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光纤通信技术的特点和发展趋势

光纤通信技术的特点和发展趋势
摘要:光纤通信是指利用光与光纤传递信息的一种方式,光纤通信不 仅可以应用在通信的主干线路中, 也可以在电力通信控制系统中发挥 作用,既有经济优势又有技术优势,光纤通信由于超高速、低误码、 高可靠,价格低廉,已成为信息的最重要传输手段和信息社会的重要 基础设施。 本文探讨光纤通信技术的优点和缺点以及光纤通信的发展 和现状。 光纤通信在技术功能构成上主要分为:(1)信号的发射;(2)信号 的合波;(3)信号的传输和放大;(4)信号的分离;(5)信号的接收。

关键词:光纤通信技术 特点 现状 发展趋势 1、光纤通信技术 光纤通信是利用光导纤维传输光信号,以实现信息传递的一种通 信方式,属于有线通信的一种,光经过调变后便能携带信息,利用光 波作载体,以光纤作为传输媒介,将信息从一处传至另一处,是光信

息科学与技术的研究与应用领域。 可以把光纤通信看成是以光导纤维 为传输媒介的“有线”光通信。光纤由内芯和包层组成,内芯一般为 几十微米或几微米,比一根头发丝还细;外面层成为包层,包层的作 用是保护光纤。实际上光纤通信系统使用的不是单根的光纤,而是许 多光纤聚集在一起的组成的光缆, 由于玻璃材料是制作光纤的主要材 料, 它是电气绝缘体, 因而不需要担心接地回路, 光波在光纤中传输, 不会发生信息传播中的信息泄露现象,光纤很细,占用的体积小,这 解决了实施的空间问题。光纤通信系统的组成,现代的光纤通信系统 多半包括一个发射器,将电信号转换成光信号,再通过光纤将光信号 传递。光纤多半埋在地下,连接不同的建筑物。系统中还包括数种光 放大器,以及一个光接收器将光信号转换回电信号。在光纤通信系统 中传递的多半是数位信号,来源包括计算机、电话系统,或是有线电 视系统。 2 光纤通信的优点和缺点 优点(1)经济优势 ① 频率资源丰富,通信容量极大。粗略地讲,一根光纤传输数字信 号的码速容量在理论上可达 40Tbit/s(T=1012) 。最好的金属导线 可传输的数字信号的码速为 400Mbit/s,差 5 个数量级。容量较微 波通信可提高 103——104 倍。 ② 传输损耗低,无中继通信距离长。当光波长λ =1.55um 时,衰减 有最低点,可低达 0.2dB/km,接近理论值。这样中继数量减少, 成本低,通信质量高。

③ 节约铜(铝)和铅。 ④ 抗干扰能力强,保密性能好(不受电磁,强点干扰) 。 ⑤ 光缆耐腐蚀,重量轻,体积小(占用空间小,携设方便) 。 (2)技术优势 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,长波长窗口,单模光纤具有几十 GHz/km 的宽带。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。采用 密集波分复用技术可以扩大光纤的传输容量至几倍到几十倍。目/ 前, 单波长光纤通信系统的传输速率一般在 2.5Gbit/s——10Gbit/s, 采用密集波分复用技术实现的多波长传输系统的传输速率已经达 到单波长传输系统的数百倍。巨大的带宽潜力使单模光纤成为宽 带综合业务网的首选介质。 ②损耗低, 中继距离长。 目前, 商品石英光纤损耗可低于 0.2dB/km, 这样的传输损耗比其他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得更低。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。目前, 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,由非石英系统极低损耗光纤组成的通信系统长至数万千 米,这对于降低通信系统的成本,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。与之想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,光纤传输系统还特别适 合于军事应用。 ④对电气绝缘。光纤是用玻璃材料构造的,它是电气绝缘体,因 而不需要担心接地回路。光纤之间的串扰非常小,设备接口问题 也简化了。特别生死光纤在电气危险环境中广泛应用,因为它不 会产生电弧和火化。 ⑤ 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层所吸收,即使在转弯处,漏出 的光波也十分微弱。这样,即使光缆内光纤总数很多,相邻信通 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。 ⑥ 光纤径细、 重量轻、 柔软、 易于铺设。 光纤的芯径很细, 约为 0.1mm, 由多芯光纤组成光纤的直径也很小, 8 芯光缆的横截面积约为

10mm,而标准同轴电缆为 47mm。这样采用光缆作为传输信通, 使传输系统所占空间小,解决了地下管道拥挤的问题,节约了地 下管道建设投资。此外,光纤的重量轻,柔韧性好,光缆的重量 要比电缆轻得多,在飞机、宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信 可以减轻飞机、轮船、飞船的重量,显得更有意义。除此之外, 光纤柔软可绕,容易成束,能得到直径小的高密度光缆。 ⑦ 光纤的原材料资源丰富,成本低,无资源问题,节省金属材料。 光纤的材料主要是石英,全球取之不尽、用之不竭的原材料;而 电缆的主要材料是铜,铜的储藏量不多,用光纤取代光缆,可节 约大量金属材料,具有合理使用地球资源的重大意义。 ⑧ 温度稳定性好、寿命长。与铜线和同轴电缆相比,光纤的温度系 数极小,其传输特性基本不随温度而变,故光纤传输系统十分稳 定可靠,而且不易老化。 ⑨ 便于采用多种复用技术。有光纤通信系统组成的通信主干线路可 以采用空分复用、波分复用、时分复用和频分复用来扩充系统的 容量,节省了资源。 缺点①质地脆,机械强度低,容易断裂,所以对施工要求很高。 ②要有较好的切断、 连接技术, 光纤熔断与连接要有专门的设备、 技术及连接器件,如光纤对准器等。 ③要有较好的检测技术,由于光缆铺设很长距离,每根光纤的对 应与连通性是需要检测的,还有光纤光缆从制造到施工、应用、 维修、维护等各个环节都需要检测,包括波长,容量,接连性及

信通衰减等参数的检测。由于有些参数的敏感程度高,因此需要 很好的检测技术与检测设备。 ④分路、耦合比较麻烦。由于光纤不像电缆那样容易接读,光的 方向性非常专一,因此分路与耦合需要专门的技术和设备。 3、光纤通信的发展与现状 (1) 光纤 1996 年, 英籍华人高锟和 kockham 从理论上证明了用玻璃可以 制成衰减为 20dB/km 的通信光导纤维。 1970 年, 美国康宁玻璃公司首先制造出衰减为 20dB/km 的光纤。 1974 年,光纤的衰减已降低到 2dB/km。 1980 年,长波长窗口的衰减低达 0.2dB/km,接近理论值。 (2) 光源 要实现光纤通信,还需要适当的光源。 1970 年研制出室温下连续运行的激光器和发光二极管,特别是 长波长(1.3um、1.5um)激光器和发光二极管的研制成功,为 实现光纤通信奠定了基础。 (3) 光通信系统 第一代光通信系统:1977 年,在美国芝加哥距离 7km 的 电话局间首次实现了光通信传输系统, 光波长为 0.85um。 第二代光通信系统:1981 年,实现了局间使用 1.3um 多 模光纤的通信系统。 第三代通信系统:1984 年,实现了局间使用 1.3um 多单

模光纤的通信系统,广泛用于长途和跨洋通信。 第四代光通信系统: 20 世纪 80 年代中期又实现使用 1.5um 多半模光纤的通信系统。 近年来, SDH 体制形成的光传送网被广泛使用。 各种波分 复用(WDM)和光时分复用(OTDM)系统进一步提高了 传输容量, 相干光通信、 光孤子通信和集成光学有了一定 的进展。人们期待着新一代光纤通信系统的实现。 (4) 我国光纤通信的现状 光纤通信由于超高速、低误码、高可靠、价格低廉,已成 为信息的最重要传输手段和信息社会的还重要基础设施。 1986 年建立了国内第一条光缆干线——宁汉光缆。 1999 年建成八纵八横光缆骨干网。 (5) 光纤通信的发展 光纤通信的发展史虽然只有二三十年, 但由于它无比的优 越性, 使它成为了现代化通信网络中最为重要的传输媒介。 总体来说,光纤通信的发展大致分为 4 个阶段。 第一阶段(1966——1976 年)是冲基础研究到商业应用 的开发时期。这个时期中,出现了短波长(850nm)低速 率(34 或 45Mb/s)多模光纤通信系统,无中继传输距离 约为 10km。 第二阶段(1976——1986 年)是以提高传输速率和增加 传输距离为研究目标的大力推广应用的大发展时期。 在这

个时期,光纤从多模发展到单模,工作波长从短波长 (850nm)发展到长波(1310nm 和 1550nm) ,实现了工作 波长为 1310nm, 传输速率为 140—565Mb/s 的单模光纤通 信系统,无中继传输距离为 50 到 100km。 第三阶段(1986——1996 年)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事情。在这个时期,出 现了 1550nm 色散位移单模光纤通信系统。采用外调制技 术, 传输速率可达 2.5-10Gb/s, 无中继传输距离可达 100 —150km,实验室可以达到更高水平。 第四阶段(1996 年至今)是采用光放大器,波分复用光 纤通信系统的超长距离的光弧子通信系统的时期。 具体来讲国外的发展状况: 20 世纪 60 年代中期,所研制的最好的光纤损耗在 400dB 以上。1966 年英国标准电信研究所高锟及 Hockham 从理 论上预言光纤损耗可降至 20dB/km 以下。日本于 1969 年 研制出第一根通信用光纤损耗为 100dB/km。1970 年康宁 公司( Corning )采用“粉末法”先后获得了损耗低于 20dB/km 和 4dB/km 的低损耗石英光纤。1974 年贝尔实验 室 (Bell) 采用改进的化学汽相沉积法制出性能优于康宁 公司的光纤产品。到 1979 年,掺锗石英光纤在 1.55?m 处的损耗已经降到 0.2dB/km,这一数值已经十分接近由 Rayleigh 散射所决定的石英光纤理论损耗极限。

国内光纤通信的发展: 1963 年 开始光通信的研究。 1977 年, 第一根短波长

(0.85mm)阶跃型石英光纤问世,损耗 为 300dB/km。1978 年,阶跃光纤的衰减降至 5dB/km。研制出短波长多模梯 度光纤,即 G.651 光纤。1979 年,研制出多模长波长光 纤,衰减为 1dB/km。建成 5.7 km、8Mb/s 光通信系统

试验段。 1980 年 1300nm 窗口衰减降至 0.48dB/km, 1550nm 窗口衰减为 0.29dB/km。 1981 年多模光纤活动连接器进入 实用。1984 年 武汉、天津 34Mb/s 市话中继光传输系统 工程建成(多模)。 1990 年, 研制出 G.652 标准单模光纤, 最小衰减达 0.35dB/km。1992 年降至 0.26dB/km。 (4)光纤通信的发展前景 ①新一代光纤: 随着社会发展的需要已经出现了两种不同的新型光 纤,即非零色散光纤(G.655)和全波光纤。 ②超高速系统:传统光纤通信的发展始终按照电的时分复用(TDM) 方式进行,而如今要满足社会发展需要,光纤通信应该按照光的时分 复用方式进行。 ③超大容量 WDM 系统: 如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时 在一路光纤上传送,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。 ④全光网络:WDM 波分复用技术的实用化,提供了利用光纤带宽的有 效途径,使大容量光纤传输技术取得了突破性进展。点到点之间的光

纤传输容量的提高, 为高速大容量宽带综合业务网的传输提供了有效 途径,而传输容量的飞速增长对现存看交换系统的发展产生了压力。 全光网络是指信号只是在进出网络时才进行电/光和光/电的变换, 而 在网络中传输和交换的过程中始终以光的形式存在。 因为在整个传输 过程中没有电的处理, 所以 PDH、 SDH、 ATM 等各种传送方式均可使用, 提高了网络资源的利用率。 4、结束语 光纤通信的应用给人们带来了一场信息的革命。是整个社会进入 了一个信息高速发展的时代。而光纤通信带给我们的不仅仅是高速, 还有更为客观的前景,它将带给我们无尽的方便。电话网络系统,电 视网络系统和计算机网络系统在不远的未来, 即将由光纤通信的发展 而更好的结合,那将是光纤通信给人们带来的第二次震撼。 从光纤通信问世到现在,光传输的速率以指数增长,光传输的速 率在过去的 10 年中大约提高了 100 倍。层出不穷的光通信新技术将 成为市场复苏的源泉, 而人类对通信容量的无止境需求将是市场恢复 的原动力。随着光通信技术进一步发展,必将对 21 世纪通信行业的 进步,乃至整个社会经济的发展产生巨大影响。 通过本次光纤通信技术的学习,我初步了解了光纤通信的发展历 程:从我国的高锟博士提出光纤传输的相关理论,到以日本、美国为 首的发达国家生产出各种类型的光纤, 再到光纤产业的形成经历了一 个比较短的过程。在光纤的发展过程中分为两个方向:一个是光纤通 信;另一个就是光纤传感。光纤通信主要是利用光纤传输信息的可靠

性,大容量性为主,而光纤传感主要利用了光纤的一些优缺点。 同时,我也进一步了解了光纤通信的工作原理、优缺点、以及光 纤技术在现代工农业中的应用。 光纤技术在各种恶劣的环境——煤矿、 隧道、高温监测中的成功应用给我留下了深刻的影响,同时我还对科 学工作者总是亲自去每一个施工现场、身先士卒、刻苦科研的精神表 示深深的敬佩,使我了解到仅仅通过书籍资料,他人的经历是无法深 刻地,客观地了解问题的本质,只有亲自去动手去摸,亲自去了解各 种问题,才能更好的为科研提供帮助,更好的解决问题。我相信这种 精神会使我在以后的学习工作中受益匪浅! 在今后的发展和学习实践 过程中,我们会不懈努力,不断提高自己,无论何时遇到问题不能退 缩, 一定要不厌其烦的发现问题所在, 然后一一进行解决, 只有这样, 才能获得成功,才能在今后的道路上劈荆斩棘。


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