光纖通信基礎(chǔ)知識(shí)

光纖通信基礎(chǔ)知識(shí)作者：吳寶林

(FiberHandbookTechnologyData)廣東中人網(wǎng)絡(luò)發(fā)展有限公司目錄一、光纖通信的概念二、光纖通信發(fā)展簡(jiǎn)史三、光纖通信的優(yōu)缺點(diǎn)四、光纖通信的應(yīng)用五、光纖通信系統(tǒng)的組成一、光纖通信的概念

光通信是指以光作為信息載體而實(shí)現(xiàn)的通信方式。按傳輸介質(zhì)的不同，可分為大氣激光通信和光纖通信，大氣激光通信是利用大氣作為傳輸介質(zhì)的激光通信。光纖通信是以光波作為信息載體，以光導(dǎo)纖維（光纖）作為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。光纖通信技術(shù)是30年來(lái)迅猛發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，給世界通信技術(shù)乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防事業(yè)和人民生活帶來(lái)了巨大變革。

光波是一種電磁波（電磁波分長(zhǎng)波、中波、短波、超短波、微波、紅外光、可見(jiàn)光、紫外光、X射線等），光纖通信所用的波長(zhǎng)位于近紅外光區(qū)，工作波長(zhǎng)是800—1600nm,可見(jiàn)光的波長(zhǎng)是350nm—750nm,目前電信網(wǎng)用的工作波長(zhǎng)是1310nm和1550nm兩種波長(zhǎng),也就是兩種工作窗口。一、光纖通信的概念電磁波譜1cm1mm100um10um1um100nm10nm1nmλ波長(zhǎng)10G100G1T10T100T10^1510^1610^17f(Hz)1.6um1.51.41.31.21.11.0um900800700600nm光通信使用范圍紅外線紫外線二、光通信發(fā)展簡(jiǎn)史2000多年前，中國(guó)古代開(kāi)始用“烽火臺(tái)”報(bào)警，這是一種目視光通信。1880年貝爾發(fā)明了一種利用光波作載波傳輸話音信息的“光電話”，他用可見(jiàn)光在數(shù)百米的距離上以無(wú)線方式進(jìn)行了傳輸話音的“光電話”實(shí)驗(yàn)。然而受到當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，這種形式的光通信一直未能發(fā)展到實(shí)用階段。究其原因有二：一是沒(méi)有可靠的、高強(qiáng)度的光源；二是沒(méi)有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸介質(zhì)。在此后的幾十年間未能突破，直到1960年才有實(shí)質(zhì)性發(fā)展。二、光通信發(fā)展簡(jiǎn)史1960年，美國(guó)人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器，給光通信帶來(lái)了新的希望，和普通光相比，激光具有波譜寬度窄，方向性極好，亮度極高，以及頻率和相位較一致的良好特性。二、光通信發(fā)展簡(jiǎn)史二、光通信發(fā)展簡(jiǎn)史

1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了利用光纖(OpticalFiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑。1970年，光纖研制取得了重大突破。美國(guó)康寧(Corning)公司就研制成功損耗20dB/km的石英光纖。1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km。1973年，美國(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室取得了更大成績(jī)，光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。1976年，日本電報(bào)電話(NTT)公司等單位將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長(zhǎng)1.2μm)。二、光纖通信發(fā)展簡(jiǎn)史

1976年日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.3μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器，1979年美國(guó)電報(bào)電話(AT&T)公司和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.55μm的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使1970年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。1976年年，，美美國(guó)國(guó)在在亞亞特特蘭蘭大大(Atlanta)進(jìn)進(jìn)行行了了世世界界上上第第一一個(gè)個(gè)實(shí)實(shí)用用光光纖纖通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)的的現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)試試驗(yàn)驗(yàn)，，系系統(tǒng)統(tǒng)采采用用GaAlAs激激光光器器作作光光源源，，多多模模光光纖纖作作傳傳輸輸介介質(zhì)質(zhì)，，速速率率為為44.7Mb/s，，傳傳輸輸距距離離約約10km。。1980年年，，美美國(guó)國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)化化FT-3光光纖纖通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)投投入入商商業(yè)業(yè)應(yīng)應(yīng)用用，，系系統(tǒng)統(tǒng)采采用用漸漸變變型型多多模模光光纖纖，，速速率率為為44.7Mb/s。。隨隨后后美美國(guó)國(guó)很很快快敷敷設(shè)設(shè)了了東東西西干干線線和和南南北北干干線線，，穿穿越越22個(gè)個(gè)州州光光纜纜總總長(zhǎng)長(zhǎng)達(dá)達(dá)5××104km。。二、、光光通通信信發(fā)發(fā)展展簡(jiǎn)簡(jiǎn)史史1976年年和和1978年年，，日日本本先先后后進(jìn)進(jìn)行行了了速速率率為為34Mb/s，，傳傳輸輸距距離離為為64km的的突突變變型型多多模模光光纖纖通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)，，以以及及速速率率為為100Mb/s的的漸漸變變型型多多模模光光纖纖通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)的的試試驗(yàn)驗(yàn)。。1983年年敷敷設(shè)設(shè)了了縱縱貫貫日日本本南南北北的的光光纜纜長(zhǎng)長(zhǎng)途途干干線線，，全全長(zhǎng)長(zhǎng)3400km，，初初期期傳傳輸輸速速率率為為400Mb/s，，后后來(lái)來(lái)擴(kuò)擴(kuò)容容到到1.6Gb/s。。由美美、、日日、、英英、、法法發(fā)發(fā)起起的的第第一一條條橫橫跨跨大大西西洋洋TAT-8海海底底光光纜纜通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)于于1988年年建建成成，，全全長(zhǎng)長(zhǎng)6400km；；第一一條條橫橫跨跨太太平平洋洋TPC-3/HAW-4海海底底光光纜纜通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)于于1989年年建建成成，，全全長(zhǎng)長(zhǎng)13200km。。從從此此，，海海底底光光纜纜通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)的的建建設(shè)設(shè)得得到到了了全全面面展展開(kāi)開(kāi)，，促促進(jìn)進(jìn)了了全全球球通通信信網(wǎng)網(wǎng)的的發(fā)發(fā)展展。。二、、光光通通信信發(fā)發(fā)展展簡(jiǎn)簡(jiǎn)史史國(guó)內(nèi)內(nèi)外外光光纖纖通通信信發(fā)發(fā)展展的的現(xiàn)現(xiàn)狀狀光纖纖:多多模模單單模模，，工作作波波長(zhǎng)長(zhǎng):0.85μμm1.31μμm和和1.55μμm，，傳輸輸速速率率:幾幾十十Mb/s幾幾十十Gb/s。。應(yīng)用用范范圍圍:市市話話局局間間中中繼繼長(zhǎng)長(zhǎng)途途干干線線用用戶戶接接入入網(wǎng)網(wǎng)數(shù)字電電話有有線電電視(CATV)單一類類型信信息的的傳輸輸多多種種業(yè)務(wù)務(wù)的傳傳輸。。目前光光纖已已成為為信息息寬帶帶傳輸輸?shù)闹髦饕矫劫|(zhì)，，光纖纖通信信系統(tǒng)統(tǒng)將成成為未未來(lái)國(guó)國(guó)家信信息基基礎(chǔ)設(shè)設(shè)施的的支柱柱。二、光光通信信發(fā)展展簡(jiǎn)史史三、光光纖通通信的的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)1、頻頻帶寬寬，通通信容容量大大。2、損損耗低低，中中繼距距離長(zhǎng)長(zhǎng)。3、抗抗電磁磁干擾擾。4、無(wú)無(wú)串音音干擾擾，保保密性性好。。5、光光纖線線徑細(xì)細(xì)、重重量輕輕、柔柔軟。。6、光光纖的的原材材料資資源豐豐富，，用光光纖可可節(jié)約約金屬屬材料料。1、頻頻帶寬寬，通通信容容量大大光纖可可利用用的帶帶寬約約為50000GHz，，1987年投投入使使用的的1.7Gb/s光光纖通通信系系統(tǒng)，，一對(duì)對(duì)光纖纖能同同時(shí)傳傳輸24192路電電話，，2.4Gb/s系系統(tǒng)，，能同同時(shí)傳傳輸30000多路路電話話。頻頻帶寬寬，對(duì)對(duì)于傳傳輸各各種寬寬頻帶帶信息息具有有十分分重要要的意意義，，否則則，無(wú)無(wú)法滿滿足未未來(lái)寬寬帶綜綜合業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)數(shù)字網(wǎng)網(wǎng)(B-ISDN)發(fā)展展的需需要。。2、損損耗低低，中中繼距距離長(zhǎng)長(zhǎng)目前實(shí)實(shí)用石石英光光纖的的損耗耗可低低于0.2dB/km，，比其其它任任何傳傳輸介介質(zhì)的的損耗耗都低低，若若將來(lái)來(lái)采用用非石石英系系極低低損耗耗光纖纖，其其理論論分析析損耗耗可下下降至至10-9dB/km。由由于光光纖的的損耗耗低，，所以以能實(shí)實(shí)現(xiàn)中中繼距距離長(zhǎng)長(zhǎng)，由由石英英光纖纖組成成的光光纖通通信系系統(tǒng)最最大中中繼距距離可可達(dá)200多千千米，，由非非石英英系極極低損損耗光光纖組組成的的通信信系統(tǒng)統(tǒng)，其其最大大中繼繼距離離則可可達(dá)數(shù)數(shù)千甚甚至數(shù)數(shù)萬(wàn)千千米，，這對(duì)對(duì)于降降低海海底通通信的的成本本、提提高可可靠性性和穩(wěn)穩(wěn)定性性具有有特別別的意意義。。3、抗電電磁干擾擾光纖是絕絕緣體材材料，它它不受自自然界的的雷電干干擾、電電離層的的變化和和太陽(yáng)黑黑子活動(dòng)動(dòng)的干擾擾，也不不受電氣氣化鐵路路饋電線線和高壓壓設(shè)備等等工業(yè)電電器的干干擾，還還可用它它與高壓壓輸電線線平行架架設(shè)或與與電力導(dǎo)導(dǎo)體復(fù)合合構(gòu)成復(fù)復(fù)合光纜纜。4、無(wú)串串音干擾擾，保密密性好光波在光光纜中傳傳輸，很很難從光光纖中泄泄漏出來(lái)來(lái)，即使使在轉(zhuǎn)彎彎處，彎彎曲半徑徑很小時(shí)時(shí)，漏出出的光波波也十分分微弱，，若在光光纖或光光纜的表表面涂上上一層消消光劑效效果更好好，這樣樣，即使使光纜內(nèi)內(nèi)光纖總總數(shù)很多多，也可可實(shí)現(xiàn)無(wú)無(wú)串音干干擾，在在光纜外外面，也也無(wú)法竊竊聽(tīng)到光光纖中傳傳輸?shù)男判畔ⅰ?、光纖線徑徑細(xì)、重重量輕、、柔軟光纖的芯芯徑很細(xì)細(xì)，約為為0.1mm，，它只有有單管同同軸電纜纜的百分分之一；；光纜的的直徑也也很小，，8芯光光纜的橫橫截面直直徑約為為10mm，而而標(biāo)準(zhǔn)同同軸電纜纜為47mm。。利用光光纖這一一特點(diǎn)，，使傳輸輸系統(tǒng)所所占空間間小，解解決地下下管道擁?yè)頂D的問(wèn)問(wèn)題，節(jié)節(jié)約地下下管道建建設(shè)投資資。此外外，光纖纖的重量量輕，光光纜的重重量比電電纜輕得得多，例例如18管同軸軸電纜1m的重重量為11kg，而同同等容量量的光纜纜1m重重只有90g，，這對(duì)于于在飛機(jī)機(jī)、宇宙宙飛船和和人造衛(wèi)衛(wèi)星上使使用光纖纖通信更更具有重重要意義義。6、光纖纖的原材材料資源源豐富，，用光纖纖可節(jié)約約金屬材材料光纖的材材料主要要是石英英(二氣氣化硅)，地球球上有取取之不盡盡用之不不竭的原原材料，，而電纜纜的主要要材料是是銅，世世界上銅銅的儲(chǔ)藏藏量并不不多，用用光纖取取代電纜纜，則可可節(jié)約大大量的金金屬材料料，具有有合理使使用地球球資源的的重大意意義。光光纖除具具有以上上突出的的優(yōu)點(diǎn)外外，還具具有耐腐腐蝕力強(qiáng)強(qiáng)、抗核核幅射、、能源消消耗小等等優(yōu)點(diǎn)，，其缺點(diǎn)點(diǎn)是質(zhì)地地脆、機(jī)機(jī)械強(qiáng)度度低，連連接比較較困難，，分路、、耦合不不方便，，彎曲半半徑不宜宜太小等等。這些些缺點(diǎn)在在技術(shù)上上都是可可以克服服的，它它不影響響光纖通通信的實(shí)實(shí)用。近近年來(lái)，，光纖通通信發(fā)展展很快，，它已深深刻地改改變了電電信網(wǎng)的的面貌，，成為現(xiàn)現(xiàn)代信息息社會(huì)最最堅(jiān)實(shí)的的基礎(chǔ)，，并向我我們展現(xiàn)現(xiàn)了無(wú)限限美好的的未來(lái)。。三、、光光纖纖通通信信的的缺缺點(diǎn)點(diǎn)光纖纖彎彎曲曲半半徑徑不不宜宜過(guò)過(guò)小?。?；光纖纖的的切切斷斷和和連連接接操操作作相相對(duì)對(duì)復(fù)復(fù)雜雜；；分路路、、耦耦合合相相對(duì)對(duì)麻麻煩煩。。四、、光光纖纖通通信信的的應(yīng)應(yīng)用用光纖纖可可以以傳傳輸輸數(shù)數(shù)字字信信號(hào)號(hào)，，也也可可以以傳傳輸輸模模擬擬信信號(hào)號(hào)。。光光纖纖通通信信的的各各種種應(yīng)應(yīng)用用可可概概括括如如下下：：①通信信網(wǎng)網(wǎng)，包包括括全全球球通通信信網(wǎng)網(wǎng)(如如橫橫跨跨大大西西洋洋和和太太平平洋洋的的海海底底光光纜纜和和跨跨越越歐歐亞亞大大陸陸的的洲洲際際光光纜纜干干線線)、、各各國(guó)國(guó)的的公公共共電電信信網(wǎng)網(wǎng)(如如我我國(guó)國(guó)的的國(guó)國(guó)家家一一級(jí)級(jí)干干線線、、各各省省二二級(jí)級(jí)干干線線和和縣縣以以下下的的支支線線)、、各各種種專專用用通通信信網(wǎng)網(wǎng)(如如電電力力、、鐵鐵道道、、國(guó)國(guó)防防等等部部門門通通信信、、指指揮揮、、調(diào)調(diào)度度、、監(jiān)監(jiān)控控的的光光纜纜系系統(tǒng)統(tǒng))、、特特殊殊通通信信手手段段(如如石石油油、、化化工工、、煤煤礦礦等等部部門門易易燃燃易易爆爆環(huán)環(huán)境境下下使使用用的的光光纜纜，，以以及及飛飛機(jī)機(jī)、、軍軍艦艦、、潛潛艇艇、、導(dǎo)導(dǎo)彈彈和和宇宇宙宙飛飛船船內(nèi)內(nèi)部部的的光光纜纜系系統(tǒng)統(tǒng))。。四、、光光纖纖通通信信的的應(yīng)應(yīng)用用②因特特網(wǎng)網(wǎng)的計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)局局域域網(wǎng)網(wǎng)和和廣廣域域網(wǎng)網(wǎng)，，如如光光纖纖以以太太網(wǎng)網(wǎng)、、路路由由器器之之間間的的光光纖纖高高速速傳傳輸輸鏈鏈路路。。③③有線線電電視視網(wǎng)網(wǎng)的干干線線和和分分配配網(wǎng)網(wǎng)；；工工業(yè)業(yè)電電視視系系統(tǒng)統(tǒng)，，如如工工廠廠、、銀銀行行、、商商場(chǎng)場(chǎng)、、交交通通和和公公安安部部門門的的監(jiān)監(jiān)控控；；自自動(dòng)動(dòng)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)傳傳輸輸。。④綜合合業(yè)業(yè)務(wù)務(wù)光光纖纖接接入入網(wǎng)網(wǎng)，分分為為有有源源接接入入網(wǎng)網(wǎng)和和無(wú)無(wú)源源接接入入網(wǎng)網(wǎng)，，可可實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)電電話話、、數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)、、視視頻頻(會(huì)會(huì)議議電電視視、、可可視視電電話話等等)及及多多媒媒體體業(yè)業(yè)務(wù)務(wù)綜綜合合接接入入核核心心網(wǎng)網(wǎng)，，提提供供各各種種各各樣樣的的社社區(qū)區(qū)服服務(wù)務(wù)。。光纖通通信系系統(tǒng)的的組成成光纖通通信系系統(tǒng)的的基本本構(gòu)成成信號(hào)光發(fā)射機(jī)光源中繼器檢測(cè)器光接收機(jī)信號(hào)電E/光O轉(zhuǎn)換光纖光O/電E轉(zhuǎn)換發(fā)送單元傳輸單元接收單元連接器件上圖中中的結(jié)結(jié)構(gòu)主主要由由3部部分組組成：：光發(fā)發(fā)射機(jī)機(jī)、光光纖光光纜和和光接接收機(jī)機(jī)。由由于光光纖只只能傳傳光信信號(hào)不不能傳傳電信信號(hào)，，因此此，這這種通通信系系統(tǒng)在在發(fā)送送端必必須先先把電電信號(hào)號(hào)變成成光信信號(hào)，，在接接收端端再把把光信信號(hào)變變?yōu)殡婋娦盘?hào)號(hào)，即即電/光和和光/電變變換。。其電電/光光和光光/電電變換換的基基本方方式是是直接接強(qiáng)度度調(diào)制制和直直接檢檢波。。也就就是說(shuō)說(shuō)在發(fā)發(fā)送端端對(duì)電電信號(hào)號(hào)直接接調(diào)制制成光光信號(hào)號(hào)進(jìn)行行發(fā)射射，在在接收收端直直接對(duì)對(duì)光進(jìn)進(jìn)行檢檢波再再轉(zhuǎn)換換成電電信號(hào)號(hào)。光纖通通信系系統(tǒng)的的組成成1.光光發(fā)發(fā)射機(jī)機(jī)（光光端機(jī)機(jī)）光發(fā)射射機(jī)的的功能能是把把輸入入電信信號(hào)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為為光信信號(hào)，，并用用耦合合技術(shù)術(shù)把光光信號(hào)號(hào)最大大限度度地注注入光光纖線線路。。光發(fā)射射機(jī)由由光源源、驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)器和和調(diào)制制器組組成，，光源源是光光發(fā)射射機(jī)的的核心心。目前廣廣泛使使用的的光源源有半半導(dǎo)體體發(fā)光光二極極管(LED)和半半導(dǎo)體體激光光二極極管(或稱稱激光光器)(LD)，以以及及譜線線寬度度很小小的動(dòng)動(dòng)態(tài)單單縱模模分布布反饋饋(DFB)激激光器器。有有些場(chǎng)場(chǎng)合也也使用用固體體激光光器，，例如如大功功率的的摻釹釹釔鋁鋁石榴榴石(Nd:YAG)激光光器。。光發(fā)射射機(jī)把把電信信號(hào)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為為光信信號(hào)的的過(guò)程程(簡(jiǎn)簡(jiǎn)稱為為電/光光或E/O轉(zhuǎn)換換)，是是通過(guò)過(guò)電信信號(hào)對(duì)對(duì)光的的調(diào)制制實(shí)現(xiàn)現(xiàn)的。。目前采采用直接調(diào)調(diào)制方方式，，用電電信號(hào)號(hào)直接接調(diào)制制半導(dǎo)導(dǎo)體激激光器器或發(fā)發(fā)光二二極管管的驅(qū)驅(qū)動(dòng)電電流，，使輸輸出光光隨電電信號(hào)號(hào)變化化而實(shí)實(shí)現(xiàn)的的。這這種種方案案技術(shù)術(shù)簡(jiǎn)單單，成成本本較低低，容容易實(shí)實(shí)現(xiàn)，，但調(diào)調(diào)制速速率受受激光光器的的頻率率特性性所限限制。。1.光光發(fā)發(fā)射機(jī)機(jī)（光光端機(jī)機(jī)）光端機(jī)機(jī)的圖圖例-DC48V+2M：出4出3出2出1音頻接口光發(fā)光收2M：入4入3入2入1數(shù)據(jù)接口...GD/MF8HS-IIIC后面板圖GD/MF8HS-IIIC上蓋板圖電源失步2M中斷環(huán)回呼叫截鈴收無(wú)光誤碼對(duì)告光端機(jī)機(jī)的正正面圖圖片1.光光發(fā)發(fā)射機(jī)機(jī)（光光端機(jī)機(jī)）光端機(jī)機(jī)的背背面圖圖片1.光光發(fā)發(fā)射機(jī)機(jī)（光光端機(jī)機(jī)）2.光光纖纖線路路光纖線線路的的功能能是把把來(lái)自自光發(fā)發(fā)射機(jī)機(jī)的光光信號(hào)號(hào)，以以盡可可能小小的畸畸變(失真真)和和衰減減傳輸輸?shù)焦夤饨邮帐諜C(jī)。。光纖纖線路路由光纖、、光纖纖接頭頭和光光纖連連接器器組成。。光纖纖是光光纖線線路的的主體體，接接頭和和連接接器是是不可可缺少少的器器件。。實(shí)際際工程程中使使用的的是容容納許許多根根光纖纖的光纜。對(duì)光纖纖的基基本要要求:損耗和和色散散小，，機(jī)機(jī)械特特性和和環(huán)境境特性性好.例如，，在不不可避避免的的應(yīng)力力作用用下和和環(huán)境境溫度度改變變時(shí)，，保持持傳輸輸特性性穩(wěn)定定。目前使使用的的石英英光纖纖有多模光光纖和單模光光纖，單模模光纖纖的傳傳輸特特性比比多模模光纖纖好，，價(jià)格格比多多模光光纖便便宜，，因而而得到到更廣廣泛的的應(yīng)用用。單模光光纖配配合半導(dǎo)體體激光光器，適合合大容容量長(zhǎng)長(zhǎng)距離離光纖纖傳輸輸系統(tǒng)統(tǒng)，而而小容容量短短距離離系統(tǒng)統(tǒng)用多多模光光纖配配合半導(dǎo)體體發(fā)光光二極極管更加合合適。。常用連