光纤通信基础知识

1、光纤通信基础知识,作 者：吴宝林,(Fiber Handbook Technology Data),广东中人网络发展有限公司,目录,一、光纤通信的概念 二、光纤通信发展简史 三、光纤通信的优缺点 四、光纤通信的应用 五、光纤通信系统的组成,一、光纤通信的概念,光通信是指以光作为信息载体而实现的通信方式。按传输介质的不同，可分为大气激光通信和光纤通信，大气激光通信是利用大气作为传输介质的激光通信。光纤通信是以光波作为信息载体，以光导纤维（光纤）作为传输介质的一种通信方式。光纤通信技术是30年来迅猛发展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革。,光波是一种电磁波

2、（电磁波分长波、中波、短波、超短波、微波、红外光、可见光、紫外光、X射线等），光纤通信所用的波长位于近红外光区，工作波长是8001600nm,可见光的波长是350nm750nm,目前电信网用的工作波长是1310nm和1550nm两种波长,也就是两种工作窗口。,一、光纤通信的概念,电磁波谱,二、光通信发展简史,2000多年前，中国古代开始用“烽火台”报警，这是一种目视光通信。,1880年 贝尔发明了一种利用光波作载波传输话音信息的“光电话”，他用可见光在数百米的距离上以无线方式进行了传输话音的“光电话”实验。然而受到当时技术条件的限制，这种形式的光通信一直未能发展到实用阶段。究其原因有二：一是没

3、有可靠的、高强度的光源；二是没有稳定的、低损耗的传输介质。在此后的几十年间未能突破，直到1960年才有实质性发展。,二、光通信发展简史,1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器， 给光通信带来了新的希望，和普通光相比，激光具有波谱宽度窄，方向性极好， 亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性。,二、光通信发展简史,二、光通信发展简史,1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径。 1970 年，光纤研制取得了重大突破。 美国康宁(Corning)公司就研制成功损

4、耗20 dB/km的石英光纤。 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。 1973 年，美国贝尔(Bell)实验室取得了更大成绩，光纤损耗降低到2.5dB/km。 1974 年降低到1.1dB/km。 1976 年，日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。,二、光纤通信发展简史,1976年日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器， 1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55 m的连续振荡半导体激光器。 由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970

5、年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。,1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验，系统采用GaAlAs激光器作光源，多模光纤作传输介质，速率为44.7 Mb/s，传输距离约10 km。1980 年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用， 系统采用渐变型多模光纤，速率为44.7 Mb/s。随后美国很快敷设了东西干线和南北干线，穿越22个州 光缆总长达5104 km。,二、光通信发展简史,1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 Mb/s，传输距离为64 km的突变型多模光纤通信系统， 以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光

6、纤通信系统的试验。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线，全长3400 km，初期传输速率为400 Mb/s，后来扩容到1.6 Gb/s。 由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成，全长6400 km； 第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于1989年建成， 全长13 200 km。 从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。,二、光通信发展简史,国内外光纤通信发展的现状 光纤: 多模 单模， 工作波长: 0.85 m 1.31 m和1.55 m， 传输速率: 几十Mb/s 几十Gb/s。 应用范围

7、: 市话局间中继 长途干线 用户接入网 数字电话 有线电视(CATV) 单一类型信息的传输 多种业务的传输。 目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。,二、光通信发展简史,三、光纤通信的优点,1、频带宽，通信容量大。 2、损耗低，中继距离长。 3、抗电磁干扰。 4、无串音干扰，保密性好。 5、光纤线径细、重量轻、柔软。 6、光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料。,1、频带宽，通信容量大,光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一对光纤能同时传输24192路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输3000

8、0多路电话。频带宽，对于传输各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则，无法满足未来宽带综合业务数字网(B-ISDN)发展的需要。,2、损耗低，中继距离长,目前实用石英光纤的损耗可低于0.2dB/km，比其它任何传输介质的损耗都低，若将来采用非石英系极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降至10-9 dB/km。由于光纤的损耗低，所以能实现中继距离长，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200多千米，由非石英系极低损耗光纤组成的通信系统，其最大中继距离则可达数千甚至数万千米，这对于降低海底通信的成本、提高可靠性和稳定性具有特别的意义。,3、抗电磁干扰,光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电

9、离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰，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。,4、无串音干扰，保密性好,光波在光缆中传输，很难从光纤中泄漏出来，即使在转弯处，弯曲半径很小时，漏出的光波也十分微弱，若在光纤或光缆的表面涂上一层消光剂效果更好，这样，即使光缆内光纤总数很多，也可实现无串音干扰，在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。,5、光纤线径细、重量轻、柔软,光纤的芯径很细，约为0.1mm，它只有单管同轴电缆的百分之一；光缆的直径也很小，8芯光缆的横截面直径约为10mm，而标准同轴电缆为47mm。利用光纤这一特点，使传输系统所占

10、空间小，解决地下管道拥挤的问题，节约地下管道建设投资。此外，光纤的重量轻，光缆的重量比电缆轻得多，例如18管同轴电缆1m的重量为11kg，而同等容量的光缆1m重只有90g，这对于在飞机、宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信更具有重要意义。,6、光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料,光纤的材料主要是石英(二气化硅)，地球上有取之不尽用之不竭的原材料，而电缆的主要材料是铜，世界上铜的储藏量并不多，用光纤取代电缆，则可节约大量的金属材料，具有合理使用地球资源的重大意义。光纤除具有以上突出的优点外，还具有耐腐蚀力强、抗核幅射、能源消耗小等优点，其缺点是质地脆、机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方

11、便，弯曲半径不宜太小等。这些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤通信的实用。近年来，光纤通信发展很快，它已深刻地改变了电信网的面貌，成为现代信息社会最坚实的基础，并向我们展现了无限美好的未来。,三、光纤通信的缺点,光纤弯曲半径不宜过小； 光纤的切断和连接操作相对复杂； 分路、耦合相对麻烦。,四、光纤通信的应用,光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤通信的各种应用可概括如下： 通信网，包括全球通信网(如横跨大西洋和太平洋的海底光缆和跨越欧亚大陆的洲际光缆干线)、各国的公共电信网(如我国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线)、各种专用通信网(如电力、铁道、国防等部门通信、指挥、调

12、度、 监控的光缆系统)、特殊通信手段(如石油、化工、煤矿等部门易燃易爆环境下使用的光缆， 以及飞机、军舰、潜艇、导弹和宇宙飞船内部的光缆系统)。,四、光纤通信的应用, 因特网的计算机局域网和广域网，如光纤以太网、 路由器之间的光纤高速传输链路。 有线电视网的干线和分配网；工业电视系统，如工厂、 银行、商场、交通和公安部门的监控； 自动控制系统的数据传输。 综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源接入网， 可实现电话、数据、视频(会议电视、可视电话等)及多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样的社区服务。,光纤通信系统的组成,光纤通信系统的基本构成,上图中的结构主要由3部分组成：光发射机、光纤光缆

13、和光接收机。由于光纤只能传光信号不能传电信号，因此，这种通信系统在发送端必须先把电信号变成光信号，在接收端再把光信号变为电信号，即电/光和光/电变换。其电/光和光/电变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。也就是说在发送端对电信号直接调制成光信号进行发射，在接收端直接对光进行检波再转换成电信号。,光纤通信系统的组成,1. 光发射机（光端机）,光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。 光发射机由光源、 驱动器和调制器组成，光源是光发射机的核心。 目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(或称激光器)(LD)， 以及谱线宽度很小

14、的动态单纵模分布反馈(DFB)激光器。有些场合也使用固体激光器，例如大功率的掺钕钇铝石榴石(Nd: YAG)激光器。 光发射机把电信号转换为光信号的过程(简称为电/光或E/O转换)，是通过电信号对光的调制实现的。 目前采用直接调制方式，用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。 这种方案技术简单， 成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。 ,1. 光发射机（光端机）,光端机的图例,光端机的正面图片,1. 光发射机（光端机）,光端机的背面图片,1. 光发射机（光端机）,2. 光纤线路,光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变

15、(失真)和衰减传输到光接收机。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。实际工程中使用的是容纳许多根光纤的光缆。 对光纤的基本要求: 损耗和色散小， 机械特性和环境特性好. 例如，在不可避免的应力作用下和环境温度改变时，保持传输特性稳定。 目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤，单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。 单模光纤配合半导体激光器，适合大容量长距离光纤传输系统，而小容量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更加合适。,常用连接器类型,常用连接器类型,FC Type,SC Type,SC2 Type,FDD Type,常用连接器类型,BICONIC Type,D4 Type,SMA 905 Type,SMA 906 Type,MINI BNC Type,3. 光接收机,光接收机的功能把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。 光接收机由光检测器