18光纤通信基础知识

光纤通信基础知识作者：吴宝林(FiberHandbookTechnologyData)广东中人网络发展有限公司目录一、光纤通信的概念二、光纤通信发展简史三、光纤通信的优缺点四、光纤通信的应用五、光纤通信系统的组成一、光纤通信的概念光通信是指以光作为信息载体而实现的通信方式。按传输介质的不同，可分为大气激光通信和光纤通信，大气激光通信是利用大气作为传输介质的激光通信。光纤通信是以光波作为信息载体，以光导纤维（光纤）作为传输介质的一种通信方式。光纤通信技术是30年来迅猛发展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革。光波是一种电磁波（电磁波分长波、中波、短波、超短波、微波、红外光、可见光、紫外光、X射线等），光纤通信所用的波长位于近红外光区，工作波长是800—1600nm,可见光的波长是350nm—750nm,目前电信网用的工作波长是1310nm和1550nm两种波长,也就是两种工作窗口。一、光纤通信的概念电磁波谱1cm1mm100um10um1um100nm10nm1nmλ波長10G100G1T10T100T10^1510^1610^17f(Hz)1.6um1.51.41.31.21.11.0um900800700600nm光通信使用范围红外线紫外线二、光通信发展简史2000多年前，中国古代开始用“烽火台”报警，这是一种目视光通信。1880年贝尔发明了一种利用光波作载波传输话音信息的“光电话”，他用可见光在数百米的距离上以无线方式进行了传输话音的“光电话”实验。然而受到当时技术条件的限制，这种形式的光通信一直未能发展到实用阶段。究其原因有二：一是没有可靠的、高强度的光源；二是没有稳定的、低损耗的传输介质。在此后的几十年间未能突破，直到1960年才有实质性发展。二、光通信发展简史1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望，和普通光相比，激光具有波谱宽度窄，方向性极好，亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性。二、光通信发展简史二、光通信发展简史1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了利用光纤(OpticalFiber)进行信息传输的可能性和技术途径。1970年，光纤研制取得了重大突破。美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗20dB/km的石英光纤。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。1973年，美国贝尔(Bell)实验室取得了更大成绩，光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。1976年，日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤损耗降低到0.47dB/km(波长1.2μm)。二、光纤通信发展简史1976年日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3μm的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器，1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55μm的连续振荡半导体激光器。由于光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。1976年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验，系统采用GaAlAs激光器作光源，多模光纤作传输介质，速率为44.7Mb/s，传输距离约10km。1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用，系统采用渐变型多模光纤，速率为44.7Mb/s。随后美国很快敷设了东西干线和南北干线，穿越22个州光缆总长达5×104km。二、光通信发展简史1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s，传输距离为64km的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线，全长3400km，初期传输速率为400Mb/s，后来扩容到1.6Gb/s。由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成，全长6400km；第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统于1989年建成，全长13200km。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。二、光通信发展简史光纤:多模单模，工作波长:0.85μm1.31μm和1.55μm，传输速率:几十Mb/s几十Gb/s。应用范围:市话局间中继长途干线用户接入网数字电话有线电视(CATV)单一类型信息的传输多种业务的传输。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。二、光通信发展简史三、光纤通信的优点1、频带宽，通信容量大。2、损耗低，中继距离长。3、抗电磁干扰。4、无串音干扰，保密性好。5、光纤线径细、重量轻、柔软。6、光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料。1、频带宽，通信容量大光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一对光纤能同时传输24192路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输30000多路电话。频带宽，对于传输各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则，无法满足未来宽带综合业务数字网(B-ISDN)发展的需要。2、损耗低，中继距离长目前实用石英光纤的损耗可低于0.2dB/km，比其它任何传输介质的损耗都低，若将来采用非石英系极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降至10-9dB/km。由于光纤的损耗低，所以能实现中继距离长，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200多千米，由非石英系极低损耗光纤组成的通信系统，其最大中继距离则可达数千甚至数万千米，这对于降低海底通信的成本、提高可靠性和稳定性具有特别的意义。3、抗电磁干扰光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。4、无串音干扰，保密性好光波在光缆中传输，很难从光纤中泄漏出来，即使在转弯处，弯曲半径很小时，漏出的光波也十分微弱，若在光纤或光缆的表面涂上一层消光剂效果更好，这样，即使光缆内光纤总数很多，也可实现无串音干扰，在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。5、光纤线径细、重量轻、柔软光纤的芯径很细，约为0.1mm，它只有单管同轴电缆的百分之一；光缆的直径也很小，8芯光缆的横截面直径约为10mm，而标准同轴电缆为47mm。利用光纤这一特点，使传输系统所占空间小，解决地下管道拥挤的问题，节约地下管道建设投资。此外，光纤的重量轻，光缆的重量比电缆轻得多，例如18管同轴电缆1m的重量为11kg，而同等容量的光缆1m重只有90g，这对于在飞机、宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信更具有重要意义。6、光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料光纤的材料主要是石英(二气化硅)，地球上有取之不尽用之不竭的原材料，而电缆的主要材料是铜，世界上铜的储藏量并不多，用光纤取代电缆，则可节约大量的金属材料，具有合理使用地球资源的重大意义。光纤除具有以上突出的优点外，还具有耐腐蚀力强、抗核幅射、能源消耗小等优点，其缺点是质地脆、机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小等。这些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤通信的实用。近年来，光纤通信发展很快，它已深刻地改变了电信网的面貌，成为现代信息社会最坚实的基础，并向我们展现了无限美好的未来。三、光纤通信的缺点光纤弯曲半径不宜过小；光纤的切断和连接操作相对复杂；分路、耦合相对麻烦。四、光纤通信的应用光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤通信的各种应用可概括如下：①通信网，包括全球通信网(如横跨大西洋和太平洋的海底光缆和跨越欧亚大陆的洲际光缆干线)、各国的公共电信网(如我国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线)、各种专用通信网(如电力、铁道、国防等部门通信、指挥、调度、监控的光缆系统)、特殊通信手段(如石油、化工、煤矿等部门易燃易爆环境下使用的光缆，以及飞机、军舰、潜艇、导弹和宇宙飞船内部的光缆系统)。四、光纤通信的应用②因特网的计算机局域网和广域网，如光纤以太网、路由器之间的光纤高速传输链路。③有线电视网的干线和分配网；工业电视系统，如工厂、银行、商场、交通和公安部门的监控；自动控制系统的数据传输。④综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源接入网，可实现电话、数据、视频(会议电视、可视电话等)及多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样的社区服务。光纤通信系统的组成光纤通信系统的基本构成信号光发射机光源中继器检测器光接收机信号电E/光O转换光纤光O/电E转换发送单元传输单元接收单元连接器件上图中的结构主要由3部分组成：光发射机、光纤光缆和光接收机。由于光纤只能传光信号不能传电信号，因此，这种通信系统在发送端必须先把电信号变成光信号，在接收端再把光信号变为电信号，即电/光和光/电变换。其电/光和光/电变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。也就是说在发送端对电信号直接调制成光信号进行发射，在接收端直接对光进行检波再转换成电信号。光纤通信系统的组成1.光发射机（光端机）光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光发射机由光源、驱动器和调制器组成，光源是光发射机的核心。目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(或称激光器)(LD)，以及谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈(DFB)激光器。有些场合也使用固体激光器，例如大功率的掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。光发射机把电信号转换为光信号的过程(简称为电/光或E/O转换)，是通过电信号对光的调制实现的。目前采用直接调制方式，用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。1.光发射机（光端机）光端机的图例-DC48V+2M：出4出3出2出1音频接口光发光收2M：入4入3入2入1数据接口...GD/MF8HS-IIIC后面板图GD/MF8HS-IIIC上盖板图电源失步2M中断环回呼叫截铃收无光误码对告光端机的正面图片1.光发射机（光端机）光端机的背面图片1.光发射机（光端机）2.光纤线路光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。实际工程中使用的是容纳许多根光纤的光缆。对光纤的基本要求:损耗和色散小，机械特性和环境特性好.例如，在不可避免的应力作用下和环境温度改变时，保持传输特性稳定。目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤，单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。单模光纤配合半导体激光器，适合大容量长距离光纤传输系统，而小容量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更加合适。常用连接器类型SCLCMT-RJDSCVF-45Opti-Jack常用连接器类型FCTypeSCTypeSC2TypeFDDType常用连接器类型BICONICTypeD4TypeSMA905TypeSMA906TypeMINIBNCType3.光接收机光接收机的功能——把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成。光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。目前广泛使用的光检测器有两种类型：在半导体PN结中加入本征层的PIN光电二极管(PIN-PD)和雪崩光电二极管(APD)。光接收机把光信号转换为电信号的过程(常简称为光/电或O/E转换)，是通过光检测器的检测实现的。目前是采用直接检测——用检测器直接把光信号转换为电信号。这种检测方式设备简单、