光纤通信的优点和应用

1.2光纤通信的优点和应用1.2.1最大可能的信息传输容量和传输距离。通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。通信技术发展的历史，实际上是一个不断提高载波频率和增加传输容量的历史。20世纪60年代，微波通信技术已经成熟，因此开拓频率更高的光波应用，就成为通信技术发展的必然。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。虽然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。图1.1部分电磁波频谱100THz10THz1THz100GHz10GHz1GHz100MHz10MHz1MHz1m可见光线10m100m1mm10mm100mm1m10m100m中波(MF)短波(HF)米波(VHF)分米波(UHF)厘米波(SHF)毫米波(EHF)亚毫米波远红外线近红外线(光纤通信用）频率波长名称紫外线为便于比较，图1.1给出相关部分的电磁波频谱。光纤通信用的近红外光(波长为0.7~1.7μm)频带宽度约为200THz，在常用的1.31μm和1.55μm两个波长窗口频带宽度也在20THz以上。由于光源和光纤特性的限制，目前，光强度调制的带宽一般只有20GHz，因此还有3个数量级以上的带宽潜力可以挖掘。微波波段有线传输线路是由金属导体制成的同轴电缆和波导管。同轴电缆的损耗随信号频率的平方根而增大，要减小损耗，必须增大结构尺寸，但要保持单一模式的传输，又不允许增大结构尺寸。波导管具有比同轴电缆更低的损耗，但随着工作频率的提高，要减小波导结构的尺寸以保持单一模式的传输，损耗仍然要增大。光纤是由绝缘的石英(SiO2)材料制成的，通过提高材料纯度和改进制造工艺，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。图1.2给出各种传输线路的损耗特性。图1.2各种传输线路的损耗特性10001001010.110M标准同轴38mm海底同轴光纤100M1G10G100G1T10T100T1000T频率/HzM：(注)G：T：1061091012传输损耗/(dB·km－1)51mm波导器1.2.2在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多，因此相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。1.容许频带很宽，光纤通信系统的容许频带(带宽)取决于光源的调制特性、调制方式和光纤的色散特性。石英单模光纤在1.31μm波长具有零色散特性，通过光纤的设计，还可以把零色散波长移到1.55μm。在零色散波长窗口，单模光纤都具有几十GHz·km的带宽。另一方面，可以采用多种复用技术来增加传输容量。最简单的是空分复用，因为光纤很细，直径只有125μm,一根光缆可以容纳几百根光纤，12×12=144根光纤的带状光缆早已实现。这种方法使线路传输容量数十成百倍地增加。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，为了与同轴电缆通信和微波无线电通信比较，表1.4列出早已实现的单一波长光纤通信系统的传输容量和中继距离。目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5Gb/s和10Gb/s。采用外调制技术，传输速率可以达到40Gb/s。波分复用(WDM)和光时分复用(TDM)更是极大地增加了传输容量，见表1.５。WDM最高水平为132个信道，传输容量为20Gb/s×132=2640Gb/s，相当于120km的距离传输了3.3×108条话路。表1.4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9604250中同轴180061600光缆19203033光缆14000(1Gb/s)8411光缆6000(445MB/S)1347目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5Gb/s和10Gb/s。采用外调制技术，传输速率可以达到40Gb/s。波分复用(WDM)和光时分复用(TDM)更是极大地增加了传输容量，见表1.５。WDM最高水平为132个信道，传输容量为20Gb/s×132=2640Gb/s，相当于120km的距离传输了3.3×108条话路。2.损耗很小，中继距离很长且误码率很小石英光纤在1.31μm和1.55μm波长，传输损耗分别为0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。因此，用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多，见表1.4。目前，采用外调制技术，波长为1.55μm的色散移位单模光纤通信系统，若其传输速率为2.5Gb/s，则中继距离可达150km；若其传输速率为10Gb/s，则中继距离可达100km。采用光纤放大器、色散补偿光纤，中继距离还可增加，见表1.5。而且，在表1.5中所列的中继距离下，传输的误码率极低(10-9甚至更小)。传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点，使光纤通信系统不仅适合于长途干线网而且适合于接入网的使用，这也是降低每公里话路的系统造价的主要原因。3.重量轻、光纤重量很轻，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。表1.6给出了铝/聚乙烯粘结护套(LAP)单元结构光缆和标准同轴电缆的重量和截面积的比较。表1.5WDM和TDM光纤通信试验系统的传输能力复用技术传输容量/Gb·s-1传输距离/km跨距/km研制单位备注WDM20×1720×13215012050AT&TNECTDM160202020010310650140NTTNTT法Telcom单通道环测传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点，使光纤通信系统不仅适合于长途干线网而且适合于接入网的使用，这也是降低每公里话路的系统造价的主要原因。3.重量轻、光纤重量很轻，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。表1.6给出了铝/聚乙烯粘结护套(LAP)单元结构光缆和标准同轴电缆的重量和截面积的比较。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。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。表1.6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。4.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。光纤(复合)架空地线(OpticalFiberOverheadGroundWire,OPGW)是光纤与电力输送系统的地线组合而成的通信光缆，已在电力系统的通信中发挥重要作用。5.泄漏小，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。6.节约金属材料，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。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。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。图1.3给出各种通信系统相对造价与传输容量(话路数)的关系。由图1.3可见，随着传输容量的增加，由于采用了新的传输媒质，使得相对造价直线下降。图1.3各种通信系统相对造价与传输容量的比较平行双绞线电缆同轴电缆微波1021010310410510610－110－210－310－410－5系统/话路公里相对造价话路数/条光缆1.2.3光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。光纤通信的各种应用可概括如下：①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)。②构成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。③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。④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。