第八章_光纤通信技术1

第 八 章 光纤通信技术,1970年美国康宁公司拉出第一根损耗为20dB/ km 的光纤, 同一年贝尔实验室研制成功室温下可以连续工作的半导体激光器, 这两方面技术的进步使得光纤通 信开始飞速发展。 到如今, 光纤通信已经发展到以采用光放大器增加中继距离和采用波分复用增加传输容量为特征的第四代系统。 单信道商用速率(采用电时分复用ETDM) 可以做到 10Gbit/ s, 实验室速率可高达40Gbit/ s, 几乎达到了电子器件的极限速率。,光纤通信技术不仅已经改变了电信面貌, 而且仍在以难以置信的速度继续着这种改变。 商业系统的带宽已经有了超过百倍的增长。 单个光纤信道潜在的运载信息能力据估计可以达到每秒50万亿比特, 但是, 从实用的观点来看, 商业链路的传输速率要小于100Gbit/ s, 这已经是其他传输介质不可能达到的惊人数值。 研究人员和工程师继续开发新的技术来使光纤的通信能力更接近其潜在的能力极限。,8. 1 光纤通信系统概述,8. 1. 1 光纤通信系统的基本结构 光 纤通信系统是以光 纤为传 输媒介, 光波为 载波的通信系统。 主要由光 发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成, 其基本结构原理如图8. 1 所示。,系统中还包含了一些互联和光信号处理部件, 如光纤连接器、隔离器、光开关等。 目前使用的光纤通信系统普遍 采用 的是数 字编码和强度调制 直接检测 ( IM-DD) 通信系统。 图8. 1 中电端机和光端机均包括发送和接收两部分, 两者合起来构成发送器和接收器。 其中发送光端机是将电信号变换成光信号, 接收光端机则是将光信号转换成电信号。,1. 发送器,发送器由发送光端机和电端机构成, 其核心是一个光源。 光源的主要功能就是将一个信息信号从电子格式转换为光格式。今天的光纤通信系统采用发光二极管或激光二极管作为光源。 两者都是小型的半导体设备, 可以有效地将电信号转换为光信号。,LD 输出的光功率较大, 谱线窄, 一般适 合长距离、大 容量的通 信系统, 但其寿命较短, 价格高; LED 光源发出的光功率较小, 光 谱线较宽, 调制速率较低, 输出线性好, 寿命长, 成本低, 适用于短距离和中小容量的系统。 它们需要与电源相连并且需要调制电路。,2. 光纤,光纤通信系统中的传输介质是光纤。光纤通信系统中发送器端的光信息信号就是通过光纤传送到接收器端的。实际上, 同任何其他通信链路一样, 光纤提供发送器和接收器间的连接。同时, 光纤对光信号进行传导, 就像铜线和同轴线传导电信号一样。它大概和人的头发的粗细相同, 为了保护非常脆弱的光纤, 使其不受恶劣的外部环境和机械的损害, 通常将光纤封装在特定的结构中。裸露的光纤包上保护膜后封装到其他几层中, 所有这些就构成了光纤光缆。,3. 接收器,接收器由接收光端机和电端机构成。接收光端机的主要部分包括光检测器、放大器、均衡器、判决器、自动增益控制电路和时钟电路。其中光检测器是接收光端机的核心, 光检测器的主要功能就是把光信息信号转换回电信号( 光电流) 。光纤通信系统中的光检测器主要有 PIN 二极管、雪崩光电二极管( APD) 。APD 比PIN 更灵敏, 而且对外部放大功能要求更低。A PD 的缺点是具有 相对较长的渡越时间以及由于雪崩放大造成的附加内部噪声。,4. 光中继器,光脉冲信号从光发射机输出, 经光纤传输一定的距离后, 由于光纤的损耗和色散的影响使其幅度受到衰减, 波形发生畸变, 从而限制了其长距离传输。为此, 需要加一个光中继器来放大衰减了的信号和重新恢复畸变了的信号, 使光脉冲得到再生。,光中继器分为光再生中继器和光直接放大器两种。光再生中继器是由光电转换的光接收机部分与完成电光转换的光发送机部分组成的。这种中继器在工作时需要进行光电和电光两次转换, 这不仅增加了信号的传送损伤, 而且设备也较为复杂。,8. 1. 2 光纤通信的主要特性,1. 光纤通信的优点 1) 光纤的容量大 光纤为传输媒介, 光波为载波的通信系统, 其载波 光波具有很高的频率( 约101 4Hz) , 因此光纤具有很大的通信容量。 目前商用系统单信道速率可达10Gbit/ s(相当于一对光纤上同时传送12万多路电话) , 多信道总容量可达1. 6Tbit/ s(相当于1920 多 万路电话),通 过计算, 光载波的潜在通信容量约为40000Gbit/ s, 相当于6 亿路电话。 现在使用的带宽大概只有光纤带宽的1% 。目前使用的1310nm 和1550nm 两窗口的带宽之和约85nm(20THz) , 如果消除OH- 吸收峰, 长波长窗口的可用带宽可以达到 210nm( 50THz) , 从1100nm 到 1700nm 的带宽更宽, 达600nm( 140THz) 。,2) 损耗低、中继距离长,实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤, 此类光纤在1. 55m 波长区的损耗可低到 0. 16dB/ km, 比已知的其他通信线路的损耗都低得多 由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其他介质构成的系统长得多。,采用非石英光纤, 并工作在超长波长( 2m) , 光纤的理论损耗系数可以下降 到 10- 3 10- 5 dB/ km, 此时光纤通信的中继距离可达数千公里甚至数万公里。 在任何情况下光纤通信系统均可以不设中继系统, 这对于降低海底通信的成本、提高可靠性及稳定性具有特别重要的意义。,3) 抗电磁干扰能力强,这是因为高压电线会辐射出比较强的电磁波,干扰电话线里和电缆里传送的电信号。 而光导纤维是石英玻璃丝, 是一种非导电的介质, 交变电磁波在其中不会产生感生电动势, 即不会产生与信号无关的噪声。 就是把它平行铺设到高压电线和电气铁路附近, 也不会受到电磁干扰。,4) 保密性能好,对通信系统的重要要求之一是保密性好。 电通信方式很容易被人窃听。 光纤中传送的光波被限制在光纤的纤芯和包层附近传送, 很少会跑到光纤之外。 即使在弯曲半径很小的位置, 泄漏光功率也是十分微弱的。 成缆以后光纤的外面包有金属做的防潮层和橡胶材料的护套, 泄漏到光缆外的光几乎没有。,5) 体积小、重量轻,目前常用的光纤的纤芯直径只有几个微米, 加上 包层以后, 光纤的直径是125m 。 这样的光纤, 500m长也不过0. 05kg。 为了保护光纤, 同时使它抗拉又抗弯, 在制作光 纤的时候, 还在它的表面加上 一层聚丙 烯或者尼龙套层, 加上这层套层以后, 它的直径也不超过2mm。 在实际通信线路中使用的不是单根的光纤, 而是把好多根光纤和抗拉的钢丝、塑料和填充材料等组合在一起, 外面再套上厚橡胶皮这就是通常所说的光缆。,6) 节省有色金属和原材料,光纤的主要成分是二氧化硅( SiO2 ) , 因此使用光纤可以节约大量的有色金属。我 们知道, 生产电缆需要大量的铜和铅。,2. 光纤通信的缺点,1) 抗拉强度低 2) 光纤连接困难 3) 光纤怕水 水进入光纤后, 会增加光纤的OH收损耗, 使信道总损耗增大; 水进入光缆后, 会造成光缆中的金属构件氧化, 使金属构件腐蚀, 导致光缆强度降低; 进入光缆中的水遇冷后, 水结冰体积增大有可能压坏光纤。光纤通信还存在分路、耦合不方便, 弯曲半径不能太小等缺点。,8. 2 光复用技术,尽管目前光纤通信单信道实用化系统的传 输速率发展到了10Gbit/ s, 线路的利用率有了很大提高, 但与光纤巨大的带宽潜力相比还微不足道。 电复用技术目前在实验室虽可以达到 40Gbit/ s 的水平, 但受电子迁移速率的限制, 进一 步提高速率已经十分困难。 要克服电复用的这一“瓶颈”, 进一步提高光纤频带的利用率, 只有采用光复用技术。,8. 2. 1 光复用技术的基本概念,复用技术是为了提高通信线路的利用率而采用的在同一传输线路上同时传输多路不同信号而互不干扰的技术。 在传统的电信技术中, 常用的复用技术有“频分复用”、“时分复用”、“副载波复用”、“码分复用”等。 频分多路复用和副载波复用常用于模拟通信, 如载波通信; 时分多路复用常用于数字通信, 如PCM 通信。,从另一个角度考虑, 一些复用技术( 如载波通信、PCM 通信) 是把一个“带宽”、“时隙”等固定地分配给各个要求通信的终端, 一旦分配确定, 不管这个终端是否进行通信, 都占用着这个频带或时隙, 直到这个终端拆线不用时为止。 这种复用方法叫作“静态复用”, 也称为“同步复用”。传统的模拟通信、数字通信一般均为“静态复用”。,另一种复用技术称为 “统计复用 ”。 它全称叫作 “统计时分多路复用 ” 或称“异步时分多路复用”。 它不是固定地对应于公共信道 中的某一个时隙, 而是“动态地”按需 分