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[2008-7-16]
 
一、光纤传输

    所谓光纤传输,是指利用光导纤维(简称为"光纤")传输光波信号的一种传输方式。

    光波是属于电磁波的范畴,它服从电磁场的基本规律,而一切宏观电磁现象应遵循的基本规律又是麦克斯韦方程组。因此,光波在光导纤维中的传输一定服从麦克斯韦方程组,即电磁场的基本方程。紫外线、可见光、红外线都属于光波。光波传输是工作在近红外区,即波长是0.8~1.8μm,对应频率为167~375 THz。光纤是一种介质光波导,具有把光封闭在其中进行传输的导波结构。它是由直径大约只有0.1mm的细玻璃丝构成。由于其损耗低,所以适用于长距离传输。目前光纤最常用的有多模和单模两种,多模光纤最大的传输距离为几公里,而单模光纤传播距离可达到几十公里~上百公里,所以光纤传输的应用领域越来越广。

  二、光纤传输系统的基本组成

    根据不同的客户要求、业务种类及不同阶段技术水平的发展状况,光纤传输系统的形式可以是多种多样的。目前采用比较多的一种基本方式,即是强度调制-直接检波(IM/DD)的光纤数字传输系统。这种系统的原理方框图如下所示。由图可见,该光纤数字传输系统主要由发射光端机、光纤、接收光端机组成。

    在点对点的光纤传输系统中,信号的传输过程是:送入发射光端机的输入信号,经过码型变换以后,变成可适合在光纤中传输的码型结构,通过驱动电路对光源进行直接强度调制,使得光源输出的光功率随输入信号电流的大小而变化,即光源完成了电/光变换,将相应的光功率信号送入光纤传输;在传输系统的线路上,目前主要采用单模光纤,这是由于它具有较好的传输特性而决定的;信号到达接收端以后,首先通过光电检测器对输入的光信号进行直接检波,完成光/电变换,然后经放大、均衡、判决等一系列处理,使其恢复为原来的电信号,从而完成整个传输过程。

    在光纤传输系统中,决定中继距离的主要因素是光纤的损耗和传输宽度。通常,用光在光纤中传输单位长度上的衰减量来表示光纤的损耗,其单位是dB/km。目前实用的石英系光纤,在0.8~0.9μm波段内、损耗约为2dB/km左右;在1.31μm损耗为0.5dB/km;而在1.55μm处,损耗可降至0.2dB/km,这已接近Si02光纤损耗的理论极限值。习惯上,将0.85μm称为光纤传输的短波波长;将1.31μm和1.55μm称为光纤传输的长波波长,它们是目前光纤传输中三个实用的低损耗工作窗口。

    在数字光纤传输中,是以每一时隙中有无光信号的方式来传递信息的。因此,中继距离还要受到光纤传输带宽的限制。通常用MHz·km作为单位长度光纤传输带宽的单位。如果给出某根光纤的带宽是100 MHz·km,即说明每公里长光纤上,只允许传送100 MHz带宽的信号。距离越长,传输带宽越小,则传输容量就越小。

  三、光纤传输技术的发展趋势

    光纤传输作为现代传输的主要支柱之一,在现代电信网中起着重要的作用。光纤传输的发展趋势,可以通过以下几个方面展望。

  1、为了实现越来越大的信息容量和长距离传输,必须使用低损耗和底色散的单模光纤。
目前在传输网光缆线路中广泛使用的是G·652常规单模光纤,这种光纤对应1.55μm波长,虽然损耗最小,但色散值较大,约为18ps/(nm·km),因此,可以说常规单模光纤运用在1.55μm波长时,传输性能不理想。

    如果将零色散波长从1.31μm移位至1.55μm时,称为色散位移光纤(DSF),但这种光纤与掺铒光纤放大器(EDFA)运用在波分复用系统(WDM)中时,会由于光纤的非线性而产生四波混频,妨碍WDM的正常运用,这就意味着,光线色散为零对WDM不利。

    为了使光纤传输技术顺利地运用到波分复用系统中,应该减小光纤色散,但不允许为零,因此,设计的新型单模光纤称为非零色散光纤(NZDF),它在1.54~1.56μm范围内色散值可保持在1.0~4.0ps/(nm·km),避开了零色散区,但又保持了较小的色散值。

  利用NZDF的EDFA/MDM技术的传输系统,在实际中已经得到了广泛的应用。

  2、光纤传输系统所用光子器件,近年来也有明显发展。为了适应WDM系统的需要,近年开始研制多波长光源器件(MLS),它主要是把多路激光管排成阵列,连同一个星形耦合器制成混合集成光组件。

    对于光纤传输系统的接收端机,它的光电检测器和前置放大器,主要是向高速率或宽频带响应方向发展。PIN光电二极管经过改进仍可符合要求,对于长波长1.55μm波段使用的宽带光电检测器,在最近几年曾研制一种金属-半导体-金属的光电检测管(MSM),它是以 InP为基础的行波式分布光电检测器。据报道,这种MSM对1.55μm光波能够检测的3dB频率带宽可达到78GHz。

    FET的前置放大器有可能被高电子迁移率晶体管(HEMT)代替。有报道介绍,利用MSM检测器和HEMT前置放大的光电子集成(OEIC)工艺组成1.55μm光电接收机的频带宽度为38GHz,预计可达到60GHz。

  3、光纤传输系统中的以点到点传输的PDH系统已不能适应现代电信网的发展,因此,光纤传输向联网化发展已成为必然趋势。

    SDH是以联网为基本特征的一种全新的传输网体制,它是将复接、线路传输及交换功能集为一体,并具有强大的网络管理能力的综合信息网,目前正得到广泛应用。

    光纤接入网作为电信网的一部分,直接面向用户。通过光纤到大楼(FTTB)、光纤到路边(FTTC)、光纤到家庭(FTTH)等手段,为用户提供各种业务。随着用户对数据传输需求的快速增长,光纤接入网是当前重要的研究课题,有望FITH早日实现。

  四、光纤传输的安全性

  计算机病毒不断威胁和侵蚀着我们的系统,不仅会对信号传输造成巨大的破坏,而且还会通过链路造成潜在的攻击。非法获取或破坏计算机内部资料已成为当今国际性的问题。

    过去各种信号的传输主要是由双绞铜线或同轴电缆来实现的,自从采用了改进的信号处理技术后,系统数据的传输速度、流量和距离有了显著的提高。大家认为从这些传输媒介很容易截取信号,因此,我们在工程设计和施工中,对安全敏感的机构需要采用钢管和采取必要的电子屏蔽技术手段来使潜在的破坏降至最低。随着科技的进步与发展,人们已开发并广泛使用了一种被认为最为安全的传输媒介----光纤。

    光纤传输被广泛应用之后,人们认为安全是光纤这种媒介的固有特性,但事实远非如此,在某些方面,非法接入光纤传输系统比铜芯电缆系统更容易,而且更不易被检测到。光纤载体发射出的光包含了所有信息,用现有的设备就能捕捉到光的信息。

    因此,与一般的认识相反,光纤传输链路非常容易被私接和盗用,而这种行为不会破坏传输信号或者被使用者察觉。其中的盗用仪器在国外已商品化,私接和盗用者只需用简单的夹具将裸纤弯一个角度,即可将光纤中传输的全部信息盗用,甚至有些仪器隔着护套就可盗取光纤中的信息。

  更有效的监控、预防和处理光纤传输线路中出现的各种受损问题,预测故障的发生是保障光纤传输系统的可靠性和稳定性的关键,而且是非常重要的一项工作;由此,应运而生出目前我们使用的,国际最为先进的光纤传感技术。

  五、光纤传感技术

    光纤不仅仅用于信号的传输,而且在感应监测运用中也采用到光纤,可将光纤作为传感器或感应器。
所谓的光纤传感技术,就是将普通的传输光纤电缆变为能够对物体、音频及震动敏感反应的感应器。因此,我们可以应用这种技术形成光纤传感警戒系统,能够根据要求而随意延长光缆感应器的范围达数千公里。

六、感应系统组成

    光纤感应系统主要由电子硬件和管理软件组成。

    电子硬件包括:前端光纤感应器材(包括:末端传感器、传感光纤、起始传感器和引导光纤)、终端主控制器等器材组成。见下图所示。

  七、感应原理

    当外界干扰源的影响传感到光纤时,在光纤传输中光的部分特性就会发生变化,如果配置专门的感应测试装置就能监测到使光的特性,即衰减、相位、波长、极化、模场分布和传播时间发生变化的干扰信息。通过光的调变,使得许多事件和状态的测量成为一种可能,这些事件包括:张力、位移、损坏、破坏、震动频率、冲击、声波、温度和负载等。

  1、多模光纤移动与震动感应器

    该传感器应用光的相位移动原理来检测作用在光缆上的干扰,即用光纤做传感器。传感器中的激光器沿着多膜光纤发射一束连续的激光,这束光被传送到光纤的端点后,被一个镀金的反射器反射回来;如果没有来自于外部的移动或震动作用在光纤上,则返回的光特性就没有变化,光检测器将不对反射波产生报警信号。一旦有来自于外部的移动或震动作用在光纤上,则返回的光特性就有变化,这个变化的量取决于扰动的强度,其振幅和频率同样可以被检测到,借助软件工具就可将这些变化转变成可识别的信号,进而触发报警。

  2、单模光纤微应变/定位传感器

  1)微应变传感器

    微应变传感技术是基于"光的干涉"原理,通常使用两根单膜光纤来测量微应变,构成用于测量光的干涉波的传感器,比移动与震动传感器灵敏100~1000倍。

    激光器向光纤发射连续的激光束,如果光纤没有受到外界的扰动,如运动、声波和触动,或者两根光纤同步受到相同的干扰,反射回的光不会发生变化;如果光纤受到外界的扰动,反射回光的波形将会发生变化,并产生干涉图像,光检测器可检测到这一波形的变化,而且通过软件可以分辩出事件的真实情况,经处理后可检测出干扰强度与位置。

    相干激光器发射是连续波激光束,光纤传感器的频率响应范围从0Hz~1Mz,通常情况下只需1 Hz~100K Hz。这项技术可以用来检测动态应变,而响应时间在毫秒级。

  2)定位传感器

    定位传感器技术可以与微应变传感器结合,但需要增加一根光纤来实现。一个典型的系统通常需要三根光纤,两根用于微应变传感器,一根用于定位传感器。

    激光器向光纤发射激光,激光分别通过"干涉传感器"的一个臂和装有光纤传感系统技术的终端单元。

    为了精确定位,需要将光纤的长度信息装定在软件中,系统的定位精度在±50米之内。

  八、感应技术的应用

  光纤感应技术可以广泛的应用在下列场合和领域:

   敏感传输电缆的监控和保安。

   管道监控,减少外部破坏和灾害的发生。

   敏感场所的保安,如监狱、国防设施等。

   监控管道流量。

   通过检测铁轨或车轮的损坏情况来减少铁路灾害的风险。

   通过称量运动中车辆的重量来帮助管理运输系统。

   通过监控桥梁和建筑的结构完整性来保障桥梁和建筑的安全。

   监控飞行器和太空飞行工具的应力。

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