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光纤和光缆知识
概述
所谓光通信就是利用光波载送信息的通信。在载波技术方面,电磁波的通信已广泛应用于广播、电视等领域,本世纪末,随着数字技术的进步,出现了移动通信等数字无线电波技术。在另一方面,光波作为一种波长很短的无线电波,同样也得到技术突破,目前已成为新一代的有线通信载波。光通信技术的进步,推动了整个信息产业的飞速发展。
光纤发展概况
1960年,梅曼()发明了红宝石激光器,产生了单色相干光,实现了高速的光调制。美国林肯实验室首先研制出利用氦氖激光器通过大气传输彩色电视,利用大气传输光信号具有以下的缺点:
气候严重影响通信,如雾天;大气的密度不均匀,传输不稳定;传输设备之间要求没有阻隔
利用大气传输光波的思想实际上是电磁波传输的技术,光波实质上是频率极高的电磁波(3×1014Hz),其通信的容量比一般的电磁波大万倍以上,如果光通信能够实现,它将具有划时代的意义。
早期,为了避免大气对光传输的干扰,研制了透镜光波导的技术,利用管子进行光传输,在一定距离上设置聚焦透镜,汇聚散射光和诱导光转折,但振动和温度又严重影响了光传输。这种思想,被后来采用直至成功研制成光导纤维。
1966年,英籍华人高锟()和Hockham实验证明利用玻璃可以制作光导纤维(Optic Fiber)。但当时的玻璃衰减达1000dB/km,无法用于传输,后经过美Ian Ross、英国电信研究所(BTRL,BPO)和美国康宁玻璃公司(CORNING)的Maurer等合作,于1970年首先研制成功衰减为20 dB/km的光纤,取得重大突破。之后,各发达国家纷纷开展光纤通信研究,出现了多组成份玻璃光纤、塑料光纤、液芯光纤等,其中利用介质全反射原理导光的石英光纤被广泛采用。石英光纤衰减小,性能高,强度大,见图1-1。
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图1-1 光纤导光原理
要实现长距离的光纤通信,必须减少光纤的衰减。高锟指出降低玻璃内过度金属杂质离子是降低光纤衰减的主要因素,1974年,光纤衰减降低到2 dB/km。1976年通过研究发现降低玻璃内的OH离子含量就出现地衰减的长波长双窗口: 。在1980年, dB/km,接近理论值。80年代中,又发现水分和潮气长期接触光纤会扩散到石英光纤内,从而使光纤衰减增大且强度降低。于是采用注入油膏于光纤套管中隔绝水气,制成品质完善的光缆用于工程。
要实现大容量的通信,要求光纤有很宽的带宽。单模(SM:Single Mode)光纤的带宽最宽,是理想的传输介质。但是单模光纤纤芯很细,70年代工艺无法做到,因此,多模(MM:Multi Mode)光纤较早应用,光在多模光纤里各模式间存在光程差,造成输出的光信号带宽不宽。1976年日本研制成渐变型(又称自聚焦型,SELFCO)光纤,光纤的带宽达到KHz/km数量级。80年代,单模光纤研制成功,带宽增大到10 KHz/km,这一成就使大容量光通信成为可能,80年代中,,光纤通信实现长距离超大容量传输。
70年代,,光源采用GaAlAs(镓铝砷)注入式半导体激光器(LD:Laser Diode)),但是寿命很短。直到研制成功可连续运行的GaAlAs双异质结注入式激光器(Hayashi等),同时也发展了GaAlAs发光二极管(LED:Burrus),LED寿命长,价格低,但谱线宽,速率低,功率小,属于非相干光源。80年代,研究出了InGaAsP(铟镓砷磷)长波长激光器和LED,现已广泛应用。
光检测器是光接收的主要器件,用于将光信号转变为电信号。主要有用于短波长的Si-PIN管和Si-APD雪崩光电二极管以及适用于长波长的InGaAs/InP的PIN管和APD管,还有Ge-APD管。
由于工程上的需要,各式各样的光无源器件和光仪表也相应出现。如:光活动连接器,光衰减器、光纤熔接机和光时域反射测试仪等。
光纤通信
1976年,美国首先在亚特兰大建成距离为10公里,码率为44Mbit/s的光纤通信系统,80年代,许多国家都建成商用的通信系统。
在此中,发现利用激光器和多模光纤,当光纤机械振动则接收的光信号随机起伏,出现所谓“模式噪声”,因此,用单模光纤的传输介质和激光器光源成为光纤通信的基本方式,80年代中,还发现FP型激光器不能维持单谱线相干性,使输出信号中带有“模分配噪声”,从而使光纤的容量和传输距离受到限制,之后研究出动态单纵模激光器解决了此问题,如:分布反馈(DFB)激光器和更优良的量子阱激光器。这些技术的解决,使超过100km已上无中继,容量到达Gbit/