八百通光纤电话机用的光纤通信原理 - 行业新闻 - 资讯中心-首页

八百通光纤电话机用的光纤通信原理

发表日期:2019-05-17 / 作者:八百通电话机 / 浏览量:246
八百通光纤电话机用的光纤通信原理

光纤通信

光纤通信是指一种利用光与光纤传递信息的一种方式,属于有线通信的一种。光经过调制后便能携带信息。自1980年代起,光纤通信系统对于电信工业产生了革命性的作用,同时也在数字时代里扮演非常重要的角色。光纤通信具有传输容量大、保密性好等许多优点。光纤通信线在已经成为当今最主要的有线通信方式。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作为信息信号载体的载波上,然后将已调制的载波通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同,光纤通信可以分为数字光纤通信、模拟光纤通信。纤通信的产业包括了光纤电缆、光器件、光设备、光通信仪表、光通信集成电路等多个领域。

利用光纤做为通信之用通常需经过下列几个步骤:

以发射器产生光信号。

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。

以接收器接收光信号,并且转换成电信号。

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可以同时传递上述的所有信号。与传统的铜线相比,光纤的信号衰减与遭受干扰[来源请求]的情形都改善很多,特别是长距离以及大量传输的使用场合中,光纤的优势更为明显。然而,在城市之间利用光纤的通信基础建设通常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。因此,早期光纤通信系统多半应用在长途的通信需求中,这样才能让光纤的优势彻底发挥,并且抑制住不断增加的成本。

从2000年光通信市场崩溃后,光纤通信的成本也不断下探,当前已经和铜缆为骨干的通信系统不相上下。

对于光纤通信产业而言,1990年光放大器正式进入商业市场的应用后,很多超长距离的光纤通信才得以真正实现,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25万千米,每秒能携带的数据量超过2.56Tb,而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。

核心技术

现代的光纤通信系统多半包括一个发射器,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,连接不同的建筑物。系统中还包括数种光放大器,以及一个光接收器将光信号转换回电信号。在光纤通信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。

发射器

在光纤通信系统中通常作为光源的半导体组件是发光二极管或是激光二极管。LED与激光二极管的主要差异在于前者所发出的光为非同调性,而后者则为同调性的光。使用半导体作为光源的好处是体积小、发光效率高、可靠度佳,以及可以将波长最优化,更重要的是半导体光源可以在高频操作下直接调制,非常适合光纤通信系统的需求。

LED借着电激发光的原理发出非同调性的光,频谱通常分散在30纳米至60纳米间。LED另外一项缺点是发光效率差,通常只有输入功率的1%可以转换成光功率,约是100微瓦特左右。但是由于LED的成本较低廉,因此常用于低价的应用中。常用于光通信的LED主要材料是砷化镓或是砷化镓磷,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信。由于LED的频谱范围较广,导致色散较为严重,也限制了其传输速率与传输距离的乘积。LED通常用在传输速率10Mb/s至100Mb/s的局域网,传输距离也在数千米之内。当前也有LED内包含了数个量子井的结构,使得LED可以发出不同波长的光,涵盖较宽的频谱,这种LED被广泛应用在区域性的波分复用网络中。

半导体激光的输出功率通常在100毫瓦特左右,而且为同调性质的光源,方向性相对而言较强,通常和单模光纤的耦合效率可达50%。激光的输出频谱较窄,也有助于增加传输速率以及降低模态色散。半导体激光亦可在相当高的操作频率下进行调制,原因是其复合时间非常短。

半导体激光通常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非常高或是传输距离很长的应用,激光光源可能会以连续波的形式控制,例如使用外置的电吸收光调制器或是马赫·任德干涉仪对光信号加以调制。外置的调制组件可以大幅减少激光的“啁啾脉冲”。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

光纤缆线包含一个核心,纤壳以及外层的保护被覆。核心与折射率较高的纤壳通常用高质量的硅石玻璃制成,但是现在也有使用塑胶作为材质的光纤。又因为光纤的外层有经过紫外线固化后的压克力被覆,可以如铜缆一样埋藏于地下,不需要太多维护费用。然而,如果光纤被弯折的太过剧烈,仍然有折断的危险。而且因为光纤两端连接需要十分精密的校准,所以折断的光纤也难以重新接合。

光放大器

过去光纤通信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,不适用于新一代的波分复用技术,同时每隔20千米就需要一个中继器,让整个系统的成本也难以降低。

光放大器的目的即是在不用作光电与电光转换下就直接放大光信号。光放大器的原理是在一段光纤内掺杂稀土族元素如铒,再以短波长激光激发之。如此便能放大光信号,取代中继器。

接收器

构成光接收器的主要组件是光侦测器,利用光电效应将入射的光信号转为电信号。光侦测器通常是半导体为基础的光二极管,例如p-n结二极管、p-i-n二极管,或是雪崩型二极管。另外“金属-半导体-金属”光侦测器也因为与电路集成性佳,而被应用在光再生器或是波分复用器中。

光接收器电路通常使用转阻放大器以及限幅放大器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可以将光电流转换成幅度较小的电压信号,再透过后端的比较器电路转换成数字信号。对于高速光纤通信系统而言,信号常常相对地衰减较为严重,为了避免接收器电路输出的数字信号变形超出规格,通常在接收器电路的后级也会加上时脉及数据恢复电路以及锁相回路将信号做适度处理再输出。

波分复用

波分复用的实际做法就是将光纤的工作波长分割成多个信道,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以及在接收端的波长分波解多任务器,最常用于波分复用系统的组件是数组波导光栅。而当前市面上已经有商用的波分复用器/解多任务器,最多可将光纤通信系统划分成80个信道,也使得数据传输的速率一下子就突破Tb/s的档次。

带宽距离乘积

由于传输距离越远,光纤内的色散现象就越严重,影响信号质量。因此常用于评估光纤通信系统的一项指针就是带宽-距离乘积,单位是百万赫兹×千米。使用这两个值的乘积做为指针的原因是通常这两个值不会同时变好,而必须有所取舍。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,代表这个系统在一千米内的信号带宽可以到500MHz,而如果距离缩短至0.5千米时,带宽则可以倍增到1000MHz。

应用极限

虽然当前已经出现很多技术降低诸如色散之类的问题,也使得光纤通信系统的容量已经达到14Tb/s以及160千米的传输距离,仍然有些问题需要工程师与科学家的研究与克服。以下是这些问题的简单讨论。

信号色散

对于现代的玻璃光纤而言,最严重的问题并非信号的衰减,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。造成光纤内色散的成因很多。以模态色散为例,信号的横模轴速度不一致导致色散,这也限制了多模光纤的应用。在单模光纤中,模态间的色散可以被压抑得很低。

但是在单模光纤中一样有色散问题,通常称为群速色散,起因是对不同波长的入射光波而言,玻璃的折射率略有不同,而光源所发射的光波不可能没有频谱的分布,这也造成了光波在光纤内部会因为波长的些微差异而有不同的折射行为。另外一种在单模光纤中常见的色散称为偏振态色散,起因是单模光纤内虽然一次只能容纳一个横模的光波,但是这个横模的光波却可以有两个方向的偏振,而光纤内的任何结构缺陷与变形都可能让这两个偏振方向的光波产生不一样的传递速度,这又称为光纤的双折射现象。这个现象可以透过偏振保持光纤加以抑制。

信号衰减

信号在光纤内衰减也造成光放大器成为光纤通信系统所必需的组件。光波在光纤内衰减的主因有物质吸收、瑞利散射、米氏散射以及连接器造成的损失。虽然石英的吸收系数只有0.03dB/km,但是光纤内的杂质仍然会让吸收系数变大。其他造成信号衰减的原因还包括应力对光纤造成的变形、光纤密度的微小扰动,或是接合的技术仍有待加强。

信号再生

现代的光纤通信系统因为引进了很多新技术降低信号衰减的程度,因此信号再生只需要用于距离数百千米远的通信系统中。这使得光纤通信系统的建置费用与维运成本大幅降低,特别对于越洋的海底光纤而言,中继器的稳定度往往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,足以降低色散造成的非线性现象。此外,光孤子也是另外一项可以大幅降低长距离通信系统中色散的关键技术。

最后一公里光纤网络

虽然光纤网络享有高容量的优势,但是在达成普及化的目标,也就是“光纤到户”以及“最后一公里”的网络布建上仍然有很多困难待克服。然而,随着网络带宽的需求日增,已经有越来越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。

与传统通信系统的比较

对于某个通信系统而言,使用传统的铜缆作为传输介质较好,或是使用光纤较佳,有几项考量的重点。光纤通常用于高带宽以及长距离的应用,因为其具有低损耗、高容量,以及不需要太多中继器等优点。光纤另外一项重要的优点是即使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讯的干扰,这和传输电信号的传输线正好相反。

不过对于短距离与低带宽的通信应用而言,使用电信号的传输有下列好处:

较低的建置费用

组装容易

可以利用电力系统传递信息

因为这些好处,所以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,通常还是使用电信号传输。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,光纤通信仍然有其独特的优势:

能抵抗电磁干扰,包括核子造成的电磁脉冲。

对电信号的阻抗极高,所以能在高电压或是地面电势不同的状况下安全工作。

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,对于需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。

服务热线

400-885-0528

功能和特性

价格和优惠

获取内部资料

微信服务号

微信服务号