光纤通信基本知识.docx

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光纤通信基本知识

光纤通信基本知识

一

如今乃至将来的通信发展史将是光通信技术的发展史和光纤光缆的发展史。

卫星通信不可能普及，而现有电通信则远远落后于人们的要求，只有光纤通信因其具有的损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点,备受业内人士青睐,发展非常迅速。

目前,光纤光缆已经进入了有线通信的各个领域,包括邮电通信、广播通信、电力通信、石油通信和军用通信等领域。

光纤通信的发展依赖于光纤通信技术的进步。

近年来,光纤通信技术得到了长足的发展,新技术不断涌现,这大幅提高了通信能力,并使光纤通信的应用范围不断扩大。

了解一下我国光纤光缆发展的现状

普通光纤

　　普通单模光纤是最常用的一种光纤。

随着光通信系统的发展,光中继距离和单一波长信道容量增大,G.652.A光纤的性能还有可能进一步优化,表现在1550rim区的低衰减系数没有得到充分的利用和光纤的最低衰减系数和零色散点不在同一区域。

符合ITUTG.654规定的截止波长位移单模光纤和符合G.653规定的色散位移单模光纤实现了这样的改进。

核心网光缆

　　我国已在干线（包括国家干线、省内干线和区内干线）上全面采用光缆,其中多模光纤已被淘汰,全部采用单模光纤,包括G.652光纤和G.655光纤。

G.653光纤虽然在我国曾经采用过,但今后不会再发展。

G.654光纤因其不能很大幅度地增加光纤系统容量,它在我国的陆地光缆中没有使用过。

干线光缆中采用分立的光纤,不采用光纤带。

干线光缆主要用于室外,在这些光缆中,曾经使用过的紧套层绞式和骨架式结构,目前已停止使用。

接入网光缆

　　接入网中的光缆距离短,分支多,分插频繁,为了增加网的容量,通常是增加光纤芯数。

特别是在市内管道中,由于管道内径有限,在增加光纤芯数的同时增加光缆的光纤集装密度、减小光缆直径和重量,是很重要的。

接入网使用G.652普通单模光纤和G.652.C低水峰单模光纤。

低水峰单模光纤适合于密集波分复用,目前在我国已有少量的使用。

室内光缆

　　室内光缆往往需要同时用于话音、数据和视频信号的传输。

并目还可能用于遥测与传感器。

国际电工委员会（IEC）在光缆分类中所指的室内光缆,笔者认为至少应包括局内光缆和综合布线用光缆两大部分。

局用光缆布放在中心局或其它电信机房内,布放紧密有序和位置相对固定。

综合布线光缆布放在客户端的室内,主要由用户使用,因此对其易损性应比局用光缆有更严格的考虑。

电力线路中的通信光缆

　　光纤是介电质,光缆也可作成全介质,完全无金属。

这样的全介质光缆将是电力系统最理想的通信线路。

用于电力线杆路敷设的全介质光缆有两种结构:

即全介质自承式（ADSS）结构和用于架空地在线的缠绕式结构。

ADSS光缆因其可以单独布放,适应范围广,在当前我国电力输电系统改造中得到了广泛的应用。

国内已能生产多种ADSS光缆满足市场需要。

但在产品结构和性能方面,例如大志数光缆结构、光缆蠕变和耐电弧性能等方面,还有待进一步完善。

ADSS光缆在国内的近期需求量较大,是目前的一种热门产品。

光纤通信优点详细介绍

1.通信容量大

一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输1000亿个话路。

虽然目前远远未达到如此高的传输容量，但用一根光纤同时传输24万个话路的试验已经取得成功，它比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍以上。

一根光纤的传输容量如此巨大，而一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光纤，如果再加上波分复用技术把一根光纤当作几根、几十根光纤使用，其通信容量之大就更加惊人了。

2.中继距离长

由于光纤具有极低的衰耗系数（目前商用化石英光纤已达0.19dB/km以下），若配以适当的光发送与光接收设备，可使其中继距离达数百公里以上。

这是传统的电缆（1.5km）、微波（50km）等根本无法与之相比拟的。

因此光纤通信特别适用于长途一、二级干线通信。

据报导，用一根光纤同时传输24万个话路、100公里无中继的试验已经取得成功。

此外，已在进行的光孤子通信试验，已达到传输120万个话路、6000公里无中继的水平。

因此，在不久的将来实现全球无中继的光纤通信是完全可能的。

3.保密性能好

光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光“泄露”出去，因此其保密性能极好。

4.适应能力强

适应能力强是指，不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀，可挠性强（弯曲半径大于25厘米时其性能不受影响）等。

5.体积小、重量轻、便于施工维护

光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空。

6.原材料来源丰富，潜在价格低廉

制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅，即砂子，而砂子在大自然界中几乎是取之不尽、用之不竭的。

因此其潜在价格是十分低廉的。

四代通信系统：

第一代光纤通信系统是在1973～1976年研制成功的45Mbit/s、0.85

多模光纤系统。

其光纤损耗在0.85

处为4dB/km，在1.06

处为2dB/km，LD（LaserDiode，激光二极管）寿命达到

小时。

此外组成系统的其他各个部分在性能上已基本满足要求。

1978年投入使用的第一代光纤通信系统的速率范围在50～100Mbit/s，中继距离为10km。

第二代光纤通信体统于1976～1982年研制成功，它可以传送中等码速的数字信号。

其工作波长为1.30

，损耗为0.5dB/km，色散的最小值近似为零。

目前正处在大规模实用化的是第三代光纤通信系统。

其工作波长为1.31

，使用LD可传输140～600Mbit/s的高码速信号，中继距离达30～50km。

第四代光纤通信系统目前还处在实验室研制阶段。

其主要思想是将同零色散波长移到1.55

，这样可以使光纤损耗更低，色散为零。

光纤通信技术的发展前景

光纤通信从1970年真正起步，迄今为止虽然仅有近四年的时间，但光纤通信的技术无论是光纤制造技术还是光电器件的制造技术，以及光纤通信系统的水平都取得了极其惊人的进展，它已经成为现代通信最主要的传输手段。

光纤的衰耗从刚开始的20dB/km,而现在已经低达0.14dB/km，它已经十分接近石英光纤的理论衰耗极限0.1dB/km,光纤的带宽也从刚开始的10MHZ·km发展到现在1000GHZ·km以上。

光源器件从刚开始的结构十分简单、发光功率只有几十微瓦、寿命仅几小时的GaAs激光器发展到现在的发光功率在1毫瓦以上、寿命达几十万小时的分布反馈式和多量子阱的单纵模激光器。

光纤通信系统的水平也在不断地提高，从一九七六年的45Mb/S发展到现在的10Gb/S。

一九八五年多模光纤通信商用化，一九九0年单模光纤通信又迅速商用化，而现在技术更加先进的SDH光纤通信已经席卷世界各地。

但是，光纤通信的潜力是巨大的，我们目前的光纤通信应用水平据分析仅仅是其能力的1～2％左右。

因此光纤通信技术并未停滞不前，而是向更高水平、更高层次的方向发展。

1.波分复用技术（WDM）

所谓波分复用，就是用一根光纤同时传输几种不同波长的光波以达到扩大通信容量的目的。

在系统的发送端，由各个分系统分别发出不同波长的光波如λ1、λ2、λ3、λ4，并由合波器合成一束光波进入光纤进行传输，而在接收端用分波器把几种光波分离开，分别输入到各个分系统的光接收机。

可以看出波分复用的关键技术是光波的合波器与分波器。

近几年已经出现几种形式的合波器与分波器，如半透镜与滤光片、自聚焦棒与滤光片以及平面光栅与偏振光栅等。

2.相干光通信

迄今为止我们所应用的光纤通信都是采用强度调制与直接检波的工作方式，它只相当于原始的无线通信所使用的调制与解调技术。

在此方式下，光源器件的调制速率、光接收机的灵敏度受到局限而难以再提高，适应不了超大容量、超长距离通信的要求。

所谓相干光通信，就是在发端由激光器发出谱线极窄、频率稳定、相位恒定的相干光，并用先进的调制方法如FSK、ASK和PSK对之进行调制。

在收端，把由光纤传输来的相干光载波与本振光源发出的相干光，经光耦合器后加到光混频器上进行混频与差频，然后把差频后的中频光信号进行放大、检波。

相干光通信技术一则可以增大光纤的传输容量，二则可以大大提高光接收机的灵敏度（可提高10～20dB）。

相干光通信的关键技术是光源器件、光波的匹配。

由发送端的光源和接收端的本振光源所发出的光，必须谱线十分狭窄（接近单频）、频率十分稳定、相位也非常恒定，否则无法进行混频与差频。

此外，本振光和从光纤传输来的光载波必须具有良好的匹配，这就要求光纤应该是偏振保持光纤。

3.超长波长光纤通信

石英光纤的衰耗目前已接近理论极限值，再无多大潜力可挖。

经研究发现，氟化物光纤在波长3.4微米处的衰耗理论极限，可低达10－3dB/km;而金属卤化物光纤的衰耗理论极限可低达10－2～10－5dB/km，若真的实现光纤衰耗小于10－3dB/km，中继距离可达三万多公里，那么实现全球无中继的光纤通信就会成为现实。

人们把波长大于2微米的通信称为超长波长光纤通信。

4.光集成技术

它和电子技术中的集成电路相类似，是把许多微型光学元件如光源器件、光检测器件、光透镜、光滤波器、光栅等集成在一块很小的芯片上，构成具有复杂性能的光器件；还可以和集成电路等电子元件集成在一起形成功能更复杂功能的光电部件如光发送机与光接收机等。

采用光集成技术，不仅使设备的体积、重量大大减少，而且提高了稳定性与可靠性。

5.光孤子通信

　　光孤子是一种特殊的ps数量级的超短光脉冲,由于它在光纤的反常色散区,群速度色散和非线性效应相互平衡,因而经过光纤长距离传输后,波形和速度都保持不变。

光孤子通信就是利用光孤子作为载体实现长距离无畸变的通信,在零误码的情况下信息传递可达万里之遥。

　　光孤子技术未来的前景是:

在传输速度方面采用超长距离的高速通信,时域和频域的超短脉冲控制技术以及超短脉冲的产生和应用技术使现行速率10~20Gbit/s提高到100Gbit/s以上;在增大传输距离方面采用复位时、整形、再生技术和减少ASE,光学滤波使传输距离提高到100000km以上;在高性能EDFA方面是获得低噪声高输出EDFA。

当然实际的光孤子通信仍然存在许多技术难题,但目前已取得的突破性进展使人们相信,光孤子通信在超长距离、高速、大容量的全光通信中,尤其在海底光通信系统中,有着光明的发展前景。

6全光网络

　　未来的高速通信网将是全光网。

全光网是光纤通信技术发展的最高阶段,也是理想阶段。

传统的光网络实现了节点间的全光化,但在网络结点处仍采用电器件,限制了目前通信网干线总容量的进一步提高,因此真正的全光网已成为一个非常重要的课题。

　　全光网络以光节点代替电节点,节点之间也是全光化,信息始终以光的形式进行传输与交换,交换机对用户信息的处理不再按比特进行,而是根据其波长来决定路由。

　　目前,全光网络的发展仍处于初期阶段,但它已显示出了良好的发展前景。

从发展趋势上看,形成一个真正的、以WDM技术与光交换技术为主的光网络层,建立纯粹的全光网络,消除电光瓶颈已成为未来光通信发展的必然趋势,更是未来信息网络的核心,也是通信技术发展的最高级别,更是理想级别。

　　光通信技术作为信息技术的重要支撑平台,在未来信息社会中将起到重要作用。

虽然经历了全球光通信的“冬天”但今后光通信市场仍然将呈现上升趋势。

从现代通信的发展趋势来看,光纤通信也将成为未来通信发展的主流。

人们期望的真正的全光网络的时代也会在不远的将来如愿到来。

二

基本光纤通信系统

最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。

其中数据源包括所有的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号；光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波窗口有0.85、1.31和1.55。

1.发送单元：

把电信号转换成光信号；

2.传输单元：

载送光信号的介质；

3.接收单元：

接收光信号并