光纤的发展与应用探究毕业设计Word文档格式.docx

光纤的发展与应用探究毕业设计Word文档格式.docx

《光纤的发展与应用探究毕业设计Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤的发展与应用探究毕业设计Word文档格式.docx（40页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

自上世纪光纤通信技术在全球问世以来，整个信息通信领域发生了本质的、革命性的变革。

目前，在实际运用中相当有前途的通信技术之一，即光纤通信技术已成为现代化通信非常重要的支柱。

作为全球新一代信息技术革命的重要标志之一，光纤通信技术已经变为当今信息社会中各种多样且复杂的信息的主要传输媒介，并深刻的、广泛的改变了信息网架构的整体面貌，以现代信息社会最坚实的通信基础的身份，向世人展现了其无限美好的发展前景。

光纤通信技术以光波作为信息传输的载体，以光纤作为信息传输媒介。

因其信息传输频带较宽，所以它有很多优点:

通信速率较高和容量大，且损耗低、体积小、重量轻，还有抗电磁干扰和不易串音等一系列优点，从而备受通信专业人士青睐，发展时分快。

因此作为刚刚毕业的大学生，对即将从事通信行业的我们来说，研究光纤通信技术的现状及其前景具有很重要意义。

1.2国内外现状

国内：

我国光纤通信的研究开发与国外几乎同时起步，1978年被全国科学大会列为国家重点科研项目，次年9月在上海装试光纤局间中继线，仅此世界第一条光纤中继线晚3年，到80年代前期，扩大到北京、武汉等十几个城市，均为试验性质。

由于我国市话主要是模拟交换，用数字传输效益不明显，故发展不快，“六五”和“七五”期间，国家通信干线网分别敷设331.5km和7310.5km的光纤；

“八五”期间建成3.7万km的一级光纤干线，加上二级干线，达10万km以上。

“九五”期间还将新建总长度为28万km的各类光缆，其中17条一级干线光缆2.2万km，由于速率的提高与芯数的增多，传输容量将有很大提高。

这将使我国很快形成一个以光纤为骨干、干线传输能力和长途电话接通率大大提高并保证国际电活畅通无阻的通信网。

可以预料，在下世纪初，我国能源、交通，公安、金融、国防、CATV等局部网和专用网也将逐步实现光纤化。

展望国际光纤通信的发展并结合我国的国情，我们认为：

从光纤通信技术来说，我国干线光缆网的科研和应用开发的重点应放在波分复用，掺铒光纤放大器，光同步数字体系（SDH）与数字交叉连接（DXC）技术的发展及推广应用上；

从本地用户光缆网来看，现阶段应重点发展用户光纤环路（FITL）和同CATV有关的技术，并积极开展对异步传输模式（ATM）的本地用户光纤通信系统的研究；

从海底光缆网来看，它是将来组成我国沿海光缆网络和全球光缆网的必要技术，对海底光缆通信技术开展研究将对我国的光电集成电路技术、光放大和波分复用技术、光弧子通信技术的发展起重要的促进作用，为缩小我国通信技术与国际水平的差距、建成四通八达并具有巨大社会经济效益的现代化通信网而创造良好的条件。

国外：

早期60年代中期，C.K.Kao和Hockham就开创性地预见到利用玻璃能制成损耗为20db/km的光纤。

1970年，美国率先将这一预见变为现实；

1976年，世界上第一条试验性光纤通信线路在美国敷设成功。

随后，光纤通信又走过了商业应用和产业规模的过程，成为现代通信的两大支柱之一，其发展速度之快，对社会影响之深远是高新技术领域内所罕见的。

在解决了实用技术和短途应用之基础上，1988年，日本率先开通了全日光纤通信干线；

1989年，总投资6亿美元，全长1330km的海底光缆工程的TPC─3/HAW─4投入运行，它横穿太平洋连接日、美与关岛；

1990年，合同金额3.5亿美元的太平洋光缆链路完成，全长8396km，连接美、日；

1992年，东南亚几个国家开始投资2.57亿美元兴建光缆网。

在此期间，英、德、法诸国也分别投入巨资兴建了庞大的光纤通信和数字网。

据美国KMI公司统计，到1994年，全球仅用于海底光缆的投资就高达113亿美元，建成海底光缆总长度为22.8万话路公里，连接70个国家和地区；

从1995年到1998年，世界海底光缆敷设光缆长度26.4万话路公里。

正是这些大型光纤工程的敷设和开通，人们预计到2000年，光纤通信规模将达到2000--3000亿话路公里（卫星通信的4--5倍）；

到2015年，多数发达国家的电信网将基本完成全国光纤化的进程，从而跨入全光纤网络电信传输时代。

1.3研究目标与内容

研究目标是光纤通信技术及光纤入户的解决方案和光孤子通信的发展与展望。

主要内容包括光纤通信的介绍，包括光纤通信的分类、特点、原理、发展和应用领域以及光孤子通信；

光纤入户的综合分析以及解决的办法。

第2章光纤通信简介

2.1光纤通信简介

光纤即光导纤维的简称。

光纤通信是以光为载频，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。

光纤与以往的铜导线相比，具有损耗低，频带宽，无电磁感应等传输特点。

因此，人们希望将光纤作为灵活性强，经济的优质传输介质，广泛地应用于数字传输方式和图像通信方式中，这种通信方式在今后非话业务的发展中是不可缺少的。

　　由于光纤通信具有一系列优异的特点，因此，光纤通信技术近几年来发展速度之快，应用面之广是通信史上罕见的。

可以说，这种新兴技术，是世界新技术革命的重要标志。

又是未来信息社会中各种信息网的主要传输工具。

光纤与以往的铜导线相比，有本质的区别，因此，在传输理论，制造技术，连接方法，测试方法等方面，基本上都不能采用铜质电缆的理论与方法。

2.2光纤分类

2.2.1按制造光纤所用的材料分

石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤

塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）制成的。

它的特点是制造成本低廉，相对来说芯径较大，与光源的耦合效率高，耦合进光纤的光功率大，使用方便。

但由于损耗较大，带宽较小，这种光纤只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机网链路、船舶内通信等。

目前通信中普遍使用的是石英系光纤。

2.2.2按光在光纤中的传输模式分

单模光纤和多模光纤

多模光纤的纤芯直径为50--62.5μm，包层外直径125μm，单模光纤的纤芯直径为8.3μm，包层外直径125μm。

光纤的工作波长有短波长0.85μm、长波长1.31μm和1.55μm。

光纤损耗一般是随波长加长而减小，0.85μm的损耗为2.5dBkm,1.31μm的损耗为0.35dBkm，1.55μm的损耗为0.20dBkm，这是光纤的最低损耗，波长1.65μm以上的损耗趋向加大。

由于OHˉ的吸收作用，0.90--1.30μm和1.34--1.52μm范围内都有损耗高峰，这两个范围未能充分利用。

80年代起，倾向于多用单模光纤，而且先用长波长1.31μm。

多模光纤（MultiModeFiber）：

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：

600MBKM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（SingleModeFiber）：

中心玻璃芯很细（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，但还存在着材料色散和波导色散，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。

后来又发现在1.31μm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。

这就是说在1.31μm波长处，单模光纤的总色散为零。

从光纤的损耗特性来看，1.31μm处正好是光纤的一个低损耗窗口。

这样，1.31μm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。

1.31μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU－T在G.652建议中确定的，因此这种光纤又称G.652光纤。

2.2.3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：

光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1310nm。

色散位移型：

光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：

1310nm和1550nm。

我们知道单模光纤没有模式色散所以具有很高的带宽，那么如果让单模光纤工作在1.55μm波长区，不就可以实现高带宽、低损耗传输了吗？

但是实际上并不是这么简单。

常规单模光纤在1.31μm处的色散比在1.55μm处色散小得多。

这种光纤如工作在1.55μm波长区，虽然损耗较低，但由于色散较大，仍会给高速光通信系统造成严重影响。

因此，这种光纤仍然不是理想的传输媒介。

为了使光纤较好地工作在1.55μm处，人们设计出一种新的光纤，叫做色散位移光纤（DSF）。

这种光纤可以对色散进行补偿，使光纤的零色散点从1.31μm处移到1.55μm附近。

这种光纤又称为1.55μm零色散单模光纤，代号为G.653。

G.653光纤是单信道、超高速传输的极好的传输媒介。

现在这种光纤已用于通信干线网，特别是用于海缆通信类的超高速率、长中继距离的光纤通信系统中。

色散位移光纤虽然用于单信道、超高速传输是很理想的传输媒介，但当它用于波分复用多信道传输时，又会由于光纤的非线性效应而对传输的信号产生干扰。

特别是在色散为零的波长附近，干扰尤为严重。

为此，人们又研制了一种非零色散位移光纤即G.655光纤，将光纤的零色散点移到1.55μm工作区以外的1.60μm以后或在1.53μm以前，但在1.55μm波长区内仍保持很低的色散。

这种非零色散位移光纤不仅可用于现在的单信道、超高速传输，而且还可适应于将来用波分复用来扩容，是一种既满足当前需要，又兼顾将来发展的理想传输媒介。

还有一种单模光纤是色散平坦型单模光纤。

这种光纤在1.31μm到1.55μm整个波段上的色散都很平坦，接近于零。

但是这种光纤的损耗难以降低，体现不出色散降低带来的优点，所以目前尚未进入实用化阶段。

2.2.4按折射率分布情况分

阶跃型和渐变型光纤

阶跃型：

光纤的纤芯折射率高于包层折射率，使得输入的光能在纤芯一包层交界面上不断产生全反射而前进。

这种光纤纤芯的折射率是均匀的，包层的折射率稍低一些。

光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的，只有一个台阶，所以称为阶跃型折射率多模光纤，简称阶跃光纤，也称突变光纤。

这种光纤的传输模式很多，各种模式的传输路径不一样，经传输后到达终点的时间也不相同，因而产生时延差，使光脉冲受到展宽。

所以这种光纤的模间色散高，传输频带不宽，传输速率不能太高，用于通信不够理想，只适用于短途低速通讯，比如：

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。

这是研究开发较早的一种光纤，现在已逐渐被淘汰了。

渐变型光纤：

为了解决阶跃光纤存在的弊端，人们又研制、开发了渐变折射率多模光纤，简称渐变光纤。

光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高次模的光按正弦形式传播，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。

渐变光纤的包层折射率分布与阶跃光纤一样，为均匀的。

渐变光纤的纤芯折射率中心最大，沿纤芯半径方向逐渐减小。

由于高次模和低次模的光线分别在不同的折射率层界面上按折射定律产生折射，进入低折射率层中去，因此，光的行进方向与光纤轴方向所形成的角度将逐渐变小。

同样的过程不断发生，直至光在某一折射率层产生全反射，使光改变方向，朝中心较高的折射率层行进。

这时，光的行进方向与光纤轴方向所构成的角度，在各折射率层中每折射一次，其值就增大一次，最后达到中心折射率最大的地方。

在这以后。

和上述完全相同的过程不断重复进行，由此实现了光波的传输。

可以看出，光在渐变光纤中会自觉地进行调整，从而最终到达目的地，这叫做自聚焦。

2.2.5按光纤的工作波长分

短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤

短波长光纤是指0.8--0.9μm的光纤；

长波长光纤是指1.0--1.7μm的光纤；

而超长波长光纤则是指2μm以上的光纤。

第3章光纤通信的特点和光孤子通信

3.1使用光纤通信的优点

光纤通信容量比电缆通信容量大10亿倍，一根比头发丝还细的光纤可以传输几万路电话和几千路电视，由20根光纤组成的光缆，每天可通话7.62万人次，而1800根铜线组成的电缆，每天只能通话900人次。

光纤通信还具有不受大气干扰、中继距离长、信息容量大、重量轻、占空小、抗电磁干扰强、绝缘性好、串话小、保密性强等优点，是当今最好最主要的信息传输方式。

3.1.1频带极宽,通信容量大

光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽,光纤通信系统的于光源的调制特性、调制方式和光纤的色散特性。

对于单波长光纤通信系统,由于终端设备的电子瓶颈效应而不能发挥光纤带宽大的优势。

通常采用各种复杂技术来增加传输的容量,特别是现在的密集波分复用技术极大地增加了光纤的传输容量。

目前,单波长光纤通信系统的传输速率一般在2.5Gbps到1OGbps。

3.1.2损耗低,中继距离长

目前,商品石英光纤损耗可低于0--20dB/km,这样的传输损耗比其它任何传输介质的损耗都低;

若将来采用非石英系统极低损耗光纤,其理论分析损耗可下降的更低。

这意味着通过光纤通信系统可以跨越更大的无中继距离;

对于一个长途传输线路,由于中继站数目的减少,系统成本和复杂性可大大降低。

3.1.3抗电磁干扰能力强

光纤原材料是由石英制成的绝缘体材料,不易被腐蚀,而且绝缘性好。

与之相联系的一个重要特性是光波导对电磁干扰的免疫力,它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰,也不受人为释放的电磁干扰。

3.1.4无串音干扰,保密性好

在电波传输的过程中,电磁波的泄漏会造成各传输通道的串扰,而容易被窃听,保密性差。

光波在光纤中传输,因为光信号被完善地限制在光波导结构中,而任何泄漏的射线都被环绕光纤的不透明包皮所吸收,即使在转弯处,漏出的光波也十分微弱,即使光缆内光纤总数很多,相邻信道也不会出现串音干扰,同时在光缆外面,也无法窃听到光纤中传输的信息。

除以上特点之外,还有光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设;

光纤的原材料资源丰富,成本低;

温度稳定性好、寿命长。

由于光纤通信具有以上的独特优点,其不仅可以应用在通信的主干线路中,还可以应用在电力通信控制系统中,进行工业监测、控制,而且在军事领域的用途也越来越为广泛。

3.2使用光纤通信的不足

我们知道光纤的损耗和色散是限制光纤通信系统传输距离和容量的两个主要因素，尤其在Gbit/s以上的高速光纤通信系统中，色散将起主要作用，即由于脉冲展宽将使系统容量减少，传输的距离受到限制。

3.2.1光纤损耗

光脉冲在光纤中传输时有光损耗，这就使光的能量不断地衰减，为了实现长距离的传输，就得在一定距离上建立中继站，以使衰减的光信号增强，中继站是由检测器、调制器和激光器所组成的光电组合系统。

要达到高传输速率，检测器和强度调制器已受到电子响应时间的限制，中继站的造价也十分昂贵，限制了线性光纤通信系统传输速率的进一步提高。

目前，在1.55μm波长处，光纤损耗己做到0.18dB/km，使光信号无中继传输距离达100km，这一数值已接近理论极限值0.1dB/km，在光纤损耗方面已无太大潜力可挖。

3.2.2光的色散

光的色散是指由于物质的折射率与光的波长关系而发生的一种现象。

对于一定物质，折射系数n是波长λ的一定函数：

n=f（λ）（公式3--1）

决定折射率n随波长λ而改变快慢的量，称为物质的色散。

由于任一光脉冲都可以表示为不同频率分量的组合，当色散效应存在时，使得光脉冲中不同频率分量的运动速度不一致，这样就使得光脉冲在传输过程中发生变形。

研究表明，在光纤的正常色散区域中和反常色散区域中，光脉冲传输的特性是不同的。

在光纤的正常色散区域中，光脉冲的较高频率分量（蓝移）比较低的频率分量（红移）传输得慢，而在光纤的反常色散区域中，蓝移比红移传输得快，其群速度色散（GVD，GroupVelocityDispersion）效应的最终结果导致光脉冲展宽。

所以色散便是线性光纤通信系统继续提高的主要阻力。

解决这一难题的是非线性光纤通信系统——光孤子通信系统。

3.3光孤子通信

背景：

在常规的线性光纤通信系统中，光纤损耗和色散是限制其传输容量和距离的主要因素。

人们用了一百多年的时间来探讨，发现由光纤非线性效应所产生的光孤子可以抵消光纤色散的作用，利用光孤子进行通信，可以很好解决这个问题，从而形成了新一代光纤通信系统，也是21世纪最有发展前途的通信方式。

任何事物都是在发展中前进，光通信在超长距离、超大容量发展进程中，遇到了光纤损耗和色散的问题，限制了其发展的空间。

科学家和业内人士受自然界的启发，发现了特殊的光孤子波，人们设想在光纤中波形、幅度、速度不变的波就是光孤子波。

利用光孤子传输信息的新一代光纤通信系统，真正做到全光通信，无需光、电转换，可在超长距离、超大容量传输中大显身手，是光通信技术上的一场革命。

3.3.1常规光纤通信发展的阻力

我们知道光纤的损耗和色散是限制线性光纤通信系统传输距离和容量的两个主要因素，尤其在Gbit／s以上的高速光纤通信系统中，色散将起主要作用，即由于脉冲展宽将使系统容量减少，传输的距离受到限制。

光的色散指的是由于物质的折射率与光的波长有关系而发生的一些现象。

对于一定物质，折射系数n是波长人的一定函数：

n＝f（λ）决定折射率n随波长入而改变快慢的量，称为物资的色散。

色散怎样使光脉冲信号在传输时展宽；

是光纤的色散，使得光脉冲中不同波长的光传播速度不一致，结果导致光脉冲展宽。

3.3.2人们从自然界得到启发

1834年斯柯特鲁塞尔对船在河道中运动而形成水的波峰进行观察，发现当船突然停止时，原来在船前被推起的水波依然维护原来的形状、幅度和速度向前运动，经过相当长的时间才消失。

这就是著名的孤立波现象。

3.3.3光孤子的概念

光孤子是指经过长距离传输而保持形状不变的光脉冲。

一束光脉冲包含许多不同的频率成分，频率不同，在介质中的传播速度也不同，因此，光脉冲在光纤中将发生色散，使得脉宽变宽。

但当具有高强度的极窄单色光脉冲入射到光纤中时，将产生克尔效应，即介质的折射率随光强度而变化，由此导致在光脉冲中产生自相位调制，使脉冲前沿产生的相位变化引起频率降低，脉冲后沿产生的相位变化引起频率升高，于是脉冲前沿比其后沿传播得慢，从而使脉宽变窄。

当脉冲具有适当的幅度时，以上两种作用可以恰好抵消，则脉冲可以保持波形稳定不变地在光纤中传输，即形成了光孤子，也称为基阶光孤子。

若脉冲幅度继续增大时，变窄效应将超过变宽效应，则形成高阶光孤子，它在光纤中传输的脉冲形状将发生连续变化，首先压缩变窄，然后分裂，在特定距离处脉冲周期性地复原。

3.3.4光孤子通信原理

图3-1三阶（N=1）光孤子在一个周期内的包络演化

光孤子通信是一种全光非线性通信方案，其基本原理是光纤折射率的非线性（自相位调制）效应导致对光脉冲的压缩可以与群速色散引起的光脉冲展宽相平衡，在一定条件（光纤的反常色散区及脉冲光功率密度足够大）下，光孤子能够长距离不变形地在光纤中传输。

它完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制，其传输容量比原来最好的通信系统提高1--2个数量级，中继距离可达几百公里。

它被认为是下一代最有发展前途的传输方式之一。

从光孤子传输理论分析，光孤子是理想的光脉冲，因为它很窄，其脉冲宽度在皮秒级（ps，即s）。

这样，就可使邻近光脉冲间隔很小而不至于发生脉冲重叠，产生干扰。

利用光孤子进行通信，其传输容量极大，可以说是几乎没有限制。

传输速率将可能高达每秒兆比特。

如此高速将意味着世界上最大的图书馆――美国国会图书馆的全部藏书，只需要100秒就可以全部传送完毕。

由此可见，光孤子通信的能力何等巨大。

3.3.5光孤子通信系统的基本组成

目前已提出的光孤子通信实验系统的构成方式种类较多，但其基本部件却大体相

同，图3-2所示即为其基本组成结构。

图3-2光孤子通信系统基本组成

图3-2中的孤子源并非严格意义上的孤子激光器，而只是一种类似孤子的超短光脉冲源，它产生满足基本光孤子能量、频谱等要求的超短脉冲。

这种超短光脉冲，在光纤中传输时自动压缩、整形而形成光孤子。

电信号脉冲源通过调制器将信号载于光孤子流上，承载的光孤子流经EDFA放大后进入光纤传输。

沿途需增加若干个光放大器，以补偿光脉冲的能量损失。

同时需平衡非线性效应与色散效应，最终保证脉冲的幅度与形状稳定不变。

在接收端通过光孤子检测装置、判决器或解调器及其它辅助装置实现信号的还原。

3.3.6与普通线性光纤通信系统的不同

1.EDFA掺铒光纤放大器

光孤子在使用EDFA的系统中能稳定传输的特性是光孤子通信能实用的一个关键。

因为光纤的损耗不可避免要消耗孤子能量，当能量不满足孤子形成的条件时，脉冲丧失孤子特性而展宽，但只要通过EDFA掺铒光纤放大器给孤子补充能量，孤子即自动整形。

利用孤子这一特性，可进行全光中继，不再需要像常规光纤通信系统那样在中继站进行光—电—光的转换，实现了全光传输，一般每30--50km加一个EDFA，是一种集总式能量补充方式。

2.预加重技术

预加重技术，也称为动态光孤子通信。

在上述集总式能量补充系统中，即使光纤的色散有抖动，这种孤子也是稳定的。

在放大器的间距与孤子的特征长度可比拟时，如果使进入光纤的脉冲峰值功率大于基态孤子所要求的峰值功率，则所形成的孤子也能长距离稳定传输，这种技术通常被称为预加重技术，也称为动态光孤子通信。

3.抑制戈登—豪斯效应

所谓戈登—豪斯效应是一种抖动。

采用放大器的自发辐射噪声，是一种不可避免的热噪声，它与孤子相互作用后，造成孤子中心频率的随机抖动，进而引起孤子到达接收端的抖动，即戈登—豪斯效应。

这一效应是限制孤子传输系统容量、放大器间隔等系统指标的重要因素。

解决的办法是在放大器后加一个带通滤波器即能较好的抑制戈登—豪斯效应。

4.波分复用技术

光孤子也可实现波分复用，即利用不同波长的光孤子在同一光纤中传输；

也可利用不同偏振方向的光孤子在同一光纤中传输，即偏振复用，进一步提高传输质量和容量。

3.3.7光孤子的发展

光孤子通信研究的三个阶段

1973年--1980年为第一阶段：

首先将光孤子应用于光通信的设想是由美国贝尔实验室的A.Hasegawa于1973年提出的，他经过严格的数学推导，大胆地预言了在光纤地负色散区可以观察到光孤子的存在，并率先开辟了这一领域的研究工作，拉开了这一阶段以理论研究的序幕。

1981年--1990年为第二阶段：

主要工作是关键部件的研制。

自从70年代初提出光孤子的概念以来，由于以后的十多年未能有效地观察到光孤子的存在，直到1983年，美国贝尔实验室的Mollenauer研究小组首次研制成功了第一支色心锁模孤子激光器CCL，