31光纤通信

光纤通信的发展与现状光纤通信的主要特性光纤通信系统的组成和分类光纤通信电通信（electricalcommunication）广义的电通信指的是一切运用电波作为载体而传送信息的所有通信方式的总称，而不管传输所使用的介质是什么。电通信又可分为有线电通信和无线电通信。光通信（opticalcommunication）广义的光通信指的是一切运用光波作为载体而传送信息的所有通信方式的总称，而不管传输所使用的介质是什么。光通信也可以分为利用大气进行通信的无线光通信和利用石英光纤或塑料光纤进行通信的有线光通信。光纤通信的概念光通信光纤通信人们通常把应用石英光纤的有线光通信简称为光纤通信（opticalfibercommunication）光纤通信的概念≠光纤通信是以光纤为传输媒质,以光信号为信息载体的通信方式.光通信就是以光波为载波的通信.电磁波——交变的电场会产生交变的磁场，交变的磁场又会激起交变的电场，这种电场、磁场无限地交变产生，合称电磁场。这种交变的电磁场会在空间以波的形式由近及远地传播开去，这就是电磁波。——光也是电磁波电磁波麦克斯韦1865年发表电磁场理论赫兹1888年实验证实电磁波存在电磁频谱：电磁波的波长范围发送信号的频率越高（波长越短），可载送的信息量就越多光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300μm～6×10−3μm。光纤通信的光波波谱光纤通信的波谱在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之间，即波长在0.8μm～1.8μm之间，属于红外波段，将0.8μm～0.9μm称为短波长，1.0μm～1.8μm称为长波长，2.0μm以上称为超长波长。早期的光通信公元前11世纪，西周王朝，烽火台白天点狼粪，晚上燃柴火——“狼烟四起”光纤通信的发展与现状图1.1贝尔电话系统在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。到了1880年，贝尔发明了第一个光电话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段，它具有亮度高、谱线窄、方向性好，但通信不稳定。1960年，大气光波通信图1.2红宝石激光器[美国梅曼(Maiman)，1960]光波地下传输在大气光通信受阻之后，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验。图1.3反射波导和透镜波导——红宝石激光器、贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，遇到下雨下雪天也有影响。——反射波导和透镜波导造价昂贵，调整、维护困难。由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。现代光纤通信1960年左右，最好的光纤损耗也在1000分贝/公里(dB/km)。由于，损耗很大，它最初被用于医疗，如内窥镜。1953年，英国伦敦学院卡帕尼博士首次发明了用极细的玻璃制作的光导纤维：芯层+包层。芯层的折射率大于包层，光在其中做全反射。高锟(K.C.Kao)博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铜、铁与锰等金属离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺技术造成了纤芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀，他还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。光纤之父：英籍华人高锟(K.C.Kao)博士工作地点：英国标准电信研究所1966年，高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文《用于光频的光纤表面波导》,指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向,奠定了现代光通信——光纤通信的基础。高锟(左)从瑞典国王手中接过2009诺贝尔物理学奖1970年起，光纤研制取得了重大突破1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/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4dB/km。1973年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47dB/km(波长1.2μm)。目前，波长为1.55μm的光纤损耗0.2dB/km，已接近了光纤最低损耗的理论极限。1970年，光纤通信用光源取得了实质性的进展1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3μm的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。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1.55μm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年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。实用光纤通信系统的发展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。1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。1988年由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统建成。1989年第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统建成。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。当今世界范围的光纤通信系统海底光缆及洲际通信网光纤通信是目前世界上发展最快的领域，平均每9个月性能翻一番、价格降低一半，其速度已超过了计算机芯片性能每18个月翻一番的摩尔定律的一倍。在短短的30多年时间里已经经历了五代通信系统的使用。光纤通信的主要特性光纤通信的优点1.光纤的容量大——“超高速公路”马路越宽，容许通过的车辆越多，交通运输能力也越大。如果把通信线路比作马路，那么应该说是通信线路的频带越宽，容许传输的信息越多，通信容量就越大。光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统，其载波—光波具有很高的频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信容量。目前的光纤容量已经达到十多个Tbit/s2.损耗低、中继距离长——“长跑健将”信号在传输线上传输，由于传输线本身的原因，强度将逐渐变弱，而且随着传输距离的增加，这种衰减会越来越严重。因此，长距离传输信息必须设立中继站，把衰减了的信号放大以后再转输。中继站越多，传输线路的成本越高，维护越不方便，运行越不可靠。中继站的多少取决于中继距离的长短，中继距离的长度又受传输线路损耗的限制。目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低得多，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得多。例如，同轴电缆通信的中继距离只有几千米，最长的微波通信是50千米左右，而光纤通信系统的最长中继距离已达300千米。如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长(＞2μm)，光纤的理论损耗系数可以下降到10-3～10-5dB/km，此时光纤通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。那在许多情况下，通信线路中就可以不设中继站了。这对越洋通信意义尤其重大，因为在海底设立中继站，不仅使线路成本大为提高，也大大增加了维修工作的困难。3.抗电磁干扰能力强我们知道，电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁化路附近铺设。任何通信系统都应具有一定的抗干扰能力，否则无法保证通信工作的可靠和稳定。最主要的干扰是电磁干扰。天然的电磁干扰包括雷电干扰、电离层的变化和太阳核子活动引起的干扰，人为的电磁干扰有电动机、高压电力线造成的干扰等。这些干扰都必须认真对待。现有的电通信系统无法令人满意地解决这个问题。光纤通信具有怎么样的抗干扰能力呢？第一个原因是光纤属绝缘体，不怕雷电和高压；另一个原因是光纤中传输着频率极高的光波，各种干扰源的频率一般都比较低，干扰不了频率比它们高得多的光。还有一种重要的干扰源是原子辐射。据专家们测算，如果在美国本土中心上空463千米处爆炸一颗原子弹，1秒钟内即可使全美国未暴露的通信电缆，包括地面、飞机、舰艇等上面的通信电缆全部失效，通信中断，但光纤通信线路却照样畅通无阻，基本不受影响。4.保密性能好——“安全保密员”对通信系统的重要要求之一是保密性好。然而，随着科学技术的发展，电通信方式很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近(甚至几公里以外)设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。更不用去说无线通信方式，因为无线电波在大气中传播，甚至充斥全球，很容易被人窃听。即使用了加密往往也无济于事，因为密码分析或密码破译已成为一门科学。光纤通信是保密性能最好的通信方式之一，这是因为光在光纤中传输时不会跑出光纤和向外辐射电磁波。即使在拐弯非常厉害的地方，漏出的光也微乎其微，而且如果在光纤表面再涂上一层吸光剂，那连这样的“漏网之鱼”也休想溜走。任凭你采用什么办法，也不能在光纤外面搜集到光纤里面的“情报”。光纤通信真是一位“守口如瓶”、“滴水不漏”的“保密员”。5.体积小，重量轻1千克高纯度石英玻璃可以拉制成千上万千米光纤，而制造1000千米的8管同轴电缆却需要消耗120吨铜和500吨铅。18管同轴电缆每米重11千克，100芯铅皮对称电缆每米重2.9千克，而同等容量的光缆每米只有90克重。光纤不仅体积小、重量轻，而且很柔软，可以自由弯曲，铺设非常方便。可广泛应用于航天航空、汽车电子等领域。6.节省有色金属和原材料电线要用铜、铅等有色金属材料来制作，制作光纤的原材料却是普普通通的石英砂。铜是一种很重要的战略金属，地球上的储量按目前的开采速度估计，只够使用50年左右。而二氧化硅，在地壳的化学成分中占了一半以上，真正可以说是取之不尽、用之不竭的。光纤还有其他一些优良特性，也为普通金属导线所不及。它不怕潮湿和腐蚀，可以架在空中，也可埋入地下；它有较高的抗拉强度，与铁接近，比铜还高得多；它有较强的耐高低温能力，从-65~200°C，在一般的飞机、舰艇和车辆上都可使用；它可实现多功能传输，同时传递话音、数据、传真、图像等各种信息。7.其它光纤通信的缺点事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点。抗拉强度低，容易折断(比如经常被挖断)光纤连接困难(断面是否垂直、焊接点是否有气泡等)光纤通信过程中怕水、怕冰(OH-根吸收增大损耗)光纤怕弯曲(导致损耗增加)案例：新疆某地区大雪导致光纤故障(2006年10月报道)原因：光缆没有防护好被冰雪包裹，并由于冰雪压力和热胀冷缩导致光纤弯曲光纤通信系统的组成和分类光纤通信系统的组成光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，如果是直接强度调制可以省去调制器。光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。它一般由光电检测器和解调器组成，对于直接强度调制解调器可以省略。光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介(信道)，将光信号由一处送到另一处。以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机组成:光纤、光纤接头和光纤连接器低损耗“窗口”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85μm、1.31μm和1.55μm有三个损耗很小的波长“窗口”，光源激光器的发射波长和光检测器光电二极