光纖傳輸

其數(shù)據(jù)傳輸率能達(dá)幾千Mbps。如果在不使用中繼器的情況下，傳輸范圍能達(dá)到6-8km。 綜觀近年來(lái)國(guó)內(nèi)外配線系統(tǒng)的發(fā)展，我們可看出這樣三個(gè)階段：1、雙絞線階段。在這個(gè)階段語(yǔ)音同大規(guī)模數(shù)據(jù)通信不能混用也適應(yīng)這樣的數(shù)據(jù)通信。2、同軸電纜 +雙絞線階段。它能滿足用戶的大量數(shù)據(jù)傳輸和視頻的需求，但需要更多的接入設(shè)備，造價(jià)相對(duì)提高許多，且不易今后的擴(kuò)展需求。3、光纖階段。即我們所說(shuō)的最終階段，在此時(shí)，各相應(yīng)附屬設(shè)備更完善，數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)，擴(kuò)展性更好。近年來(lái)發(fā)展也特別快，接入設(shè)備價(jià)格目前有所調(diào)整，可以說(shuō)這是一步到位的綜合通信階段。分析光纖中光的傳輸，可以用兩種理論：射線光學(xué)（即幾何光學(xué)）理論和波動(dòng)光學(xué)理論。射線光學(xué)理論是用光射線去代替光能量傳輸路線的方法，這種理論對(duì)于光波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光波到尺寸的多模光纖是容易得到簡(jiǎn)單而直觀的分析結(jié)果的，但對(duì)于復(fù)雜問(wèn)題，射線光學(xué)只能給出比較粗糙的概念。　　

波動(dòng)光學(xué)是把光纖中的光作為經(jīng)典電磁場(chǎng)來(lái)處理，因此，光場(chǎng)必須服從麥克斯韋方程組及全部邊界條件。從波動(dòng)方程和電磁場(chǎng)的邊界條件出發(fā)，可以得到全面、正確的解析或數(shù)字結(jié)果，給出波導(dǎo)中容許的場(chǎng)結(jié)構(gòu)形式（即模式）。

光纖通信技術(shù)應(yīng)用迅速增長(zhǎng)，自1977年光纖系統(tǒng)首次商用安裝以來(lái)，電話公司就開(kāi)始使用光纖鏈路替代舊的銅線系統(tǒng)。今天的許多電話公司，在他們的系統(tǒng)中全面使用光纖作為干線結(jié)構(gòu)和作為城市電話系統(tǒng)之間的長(zhǎng)距離連接。提供商已開(kāi)始用光纖／銅軸混合線路進(jìn)行試驗(yàn)。這種混合線路允許在領(lǐng)域之間集成光纖和同軸電纜，這種被稱為節(jié)點(diǎn)的位置，提供將光脈沖轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光接收機(jī)，然后信號(hào)再經(jīng)過(guò)同軸電纜被傳送到各個(gè)家庭。近年來(lái)，作為一種通信信號(hào)傳輸?shù)那‘?dāng)手段，光纖穩(wěn)步替代銅線是顯而易見(jiàn)的，這些光纜在本地電話系統(tǒng)之間跨越很長(zhǎng)的距離并為許多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供干線連接。

光纖是一種采用玻璃作為波導(dǎo)，以光的形式將信息從一端傳送到另一端的技術(shù)。今天的低損耗玻璃光纖相對(duì)于早期發(fā)展的傳輸介質(zhì)，幾乎不受帶寬限制并具有獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)，點(diǎn)到點(diǎn)的光學(xué)傳輸系統(tǒng)由三個(gè)基本部分構(gòu)成：產(chǎn)生光信號(hào)的光發(fā)送機(jī)、攜帶光信號(hào)的光纜和接收光信號(hào)的光接收機(jī)。

1、光纖傳輸材料 ：

綜合布線系統(tǒng)中使用的光纖為玻璃多模850nm波長(zhǎng)的LED，傳輸率為100M/bps，有效范圍約20Km.其纖芯和包層由兩種光學(xué)性能不同的介質(zhì)構(gòu)成。內(nèi)部的介質(zhì)對(duì)光的折射率比環(huán)繞它的介質(zhì)的折射率高。由物理學(xué)可知，在兩種介質(zhì)的界面上，當(dāng)光從折射率高的一側(cè)射入折射率高的一側(cè)時(shí)，只要入射角度大于一個(gè)臨界值，就會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，能量將不受損失。這時(shí)包在外圍的覆蓋層就象不透明的物質(zhì)一樣，防止了光線在穿插過(guò)程中從表面逸出。只有那些初始入射角偏小的光線才有折射發(fā)生，并且在很短距離內(nèi)就被外層物質(zhì)吸收干凈。

目前生產(chǎn)的光纖，無(wú)論是玻璃介質(zhì)還是塑料介質(zhì)，都可傳輸全部可見(jiàn)光和部分紅外光譜。用光纖做的光纜有多種結(jié)構(gòu)形式。短距離用的光纜主要有兩種，一種層結(jié)構(gòu)光纜是在中心加鋼絲或尼龍絲，外束有若干根光纖，外面在加一層塑料護(hù)套；另一種是高密度光纜，它有多層絲帶疊合而成，每一層絲帶上平行敷設(shè)了一排光纖。 

用光纖做的光纜有多種結(jié)構(gòu)形式。短距離用的光纜主要有兩種，一種層結(jié)構(gòu)光纜是在中心加鋼絲或尼龍絲，外束有若干根光纖，外面在加一層塑料護(hù)套；另一種是高密度光纜，它有多層絲帶疊合而成，每一層絲帶上平行敷設(shè)了一排光纖。

2、光纖傳輸過(guò)程：

由發(fā)光二極管LED或注入型激光二極管ILD發(fā)出光信號(hào)沿光媒體傳播，在另一端則有PIN或APD光電二極管作為檢波器接收信號(hào)。對(duì)光載波的調(diào)制為移幅鍵控法，又稱亮度調(diào)制（IntensityModulation）。典型的做法是在給定的頻率下，以光的出現(xiàn)和消失來(lái)表示兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)字。發(fā)光二極管LED和注入型激光二極管ILD的信號(hào)都可以用這種方法調(diào)制，PIN和ILD檢波器直接響應(yīng)亮度調(diào)制。

功率放大──將光放大器置于光發(fā)送端之前，以提高入纖的光功率。使整個(gè)線路系統(tǒng)的光功率得到提高。在線中繼放大──建筑群較大或樓間距離較遠(yuǎn)時(shí)，可起中繼放大作用，提高光功率。前置放大──在接收端的光電檢測(cè)器之后將微信號(hào)進(jìn)行放大，以提高接收能力。

3、光纖傳輸特性：

光纜不易分支，因?yàn)閭鬏數(shù)氖枪庑盘?hào)，所以一般用于點(diǎn)到點(diǎn)的連接。光纖的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)性多點(diǎn)系統(tǒng)已經(jīng)建成，但是價(jià)格還太貴。原則上，由光纖功率損失小、衰減少，有較大的帶寬潛力，因此，一般光纖能夠支持的接頭數(shù)比雙絞線或同軸電纜多得多。目前低價(jià)可靠的發(fā)送器為0.85um波長(zhǎng)發(fā)光二極管LED，能支持100Mbps的傳輸率和1.5～2KM范圍內(nèi)的局域網(wǎng)。

激光二極管的發(fā)送器成本較高，且不能滿足百萬(wàn)小時(shí)壽命的要求。運(yùn)行在0.85um波長(zhǎng)的發(fā)光二極管檢波器PIN也是低價(jià)的接收器。雪崩光二極管的信號(hào)增益比PIN大，但要用20～50V的電源，而PIN檢波器只需用5V電源。如果要達(dá)到更遠(yuǎn)距離和更高速率，則可用1.3um波長(zhǎng)的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)衰減很小，但要比0.85um波長(zhǎng)系統(tǒng)貴源。另外,與之配套的光纖連接器也很重要，要求每個(gè)連接器的連接損耗低于25dB，易于安裝，價(jià)格較低。光纖的芯子和孔徑愈大，從發(fā)光二極管LED接收的光愈多，其性能就愈好。芯子直徑為100um，包層直徑為140um 的光纖，可提供相當(dāng)好的性能。其接收的光能比62.5/125um光纖的多4dB，比50/125um光纖多8.5dB。運(yùn)行在0.8um波長(zhǎng)的光纖衰減為6dB/Km，運(yùn)行在1.3um波長(zhǎng)的光纖衰減為4dB/Km。0.8um的光纖頻寬為150MHz/Km，1.3um的光纖頻寬為500MHz/Km。

綜合布線系統(tǒng)中，主干線使用光纖做為傳輸介質(zhì)是十分合適的，而且是必要的。

目前采用一種光波波分復(fù)用技術(shù)WDM（WAVELENGTH DIVISION MULTI-PLEXING），可以在一條線路上復(fù)用、發(fā)送、傳輸多個(gè)位，一般按一個(gè)字節(jié)八位并行傳輸，對(duì)每個(gè)位流使用不同的波長(zhǎng)，所以它所需的支持電路可在低速率下運(yùn)行。WDM的光纖鏈路適合于字節(jié)寬度的設(shè)備接口，是一種新的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

4、光纖傳輸?shù)奶攸c(diǎn)優(yōu)勢(shì)及傳輸原理

光纜傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)與發(fā)展形成了它的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于銅線每秒1.54MHZ的速率光纖網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行速率達(dá)到了每秒2.5GB。從帶寬看，很大的優(yōu)勢(shì)是：光纖具有較大的信息容量，這意味著能夠使用尺寸很小的電纜，將來(lái)就不用更新或增強(qiáng)傳輸光纜中信號(hào)。光纖電纜對(duì)諸如無(wú)線電、電機(jī)或其他相鄰電纜的電磁噪聲具有較大的阻抗，使其免于受電噪聲的干擾。從長(zhǎng)遠(yuǎn)維護(hù)角度來(lái)看，光纜最終的維護(hù)成本會(huì)非常低。光纖使用光脈沖沿光線路傳輸信息，以替代使用電脈沖沿電纜傳輸信息。在系統(tǒng)的一端是發(fā)射機(jī)，是信息到光纖線路的起始點(diǎn)。發(fā)射機(jī)接收到的已編碼電子脈沖信息來(lái)自于銅線電纜，然后將信息處理并轉(zhuǎn)換成等效的編碼光脈沖。使用發(fā)光二極管或注入式激光器產(chǎn)生光脈沖，同時(shí)采用透鏡，將光脈沖集中到光纖介質(zhì)，使光脈沖沿線路在光纖介質(zhì)中傳輸。由內(nèi)部全反射原理可知，光脈沖很容易眼光纖線路運(yùn)動(dòng)，光纖內(nèi)部全反射原理說(shuō)明了當(dāng)入射角超過(guò)臨界值時(shí)，光就不能從玻璃中溢出；相反，光纖會(huì)反射回玻璃內(nèi)。應(yīng)用這一原理制作光纖的多芯電纜，使得與光脈沖形式沿光線路傳輸信息成為可能。光纖傳輸具有衰減小、頻帶寬、抗干擾性強(qiáng)、安全性能高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，所以在長(zhǎng)距離傳輸和特殊環(huán)境等方面具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。傳輸介質(zhì)是決定傳輸損耗的重要因素，決定了傳輸信號(hào)所需中繼的距離，光纖作為光信號(hào)的傳輸介質(zhì)具有低損耗的特點(diǎn)，光纖的頻帶可達(dá)到1．0GHz以上，一般圖像的帶寬只有8MHz，一個(gè)通道的圖象用一芯光纖傳輸綽綽有余，在傳輸語(yǔ)音、控制信號(hào)或接點(diǎn)信號(hào)方面更為優(yōu)勢(shì)t光纖傳輸中的載波是光波，光波是頻率極高的電磁波，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比電波通訊中所使用的頻率高，所以不受干擾。且光纖采用的玻璃材質(zhì)，不導(dǎo)電，不會(huì)因斷路、雷擊等原因產(chǎn)生火花，因此安全性強(qiáng)，在易燃，易爆等場(chǎng)合特別適用。

5、單、多模光纖傳輸設(shè)備的原理

光纖傳輸設(shè)備傳輸方式可簡(jiǎn)單的分成：多模光纖傳輸設(shè)備和單模光纖傳輸設(shè)備。

1. 多模光纖傳輸設(shè)備所采用的光器件是LED，通常按波長(zhǎng)可分為850nm和1300nm兩個(gè)波長(zhǎng)，按輸出功率可分為普通LED和增強(qiáng)LED——ELED。多模光纖傳輸所用的光纖，有62.5mm和50mm兩種。

在多模光纖上傳輸決定傳輸距離的主要因素是光纖的帶寬和LED的工作波長(zhǎng)，例如，如果采用工作波長(zhǎng)1300nm的LED和50微米的光纖，其傳輸帶寬是 400MHz.km，鏈路衰減為0.7dB/km，如果基帶傳輸頻率F為150MHz，對(duì)于出纖功率為-18dBm，接收靈敏度為-25 dBm的光纖傳輸系統(tǒng)，其最大鏈路損耗為7 dB，則可計(jì)算：

ST連接器損耗：
2dB（兩個(gè)ST連接器）
光學(xué)損耗裕量：2
則理論傳輸距離：
L=（7 dB-2 dB-2 dB）/0.7dB/km=4.2 km
L為傳輸距離，而根據(jù)光纖的帶寬計(jì)算：
L=B/F=400MHz.km/150MHz=2.6km

其中 B為光纖帶寬，F(xiàn)為基帶傳輸頻率，那么實(shí)際傳輸測(cè)試時(shí)，L￡2.6km，由此可見(jiàn)，決定傳輸距離的主要因素是多模光纖的帶寬。

2. 單模傳輸設(shè)備所采用的光器件是LD，通常按波長(zhǎng)可分為850nm和1300nm兩個(gè)波長(zhǎng)，按輸出功率可分為普通LD、高功率LD、DFB-LD（分布反饋光器件）。單模光纖傳輸所用的光纖最普遍的是G.652，其線徑為9微米。

1310nm波長(zhǎng)的光在G.652光纖上傳輸時(shí)，決定其傳輸距離限制的是衰減因數(shù)；因?yàn)樵?310nm波長(zhǎng)下，光纖的材料色散與結(jié)構(gòu)色散相互抵消總的色散為0，在1310nm波長(zhǎng)上有微小振幅的光信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻帶傳輸。 

1550nm波長(zhǎng)的光在G.652光纖上傳輸時(shí)衰減因數(shù)很小，單純從衰減因數(shù)考慮，1550nm波長(zhǎng)的光在相同的光功率下傳輸?shù)木嚯x大于1310nm波長(zhǎng)的光下的傳輸?shù)木嚯x，但是實(shí)際情況并非如此，單模光纖帶寬B與色散因數(shù)D的關(guān)系為：

B=132.5/（DlxDxL）GHz

其中L為光纖的長(zhǎng)度，Dl為譜線寬度，對(duì)于1550nm波長(zhǎng)的光，其色散因數(shù)如表3為20 ps/（nm.km)，假設(shè)其光譜寬度等于1nm，傳輸距離為L(zhǎng)=50公里，則有：

B=132.5/（DxL）GHz=132.5MHz

也就是說(shuō)，對(duì)于模擬波形，采用1550nm波長(zhǎng)的光，當(dāng)傳輸距離為50公里時(shí)，傳輸帶寬已經(jīng)小于132.5 MHz，如果基帶傳輸頻率F為150MHz，那么傳輸距離已經(jīng)小于50km，況且實(shí)際應(yīng)用中，光源的譜線寬度往往大于1nm。 

從上式可以看出，1550nm波長(zhǎng)的光在G.652光纖上傳輸時(shí)決定其傳輸距離限制的主要是色散因數(shù)。
 

今天，人們使用光纖系統(tǒng)承載數(shù)字電視、語(yǔ)音和數(shù)字是很普通的一件事，在商用與工業(yè)領(lǐng)域，光纖已成為地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)。在軍事和防御領(lǐng)域，快速傳遞大量信息是大范圍更新?lián)Q代光纖計(jì)劃的原動(dòng)力。盡管光纖仍在初期發(fā)展階段，但總有一天光控飛行控制系統(tǒng)會(huì)用重量輕、直徑小又使用安全的光纜取代線控飛行系統(tǒng)。光導(dǎo)纖維與衛(wèi)星和其他廣播媒體一起，代表著在航空電子學(xué)、機(jī)器人學(xué)、武器系統(tǒng)、傳感器、交通運(yùn)輸及其他高性能環(huán)境使用條件下的商用通信和專業(yè)應(yīng)用的新的世界潮流。