光纤通讯基础简介(上)
一、光通讯简介
1、使用光通讯技术的优点︰
它是以光当作载波，透过光纤当传输介质将信息传递至远方。若以铜质同轴电缆与光纤作一比较，同轴电缆是搭配电磁波以数百MHz至数个GHz频率，以模拟的方式来传递信息，但其载波频率会受到20GHz理论值的限制；若以长距离光纤通讯而言，光的载波频率可达193,000GHz。而传输信息的频宽取决于载波频率，因此，若同轴缆线最大上限可以传输两个10GHz的频道，理论上，光纤则可以传输数以千计的10GHz的频道。此外，光纤质轻直径小，在光缆铺设过程中可以节省空间，加上在传输的过程中的衰减比铜质导线低，以单模光纤而言，每公里衰减约为0.2~0.5dB，且对于光讯号在光纤传输过程中，对于电磁波的干扰较不敏感，因此适合高容量及长距离通讯。
2、应用的层次︰
光通讯主要应用在电信网络、有线电视及数据传输方面，而电信方面的应用是最早的，例如越洋的通信，因其高容量及可靠度的优点，并可以在长距离(600km以上需要中继器，最大可达9000km)传输时载上数以万计的通话信号，因而有效的提升通话负载量及品质的问题。有线电视方面，因所需求的频宽较高，每个频道的所需的影像频宽约为6MHz(声音频道约为8KHz)，以光纤传递模拟影像讯号，可以达到一百个以上的频道，其中包括声音、影像及互动的数据传输。而数据通信(Datacommunication)上面，则是现在最热门的话题，随着信息时代的来临，网际网络需要大量的频宽来传递多媒体的信息，从短距离(1~500m)的Gigabit网络卡、LAN，到中距离(1~20km)的MAN以至于长距离(60~600km以上)的越洋光缆都需要光纤的大容量来解决频宽不足的问题，近年来，因网际网络Interent的盛行及远距教学等实施，对于数据通讯的需求每年以倍数成长，而光纤通信系统架构则是最佳的选择。
3、基本光纤通讯架构︰
图一为点对点光纤通讯的基本架构，基本上是由光收发模块及光纤所组成，首先我们利用数字或模拟调变的方式将信息载在发射器上，以光波为载波透过光纤将讯号传递至远方，若距离较长，光纤则透过联结器(Connector)或接合器(splice)方式延长，最后到达光传感器端，在注重噪声与讯号比(S/N Ratio)情况下，并用clock recover的方式下将光讯号转回电讯号，而将信息解调回来。
4、数据传输趋势︰
图二是数据通讯标准的演进过程示意图，近年来，通信标准所定义的容量有逐年增加趋势，主因是区域及全球对频宽速度及容量渴望的影响，而光纤通讯的解决方案，对传输每单位Mb所需的成本也会逐年的下降。
若以网络区域的大小来区分，会常见到几个名词︰WAN(Wide Area Network)—国对国或全球长距网络、MAN(Metropolitan Area Network)—区域性或城市间通讯网路、LAN(Local Area Network)—一般使用者的计算机网络或使用路由器(Router)连结Internet、Dial-up Network—即一般个人计算机的调制解调器或电话所联结的网络。一般来说，前两者网络属于通讯公司所有，用来处理数以万计的电话通讯，而后两者则与PC及数据通信息息相关。
二、光学物理特性︰
在光纤通信方面，我们是利用光当作载波(Carrier)，因此，再更进一步了解光通讯之前，应对光学的物理特性做一个概括性的了解，接下来，我们对光的物理特性应用在通信上基础的知识做一简单的介绍。
1、光通讯传输波段(Communication Band)︰
基本上，我们可视光是电磁波的一种，若我们以sin波形来表示，则λ为其波长，如图三所示。光速在真空中传递速率为3×108m/s，若在介电材质中传递(如玻璃)，会因折射率不同而速度变慢，波长也会因此而有所改变，但一般来说，波长皆是定义在真空的状态下。
图四则是一般常用的光谱波段示意图，其中横轴表示可为频率及波长。因为光速=频率×波长，所以频率与波长对光速是为倒数关系，但在通讯上一般较常用波长来描述。举例来说，若我们以现今DWDM通信波长1550nm(10-9m)来估计，频率约193THz(1THz=1000GHz)，如我们只利用到1%的频宽，则频宽可达193GHz！
2、光的功率(Optical Power)︰
传输用的Laser power也有它相对应的规范，如国际标准的IEC825-1或美规CFR 1040.10等。一般光功率所使用的单位有mW及dBm两种，前者为线性，后者是取log值。使用后者的好处是分析讯号时，可增加其动态范围(Dynamic Range)使吾人在同一坐标轴中分析时易于观察，例如1000mW与2mW的讯号，两者尺度差异为500倍，但若换成30dBm与3dBm，尺度在10倍左右而易于分析。而当我们分析两个相对的功率时，则用dB来表示。
3、同调性及干涉效应(Coherent & Interferent)︰
此效应属于光波动的特性，当考虑一同波长的光源，若组成光源的各光子间其相位(Phase)的相关程度越高，则表示同调性(Coherent)越高，而干涉或绕射的程度也会跟着提高。若同调性越高，当传输时较能保持一定的相位，例如Laser；而相关程度越低，光子间的相位较不易保持，呈random的现象，例如自然光及LED皆是。CL(Coherent Length)的定义则是光子间能维持相位同调的相关性长度。而干涉及绕射效应是当两个不同的光子到达同一个位置时，因相位差异造成的建设性或破坏性干涉，使光强度有极大值或极小值的变化。
4、反射(Reflection)︰
当光行进时遇到任何的断面或是折射率不连续的地方，例如air gap、misalignment时，就会造成反射，当利用光做数据传输时，反射会造成两个问题，第一是反射光源产生的噪声会抑制传输的S/N比，第二是反射能量会造成Laser Source端的不稳定。若端面是两个以上，因折射率不连续之故，则会产生二次或三次的反射现象，且端面距离若在CL的范围内，则必需考虑光源强度或波长改变时造成周期性干涉的影响。反射损耗(RL Return Loss)的定义如下，其值越大表示越不易在端面上产生反射。
5、偏极化(Polarization)︰
光可视为电磁波的一种形式，偏极则表示行进波在传递时的脉动方向，因电磁波在传递时，电场与磁场方向为正交(orthogonal)，因此在表示偏极化时一般以电场方向来定义，即Ex及Ey，若行进波一直维持在Ex或Ey轴行进，则称此波为水平或垂直线性偏极，若行进波行进时会因时间改变做顺时针或逆时针旋转，则称此波为右旋或左旋圆偏极。一般以SOP(State Of Polarization)来表示极化的状态。而DOP(Degree Of Polarization)则表示单位能量所产生偏极程度，例如LED，其值相对的较小，表示偏极化程度较低，而自然光是各方同相性，视为无偏极化，但半导体雷射光源的极化程度较高，可达90%以上。
基本上，任一偏极可分成Ex及Ey两个分量，但两个分量的相位差为0或180度则为线性偏极，而圆偏极是由两个等量的Ex及Ey所形成，但当Ex及Ey分量在波行进时相位角相差90或270
度时，因两分量相位差而使偏极会随时间有周期性的变化，若两分量大小相等称为圆偏极，若大小不等便是椭圆偏极。另一种情况下，当两分量相位差并不为90度的整数倍时，都有可能形成椭圆偏极。因此，当我们对偏极光源应用λ/4或λ/2的延迟片(使相位角延迟90或180度)，便可以将圆偏极分解成两个线偏极，或由某个偏极化状态转移至另一个偏极化状态。
对于偏极化系统的计算表示方式有许多种，如Muller Method 的矩阵或Jones’s矩阵方式，但因为是数学形式，我们不易从数学模式的换算中得到讯息，而Poincaré Sphere则提供了一个容易辨别极化状态及程度的图表，类似RF的Smith Chart，吾人从图中便能很快的知道极化的状态。这是利用Stoke参数来表示，此参数共有四个值，分别为(S0,S1,S2,S3)，S0代表能量的大小，S1代表水平或垂直线性偏极，S2代表+45度或-45度线性偏极，S3表示右旋或左旋圆偏极，其如图九所示。若相位差或强度不同的椭圆偏极，它就不会出现在这三个轴上，而可能在圆中的任一点，若点出现在三个轴的中心，就表示此为无偏极化，它的好处在于我们可以记录或分析极化从一个状态转变到另一个状态的过程。
一般来说，光会随着介质的边界条件而改变极化的状态，亦即当我们送入一偏极化光源至光纤中时，若对光纤做温度或应力的变化，便会改变极化的状态，若要维持极化的一定性，就需采用PM(Polarization Maintain)光纤。
另外，在光纤通讯方面，水平偏极与垂直偏极所传输的速度会有些许差异，这是我们因为可视
光纤为一种birefrigent，这个差异，会在高速数据传输时造成信号延迟失真，一般称为PMD(Polarization Mode Dispersion)，关于这方面，我们在光纤部分再做解释。
6、数字及模拟讯号调变(Digital & Analog Modulation)︰
数字调变︰利用两功率切换的方式做讯号的调变(即0与1)，若以Laser来说，P0并不一定代表无光源输出，而是比Threshold偏压稍高，如此Laser才能在高速反应下操作。一般在Transcever 上会量测到消灭比例Extinction Ratio(ER=P1/P0)，这可以反映出S/N比，另外，在通信上常用到时域分工TDM(Time Division Multiplexing)，如同无线通信GSM的原理，将时域分成数个Channel，每隔一段周期性时间后便轮到下一位User，另外是常被鉴定为通信品质依据的位错误率Bit Error Ratio(BER=N error/N correct)，定义是传输一个数目的位资料下产生错误的数目比例，例如若传100个位，经过数字调变后产生一个位的错误，则BER为1E-2，一般在通信的标准为1E-9至1E-12甚至到1E-15。
模拟调变︰类似AM调变的方式，将RF讯号透过Mixer将资料利用模拟方式载在Laser上传输，以CA TV较为常用，因功率调变方式会使系统对于反射相当敏感，因此其光纤连接头大部分为斜角端面(如APC)，目的是使反射减少。
三、通讯规范(Communication Standard)︰
通信规范的制定是为了提供系统及组件制造商能够整合为目的，大致包含测试设备的兼容性、各种通讯参数的定义、标准测试步骤及方法、各种资料协议间的联结、传输品质提升及合工/分
工器(Multiplex/Demultiplex)系统效能提升等。通信规范的理念来自于七层网际网络通讯协议(Internet Protocol)中的实体层(Phyical Layer)，此为最基本的硬件规范，如功率、传输速度(Bit Rate)、抖动(Jitter)等，进而由此延伸到电路功能设计及光组件方面各种参数的定义。
以下是对于通信的标准规范做一简单的介绍︰
1、PDH(Plesiochronous Digital Hierarchy)
PDH是SONET的前身，早期在60年代的通讯用途中，数据传输属于点对点模式，因此没有一定的通讯标准，但当各地区的区域性的电讯要汇入较大的资料流量做长距离传输时，因各地区信息的时脉速度不尽相同，而会造成传输上时间间隔(time interval)的问题，当时的解决方式是在资料间隔时间较长的时脉中加入假的字符，使数据传输能有类似同步的效果，不过这会有许多缺点，如在高速传输的系统中较不易上传或下载速度较慢的资料，另外，没有标准的规范，使得编码或传输接口的问题也无法获得有效的解决。
2、SONET/SDH (Synchronous Optical Network / Synchronous Digital Hierarchy)
SONET最初是由美国的Bell公司所制定，目的是资料从主干到达各区域的分支点时仍能够维持通讯时脉的一致性，它的架构是以125ms为规律的一个时间区隔，越高的数据传输速度，其单位时间内载的字符数也相对越多，但仍以125ms的时脉为基准。而SDH则适用北美以外的区域，而由欧洲所制定，目的是在国际间的传输上也有相同的标准，而此规范允许当一定范围的资料速度由不同管道汇入或汇出多任务(Multiplex)资料流量时，不需要解多任务(Demultiplex)就可以直接做传输。
3、DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing) Standard
典型的光通讯，是采用单一载波单方向传输数据，但因为渗饵光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplify)的问世，使得同一条光纤内容许许多载波同时存在传递信息，此标准的定义大部分是由ITU(International Telecommunication Union)所制定，目的是为了保证不同波长的载波之间功率的稳定性并避免各信道载波之间的串音(cross talk)造成信号的失真等。例如ITU G.692 就定义各信道(channel)之间的区间以100GHz为标准(即两载波间间隔为0.8nm)，且固定以193.1THz(约为1550nm)为标准频率向上或向下延伸，例如我们以193.1THz当作第一个信道，并以100GHz 为间隔开四个信道，则下一个载波频率便为193.2THz、193.3THz、193.4THz。另外，TIA协会制定的是以50GHz为间隔的标准。
4、A TM(Asynchronous Transfer Mode)
这可看成是一个多功能的技术，它的目的在于能够有更广泛的应用层次，使不同的传输模式皆能通用，而使现有的通讯容量最佳化，它可以在PDH或SONET/SDH下执行，若我们将SONET/SDH看做为信息的基础架构，则ATM则是加强了切换的服务功能。
下表一为常见的通讯传输速度规格︰
四、光纤特性及相关组件
在光纤通讯领域中，所用到的传递媒介皆以光纤为主，依材质有分为塑料及玻璃两种，因考虑到的因素不同而有不同的选择，前者大多用于短距通讯如个人计算机网络、视听设备等，主要考量因素在于价格，而后者大多用于长距离通讯如城市及城市间甚至到越洋海底光缆等，主要考量因素在于损耗及传输品质，另外对于环境的要求也较为重视，例如海底光缆其外披覆层材
质就应考虑到抗海水腐蚀性，而目前最热门的DWDM的系统采用的光纤皆为玻璃材质。若单就传输的部分来说，光缆有包含光纤、接合器(Splice)及连接器(Connector)等，而本段就针对光纤的特性部分做一介绍。
1、光纤简介
光纤基本上是由折射率约 1.5左右的核心层(Core)与披覆层(Cladding)介电材质所组成(折射率refraction index可以n来表示)，它的地位相当于微波通讯中的阻抗(Impedance)，在光纤制作过程中要维持折射率的一定，其目的是要光在传播时在核心层内造成全反射，而使光在彼端传输损耗达到最小。一般核心层的折射率要比披覆层稍高，而披覆层主要目的是使光在全反射时，使核心层端与外界所造成的肌肤效应(skin effect)达到最小损耗所设计。若以折射率分析，光纤有分为步阶式(SI Step Index)与渐进式(GI Gradient Index)两种，以图十为例，表示为100/140μm 的步阶式光纤(前表示核心层直径，后表示加上披覆层直径)。一般此种核心层直径大小的光纤有石英材质(SiO2)及塑料压克力材质(PMMA Polymethyl methacrylate)两种。
2、数值孔径(NA Numerical Aperture)
光纤的数值孔径是表示在何种角度下的光源耦合入光纤时可以在核心层端内造成全反射，若我们用Snell定律可推导出数值孔径大小，如图十一所示。若以量测方面来定义，它是从光纤发射出sinθ光源强度分布中的半波宽为值，它代表着当光源耦合入光纤时的难易度，由此，我们也较清楚知道光学组件制作时应采用何种聚焦透镜，一般来说，上述步阶式光纤NA值约为0.3~0.4左右。
3、石英(SiO2 Silica)光纤对波段的吸收
图十二为石英光纤在不同波长的光源下，每单位公里所造成的衰减示意图，造成衰减的主要原因有下列三种︰瑞立散射(Raleigh scattering)、吸收(Absorption)及光纤内部的微弯曲(Micro bending)。分述如下︰瑞立散射是造成光纤衰减的主因，主要是因为光纤的结构是玻璃材质，其结晶成分是非均匀性的，因此造成光在传播中会有散射，这种现象会随波长越长而衰减越小；而吸收有来自光纤制作时的不纯物与水分渗入的影响，其中以水分子吸收影响最为明显，因水分子的氢氧基键结会对1.39μm部分波长光源产生吸收，因此在光纤通讯中，较不常用此一波段，但近年来光纤制程有所改进，而可以将此吸收部分降至趋近于零；第三种来自于光纤制程时内部应力产生的微弯曲造成的衰减，它出现在所有的波段中，应在光纤制程上尽量避免此一效应。
从图十二中的三个区域，是光通讯最常使用的波段，第一个波段衰减最大，不适合做长距离传输，第二第三衰减较小，其中1550nm左右波段有衰减的最小值，因此最适合做长距离传输。
4、多模及单模光纤
光是电磁波的一种，而光纤可视为是电磁波的波导(Wave-guide)，若我们以边界条件的概念来推导入射波的传递模态(propagation mode)，在固定波导直径大小下，当某个频率以下(波长以上)的传输时，波导内只容许一个路径传播，我们称此频率为截止频率(Cutoff frequency)或截止波长(Cutoff wavelength)，在截止波长以上只有一种传递路径者称为单模(SM Single Mode)，以下者(有两种以上传输路径)称为多模(MM Multi Mode)。
以850nm的波长为例，100/140μm步阶式光纤可以有数千种以上的模态(如TE00、TE01….为其中两个模态，而一个模态代表一个传输的路径)，因此光在传输时有数千种路径可选择，而造成多模失真(Multimode Dispersion)，而使得传输能力限制在每公里20Mb/s，若为塑料光纤则会受到约每公里5Mb/s的上限，因此限制了上述步阶式直径的光纤传输极限，但却因为制程所需费用较节省而适用于短距传输上，如LAN、汽车内部通讯或视听音响系统中。
解决多模失真的方案是采用渐进式折射率光纤，如图十三所示，其核心层中央的折射率较大，而靠近披覆层的折射率较小，因光在折射率大的介质中速度较慢，因此在不同路径下，到达的时间趋于一致，而使模态失真减少，一般常用的渐进式折射率光纤有50/125μm与62.5/125μm 两种，其传输能力可以提高到每公里1Gb/s。
前提到在截止波长以上称为单模光纤，若以1300nm或1550nm为截止波长，其相对应的光纤为9/125μm与10/125μm两种。理论上，传输能力可达到每公里1000Gb/s，但因有其它原因(CD、PMD)，使得单模光纤传输速度无法完全达到1000Gb/s。
5、色散(CD Chromatic Dispersion)
当光在同一介质中传播时，因波长的不同而造成速度上的差异称为色散，例如白光穿透三菱镜时所造成分色的光谱便是一例。因任何耦合入光纤的光源并非绝对单一的波长(Laser也不例外)，因此这种速度上的延迟便会造成失真，因此在我们就必须要量测它并加以补偿。以单模光纤为例，色散所造成的延迟约为数十ps(nm*km)，即光源越纯，色散失真越小(多模光纤也有此现象，但其模态失真延迟时间的数量级约为10ns = 10000ps，数量级远大于CD，因此可以不考虑此一影响)，此种失真会使传输速度在10Gb/s以上或传输距离数百公里以上时会有相当大的影响，补救的方法一般采用布拉格光纤(FBG Fiber Bragg Grating)做补偿(后述)。
6、偏极化模态失真(PMD Polarization Mode Dispersion)
考虑单模光纤在单一波长光源传输下，虽然为同一传输路径，但偏极化却不一定为同一方向，若将此向量分成水平与垂直轴来看，偏极光在此两方向传递速率不会一致，而造成讯号时间延迟，约为数个ps(nm*km)，基本上，在光纤中是无法做事后的补偿，因此在制程上就要尽量避免此一现象。而在高速通讯系统中如DWDM，便会要求整个系统的品质，而在某些组件上，也会需要减少此一讯号延迟失真。
另外一个常见的量测是偏极化耗散(PDL Polarization Dependent Loss)，以光纤为例，因偏极光在
传输时其偏极的方向会随光纤应力、弯曲及本身材质特性而使极化方向改变，而极化方向会使光感测二极管(PD Photo Detector)所得到的光电流会有误差，因此在高速传输中此一参数的要求也日形重要。
7、联结器(Connector)
光纤在制作过程中有一定的长度，当我们铺设光揽或与其它光学组件接合时，就需要联结器或接合器做转接或延伸，因联结器会造成输入损耗(IL Insertion Loss)及反射而使组件性能降低。依型态分为Air Gap、PC(Physical Contact)及APC(Angled Physical Contact)三种，Air Gap型态联结器如BICONIC型，IL为0.5dB，RL约为14dB；PC型态如FC/PC型，将光纤端面研磨成球面，IL为0.25dB而RL约为40dB，相较前者更适合于长距离通讯，其中APC联结器因光纤切面8度角而使反射损耗增大，尤其对于反射要求较严苛的CATV产业来说是相当重要的。
图十五为联结器剖面图，它需要有非常精密的机械加工技术，以单模光纤联结器为例，需使光纤放置在套筒(Ferrule)中，一般直径约为2.5mm，其误差要维持在约1μm 以内，才能让两端光纤之间的偏移offset、不一致性misalignment达到最小。依其材质有分为陶瓷、金属及塑料三种，其中以陶瓷的精密度最高。其型态依各公司产品不同而有分别，彼此并不兼容，一般说来，主要有SC、FC/PC及ST三种。
8、接合器(Splices)
一般有分熔接式或机械式两种，熔接式一般采用熔接机将两段光纤对齐后用电弧放电方式将两段光纤熔接在一起，机械式一般采用V型凹槽使光纤对齐后用折射率匹配胶黏在一起。它与联
结器最大的不同在于它是固定不可拆卸的，因此不论售价及生产技术上都较简单，一般熔接方式的输入损耗约为0.01dB而机械式接合的输入损耗约为0.1~0.5dB左右。
因篇幅的关系，我们将内容分为数个段落，其后是介绍光通讯中主动组件、被动组件及DWDM 系统。
参考书籍︰
1、Dennis Derickson, 1998, Fiber Optic Test and Measurement, Hewlett Packard Company
2、Stamatios V. Kartalopulos, 2000, Introduction To DWDM technology , Lucent Technologies, IEEE
Communication Society, Sponsor
3、Keigo Iizuka, 1995 ,Engineering Optics 2nd Edition Chapter 13, Springer Series in Optical Sciences
V ol35
4、董德国、陈万清译, 2000, 光纤通讯, 东华书局
5、赵凯华、钟锡华着, 1997, 光学, 儒林出版
6、白中和编译, 1995, 光纤通讯技术, 建兴出版
空间光通信技术简介 空间光通信又称为激光无线通信或无线光通信。根据用途又可分为卫星光通信和大气光通信两大类。自从60年代激光器问世开始，人们就开研究激光通信，这时的研究也主要集中在地面大气的传输中，但因各种困难未能进入实际应用。低损耗光纤波导和实用化半导体激光器的诞生为激光通信的实际应用打开了大门，目前光纤通信已经遍布世界各国的各个城市。由于对无线通信的需求的增长，再有卫星激光通信的快速发展，自从90年代开始，人们又开始重新对地面无线光通信感兴趣，进行了大量的研究，并且开发出可以实用的商业化产品。 一、开展空间光通信研究的意义及应用前景 1.作为卫星光通信链路地面模拟系统的技术组成部分 卫星光通信链路系统在上卫星前必须有地面模拟演示系统，以保障电子系统、光学系统、机械自动化控制系统等各子系统的良好工作。在链路捕捉完成以后，与以太网相连的无线光通信系统借助于光链路的桥梁，源源不断地输送以太网上的信息，这是考验光链路稳定性能的重要指标。 2.为低轨道卫星与地面站间的卫星光通信打下良好的技术基础 低轨道卫星与地面站的通信会受到天气的影响，选择干旱少雨地区建立地面站在相当程度上缓解了这一矛盾，再通过地面站之间的光纤网可以把卫星上信息送到所需地点，这从技术上牵涉到空间光通信网与光纤网连接问题，这方面问题已经基本得到解决。 3.空间光通信具有巨大的潜在市场和商业价值 ●可以克服一些通常容易碰到的自然因素障碍 当河流、湖泊、港湾、马路、立交桥和其它自然因素阻碍铺设光纤时，无线光通信系统可跨越宽阔的河谷，繁华的街道，将两岸或者岛屿与陆地连接起来。 ●提供大容量多媒体宽带网接入 用无线光通信系统作为接入解决方案，不需耗资、耗时地铺设光纤就能满足对办公大楼或商业集中区大容量接入的需要。 ●可为大企业、大机关提供部大容量宽带网 无线光通信系统能在企业、机关围为建筑物与建筑物之间的大容量连接提供一种开放空间传送的解决方案。 ●为公安、军队等重要部门提供高速宽带通信。 ●支持灾难抢救的应急系统 无线光通信系统可为灾难抢救提供一种大容量的临时通信解决方案 ●为一时性大规模的重要活动提供临时的大规模通信系统 例如，奥运会和其他体育运动会、音乐会、大型会议以及贸易展览会等专门活动往往需要大容量宽带媒体覆盖。无线光通信系统能提供一种迅速、经济而有效的解决方案，不受原有通信系统的带宽限制，也不用再去办理光纤铺设许可证。 二、空间光通信的优势 1.组网机动灵活 无线光通信设备将来可广泛适用于数据网（Ethernet，Token Ring，Fast Ethernet，FDDI，ATM,STM-x等）、网、微蜂窝及微微蜂窝（E1/T1—E3/T3，OC-3等）、多媒体（图像）通信等领域。可以把这些网上信息加载在光波上，在空气中直接传输出去，这种简便的通信方式对于频率拥挤的环境是非常理想的，例如：城市、大型公司、大学、政府机构、办公楼群等。
什么是光纤通信 所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。 要使光波成为携带信息的载体，必须对之进行调制，在接收端再把信息从光波中检测出来。然而，由于目前技术水平所限，对光波进行频率调制与相位调制等仍局限在实验室内，尚未达到实用化水平，因此目前大都采用强度调制与直接检波方式（IM-DD）。又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重，所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。 典型的数字光纤通信系统方框图如图下所示。 从图中可以看出，数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。发送端的电端机把信息（如话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件LD，则LD 就会发出携带信息的光波。即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”（不发光）。光波经低衰耗光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的信息。就这样完成了一次通信的全过程。 光纤的导光原理 光是一种频率极高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导，因此光在光纤中的传
输理论是十分复杂的。要想全面地了解它，需要应用电磁场理论、波动光学理论、甚至量子场论方面的知识。但作为一个光纤通信系统工作者，无需对光纤的传输 理论进行深入探讨与学习。 为了便于理解，我们从几何光学的角度来讨论光纤的导光原理，这样会更加直观、形象、易懂。更何况对于多模光纤而言，由于其几何尺寸远远大于光波波长，所以可把光波看作成为一条光线来处理，这正是几何光学的处理问题的基本出发 点。 全反射原理 我们知道，当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的，但在到达两种不同介质的分界面时，会发生反射与折射现象，如图下所示。
光纤通讯基础简介(上) 一、光通讯简介 1、使用光通讯技术的优点︰ 它是以光当作载波，透过光纤当传输介质将信息传递至远方。若以铜质同轴电缆与光纤作一比较，同轴电缆是搭配电磁波以数百MHz至数个GHz频率，以模拟的方式来传递信息，但其载波频率会受到20GHz理论值的限制；若以长距离光纤通讯而言，光的载波频率可达193,000GHz。而传输信息的频宽取决于载波频率，因此，若同轴缆线最大上限可以传输两个10GHz的频道，理论上，光纤则可以传输数以千计的10GHz的频道。此外，光纤质轻直径小，在光缆铺设过程中可以节省空间，加上在传输的过程中的衰减比铜质导线低，以单模光纤而言，每公里衰减约为0.2~0.5dB，且对于光讯号在光纤传输过程中，对于电磁波的干扰较不敏感，因此适合高容量及长距离通讯。 2、应用的层次︰ 光通讯主要应用在电信网络、有线电视及数据传输方面，而电信方面的应用是最早的，例如越洋的通信，因其高容量及可靠度的优点，并可以在长距离(600km以上需要中继器，最大可达9000km)传输时载上数以万计的通话信号，因而有效的提升通话负载量及品质的问题。有线电视方面，因所需求的频宽较高，每个频道的所需的影像频宽约为6MHz(声音频道约为8KHz)，以光纤传递模拟影像讯号，可以达到一百个以上的频道，其中包括声音、影像及互动的数据传输。而数据通信(Datacommunication)上面，则是现在最热门的话题，随着信息时代的来临，网际网络需要大量的频宽来传递多媒体的信息，从短距离(1~500m)的Gigabit网络卡、LAN，到中距离(1~20km)的MAN以至于长距离(60~600km以上)的越洋光缆都需要光纤的大容量来解决频宽不足的问题，近年来，因网际网络Interent的盛行及远距教学等实施，对于数据通讯的需求每年以倍数成长，而光纤通信系统架构则是最佳的选择。 3、基本光纤通讯架构︰ 图一为点对点光纤通讯的基本架构，基本上是由光收发模块及光纤所组成，首先我们利用数字或模拟调变的方式将信息载在发射器上，以光波为载波透过光纤将讯号传递至远方，若距离较长，光纤则透过联结器(Connector)或接合器(splice)方式延长，最后到达光传感器端，在注重噪声与讯号比(S/N Ratio)情况下，并用clock recover的方式下将光讯号转回电讯号，而将信息解调回来。
光纤通信技术 摘要：光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式。1966年英籍华人高锟博士发表了一篇划时代性的论文，他提出利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维，能作为通信媒质。从此，开创了光纤通信领域的研究工作。1977年美国在芝加哥相距7000米的两电话局之间，首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。85微米波段的多模光纤为第一代光纤通信系统。1981年又实现了两电话局间使用1.3微米多模光纤的通信系统，为第二代光纤通信系统。1984年实现了1.3微米单模光纤的通信系统，即第三代光纤通信系统。80年代中后期又实现了1.55微米单模光纤通信系统，即第四代光纤通信系统。用光波分复用提高速率，用光波放大增长传输距离的系统，为第五代光纤通信系统。新系统中，相干光纤通信系统，已达现场实验水平，将得到应用。光孤子通信系统可以获得极高的速率，20世纪末或21世纪初可能达到实用化。在该系统中加上光纤放大器有可能实现极高速率和极长距离的光纤通信。 关键字：光纤；光纤通信器件；传输技术 Abstract: optical fiber communication is the carrier for the use of light, the optical fiber transmission medium as the message from one place to another means of communication. In 1966 the Chinese British doctor Gao Kun made an epoch-making the paper, he presented with cladding material quartz glass optical fibers, can be used as a communication medium. Since then, pioneered the field of optical fiber communication research. In 1977 the United States of America in Chicago being 7000 meters of two Telephone Bureau, first used successfully for multimode optical fiber optical fiber communication test. 85 micron band multimode fibers for the first generation of optical fiber communication system. 1981 has two telephone interoffice using 1.3 microns multimode fiber communication system, as the second generation of optical fiber communication system. In 1984 1.3 micron single-mode optical fiber communication system, namely the third generation of optical fiber communication system. In the late 80 's and 1.55 micron single-mode optical fiber communication system, namely the fourth generation of optical fiber communication system. Using WDM increase rate, light amplification growth propagation distance of the system, as the fifth generation of optical fiber communication system. The new system, the system of coherent optical fiber communication, has reached the field experimental level, will be applied. Optical soliton communication system can achieve extremely high speed, at the end of twentieth Century or the beginning of twenty-first Century may reach utility. In the system with optical fiber amplifier has the potential to achieve high speed and extremely long distance optical fiber communication. Keywords: optical fiber; optical fiber communication device; transmission technique 1 引言 光纤通信的发展极其迅速，至1991年底，全球已敷设光缆563万千米，到1995年已超过1100万千米。光纤通信在单位时间内能传输的信息量大。一对单模光纤可同时开通
光纤通信基础知识 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。下面是光通信系统图。 光通信系统图 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。 电发射端机 主要任务是PCM编码和信号的多路复用。 多路复用是指将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离出来，多路复用可以极大地提高通信线路的利用率。 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（pulsecodemodulation），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。
抽样是指从原始的时间和幅度连续的模拟信号中离散地抽取一部分样值，变换成时间和幅度都是离散的数字信号的过程。 抽样所得的信号幅度是无限多的，让这些幅度无限多的连续样值信号通过一个量化器，四舍五入，使这些幅度变为有限的M种（M为整数），这就是量化。由于在量化的过程中幅度取了整数，所以量化后的信号与抽样信号之间有一个差值（称为量化误差），使接收端的信号与原信号间有一定的误差，这种误差表现为接收噪声，称为量化噪声。码位数M越多，分级就越细，误差越小，量化噪声也越小。 编码是指按照一定的规则将抽样所得的M种信号用一组二进制或者其它进制的数来表示，每种信号都可以由N个2二进制数来表示，M和N满足M=2N。例如如果量化后的幅值有8种，则编码时每个幅值都需要用3个二进制的序列来表示。需要注意的是，此处的编码仅指信源编码，这和后面提到的信道编码是有所区别的。 现以话音为例来说明这个过程。我们知道话音的频率范围是300～3,400Hz，在抽样的时候，要遵循所谓的奈奎斯特抽样率，实际中按8,000Hz的速率进行抽样。为了保证通话的质量，在长途干线话路中采用的是8位码（28=256个码组）。这样量化值有256种，每一种量化值都需要用8位二进制码编码，那么每一个话路的话音信号速率为8×8＝64kbps。 奈奎斯特抽样定理：要从抽样信号中无失真地恢复原信号，抽样频率应大于2倍信号最高频率。 多路复用技术包括：频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）、波分多路复用（WDM）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）。 时分多路复用：当信道达到的数据传输率大于各路信号的数据传输率总和时，可以将使用信道的时间分成一个个的时间片（时隙），按一定规则将这些时间片分配给各路信号，每一路信号只能在自己的时间片内独占信道进行传输，所以信号之间不会互相干扰。 频分多路复用：当信道带宽大于各路信号的总带宽时，可以将信道分割成若干个子信道，每个子信道用来传输一路信号。或者说是将频率划分成不同的频率段，不同路的信号在不同的频段
光纤通信技术介绍 光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式。1966年英籍华人高锟博士发表了一篇划时代性的论文，他提出利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维，能作为通信媒质。从此，开创了光纤通信领域的研究工作。1977年美国在芝加哥相距7000米的两电话局之间，首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。85微米波段的多模光纤为第一代光纤通信系统。1981年又实现了两电话局间使用1.3微米多模光纤的通信系统，为第二代光纤通信系统。1984年实现了1.3微米单模光纤的通信系统，即第三代光纤通信系统。80年代中后期又实现了1.55微米单模光纤通信系统，即第四代光纤通信系统。用光波分复用提高速率，用光波放大增长传输距离的系统，为第五代光纤通信系统。新系统中，相干光纤通信系统，已达现场实验水平，将得到应用。光孤子通信系统可以获得极高的速率，20世纪末或21世纪初可能达到实用化。在该系统中加上光纤放大器有可能实现极高速率和极长距离的光纤通信。 就光纤通信技术本身来说，应该包括以下几个主要部分:光纤光缆技术、光交换技术传输技术、光有源器件、光无源器件以及光网络技术等。 光纤技术的进步可以从两个方面来说明: 一是通信系统所用的光纤; 二是特种光纤。早期光纤的传输窗口只有3个，即850nm(第一窗口)、1310nm(第二窗口)以及1550nm(第三窗口)。近几年相继开发出第四窗口(L波段)、第五窗口(全波光纤)以及S波段窗口。其中特别重要的是无水峰的全波窗口。这些窗口开发成功的巨大意义就在于从1280nm到1625nm 的广阔的光频范围内，都能实现低损耗、低色散传输，使传输容量几百倍、几千倍甚至上万倍的增长。这一技术成果将带来巨大的经济效益。另一方面是特种光纤的开发及其产业化，这是一个相当活跃的领域。 1. 有源光纤 这类光纤主要是指掺有稀土离子的光纤。如掺铒(Er3+)、掺钕(Nb3+)、掺镨(Pr3+)、掺镱(Yb3+)、掺铥(Tm3+)等，以此构成激光活性物质。这是制造光纤光放大器的核心物质。不同掺杂的光纤放大器应用于不同的工作波段，如掺饵光纤放大器(EDFA)应用于1550nm附近(C、L波段);掺镨光纤放大器(PDFA)主要应用于1310nm波段;掺铥光纤放大器(TDFA)主要应用于S波段等。这些掺杂光纤放大器与喇曼(Raman)光纤放大器一起给光纤通信技术带来了革命性的变化。它的显著作用是:直接放大光信号，延长传输距离;在光纤通信网和有线电视网(CATV网)中作分配损耗补偿;此外，在波分复用(WDM)系统中及光孤子通信系统中是不可缺少的关键元器件。正因为有了光纤放大器，才能实现无中继器的百万公里的光孤子传输。也正是有了光纤放大器，不仅能使WDM传输的距离大幅度延长，而且也使得传输的性能最佳化。 2. 色散补偿光纤(Dispersion Compensation Fiber，DCF) 常规G.652光纤在1550nm波长附近的色散为17ps/nm×km。当速率超过2.5Gb/s时，随着传输距离的增加，会导致误码。若在CATV系统中使用，会使信号失真。其主要原因是正色散值的积累引起色散加剧，从而使传输特性变坏。为了克服这一问题，必须采用色散值为负的光纤，即将反色散光纤串接入系统中以抵消正色散值，从而控制整个系统的色散大小。这里的反色散光纤就是所谓的色散补偿光纤。在1550nm处，反色散光纤的色散值通常在-50~200ps/nm×km。为了得到如此高的负色散值，必须将其芯径做得很小，相对折射率差做得很大，而这种作法往往又会导致光纤的衰耗增加(0.5~1dB/km)。色散补偿光纤是利用基模波导色散来获得高的负色散值，通常将其色散与衰减之比称作质量因数，质量因数当然越大越好。为了能在整个波段均匀补偿常规单模光纤的色散，最近又开发出一种既补偿色散又能补偿色散斜率的"双补偿"光纤(DDCF)。该光纤的特点是色散斜率之比(RDE)与常规光纤相同，
光纤通信论文 光纤通信论文 光纤通信系统工程设计 摘要 根据课堂所学内容的原理，这次我们设计的任务是34MB/S光纤通信系统工程,具体设计是从实训楼D339到数学A楼弱电间之间开通一套34MB光纤系统。 要求设计当中要选择合适的路线，并计算总长度以及光纤的长度、光纤的使用芯数，而且要选择合适的光纤、光缆和光端机。并写出具体的实施及方案、工程造价、光通路保护、光端机安装后的系统调测，并说明如何对工程施工质量进行控制。 目录 前言 (1) 第1章概论 (2) 1.1 光纤通信发展的历史 (2) 1.2光纤通信发展的现状 (2) 1.3光纤通信的发展趁势 (3) 第2章光通信系统 (5) 2.1 光纤的介绍 (5) 2.1.1光纤概念 (5) 2.1.2光纤传输原理分析 (5) 2.1.3光纤的传输特性 (5)
2.1.4光纤的型号介绍 (7) 2.2光缆的介绍 (8) 2.2.1光缆历史 (8) 2.2.2光缆的种类 (8) 2.2.3光缆网是信息高速路的基石 (9) 2.3光端机的介绍 (9) 2.3.1模拟光端机 (10) 2.3.2数字光端机 (10) 2.4光纤通信的介绍 (11) 2.5光纤通信技术与产业发展中几个值得思考的问题 (11) 2.5.1积极创新开发具有自主知识产权的新技术 (12) 2.5.2开发具有先进技术水平、与使用环境、施工技术相配套的新产品 (12) 第3章材料选择 (13) 3.1距离测量 (13) 3.2光纤、光缆选择 (13) 3.3光端机选择 (14) 第4章具体的实施及方案 (17) 4.1光缆线路的施工程序 (17) 4.2光缆的直埋敷设 (18) 4.3 用光纤将发送与接收连接 (18) 第5章光通路保护 (19) 第6章光端机安装后的系统调测 (21) 6.1光发送机参数测试 (21)
光纤通信传输简介 随着近年来对光纤光缆、光器件。光系统的大力研究和开发，光纤性能更加完善，品种更加多元化，光纤通信已成为信息高速公路的传输平台，通信网络也在向全光网络发展。这篇论文旨在了解并简要介绍这个通信传输的主力军。 首先是光纤通信的介质：电缆。电缆又分为三种。 第一种为双绞线电缆，双绞线(TP)是一种最常用的传输介质。双绞线是由两根具有绝缘保护的铜导线组成，把两根绝缘铜导线，按一定的密度互相绞在一起，可以减少串扰及信号放射影响的程度，每一根导线在导电传输中放出的电波会被另一根线上发出的电波所抵消。 双绞线由两根22号至26号绝缘铜导线相互缠绕而成，而将一对或多对双绞线安置在一个套桷中，便形成了双绞线电缆。 双绞线电缆广泛应用于传统的通信领域。在计算机网络通信的早期阶段，点到点传输方式均使用双绞线电缆。随着技术的进步，双绞线电缆所能支持的通信速率不断提高。目前三类双绞线电缆能支持10Mbps100米，即10BASE-T标准，五类双绞线支持100Mbps速率100米，即CDDI标准甚至能支持155Mbps的ATM速率。根据最新的研究结果，双绞线能支持600Mbps以上的速率。 a、非屏蔽双绞线电缆
非屏蔽双绞线电缆是由多对双绞线和一个塑料外皮构成。国际电气工业协会(EIA)为双绞线电缆定义了五种不同的质量级别。 计算机网络中常使用的是第三类和第五类以及超五类非屏蔽双绞线电缆。 第三类双绞线适用于大部分计算机局域网络，而第五类双绞线利用增加缠绕密度、高质量绝像材料，极大地改善了传输介质的性质。 由于继承了声音电信通信的办法，计算机网络用的非屏蔽双绞线电缆在安装上通常与大部分电话系统相同，采用同一种方法，一个用户设备，通过RJ-45(4对线)或RJ-11(2对线)的电话连接器端口与非屏蔽双绞线电缆相连。目前，非屏蔽双绞线可在100米内，使数据传输率达到100Mbps(每秒百万位)。 b、屏蔽双绞线电缆 屏蔽双绞线电缆的内部与非屏蔽双绞线电缆一样是双绞铜线，外层由铝箔包着。 Apple计算机公司以及IBM公司所用的各种传输介质都要求使用屏蔽双绞线电缆。屏蔽双绞线相对来讲要贵一些，但它仍然比同轴粗缆和光缆便宜些。它的安装要比非屏蔽双绞线电缆难一些，类似同轴电缆。它必须配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术。它具有较高的传输速率，100米以内达500Mbps，但是通常使用的传输率都不超过155Mbps。目前使用最普遍的速率是 16Mbps。屏蔽双绞线电缆的最大使用距离也限制在百米之内。
光纤通信基础复习题 及答案
光纤通信基础复习题 1．光通信的发展大致经历几个阶段？ 光通信的发展大致经历如下三个阶段 可视光通信阶段：我国古代的烽火台，近代战争中的信号弹、信号树，舰船使用的灯塔、灯光信号、旗语等，都属于可视光通信。 大气激光通信阶段：光通信技术的发展应该说始于激光器的诞生。1960年美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器，使人们开始对激光大气通信进行研究。激光大气通信是将地球周围的大气层作为传输介质，这一点与可视光通信相同。但是，激光在大气层中传输会被严重的吸收并产生严重的色散作用，而且，还易受天气变化的影响。使得激光大气通信在通信距离、稳定性及可靠性等方面受到限制。 光纤通信阶段：早在1950年，就有人对光在光纤中的传播问题开始了理论研究。1951年发明了医用光导纤维。但是，那时的光纤损耗太大，达到1000 dB/km，即一般的光源在光纤中只能传输几厘米。用于长距离的光纤通信几乎是不可能。1970年，美国康宁公司果然研制出了损耗为20dB/km的光纤，使光纤远距离通信成为可能。自此，光纤通信技术研究开发工作获得长足进步，目前，光纤的损耗已达到0.5dB/km（1.3μm）0.2dB/km（1.55μm）的水平。 2. 光纤通信技术的发展大致经历几个阶段？ 第一阶段（1966～1976）为开发时期. 波长: λ= 0.85um, 光纤种类: 多模石英光纤, 通信速率: 34～45Mb/s, 中继距离: 10km. 第二阶段（1976～1986）为大力发展和推广应用时期. 波长: λ= 1.30um, 光纤种类: 单模石英光纤, 通信速率: 140～565Mb/s,
光纤通信基础复习题 1．光通信的发展大致经历几个阶段？光通信的发展大致经历如下三个阶段可视光通信阶段：我国古代的烽火台，近代战争中的信号弹、信 号树，舰船使用的灯塔、灯光信号、旗语等，都属于可视光通信。 大气激光通信阶段：光通信技术的发展应该说始于激光器的诞生。1960 年美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器，使人们开始对激光大气通信进行研究。激光大气通信是将地球周围的大气层作为传输介质，这一点与可视光通信相同。但是，激光在大气层中传输会被严重的吸收并产生严重的色散作用，而且，还易受天气变化的影响。使得激光大气通信在通信距离、稳定性及可靠性等方面受到限制。 光纤通信阶段：早在1950 年，就有人对光在光纤中的传播问题开始了理论研究。1951 年发明了医用光导纤维。但是，那时的光纤损耗太大，达到1000 dB/k m,即一般的光源在光纤中只能传输几厘米。用于长距离的光纤通信几乎是不可能。1970 年，美国康宁公司果然研制出了损耗为20dB/km 的光纤,使光纤远距离通信成为可能。自此,光纤通信技术研究开发工作获得长足进步,目前,光纤的损耗已达到0.5dB/km （1.3 卩n）0.2dB/km （1.55 卩m）的水平。 2. 光纤通信技术的发展大致经历几个阶段？ 第一阶段（1966?1976）为开发时期. 波长：入二0.85um, 光纤种类: 多模石英光纤, 通信速率： 34 ?45Mb/s, 中继距 离： 10km. 第二阶段（1976?1986）为大力发展和推广应用时期. 波长：入二1.30um, 光纤种类：单模石英光纤, 通信速率： 140 ?565Mb/s, 中继 距离： 50 ?100km. 第三阶段（1986?1996）以超大容量超长距离为目标,全面推广 及开展新技研究时期. 波长：入二1.55um,
1 ?光纤通信概论 L1光纤通信概论 光纤通信：以光作为信息载体，利用光纤传输携带信息的光波，以达到通信 之目 的。 数字光纤通信系统的基本组成：光发送机、光接收机、光纤。 典型的数字光纤通信系统方框图： 数字光纤通信系统 发送端的电端机把信息（如话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调 制发送机中的光源器件LD,输出发出携带信息的光波。光波经光纤传输后到达 接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数 /模转换，恢复成原来的信息。 携带信息的光波：数字信号为T”时，光源器件发送一个”传号”光脉冲；当数 字信号为”0”时，光源器件发送一个”空号”（不发光）。 1.2光纤通信优点 1） 、通信容量大 一根光纤同时传输24万个话路，比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出 几十乃至上千倍。波分复用技术的采用，把一根光纤当作几根、几十根光纤使用, 通信容量近乎无限。 2） 、中继距离长 光纤具有极低的衰耗系数，目前商用化石英光纤已达0.19dB/km 以下，配 以适当的光发送与光接收设备，中继距离达数百公里以上，特别适用于长途一、 二级干线通信。 光纤通信基础 电端机 （A/D ） 匚n 中继器 电端机 （D/A ） 模拟信号 模拟倍号 光发送机 匚^光接收机
3）、保密性能好。 4）、抗干扰能力强 光波在光纤中传输时只在其芯区进行，不存在传统的电磁波辐射，因此其保密性能极好，同时也不怕外界强电磁场的干扰，抗干扰能力强。 5）、便于施工和维护 体积小、重量轻。光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空。 2光纤与光缆 2」光纤的构造 光纤呈圆柱形是由单根玻璃纤维、紧靠纤心的包层、一次涂履层以及套塑保护层组成。 2.2光纤的导光原理 光是一种频率很高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导。 我们从几何光学的角度来简单讨论光纤的导光原理 全反射原理： 光线在均匀介质中是以肓线传播的，但在两种不同介质的分界面会产生反射和折射现象，如图所示:
无线光通信FSO技术简介 FSO是光通信和无线通信结合的产物，是用小功率红外激光束在大气中传送光信号的通信系统，也可以理解为是以大气为介质的激光通信系统。 FSO有两种工作波长：850纳米和1550纳米。850纳米的设备相对便宜，一般应用于传输距离不太远的场合。1550纳米波长的设备价格要高一些，但在功率、传输距离和视觉安全方面有更好的表现。1550纳米的红外光波大部分都被角膜吸收，照射不到视网膜，因此，相关安全规定允许1550纳米波长设备的功率可以比850纳米的设备高两个等级。功率的增大，有利于增大传输距离和在一定程度上抵消恶劣气候给传输带来的影响。FSO和光纤通信一样，具有频带宽的优势，能支持155Mbps～10Gbps的传输速率，传输距离可达2～4公里，但通常在1公里有稳定的传输效果。 在基础网的建设方面，使用光纤技术的高速网络正在不断完善。与此同时，光空间通信方式作为高速网络最后一公里的宽带通信方式，近来正受到各方面的关注。特别是，在城市宽带网络建设中，由于市政建设基本定形，新设光纤的施工需要繁琐的市政批准。有些地方如跨铁路、公路的施工非常困难，该通信方式的实用化对城市高速宽带通信网络的建设不失为一种极其有效的方法。 光通信方式分为利用光纤技术的有线通信方式和利用光空间通信技术(Free - Space Optics：FSO)的无线通信方式两种。光空间通信方式是将自由空间作为传送媒体，主要用半导体振荡器做光源，以激光束的形式在空间传送信息。对该领域的开发研究曾经风行一时。 FSO技术的历史可追溯到20世纪60年代。1960年，梅曼发明了自然界不存在的红宝石振荡器，作为相干性光源使用。第二年，HE-Ne 振荡器在贝尔实验室开发成功。以后，1962年，又成功的开发了GaAIAs 半导体振荡器。1970年，GaAIAs振荡器在日本、美国以及前苏联实现了连续振荡。小型、高速且可调制半导体振荡器的出现成为光传送研究得以大幅度发展的契机。 自从发明振荡器后，很快就有人尝试将其用于室外光通信。在日本，从1965年开始，用1年多的时间，利用He-Ne振荡器，进行了6.3公里的折返传送实验，以比较光空间通信与微波通信的区别。另外，NTT公司从1970年到1973年，利用3年时间在东京都中心地区设置了4个路径，进行了距离在520m～2.5Km的传送实验。此次实验使用的是He-Ne振荡器(波长0.63μm)和半导体的LED(波长0.8μm)。实验报告表明，光源性质的不同造成的传播特性上的差异并非很大。同时，实验还表明，空中传播造成的偏振面的变动较少，且传播损耗的大小在很大程度上取决于视程。此后，由于低损耗的光纤的出现，使得光空间通信方面的研究纷纷转向光纤技术领域，光空间通信的研究受到了冷落。 最近几年，由于光空间通信所需要的各种设备的价格下降导致光空间通信装置本身的价格降低，同时，光空间通信所持有的简便性、宽带性、无电磁干扰性、无需申请市政批准等特性，使得这种通信方式重新受到广泛的关注。 任何一种技术都有其局限性，光空间通信方式是在空中以激光束方式传播信号，需在可视距离内进行通信，并易受气象条件等因素的影响。
光纤通信技术的特点和发展前景综述一，光纤通信技术 光纤通信是利用光作为信息载体、以光纤作为传输的通信方式。在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波的频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或导波管的损耗低得多，所以说光纤通信的容量要比微波通信大几十倍。光纤是用玻璃材料构造的，它是电气绝缘体，因而不需要担心接地回路，光纤之间的串绕非常小;光波在光纤中传输，不会因为光信号泄漏而担心传输的信息被人窃听;光纤的芯很细，由多芯组成光缆的直径也很小，所以用光缆作为传输信道，使传输系统所占空间小，解决了地下管道拥挤的问题。 光纤通信在技术功能构成上主要分为:(1)信号的发射;(2)信号的合波;(3)信号的传输和放大;(4)信号的分离;(5)信号的接收。 二，光纤通信的特点 (1) 频带极宽，通信容量大。光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽，光纤通信系统的于光源的调制特性、调制方式和光纤的色散特性。对于单波长光纤通信系统，由于终端设备的电子瓶颈效应而不能发挥光纤带宽大的优势。通常采用各种复杂技术来增加传输的容量，特别是现在的密集波分复用技术极大地增加了光纤的传
输容量。目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般在2.5Gbps到1OGbps。 (2) 损耗低，中继距离长。目前，商品石英光纤损耗可低于0,20dB/km，这样的传输损耗比其它任何传输介质的损耗都低;若将来采用非石英系统极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降的更低。这意味着通过光纤通信系统可以跨越更大的无中继距离;对于一个长途传输线路，由于中继站数目的减少，系统成本和复杂性可大大降低。 (3) 抗电磁干扰能力强。光纤原材料是由石英制成的绝缘体材料，不易被腐蚀，而且绝缘性好。与之相联系的一个重要特性是光波导对电磁干扰的免疫力，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受人为释放的电磁干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。这一点对于强电领域(如电力传输线路和电气化铁道)的通信系统特别有利。由于能免除电磁脉冲效应，光纤传输系还特别适合于军事应用。 (4)无串音干扰，保密性好。在电波传输的过程中，电磁波的泄漏会造成各传输通道的串扰，而容易被窃听，保密性差。光波在光纤中传输，因为光信号被完善地限制在光波导结构中，而任何泄漏的射线都被环绕光纤的不透明包皮所吸收，即使在转弯处，漏出的光波也十分微弱，即使光缆内光纤总数很多，相邻信道也不会出现串音干扰，同时在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。 除以上特点之外，还有光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设;光纤的原材料资源丰富，成本低;温度稳定性好、寿命长。由于光纤通信具有以上的独特优点，其不仅可以应用在通信的主干线路中，还可以应用在电力通信控制系统中，进行工业监测、控制，而且在军事领域的用途也越来越为广泛。 三，光纤通信技术发展的以及前景 1，光纤通信的发展
OptiSystem实验 一、OptiSystem简介 OptiSystem是一款创新的光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到LANS 和MANS都适用。OptiSystem有一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器，并具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义。它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，从而成为一系列广泛使用的工具。全面的图形用户界面提供光子器件设计、器件模型和演示。丰富的有源和无源器件库，包括实际的、波长相关的参数。参数扫描和优化允许用户研究特定的器件技术参数对系统性能的影响。OptiSystem满足了急速发展的光子市场对于一个强有力而易于使用的光系统设计工具的需求，深受系统设计者、光通信工程师、研究人员的青睐。 OptiSystem软件允许对物理层任何类型的虚拟光连接和宽带光网络的分析，从远距离通讯到MANS和LANS都适用。它可广泛应用下列场合： 1．物理层的器件级到系统级的光通讯系统设计； 2．CATV或者TDM?WDM网络设计； 3．SONET?SDH的环形设计； 4．传输装置、信道、放大器和接收器的设计； 5．色散图设计； 6．不同接受模式下误码率（BER）和系统代价（Penalty）的评估； 7．放大系统的BER和连接预算计算。 实验1 OptiSystem快速入门：以“激光外调制”为例 一、实验目的 1、掌握软件的简单操作 2、了解软件的元件库 3、掌握建立新的project（新的工作界面） 4、掌握搭建系统：将元件从元件库中拖入project、连线、搭建系统 5、掌握设置参数 6、掌握软件的运行、观察结果、导出数据 二、实验过程 1.建立一个新文件。（File>New） 2.将光学器件从数据库里拖入主窗口进行布局. 3.光标移至有锁链图标出现时，进行连线。（如图1所示） 4．设置连续波激光器参数。 （1）点击frequency>mode, 出现下拉菜单，选中script。 （2）在value中输入数据并作评估。 （3）点击单位，选择“THZ”，点击OK 回主窗口。（如图2所示）
光技术与光纤通信 光纤通信系统简介 光纤是光导纤维的简称。光纤通信是以光波为载频，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。光纤通信使用的波长在近红外区，即波长800～1800nm，可分为短波长波段（850nm）和长波长波段（1310nm和1550nm），这是目前所采用的三个通信窗口。 光纤通信是人类通信史上一重大突破，现今的光纤通信已成为信息社会的神经系统，其主要优点是： 1、光波频率很高，光纤传输频带很宽，故传输容量很大，理论上可通过上亿门话路或上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制、打印等多种业务； 2、损耗小，中继距离长； 3、不受电磁干扰，保密性好，且不怕雷击，可利用高压电缆架空敷设，用于国防、铁路、防爆等； 4、耐高温、高压、抗腐蚀，不受潮，工作十分可靠； 5、光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属（如铜、铝），且直径小、重量轻、可挠性好，便于安装和使用。 在20世纪70年代，光纤通信由起步到逐渐成熟，这首先表现为光纤的传输质量大大提高，光纤的传输损耗逐年下降。1972～1973年，在850nm波段，光纤的传输损耗已下降到2dB/km左右；与此同时，光纤的带宽不断增加。光纤的生产从带宽较窄的阶跃型折射率光纤转向带宽较大的渐变型折射率光纤；另外，光源的寿命不断增加，光源和光检测器件的性能也不断改善。 光纤和光学器件的发展为光纤传输系统的诞生创造了有利条件。到1976年，第一条速率为44.7MB/s的光纤通信系统在美国亚特兰大的地下管道中诞生。80年代是光纤通信大发展的年代。在这个时期，光纤通信迅速由850nm波段转向1310nm波段，由多模光纤传输系统转向单模光纤传输系统。通过理论分析和实践摸索，人们发现，在较长波段光纤的损耗可以达到更小的值。经过科学家和工程技术人员的努力，很快在1300nm和1500nm波段分别实现了损耗为0.5dB/km和0.2dB/km的极低损耗的光纤传输。同时，石英光纤在1300nm波段时色度色散为零，这就促使1300nm波段单模光纤通信系统的迅速发展。各种速率的光纤通信系统如雨后春笋般在世界各地建立起来，显示出光纤通信优越的性能和强大的竞争力，并很快替代电缆通信，成为电信网中重要的传输手段。 光纤通信技术的发展，大致可以分为三个阶段： 第一阶段（1970～1979年）：光导纤维与半导体激光器的研制成功，使光纤通信进入实用化。1977年美国亚特兰大的光纤市话局间中继系统称为世界上第一个光纤通信系统。 第二阶段（1979～1989年）：光纤技术取得进一步突破，光纤损耗降至0.5dBm/km以下。由多模光纤转向单模光纤，由短波长向长波长转移。数字系统的速率不断提高，光纤连接技术与器件寿命问题都得到解决，光纤传输系统与光缆线路建设逐渐进入高速发展时期。 第三阶段（1989年至今）：光纤数字系统由PDH向SDH过渡，传输速率进一步提高。1989年掺铒光纤放大器（EDFA）的问世给光纤通信技术带来巨大变革。EDFA的应用不仅解决了长途光纤传输损耗的放大问题，而且为光源的外调制、波分复用器件、色散补偿元件等提供能量补偿，这些网络元件的应用，又使得光传输系统的调制速率迅速提高，并促成了光波分
浅谈数字光纤通信系统 摘要 当今世界，计算机与通信技术高度结合，光纤通信有了长足发展。纵观当今电信的主要技术，光纤和光波的变革极大的提高着信息的传输容量。因而传统的模拟信号的传输的信息容量已经远远不能满足当前生产生活的实际技术需求，从上世纪开始数字信号传输已经逐步取代模拟信号，成为当前电视、电话、网络中信息传输的主要方式。 本文就光纤通信网络中的数字光纤通信部分进行了简要的介绍以及分析，涉及数字光纤通信系统基本概念特点的解析，系统的组成结构，主要传输体制以及线路的编码方式。 关键字数字光纤通信系统准同步数字系列（PDH）同步数字系列（SDH）线路编码 内容 一．数字光纤通信系统概况 光纤是数字通信的理想的传输信道。与模拟通信相比，数字通信有许多优点，最主要的是数字系统可以恢复因传输损失导致的信号畸变，因而传输质量高。大容量长距离的光纤通信系统几乎都是采用数字传输方式。 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。 二．数字光纤通信系统组成 数字光纤通信系统如图1所示，与模拟系统主要区别在于数字系统中有模数转换设备和数字复接设备，即为PCM端机。 1.模数转换设备。它将来自用户的模拟信号转换为对应的数字信号。数字 复接设备则将多路低速数字信号按待定的方式复接成一路高速数字信 号，以便在单根光纤中传输。 2.输入接口将来自PCM端机的数字基带信号适配成适合在光纤信道中传 输的形态。