一、光纖通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介
光纖通信系統(tǒng)是以光為載波,利用純度極高的玻璃拉制成極細(xì)的光導(dǎo)纖維作為傳輸媒介,通過(guò)光電變換,用光來(lái)傳輸信息的通信系統(tǒng)。隨著國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和通信業(yè)的飛速發(fā)展,信息化給世界生產(chǎn)力和人類社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)了極大的推動(dòng)。光纖通信作為信息化的主要技術(shù)支柱之一,必將成為21世紀(jì)最重要的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。
二、光纖通信系統(tǒng)特點(diǎn)
?、僭趩挝粫r(shí)間內(nèi)能傳輸?shù)男畔⒘看蟆?0年代初光纖通信的實(shí)用水平的信息率為2.488Gbit/s,即一對(duì)單模光纖可同時(shí)開通35000個(gè)電話,而且它還在飛速發(fā)展;
?、诮?jīng)濟(jì)。光纖通信的建設(shè)費(fèi)用隨著使用數(shù)量的增大而降低;
?、垠w積小、重量輕,施工和維護(hù)等都比較方便;
?、苁褂媒饘偕?,抗電磁干擾、抗輻射性強(qiáng),保密性好等。
三、光纖通信系統(tǒng)基本構(gòu)成
?。?)光發(fā)信機(jī)
光發(fā)信機(jī)是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。其功能是將來(lái)自于電端機(jī)的電信號(hào)對(duì)光源發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制,成為已調(diào)光波,然后再將已調(diào)的光信號(hào)耦合到光纖或光纜去傳輸。電端機(jī)就是常規(guī)的電子通信設(shè)備。
?。?)光收信機(jī)
光收信機(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。其功能是將光纖或光纜傳輸來(lái)的光信號(hào),經(jīng)光檢測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),然后,再將這微弱的電信號(hào)經(jīng)放大電路放大到足夠的電平,送到接收端的電端汲去。
?。?)光纖或光纜
光纖或光纜構(gòu)成光的傳輸通路。其功能是將發(fā)信端發(fā)出的已調(diào)光信號(hào),經(jīng)過(guò)光纖或光纜的遠(yuǎn)距離傳輸后,耦合到收信端的光檢測(cè)器上去,完成傳送信息任務(wù)。
?。?)中繼器
中繼器由光檢測(cè)器、光源和判決再生電路組成。它的作用有兩個(gè):一個(gè)是補(bǔ)償光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)受到的衰減;另一個(gè)是對(duì)波形失真的脈沖近行整形。
由于光纖或光纜的長(zhǎng)度受光纖拉制工藝和光纜施工條件的限制,且光纖的拉制長(zhǎng)度也是有限度的(如1Km)。因此一條光纖線路可能存在多根光纖相連接的問(wèn)題。于是,光纖間的連接、光纖與光端機(jī)的連接及耦合,對(duì)光纖連接器、耦合器等無(wú)源器件的使用是必不可少的。
常規(guī)的光纖通信系統(tǒng)系指發(fā)送端對(duì)光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制,接收端用光電檢測(cè)器對(duì)收到的光信號(hào)進(jìn)行直接檢測(cè)(IM/DD)的系統(tǒng),又稱強(qiáng)度調(diào)制直接栓波光纖通信系統(tǒng),它是90年代初實(shí)際使用主。其基本結(jié)構(gòu)以2.488Gbit/s系統(tǒng)為例,如圖2所示。
圖的左方為發(fā)送端電的時(shí)分復(fù)用器,它把輸入的155Mbit/s的數(shù)字信號(hào)復(fù)合為2.488Gbit/s的信號(hào)。該信號(hào)直接強(qiáng)度調(diào)制一只分布反饋激光器,再將已調(diào)光輸出傳送給單模光纖。圖的右方先由光一電檢測(cè)器把已調(diào)光直接檢測(cè),得出2.488Gbit/S的數(shù)字信號(hào),再經(jīng)時(shí)分解復(fù)器得出一組155Mbit/s的數(shù)字信號(hào)。常規(guī)的光纖通信系統(tǒng)的中繼設(shè)備如圖3所示。
四、光纖通信系統(tǒng)原理
光纖通信的原理是:在發(fā)送端首先要把傳送的信息(如話音)變成電信號(hào),然后調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上,使光的強(qiáng)度隨電信號(hào)的幅度(頻率)變化而變化,并通過(guò)光纖發(fā)送出去;在接收端,檢測(cè)器收到光信號(hào)后把它變換成電信號(hào),經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)原信息.
隨著信息技術(shù)傳輸速度日益更新,光纖技術(shù)已得到廣泛的重視和應(yīng)用。在多微機(jī)電梯系統(tǒng)中,光纖的應(yīng)用充分滿足了大量的數(shù)據(jù)通信正確、可靠、高速傳輸和處理的要求。光纖技術(shù)在電梯上的應(yīng)用,大大提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度,使電梯系統(tǒng)的并聯(lián)群控性能有了明顯提高。電梯上所使用的光纖通信裝置主要由光源、光電接收器和光纖組成。
五、光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域
光纖通信的應(yīng)用領(lǐng)域是很廣泛的,主要用于市話中繼線,光纖通信的優(yōu)點(diǎn)在這里可以充分發(fā)揮,逐步取代電纜,得到廣泛應(yīng)用。還用于長(zhǎng)途干線通信過(guò)去主要靠電纜、微波、衛(wèi)星通信,現(xiàn)以逐步使用光纖通信并形成了占全球優(yōu)勢(shì)的比特傳輸方法;用于全球通信網(wǎng)、各國(guó)的公共電信網(wǎng)(如中國(guó)的國(guó)家一級(jí)干線、各省二級(jí)干線和縣以下的支線);它還用于高質(zhì)量彩色的電視傳輸、工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視和調(diào)度、交通監(jiān)視控制指揮、城鎮(zhèn)有線電視網(wǎng)、共用天線(CATV)系統(tǒng),用于光纖局域網(wǎng)和其他如在飛機(jī)內(nèi)、飛船內(nèi)、艦艇內(nèi)、礦井下、電力部門、軍事及有腐蝕和有輻射等中使用。
光纖傳輸系統(tǒng)主要由:光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)、光纜傳輸線路、光中繼器和各種無(wú)源光器件構(gòu)成。要實(shí)現(xiàn)通信,基帶信號(hào)還必須經(jīng)過(guò)電端機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后送到光纖傳輸系統(tǒng)完成通信過(guò)程。
它適合于光纖模擬通信系統(tǒng)中,而且也適用于光纖數(shù)字通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。在光纖模擬通信系統(tǒng)中,電信號(hào)處理是指對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行放大、預(yù)調(diào)制等處理,而電信號(hào)反處理則是發(fā)端處理的逆過(guò)程,即解調(diào)、放大等處理。在光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中,電信號(hào)處理是指對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行放大、取樣、量化,即脈沖編碼調(diào)制(PCM)和線路碼型編碼處理等,而電信號(hào)反處理也是發(fā)端的逆過(guò)程。對(duì)數(shù)據(jù)光纖通信,電信號(hào)處理主要包括對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,和數(shù)字通信系統(tǒng)不同的是它不需要碼型變換。
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六、光纖通信六大發(fā)展動(dòng)向
(一)實(shí)現(xiàn)超大容量通信的近期趨勢(shì)
社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展對(duì)通信提出了越來(lái)越高的需求,光纖通信的容量也一直在不斷的擴(kuò)大再擴(kuò)大,而技術(shù)難題也不斷地再出現(xiàn)。
1、TDM方式
時(shí)分復(fù)用方式(TDM)是提高光纖容量的有效手段。據(jù)測(cè)算,速率每提高一個(gè)等級(jí),TDM的每比特的成本會(huì)下降30%-40%。但碼速率越高,光纖色散的影響也越嚴(yán)重,因此必須采用色散補(bǔ)償技術(shù)。如10Gb/S系統(tǒng)就是如此。目前,國(guó)際上TDM實(shí)驗(yàn)室水平已達(dá)到40Gb/S。
2、WDM方式
波分復(fù)用(WDM)方式因配置靈活、擴(kuò)容方便,又可以節(jié)省光纖,所以其發(fā)展前景看好。但是國(guó)際上以2.5Gb/S還是以10Gb/S作為WDM的基群?jiǎn)栴}上出現(xiàn)了分歧。此外,由于G.653光纖在開放WDM應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)四波混頻效應(yīng)(FWM),
所以最適合于WDM方式的光纖是G.655光纖。目前國(guó)際上WDM最高實(shí)驗(yàn)室水平為2640Gb/S。
3、OTDM方式
光時(shí)分復(fù)用(OTDM)和傳統(tǒng)的TDM的區(qū)別是:光/電和電/光轉(zhuǎn)換在系統(tǒng)中的位置不同。我們現(xiàn)在采用的TDM方式,是把光/電和電/光轉(zhuǎn)換放在高速率信道上。如先對(duì)線路信號(hào)進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換,然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行解復(fù)用。而OTDM則是直接對(duì)高速率光信號(hào)進(jìn)行復(fù)用和解復(fù)用,然后再對(duì)分支光路信號(hào)進(jìn)行光/電和電/光轉(zhuǎn)換。目前OTDM最高實(shí)驗(yàn)室水平為200Gb/S。
4、光放大技術(shù)
對(duì)光信號(hào)直接進(jìn)行放大,一直是人們的追求目標(biāo)。經(jīng)過(guò)十多年的努力已取得了可喜的進(jìn)展。光放大器可以分為兩類,即光纖放大器和半導(dǎo)體激光放大器。光纖放大器尤其是EDFA(摻鉺光纖放大器)已經(jīng)成熟并商品化,其工作波長(zhǎng)為1550nm.。它具有高增益(最高50dB)、高速率(10Gb/S)、低噪聲和失真小等優(yōu)點(diǎn)。此外,還有NDFA(摻銣)和PDFA(摻鐠),其工作波長(zhǎng)為1310nm,但性能不如SOA。半導(dǎo)體激光放大器(SOA)的工作波長(zhǎng)為1310nm,它具有體積小、易驅(qū)動(dòng)、高增益(20dB)等優(yōu)點(diǎn),發(fā)展前景十分樂(lè)觀。
5、色散補(bǔ)償技術(shù)
當(dāng)碼速率極高,出現(xiàn)色散受限的情況下如10Gb/S應(yīng)用在G.652光纖時(shí),色散補(bǔ)償技術(shù)是必不可少的。目前色散補(bǔ)償光纖(DCF)已經(jīng)達(dá)到商用化水平,其色散補(bǔ)償范圍可達(dá)-50~-800ps/km.nm。此外,光纖光柵補(bǔ)償技術(shù)也日益受到人們的重視。總之,光纖通信技術(shù)雖然已經(jīng)成熟并成為現(xiàn)代通信的主要傳輸手段,但它并沒有停滯不前而是向更高水平,更深層次的方向發(fā)展。并引發(fā)了許多新課題,形成了許多新學(xué)科,從而促進(jìn)了其它科學(xué)分支的發(fā)展。
?。ǘ┎ǚ謴?fù)用技術(shù)(WDM)
所謂波分復(fù)用,就是用一根光纖同時(shí)傳輸幾種不同波長(zhǎng)的光波以達(dá)到擴(kuò)大通信容量的目的。在系統(tǒng)的發(fā)送端,由各個(gè)分系統(tǒng)分別發(fā)出不同波長(zhǎng)的光波如λ1、λ2、λ3、λ4,并由合波器合成一束光波進(jìn)入光纖進(jìn)行傳輸,而在接收端用分波器把幾種光波分離開,分別輸入到各個(gè)分系統(tǒng)的光接收機(jī)??梢钥闯霾ǚ謴?fù)用的關(guān)鍵技術(shù)是光波的合波器與分波器。近幾年已經(jīng)出現(xiàn)幾
種形式的合波器與分波器,如半透鏡與濾光片、自聚焦棒與濾光片以及平面光柵與偏振光柵等
?。ㄈ┫喔晒馔ㄐ?/strong>
迄今為止我們所應(yīng)用的光纖通信都是采用強(qiáng)度調(diào)制與直接檢波的工作方式,它只相當(dāng)于原始的無(wú)線通信所使用的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)。在此方式下,光源器件的調(diào)制速率、光接收機(jī)的靈敏度受到局限而難以再提高,適應(yīng)不了超大容量、超長(zhǎng)距離通信的要求。所謂相干光通信,就是在發(fā)端由激光器發(fā)出譜線極窄、頻率穩(wěn)定、相位恒定的相干光,并用先進(jìn)的調(diào)制方法如FSK、ASK和PSK對(duì)之進(jìn)行調(diào)制。在收端,把由光纖傳輸來(lái)的相干光載波與本振光源發(fā)出的相干光,經(jīng)光耦合器后加到光混混頻器上進(jìn)行混頻與差頻,然后把差頻后的中頻光信號(hào)進(jìn)行放大、檢波。相干光通信技術(shù)一則可以增大光纖的傳輸容量,二則可以大大提高光接收機(jī)的靈敏度(可提高10~20dB)。相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)是光源器件、光波的匹配。由發(fā)送端的光源和接收端的本振光源所發(fā)出的光,必須譜線十分狹窄(接近單頻)、頻率十分穩(wěn)定、相位也非常恒定,否則無(wú)法進(jìn)行混頻與差頻。此外,本振光和從光纖傳輸來(lái)的光載波必須具有良好的匹配,這就要求光纖應(yīng)該是偏振保持光纖。
?。ㄋ模┏L(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信
石英光纖的衰耗目前已接近理論極限值,再無(wú)多大潛力可挖。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),氟化物光纖在波長(zhǎng)3.4微米處的衰耗理論極限,可低達(dá)10-3dB/km;而金屬鹵化物光纖的衰耗理論極限可低達(dá)10-2~10-5dB/km,若真的實(shí)現(xiàn)光纖衰耗小于10-3dB/km,中繼距離可達(dá)三萬(wàn)多公里,那么實(shí)現(xiàn)全球無(wú)中繼的光纖通信就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。人們把波長(zhǎng)大于2微米的通信稱為超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信。
?。ㄎ澹┕饧杉夹g(shù)
它和電子技術(shù)中的集成電路相類似,是把許多微型光學(xué)元件如光源器件、光檢測(cè)器件、光透鏡、光濾波器、光柵等集成在一塊很小的芯片上,構(gòu)成具有復(fù)雜性能的光器件;還可以和集成電路等電子元件集成在一起形成功能更復(fù)雜功能的光電部件如光發(fā)送機(jī)與光接收機(jī)等。采用光集成技術(shù),不僅使設(shè)備的體積、重量大大減少,而且提高了穩(wěn)定性與可靠性。
?。┕夤伦油ㄐ?/strong>
我們知道,通信容量越大,要求光脈沖越窄,如2.5Gb/s系統(tǒng)的光脈沖寬度約為400ps。窄光脈沖經(jīng)光纖傳輸后因光纖的色散作用而出現(xiàn)脈沖展寬現(xiàn)象而引起碼間干擾,因此脈沖展寬一直是制約大容量、長(zhǎng)距離傳輸?shù)年P(guān)鍵因素。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)注入光強(qiáng)密度足夠大時(shí)會(huì)引起光脈沖變窄的奇特現(xiàn)象,其光脈沖寬度可低達(dá)幾個(gè)ps,即所謂光孤子脈沖。因此用孤子脈沖可以實(shí)現(xiàn)超大容量的光纖通信。
評(píng)論
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