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光纤通信基础概念

传送网的具体实现技术主要包括有线通信技术和无线通信技术两大类,有线通信的典型代表是光纤通信,无线通信的典型代表是移动通信、微波通信和卫星通信。本章主要讲述光纤通信系统中光纤的基本理论和概念;半导体光源和检测器的基本原理和特性;光发送机和光接收机的组成和原理;光纤通信系统的构成和光纤通信系统中的关键技术以及光纤通信新技术。
电磁波谱
1、电磁波谱
       信息的传输是以电磁波为媒介进行的。电磁波的波谱很宽,如图1所示。通信所用的波段是在波长为千米至微米数量级范围。由于通信的容量与电磁波频率成正比例的增大,所以探索将更高频率的电磁波用于通信技术是人们追求的目标。各种频段电磁波的划分和常用传输媒质如表1所示。
电磁波谱
图1电磁波谱 
表1电磁波波段划分和常用传输媒质
电磁波波段划分和常用传输媒介
2、光纤通信系统基本结构与特点
       光纤通信是以光波为载波、以光纤(即光导纤维)为传输媒质的通信方式。
       光纤通信系统的基本组成如图9.2所示,它包括了电收发端机、光收发端机、光纤光缆线路、中继器等。
光纤通信系统组成
图2     光纤通信系统组成
       图2给出的是一个单向传输的系统,反向传输的结构是相同的。在发送端,电发送端机对来自信息源的信号进行处理,如模/数变换、多路复用等。它是常规的通信设备。经过处理的信号送至光发送端机。光发送端机内有光源,如半导体激光器。在光发送端机对光源的光载波进行调制,把电信号转换成光信号,并且耦合到光纤中去,通过光纤将光信号传输至接收端。光接收端机内有光检测器,如光电二极管。在光接收端机对经过光纤传输过来的微弱的光信号进行检测,把光信号转换成电信号,并对电信号进行放大、整形、再生后,输入到电接收端机,在电接收端机恢复成原信号。对于长距离的光纤通信系统,为了补偿光纤线路损耗和色散造成的信号衰减和畸变的影响,每隔一定距离需要接入中继器,其作用是把经过衰减和畸变的光信号放大、整形、再生成一定强度的光信号,送入光纤继续传输,以保证整个系统的通信质量。
光纤通信系统
        光纤通信系统中由于釆用了电一光、光一电的变换,可以采用光纤而不是电缆来传输信号。因为光纤的带宽和损耗性能比电缆要优越得多,即光纤的带宽比电缆要宽、损耗比电缆要小,因而光纤通信系统得到了广泛的应用。系统不但可以在长途干线上发挥作用,而且在本地网、接入网等传输网络中得到广泛的应用。
       光纤通信系统由于采用了光纤传输信号实现通信,因此,和其他通信系统相比具有一系列独特的优点。这些优点主要如下:
(1) 频带宽,通信容量大
       现在单模光纤的带宽可达1.5THz•km量级,有着极大的传输容量。值得提出的是:光纤具有极宽的潜在带宽。如将光纤的低损耗和低色散区做到1.45-1.65Mm波长范围,则相应的带宽为25THz。
(2) 传输损耗低,中继距离长
       光纤的传输损耗很低,石英光纤在1.55jzm波长处的传输损耗已可以做到0.2dB/km,甚至达0.15dB/km,这是以往任何传输线都不能与之相比的。损耗低,无中继传输距离就长。一般光纤通信系统的无中继传输距离为几十公里,甚至可达一百多公里,比电缆系统的中继距离大很多。
(3) 抗电磁干扰
       大多数光纤是由石英材料制成的,它不怕电磁干扰,也不受外界光的影响。强电、雷电等也不会影响光纤的传输性能,甚至在核辐射的环境中光纤通信也能正常进行。这是电通信所不能比拟的。因此光纤通信在许多特殊环境中得到了广泛的应用。
(4) 光纤通信串话小,保密性强,使用安全
       光在光纤中传输时,光波集中在光纤芯子中传输,向外泄漏的光能很小。同一根光缆中的光纤之间不会产生干扰和串话,因而保密性好,使用安全。
(5) 体积小,重量轻,便于敷设
光纤细如发丝。其外径仅为125µm,套塑后的外径也小于1mm,加之光纤材料的比重小.成缆后的重量也轻。例如18芯架空光缆(或管道)重量约为150kg/km,而18管同轴电缆的重量约为11t/km。经过表面涂覆的光纤具有很好的可绕性,便于敷设,可架空、直埋或置入管道。可用于陆地或海底,在飞机、轮船、人造卫星和宇宙飞船上也特别适用。
(6) 材料资源丰富
       通信用电缆的主要材料为稀有金属铜,其资源严重紧缺。而石英光纤的主体材料是SiOz,材料资源丰富。
        光纤通信的这些优点使其成为当今信息领域的重要支柱。光纤通信的发展也是日新月异、一日千里,新的系统、器件不断涌现,为光纤通信不断注入新的活力,使其在通信领域占据了重要的地位。