内容简介
《光纤通信入门130问》就光纤通信的一些基本概念,以问答的方式,用通俗的语言进行了解释。
《光纤通信入门130问》共分8章,第1章回顾了光纤通信的基础知识,第2、3章分别介绍了光纤通信的传输介质——光纤光缆和组成系统的光无源器件,第4~6章分别阐述了光纤通信系统光接收/发射和中继放大技术;第7章就光纤通信系统的主要技术进行了概述,第8章回答了在光接入网中人们经常会碰到的一些问题。
《光纤通信入门130问》是一本初步了解光纤通信的入门读物和普及教材,适合具有初中文化以上水平的读者阅读;同时,对从事光纤通信系统和网络的研究教学、规划设计、管理和维护的有关人员也有一定的参考价值。
目录
前言
第1章 光纤通信概述
1.1 什么叫光纤通信?
1.2 光是电磁波吗?激光器发出的光与太阳光有什么不同?
1.3 光的本质是什么?
1.4 频率、波长和光速有什么关系?
1.5 模拟/数字信号的频率/比特率各用什么单位表示?
1.6 光在真空中传播和在玻璃中传播哪个快?
1.7 古代用光传递信息吗?
1.8 谁发明了光电话?
1.9 谁发明了激光器?
1.10 谁是光纤通信的鼻祖?
1.11 光纤通信有哪些优点?
1.12 如何组成一个光纤通信系统?
第2章 光纤通信传输介质
2.1 光纤和光缆由什么物质组成?结构如何?
2.2 插入水中的筷子为什么向上弯曲了?
2.3 水下的潜水员在什么位置看不到岸上的姑娘?何谓临界角?
2.4 当光波从折射率较大的介质以不同的入射角进入折射率较小的介质时会出现哪三种不同的情况?
2.5 光纤是怎样传光的?
2.6 什么是阶跃光纤?什么是渐变光纤?
2.7 为什么渐变多模光纤内的光线能同时到达输出端?
2.8 光线在单模光纤中传输为什么比在多模光纤中传输得快?
2.9 光纤是如何制造出来的?
2.10 光纤有损耗吗?
2.11 dBm与mW、μW如何换算?
2.12 如何用功率比表示dB值?
2.13 光纤的损耗与波长有关吗?
2.14 什么是色散?光纤色散是如何产生的?
2.15 什么是模式色散?它是如何影响系统性能的?
2.16 为什么渐变折射率多模光纤的色散比阶跃光纤的小?
第3章 光纤通信器件
3.1 什么是光纤连接器?什么是连接器跳线?
3.2 什么是光耦合器?有哪几种光耦合器?
3.3 什么是可调谐光滤波器?
3.4 什么是干涉?如何构成法布里-珀罗(F.P)谐振腔?
3.5 商用干涉滤波器的工作原理是什么?
3.6 什么是F.P干涉仪?如何构成光纤F.P干涉仪
3.7 什么是马赫-曾德尔(M.Z)滤波器?
3.8 什么是介质薄膜光滤波解复用器?
3.9 三角棱镜如何将太阳白光分解为七色光谱?
3.10 什么是波分复用器?什么是波分解复用器?棱镜如何完成波分解复用?
3.11 什么是阵列波导光栅(AWG)复用/解复用器?
3.12 什么是光交换?
3.13 什么是微机电系统(MEMS)光开关?
第4章 光纤通信光发射机
4.1 直接调制和外调制发射机有何不同?
4.2 为什么半导体晶体能够发光?
4.3 激光器(LD)和发光二极管(LED)有何不同?激光器和探测器有何本质区别?
4.4 什么是相干光?什么是非相干光?
4.5 LD激光发射的条件是什么?
4.6 LED和LD的波长特性有何不同?
4.7 什么是分布反馈(DFB)激光器
4.8 什么是光的衍射?什么是衍射光栅?
4.9 如何构成一个波长可调激光器?
4.10 模拟强度光调制和数字强度光调制有何不同?
第5章 光纤通信光接收机
5.1 光接收机的作用是什么?
5.2 光探测器的作用和原理是什么?
5.3 什么是PIN光探测器?
5.4 什么是雪崩光敏二极管(APD)?
5.5 什么是波导光探测器(WG-PD)?
5.6 数字光接收机主要由哪几部分组成?各有什么作用?
5.7 为什么接收机前置放大器特别重要?
5.8 光接收机中存在哪些噪声?什么是信噪比?
5.9 什么是比特误码率(BER)?通常数字光接收机要求的BER是多少?接收机灵敏度的定义是什么?
5.10 监测光纤通信系统性能好坏通常采用什么最直观、最简单的方法?
5.11 什么是相干探测?为什么要用相干探测?
第6章 光纤通信光中继放大器
6.1 再生中继器的功能和缺点是什么?
6.2 光放大中继器的作用是什么?
6.3 什么是掺铒光纤放大器(EDFA)?
6.4 如何构成一个EDFA?
6.5 EDFA的工作原理是什么?
6.6 EDFA有哪些应用方式?
6.7 EDFA有几种泵浦方式?哪种方式转换效率高?哪种噪声系数小?
6.8 EDFA增益频谱特性如何?
6.9 EDFA级联需要考虑哪些问题?
6.10 半导体光放大器(SOA)的工作原理是什么?
6.11 如何使LD变为SOA?
6.12 什么是分布式拉曼放大器?有何应用?与EDFA比较有何不同?
第7章 光纤通信系统
7.1 为什么要将模拟信号变为数字信号?如何变为数字信号?
7.2 有几种光复用技术?
7.3 什么是波分复用(WDW)技术?
7.4 WDM系统有哪几种网络单元?
7.5 WDM系统光线路终端(OLT)如何构成?
7.6 WDM系统光分插复用器(OADM)如何构成?
7.7 WDM系统光交叉连接器(OXC)如何构成?
7.8 WDM系统光线路放大器(OLA)如何构成?
7.9 如何让光携带声音和数字信号?
7.10 光调制器如何分类?
7.11 最常用的外调制器是什么?
7.12 如何实现频分复用(FDM)和波分复用(WDM)?
7.13 时分复用(TDM)的基本原理是什么?
7.14 电视台送到各家各户的电视节目是采用何种复用技术?
3G和4G手机信号和固定电话信号各采用何种复用技术?
7.15 SDH如何将低速信号复用映射成高速信号?
7.16 不同等级的STM.N 速率是多少?如何进行等级复用?
7.17 SDH有哪几种传输终端设备?SDH系统通常用什么结构?
7.18 ATM与 STM(SDH)有什么不同?
7.19 何谓IP?提供什么服务?IP进入光传送网有几种可能的方式?
7.2 0STM、ATM和 IP 数据分组有何不同?
7.2 1以太网如何接入互联网?
7.2 2什么是多协议标记交换(MPLS)?
7.2 3什么是通用多协议标记交换(GMPLS)?
7.2 4什么是自动交换光网络(ASON)?
7.2 5什么是光正交频分复用(O.OFDM)系统?
7.2 6什么是网络生存性?
7.2 7如何对SDH网络进行保护?
7.2 8光纤通信系统按拓扑结构如何分类?
7.2 9光纤通信网络按网径大小分成几类?
第8章 光接入网
8.1 接入网在网络建设中有什么作用?
8.2 光接入网技术是怎样演进的?
8.3 什么是三网融合? 为什么说它是接入网的发展趋势?
8.4 何谓无源光网络?目前有哪几种无源光网络?
8.5 下行复用采用哪几种技术?
8.6 上行接入采用哪几种技术? 3G和4G移动通信网络各采用何种接入技术?
8.7 为什么正交频分复用(OFDM)各副载波信号可以互不干扰而频谱利用率又高?
8.8 4G移动通信还用到哪些关键技术?
8.9 时分多址接入(TDMA)是如何实现的?
8.10 移动通信使用光纤传输吗?
8.11 什么是EPON?它与APON有什么不同?
8.12 10G EPON如何与 1G EPON兼容?
8.13 为什么PON系统上行方向均选用1260~1360nm波长的发射机,而下行方向则选用1480~1500nm波长的发射机?
8.14 为什么要提出GPON?
8.15 GPON与EPON比较有哪些优势?
8.16 GPON有哪两种传输模式?为什么GPON能够支持实时业务?
8.17 为什么要提出WDM.PON?
8.18 如何构成波长固定WDM.PON?
8.19 如何构成ONU波长可调WDM.PON?
8.20 如何构成ONU无色WDM.PON ?
8.21 与PS.PON比较WDM.PON技术上有什么优点?
8.22 什么是WDM/TDM混合无源光网络?
8.23 什么是正交频分复用PON(OFDM.PON)?
8.24 什么是射频信号光纤传输(RoF)系统?
8.25 如何将光正交频分复用(O.OFDM)技术应用到RoF无线通信网络中?
8.26 什么是光纤/电缆混合(HFC)网?
8.27 什么是ADSL接入?
8.28 如何将SDH用于接入网?
8.29 什么是大气光通信传输系统?
附录
前言/序言
《光纤通信技术概览》 前言 随着信息时代的飞速发展,数据传输的需求呈现爆炸式增长,而光纤通信技术以其高带宽、低损耗、抗干扰能力强等卓越特性,成为现代通信网络的核心骨干。从互联网的普及到5G网络的部署,再到未来物联网、人工智能等技术的落地,无一不依赖于稳定、高效的光纤通信系统。本书旨在为广大读者提供一个全面、深入的光纤通信技术概览,帮助您理解这一关键技术的原理、发展历程、关键组成部分以及未来的发展趋势。无论您是通信行业的从业者、技术爱好者,还是对现代信息技术感到好奇的读者,本书都将为您打开一扇通往光纤通信世界的大门。 第一章:光纤通信的起源与发展 光纤通信并非凭空出现,而是人类追求更快速、更可靠信息传输的必然结果。回溯历史,早期通信主要依靠电信号在铜线上传输,但其带宽有限,损耗大,难以满足日益增长的数据需求。 早期探索与理论基石: 光的波动性和电磁波的存在等物理学理论的突破,为利用光信号进行通信奠定了理论基础。早在19世纪末,就有科学家设想利用光来传递信息,例如通过闪光灯进行信号传递。 关键技术的突破: 20世纪60年代,激光器的发明为光通信提供了强大的光源。几乎与此同时,科学家们开始研究如何制造低损耗的光纤。1966年,高锟博士和霍克汉姆博士提出了光纤损耗理论,并预言可以通过控制光纤材料和结构来降低损耗,为低损耗光纤的实现指明了方向。 第一代光纤通信系统: 70年代初,首批低损耗石英光纤被制造出来,损耗水平远低于铜线。随后,第一代光纤通信系统开始出现,其速率较低(通常为几十兆比特每秒),但已经展现出比传统电通信系统的巨大优势。 技术演进与标准化: 随着技术的不断进步,光纤的性能持续提升,激光器和光电探测器的效率也日益提高。这一时期,国际标准化组织开始制定光纤通信的标准,推动了技术的互操作性和广泛应用。 迈入高速时代: 80年代和90年代,光纤通信系统经历了多次技术飞跃,速率从Gbps级别跃升至Tbps级别。多路复用技术(如波分复用WDM)的出现,使得一根光纤可以同时传输多个不同波长的光信号,极大地提高了传输容量。 现代光纤通信网络: 进入21世纪,光纤通信已经成为全球通信网络的主干。从城域网到长途骨干网,再到接入网(FTTH),光纤无处不在。高速率、大容量、低时延的光纤网络为互联网、移动通信、云计算、大数据等应用提供了坚实的基础。 第二章:光纤通信的基本原理 理解光纤通信,首先要掌握其核心原理。光纤通信的核心在于“用光来传递信息”,而这需要一系列精心设计的技术和器件来实现。 光的特性与信息编码: 光是一种电磁波,其频率、振幅、相位等特性都可以用来携带信息。在光纤通信中,信息通常被转化为电信号,然后驱动光源产生具有特定编码的光信号。常见的编码方式包括开关键控(OOK),即通过控制光的开关来表示二进制的“0”和“1”。 光纤的传输机制: 光纤是一种传输光信号的介质,其核心原理是光的全内反射。光纤由高折射率的纤芯和低折射率的包层组成。当光信号以一定的角度入射到纤芯内时,如果入射角大于临界角,光信号就会在纤芯和包层界面发生全内反射,从而沿着光纤不断向前传播,而不会发生明显的能量损失。 全内反射的条件: 关键在于光从光密介质(纤芯)射向光疏介质(包层)时,入射角大于临界角。临界角的大小取决于纤芯和包层材料的折射率。 光纤的结构: 典型光纤由纤芯(core)、包层(cladding)和涂覆层(coating)构成。纤芯是传输光信号的区域,包层起到约束光信号在纤芯中传播的作用,涂覆层则提供机械保护。 光信号的衰减与色散: 在光纤中传输过程中,光信号会不可避免地发生衰减(损耗)和失真(色散)。 衰减(Loss): 衰减是指光信号在传输过程中能量的损失,主要由材料吸收、瑞利散射、弯曲损耗等引起。选择合适的材料(如高纯度石英)和精心设计的制造工艺可以最大限度地降低衰减。 色散(Dispersion): 色散是指不同波长的光在光纤中传播速度不同,导致脉冲展宽,从而影响信号的清晰度和接收。主要的色散类型包括: 模式色散(Modal Dispersion): 存在于多模光纤中,不同模式的光沿不同路径传播,速度不同。 色散(Chromatic Dispersion): 存在于单模光纤中,由于材料折射率随波长变化(材料色散)以及导波结构随波长变化(波导色散)导致。 偏振模色散(Polarization Mode Dispersion, PMD): 由于光纤的不完美性,导致不同偏振态的光传播速度差异。 光纤的分类: 根据纤芯直径和传输模式的不同,光纤主要分为: 多模光纤(Multimode Fiber, MMF): 纤芯直径较大,可以传输多种模式的光。成本较低,易于连接,但模式色散较大,传输距离受限,常用于短距离通信,如局域网。 单模光纤(Single-mode Fiber, SMF): 纤芯直径非常小,只能传输一种模式的光。模式色散极小,传输损耗低,传输容量大,是现代长距离、高速率光纤通信系统的首选。 第三章:光纤通信系统的关键组成部分 一个完整的光纤通信系统由多个相互协作的模块组成,共同完成信息的传输。 光源(Light Source): 负责产生光信号,并根据输入电信号进行调制。 激光器(Laser Diode, LD): 具有高亮度、高方向性、高单色性,是光纤通信中最常用的光源。根据工作原理和材料不同,有多种类型的激光器,如DFB(分布式反馈)激光器、FP(法布里-珀罗)激光器等。 发光二极管(Light Emitting Diode, LED): 结构简单,成本较低,但光功率和单色性较差,常用于低速、短距离通信。 调制器(Modulator): 将电信号加载到光信号上的器件。在许多系统中,光源本身就具备调制功能(如OOK),也可以使用独立的调制器件。 光纤(Optical Fiber): 作为信息传输的通道,承载光信号的传播。前文已详细介绍。 光电探测器(Photodetector): 负责将接收到的光信号转换回电信号。 PIN光电二极管: 响应速度快,噪声较低,是常用探测器。 雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode, APD): 具有内部增益,灵敏度更高,适用于接收微弱信号。 光放大器(Optical Amplifier): 在信号传输过程中,补偿光信号的衰减,延长传输距离,而无需先将光信号转换为电信号再放大(光-电-光再生)。 掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA): 是目前最广泛使用的光放大器,工作在1.55μm波段,效率高,增益平坦。 半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier, SOA): 成本较低,易于集成,但增益和噪声性能通常不如EDFA。 复用与分波器件(Multiplexing and Demultiplexing Devices): 波分复用器(Wavelength Division Multiplexer, WDM): 将多个不同波长的光信号合并传输到同一根光纤中(上行),或将混合在一起的光信号分离成不同波长的光信号(下行)。这是大幅提升光纤传输容量的关键技术。 波分复用技术(WDM Technology): 粗波分复用(Coarse WDM, CWDM): 通道间隔较大,成本较低,可用光源和滤波技术实现。 密集波分复用(Dense WDM, DWDM): 通道间隔很小,可以在一根光纤上传输数十甚至上百个波长,传输容量巨大,是现代长途骨干网的核心技术。 光开关与光交换(Optical Switch and Optical Exchange): 用于在光域内对光信号进行路由和交换,实现灵活的网络配置和资源调度。 其他关键器件: 还包括光耦合器、光隔离器、光衰减器、光连接器、光适配器等,它们在光路的设计、连接和调试中发挥着重要作用。 第四章:现代光纤通信技术与应用 光纤通信技术仍在不断演进,并催生了众多革命性的应用。 高速率传输技术: 数字信号处理(Digital Signal Processing, DSP): 在接收端利用高性能DSP芯片对接收到的畸变信号进行补偿和恢复,极大地扩展了光纤通信系统的传输速率和距离。 相干光通信(Coherent Optical Communication): 利用光的振幅、相位和偏振等多个维度来承载信息,并采用相干检测技术,极大地提升了频谱效率和传输容量。这是当前和未来超高速光通信的主流技术。 光纤接入网(Fiber Access Network): 光纤到户(Fiber to the Home, FTTH): 将光纤直接铺设到用户家中,提供极高的带宽和优质的网络体验,是宽带接入的终极解决方案。 无源光网络(Passive Optical Network, PON): 一种利用无源分光器实现多用户共享光纤的接入技术,如GPON(Gigabit Passive Optical Network),已广泛部署。 光网络(Optical Network): 城域网(Metropolitan Area Network, MAN): 连接城市内不同区域的网络,通常采用DWDM技术实现大容量传输。 长途骨干网(Long-Haul Backbone Network): 连接不同城市或国家,是全球信息传输的高速公路。 数据中心互联(Data Center Interconnect, DCI): 连接各个数据中心,为海量数据的高速交换提供支持。 光通信在各领域的应用: 互联网与宽带接入: 支持全球互联网的运行,为家庭和企业提供高速上网服务。 移动通信(4G/5G/6G): 作为移动基站的回传和前传网络,为移动通信提供高带宽、低时延的连接。 云计算与大数据: 为数据中心之间、数据中心与用户之间提供海量数据的快速传输。 物联网(IoT): 为海量传感器和终端设备提供高效的网络连接。 科学研究与医疗: 用于大型科学实验(如粒子加速器)和远程医疗等领域。 第五章:光纤通信的未来展望 光纤通信技术的发展永无止境,未来的发展将更加激动人心。 超高速与超大容量: 随着对数据传输需求的不断增长,未来的光纤通信系统将朝着更高的传输速率(Tbps甚至Pbps级别)和更大的传输容量发展。相干光通信、先进的调制编码技术以及新的光纤结构将是关键。 人工智能与光通信的融合: AI将在网络优化、故障诊断、智能调度等方面发挥越来越重要的作用,实现更智能、更自适应的光网络。 光子集成与硅光技术: 将光电子器件集成到单个芯片上,可以减小器件尺寸,降低功耗,提高性能,降低成本,为光通信的进一步发展奠定基础。 新型光纤材料与结构: 探索具有更低损耗、更低色散或更多传输维度的新型光纤,如空芯光纤、超低损耗光纤等。 量子通信与光纤: 量子通信对传输介质的要求极高,光纤有望成为未来量子信息分发的重要载体。 绿色与可持续发展: 降低光通信系统的能耗,提高能源效率,实现可持续发展将是未来的重要研究方向。 光网络与未来应用: 随着6G通信、元宇宙、智慧城市等新兴应用的出现,对光纤通信网络的需求将更加多元化和复杂化,对网络的灵活性、可靠性和智能化提出更高要求。 结语 光纤通信技术是支撑现代社会信息化的基石,其发展历程充满了智慧与创新。本书希望通过系统性的介绍,让读者对光纤通信技术有一个全面而深刻的理解。从基础原理到关键组件,从现有应用到未来趋势,我们相信,随着技术的不断进步,光纤通信将继续引领信息时代的变革,为构建更加美好的数字未来贡献力量。