光纤通信发展历程及原理简介

通信材料光纤,什么是通信？,通信就是将信息从一方准确安全地传递到另外一方，通信技术是实现信息准确、安全、高效的传递的保障。从有记载的人类文明以来，通信技术获得了长足的发展，并且发展速度越来越快。通信材料属于功能材料，是为实现信息探测、传输、存储、显示和处理等功能使用的材料。,人类通信技术的发展历程,通信技术的发展可分为如下四个阶段：第一阶段：借助器物和声音传递信息阶段。解放前我国云南景颇族就有把辣椒送给朋友表示自己遇到了很大的麻烦的器物信息传递模式。在文字发明之前人类通过手势、表情来传递信息，信息在视距范围。通过声音实现超视距传递信息，但距离依然受到声音传播距离的影响。这个阶段信息传递速度慢、不精确。这种通信模式在当时有十分成功的典范，如古代的“烽火”技术须臾间能把紧急军情传递到千里之外。因其简洁方便的特点，现代通信依然保留如旗语等简便快捷的近距离通信模式。,第二阶段：借助文字传递信息阶段。文字与印刷术发明后，信息可以通过书籍、书信、报纸、杂志等方式呈现。文字促进了邮政业的发展，中国早在商代就有驿传的通信方式，通过飞鸽、快马等方式传递书信、情报；现代逐步演变成邮政系统。这种通信模式信息保持时间更长久，传递信息更加准确，传递距离更加远，但传递速度慢、信息单一。,第三阶段：借助电子通信技术传递信息阶段。随着麦克斯韦发现电磁波、赫兹验证电磁理论催生电子技术，波波夫/马可尼发明电报，促进电报业的发展，邮政系统通过电报能够瞬间将文字传递到地球的任何一个地方。贝尔发明电话，实现万里之外的实时声音通信，进一步缩短了人类相互沟通和交流的距离，是人类通信发展史上的重大里程碑。,第四阶段：借助互联网与无线通信传递信息阶段。随着计算机技术与电子技术的飞速发展，信息共享和快速交换促进互联网的诞生，信息包括语音、图像、视频多种形式，每个人有机会在数据海洋中找到需要的资讯，进行信息的分享和交流。上世纪70年代，美国贝尔实验室推出蜂窝模拟移动通信系统开启了个人移动通信领域，移动通信进入高速发展时期，2G的GSM、CDMA通信技术、3G的CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA通信技术、4G的LTE技术，改变人们的生活方式、丰富者人们的生活。,什么是光纤通信？利用激光作为信息的载波信号，并通过光纤来传送信息的通信系统。,光纤能干些什么？,光纤的应用范围很广,光纤除了作通讯用途外,还可以用来制造内窥镜等医疗器材,光纤感应器或光纤装饰,交通,夜视感测器度量测量和控制工程显微镜学,显微镜学,机器视觉,照明,成像,健康,电荷耦合元件(CCD)汽车等.例如内视镜,它是一根柔软可弯曲且内含数条光纤的管子.当它滑入病人的嘴,鼻,消化道及其它心脏等由体外看不到的地方时,医生便能由内视镜看到内部变化,而减少进行冒险性手术的需要.,光纤发展历史,1970年，康宁公司率先研制出了世界上第一根衰减低于20dB/km的石英玻璃光纤这个20dB/km的数据，当时被认为是光纤可用于通信的阈值，也是由高锟博士计算确定的，而当时已有的玻璃光纤的衰减高达1000dB/km以上，因衰减太高,不能用于通信。此后不久，也是在1970年，第一个半导体激光器实现了室温工作。这样，光源和传输介质问题的解决有望，全世界因此而雀跃！从此拉开了光纤研制和光纤通信研究的序幕，开始了现代光纤通信的发展。,1976年，美国贝尔研究所在亚特兰大建成第一条光纤通信实验系统。1980年，由多模光纤制成的商用光缆开始在市内局间中继线和少数长途线路上采用。1988年，连接美国与英法之间的第一条横跨大西洋海底光缆敷设成功。1978年，中国自行研制出通信光缆，采用的是多模光纤，缆心结构为层绞式。1984年以后，逐渐用于长途线路，并开始采用单模光纤。,多模光纤的历史与发展,1971-1980年期间，是多模光纤的研究开发期。在此期间，国际上逐步淘汰了传统的双坩埚工艺，开发了MCVD、OVD、VAD、PCVD等四种化学汽相沉积预制棒新工艺；从多组分氧化物玻璃光纤转向石英玻璃光纤;研究了多模光纤传输理论与光纤设计，其中特别重要的是,开发了通过微分模时延（DMD）测量结果的分析来优化预制棒工艺提高多模光纤带宽的关键技术;进行了多模光纤通信系统现场试验。1980年的全球光纤年产量不足10万km，100%是多模光纤1981-1995年期间，是多模光纤实用化并不断增加新品种的发展期。1996-2002年期间，多模光纤研究与开发进入了最新一个活跃期。在此期间,LAN系统向Gb/s以上的超高速率发展。IEEE于1998年6月通过了千兆比特以太网标准;2002年6月刚刚通过了10Gb/s以太网标准。,光纤通讯发展的几个阶段,第一阶段(1966-1976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。第二阶段(1976-1986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。第三阶段(1986年至今)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。,光纤原理,光纤通信的优点,容许频带很宽，传输容量很大；理论上说一根头发丝粗细的光纤可以传输100亿话电路。目前一根光纤传输50万话电路（40Gb/s）试验成功。比电缆等高出几千几十万倍以上。损耗很小，中继距离很长且误码率很小；光纤的衰减系数极低（目前已达0.25db/km以下）。中继距离可达100km.重量轻，细、体积小;直径一般为几微米到几十微米。相比电缆轻90%95%（是电缆质量的1/201/10），直径不到电缆的1/5.抗电磁干扰性能好；泄漏小，保密性能好；节约金属材料,有利于资源合理使用。,光纤的结构,光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成。光纤中心部分(芯Core)同心圆状包裹层(包层Clad)涂覆层特点：ncorenclad光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。,光纤加上涂覆层并按一定的结构组成光缆,光纤特性,（一）光的性质波动性、粒子性反射、折射、全反射干涉、衍射、偏振光的吸收、色散、散射,光纤的种类,（1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤。（2）折射率分布：阶跃（SI）型光纤、近阶跃型光纤、渐变（GI）型光纤、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。（3）传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非偏振保持光纤）、多模光纤。,华裔科学家高锟,1922年出生于上海1957年在英国标准通信研究所从事科学研究工作1966年发表光频率介质纤维表面波导，因为这篇文章获2009年诺贝尔奖1974年至1986年,高银博士在国际电话电报公司美国总部任职,先后担任工程部主任、首席执行科学家、以至科学研究总裁1987年至1996年香港中文大学校长，同年当选中国科学院外籍院士,在光纤通讯技术方面获得专利31项出版专著四本，发表论文超过百余篇获得众多国际性大奖1976年美国硅酸盐学会Morey奖，1977年美国Franklin研究所StewartBallantine奖。1978美国IEEE授予morrisLiebmann纪念奖世界各国国家级学术单位院士、会士、著名大学博士等荣誉称号美国国家工程院院士，英国皇家工程科学院院士，瑞典皇家工程科学院外籍院士2009年诺贝尔物理学奖,国内光纤通信发展现状,1963年开始光通信的研究1974年研究光纤通信“六五”、“七五”、“八五”铺设“八纵八横”光纤线路总长约七万公里传输码率：从140Mb/s2.5Gb/s，10Gb/s，40Gb/s已开始研究。DFB（量子阱）激光器和EDFA（掺铒光纤放大器）研制成功，可供应用高速电子器件、波导器件尚有差距,光纤通信的原理,一、光纤的传输特性二、光纤通信系统的组成三、M2M系统安全措施,光纤的传输特性,1、损耗光在光纤中传输，随着传输距离的增加，光功率会越来越小，这种现象称为光纤的传输损耗。光纤的传输损耗是影响中继距离的重要因素。吸收损耗和散射损耗是光纤本身的主要损耗。另外，耦合损耗是光源与光纤之间的损耗、连接损耗是光纤之间损耗等，这些都是光纤传输损耗的因素。为了实现低损耗传输，光纤有三个低损耗窗口：0.85um，1.31um，1.55um。况且随着波长的增加，光纤的损耗会越来越小。,2、色散光脉冲信号经光纤传输，到达输出端会发生时间上的展宽，这种现象称为色散。（1）产生原因：光脉冲信号的不同频率成分不同模式，在光纤中传输时途径不同，速度不同，到达终点所用时间不同，即群时延差引入了色散。（2）导致问题：信号波形畸变，表现为脉冲展宽，产生码间干扰，增加误码率。限制带宽，影响通信容量和传输速率。（3）光纤的色散主要有模式色散、材料色散和波导色散。（4）模式色散：不同模式的光传输途径不同，速度不同所引起的色散。（5）材料色散：由于光纤材料本身的折射指数随波长而变化引起的色散。（6）波导色散：光纤的几何结构不完善引起的色散。,光纤通信系统的构成,光纤通信系统由光发射端机、光纤、光中继器和光接收端机组成，见下图所示。图1光纤通信系统的构成框图,1、光发射机光发射机是实现电/光转换的光端机。发端：首先由电发射机发出电信号，送给光发射机，光发射机完成电/光转换。光发射机的关键部件是光源，光源的主要功能是完成电/光的转换。目前光纤通信中常用的光源有：半导体激光二极管（LD）和半导体发光二级管（LED）。由光发射机发出光信号以后送入光纤或者光缆进行传输。,2、光中继器由于光纤存在损耗和色散，光信号经过一段距离传输后会发生衰减和失真，如果不及时进行修复，很可能无法继续向前传输。有可能信号衰减掉了，有可能严重变形，总之，必须马上进行修复。修复的办法就是：对衰减的信号进行放大，对失真的波形进行修复，把波形重新整形到发送端的状态。光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是光-电-光转换形式的中继器，另一种是在光信号上直接放大的光放大器。光-电-光转换形式的中继器：光中继器需要先把光信号变成电信号，对电信号再放大、再定时、再整形以后，通过这三个过程，得到接近于发射端的光信号的复制，从而起到延长传输距离，提高信号质量的效果。光放大器：光放大器能直接放大光信号，无需转换成电信号，对信号的格式和速率具有高度的透明性，使得整个光纤通信传输系统更加简单和灵活。光放大器主要有半导体光放大器和光纤放大器两大类。,3、光接收机光接收机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。收端：由光接收机把从光纤传过来的光信号转变为电信号。光接收机的核心部件是光检测器，光检测器的主要功能是完成光电转换。然后把电信号传给电接收机。,M2M系统安全措施,在M2M系统中，如果想要保证系统的安全稳定运行，就必须要全方位做好系统的安全防护措施，如果其中的任意一个环节出现漏洞，都会影响到整个系统的正常运行，下面提出了几点针对M2M系统所实施的安全措施.1.基于身份识别的密码系统因为M2M系统通常包含大量的物品，因此在对考虑到密钥更新以及硬件成本的情况下，对称式密钥系统并非较好的安全措施。在M2M系统中，因为所设计的物品过多，如果使用密钥进行管理就容易导致整个网络达到效能瓶颈，对整个M2M系统的运行效率产生较大影响。基于身份识别的密码系统实在1984年由Shamir所提出的一种概念。这个概念能够应邀到M2M系统中。在M2M系统中，该技术通过为每个物品附加一个独立的ID，在任意物品之间需要进行通信时，只需要知道对方的ID就可以透过公用密钥建立彼此之间的密钥，保证通信的安全。,2.成对监督机制通常情况下，传感器的程序都是通过刻录在rom里面进行执行的，因为内存只提供了读取的权限，攻击者不太可能对内存进行修改，因此，其要像对节点进行攻击，通常是对节点的rom进行修改，并让修改后的rom程序在传感器中执行，从而实现对整个系统的攻击。要想解决这一问题，最好的办法就是从节点的硬件入手，让攻击者无法对rom进行修改。在攻击者对rom进行修改的过程中，被修改的这一节点就会处于瘫痪的状态。通过在M2M系统中应用成对监督机制来实现对各个节点的监控，通过建立各个节点之间的相互监督机制，当某个节点在停止运行后，它所对应的监督节点就会做出响应，并向数据处理中心进行汇报，以此来实现对每一个节点运行状态的监控，从而实现对攻击者修改rom这一威胁的防护。,3.错误数据侦测过滤机制如果节点将错误的数据信息发送给数据处理中心，就容易导致系统作出错误的决策。因此，保证节点发送数据的准确性至关重要，数据服务中心在进行数据分析处理的过程中，需要对当前节点数据及附近的多个节点的数据进行评估，因为邻近的节点通常所采集的数据差异性较小，如果数据处理中心发现某个节点的数据与邻近节点数据的平均值产生较大差异，那么该数据将被系统所过滤，从而保证各县数据的准确性，为系统的决策提供准确的依据。除了上述措施之外，针对一些客观因素所导致的M2M系统安全问题，如供电故障、网络系统故障等问题，需要与电力、电信等多部门进行联合解决，从而保证M2M系统安全稳定的运行。图2错误数据侦测过滤机制,光纤通信及光纤传感技术,光导纤维,1.光导纤维的工作原理,光纤一般分为三层：中心高折射率玻璃芯，中间为低折射率硅玻璃包层，最外是加强用的涂覆层。光线在纤芯传送，当光纤射到纤芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，会全部反射回来，使光纤在纤芯内延其轴线方向，并束缚在其界面内传送。,2.多光纤束,光纤中光的传播主要是通过纤芯和包层的共同作用来实现的。只要入射光纤的入射角合适，那么这束光线就会在光纤内部不停地进行全反射而传向另一端。单条光纤只能传输光信号，不能传输图像。但是，如果将许多跟光纤组合成一捆，也就是光纤束，就能够将一定面积范围的图像，分割成很多单元，每根光纤传输一个单元，将图像从光纤束的一端传送到光纤束的另一端。,3.光纤通信技术,随着光纤技术的快速发展，光纤通信也得到了进一步的发展。现在，光纤通信主要是向高速率大容量方面发展，将光纤的优势在通信系统的应用中体现出来，而且光纤通信在现在的生活中已经被广泛的应用。受电子迁移速率的限制，进一步提高光纤频带的利用率，通常采用光复用技术。,（1）波分复技术,波分复用(WDM)是指在一根光纤上同时传输多波长光信号的一项技术.其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合(复用)起来,并耦合到光纤线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用),并作进一步处理,恢复出原信号后送入不同的终端。,典型的WDM系统的实现方案如图所示。主要由五部分组成:光发射模块、光放大模块、光接收模块、光监控信道和网络管理系统等.光发射模块由激光器(LD)、调制器(Mod)、复用器、前置放大器(FA)组成光放大模块LA为线路信号放大器光接收模块由后置放大器(PA)、滤波器、光接收器(OR)组成.,（2）相干光通信技术,相干光通信是通过采用相移键控(PSK)调制、正交幅度调制(QAM)、偏分复用(PDM)调制，正交频分复用(OFDM)等高级调制方式，提高频谱效率，从而提高系统的单信道传输速率和通信容量。,相干通信系统由光发射机，单模光纤和光接收机三部分组成。,4.光纤传感技术的基本原理,光纤传感就是利用外界待测信号对光纤中传输光波的特征参量进行调制，然后再对调制后的光波信号进行检测、解调获得外界变量的一种技术。当外界待测信号发生变化时，会使光纤中传输光波的物理特征参量，如强度、波长、相位和偏振态等发生改变，这个过程就是被测量对光波参量的调制。而解调是指光纤将经过调制后的光波传输到光电探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来再进行处理的过程。,5.光纤传感技术的发展趋势光纤传感器微型化,光纤传感器的微型化是指相对于传统的光纤传感器，需要进一步降低器件尺寸，尤其是传感头尺寸以适应特殊的应用环境。光纤作为光信号传输的载体，本身具有很强的抗干扰能力，能屏蔽外界环境因素的影响。当将光纤用于传感时，必须使在其中传输的光波与外界环境发生相互作用，对光波产生调制以感测环境参量的变化。为提高灵敏度，人们利用一些新型结构的光纤，如光子晶体光纤、微结构光纤等制作传感器。由于它们具有空气孔的结构，经过加工后可以制备出高灵敏度的压力、温度、折射率等光纤传感器。,（1）化学刻蚀微结构光纤传感器,普通的通信单模光纤是由熔融石英玻璃拉制而成，具有很好的耐酸碱特性，只能被氢氟酸（HF）所腐蚀。利用这一特性可对光纤进行湿法刻蚀来制备新型的光纤传感器。光纤布拉格光栅（FBG)通常用于温度和应变的测量，光在其中传播时被限制在纤芯内，所以它对环境折射率的变化不敏感，无法用于折射率传感。如果利用HF酸将FBG外的光纤包层腐蚀掉，使传输光波的消逝场延伸到环境中，与外界环境产生相互作用，便可以制备出对折射率敏感的FBG传感器。,(2)光子晶体光纤传感器,光子晶体光纤又被称为微结构光纤或多孔光纤，是一种沿轴向均匀排列着气孔的石英光纤。光子晶体光纤将微米级结构引入光纤剖面设计中，依靠微结构不同于一般均匀石英光纤的导光特性，使得它在光纤传感领域具有传统石英光纤不具备的优良特性。,飞秒激光微加工技术可以直接在光子晶体光纤侧面制作出微通道，将光纤中的空气孔与外界环境连通起来，从而使环境中的气体或液体进入到光纤微孔内进行传感。如图所示，是在两种光子晶体光纤上制备出的微通道。这种精确可控的微加工技术在基于光纤的微流控器件制备中将发挥重要作用。,（3）光纤熔锥干涉仪传感器,光纤熔锥是一种截面直径沿光纤轴向逐渐变小再恢复的无源结构，包括两端的渐变区和中间的锥腰区，通常采用火焰加热、激光聚焦、电弧放电等手段使光纤熔融后拉制而成。改变拉锥的速度、加热区长度及拉锥时的温度可得到不同形貌和性质的熔锥。,光纤熔锥本身就是一个模式耦合器件，可使光纤中不同模式之间的能量发生交换，由于模式之间的有效折射率是不同的，多个模式经过一定距离的传输，相互之间会产生相位差，一旦满足相位匹配条件，便能形成干涉。利用这一性质制成干涉传感仪。,现代网络通信技术飞速发展，互联网已经成为日常生活必不可少的东西。实现国际之间的信息传输需要一种特殊的信息通讯材料制成物海底电缆。海底电（光电复合）缆主要应用于海底或水底，除了本身要承担电和光的传输外，还必须具有防水、防腐、防蚀、抗拉、抗压等特性。无论是设计和制造，还是运输和施工，海底电（光电复合）缆的难度和复杂度均远高于其它电缆产品，因此海底电（光电复合）缆工程被世界各国公认为是一项难度较高、复杂度较大的工程。图为海底电缆的维护,如此重要的通讯材料制品如何降低高昂的维护成本，亦或是减少它损坏的几率，是世界各国尽心竭力研究的主题。目前用于海底的光纤比陆地光缆所用的光纤有更高的要求:损耗低、强度高、制造长度长,而且要求光缆25年寿命期间内光性能稳定、可靠。那么现在主要的光纤结构和运用材料是什么呢？其实海底光缆有很多种结构及材料，各自有各自的优点。海底光缆用光纤根据系统要求可选择C.652、G.653、G.654、G.65等类型,光纤强度一般应达2%。各种光纤材料特点如下:(1)G.652非色散位移单模光纤,一般用于13ornm区域,也可用于155Onm,根据链路长度和比特速率,在1550nm区域选用色散补偿光纤进行调节。有专门用于海底光缆通信系统的G.652类光纤。(2)G.653用于155Onm区域单信道传输,其1550nm区域损耗及色散均很小。(3)G.654又称纯硅芯光纤,其1550nm波长光纤衰减最低,特别适于大长度海底通信系统。(4)G.655用于1550nm区域多信道传输,目前在海底光缆通信系统中使用较多。,当前海底的结构一般由光纤单元、抗压管、护层、恺装层和处被层组成。光纤单元在结构上分紧套结构和松套结构。一直以来,海底光缆结构上都是紧套光缆和松套光缆并存。紧套结构主要采用的是弹性体埋人式,光纤的芯数一般不太多,多为数芯至十几芯;而松套结构主要有中心管式、层绞式和骨架式。中心管式光缆结构简单、制造容易,光缆受到拉、压、弯、冲击等机械外力时,因光纤处于零