光纖通信系統(tǒng),光纖通信系統(tǒng)是什么意思

　　光纖通信系統(tǒng)

　　光纖光纖通信系統(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，通過光電變換，用光來傳輸信息的通信系統(tǒng)。隨著國際互聯(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)力和人類社會的發(fā)展帶來了極大的推動。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)。光纖通信技術(shù)和計算機技術(shù)是信息化的兩大核心支柱，計算機負(fù)責(zé)把信息數(shù)字化，輸入網(wǎng)絡(luò)中去;光纖則是擔(dān)負(fù)著信息傳輸?shù)闹厝巍．?dāng)代社會和經(jīng)濟發(fā)展中，信息容量日益劇增，為提高信息的傳輸速度和容量，光纖通信被廣泛的應(yīng)用于信息化的發(fā)展，成為繼微電子技術(shù)之后信息領(lǐng)域中的重要技術(shù)。

　　基本光纖通信系統(tǒng)

　　最基本的光纖通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)源、光發(fā)送端、光學(xué)信道和光接收機組成。其中數(shù)據(jù)源包括所有的信號源，它們是話音、圖象、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)經(jīng)過信源編碼所得到的信號;光發(fā)送機和調(diào)制器則負(fù)責(zé)將信號轉(zhuǎn)變成適合于在光纖上傳輸?shù)墓庑盘?，先后用過的光波窗口有0.85、1.31和1.55。光學(xué)信道包括最基本的光纖，還有中繼放大器EDFA等;而光學(xué)接收機則接收光信號，并從中提取信息，然后轉(zhuǎn)變成電信號，最后得到對應(yīng)的話音、圖象、數(shù)據(jù)等信息。

　　數(shù)字光纖通信系統(tǒng)

　　光纖傳輸系統(tǒng)是數(shù)字通信的理想通道。與模擬通信相比較，數(shù)字通信有很多的優(yōu)點，靈敏度高、傳輸質(zhì)量好。因此，大容量長距離的光纖通信系統(tǒng)大多采用數(shù)字傳輸方式。

　　在光纖通信系統(tǒng)中，光纖中傳輸?shù)氖嵌M制光脈沖"0"碼和"1"碼，它由二進制數(shù)字信號對光源進行通斷調(diào)制而產(chǎn)生。而數(shù)字信號是對連續(xù)變化的模擬信號進行抽樣、量化和編碼產(chǎn)生的，稱為PCM(pulse code modulation)，即脈沖編碼調(diào)制。這種電的數(shù)字信號稱為數(shù)字基帶信號，由PCM電端機產(chǎn)生。

　　光纖通信系統(tǒng)基本構(gòu)成

　　(1)光發(fā)信機

　　光發(fā)信機是實現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光端機。它由光源、驅(qū)動器和調(diào)制器組成。其功能是將來自于電端機的電信號對光源發(fā)出的光波進行調(diào)制，成為已調(diào)光波，然后再將已調(diào)的光信號耦合到光纖或光纜去傳輸。電端機就是常規(guī)的電子通信設(shè)備。

　　(2)光收信機

　　光收信機是實現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的光端機。 它由光檢測器和光放大器組成。其功能是將光纖或光纜傳輸來的光信號，經(jīng)光檢測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后，再將這微弱的電信號經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端汲去。

　　(3)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，經(jīng)過光纖或光纜的遠(yuǎn)距離傳輸后，耦合到收信端的光檢測器上去，完成傳送信息任務(wù)。

　　(4)中繼器

　　中繼器由光檢測器、光源和判決再生電路組成。它的作用有兩個：一個是補償光信號在光纖中傳輸時受到的衰減;另一個是對波形失真的脈沖近行政性。

　　(5)光纖連接器、耦合器等無源器件

　　由于光纖或光纜的長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題。于是，光纖間的連接、光纖與光端機的連接及耦合，對光纖連接器、耦合器等無源器件的使用是必不可少的。

　　備用系統(tǒng)與輔助設(shè)備

　　了確保系統(tǒng)的暢通，通常設(shè)置都有備用系統(tǒng)，就好比對磁盤的備份。正常情況下只有主系統(tǒng)工作，一旦主要系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就可以立即切換到備用系統(tǒng)，這樣就可以保障通信的暢通和正確無誤。

　　輔助設(shè)備是對系統(tǒng)的完善，它包括監(jiān)控管理系統(tǒng)、公務(wù)通信系統(tǒng)、自動倒換系統(tǒng)、告警處理系統(tǒng)、電源供給系統(tǒng)等。

　　其中，監(jiān)控管理系統(tǒng)可對組成光纖傳輸系統(tǒng)的各種設(shè)備自動進行性能和工作狀態(tài)的監(jiān)測，發(fā)生故障時會自動告警并予以處理，對保護倒換系統(tǒng)實行自動控制。對于設(shè)有多個中繼站的長途通信線路及裝有通達(dá)多方向、多系統(tǒng)的線路維護中心局來說，集中監(jiān)控是必須采用的維護手段。

　　近代光通信的真正發(fā)展則只是近三四十年的事，其中起主導(dǎo)作用的是激光器和光纖的誕生。首先是1960年Maiman發(fā)明了紅寶石激光器，激光器產(chǎn)生的強相干光為現(xiàn)代光通信提供了可靠的光源。這種單波長的激光具有普通無線電波一樣的特性，可對其調(diào)制而攜帶信息。利用激光的早期光通信也是通過大氣傳輸?shù)摹５芸彀l(fā)現(xiàn)，許多因素如霧、雨、云，甚至一隊偶然飛過的鳥，都會干擾光波的傳播，因而只能作短距離通信用c顯然，需要一種像射頻或微波通信的電纜或波導(dǎo)那樣的光波通信傳輸線，以克服這些影響，實現(xiàn)信息的長距離穩(wěn)定傳輸。

　　1965年，E.Miller報導(dǎo)了出金屬空心管內(nèi)一系列透鏡構(gòu)成的透鏡光波導(dǎo).可避免大氣傳輸?shù)娜秉c，但田其結(jié)構(gòu)太復(fù)雜且精度要求太高而不能實用。而另一方面，光導(dǎo)纖維的研究正在扎實進行。早在1951年就發(fā)明了醫(yī)療用玻璃纖維，但這種早期的光導(dǎo)纖維損耗太大(大于1000dB/km)，也不能作為光通信的傳輸媒質(zhì).1966年，C.K.Kao和G.A.Hockman發(fā)表了對光纖通信發(fā)展具有歷史意義的著名論文。他們在分析了造成光纖傳輸損耗高的主要原因后指出，如能完全除去玻璃中的雜質(zhì)，損耗就可降到20dB/km——相當(dāng)于同軸電纜的水平，那么，光纖就可用來進行光通信。在這種預(yù)想的鼓舞下，Corning公司終于在1970年制出了20dB/km損耗的光纖，從而為光纖通信的發(fā)展鋪平了道路。對光纖譜特性的研究發(fā)現(xiàn)，它有3個低損耗的傳輸窗口，即850nm的短波長窗口和1300nm、1500nm的長波長窗口。而后，隨著新的制造方法的出現(xiàn)及工藝水平的不斷提高，光纖損耗不斷降低。到1979年，單模光纖在1550nm波長的損耗已降到0.2dB/km，接近石英光纖的理論損耗極限。

　　而且光波頻率高，光纖的帶寬資源亦十分可觀，是任何其他傳輸媒質(zhì)無法比擬的。可以這樣說，光纖是通信工作者夢寐以求的理想傳輸媒質(zhì)，有近乎完美的品質(zhì)：

　　幾乎是無限的帶寬;

　　幾乎是零的損耗：

　　幾乎為零的信號失真

　　幾乎為零的功率消耗

　　幾乎為零的材料消耗

　　幾乎為零的占有空間

　　幾乎為零的價格。

　　因此，光纖是信息高速公路基礎(chǔ)，開創(chuàng)當(dāng)今信息革命的新紀(jì)元。

　　在光纖損耗不斷降低的同時，光源研究的進展亦十分迅速。1962年，GaAs半導(dǎo)體激光二極管(LD)問世，意味著現(xiàn)代光通信有了小體積的高速光源。GaAs-LD的發(fā)射波長為870nm，在摻雜鋁后移到了光纖的短波長低損耗窗口。后來，GaAs-LD又實現(xiàn)了室溫長時間工作。利用四元系合金InGaAsP制造出了1300nm及1550 nm的LD光源。由于LD 昂貴，適合光纖通信的高亮度LED也研制了出來。這樣，隨著符合光纖傳輸要求，各種波長、高效率、長壽命、高速率半導(dǎo)體光源的研制成功，光纖通信的實用化及大發(fā)展已是水到渠成。 LD輸出進入單模光纖的功率約為1mW。在光纖通信中又常用dBm作為功率單位，它是以1mW為基準(zhǔn)、用dB表示的相對功率大小。

　　此外，在光接收機的研究方面，各種波長范圍的高效率、高速率半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換器件(如APD、PIN)也陸續(xù)問世。1973年，S.D.Personick發(fā)表了有關(guān)PCM數(shù)字光接收機分析的論文，解決了現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)中光接收機的設(shè)計問題。數(shù)字接收機的靈敏度是很高的，如2.5Gb/s的信早時可達(dá)-30 dBm(1微瓦)。那未對于似乎很小的1mW發(fā)送功率，光纖損耗為0.2dB/km時，僅從損耗而言的傳輸距離就可達(dá)100km以上。

　　此外，為了滿足系統(tǒng)應(yīng)用的需要，各種光無源器件(如光纖活動連接據(jù)、光衰減器、光波分復(fù)用器、隔離器及分路器等)及專用儀器設(shè)備(如光纖嫁接機、時域反射計、光功率計等)也陸續(xù)配套商用。

　　1974年左右，許多國家進行了各種室內(nèi)的光纖通信傳輸實驗，1976年后出現(xiàn)了各種實用的光纖通信系統(tǒng),1980年美國電報電話公司的45Mb/s光纖通信系統(tǒng)FT-3實現(xiàn)商用。從20世紀(jì)80年代起進入了光纖通信高速發(fā)展的時期，經(jīng)歷了從短波長到長波長、從多模光纖到單模光纖、從低速率到高速率的發(fā)展過程。至今，商用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)歷四代，即850nm波長多模光纖的第一代系統(tǒng)(1980-)、1300nm波長單模光纖的第二代系統(tǒng)(1983-)、1550nm單模光纖單頻激光器的第三代系統(tǒng)(199l-)及采用光放大器的第四代系統(tǒng)(1995-)。全世界已鋪設(shè)的光纜總長達(dá)幾干萬公里，我國亦鋪設(shè)了數(shù)十萬公里，形成了遍布全國、全世界的陸地及海底光纖網(wǎng)。從2.5-10Gb/s的系統(tǒng)均已實用化并大量應(yīng)用，40Gb/s的超高速光纖通信技術(shù)進展亦十分迅速。圖為通信系統(tǒng)容量的發(fā)展圖，可見只有采用了光纖通信后才實現(xiàn)指數(shù)式的增長。

　　為了充分發(fā)揮光纖的帶寬潛力，克服光纖損耗及色散的影響、延長中繼距離、擴大傳輸容量及降低成本，一直是光纖通信的發(fā)展目標(biāo)。各種光纖通信新技術(shù)不斷出現(xiàn)，系統(tǒng)的碼速距離積一再提高.幾乎每4年增加一個數(shù)量級。這些新技術(shù)包括：

　　(1)有源及無源光器件、系統(tǒng)端機的集成化與模塊化，提高速率與性能.簡化結(jié)構(gòu)降低成本，是系統(tǒng)發(fā)展最主要的技術(shù)基礎(chǔ);

　　(2)波分復(fù)用(WDM，Wavelength Division Multiplexing)技術(shù)，實現(xiàn)單根光纖上超高速、超大容量傳輸;

　　(3)光放大器技術(shù)，尤其是摻餌光纖放大器(EDFA，Erbium-Doped Fiber Amplifier)及光放大器在長途干線系統(tǒng)以及用戶分配系統(tǒng)中的應(yīng)用;

　　(4)孤子通信技術(shù);

　　(5)高速光纖網(wǎng)技術(shù)，全光網(wǎng)技術(shù)等。

　　發(fā)展這些新技術(shù)的宗旨，都是為了更好地滿足日益增長的信息需求。其中，WDM技術(shù)與光放大器處術(shù)的完美結(jié)合，極大地提高了光纖通信系統(tǒng)的性能與通信容量，成為現(xiàn)代光通信技術(shù)的閃亮明珠，通向全光通信網(wǎng)的橋梁。

　　數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖6.1.5所示，它包括PCM端機、輸入接口、光發(fā)送機 (Tx)、光纖線路、光中繼器、輸出接口及光接收機(Rx)等。

　　一個典型的點--點光纖通信系統(tǒng)(如上圖)主要包括收發(fā)信息電端機、光發(fā)送接收端機、傳輸光纖等幾部分。從光發(fā)送機到光接收機是光信息的傳輸通道，稱為光信道，其任務(wù)是把信息可靠有效地從始端傳送到終端。各部分的作用如下：

　　(1)PCM電端機 需傳輸?shù)男畔⑿盘柊ㄔ捯?、圖像及計算機數(shù)據(jù)等，電端機就是常規(guī)電通信中的載波機、圖像設(shè)備及計算機等終端設(shè)備。對數(shù)字通信來說，信號在電端機內(nèi)要進行A/D及D/A轉(zhuǎn)換，變換成數(shù)字信號。

　　(2)光發(fā)送機 包括光源(LD或LED)及其驅(qū)動電路，電端機來的電信號經(jīng)編碼后調(diào)制光源，產(chǎn)生載有信息的光信號，完成電--光(E/O)轉(zhuǎn)換。

　　(3)傳輸光纖或光纜 將光源發(fā)射的光信號傳送到遠(yuǎn)處的接收端，它可以是多模光纖或單模光纖。

　　(4)光接收機 完成光--電(O/E)轉(zhuǎn)換。接收的光信號由光檢測器檢測轉(zhuǎn)換成電信號，然后放大解調(diào)、判決再生，送入電端機恢復(fù)出原信號。

　　在長途光纖通信系統(tǒng)中，每隔一段距離需設(shè)置中繼器，以把經(jīng)過長距離傳輸衰減變得很微弱并畸變的光信號進行光檢測變成電信號，經(jīng)放大整形再生后驅(qū)動光源，產(chǎn)生光信號再送入光纖傳輸，這就是傳統(tǒng)的光-電-光中繼器(圖1.2.2(a))。然而現(xiàn)在，光放大器.尤其是EDFA已經(jīng)成熟，其增益高、輸出功率大、噪聲低、帶寬大、碼速穿透，完全可代替光-電-光中繼器，正推動著光纖通信技術(shù)的革命——新一代全光通信技術(shù)(圖1.2.2(b))。圖1.2.2(c)為WDM系統(tǒng)的示意圖，幾個—幾百、上千個波長在單根光纖中一起傳獨，用EDPA中繼放大，使傳輸容量提高幾倍—幾百、上千倍，代表新一代高速大容量光纖通信技術(shù)的發(fā)展方向與研究熱點。

　　若干個點-點通信系統(tǒng)組合就構(gòu)成通信網(wǎng)(圖1.2.3)，以提供異地用戶之間通信。通信網(wǎng)又可分為公共通信網(wǎng)和專用通信網(wǎng)。公共通信網(wǎng)向全社會用戶提供通信服務(wù)，如電話網(wǎng)及公共數(shù)據(jù)網(wǎng)等。專用通信網(wǎng)是為特定用戶或單位服務(wù)的通信網(wǎng)，如鐵路、電力、軍事等部門的通信網(wǎng)及計算機網(wǎng)、州網(wǎng)等。這些網(wǎng)傳統(tǒng)上都采用電纜或微波，但當(dāng)今通信信息量劇增，它們已難以勝任，采用光纖通信技術(shù)已是大勢所趨。

　　光纖通信技術(shù)的基本內(nèi)容有：

　　(1)光纖傳物理論與技術(shù)、光纖器件;

　　(2)信號傳輸原理、調(diào)制解調(diào)方式、信號編碼及信道復(fù)用等;

　　(3)光源與光發(fā)送機;

　　(4)光檢測器與光接收機;

　　(5)光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用;

　　(6)光纖通信技術(shù)，如光放大器技術(shù)、WDM技術(shù)、全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)