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1、光纤通信信原理和和应用及其其发展趋趋势摘要:简简述光纤纤通信的的发展历历史及其其优点,介绍绍了光纤纤的结构构与导光光原理、光纤通通信在各各个方面面的应用用以及其其发展趋趋势。关键词:光纤通通信 优优点 原理 应用用1 引言言光纤通信信是以光光作为信信息载体体,以光光纤作为为传输媒媒介的通通信方式式。光纤纤通信技技术(ooptiicall fiiberr coommuuniccatiionss)从光光通信中中脱颖而而出,已已成为现现代通信信的主要要支柱之之一,在在现代电电信网中中起着举举足轻重重的作用用。光导导纤维通通信就是是利用光光导纤维维传输信信号,以以实现信信息传递递的一种种通信方方式。可
2、可以把光光纤通信信看成是是以光导导纤维为为传输媒媒介的“有线”光通信信。光纤纤通信作作为一门门新兴技技术,在在近300年来迅迅猛发展展,给世世界通信信技术乃乃至国民民经济、国国防事业业和人民民生活带带来了巨巨大变革革。2 发展展历史19666年,英英籍华人人高锟 (CKKaoo)预见见利用玻玻璃可以以制成衰衰减为220dBBkmm的通信信光导纤纤维(简简称光纤纤)。当当时,世世界上最最优秀的的光学玻玻璃衰减减达l0000ddBkkm左右右。19970年年,美国国康宁公公司首先先研制成成衰减为为20ddBkkm 的的光纤。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。光纤的
3、主主要作用用是引导导光在光光纤内沿沿直线或或弯曲的的途径传传播。为为了实现现长距离离的光纤纤通信,必必须减小小光纤的的衰减。CCKKaoo 早就就指出降降低玻璃璃内的过过渡金属属杂质离离子是降降低光纤纤衰减的的主要因因素。另另一方面面,玻璃璃内的OOH离子子对衰减减也有严严重的影影响。到到了 119766年,人人们设法法降低OOH含量量后发现现衰减的的长波长长窗口有有:1.31m、11.555m。119800年,光光纤衰减减已降低低到 00.2ddBkkm (1.555m),接接近理论论值。这这样,使使得进行行长距离离的光纤纤通信成成为可能能。与此此同时,为为促进光光纤通信信系统的的实用化化,
4、人们们又及时时地开发发出适用用于长波波长的光光源、激激光器、发发光管、光光检测器器。应运运而生的的光纤成成缆。光光无源器器件和性性能测试试及工程程应用仪仪表等技技术日臻臻成熟。这这都为光光纤光缆缆作为新新的通信信传输媒媒介奠定定了良好好的基础础。 19766年,美美国西屋屋电气公公司在亚亚特兰大大成功地地进行了了世界上上第一个个44.7366Mbiitss且传输输1100km的的光纤通通信系统统的现场场实验,使使光纤通通信向实实用化迈迈出了第第一步。119811年以后后,用光光纤通信信技术大大规模地地制成商商品并推推向市场场。 历历经近220年突突飞猛进进的发展展, 光光纤通信信速率由由197
5、78年的的45MMbitts提提高到目目前的440Gbbits。我国自770年代代初就开开始了光光纤通信信技术的的研究。119777年,武武汉邮电电研究院院研制成成功中国国第一根根阶跃折折射率分分布的、波波长为 0.885m多模模光纤。后后来又研研制成单单模光纤纤和特殊殊光纤以以及光通通信设备备。现在在,我国国光纤通通信产业业已初具具规模,能能够生产产光纤光光缆、光光电器件件、光端端机及其其他工程程应用方方面的配配套仪表表器件等等。由此此可见,中中国已具具有大力力发展光光纤通信信的综合合实力。3光纤通通信的优优点 (1) 频带带极宽,通通信容量量大。光光纤比铜铜线或电电缆有大大得多的的传输带带
6、宽,光光纤通信信系统的的于光源源的调制制特性、调调制方式式和光纤纤的色散散特性。对对于单波波长光纤纤通信系系统,由由于终端端设备的的电子瓶瓶颈效应应而不能能发挥光光纤带宽宽大的优优势。通通常采用用各种复复杂技术术来增加加传输的的容量,特特别是现现在的密密集波分分复用技技术极大大地增加加了光纤纤的传输输容量。目目前,单单波长光光纤通信信系统的的传输速速率一般般在2.5Gbbps到到10GGbpss。 (22) 损损耗低,中中继距离离长。目目前,商商品石英英光纤损损耗可低低于020ddB/kkm,这这样的传传输损耗耗比其它它任何传传输介质质的损耗耗都低;若将来来采用非非石英系系统极低低损耗光光纤,
7、其其理论分分析损耗耗可下降降的更低低。这意意味着通通过光纤纤通信系系统可以以跨越更更大的无无中继距距离;对对于一个个长途传传输线路路,由于于中继站站数目的的减少,系系统成本本和复杂杂性可大大大降低低。 (33) 抗抗电磁干干扰能力力强。光光纤原材材料是由由石英制制成的绝绝缘体材材料,不不易被腐腐蚀,而而且绝缘缘性好。与与之相联联系的一一个重要要特性是是光波导导对电磁磁干扰的的免疫力力,它不不受自然然界的雷雷电干扰扰、电离离层的变变化和太太阳黑子子活动的的干扰,也也不受人人为释放放的电磁磁干扰,还还可用它它与高压压输电线线平行架架设或与与电力导导体复合合构成复复合光缆缆。这一一点对于于强电领领域
8、(如如电力传传输线路路和电气气化铁道道)的通通信系统统特别有有利。由由于能免免除电磁磁脉冲效效应,光光纤传输输系还特特别适合合于军事事应用。 (44)无串串音干扰扰,保密密性好。在在电波传传输的过过程中,电电磁波的的泄漏会会造成各各传输通通道的串串扰,而而容易被被窃听,保保密性差差。光波波在光纤纤中传输输,因为为光信号号被完善善地限制制在光波波导结构构中,而而任何泄泄漏的射射线都被被环绕光光纤的不不透明包包皮所吸吸收,即即使在转转弯处,漏漏出的光光波也十十分微弱弱,即使使光缆内内光纤总总数很多多,相邻邻信道也也不会出出现串音音干扰,同同时在光光缆外面面,也无无法窃听听到光纤纤中传输输的信息息。
9、 除以上特特点之外外,还有有光纤径径细、重重量轻、柔柔软、易易于铺设设;光纤的的原材料料资源丰丰富,成成本低;温度稳稳定性好好、寿命命长。由由于光纤纤通信具具有以上上的独特特优点,其其不仅可可以应用用在通信信的主干干线路中中,还可可以应用用在电力力通信控控制系统统中,进进行工业业监测、控控制,而而且在军军事领域域的用途途也越来来越为广广泛。4光纤的的结构与与导光原原理4.1 光纤的的结构光纤是传传光的纤纤维波导导或光导导纤维的的简称。其其典型结结构是多多层同轴轴圆柱体体,自内内向外为为纤芯、包包层和涂涂覆层。核心部分分是纤芯芯和包层层,其中中纤芯由由高度透透明的材材料制成成,是光光波的主主要传
10、输输通道;包层的的折射率率略小于于纤芯,使使光的传传输性能能相对稳稳定。纤纤芯粗细细、纤芯芯材料和和包层材材料的折折射率,对对光纤的的特性起起决定性性影响。涂涂覆层包包括一次次涂覆、缓缓冲层和和二次涂涂覆,起起保护光光纤不受受水汽的的侵蚀相相机械的的擦伤,同同时又增增加光纤纤的柔韧韧性,起起着延长长光纤寿寿命的作作用。4.2 光纤中中的射线线光学理理论光波长很很短,但但相对光光纤的几几何尺寸寸要大得得多,因因此从射射线光学学理论的的观点出出发,研研究光纤纤中的光光射线,可可以直观观认识光光在光纤纤中的传传播机理理和一些些必要的的概念。下面用射线光学理论对阶跃型及渐变型多模光纤的传输特性进行分析
11、。射线光学的基本关系式是有关其反射和折射的菲涅耳(Fresnel)定律。首先,我我们来看看光在分分层介质质中的传传播,如下图所示示。图中中介质11的折射射率为nn1,介质22 的折折射率为为n2,设设n1n2。当当光线以以较小的的1角入射射到介质质界面时时,部分分光进入入介质 2 并并产生折折射,部部分光被被反射。它它们之间间的相对对强度取取决于两两种介质质的折射射率。 由菲涅耳耳定律可可知 反射定律律1=2 (11)折射定律律sin1sin2=n1n2 (22)在n1n2时时,逐渐渐增大1,进进入介质质2的折折射光线线进一步步趋向界界面,直直到1趋于于90。此时,进进入介质质2的光光强显著著
12、减小并并趋于零零,而反反射光强强接近于于入射光光强。当当2=900 极极限值时时,相应应的1角定定义为临临界角c,由于ssin990=1,所以临临界角当当1c时,入入射光线线将产生生全反射射。应当当注意,只只有当光光线从折折射率大大的介质质进入折折射率小小的介质质,即nn1nn2时,在在界面上上才能产产生全反反射。 c=sin-1n2n1 (33)接下来分分析一下下全反射射,全反反射现象象是光纤纤传输的的基础。 光纤的的导光特特性基于于光射线线在纤芯芯和包层层界面上上的全反反射,使使光线限限制在纤纤芯中传传输。光光纤中有有两种光光线,即即子午光光线和斜斜射光线线。子午午光线是是位于子子午面(过
13、光纤纤轴线的的平面)上的光光线,而而斜射光光线是不不经过光光纤轴线线传输的的光线。下下图所示示阶跃型型的光纤纤,纤芯芯折射率率为n11,包层层的折射射率为nn2,且且n1n2,空空气折射射率为nn0。在在光纤内内传输的的子午光光线,简简称内光光线,遇遇到纤芯芯与包层层的分界界面的入入射角大大于c时,才才能保证证光线在在纤芯内内产生多多次全反反射,使使光线沿沿光纤传传输。5光纤通通信的应应用及其其发展趋趋势5.1 应用领领域光纤通信信的应用用领域是是很广泛泛的,主主要用于于市话中中继线,光光纤通信信的优点点在这里里可以充充分发挥挥,逐步步取代电电缆,得得到广泛泛应用。还还用于长长途干线线通信过过
14、去主要要靠电缆缆、微波波、卫星星通信,现现以逐步步使用光光纤通信信并形成成了占全全球优势势的比特特传输方方法;用用于全球球通信网网、各国国的公共共电信网网(如我我国的国国家一级级干线、各各省二级级干线和和县以下下的支线线);它它还用于于高质量量彩色的的电视传传输、工工业生产产现场监监视和调调度、交交通监视视控制指指挥、城城镇有线线电视网网、共用用天线(CCATVV)系统统,用于于光纤局局域网和和其他如如在飞机机内、飞飞船内、舰舰艇内、矿矿井下、电电力部门门、军事事及有腐腐蚀和有有辐射等等中使用用。 光纤传输输系统主主要由:光发送送机、光光接收机机、光缆缆传输线线路、光光中继器器和各种种无源光光
15、器件构构成。要要实现通通信,基基带信号号还必须须经过电电端机对对信号进进行处理理后送到到光纤传传输系统统完成通通信过程程。 它适合于于光纤模模拟通信信系统中中,而且且也适用用于光纤纤数字通通信系统统和数据据通信系系统。在在光纤模模拟通信信系统中中,电信信号处理理是指对对基带信信号进行行放大、预预调制等等处理,而而电信号号反处理理则是发发端处理理的逆过过程,即即解调、放放大等处处理。在在光纤数数字通信信系统中中,电信信号处理理是指对对基带信信号进行行放大、取取样、量量化,即即脉冲编编码调制制(PCCM )和和线路码码型编码码处理等等,而电电信号反反处理也也是发端端的逆过过程。对对数据光光纤通信信
16、,电信信号处理理主要包包括对信信号进行行放大,和和数字通通信系统统不同的的是它不不需要码码型变换换。5.2 发展趋趋势5.2.1向超超高速系系统的发发展 目前前10GGbpss系统已已开始大大批量装装备网络络,主要要在北美美,在欧欧洲、日日本和澳澳大利亚亚也已开开始大量量应用。但但是,110Gbbps系系统对于于光缆极极化模色色散比较较敏感,而而已经铺铺设的光光缆并不不一定都都能满足足开通和和使用110Gbbps系系统的要要求,需需要实际际测试,验验证合格格后才能能安装开开通。它它的比较较现实的的出路是是转向光光的复用用方式。光光复用方方式有很很多种,但但目前只只有波分分复用(WDMM)方式式
17、进入了了大规模模商用阶阶段,而而其它方方式尚处处于试验验研究阶阶段。 5.2.2向超超大容量量WDMM系统的的演进 采用用电的时时分复用用系统的的扩容潜潜力已尽尽,然而而光纤的的2000nm可可用带宽宽资源仅仅仅利用用率低于于1,还还有999的资资源尚待待发掘。如如果将多多个发送送波长适适当错开开的光源源信号同同时在一一级光纤纤上传送送,则可可大大增增加光纤纤的信息息传输容容量,这这就是波波分复用用(WDDM)的的基本思思路。基基于WDDM应用用的巨大大好处及及近几年年来技术术上的重重大突破破和市场场的驱动动,波分分复用系系统发展展十分迅迅速。目目前全球球实际铺铺设的WWDM系系统已超超过30
18、000个个,而实实用化系系统的最最大容量量已达3320GGbpss(21610GGbpss),美美国朗讯讯公司已已宣布将将推出880个波波长的WWDM系系统,其其总容量量可达2200GGbpss(8002.55Gbpps)或或4000Gbpps(44010GGbpss)。实实验室的的最高水水平则已已达到22.6TTbpss(13320GGbpss)。预预计不久久的将来来,实用用化系统统的容量量即可达达到1TTbpss的水平平。来来源:5.2.3实现现光联网网 上述述实用化化的波分分复用系系统技术术尽管具具有巨大大的传输输容量,但但基本上上是以点点到点通通信为基基础的系系统,其其灵活性性和可靠靠
19、性还不不够理想想。如果果在光路路上也能能实现类类似SDDH在电电路上的的分插功功能和交交叉连接接功能的的话,无无疑将增增加新一一层的威威力。根根据这一一基本思思路,光光联网既既可以实实现超大大容量光光网络和和网络扩扩展性、重重构性、透透明性,又又允许网网络的节节点数和和业务量量的不断断增长、互互连任何何系统和和不同制制式的信信号。 由于于光联网网具有潜潜在的巨巨大优势势,美欧欧日等发发达国家家投入了了大量的的人力、物物力和财财力进行行预研,特特别是美美国国防防部预研研局(DDARPPA)资资助了一一系列光光联网项项目。光光联网已已经成为为继SDDH电联联网以后后的又一一新的光光通信发发展高潮潮
20、。建设设一个最最大透明明的、高高度灵活活的和超超大容量量的国家家骨干光光网络,不不仅可以以为未来来的国家家信息基基础设施施(NJJJ)奠奠定一个个坚实的的物理基基础,而而且也对对我国下下一世纪纪的信息息产业和和国民经经济的腾腾飞以及及国家的的安全有有极其重重要的战战略意义义。 5.2.4开发发新代的的光纤 传统统的G.6522单模光光纤在适适应上述述超高速速长距离离传送网网络的发发展需要要方面已已暴露出出力不从从心的态态势,开开发新型型光纤已已成为开开发下一一代网络络基础设设施的重重要组成成部分。目目前,为为了适应应干线网网和城域域网的不不同发展展需要,已已出现了了两种不不同的新新型光纤纤,即
21、非非零色散散光(GG.6555光纤纤)和无无水吸收收峰光纤纤(全波波光纤)。其中中,全波波光纤将将是以后后开发的的重点,也也是现在在研究的的热点。从从长远来来看,BBPONN技术无无可争议议地将是是未来宽宽带接入入技术的的发展方方向,但但从当前前技术发发展、成成本及应应用需求求的实际际状况看看,它距距离实现现广泛应应用于电电信接入入网络这这一最终终目标还还会有一一个较长长的发展展过程。对对光纤通通信而言言,超高高速度、超超大容量量、超长长距离一一直都是是人们追追求的目目标,光光纤到户户和全光光网络也也是人们们追求的的梦想。 5.2.5全光光网络 传统的光光网络实实现了节节点间的的全光化化,但在
22、在网络结结点处仍仍用电器器件,限限制了目目前通信信网干线线总容量量的提高高,因此此真正的的全光网网络成为为非常重重要的课课题。全全光网络络以光节节点代替替电节点点,节点点之间也也是全光光化,信信息始终终以光的的形式进进行传输输与交换换,交换换机对用用户信息息的处理理不再按按比特进进行,而而是根据据其波长长来决定定路由。全全光网络络具有良良好的透透明性、开开放性、兼兼容性、可可靠性、可可扩展性性,并能能提供巨巨大的带带宽、超超大容量量、极高高的处理理速度、较较低的误误码率,网网络结构构简单,组组网非常常灵活,可可以随时时增加新新节点而而不必安安装信号号的交换换和处理理设备。当当然全光光网络的的发
23、展并并不可能能独立于于众多通通信技术术,它必必须要与与因特网网、ATTM网、移移动通信信网等相相融合。目目前全光光网络的的发展仍仍处于初初期阶段段,但已已显示出出良好的的发展前前景。从从发展趋趋势上看看,形成成一个真真正的、以以WDMM技术与与光交换换技术为为主的光光网络层层,建立立纯粹的的全光网网络,消消除电光光瓶颈已已成未来来光通信信发展的的必然趋趋势,更更是未来来信息网网络的核核心,也也是通信信技术发发展的最最高级别别,更是是理想级级别。6总结随着科技技的不断断进步,光光纤通信信技术将将会发展展的越来来越迅速速,应用用领域也也会越来来越广,它将会为为人类带带来更多多的便利利!参考文献献:【1】 陈根祥光波技技术基础础M京:中中国铁道道出版社社, 220004-88【2】 王磊,裴裴丽. 光纤通通信的发发展现状状和未来来J.中国国科技信信息,220066,4【3】 何淑贞,王王晓梅. 光通通信技术术的新飞飞跃JJ. 网络电电信,220044,2【4】 李超. 浅谈光光纤通信信技术发发展的现现状与趋趋势. 沿海企企业与科科技,220077,7【5】 百度百科科. 网网络地址址:htttp:/baaikee.baaiduu.coom/vvieww/2114611.httm#55
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