光纤通信论文

浅谈光纤通信及光中继器 朱晓君 湖南大学物理与微电子科学学院 电子科学与技术 08 级 电科一班 20081120126 摘要 研究光纤通信系统的基本原理及发展现状 分析光纤系 统的传输特性 针对各种传输特性的解决方法 光中继器原理及其 未来发展趋势 关键词 光纤通信 基本原理 传输特性 解决方法 光中继 器 1966 年 7 月 英籍华人高锟博士在 PIEE 杂志上发表了一篇十 分著名的文章 用于光频的光纤包面波导 科学的预言了制造通 信用的超低耗光纤的可能性 即加强原材料提纯 加入适当的掺杂 剂 可把光纤的衰减系数从当时的 1000dB km 减低到 20dB km 以下 以实现通信 光纤通信发展很快 经历了五个阶段 得到巨大的发 展 现在世界上许多国家都将光纤通信系统技术引入了公用电信网 中继网和接入网中 光纤通信的应用越来越广泛 注 现在 人 们生活中的主流是电子产品 但或许 到了半个世纪 一个世纪以 后 光子产品将主宰未来的世界 在光纤通信系统中 作为载波的光波频率比电波频率高得多 而作为传输介质的光纤又比同轴电缆的损耗低得多 因此相对于电 缆和微波通讯 光纤通信具有许多独特的特点 频带宽 通信容量 大 损耗低 中继距离长 保密性能好 抗电磁干扰 体积小 质 量小 便于施工和维护 正是由于光纤所具有这些特点 而电子 通信中却远不及 所以光纤通讯取代电子通讯将更具可能性 更具 理论的说明性 光纤通信系统由电端机 光发送机 光纤光缆 光中继器与光 接收机 5 部分组成 如下图 电端机 电端机的作用是对来自源的 信号进行处理 如模 数变换 多路复用处理 是一般的电通信设 备 光发送机 光发送机的功能是把输入电信号转换成光信号 并 用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路 光纤光缆 光纤光 缆作为线路 其功能的把来自光发送机的光信号以尽可能小的失真 和衰减输到光接收机 其性能主要由缆内光纤的传输特性决定 此处的传输特性主要由损耗的色散 要求它们越小越好 同时还 要保持机械和环境的稳定性 以确保输出特性的稳定 光中继器 将经过长距离光纤衰减和畸变后的微弱光信号经放大 整形 再生 成一定强度的光信号 继续送向前方保证良好的通信质量 光接收 机 其功能是把从光纤线路输出 产生畸变和衰减的微弱光信号转 换成电信号 并经过放大和处理后恢复成发射前的电信号 注 可以简单的认为电端机将为用户产生电信号 光发送机将电信号转 化为光信号 光信号在光纤中传播 光中继器将光信号放大 光接 收机将光信号转化为电信号 光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性 色散特性和非线性 效应 损耗是指光信号通过光缆传播时 其功能随传播距离的增加而 减少的物理现象 光纤损耗主要有三种 吸收损耗 散射损耗 辐 射损耗 吸收损耗就是指组成光纤材料及其中的杂质对光的吸收作 用而产生的损耗 又分为本征吸收损耗和非本征吸收损耗 前者对 于石英引起的损耗 后者对应于杂质引起的损耗 散射损耗是指光 信号在光纤中遇到微小粒子或不均匀结构时发生的散射造成的损耗 辐射损耗是指当理想的圆柱形光纤受到某种外力作用下 会产生一 定曲率半径的弯曲 引起能量泄露到包层 这种能量泄露导致的损 耗 为了更好的实现光纤通信 就应当尽可能地减少损耗 有以下 几种方法 一 选择合适材料 如提高石英的纯度 降氢氧根离子 的浓度 二 选择正确的波长 对于石英分子 电子共振发生在紫 外线区 波长7 微 米 内 三 掺铒 拉曼光纤放大器 注 对于每一个特性 经过 人们的不屑努力都能找到其相对应的解决办法 但是有时有些方案 是利此消彼的 在选择时 应当权衡各种因素 才能找到最佳方案 用户信号 电端机 光发送机 光接收机 电端机 光中继 器 用户信号 光纤 电缆 光纤 电缆 色散是由于不同成分 模式或波长 的光信号在光纤中传输时 因其群速度不同 产生不同的时间延迟而引起的一种物理效应 分 为三种色散 模式色散 材料色散 波导色散 模式色散是指光在 多模光纤中传输是会存在着许多中传输模式 因为每种传输模式在 传输过程中都具有不同的轴向传播速度 因此虽然在输入端同时发 送光脉冲信号 但到接收端的时间却不同 于是产生了延时 使光 脉冲发生展宽与畸变 材料色散是由于构成纤芯的材料对不同波长 的光波所呈现的不同折射率而造成的 波长短则折射率大 波长长 则折射率小 波导色散是指因为光纤的波导材料对不同波长的光产 生的色散所用 解决方案有 采用色散补偿光纤 线性啁啾光纤光 栅 中距光谱反转技术 光孤子通信 色散支持传输 欲啁啾技术 等 色散补偿光纤法是指在标准单模光纤中插入一段或几段预期色 散率相同或相反的色散补偿光纤 传输一定距离后色散达到一定的 均衡 其特性主要有波导色散决定 注 色散补偿光纤是目前使 用最普遍最实用化的一种在线补偿方案 其技术也日趋成熟 它具 有带宽补偿能力 且稳定性较好 该方案目前应用的比较广泛 非线性效应是指随着光功率的增加 单模光纤的损耗又很低 并将广场限制在横截面很小的区域 高光强在光纤中能保持很长的 距离 注 单模光纤中的非线性效应较为显著 在很多方面得到 应用 尤其是光纤通信技术发展到今天 作为主要传输媒介的单模 光纤的非线性效应问题 越来越成为影响系统的关键因素 光纤的 非线性主要分为两类 受激散射和折射功率扰动 受激散射是指广 泛把部分能量转移给非线性介质 在低光功率下 纤芯的折射率可 以认为是常数 但在高光功率下 三阶非线性效应使得光纤折射率 成为光强函数 称为折射率扰动 克服非线性的方法是四波混频 及一个或多个光子湮灭 同时产生几个频率不同的新光子 注 非线性在一般情况下是有害的 但是其对于做放大器克服损耗特性 这一方面是有益的 正如 一枚硬币也有两面 在光纤通信系统中 除了光发送机 光纤线路和光接收机这三 种基本组成单元外 还有中间设备 即光中继器 在光纤通信线路 上 光纤的吸收和色散导致光信号衰减 光纤的色散将使光纤脉冲 信号畸变 导致信息质量降低 误码率增高 限制了通信距离 为 了满足长距离通信的需要 必须在光纤传输线路上每隔一定距离加 入一个中继器 以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形 然后 继续向终端传送 光中继器通常由光接收机 定时判决电路和光发 送机三部分及远供电源接收 遥控 遥测等辅助设备组成 光中继器的功能是补偿光的衰减 对失真的脉冲信号进行整 形 当光信号在光纤中传输一定距离后 光能衰减 从而使信息 传输质量下降 为了克服这一特点 在大容量 远距离光纤通信 系统中 每隔一段距离设置一个中继器 保证光纤高质量远距离 传输 这种系统也叫光纤中继通信 注 光中继器就相当于一辆 飞机由于飞行路途过于遥远 所以再其起点 与终点之间需要 一 个中转站 在中转站中可以增加燃料 能量等 也就是光中继器 中的放大作用 数字光纤通信中继器由光检测器与前置放大器 主放大器 判决再生电路 光源与驱动电路等组成 其基本功能是再放大 re amplifying 再整形 re shaping 和再定时 re timing 具有这三种功能的中继器称为 3R 中继器 而仅具有前两种功能 的中继器称为 2R 中继器 经再生后的输出脉冲 完全消除了附加 的噪声和畸变 即使在由多个中继站 组成的系统中 噪声和畸变也不会积累 这就是数字通信 作长距离通信时最突出的优点 由于光放大器已趋于成熟 它可 O E O 中继器 EDFA 2R or 3R 1R 3R 再生向 1R 再生的转变 作为 1R re amplifying 中继器 仅仅放大 代替 3R 或 2R 中继 器 构成全光光纤通信系统 或与 3R 中继器构成混合中继方式 可大大简化系统的结构 是发展方向 注 随着科学技术不断 发展 未来的发展方向将是集成度更高 功能更多 低耗能 信 号更加稳定 正如上个世纪的电子时代对这个世界的 产生的重大 影响一样 我们期待着推动 21 世纪的高新科技发展以及给人们 生活带更大便捷的光学时代的到来 下面为两种最新中继器产品 一 电信级单多模光纤模式中 继 转换 器 多模 2km 转单模 40km 100M 155Mbps FB D11MS 系列电信级百兆单多模光纤转换器 应用于 100M 155Mbps 快速以太网中单多模光纤混合布线网络场合 可完成 1310nm 波长 单模与多模间相互转换 亦可完成 850nm 1310nm 和 1550nm 波长 间的相互转换 实现信号中继 使多模光纤连到更远的距离 支持 双纤多模 双纤单模和单纤单模 二 huawei WS320 是一款无线 信号中继放大设备 它的出现可以帮助网友解决无线信号不好 衰 减问题 扩大 Wifi 信号覆盖范围 使用 WS320 对于解决无线信号 不好 无线信号衰减等问题是一个有效的方案 WS320 从无线接入 点 AP 无线路由器 或用户无线客户端设备 例如 WIFI 手机 PSP 笔记本电脑 上接收无线信号 即 802 11 帧 在不改变无线 数据包内容的情况下对数据包进行转发 从而扩展无线网络的覆盖 范围 使用 WS320 可以