光纤通信系统的组成与工作原理

学号： 院系：信 息 工 程 学 院 成绩： 西安翻译学院XIAN FANYI UNIVERSITY高职高专毕业设计题 目： 光纤通信系统的组成与工作原理 专 业： 通信技术 班 级： 姓 名： 田 静 指 导 教 师： 孙 豪 20 11 年 12月12西安翻译学院2012届高职高专毕业论文光纤通信系统的组成与工作原理田静（西安翻译学院信息工程学院 ）中文摘要：光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。本文主要从五个方面来论述了光纤通信系统。第一方面主要介绍了光纤通信系统的发展；第二方面主要介绍了光纤通信系统的组成；第三方面主要介绍了光纤通信系统的分类；第四方面主要介绍了光纤通信系统的工作原理；第五方面主要介绍了光纤通信系统的现状和发展趋势。在当今的社会和经济发展中，信息容量日益剧增，为提高信息的传输速度和容量，光纤通信已被广泛的应用于信息化的发展，将会成为继微电子技术之后信息领域中的重要技术。 关键词：光纤通信 发展 工作原理 重要技术Abstract：Optical fiber communication system is as light as carrier, using high purity glass is made into fine optical fiber as transmission medium, through photoelectric conversion, optical communication system. This article mainly from the five aspects of the optical fiber communication system. The first aspect mainly introduces the development of optical fiber communication system; second aspects mainly introduced the optical fiber communication system; third aspects mainly introduces the classification of optical fiber communication system; fourth aspects mainly introduces the working principle of optical fiber communication system; fifth aspects mainly introduced the optical fiber communication system present situation and development trend. In todays social and economic development, information capacity is increasing, in order to improve the information transmission rate and capacity, the optical fiber communication has been widely used in the development of information technology, will become afterwards microelectronics technology in the field of technical information.Keywords：Optical fiber communication Development Working principle Key technology 一、光纤通信系统的发展1977年，美国西屋电气公司在亚特兰大成功地进行了世界上第一个光纤通信的现场实验，系统采用GaAlAs（镓铝砷）半导体激光器作光源，多模光纤作传输介质，速率为44.736Mbit/s，传输110km，使光纤通信向实用化迈出了一步。光纤通信作为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中，起着举足轻重的作用。光纤即光导纤维的简称。光纤通信是以光为载频，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。光纤与以往的铜导线相比，具有损耗低，频带宽，无电磁感应等传输特点。因此，人们希望将光纤作为灵活性强，经济的优质传输介质，广泛地应用于数字传输方式和图像通信方式中，这种通信方式在今后非话业务的发展中是不可缺少的。由于光纤通信具有一系列优异的特点，因此，光纤通信技术近几年来发展速度之快，应用面之广是通信史上罕见的。可以说，这种新兴技术，是世界新技术革命的重要标志，又是未来信息社会中各种信息网的主要传输工具。光纤通信经过30多年的发展，其经历了五个阶段，其中有三代光纤通信系统由试验研究已进入了实用阶段。1第一代光纤通信系统1978年，第一代光纤通信系统，即0.85um多模光纤通信系统，正式投入商用，光源为半导体激光器（LD）或发光二极管（LED），工作波长=0.85m，该光纤通信系统称为短波通信系统。比特率为20Mb/s100Mb/s，最大中继距离为10Km，最大容量约为500（MB/S）Km。2第二代光纤通信系统20世纪80年代初，第二代早期多模光纤通信系统（1.3um）多模光纤通信系统问世。光源为半导体激光器，工作波长1.3m，该波段为石英系光纤第二代低损耗窗口，有较低的损耗和色散，信道均为均匀多模光纤。由于多模光纤的横向色散，故该早期多模光纤的比特限制在100Mb/S以下。随着光纤由多模光纤发展到单模光纤，单模光纤比多模光纤的色散系数更低，损耗更小，因此，采用单模光纤则可进一步提高中继距离。1981年，英国贝尔实验室演示了一个单模光纤通信系统，其传输距离为44Km，传输速率为2Gb/s，并且很快引入到商业系统。1987年第二代单模光纤通信系统（1.3m）引入到商业系统，速率为1.7 Gb/s，中继距离为50Km左右。3第三代光纤通信系统1990年，第三代光纤通信系统已能商业应用，光源为铟鐌砷磷半导体激光器，单模光纤工作波长为1.55um，称为长波系统。1979年其损耗达到0.2dB/Km，是石英光纤的第三个低损耗工作窗口，由于在1.55um处，光纤的色散较高，损耗较小，终于在1990年第三代光纤通信系统引入商业系统，其传输速率在2.42.5Gb/S，中继距离可达100Km左右。另外，最近几年，又将1.30um和1.55um合用，即单模光纤具有二个工作波长窗口，因此传输速率可达到10Gb/S,传输距离为100200Km左右。4第四代光纤通信系统此代通信系统又称相干光纤通信系统，它是利用激光的相干性，将无线通信中采用的“外差”或“容差”接收和先进的调幅键控制，相移键控制，频移键控制等应用到光纤通信系统中，相干光纤系统已在实验室中得到成功，可用于长途骨干和综合业务的数字网，日本已在1990年实现了2223Km的中继距离。5第五代光纤通信系统该代通信系统又称光弧子通信系统，它是利用光纤的非线性进行超大容量，超常距离的通信方式。光弧子（Soliton），又称光弧粒子，它是一种特殊的波，在经过长距离传输后，仍保持波形不失真，而且，即使两侧光弧子波相互碰撞后，依然保持各自原来的形状不变。弧子的概念，首先在流体力学中提到，早在1834年，英国一个科学家拉塞耳，发现一艘船在狭窄的苏格兰运河中快速行进，当突然停止时，船头发现了一股水柱滚滚向前，水柱形状不变，当它和其它幅度较低速度的波相遇时，这个波可以不失真地穿过。于是，它首先引进了弧子这个概念来描述这个现象。光弧子是一种非常窄，并具有很强地光脉冲。光弧子的存在是光纤速度色和自位调制平衡的结果，它的产生是由于在单模光纤中，当光的强度增加到一定程度时，将出现非线性效应。光弧子脉冲很窄，达0.2ps，因此，可实现大容量长距离的通信，先后由美国、英国、日本等国家试验，到1995年试验可以达到8100Km(20Gb/S)，40Gb/S可达5000Km。二、光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成如下图所示： 图1 光纤通信体统的组成框图它主要由电端机、光端机、光纤、中继器等组成。通信是双方向的，现在仅以一个方向为例，说明其工作的主要过程。一个方向包括6个部分，即电发送侧、光发送侧、光纤、中继器、光接收侧、电接收侧。电发送侧和电接收侧属于电端机（多路调制解调设备），同理，光发送侧和光接收侧属于光端机。此外还有一些附属设备，如光纤配线架等。1光发信机：光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成，其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输，电端机就是常规的电子通信设备。2光收信机：光收信机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成，其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。3光纤或光缆：光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。4中继器：中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。5电发送侧：其主要任务是将电信号进行放大、复用、成帧等处理，然后输送到光发送侧。6电接收侧：其主要任务是对电信号进行解复用、放大等处理。7光纤连接器、耦合器等无源器件：由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1Km)。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。目前实用的光纤通信系统都采用直接检波系统。直接检波系统就是在发送端直接把信号调制到光波上，而在接收端用光电检波管直接把被调治的光波检波为原信号的系统。电端机就是一般电信号设备，例如载波机或电视图象发送与接受设备等。光端机则是把电信号转变为光信号（发送光端机），或把光信号转变为电信号（接收光端机）的设备。发送光端机的作用是将发送的电信号进行处理，加在半导体激光器上，使电信号调制光波，然后将此已调制光波送入光导纤维，已调制光波经光导纤维传送至接收光端机的半导体光电管上检波。检波后得到的电信号经过适当处理再送接受电端机，然后按一般电信号处理。这就是整个光纤通信的过程。三、光纤通信系统的分类光纤通信系统通常分为五大类，即按波长分类、按光纤的模式分类、按光纤的传输型号分类、按传输速率分类、按应用范围分类等。1按波长分类短波长光纤通信系统，工作波长在0.80.9m范围，典型值为0.85m，这种系统的中继间距离较短，目前使用较少。长波长光纤通信系统，工作波长在1.01.6m范围，通常采用1.3m1.5m两种波长。这类系统的中继距离较长，尤其是采用1.5m零色散位移的单模光纤时，140Mbit/s系统的中继距离可达到100Km。超长波长光纤通信系统，采用非石英光纤，例如卤化物光纤，工作波长大于2m时，衰减为10-210-5dB/Km，可实现1000Km无中继传输。2按光纤的模式分类单模光纤通信系统，采用石英单模光纤作为传输线，传输容量大，距离长，目前建设的光纤通信系统都是这一类型的。多模光纤通信系统，采用石英多模梯度光纤作为传输线路，因传输频率受限制，一般应用于140Mbit/s以下的系统。3按光纤的传输型号分类 光纤模拟通信系统，它是用模拟信号直接对光源进行强度调制的系统。光纤数字系统，它是用PCM数字电信号直接对光源进行强度调制的系统，其通信距离长，传输质量高，是被广泛采用的系统。4按传输速率分类 低速光纤通信系统，一般传输信号速率为2Mbit/S或8Mbit/S。高速光纤通信系统，它的传输信号速率为34Mbit/S、140Mbit/S以上的系统。有时把速率等于140Mbit/S和高于140Mbit/S的系统才称为高速通信系统。如1.5G/S，2.5G/S等。5按应用范围分类 公用光纤通信系统，电信部门应用的光纤通信系统称为公用光纤通信系统，它包括光纤市话中继通信系统，光纤长途通信系统，光纤用户环路通信系统等。专用光纤通信系统，指电信部门以外的各部门应用的光纤通信系统，例如电力、铁路、交通、石油、广播、银行、军事等应用的部门，统称为专用光纤通信系统。四、光纤通信系统的工作原理光纤是由单根玻璃光纤、紧靠纤芯的包层、一次涂履层以及套塑保护层组成。纤芯和包层由两种光学性能不同的介质构成，内部的介质对光的折射率比环绕它的介质的折射率高，因此当光从折射率高的一侧射入折射率低的一侧时，只要入射角度大于一个临界值，就会发生反射现象，能量将不受损失。这时包在外围的覆盖层就象不透明的物质一样，防止了光线在穿插过程中从表面逸出。由发光二极管LED或注入型激光二极管 ILD发出光信号沿光纤传播，在另一端则有PIN 或 APD光电二极管作为检波器接收信号。为确保信号的有效传输，在光发送端之前需增加光放大器，以提高入纤的光功率，在接收端的光电检测器之后将微信号进行放大，以提高接收能力。 1光纤类型 根据光在光纤中的传播方式可将光纤划分为两种类型：即多模光纤和单模光纤。多模光纤又根据其包层的折射率进一步分为突变型折射率光纤和渐变型折射率光纤。多模光纤主要用于短距离、低速率的通信，用于干线传输网建设的光纤主要有三种，即G.652 常规单模光纤、 G.653色散位移单模光纤和G.655 非零色散位移光纤。而其中的G.653光纤除了在日本等国家的干线网上有应用之外，在我国的干线网上几乎没有应用。G.655光纤中的新型光纤最多，如低色散斜率光纤、大有效面积光纤、无水峰光纤等。G.652单模光纤：在C波段1530 1565 nm 和L波段15651625nm的色散较大，系统速率达到 2.5 Gbit/s 以上时，需要进行色散补偿，在10 Gbit/s时系统色散补偿成本较大，它是目前传输网中敷设最为普遍的一种光纤。G.653 色散位移光纤：在C波段和 L波段的色散很小，在1550nm是零色散，系统速率可达到20 Gbit/s和40 Gbit/s，是单波长超长距离传输的最佳光纤。但是，由于其零色散的特性，在采用 DWDM 扩容时会出现非线性效应，产生四波混频（ FWM ），导致信号串扰，因此不太适用于 DWDM 。G.655 非零色散位移光纤：在C波段和L波段的色散较小，避开了零色散区，既抑制了四波混频，也可以开通高速系统。新型的G.655光纤可以使有效面积扩大到一般光纤的1.5 2倍，大有效面积可以降低功率密度，减少光纤的非线性效应。2光纤的优点 (1)传输频带宽、通信容量大。 (2)光纤传输损耗低、中继距离长。 (3)光纤传输的信号不受电磁的干扰、保密性强、使用安全。 (4)光纤具有抗高温和耐腐蚀的性能，因而可以抵御恶劣的工作环境。 (5)光纤的体积小、重量轻，便于敷设。 (6)制作光纤的原材料丰富，石英光纤的主要成分是二氧化硅（SiO2） 。 3光缆的制造：光缆的制造过程一般分以下几个过程： (1)光纤的筛选：选择传输特性优良和张力合格的光纤。 (2)光纤的染色：应用标准的全色谱来标识，要求高温不退色不迁移。 (3)二次挤塑：选用高弹性、低膨胀系数的塑料挤塑成一定尺寸的松套管，将光纤纳入并填入防潮防水的凝胶。 (4)光缆绞合：将数根挤塑好松套管的光纤与加强单元绞合在一起。 (5)挤光缆外护套：在绞合的光缆外加一层护套。 4光缆的种类 (1)按敷设方式分有：自承重架空光缆、管道光缆、铠装地埋光缆和海底光缆。 (2)按光缆结构分有：束管式光缆、层绞式光缆、紧抱式光缆、带式光缆、非金属光缆和可分支光缆。 (3)按用途分有：长途通信光缆、短途室外光缆、混合光缆和建筑物内用光缆。 5光纤产生损耗的原因 造成光纤损耗的主要因素有：本征、弯曲、挤压、杂质、不均匀和对接等。(1)本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。(2)弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成损耗。 (3)挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。 (4)杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。(5)不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。(6)对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴( 单模光纤同轴度要求小于 0.8m)、端面与轴心不垂直、端面不平、对接心径不匹配和熔接质量差等。6光纤损耗的分类： 光纤损耗大致可分为光纤具有的固有损耗以及光纤制成后由使用条件造成的附加损耗。固有损耗包括散射损耗、吸收损耗和因光纤结构不完善引起的损耗；附加损耗则包括微弯损耗、弯曲损耗和接续损耗。 附加损耗是在光纤的铺设过程中人为造成的。在实际应用中，不可避免地要产生光纤连接损耗，光纤微小弯曲、挤压、拉伸受力也会引起损耗，究其主要原因是在这些条件下，光纤纤芯中的传输模式发生了变化，因此，附加 损耗是可以尽量避免的。在固有损耗中，散射损耗和吸收损耗是由光纤材料本身的特性决定的，在不同的工作波长下引起的固有损耗也不同。材料的吸收损耗是由于制造光纤材料中的粒子吸收光能以后，产生 振动、发热，而将能量散失掉而产生的；散射损耗是由于光纤材料分子的“瑞利散射”而引起的光损耗，鉴于目前的光纤制造工艺水平，可以说瑞利散射损耗是无法避免的。 7光纤接续衰减的产生影响光纤接续损耗的因素较多，大体可分为光纤本征因素和非本征因素两类。光纤本征因素是指光纤自身因素，主要有：光纤模场直径不一致、两根光纤芯径失配、纤芯截面不圆、纤芯与包层同心度不佳等，其中光纤模场直径不一致影响最大。影响光纤接续损耗的非本征因素即接续技术。(1)轴心错位：当错位 1.2m 时，接续损耗达 0.5dB 。 (2)轴心倾斜：当光纤断面倾斜1 时，约产生0.6dB 的接续损耗，如果要求接续 损耗 0.1dB ，则单模光纤的倾角应为 0.3 。 (3)端面分离：活动连接器的连接不好或熔接机放电电压较低时，很容易产生端面分离，造成连接损耗较大。 (4)端面质量：光纤端面的平整度差时也会产生损耗，甚至气泡。 接续点附近光纤物理变形：光缆在架设过程中的拉伸变形，接续盒中夹固光缆压力太 大等，都会对接续损耗有影响，甚至熔接几次都不能改善。(5)其他因素的影响：接续人员操作水平、操作步骤、盘纤工艺水平、熔接机中电极清洁 程度、熔接参数设置、工作环境清洁程度等均会影响到熔接损耗的值。8降低光纤接续损耗的措施 一条线路上尽量采用同一批次的优质裸纤，对于同一批次的光纤，其模场直径基本相同，光纤在某点断开后，两端间的模场直径可视为一致，因而在此断开点熔接可使模场直径对光纤熔接损耗的影响降到最低程度。光缆架设按要求进行。在光缆敷设施工中，严禁光缆打小圈及折、扭曲，牵引力不超 过光缆允许的80 ，瞬间最大牵引力不超过 100 ，牵引力应加在光缆的加强件上，避免光纤芯受损伤导致的接续损耗增大。接续光缆应在整洁的环境中进行，严禁在多尘及潮湿的环境中露天操作，光缆接续部位及工具、材料应保持清洁，不得让光纤接头受潮，准备切割的光纤必须清洁、不得有污物，切割后光纤不得在空气中暴露时间过长。选用精度高的光纤端面切割器来制备光纤端面，切割的光纤应为平整的镜面，无毛刺，无缺损，光纤端面的轴线倾角应小于1度。熔接机要正确使用，要根据光纤类型正确合理地设置熔接参数、预放电电流、时间及主放电电流、主放电时间等，特别是在放置与使用环境差别较大的地方，应根据当时的气压、温度、湿度等环境情况，重新设置熔接机的放电电压及放电位置以及使 V 型槽驱动器复位等调整。 五、光纤通信体统的现状和发展趋势（一）光纤通信系统的现状1波分复用技术波分复用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。 2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。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。 （二）光纤通信系统的发展趋势 对光纤通信而言，超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标，而全光网络也是人们不懈追求的梦想。1光接入网通信技术。光接入网通信技术的更进一步发展现存技术上的接入网依旧是双绞线铜线的连接，仍然是原始的、落后的模拟系统，而网络中的光接入技术的应用使其成为了全数字化的，且高度集成的智能化网络。光接入网通信技术所要达到的主要目标有：最大程度的使维护费用得到降低，故障率得到明显下降；可以用于新设备的开发和新收入的不断增加；与本地网络相结合，达到减少节点数目和扩大覆盖面范围的目的；通过光网络的建立，为多媒体时代的到来做好准备；另外，可以最大化的利用光纤本身的一些优势特点。2光孤子。光孤子是一种特殊的 PS 数量级的超短光脉冲，由于它在光纤的反常色散区，群速度色散和非线性效应相互平衡，因而经过光纤长