光纖通信原理和應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)

光纖通信原理和應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)摘要：簡述光纖通信的發(fā)展歷史及其優(yōu)點(diǎn)，介紹了光纖的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)光原理、光纖通信在各個(gè)方面的應(yīng)用以及其發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：光纖通信優(yōu)點(diǎn)原理應(yīng)用1引言光纖通信是以光作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的通信方式。光纖通信技術(shù)（opticalfibercommunications）從光通信中脫穎而出，已成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一，在現(xiàn)代電信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。光導(dǎo)纖維通信就是利用光導(dǎo)纖維傳輸信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞的一種通信方式?？梢园压饫w通信看成是以光導(dǎo)纖維為傳輸媒介的“有線”光通信。光纖通信作為一門新興技術(shù)，在近30年來迅猛發(fā)展，給世界通信技術(shù)乃至國民經(jīng)濟(jì)、國防事業(yè)和人民生活帶來了巨大變革。2發(fā)展歷史1966年，英籍華人高錕(C·K·Kao)預(yù)見利用玻璃可以制成衰減為20dB／km的通信光導(dǎo)纖維(簡稱光纖)。當(dāng)時(shí)，世界上最優(yōu)秀的光學(xué)玻璃衰減達(dá)l000dB／km左右。1970年，美國康寧公司首先研制成衰減為20dB／km的光纖。從此，光纖就進(jìn)入了實(shí)用化的發(fā)展階段，世界各國紛紛開展光纖通信的研究。光纖的主要作用是引導(dǎo)光在光纖內(nèi)沿直線或彎曲的途徑傳播。為了實(shí)現(xiàn)長距離的光纖通信，必須減小光纖的衰減。C·K·Kao早就指出降低玻璃內(nèi)的過渡金屬雜質(zhì)離子是降低光纖衰減的主要因素。另一方面，玻璃內(nèi)的OH離子對(duì)衰減也有嚴(yán)重的影響。到了1976年，人們?cè)O(shè)法降低OH含量后發(fā)現(xiàn)衰減的長波長窗口有：1.31μm、1.55μm。1980年，光纖衰減已降低到0.2dB／km(1.55μm)，接近理論值。這樣，使得進(jìn)行長距離的光纖通信成為可能。與此同時(shí)，為促進(jìn)光纖通信系統(tǒng)的實(shí)用化，人們又及時(shí)地開發(fā)出適用于長波長的光源、激光器、發(fā)光管、光檢測(cè)器。應(yīng)運(yùn)而生的光纖成纜。光無源器件和性能測(cè)試及工程應(yīng)用儀表等技術(shù)日臻成熟。這都為光纖光纜作為新的通信傳輸媒介奠定了良好的基礎(chǔ)。1976年，美國西屋電氣公司在亞特蘭大成功地進(jìn)行了世界上第一個(gè)44.736Mbit／s且傳輸110km的光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，使光纖通信向?qū)嵱没~出了第一步。1981年以后，用光纖通信技術(shù)大規(guī)模地制成商品并推向市場(chǎng)。歷經(jīng)近20年突飛猛進(jìn)的發(fā)展，光纖通信速率由1978年的45Mbit／s提高到目前的40Gbit／s。我國自70年代初就開始了光纖通信技術(shù)的研究。1977年，武漢郵電研究院研制成功中國第一根階躍折射率分布的、波長為0.85μm多模光纖。后來又研制成單模光纖和特殊光纖以及光通信設(shè)備?，F(xiàn)在，我國光纖通信產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，能夠生產(chǎn)光纖光纜、光電器件、光端機(jī)及其他工程應(yīng)用方面的配套儀表器件等。由此可見，中國已具有大力發(fā)展光纖通信的綜合實(shí)力。3光纖通信的優(yōu)點(diǎn)(1)頻帶極寬，通信容量大。光纖比銅線或電纜有大得多的傳輸帶寬，光纖通信系統(tǒng)的于光源的調(diào)制特性、調(diào)制方式和光纖的色散特性。對(duì)于單波長光纖通信系統(tǒng)，由于終端設(shè)備的電子瓶頸效應(yīng)而不能發(fā)揮光纖帶寬大的優(yōu)勢(shì)。通常采用各種復(fù)雜技術(shù)來增加傳輸?shù)娜萘浚貏e是現(xiàn)在的密集波分復(fù)用技術(shù)極大地增加了光纖的傳輸容量。目前，單波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般在2.5Gbps到10Gbps。(2)損耗低，中繼距離長。目前，商品石英光纖損耗可低于0～20dB/km，這樣的傳輸損耗比其它任何傳輸介質(zhì)的損耗都低；若將來采用非石英系統(tǒng)極低損耗光纖，其理論分析損耗可下降的更低。這意味著通過光纖通信系統(tǒng)可以跨越更大的無中繼距離；對(duì)于一個(gè)長途傳輸線路，由于中繼站數(shù)目的減少，系統(tǒng)成本和復(fù)雜性可大大降低。(3)抗電磁干擾能力強(qiáng)。光纖原材料是由石英制成的絕緣體材料，不易被腐蝕，而且絕緣性好。與之相聯(lián)系的一個(gè)重要特性是光波導(dǎo)對(duì)電磁干擾的免疫力，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽黑子活動(dòng)的干擾，也不受人為釋放的電磁干擾，還可用它與高壓輸電線平行架設(shè)或與電力導(dǎo)體復(fù)合構(gòu)成復(fù)合光纜。這一點(diǎn)對(duì)于強(qiáng)電領(lǐng)域(如電力傳輸線路和電氣化鐵道)的通信系統(tǒng)特別有利。由于能免除電磁脈沖效應(yīng)，光纖傳輸系還特別適合于軍事應(yīng)用。(4)無串音干擾，保密性好。在電波傳輸?shù)倪^程中，電磁波的泄漏會(huì)造成各傳輸通道的串?dāng)_，而容易被竊聽，保密性差。光波在光纖中傳輸，因?yàn)楣庑盘?hào)被完善地限制在光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，而任何泄漏的射線都被環(huán)繞光纖的不透明包皮所吸收，即使在轉(zhuǎn)彎處，漏出的光波也十分微弱，即使光纜內(nèi)光纖總數(shù)很多，相鄰信道也不會(huì)出現(xiàn)串音干擾，同時(shí)在光纜外面，也無法竊聽到光纖中傳輸?shù)男畔?。除以上特點(diǎn)之外，還有光纖徑細(xì)、重量輕、柔軟、易于鋪設(shè)；光纖的原材料資源豐富，成本低；溫度穩(wěn)定性好、壽命長。由于光纖通信具有以上的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，其不僅可以應(yīng)用在通信的主干線路中，還可以應(yīng)用在電力通信控制系統(tǒng)中，進(jìn)行工業(yè)監(jiān)測(cè)、控制，而且在軍事領(lǐng)域的用途也越來越為廣泛?；?曾光纖膛的結(jié)插構(gòu)與梳導(dǎo)光泉原理薪4.悅1準(zhǔn)光纖魚的結(jié)局構(gòu)六光纖澡是傳辰光的飄纖維矛波導(dǎo)肯或光柜導(dǎo)纖紀(jì)維的疾簡稱榴。其厲典型縫結(jié)構(gòu)拋是多彈層同培軸圓塔柱體冶，自昏內(nèi)向如外為柄纖芯丹、包穴層和劍涂覆賭層。托核心鈴部分刊是纖依芯和侍包層羊，其糖中纖穴芯由穗高度騰透明帶的材緞料制夜成，嗎是光短波的雅主要宣傳輸塑通道驅(qū)；包哥層的緣折射閃率略械小于紗纖芯餅，使他光的拋傳輸串性能裂相對(duì)搖穩(wěn)定駝。纖匠芯粗竊細(xì)、司纖芯蓋材料碌和包描層材仙料的摟折射既率，鼠對(duì)光標(biāo)纖的適特性罪起決勾定性差影響素。涂叉覆層突包括弟一次為涂覆樂、緩弦沖層慕和二醬次涂禁覆，胃起保渠護(hù)光輕纖不吐受水毫汽的碗侵蝕給相機(jī)雖械的搜擦傷俊，同版時(shí)又箱增加合光纖齒的柔北韌性頓，起鐮著延毫長光侵纖壽淹命的德作用創(chuàng)。蛙4證.2竿光陰纖中窄的射沉線光佳學(xué)理森論敞光波呈長很語短，轎但相壽對(duì)光站纖的抖幾何田尺寸渾要大泳得多包，因保此從督射線寄光學(xué)綠理論木的觀程點(diǎn)出若發(fā)，寺研究罷光纖預(yù)中的扔光射洪線，墾可以負(fù)直觀蠻認(rèn)識(shí)復(fù)光在譜光纖域中的俘傳播監(jiān)機(jī)理野和一啄些必寒要的顆概念軟。餅下面補(bǔ)用射賣線光求學(xué)理習(xí)論對(duì)赤階躍扔型及辨漸變叫型多曠模光軌纖的停傳輸內(nèi)特性妥進(jìn)行授分析碗。射宮線光授學(xué)的械基本移關(guān)系夏式是隊(duì)有關(guān)遙其反退射和跳折射旱的菲即涅耳罷（F昏re汗sn淋el億）定顯律。偵首先贏，墳我們電來看勞光在超分層愁介質(zhì)息中的浸傳播訂，民如那下前圖所鋒示。穿圖中渾介質(zhì)稼1的統(tǒng)折射降率為綁n1前，談介質(zhì)型2爹的折予射率判為n愛2，釋設(shè)n飯1>懷n2下。當(dāng)?shù)⒐饩€俯以較搏小的θ1您角入緊射到躺介質(zhì)忙界面賊時(shí)，遠(yuǎn)部分額光進(jìn)企入介格質(zhì)缸2咳并產(chǎn)丸生折邊射，憐部分恨光被三反射挪。它渾們之丙間的紙相對(duì)卻強(qiáng)度叢取決索于兩并種介岔質(zhì)的游折射籃率。伏由菲洞涅耳秒定律蘿可知供皺反射增定律θ1=θ2皆陜幸截訂降劫仍植沸站暮烏搞槽普惑下折射告定律sinθ1sinθ2=n1n2縣桶井猴稅幅車腐碗竹族在n洞1>名n2喜時(shí)，竊逐漸沿增大θ1墻，進(jìn)距入介噴質(zhì)2并的折跨射光團(tuán)線進(jìn)素一步寨趨向賽界面質(zhì)，直棚到θ1四趨于溉90絮°疊。勾此時(shí)現(xiàn)，進(jìn)炕入介餓質(zhì)2疲的光稀強(qiáng)顯田著減宜小并鹽趨于晨零，交而反駛射光名強(qiáng)接灰近于疑入射復(fù)光強(qiáng)考。當(dāng)θ2鄭=9鑄0狂°顆用極限從值時(shí)望，相凍應(yīng)的θ1擠角定纏義為哨臨界訊角θc渴，餅由于租si圾n9碰0盟°砌=1諒，騰所以慧臨界找角當(dāng)θ1問>θc脂時(shí)，腰入射勞光線秘將產(chǎn)刷生全么反射緞。應(yīng)穿當(dāng)注鈔意，俱只有哨當(dāng)光革線從薪折射期率大籮的介蔥質(zhì)進(jìn)石入折叛射率株小的藝介質(zhì)近，即從n1歪>n腐2時(shí)晴，在搬界面池上才藏θc=sin-1n2n1環(huán)糊屈門幣獵林旁鋤匆疫刑接下耀來分結(jié)析一幸下全孔反射喝，全歡反射便現(xiàn)象貓是光辜纖傳六輸?shù)膽鸦A(chǔ)跡。袍光纖暴的導(dǎo)距光特腐性基輪于光謠射線館在纖賓芯和遵包層牽界面把上的知全反息射，求使光守線限餐制在艙纖芯倒中傳軍輸。路光纖扮中有數(shù)兩種木光線逃，即春子午船光線倉和斜帆射光右線。虛子午日光線擦是位卵于子悼午面西(過裁光纖來軸線雜的平線面)碑上的箱光線掠，而弓斜射開光線正是不維經(jīng)過植光纖緩軸線虜傳輸捕的光駛線。答下圖手所示耕階躍妥型的景光纖脫，纖播芯折穴射率蔥為n崖1，營包層頃的折壁射率鋼為n宋2，權(quán)且n泄1>只n2宮，空穿氣折心射率駐為n蘆0。撓在光貼纖內(nèi)營傳輸窯的子榮午光室線，俊簡稱婚內(nèi)光裙線，詳遇到掏纖芯帝與包系層的炕分界喬面的壩入射環(huán)角大森于θc蘆時(shí)，榆才能樂保證炊光線雜在纖累芯內(nèi)斯產(chǎn)生疤多次阿全反弟射，鈴使光異線沿糠光纖糾傳輸板。煎5桐光纖役通信祝的應(yīng)稅用通及其兄發(fā)展皆趨勢(shì)癢5撈.1頸應(yīng)嫌用領(lǐng)耳域責(zé)光纖皇通信勝的應(yīng)止用領(lǐng)卵域是興很廣美泛的逼，主獄要用兼于市基話中畏繼線網(wǎng)，光鍬纖通匙信的金優(yōu)點(diǎn)迎在這炊里可健以充雅分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