光纤通信原理分析

  光纤通信原理 大家好,这节课由我给大家讲述光纤通信原理,那么,在上课之前, 我们先来看看课题的字面意思,光纤通信原理,光纤、通信、原理;光纤, 也就是一根根玻璃丝儿;通信,就是信息之间的相互交流与传递,那么光 纤通信,说白了,就是以一根玻璃丝儿为媒介来进行信息沟通。好,下面 我们来对光纤通信进行具体研究,本节课主要分为三大部分: 第一、什么是光纤通信;第二、光纤通信的优点与应用;第三、光纤 通信系统的基本组成。 一、什么是光纤通信 在讲光纤通信之前,我们先看看光通信发展的基本历史,在古代 的时候,咱们中国人用“烽火台”报警,欧洲人用旗语传送信息,这 些都可以看成是原始形式的光通信,在望远镜发明出来后,又极大地 延长了这种目视通信的距离,这些是最原始的光通信。 时间到了 19 世纪,在 1880 年的时候,美国人贝尔发明了一种用 光波做载波传送话音的“光电话” 。最原始的电话,是用电流来作为传 递信号的媒介,这种光电话说白了就是在语音通话的时候,抛开电线 这个导体,直接用太阳光来作为传递声音的媒介。但是当时没有理想 的光源,而且这种光电话的传送距离也很短,所以在当时并没有实际 的价值。但是这种光电话仍然是一项伟大的发明,因为它证明了以光 波作媒介的可行性。因此可以说贝尔发明的光电话是现代光通信的雏 形。 1960 年,美国人梅曼发明了一台红宝石激光器,也就是说,梅曼 发明了激光,这个激光的发现是给光通信带来了新的希望,因为激光 和普通光相比,它的波谱宽度窄,方向性好,亮度也高,它的特性和 无线电波相似,所以说激光是一种理想的载波媒介。激光器的发现, 让沉睡了 80 多年的光通信进入了一个崭新的阶段。 但是,新的问题又来了,在利用光通信的时候不可能就一束光秃 秃的激光在跑,得把它放在一个载体里面,那么这个载体是什么呢, 一时半会儿还找不到,所以说光通信的发展又走入到了低谷里。 在 1966 年, 英籍华裔学者高琨和霍克哈姆发表了一篇关于传输介 质的论文,这篇论文指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途 径,这篇论文算是奠定了光纤通信的基础。光纤,就是石英纤维,也 可以说是玻璃丝,如果用未经过加工的石英纤维做传输介质的话,损 耗会非常大,达到 1000dB\km;但是高琨的这篇论文提出了一个观点, 如果把石英纤维里的铜离子和铁离子过滤掉,那么石英纤维的损耗会 大大减少。 在 1970 年的时候,作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进 展。在美国的贝尔实验室成功研制出了双异质半导体激光器,由于光 线和半导体激光器的进步,因此 1970 年是光纤发展的一个重要时间。 任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠的实现最大可能的 信息传输容量和传输距离,也就是说,你这种通信系统优劣,主要取 决于信息容量的大小和传输距离的远近, 传输的容量越多, 距离越远, 这种通信系统就越好,那我们看看,光纤通信有哪些优点呢。 二、光纤通信的优点和应用 现代通信网的三大支柱是光纤通信、卫星通信和无线电通信,而 其中光纤通信是主体。在我军有线通信的力量中,光纤通信也占了很 大比例,这是因为光纤通信本身具有许多突出的优点: 频带宽,通信容量大。 光纤可利用的带宽约为 50000GHz,一对 光纤能同时传输 24192 路电线Gb/s 系统,能同时传输 30000 多路电话。频带宽,对于传输各种宽频带信息具有十分重要的意义。 损耗低,中继距离长。 目前实用石英光纤的损耗可低于 0.2dB/km,比其它任何传输介质的损耗都低。由于光纤的损耗低,所 以能实现中继距离长,由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离 可达 200 多千米,由非石英系极低损耗光纤组成的通信系统,其最大 中继距离则可达数千甚至数万千米,这对于降低海底通信的成本、提 高可靠性和稳定性具有特别的意义。 抗电磁干扰。 光纤是绝缘体材料,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,也不受电气化铁路馈电线和高压 设备等工业电器的干扰,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。 无串音干扰,保密性好。 光波在光缆中传输,很难从光纤中泄漏 出来,即使在转弯处,弯曲半径很小时,漏出的光波也十分微弱,若 在光纤或光缆的表面涂上一层消光剂效果更好,这样,即使光缆内光 纤总数很多,也可实现无串音干扰,在光缆外面,也无法窃听到光纤 中传输的信息。 光纤线径细、重量轻、柔软。 光纤的芯径很细,约为 0.1mm,它 只有单管同轴电缆的百分之一;光缆的直径也很小,8 芯光缆的横截 面直径约为 10mm,而标准同轴电缆为 47mm。利用光纤这一特点,使传 输系统所占空间小,解决地下管道拥挤的问题,节约地下管道建设投 资。此外,光纤的重量轻,光缆的重要比电缆轻得多,例如 18 管同轴 电缆 1m 的重量为 11kg,而同等容量的光缆 1m 重只有 90g,这对于在 飞机、宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信更具有重要意义。还有, 光纤柔软可挠,容易成束,能得到直径小的高密度光缆。 光纤的原材料资源丰富, 用光纤可节约金属材料。 光纤的材料主 要是石英(二气化硅),地球上有取之不尽用之不竭的原材料,而电缆 的主要材料是铜,世界上铜的储藏量并不多,用光纤取代电缆,则可 节约大量的金属材料,具有合理使用地球资源的重大意义。光纤除具 有以上突出的优点外,还具有耐腐蚀力强、抗核幅射、能源消耗小等 优点,其缺点是质地脆、机械强度低,连接比较困难,分路、耦合不 方便,弯曲半径不宜太小等。这些缺点在技术上都是可以克服的,它 不影响光纤通信的实用。近年来,光纤通信发展很快,它已深刻地改 变了电信网的面貌,成为现代信息社会最坚实的基础,并向我们展现 了无限美好的未来。 三、光纤通信系统的基本组成 那么, 光纤是由怎样的一个系统构成的呢?光纤通信系统, 它即可以 传输数字信号,也可以传输模拟信号。单向光纤传输系统,包括发射、传 输和接收三大部分组成。 1.发射和接收部分。 发射和接收部分包含信息源信息宿、电发射机和电接收机。假如一 个信息传过来了, 信息源的作用是把信息转换为原始电信号, 这种信号我 们把它称作基带信号。然后,将这种基带信号传送到电发射机中,那么, 电发射机的作用是什么呢?模数转换!利用编码调制的方式,也就是 PCM, 将模拟信号转化为数字信号, 为什么要进行模数转换呢, 这个时候就要给 大家阐述一下什么是模拟信号什么是数字信号, 模拟信号, 说白了就是用 波形表现出来,在传输过程中,容易受到干扰而导致失真,而数字信号, 就是用高低电平表现出来的,0 就是没电,1 就是有电,数字信号的抗干 扰能力强, 在传输过程中不易受到外界的影响, 数字信号的传输质量要高 于模拟信号, 所以电发射机的作用是将模拟信号转化为可以传输的数字信 号。之后,在将这种数字信号传送到光发射机,因为在传输的时候是以光 纤传输的, 所以光发射机的作用是将电信号转化为光载波, 之后再通过光 纤传给接收端。 简单小结一下, 光纤传输系统的传输流程是先将原始信号转化为可以 传输的基带信号,之后通过模数转换,将基带信号转换为数字电信号,然 后把数字电信号转化为光载波,通过光纤,传送到接收端。 2.传输部分 光纤通信系统的传输部分是由光发射机、 光纤线路、 光接收机组成。 光发射机主要由光源、驱动器和调制器组成,这里面光源是核心,比 如说我们的半导体发光二极管就是就是光源的组成部分。 光发射机的功能 是将输入的电信号转换为光信号, 并用耦合技术将光信号最大限度的注入 进光纤线路中去。 那么, 这种电信号转换为光信号的过程是通过对光的调 制而实现的, 就是直接将电信号调制成发光二极管的驱动电流, 输出的光 随着电信号的变化而实现。 光纤线路的功能就是传输, 就是将来自光发射机的光信号传送到光接 收机。光纤线路中光纤是主体,在接上一个光线接头和光纤连接器。在实 际工程中使用的是容纳许多根光纤的光缆。 目前使用的石英光纤有多模光 纤和单模光纤两种。 多模光纤可以通过多个通路进行传播, 但是它的有效 传输距离很短; 单模光纤只能传输一种模式的光, 但是它的传输距离很长。 多模光纤的线μm, 而单模光纤的直径为 8.3μm, 很细。 目前,单模光纤的使用更为广泛。 光接收机是由光检测器、 放大器和相关电路组成。 光接收机的功能就 是把从光纤线路传输来的光信号转换为电信号, 这一过程是通过光检测器 的检测而实现的。 这就是光纤通信系统的基本组成和具体传输流程。 同志们, 通过这节 课, 主要给大家介绍了光纤通信的发展历程和光纤通信的优点及光纤通信 系统的组成,希望同志们在课下认真回顾总结,给大家留了两道思考题。 思考题: 1.光纤通信的优点是什么? 2.光纤通信系统有哪几部分组成?