其间的能量差（也称能带差）
以光的形式放出，光子的频率与能带差的关系为
（ 1.1.2a）
或者 （ 1.1.2b）
式中为普朗克常数（ h＝ 6.625× 10－ 34J·s）,为光速，的单位是电子伏特（），
的单位为微米（）。我们可以通过控制半导体材料的成份来改变能带差，从
而改变其发光波长。半导体发光二极管 LED的工作正是基于电子从高能带跃
迁到低能带将电能转变为光能的机理。把电流注入到半导体中的 PN结上，则
原子中占据低能带的电子被激励到高能带后，再跃迁到低能带上，它们将自
发辐射出光子，如图 1.1.5（ a）所示。
hvE g ?
gE
hc??
导带能带
价带能带
禁带 光子
电子
EC
EV
能
量
hν
高能带中的电子实际上处于不同的能级，不可能都恰好带有相同的能量，
当它们自发辐射到低能带的不同能级上时，根据（ 1.1.2a）式可知，这
些光波的频率并不完全一样。另外这些光波还具有不同的相位和偏振方
向，因此自发辐射光是一种非相干光，即不是单一频率、相位和偏振方
向相同的光。低能带高能带 EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν低能带高能带
EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν输入光 Eg
光检测器的工作过程则与 LED相反，如果把能量大于的光照射到
半导体材料上，则处于低能带的电子吸收该能量后被激励而跃迁到高能
带上，我们可以通过在半导体 PN结上外加电场，将处于高能带的电子取
出，从而使光能转变为电能，如图 1.1.5（ b）所示。
低能带
高能带
EC3
EV2
hν
EC2
EC1
EV3
EV1
hν
低能带
高能带
EC3
EV2
hν
EC2
EC1
EV3
EV1
hν
输入光 Eg
（ a） 光的自发辐射（发光二极管） （ b）光的吸收（光检测器）
低能带
高能带
EC3
EV2
hν
EC2
EC1
EV3
EV1
hν输入光
hν
输出光
（ c） 光的受激发射（激光二极管）
图 1.1.5 半导体中光的自发辐射、受激发射和吸收
激光二极管 LD的工作机理为受激发射，即在入射光的激发下，产生
与入射光频率、相位、偏振方向及传播方向一样的发射光，当然，后者
的强度远远大于前者，见图 1.1.5（ c）。要实现受激发射需要两个条件：
一是高能带上的电子密度要大于低能带上的电子密度，这种状态称为粒
子数反转，可采用通过向半导体激光二极管注入正向电流的方式来实现
粒子数反转；二是半导体激光器中必须存在光子谐振腔，并在谐振腔里
建立起确定的振荡，从而得到单色性和方向性好的激光输出。
1.1.3 光纤通信的优势
光纤通信与其它通信手段的主要区别有两点，一是载波频率很高；二是
用光纤作为传输介质，其优势体现在以下几个方面：
1,信道带宽极宽，传输容量大
随着社会信息化进程的发展，人们对通信的依赖程度越来越高，对通信
系统运载信息能力的要求也日趋增强，有线通信从明线发展到电缆，无
线通信从短波发展到微波和毫米波，都是试图通过提高载波频率来提高
信道容量，而光纤中传输的光波是迄今为止使用频率最高的载波，其传
输容量无疑是最高的。
限于器件等技术因素的制约，目前光纤通信应有通信能力并没有完全发
挥出来。例如，理论上一个光纤可以同时传输近 100亿路电话和 1000万
路电视节目，而实用水平为每对光纤传输 48万多路电话信号。
在实际使用中，常使用组合光纤数不等的光缆，加之一些新技术
的应用，如密集波分复用技术，其传输容量可以满足任何条件下信息传
输的需要。
2,中继距离长
所谓中继距离是指传输线路上不加放大器时信号所能传输的最大距离。
当信号在传输线上传输时，由于传输线的损耗会使信号不断衰减，信号
传输的距离越长，其衰减程度就越多，当信号衰减到一定程度后，对方
就收不到信号。为了延长通信的距离往往要在传输线路上设置一些放大
器，也称为中继器，将衰减了的信号放大后再继续传输，显然，中继器
越多，传输线的成本就越高，通信的可靠性也会降低，若某一中继器出
现故障，就会影响全线的通信。
在通信系统设计中，传输线路的损耗是要考虑的基本因素，表 1.1列出了
电缆和光纤每千米传输损耗，可见，光纤的传输损耗较之电缆要小很多，
所以能实现很长的中继距离，在 1550nm波长区，光纤的衰减系统可低至
0.2dB/km，它对降低通信成本，提高通信的可靠性及稳定性具有特别重
大的意义。目前，光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达 200多公里，
而同轴电缆系统的最大中继距离仅为 6公里。
3,抗干扰
干扰是影响通信质量的重要原因，对通信系统形成干扰的干扰源很多，
有天然干扰源，如雷电、电离层的变化和太阳黑子活动等；有工业干扰
源，如电动机和高压电力线；还有无线通信的相互干扰等，干扰对通信
系统的影响是通过干扰信号频谱落在通信系统工作频谱范围内产生的，
为了降低干扰的影响，人们采取了数字通信、差错控制编码等措施，但
并不能完全消除干扰对通信指标的劣化。而光纤中传输的光信号特定的
频率范围，使它不易受各种电磁干扰的影响。同时光纤是由高纯度的二
氧化硅材料制成的，不导电，也无电感效应，所以光纤通信系统可以从
根本上解决多年来困扰人们的干扰问题。
4,保密性好
保密性好是通信系统又一重要要求。保密要求已从国家政治、军
事、经济情报范畴扩展到企业经济、技术乃至个人通信领域。对信息的
窃取通常有三个途径：一是直接接入式窃听；二是窃听计算机和终端设
备辐射的电磁场；三是窃听电缆源辐射的电磁场。对于第一种窃听可以
采取保密口令，信息加密等技术；对于第二种窃听可以采取加强电磁屏
蔽措施，但电缆系统的完全屏蔽通常是比较困难的，现代侦听技术已能
做到在离同轴电缆几千米的地方窃听电缆中传输的信号。但光波在光纤
中传输，不易泄漏出来，难于用传统的方法窃听其中的信息，同时，它
也不会干扰其它通讯设备的正常工作。
5,节约有色金属
光纤的主要原材料是来源丰富的二氧化硅。据测量，从上海至北
京铺设一条电缆线路需要用铜 800吨，铅 300吨。如果用光纤代替铜、铅
等有色金属。在保持同样的传输容量下，仅需要 10公斤石英。因此，光
纤通信技术的推广将节约大量的金属材料，具有合理使用地球资源的意
义。
除上述列举的优势外，光纤还具有线径细、重量轻、寿命长等优
点。光缆的直径很小,144芯光缆横截面直径不到 18毫米，而标准同轴
电缆为 47毫米，利用光纤这个特点可以解决地下管道拥挤问题。由于光
纤的重量轻，它被应用于飞机制造上，不但降低了通信设备的成本和飞
机制造的成本，而且提高了通信系统的抗干扰能力和飞机设计的灵活性。
由于光纤通信的诸多许多优点，除了在公用通信和专用通信中使
用外，它还在其它许多领域，如测量、传感、自动控制及医疗卫生等方
面得到了广泛的应用。
光纤本身也存在一些缺陷。光纤在生产过程中光纤表面存在微裂
纹，从而使光纤的抗拉强度低；光纤的连接必须使用专门的工具和仪表，
光分路、耦合不是十分方便，光纤弯曲半径不能太小等，这些缺陷的影
响在实际工程和维护工作中都可以避免或解决。
1.2 光纤通信系统的基本单元
在上节中，我们已经对光纤通信系统的构成作了初步介绍。光纤通信系
统的基本单元是由光发射机、光纤和光接收机三部分构成的，这节进一
步讨论这三部分的功能。
1.2.1 光发射机
1,光源及其调制方式
如前所述，光发射机由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和
将光信号送入光纤的传输装置组成，而光源是光发射机的核心部件。目
前光纤通信系统中常用的光源有发光二极管 LED和激光器 LD两种，这两
种器件都是用半导体材料制成，其主要参数和性能的比较如表 1.2所示。
光纤通信系统中对光源的要求有以下几个方面：
（ 1）光源发射的峰值波长必须位于光纤低损耗窗口之内，即为 850nm，
1310nm和 1550nm。
（ 2）输出的光功率要足够高并且稳定。
（ 3）电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高。
（ 4）单色性和方向性好，以减小光纤材料色散效应，提高光源和光纤的
耦合效率。
（ 5）调制特性好，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信号的传输。
（ 6）输出特性（功率与电流的特性曲线）的线性度较高，减小模拟调制
时的非线性失真。
图 1.2.1示出了 LED和 LD的外形图和其输出特性。对于 LD而言，当驱动
电流由零开始增加时，输出功率增加并不多，只有当驱动电流大于阈值
Ith后，输出光功率才明显增加。随着驱动电流的增加，输出光功率的增
加很快。对于 LED而言，其输出特性基本呈线性。
IF (mA)
P (mW)
(a) LED外形图和输出特性
IF (mA)
P (mW)
(b) LD外形图和输出特性
图 1.2.1 光源的外形和特性
输入到光发射机的电信号要转换成适合驱动光源的电流信号后，才
能加到光源上。电流信号可以是模拟信号（如有线电视系统中使用的视
频信号），也可以是数字信号（如计算机数据），由于光源输出的光功
率与驱动电流的关系可知，当输入信号是模拟信号时，选择合适的工作
点，可以得到变化规律相同的光功率信号。显然，输出特性的线性度越
高，电光转换时的失真就越小。图 1.2.2(a)示出了模拟信号对光源调制的
工作过程，图 (b)为数字信号对光源调制过程。
P (mW)
IF (mA)IbIth
输出光信号
输入电流信号
P (mW)
IF (mA)
输出光信号
输入电流信号
Ith
（ a）模拟电流信号对激光器的调制 （ b）数字电流信号对激光器的调制
图 1.2.2 电信号对光源的调制过程
在此需要说明消光比的概念。消光比（ Extinction Ratio）是分别代
表逻辑 1和逻辑 0的最大功率和最小功率之比，通常以 dB为单位来衡量,它
是数字传输时光源的一项重要参数。作为一个调制好的光源希望全 0码时
没有光功率输出,否则它将使光纤系统产生噪声,造成接收机灵敏度降低。
需要说明的是，我国对消光比的传统定义与上述刚好相反。
电信号对光源的调制从方式来分有两种方式：一种称为直接强度调
制（ Intensity Modulation）如图 1.2.2表明的那样，即用电信号对光源的
注入电流进行调制，然后使输出光波的强度随调制信号而变化。图 1.2.3
（ a）为直接强度调制机原理框图。直接调制光载波的方式用得比较多，
但由于它本质上是电领域的调试方式，所以受激光二极管调制特性的限
制。当光纤通信向着大容量高速化方向发展时，半导体光源本身的调制
特性满足不了要求，则需要采用另一种调制方式 ---外调制方式来达到目
的。图 1.2.3（ b）示出了使用外调制器的光信号调制原理图。
调 制 光 源
输入电信号 输出光信号电流
光 源 调制器
光信号
（已加载信息）光信号（未加载信息）
输入电信号
（ a）直接调制 （ b）外调制
图 1.2.3 直接调制与外调制
外调制器是利用晶体的电光、磁光和声光等效应对光辐射进行调制，即
在光源光辐射产生后再加载调制信号，外调制器放置在光源输出端的光
路上，在调制器上加调制电压后，使激光器输出的连续波，通过调制器
转换成一个随时间变化的光输出信号。
目前在光纤通信系统使用的外调制器通常是铌酸锂（ LiNbO3）电光调制
器，它采用了一个集成光学马赫 ---曾特（ Mach－ Zehnder）构成，简称
为 M－ Z调制器，图 1.2.4示出了一种双电极驱动构成的铌酸锂光调制器的
电光路框图。
数据输入
驱动器
缓冲器
缓冲器
激光器组件
输出光
保偏光纤
LiNbO3调制器
自动偏置控制电路
图 1.2.4 双电极驱动的 LiNbO3光调制器的电光路框图
2,光发射机的辅助电路
除光源外，光发射机还有与之匹配的直流偏置驱动电路，阻抗匹配电路，
防止光从光纤返回的光隔离器，监视光源发射功率的监视光电二极管，
自动功率控制电路和使光源恒温工作的温度控制系统。下面对其中主要
部件的功能作简单的介绍。
（ 1）驱动电路。对于直接强度调制的光源，必须给它提供恒定偏置电流
和已调制的信号，它才能正常工作。这个功能是由驱动电路完成的。一
般来说，驱动电路是一种电流开关电路。对它的基本要求是：既要有快
的开关速度，又要保持良好的电流脉冲波形，另外，还得考虑其温度系
数。因为环境温度的波动会引起供给电流的波动，所以现在几乎所有高
性能的激光二极管都已采用具有可调节电流和温控装置的电路。
（ 2）自动功率控制电路 APC（ Automatic Power Control）。激光二极管
恒定的光输出功率对保证通信系统的正常工作有着至关重要的意义。而
事实上，激光二极管的阈值电流容易随温度和器件的老化而变化，从而
引起输出光功率的变化，所以必须配置自动功率控制电路。通过设置在
激光二极管后出光面的光电二极管对输出光的强度进行监测。光电二极
管的输出被反馈给驱动电路，当光输出功率下降时，驱动电流增加，反
之则减小，始终保持输出光功率为一恒定值。
（ 3）自动温度控制电路 ATC(Automatic Temperature Control)。激光二
极管的许多关键因素（波长、阈值电流、效率,P－ I特性、斜率等）都
与二极管的结温有着密切的关系，比如，对于 1550nm器件，每增加摄氏
1度，频率变化 13GHZ。工作温度还与激光二极管的寿命密切相关。据
估算，每 30℃ 的温升会使其寿命降低一个数量级。因此，期望激光二极
管工作时有尽可能低的和稳定的温度。
帕尔帖（ Peltier）温控装置是常用的一种激光二极管温度控制部件。它
利用半导体材料的帕尔帖效应制成。 P型和 N型两种不同的半导体组成电
偶，当直流电流通过时，一端吸收热量而另一端放出热量，这种效应就
称之为帕尔帖效应，可见帕尔帖温控组件是一种转移热的热电半导体器
件，也称热电制冷器。它的散热方向取决于电流流动的方向，通常，由
反馈回路中的温度传感器（热敏电阻）控制供给温控装置组件电流的大
小和极性。自动温度控制电路可使激光二极管的结温变化控制在 0.1℃ 的
范围内。
（ 4）光隔离器。 光隔离器的作用是保护光源的激活区免受回射光的影
响。实际上，当激光入射到光纤的端面时，其中的一部分将被反射回光
源处。此外，连接器和机械接头也会将光反射回激光二极管。而光源
（特别是激光二极管）对这一反射光是十分敏感的，它会增加 LD的相对
强度噪声（光源的一项噪声指标），从而影响整个光纤通信系统的性能。
现在，人们已经将激光二极管、监视光电二极管、光隔离器、热电制冷
器、温度传感器、控制电路、驱动电路、自动温度控制电路、自动功率
控制电路、尾纤等制成为光发射模块，集成在一个管壳内并组成光发射
功能的器件，这样器件功能更加完善，性能也更加优异，用户使用更加
方便，系统设计更加简便。所以说，器件的模块化已经成为发展的必然
趋势。图 1.2.5为其功能框图。图 1.2.6为某光发射模块的实物图。
使不能工作
驱动器
数据
DFB-LD
监测 PD
光纤
光隔离器
激光器偏置监测
APC电路
ATC电路
热电致冷器
热敏电阻器
背面监测
光输出告警
激光器温度监测
图 1.2.5 光发射模块功能框图 图 1.2.6 光发射模块实物图
1.2.2 光纤
1,光纤结构
光纤是通信系统的传输介质，是由两种不同折射率的石英玻璃（ SiO2）在
高温下拉制而成的。基本结构如图 1.2.7所示，内层为纤芯，作用是传输光
信号，外层为包层，作用是使光信号尽可能封闭在纤芯中传输，为了将信
号限制在纤芯中，必须在纤芯和包层的界面实现
图 1.2.7 阶跃型光纤的基本结构
光的全内反射，参见图 1.2.8，为此要求纤芯的折射率比包层的折射率略大，
在纤芯中掺入极少量的杂质（如 GeO2）可达到这个目的。
纤芯 n1
50μ m
125μ m
α C θ C
设全反射的临界入射角为，则由光学计算公式可知
（ 1.2.1）
式中 n1,n2分别为纤芯和包层的折射率。图中称为临界传播角，它是光
线发生全反射时与光纤纵向轴线之间的夹角。
(1.2.2）
要保证光线在光纤内全反射，必须有传播角
（ 1.2.3）
例：某种光纤的纤芯和包层的折射率分别为 1.48和 1.46，求临界传播角。
由（ 1.2.2）式可知
按照传送光的模式的不同，光纤分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的
纤芯直径大约几个微米，主要传送 1550nm波长的光，多模光纤的纤芯直
径为一般为几十微米,常用来传送 850nm波长的光。单模光纤和多模光
纤的包层直径一般都为 125μm。
1
2sin
n
n
c ??
2
1
21 )(1s in
n
n
c ??
??
c???
021 4.9)
48.1
46.1(1 ??? ?S in
c?
2,光缆
仅有纤芯和包层的光纤称为裸光纤，它的强度较差，柔韧性无法达到使
用的要求。在光纤制造过程中，裸纤从高温炉拉出后，立即要经过涂覆
层流水线进行涂覆。涂覆层的主要成分是环氧树脂和硅橡胶分子材料。
它具有如下的功能
（ 1）吸附性好。与裸光纤保持坚固的接触。
（ 2）可剥离性。在光纤的连接中希望剥离力小，以利于安装操作。
（ 3）柔韧性。可以保护光纤免受任何外部损伤。
（ 4）抗潮性。涂覆层可以保护光纤免受湿气，从而延缓光纤的老化，增
强其稳定性。
（ 5）温度系数与裸光纤一致性。涂覆层的热膨胀系数应与裸光纤的热膨
胀系数保持一致，否则，将会导致其对光纤的压力发生变化，造成光纤
的微弯和较大的衰减。
涂覆层有单层和双层之分，在双层结构中，内层为软涂敷层，它提供较
好的粘贴度和光纤衬垫。硬外层保护光纤以适用于多种环境及磨损。涂
覆层的外径在 245～ 900um之间。
经过一两次涂覆（套塑）的光纤虽然具有一定的抗拉强度，但还是比较
脆弱，经不起弯曲、扭曲和侧压的作用，无法投入实际应用。为了能使
光纤用于多种环境条件下，便于敷设施工，必须将光纤制成光缆。图
1.2.9为光缆实物图。
图 1.2.9 光缆实物图
1.2.3 光接收机
光接收机的主要作用是将接收到的微弱光信号转变为电信号，放大并处
理，恢复为原来的形式。光接收机由光电检测器、放大器和相关电路组成。
根据应用不同，光接收机又分为模拟光接收机和数字光接收机。图
1.2.10示出了模拟系统光接收机的组成,RF表示模拟射频信号，其中光电
检测器 PD(photodiode)是光接收机的核心，它的工作机理基于我们前面介
绍的半导体材料的光电效应，光电检测器可以将光信号转变为电流信号。
目前广泛使用的光电检测器有两种：本征型光电二极管（简称 PIN管）和
雪崩型光电二极管（简称 APD）。 PIN光电二极管无放大能力，主要用于
要求简单，性能不高的短距离通信系统，价格较为便宜。与 PIN管比较起
来,APD具有内部增益高、响应速度快、光电转换效率高、光生电流大等
特点，因此主要用于要求性能好、有高灵敏度的中长距离光纤通信系统中。
对光检测器的主要要求是：高灵敏度，低噪声，响应速度快，足够的带宽，
对温度变化不敏感等。
直流偏置
组件
PD连接器
阻抗匹配
RF电信号输出
放大器
光信号输入
图 1.2.10 模拟光接收机的主要组成部分
对于光纤数字传输链路而言，由光发射机发出的光脉冲信号在沿着光纤传输
时会发生衰减和失真，到达接收机经光检测器产生电流信号，经过放大器转
换成电压信号后，还要用滤波器对失真的波形进行补偿，消除码间干扰并减
小噪声影响，最后要用判决再生电路将滤波器的输出电压与阈值进行比较，
再生出只有两个电平的数字信号，图 1.2.11为数字信号在光纤链路上传输的示
意图。
光源
输入电脉冲
光检测器
放大器和滤波器 判决再生
输出光脉冲
光纤
输入光脉冲 电流脉冲 输出电脉冲
光接收机
图 1.2.11 数字信号在光纤链路上的传输
将 PD管、前置放大器、阻抗匹配和电路状态监视 /警示电路以及若干光学
元件集成在一个管壳内可制成光接收模块，图 1.2.12示出了光 CATV接收
模块的实物图。
图 1.2.12 光 CATV接收模块
光接收机的主要指标是灵敏度，它是指在满足给定误码率或信噪比条件下，
接收机接收微弱信号的能力，工程上常用最低平均光功率 来描述，
灵敏度表示为
（ 1.2.4）
式中,的单位为, 的单位为 mW。
光接收机的另一指标是动态范围，它是指在保证系统误码率指标要求下，
接收机的最低光功率和最大允许光功率之比
(1.2.5)
D的单位为 dB。
minP
m inlg10 PS r ?
rS dBm minP
m in
m a xlg10
P
PD ?
1.2.4 光放大器
光信号沿光纤传输一定距离后，会因为光纤的衰减特性而减弱，从而使传输距
离受到限制。通常，对于多模光纤，无中继距离约为 20多公里，对于单模光纤，
不到 80公里。为了使信号传送的距离更大，就必须增强光信号。光纤通信早期
使用的是光－电－光再生中继器，需要进行光电转换、电放大、再定时脉冲整
形及电光转换，这种中继器适用于中等速率和单波长的传输系统。对于高速、
多波长应用场合，则中继的设备复杂，费用昂贵。在光纤网络中，当有许多光
发送器以不同比特率和不同格式将光发送到许多接收器时，无法使用传统中继
器，因此产生了对光放大器的需要。经过多年的探索，科学家们已经研制出多
种光放大器。光放大器的作用如图 1.2.13所示。与传统中继器比较起来，它具
有两个明显的优势，第一，它可以对任何比特率和格式的信号都加以放大，这
种属性称之为光放大器对任何比特率和信号格式是透明的。第二，它不只是对
单个信号波长，而是在一定波长范围内对若干个信号都可以放大。
图 1.2.13 光放大器的作用
输入光信号 输出光信号
光纤光纤
光放大器
光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大的，工作原理如
图 1.2.14所示。
图 1.2.14 光放大器的原理
隔离器输入光
激活介质
泵浦源
隔离器 输出光
图中的激活介质为一种稀土掺杂光纤，它吸收了泵浦源提供的能量，使电子跳
到高能级上，产生粒子数反转，输入信号光子通过受激辐射过程触发这些已经
激活的电子，使跃迁到较低的能级，从而产生一个放大信号。泵浦源是具有一
定波长的光能量源，以目前使用较为普及的掺铒光纤放大器来说，其泵浦光源
的波长有 1480nm和 980nm两种，激活介质则为掺铒光纤。图 1.2.15示出了掺铒
光纤放大器中掺铒光纤（ EDF）长度、泵浦光强度与信号光强度之间的关系。
由图可知，泵浦光能量入射到掺铒光纤中后，将能量沿光纤逐渐转移到信号上，
也即对信号光进行放大。当沿掺铒光纤传输到某一点时，可以得到最大信号光
输出。所以对掺铒光纤放大器而言，有一个最佳长度，这个长度大约在 20－ 40
米。而 1480nm泵浦光的功率为数十毫瓦。
图 1.2.15 掺铒光纤中泵浦光功率与信号光功率之间的转换
包层
信号光1550nm
泵浦光1480nm
或 980nm EDF
信号光泵浦光
掺铒光纤长度最佳长度
光
强
需要指出的是，在图 1.1.4关于光纤通信系统的构成中，再生中继器与光放
大器的作用是不同的，我们用图 1.2.16来说明。再生中继器可产生表示原有
信息的新信号，消除脉冲信号传输后的展宽，将脉冲调整到原来水平，从这
个意义上讲，光放大器并不能代替再生中继器。光放大器存在着噪声积累，
而且不能消除色散对脉冲展宽。当信号的传输距离在 500公里到 800公里之
间时，可采用光放大器来补偿信号的衰减，当超过这个距离时，再生中继器
则是必不可少的。
图 1.2.16 再生中继器
再生中继器
再生中继器
光信号输入 光信号输出
光电转换 电光转换判决电路
对光纤放大器的主要要求是：高增益，低噪声，高的输出光功率，低的
非线性失真，图 1.2.17示出了掺铒光纤放大器的实物图。
图 1.2.17 掺铒光纤放大器
1.3 光纤通信的基本问题
衰减和色散是因光纤特性而导致的光纤通信系统的基本问题，在传输光信号功率
较时，光纤的非线性效应影响则不能忽略。
1.3.1 衰减
这里的衰减指的是光信号功率在光纤传输过程中的损耗，它是由光纤特性决定的，
也称为光纤衰减。光纤衰减是光纤最重要的特性之一，它在很大程度上决定了在
无需信号放大和再生的条件下，光发射机和光接收机之间所允许的最大距离。由
于光放大器、光中继器的制造、安装及维护费用较高，光纤衰减成为整个系统成
本的决定性因素之一。
1,衰减的表示
我们把光纤衰减的特性用衰减系数，光信号在光纤中传播时，其功率 P随着传输
距离的增加按指数形式衰减
（ 1.3.1）
设起始处（ z=0）的信号光功率为 P(0)，则在光纤中经过距离 z的传播后，其值为
(1.3.2)
衰减系数
（ 1.3.3）
单位为 km-1
通常，工程用 dB/km作为光纤衰减的单位，有
（ 1.3.4）
以后如不加以说明，均以（ 1.3.4）式的单位 dB/km作为光纤衰减的单位。
PdzdP ???
zePzP ??? )0()(
)( )0(ln1 zPPz??
)( )0(lg10)/( zPPzkmdB ??
例 1.3.1 一根光纤长 20km，衰减为 0.5dB/km，一端注入功率为 600μW的光
信号，求其输出光功率。
解：在光通信系统中，经常用 dBm表示发射光功率，接收光功率，它是在
1mW为基准的光功率相对量的单位，用下式计算：
（ 1.3.5）
式中的 P0单位为毫瓦（ mW）。
显然 1mW为 0dBm,1μW为 -30dBm。
首先利用（ 1.3.5）式将输入光功率单位转换为 dBm，有
再由（ 1.3.4）式，可得到在 z=20km时的输出功率（用 dBm表示）
换回到以瓦表示的单位。因为,是以 mW为单位的量
dB mPP )lg (10 0?
)(2.2)106 0 0lg (10)0( 3 d B mP ???? ?
)(2.12
)(20)/(5.0)(2.2
)0()20(
d B m
kmkmd B md B m
zPP
??
????
?? ?
)20(10))(20( 'PdB mP ?
)(2.60)(10)20( 10 2.12' WmWP ??? ?
2,衰减的原因
光纤衰减的原因有散射损耗、吸收损耗和弯曲损耗等，下面分别介绍。
（ 1）散射损耗
散射损耗是由于光纤材料密度的微观变化、成分的起伏、结构上的不完善以及
制造过程中产生的缺陷造成的。光在不均匀的介质中传播将被散射，散射效应
破坏了在纤芯包层边界保持全反射的条件，部分光会穿出纤芯，造成功率损耗。
这种散射也称为瑞利散射。它与波长的四次方成反比，在为 1550nm时，瑞利
散射损耗为 0.154dB/km。
（ 2）吸收损耗
在光纤制造过程，光纤中的氧与氢相结合会形成 OH离子时，会对 1390nm和
940nm的光造成大量的吸收，见图 1.1.3，它基于我们在第一节中讨论的光的吸
收机理。为了降低光纤的吸收损耗，已经研制出全波长光纤，它可在
1200nm～ 1650nm范围内将损耗做得很低。 OH离子也可以是因为氢气进入光
纤内部形成的，在含有很多氢气的环境中使用光纤，或者光缆的金属部分在水
中因腐蚀产生氢气时，有可能出现光纤损耗大量增加的现象。
我们将 OH离子引起的衰减称为杂质吸收损耗。除此之外，还有光纤石英材料
（ SiO2）固有的吸收，称之为内部吸收。当波长大于 2μm时，石英材料会产生
谐振吸收光能，吸收带延伸到 1500nm～ 1700nm波段，形成了光纤工作波长的
上限。常用的石英光纤，内部吸收损耗在 1550nm时，约为 0.02dB/km，但当波
长为 1700nm时，损耗增至 0.32dB/km，所以将 1650nm看作为石英光纤工作波
长的上限。
(3)弯曲损耗
由于光纤的敷设中，不可避免地会遇到需要弯曲的场所，光线从光纤的
平直部分进入弯曲部位时，原来的束缚光线在弯曲部位的入射角减小，
使得光纤纤芯和包层界面上的全反射条件遇到破坏，光束的一部分就从
光纤的纤芯中逃离出去，造成到达目地的光功率比从光源发出的进入光
纤时的光功率小，这就是弯曲损耗，如图 1.3.1所示。
θC
包层
纤芯
弯曲损耗是光信息传输所受衰减的主要原因之一，它与光纤敷设的弯
曲半径有关，最小弯曲半径常作为光纤的一项参数给出。关于最小弯
曲半径的经验数据是，对于长期应用，弯曲半径应超出光纤包层直径
的 150倍；对短期应用，应超过包层直径的 100倍。如果包层直径为
125μm的话，这两个数值分别 19mm和 13mm。
弯曲损耗的另一种形式是微弯损耗，它是由光纤受到侧向应力而产生
微小形变而引起的，同样因不满足全反射条件而造成能量的漏泄。
利用光纤的弯曲损耗特性，可以在光纤链路上引入一些可控的衰减。
在需要对光进行可控衰减时，通过将光纤绕上几圈就可以实现，所绕
圈数和半径均可控制衰减量。
1.3.2 色散
从现象上看，色散导致光纤中的光信号在传输过程中产生失真并随着传
输距离的增加越来越严重。对数字传输而言，色散造成光脉冲的展宽，致
使前后脉冲相互重叠，引起数字信号的码间串扰，造成误码率增加；对模
拟传输而言，它会限制带宽，产生谐波失真，使得系统的信噪比下降。从
理论上分析，色散是由于光波中的不同频率分量以不同速度传输而产生不
同的时间延迟的一种物理效应。
光纤色散主要包括模式色散、波导色散和材料色散。对于多模光纤，
模式色散是主要的，材料色散较小，波导色散一般可以忽略；对于单模光
纤，只有一个光模式在光纤中传输，所以不存在模式色散，只有材料色散
和波导色散，而且材料色散是主要的，波导色散相对较小。下面对这几种
色散加以分析。
1,模式色散
在多模光纤中，纤芯的直径比较大，光源入射到纤芯中的光以一组独立
的光线传播，这组光线以不同的入射角传播，入射角的范围从零度（直
线）到临界传播角，如图 1.3.2，我们将这些不同传播角传输的光线称为
不同的模式。在多模光纤中可以传播数百个模式的光波，显然，以临界
传播角入射的光线经历的路程最长，所以它的轴向传播速度最慢；而与
光纤横截面垂直入射的光线传播速度最快。
图 1.3.2 不同入射角的光线代表不同的模式
纤芯
光
源
包层
对于入射的光脉冲（在数字信号中表示 1），它可以分解成各个模式所携带
一组脉冲，如图 1.3.3，由于它们各自在光纤中传输的时间不同，到光纤的输
出端，各个模式的光脉冲组合起来，就形成了一个脉宽增加的光脉冲。
图 1.3.3 脉冲因多个模式而起的展宽 ---模式色散
光源
0 纤芯
包层
123
0
1
2
3
T
T＋ Δt
我们将因多个不同模式的存在而引起脉冲展宽称为模式色散或模间色散。脉冲
展宽的计算如下：设光纤的长度为 L，最低模式（也称为零级模式）沿中心轴线
到达光纤输出端所需时间为
（ 1.3.6）
式中，为光在折射率为 n1的纤芯中传输的速度,c为真空中的光速传输，最高
模式（以临界角传播的光线）所需时间
（ 1.3.7）
式中,C为临界传播角,。脉冲展宽时间
（ 1.3.8）
习惯上记
（ 1.3.9）
为相对折射率，公式（ 1.3.8）可以表示为
（ 1.3.10）
很显然，如果光纤中传输的光只有零级模式，就可以消除模间色散；如果减小
纤芯直径的尺寸，就可以减少模式数量；另外由（ 1.3.10）式可知，减小相对
折射率，也可以有效地控制模间色散，这些就是单模光纤设计的基本思路。典
型的单模光纤的纤芯直径和相对折射率分别是 8.3μm和 0.37%，而渐变折射率
光纤这两者的数值分别是 50μm和 2%。
?
Lt ?
0
c
c
Lt
?? c o s?
1
2c o s
n
n
c ??
)()1c o s 1(
2
211
0 n
nn
c
LnLttt
C
c
???????
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2
21
1
2121
2
1
2
2
2
1
2 n
nn
n
nn
n
nn
n
nn ?????????
??? cLnt 1
例 1.3.2 一阶跃折射率光纤，已知 n1＝ 1.486,n2＝ 1.472，仅考虑模式色
散，计算每 1km长度的脉冲展宽。
解,利用（ 1.3.10）式，光纤长度单位和光速单位分别取 km和 km/s，
则有
即光脉冲传输 1公里后宽度扩展了 47.1ns。
)(1.47)(1071.4472.1 472.1486.1103 486.11 85
2
211 nss
n
nn
c
Lnt ????
?
??
?
? ?
?
????
?
???
?
? ??? ?
2,波导色散
引起波导色散的原因是：进入单模光纤中的光信号功率大约只有 80%
在纤芯中传播，另外 20%在包层传输，由于纤芯和包层有着不同的折
射率，所以这两部分的传输速度不同，在包层中传播的光功率速度要
更大一些，因而在光纤输出端，脉冲会展宽。
波导色散引起的单位长度脉冲展宽可由下式计算：
（ 1.3.11）
式中 是波导色散系数，单位为,它与光纤的设计参
数有关,为光源的线宽，即光源辐射光的波长范围,L为光纤长度。
??? ????? |)(| WDL t
)/( kmnmps ?)(?wD
??
3,材料色散
材料色散是由于纤芯材料的折射率随波长变化，使得各个模式的群速率（光
脉冲包络线速度）都会随着波长的变化而造成的。在单模光纤内，即使光经
过完全相同的路径，，也会发生脉冲的展宽，因为光源发出的光不是单一波
长的，而是存在一定的波长范围。
材料色散的单位长度脉冲展宽可表示为
（ 1.3.12）
波导色散和材料色散的总和称为色度色散，图 1.3.4为单模光纤的色散系数。
图 1.3.4 单模光纤中波导色散和材料色散与波长的关系
??? ????? |)(| mDLt
波长 (μm)
材料色散
波导色散
色度色散
色散
系数
ps/(km·nm)
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
-30
-20
-10
0
10
20
30
1.3.3 非线性效应
在常规光纤系统中，光纤一般呈现线性传输的特性，但当入射到光纤中的光
功率较大时，光纤对光的响应将呈现非线性，光纤的参数不再是恒定的，而是
依赖于光强的大小。
光纤中的非线性效应主要有自相位调制 SPM（ Self Phase Modulation），
受激喇曼散射 SRS(Stimulated Raman Scattering)，受激布里渊散射
SBS(Stimulated Brillouin Scattering)，交叉相位调制 XPM(Cross Phase
Modulation)和四波混频 FWM(Four Wave Mixing)。
1,自相位调制
自相位调制是指当输入光信号的光强变化时，光纤的折射率随之改变，从而
引起光波的相位产生变化，与光纤的色散相位结合后，将导致光波频谱展宽，
并随长度的增加而积累。 SPM对高速窄脉冲的传输影响较大。
2,交叉相位调制
交叉相位调制是指当两个或多个不同波长的光波在光纤中同时传输时，它们
将通过光纤的非线性而相互影响，导致某个波长光信号的相位受到其它波长光
信号功率的调制，引起信道间的串音。
3,四波混频
四波混频是指当多个具有较强功率的光波信号在光纤中混合传输时，将导致
产生新的波长成分，四波混频不仅导致信道的光能损耗，信噪比下降，而且还
会产生信道干扰，限制光纤通信系统的容量。
4,受激散射
受激喇曼散射是指当较强功率的光入射到光纤中时，会引起光纤材料中的分
子振动，对入射光产生散射作用，它可以造成波分复用系统中的短波长信道
产生过大的信号衰减，从而限制了系统的信道数目。
受激布里渊散射与受激喇曼散射相似，只不过强光入射到光纤中时引起的是
声子振动，散射光方向与光传输方向相反。当光强达到某一数值，将产生大
量后向传输的波，对光通信造成不良的影响。
光纤中的非线性效应，一方面可以引起传输信号的损耗、信道之间的串话、
信号频率的移动等不良后果，另一方面又可以被利用来开发出新型器件，如
激光器、放大器、调制器等，如四波混频效应可以实现波长变换，自相位调
制与光纤色散相互作用可以形成光孤子，使光孤子通信成为可能。
在光纤通信系统中，高输出功率的激光器和低损耗单模光纤的使用，使得光
纤中的非线性效应越来越显著，这是因为单模光纤中的光场主要束缚于很细
的纤芯内，场强非常大，低损耗又使得大的场强可以维持很长距离的缘故，
对非线性效应有足够的重视。
1.4 光纤通信系统的主要性能指标
1.4.1 比特率和带宽
比特率和带宽是衡量数字通信系统和模拟通信系统的主要指标。
1,比特率
比特率也称为信息速率，是信道上每秒钟内所传输的比特数，单位为比
特 /秒，写成 b/s或 bps，常用符号 B表示。在数字光纤通信系统中，数字
信号的,1”、,0”用光脉冲的“有”、“无”来表示，因为光纤存在着
色散效应，光脉冲沿着光纤传输会慢慢展宽，两个相邻的光脉冲传输一
定距离后会发生重叠，从而使接收端设备不能做出正确的判断，如图
1.4.1所示。
图 1.4.1 光纤色散效应形成的比特率限制
光纤
输入光脉冲 输出光脉冲
时间波形 光脉冲展宽
1 0 1 1 1 1
假设输入光脉冲是宽度为 T矩形，到达接收端的延迟和展宽分别是 τ和,
为了将相邻的两个脉冲分辨出来，要求它们的间距不小于 2，这就要求
输入光脉冲的间距也不小于 2,见图 1.4.2。于是得到最大比特率的
计算式为
（ 1.4.1）
图 1.4.2 比特率与脉冲展宽
(a) 输入光脉冲
T t
2Δτ
0
光强
(b) 输出光脉冲
tτ0
光强
2Δτ
Δτ
??? 2
1
m a xB
??
例 1.4.1 计算例 1.3.2中可传输光脉冲的最大比特率。
解：假设输入光脉冲的宽度 T与模式色散产生的展宽相比可以忽略不计，
则最大比特率
光纤色散是比特率受限的主要原因。为了解决这个问题，研制出了多种
类型的光纤和各种补偿色散的技术，如渐变折射率光纤，色散补偿光纤
等。
需要说明的是数字光纤通信系统的比特率除了受光纤限制外，还受到一
些关键器件的影响，如光源、光检测器和光放大器等，人们一直也在致
力于高速光电子器件的研制，以适应高速光通信的发展。
M bp sB 6.101071.42 12 1 8m a x ?????? ??
2,带宽
带宽是一个频率范围，在这个频率范围之内，信号可以不失真地进行传
输，它反映了模拟传输系统运载信息的能力。带宽分为电带宽和光带宽
两种表述，如图 1.4.3所示，它们分别用和表示。
图 1.4.3 模拟信号的带宽
1
电带宽 Δfel 频率 f (Hz)
光带宽 Δfopt
0.707
0.5
归一
化电
流或
功率
1.4.2 传输距离
这里讨论的传输距离指的是中继距离。光纤的衰减和色散是限制传输距离的
两大主要因素，而它们对传输距离影响程度与工作波长以及比特率有关，由
图 1.1.3可见，在短波窗口 850nm波段，光纤存在着较大的损耗，大约为
2dB/km，根据传输信息的比特率不同，中继距离一般在 10公里到 30公里之
间，在长波段窗口，尤其在 1550nm波长处，光纤存在最低损耗，中继距离
最大可达 200公里。
仅考虑光纤损耗，光信号沿光纤传输的最大距离 L可用（ 1.3.4）式计算，将
它改写为
（ 1.4.1）
式中 为光纤的损耗，单位为 dB/km,包括熔接和连接损耗,为光源最大
平均输出功率,为接收机探测器的最小平均接收光功率,两者单位均为
mW。
rec
out
f P
PL lg10???
f? outP
recP
图 1.4.4为只考虑光纤损耗的传输系统示意图。图中的接头是用熔接机将光纤
连接起来时形成的，因接头引起的损耗 LS对单模光纤来说可以做到小于 0.1dB。
连接器也是连接光纤的方式之一，它是用高精度结构的机械，使光纤纤芯紧密
接触，光纤纤芯接触得越紧，同心度越高，则连接损耗 LC越小。单模光纤使用
连接器相连时，连接损耗可以做到 0.5dB以下。
当光纤系统的信息传输速率较高时，色散对传输距离起到主要的限制作用，
图 1.4.5示出了各种类型光纤的传输距离与传输速率之间的关系，图中实线表示
损耗对传输距离和比特率的限制，虚线表示受色散限制。各种光纤的意义将在
第 2章中作进一步的介绍。
LC
连接器
光发射机
距离 L (km)
光接收机连接器接头 接头
Pout
Prec LC
LS
LS
dBm
图 1.4.4 光纤传输系统的损耗
500
200
④
②
①
比特率 B(Gb/s)
距离 (km)
30
① 1550nm色散位移光纤
② 1550nm单模光纤
③ 1310nm单模光纤
④ 850nm多模渐变光纤
⑤ 850nm多模阶跃光纤
③
⑤
0.01 1 10 100
图 1.4.5 光纤的传输速率与传输距离的关系
1.4.3 通信容量
光纤通信系统的通信容量用比特率－距离积 BL来表示,B为系统传输信息
的比特速率,L则是中继距离，单位是（ Mbit/s） ·km。通信容量也可以用带
宽－距离积来表示，单位是 MHz·km。通信容量与光纤的类型、工作波长、
以及使用的激光器类型等诸多因素有关。
对于工作于 850nm的阶跃折射率多模光纤，比特率－距离积被限制在 50
（ Mbit/s） ·km左右，因此除了短距离传输的低速率数据，一般都不采用阶跃
折射率多模光纤。工作于 1550nm的色散位移光纤系统的 BL积可达到 1600
（ Gbit/s） ·km。见图 1.4.5。
1.5 光纤通信技术的回顾和展望
1.5.1 回顾
利用光载波远距离传输信道的设想在 19世纪就被提了出来，但是因为光源和传
输介质这两个基本限制一直未得到发展。
1966年，英籍华裔科学家高锟（ Charles Kao）首次提出了光纤传输光信号的
理论，他研究了光在石英玻璃中严重损耗的问题，发现玻璃纤维的损耗不是固有
的，而是由于其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其它杂质造成的，其
次是拉制光纤时的工艺造成了纤芯、包层分界面的不均匀及其所引起的折射率不
均匀。通过降低材料中的杂质含量和改善工艺，可以使光纤成为实用的光传输介
质。随后在 1970年，康宁 (Corning)公司研制出衰减为 20dB/km的光纤。同年，
贝尔（ Bell）实验室研制成功室温下可以连续工作的铝镓砷（ AlGaAs）半导体激
光器，它体积小，功耗低，效率高，是光纤通信中的理想光源。这两项研究成果
的出现，使得光纤通信开始得到了迅速发展。
1977年在芝加哥相距 7公里的两个电信局之间进行了数字光纤通信系统传输试
验，使用的速率为 44.736Mb/s，采用的光纤工作波长为 850nm，衰减为
2.54dB/km，光源采用铝镓砷半导体激光器，光电探测器采用硅材料制作，它成
为第一代光纤通信的标志。第一代光纤通信的特征是采用 850nm的多模光纤，光
纤损耗为 2.5～ 3dB/km，传输速率为 50～ 100Mb/s，中继距离为 8～ 10公里。大
约在 1980年，进入了工作波长在 1310nm、使用多模光纤传输的第二代光纤通信
时代。该波段是石英光纤的第二个低损耗窗口，且有最低的色散，相应的光源长
波长铟镓砷磷（ InGaAsP） /铟磷（ InP）半导体激光器，光电探测器采用锗材料，
传输速率为 140Mb/s，中继距离为 20～ 50公里。
1983年实现了使用单模光纤在 1310nm波长传输的第三代光纤通信。单模光纤较
多模光纤色散低得多，损耗也更小，降至 0.3～ 0.5dB/km，中继距离为 50～ 100
公里，这一代光纤通信广泛地应用于长途干线和跨洋通信中，如日本，敷设了一
条从北海道到冲绳岛纵贯南北的光缆干线，全长 3400公里，采用 24芯单模光纤
光缆，传输速率为 400Mb/s。美国也从东西海岸各敷设了一条光缆干线，长度分
别为 600公里和 270公里，芯数为 144芯。后来在 1985年，又敷设了 2002公里的
南北干线，增设了总长为 5万公里的光缆，把美国的 22个州连接形成了长途光缆
干线网。国际上第一条海底光缆于 1986年在北海海底敷设，它连接了英格兰和比
利时。美国到欧洲的跨大西洋海底光缆在 1988年敷设，长度为 5600公里，到欧
洲后分成两个分支，一路经 500多公里到英国，另一路经 300多公里到法国，它
的语音信道为 80000路，为了补偿信号衰减，沿光缆每隔 50公里安装了一个转发
器。
80年代后期，进入了使用单模光纤在 1550nm波段上传输的第四代光纤通信阶
段。 1550nm是石英光纤的最低损耗窗口，为 0.2dB/km，传输速率达 2.5Gb/s，
中继距离为 80～ 120公里。在这个时期，掺铒光纤放大器的出现成为光纤通信
发展史上的重要里程碑。 1986年，英国南安普敦大学制作了最初的掺铒光纤
放大器。当作为掺铒光纤放大器的泵浦源,980nm和 1480nm的大功率半导体
激光器研制成功后，掺铒光纤放大器趋于成熟，进入了实用化阶段。掺铒光纤
放大器研制成功的意义不仅在于可进行全光中继，它还多方面推动了光纤通信
的发展。尤其是在波分复用 WDM（ Wavelength Division Multiplexing）光纤
通信系统中的应用，波分复用是将一根光纤分割成多个光信道，从而成为充分
利用光纤带宽，有效扩展通信容量的一种光纤通信方式，这项技术使光纤使光
纤通信进入了高速光纤通信阶段。
自 1995年以来，光纤通信的发展进入了第五代。其主要特征是采用了密集波
分复用 DWDM对光纤系统传输容量进行扩容。截至 2002年,商用 DWDM系统容
量已达 160× 10Gb/s(1.6Tb/s),实验室水平为 256× 42.7Gb/s(10.932Tb/s)。
1.5.2 趋势
目前,光纤通信的发展趋势可以从这几个方面来透视。
1,光纤传输容量的提高
随着社会的发展，信息的传输量需求大幅度提高，提高通信容量的主要途径是减
小信道间距,扩展带宽以及采用混合复用技术，信道间距是在带宽不变的条件下，
增加光信道数目从而提高 WDM系统的通信容量的一种方法。扩展带宽是针对传
统光纤传输系统主要工作在低损耗 C波段 (1530nm~1565nm)而言的。在此基础上，
已经开辟了长波段 L(1565nm~1625nm)与短波段 S(1460nm~1530nm)两个波段，
并且实现了三个波段信号的同时传输。而混合复用技术是由单一复用技术向多种
复用技术混合使用的方向发展，如双向传输的波分复用、偏振复用（ PDM）与波
分复用混合方式，波分复用与码分复用（ CDM）混合方式等。当单信道码率达
到 40Gb/s以上时，信号必须采用光时分复用。光时分复用利用了高速光开关将多
路光信号在时域里复用到一路上的技术，其基本原理是在发送端的同一载波波长
上,把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙，然后根据一定的时隙
分配原则，使不同的信源在每帧内按照指定的时隙向信道发送信号，接收端在同
步的条件下，分别在各个时隙中取回各自的信号。下表为 2001年 OFC会议论文
中出现的光纤通信系统传输实验。
2,宽带光放大器
随着光纤通信的带宽从 C波段到 L波段及 S波段的发展，要实现长距
离传输,对光放大器带宽提出了新的要求,宽带光放大器成为研究的
热点。前述的掺铒光纤放大器（硅化物）工作在 C波段，其平坦增
益带宽为 30nm，它对波分复用系统有较大的限制。而碲化物掺铒
光纤放大器的增益带宽高到 50nm(1560nm~1610nm)增益光谱覆盖
了 C和 L两个区域。而覆盖全光波段 (1270~1670nm)喇曼光纤放大
器的研究已经成熟，已有 10Gb/sh波分复用系统 (40个信道 )利用分
布喇曼放大方式传输 1600km和 10Gb/s波分复用 (105个信道 )利用分
布喇曼放大方式传输 8186km的实验报道。正在研制中的宽带放大
器还有掺铥光纤放大器，其工作波段为 1450~1480nm，增益漂移
的掺铥光纤放大器工作波段为 1480nm~1510nm。
3,密集波分复用系统中的光源复用和解复用器
按照通信间隔的差异,波分复用 WDM又可分为粗波分复用 CWDM(Coarse WDM,
信道间隔小于 20nm),密集波分复用 DWDM(Dense WDM，信道间隔小于或等于
1.6nm)，超密集波分复用 SDWDM(Super DWDM,信道间距小于或等于 25GHz)，
信道间隔可用频率表示,也可用长度表示，两者之间的关系是
（ 1.5.1）
介于 CWDM和 DWDM之间的波分复用，为前述的一般波分复用。在 DWDM和
SDWDM系统中，要求采用可调谐光源替代固定波长光源以降低通信系统的成本,
波分复用可调谐光源的基本要求是输出波长稳定,波段间隙小。目前研制的可调谐
激光器主要有以下几种方式,可调分布反馈激光器，分布布拉格反射激光器，垂直
腔表面发射激光器，外腔二极管激光器,可调锁模激光器,可调光纤激光器。可调
锁模激光器已经能输出 32个信道波长,波长从 1535.5nm到 1560.5nm,信道之间间
隔 100Ghz。
复用 /解复用器是组合和分离不同波长信号的装置，制作光复用 /解复用的技术很
多，其中阵列波长光栅 AWG (Arrayed Wavelength Grating)由于结构具有复用 /解
复用双向对称功能,信道数几乎不受限制而成为研究的热点，如现在已经能制作
400个信道,25GHz间距的 AWG，它可以覆盖整个Ｃ和 L波段。 AWG除了最基本
的复用 /解复用功能外,还便于与其它器件集成，如和集成电吸收调制器 /半导体光
放大器构成 32波长直接可调锁模激光器，与点阵式交叉滤波器集成构成 WDM滤
波器等,AWG器件具有尺寸小、易于集成、性能稳定和制作成本低等优点，它
正受到越来越多的关注。
2/)( ????? cf
4,偏振模色散补偿技术
偏振模色散是由于光纤不园度、光纤内部残留应力、环境温度变化
等因素导致的光纤内部产生双折射现象，引起在垂直光纤轴线的平面
内两个相互正交偏振的基模光场的传输速度不同，从而产生了脉冲展
宽。因为偏振模色散对系统的损害在码率较高时（大于 10Gb/s）较为
明显，所以，它成为高速光通信系统发展的主要障碍之一。目前抑制
和补偿偏振模色散的技术主要有：制作超低偏振模色散光纤；选择信
号码型（如归零码）以抑制偏振模色散，在 DWDM系统中，相邻信道
采用正交入射的方法抑制偏振模色散等。
本章小结
光纤通信系统就其基本组成而言有三部分：光发射机、光纤和光接收
机，读者应牢固建立它们地位和作用的概念。作为光传输媒质的光纤，
它们的衰减性能决定了它的工作波长以及光系统的作用距离，这个局限
可由光放大器大大缓解。光纤的色散则限制了传输数据的速率。输入到
光纤中光强的大小对光纤特性也有影响，这就是非线性效应。通信容量
作为光纤通信系统主要性能指标也是读者应掌握的基本内容。
?光纤通信概念
?光纤通信系统的基本单元
?光纤通信的基本问题
?光纤通信系统的主要性能指标
?光纤通信技术的回顾和展望
1.1 光纤通信概念
1.1.1 什么是光纤通信
通信是各种形式信息的有效传递，为了实现这一目的，需要相应的
技术设备和传输介质。
我们以调幅广播为例，话音信号经过话筒后转变为电信号，然后借
助于频率范围是 526.5~1605.5kHz的载波，将信号“装载”到载波上通
过发射天线发送出去，在接收端由接收天线再将其“卸载”下来，这个
过程称为信号的调制和解调。调幅广播的传输介质是大气信道。
而光纤通信则是用光作为信息的载体，以光纤作为传输介质的一种
通信方式。它首先要在发射端将需传送的电话、电报、图像和数据等信
号进行光电转换，即将电信号变成光信号，再经光纤传输到接收端，接
收端将接收到的光信号转变成电信号，最后还原成消息。图 1.1.1为光纤
通信系统示意图。
电信号输入
调制 光源
光放大
器
光检测
器
信号恢
复
电信号输
出
光发射机
尾纤
连接器
光纤
光纤接头
盒
光耦合器
其它设备
光接收机
光纤接头
盒 连接器
再生
中继器
尾纤
光纤
光纤
图 1.1.1 光纤通信系统的构成
基本单元为三个部分：光发射机、光纤和光接收机。光发射机由将
带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输
装置组成，光源是其核心部件，由半导体发光二极管 LED（ Light
Emission Diode）或者激光二极管 LD（ Laser Diode）构成；光纤在实用
系统中一般以光缆的形式存在；光接收机由光检测器、放大电路和信号
恢复电路组成。光发射机和光接收机也称为光端机。在光纤通信系统中
还包括大量的有源、无源光器件，图 1.1.4中示出的连接器起着各种设备
与光纤之间的连接作用，光耦合器用于需要将传输的光分路或合路的场
合，光放大器起着对光波放大的作用，用于弥补光信号传输一定距离后，
因光纤衰减致使的光功率减弱。
1.1.2 光纤通信中光的作用及特性
在光纤通信系统中，光是信息的载体，光必须经过光纤传播，而在光发射机和光接收
机中，核心部件承担着电 /光、光 /电的转换，可见光在光纤通信中的重要地位。光的
性质有很多，下面我们围绕光在光纤通信中的作用进行讨论。
1,光作为载波，可以极大地提高信道的带宽
带宽是信号进行传输且没有明显衰减的频率范围，信道的带宽越大，信道容量就越大。
我们以模拟信号为例，说明信号携带的信息量与其所占的带宽有关。比如，话音信号
的带宽约为 4kHz，电视图像信号的带宽为 6MHz，显然电视图像的信息量比话音信号
大。所以信号占据的频带宽，意味着携带的信息量大，则传输该信号的信道带宽也要
随之增大。信道容量与信道带宽之间的关系可由香农哈特利（ Shannon-Hartley）定
理决定：
(1.1.1)
式中,C为信道容量（单位为比特 /秒,bps）,B为信道带宽（单位为赫兹,Hz），
SNR是信号功率与噪声功率的比值，称之为信噪比。由 (1.1.1)式可见，增加信道带宽
可以有效地提高信道容量。
信道的带宽又取决于载波的频率，载波频率越高，信道的带宽就越大，系统
的信息传输能力也就越强。按经验，带宽大约为载波信号频率的十分之一。从图 1.1.2
的通信用电磁波频谱可见，双绞线的工作频率可以到 300kHz，同轴电缆为 1GHz，微
波波导传输信号的频率可高达 100GHz，而光纤通信所用光的频率范围为 100THz到
1000THz，根据估计，其带宽可达 50THz。目前单波长信号速率已达到 40Gbit/s，已
经实现了单根光纤传输容量为 10.96Tb/s的实验系统。
)1(lo g 2 S N RBC ??
名称 应用传输介质
有线介质 无线介质
紫外线
可见光
红外线
电话
数据
视频
激
光
束光纤
毫米波
特高频（ SHF）
超高频（ UHF）
甚高频（ VHF）
高频（ HF）
中频（ MF）
低频（ LF）
甚低频（ VLF）
音频
波导
同轴电缆
双绞线
微波无线电
短波无线电
长波无线电
卫星通信
微波通信
电话, 电报
调幅广播
移动无线电
UHF TV
移动通信
导航
潜艇通信
飞行器通信
导航, 雷达
业余无线电
商务应用
调频广播
1014 Hz
1015 Hz
10-6 m
100 GHz
10 GHz
1 GHz
100 MHz
10 MHz
1 MHz
100 kHz
10 kHz
1 kHz
1 c m
10 c m
1 m
10 m
100 m
1 km
10 km
100 km
800nm
1700nm
2,光在光纤中传输的工作波长是由光纤特性决定的
可见光的波长范围为 400nm~700nm，从理论上来说，光还包括紫
外线和红外线，其波长范围大约为 3nm~3?106nm，光纤通信光源使用的
波长范围在近红外区内，波长在 800nm~1700nm之间，属于不可见光，但
这个范围的光不是都可以在光纤中传输的。事实上光纤对不同波长的光呈
现的传输特性是有很大差别的，这里我们主要考虑光纤的衰减特性，也称
为损耗特性，因为低损耗是实现光信号长距离无中继传输的前提。
光纤的损耗包含两个方面：一是因光纤材料（石英）和结构引起的
吸收、散射等造成的损耗，二是组成系统时所产生的损耗，例如接插件连
接损耗、弯曲损耗等，在此仅说明光纤本身的损耗。图 1.1.3是一个典型的
石英光纤损耗谱，由图可见，大约在 850nm,1300nm和 1550nm处有三个
低损耗窗口，也称为透光窗口。第一代光纤通信系统工作在 850nm附近，
早期制造的光纤在这个区域有局部的最小损耗。通过降低光纤材料中氢氧
根离子和金属离子的含量，已经可以制造在 1100nm到 1600nm范围内损耗
极低的光纤，目前常用的工作波长在 1310nm和 1550nm处。三个窗口的衰
减分别为,850nm附近为 2dB/km,1310nm附近为 0.5dB/km，在 1550nm
附近为 0.2dB/km。我们把 1530~1565nm的波长范围称为 C波段，这是目前
高速大容量长距离系统常用的波段。
波长 (nm)
损耗(dB/km)
700 900 1100 1300 1500 1700
1
10 15501310850
图 1.1.3 光纤损耗的波长特性
3,光在光发射机和光接收机中的工作基于光的辐射与吸收
光发射机和光接收机中的光源和光检测器是基于半导体材料对光的辐射与吸
收机理工作的。半导体材料的导电特性介于金属和绝缘体之间，其导电特性
可以借助于图 1.1.4所示的能带图来解释，纵轴表示能量，横轴长度没有意义。
如果导带 EC上的电子跃迁到价带 EV上，就会将其间的能量差（也称能带差）
以光的形式放出，光子的频率与能带差的关系为
（ 1.1.2a）
或者 （ 1.1.2b）
式中为普朗克常数（ h＝ 6.625× 10－ 34J·s）,为光速，的单位是电子伏特（），
的单位为微米（）。我们可以通过控制半导体材料的成份来改变能带差，从
而改变其发光波长。半导体发光二极管 LED的工作正是基于电子从高能带跃
迁到低能带将电能转变为光能的机理。把电流注入到半导体中的 PN结上，则
原子中占据低能带的电子被激励到高能带后，再跃迁到低能带上，它们将自
发辐射出光子，如图 1.1.5（ a）所示。
hvE g ?
gE
hc??
导带能带
价带能带
禁带 光子
电子
EC
EV
能
量
hν
高能带中的电子实际上处于不同的能级，不可能都恰好带有相同的能量，
当它们自发辐射到低能带的不同能级上时，根据（ 1.1.2a）式可知，这
些光波的频率并不完全一样。另外这些光波还具有不同的相位和偏振方
向，因此自发辐射光是一种非相干光，即不是单一频率、相位和偏振方
向相同的光。低能带高能带 EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν低能带高能带
EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν输入光 Eg
光检测器的工作过程则与 LED相反，如果把能量大于的光照射到
半导体材料上，则处于低能带的电子吸收该能量后被激励而跃迁到高能
带上，我们可以通过在半导体 PN结上外加电场，将处于高能带的电子取
出，从而使光能转变为电能，如图 1.1.5（ b）所示。
低能带
高能带
EC3
EV2
hν
EC2
EC1
EV3
EV1
hν
低能带
高能带
EC3
EV2
hν
EC2
EC1
EV3
EV1
hν
输入光 Eg
（ a） 光的自发辐射（发光二极管） （ b）光的吸收（光检测器）
低能带
高能带
EC3
EV2
hν
EC2
EC1
EV3
EV1
hν输入光
hν
输出光
（ c） 光的受激发射（激光二极管）
图 1.1.5 半导体中光的自发辐射、受激发射和吸收
激光二极管 LD的工作机理为受激发射，即在入射光的激发下，产生
与入射光频率、相位、偏振方向及传播方向一样的发射光，当然，后者
的强度远远大于前者，见图 1.1.5（ c）。要实现受激发射需要两个条件：
一是高能带上的电子密度要大于低能带上的电子密度，这种状态称为粒
子数反转，可采用通过向半导体激光二极管注入正向电流的方式来实现
粒子数反转；二是半导体激光器中必须存在光子谐振腔，并在谐振腔里
建立起确定的振荡，从而得到单色性和方向性好的激光输出。
1.1.3 光纤通信的优势
光纤通信与其它通信手段的主要区别有两点，一是载波频率很高；二是
用光纤作为传输介质，其优势体现在以下几个方面：
1,信道带宽极宽，传输容量大
随着社会信息化进程的发展，人们对通信的依赖程度越来越高，对通信
系统运载信息能力的要求也日趋增强，有线通信从明线发展到电缆，无
线通信从短波发展到微波和毫米波，都是试图通过提高载波频率来提高
信道容量，而光纤中传输的光波是迄今为止使用频率最高的载波，其传
输容量无疑是最高的。
限于器件等技术因素的制约，目前光纤通信应有通信能力并没有完全发
挥出来。例如，理论上一个光纤可以同时传输近 100亿路电话和 1000万
路电视节目，而实用水平为每对光纤传输 48万多路电话信号。
在实际使用中，常使用组合光纤数不等的光缆，加之一些新技术
的应用，如密集波分复用技术，其传输容量可以满足任何条件下信息传
输的需要。
2,中继距离长
所谓中继距离是指传输线路上不加放大器时信号所能传输的最大距离。
当信号在传输线上传输时，由于传输线的损耗会使信号不断衰减，信号
传输的距离越长，其衰减程度就越多，当信号衰减到一定程度后，对方
就收不到信号。为了延长通信的距离往往要在传输线路上设置一些放大
器，也称为中继器，将衰减了的信号放大后再继续传输，显然，中继器
越多，传输线的成本就越高，通信的可靠性也会降低，若某一中继器出
现故障，就会影响全线的通信。
在通信系统设计中，传输线路的损耗是要考虑的基本因素，表 1.1列出了
电缆和光纤每千米传输损耗，可见，光纤的传输损耗较之电缆要小很多，
所以能实现很长的中继距离，在 1550nm波长区，光纤的衰减系统可低至
0.2dB/km，它对降低通信成本，提高通信的可靠性及稳定性具有特别重
大的意义。目前，光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达 200多公里，
而同轴电缆系统的最大中继距离仅为 6公里。
3,抗干扰
干扰是影响通信质量的重要原因，对通信系统形成干扰的干扰源很多，
有天然干扰源，如雷电、电离层的变化和太阳黑子活动等；有工业干扰
源，如电动机和高压电力线；还有无线通信的相互干扰等，干扰对通信
系统的影响是通过干扰信号频谱落在通信系统工作频谱范围内产生的，
为了降低干扰的影响，人们采取了数字通信、差错控制编码等措施，但
并不能完全消除干扰对通信指标的劣化。而光纤中传输的光信号特定的
频率范围，使它不易受各种电磁干扰的影响。同时光纤是由高纯度的二
氧化硅材料制成的，不导电，也无电感效应，所以光纤通信系统可以从
根本上解决多年来困扰人们的干扰问题。
4,保密性好
保密性好是通信系统又一重要要求。保密要求已从国家政治、军
事、经济情报范畴扩展到企业经济、技术乃至个人通信领域。对信息的
窃取通常有三个途径：一是直接接入式窃听；二是窃听计算机和终端设
备辐射的电磁场；三是窃听电缆源辐射的电磁场。对于第一种窃听可以
采取保密口令，信息加密等技术；对于第二种窃听可以采取加强电磁屏
蔽措施，但电缆系统的完全屏蔽通常是比较困难的，现代侦听技术已能
做到在离同轴电缆几千米的地方窃听电缆中传输的信号。但光波在光纤
中传输，不易泄漏出来，难于用传统的方法窃听其中的信息，同时，它
也不会干扰其它通讯设备的正常工作。
5,节约有色金属
光纤的主要原材料是来源丰富的二氧化硅。据测量，从上海至北
京铺设一条电缆线路需要用铜 800吨，铅 300吨。如果用光纤代替铜、铅
等有色金属。在保持同样的传输容量下，仅需要 10公斤石英。因此，光
纤通信技术的推广将节约大量的金属材料，具有合理使用地球资源的意
义。
除上述列举的优势外，光纤还具有线径细、重量轻、寿命长等优
点。光缆的直径很小,144芯光缆横截面直径不到 18毫米，而标准同轴
电缆为 47毫米，利用光纤这个特点可以解决地下管道拥挤问题。由于光
纤的重量轻，它被应用于飞机制造上，不但降低了通信设备的成本和飞
机制造的成本，而且提高了通信系统的抗干扰能力和飞机设计的灵活性。
由于光纤通信的诸多许多优点，除了在公用通信和专用通信中使
用外，它还在其它许多领域，如测量、传感、自动控制及医疗卫生等方
面得到了广泛的应用。
光纤本身也存在一些缺陷。光纤在生产过程中光纤表面存在微裂
纹，从而使光纤的抗拉强度低；光纤的连接必须使用专门的工具和仪表，
光分路、耦合不是十分方便，光纤弯曲半径不能太小等，这些缺陷的影
响在实际工程和维护工作中都可以避免或解决。
1.2 光纤通信系统的基本单元
在上节中，我们已经对光纤通信系统的构成作了初步介绍。光纤通信系
统的基本单元是由光发射机、光纤和光接收机三部分构成的，这节进一
步讨论这三部分的功能。
1.2.1 光发射机
1,光源及其调制方式
如前所述，光发射机由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和
将光信号送入光纤的传输装置组成，而光源是光发射机的核心部件。目
前光纤通信系统中常用的光源有发光二极管 LED和激光器 LD两种，这两
种器件都是用半导体材料制成，其主要参数和性能的比较如表 1.2所示。
光纤通信系统中对光源的要求有以下几个方面：
（ 1）光源发射的峰值波长必须位于光纤低损耗窗口之内，即为 850nm，
1310nm和 1550nm。
（ 2）输出的光功率要足够高并且稳定。
（ 3）电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高。
（ 4）单色性和方向性好，以减小光纤材料色散效应，提高光源和光纤的
耦合效率。
（ 5）调制特性好，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信号的传输。
（ 6）输出特性（功率与电流的特性曲线）的线性度较高，减小模拟调制
时的非线性失真。
图 1.2.1示出了 LED和 LD的外形图和其输出特性。对于 LD而言，当驱动
电流由零开始增加时，输出功率增加并不多，只有当驱动电流大于阈值
Ith后，输出光功率才明显增加。随着驱动电流的增加，输出光功率的增
加很快。对于 LED而言，其输出特性基本呈线性。
IF (mA)
P (mW)
(a) LED外形图和输出特性
IF (mA)
P (mW)
(b) LD外形图和输出特性
图 1.2.1 光源的外形和特性
输入到光发射机的电信号要转换成适合驱动光源的电流信号后，才
能加到光源上。电流信号可以是模拟信号（如有线电视系统中使用的视
频信号），也可以是数字信号（如计算机数据），由于光源输出的光功
率与驱动电流的关系可知，当输入信号是模拟信号时，选择合适的工作
点，可以得到变化规律相同的光功率信号。显然，输出特性的线性度越
高，电光转换时的失真就越小。图 1.2.2(a)示出了模拟信号对光源调制的
工作过程，图 (b)为数字信号对光源调制过程。
P (mW)
IF (mA)IbIth
输出光信号
输入电流信号
P (mW)
IF (mA)
输出光信号
输入电流信号
Ith
（ a）模拟电流信号对激光器的调制 （ b）数字电流信号对激光器的调制
图 1.2.2 电信号对光源的调制过程
在此需要说明消光比的概念。消光比（ Extinction Ratio）是分别代
表逻辑 1和逻辑 0的最大功率和最小功率之比，通常以 dB为单位来衡量,它
是数字传输时光源的一项重要参数。作为一个调制好的光源希望全 0码时
没有光功率输出,否则它将使光纤系统产生噪声,造成接收机灵敏度降低。
需要说明的是，我国对消光比的传统定义与上述刚好相反。
电信号对光源的调制从方式来分有两种方式：一种称为直接强度调
制（ Intensity Modulation）如图 1.2.2表明的那样，即用电信号对光源的
注入电流进行调制，然后使输出光波的强度随调制信号而变化。图 1.2.3
（ a）为直接强度调制机原理框图。直接调制光载波的方式用得比较多，
但由于它本质上是电领域的调试方式，所以受激光二极管调制特性的限
制。当光纤通信向着大容量高速化方向发展时，半导体光源本身的调制
特性满足不了要求，则需要采用另一种调制方式 ---外调制方式来达到目
的。图 1.2.3（ b）示出了使用外调制器的光信号调制原理图。
调 制 光 源
输入电信号 输出光信号电流
光 源 调制器
光信号
（已加载信息）光信号（未加载信息）
输入电信号
（ a）直接调制 （ b）外调制
图 1.2.3 直接调制与外调制
外调制器是利用晶体的电光、磁光和声光等效应对光辐射进行调制，即
在光源光辐射产生后再加载调制信号，外调制器放置在光源输出端的光
路上，在调制器上加调制电压后，使激光器输出的连续波，通过调制器
转换成一个随时间变化的光输出信号。
目前在光纤通信系统使用的外调制器通常是铌酸锂（ LiNbO3）电光调制
器，它采用了一个集成光学马赫 ---曾特（ Mach－ Zehnder）构成，简称
为 M－ Z调制器，图 1.2.4示出了一种双电极驱动构成的铌酸锂光调制器的
电光路框图。
数据输入
驱动器
缓冲器
缓冲器
激光器组件
输出光
保偏光纤
LiNbO3调制器
自动偏置控制电路
图 1.2.4 双电极驱动的 LiNbO3光调制器的电光路框图
2,光发射机的辅助电路
除光源外，光发射机还有与之匹配的直流偏置驱动电路，阻抗匹配电路，
防止光从光纤返回的光隔离器，监视光源发射功率的监视光电二极管，
自动功率控制电路和使光源恒温工作的温度控制系统。下面对其中主要
部件的功能作简单的介绍。
（ 1）驱动电路。对于直接强度调制的光源，必须给它提供恒定偏置电流
和已调制的信号，它才能正常工作。这个功能是由驱动电路完成的。一
般来说，驱动电路是一种电流开关电路。对它的基本要求是：既要有快
的开关速度，又要保持良好的电流脉冲波形，另外，还得考虑其温度系
数。因为环境温度的波动会引起供给电流的波动，所以现在几乎所有高
性能的激光二极管都已采用具有可调节电流和温控装置的电路。
（ 2）自动功率控制电路 APC（ Automatic Power Control）。激光二极管
恒定的光输出功率对保证通信系统的正常工作有着至关重要的意义。而
事实上，激光二极管的阈值电流容易随温度和器件的老化而变化，从而
引起输出光功率的变化，所以必须配置自动功率控制电路。通过设置在
激光二极管后出光面的光电二极管对输出光的强度进行监测。光电二极
管的输出被反馈给驱动电路，当光输出功率下降时，驱动电流增加，反
之则减小，始终保持输出光功率为一恒定值。
（ 3）自动温度控制电路 ATC(Automatic Temperature Control)。激光二
极管的许多关键因素（波长、阈值电流、效率,P－ I特性、斜率等）都
与二极管的结温有着密切的关系，比如，对于 1550nm器件，每增加摄氏
1度，频率变化 13GHZ。工作温度还与激光二极管的寿命密切相关。据
估算，每 30℃ 的温升会使其寿命降低一个数量级。因此，期望激光二极
管工作时有尽可能低的和稳定的温度。
帕尔帖（ Peltier）温控装置是常用的一种激光二极管温度控制部件。它
利用半导体材料的帕尔帖效应制成。 P型和 N型两种不同的半导体组成电
偶，当直流电流通过时，一端吸收热量而另一端放出热量，这种效应就
称之为帕尔帖效应，可见帕尔帖温控组件是一种转移热的热电半导体器
件，也称热电制冷器。它的散热方向取决于电流流动的方向，通常，由
反馈回路中的温度传感器（热敏电阻）控制供给温控装置组件电流的大
小和极性。自动温度控制电路可使激光二极管的结温变化控制在 0.1℃ 的
范围内。
（ 4）光隔离器。 光隔离器的作用是保护光源的激活区免受回射光的影
响。实际上，当激光入射到光纤的端面时，其中的一部分将被反射回光
源处。此外，连接器和机械接头也会将光反射回激光二极管。而光源
（特别是激光二极管）对这一反射光是十分敏感的，它会增加 LD的相对
强度噪声（光源的一项噪声指标），从而影响整个光纤通信系统的性能。
现在，人们已经将激光二极管、监视光电二极管、光隔离器、热电制冷
器、温度传感器、控制电路、驱动电路、自动温度控制电路、自动功率
控制电路、尾纤等制成为光发射模块，集成在一个管壳内并组成光发射
功能的器件，这样器件功能更加完善，性能也更加优异，用户使用更加
方便，系统设计更加简便。所以说，器件的模块化已经成为发展的必然
趋势。图 1.2.5为其功能框图。图 1.2.6为某光发射模块的实物图。
使不能工作
驱动器
数据
DFB-LD
监测 PD
光纤
光隔离器
激光器偏置监测
APC电路
ATC电路
热电致冷器
热敏电阻器
背面监测
光输出告警
激光器温度监测
图 1.2.5 光发射模块功能框图 图 1.2.6 光发射模块实物图
1.2.2 光纤
1,光纤结构
光纤是通信系统的传输介质，是由两种不同折射率的石英玻璃（ SiO2）在
高温下拉制而成的。基本结构如图 1.2.7所示，内层为纤芯，作用是传输光
信号，外层为包层，作用是使光信号尽可能封闭在纤芯中传输，为了将信
号限制在纤芯中，必须在纤芯和包层的界面实现
图 1.2.7 阶跃型光纤的基本结构
光的全内反射，参见图 1.2.8，为此要求纤芯的折射率比包层的折射率略大，
在纤芯中掺入极少量的杂质（如 GeO2）可达到这个目的。
纤芯 n1
50μ m
125μ m
α C θ C
设全反射的临界入射角为，则由光学计算公式可知
（ 1.2.1）
式中 n1,n2分别为纤芯和包层的折射率。图中称为临界传播角，它是光
线发生全反射时与光纤纵向轴线之间的夹角。
(1.2.2）
要保证光线在光纤内全反射，必须有传播角
（ 1.2.3）
例：某种光纤的纤芯和包层的折射率分别为 1.48和 1.46，求临界传播角。
由（ 1.2.2）式可知
按照传送光的模式的不同，光纤分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的
纤芯直径大约几个微米，主要传送 1550nm波长的光，多模光纤的纤芯直
径为一般为几十微米,常用来传送 850nm波长的光。单模光纤和多模光
纤的包层直径一般都为 125μm。
1
2sin
n
n
c ??
2
1
21 )(1s in
n
n
c ??
??
c???
021 4.9)
48.1
46.1(1 ??? ?S in
c?
2,光缆
仅有纤芯和包层的光纤称为裸光纤，它的强度较差，柔韧性无法达到使
用的要求。在光纤制造过程中，裸纤从高温炉拉出后，立即要经过涂覆
层流水线进行涂覆。涂覆层的主要成分是环氧树脂和硅橡胶分子材料。
它具有如下的功能
（ 1）吸附性好。与裸光纤保持坚固的接触。
（ 2）可剥离性。在光纤的连接中希望剥离力小，以利于安装操作。
（ 3）柔韧性。可以保护光纤免受任何外部损伤。
（ 4）抗潮性。涂覆层可以保护光纤免受湿气，从而延缓光纤的老化，增
强其稳定性。
（ 5）温度系数与裸光纤一致性。涂覆层的热膨胀系数应与裸光纤的热膨
胀系数保持一致，否则，将会导致其对光纤的压力发生变化，造成光纤
的微弯和较大的衰减。
涂覆层有单层和双层之分，在双层结构中，内层为软涂敷层，它提供较
好的粘贴度和光纤衬垫。硬外层保护光纤以适用于多种环境及磨损。涂
覆层的外径在 245～ 900um之间。
经过一两次涂覆（套塑）的光纤虽然具有一定的抗拉强度，但还是比较
脆弱，经不起弯曲、扭曲和侧压的作用，无法投入实际应用。为了能使
光纤用于多种环境条件下，便于敷设施工，必须将光纤制成光缆。图
1.2.9为光缆实物图。
图 1.2.9 光缆实物图
1.2.3 光接收机
光接收机的主要作用是将接收到的微弱光信号转变为电信号，放大并处
理，恢复为原来的形式。光接收机由光电检测器、放大器和相关电路组成。
根据应用不同，光接收机又分为模拟光接收机和数字光接收机。图
1.2.10示出了模拟系统光接收机的组成,RF表示模拟射频信号，其中光电
检测器 PD(photodiode)是光接收机的核心，它的工作机理基于我们前面介
绍的半导体材料的光电效应，光电检测器可以将光信号转变为电流信号。
目前广泛使用的光电检测器有两种：本征型光电二极管（简称 PIN管）和
雪崩型光电二极管（简称 APD）。 PIN光电二极管无放大能力，主要用于
要求简单，性能不高的短距离通信系统，价格较为便宜。与 PIN管比较起
来,APD具有内部增益高、响应速度快、光电转换效率高、光生电流大等
特点，因此主要用于要求性能好、有高灵敏度的中长距离光纤通信系统中。
对光检测器的主要要求是：高灵敏度，低噪声，响应速度快，足够的带宽，
对温度变化不敏感等。
直流偏置
组件
PD连接器
阻抗匹配
RF电信号输出
放大器
光信号输入
图 1.2.10 模拟光接收机的主要组成部分
对于光纤数字传输链路而言，由光发射机发出的光脉冲信号在沿着光纤传输
时会发生衰减和失真，到达接收机经光检测器产生电流信号，经过放大器转
换成电压信号后，还要用滤波器对失真的波形进行补偿，消除码间干扰并减
小噪声影响，最后要用判决再生电路将滤波器的输出电压与阈值进行比较，
再生出只有两个电平的数字信号，图 1.2.11为数字信号在光纤链路上传输的示
意图。
光源
输入电脉冲
光检测器
放大器和滤波器 判决再生
输出光脉冲
光纤
输入光脉冲 电流脉冲 输出电脉冲
光接收机
图 1.2.11 数字信号在光纤链路上的传输
将 PD管、前置放大器、阻抗匹配和电路状态监视 /警示电路以及若干光学
元件集成在一个管壳内可制成光接收模块，图 1.2.12示出了光 CATV接收
模块的实物图。
图 1.2.12 光 CATV接收模块
光接收机的主要指标是灵敏度，它是指在满足给定误码率或信噪比条件下，
接收机接收微弱信号的能力，工程上常用最低平均光功率 来描述，
灵敏度表示为
（ 1.2.4）
式中,的单位为, 的单位为 mW。
光接收机的另一指标是动态范围，它是指在保证系统误码率指标要求下，
接收机的最低光功率和最大允许光功率之比
(1.2.5)
D的单位为 dB。
minP
m inlg10 PS r ?
rS dBm minP
m in
m a xlg10
P
PD ?
1.2.4 光放大器
光信号沿光纤传输一定距离后，会因为光纤的衰减特性而减弱，从而使传输距
离受到限制。通常，对于多模光纤，无中继距离约为 20多公里，对于单模光纤，
不到 80公里。为了使信号传送的距离更大，就必须增强光信号。光纤通信早期
使用的是光－电－光再生中继器，需要进行光电转换、电放大、再定时脉冲整
形及电光转换，这种中继器适用于中等速率和单波长的传输系统。对于高速、
多波长应用场合，则中继的设备复杂，费用昂贵。在光纤网络中，当有许多光
发送器以不同比特率和不同格式将光发送到许多接收器时，无法使用传统中继
器，因此产生了对光放大器的需要。经过多年的探索，科学家们已经研制出多
种光放大器。光放大器的作用如图 1.2.13所示。与传统中继器比较起来，它具
有两个明显的优势，第一，它可以对任何比特率和格式的信号都加以放大，这
种属性称之为光放大器对任何比特率和信号格式是透明的。第二，它不只是对
单个信号波长，而是在一定波长范围内对若干个信号都可以放大。
图 1.2.13 光放大器的作用
输入光信号 输出光信号
光纤光纤
光放大器
光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大的，工作原理如
图 1.2.14所示。
图 1.2.14 光放大器的原理
隔离器输入光
激活介质
泵浦源
隔离器 输出光
图中的激活介质为一种稀土掺杂光纤，它吸收了泵浦源提供的能量，使电子跳
到高能级上，产生粒子数反转，输入信号光子通过受激辐射过程触发这些已经
激活的电子，使跃迁到较低的能级，从而产生一个放大信号。泵浦源是具有一
定波长的光能量源，以目前使用较为普及的掺铒光纤放大器来说，其泵浦光源
的波长有 1480nm和 980nm两种，激活介质则为掺铒光纤。图 1.2.15示出了掺铒
光纤放大器中掺铒光纤（ EDF）长度、泵浦光强度与信号光强度之间的关系。
由图可知，泵浦光能量入射到掺铒光纤中后，将能量沿光纤逐渐转移到信号上，
也即对信号光进行放大。当沿掺铒光纤传输到某一点时，可以得到最大信号光
输出。所以对掺铒光纤放大器而言，有一个最佳长度，这个长度大约在 20－ 40
米。而 1480nm泵浦光的功率为数十毫瓦。
图 1.2.15 掺铒光纤中泵浦光功率与信号光功率之间的转换
包层
信号光1550nm
泵浦光1480nm
或 980nm EDF
信号光泵浦光
掺铒光纤长度最佳长度
光
强
需要指出的是，在图 1.1.4关于光纤通信系统的构成中，再生中继器与光放
大器的作用是不同的，我们用图 1.2.16来说明。再生中继器可产生表示原有
信息的新信号，消除脉冲信号传输后的展宽，将脉冲调整到原来水平，从这
个意义上讲，光放大器并不能代替再生中继器。光放大器存在着噪声积累，
而且不能消除色散对脉冲展宽。当信号的传输距离在 500公里到 800公里之
间时，可采用光放大器来补偿信号的衰减，当超过这个距离时，再生中继器
则是必不可少的。
图 1.2.16 再生中继器
再生中继器
再生中继器
光信号输入 光信号输出
光电转换 电光转换判决电路
对光纤放大器的主要要求是：高增益，低噪声，高的输出光功率，低的
非线性失真，图 1.2.17示出了掺铒光纤放大器的实物图。
图 1.2.17 掺铒光纤放大器
1.3 光纤通信的基本问题
衰减和色散是因光纤特性而导致的光纤通信系统的基本问题，在传输光信号功率
较时，光纤的非线性效应影响则不能忽略。
1.3.1 衰减
这里的衰减指的是光信号功率在光纤传输过程中的损耗，它是由光纤特性决定的，
也称为光纤衰减。光纤衰减是光纤最重要的特性之一，它在很大程度上决定了在
无需信号放大和再生的条件下，光发射机和光接收机之间所允许的最大距离。由
于光放大器、光中继器的制造、安装及维护费用较高，光纤衰减成为整个系统成
本的决定性因素之一。
1,衰减的表示
我们把光纤衰减的特性用衰减系数，光信号在光纤中传播时，其功率 P随着传输
距离的增加按指数形式衰减
（ 1.3.1）
设起始处（ z=0）的信号光功率为 P(0)，则在光纤中经过距离 z的传播后，其值为
(1.3.2)
衰减系数
（ 1.3.3）
单位为 km-1
通常，工程用 dB/km作为光纤衰减的单位，有
（ 1.3.4）
以后如不加以说明，均以（ 1.3.4）式的单位 dB/km作为光纤衰减的单位。
PdzdP ???
zePzP ??? )0()(
)( )0(ln1 zPPz??
)( )0(lg10)/( zPPzkmdB ??
例 1.3.1 一根光纤长 20km，衰减为 0.5dB/km，一端注入功率为 600μW的光
信号，求其输出光功率。
解：在光通信系统中，经常用 dBm表示发射光功率，接收光功率，它是在
1mW为基准的光功率相对量的单位，用下式计算：
（ 1.3.5）
式中的 P0单位为毫瓦（ mW）。
显然 1mW为 0dBm,1μW为 -30dBm。
首先利用（ 1.3.5）式将输入光功率单位转换为 dBm，有
再由（ 1.3.4）式，可得到在 z=20km时的输出功率（用 dBm表示）
换回到以瓦表示的单位。因为,是以 mW为单位的量
dB mPP )lg (10 0?
)(2.2)106 0 0lg (10)0( 3 d B mP ???? ?
)(2.12
)(20)/(5.0)(2.2
)0()20(
d B m
kmkmd B md B m
zPP
??
????
?? ?
)20(10))(20( 'PdB mP ?
)(2.60)(10)20( 10 2.12' WmWP ??? ?
2,衰减的原因
光纤衰减的原因有散射损耗、吸收损耗和弯曲损耗等，下面分别介绍。
（ 1）散射损耗
散射损耗是由于光纤材料密度的微观变化、成分的起伏、结构上的不完善以及
制造过程中产生的缺陷造成的。光在不均匀的介质中传播将被散射，散射效应
破坏了在纤芯包层边界保持全反射的条件，部分光会穿出纤芯，造成功率损耗。
这种散射也称为瑞利散射。它与波长的四次方成反比，在为 1550nm时，瑞利
散射损耗为 0.154dB/km。
（ 2）吸收损耗
在光纤制造过程，光纤中的氧与氢相结合会形成 OH离子时，会对 1390nm和
940nm的光造成大量的吸收，见图 1.1.3，它基于我们在第一节中讨论的光的吸
收机理。为了降低光纤的吸收损耗，已经研制出全波长光纤，它可在
1200nm～ 1650nm范围内将损耗做得很低。 OH离子也可以是因为氢气进入光
纤内部形成的，在含有很多氢气的环境中使用光纤，或者光缆的金属部分在水
中因腐蚀产生氢气时，有可能出现光纤损耗大量增加的现象。
我们将 OH离子引起的衰减称为杂质吸收损耗。除此之外，还有光纤石英材料
（ SiO2）固有的吸收，称之为内部吸收。当波长大于 2μm时，石英材料会产生
谐振吸收光能，吸收带延伸到 1500nm～ 1700nm波段，形成了光纤工作波长的
上限。常用的石英光纤，内部吸收损耗在 1550nm时，约为 0.02dB/km，但当波
长为 1700nm时，损耗增至 0.32dB/km，所以将 1650nm看作为石英光纤工作波
长的上限。
(3)弯曲损耗
由于光纤的敷设中，不可避免地会遇到需要弯曲的场所，光线从光纤的
平直部分进入弯曲部位时，原来的束缚光线在弯曲部位的入射角减小，
使得光纤纤芯和包层界面上的全反射条件遇到破坏，光束的一部分就从
光纤的纤芯中逃离出去，造成到达目地的光功率比从光源发出的进入光
纤时的光功率小，这就是弯曲损耗，如图 1.3.1所示。
θC
包层
纤芯
弯曲损耗是光信息传输所受衰减的主要原因之一，它与光纤敷设的弯
曲半径有关，最小弯曲半径常作为光纤的一项参数给出。关于最小弯
曲半径的经验数据是，对于长期应用，弯曲半径应超出光纤包层直径
的 150倍；对短期应用，应超过包层直径的 100倍。如果包层直径为
125μm的话，这两个数值分别 19mm和 13mm。
弯曲损耗的另一种形式是微弯损耗，它是由光纤受到侧向应力而产生
微小形变而引起的，同样因不满足全反射条件而造成能量的漏泄。
利用光纤的弯曲损耗特性，可以在光纤链路上引入一些可控的衰减。
在需要对光进行可控衰减时，通过将光纤绕上几圈就可以实现，所绕
圈数和半径均可控制衰减量。
1.3.2 色散
从现象上看，色散导致光纤中的光信号在传输过程中产生失真并随着传
输距离的增加越来越严重。对数字传输而言，色散造成光脉冲的展宽，致
使前后脉冲相互重叠，引起数字信号的码间串扰，造成误码率增加；对模
拟传输而言，它会限制带宽，产生谐波失真，使得系统的信噪比下降。从
理论上分析，色散是由于光波中的不同频率分量以不同速度传输而产生不
同的时间延迟的一种物理效应。
光纤色散主要包括模式色散、波导色散和材料色散。对于多模光纤，
模式色散是主要的，材料色散较小，波导色散一般可以忽略；对于单模光
纤，只有一个光模式在光纤中传输，所以不存在模式色散，只有材料色散
和波导色散，而且材料色散是主要的，波导色散相对较小。下面对这几种
色散加以分析。
1,模式色散
在多模光纤中，纤芯的直径比较大，光源入射到纤芯中的光以一组独立
的光线传播，这组光线以不同的入射角传播，入射角的范围从零度（直
线）到临界传播角，如图 1.3.2，我们将这些不同传播角传输的光线称为
不同的模式。在多模光纤中可以传播数百个模式的光波，显然，以临界
传播角入射的光线经历的路程最长，所以它的轴向传播速度最慢；而与
光纤横截面垂直入射的光线传播速度最快。
图 1.3.2 不同入射角的光线代表不同的模式
纤芯
光
源
包层
对于入射的光脉冲（在数字信号中表示 1），它可以分解成各个模式所携带
一组脉冲，如图 1.3.3，由于它们各自在光纤中传输的时间不同，到光纤的输
出端，各个模式的光脉冲组合起来，就形成了一个脉宽增加的光脉冲。
图 1.3.3 脉冲因多个模式而起的展宽 ---模式色散
光源
0 纤芯
包层
123
0
1
2
3
T
T＋ Δt
我们将因多个不同模式的存在而引起脉冲展宽称为模式色散或模间色散。脉冲
展宽的计算如下：设光纤的长度为 L，最低模式（也称为零级模式）沿中心轴线
到达光纤输出端所需时间为
（ 1.3.6）
式中，为光在折射率为 n1的纤芯中传输的速度,c为真空中的光速传输，最高
模式（以临界角传播的光线）所需时间
（ 1.3.7）
式中,C为临界传播角,。脉冲展宽时间
（ 1.3.8）
习惯上记
（ 1.3.9）
为相对折射率，公式（ 1.3.8）可以表示为
（ 1.3.10）
很显然，如果光纤中传输的光只有零级模式，就可以消除模间色散；如果减小
纤芯直径的尺寸，就可以减少模式数量；另外由（ 1.3.10）式可知，减小相对
折射率，也可以有效地控制模间色散，这些就是单模光纤设计的基本思路。典
型的单模光纤的纤芯直径和相对折射率分别是 8.3μm和 0.37%，而渐变折射率
光纤这两者的数值分别是 50μm和 2%。
?
Lt ?
0
c
c
Lt
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1
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n
n
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)()1c o s 1(
2
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0 n
nn
c
LnLttt
C
c
???????
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2
21
1
2121
2
1
2
2
2
1
2 n
nn
n
nn
n
nn
n
nn ?????????
??? cLnt 1
例 1.3.2 一阶跃折射率光纤，已知 n1＝ 1.486,n2＝ 1.472，仅考虑模式色
散，计算每 1km长度的脉冲展宽。
解,利用（ 1.3.10）式，光纤长度单位和光速单位分别取 km和 km/s，
则有
即光脉冲传输 1公里后宽度扩展了 47.1ns。
)(1.47)(1071.4472.1 472.1486.1103 486.11 85
2
211 nss
n
nn
c
Lnt ????
?
??
?
? ?
?
????
?
???
?
? ??? ?
2,波导色散
引起波导色散的原因是：进入单模光纤中的光信号功率大约只有 80%
在纤芯中传播，另外 20%在包层传输，由于纤芯和包层有着不同的折
射率，所以这两部分的传输速度不同，在包层中传播的光功率速度要
更大一些，因而在光纤输出端，脉冲会展宽。
波导色散引起的单位长度脉冲展宽可由下式计算：
（ 1.3.11）
式中 是波导色散系数，单位为,它与光纤的设计参
数有关,为光源的线宽，即光源辐射光的波长范围,L为光纤长度。
??? ????? |)(| WDL t
)/( kmnmps ?)(?wD
??
3,材料色散
材料色散是由于纤芯材料的折射率随波长变化，使得各个模式的群速率（光
脉冲包络线速度）都会随着波长的变化而造成的。在单模光纤内，即使光经
过完全相同的路径，，也会发生脉冲的展宽，因为光源发出的光不是单一波
长的，而是存在一定的波长范围。
材料色散的单位长度脉冲展宽可表示为
（ 1.3.12）
波导色散和材料色散的总和称为色度色散，图 1.3.4为单模光纤的色散系数。
图 1.3.4 单模光纤中波导色散和材料色散与波长的关系
??? ????? |)(| mDLt
波长 (μm)
材料色散
波导色散
色度色散
色散
系数
ps/(km·nm)
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
-30
-20
-10
0
10
20
30
1.3.3 非线性效应
在常规光纤系统中，光纤一般呈现线性传输的特性，但当入射到光纤中的光
功率较大时，光纤对光的响应将呈现非线性，光纤的参数不再是恒定的，而是
依赖于光强的大小。
光纤中的非线性效应主要有自相位调制 SPM（ Self Phase Modulation），
受激喇曼散射 SRS(Stimulated Raman Scattering)，受激布里渊散射
SBS(Stimulated Brillouin Scattering)，交叉相位调制 XPM(Cross Phase
Modulation)和四波混频 FWM(Four Wave Mixing)。
1,自相位调制
自相位调制是指当输入光信号的光强变化时，光纤的折射率随之改变，从而
引起光波的相位产生变化，与光纤的色散相位结合后，将导致光波频谱展宽，
并随长度的增加而积累。 SPM对高速窄脉冲的传输影响较大。
2,交叉相位调制
交叉相位调制是指当两个或多个不同波长的光波在光纤中同时传输时，它们
将通过光纤的非线性而相互影响，导致某个波长光信号的相位受到其它波长光
信号功率的调制，引起信道间的串音。
3,四波混频
四波混频是指当多个具有较强功率的光波信号在光纤中混合传输时，将导致
产生新的波长成分，四波混频不仅导致信道的光能损耗，信噪比下降，而且还
会产生信道干扰，限制光纤通信系统的容量。
4,受激散射
受激喇曼散射是指当较强功率的光入射到光纤中时，会引起光纤材料中的分
子振动，对入射光产生散射作用，它可以造成波分复用系统中的短波长信道
产生过大的信号衰减，从而限制了系统的信道数目。
受激布里渊散射与受激喇曼散射相似，只不过强光入射到光纤中时引起的是
声子振动，散射光方向与光传输方向相反。当光强达到某一数值，将产生大
量后向传输的波，对光通信造成不良的影响。
光纤中的非线性效应，一方面可以引起传输信号的损耗、信道之间的串话、
信号频率的移动等不良后果，另一方面又可以被利用来开发出新型器件，如
激光器、放大器、调制器等，如四波混频效应可以实现波长变换，自相位调
制与光纤色散相互作用可以形成光孤子，使光孤子通信成为可能。
在光纤通信系统中，高输出功率的激光器和低损耗单模光纤的使用，使得光
纤中的非线性效应越来越显著，这是因为单模光纤中的光场主要束缚于很细
的纤芯内，场强非常大，低损耗又使得大的场强可以维持很长距离的缘故，
对非线性效应有足够的重视。
1.4 光纤通信系统的主要性能指标
1.4.1 比特率和带宽
比特率和带宽是衡量数字通信系统和模拟通信系统的主要指标。
1,比特率
比特率也称为信息速率，是信道上每秒钟内所传输的比特数，单位为比
特 /秒，写成 b/s或 bps，常用符号 B表示。在数字光纤通信系统中，数字
信号的,1”、,0”用光脉冲的“有”、“无”来表示，因为光纤存在着
色散效应，光脉冲沿着光纤传输会慢慢展宽，两个相邻的光脉冲传输一
定距离后会发生重叠，从而使接收端设备不能做出正确的判断，如图
1.4.1所示。
图 1.4.1 光纤色散效应形成的比特率限制
光纤
输入光脉冲 输出光脉冲
时间波形 光脉冲展宽
1 0 1 1 1 1
假设输入光脉冲是宽度为 T矩形，到达接收端的延迟和展宽分别是 τ和,
为了将相邻的两个脉冲分辨出来，要求它们的间距不小于 2，这就要求
输入光脉冲的间距也不小于 2,见图 1.4.2。于是得到最大比特率的
计算式为
（ 1.4.1）
图 1.4.2 比特率与脉冲展宽
(a) 输入光脉冲
T t
2Δτ
0
光强
(b) 输出光脉冲
tτ0
光强
2Δτ
Δτ
??? 2
1
m a xB
??
例 1.4.1 计算例 1.3.2中可传输光脉冲的最大比特率。
解：假设输入光脉冲的宽度 T与模式色散产生的展宽相比可以忽略不计，
则最大比特率
光纤色散是比特率受限的主要原因。为了解决这个问题，研制出了多种
类型的光纤和各种补偿色散的技术，如渐变折射率光纤，色散补偿光纤
等。
需要说明的是数字光纤通信系统的比特率除了受光纤限制外，还受到一
些关键器件的影响，如光源、光检测器和光放大器等，人们一直也在致
力于高速光电子器件的研制，以适应高速光通信的发展。
M bp sB 6.101071.42 12 1 8m a x ?????? ??
2,带宽
带宽是一个频率范围，在这个频率范围之内，信号可以不失真地进行传
输，它反映了模拟传输系统运载信息的能力。带宽分为电带宽和光带宽
两种表述，如图 1.4.3所示，它们分别用和表示。
图 1.4.3 模拟信号的带宽
1
电带宽 Δfel 频率 f (Hz)
光带宽 Δfopt
0.707
0.5
归一
化电
流或
功率
1.4.2 传输距离
这里讨论的传输距离指的是中继距离。光纤的衰减和色散是限制传输距离的
两大主要因素，而它们对传输距离影响程度与工作波长以及比特率有关，由
图 1.1.3可见，在短波窗口 850nm波段，光纤存在着较大的损耗，大约为
2dB/km，根据传输信息的比特率不同，中继距离一般在 10公里到 30公里之
间，在长波段窗口，尤其在 1550nm波长处，光纤存在最低损耗，中继距离
最大可达 200公里。
仅考虑光纤损耗，光信号沿光纤传输的最大距离 L可用（ 1.3.4）式计算，将
它改写为
（ 1.4.1）
式中 为光纤的损耗，单位为 dB/km,包括熔接和连接损耗,为光源最大
平均输出功率,为接收机探测器的最小平均接收光功率,两者单位均为
mW。
rec
out
f P
PL lg10???
f? outP
recP
图 1.4.4为只考虑光纤损耗的传输系统示意图。图中的接头是用熔接机将光纤
连接起来时形成的，因接头引起的损耗 LS对单模光纤来说可以做到小于 0.1dB。
连接器也是连接光纤的方式之一，它是用高精度结构的机械，使光纤纤芯紧密
接触，光纤纤芯接触得越紧，同心度越高，则连接损耗 LC越小。单模光纤使用
连接器相连时，连接损耗可以做到 0.5dB以下。
当光纤系统的信息传输速率较高时，色散对传输距离起到主要的限制作用，
图 1.4.5示出了各种类型光纤的传输距离与传输速率之间的关系，图中实线表示
损耗对传输距离和比特率的限制，虚线表示受色散限制。各种光纤的意义将在
第 2章中作进一步的介绍。
LC
连接器
光发射机
距离 L (km)
光接收机连接器接头 接头
Pout
Prec LC
LS
LS
dBm
图 1.4.4 光纤传输系统的损耗
500
200
④
②
①
比特率 B(Gb/s)
距离 (km)
30
① 1550nm色散位移光纤
② 1550nm单模光纤
③ 1310nm单模光纤
④ 850nm多模渐变光纤
⑤ 850nm多模阶跃光纤
③
⑤
0.01 1 10 100
图 1.4.5 光纤的传输速率与传输距离的关系
1.4.3 通信容量
光纤通信系统的通信容量用比特率－距离积 BL来表示,B为系统传输信息
的比特速率,L则是中继距离，单位是（ Mbit/s） ·km。通信容量也可以用带
宽－距离积来表示，单位是 MHz·km。通信容量与光纤的类型、工作波长、
以及使用的激光器类型等诸多因素有关。
对于工作于 850nm的阶跃折射率多模光纤，比特率－距离积被限制在 50
（ Mbit/s） ·km左右，因此除了短距离传输的低速率数据，一般都不采用阶跃
折射率多模光纤。工作于 1550nm的色散位移光纤系统的 BL积可达到 1600
（ Gbit/s） ·km。见图 1.4.5。
1.5 光纤通信技术的回顾和展望
1.5.1 回顾
利用光载波远距离传输信道的设想在 19世纪就被提了出来，但是因为光源和传
输介质这两个基本限制一直未得到发展。
1966年，英籍华裔科学家高锟（ Charles Kao）首次提出了光纤传输光信号的
理论，他研究了光在石英玻璃中严重损耗的问题，发现玻璃纤维的损耗不是固有
的，而是由于其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其它杂质造成的，其
次是拉制光纤时的工艺造成了纤芯、包层分界面的不均匀及其所引起的折射率不
均匀。通过降低材料中的杂质含量和改善工艺，可以使光纤成为实用的光传输介
质。随后在 1970年，康宁 (Corning)公司研制出衰减为 20dB/km的光纤。同年，
贝尔（ Bell）实验室研制成功室温下可以连续工作的铝镓砷（ AlGaAs）半导体激
光器，它体积小，功耗低，效率高，是光纤通信中的理想光源。这两项研究成果
的出现，使得光纤通信开始得到了迅速发展。
1977年在芝加哥相距 7公里的两个电信局之间进行了数字光纤通信系统传输试
验，使用的速率为 44.736Mb/s，采用的光纤工作波长为 850nm，衰减为
2.54dB/km，光源采用铝镓砷半导体激光器，光电探测器采用硅材料制作，它成
为第一代光纤通信的标志。第一代光纤通信的特征是采用 850nm的多模光纤，光
纤损耗为 2.5～ 3dB/km，传输速率为 50～ 100Mb/s，中继距离为 8～ 10公里。大
约在 1980年，进入了工作波长在 1310nm、使用多模光纤传输的第二代光纤通信
时代。该波段是石英光纤的第二个低损耗窗口，且有最低的色散，相应的光源长
波长铟镓砷磷（ InGaAsP） /铟磷（ InP）半导体激光器，光电探测器采用锗材料，
传输速率为 140Mb/s，中继距离为 20～ 50公里。
1983年实现了使用单模光纤在 1310nm波长传输的第三代光纤通信。单模光纤较
多模光纤色散低得多，损耗也更小，降至 0.3～ 0.5dB/km，中继距离为 50～ 100
公里，这一代光纤通信广泛地应用于长途干线和跨洋通信中，如日本，敷设了一
条从北海道到冲绳岛纵贯南北的光缆干线，全长 3400公里，采用 24芯单模光纤
光缆，传输速率为 400Mb/s。美国也从东西海岸各敷设了一条光缆干线，长度分
别为 600公里和 270公里，芯数为 144芯。后来在 1985年，又敷设了 2002公里的
南北干线，增设了总长为 5万公里的光缆，把美国的 22个州连接形成了长途光缆
干线网。国际上第一条海底光缆于 1986年在北海海底敷设，它连接了英格兰和比
利时。美国到欧洲的跨大西洋海底光缆在 1988年敷设，长度为 5600公里，到欧
洲后分成两个分支，一路经 500多公里到英国，另一路经 300多公里到法国，它
的语音信道为 80000路，为了补偿信号衰减，沿光缆每隔 50公里安装了一个转发
器。
80年代后期，进入了使用单模光纤在 1550nm波段上传输的第四代光纤通信阶
段。 1550nm是石英光纤的最低损耗窗口，为 0.2dB/km，传输速率达 2.5Gb/s，
中继距离为 80～ 120公里。在这个时期，掺铒光纤放大器的出现成为光纤通信
发展史上的重要里程碑。 1986年，英国南安普敦大学制作了最初的掺铒光纤
放大器。当作为掺铒光纤放大器的泵浦源,980nm和 1480nm的大功率半导体
激光器研制成功后，掺铒光纤放大器趋于成熟，进入了实用化阶段。掺铒光纤
放大器研制成功的意义不仅在于可进行全光中继，它还多方面推动了光纤通信
的发展。尤其是在波分复用 WDM（ Wavelength Division Multiplexing）光纤
通信系统中的应用，波分复用是将一根光纤分割成多个光信道，从而成为充分
利用光纤带宽，有效扩展通信容量的一种光纤通信方式，这项技术使光纤使光
纤通信进入了高速光纤通信阶段。
自 1995年以来，光纤通信的发展进入了第五代。其主要特征是采用了密集波
分复用 DWDM对光纤系统传输容量进行扩容。截至 2002年,商用 DWDM系统容
量已达 160× 10Gb/s(1.6Tb/s),实验室水平为 256× 42.7Gb/s(10.932Tb/s)。
1.5.2 趋势
目前,光纤通信的发展趋势可以从这几个方面来透视。
1,光纤传输容量的提高
随着社会的发展，信息的传输量需求大幅度提高，提高通信容量的主要途径是减
小信道间距,扩展带宽以及采用混合复用技术，信道间距是在带宽不变的条件下，
增加光信道数目从而提高 WDM系统的通信容量的一种方法。扩展带宽是针对传
统光纤传输系统主要工作在低损耗 C波段 (1530nm~1565nm)而言的。在此基础上，
已经开辟了长波段 L(1565nm~1625nm)与短波段 S(1460nm~1530nm)两个波段，
并且实现了三个波段信号的同时传输。而混合复用技术是由单一复用技术向多种
复用技术混合使用的方向发展，如双向传输的波分复用、偏振复用（ PDM）与波
分复用混合方式，波分复用与码分复用（ CDM）混合方式等。当单信道码率达
到 40Gb/s以上时，信号必须采用光时分复用。光时分复用利用了高速光开关将多
路光信号在时域里复用到一路上的技术，其基本原理是在发送端的同一载波波长
上,把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙，然后根据一定的时隙
分配原则，使不同的信源在每帧内按照指定的时隙向信道发送信号，接收端在同
步的条件下，分别在各个时隙中取回各自的信号。下表为 2001年 OFC会议论文
中出现的光纤通信系统传输实验。
2,宽带光放大器
随着光纤通信的带宽从 C波段到 L波段及 S波段的发展，要实现长距
离传输,对光放大器带宽提出了新的要求,宽带光放大器成为研究的
热点。前述的掺铒光纤放大器（硅化物）工作在 C波段，其平坦增
益带宽为 30nm，它对波分复用系统有较大的限制。而碲化物掺铒
光纤放大器的增益带宽高到 50nm(1560nm~1610nm)增益光谱覆盖
了 C和 L两个区域。而覆盖全光波段 (1270~1670nm)喇曼光纤放大
器的研究已经成熟，已有 10Gb/sh波分复用系统 (40个信道 )利用分
布喇曼放大方式传输 1600km和 10Gb/s波分复用 (105个信道 )利用分
布喇曼放大方式传输 8186km的实验报道。正在研制中的宽带放大
器还有掺铥光纤放大器，其工作波段为 1450~1480nm，增益漂移
的掺铥光纤放大器工作波段为 1480nm~1510nm。
3,密集波分复用系统中的光源复用和解复用器
按照通信间隔的差异,波分复用 WDM又可分为粗波分复用 CWDM(Coarse WDM,
信道间隔小于 20nm),密集波分复用 DWDM(Dense WDM，信道间隔小于或等于
1.6nm)，超密集波分复用 SDWDM(Super DWDM,信道间距小于或等于 25GHz)，
信道间隔可用频率表示,也可用长度表示，两者之间的关系是
（ 1.5.1）
介于 CWDM和 DWDM之间的波分复用，为前述的一般波分复用。在 DWDM和
SDWDM系统中，要求采用可调谐光源替代固定波长光源以降低通信系统的成本,
波分复用可调谐光源的基本要求是输出波长稳定,波段间隙小。目前研制的可调谐
激光器主要有以下几种方式,可调分布反馈激光器，分布布拉格反射激光器，垂直
腔表面发射激光器，外腔二极管激光器,可调锁模激光器,可调光纤激光器。可调
锁模激光器已经能输出 32个信道波长,波长从 1535.5nm到 1560.5nm,信道之间间
隔 100Ghz。
复用 /解复用器是组合和分离不同波长信号的装置，制作光复用 /解复用的技术很
多，其中阵列波长光栅 AWG (Arrayed Wavelength Grating)由于结构具有复用 /解
复用双向对称功能,信道数几乎不受限制而成为研究的热点，如现在已经能制作
400个信道,25GHz间距的 AWG，它可以覆盖整个Ｃ和 L波段。 AWG除了最基本
的复用 /解复用功能外,还便于与其它器件集成，如和集成电吸收调制器 /半导体光
放大器构成 32波长直接可调锁模激光器，与点阵式交叉滤波器集成构成 WDM滤
波器等,AWG器件具有尺寸小、易于集成、性能稳定和制作成本低等优点，它
正受到越来越多的关注。
2/)( ????? cf
4,偏振模色散补偿技术
偏振模色散是由于光纤不园度、光纤内部残留应力、环境温度变化
等因素导致的光纤内部产生双折射现象，引起在垂直光纤轴线的平面
内两个相互正交偏振的基模光场的传输速度不同，从而产生了脉冲展
宽。因为偏振模色散对系统的损害在码率较高时（大于 10Gb/s）较为
明显，所以，它成为高速光通信系统发展的主要障碍之一。目前抑制
和补偿偏振模色散的技术主要有：制作超低偏振模色散光纤；选择信
号码型（如归零码）以抑制偏振模色散，在 DWDM系统中，相邻信道
采用正交入射的方法抑制偏振模色散等。
本章小结
光纤通信系统就其基本组成而言有三部分：光发射机、光纤和光接收
机，读者应牢固建立它们地位和作用的概念。作为光传输媒质的光纤，
它们的衰减性能决定了它的工作波长以及光系统的作用距离，这个局限
可由光放大器大大缓解。光纤的色散则限制了传输数据的速率。输入到
光纤中光强的大小对光纤特性也有影响，这就是非线性效应。通信容量
作为光纤通信系统主要性能指标也是读者应掌握的基本内容。
