光纤通信原理及技术.doc

发布时间：2022-06-21 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.37M 资料格式：doc 举报版权申诉

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光纤通信原理及技术目录引言...................................................................................................................................1 正文...................................................................................................................................1 第 1 章概述.....................................................................................................................1 1.1 光纤通信的基本概念.................................................................................................1 1.1.1 光纤通信的定义......................................................................................................1 1.1.2 光纤通信发展过程..................................................................................................1 1.1.3 光纤通信的优点......................................................................................................2 1.2 光纤通信系统的构成及分类.....................................................................................2 1.2.1 光纤通信系统的基本构成......................................................................................2 1.2.2 光纤通信系统分类..................................................................................................2 第 2 章光纤.....................................................................................................................3 2.1 光纤基本的概念.........................................................................................................3 2.1.1 光纤基本结构..........................................................................................................3 2.1.2 光纤分类..................................................................................................................3 2.1.3 光缆结构及类型.....................................................................................................3 2.2 光纤传感原理............................................................................................................4 2.2.1 光纤传感器的优点.................................................................................................4 2.2.2 光纤传感器的基本工作原理..................................................................................4 2.3 光纤传感器的分类....................................................................................................5 2.3.1 光纤传感器的分类（三种方式）.........................................................................5 2.3.2 功能型光纤传感器.................................................................................................5 2.3.3 非功能型光纤传感器.............................................................................................6 2.3.4 强度调制型光纤传感器.........................................................................................6 2.3.5 偏振调制型光纤传感器.........................................................................................7 2.3.6 频率调制型光纤传感器.........................................................................................7 2.3.7 波长调制型光纤传感器.........................................................................................8 2.3.8 相位调制型光纤传感器.........................................................................................8 2.3.9 时分调制型光纤传感器.........................................................................................8 第 3 章光端机.................................................................................................................9 3.1 光端机的功能.............................................................................................................9 3.2 光端机基本组成.........................................................................................................9 第 4 章复用技术...........................................................................................................9 4.1 光复用技术概述......................................................................................................9 - 0 -

4.2 波分复用（WDM）的基本原理..............................................................................10 4.3 波分复用（WDM）系统结构.....................................................................................10 4.4 波分复用系统优点....................................................................................................10 第 5 章同步数字系列（SDH）.....................................................................................10 5.1 基本概念......................................................................................................................10 5.2 SDH 帧结构..................................................................................................................11 第 6 章现代光纤网络.....................................................................................................11 第 7 章未来的全光网络.................................................................................................12 第 8 章光纤通信技术的发展趋势 ................................................................................12 结束语.................................................................................................................................13 参考文献.............................................................................................................................13 引言计算机的发明使得信息资源的利用更加有效，而网络技术的诞生又使信息资源的应用达到更加充分和完善的地步。信息全球化促进了经济全球化，经济全球化又推到了信息全球化。信息全球化中光纤通信以其独特的优越性，已经成为现代通信发展的主流方向，现在世界上绝大部分的通信业务都是采用光纤通信方式传送的。特别是，以光纤作为主要传输介质的互联网已遍布全球各地，没有光纤通信，就没有今天因特网（Internet）的巨大规模，现代信息社会的发展也就不可能这样快速。第 1 章概述 1.1 光纤通信的基本概念 1.1.1 光纤通信的定义光纤通信是以光波作为传输信息的载波、以光纤作为传输介质的一种通信。光纤通信中用户通过电缆或双绞线与发送端和接收端相连，发送端将用户输入的信息（语音、文字、图形、图像等）经过处理后调制在光波上，然后入射到光纤内传送到接收端，接收端对收到的光波进行处理，还原出发送用户的信息并输送给接受用户。根据光纤通信的以上特点，可以看出光纤通信归属于光通信和有线通信的范畴。 1.1.2 光纤通信发展过程大体说来，光纤通信的发展经历了以下四个阶段。 1. 20 世纪 60 年代的研究探索阶段 1966 年英籍华人科学家高锟（Charles Kao）发表了名为“用于光频率的介质纤维表面波导”的论文，提出了用石英光纤做光波导进行光纤通信的新概念。该论文是打开现代光纤技术大门的钥匙，具有重要的指向性意义。 2. 20 世纪 70 年代的技术起步阶段 - 1 -

这个阶段是光纤通信能否问世的决定性阶段。这个阶段的主要工作如下：（1）研制出低损耗光纤（2）研制出小型高效的光源和低噪声的光检测器件（3）研制出高效通信实验系统 3. 20 世纪 80 年代进入商用阶段这一阶段，发达国家已在长途通信网中广泛采用光纤通信方式，并大力发展洲际海底光缆通信。我国于 1987 年前在市话中继线路上应用高效通信，1987 年开始在长途干线上应用高效通信，铺设了多条省内二级光缆干线，连通省内一些城市。从 1988 年起，我国的光纤通信系统由多模向单模发展。 4. 20 世纪 90 年代进入提高阶段这一阶段，许多国家为满足迅速增长的宽带需求，一方面继续铺设更多的光缆。另一方面，一些国家还不断努力研制新器件和开发新技术，用来提高光纤的信息运载量。20 世纪 90 年代也是我国光纤通信的大发展时期。 1.1.3 光纤通信的优点 1. 速率高，传输信息量大 2. 损耗低，传输距离远 3. 抗干扰能力强，保密性好 4. 耐腐蚀、耐高温、防爆，可在恶劣环境中工作 5. 重量轻、体积小，便于线路施工 1.2 光纤通信系统的构成及分类 1.2.1 光纤通信系统的基本构成光纤通信系统的主要组成部分包括光纤、光发送器、光接收器、光中继器和适当的接口设备等。其中，光发送器的功能是将来自用户端的电信号转化成为光信号，然后入射到光纤内传输。光接收器的功能是将光纤传送过来的光信号转换成为电信号，然后送往用户端。光中继器用来增大光的传输距离，它将经过光纤传输后有大衰减和畸变的光信号变成没有衰减柯畸变的光信号，再继续输入光纤内传输。实际中，光发送器和光接收器安放在同一机架中，合称为光纤传输终端设备，简称光端机。 1.2.2 光纤通信系统分类 1. 按传输信号划分（1）光纤模拟通信系统（2）光纤数字通信系统 2. 按光波和光纤类型划分（1）短波长（0.85um）多模光纤通信系统 - 2 -

（2）长波长光纤通信系统 3. 按调制方式划分（1）直接强度调制光纤通信系统（2）外调制光纤通信系统（3）外差光纤通信系统 4. 按传输速率划分（1）低速光纤通信系统（2）中速光纤通信系统（3）高速光纤通信系统 5. 按应用范围划分（1）公用光纤通信系统（2）专用光纤通信系统 6. 按数字复接类型（即速率转换制式）划分（1）准同步数字系列（PHD）光纤通信系统（2）同步数字系列（SDH）光纤通信系统第 2 章光纤 2.1 光纤的基本概念 2.1.1 光纤基本结构光纤是由纤芯、包层、涂覆层和护套构成的一种同心圆柱体结构。其中，纤芯位于圆柱体的最内层，是传光的基本通道。纤芯外层是包层，用来将光波约束在纤芯内传播。护套则在涂覆层之外构成圆柱体的最外层，起保护作用。纤芯和包层是由透明介质材料构成的。 2.1.2 光纤分类 1. 按纤芯和包层材料划分按照纤芯和包层材料的不同，光纤可分为石英光纤和塑料光纤。 2. 按光纤折射率分布特点划分按照光纤折射率分布特点的不同，光纤主要分为阶跃光纤和渐变光纤。 3. 按光波模式（即电磁波类型）划分按照纤芯内光波模式的不同，光纤可分为多模光纤和单模光纤。 2.1.3 光缆结构及类型 1. 光缆结构光缆基本上由缆芯、加强构件、光缆护套、填料、铠装等部分构成。 2. 光缆类型 - 3 -

（1）按敷设方式光缆可分为架空光缆、管道光缆、直埋光缆、水下光缆（海底光缆）、室内光缆等。（2）按缆芯可分为光纤束光缆和光纤带光缆（3）按加强构件材料分为金属加强构件光缆和无金属光缆。（4）按加强构件位置可分为集中型加强构件和分布型加强构件。（5）按有无铠装可分为简式光缆和铠装光缆。 2.2 光纤传感原理 2.2.1 光纤传感器的优点光纤传感器是用光而不是用电来作为敏感信息的载体；用光纤而不是用导线来作为传递敏感信息的媒质；因此光纤传感器同时具有光纤及光学测量的一些极宝贵的双重优点。光纤传感器与传统传感器相比具有如下优点： 1.灵敏度高；（光学测量的优点） 2.耐高压、耐腐蚀、阻燃防暴、抗电磁干扰；（光纤是电介质，电绝缘性好） 3.无源器件，对被测对象不产生影响（本质安全）； 4.频带宽； 5.柔软纤细绕曲性好；（任意形状的光纤排列，有利于航空、航天以及狭窄空间的应用） 6.体积小、质量轻、耗电少； 7.易于对被测信号的远距离监控，便于连网。 2.2.2 光纤传感器的基本工作原理将一个稳定光源发出的光经光纤送入到测量现场（调制区），在该调制区内，外界被测量与进入调制区的光波相互作用，使光波的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位和偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，然后由同一根光纤或另一根光纤送到光探测器，把光信号转化成电信号。之后经过放大、滤波、信号解调等信号处理电路而获得被测量。光纤传感器的构成框图从光纤传感器的基本工作原理不难看出光纤传感器的基本构成如下： - 4 -

2.3 光纤传感器的分类 2.3.1 光纤传感器的分类（三种方式） 1.按光纤在传感器中所起的作用分类（1）功能型光纤传感器（FF）（Function fiber optic sensor) （2）非功能型光纤传感器（NF）( Non- function fiber optic sensor） 2.按光受被测对象调制的形式分类（1）强度调制型光纤传感器（2）偏振调制型光纤传感器（3）频率调制型光纤传感器（4）波长调制型光纤传感器（5）相位调制型光纤传感器（6）时分调制型光纤传感器 3.按测量对象分类光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤流量传感器、光纤电流传感器、光纤磁场传感器、光纤应变传感器、光纤位移传感器等等。光纤传感器所用光纤种类繁多，单模、多模、大芯径、多芯；石英光纤、塑料光纤；低、高双折射；特殊参杂、特殊芯结构、特殊涂敷光纤；色散位移光纤（零色散、零损耗窗口）等等。光纤传感系统中所用器件，很多都已产品化，如 PC、FC、光纤耦合器、相移器。 2.3.2 功能型光纤传感器利用光纤本身的特性，使光纤在其中不仅充当导光媒质，而且也是外界信息的敏感元件。光在光纤内受被测量调制，它是将传和感在光纤内合为一体的传感器。所以又称传感型或内调制型光纤传感器。在这类传感器中，光纤是连续的，因此也称全光纤型光纤传感器。它的优点是结构紧凑、灵敏度高，有极好的应用前景。往往需要特殊光纤（或加工处理）作探头。功能型光纤传感器框图光纤智能皮肤、光纤陀螺、光纤电流传感器等 - 5 -

2.3.3 非功能型光纤传感器利用光纤以外的其它敏感元件感受被测量的变化，光纤在其中仅作为光的传输介质来传送来自远处或难以接近场所的光信号。因此也称传光型或外调制型光纤传感器。光纤在调制区是不连续的，中断部分接上其它介质的敏感元件。这类传感器一般无需特殊光纤，结构简单、可靠，易实现、成本低。非功能型光纤传感器框图光纤气体传感器、光纤速度传感器、光纤麦克风、光纤角度、粗糙度、滑觉传感器等。 2.3.4 强度调制型光纤传感器利用被测对象的变化引起敏感元件（可以是光纤）的折射率、吸收、反射参数（角度）的变化，或对光路产生一定程度的遮挡，从而导致接收光纤中的光强度变化来实现敏感测量的光纤传感器。它是最早使用的调制方式。优点：结构简单、易实现、成本低缺点：需要设强度参考光路，补偿因光源强度漂移和连接器损耗不稳定等因素的影响。 - 6 -

2.3.5 偏振调制型光纤传感器通过某些物理效应，改变光波的偏振态，进而传递被测对象信息的光纤传感器。优点：灵敏度高缺点：光纤中的光必须是偏振光，光纤必须是保偏光纤。例如利用法拉第效应的电流、磁场传感器；利用光弹效应的压力、振动、声传感器等。 2.3.6 频率调制型光纤传感器利用由被测对象引起的光波频率的变化来测量外界物理量的光纤传感器。例如利用光学多普勒的光纤速度、流速、振动、加速度传感器。利用物质受强光照射时的拉曼散射现象构成的气体传感器等。 - 7 -

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