光纤通信技术

1、光纤通信技术 班级：应用物理1201班 学号： 120702127 姓名： 刘 佳 目录前言.1 1、 光纤通信的概念.22、  光纤通信的介绍.2 3、  光纤通信发展的历史.2 4、  光纤通信发展的现状.35、  光纤通信的优点.4 六、 光纤通信的发展趋势. 4  6.1 波分复用技术. .5  6.2 相干光通信.5 6.3 超大波长光纤通信.5 6.4 光集成技术.5 6.5 光弧子通信.5 七

2、、 光纤的介绍.5  7.1 光纤概念.5 7.2 光纤传输原理分析.6 7.3光纤的传输特性.6八、 光缆的介绍.7  8.1光缆历史.7 8.2 光缆的种类. 7九、 光端机的介绍. 7 9.1模拟光端机.8  9.2数字光端机.8 十、 光纤通信系统.9  10.1 名词解释.9 10.2基本光纤通信系统.9 10.3 数字光纤通信系统.9 10.4 基本构成.911、 光纤通信技术与产业发展中值得思考的问题.10 11

3、.1积极创新开发具有自主知识产权的新技术.10 11.2开发具有先进水平、与使用环境、施工技术相配套的新产品.10前言 人类社会的一切活动都离不开资讯的传递通信,它像人的神经系统一样重要。通信是人与人之间通过某种媒体进行的信息交流与传递。从广义上说，无论采用何种方法，使用何种媒质，只要将信息从一地传送到另一地，均可称为通信。  古代的通信方式有烽火台、击鼓、驿站快马接力、信鸽等。古代的通信对远距离来说，最快也要几天的时间，而现代通信以电信方式，如电报、电话、短信、E-MAIL等，实现了即时通信 。 在目前人类的一切通信方式中，电话通信是应用最广泛的一种。电话通信的目的是达成

4、人们在任意两地之间的通话。因此，必须要解决三个问题：第一是语音信号的发送和接收；第二是语音信号的传输；第三是语音信号的交换。第一个问题由使用者的终端设备电话机来解决。第二个问题由各种类型的电话传输设备从最简单的音频传输线到多路载波设备，数位微波，卫星通信线路设备等等来解决。第三个问题，则由各种类型的电话交换设备来解决。这三个部分只要有系统地结合起来，就能构成一个完整的电话通信系统。而电话交换设备，是整个电话通信网路中的枢纽，有着相当重要的作用。 20世纪90年代中期以前的光纤通信系统是以电时分复用为基础的单波长系统。在新一代超高速光纤通信系统中，最具代表性的成就是指在2000年，光波

5、分复用系统使用波分复用技术在一根光纤上实现了3.28Tb/s的传输速率。光波分复用的突出优点是可有效地利用单模光纤的损耗区所带来的巨大带宽资源，明显提高系统的传输容量，同时将相应增加的成本降到很低的程度。目前，“掺铒光纤放大器+密集波分复用+非零色散光纤+光子集成”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。此外，新型的光器件，新兴的技术和新型的系统也都层出不穷，并获得迅速发展。一、光纤通信的概念  所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。要使光波成为携带信息的载体，必须对之进行调制，在接收端再把信息从光波中检测出来。然而，由于目前技术水平所限，对光波进行

6、频率调制与相位调制等仍局限在实验室内，尚未达到实用化水平，因此目前大都采用强度调制与直接检波方式。又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重，所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。 数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。发送端的电端机把信息（如话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件(LED)，则LED就会发出携带信息的光波。即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”（不发光）。光波经光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出

7、来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的信息。就这样完成了一次通信的全过程。二、光纤通信的介绍  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。 光纤通信的原理是在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去。在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。三、光纤通信发展的历史  伴随社会的进步与发展，以及人们日益增长的物质与文化需求，

8、通信向大容量、长距离的方向发展已经是必然趋势。由于光波具有极高的频率，也就是说是具有极高的宽带从而可以容纳巨大的通信信息，所以用光波作为载体来进行通信是人们几百年来追求的目标。  1966年，英籍华裔学者高锟博士在PIEE杂志上发表了一篇十分著名的文章用于高频的光纤表面波导，该文从理论上分析和证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可靠性，并设计了通信用光纤的波导结。 1970年，美国康宁玻璃公司根据高锟文章的设想，用改进型化学汽相沉积法制造出当时世界上第一根超低损耗光纤，成为使光纤通信爆炸性竞相发展的导火索。虽然当时康宁玻璃公司制造出的光纤只有几米长，损耗约20dB/km，

9、而且几个小时之后便损坏了。但它证明了用当时的科学技术与工艺方法制造通信用的超低损耗光纤是完全有可能的。 1970年以后，世界各发达国家对光纤通信的研究倾注了大量的人力与物力，其来势之凶、规模之大、速度之快远远超出了人们的意料，使光纤通信技术取得了及其惊人的进展。 从光纤的损耗来看，1970年是20dB/km，1972年是4dB/km，1974年是1.1dB/km，1976年是0.5dB/km，1979年是0.2dB/km，1990年是0.14dB/km，已经接近石英光纤的理论损耗极限值0.1dB/km。 从光器件看，1970年，美国贝尔公司研制出世界上第一只在室温

10、下连续波工作的的砷化镓铝半导体激光器，为光纤通信找到了合适的光源器件。后来逐渐发展到性能更好、寿命达几万小时的异质结条形激光器和现在的分布反馈式单纵模激光器以及多量子阱激光器。光接收器件也从简单的硅PIN光二极管发展到量子效率达90%的雪崩光二极管。从光纤通信系统看，正是光纤制造技术和光电器件制造技术的飞速发展，以及大规模、超大规模集成电路技术和微处理机技术的发展，带动了光纤通信系统从小容量到大容量、从短距离到长距离、从低水平到高水平、从旧体制到新体制的迅猛发展。四、光纤通信发展的现状  1976年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信基础研究发展到了商业应用的新阶段。此后，光

11、纤通信技术不断创新，光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85um发展到1.31um和1.55um，传输速率从几十兆特每秒发展到几十吉比特每秒。另一方面，随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大，从初期的单一类型信息的传输到多种业务的传输。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒介，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。  总之，从1970年到现在虽然只有短短30多年的时间，但光纤通信技术却取得了极其惊人的进展。用带宽极其宽的光波作为传送信息的载体以实现通信，这一百年来人们梦寐以求的幻想终于成为现实。然而就目前的光纤通信而言，其实际应用的仅是其潜在能力的2

12、%左右，尚有巨大的潜力等待人们去开发和利用。 因此，光纤通信技术并未停滞不前，而是向高水平、更高阶段方向发展。 五、光纤通信的优点 光纤通信之所以受到人们的极大重视，这是因为和其它通信手段相比，具有无以伦比的优越性。 1.通信容量大 从理论上讲，一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输1000亿个话路。虽然目前远远未达到如此高的传输容量，但用一根光纤同时传输24万个话路的试验已经取得成功，它比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍以上。一根光纤的传输容量如此巨大，而一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光纤，如果再加上波分复用技术把一根光纤当作几根、几

13、十根光纤使用，其通信容量之大就更加惊人了。2.中继距离长 由于光纤具有极低的损耗系数（目前商用化石英光纤已达0.19dB/km以下），若配以适当的光发送与光接收设备，可使其中继距离达数百公里以上。这是传统的电缆（1.5km）、微波（50km）等根本无法与之相比拟的。因此光纤通信特别适用于长途一、二级干线通信。据报导，用一根光纤同时传输24万个话路、100公里无中继的试验已经取得成功。此外，已在进行的光孤子通信试验，已达到传输120万个话路、6000公里无中继的水平。因此，在不久的将来实现全球无中继的光纤通信是完全可能的。 3.保密性能好  光波在光纤中传输时只在其

14、芯区进行，基本上没有光“泄露”出去，因此其保密性能极好。 4.适应能力强  适应能力强是指，不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀，可挠性强（弯曲半径大于25厘米时其性能不受影响）等。 5.体积小、重量轻、便于施工维护  光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空。 6.原材料来源丰富，潜在价格低廉 制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅，即砂子，而砂子在大自然界中几乎是取之不尽、用之不竭的。因此其潜在价格是十分低廉的。六、光纤通信的发展趋势光纤通信从1970年真正起步，至今为止仅有30多年的时间，但光纤通信的技术无论是光纤

15、制造技术还是光电器件的制造技术，以及光纤通行系统的水平都取得了极其惊人的进展，它以成为现代通信最主要的传输手段。 光纤通信的潜力是巨大的，目前的光纤通信应用水平据分析仅仅是其能力的1%2%左右。光纤通信作为现代通信的主要支柱，在现代通信网中起着重要的作用。光纤通信具有以下几个发展趋势：6.1波分复用技术 所谓波分复用，就是用一根光纤同时传输几种不同波长的光波，以达到扩大通信容量的目的。在系统的发送端，由各个分系统分别发出不同波长的光波，并由合波器合成一束光波进入光纤进行传输，而在接收端将光波分离开，分别输入到各个系统的光接收机。6.2相干光通信  至今为止，已应用

16、的光纤通信都是采用强度调制与直接检波的工作方式，它只相当于原始的无线通信所使用的调制与解调技术。在此方式下，光波元器件的调制速率、光接收机的灵敏度受到局限而难以再提高，适用不了超大容量、超长距离通信的要求。 所谓相干光通信，就是在发射端由激光器发出谱线较窄，频率稳定、相位恒定的相干光，并用先进的调制方法对之进行调制。在接收端，把由光纤传输来的相干光载波与本振光源发出的相干光，经光耦合器后加到光混合器上进行混频与差额，然后把差额后的中频光信号进行放大、检波。6.3超大波长光纤通信  为了实现越来越大的信息容量和超长距离传输，必须使用低损耗和低色散的单模光纤。目前石英光纤的损耗

17、已接近理论极限值，再无多大潜力可挖。 6.4光集成技术 它和电子技术中的集成电路相类似，是把许多微型光学元件，如光源器件、光检测器，光透镜、光滤波器、光栅等集成在一块很小的芯片上，构成具有复杂性能的光器件；还可以和集成电路等电子元件集成在一起形成功能更复杂的光电部件，如光发送机与光接收机等。采用光集成技术，不仅使设备的体积、重量大大减少、而且提高了稳定性与可靠性。6.5光弧子通信  通信容量越大，要求光脉冲越窄。窄光脉冲经光纤传输后，因光纤的色散作用出现脉冲展宽一直是制约大容量、长距离传输的关键因素。 经研究发现，当注入光强密度足够大时，会引起光脉冲变窄

18、的奇特现象，其光脉冲宽度可抵达几个皮秒，即所谓光弧子脉冲。因此用弧子脉冲可以实现超大容量的光纤通信。七、光纤的介绍 7.1光纤概念  光纤，是由纤芯和包层两部分组成的。纤芯区域完成光信号的传输,包层则是将光封闭在纤芯内，并保护纤芯,增加光纤的机械强度。 目前，通信光纤的纤芯和包层的主体材料都是石英玻璃，但两区域中掺杂情况不同，因而折射率也不同。纤芯的折射率一般是1.4631.467，包层的折射率是1.451.46左右。也就是说，纤芯的折射率比包层的折射率稍微大一些。这就满足了全反射的一个条件。当纤芯内的光线入射到纤芯与包层的交界面时，只要其入射角大于临界角，就会在

19、纤芯内发生全反射，光就会全部由交界面偏向中心。当碰到对面交界面时，又全反射回来，光纤中的光就是这样在芯包交界面上，不断地来回全反射，传向远方，而不会漏射到包层中去。7.2光纤传输原理分析 为了保证光信号在光纤中能进行远距离传输，一定要使光信号在光纤中反复进行全反射，才能保证衰减最小，色散最小，到达远端。实现全反射的两个条件为:一定要使光纤纤芯的折射率n1大于光纤包层的折射率n2;射入光纤的光线向纤芯一包层界面入射时，入射角应大于临界角。7.3光纤的传输特性 1.损耗特性 由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号不管是模拟信号还是脉冲信号，其幅度都要减小。衰减是光纤的一

20、个重要的传输参数。它表明了光纤对光能的传输损耗、光纤每单位长度的损耗，直接关系到光纤通信系统传输距离的长短，对光纤质量的评定和对光纤通信系统的中继距离的确定都起着十分重要的作用。形成光纤损耗的原因很多，既有来自光纤本身的损耗，也有光纤与光源的藕合损耗以及光纤之间的连接损耗。 光纤本身损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗两类。 吸收损耗是光波通过光纤的材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。 散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射而产生的损耗。 2.色散特性 光纤色散是光纤通信的最重要的传输

21、特性之一。在光纤中由于不同成分的光信号有不同的传输速度。因而有不同的时间延时而产生的一种物理效应。 在光纤中，不同速率的信号传过同样的距离需要不同的时间，从而产生时延差，时延差越大，色散越严重，因此可用时延差表示色散的程度。由于光纤中色散的存在，将直接导致光信号在光纤传输过程中的畸变，会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，从而限制了通信容量和传输距离。因此制造优质的、色散小的光纤，对于通信系统容量和加大传输距离是非常重要的。从光纤色散产生的机理来看，它包括模式色散、材料色散和波导色散3种。八、光缆的介绍 光缆主要是由光导纤维（细如头发的玻璃丝）和塑料保护套

22、管及塑料外皮构成，光缆内没有金、银、铜铝等金属，一般无回收价值。光缆是一定数量的光纤按照一定方式组成缆心，外包有护套，有的还包覆外护层，用以实现光信号传输的一种通信线路。即由光纤(光传输载体)经过一定的工艺而形成的线缆。 8.1光缆历史 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，采用了西方电气公司制造的含有144根光纤的光缆。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。单模光纤制成的商用光缆于1983年开始在长途线路上采用。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，不久又建成了第一条横跨太平洋的

23、海底光缆。中国于1978年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。曾先后在上海、北京、武汉等地开展了现场试验。后不久便在市内电话网内作为局间中继线试用，1984年以后，逐渐用于长途线路，并开始采用单模光纤。通信光缆比铜线电缆具有更大的传输容量，中继段距离长、体积小，重量轻，无电磁干扰，自1976年以后已发展成长途干线、市内中继、近海及跨洋海底通信、以及局域网、专用网等的有线传输线路骨干，并开始向市内用户环路配线网的领域发展，为光纤到户、宽代综合业务数字网提供传输线路。8.2光缆的种类 光缆的种类很多，其分类的方法就更多，下面介绍一些习惯的分类： (1) 按敷

24、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：长途通讯用光缆、短途室外光缆、混合光缆和建筑物内用光缆。九、光端机的介绍 光传输系统由光发送机、传输介质、光接收机三部分组成。其中，光发送机与光接收机统称为光端机。光端机是光纤通信系统中的光纤传输中断设备，它们位于电端机和光纤传输线路之间。光端机就是将多个电信号变成光信号并传输的设备，它的作用主要就是实现电-光和光-电转换。光端机根据传输E1口数量的多少，价格也不同。一般最小的光端机可以传

25、输4个E1，目前最大的光端机可以传输4032个E1。由于光纤传输的种种优点，光端机应用的场合非常广泛。例如可以应用于企业内部部门之间长距离局域网络之间的数据通信、公共交换电话网中远端线路单元，商业网中提供专线的网络终端，校园网中的点对点链路和接入网中用于通常的信号传输等等。目前光端机应用最多的方面就是长距离视频和数据的传输。在高速公路、银行、电力、电信等的监控领域都要求对视频信号进行远程的传输，目前主要的解决方法是利用光端机将视频信号转化为数字信号通过光纤进行传输。此外光端机在远程视频会议、远程教学、远程医疗、通讯等诸多领域都有很广阔的用武之地，未来的光端机将向着数字化、网络化的方向发展。下图

26、是光端机的工作原理：电光转换调剂前置放大处理 电信号模拟发射机放大输出调剂光电转换电信号模拟接收机9.1模拟光端机   模拟光端机采用了PFM调制技术实时传输图像信号，是目前使用较多的一种。发射端将模拟视频信号先进行PFM调制后(一般有调频、调相、调幅几种方式，从而把模拟光端机分成调频、调相、调幅等几种光端机)，再进行电-光转换，光信号传到接收端后，进行光-电转换，然后进行PFM解调，恢复出视频信号。由于采用了PFM调制技术，其传输距离很容易就能达到30Km左右，有些产品的传输距离可以达到60Km，甚至上百公里。并且，图像信号经过传输后失真很小，具有很高的信噪比和很小的非线

27、性失真。通过使用波分复用技术，还可以在一根光纤上实现图像和数据信号的双向传输。9.2数字光端机 由于数字技术与传统的模拟技术相比在很多方面都具有明显的优势，所以正如数字技术在许多领域取代了模拟技术一样，光端机的数字化也是一种必然趋势。目前，数字图像光端机主要有两种技术方式：一种是MPEG II图像压缩数字光端机，另一种是非压缩数字图像光端机。数字光端机也有其固有的缺点。其致命的弱点就是不能保证图像传输的实时性。因为图像压缩与解压缩需要一定的时间，所以一般会对所传输的图像产生1-2s的延时。因此，这种设备只适合于用在对实时性要求不高的场所，在工程使用上受到一些限制。另外，经过压缩后图像

28、会产生一定的失真，并且这种光端机的价格也偏高。十、光纤通信系统10.1 名词解释  光纤通信技术和计算机技术是信息化的两大核心支柱，计算机负责把信息数字化，输入网络中去，光纤则是担负着信息传输的重任。当代社会和经济发展中，信息容量日益剧增，为提高信息的传输速度和容量，光纤通信被广泛的应用于信息化的发展，成为继微电子技术之后信息领域中的重要技术。 10.2基本光纤通信系统 最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包括所有的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号；光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于

29、在光纤上传输的光信号，先后用过的光波窗口有0.85、1.31和1.55。光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器等；而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。10.3数字光纤通信系统 大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字传输方式。在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲"0"码和"1"码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM，即脉冲编码调制。这种电的数字信号称为数字基带信号，由PCM电端机产生。10.4基本构成收 端发 端 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。2.光收信机  光收信机是实现光/电转换的光端机。它由