淺談光纖通信

【摘要】 近年來隨著IP業(yè)務(wù)量的爆炸式增長(zhǎng)，電信網(wǎng)正開始向下一代可持續(xù)發(fā)展的方向發(fā)展。光傳輸網(wǎng)是下一代網(wǎng)絡(luò)的物理基礎(chǔ)。光纖通信即將進(jìn)入蓬勃發(fā)展的新高潮。本文主要介紹光纖通信的原理、優(yōu)點(diǎn)、種類以及常見的光纖故障。

【關(guān)鍵詞】 光纖通信 原理 種類 特性

光纖通信是以光波為載頻，以光導(dǎo)纖維為傳輸媒質(zhì)的一種通信方式。1966年英籍華人高錕博士首次提出了光導(dǎo)纖維的概念。在1970年，美國的康寧公司生產(chǎn)出了衰減為20dB/Km的光導(dǎo)纖維，而又在同年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了GaA1As半導(dǎo)體激光器，這種激光器可以再室溫下連續(xù)工作。正是這兩項(xiàng)重要成果的問世，拉開了光纖通信的序幕，從此一種嶄新的通信方式由此誕生。

光纖通信系統(tǒng)經(jīng)歷了四代的變更，1973年～1976年研制成功的波長(zhǎng)850nm速率為45Mbit/s的多模光纖系統(tǒng)稱為第一代光纖通信系統(tǒng)；1976年～1982年第二代光纖通信系統(tǒng)投入使用，其波長(zhǎng)1300nm，損耗為0.5dB/km，最小色散值近似為零，可傳輸中等碼速的數(shù)字信號(hào)；自1982年開始，長(zhǎng)波長(zhǎng)單模光纖通信系統(tǒng)開始在世界各地陸續(xù)商用，其波長(zhǎng)為1310nm，可傳輸準(zhǔn)同步數(shù)字體系（PDH）的140Mbit～565Mbit/s的較高速信號(hào)，中繼距離為50km左右，這種系統(tǒng)稱為第三代光纖通信系統(tǒng)；1991年出現(xiàn)了第四代光纖通信系統(tǒng)，即同步數(shù)字體系（SDH）的光纖通信系統(tǒng)，目前正處于實(shí)用化的高潮階段，最高速率已達(dá)2.5Gbit/s。

長(zhǎng)途光纖數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成圖如下所示：

其簡(jiǎn)單工作原理為：電發(fā)射端機(jī)將用戶信息進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換和時(shí)分復(fù)用，光發(fā)射端機(jī)將含有用戶信息的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)送入光纖，光信號(hào)在光纖中傳輸并通過中繼器到光接收端機(jī)，然后將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)放大和處理后輸出相應(yīng)的電信號(hào)。電接收端機(jī)的作用是完成數(shù)/模變換和信息分路，將所傳信號(hào)送給相應(yīng)的用戶，從而完成整個(gè)傳輸過程。

光纖通信之所以能夠飛速發(fā)展，是由于它具有以下的突出優(yōu)點(diǎn)而決定。

1. 傳輸頻帶寬、通信容量大

通過信息理論，我們都知道：載體所載波的頻率越高，那么它的通信容量就會(huì)越大，我們目前所使用的光波頻率要比微波頻率高得多，可達(dá)到微波頻率的103～104倍，所以現(xiàn)在的通信容量約約是原來用微波頻率通信容量的103～104 倍。

2. 損耗低

我們目前所使用的光纖均為石英系光纖，要想減少光纖的損耗，目前主要依靠的是提高玻璃纖維的純度來達(dá)到。但現(xiàn)在制成的SiO2玻璃介質(zhì)的純凈度高，所以光纖的損耗也就非常的低。還有就是光纖為非金屬介質(zhì)材料，兩中繼站之間的距離可以很長(zhǎng)，這樣在整個(gè)通信線路中就減少了中繼站數(shù)，節(jié)約了成本。

3. 線徑細(xì)、重量輕

現(xiàn)在光纖的直徑本身就很小，大約只有0.1mm，在制成光纜后，它的直徑比電纜還細(xì)，而且重量也是比較輕的。這樣它的空間利用率就很高，而且還可以制造多芯光纜。

一、光纖的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在我們通信用的光纖都是石英玻璃（SiO2）制成的，它的橫截面很小，而且又是雙層的同心圓柱體。在還沒有涂覆和套塑料時(shí)，我們把它稱為裸光纖，是由纖芯和包層組成的。石英玻璃的質(zhì)地比較脆，還容易斷裂，我們?yōu)榱吮Ｗo(hù)光纖表面，提高它的抗拉強(qiáng)度，為了便于使用，都需在裸光纖的外面進(jìn)行兩次涂覆構(gòu)成光纖芯線。纖芯、包層、涂覆層和套塑這四部分構(gòu)成光纖心。

二、光纖的種類

光纖的分類形式有多種，按照傳輸?shù)目偰?shù)可以分為單模光纖和多模光纖兩種。單模光纖的纖心直徑約為4～10um，它只傳輸主模，所以比較適合大容量，長(zhǎng)距離光纖通信。按照傳輸?shù)男阅芫嚯x和用途可以分為長(zhǎng)途光纖，市話光纖，，海底光纖和用戶光纖。按照折射率分布的不同可以分為均勻光纖（突變型光纖）和非均勻光纖（漸變形光纖）兩種。按照套塑方法分類可以分為緊套光纖，松套光纖，束管光纖和帶狀多芯單元光纖。

三、光纖的損耗特性和色散特性

3.1光纖的損耗特性

當(dāng)光波在光纖中傳輸時(shí)，隨著光波傳輸距離的增加，光功率就會(huì)逐漸的下降，這就稱為光纖的傳輸損耗。而光纖每單位長(zhǎng)度的損耗會(huì)直接關(guān)系到光纖通信系統(tǒng)傳輸距離的長(zhǎng)短。損耗越多，傳輸?shù)木嚯x也就越短。當(dāng)然形成光纖損耗的原因有很多，就目前來看，主要有來自光纖本身的損耗，也有光纖與光源耦合時(shí)產(chǎn)生的損耗 還有就是光纖之間的連接也會(huì)產(chǎn)生損耗。

3.2光纖的色散特性

光纖的色散包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散三種。

光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)，不同頻率成分或不同模式的信號(hào)傳播的速度會(huì)不同，導(dǎo)致傳播信號(hào)在光纖中的傳播時(shí)間不同，這會(huì)使得光信號(hào)中的不同頻率成分或不同模式到達(dá)光纖終端時(shí)，先后順序不同，從而會(huì)使得波形畸變。也就影響了信號(hào)的接受，導(dǎo)致信號(hào)失真。這種現(xiàn)象主要表現(xiàn)在傳單個(gè)脈沖信號(hào)。單個(gè)脈沖的光脈沖將會(huì)隨著傳輸距離的延長(zhǎng)，它的的寬度越來越被展現(xiàn)。

四、光纜的結(jié)構(gòu)和種類

我們?yōu)榱税压饫w敷設(shè)到實(shí)際線路中，并在運(yùn)行中經(jīng)受實(shí)際環(huán)境的侵?jǐn)_，必須對(duì)被覆蓋光纖再施保護(hù)，做成光纜。光纜的種類有很多，但不論光纜的具體結(jié)構(gòu)形式如何，它都是由纜芯、護(hù)套和加強(qiáng)元件組成。它的分類形式主要有以下兩種形式：按照纜中光纖數(shù)分為單芯光纜和多芯光纜；按照纜芯的結(jié)構(gòu)分層絞式光纜、單位式光纜、骨架式光纜和帶狀式光纜。

五、常用測(cè)試儀表的用途和常見的光纖故障

我們現(xiàn)在對(duì)運(yùn)行中的光纜線路的維護(hù)主要是及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和正確處理問題。

光線路出現(xiàn)問題的主要表現(xiàn)是系統(tǒng)傳輸?shù)恼`碼率突然增加，甚至完全中斷，從而在端機(jī)上發(fā)生相應(yīng)告警。在確認(rèn)不是端機(jī)引起的事故后，便可著手檢查線路故障。

檢查線路故障的主要方法是用OTDR對(duì)線路進(jìn)行測(cè)試。因此，維護(hù)人員對(duì)OTDR的使用和顯示曲線的分析一定要很熟練，能夠誰是做出相應(yīng)正確的判斷。

5.1光時(shí)域反射儀（OTDR）簡(jiǎn)稱光時(shí)域計(jì)

它是通過被測(cè)光纖中產(chǎn)生的背向瑞利散射信號(hào)來工作的，所以又叫做背向散射儀。它主要是用來測(cè)量光纖的長(zhǎng)度、光纖故障點(diǎn)、光纖衰耗以及光纖接頭損耗等。是光纖生產(chǎn)、施工和維護(hù)中不可缺少的儀表。

OTDR由激光源將一束光脈沖發(fā)射到被測(cè)光纖中。通常要選擇脈沖的寬度。由被測(cè)光纖鏈路特性及光纖本身特性反射回的信號(hào)返回OTDR。信號(hào)通過一耦合器到接收機(jī)，在那里光信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。最后經(jīng)分析并顯示在屏幕上。

由時(shí)間值乘以光在光纖中的速度即得到距離，這樣，OTDR可以顯示返回的相對(duì)光功率對(duì)距離的關(guān)系。有了這個(gè)信息，就可得出有關(guān)鏈路的非常重要的特性如下：

距離：鏈路上特征點(diǎn)（如接頭、彎曲點(diǎn)等）的位置，鏈路的距離等。

（1） 損耗：?jiǎn)蝹€(gè)光纖接頭的損耗。

（2） 衰減：鏈路中光纖的衰減。

（3） 反射：一事件的反射大小，如活接頭。

5.2光功率計(jì)

實(shí)現(xiàn)光通信離不開光功率這個(gè)重要參數(shù)。發(fā)送機(jī)輸出光功率、接收光功率、接收靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量，實(shí)際上也是在滿足一定誤碼率條件下測(cè)量能接收的最小光功率和最大光功率。光纖衰耗、接頭衰耗的測(cè)量、實(shí)際上也是測(cè)量光纖兩端的光功率。而光功率計(jì)就是測(cè)量光功率的儀表，所以它是光通信科研、生產(chǎn)、施工維護(hù)中必備的儀表之一。

測(cè)量光功率有熱學(xué)法和光電法。熱學(xué)法在波長(zhǎng)特性、測(cè)量精度等方面比較好，但響應(yīng)速度慢、靈敏度低、設(shè)備體積大。光電法有較快的響應(yīng)速度、良好的線形特性而且靈敏度高、測(cè)量范圍大，但其波長(zhǎng)特性和測(cè)量精度方面不如熱學(xué)法。因此根據(jù)熱學(xué)法制成的光功率計(jì)一般均作為標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)。

5.3最為常見的光纖故障

光纖故障排除是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，因此知道從什么地方入手是非常關(guān)鍵的，只有知道如何入手才能去解決這些故障。才能更好的為光纖通信打好基礎(chǔ)。當(dāng)然光纖通信的故障一般比較少，一些主要的問題，前人已有很多各種經(jīng)驗(yàn)。在這里簡(jiǎn)單介紹一些最常見的光纖故障以及產(chǎn)生這些故障的可能因素。主要故障有光纖的斷裂，光纖傳輸功率不足，光纖鋪設(shè)的距離過長(zhǎng)導(dǎo)致傳輸?shù)男盘?hào)變?nèi)趸蛳В饫w的鏈接器受損，光纖接頭脫落損壞等一些問題。

通常而言，這些故障可以通過查一些手冊(cè)了解基本的解決方法。

六、結(jié)束語

世界的發(fā)展越來越快，從傳統(tǒng)的狼煙信息傳遞一步一步走到到現(xiàn)在的光纖通訊。信息量傳遞越來越大，要求也越來越高，所面臨的挑戰(zhàn)也越來越大。傳遞量大，速度快，信息準(zhǔn)確已經(jīng)是一個(gè)基本要求。而光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，利用純度極高的玻璃拉制成極細(xì)的光導(dǎo)纖維作為傳輸媒介，通過光電變換，用光來傳輸信息的通信系統(tǒng)。正符合這一要求。隨著國際互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和通信業(yè)的飛速發(fā)展，信息化給世界生產(chǎn)力和人類社會(huì)的發(fā)展帶來了極大的推動(dòng)。光纖通信作為信息化的主要技術(shù)支柱之一，必將成為21世紀(jì)最重要的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。最近幾年，光纖通訊的發(fā)展越來越迅猛。隨著超大容量密集波分復(fù)用系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用，又在光纖通信發(fā)展史上增添了濃重的一筆，也是光纖通信發(fā)展史上的又一里程碑。它不僅僅是徹底的開發(fā)了無窮無盡的光傳輸線路容量，而且也是將成為IP業(yè)務(wù)爆炸式發(fā)展的催化劑和下一代光傳送網(wǎng)靈活光節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)。