光纖通信發(fā)展歷程及原理簡介

1、通 信 材 料光 纖什么是通信？通信就是將信息從一方準(zhǔn)確安全地傳遞到另外一方，通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)信息準(zhǔn)確、安全、高效的傳遞的保障。從有記載的人類文明以來，通信技術(shù)獲得了長足的發(fā)展，并且發(fā)展速度越來越快。通信材料屬于功能材料，是為實(shí)現(xiàn)信息探測(cè)、傳輸、存儲(chǔ)、顯示和處理等功能使用的材料。人類通信技術(shù)的發(fā)展歷程通信技術(shù)的發(fā)展可分為如下四個(gè)階段：第一階段：借助器物和聲音傳遞信息階段。解放前我國云南景頗族就有把辣椒送給朋友表示自己遇到了很大的麻煩的器物信息傳遞模式。在文字發(fā)明之前人類通過手勢(shì)、表情來傳遞信息，信息在視距范圍。通過聲音實(shí)現(xiàn)超視距傳遞信息，但距離依然受到聲音傳播距離的影響。這個(gè)階段信息傳遞速度慢、

2、不精確。這種通信模式在當(dāng)時(shí)有十分成功的典范，如古代的“烽火”技術(shù)須臾間能把緊急軍情傳遞到千里之外。因其簡潔方便的特點(diǎn)，現(xiàn)代通信依然保留如旗語等簡便快捷的近距離通信模式。第二階段：借助文字傳遞信息階段。文字與印刷術(shù)發(fā)明后，信息可以通過書籍、書信、報(bào)紙、雜志等方式呈現(xiàn)。文字促進(jìn)了郵政業(yè)的發(fā)展，中國早在商代就有驛傳的通信方式，通過飛鴿、快馬等方式傳遞書信、情報(bào)；現(xiàn)代逐步演變成郵政系統(tǒng)。這種通信模式信息保持時(shí)間更長久，傳遞信息更加準(zhǔn)確，傳遞距離更加遠(yuǎn)，但傳遞速度慢、信息單一。第三階段：借助電子通信技術(shù)傳遞信息階段。隨著麥克斯韋發(fā)現(xiàn)電磁波、赫茲驗(yàn)證電磁理論催生電子技術(shù)，波波夫/ 馬可尼發(fā)明電報(bào)，促進(jìn)電報(bào)

3、業(yè)的發(fā)展，郵政系統(tǒng)通過電報(bào)能夠瞬間將文字傳遞到地球的任何一個(gè)地方。貝爾發(fā)明電話，實(shí)現(xiàn)萬里之外的實(shí)時(shí)聲音通信，進(jìn)一步縮短了人類相互溝通和交流的距離，是人類通信發(fā)展史上的重大里程碑。第四階段：借助互聯(lián)網(wǎng)與無線通信傳遞信息階段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子技術(shù)的飛速發(fā)展，信息共享和快速交換促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)的誕生，信息包括語音、圖像、視頻多種形式，每個(gè)人有機(jī)會(huì)在數(shù)據(jù)海洋中找到需要的資訊，進(jìn)行信息的分享和交流。上世紀(jì)70年代，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室推出蜂窩模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)開啟了個(gè)人移動(dòng)通信領(lǐng)域，移動(dòng)通信進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，2G 的GSM、CDMA通信技術(shù)、3G 的CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA 通信技術(shù)、4G

4、的LTE 技術(shù)，改變?nèi)藗兊纳罘绞?、豐富者人們的生活。光纖能干些什么？光纖能干些什么？光纖的應(yīng)用范圍很廣,光纖除了作通訊用途外,還可以用來制造內(nèi)窺鏡等醫(yī)療器材,光纖感應(yīng)器或光纖裝飾,交通,夜視 感測(cè)器度量測(cè)量和控制工程顯微鏡學(xué),顯微鏡學(xué),機(jī)器視覺,照明,成像,健康, 電荷耦合元件(CCD)汽車等.例如內(nèi) 視鏡,它是一根柔軟可彎曲且內(nèi)含數(shù)條光纖的管子.當(dāng)它滑入病人的嘴,鼻, 消化道及其它心臟等由體外看不到的地方時(shí),醫(yī)生便能由內(nèi)視鏡看到內(nèi)部變化, 而減少進(jìn)行冒險(xiǎn)性手術(shù)的需要. 光纖發(fā)展歷史1970年，康寧公司率先研制出了世界上第一根衰減低于20dB/km的石英玻璃光纖這個(gè)20dB/km的數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)

5、被認(rèn)為是光纖可用于通信的閾值，也是由高錕博士計(jì)算確定的，而當(dāng)時(shí)已有的玻璃光纖的衰減高達(dá)1000dB/km以上，因衰減太高, 不能用于通信。此后不久，也是在1970年，第一個(gè)半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)了室溫工作。這樣，光源和傳輸介質(zhì)問題的解決有望，全世界因此而雀躍！從此拉開了光纖研制和光纖通信研究的序幕，開始了現(xiàn)代光纖通信的發(fā)展。19761976年，美國貝爾研究所在亞特蘭大建成第一條光年，美國貝爾研究所在亞特蘭大建成第一條光纖通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。纖通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。19801980年，由多模光纖制成的商用光纜開始在市內(nèi)局年，由多模光纖制成的商用光纜開始在市內(nèi)局間中繼線和少數(shù)長途線路上采用。間中繼線和少數(shù)長途線路上采

6、用。19881988年，連接美國與英法之間的第一條橫跨大西洋年，連接美國與英法之間的第一條橫跨大西洋海底光纜敷設(shè)成功。海底光纜敷設(shè)成功。19781978年，中國自行研制出通信光纜，采用的是多模年，中國自行研制出通信光纜，采用的是多模光纖，纜心結(jié)構(gòu)為層絞式。光纖，纜心結(jié)構(gòu)為層絞式。19841984年以后，逐漸用于長途線路，并開始采用單模年以后，逐漸用于長途線路，并開始采用單模光纖。光纖。多模光纖的歷史與發(fā)展1971-1980年期間，是多模光纖的研究開發(fā)期。在此期間，國際上逐步淘汰了傳統(tǒng)的雙坩堝工藝，開發(fā)了MCVD、OVD、VAD、PCVD等四種化學(xué)汽相沉積預(yù)制棒新工藝；從多組分氧化物玻璃光纖轉(zhuǎn)向

7、石英玻璃光纖;研究了多模光纖傳輸理論與光纖設(shè)計(jì)，其中特別重要的是,開發(fā)了通過微分模時(shí)延（DMD）測(cè)量結(jié)果的分析來優(yōu)化預(yù)制棒工藝提高多模光纖帶寬的關(guān)鍵技術(shù); 進(jìn)行了多模光纖通信系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。 1980年的全球光纖年產(chǎn)量不足10萬km，100%是多模光纖1981-1995年期間，是多模光纖實(shí)用化并不斷增加新品種的發(fā)展期。1996-2002年期間，多模光纖研究與開發(fā)進(jìn)入了最新一個(gè)活躍期。在此期間, LAN系統(tǒng)向Gb/s以上的超高速率發(fā)展。IEEE于1998年6月通過了千兆比特以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn); 2002年6月剛剛通過了10Gb/s以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。光纖通訊發(fā)展的幾個(gè)階段第一階段第一階段(1966-1976(19

8、66-1976年年) )，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期。用的開發(fā)時(shí)期。第二階段第二階段(1976-1986(1976-1986年年) )，這是以提高傳輸速率和增，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。期。第三階段第三階段( (19861986年至今年至今) )，這是以超大容量超長距離，這是以超大容量超長距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時(shí)期。為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時(shí)期。光源光源放大器放大器光電二光電二極管極管判決器判決器光纖通信的優(yōu)點(diǎn)容許頻帶很寬，傳輸容量很大；容許頻帶很寬，傳

9、輸容量很大； 理論上理論上說一根頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖可以傳輸說一根頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖可以傳輸100100億話電路。目前億話電路。目前一根光纖傳輸一根光纖傳輸5050萬話電路（萬話電路（40Gb/s40Gb/s）試驗(yàn)成功。比電纜等高出）試驗(yàn)成功。比電纜等高出幾千幾十萬倍以上。幾千幾十萬倍以上。損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很??；損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很??； 光纖光纖的衰減系數(shù)極低（目前已達(dá)的衰減系數(shù)極低（目前已達(dá)0.25db/km0.25db/km以下）。中繼距離以下）。中繼距離可達(dá)可達(dá)100km. 100km. 重量輕，細(xì)、體積小重量輕，細(xì)、體積小; ; 直徑直徑一般為幾微米到幾十微米。相比

10、電纜輕一般為幾微米到幾十微米。相比電纜輕90%95%90%95%（是電（是電纜質(zhì)量的纜質(zhì)量的1/201/101/201/10），直徑不到電纜的），直徑不到電纜的1/5.1/5.抗電磁干擾性能好；抗電磁干擾性能好； 泄漏小，保密性能好；泄漏小，保密性能好； 節(jié)約金屬材料節(jié)約金屬材料, ,有利于資源合理使用。有利于資源合理使用。光纖的結(jié)構(gòu)光纖是一種高度透明的玻璃絲，由純石英經(jīng)復(fù)雜的工藝?yán)贫?。光纖中心部分(芯Core)同心圓狀包裹層(包層Clad)涂覆層特點(diǎn)：ncorenclad 光在芯和包層之間的界面上反復(fù)進(jìn)行全反射，并在光纖中傳遞下去。光纖加上涂覆層并按光纖加上涂覆層并按一定的結(jié)構(gòu)組成光纜一

11、定的結(jié)構(gòu)組成光纜光纖特性（一）光的性質(zhì)（一）光的性質(zhì)波動(dòng)性、粒子性波動(dòng)性、粒子性反射、折射、反射、折射、全反射全反射 干涉、衍射、干涉、衍射、偏振偏振 光的吸收、光的吸收、色散、散射色散、散射fc光密媒質(zhì)光疏媒質(zhì)光纖的種類（1 1）工作波長：紫外光纖、可觀光纖、近紅外光纖、）工作波長：紫外光纖、可觀光纖、近紅外光纖、紅外光纖。紅外光纖。（2 2）折射率分布：階躍（）折射率分布：階躍（SISI）型光纖、近階躍型光）型光纖、近階躍型光纖、漸變（纖、漸變（GIGI）型光纖、其它（如三角型、）型光纖、其它（如三角型、W W型、凹型、凹陷型等）。陷型等）。（3 3）傳輸模式：單模光纖（含偏振保持光纖、非

12、偏）傳輸模式：單模光纖（含偏振保持光纖、非偏振保持光纖）、多模光纖。振保持光纖）、多模光纖。華裔科學(xué)家高錕19221922年出生于上海年出生于上海19571957年在英國標(biāo)準(zhǔn)通信研究所從事科學(xué)研究工作年在英國標(biāo)準(zhǔn)通信研究所從事科學(xué)研究工作19661966年發(fā)表年發(fā)表光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)，因?yàn)檫@，因?yàn)檫@篇文章獲篇文章獲20092009年諾貝爾獎(jiǎng)年諾貝爾獎(jiǎng)19741974年至年至19861986年年, , 高銀博士在國際電話電報(bào)公司美高銀博士在國際電話電報(bào)公司美國總部任職國總部任職, , 先后擔(dān)任工程部主任、首席執(zhí)行科學(xué)家、先后擔(dān)任工程部主任、首席執(zhí)行科學(xué)家、以至科學(xué)研究總

13、裁以至科學(xué)研究總裁19871987年至年至19961996年香港中文大學(xué)校長，同年當(dāng)選中國年香港中文大學(xué)校長，同年當(dāng)選中國科學(xué)院外籍院士科學(xué)院外籍院士在光纖通訊技術(shù)方面獲得專利在光纖通訊技術(shù)方面獲得專利3131項(xiàng)出版專著四本，項(xiàng)出版專著四本，發(fā)表論文超過百余篇發(fā)表論文超過百余篇獲得眾多國際性大獎(jiǎng)獲得眾多國際性大獎(jiǎng)19761976年美國硅酸鹽學(xué)會(huì)年美國硅酸鹽學(xué)會(huì)MoreyMorey獎(jiǎng)，獎(jiǎng)，19771977年美國年美國FranklinFranklin研究所研究所Stewart Ballantine Stewart Ballantine 獎(jiǎng)。獎(jiǎng)。19781978美國美國IEEEIEEE授予授予mor

14、ris Liebmannmorris Liebmann紀(jì)念獎(jiǎng)紀(jì)念獎(jiǎng)世界各國國家級(jí)學(xué)術(shù)單位院士、會(huì)士、著名大學(xué)世界各國國家級(jí)學(xué)術(shù)單位院士、會(huì)士、著名大學(xué)博士等榮譽(yù)稱號(hào)博士等榮譽(yù)稱號(hào)美國國家工程院院士，英國皇家工程科學(xué)院院士，美國國家工程院院士，英國皇家工程科學(xué)院院士，瑞典皇家工程科學(xué)院外籍院士瑞典皇家工程科學(xué)院外籍院士20092009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)國內(nèi)光纖通信發(fā)展現(xiàn)狀摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器 光纖通信的原理一、光纖的傳輸特性二、光纖通信系統(tǒng)的組成三、M2M 系統(tǒng)安全措施光纖的傳輸特性1、損耗 光在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，光功率會(huì)越來越小，這種現(xiàn)象稱為光纖的傳輸損耗。

15、光纖的傳輸損耗是影響中繼距離的重要因素。吸收損耗和散射損耗是光纖本身的主要損耗。另外，耦合損耗是光源與光纖之間的損耗、連接損耗是光纖之間損耗等，這些都是光纖傳輸損耗的因素。為了實(shí)現(xiàn)低損耗傳輸，光纖有三個(gè)低損耗窗口：0.85um，1.31um，1.55um。況且隨著波長的增加，光纖的損耗會(huì)越來越小。2、色散 光脈沖信號(hào)經(jīng)光纖傳輸，到達(dá)輸出端會(huì)發(fā)生時(shí)間上的展寬，這種現(xiàn)象稱為色散。（1）產(chǎn)生原因：光脈沖信號(hào)的不同頻率成分不同模式，在光纖中傳輸時(shí)途徑不同，速度不同，到達(dá)終點(diǎn)所用時(shí)間不同，即群時(shí)延差引入了色散。（2）導(dǎo)致問題：信號(hào)波形畸變，表現(xiàn)為脈沖展寬，產(chǎn)生碼間干擾，增加誤碼率。限制帶寬，影響通信容量

16、和傳輸速率。（3）光纖的色散主要有模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散。（4）模式色散：不同模式的光傳輸途徑不同，速度不同所引起的色散。（5）材料色散：由于光纖材料本身的折射指數(shù)隨波長而變化引起的色散。（6）波導(dǎo)色散：光纖的幾何結(jié)構(gòu)不完善引起的色散。光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)由光發(fā)射端機(jī)、光纖、光中繼器和光接收端機(jī)組成，見下圖所示。 圖 1 光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成框圖1、光發(fā)射機(jī) 光發(fā)射機(jī)是實(shí)現(xiàn)電 / 光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。發(fā)端：首先由電發(fā)射機(jī)發(fā)出電信號(hào)，送給光發(fā)射機(jī)，光發(fā)射機(jī)完成電 / 光轉(zhuǎn)換。光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵部件是光源，光源的主要功能是完成電 / 光的轉(zhuǎn)換。目前光纖通信中常用的光源有：半導(dǎo)體激光二極管（L

17、D）和 半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管（LED）。由光發(fā)射機(jī)發(fā)出光信號(hào)以后送入光纖或者光纜進(jìn)行傳輸。2、光中繼器 由于光纖存在損耗和色散，光信號(hào)經(jīng)過一段距離傳輸后會(huì)發(fā)生衰減和失真，如果不及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，很可能無法繼續(xù)向前傳輸。有可能信號(hào)衰減掉了，有可能嚴(yán)重變形，總之，必須馬上進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)的辦法就是：對(duì)衰減的信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)失真的波形進(jìn)行修復(fù)，把波形重新整形到發(fā)送端的狀態(tài)。光纖通信中光中繼器的形式主要有兩種，一種是光 -電 - 光轉(zhuǎn)換形式的中繼器，另一種是在光信號(hào)上直接放大的光放大器。光 - 電 - 光轉(zhuǎn)換形式的中繼器：光中繼器需要先把光信號(hào)變成電信號(hào) ，對(duì)電信號(hào)再放大、再定時(shí)、再整形以后，通過這三個(gè)過程，得

18、到接近于發(fā)射端的光信號(hào)的復(fù)制，從而起到延長傳輸距離，提高信號(hào)質(zhì)量的效果。光放大器：光放大器能直接放大光信號(hào)，無需轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，對(duì)信號(hào)的格式和速率具有高度的透明性，使得整個(gè)光纖通信傳輸系統(tǒng)更加簡單和靈活。光放大器主要有半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器兩大類。3、光接收機(jī) 光接收機(jī)是實(shí)現(xiàn)光 / 電轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光檢測(cè)器和光放大器組成。收端：由光接收機(jī)把從光纖傳過來的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。光接收機(jī)的核心部件是光檢測(cè)器，光檢測(cè)器的主要功能是完成光電轉(zhuǎn)換。然后把電信號(hào)傳給電接收機(jī)。M2M M2M 系統(tǒng)安全措施在 M2M系統(tǒng)中，如果想要保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，就必須要全方位做好系統(tǒng)的安全防護(hù)措施，如果其中的任

19、意一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)漏洞，都會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，下面提出了幾點(diǎn)針對(duì) M2M系統(tǒng)所實(shí)施的安全措施.1 .基于身份識(shí)別的密碼系統(tǒng) 因?yàn)?M2M系統(tǒng)通常包含大量的物品，因此在對(duì)考慮到密鑰更新以及硬件成本的情況下，對(duì)稱式密鑰系統(tǒng)并非較好的安全措施。在 M2M系統(tǒng)中，因?yàn)樗O(shè)計(jì)的物品過多，如果使用密鑰進(jìn)行管理就容易導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到效能瓶頸，對(duì)整個(gè)M2M系統(tǒng)的運(yùn)行效率產(chǎn)生較大影響?；谏矸葑R(shí)別的密碼系統(tǒng)實(shí)在 1984 年由 Shamir 所提出的一種概念。這個(gè)概念能夠應(yīng)邀到 M2M系統(tǒng)中。在 M2M系統(tǒng)中，該技術(shù)通過為每個(gè)物品附加一個(gè)獨(dú)立的 ID，在任意物品之間需要進(jìn)行通信時(shí)，只需要知道對(duì)方的 ID 就

20、可以透過公用密鑰建立彼此之間的密鑰，保證通信的安全。2.成對(duì)監(jiān)督機(jī)制 通常情況下，傳感器的程序都是通過刻錄在 rom 里面進(jìn)行執(zhí)行的，因?yàn)閮?nèi)存只提供了讀取的權(quán)限，攻擊者不太可能對(duì)內(nèi)存進(jìn)行修改，因此，其要像對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行攻擊，通常是對(duì)節(jié)點(diǎn)的 rom 進(jìn)行修改，并讓修改后的 rom 程序在傳感器中執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的攻擊。要想解決這一問題，最好的辦法就是從節(jié)點(diǎn)的硬件入手，讓攻擊者無法對(duì) rom 進(jìn)行修改。在攻擊者對(duì) rom 進(jìn)行修改的過程中，被修改的這一節(jié)點(diǎn)就會(huì)處于癱瘓的狀態(tài)。通過在 M2M系統(tǒng)中應(yīng)用成對(duì)監(jiān)督機(jī)制來實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控，通過建立各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的相互監(jiān)督機(jī)制，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)在停止運(yùn)行后，

21、它所對(duì)應(yīng)的監(jiān)督節(jié)點(diǎn)就會(huì)做出響應(yīng)，并向數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行匯報(bào)，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)攻擊者修改 rom 這一威脅的防護(hù)。3 .錯(cuò)誤數(shù)據(jù)偵測(cè)過濾機(jī)制如果節(jié)點(diǎn)將錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心，就容易導(dǎo)致系統(tǒng)作出錯(cuò)誤的決策。因此，保證節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，數(shù)據(jù)服務(wù)中心在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理的過程中，需要對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)及附近的多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，因?yàn)猷徑墓?jié)點(diǎn)通常所采集的數(shù)據(jù)差異性較小，如果數(shù)據(jù)處理中心發(fā)現(xiàn)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)與鄰近節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值產(chǎn)生較大差異，那么該數(shù)據(jù)將被系統(tǒng)所過濾，從而保證各縣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為系統(tǒng)的決策提供準(zhǔn)確的依據(jù)。除了上述措施之外，針對(duì)一些客觀因素所

22、導(dǎo)致的M2M 系統(tǒng)安全問題，如供電故障、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障等問題，需要與電力、電信等多部門進(jìn)行聯(lián)合解決，從而保證 M2M系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。 圖 2 錯(cuò)誤數(shù)據(jù)偵測(cè)過濾機(jī)制光纖通信及光纖傳感技術(shù)1.1.光導(dǎo)纖維的工作原理光纖一般分為三層：中心高折射率玻璃芯，中間為低折射率硅玻璃包層，最外是加強(qiáng)用的涂覆層。光線在纖芯傳送，當(dāng)光纖射到纖芯和外層界面的角度大于產(chǎn)生全反射的臨界角時(shí)，光線透不過界面，會(huì)全部反射回來，使光纖在纖芯內(nèi)延其軸線方向，并束縛在其界面內(nèi)傳送。2.2.多光纖束光纖中光的傳播主要是通過纖芯和包層的共同作用來實(shí)現(xiàn)的。只要入射光纖的入射角合適，那么這束光線就會(huì)在光纖內(nèi)部不停地進(jìn)行全反射而傳向另一

23、端。單條光纖只能傳輸光信號(hào)，不能 傳輸圖像。但是，如果將許多跟光纖組合成一捆，也就是光纖束，就能夠?qū)⒁欢娣e范圍的圖像，分割成很多單元，每根光纖傳輸一個(gè)單元，將圖像從光纖束的一端傳送到光纖束的另一端。3.3.光纖通信技術(shù) 隨著光纖技術(shù)的快速發(fā)展，光纖通信也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。 現(xiàn)在， 光纖通信主要是向高速率大容量方面發(fā)展，將光纖的優(yōu)勢(shì)在通信系統(tǒng)的應(yīng)用中體現(xiàn)出來， 而且光纖通信在現(xiàn)在的生活中已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用。受電子遷移速率的限制，進(jìn)一步提高光纖頻帶的利用率， 通常采用光復(fù)用技術(shù)。（1 1）波分復(fù)技術(shù) 波分復(fù)用( WDM) 是指在一根光纖上同時(shí)傳輸多波長光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù). 其基本原理是在發(fā)送端將不

24、同波長的光信號(hào)組合( 復(fù)用) 起來,并耦合到光纖線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號(hào)分開( 解復(fù)用),并作進(jìn)一步處理,恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端。 典型的WDM 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案如圖所示。主要由五部分組成: 光發(fā)射模塊、光放大模塊、光接收模塊、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)等. 光發(fā)射模塊由激光器( LD)、調(diào)制器( Mod)、復(fù)用器、前置放大器( FA) 組成 光放大模塊LA為線路信號(hào)放大器光接收模塊由后置放大器( PA)、濾波器、光接收器( OR) 組成.（2 2）相干光通信技術(shù) 相干光通信是通過采用相移鍵控(PSK)調(diào)制、正交幅度調(diào)制(QAM )、偏分復(fù)用(PDM)調(diào)制，

25、正交頻分復(fù)用(OFDM)等高級(jí)調(diào)制方式，提高頻譜效率，從而提高系統(tǒng)的單信道傳輸速率和通信容量。相干通信系統(tǒng)由光發(fā)射機(jī)，單模光纖和光接收機(jī)三部分組成。4.4.光纖傳感技術(shù)的基本原理 光纖傳感就是利用外界待測(cè)信號(hào)對(duì)光纖中傳輸光波的特征參量進(jìn)行調(diào)制，然后再對(duì)調(diào)制后的光波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、解調(diào)獲得外界變量的一種技術(shù)。當(dāng)外界待測(cè)信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)使光纖中傳輸光波的物理特征參量，如強(qiáng)度、波長、相位和偏振態(tài)等發(fā)生改變，這個(gè)過程就是被測(cè)量對(duì)光波參量的調(diào)制。而解調(diào)是指光纖將經(jīng)過調(diào)制后的光波傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，將外界信號(hào)從光波中提取出來再進(jìn)行處理的過程。5.5.光纖傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)光纖傳感器微型化 光纖傳感器

26、的微型化是指相對(duì)于傳統(tǒng)的光纖傳感器，需要進(jìn)一步降低器件尺寸，尤其是傳感頭尺寸以適應(yīng)特殊的應(yīng)用環(huán)境。 光纖作為光信號(hào)傳輸?shù)妮d體，本身具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能屏蔽外界環(huán)境因素的影響。當(dāng)將光纖用于傳感時(shí)，必須使在其中傳輸?shù)墓獠ㄅc外界環(huán)境發(fā)生相互作用，對(duì)光波產(chǎn)生調(diào)制以感測(cè)環(huán)境參量的變化。為提高靈敏度，人們利用一些新型結(jié)構(gòu)的光纖，如光子晶體光纖、微結(jié)構(gòu)光纖等制作傳感器。由于它們具有空氣孔的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過加工后可以制備出高靈敏度的壓力、溫度、折射率等光纖傳感器。（1 1）化學(xué)刻蝕微結(jié)構(gòu)光纖傳感器 普通的通信單模光纖是由熔融石英玻璃拉制而成，具有很好的耐酸堿特性，只能被氫氟酸（HF）所腐蝕。利用這一特性可對(duì)光纖

27、進(jìn)行濕法刻蝕來制備新型的光纖傳感器。 光纖布拉格光柵（FBG)通常用于溫度和應(yīng)變的測(cè)量，光在其中傳播時(shí)被限制在纖芯內(nèi)，所以它對(duì)環(huán)境折射率的變化不敏感，無法用于折射率傳感。如果利用HF 酸將 FBG外的光纖包層腐蝕掉，使傳輸光波的消逝場(chǎng)延伸到環(huán)境中，與外界環(huán)境產(chǎn)生相互作用，便可以制備出對(duì)折射率敏感的 FBG 傳感器。(2)(2)光子晶體光纖傳感器 光子晶體光纖又被稱為微結(jié)構(gòu)光纖或多孔光纖，是一種沿軸向均勻排列著氣孔的石英光纖。光子晶體光纖將微米級(jí)結(jié)構(gòu)引入光纖剖面設(shè)計(jì)中，依靠微結(jié)構(gòu)不同于一般均勻石英光纖的導(dǎo)光特性，使得它在光纖傳感領(lǐng)域具有傳統(tǒng)石英光纖不具備的優(yōu)良特性。 飛秒激光微加工技術(shù)可以直接在

28、光子晶體光纖側(cè)面制作出微通道，將光纖中的空氣孔與外界環(huán)境連通起來，從而使環(huán)境中的氣體或液體進(jìn)入到光纖微孔內(nèi)進(jìn)行傳感。如圖所示，是在兩種光子晶體光纖上制備出的微通道。這種精確可控的微加工技術(shù)在基于光纖的微流控器件制備中將發(fā)揮重要作用。（3 3）光纖熔錐干涉儀傳感器 光纖熔錐是一種截面直徑沿光纖軸向逐漸變小再恢復(fù)的無源結(jié)構(gòu)，包括兩端的漸變區(qū)和中間的錐腰區(qū)，通常采用火焰加熱、激光聚焦、電弧放電等手段使光纖熔融后拉制而成。改變拉錐的速度、加熱區(qū)長度及拉錐時(shí)的溫度可得到不同形貌和性質(zhì)的熔錐。光纖熔錐本身就是一個(gè)模式耦合器件，可使光纖中不同模式之間的能量發(fā)生交換，由于模式之間的有效折射率是不同的，多個(gè)模式

29、經(jīng)過一定距離的傳輸，相互之間會(huì)產(chǎn)生相位差，一旦滿足相位匹配條件，便能形成干涉。利用這一性質(zhì)制成干涉?zhèn)鞲袃x。 現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為日常生活必不可少的東西。實(shí)現(xiàn)國際之間的信息傳輸需要一種特殊的信息通訊材料制成物海底電纜。海底電（光電復(fù)合）纜主要應(yīng)用于海底或水底，除了本身要承擔(dān)電和光的傳輸外，還必須具有防水、防腐、防蝕、抗拉、抗壓等特性。無論是設(shè)計(jì)和制造，還是運(yùn)輸和施工，海底電（光電復(fù)合）纜的難度和復(fù)雜度均遠(yuǎn)高于其它電纜產(chǎn)品，因此海底電（光電復(fù)合）纜工程被世界各國公認(rèn)為是一項(xiàng)難度較高、復(fù)雜度較大的工程。 圖為海底電纜的維護(hù)如此重要的通訊材料制品如何降低高昂的維護(hù)成本，亦或是減少它

30、損壞的幾率，是世界各國盡心竭力研究的主題。目前用于海底的光纖比陸地光纜所用的光纖有更高的要求: 損耗低、強(qiáng)度高、制造長度長, 而且要求光纜25 年壽命期間內(nèi)光性能穩(wěn)定、可靠。那么現(xiàn)在主要的光纖結(jié)構(gòu)和運(yùn)用材料是什么呢？其實(shí)海底光纜有很多種結(jié)構(gòu)及材料，各自有各自的優(yōu)點(diǎn)。海底光纜用光纖根據(jù)系統(tǒng)要求可選擇C.6 52、G.6 53、G.65 4、G.6 5 等類型, 光纖強(qiáng)度一般應(yīng)達(dá)2%。各種光纖材料特點(diǎn)如下:(1)G.6 5 2 非色散位移單模光纖, 一般用于1 3 or n m 區(qū)域, 也可用于1 5 5 On m , 根據(jù)鏈路長度和比特速率, 在1 5 5 0 n m 區(qū)域選用色散補(bǔ)償光纖進(jìn)行調(diào)

31、節(jié)。有專門用于海底光纜通信系統(tǒng)的G.6 52 類光纖。(2)G.65 3 用于1 5 5 On m 區(qū)域單信道傳輸, 其1 5 5 0 n m 區(qū)域損耗及色散均很小。(3)G.65 4 又稱純硅芯光纖, 其1 5 5 0 n m 波長光纖衰減最低, 特別適于大長度海底通信系統(tǒng)。( 4) G.65 5 用于1 5 5 0 n m 區(qū)域多信道傳輸, 目前在海底光纜通信系統(tǒng)中使用較多。 當(dāng)前海底的結(jié)構(gòu)一般由光纖單元、抗壓管、護(hù)層、愷裝層和處被層組成。光纖單元在結(jié)構(gòu)上分緊套結(jié)構(gòu)和松套結(jié)構(gòu)。一直以來, 海底光纜結(jié)構(gòu)上都是緊套光纜和松套光纜并存。緊套結(jié)構(gòu)主要采用的是彈性體埋人式, 光纖的芯數(shù)一般不太多, 多為數(shù)芯至十幾芯; 而松套結(jié)構(gòu)主要有中心管式、層絞式和骨架式。中心管式光纜結(jié)構(gòu)簡單、制造容易, 光纜受到拉、壓、彎、沖擊等機(jī)械外力時(shí), 因光纖處于零應(yīng)變線上, 故其可受到極好的保護(hù), 目前最多可達(dá)9 6 芯。層絞式可容納較多的光纖芯數(shù)