光纤通信原理
----光纤的主要作用是引导光在光纤内沿直线或弯曲的途径传播。为了实现长距离的光纤通信,必 须减小光纤的衰减。C·K·Kao 早就指出降低玻璃内的过渡金属杂质离子是降低光纤衰减的主要因 素。另一方面,玻璃内的 OH 离子对衰减也有严重的影响。到了 1976 年,人们设法降低 OH 含量后 发现低衰减的长波长窗口有:1.31μm、1.55μm。1980 年,光纤衰减已降低到 0.2dB/km (1.55 μm),接近理论值。这样,使得进行长距离的光纤通信成为可能。与此同时,为促进光纤通信系统 的实用化,人们又及时地开发出适用于长波长的光源、激光器、发光管、光检测器。应运而生的光 纤成缆。光无源器件和性能测试及工程应用仪表等技术日臻成熟。这都为光纤光缆作为新的通信传 输媒介奠定了良好的基础。
这些特征与支持基于下载的分布和检索的应用密切相关。
从前面的分析可以看出,光纤通信具备许多优点,能够满足多媒体通信的各种要求。因此,光 纤必将是多媒体通信传输介质的最佳方案。
第六节.光纤通信的发展 20 世纪提出了构建信息高速公路的伟大设想。信息高速公路从根本上说是一个全国范围乃至全
球范围的宽频带、高速度、高可靠性、无传输错误的先进综合通信网络,它将任何信息源(包括声 音、文件、图形、影视、数据等)连接到全部网络,送达千家万户。
第五节. 光纤通信的多媒体应用 由于多媒体应用信息量大,就性能价格和信号特征而言,必须采用压缩技术,压缩掉人不能分
辨的部分以节约频带。假设不使用压缩技术,一个标准的个人电脑上的 80MB 硬盘只可存储约 8min 的 具有 CD 品质的立体声,或约 35s 的电视广播品质的运动视频。采用压缩磁盘后,CDROM 则可以存 储 72min 的高保真音乐,或存储 20min 的电视广播品质的运动视频。那么位速呢?立体声的 CD 品 质的声音如果不压缩的话,要求网络以每秒钟 140 万位的恒定速率传送一个比特流,这对于局域网 来说是足够的。但是,由于传统的局域网技术是基于在若干个端系统(一般从几十个到几百个)之间 共享一条电缆或光纤,因而有太多的这样的数据流无法并行流动。共享的最大位速范围通常是从 10Mbps(以太网技术)到 100MbPs(快速以太网或 FDDI 技术)。当不压缩时,PAL 品质的数字运动视频 需要 160Mbps/通道。这与已有的共享传送媒体思想为概念的局域网技术是相矛盾的。在长距离通 信上存在着采用哪种速度的地面电缆电路, 但是使它们专用单独一个视频通道所需的费用是令人 无法接受的。在这种速度下,卫星线路的性能价格比最高,费用仍然很昂贵。所以采用压缩和编码 的必要性是显而易见的。
光纤通信原理
内容摘要:
第一章 概论
------本章主要介绍光纤通信的发展简史,光纤通信的特点,概括了光纤通信系统的主要构成,并 且简单说明了光纤通信系统中的多媒体应用,最后指出光纤通信的发展方向。
本章重点要求:
-- ---了解光纤通信的发展史,理解光在电磁波谱中的位置、光纤通信所用光波的波长范围。掌握 光纤通信系统的组成、光纤通信的特性。
(1)吞吐量:多媒体通信要求的吞吐量是很大的;
(2)传输延迟:多媒体通信要求的传输延迟很小;
(3)延迟变化:多媒体通信要求的传输延迟波动很小;
(4)差错率:多媒体通信要求的传输误码率很低。
这些参数与支持连续媒体的实时传送密切相关。 ----大型"网络"的最关键的特性如下:
(1)多点播送和广播能力;
(2)文件缓存能力。
---目前光纤通信所用光波的波长范围为 =0.8~2.0 ,属于电磁波谱中的近红外区。其中 0.8~ 1.0 称为短波长段,1.0~2.0 称为长波长段。
---目前光纤通信使用的波长有三个:0.85 、1.31 、1.55 。图 1-1 上图为光纤损耗与波 长的关系,从图中可以看到从 0.8~2.0 为光纤的低损耗区域,或称为低损耗窗口。
----一切信息源在数字化以后都是一样的,即 01010101011 这样的 0、1 形式。话音为 3kHz,故 每秒需传播 64K 比特。电视为 8MHz,故每秒需传播 90M 比特。一部 90min 的电影片,用现有的电 话网络传输,需要两天的时间,这是不现实的。所以必须采用宽频带和高速网络技术。用光纤网络 传输,一部电影只要一分钟即可传输完了。我国若采用 OC48 做成超级干线,一部电影只有 4s 钟就 可以传送完毕。
我国经济正在高速发展,已进入信息时代。现已铺设了 360 000km 光缆;建成连接 21 个主 要城市的数据网络;有强大的航天卫星工业;已经建造并在高速发展的巨大的有线电视网。具有中 国特色的信息高速公路正在高速发展。我们深信中国在 21 世纪的信息时代会有更伟大的作为。
第二章 光纤与导光原理
内容摘要: -----由于光纤具有低损耗、容量大以及其他方面的许多优点,现已成为通信系统的重要传输介质 之一。光纤特性包括它的结构特性、光学特性及传输特性。结构特性主要指光纤的几何尺寸(芯径 等); 光学特性包括折射率分布、 数值孔径等;传输特性主要是损耗及色散特性。 ----本章在简要介绍光纤结构和分类的基础上,首先,用射线光学理论分析光纤的传输原理;然后 用波动理论讨论光纤中的模式特性,给出光纤中完善的场的描述;最后对光纤的损耗及色散特性进 行讨论。 ----本章重点要求: --- 能用射线光学理论分析光纤的导光原理;理解单模光纤、多模光纤、色散位移光纤的概念;掌 握光纤单模传输条件的计算公式;理解光纤损耗和色散的概念及其对光纤通信系统的影响。 第一节 光纤的结构和分类 2.1.1 光纤的结构 ----光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。其典型结构是多层同轴圆柱体,如图 2-1 所示,自 内向外为纤芯、包层和涂覆层。
(1)传输频带极宽,通信容量很大;
(2)由于光纤衰减小,无中继设备,故传输距离远;
(3)串扰小,信号传输质量高;
(4)光纤抗电磁干扰,保密性好;
(5)光纤尺寸小,重量轻,便于传输和铺设;
(6)耐化学腐蚀;
(7)光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富,并节约了大量有色金属。
光纤通信同时具有以下缺点:
(1)光纤弯曲半径不宜过小;
1976 年,美国西屋电气公司在亚特兰大成功地进行了世界上第一个 44.736Mbit/s 且传输 110km 的光纤通信系统的现场实验,使光纤通信向实用化迈出了第一步。1981 年以后,用光纤通信 技术大规模地制成商品并推向市场。历经近 20 年突飞猛进的发展,光纤通信速率由 1978 年的 45Mbit /s 提高到目前的 40Gbit/s。
(2)光纤的切断和连接操作技术复杂; (3)分路、耦合麻烦。
----由于光纤具备一系列优点,所以广泛应用于公用通信、有线电视图像传输、计算机、航空、航 天、船舰内的通信控制、电力及铁道通信交通控制信号、核电站通信、油田、炼油厂、矿井等区域 内的通信。
第四节. 光纤通信系统 就广义而言,通信就是各种形式信息的转移或传递。通常的具体做法是首先将拟传递的信息设
法加载(或调制)到某种载体上,然后再将被调制的载体传送到目的地后,将信息从载体上解调出来。 光纤通信系统中电端机的作用是对来自信息源的信号进行处理,例如模拟/数字转换多路复用等; 发送端光端机的作用则是将光源( 如激光器或发光二极管 )通过电信号调制成光信号,输入光纤传 输至远方;接收端的光端机内有光检测器( 如光电二极管)将来自光纤的光信号还原成电信号,经 放大、整形、再生恢复原形后,输至电端机的接收端。对于长距离的光纤通信系统还需中继器,其 作用是将经过长距离光纤衰减和畸变后的微弱光信号经放大、整形、再生成一定强度的光信号,继 续送向前方以保证良好的通信质量。目前的中继器多采用光--电--光形式,即将接收到的光信号用 光电检测器变换为电信号,经放大、整形、再生后再调制光源将电信号变换成光信号重新发出,而 不是直接放大光信号。近年来,适合作光中继器的光放大器(如掺铒光纤放大器)已研制成功,这就 使得采用光纤放大器的全光中继及全光网络将会变得为期不远。
--- 我国自 70 年代初就开始了光纤通信技术的研究。1977 年,武汉邮电研究院研制成功中国第一 根阶跃折射率分布的、波长为 0.85μm 多模光纤。后来又研制成单模光纤和特殊光纤以及光通信设 备。现在,我国光纤通信产业已初具规模,能够生产光纤光缆、光电器件、光端机及其他工程应用 方面的配套仪表器件等。由此可见,中国已具有大力发展光纤通信的综合实力。
----只有超干线和干线是不够的, 因为到每个用户若用电话线或其他窄带的传输介质接入, 都会 成为一个传输瓶颈。 为了解决这一难题,国际上已取得共识,认为利用和改造目前的有线电视网 是一条捷径,即改造(或新建)成为混合光缆同轴互联网络(HFC)。从前端以光缆连到光节点,再用 同轴作为分配网络,这样系统就能直接把交互型话音、数据和视频信号送入家庭和用户。在电视机 上可加装一个机顶变换器(机顶盒),或在计算机上接了一个电缆调制解调器,就可以实现远程教学、 远程医疗、电子购物、上网、交互式电子游戏、可视电话、IP 电话、电子银行等功能。由此把人们 带入一个全新的信息化社会。
第一节. 光纤通信简史
----光纤通信是以光作为信息载体,以光纤作为传输媒介的通信方式。光纤通信技术是近 30 年迅 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。为 了使读者对光纤通信的发展历程有个基本了解,现将该技术的进程简要介绍如下。
(1)1966 年,英籍华人高锟 (C·K·Kao)预见利用玻璃可以制成衰减为 20dB/km 的通信光导纤维 (简称光纤)。当时,世界上最优秀的光学玻璃衰减达 l000dB/km 左右。1970 年,美国康宁公司首 先研制成衰减为 20dB/km 的光纤。从此,光纤就进入了实用化的发展阶段,世界各国纷纷开展光 纤通信的研究。
近年来出现的塑料光纤(POF)又称为聚合物光纤(Plastic optical fiber)。POF 性能价格比好, 因此为光纤到用户打开了大门 (FTTH)。当前,国际推荐的 IEEEl394 串行接口中, 是使用带屏蔽 的双金属线对 ( Shielded Twisted Pair, STP ), 速率虽然可以达 100Mb/s,但距离多在 4.5m 以内,有一定的局限性。另一种就是正在开始初步实用的塑料光纤,由于 POF 本身具有比 STP 更多 的优点,在家庭网和其他局域网的室内配线中受到了重视。