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光纤通讯
发布时间:2018-06-15 浏览次数:0
光纤通讯

光纤通信,也称为光纤通信,是指使用光纤和光纤传输信息的方法。这是一种有线通信。光可以在调制后携带信息。自20世纪80年代以来,光纤通信系统彻底改变了电信业,并在数字时代发挥了非常重要的作用。光纤通信具有传输容量大,保密性好的优点。光纤通信现在已成为当今最重要的有线通信形式。在发送端将要发送的信息发送到发送器,将信息叠加或调制到作为信息信号载波的载波上,然后通过传输介质将调制后的载波发送到远程接收端,并由接收器进行解调。原始信息。

诺贝尔教授,2009年诺贝尔物理学奖获得者,香港中文大学前校长,是光纤通信领域的先驱,被称为“光纤之父”[1-2]。

历史发展

自古以来,人类对远距离通信的需求并未减少。随着时间的推移,从篝火到电报,再到1940年的第一根同轴电缆,这些通信系统的复杂性和复杂性不断提高。但是,这些通信方法有其自身的局限性。尽管使用电信号传输信息很快,但传输距离将需要大量的中继器,因为电信号很容易衰减;虽然微波通信可以使用空气作为媒介,但它也受载波频率的限制。到了二十世纪中叶,人们了解到使用光来传递信息可以带来许多过去无法获得的重大利益。

然而,此时没有相干光源,并且它不适合作为传输光信号的介质。因此,光通信一直是一个概念。直到20世纪60年代,激光器的发明才解决了第一个问题。 1970年以后,康宁玻璃厂开发出一种高质量,低衰减的光纤,解决了第二个问题。此时,光纤中信号传输的衰减量低于光纤通信父亲高锟的衰减量。建议的每公里20分贝(20 dB/km)的衰减证明了光纤作为通信介质的可能性。同时,还发明了使用砷化镓(GaAs)作为材料的半导体激光器,并且由于它们的尺寸小,已经广泛用于光纤通信系统。 1976年,第一个44.7 Mbit/s速率的光纤通信系统诞生于美国亚特兰大的地下管道。

经过五年的研究和开发,第一个商用光纤通信系统于1980年被问到。人类历史上第一个光纤通信系统使用波长为800纳米的砷化镓激光器作为光源。数据速率达到45 Mb/s(每秒位数),每10 km需要一个中继器。增强信号。

第二代商用光纤通信系统也是在1980年后使用1300nm磷铟镓砷(InGaAsP)激光器开发的。早期的光纤通信系统受到影响信号质量的色散问题的影响。但是1981年发明的单模光纤克服了这个问题。到1987年,商用光纤通信系统的传输速率为1.7 Gb/s,比第一个光纤通信系统快近40倍。同时,功率传输和信号衰减的问题也得到显着改善,并且需要以50千米的间隔进行中继器增强信号。在20世纪80年代后期,EDFA的诞生是光通信史上的一个里程碑。它使光纤通信能够直接中继光信号,实现远距离高速传输,推动DWDM的诞生。

第三代光纤通信系统使用波长为1550nm的激光器作为光源,信号的衰减低至每分钟0.2分贝(0.2dB/km)。先前使用砷化镓铟激光器的光纤通信系统经常遇到脉冲扩散问题,科学家们设计了优秀的色散位移光纤来解决这些问题。在1550nm处,色散几乎为零,因为它将激光的光谱限制为单纵模。这些技术突破使第三代光纤通信系统实现了2.5 Gb/s的传输速率和高达100 km的中继器间隔。

第四代光纤通信系统引入了光放大器,以进一步减少对中继器的需求。此外,波分复用(WDM)技术显着提高了传输速率。这两种技术的发展使光纤通信系统的容量大大增加,每六个月翻一番。到2001年,它达到了10 Tb/s的惊人速度,是20世纪80年代光通信系统的200倍。许多。近年来,传输速率进一步提高到14 Tb/s,每160 km只需要一个中继器。

第五代光纤通信系统的发展重点是扩展波分复用多路复用器的波长工作范围。传统的波长范围,通常称为“C波段”,在1530nm和1570nm之间。新的干纤维带具有从1300nm延伸到1650nm的低损耗带。另一项开发技术是引入光孤子的概念,它利用光纤的非线性效应使脉冲波抵抗色散并保持原始波形。

从1990年到2000年,由于互联网泡沫的影响,光纤通信行业显着增长。此外,一些新兴的网络应用,如视频点播,使得互联网带宽的增长速度甚至超过了摩尔定律所预期的集成电路芯片中晶体管的增长速度。从互联网泡沫的破灭到2006年,光纤通信行业通过整合大型企业和通过外包消除成本来延续其生命。

目前的发展前沿是全光网络,这使得光通信完全取代了电信号通信系统。当然,这还有很长的路要走。 [3]

核心技术

大多数现代光纤通信系统包括将电信号转换成光信号并通过光纤传输光信号的发射器。大部分光纤埋在地下并连接不同的建筑物。该系统还包括几个光放大器,光接收器将光信号转换回电信号。在光纤通信系统中传输的大多数信号是数字信号,包括计算机,电话系统或有线电视系统。 [3]

发射器

通常用作光纤通信系统中的光源的半导体组件是发光二极管(LED)或激光二极管。 LED和激光二极管之间的主要区别在于前者发出的光是非相干的,而后者是相干的。使用半导体作为光源的优点是尺寸小,发光效率高,可靠性好,并且波长最佳。更重要的是,半导体光源可以在高频操作下直接调制,这非常适合光纤通信系统的要求。

LED通过电致发光原理发射非相干光,并且光谱通常分散在30nm和60nm之间。 LED的另一个缺点是它们的发光效率差。通常只有1%的输入功率可以转换成光功率,大约100毫瓦[微米(μ)瓦特(μW)]。然而,LED通常用于低成本应用,因为它们的成本较低。通常用于光通信的LED的主要材料是砷化镓或砷化镓(GaAsP)。后者具有约1300nm的发射波长,其比GaAs更适合于光纤通信至870nm。由于LED的光谱范围宽,色散更严重,其传输速率和传输距离的乘积也受到限制。 LED通常用于局域网(LAN),传输速率范围从10 Mb/s到100 Mb/s,传输距离也在几公里之内。目前,LED中有几个量子阱结构,使LED能够发出不同波长的光,覆盖范围广。这种LED广泛用于区域波分复用网络。

半导体激光器的输出功率通常约为100微瓦(μW),并且它是均匀的光源。方向性相对较强,与单模光纤的耦合效率通常为50%。激光器的窄输出光谱也有助于提高传输速率并减少模型色散。半导体激光器也可以在相对较高的工作频率下调制,因为它们的复合时间非常短。

半导体激光器通常可以通过输入电流直接改变其开关状态和输出信号。然而,对于具有非常高的传输速率或长传输距离的一些应用,激光源可以是连续波。正式控制,例如,使用外部电吸收调制器或Mach-Zehnder干涉仪来调制光信号。外部调制元件可以大大减少激光器的“啁啾脉冲”。啁啾脉冲加宽了激光器的谱线宽度,使得光纤内的色散很严重。 [3]

光导纤维

光纤电缆包括芯,包层和外层的保护涂层。具有高芯和折射率的壳通常由高质量的石英玻璃制成,但现在也存在使用塑料作为材料的纤维。而且,由于光纤的外层被紫外线固化丙烯酸酯覆盖,所以它可以像铜电缆一样埋在地下,并且不需要太多的维护。但是,如果光纤弯曲太多或受到冲击,仍有破损的风险。并且因为光纤末端需要非常精确地校准,所以破碎的光纤也难以重新接合。 [3]

光放大器

过去,光纤通信的距离限制主要是由于光纤中信号的衰减和信号失真,解决方案是使用光电转换中继器。转发器首先将光信号转换回电信号,然后将其转换为强光信号并将其发送到下一个转发器。然而,这种系统架构无疑是复杂的,并且不适合新一代波分复用。技术虽然每20公里需要一个中继器,但整个系统的成本很难降低。

光放大器的目的是直接放大光信号而不用于光电和电光转换。光放大器的原理是在一段光纤中掺杂稀土元素如铒,然后用短波长激光泵浦它。这将放大光信号并替换中继器。 [3]

接收器

构成光接收器的主要部件是光电探测器,其使用光电效应将入射光信号转换成电信号。光电探测器通常是基于半导体的光电二极管,例如p-n结二极管,p-i-n二极管或雪崩二极管。此外,“金属 - 半导体 - 金属”(MSM)光电探测器还用于光再生器或波分复用器,因为它与电路的优良集成。

光接收器电路通常使用跨阻抗放大器(TIA)和限幅放大器来处理由光电探测器转换的光电流。跨阻抗放大器和限幅放大器可以将光电流转换为幅度。小电压信号通过后端的比较器电路转换成数字信号。对于高速光纤通信系统,信号通常相对更加衰减。为了防止从接收器电路输出的数字信号变形超出规范,时钟恢复电路(CDR)通常被添加到接收器电路的后级。并且锁相环(PLL)适当地处理信号并输出​​它。 [3]

波长分波多工

波分复用的实际应用是将光纤的工作波长分成多个信道,以便在同一光纤中传输更大量的数据。完整的波分复用系统分为发送端的波分复用器和接收端的波分复用器。波分多路复用系统中最常用的组件是阵列波导光栅(AWG)。目前市场上有商用波长 - 波长复用器/解复用器,它可以将光纤通信系统最多分为80个通道,数据传输速率突然突破Tb/s级。 [3]

带宽距离乘积

由于传输距离越长,光纤中的色散现象越严重,影响信号质量。通常用于评估光纤通信系统的指标之一是以兆赫兹x千米(MHz x km)为单位的带宽距离乘积。使用这两个值的乘积作为指标的原因是,这两个值通常不会同时变得更好,但必须权衡。例如,常见的多模光纤系统的带宽距离乘积约为500 MHz x km,这意味着系统的信号带宽可以在一公里内达到500 MHz,如果距离缩短到0.5公里。带宽可以加倍到1000MHz。 [3]

应用

使用光纤进行通信通常包括以下步骤:

光信号由发射器产生。

信号由光纤传输,必须确保光信号在光纤中不衰减或严重变形。

接收器接收光信号并将其转换为电信号。 [4]

电话公司经常使用光纤通过电话,互联网或有线电视传输信号。有时,所有上述信号都可以使用单根光纤同时传输。与传统的铜线相比,光纤的信号衰减和干扰得到了很大的改善,特别是在长距离和大传输应用中,光纤的优势更加明显。然而,城市之间使用光纤通信基础设施通常难以控制,并且材料的成本难以控制。完成后系统维护的复杂性和成本也很高。因此,早期的光纤通信系统主要用于长距离通信要求,因此可以充分发挥光纤的优点,并且可以抑制增加的成本。

自2000年光通信市场崩溃以来,光纤通信的成本也在不断下降,并且与铜通信系统的骨干相当。

对于光纤通信行业,在1990年正式将光放大器引入商用市场后,实现了许多超长距离光纤通信,如跨洋海底电缆。截至2002年,越洋海底电缆的总长度已超过250,000公里,每秒可携带的数据量超过2.56 Tb。根据电信运营商的统计数据,这些数据自2002年以来持续大幅增长。[4]

应用极限

尽管已经采用了许多技术来减少色散等问题,并且光纤通信系统的容量已达到14Tb/s和160km的传输距离,但仍有一些问题需要工程师和科学家研究和克服。以下是对这些问题的简要讨论。

讯号色散

对于现代玻璃光纤,最严重的问题不是信号衰减,而是色散问题,即信号在光纤中传输距离后逐渐扩散和重叠,使接收端难以区分高或低信号。纤维中存在许多分散的原因。以模态色散为例,信号横模的横模不一致,导致色散,这也限制了多模光纤的应用。在单模光纤中,模式之间的色散可以被抑制得非常低。

然而,在单模光纤中,存在相同的色散问题,这通常称为群速度色散。原因在于,对于不同波长的入射光,玻璃的折射率略有不同,而光源发出的光波则不同。可能没有光谱的分布,这也导致光波由于波长的微小差异而在光纤内部具有不同的折射行为。通常在单模光纤中发现的另一种色散称为偏振模色散。原因是虽然单模光纤一次只能容纳一个横模光波,但横模光波可以在两个方向上都有偏振,光纤中的任何结构缺陷和变形都可能导致两者的传输速度不同。极化方向,也称为光纤双折射。 。偏振保持光纤可以抑制这种现象。 [4]

讯号衰减

光纤内信号的衰减还使光放大器成为光纤通信系统的必要部件。光纤中光波衰减的主要原因是材料吸收,瑞利散射,米氏散射和连接器引起的损耗。虽然石英的吸收系数仅为0.03dB/km,但纤维中的杂质仍然增加了吸收系数。信号衰减的其他原因包括由应力引起的光纤变形,纤维密度的小扰动或需要加强的键合技术。 [4]

讯号再生

现代光纤通信系统已经引入了许多新技术来降低信号衰减程度,因此只有数百公里以外的通信系统才需要信号再生。这使得光纤通信系统的建设成本和维护成本大大降低。特别是对于越洋海底光纤,中继器的稳定性往往是维护成本高的主要原因。这些突破也非常有助于控制系统的色散,足以减少由色散引起的非线性现象。此外,光学固体是另一项可以显着降低长途通信系统色散的关键技术。 [4]

最后一哩

尽管光纤网络具有高容量的优势,但仍有许多网络部署已达到普及化的目标,即光纤到户(FTTH)和最后一英里。难以克服。但是,随着对网络带宽需求的增加,越来越多的国家逐渐实现了这一目标。例如,在日本,光纤网络系统已经开始取代使用铜线的数字用户环路系统。 [4]

与传统的比较

对于通信系统,最好使用传统的铜缆作为传输介质,或者使用光纤,并且有几个考虑因素。光纤通常用于高带宽和长距离应用,因为它具有低损耗,高容量以及对许多中继器的需求。光纤的另一个重要优点是,即使多个光纤长距离并置,光纤和光纤之间也不存在串扰干扰,这与传输信号的传输线相反。 。 [4]

电讯号的好处

然而,对于短距离和低带宽通信应用,电信号传输的使用具有以下优点:较低的建设成本;易于组装;可以使用电力系统传输信息。

由于这些优点,信息在很短的距离内传输,例如在主机之间,板之间,甚至在集成电路芯片之间传输。但是,一些仍处于试验阶段的系统已经改变为传输信息。

在一些低带宽应用中,光纤通信仍然有其独特的优势:

它可以抵抗电磁干扰(EMI),包括由细胞核引起的电磁脉冲。 (但是,纤维可能被α或β射线破坏)

电信号的阻抗非常高,因此可以在高电压或地电位下安全工作。

重量更轻,这在飞机中尤为重要。

没有火花,在某些易燃环境中很重要。

没有电磁辐射,不容易被窃听,这对于需要高度安全性的系统非常重要。

线径小,并且当绕组的路径受限时变得重要。 [4]光纤通信

现行技术标准

为了实现光纤通信设备制造商的通用标准,国际电信联盟(ITU)制定了几项与光纤通信相关的标准,包括:

ITU-T G.651,“50 /125μm多模渐变折射率光纤电缆的特性”

ITU-T G.652,“单模光纤电缆的特性”

光纤通信的其他标准规定了发送和接收端,或传输介质的规格,包括:

10千兆以太网(万兆以太网)

光纤分布式数据接口(FDDI)

光纤通道

HIPPI

同步数字体系

同步光网络

另外,在数字声音效果领域,还存在使用光纤传输信息的规范,即由日本东芝开发的TOSLINK规范。该系统采用塑料光纤(POF)作为介质,包括一个带红色LED的发射器和一个集成了光电探测器和放大器电路的接收器。 [4]

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