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光纖通訊
發佈時間:2018-06-15 瀏覽次數:0
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光纖通信,也稱爲光纖通信,是指使用光纖和光纖傳輸信息的方法。這是一種有線通信。光可以在調製後攜帶信息。自20世紀80年代以來,光纖通信系統徹底改變了電信業,並在數字時代發揮了非常重要的作用。光纖通信具有傳輸容量大,保密性好的優點。光纖通信現在已成爲當今最重要的有線通信形式。在發送端將要發送的信息發送到發送器,將信息疊加或調製到作爲信息信號載波的載波上,然後通過傳輸介質將調製後的載波發送到遠程接收端,並由接收器進行解調。原始信息。

諾貝爾教授,2009年諾貝爾物理學獎獲得者,香港中文大學前校長,是光纖通信領域的先驅,被稱爲“光纖之父”[1-2]。

歷史發展

自古以來,人類對遠距離通信的需求並未減少。隨着時間的推移,從篝火到電報,再到1940年的第一根同軸電纜,這些通信系統的複雜性和複雜性不斷提高。但是,這些通信方法有其自身的侷限性。儘管使用電信號傳輸信息很快,但傳輸距離將需要大量的中繼器,因爲電信號很容易衰減;雖然微波通信可以使用空氣作爲媒介,但它也受載波頻率的限制。到了二十世紀中葉,人們瞭解到使用光來傳遞信息可以帶來許多過去無法獲得的重大利益。

然而,此時沒有相干光源,並且它不適合作爲傳輸光信號的介質。因此,光通信一直是一個概念。直到20世紀60年代,激光器的發明才解決了第一個問題。 1970年以後,康寧玻璃廠開發出一種高質量,低衰減的光纖,解決了第二個問題。此時,光纖中信號傳輸的衰減量低於光纖通信父親高錕的衰減量。建議的每公里20分貝(20 dB/km)的衰減證明了光纖作爲通信介質的可能性。同時,還發明瞭使用砷化鎵(GaAs)作爲材料的半導體激光器,並且由於它們的尺寸小,已經廣泛用於光纖通信系統。 1976年,第一個44.7 Mbit/s速率的光纖通信系統誕生於美國亞特蘭大的地下管道。

經過五年的研究和開發,第一個商用光纖通信系統於1980年被問到。人類歷史上第一個光纖通信系統使用波長爲800納米的砷化鎵激光器作爲光源。數據速率達到45 Mb/s(每秒位數),每10 km需要一箇中繼器。增強信號。

第二代商用光纖通信系統也是在1980年後使用1300nm磷銦鎵砷(InGaAsP)激光器開發的。早期的光纖通信系統受到影響信號質量的色散問題的影響。但是1981年發明的單模光纖克服了這個問題。到1987年,商用光纖通信系統的傳輸速率爲1.7 Gb/s,比第一個光纖通信系統快近40倍。同時,功率傳輸和信號衰減的問題也得到顯着改善,並且需要以50千米的間隔進行中繼器增強信號。在20世紀80年代後期,EDFA的誕生是光通信史上的一個里程碑。它使光纖通信能夠直接中繼光信號,實現遠距離高速傳輸,推動DWDM的誕生。

第三代光纖通信系統使用波長爲1550nm的激光器作爲光源,信號的衰減低至每分鐘0.2分貝(0.2dB/km)。先前使用砷化鎵銦激光器的光纖通信系統經常遇到脈衝擴散問題,科學家們設計了優秀的色散位移光纖來解決這些問題。在1550nm處,色散幾乎爲零,因爲它將激光的光譜限制爲單縱模。這些技術突破使第三代光纖通信系統實現了2.5 Gb/s的傳輸速率和高達100 km的中繼器間隔。

第四代光纖通信系統引入了光放大器,以進一步減少對中繼器的需求。此外,波分複用(WDM)技術顯着提高了傳輸速率。這兩種技術的發展使光纖通信系統的容量大大增加,每六個月翻一番。到2001年,它達到了10 Tb/s的驚人速度,是20世紀80年代光通信系統的200倍。許多。近年來,傳輸速率進一步提高到14 Tb/s,每160 km只需要一箇中繼器。

第五代光纖通信系統的發展重點是擴展波分複用多路複用器的波長工作範圍。傳統的波長範圍,通常稱爲“C波段”,在1530nm和1570nm之間。新的幹纖維帶具有從1300nm延伸到1650nm的低損耗帶。另一項開發技術是引入光孤子的概念,它利用光纖的非線性效應使脈衝波抵抗色散並保持原始波形。

從1990年到2000年,由於互聯網泡沫的影響,光纖通信行業顯着增長。此外,一些新興的網絡應用,如視頻點播,使得互聯網帶寬的增長速度甚至超過了摩爾定律所預期的集成電路芯片中晶體管的增長速度。從互聯網泡沫的破滅到2006年,光纖通信行業通過整合大型企業和通過外包消除成本來延續其生命。

目前的發展前沿是全光網絡,這使得光通信完全取代了電信號通信系統。當然,這還有很長的路要走。 [3]

核心技術

大多數現代光纖通信系統包括將電信號轉換成光信號並通過光纖傳輸光信號的發射器。大部分光纖埋在地下並連接不同的建築物。該系統還包括幾個光放大器,光接收器將光信號轉換回電信號。在光纖通信系統中傳輸的大多數信號是數字信號,包括計算機,電話系統或有線電視系統。 [3]

發射器

通常用作光纖通信系統中的光源的半導體組件是發光二極管(LED)或激光二極管。 LED和激光二極管之間的主要區別在於前者發出的光是非相干的,而後者是相干的。使用半導體作爲光源的優點是尺寸小,發光效率高,可靠性好,並且波長最佳。更重要的是,半導體光源可以在高頻操作下直接調製,這非常適合光纖通信系統的要求。

LED通過電致發光原理髮射非相干光,並且光譜通常分散在30nm和60nm之間。 LED的另一個缺點是它們的發光效率差。通常只有1%的輸入功率可以轉換成光功率,大約100毫瓦[微米(μ)瓦特(μW)]。然而,LED通常用於低成本應用,因爲它們的成本較低。通常用於光通信的LED的主要材料是砷化鎵或砷化鎵(GaAsP)。後者具有約1300nm的發射波長,其比GaAs更適合於光纖通信至870nm。由於LED的光譜範圍寬,色散更嚴重,其傳輸速率和傳輸距離的乘積也受到限制。 LED通常用於局域網(LAN),傳輸速率範圍從10 Mb/s到100 Mb/s,傳輸距離也在幾公里之內。目前,LED中有幾個量子阱結構,使LED能夠發出不同波長的光,覆蓋範圍廣。這種LED廣泛用於區域波分複用網絡。

半導體激光器的輸出功率通常約爲100微瓦(μW),並且它是均勻的光源。方向性相對較強,與單模光纖的耦合效率通常爲50%。激光器的窄輸出光譜也有助於提高傳輸速率並減少模型色散。半導體激光器也可以在相對較高的工作頻率下調製,因爲它們的複合時間非常短。

半導體激光器通常可以通過輸入電流直接改變其開關狀態和輸出信號。然而,對於具有非常高的傳輸速率或長傳輸距離的一些應用,激光源可以是連續波。正式控制,例如,使用外部電吸收調製器或Mach-Zehnder干涉儀來調製光信號。外部調製元件可以大大減少激光器的“啁啾脈衝”。啁啾脈衝加寬了激光器的譜線寬度,使得光纖內的色散很嚴重。 [3]

光導纖維

光纖電纜包括芯,包層和外層的保護塗層。具有高芯和折射率的殼通常由高質量的石英玻璃製成,但現在也存在使用塑料作爲材料的纖維。而且,由於光纖的外層被紫外線固化丙烯酸酯覆蓋,所以它可以像銅電纜一樣埋在地下,並且不需要太多的維護。但是,如果光纖彎曲太多或受到衝擊,仍有破損的風險。並且因爲光纖末端需要非常精確地校準,所以破碎的光纖也難以重新接合。 [3]

光放大器

過去,光纖通信的距離限制主要是由於光纖中信號的衰減和信號失真,解決方案是使用光電轉換中繼器。轉發器首先將光信號轉換回電信號,然後將其轉換爲強光信號並將其發送到下一個轉發器。然而,這種系統架構無疑是複雜的,並且不適合新一代波分複用。技術雖然每20公里需要一箇中繼器,但整個系統的成本很難降低。

光放大器的目的是直接放大光信號而不用於光電和電光轉換。光放大器的原理是在一段光纖中摻雜稀土元素如鉺,然後用短波長激光泵浦它。這將放大光信號並替換中繼器。 [3]

接收器

構成光接收器的主要部件是光電探測器,其使用光電效應將入射光信號轉換成電信號。光電探測器通常是基於半導體的光電二極管,例如p-n結二極管,p-i-n二極管或雪崩二極管。此外,“金屬 - 半導體 - 金屬”(MSM)光電探測器還用於光再生器或波分複用器,因爲它與電路的優良集成。

光接收器電路通常使用跨阻抗放大器(TIA)和限幅放大器來處理由光電探測器轉換的光電流。跨阻抗放大器和限幅放大器可以將光電流轉換爲幅度。小電壓信號通過後端的比較器電路轉換成數字信號。對於高速光纖通信系統,信號通常相對更加衰減。爲了防止從接收器電路輸出的數字信號變形超出規範,時鐘恢復電路(CDR)通常被添加到接收器電路的後級。並且鎖相環(PLL)適當地處理信號並輸出​​它。 [3]

波長分波多工

波分複用的實際應用是將光纖的工作波長分成多個信道,以便在同一光纖中傳輸更大量的數據。完整的波分複用系統分爲發送端的波分複用器和接收端的波分複用器。波分多路複用系統中最常用的組件是陣列波導光柵(AWG)。目前市場上有商用波長 - 波長複用器/解複用器,它可以將光纖通信系統最多分爲80個通道,數據傳輸速率突然突破Tb/s級。 [3]

帶寬距離乘積

由於傳輸距離越長,光纖中的色散現象越嚴重,影響信號質量。通常用於評估光纖通信系統的指標之一是以兆赫茲x千米(MHz x km)爲單位的帶寬距離乘積。使用這兩個值的乘積作爲指標的原因是,這兩個值通常不會同時變得更好,但必須權衡。例如,常見的多模光纖系統的帶寬距離乘積約爲500 MHz x km,這意味着系統的信號帶寬可以在一公里內達到500 MHz,如果距離縮短到0.5公里。帶寬可以加倍到1000MHz。 [3]

應用

使用光纖進行通信通常包括以下步驟:

光信號由發射器產生。

信號由光纖傳輸,必須確保光信號在光纖中不衰減或嚴重變形。

接收器接收光信號並將其轉換爲電信號。 [4]

電話公司經常使用光纖通過電話,互聯網或有線電視傳輸信號。有時,所有上述信號都可以使用單根光纖同時傳輸。與傳統的銅線相比,光纖的信號衰減和干擾得到了很大的改善,特別是在長距離和大傳輸應用中,光纖的優勢更加明顯。然而,城市之間使用光纖通信基礎設施通常難以控制,並且材料的成本難以控制。完成後系統維護的複雜性和成本也很高。因此,早期的光纖通信系統主要用於長距離通信要求,因此可以充分發揮光纖的優點,並且可以抑制增加的成本。

自2000年光通信市場崩潰以來,光纖通信的成本也在不斷下降,並且與銅通信系統的骨幹相當。

對於光纖通信行業,在1990年正式將光放大器引入商用市場後,實現了許多超長距離光纖通信,如跨洋海底電纜。截至2002年,越洋海底電纜的總長度已超過250,000公里,每秒可攜帶的數據量超過2.56 Tb。根據電信運營商的統計數據,這些數據自2002年以來持續大幅增長。[4]

應用極限

儘管已經採用了許多技術來減少色散等問題,並且光纖通信系統的容量已達到14Tb/s和160km的傳輸距離,但仍有一些問題需要工程師和科學家研究和克服。以下是對這些問題的簡要討論。

訊號色散

對於現代玻璃光纖,最嚴重的問題不是信號衰減,而是色散問題,即信號在光纖中傳輸距離後逐漸擴散和重疊,使接收端難以區分高或低信號。纖維中存在許多分散的原因。以模態色散爲例,信號橫模的橫模不一致,導致色散,這也限制了多模光纖的應用。在單模光纖中,模式之間的色散可以被抑制得非常低。

然而,在單模光纖中,存在相同的色散問題,這通常稱爲羣速度色散。原因在於,對於不同波長的入射光,玻璃的折射率略有不同,而光源發出的光波則不同。可能沒有光譜的分佈,這也導致光波由於波長的微小差異而在光纖內部具有不同的折射行爲。通常在單模光纖中發現的另一種色散稱爲偏振模色散。原因是雖然單模光纖一次只能容納一個橫模光波,但橫模光波可以在兩個方向上都有偏振,光纖中的任何結構缺陷和變形都可能導致兩者的傳輸速度不同。極化方向,也稱爲光纖雙折射。 。偏振保持光纖可以抑制這種現象。 [4]

訊號衰減

光纖內信號的衰減還使光放大器成爲光纖通信系統的必要部件。光纖中光波衰減的主要原因是材料吸收,瑞利散射,米氏散射和連接器引起的損耗。雖然石英的吸收係數僅爲0.03dB/km,但纖維中的雜質仍然增加了吸收係數。信號衰減的其他原因包括由應力引起的光纖變形,纖維密度的小擾動或需要加強的鍵合技術。 [4]

訊號再生

現代光纖通信系統已經引入了許多新技術來降低信號衰減程度,因此只有數百公里以外的通信系統才需要信號再生。這使得光纖通信系統的建設成本和維護成本大大降低。特別是對於越洋海底光纖,中繼器的穩定性往往是維護成本高的主要原因。這些突破也非常有助於控制系統的色散,足以減少由色散引起的非線性現象。此外,光學固體是另一項可以顯着降低長途通信系統色散的關鍵技術。 [4]

最後一哩

儘管光纖網絡具有高容量的優勢,但仍有許多網絡部署已達到普及化的目標,即光纖到戶(FTTH)和最後一英里。難以克服。但是,隨着對網絡帶寬需求的增加,越來越多的國家逐漸實現了這一目標。例如,在日本,光纖網絡系統已經開始取代使用銅線的數字用戶環路系統。 [4]

與傳統的比較

對於通信系統,最好使用傳統的銅纜作爲傳輸介質,或者使用光纖,並且有幾個考慮因素。光纖通常用於高帶寬和長距離應用,因爲它具有低損耗,高容量以及對許多中繼器的需求。光纖的另一個重要優點是,即使多個光纖長距離並置,光纖和光纖之間也不存在串擾干擾,這與傳輸信號的傳輸線相反。 。 [4]

電訊號的好處

然而,對於短距離和低帶寬通信應用,電信號傳輸的使用具有以下優點:較低的建設成本;易於組裝;可以使用電力系統傳輸信息。

由於這些優點,信息在很短的距離內傳輸,例如在主機之間,板之間,甚至在集成電路芯片之間傳輸。但是,一些仍處於試驗階段的系統已經改變爲傳輸信息。

在一些低帶寬應用中,光纖通信仍然有其獨特的優勢:

它可以抵抗電磁干擾(EMI),包括由細胞核引起的電磁脈衝。 (但是,纖維可能被α或β射線破壞)

電信號的阻抗非常高,因此可以在高電壓或地電位下安全工作。

重量更輕,這在飛機中尤爲重要。

沒有火花,在某些易燃環境中很重要。

沒有電磁輻射,不容易被竊聽,這對於需要高度安全性的系統非常重要。

線徑小,並且當繞組的路徑受限時變得重要。 [4]光纖通信

現行技術標準

爲了實現光纖通信設備製造商的通用標準,國際電信聯盟(ITU)制定了幾項與光纖通信相關的標準,包括:

ITU-T G.651,“50 /125μm多模漸變折射率光纖電纜的特性”

ITU-T G.652,“單模光纖電纜的特性”

光纖通信的其他標準規定了發送和接收端,或傳輸介質的規格,包括:

10千兆以太網(萬兆以太網)

光纖分佈式數據接口(FDDI)

光纖通道

HIPPI

同步數字體系

同步光網絡

另外,在數字聲音效果領域,還存在使用光纖傳輸信息的規範,即由日本東芝開發的TOSLINK規範。該系統採用塑料光纖(POF)作爲介質,包括一個帶紅色LED的發射器和一個集成了光電探測器和放大器電路的接收器。 [4]

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