光纤

光纤
光纤
  光纤是光导纤维的简写,是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想,高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。
  

基本简介

  微细的光纤封装在塑料护套中,使得它能够弯曲而不至于断裂。通常,光纤的一端的发射装置使用发光二极管(light emitting diode,LED)或一束激光将光脉冲传送至光纤,光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。
  在日常生活中,由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多,光纤被用作长距离的信息传递。
  通常光纤与光缆两个名词会被混淆。多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆,包覆后的缆线即被称为光缆。光纤外层的保护结构可防止周围环境对光纤的伤害,如,火,电击等。光缆分为:光纤,缓冲层及披覆。光纤和同轴电缆相似,只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。
  在多模光纤中,芯的直径是15μm~50μm, 大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8μm~10μm.芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套, 以使光线保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套,用来保护封套。光纤通常被扎成束,外面有外壳保护。 纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体,它质地脆,易断裂,因此需要外加一保护层。
  

光导纤维的发明和使用

光纤接入器
光纤接入器
  1870年的一天,英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理,他做了一个简单的实验:在装满水的木桶上钻个孔,然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到,放光的水从水桶的小孔里流了出来,水流弯曲,光线也跟着弯曲,光居然被弯弯曲曲的水俘获了。
  人们曾经发现,光能沿着从酒桶中喷出的细酒流传输;人们还发现,光能顺着弯曲的玻璃棒前进。这是为什么呢?难道光线不再直进了吗?这些现象引起了丁达尔的注意,经过他的研究,发现这是全反射的作用,即光从水中射向空气,当入射角大于某一角度时,折射光线消失,全部光线都反射回水中。表面上看,光好像在水流中弯曲前进。实际上,在弯曲的水流里,光仍沿直线传播,只不过在内表面上发生了多次全反射,光线经过多次全反射向前传播。
  后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维,当光线以合适的角度射入玻璃纤维时,光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线,所以称它为光导纤维。
  光导纤维可以用在通信技术里。1979年9月,一条3.3公里的120路光缆通信系统在北京建成,几年后上海、天津、武汉等地也相继铺设了光缆线路,利用光导纤维进行通信。
  利用光导纤维进行的通信叫光纤通信。一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话,而根据理论计算,一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通一百亿路电话!铺设1000公里的同轴电缆大约需要500吨铜,改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。沙石中就含有石英,几乎是取之不尽的。
  另外,利用光导纤维制成的内窥镜,可以帮助医生检查、食道、十二指肠等的疾病。光导纤维胃镜是由上千根玻璃纤维组成的软管,它有输送光线、传导图像的本领,又有柔软、灵活,可以任意弯曲等优点,可以通过食道插入胃里。光导纤维把胃里的图像传出来,医生就可以窥见胃里的情形,然后根据情况进行诊断和治疗。
  就在刚刚公布的2009年度诺贝尔物理学奖获得者中,有“光纤之父”的华裔科学家高锟,凭借在光纤领域的卓著研究而获得此殊荣。
  

光纤系统的运用

串联网络
串联网络
  多股光导纤维做成的光缆可用于通信,它的传导性能良好,传输信息容量大,一条通路可同时容纳数十人通话;可以同时传送数十套电视节目,供自由选看。光导纤维内窥镜可导入心脏和脑室,测量心脏中的血压、血液中氧的饱和度、体温等。用光导纤维连接的激光手术刀已在临床应用,并可用作光敏法治癌。
  光导纤维可以把阳光送到各个角落,还可以进行机械加工。计算机、机器人、汽车配电盘等也已成功地用光导纤维传输光源或图像。如与敏感元件组合或利用本身的特性,则可以做成各种传感器,测量压力、流量、温度、位移、光泽和颜色等。在能量传输和信息传输方面也获得广泛的应用。
  高分子光导纤维开发之初,仅用于汽车照明灯的控制和装饰。现在主要用于医学、装饰、汽车、船舶等方面,以显示元件为主。在通信和图像传输方面,高分子光导纤维的应用日益增多,工业上用于光导向器、显示盘、标识、开关类照明调节、光学传感器等,同时也用在装饰显示、广告显示。
  

光纤的历史

  1880-AlexandraGrahamBell发明光束通话传输
  1960-电射及光纤之发明
  1966-华裔科学家“光纤之父”高锟 预言光纤将用于通信。
  1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤。
  1977-首次实际安装电话光纤网路
  1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电
  1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤,被誉为“中国光纤之父”
  1990-区域网络及其他短距离传输应用之光纤
  2000-到屋边光纤=>到桌边光纤
  2005 FTTH(Fiber To The Home)光纤直接到家庭
  

光纤的分类特征

  光纤是光导纤维(OF:Optical Fiber)的简称。但光通信系统中常常将 Optical Fibe(光纤)又简化为 Fiber,例如:光纤放大器(Fiber Amplifier)或光纤干线(Fiber Backbone)等等。有人忽略了Fiber虽有纤维的含义,但在光系统中却是指光纤而言的。因此,有些光产品的说明中,把fiber直译成“纤维”,显然是不可取的。光纤实际是指由透明材料作成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料作成的包层所被覆,并将射入纤芯的光信号,经包层界面反射,使光信号在纤芯中传播前进的媒体。
  光纤的种类很多,根据用途不同,所需要的功能和性能也有所差异。但对于有线电视和通信用的光纤,其设计和制造的原则基本相同,诸如:①损耗小;②有一定带宽且色散小;③接线容易;④易于成统;⑤可靠性高;⑥制造比较简单;⑦价廉等。
  光纤的分类主要是从工作波长、折射率分布、传输模式、原材料和制造方法上作一归纳的,兹将各种分类举例如下。
  (1)工作波长:紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤(0.85pm、1.3pm、1.55pm)。
  (2)折射率分布:阶跃(SI)型、近阶跃型、渐变(GI)型、其它(如三角型、W型、凹陷型等)。(3)传输模式:单模光纤(含偏振保持光纤、非偏振保持光纤)、多模光纤。
  (4)原材料:石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料(如塑料包层、液体纤芯等)、红外材料等。按被覆材料还可分为无机材料(碳等)、金属材料(铜、镍等)和塑料等。
  (5)制造方法:预塑有汽相轴向沉积(VAD)、化学汽相沉积(CVD)等,拉丝法有管律法(Rod intube)和双坩锅法等。
  

·石英光纤

  是以二氧化硅(SiO2)为主要原料,并按不同的掺杂量,来控制纤芯和包层的折射率分布的光纤。石英(玻璃)系列光纤,具有低耗、宽带的特点,现在已广泛应用于有线电视和通信系统。掺氟光纤(Fluorine Doped Fiber)为石英光纤的典型产品之一。通常,作为1.3Pm波域的通信用光纤中,控制纤芯的掺杂物为二氧化锗(GeO2),包层是用SiO炸作成的。但接氟光纤的纤芯,大多使用SiO2,而在包层中却是掺入氟素的。由于,瑞利散射损耗是因折射率的变动而引起的光散射现象。所以,希望形成折射率变动因素的掺杂物,以少为佳。氟素的作用主要是可以降低SIO2的折射率。因而,常用于包层的掺杂。由于掺氟光纤中,纤芯并不含有影响折射率的氟素掺杂物。由于它的瑞利散射很小,而且损耗也接近理论的最低值。所以多用于长距离的光信号传输。石英光纤(Silica Fiber)与其它原料的光纤相比,还具有从紫外线光到近红外线光的透光广谱,除通信用途之外,还可用于导光和传导图像等领域。
  

·红外光纤

  作为光通信领域所开发的石英系列光纤的工作波长,尽管用在较短的传输距离,也只能用于2pm.为此,能在更长的红外波长领域工作,所开发的光纤称为红外光纤。红外光纤(Infrared Optical Fiber)主要用于光能传送。例如有:温度计量、热图像传输、激光手术刀医疗、热能加工等等,普及率尚低。四 复合光纤复合光纤(Compound Fiber)在SiO2原料中,再适当混合诸如氧化钠(Na2O)、氧化硼(B2O2)、氧化钾(K2O2)等氧化物的多成分玻璃作成的光纤,特点是多成分玻璃比石英的软化点低且纤芯与包层的折射率差很大。主要用在医疗业务的光纤内窥镜。五 氟化物光纤氯化物光纤(Fluoride Fiber)是由氟化物玻璃作成的光纤。这种光纤原料又简称 ZBLAN(即将氟化铝(ZrF4)、氰化钡(BaF2)、氟化镧(LaF3)、氟化铝(A1F2)、氰化钠(NaF)等氯化物玻璃原料简化成的缩语。主要工作在2~ 10pm波长的光传输业务。由于ZBLAN具有超低损耗光纤的可能性,正在进行着用于长距离通信光纤的可行性开发,例如:其理论上的最低损耗,在3pm波长时可达10-2~10-3dB/km,而石英光纤在1.55pm时却在0.15-0.16dB/Km之间。目前,ZBLAN光纤由于难于降低散射损耗,只能用在2.4~2.7pm的温敏器和热图像传输,尚未广泛实用。最近,为了利用ZBLAN进行长距离传输,正在研制1.3pm的掺错光纤放大器(PDFA)。六 塑包光纤塑包光纤(Plastic Clad Fiber)是将高纯度的石英玻璃作成纤芯,而将折射率比石英稍低的如硅胶等塑料作为包层的阶跃型光纤。它与石英光纤相比较,具有纤芯租、数值孔径(NA)高的特点。因此,易与发光二极管LED光源结合,损耗也较小。所以,非常适用于局域网(LAN)和近距离通信。七 塑料光纤这是将纤芯和包层都用塑料(聚合物)作成的光纤。早期产品主要用于装饰和导光照明及近距离光键路的光通信中。原料主要是有机玻璃(PMMA)、聚苯乙稀(PS)和聚碳酸酯(PC)。损耗受到塑料固有的C-H结合结构制约,一般每km可达几十dB.为了降低损耗正在开发应用氟索系列塑料。由于塑料光纤(Plastic Optical fiber)的纤芯直径为1000pm,比单模石英光纤大100倍,接续简单,而且易于弯曲施工容易。近年来,加上宽带化的进度,作为渐变型(GI)折射率的多模塑料光纤的发展受到了社会的重视。最近,在汽车内部LAN中应用较快,未来在家庭LAN中也可能得到应用。
  

·单模光纤

单模光纤
单模光纤
  这是指在工作波长中,只能传输一个传播模式的光纤,通常简称为单模光纤(SMF:Single ModeFiber)。目前,在有线电视和光通信中,是应用最广泛的光纤。由于,光纤的纤芯很细(约10pm)而且折射率呈阶跃状分布,当归一化频率V参数<2.4时,理论上,只能形成单模传输。另外,SMF没有多模色散,不仅传输频带较多模光纤更宽,再加上SMF的材料色散和结构色散的相加抵消,其合成特性恰好形成零色散的特性,使传输频带更加拓宽。SMF中,因掺杂物不同与制造方式的差别有许多类型。凹陷型包层光纤(DePr-essed Clad Fiber),其包层形成两重结构,邻近纤芯的包层,较外倒包层的折射率还低。另外,有匹配型包层光纤,其包层折射率呈均匀分布。
  

·多模光纤

  将光纤按工作彼长以其传播可能的模式为多个模式的光纤称作多模光纤(MMF:MUlti ModeFiber)。纤芯直径为50pm,由于传输模式可达几百个,与SMF相比传输带宽主要受模式色散支配。在历史上曾用于有线电视和通信系统的短距离传输。自从出现SMF光纤后,似乎形成历史产品。但实际上,由于MMF较SMF的芯径大且与LED等光源结合容易,在众多LAN中更有优势。所以,在短距离通信领域中MMF仍在重新受到重视。MMF按折射率分布进行分类时,有:渐变(GI)型和阶跃(SI)型两种。GI型的折射率以纤芯中心为最高,沿向包层徐徐降低。从几何光学角度来看,在纤芯中前进的光束呈现以蛇行状传播。由于,光的各个路径所需时间大致相同。所以,传输容量较SI型大。SI型MMF光纤的折射率分布,纤芯折射率的分布是相同的,但与包层的界面呈阶梯状。由于SI型光波在光纤中的反射前进过程中,产生各个光路径的时差,致使射出光波失真,色激较大。其结果是传输带宽变窄,目前SI型MMF应用较少。
  

·色散位移光纤

  单模光纤的工作波长在1.3Pm时,模场直径约9Pm,其传输损耗约0.3dB/km.此时,零色散波长恰好在1.3pm处。石英光纤中,从原材料上看1.55pm段的传输损耗最小(约0.2dB/km)。由于现在已经实用的掺铒光纤放大器(EDFA)是工作在1.55pm波段的,如果在此波段也能实现零色散,就更有利于应用1.55Pm波段的长距离传输。于是,巧妙地利用光纤材料中的石英材料色散与纤芯结构色散的合成抵消特性,就可使原在1.3Pm段的零色散,移位到1.55pm段也构成零色散。因此,被命名为色散位移光纤(DSF:DispersionShifted Fiber)。加大结构色散的方法,主要是在纤芯的折射率分布性能进行改善。在光通信的长距离传输中,光纤色散为零是重要的,但不是唯一的。其它性能还有损耗小、接续容易、成缆化或工作中的特性变化小(包括弯曲、拉伸和环境变化影响)。DSF就是在设计中,综合考虑这些因素。
  

·色散平坦光纤

  色散移位光纤(DSF)是将单模光纤设计零色散位于1.55pm波段的光纤。而色散平坦光纤(DFF:Dispersion Flattened Fiber)却是将从1.3Pm到1.55pm的较宽波段的色散,都能作到很低,几乎达到零色散的光纤称作DFF.由于DFF要作到1.3pm~1.55pm范围的色散都减少。就需要对光纤的折射率分布进行复杂的设计。不过这种光纤对于波分复用(WDM)的线路却是很适宜的。由于DFF光纤的工艺比较复杂,费用较贵。今后随着产量的增加,价格也会降低。
  

·色散补偿光纤

  对于采用单模光纤的干线系统,由于多数是利用1.3pm波段色散为零的光纤构成的。可是,现在损耗最小的1.55pm,由于EDFA的实用化,如果能在1.3pm零色散的光纤上也能令1.55pm波长工作,将是非常有益的。因为,在1.3Pm零色散的光纤中,1.55Pm波段的色散约有16ps/km/nm之多。如果在此光纤线路中,插入一段与此色散符号相反的光纤,就可使整个光线路的色散为零。为此目的所用的是光纤则称作色散补偿光纤(DCF:DisPersion Compe-nsation Fiber)。DCF与标准的1.3pm零色散光纤相比,纤芯直径更细,而且折射率差也较大。DCF也是WDM光线路的重要组成部分。
  

·偏振保持光纤

  在光纤中传播的光波,因为具有电磁波的性质,所以,除了基本的光波单一模式之外,实质上还存在着电磁场(TE、TM)分布的两个正交模式。通常,由于光纤截面的结构是圆对称的,这两个偏振模式的传播常数相等,两束偏振光互不干涉。但实际上,光纤不是完全地圆对称,例如有着弯曲部分,就会出现两个偏振模式之间的结合因素,在光轴上呈不规则分布。偏振光的这种变化造成的色散,称之偏振模式色散(PMD)。对于现在以分配图像为主的有线电视,影响尚不太大。但对于一些未来超宽带有特殊要求的业务,如:
  ①相干通信中采用外差检波,要求光波偏振更稳定时;
  ②光机器等对输入输出特性要求与偏振相关时;
  ③在制作偏振保持光耦合器和偏振器或去偏振器等时;
  ④制作利用光干涉的光纤敏感器等,
  凡要求偏振波保持恒定的情况下,对光纤经过改进使偏振状态不变的光纤称作偏振保持光纤(PMF:Polarization Maintaining fiber),也有称此为固定偏振光纤的。十四 双折射光纤双折射光纤是指在单模光纤中,可以传输相互正交的两个固有偏振模式的光纤而言。因为,折射率随偏报方向变异的现象称为双折射。在造成双折射的方法中。它又称作PANDA光纤,即偏振保持与吸收减少光纤(Polarization-maintai-ning AND Absorption- reducing fiber)。它是在纤芯的横向两则,设置热膨胀系数大、截面是圆形的玻璃部分。在高温的光纤拉丝过程中,这些部分收缩,其结果在纤芯y方向产生拉伸,同时又在x方向呈现压缩应力。致使纤材出现光弹性效应,使折射率在X方向和y方向出现差异。依此原理达到偏振保持恒定。十五 抗恶环境光纤通信用光纤通常的工作环境温度可在-40~+60℃之间,设计时也是以不受大量辐射线照射为前提的。相比之下,对于更低温或更高温以及能遭受高压或外力影响、曝晒辐射线的恶劣环境下,也能工作的光纤则称作抗恶环境光纤(Hard Condition Resistant Fiber)。一般为了对光纤表面进行机械保护,多涂覆一层塑料。可是随着温度升高,塑料保护功能有所下降,致使使用温度也有所限制。如果改用抗热性塑料,如聚四氟乙稀(Teflon)等树脂,即可工作在300℃环境。也有在石英玻璃表面涂覆镍(Ni)和(A1)等金属的。这种光纤则称为耐热光纤(Heat Resistant Fiber)。另外,当光纤受到辐射线的照射时,光损耗会增加。这是因为石英玻璃遇到辐射线照射时,玻璃中会出现结构缺陷(也称作色心:Colour Center),尤在0.4~0.7pm波长时损耗增大。防止办法是改用掺杂OH或F素的石英玻璃,就能抑制因辐射线造成的损耗缺陷。这种光纤则称作抗辐射光纤(Radiation Resistant Fiber),多用于核发电站的监测用光纤维镜等。
  

·密封涂层光纤

  为了保持光纤的机械强度和损耗的长时间稳定,而在玻璃表面涂装碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)、碳(C)等无机材料,用来防止从外部来的水和氢的扩散所制造的光纤(HCFHermeticallyCoated Fiber)。目前,通用的是在化学气相沉积(CVD)法生产过程中,用碳层高速堆积来实现充分密封效应。这种 碳涂覆光纤(CCF)能有效地截断光纤与外界氢分子的侵入。据报道它在室温的氢气环境中可维持20年不增加损耗。当然,它在防止水分侵入延缓机械强度的疲劳进程,其疲劳系数(Fatigue Parameter)可达200以上。所以,HCF被应用于严酷环境中要求可靠性高的系统,例如海底光缆就是一例。 17碳涂层光纤 在石英光纤的表面涂敷碳膜的光纤,称之碳涂层光纤(CCF:Carbon CoatedFiber)。其机理是利用碳素的致密膜层,使光纤表面与外界隔离,以改善光纤的机械疲劳损耗和氢分子的损耗增加。CCF是密封涂层光纤(HCF)的一种。 18金属涂层光纤 金属涂层光纤(Metal Coated Fiber)是在光纤的表面涂布Ni、Cu、A1等金属层的光纤。也有再在金属层外被覆塑料的,目的在于提高抗热性和可供通电及焊接。它是抗恶环境性光纤之一,也可作为电子电路的部件用。 早期产品是在拉丝过程中,涂布熔解的金属作成的。由于此法因被玻璃与金属的膨胀系数差异太大,会增微小弯曲损耗,实用化率不高。近期,由于在玻璃光纤的表面采用低损耗的非电解镀膜法的成功,使性能大有改善。 19掺稀土光纤 在光纤的纤芯中,掺杂如何(Er)、钦(Nd)、谱(Pr)等稀土族元素的光纤。1985年英国的索斯安普顿(Sourthampton)大学的佩思(Payne)等首先发现掺杂稀土元素的光纤(Rare Earth DoPed Fiber)有激光振荡和光放大的现象。于是,从此揭开了惨饵等光放大的面纱,现在已经实用的1.55pmEDFA就是利用掺饵的单模光纤,利用1.47pm的激光进行激励,得到1.55pm光信号放大的。另外,掺错的氟化物光纤放大器(PDFA)正在开发中。 二十 喇曼光纤 喇曼效应是指往某物质中射人频率f的单色光时,在散射光中会出现频率f之外的f±fR, f±2fR等频率的散射光,对此现象称喇曼效应。由于它是物质的分子运动与格子运动之间的能量交换所产生的。当物质吸收能量时,光的振动数变小,对此散射光称斯托克斯(stokes)线。反之,从物质得到能量,而振动数变大的散射光,则称反斯托克斯线。于是振动数的偏差FR,反映了能级,可显示物质中固有的数值。 利用这种非线性媒体做成的光纤,称作喇曼光纤(RF:Raman Fiber)。为了将光封闭在细小的纤芯中,进行长距离传播,就会出现光与物质的相互作用效应,能使信号波形不畸变,实现长距离传输。 当输入光增强时,就会获得相干的感应散射光。应用感应喇曼散射光的设备有喇曼光纤激光器,可供作分光测量电源和光纤色散测试用电源。另外,感应喇曼散射,在光纤的长距离通信中,正在研讨作为光放大器的应用。
  

·偏心光纤

  标准光纤的纤芯是设置在包层中心的,纤芯与包层的截面形状为同心圆型。但因用途不同,也有将纤芯位置和纤芯形状、包层形状,作成不同状态或将包层穿孔形成异型结构的。相对于标准光纤,称这些光纤叫异型光纤。 偏心光纤(Excentric Core Fiber),它是异型光纤的一种。其纤芯设置在偏离中心且接近包层外线的偏心位置。由于纤芯靠近外表,部分光场会溢出包层传播(称此为渐消彼,Evanescent Wave)。 因此,当光纤表面附着物质时,因物质的光学性质在光纤中传播的光波受到影响。如果附着物质的折射率较光纤高时,光波则往光纤外辐射。若附着物质的折射率低于光纤折射率时,光波不能往外辐射,却会受到物质吸收光波的损耗。利用这一现象,就可检测有无附着物质以及折射率的变化。 偏心光纤(ECF)主要用作检测物质的光纤敏感器。与光时域反射计(OTDR)的测试法组合一起,还可作分布敏感器用。
  

·发光光纤

  采用含有荧光物质制造的光纤。它是在受到辐射线、紫外线等光波照射时,产生的荧光一部分,可经光纤闭合进行传输的光纤。 发光光纤(Luminescent Fiber)可以用于检测辐射线和紫外线,以及进行波长变换,或用作温度敏感器、化学敏感器。在辐射线的检测中也称作闪光光纤(Scintillation Fiber)。 发光光纤从荧光材料和掺杂的角度上,正在开发着塑料光纤。
  

·多芯光纤

  通常的光纤是由一个纤芯区和围绕它的包层区构成的。但多芯光纤(Multi Core Fiber)却是一个共同的包层区中存在多个纤芯的。由于纤芯的相互接近程度,可有两种功能。 其一是纤芯间隔大,即不产生光耦会的结构。这种光纤,由于能提高传输线路的单位面积的集成密度。在光通信中,可以作成具有多个纤芯的带状光缆,而在非通信领域,作为光纤传像束,有将纤芯作成成千上万个的。 其二是使纤芯之间的距离靠近,能产生光波耦合作用。利用此原理正在开发双纤芯的敏感器或光回路器件。
  

·空心光纤

  将光纤作成空心,形成圆筒状空间,用于光传输的光纤,称作空心光纤(Hollow Fiber)。 空心光纤主要用于能量传送,可供X射线、紫外线和远红外线光能传输。空心光纤结构有两种:一是将玻璃作成圆筒状,其纤芯与包层原理与阶跃型相同。利用光在空气与玻璃之间的全反射传播。由于,光的大部分可在无损耗的空气中传播,具有一定距离的传播功能。二是使圆筒内面的反射率接近1,以减少反射损耗。为了提高反射率,有在简内设置电介质,使工作波长段损耗减少的。例如可以作到波长10.6pm损耗达几dB/m的。按材质分,有无机光导纤维和高分子光导纤维,目前在工业上大量应用的是前者。无机光导纤维材料又分为单组分和多组分两类。单组分即石英,主要原料为四氯化硅、三氯氧磷和三溴化硼等。其纯度要求铜、铁、钴、镍、锰、铬、钒等过渡金属离子杂质含量低于10ppb.除此之外,OH-离子要求低于10ppb.石英纤维已被广泛使用。多组分的原料较多,主要有二氧化硅、三氧化二硼、硝酸钠、氧化铊等。这种材料尚未普及。高分子光导纤维是以透明聚合物制得的光导纤维,由纤维芯材和包皮鞘材组成。芯材为高纯度高透光性的聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯抽丝制得的纤维,外层为含氟聚合物或有机硅聚合物等。
  光导通信的研究和实用化,与光导纤维的低损耗密切相关。光能的损耗可否大大降低,关键在于材料纯度的提高。玻璃材料中的杂质产生的光吸收,造成了最大的光损耗,其中过渡金属离子特别有害。目前,由于玻璃材料的高纯度化,这些杂质对光导纤维的损耗影响已很小。
  石英玻璃光导纤维的优点是损耗低,当光波长为1.0~1.7μm(约1.4μm附近),损耗只有1dB/km,在1.55μm处最低,只有0.2dB/km.高分子光导纤维的光损耗较高,1982年,日本电信电报公司利用氘化甲基丙烯酸甲酯聚合抽丝作芯材,光损耗率降低到20dB/km.但高分子光导纤维的特点是能制大尺寸,大数值孔径的光导纤维,光源耦合效率高,挠曲性好,微弯曲不影响导光能力,配列、粘接容易,便于使用,成本低廉。但光损耗大,只能短距离应用。光损耗在10~100dB/km的光导纤维,可传输几百米。  
       光纤主要分以下两大类:
  1)传输点模数类
  传输点模数类分单模光纤(Single Mode Fiber)和多模光纤(Multi Mode Fiber)。单模光纤的纤芯直径很小, 在给定的工作波长上只能以单一模式传输,传输频带宽,传输容量大。多模光纤是在给定的工作波长上,能以多个模式同时传输的光纤。 与单模光纤相比,多模光纤的传输性能较差。
  2)折射率分布类
  折射率分布类光纤可分为跳变式光纤和渐变式光纤。跳变式光纤纤芯的折射率和保护层的折射率都是一个常数。 在纤芯和保护层的交界面,折射率呈阶梯型变化。渐变式光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小, 在纤芯与保护层交界处减小为保护层的折射率。纤芯的折射率的变化近似于抛物线。
  

光纤结构及种类

  光及其特性:
  1.光是一种电磁波
  可见光部分波长范围是:390~760nm(毫微米)。大于760nm部分是红外光,小于390nm部分是紫外光。光纤中应用的是:850,1310,1550三种。
  2.光的折射,反射和全反射。
  因光在不同物质中的传播速度是不同的,所以光从一种物质射向另一种物质时,在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且,折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。当入射光的角度达到或超过某一角度时,折射光会消失,入射光全部被反射回来,这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的(即不同的物质有不同的光折射率),相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。光纤通讯就是基于以上原理而形成的。
  1.光纤结构:
  光纤裸纤一般分为三层:中心高折射率玻璃芯(芯径一般为50或62.5μm),中 间为低折射率硅玻璃包层(直径一般为125μm),最外是加强用的树脂涂层。
  2.数值孔径:
  入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输,只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。不同厂家生产的光纤的数值孔径不同(AT&T CORNING)。
  3.光纤的种类:
  A.按光在光纤中的传输模式可分为:单模光纤和多模光纤。
  多模光纤:中心玻璃芯较粗(50或62.5μm),可传多种模式的光。但其模间色散较大,这就限制了传输数字信号的频率,而且随距离的增加会更加严重。例如:600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此,多模光纤传输的距离就比较近,一般只有几公里。单模光纤:中心玻璃芯较细(芯径一般为9或10μm),只能传一种模式的光。因此,其模间色散很小,适用于远程通讯,但其色度色散起主要作用,这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求,即谱宽要窄,稳定性要好。
  单模光纤(Single-mode Fiber):一般光纤跳纤用黄色表示,接头和保护套为蓝色;传输距离较长。
  多模光纤(Multi-mode Fiber):一般光纤跳纤用橙色表示,也有的用灰色表示,接头和保护套用米色或者黑色;传输距离较短。
  B.按最佳传输频率窗口分:常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。
  常规型:光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上,如1300nm.
  色散位移型:光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上,如:1300nm和1550nm.
  C.按折射率分布情况分:突变型和渐变型光纤。
  突变型:光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。其成本低,模间色散高。适用于短途低速通讯,如:工控。但单模光纤由于模间色散很小,所以单模光纤都采用突变型。
  渐变型光纤:光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小,可使高模光按正弦形式传播,这能减少模间色散,提高光纤带宽,增加传输距离,但成本较高,现在的多模光纤多为渐变型光纤。
  4.常用光纤规格:
  单模:8/125μm,9/125μm,10/125μm
  多模:50/125μm,欧洲标准
  62.5/125μm,美国标准
  工业,医疗和低速网络:100/140μm,200/230μm
  塑料:98/1000μm,用于汽车控制
  

光纤的衰减

  造成光纤衰减的主要因素有:本征,弯曲,挤压,杂质,不均匀和对接等。
  本征:是光纤的固有损耗,包括:瑞利散射,固有吸收等。
  弯曲:光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉,造成的损耗。
  挤压:光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。
  杂质:光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光,造成的损失。
  不均匀:光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。
  对接:光纤对接时产生的损耗,如:不同轴(单模光纤同轴度要求小于0.8μm),端面与轴心不垂直,端面不平,对接心径不匹配和熔接质量差等。
  

光纤传输优点

  直到1960年,美国科学家Maiman发明了世界上第一台激光器后,为光通讯提供了良好的光源。随后二十多年,人们对光传输介质进行了攻关,终于制成了低损耗光纤,从而奠定了光通讯的基石。从此,光通讯进入了飞速发展的阶段。
  光纤传输有许多突出的优点:
  1、频带宽
  频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高,可以传输信号的频带宽度就越大。在VHF频段,载波频率为48.5MHz~300Mhz.带宽约250MHz,只能传输27套电视和几十套调频广播。可见光的频率达100000GHz,比VHF频段高出一百多万倍。尽管由于光纤对不同频率的光有不同的损耗,使频带宽度受到影响,但在最低损耗区的频带宽度也可达30000GHz.目前单个光源的带宽只占了其中很小的一部分(多模光纤的频带约几百兆赫,好的单模光纤可达10GHz以上),采用先进的相干光通信可以在30000GHz范围内安排2000个光载波,进行波分复用,可以容纳上百万个频道。
  2.损耗低
  在同轴电缆组成的系统中,最好的电缆在传输800MHz信号时,每公里的损耗都在40dB以上。相比之下,光导纤维的损耗则要小得多,传输1.31um的光,每公里损耗在0.35dB以下若传输1.55um的光,每公里损耗更小,可达0.2dB以下。这就比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍,使其能传输的距离要远得多。此外,光纤传输损耗还有两个特点,一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗,不需要像电缆干线那样必须引人均衡器进行均衡;二是其损耗几乎不随温度而变,不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。
  3.重量轻
  因为光纤非常细,单模光纤芯线直径一般为4um~10um,外径也只有125um,加上防水层、加强筋、护套等,用4~48根光纤组成的光缆直径还不到13mm,比标准同轴电缆的直径47mm要小得多,加上光纤是玻璃纤维,比重小,使它具有直径小、重量轻的特点,安装十分方便。
  4.抗干扰能力强
  因为光纤的基本成分是石英,只传光,不导电,不受电磁场的作用,在其中传输的光信号不受电磁场的影响,故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。也正因为如此,在光纤中传输的信号不易被窃听,因而利于保密。
  5.保真度高
  因为光纤传输一般不需要中继放大,不会因为放大引人新的非线性失真。只要激光器的线性好,就可高保真地传输电视信号。实际测试表明,好的调幅光纤系统的载波组合三次差拍比C/CTB在70dB以上,交调指标cM也在60dB以上,远高于一般电缆干线系统的非线性失真指标。
  6.工作性能可靠
  我们知道,一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量有关。设备越多,发生故障的机会越大。因为光纤系统包含的设备数量少(不像电缆系统那样需要几十个放大器),可靠性自然也就高,加上光纤设备的寿命都很长,无故障工作时间达50万~75万小时,其中寿命最短的是光发射机中的激光器,最低寿命也在10万小时以上。故一个设计良好、正确安装调试的光纤系统的工作性能是非常可靠的。
  7.成本不断下降
  目前,有人提出了新摩尔定律,也叫做光学定律(Optical Law)。该定律指出,光纤传输信息的带宽,每6个月增加1倍,而价格降低1倍。光通信技术的发展,为Internet宽带技术的发展奠定了非常好的基础。这就为大型有线电视系统采用光纤传输方式扫清了最后一个障碍。由于制作光纤的材料(石英)来源十分丰富,随着技术的进步,成本还会进一步降低;而电缆所需的铜原料有限,价格会越来越高。显然,今后光纤传输将占绝对优势,成为建立全省、以至全国有线电视网的最主要传输手段。
  结构原理 光导纤维是由两层折射率不同的玻璃组成。内层为光内芯,直径在几微米至几十微米,外层的直径0.1~0.2mm.一般内芯玻璃的折射率比外层玻璃大1%.根据光的折射和全反射原理,当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时,光线透不过界面,全部反射。这时光线在界面经过无数次的全反射,以锯齿状路线在内芯向前传播,最后传至纤维的另一端。这种光导纤维属皮芯型结构。若内芯玻璃折射率是均匀的,在界面突然变化降低至外层玻璃的折射率,称为阶跃型结构。如内芯玻璃断面折射率从中心向外变化到低折射率的外层玻璃,称为梯度型结构。外层玻璃具有光绝缘性和防止内芯玻璃受污染。另一类光导纤维称自聚焦型结构,它好似由许多微双凸透镜组合而成,迫使入射光线逐渐自动地向中心方向会聚,这类纤维中心的折射率最高,向四周连续均匀地减少,至边缘为最低。
  

生产方法

  ①管棒法:将内芯玻璃棒插入外层玻璃管中(尽量紧密),熔融拉丝;
  ②双坩埚法:在两个同心铂坩埚内,将内芯和外层玻璃料分别放入内、外坩埚中;
  ③分子填充法:将微孔石英玻璃棒浸入高折射率的添加剂溶液中,得所需折射率分布的断面结构,再进行拉丝操作,它的工艺比较复杂。在光导纤维通信中还可用内外气相沉积法等,以保证能制造出光损耗率低的光导纤维。光导纤维应用时还要做成光缆,它是由数根光导纤维合并先组成光导纤维芯线,外面被覆塑料皮,再把光导纤维芯线组合成光缆,其中光导纤维的数目可以从几十到几百根,最大的达到4000根
  

光网络的结构

  光网络的基本结构类型有星形、总线形(含环形)和树形等3种,可组合成各种复杂的网络结构。光网络可横向分割为核心网、城域/本地网和接入网。核心网倾向于采用网状结构,城域/本地网多采用环形结构,接入网将是环形和星形相结合的复合结构。光网络可纵向分层为客户层、光通道层(OCH)、光复用段层(OMS)和光传送段层(OTS)等层。两个相邻层之间构成客户/服务层关系。
  客户层:由各种不同格式的客户信号(如SDH、PDH、ATM、IP等)组成。
  光通道层:为透明传送各种不同格式的客户层信号提供端到端的光通路联网功能,这一层也产生和插入有关光通道配置的开销,如波长标记、端口连接性、载荷标志(速率、格式、线路码)以及波长保护能力等,此层包含OXC和OADM相关功能。
  光复用段层:为多波长光信号提供联网功能,包括插入确保信号完整性的各种段层开销,并提供复用段层的生存性,波长复用器和高效交叉连接器属于此层。
  光传送段层:为光信号在各种不同的光媒体(如G.652、G.653、G.655光纤)上提供传输功能,光放大器所提供的功能属于此层。
  从应用领域来看,光网络将沿着“干线网→本地网→城域网→接入网→用户驻地网”的次序逐步渗透。
  

光纤收发器产品介绍

  光纤收发器是一种将短距离的双绞线电信号和长距离的光信号进行互换的以太网传输媒体转换单元,在很多地方也被称之为光电转换器。产品一般应用在以太网电缆无法覆盖、必须使用光纤来延长传输距离的实际网络环境中,且通常定位于宽带城域网的接入层应用;同时在帮助把光纤最后一公里线路连接到城域网和更外层的网络上也发挥了巨大的作用。
  企业在进行信息化基础建设时,通常更多地关注路由器、交换机乃至网卡等用于节点数据交换的网络设备,却往往忽略介质转换这种非网络核心必不可少的设备。特别是在一些要求信息化程度高、数据流量较大的政府机构和企业,网络建设时需要直接上连到以光纤为传输介质的骨干网,而企业内部局域网的传输介质一般为铜线,确保数据包在不同网络间顺畅传输的介质转换设备成为必需品。
  

光纤收发器分类

  目前国外和国内生产光纤收发器的厂商很多,产品线也极为丰富。为了保证与其他厂家的网卡、中继器、集线器和交换机等网络设备的完全兼容,光纤收发器产品必须严格符合10Base-T、100Base-TX、100Base-FX、IEEE802.3和IEEE802.3u等以太网标准,除此之外,在EMC防电磁辐射方面应符合FCC Part15.时下由于国内各大运营商正在大力建设小区网、校园网和企业网,因此光纤收发器产品的用量也在不断提高,以更好地满足接入网的建设需要。
  随着光纤收发器产品的多样化发展,其分类方法也各异,但各种分类方法之间又有着一定的关联。
  

·按光纤性质分类

  单模光纤收发器:传输距离20公里至120公里
  多模光纤收发器:传输距离2公里到5公里
  按光纤来分,可以分为多模光纤收发器和单模光纤收发器。由于使用的光纤不同,收发器所能传输的距离也不一样,多模收发器一般的传输距离在2公里到5公里之间,而单模收发器覆盖的范围可以从20公里至120公里。需要指出的是因传输距离的不同,光纤收发器本身的发射功率、接收灵敏度和使用波长也会不一样。
  如5公里光纤收发器的发射功率一般在-20~-14db之间,接收灵敏度为-30db,使用1310nm的波长;而120公里光纤收发器的发射功率多在-5~0dB之间,接收灵敏度为-38dB,使用1550nm的波长。
  

··按所需光纤分类

  单纤光纤收发器:接收发送的数据在一根光纤上传输
  双纤光纤收发器:接收发送的数据在一对光纤上传输
  顾名思义,单纤设备可以节省一半的光纤,即在一根光纤上实现数据的接收和发送,在光纤资源紧张的地方十分适用。这类产品采用了波分复用的技术,使用的波长多为1310nm和1550nm.但由于单纤收发器产品没有统一国际标准,因此不同厂商产品在互联互通时可能会存在不兼容的情况。另外由于使用了波分复用,单纤收发器产品普遍存在信号衰耗大的特点。目前市面上的光纤收发器多为双纤产品,此类产品较为成熟和稳定,但需要更多的光纤。
  

·按工作层次/速率分类

  100M以太网光纤收发器:工作在物理层
  10/100M自适应以太网光纤收发器:工作在数据链路层
  按工作层次/速率来分,可以分为单10M、100M的光纤收发器、10/100M自适应的光纤收发器和1000M光纤收发器。其中单10M和100M的收发器产品工作在物理层,在这一层工作的收发器产品是按位来转发数据。该转发方式具有转发速度快、通透率高、时延低等方面的优势,适合应用于速率固定的链路上,同时由于此类设备在正常通信前没有一个自协商的过程,因此在兼容性和稳定性方面做得更好。
  而10/100M光纤收发器是工作在数据链路层,在这一层光纤收发器使用存储转发的机制,这样转发机制对接收到的每一个数据包都要读取它的源MAC地址、目的MAC地址和数据净荷,并在完成CRC循环冗余校验以后才将该数据包转发出去。存储转发的好处一来可以防止一些错误的帧在网络中传播,占用宝贵的网络资源,同时还可以很好地防止由于网络拥塞造成的数据包丢失,当数据链路饱和时存储转发可以将无法转发的数据先放在收发器的缓存中,等待网络空闲时再进行转发。这样既减少了数据冲突的可能又保证了数据传输的可靠性,因此10/100M的光纤收发器适合于工作在速率不固定的链路上。1000M光纤收发器可以按实际需要工作在物理层或数据链路层,市场上这两种1000M光纤收发器都有提供。
  

·按结构分类

  桌面式(独立式)光纤收发器:独立式用户端设备
  机架式(模块化)光纤收发器:安装于十六槽机箱,采用集中供电方式
  按结构来分,可以分为桌面式(独立式)光纤收发器和机架式光纤收发器。桌面式光纤收发器适合于单个用户使用,如满足楼道中单台交换机的上联。机架式(模块化)光纤收发器适用于多用户的汇聚,如小区的中心机房必须满足小区内所有交换机的上联,使用机架便于实现对所有模块型光纤收发器的统一管理和统一供电,目前国内的机架多为16槽产品,即一个机架中最多可加插16个模块式光纤收发器。
  

·按管理类型分类

  非网管型以太网光纤收发器:即插即用,通过硬件拨码开关设置电口工作模式
  网管型以太网光纤收发器:支持电信级网络管理
  按网管来分,可以分为网管型光纤收发器和非网管型光纤收发器。随着网络向着可运营可管理的方向发展,大多数运营商都希望自己网络中的所有设备均能做到可远程网管的程度,光纤收发器产品与交换机、路由器一样也逐步向这个方向发展。对于可网管的光纤收发器还可以细分为局端可网管和用户端可网管。局端可网管的光纤收发器主要是机架式产品,多采用主从式的管理结构,即一个主网管模块可串联N个从网管模块,每个从网管模块定期轮询它所在子架上所有光纤收发器的状态信息,向主网管模块提交。主网管模块一方面需要轮询自己机架上的网管信息,另一方面还需收集所有从子架上的信息,然后汇总并提交给网管服务器。如武汉烽火网络所提供的OL200系列网管型光纤收发器产品支持1(主) 9(从)的网管结构,一次性最多可管理150个光纤收发器。
  用户端网管主要可以分为三种方式:第一种是在局端和客户端设备之间运行特定的协议,协议负责向局端发送客户端的状态信息,通过局端设备的CPU来处理这些状态信息,并提交给网管服务器;第二种是局端的光纤收发器可以检测到光口上的光功率,因此当光路上出现问题时可根据光功率来判断是光纤上的问题还是用户端设备的故障;第三种是在用户端的光纤收发器上加装主控CPU,这样网管系统一方面可以监控到用户端设备的工作状态,另外还可以实现远程配置和远程重启。在这三种用户端网管方式中,前两种严格来说只是对用户端设备进行远程监控,而第三种才是真正的远程网管。但由于第三种方式在用户端添加了CPU,从而也增加了用户端设备的成本,因此在价格方面前两种方式会更具优势一些。目前大多数厂商的网管系统都是基于SNMP网络协议上开发的,支持包括Web、Telnet、CLI等多种管理方式。管理内容多包括配置光纤收发器的工作模式,监视光纤收发器的模块类型、工作状态、机箱温度、电源状态、输出电压和输出光功率等等。随着运营商对设备网管的需求愈来愈多,相信光纤收发器的网管将日趋实用和智能。
  

·按电源分类

  内置电源光纤收发器:内置开关电源为电信级电源
  外置电源光纤收发器:外置变压器电源多使用在民用设备上
  按电源来分,可以分为内置电源和外置电源两种。其中内置开关电源为电信级电源,而外置变压器电源多使用在民用设备上。前者的优势在于能支持超宽的电源电压,更好地实现稳压、滤波和设备电源保护,减少机械式接触造成的外置故障点;后者的优势在于设备体积小巧和价格便宜。
  

向超高速系统的发展

  

·未来光纤通信技术

光纤接入方案
光纤接入方案
  目前,10Gbps系统已开始大批量装备网络,主要在北美,在欧洲、日本和澳大利亚也已开始大量应用。但是,10Gbps系统对于光缆极化模色散比较敏感,而已经铺设的光缆并不一定都能满足开通和使用10Gbps系统的要求,需要实际测试,验证合格后纔能安装开通。它的比较现实的出路是转向光的复用方式。光复用方式有很多种,但目前只有波分复用(WDM)方式进入了大规模商用阶段,而其他方式尚处于试验研究阶段。
  

·向超大容量WDM系统的演进

  采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽,然而,光纤的200nm可用带宽资源利用率不到1%,还有99%的资源尚待发掘。如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在一级光纤上传送,则可大大增加光纤的信息传输容量,这就是波分复用的基本思路。基于WDM应用的巨大好处及近几年来技术上的重大突破和市场的驱动,波分复用系统发展十分迅速。目前全球实际铺设的WDM系统已超过3000个,而实用化系统的最大容量已达320Gbps,阿尔卡特朗讯公司已宣布将推出80个波长的WDM系统,其总容量可达200Gbps.实验室的最高水平则已达到2.6Tbps.预计不久的将来,实用化系统的容量即可达到1Tbps的水平。
  

·开发新一代光纤

  传统的G.652单模光纤在适应上述超高速长距离传送网络的发展需要方面已暴露出力不从心的态势,开发新型光纤已成为开发下一代网络基础设施的重要组成部分。目前,为了适应干线网和城域网的不同发展需要,已出现了两种不同的新型光纤,即非零色散光(G.655光纤)和无水吸收峰光纤(全波光纤)。其中,全波光纤将是以后开发的重点,也是现在研究的热点。从长远来看,XPON技术无可争议地将是未来宽带接入技术的发展方向。但从当前技术发展、成本及应用需求的实际状况看,它距离实现广泛应用于电信接入网络这一最终目标还会有一个较长的发展过程。
  

·IPover SDH与IP over Optical

  以lP业务为主的数据业务是当前世界信息业发展的主要推动力,因而能否有效地支持IP业务已成为新技术能否有长远技术寿命的标志。目前,ATM和SDH均能支持lP,分别称为IPoverATM和IPoverSDH,两者各有千秋。但从长远看,当IP业务量逐渐增加,需要高于2﹒4吉位每秒的链路容量时,则有可能最终会省掉中间的SDH层,IP直接在光路上跑,形成十分简单统一的IP网结构(IPoverOptical)。三种IP传送技术都将在电信网发展的不同时期和网络的不同部分发挥自己应有的历史作用。但从面向未来的视角看,IPoverOptical将是最具长远生命力的技术。特别是随着IP业务逐渐成为网络的主导业务后,这种对IP业务最理想的传送技术将会成为未来网络特别是骨干网的主导传送技术。
  近几年,网络的核心部分发生了翻天覆地的变化,无论是交换还是传输,都已更新了好几代。一方面,网络的这一部分将成为全数字化的、软件主宰和控制的、高度集成和智能化的网络;而另一方面,现存的接入网仍然是被双绞线铜线主宰的(90%以上)、原始落后的模拟系统。两者在技术上存在巨大的反差,制约全网的进一步发展。为了能从根本上彻底解决这一问题,必须大力发展光接入网技术。
  

光纤通信技术

  光导纤维通信就是利用光导纤维传输信号,以实现信息传递的一种通信方式。光导纤维通信简称光纤通信。可以把光纤通信看成是以光导纤维为传输媒介的“有线”光通信。实际上光纤通信系统使用的不是单根的光纤,而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。
  

发展历史

  光纤通信是利用光波作载波,以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式。1966年英籍华人高锟博士发表了一篇划时代性的论文,他提出利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维,能作为通信媒质。从此,开创了光纤通信领域的研究工作。1977年美国在芝加哥相距7000米的两电话局之间,首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。85微米波段的多模光纤为第一代光纤通信系统。1981年又实现了两电话局间使用1.3微米多模光纤的通信系统,为第二代光纤通信系统。1984年实现了1.3微米单模光纤的通信系统,即第三代光纤通信系统。80年代中后期又实现了1.55微米单模光纤通信系统,即第四代光纤通信系统。用光波分复用提高速率,用光波放大增长传输距离的系统,为第五代光纤通信系统。新系统中,相干光纤通信系统,已达现场实验水平,将得到应用。光孤子通信系统可以获得极高的速率,20世纪末或21世纪初可能达到实用化。在该系统中加上光纤放大器有可能实现极高速率和极长距离的光纤通信。
  

·组成结构

  就光纤通信技术本身来说,应该包括以下几个主要部分:光纤光缆技术、光交换技术传输技术、光有源器件、光无源器件以及光网络技术等。
  

·光纤光缆技术

  光纤技术的进步可以从两个方面来说明: 一是通信系统所用的光纤; 二是特种光纤。早期光纤的传输窗口只有3个,即850nm(第一窗口)、1310nm(第二窗口)以及1550nm(第三窗口)。近几年相继开发出第四窗口(L波段)、第五窗口(全波光纤)以及S波段窗口。其中特别重要的是无水峰的全波窗口。这些窗口开发成功的巨大意义就在于从1280nm到1625nm的广阔的光频范围内,都能实现低损耗、低色散传输,使传输容量几百倍、几千倍甚至上万倍的增长。这一技术成果将带来巨大的经济效益。另一方面是特种光纤的开发及其产业化,这是一个相当活跃的领域。
  特种光纤具体有以下几种:
  1. 有源光纤
  这类光纤主要是指掺有稀土离子的光纤。如掺铒(Er3+)、掺钕(Nb3+)、掺镨(Pr3+)、掺镱(Yb3+)、掺铥(Tm3+)等,以此构成激光活性物质。这是制造光纤光放大器的核心物质。不同掺杂的光纤放大器应用于不同的工作波段,如掺饵光纤放大器(EDFA)应用于1550nm附近(C、L波段);掺镨光纤放大器(PDFA)主要应用于1310nm波段;掺铥光纤放大器(TDFA)主要应用于S波段等。这些掺杂光纤放大器与喇曼(Raman)光纤放大器一起给光纤通信技术带来了革命性的变化。它的显著作用是:直接放大光信号,延长传输距离;在光纤通信网和有线电视网(CATV网)中作分配损耗补偿;此外,在波分复用(WDM)系统中及光孤子通信系统中是不可缺少的关键元器件。正因为有了光纤放大器,才能实现无中继器的百万公里的光孤子传输。也正是有了光纤放大器,不仅能使WDM传输的距离大幅度延长,而且也使得传输的性能最佳化。
  2. 色散补偿光纤(Dispersion Compensation Fiber,DCF)
  常规G.652光纤在1550nm波长附近的色散为17ps/nm×km.当速率超过2.5Gb/s时,随着传输距离的增加,会导致误码。若在CATV系统中使用,会使信号失真。其主要原因是正色散值的积累引起色散加剧,从而使传输特性变坏。为了克服这一问题,必须采用色散值为负的光纤,即将反色散光纤串接入系统中以抵消正色散值,从而控制整个系统的色散大小。这里的反色散光纤就是所谓的色散补偿光纤。在1550nm处,反色散光纤的色散值通常在-50~200ps/nm×km.为了得到如此高的负色散值,必须将其芯径做得很小,相对折射率差做得很大,而这种作法往往又会导致光纤的衰耗增加(0.5~1dB/km)。色散补偿光纤是利用基模波导色散来获得高的负色散值,通常将其色散与衰减之比称作质量因数,质量因数当然越大越好。为了能在整个波段均匀补偿常规单模光纤的色散,最近又开发出一种既补偿色散又能补偿色散斜率的“双补偿”光纤(DDCF)。该光纤的特点是色散斜率之比(RDE)与常规光纤相同,但符号相反,所以更适合在整个波形内的均衡补偿。
  3. 光纤光栅(Fiber Grating)
  光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在紫外光的照射(通常称为紫外光“写入”)下,于光纤芯部产生周期性的折射率变化(即光栅)而制成的。使用的是掺锗光纤,在相位掩膜板的掩蔽下,用紫外光照射(在载氢气氛中),使纤芯的折射率产生周期性的变化,然后经退火处理后可长期保存。相位掩膜板实际上为一块特殊设计的光栅,其正负一级衍射光相交形成干涉条纹,这样就在纤芯逐渐产生成光栅。光栅周期模板周期的二分之一。众所周知,光栅本身是一种选频器件,利用光纤光栅可以制作成许多重要的光无源器件及光有源器件。例如:色散补偿器、增益均衡器、光分插复用器、光滤波器、光波复用器、光模或转换器、光脉冲压缩器、光纤传感器以及光纤激光器等。
  4. 多芯单模光纤(Multi-Coremono-Mode Fiber,MCF)
  多芯光纤是一个共用外包层、内含有多根纤芯、而每根纤芯又有自己的内包层的单模光纤。这种光纤的明显优势是成本较低,生产成本较普通的光纤约低50%.此外,这种光纤可以提高成缆的集成密度,同时也可降低施工成本。以上是光纤技术在近几年里所取得的主要成就。至于光缆方面的成就,我们认为主要表现在带状光缆的开发成功及批量化生产方面。这种光缆是光纤接入网及局域网中必备的一种光缆。目前光缆的含纤数量达千根以上,有力地保证了接入网的建设。
  

光有源器件

  光有源器件的研究与开发本来是一个最为活跃的领域,但由于前几年已取得辉煌的成果,所以当今的活动空间已大大缩小。超晶格结构材料与量子阱器件,目前已完全成熟,而且可以大批量生产,已完全商品化,如多量子阱激光器(MQW-LD,MQW-DFBLD)。
  除此之外,目前已在下列几方面取得重大成就。
  1. 集成器件
  这里主要指光电集成(OEIC)已开始商品化,如分布反馈激光器(DFB-LD)与电吸收调制器(EAMD)的集成,即DFB-EA,已开始商品化;其它发射器件的集成,如DFB-LD、MQW-LD分别与MESFET或HBT或HEMT的集成;接收器件的集成主要是PIN、金属、半导体、金属探测器分别与MESFET或HBT或HEMT的前置放大电路的集成。虽然这些集成都已获得成功,但还没有商品化。
  2. 垂直腔面发射激光器(VCSEL)
  由于便于集成和高密度应用,垂直腔面发射激光器受到广泛重视。这种结构的器件已在短波长(ALGaAs/GaAs)方面取得巨大的成功,并开始商品化;在长波长(InGaAsF/InP)方面的研制工作早已开始进行,目前也有少量商品。可以断言,垂直腔面发射激光器将在接入网、局域网中发挥重大作用。
  3. 窄带响应可调谐集成光子探测器
  由于DWDM光网络系统信道间隔越来越小,甚至到0.1nm.为此,探测器的响应谱半宽也应基本上达到这个要求。恰好窄带探测器有陡锐的响应谱特性,能够满足这一要求。集F-P腔滤波器和光吸收有源层于一体的共振腔增强(RCE)型探测器能提供一个重要的全面解决方案。
  4. 基于硅基的异质材料的多量子阱器件与集成(SiGe/Si MQW)
  这方面的研究是一大热点。众所周知,硅(Si)、锗(Ge)是简接带源材料,发光效率很低,不适合作光电子器件,但是Si材料的半导体工艺非常成熟。于是人们设想,利用能带剪裁工程使物质改性,以达到在硅基基础上制作光电子器件及其集成(主要是实现光电集成,即OEIC)的目的,这方面已取得巨大成就。在理论上有众多的创新,在技术上有重大的突破,器件水平日趋完善。
  

光无源器件

  光无源器件与光有源器件同样是不可缺少的。由于光纤接入网及全光网络的发展,导致光无源器件的发展空前地热门。常规的常用器件已达到一定的产业规模,品种和性能也得到了极大的扩展和改善。所谓光无源器件就是指光能量消耗型器件、其种类繁多、功能各异,在光通信系统及光网络中主要的作用是: 连接光波导或光路; 控制光的传播方向;控制光功率的分配; 控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合; 合波与分波; 光信道的上下与交叉连接等。早期的几种光无源器件已商品化。其中光纤活动连接器无论在品种和产量方面都已有相当大的规模,不仅满足国内需要,而且有少量出口。光分路器(功分器)、光衰减器和光隔离器已有小批量生产。随着光纤通信技术的发展,相继又出现了许多光无源器件,如环行器、色散补偿器、增益平衡器、光的上下复用器、光交叉连接器、阵列波导光栅CAWG等等。这些都还处于研发阶段或试生产阶段,有的也能提供少量商品。按光纤通信技术发展的一般规律来看,当光纤接入网大规模兴建时,光无源器件的需求量远远大于对光有源器件的需求。这主要是由于接入网的特点所决定的。接入网的市场约为整个通信市场的三分之一。因而,接入网产品有巨大的市场及潜在的市场。
  

光复用技术

  光复用技术种类很多,其中最为重要的是波分复用(WDM)技术和光时分复用(OTDM)技术。光复用技术是当今光纤通信技术中最为活跃的一个领域,它的技术进步极大地推动光纤通信事业的发展,给传输技术带来了革命性的变革。波分复用当前的商业水平是273个或更多的波长,研究水平是1022个波长(能传输368亿路电话),近期的潜在水平为几千个波长,理论极限约为15000个波长(包括光的偏振模色散复用,OPDM)。据1999年5月多伦多的Light Management Group Inc ofToronto演示报导,在一根光纤中传送了65536个光波,把PC数字信号传送到200m的广告板上,并采用声光控制技术,这说明了密集波分复用技术的潜在能力是巨大的。OTDM是指在一个光频率上,在不同的时刻传送不同的信道信息。这种复用的传输速度已达到320Gb/s的水平。若将DWDM与OTDM相结合,则会使复用的容量增加得更大,如虎添翼。
  

光放大技术

  光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果,它大大地促进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。顾名思义,光放大器就是放大光信号。在此之前,传送信号的放大都是要实现光电变换及电光变换,即O/E/O变换。有了光放大器后就可直接实现光信号放大。 光放大器主要有3种:光纤放大器、拉曼放大器以及半导体光放大器。光纤放大器就是在光纤中掺杂稀土离子(如铒、镨、铥等)作为激光活性物质。每一种掺杂剂的增益带宽是不同的。掺铒光纤放大器的增益带较宽,覆盖S、C、L频带; 掺铥光纤放大器的增益带是S波段;掺镨光纤放大器的增益带在1310nm附近。而喇曼光放大器则是利用喇曼散射效应制作成的光放大器,即大功率的激光注入光纤后,会发生非线性效应?喇曼散射。在不断发生散射的过程中,把能量转交给信号光,从而使信号光得到放大。由此不难理解,喇曼放大是一个分布式的放大过程,即沿整个线路逐渐放大的。其工作带宽可以说是很宽的,几乎不受限制。这种光放大器已开始商品化了,不过相当昂贵。半导体光放大器(S0A)一般是指行波光放大器,工作原理与半导体激光器相类似。其工作带宽是很宽的。但增益幅度稍小一些,制造难度较大。这种光放大器虽然已实用了,但产量很小。
  到此,我们系统、全面地评论了光纤通信技术的重大进展,至于光纤通信技术的发展方向,可以概括为两个方面: 一是超大容量、超长距离的传输与交换技术; 二是全光网络技术。
  

光交换技术

  随着通信网络逐渐向全光平台发展,网络的优化、路由、保护和自愈功能在光通信领域中越来越重要。采用光交换技术可以克服电子交换的容量瓶颈问题,实现网络的高速率和协议透明性,提高网络的重构灵活性和生存性,大量节省建网和网络升级成本。 目前,光交换技术可分成光的电路交换(OCS)和光分组交换(OPS)两种主要类型。光的电路交换类似于现存的电路交换技术,采用OXC、OADM等光器件设置光通路,中间节点不需要使用光缓存,目前对OCS的研究已经较为成熟。根据交换对象的不同OCS又可以分为:  (1) 光时分交换技术,时分复用是通信网中普遍采用的一种复用方式,时分光交换就是在时间轴上将复用的光信号的时间位置t1转换成另一个时间位置t2   (2) 光波分交换技术,是指光信号在网络节点中不经过光/电转换,直接将所携带的信息从一个波长转移到另一个波长上。  (3) 光空分交换技术,即根据需要在两个或多个点之间建立物理通道,这个通道可以是光波导也可以是自由空间的波束,信息交换通过改变传输路径来完成  (4) 光码分交换技术,光码分复用(OCDMA)是一种扩频通信技术,不同户的信号用互成正交的不同码序列填充,接受时只要用与发送方相同的法序列进行相关接受,即可恢复原用户信息。光码分交换的原理就是将某个正交码上的光信号交换到另一个正交码上,实现不同码子之间的交换。
  

中国光纤通信发展史

  光纤通信的发展极其迅速,至1991年底,全球已敷设光缆563万千米,到1995年已超过1100万千米。光纤通信在单位时间内能传输的信息量大。一对单模光纤可同时开通35000个电话,而且它还在飞速发展。光纤通信的建设费用正随着使用数量的增大而降低,同时它具有体积小,重量轻,使用金属少,抗电磁干扰、抗辐射性强,保密性好,频带宽,抗干扰性好,防窃听、价格便宜等优点。
  

·起航

  1973年,世界光纤通信尚未实用。邮电部武汉邮电科学研究院(当时是武汉邮电学院)就开始研究光纤通信。由于武汉邮电科学研究院采用了石英光纤、半导体激光器和编码制式通信机正确的技术路线,使我国在发展光纤通信技术上少走了不少弯路,从而使我国光纤通信在高新技术中与发达国家有较小的差距。
  

·自主研发

  我国研究开发光纤通信正处于十年动乱时期,处于封闭状态。国外技术基本无法借鉴,纯属自己摸索,一切都要自己搞,包括光纤、光电子器件和光纤通信系统。就研制光纤来说,原料提纯、熔炼车床、拉丝机,还包括光纤的测试仪表和接续工具也全都要自己开发,困难极大。武汉邮电科学研究院,考虑到保证光纤通信最终能为经济建设所用,开展了全面研究,除研制光纤外,还开展光电子器件和光纤通信系统的研制,使我国至今具有了完整的光纤通信产业。
  

·实用期

  1978年改革开放后,光纤通信的研发工作大大加快。上海、北京、武汉和桂林都研制出光纤通信试验系统。1982年邮电部重点科研工程“八二工程”在武汉开通。该工程被称为实用化工程,要求一切是商用产品而不是试验品,要符合国际CCITT标准,要由设计院设计、工人施工,而不是科技人员施工。从此中国的光纤通信进入实用阶段。
  在20世纪80年代中期,数字光纤通信的速率已达到144Mb/s,可传送1980路电话,超过同轴电缆载波。于是,光纤通信作为主流被大量采用,在传输干线上全面取代电缆。经过国家“六五”、“七五”、“八五”和“九五”计划,中国已建成“八纵八横”干线网,连通全国各省区市。现在,中国已敷设光缆总长约250万公里。光纤通信已成为中国通信的主要手段。在国家科技部、计委、经委的安排下,1999年中国生产的8×2.5Gb/sWDM系统首次在青岛至大连开通,随之沈阳至大连的32×2.5Gb/sWDM光纤通信系统开通。2005年3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通,是至今世界容量最大的实用线路。
  

·前景

  中国已建立了一定规模的光纤通信产业。中国生产的光纤光缆、半导体光电子器件和光纤通信系统能供国内建设,并有少量出口。
  有人认为,我国光纤通信主要干线已经建成,光纤通信容量达到Tbps,几乎用不完,再则2000年的IT泡沫,使光纤的价格低到每公里100元,几乎无利可图。因此不要发展光纤通信技术了。
  但光纤本身制造属性决定,光纤仍然有较大的发展空间:新光纤研制,光子晶体。
  实际上,特别是中国,省内农村有许多空白需要建设;3G移动通信网的建设也需要光纤网来支持;随着宽带业务的发展、网络需要扩容等,光纤通信仍有巨大的市场。现在每年光纤通信设备和光缆的销售量是上升的。