光纖傳輸

其數(shù)據(jù)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。 綜觀近年來國內(nèi)外配線系統(tǒng)的發(fā)展，我們可看出這樣三個階段：1、雙絞線階段。在這個階段語音同大規(guī)模數(shù)據(jù)通信不能混用也適應這樣的數(shù)據(jù)通信。2、同軸電纜 +雙絞線階段。它能滿足用戶的大量數(shù)據(jù)傳輸和視頻的需求，但需要更多的接入設備，造價相對提高許多，且不易今后的擴展需求。3、光纖階段。即我們所說的最終階段，在此時，各相應附屬設備更完善，數(shù)據(jù)處理能力更強，擴展性更好。近年來發(fā)展也特別快，接入設備價格目前有所調(diào)整，可以說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：射線光學（即幾何光學）理論和波動光學理論。射線光學理論是用光射線去代替光能量傳輸路線的方法，這種理論對于光波長遠遠小于光波到尺寸的多模光纖是容易得到簡單而直觀的分析結(jié)果的，但對于復雜問題，射線光學只能給出比較粗糙的概念?！　?/p>

波動光學是把光纖中的光作為經(jīng)典電磁場來處理，因此，光場必須服從麥克斯韋方程組及全部邊界條件。從波動方程和電磁場的邊界條件出發(fā)，可以得到全面、正確的解析或數(shù)字結(jié)果，給出波導中容許的場結(jié)構(gòu)形式（即模式）。

光纖通信技術(shù)應用迅速增長，自1977年光纖系統(tǒng)首次商用安裝以來，電話公司就開始使用光纖鏈路替代舊的銅線系統(tǒng)。今天的許多電話公司，在他們的系統(tǒng)中全面使用光纖作為干線結(jié)構(gòu)和作為城市電話系統(tǒng)之間的長距離連接。提供商已開始用光纖／銅軸混合線路進行試驗。這種混合線路允許在領域之間集成光纖和同軸電纜，這種被稱為節(jié)點的位置，提供將光脈沖轉(zhuǎn)換為電信號的光接收機，然后信號再經(jīng)過同軸電纜被傳送到各個家庭。近年來，作為一種通信信號傳輸?shù)那‘斒侄危饫w穩(wěn)步替代銅線是顯而易見的，這些光纜在本地電話系統(tǒng)之間跨越很長的距離并為許多網(wǎng)絡系統(tǒng)提供干線連接。

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二的優(yōu)勢，點到點的光學傳輸系統(tǒng)由三個基本部分構(gòu)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 ：

綜合布線系統(tǒng)中使用的光纖為玻璃多模850nm波長的LED，傳輸率為100M/bps，有效范圍約20Km.其纖芯和包層由兩種光學性能不同的介質(zhì)構(gòu)成。內(nèi)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。由物理學可知，在兩種介質(zhì)的界面上，當光從折射率高的一側(cè)射入折射率高的一側(cè)時，只要入射角度大于一個臨界值，就會發(fā)生反射現(xiàn)象，能量將不受損失。這時包在外圍的覆蓋層就象不透明的物質(zhì)一樣，防止了光線在穿插過程中從表面逸出。只有那些初始入射角偏小的光線才有折射發(fā)生，并且在很短距離內(nèi)就被外層物質(zhì)吸收干凈。

目前生產(chǎn)的光纖，無論是玻璃介質(zhì)還是塑料介質(zhì)，都可傳輸全部可見光和部分紅外光譜。用光纖做的光纜有多種結(jié)構(gòu)形式。短距離用的光纜主要有兩種，一種層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式。短距離用的光纜主要有兩種，一種層結(jié)構(gòu)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、光纖傳輸過程：

由發(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(diào)制為移幅鍵控法，又稱亮度調(diào)制（IntensityModulation）。典型的做法是在給定的頻率下，以光的出現(xiàn)和消失來表示兩個二進制數(shù)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(diào)制，PIN和ILD檢波器直接響應亮度調(diào)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。使整個線路系統(tǒng)的光功率得到提高。在線中繼放大──建筑群較大或樓間距離較遠時，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?shù)氖枪庑盘?，所以一般用于點到點的連接。光纖的總線拓撲結(jié)構(gòu)的實驗性多點系統(tǒng)已經(jīng)建成，但是價格還太貴。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(shù)比雙絞線或同軸電纜多得多。目前低價可靠的發(fā)送器為0.85um波長發(fā)光二極管LED，能支持100Mbps的傳輸率和1.5～2KM范圍內(nèi)的局域網(wǎng)。

激光二極管的發(fā)送器成本較高，且不能滿足百萬小時壽命的要求。運行在0.85um波長的發(fā)光二極管檢波器PIN也是低價的接收器。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波長的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)衰減很小，但要比0.85um波長系統(tǒng)貴源。另外,與之配套的光纖連接器也很重要，要求每個連接器的連接損耗低于25dB，易于安裝，價格較低。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波長的光纖衰減為6dB/Km，運行在1.3um波長的光纖衰減為4dB/Km。0.8um的光纖頻寬為150MHz/Km，1.3um的光纖頻寬為500MHz/Km。

綜合布線系統(tǒng)中，主干線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），可以在一條線路上復用、發(fā)送、傳輸多個位，一般按一個字節(jié)八位并行傳輸，對每個位流使用不同的波長，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(jié)寬度的設備接口，是一種新的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

4、光纖傳輸?shù)奶攸c優(yōu)勢及傳輸原理

光纜傳輸?shù)膶崿F(xiàn)與發(fā)展形成了它的幾個優(yōu)點。相對于銅線每秒1.54MHZ的速率光纖網(wǎng)絡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，這意味著能夠使用尺寸很小的電纜，將來就不用更新或增強傳輸光纜中信號。光纖電纜對諸如無線電、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。從長遠維護角度來看，光纜最終的維護成本會非常低。光纖使用光脈沖沿光線路傳輸信息，以替代使用電脈沖沿電纜傳輸信息。在系統(tǒng)的一端是發(fā)射機，是信息到光纖線路的起始點。發(fā)射機接收到的已編碼電子脈沖信息來自于銅線電纜，然后將信息處理并轉(zhuǎn)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，同時采用透鏡，將光脈沖集中到光纖介質(zhì)，使光脈沖沿線路在光纖介質(zhì)中傳輸。由內(nèi)部全反射原理可知，光脈沖很容易眼光纖線路運動，光纖內(nèi)部全反射原理說明了當入射角超過臨界值時，光就不能從玻璃中溢出；相反，光纖會反射回玻璃內(nèi)。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，所以在長距離傳輸和特殊環(huán)境等方面具有無法比擬的優(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，光纖的頻帶可達到1．0GHz以上，一般圖像的帶寬只有8MHz，一個通道的圖象用一芯光纖傳輸綽綽有余，在傳輸語音、控制信號或接點信號方面更為優(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，通常按波長可分為850nm和1300nm兩個波長，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，例如，如果采用工作波長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(tǒng)，其最大鏈路損耗為7 dB，則可計算：

ST連接器損耗：
2dB（兩個ST連接器）
光學損耗裕量：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(jù)光纖的帶寬計算：
L=B/F=400MHz.km/150MHz=2.6km

其中 B為光纖帶寬，F(xiàn)為基帶傳輸頻率，那么實際傳輸測試時，L￡2.6km，由此可見，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，通常按波長可分為850nm和1300nm兩個波長，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，其線徑為9微米。

1310nm波長的光在G.652光纖上傳輸時，決定其傳輸距離限制的是衰減因數(shù)；因為在1310nm波長下，光纖的材料色散與結(jié)構(gòu)色散相互抵消總的色散為0，在1310nm波長上有微小振幅的光信號能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻帶傳輸。 

1550nm波長的光在G.652光纖上傳輸時衰減因數(shù)很小，單純從衰減因數(shù)考慮，1550nm波長的光在相同的光功率下傳輸?shù)木嚯x大于1310nm波長的光下的傳輸?shù)木嚯x，但是實際情況并非如此，單模光纖帶寬B與色散因數(shù)D的關系為：

B=132.5/（DlxDxL）GHz

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

B=132.5/（DxL）GHz=132.5MHz

也就是說，對于模擬波形，采用1550nm波長的光，當傳輸距離為50公里時，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，況且實際應用中，光源的譜線寬度往往大于1nm。 

從上式可以看出，1550nm波長的光在G.652光纖上傳輸時決定其傳輸距離限制的主要是色散因數(shù)。
 

今天，人們使用光纖系統(tǒng)承載數(shù)字電視、語音和數(shù)字是很普通的一件事，在商用與工業(yè)領域，光纖已成為地面?zhèn)鬏敇藴省Ｔ谲娛潞头烙I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(tǒng)會用重量輕、直徑小又使用安全的光纜取代線控飛行系統(tǒng)。光導纖維與衛(wèi)星和其他廣播媒體一起，代表著在航空電子學、機器人學、武器系統(tǒng)、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業(yè)應用的新的世界潮流。