光纤通信系统,光纤通信系统是什么意思 光纤通信系统 光纤光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。随着国际互联网业务和通信业的飞速发展，信息化给世界生产力和人类社会的发展带来了极大的推动。光纤通信作为信息化的主要技术支柱之一，必将成为21世纪最重要的战略性产业。光纤通信技术和计算机技术是信息化的两大核心支柱，计算机负责把信息数字化，输入网络中去;光纤则是担负着信息传输的重任。当代社会和经济发展中，信息容量日益剧增，为提高信息的传输速度和容量，光纤通信被广泛的应用于信息化的发展，成为继微电子技术之后信息领域中的重要技术。 基本光纤通信系统 最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包括所有的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号;光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波窗口有0.85、1.31和1.55。光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器EDFA等;而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。 数字光纤通信系统 光纤传输系统是数字通信的理想通道。与模拟通信相比较，数字通信有很多的优点，灵敏度高、传输质量好。因此，大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字传输方式。 在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲＂0＂码和＂1＂码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM(pulse code modulation)，即脉冲编码调制。这种电的数字信号称为数字基带信号，由PCM电端机产生。 光纤通信系统基本构成 (1)光发信机 光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。 (2)光收信机 光收信机是实现光/电转换的光端机。 它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。 (3)光纤或光缆 光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。 (4)中继器 中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减;另一个是对波形失真的脉冲近行政性。 (5)光纤连接器、耦合器等无源器件 由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的(如1Km)。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。 备用系统与辅助设备 了确保系统的畅通，通常设置都有备用系统，就好比对磁盘的备份。正常情况下只有主系统工作，一旦主要系统出现故障，就可以立即切换到备用系统，这样就可以保障通信的畅通和正确无误。 辅助设备是对系统的完善，它包括监控管理系统、公务通信系统、自动倒换系统、告警处理系统、电源供给系统等。 其中，监控管理系统可对组成光纤传输系统的各种设备自动进行性能和工作状态的监测，发生故障时会自动告警并予以处理，对保护倒换系统实行自动控制。对于设有多个中继站的长途通信线路及装有通达多方向、多系统的线路维护中心局来说，集中监控是必须采用的维护手段。 近代光通信的真正发展则只是近三四十年的事，其中起主导作用的是激光器和光纤的诞生。首先是1960年Maiman发明了红宝石激光器，激光器产生的强相干光为现代光通信提供了可靠的光源。这种单波长的激光具有普通无线电波一样的特性，可对其调制而携带信息。利用激光的早期光通信也是通过大气传输的。但很快发现，许多因素如雾、雨、云，甚至一队偶然飞过的鸟，都会干扰光波的传播，因而只能作短距离通信用c显然，需要一种像射频或微波通信的电缆或波导那样的光波通信传输线，以克服这些影响，实现信息的长距离稳定传输。 1965年，E.Miller报导了出金属空心管内一系列透镜构成的透镜光波导.可避免大气传输的缺点，但田其结构太复杂且精度要求太高而不能实用。而另一方面，光导纤维的研究正在扎实进行。早在1951年就发明了医疗用玻璃纤维，但这种早期的光导纤维损耗太大(大于1000dB/km)，也不能作为光通信的传输媒质.1966年，C.K.Kao和G.A.Hockman发表了对光纤通信发展具有历史意义的著名论文。他们在分析了造成光纤传输损耗高的主要原因后指出，如能完全除去玻璃中的杂质，损耗就可降到20dB/km——相当于同轴电缆的水平，那么，光纤就可用来进行光通信。在这种预想的鼓舞下，Corning公司终于在1970年制出了20dB/km损耗的光纤，从而为光纤通信的发展铺平了道路。对光纤谱特性的研究发现，它有3个低损耗的传输窗口，即850nm的短波长窗口和1300nm、1500nm的长波长窗口。而后，随着新的制造方法的出现及工艺水平的不断提高，光纤损耗不断降低。到1979年，单模光纤在1550nm波长的损耗已降到0.2dB/km，接近石英光纤的理论损耗极限。 而且光波频率高，光纤的带宽资源亦十分可观，是任何其他传输媒质无法比拟的。可以这样说，光纤是通信工作者梦寐以求的理想传输媒质，有近乎完美的品质： 几乎是无限的带宽; 几乎是零的损耗： 几乎为零的信号失真 几乎为零的功率消耗 几乎为零的材料消耗 几乎为零的占有空间 几乎为零的价格。 因此，光纤是信息高速公路基础，开创当今信息革命的新纪元。 在光纤损耗不断降低的同时，光源研究的进展亦十分迅速。1962年，GaAs半导体激光二极管(LD)问世，意味着现代光通信有了小体积的高速光源。GaAs-LD的发射波长为870nm，在掺杂铝后移到了光纤的短波长低损耗窗口。后来，GaAs-LD又实现了室温长时间工作。利用四元系合金InGaAsP制造出了1300nm及1550 nm的LD光源。由于LD 昂贵，适合光纤通信的高亮度LED也研制了出来。这样，随着符合光纤传输要求，各种波长、高效率、长寿命、高速率半导体光源的研制成功，光纤通信的实用化及大发展已是水到渠成。 LD输出进入单模光纤的功率约为1mW。在光纤通信中又常用dBm作为功率单位，它是以1mW为基准、用dB表示的相对功率大小。 此外，在光接收机的研究方面，各种波长范围的高效率、高速率半导体光电转换器件(如APD、PIN)也陆续问世。1973年，S.D.Personick发表了有关PCM数字光接收机分析的论文，解决了现代光纤通信系统中光接收机的设计问题。数字接收机的灵敏度是很高的，如2.5Gb/s的信早时可达-30 dBm(1微瓦)。那未对于似乎很小的1mW发送功率，光纤损耗为0.2dB/km时，仅从损耗而言的传输距离就可达100km以上。 此外，为了满足系统应用的需要，各种光无源器件(如光纤活动连接据、光衰减器、光波分复用器、隔离器及分路器等)及专用仪器设备(如光纤嫁接机、时域反射计、光功率计等)也陆续配套商用。 1974年左右，许多国家进行了各种室内的光纤通信传输实验，1976年后出现了各种实用的光纤通信系统,1980年美国电报电话公司的45Mb/s光纤通信系统FT-3实现商用。从20世纪80年代起进入了光纤通信高速发展的时期，经历了从短波长到长波长、从多模光纤到单模光纤、从低速率到高速率的发展过程。至今，商用光纤通信系统的发展已经历四代，即850nm波长多模光纤的第一代系统(1980-)、1300nm波长单模光纤的第二代系统(1983-)、1550nm单模光纤单频激光器的第三代系统(199l-)及采用光放大器的第四代系统(1995-)。全世界已铺设的光缆总长达几干万公里，我国亦铺设了数十万公里，形成了遍布全国、全世界的陆地及海底光纤网。从2.5-10Gb/s的系统均已实用化并大量应用，40Gb/s的超高速光纤通信技术进展亦十分迅速。图为通信系统容量的发展图，可见只有采用了光纤通信后才实现指数式的增长。 为了充分发挥光纤的带宽潜力，克服光纤损耗及色散的影响、延长中继距离、扩大传输容量及降低成本，一直是光纤通信的发展目标。各种光纤通信新技术不断出现，系统的码速距离积一再提高.几乎每4年增加一个数量级。这些新技术包括： (1)有源及无源光器件、系统端机的集成化与模块化，提高速率与性能.简化结构降低成本，是系统发展最主要的技术基础; (2)波分复用(WDM，Wavelength Division Multiplexing)技术，实现单根光纤上超高速、超大容量传输; (3)光放大器技术，尤其是掺饵光纤放大器(EDFA，Erbium-Doped Fiber Amplifier)及光放大器在长途干线系统以及用户分配系统中的应用; (4)孤子通信技术; (5)高速光纤网技术，全光网技术等。 发展这些新技术的宗旨，都是为了更好地满足日益增长的信息需求。其中，WDM技术与光放大器处术的完美结合，极大地提高了光纤通信系统的性能与通信容量，成为现代光通信技术的闪亮明珠，通向全光通信网的桥梁。 数字光纤通信系统的基本结构如图6.1.5所示，它包括PCM端机、输入接口、光发送机 (Tx)、光纤线路、光中继器、输出接口及光接收机(Rx)等。 一个典型的点--点光纤通信系统(如上图)主要包括收发信息电端机、光发送接收端机、传输光纤等几部分。从光发送机到光接收机是光信息的传输通道，称为光信道，其任务是把信息可靠有效地从始端传送到终端。各部分的作用如下： (1)PCM电端机 需传输的信息信号包括话音、图像及计算机数据等，电端机就是常规电通信中的载波机、图像设备及计算机等终端设备。对数字通信来说，信号在电端机内要进行A/D及D/A转换，变换成数字信号。 (2)光发送机 包括光源(LD或LED)及其驱动电路，电端机来的电信号经编码后调制光源，产生载有信息的光信号，完成电--光(E/O)转换。 (3)传输光纤或光缆 将光源发射的光信号传送到远处的接收端，它可以是多模光纤或单模光纤。 (4)光接收机 完成光--电(O/E)转换。接收的光信号由光检测器检测转换成电信号，然后放大解调、判决再生，送入电端机恢复出原信号。 在长途光纤通信系统中，每隔一段距离需设置中继器，以把经过长距离传输衰减变得很微弱并畸变的光信号进行光检测变成电信号，经放大整形再生后驱动光源，产生光信号再送入光纤传输，这就是传统的光-电-光中继器(图1.2.2(a))。然而现在，光放大器.尤其是EDFA已经成熟，其增益高、输出功率大、噪声低、带宽大、码速穿透，完全可代替光-电-光中继器，正推动着光纤通信技术的革命——新一代全光通信技术(图1.2.2(b))。图1.2.2(c)为WDM系统的示意图，几个—几百、上千个波长在单根光纤中一起传独，用EDPA中继放大，使传输容量提高几倍—几百、上千倍，代表新一代高速大容量光纤通信技术的发展方向与研究热点。 若干个点-点通信系统组合就构成通信网(图1.2.3)，以提供异地用户之间通信。通信网又可分为公共通信网和专用通信网。公共通信网向全社会用户提供通信服务，如电话网及公共数据网等。专用通信网是为特定用户或单位服务的通信网，如铁路、电力、军事等部门的通信网及计算机网、州网等。这些网传统上都采用电缆或微波，但当今通信信息量剧增，它们已难以胜任，采用光纤通信技术已是大势所趋。 光纤通信技术的基本内容有： (1)光纤传物理论与技术、光纤器件; (2)信号传输原理、调制解调方式、信号编码及信道复用等; (3)光源与光发送机; (4)光检测器与光接收机; (5)光纤通信系统的设计、结构及应用; (6)光纤通信技术，如光放大器技术、WDM技术、全光网络技术