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光纤通讯分布式
光纤通讯Fiber-optic communication)ide
是指一种利用光与光纤(Optical Fiber)传递信息的一种方式,属于有线通讯的一种。光通过调制(Modulation)后便能携带信息。自1980年代起,光纤通讯系统对于电信工业产生了革命性的做用,同时也在数字时代里扮演很是重要的角色。光纤通讯具备传输容量大、保密性好等许多优势。光纤通讯线在已经成为当今最主要的有线通讯方式。将需发送的信息在发送端输入到发送机中,将信息叠加或调制到做为信息信号载体的载波上,而后将已调制的载波经过传输媒质发送到远处的接收端,由接收机解调出原来的信息。oop
根据信号调制方式的不一样,光纤通讯能够分为数字光纤通讯、模拟光纤通讯。纤通讯的产业包括了光纤电缆、光器件、光设备、光通讯仪表、光通讯集成电路等多个领域。性能
利用光纤作为通讯之用一般需通过下列几个步骤:
以发射机(Transmitter)产生光信号。
以光纤传递信号,同时必须确保光信号在光纤中不会衰减或严重变形。
以接收机(Receiver)接收光信号,而且转换成电信号。
目录
1 应用历史
3 核心技术
3.1
发射机
3.2
光纤
3.3
光放大器
3.4
接收机
3.5
波分复用
4
系统参数
4.1
带宽距离乘积(BL积)
4.2
传输速率
4.2.1
标准光纤
4.3
信号色散
4.4
信号衰减
4.5
信号再生
4.6
最后一千米光纤网络
5
与传统通讯系统的比较
6
现行技术标准
7
参见
8
参考资料
9
外部连接
应用
光纤常被电话公司用于传递电话、互联网,或是有线电视的信号,有时候利用一条光纤就能够同时传递上述的全部信号。与传统的铜线相比,光纤的信号衰减(attenuation)与遭受干扰[来源请求](interference)的情形都改善不少,特别是长距离以及大量传输的使用场合中,光纤的优点更为明显。然而,在城市之间利用光纤的通讯基础建设(infrastructure)一般施工难度以及材料成本难以控制,完工后的系统维运复杂度与成本也居高不下。所以,早期光纤通讯系统多半应用在长途的通讯需求中,这样才能让光纤的优点完全发挥,而且抑制住不断增长的成本。
从2000年光通讯(optical communication)市场崩溃后,光纤通讯的成本也不断下探,当前已经和铜缆为骨干的通讯系统不相上下[1]。
对于光纤通讯产业而言,1990年光放大器(optical amplifier)正式进入商业市场的应用后,不少超长距离的光纤通讯才得以真正实现,例如越洋的海底电缆。到了2002年时,越洋海底电缆的总长已经超过25万公里,每秒能携带的数据量超过2.56Tb,并且根据电信运营商的统计,这些数据从2002年后仍然不断的大幅成长中。
历史[编辑]
自古以来,人类对于长距离通讯的需求就未曾稍减。随着时间的前进,从烽火到电报,再到1940年第一条同轴电缆(coaxial cable)正式服役,这些通讯系统的复杂度与精细度也不断的进步。可是这些通讯方式各有其极限,使用电气信号传递信息虽然快速,可是传输距离会由于电气信号容易衰减而须要大量的中继器(repeater);微波(microwave)通讯虽然可使用空气作介质,但是也会受到载波频率(carrier frequency)的限制。到了二十世纪中叶,人们才了解使用光来传递信息,能带来不少过去所没有的显著好处。
然而,当时并无相干性高的发光源(coherent light source),也没有适合做为传递光信号的介质,也因此光通讯一直只是概念。直到1960年代,激光(laser)的发明才解决第一项难题。1970年代康宁公司(Corning Glass Works)发展出高质量低衰减的光纤则是解决了第二项问题,此时信号在光纤中传递的衰减量第一次低于光纤通讯之父高锟所提出的每公里衰减20分贝(20dB/km)关卡,证实光纤做为通讯介质的可能性。与此同时使用砷化镓(GaAs)做为材料的半导体激光(semiconductor laser)也被发明出来,而且凭借着体积小的优点而大量运用于光纤通讯系统中。1976年,第一条速率为44.7Mbit/s的光纤通讯系统在美国亚特兰大的地下管道中诞生。
通过五年的研发期,第一个商用的光纤通讯系统在1980年问市。这我的类史上第一个光纤通讯系统使用波长800纳米(nanometer)的砷化镓激光做为光源,传输的速率(data rate)达到45Mb/s(bits per second),每10公里须要一个中继器加强信号。
第二代的商用光纤通讯系统也在1980年代初期就发展出来,使用波长1300纳米的磷砷化镓铟(InGaAsP)激光。早期的光纤通讯系统虽然受到色散(dispersion)的问题而影响了信号质量,可是1981年单模光纤(single-mode fiber)的发明克服了这个问题。到了1987年时,一个商用光纤通讯系统的传输速率已经高达1.7Gb/s,比第一个光纤通讯系统的速率快将近四十倍之多。同时传输的功率与信号衰减的问题也有显著改善,间隔50公里才须要一个中继器加强信号。1980年代末,EDFA的诞生,堪称光通讯历史上的一个里程碑似的事件,它使光纤通讯可直接进行光中继,使长距离高速传输成为可能,并促使DWDM的诞生。
第三代的光纤通讯系统改用波长1550纳米的激光作光源,并且信号的衰减已经低至每公里0.2分贝(0.2dB/km)。以前使用磷砷化镓铟激光的光纤通讯系统经常遭遇到脉冲延散(pulse spreading)问题,而科学家则设计出色散位移光纤(dispersion-shifted fiber)来解决这些问题,这种光纤在传递1550纳米的光波时,色散几乎为零,因其可将激光光的光谱限制在单一纵模(longitudinal mode)。这些技术上的突破使得第三代光纤通讯系统的传输速率达到2.5Gb/s,并且中继器的间隔可达到100公里远。
第四代光纤通讯系统引进光放大器(optical amplifier),进一步减小中继器的需求。另外,波分复用(wavelength-division multiplexing, WDM)技术则大幅增长传输速率。这两项技术的发展让光纤通讯系统的容量以每六个月增长一倍的方式大幅跃进,到了2001年时已经到达10Tb/s的惊人速率,足足是80年代光纤通讯系统的200倍之多。近年来,传输速率已经进一步增长到14Tb/s,每隔160公里才须要一个中继器。
第五代光纤通讯系统发展的重心在于扩展波分复用器的波长操做范围。传统的波长范围,也就是通常俗称的“C band”约是1530纳米至1570纳米之间,新一带的无水光纤(dry fiber)低损耗的波段则延伸到1300纳米至1650纳米间。另一个发展中的技术是引进光孤子(optical soliton)的概念,利用光纤的非线性效应,让脉冲可以抵抗色散而维持本来的波形。
1990年至2000年间,光纤通讯产业受到互联网泡沫的影响而大幅成长。此外一些新兴的网络应用,如视频点播(video on demand)使得互联网带宽的成长甚至超过摩尔定律(Moore's Law)所预期集成电路芯片中晶体管增长的速率。而自互联网泡沫破灭至2006年为止,光纤通讯产业透过企业整并壮大规模,以及委外生产的方式下降成原本延续生命。
核心技术[编辑]
现代的光纤通讯系统多半包括一个发射机,将电信号转换成光信号,再透过光纤将光信号传递。光纤多半埋在地下,链接不一样的建筑物。系统中还包括数种光放大器,以及一个光接收机将光信号转换回电信号。在光纤通讯系统中传递的多半是数字信号,来源包括计算机、电话系统,或是有线电视系统。
发射机[编辑]
在光纤通讯系统中一般做为光源的半导体组件是发光二极管(light-emitting diode, LED)或是激光二极管(laser diode)。LED与激光二极管的主要差别在于前者所发出的光为非相干性(noncoherent),然后者则为相干性(coherent)的光。使用半导体做为光源的好处是体积小、发光效率高、可靠度佳,以及能够将波长最优化,更重要的是半导体光源能够在高频操做下直接调制,很是适合光纤通讯系统的需求。
LED借着电激发光(electroluminescence)的原理发出非相干性的光,频谱一般分散在30纳米至60纳米间。LED另一项缺点是发光效率差,一般只有输入功率的1%能够转换成光功率,约是100微瓦特(micro-watt)左右。可是因为LED的成本较低廉,所以经常使用于低价的应用中。经常使用于光通讯的LED主要材料是砷化镓或是砷化镓磷(GaAsP),后者的发光波长为1300纳米左右,比砷化镓的810纳米至870纳米更适合用在光纤通讯。因为LED的频谱范围较广,致使色散较为严重,也限制了其传输速率与传输距离的乘积。LED一般用在传输速率10Mb/s至100Mb/s的局域网(local area network, LAN),传输距离也在数公里以内。当前也有LED内包含了数个量子井(quantum well)的结构,使得LED能够发出不一样波长的光,涵盖较宽的频谱,这种LED被普遍应用在区域性的波分复用网络中。
半导体激光的输出功率一般在100毫瓦特(mW)左右,并且为相干性质的光源,方向性相对而言较强,一般和单模光纤的耦合效率可达50%。激光的输出频谱较窄,也有助于增长传输速率以及下降模态色散(modal dispersion)。半导体激光亦可在至关高的操做频率下进行调制,缘由是其复合时间(recombination time)很是短。
半导体激光一般可由输入的电流有无直接调制其开关状态与输出信号,不过对于某些传输速率很是高或是传输距离很长的应用,激光光源可能会以连续波(continuous wave)的形式控制,例如使用外置的电吸取光调制器(electroabsorption modulator)或是马赫·任德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)对光信号加以调制。外置的调制组件能够大幅减小激光的“啁啾脉冲”(chirp pulse)。啁啾脉冲会使得激光的谱线宽度变宽,使得光纤内的色散变得严重。
光纤[编辑]
主条目:光导纤维
光纤缆线包含一个纤芯(core),纤壳(cladding)以及外层的保护被覆(protective coating)。核心与折射率(refractive index)较高的纤壳一般用高质量的硅石玻璃(silica glass)制成,可是如今也有使用塑胶做为材质的光纤。又由于光纤的外层有通过紫外线固化后的压克力(acrylate)被覆,能够如铜缆同样埋藏于地下,不须要太多维护费用。然而,若是光纤被弯折的太过剧烈,仍然有折断的危险。并且由于光纤两端链接须要十分精密的校准,因此折断的光纤也难以从新接合。
光通讯中主要使用多模、单模两种光纤。多模光纤纤芯直径更大(≥50微米),对发射机、链接器的要求更低。然而,多模光纤引入了多模色散,这会限制系统的带宽和长度。此外,因为有更高的杂质含量,多模光纤一般会有更高的衰减。单模光纤的纤芯直径较小(<10微米),对发射机、链接器的要求更高,但可以搭建传输距离更长、性能更好的系统。单模和多模光纤都有不一样的等级。
光纤类型比较[1]
多模光纤 FDDI 62,5/125 µm(1987)
多模光纤 OM1 62,5/125 µm(1989)
多模光纤 OM2 50/125 µm(1998)
多模光纤 OM3 50/125 µm(2003)
多模光纤 OM4 50/125 µm(2008)
多模光纤 OM550/125 µm(2016)
单模光纤 OS19/125 µm(1998)
单模光纤OS29/125 µm(2000)
160 MHz·km@850 nm
200 MHz·km@850 nm
500 MHz·km@850 nm
1500 MHz·km@850 nm
3500 MHz·km@850 nm
3500 MHz·km@850 nm &1850 MHz·km@950 nm
1 dB/km@1300/1550 nm
0.4 dB/km@1300/1550 nm
光放大器[编辑]
主条目:光放大器
过去光纤通讯的距离限制主要根源于信号在光纤内的衰减以及信号变形,而解决的方式是利用光电转换的中继器。这种中继器先将光信号转回电信号放大后再转换成较强的光信号传往下一个中继器,然而这样的系统架构无疑较为复杂,不适用于新一代的。
接收机[编辑]
构成光接收机的主要组件是光侦测器(photodetector),利用光电效应将入射的光信号转为电信号。光侦测器一般是半导体为基础的光二极管(photo diode),例如p-n结二极管、p-i-n二极管,或是雪崩型二极管(avalanche diode)。另外“金属-半导体-金属”(Metal-Semiconductor-Metal, MSM)光侦测器也由于与电路集成性佳,而被应用在光再生器(regenerator)或是波分复用器中。
光接收机电路一般使用转阻放大器(transimpedence amplifier, TIA)以及限幅放大器(limiting amplifier)处理由光侦测器转换出的光电流,转阻放大器和限幅放大器能够将光电流转换成幅度较小的电压信号,再透事后端的比较器(comparator)电路转换成数字信号。对于高速光纤通讯系统而言,信号经常相对地衰减较为严重,为了不接收机电路输出的数字信号变形超出规格,一般在接收机电路的后级也会加上时脉及数据恢复电路(clock and data recovery, CDR)以及锁相回路(phase-locked loop, PLL)将信号作适度处理再输出。
波分复用[编辑]
主条目:波分复用
波分复用的实际作法就是将光纤的工做波长分割成多个信道(channel),俾使能在同一条光纤内传输更大量的数据。一个完整的波分复用系统分为发射端的波分复用器(wavelength division multiplexer)以及在接收端的波长分波解多任务器(wavelength division demultiplexer),最经常使用于波分复用系统的组件是数组波导光栅(Arrayed Waveguide Gratings, AWG)。而当前市面上已经有商用的波分复用器/解多任务器,最多可将光纤通讯系统划分红80个信道,也使得数据传输的速率一会儿就突破Tb/s的等级。
系统参数[编辑]
带宽距离乘积(BL积)[编辑]
因为传输距离越远,光纤内的色散现象就越严重,影响信号质量。所以经常使用于评估光纤通讯系统的一项指针就是带宽-距离乘积(BL积),单位是百万赫兹×公里(MHz×km)。使用这两个值的乘积作为指针的缘由是一般这两个值不会同时变好,而必须有所取舍(trade off)。举例而言,一个常见的多模光纤系统的带宽-距离乘积约是500MHz×km,表明这个系统在一公里内的信号带宽能够到500MHz,而若是距离缩短至0.5公里时,带宽则能够倍增到1000MHz。
传输速率[编辑]
每根光纤能够承载许多独立的信道,每一个信道使用不一样波长的光(波分复用)。每条光纤的净数据速率(没有开销字节的数据速率)是每信道数据速率减小了FEC开销,乘以信道数量(截至2008年,商用密集WDM系统一般高达80个)。
标准光纤[编辑]
如下总结了当前使用标准电信级单模单芯光纤电缆的最新研究成果。
年
机构
系统传输速率
WDM信道数
单信道传输速率
传输距离
2009
阿尔卡特朗讯[2]
15.5 Tbit/s
155
100 Gbit/s
7000 km
2010
NTT[3]
69.1 Tbit/s
432
171 Gbit/s
240 km
2011
NEC[4]
101.7 Tbit/s
370
273 Gbit/s
165 km
2011
卡尔斯鲁厄理工学院[5]
26 Tbit/s
>300
50 km
2016
英国电信和华为[6]
5.6 Tbit/s
28
200Gb/s
circa 140 km ?
2016
贝尔实验室、德国电信T-Labs和慕尼黑工业大学[7](第一个接近香农理论极限的成果)
1 Tbit/s
1
1Tb/s
2016
诺基亚网络[8]
65 Tbit/s
6600 Km
2017
英国电信和[./https://en.wikipedia.org/wiki/Huawei 华为][9]
11.2 Tbit/s
28
400 Gb/s
250 Km
特种光纤
如下总结了当前使用少模光纤等特种光纤进行空分复用完成的研究成果。
年
机构
系统传输速率
模式数量
纤芯数量
单芯WDM信道数
单信道传输速率
传输距离
2011
NICT[10]
109.2 Tbit/s
7
2012
NEC, 康宁公司[11]
1.05 Pbit/s
12
52.4 km
2013
南安普顿大学[12]
73.7 Tbit/s
1 (空芯光纤)
3x96(模式DM)[13]
256 Gb/s
310 m
2014
丹麦技术大学[14]
43 Tbit/s
7
1045 km
2014
艾恩德霍芬理工大学和中佛罗里达大学[15]
255 Tbit/s
7
50
~728 Gb/s
1 km
2015
NICT、住友电气和RAM光子[16]
2.15 Pbit/s
22
402 (C+L波段)
243 Gb/s
31 km
2017
NTT[17]
1 Pbit/s
单模
32
46
680 Gb/s
205.6 Km
2017
KDDI住友电气[18]
10.16 Pbit/s
6模
19
739 (C+L波段)
120 Gb/s
11.3 Km
2018
NICT[19]
159 Tbit/s
3模
1
348
414 Gb/s
1045 km
信号色散[编辑]
对于现代的玻璃光纤而言,最严重的问题并不是信号的衰减,而是色散问题,也就是信号在光纤内传输一段距离后逐渐扩散重叠,使得接收端难以判别信号的高或低。形成光纤内色散的成因不少。以模态色散为例,信号的横模(transverse mode)轴速度(axial speed)不一致致使色散,这也限制了多模光纤的应用。在单模光纤中,模态间的色散能够被压抑得很低。
可是在单模光纤中同样有色散问题,一般称为群速色散(group-velocity dispersion),原由是对不一样波长的入射光波而言,玻璃的折射率略有不一样,而光源所发射的光波不可能没有频谱的分布,这也形成了光波在光纤内部会由于波长的些微差别而有不一样的折射行为。另一种在单模光纤中常见的色散称为偏振态色散(polarization mode dispersion),原由是单模光纤内虽然一次只能容纳一个横模的光波,可是这个横模的光波却能够有两个方向的偏振(polarization),而光纤内的任何结构缺陷与变形均可能让这两个偏振方向的光波产生不同的传递速度,这又称为光纤的双折射现象(fiber birefringence)。这个现象能够透过偏振保持光纤(polarization-maintaining optical fiber)加以抑制。
信号衰减[编辑]
信号在光纤内衰减也形成光放大器成为光纤通讯系统所必需的组件。光波在光纤内衰减的主因有物质吸取、瑞利散射(Rayleigh scattering)、米氏散射(Mie scattering)以及链接器形成的损失。虽然石英的吸取系数只有0.03dB/km,可是光纤内的杂质仍然会让吸取系数变大。其余形成信号衰减的缘由还包括应力对光纤形成的变形、光纤密度的微小扰动,或是接合的技术仍有待增强。
信号再生[编辑]
现代的光纤通讯系统由于引进了不少新技术下降信号衰减的程度,所以信号再生只须要用于距离数百公里远的通讯系统中。这使得光纤通讯系统的建置费用与维运成本大幅下降,特别对于越洋的海底光纤而言,中继器的稳定度每每是维护成本居高不下的主因。这些突破对于控制系统的色散也有很大的助益,足以下降色散形成的非线性现象。此外,光孤子也是另一项能够大幅下降长距离通讯系统中色散的关键技术。
最后一千米光纤网络[编辑]
虽然光纤网络享有高容量的优点,可是在达成普及化的目标,也就是“光纤到户”(Fiber To The Home, FTTH)以及“最后一千米”(last mile)的网络布建上仍然有不少困难待克服。然而,随着网络带宽的需求日增,已经有愈来愈多国家逐渐达成这个目的。以韩国为例,光纤网络系统已经开始取代使用铜线的数字用户回路系统。
与传统通讯系统的比较[编辑]
对于某个通讯系统而言,使用传统的铜缆做为传输介质较好,或是使用光纤较佳,有几项考量的重点。光纤一般用于高带宽以及长距离的应用,由于其具备低损耗、高容量,以及不须要太多中继器等优势。光纤另一项重要的优势是即便跨越长距离的数条光纤并行,光纤与光纤之间也不会产生串扰(cross-talk)的干扰,这和传输电信号的传输线(transmission line)正好相反。
不过对于短距离与低带宽的通讯应用而言,使用电信号的传输有下列好处:
较低的建置费用
组装容易
能够利用电力系统传递信息
由于这些好处,因此在很短的距离传输信息,例如主机之间、电路板之间,甚至是集成电路芯片之间,一般仍是使用电信号传输。然而当前也有些还在实验阶段的系统已经改采光来传递信息。
在某些低带宽的场合,光纤通讯仍然有其独特的优点:
能抵抗电磁干扰(EMI),包括核子形成的电磁脉冲。(不过光纤可能会毁于α或β射线)
对电信号的阻抗极高,因此能在高电压或是地面电势不一样的情况下安全工做。
重量较轻,这在飞机中特别重要。
不会产生火花,在某些易燃的环境中显得重要。
没有电磁辐射、不易被窃听,对于须要高度安全的系统而言十分重要。
线径小,当绕线的路径被限制时,变得重要。
现行技术标准[编辑]
为了能让不一样的光纤通讯设备制造商之间有共通的标准,国际电信联盟(International Telecommunications Union, ITU)制定了数个与光纤通讯相关的标准,包括:
ITU-T G.651, 多模光纤, "Characteristics of a 50/125 µm multimode graded index optical fibre cable"
ITU-T G.652, 标准单模光纤, "Characteristics of a single-mode optical fibre cable"
ITU-T 6.653, 色散位移单模光纤, "Characteristics of a dispersion-shifted single-mode optical fibre cable Superseded"
ITU-T 6.654, 截止波长位移单模光纤, "Characteristics of a cut-off shifted single-mode optical fibre and cable Superseded"
ITU-T 6.655, 非零色散位移单模光纤, "Characteristics of a non-zero dispersion-shifted single-mode optical fibre cable Superseded "
ITU-T 6.656, 宽传输带宽非零色散位移单模光纤, "Characteristics of a fibre and cable with non-zero dispersion for wideband optical transport"
ITU-T 6.657, 弯曲不敏感单模光纤, "Characteristics of a bending-loss insensitive single-mode optical fibre and cable"
其余关于光纤通讯的标判据规定了发射与接收端,或是传输介质的规格,包括了:
10G以太网(10 Gigabit Ethernet)
光纤分布式数据接口(FDDI)
光纤信道(Fibre channel)
HIPPI
同步数字层次结构(Synchronous Digital Hierarchy)
同步光纤网络(Synchronous Optical Networking)
此外,在数字音效的领域中,也有利用光纤传递信息的规格,那就是由日本东芝(Toshiba)所制定的TOSLINK规格。采用塑胶光纤(plastic optical fiber, POF)做为介质,系统中包含一个采用红光LED的发射机以及集成了光侦测器与放大器电路的接收机。
参见[编辑]
光导纤维
光通讯
信息论
参考资料[编辑]
Encyclopedia of Laser Physics and Technology
Fiber-Optic Technologies by Vivek Alwayn
Agrawal, Govind P. Fiber-optic communication systems. New York: John Wiley & Sons. 2002. ISBN 978-0-471-21571-4.
外部连接[编辑]
How Fiber-optics work (Howstuffworks.com)
The Laser and Fiber-optic Revolution
Fiber Optics, from Hyperphysics at Georgia State University
"Understanding Optical Communications" - An IBM redbook
"光纤在线
[显示]
查论编
电话
[显示]
查论编
光通讯
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分类:光纤通讯光电子学
华为大搞5G光通讯,火星人快步紧跟
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当今,华为大搞5G光通讯,火星人快步紧跟
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袁萌 陈启清 6月1日
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光纤通讯
光纤通讯Fiber-optic communication)
是指一种利用光与光纤(Optical Fiber)传递信息的一种方式,属于有线通讯的一种。光通过调制(Modulation)后便能携带信息。自1980年代起,光纤通讯系统对于电信工业产生了革命性的做用,同时也在数字时代里扮演很是重要的角色。光纤通讯具备传输容量大、保密性好等许多优势。光纤通讯线在已经成为当今最主要的有线通讯方式。将需发送的信息在发送端输入到发送机中,将信息叠加或调制到做为信息信号载体的载波上,而后将已调制的载波经过传输媒质发送到远处的接收端,由接收机解调出原来的信息。
根据信号调制方式的不一样,光纤通讯能够分为数字光纤通讯、模拟光纤通讯。纤通讯的产业包括了光纤电缆、光器件、光设备、光通讯仪表、光通讯集成电路等多个领域。
利用光纤作为通讯之用一般需通过下列几个步骤:
以发射机(Transmitter)产生光信号。
以光纤传递信号,同时必须确保光信号在光纤中不会衰减或严重变形。
以接收机(Receiver)接收光信号,而且转换成电信号。
目录
1 应用历史
3 核心技术
3.1
发射机
3.2
光纤
3.3
光放大器
3.4
接收机
3.5
波分复用
4
系统参数
4.1
带宽距离乘积(BL积)
4.2
传输速率
4.2.1
标准光纤
4.3
信号色散
4.4
信号衰减
4.5
信号再生
4.6
最后一千米光纤网络
5
与传统通讯系统的比较
6
现行技术标准
7
参见
8
参考资料
9
外部连接
应用
光纤常被电话公司用于传递电话、互联网,或是有线电视的信号,有时候利用一条光纤就能够同时传递上述的全部信号。与传统的铜线相比,光纤的信号衰减(attenuation)与遭受干扰[来源请求](interference)的情形都改善不少,特别是长距离以及大量传输的使用场合中,光纤的优点更为明显。然而,在城市之间利用光纤的通讯基础建设(infrastructure)一般施工难度以及材料成本难以控制,完工后的系统维运复杂度与成本也居高不下。所以,早期光纤通讯系统多半应用在长途的通讯需求中,这样才能让光纤的优点完全发挥,而且抑制住不断增长的成本。
从2000年光通讯(optical communication)市场崩溃后,光纤通讯的成本也不断下探,当前已经和铜缆为骨干的通讯系统不相上下[1]。
对于光纤通讯产业而言,1990年光放大器(optical amplifier)正式进入商业市场的应用后,不少超长距离的光纤通讯才得以真正实现,例如越洋的海底电缆。到了2002年时,越洋海底电缆的总长已经超过25万公里,每秒能携带的数据量超过2.56Tb,并且根据电信运营商的统计,这些数据从2002年后仍然不断的大幅成长中。
历史[编辑]
自古以来,人类对于长距离通讯的需求就未曾稍减。随着时间的前进,从烽火到电报,再到1940年第一条同轴电缆(coaxial cable)正式服役,这些通讯系统的复杂度与精细度也不断的进步。可是这些通讯方式各有其极限,使用电气信号传递信息虽然快速,可是传输距离会由于电气信号容易衰减而须要大量的中继器(repeater);微波(microwave)通讯虽然可使用空气作介质,但是也会受到载波频率(carrier frequency)的限制。到了二十世纪中叶,人们才了解使用光来传递信息,能带来不少过去所没有的显著好处。
然而,当时并无相干性高的发光源(coherent light source),也没有适合做为传递光信号的介质,也因此光通讯一直只是概念。直到1960年代,激光(laser)的发明才解决第一项难题。1970年代康宁公司(Corning Glass Works)发展出高质量低衰减的光纤则是解决了第二项问题,此时信号在光纤中传递的衰减量第一次低于光纤通讯之父高锟所提出的每公里衰减20分贝(20dB/km)关卡,证实光纤做为通讯介质的可能性。与此同时使用砷化镓(GaAs)做为材料的半导体激光(semiconductor laser)也被发明出来,而且凭借着体积小的优点而大量运用于光纤通讯系统中。1976年,第一条速率为44.7Mbit/s的光纤通讯系统在美国亚特兰大的地下管道中诞生。
通过五年的研发期,第一个商用的光纤通讯系统在1980年问市。这我的类史上第一个光纤通讯系统使用波长800纳米(nanometer)的砷化镓激光做为光源,传输的速率(data rate)达到45Mb/s(bits per second),每10公里须要一个中继器加强信号。
第二代的商用光纤通讯系统也在1980年代初期就发展出来,使用波长1300纳米的磷砷化镓铟(InGaAsP)激光。早期的光纤通讯系统虽然受到色散(dispersion)的问题而影响了信号质量,可是1981年单模光纤(single-mode fiber)的发明克服了这个问题。到了1987年时,一个商用光纤通讯系统的传输速率已经高达1.7Gb/s,比第一个光纤通讯系统的速率快将近四十倍之多。同时传输的功率与信号衰减的问题也有显著改善,间隔50公里才须要一个中继器加强信号。1980年代末,EDFA的诞生,堪称光通讯历史上的一个里程碑似的事件,它使光纤通讯可直接进行光中继,使长距离高速传输成为可能,并促使DWDM的诞生。
第三代的光纤通讯系统改用波长1550纳米的激光作光源,并且信号的衰减已经低至每公里0.2分贝(0.2dB/km)。以前使用磷砷化镓铟激光的光纤通讯系统经常遭遇到脉冲延散(pulse spreading)问题,而科学家则设计出色散位移光纤(dispersion-shifted fiber)来解决这些问题,这种光纤在传递1550纳米的光波时,色散几乎为零,因其可将激光光的光谱限制在单一纵模(longitudinal mode)。这些技术上的突破使得第三代光纤通讯系统的传输速率达到2.5Gb/s,并且中继器的间隔可达到100公里远。
第四代光纤通讯系统引进光放大器(optical amplifier),进一步减小中继器的需求。另外,波分复用(wavelength-division multiplexing, WDM)技术则大幅增长传输速率。这两项技术的发展让光纤通讯系统的容量以每六个月增长一倍的方式大幅跃进,到了2001年时已经到达10Tb/s的惊人速率,足足是80年代光纤通讯系统的200倍之多。近年来,传输速率已经进一步增长到14Tb/s,每隔160公里才须要一个中继器。
第五代光纤通讯系统发展的重心在于扩展波分复用器的波长操做范围。传统的波长范围,也就是通常俗称的“C band”约是1530纳米至1570纳米之间,新一带的无水光纤(dry fiber)低损耗的波段则延伸到1300纳米至1650纳米间。另一个发展中的技术是引进光孤子(optical soliton)的概念,利用光纤的非线性效应,让脉冲可以抵抗色散而维持本来的波形。
1990年至2000年间,光纤通讯产业受到互联网泡沫的影响而大幅成长。此外一些新兴的网络应用,如视频点播(video on demand)使得互联网带宽的成长甚至超过摩尔定律(Moore's Law)所预期集成电路芯片中晶体管增长的速率。而自互联网泡沫破灭至2006年为止,光纤通讯产业透过企业整并壮大规模,以及委外生产的方式下降成原本延续生命。
核心技术[编辑]
现代的光纤通讯系统多半包括一个发射机,将电信号转换成光信号,再透过光纤将光信号传递。光纤多半埋在地下,链接不一样的建筑物。系统中还包括数种光放大器,以及一个光接收机将光信号转换回电信号。在光纤通讯系统中传递的多半是数字信号,来源包括计算机、电话系统,或是有线电视系统。
发射机[编辑]
在光纤通讯系统中一般做为光源的半导体组件是发光二极管(light-emitting diode, LED)或是激光二极管(laser diode)。LED与激光二极管的主要差别在于前者所发出的光为非相干性(noncoherent),然后者则为相干性(coherent)的光。使用半导体做为光源的好处是体积小、发光效率高、可靠度佳,以及能够将波长最优化,更重要的是半导体光源能够在高频操做下直接调制,很是适合光纤通讯系统的需求。
LED借着电激发光(electroluminescence)的原理发出非相干性的光,频谱一般分散在30纳米至60纳米间。LED另一项缺点是发光效率差,一般只有输入功率的1%能够转换成光功率,约是100微瓦特(micro-watt)左右。可是因为LED的成本较低廉,所以经常使用于低价的应用中。经常使用于光通讯的LED主要材料是砷化镓或是砷化镓磷(GaAsP),后者的发光波长为1300纳米左右,比砷化镓的810纳米至870纳米更适合用在光纤通讯。因为LED的频谱范围较广,致使色散较为严重,也限制了其传输速率与传输距离的乘积。LED一般用在传输速率10Mb/s至100Mb/s的局域网(local area network, LAN),传输距离也在数公里以内。当前也有LED内包含了数个量子井(quantum well)的结构,使得LED能够发出不一样波长的光,涵盖较宽的频谱,这种LED被普遍应用在区域性的波分复用网络中。
半导体激光的输出功率一般在100毫瓦特(mW)左右,并且为相干性质的光源,方向性相对而言较强,一般和单模光纤的耦合效率可达50%。激光的输出频谱较窄,也有助于增长传输速率以及下降模态色散(modal dispersion)。半导体激光亦可在至关高的操做频率下进行调制,缘由是其复合时间(recombination time)很是短。
半导体激光一般可由输入的电流有无直接调制其开关状态与输出信号,不过对于某些传输速率很是高或是传输距离很长的应用,激光光源可能会以连续波(continuous wave)的形式控制,例如使用外置的电吸取光调制器(electroabsorption modulator)或是马赫·任德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)对光信号加以调制。外置的调制组件能够大幅减小激光的“啁啾脉冲”(chirp pulse)。啁啾脉冲会使得激光的谱线宽度变宽,使得光纤内的色散变得严重。
光纤[编辑]
主条目:光导纤维
光纤缆线包含一个纤芯(core),纤壳(cladding)以及外层的保护被覆(protective coating)。核心与折射率(refractive index)较高的纤壳一般用高质量的硅石玻璃(silica glass)制成,可是如今也有使用塑胶做为材质的光纤。又由于光纤的外层有通过紫外线固化后的压克力(acrylate)被覆,能够如铜缆同样埋藏于地下,不须要太多维护费用。然而,若是光纤被弯折的太过剧烈,仍然有折断的危险。并且由于光纤两端链接须要十分精密的校准,因此折断的光纤也难以从新接合。
光通讯中主要使用多模、单模两种光纤。多模光纤纤芯直径更大(≥50微米),对发射机、链接器的要求更低。然而,多模光纤引入了多模色散,这会限制系统的带宽和长度。此外,因为有更高的杂质含量,多模光纤一般会有更高的衰减。单模光纤的纤芯直径较小(<10微米),对发射机、链接器的要求更高,但可以搭建传输距离更长、性能更好的系统。单模和多模光纤都有不一样的等级。
光纤类型比较[1]
多模光纤 FDDI 62,5/125 µm(1987)
多模光纤 OM1 62,5/125 µm(1989)
多模光纤 OM2 50/125 µm(1998)
多模光纤 OM3 50/125 µm(2003)
多模光纤 OM4 50/125 µm(2008)
多模光纤 OM550/125 µm(2016)
单模光纤 OS19/125 µm(1998)
单模光纤OS29/125 µm(2000)
160 MHz·km@850 nm
200 MHz·km@850 nm
500 MHz·km@850 nm
1500 MHz·km@850 nm
3500 MHz·km@850 nm
3500 MHz·km@850 nm &1850 MHz·km@950 nm
1 dB/km@1300/1550 nm
0.4 dB/km@1300/1550 nm
光放大器[编辑]
主条目:光放大器
过去光纤通讯的距离限制主要根源于信号在光纤内的衰减以及信号变形,而解决的方式是利用光电转换的中继器。这种中继器先将光信号转回电信号放大后再转换成较强的光信号传往下一个中继器,然而这样的系统架构无疑较为复杂,不适用于新一代的。
接收机[编辑]
构成光接收机的主要组件是光侦测器(photodetector),利用光电效应将入射的光信号转为电信号。光侦测器一般是半导体为基础的光二极管(photo diode),例如p-n结二极管、p-i-n二极管,或是雪崩型二极管(avalanche diode)。另外“金属-半导体-金属”(Metal-Semiconductor-Metal, MSM)光侦测器也由于与电路集成性佳,而被应用在光再生器(regenerator)或是波分复用器中。
光接收机电路一般使用转阻放大器(transimpedence amplifier, TIA)以及限幅放大器(limiting amplifier)处理由光侦测器转换出的光电流,转阻放大器和限幅放大器能够将光电流转换成幅度较小的电压信号,再透事后端的比较器(comparator)电路转换成数字信号。对于高速光纤通讯系统而言,信号经常相对地衰减较为严重,为了不接收机电路输出的数字信号变形超出规格,一般在接收机电路的后级也会加上时脉及数据恢复电路(clock and data recovery, CDR)以及锁相回路(phase-locked loop, PLL)将信号作适度处理再输出。
波分复用[编辑]
主条目:波分复用
波分复用的实际作法就是将光纤的工做波长分割成多个信道(channel),俾使能在同一条光纤内传输更大量的数据。一个完整的波分复用系统分为发射端的波分复用器(wavelength division multiplexer)以及在接收端的波长分波解多任务器(wavelength division demultiplexer),最经常使用于波分复用系统的组件是数组波导光栅(Arrayed Waveguide Gratings, AWG)。而当前市面上已经有商用的波分复用器/解多任务器,最多可将光纤通讯系统划分红80个信道,也使得数据传输的速率一会儿就突破Tb/s的等级。
系统参数[编辑]
带宽距离乘积(BL积)[编辑]
因为传输距离越远,光纤内的色散现象就越严重,影响信号质量。所以经常使用于评估光纤通讯系统的一项指针就是带宽-距离乘积(BL积),单位是百万赫兹×公里(MHz×km)。使用这两个值的乘积作为指针的缘由是一般这两个值不会同时变好,而必须有所取舍(trade off)。举例而言,一个常见的多模光纤系统的带宽-距离乘积约是500MHz×km,表明这个系统在一公里内的信号带宽能够到500MHz,而若是距离缩短至0.5公里时,带宽则能够倍增到1000MHz。
传输速率[编辑]
每根光纤能够承载许多独立的信道,每一个信道使用不一样波长的光(波分复用)。每条光纤的净数据速率(没有开销字节的数据速率)是每信道数据速率减小了FEC开销,乘以信道数量(截至2008年,商用密集WDM系统一般高达80个)。
标准光纤[编辑]
如下总结了当前使用标准电信级单模单芯光纤电缆的最新研究成果。
年
机构
系统传输速率
WDM信道数
单信道传输速率
传输距离
2009
阿尔卡特朗讯[2]
15.5 Tbit/s
155
100 Gbit/s
7000 km
2010
NTT[3]
69.1 Tbit/s
432
171 Gbit/s
240 km
2011
NEC[4]
101.7 Tbit/s
370
273 Gbit/s
165 km
2011
卡尔斯鲁厄理工学院[5]
26 Tbit/s
>300
50 km
2016
英国电信和华为[6]
5.6 Tbit/s
28
200Gb/s
circa 140 km ?
2016
贝尔实验室、德国电信T-Labs和慕尼黑工业大学[7](第一个接近香农理论极限的成果)
1 Tbit/s
1
1Tb/s
2016
诺基亚网络[8]
65 Tbit/s
6600 Km
2017
英国电信和[./https://en.wikipedia.org/wiki/Huawei 华为][9]
11.2 Tbit/s
28
400 Gb/s
250 Km
特种光纤
如下总结了当前使用少模光纤等特种光纤进行空分复用完成的研究成果。
年
机构
系统传输速率
模式数量
纤芯数量
单芯WDM信道数
单信道传输速率
传输距离
2011
NICT[10]
109.2 Tbit/s
7
2012
NEC, 康宁公司[11]
1.05 Pbit/s
12
52.4 km
2013
南安普顿大学[12]
73.7 Tbit/s
1 (空芯光纤)
3x96(模式DM)[13]
256 Gb/s
310 m
2014
丹麦技术大学[14]
43 Tbit/s
7
1045 km
2014
艾恩德霍芬理工大学和中佛罗里达大学[15]
255 Tbit/s
7
50
~728 Gb/s
1 km
2015
NICT、住友电气和RAM光子[16]
2.15 Pbit/s
22
402 (C+L波段)
243 Gb/s
31 km
2017
NTT[17]
1 Pbit/s
单模
32
46
680 Gb/s
205.6 Km
2017
KDDI住友电气[18]
10.16 Pbit/s
6模
19
739 (C+L波段)
120 Gb/s
11.3 Km
2018
NICT[19]
159 Tbit/s
3模
1
348
414 Gb/s
1045 km
信号色散[编辑]
对于现代的玻璃光纤而言,最严重的问题并不是信号的衰减,而是色散问题,也就是信号在光纤内传输一段距离后逐渐扩散重叠,使得接收端难以判别信号的高或低。形成光纤内色散的成因不少。以模态色散为例,信号的横模(transverse mode)轴速度(axial speed)不一致致使色散,这也限制了多模光纤的应用。在单模光纤中,模态间的色散能够被压抑得很低。
可是在单模光纤中同样有色散问题,一般称为群速色散(group-velocity dispersion),原由是对不一样波长的入射光波而言,玻璃的折射率略有不一样,而光源所发射的光波不可能没有频谱的分布,这也形成了光波在光纤内部会由于波长的些微差别而有不一样的折射行为。另一种在单模光纤中常见的色散称为偏振态色散(polarization mode dispersion),原由是单模光纤内虽然一次只能容纳一个横模的光波,可是这个横模的光波却能够有两个方向的偏振(polarization),而光纤内的任何结构缺陷与变形均可能让这两个偏振方向的光波产生不同的传递速度,这又称为光纤的双折射现象(fiber birefringence)。这个现象能够透过偏振保持光纤(polarization-maintaining optical fiber)加以抑制。
信号衰减[编辑]
信号在光纤内衰减也形成光放大器成为光纤通讯系统所必需的组件。光波在光纤内衰减的主因有物质吸取、瑞利散射(Rayleigh scattering)、米氏散射(Mie scattering)以及链接器形成的损失。虽然石英的吸取系数只有0.03dB/km,可是光纤内的杂质仍然会让吸取系数变大。其余形成信号衰减的缘由还包括应力对光纤形成的变形、光纤密度的微小扰动,或是接合的技术仍有待增强。
信号再生[编辑]
现代的光纤通讯系统由于引进了不少新技术下降信号衰减的程度,所以信号再生只须要用于距离数百公里远的通讯系统中。这使得光纤通讯系统的建置费用与维运成本大幅下降,特别对于越洋的海底光纤而言,中继器的稳定度每每是维护成本居高不下的主因。这些突破对于控制系统的色散也有很大的助益,足以下降色散形成的非线性现象。此外,光孤子也是另一项能够大幅下降长距离通讯系统中色散的关键技术。
最后一千米光纤网络[编辑]
虽然光纤网络享有高容量的优点,可是在达成普及化的目标,也就是“光纤到户”(Fiber To The Home, FTTH)以及“最后一千米”(last mile)的网络布建上仍然有不少困难待克服。然而,随着网络带宽的需求日增,已经有愈来愈多国家逐渐达成这个目的。以韩国为例,光纤网络系统已经开始取代使用铜线的数字用户回路系统。
与传统通讯系统的比较[编辑]
对于某个通讯系统而言,使用传统的铜缆做为传输介质较好,或是使用光纤较佳,有几项考量的重点。光纤一般用于高带宽以及长距离的应用,由于其具备低损耗、高容量,以及不须要太多中继器等优势。光纤另一项重要的优势是即便跨越长距离的数条光纤并行,光纤与光纤之间也不会产生串扰(cross-talk)的干扰,这和传输电信号的传输线(transmission line)正好相反。
不过对于短距离与低带宽的通讯应用而言,使用电信号的传输有下列好处:
较低的建置费用
组装容易
能够利用电力系统传递信息
由于这些好处,因此在很短的距离传输信息,例如主机之间、电路板之间,甚至是集成电路芯片之间,一般仍是使用电信号传输。然而当前也有些还在实验阶段的系统已经改采光来传递信息。
在某些低带宽的场合,光纤通讯仍然有其独特的优点:
能抵抗电磁干扰(EMI),包括核子形成的电磁脉冲。(不过光纤可能会毁于α或β射线)
对电信号的阻抗极高,因此能在高电压或是地面电势不一样的情况下安全工做。
重量较轻,这在飞机中特别重要。
不会产生火花,在某些易燃的环境中显得重要。
没有电磁辐射、不易被窃听,对于须要高度安全的系统而言十分重要。
线径小,当绕线的路径被限制时,变得重要。
现行技术标准[编辑]
为了能让不一样的光纤通讯设备制造商之间有共通的标准,国际电信联盟(International Telecommunications Union, ITU)制定了数个与光纤通讯相关的标准,包括:
ITU-T G.651, 多模光纤, "Characteristics of a 50/125 µm multimode graded index optical fibre cable"
ITU-T G.652, 标准单模光纤, "Characteristics of a single-mode optical fibre cable"
ITU-T 6.653, 色散位移单模光纤, "Characteristics of a dispersion-shifted single-mode optical fibre cable Superseded"
ITU-T 6.654, 截止波长位移单模光纤, "Characteristics of a cut-off shifted single-mode optical fibre and cable Superseded"
ITU-T 6.655, 非零色散位移单模光纤, "Characteristics of a non-zero dispersion-shifted single-mode optical fibre cable Superseded "
ITU-T 6.656, 宽传输带宽非零色散位移单模光纤, "Characteristics of a fibre and cable with non-zero dispersion for wideband optical transport"
ITU-T 6.657, 弯曲不敏感单模光纤, "Characteristics of a bending-loss insensitive single-mode optical fibre and cable"
其余关于光纤通讯的标判据规定了发射与接收端,或是传输介质的规格,包括了:
10G以太网(10 Gigabit Ethernet)
光纤分布式数据接口(FDDI)
光纤信道(Fibre channel)
HIPPI
同步数字层次结构(Synchronous Digital Hierarchy)
同步光纤网络(Synchronous Optical Networking)
此外,在数字音效的领域中,也有利用光纤传递信息的规格,那就是由日本东芝(Toshiba)所制定的TOSLINK规格。采用塑胶光纤(plastic optical fiber, POF)做为介质,系统中包含一个采用红光LED的发射机以及集成了光侦测器与放大器电路的接收机。
参见[编辑]
光导纤维
光通讯
信息论
参考资料[编辑]
Encyclopedia of Laser Physics and Technology
Fiber-Optic Technologies by Vivek Alwayn
Agrawal, Govind P. Fiber-optic communication systems. New York: John Wiley & Sons. 2002. ISBN 978-0-471-21571-4.
外部连接[编辑]
How Fiber-optics work (Howstuffworks.com)
The Laser and Fiber-optic Revolution
Fiber Optics, from Hyperphysics at Georgia State University
"Understanding Optical Communications" - An IBM redbook
"光纤在线
[显示]
查论编
电话
[显示]
查论编
光通讯
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分类:光纤通讯光电子学