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光纖傳輸

光纖,不僅可用來(lái)傳輸模擬信號和數字信號,而且不滿(mǎn)足視頻傳輸的需求。

其數據傳輸率能達幾千Mbps。如果在不使用中繼器的情況下,傳輸范圍能達到6-8km。 綜觀(guān)近年來(lái)國內外配線(xiàn)系統的發(fā)展,我們可看出這樣三個(gè)階段:1、雙絞線(xiàn)階段。在這個(gè)階段語(yǔ)音同大規模數據通信不能混用也適應這樣的數據通信。2、同軸電纜 +雙絞線(xiàn)階段。它能滿(mǎn)足用戶(hù)的大量數據傳輸和視頻的需求,但需要更多的接入設備,造價(jià)相對提高許多,且不易今后的擴展需求。3、光纖階段。即我們所說(shuō)的最終階段,在此時(shí),各相應附屬設備更完善,數據處理能力更強,擴展性更好。近年來(lái)發(fā)展也特別快,接入設備價(jià)格目前有所調整,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(xiàn)光學(xué)(即幾何光學(xué))理論和波動(dòng)光學(xué)理論。射線(xiàn)光學(xué)理論是用光射線(xiàn)去代替光能量傳輸路線(xiàn)的方法,這種理論對于光波長(cháng)遠遠小于光波到尺寸的多模光纖是容易得到簡(jiǎn)單而直觀(guān)的分析結果的,但對于復雜問(wèn)題,射線(xiàn)光學(xué)只能給出比較粗糙的概念?! ?/p>

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、正確的解析或數字結果,給出波導中容許的場(chǎng)結構形式(即模式)。

光纖通信技術(shù)應用迅速增長(cháng),自1977年光纖系統首次商用安裝以來(lái),電話(huà)公司就開(kāi)始使用光纖鏈路替代舊的銅線(xiàn)系統。今天的許多電話(huà)公司,在他們的系統中全面使用光纖作為干線(xiàn)結構和作為城市電話(huà)系統之間的長(cháng)距離連接。提供商已開(kāi)始用光纖/銅軸混合線(xiàn)路進(jìn)行試驗。這種混合線(xiàn)路允許在領(lǐng)域之間集成光纖和同軸電纜,這種被稱(chēng)為節點(diǎn)的位置,提供將光脈沖轉換為電信號的光接收機,然后信號再經(jīng)過(guò)同軸電纜被傳送到各個(gè)家庭。近年來(lái),作為一種通信信號傳輸的恰當手段,光纖穩步替代銅線(xiàn)是顯而易見(jiàn)的,這些光纜在本地電話(huà)系統之間跨越很長(cháng)的距離并為許多網(wǎng)絡(luò )系統提供干線(xiàn)連接。

光纖是一種采用玻璃作為波導,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于早期發(fā)展的傳輸介質(zhì),幾乎不受帶寬限制并具有獨一無(wú)二的優(yōu)勢,點(diǎn)到點(diǎn)的光學(xué)傳輸系統由三個(gè)基本部分構成:產(chǎn)生光信號的光發(fā)送機、攜帶光信號的光纜和接收光信號的光接收機。

1、光纖傳輸材料 :

綜合布線(xiàn)系統中使用的光纖為玻璃多模850nm波長(cháng)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)構成。內部的介質(zhì)對光的折射率比環(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,當光從折射率高的一側射入折射率高的一側時(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(xiàn)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(xiàn)才有折射發(fā)生,并且在很短距離內就被外層物質(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構形式。短距離用的光纜主要有兩種,一種層結構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了一排光纖。 

用光纖做的光纜有多種結構形式。短距離用的光纜主要有兩種,一種層結構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了一排光纖。

2、光纖傳輸過(guò)程:

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

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(xiàn)路系統的光功率得到提高。在線(xiàn)中繼放大──建筑群較大或樓間距離較遠時(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器之后將微信號進(jìn)行放大,以提高接收能力。

3、光纖傳輸特性:

光纜不易分支,因為傳輸的是光信號,所以一般用于點(diǎn)到點(diǎn)的連接。光纖的總線(xiàn)拓撲結構的實(shí)驗性多點(diǎn)系統已經(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比雙絞線(xiàn)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(cháng)發(fā)光二極管LED,能支持100Mbps的傳輸率和1.5~2KM范圍內的局域網(wǎng)。

激光二極管的發(fā)送器成本較高,且不能滿(mǎn)足百萬(wàn)小時(shí)壽命的要求。運行在0.85um波長(cháng)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。如果要達到更遠距離和更高速率,則可用1.3um波長(cháng)的系統,這種系統衰減很小,但要比0.85um波長(cháng)系統貴源。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。運行在0.8um波長(cháng)的光纖衰減為6dB/Km,運行在1.3um波長(cháng)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(xiàn)系統中,主干線(xiàn)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用技術(shù)WDM(WAVELENGTH DIVISION MULTI-PLEXING),可以在一條線(xiàn)路上復用、發(fā)送、傳輸多個(gè)位,一般按一個(gè)字節八位并行傳輸,對每個(gè)位流使用不同的波長(cháng),所以它所需的支持電路可在低速率下運行。WDM的光纖鏈路適合于字節寬度的設備接口,是一種新的數據傳輸系統。

4、光纖傳輸的特點(diǎn)優(yōu)勢及傳輸原理

光纜傳輸的實(shí)現與發(fā)展形成了它的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。相對于銅線(xiàn)每秒1.54MHZ的速率光纖網(wǎng)絡(luò )的運行速率達到了每秒2.5GB。從帶寬看,很大的優(yōu)勢是:光纖具有較大的信息容量,這意味著(zhù)能夠使用尺寸很小的電纜,將來(lái)就不用更新或增強傳輸光纜中信號。光纖電纜對諸如無(wú)線(xiàn)電、電機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(cháng)遠維護角度來(lái)看,光纜最終的維護成本會(huì )非常低。光纖使用光脈沖沿光線(xiàn)路傳輸信息,以替代使用電脈沖沿電纜傳輸信息。在系統的一端是發(fā)射機,是信息到光纖線(xiàn)路的起始點(diǎn)。發(fā)射機接收到的已編碼電子脈沖信息來(lái)自于銅線(xiàn)電纜,然后將信息處理并轉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(xiàn)路在光纖介質(zhì)中傳輸。由內部全反射原理可知,光脈沖很容易眼光纖線(xiàn)路運動(dòng),光纖內部全反射原理說(shuō)明了當入射角超過(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。應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(xiàn)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、安全性能高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn),所以在長(cháng)距離傳輸和特殊環(huán)境等方面具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢。傳輸介質(zhì)是決定傳輸損耗的重要因素,決定了傳輸信號所需中繼的距離,光纖作為光信號的傳輸介質(zhì)具有低損耗的特點(diǎn),光纖的頻帶可達到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、控制信號或接點(diǎn)信號方面更為優(yōu)勢t光纖傳輸中的載波是光波,光波是頻率極高的電磁波,遠遠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),不導電,不會(huì )因斷路、雷擊等原因產(chǎn)生火花,因此安全性強,在易燃,易爆等場(chǎng)合特別適用。

5、單、多模光纖傳輸設備的原理

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

1. 多模光纖傳輸設備所采用的光器件是LED,通常按波長(cháng)可分為850nm和1300nm兩個(gè)波長(cháng),按輸出功率可分為普通LED和增強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(cháng),例如,如果采用工作波長(cháng)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,對于出纖功率為-18dBm,接收靈敏度為-25 dBm的光纖傳輸系統,其最大鏈路損耗為7 dB,則可計算:

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,而根據光纖的帶寬計算:
L=B/F=400MHz.km/150MHz=2.6km

其中 B為光纖帶寬,F為基帶傳輸頻率,那么實(shí)際傳輸測試時(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. 單模傳輸設備所采用的光器件是LD,通常按波長(cháng)可分為850nm和1300nm兩個(gè)波長(cháng),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(xiàn)徑為9微米。

1310nm波長(cháng)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;因為在1310nm波長(cháng)下,光纖的材料色散與結構色散相互抵消總的色散為0,在1310nm波長(cháng)上有微小振幅的光信號能夠實(shí)現寬頻帶傳輸。 

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

B=132.5/(DlxDxL)GHz

其中L為光纖的長(cháng)度,Dl為譜線(xiàn)寬度,對于1550nm波長(cháng)的光,其色散因數如表3為20 ps/(nm.km),假設其光譜寬度等于1nm,傳輸距離為L(cháng)=50公里,則有:

B=132.5/(DxL)GHz=132.5MHz

也就是說(shuō),對于模擬波形,采用1550nm波長(cháng)的光,當傳輸距離為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)際應用中,光源的譜線(xiàn)寬度往往大于1nm。 

從上式可以看出,1550nm波長(cháng)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。
 

今天,人們使用光纖系統承載數字電視、語(yǔ)音和數字是很普通的一件事,在商用與工業(yè)領(lǐng)域,光纖已成為地面傳輸標準。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會(huì )用重量輕、直徑小又使用安全的光纜取代線(xiàn)控飛行系統。光導纖維與衛星和其他廣播媒體一起,代表著(zhù)在航空電子學(xué)、機器人學(xué)、武器系統、傳感器、交通運輸及其他高性能環(huán)境使用條件下的商用通信和專(zhuān)業(yè)應用的新的世界潮流。 


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