光纤通信系统

光纤通信,是以光波运载信号,以光导纤维为传输媒介的一种通信方式。8光纤通信技术电缆通信和微波通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。光纤通信用的近红外光(波长约1μm)的频率(约300THz)比微波(波长为0.1m~1mm)的频率(3~300GHz)高3个数量级以上。一光纤基础知识数字光纤通信,是以光波运载数字信号,以光导纤维为传输媒介的一种通信方式。1996年，英籍华人“光通信之父”高锟(C.K.Kilo)博士根据介质波导理论提出了光纤通信的概念。光纤的构造1、纤芯：是由纯石英玻璃拉丝而成，纯度6个九（99.9999%），其余为掺杂的极少量的P2O5、GeO2，以提高纤芯的折射率。2、包层：是含有少量掺杂剂的高纯度SiO2，掺杂剂有硼或氟，以降低包层的折射率。3、涂覆层：增加光纤的柔性及强度，一般为两次涂覆，使用环氧树脂或者硅橡胶。4、套塑层：加强光纤的机械强度，并可以着色，使用尼龙或者聚乙烯。为了使光纤能在工程中实用化,能承受工程中拉伸、侧压和各种外力作用,还要具有一定的机械强度才能使性能稳定。因此,将光纤制成不同结构、不同形状和不同种类的光缆以适应光纤通信的需要。根据不同的用途和条件,制成的光缆种类很多,但其基本结构是相同的。光缆主要由缆芯、护套和加强元件组成。1、缆芯是由光纤芯组成的,它可分为单芯和多芯两种。单芯型缆芯和多芯型缆芯结构的比例如下表所示。光缆单芯型由单根二次涂覆处理后的光纤组成。多芯型由多根经二次涂覆处理后的光纤组成,它又分为带状结构和单位式结构。目前国内外对二次涂覆主要采用下列两种保护结构:（1）紧套结构。在光纤与套管之间有一个缓冲层,其目的是为了减少外面应力对光纤的作用。缓冲层一般采用硅树脂,二次被覆用尼龙口。这种光纤的优点是:结构简单、使用方便。（2）松套结构。将一次涂覆后的光纤放在一个管子中,管中充油膏,形成松套结构。这种光纤的优点是:机械性能好,防水性好,便于成缆。(a)紧套光纤结构示意图；(b)松套光纤结构示意图2、由于光纤的材料比较脆,容易断裂,为了使光缆便于承受敷设安装时所加的外力等,在光缆内中心或四周要加一根或多根加强元件。加强元件的材料可用钢丝或非金属的纤维——增强塑料(FRP)等。3、光缆的护层主要是对已形成的光纤芯线起保护作用,避免受外部机械力和环境损坏。因此,要求护层具有耐压力、防潮、湿度特性好、重量轻、耐化学侵蚀、阻燃等特点。光缆的护层又分内护层和外护层,内护层一般采用聚乙烯或聚氦乙烯等,外护层可根据敷设条件而定,要采用由钻带和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等。下面介绍几种有代表性的光缆结构形式。(1)层绞式光缆。它是将若干根松套（或紧套）光纤芯线以强度元件为中心绞合在一起的一种结构。这种结构的缆芯制造设备简单，成本低,芯线数不超过10根，工艺相当成熟，得到广泛应用。采用松套光纤的缆芯可以增强抗拉强度，改善温度特性。(2)单位式光缆。它是将几根至十几根光纤芯线集合成一个单位,由数个单位以强度元件为中心绞合成缆，其芯线数一般适用于几十芯。(3)骨架式光缆。这种结构是将单根或多根光纤放入骨架的螺旋槽内,骨架中心是强度元件,骨架上的沟槽可以是V型、U型或凹型。由于光纤在骨架沟槽内具有较大空间,因此当光纤受到张力时,可在槽内作一定的位移,从而减少了光纤芯线的应力应变和微变,这种光纤具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。(4)带状式光缆。它是将4～12根光纤芯线排列成行,构成带状光纤单元,再将多个带状单元放入大套管内，形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。这种光缆的结构紧凑,采用此种结构可做成上千芯的高密度用户光缆，已广泛应用于接入网。(a)层绞式；(b)单位式；(c)骨架式；(d)带状式。(5)中心束管式光缆。中心束管式把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。这种结构的加强件同时起着护套的部分作用，有利于减轻光缆的重量。5、(a)6芯紧套层绞式光缆(架空、管道)(b)12芯松套层绞式光缆(直埋防蚁)5、(c)12芯骨架式光缆(直埋)(d)6~48芯束管式光缆(直埋)5、(e)108芯带状光缆(f)LXE束管式光缆(架空、管道、直埋)5、(g)浅海光缆5、(h)架空地线复合光缆(OPGW)1970年，作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。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)。1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时(约11.4年)，外推寿命达到100万小时，完全满足实用化的要求。在这个期间，1976年日本电报电话（NTT）公司研制成功发射波长为1.31μm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1.55μm的连续振荡半导体激光器。1976年，美国在亚特兰大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44.7Mb/s，传输距离约10km。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44.7Mb/s。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5×104km。1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s，传输距离为64km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，全长3400km，初期传输速率为400Mb/s，后来扩容到1.6Gb/s。随后，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6400km；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13200km。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。我国九五期间投资92年李鹏总理召集计委、邮电、电子、电力等部委开通信协调会。九五期间投入光缆干线：八纵、八横、光通信系统。光缆设备：国内一级干线以进口为主，二级以国产为主。目前国内光缆生产厂家上百家：长飞、西古、飞利浦合资、成都电缆厂、电子部八所等；光器件生产厂家：武邮、电子部41、34所等；系统研制单位：五大程控交换生产厂家：如深圳华为2.5万人，中兴、西安大唐、北京巨龙、上海贝尔等。上海电子部23所，桂林43所。世界成缆光纤市场销售量年份19941995199619971998199920002001光纤销售总长度/104km181023002900347040704730558065703、国内外光纤通信发展的现状世界市场单模光纤平均价格年份19941995199619971998199920002001价格/($·km-1)6867726960524644世界成缆单模光纤市场销售量年份199819992000200120022003价格光纤销售总长度/104km4110460053506230720081104、光纤通信的优点（1）传输频带很宽，传输容量大；现行电缆通信工作频率为105Hz~108Hz，微波通信工作频率在109Hz左右，光纤通信的工作频率（光波载频）在1014Hz左右。因此光纤通信的带宽与通信容量比微波通信提高了10万倍，而比同轴电缆通信提高了100万倍。采用多种复用技术可以使线路传输容量成百倍地增加。就单根光纤而言，采用波分复用(WDM)或光频分复用(OFDM)是增加光纤通信系统传输容量最有效的方法。另一方面，减小光源谱线宽度和采用外调制方式，也是增加传输容量的有效方法。光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较通信手段传输容量(话路)/条中继距离/km1000km内中继器个数微波无线电9605020小同轴电缆9604250中同轴电缆180061600光缆19203033光缆14000(1Gb/s)8411光缆6000(445MB/S)1347（3）重量轻、体积小；通信设备的重量和体积对许多领域特别是军事、航空和宇宙飞船等方面的应用，具有特别重要的意义。光纤重量轻，直径很小。即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。在飞机上用光纤代替电缆，不仅降低了通信设备的成本，而且降低了飞机的制造成本。例如，在美国A－7飞机上，用光纤通信代替电缆通信，使飞机重量减轻27磅(约12.247kg)，相当于飞机制造成本减少27万美元。（2）损耗小，中继距离很长且误码率很小；光缆和电缆的重量和截面积比较项目8芯18芯光缆电缆光缆电缆重量/(kg·m-1)重量比0.4216.3150.4211126直径/mm截面积比211475211659.6此外，利用光缆体积小的特点，在市话中继线中成功地解决了地下管道拥挤问题。光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。无金属光缆非常适合于存在强电磁场干扰的高压电力线路周围和油田、煤矿等易燃易爆环境中使用。（4）抗电磁干扰性能好在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全。保密性能好的这一特点，对军事、政治和经济都有重要的意义。（5）泄漏小，保密性能好（6）节约金属材料，有利于资源合理使用制造同轴电缆和波导管的铜、铝、铅等金属材料，在地球上的储存量是有限的；而制造光纤的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不尽的材料。制造8km管中同轴电缆，1km需要120kg铜和500kg铝；而制造8km光纤只需320g石英。所以，推广光纤通信，有利于地球资源的合理使用。总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，而且在经济上具有巨大的竞争能力，因此其在信息社会中将发挥越来越重要的作用。1、光波分复用原理光波分复用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。光纤通信新技术（DWDM）目前国际上已商用的系统有4×2.5Gb/s(10Gb/s),8×2.5Gb/s(20Gb/s),16×2.5Gb/s(40Gb/s),40×2.5Gb/s(100Gb/s),32×10Gb/s(320Gb/s),40×10Gb/s(400Gb/s)。实验室已实现了82×40Gb/s(3.28Tb/s)的速率，传输距离达300km。OFC2000(OpticalFiberCommunicationConference)提供的情况有：①BellLabs:82路×40Gb/s=3.28Tb/s在300km的光纤(即G.655光纤)上，利用C和L两个波带联合传输（注：C波带为1525～1565nm，L波带为1570～1620nm）；②日本NEC:160×20Gb/s=3.2Tb/s，利用归零信号沿色散平坦光纤，经过增益宽度为64nm的光纤放大器，传输距离达1500km;③日本富士通(Fujitsu):128路×10.66Gb/s，经过C和L波带，用分布喇曼放大器(DRA:DistributedRamanAmplification),传输距离达6×140km=840km;④日本NTT：30路×42.7Gb/s，经过增益宽度为50nm的光纤放大器，传输距离达3×125km376km;⑤美国Lucent:100路×10Gb/s=1Tb/s，各路波长的间隔缩小到25GHz,利用L波带，沿NZDF光纤(G.655光纤)传输400km;⑥美国Qtera和Qwest:两个波带4路×10Gb/s和2路×10Gb/