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光纤通信技术 姓名: 但 仁 刚 班级：1001311 学号：38摘要：光纤通信是以光波作为信息载体, 以光纤作为传输媒介的一种通信方式，已成为现代通信的主要支柱之一。研究光纤通信系统的基本原理和发展现状及其应用。关键词：光纤通信 特点 传输特性 发展现状 未来趋势光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看，构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外，在应用中，光纤常按用途进行分类，可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种，而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤，并常以某种功能器件的形式出现。光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式。1966年英籍华人高锟博士发表了一篇划时代性的论文，他提出利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维，能作为通信媒质。从此，开创了光纤通信领域的研究工作。1977年美国在芝加哥相距7000米的两电话局之间，首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。0.85微米波段的多模光纤为第一代光纤通信系统。1981年又实现了两电话局间使用1.3微米多模光纤的通信系统，为第二代光纤通信系统。1984年实现了1.3微米单模光纤的通信系统，即第三代光纤通信系统。80年代中后期又实现了1.55微米单模光纤通信系统，即第四代光纤通信系统。用光波分复用提高速率，用光波放大增长传输距离的系统，为第五代光纤通信系统。新系统中，相干光纤通信系统，已达现场实验水平，将得到应用。光孤子通信系统可以获得极高的速率，20世纪末或21世纪初可能达到实用化。在该系统中加上光纤放大器有可能实现极高速率和极长距离的光纤通信。 光纤通信技术的特点 (1) 频带极宽，通信容量大。光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽，光纤通信系统的于光源的调制特性、调制方式和光纤的色散特性。对于单波长光纤通信系统，由于终端设备的电子瓶颈效应而不能发挥光纤带宽大的优势。通常采用各种复杂技术来增加传输的容量，特别是现在的密集波分复用技术极大地增加了光纤的传输容量。目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般在2.5Gbps到10Gbps。 (2) 损耗低，中继距离长。目前，商品石英光纤损耗可低于020dB/km，这样的传输损耗比其它任何传输介质的损耗都低；若将来采用非石英系统极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降的更低。这意味着通过光纤通信系统可以跨越更大的无中继距离；对于一个长途传输线路，由于中继站数目的减少，系统成本和复杂性可大大降低。 (3) 抗电磁干扰能力强。光纤原材料是由石英制成的绝缘体材料，不易被腐蚀，而且绝缘性好。与之相联系的一个重要特性是光波导对电磁干扰的免疫力，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，也不受人为释放的电磁干扰，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。这一点对于强电领域(如电力传输线路和电气化铁道)的通信系统特别有利。由于能免除电磁脉冲效应，光纤传输系还特别适合于军事应用。 (4)无串音干扰，保密性好。在电波传输的过程中，电磁波的泄漏会造成各传输通道的串扰，而容易被窃听，保密性差。光波在光纤中传输，因为光信号被完善地限制在光波导结构中，而任何泄漏的射线都被环绕光纤的不透明包皮所吸收，即使在转弯处，漏出的光波也十分微弱，即使光缆内光纤总数很多，相邻信道也不会出现串音干扰，同时在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。除以上特点之外，还有光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设；光纤的原材料资源丰富，成本低；温度稳定性好、寿命长。由于光纤通信具有以上的独特优点，其不仅可以应用在通信的主干线路中，还可以应用在电力通信控制系统中，进行工业监测、控制，而且在军事领域的用途也越来越为广泛。 光纤通信系统的组成 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。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。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 光纤的传输特性 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。 1.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。 2.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。 3.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。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。 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。 国内光纤通信的现状光纤通信的发展依赖于光纤通信技术的进步。目前,光纤通信技术已有了长足的发展,新技术也不断涌现,进而大幅度提高了通信能力,并不断扩大了光纤通信的应用范围。波分复用技术波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)技术可以充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源。根据每一信道光波的频率(或波长)不同,将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道,把光波作为信号的载波,在发送端采用波分复用器(合波器),将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端,再由一波分复用器(分波器)将这些不同波长承载不同信号的光载波分开。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立(不考虑光纤非线性时),从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。自从上个世纪末,波分复用技术出现以来,由于它能极大地提高光纤传输系统的传输容量,迅速得到了广泛的应用。1995年以来,为了解决超大容量、超高速率和超长中继距离传输问题,密集波分复用DWDM技术成为国际上的主要研究对象。DWDM光纤通信系统极大地增加了每对光纤的传输容量,经济有效地解决了通信网的瓶颈问题。据统计,截止到2002年,商用的DWDM系统传输容量已达400Gbit/s。以10Gbit/s为基础的DWDM系统已逐渐成为核心网的主流。DWDM系统除了波长数和传输容量不断增加外,光传输距离也从600km左右大幅度扩展到2000km以上。与此同时,随着波分复用技术从长途网向城域网扩展,粗波分复用CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing)技术应运而生。CWDM的信道间隔一般为20nm,通过降低对波长的窗口要求而实现全波长范围内(1260nm1620nm)的波分复用,并大大降低光器件的成本,可实现在0km80km内较高的性能价格比,因而受到运营商的欢迎。光纤接入技术光纤接入网是信息高速公路的“最后一公里”。实现信息传输的高速化,满足大众的需求,不仅要有宽带的主干传输网络,用户接入部分更是关键,光纤接入网是高速信息流进千家万户的关键技术。在光纤宽带接入中,由于光纤到达位置的不同,有FTTB、FTTC、FTTCAB和FTTH等不同的应用,统称FTTX。FTTH(光纤到户)是光纤宽带接入的最终方式,它提供全光的接入,因此,可以充分利用光纤的宽带特性,为用户提供所需要的不受限制的带宽,充分满足宽带接入的需求。我国从2003年起,在“863”项目的推动下,开始了FTTH的应用和推广工作。迄今已经在30多个城市建立了试验网和试商用网,包括居民用户、企业用户、网吧等多种应用类型,也包括运营商主导、驻地网运营商主导、企业主导、房地产开发商主导和政府主导等多种模式,发展势头良好。不少城市制订了FTTH的技术标准和建设标准,有的城市还制订了相应的优惠政策,这些都为FTTH在我国的发展创造了良好的条件。在FTTH应用中,主要采用两种技术,即点到点的P2P技术和点到多点的XPON技术,亦可称为光纤有源接入技术和光纤无源接入技术。P2P技术主要采用通常所说的MC(媒介转换器)实现用户和局端的直接连接,它可以为用户提供高带宽的接入。目前,国内的技术可以为用户提供FE或GE的带宽,对大中型企业用户来说,是比较理想的接入方式。光纤通信的发展趋势(1) 向超高速系统的发展。从过去20多年的电信发展史看，网络容量的需求和传输速率的提高一直是一对主要矛盾。传统光纤通信的发展始终按照电的时分复用(TDM)方式进行，每当传输速率提高4倍，传输每比特的成本大约下降3040：因而高比特率系统的经济效益大致按指数规律增长，这就是为什么光纤通信系统的传输速率在过去20多年来一直在持续增加的根本原因。目前商用系统已从45Mbps增加到10Gbps，其速率在20年时间里增加了2000倍，比同期微电子技术的集成度增加速度还快得多。 (二)向超大容量WDM系统的演进。采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽,然而光纤的200nm可用带宽资源仅仅利用了不到1%,99%的资源尚待发掘。如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在一极光纤上传送,则可大大增加光纤的信息传输容量,这就是波分复用(WDM)的基本思路。采用波分复用系统的主要好处是:1)可以充分利用光纤的巨大带宽资源,使容量可以迅速扩大几倍至上百倍;2)在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器,从而大大降低了传输成本;3)与信号速率及电调制方式无关,是引入宽带新业务的方便手段;4)利用WDM网络实现网络交换和恢复可望实现未来透明的、具有高度生存性的光联网。鉴于上述应用的巨大好处及近几年来技术上的重大突破和市场的驱动,波分复用系统发展十分迅速。预计不久实用化系统的容量即可达到1Tbps的水平。(3) 实现光联网。上述实用化的波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量，但基本上是以点到点通信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能的话，无疑将增加新一层的威力。根据这一基本思路，光的分插复用器(OADM)和光的交叉连接设备(OXC)均已在实验室研制成功，前者已投入商用。实现光联网的基本目的是：1实现超大容量光网络；2实现网络扩展性，允许网络的节点数和业务量的不断增长；3实现网络可重构性，达到灵活重组网络的目的；4实现网络的透明性，允许互连任何系统和不同制式的信号；5实现快速网络恢复，恢复时间可达100ms。鉴于光联网具有上述潜在的巨大优势，发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行预研。光联网已经成为继SDH电联网以后的又一新的光通信发展高潮。 (4) 新一代的光纤。近几年来随着IP业务量的爆炸式增长，电信网正开始向下一代可持续发展的方向发展，而构筑具有巨大传输容量的光纤基础设施是