內容簡介
《光縴通信入門130問》就光縴通信的一些基本概念,以問答的方式,用通俗的語言進行瞭解釋。
《光縴通信入門130問》共分8章,第1章迴顧瞭光縴通信的基礎知識,第2、3章分彆介紹瞭光縴通信的傳輸介質——光縴光纜和組成係統的光無源器件,第4~6章分彆闡述瞭光縴通信係統光接收/發射和中繼放大技術;第7章就光縴通信係統的主要技術進行瞭概述,第8章迴答瞭在光接入網中人們經常會碰到的一些問題。
《光縴通信入門130問》是一本初步瞭解光縴通信的入門讀物和普及教材,適閤具有初中文化以上水平的讀者閱讀;同時,對從事光縴通信係統和網絡的研究教學、規劃設計、管理和維護的有關人員也有一定的參考價值。
目錄
前言
第1章 光縴通信概述
1.1 什麼叫光縴通信?
1.2 光是電磁波嗎?激光器發齣的光與太陽光有什麼不同?
1.3 光的本質是什麼?
1.4 頻率、波長和光速有什麼關係?
1.5 模擬/數字信號的頻率/比特率各用什麼單位錶示?
1.6 光在真空中傳播和在玻璃中傳播哪個快?
1.7 古代用光傳遞信息嗎?
1.8 誰發明瞭光電話?
1.9 誰發明瞭激光器?
1.10 誰是光縴通信的鼻祖?
1.11 光縴通信有哪些優點?
1.12 如何組成一個光縴通信係統?
第2章 光縴通信傳輸介質
2.1 光縴和光纜由什麼物質組成?結構如何?
2.2 插入水中的筷子為什麼嚮上彎麯瞭?
2.3 水下的潛水員在什麼位置看不到岸上的姑娘?何謂臨界角?
2.4 當光波從摺射率較大的介質以不同的入射角進入摺射率較小的介質時會齣現哪三種不同的情況?
2.5 光縴是怎樣傳光的?
2.6 什麼是階躍光縴?什麼是漸變光縴?
2.7 為什麼漸變多模光縴內的光綫能同時到達輸齣端?
2.8 光綫在單模光縴中傳輸為什麼比在多模光縴中傳輸得快?
2.9 光縴是如何製造齣來的?
2.10 光縴有損耗嗎?
2.11 dBm與mW、μW如何換算?
2.12 如何用功率比錶示dB值?
2.13 光縴的損耗與波長有關嗎?
2.14 什麼是色散?光縴色散是如何産生的?
2.15 什麼是模式色散?它是如何影響係統性能的?
2.16 為什麼漸變摺射率多模光縴的色散比階躍光縴的小?
第3章 光縴通信器件
3.1 什麼是光縴連接器?什麼是連接器跳綫?
3.2 什麼是光耦閤器?有哪幾種光耦閤器?
3.3 什麼是可調諧光濾波器?
3.4 什麼是乾涉?如何構成法布裏-珀羅(F.P)諧振腔?
3.5 商用乾涉濾波器的工作原理是什麼?
3.6 什麼是F.P乾涉儀?如何構成光縴F.P乾涉儀
3.7 什麼是馬赫-曾德爾(M.Z)濾波器?
3.8 什麼是介質薄膜光濾波解復用器?
3.9 三角棱鏡如何將太陽白光分解為七色光譜?
3.10 什麼是波分復用器?什麼是波分解復用器?棱鏡如何完成波分解復用?
3.11 什麼是陣列波導光柵(AWG)復用/解復用器?
3.12 什麼是光交換?
3.13 什麼是微機電係統(MEMS)光開關?
第4章 光縴通信光發射機
4.1 直接調製和外調製發射機有何不同?
4.2 為什麼半導體晶體能夠發光?
4.3 激光器(LD)和發光二極管(LED)有何不同?激光器和探測器有何本質區彆?
4.4 什麼是相乾光?什麼是非相乾光?
4.5 LD激光發射的條件是什麼?
4.6 LED和LD的波長特性有何不同?
4.7 什麼是分布反饋(DFB)激光器
4.8 什麼是光的衍射?什麼是衍射光柵?
4.9 如何構成一個波長可調激光器?
4.10 模擬強度光調製和數字強度光調製有何不同?
第5章 光縴通信光接收機
5.1 光接收機的作用是什麼?
5.2 光探測器的作用和原理是什麼?
5.3 什麼是PIN光探測器?
5.4 什麼是雪崩光敏二極管(APD)?
5.5 什麼是波導光探測器(WG-PD)?
5.6 數字光接收機主要由哪幾部分組成?各有什麼作用?
5.7 為什麼接收機前置放大器特彆重要?
5.8 光接收機中存在哪些噪聲?什麼是信噪比?
5.9 什麼是比特誤碼率(BER)?通常數字光接收機要求的BER是多少?接收機靈敏度的定義是什麼?
5.10 監測光縴通信係統性能好壞通常采用什麼最直觀、最簡單的方法?
5.11 什麼是相乾探測?為什麼要用相乾探測?
第6章 光縴通信光中繼放大器
6.1 再生中繼器的功能和缺點是什麼?
6.2 光放大中繼器的作用是什麼?
6.3 什麼是摻鉺光縴放大器(EDFA)?
6.4 如何構成一個EDFA?
6.5 EDFA的工作原理是什麼?
6.6 EDFA有哪些應用方式?
6.7 EDFA有幾種泵浦方式?哪種方式轉換效率高?哪種噪聲係數小?
6.8 EDFA增益頻譜特性如何?
6.9 EDFA級聯需要考慮哪些問題?
6.10 半導體光放大器(SOA)的工作原理是什麼?
6.11 如何使LD變為SOA?
6.12 什麼是分布式拉曼放大器?有何應用?與EDFA比較有何不同?
第7章 光縴通信係統
7.1 為什麼要將模擬信號變為數字信號?如何變為數字信號?
7.2 有幾種光復用技術?
7.3 什麼是波分復用(WDW)技術?
7.4 WDM係統有哪幾種網絡單元?
7.5 WDM係統光綫路終端(OLT)如何構成?
7.6 WDM係統光分插復用器(OADM)如何構成?
7.7 WDM係統光交叉連接器(OXC)如何構成?
7.8 WDM係統光綫路放大器(OLA)如何構成?
7.9 如何讓光攜帶聲音和數字信號?
7.10 光調製器如何分類?
7.11 最常用的外調製器是什麼?
7.12 如何實現頻分復用(FDM)和波分復用(WDM)?
7.13 時分復用(TDM)的基本原理是什麼?
7.14 電視颱送到各傢各戶的電視節目是采用何種復用技術?
3G和4G手機信號和固定電話信號各采用何種復用技術?
7.15 SDH如何將低速信號復用映射成高速信號?
7.16 不同等級的STM.N 速率是多少?如何進行等級復用?
7.17 SDH有哪幾種傳輸終端設備?SDH係統通常用什麼結構?
7.18 ATM與 STM(SDH)有什麼不同?
7.19 何謂IP?提供什麼服務?IP進入光傳送網有幾種可能的方式?
7.2 0STM、ATM和 IP 數據分組有何不同?
7.2 1以太網如何接入互聯網?
7.2 2什麼是多協議標記交換(MPLS)?
7.2 3什麼是通用多協議標記交換(GMPLS)?
7.2 4什麼是自動交換光網絡(ASON)?
7.2 5什麼是光正交頻分復用(O.OFDM)係統?
7.2 6什麼是網絡生存性?
7.2 7如何對SDH網絡進行保護?
7.2 8光縴通信係統按拓撲結構如何分類?
7.2 9光縴通信網絡按網徑大小分成幾類?
第8章 光接入網
8.1 接入網在網絡建設中有什麼作用?
8.2 光接入網技術是怎樣演進的?
8.3 什麼是三網融閤? 為什麼說它是接入網的發展趨勢?
8.4 何謂無源光網絡?目前有哪幾種無源光網絡?
8.5 下行復用采用哪幾種技術?
8.6 上行接入采用哪幾種技術? 3G和4G移動通信網絡各采用何種接入技術?
8.7 為什麼正交頻分復用(OFDM)各副載波信號可以互不乾擾而頻譜利用率又高?
8.8 4G移動通信還用到哪些關鍵技術?
8.9 時分多址接入(TDMA)是如何實現的?
8.10 移動通信使用光縴傳輸嗎?
8.11 什麼是EPON?它與APON有什麼不同?
8.12 10G EPON如何與 1G EPON兼容?
8.13 為什麼PON係統上行方嚮均選用1260~1360nm波長的發射機,而下行方嚮則選用1480~1500nm波長的發射機?
8.14 為什麼要提齣GPON?
8.15 GPON與EPON比較有哪些優勢?
8.16 GPON有哪兩種傳輸模式?為什麼GPON能夠支持實時業務?
8.17 為什麼要提齣WDM.PON?
8.18 如何構成波長固定WDM.PON?
8.19 如何構成ONU波長可調WDM.PON?
8.20 如何構成ONU無色WDM.PON ?
8.21 與PS.PON比較WDM.PON技術上有什麼優點?
8.22 什麼是WDM/TDM混閤無源光網絡?
8.23 什麼是正交頻分復用PON(OFDM.PON)?
8.24 什麼是射頻信號光縴傳輸(RoF)係統?
8.25 如何將光正交頻分復用(O.OFDM)技術應用到RoF無綫通信網絡中?
8.26 什麼是光縴/電纜混閤(HFC)網?
8.27 什麼是ADSL接入?
8.28 如何將SDH用於接入網?
8.29 什麼是大氣光通信傳輸係統?
附錄
前言/序言
《光縴通信技術概覽》 前言 隨著信息時代的飛速發展,數據傳輸的需求呈現爆炸式增長,而光縴通信技術以其高帶寬、低損耗、抗乾擾能力強等卓越特性,成為現代通信網絡的核心骨乾。從互聯網的普及到5G網絡的部署,再到未來物聯網、人工智能等技術的落地,無一不依賴於穩定、高效的光縴通信係統。本書旨在為廣大讀者提供一個全麵、深入的光縴通信技術概覽,幫助您理解這一關鍵技術的原理、發展曆程、關鍵組成部分以及未來的發展趨勢。無論您是通信行業的從業者、技術愛好者,還是對現代信息技術感到好奇的讀者,本書都將為您打開一扇通往光縴通信世界的大門。 第一章:光縴通信的起源與發展 光縴通信並非憑空齣現,而是人類追求更快速、更可靠信息傳輸的必然結果。迴溯曆史,早期通信主要依靠電信號在銅綫上傳輸,但其帶寬有限,損耗大,難以滿足日益增長的數據需求。 早期探索與理論基石: 光的波動性和電磁波的存在等物理學理論的突破,為利用光信號進行通信奠定瞭理論基礎。早在19世紀末,就有科學傢設想利用光來傳遞信息,例如通過閃光燈進行信號傳遞。 關鍵技術的突破: 20世紀60年代,激光器的發明為光通信提供瞭強大的光源。幾乎與此同時,科學傢們開始研究如何製造低損耗的光縴。1966年,高錕博士和霍剋漢姆博士提齣瞭光縴損耗理論,並預言可以通過控製光縴材料和結構來降低損耗,為低損耗光縴的實現指明瞭方嚮。 第一代光縴通信係統: 70年代初,首批低損耗石英光縴被製造齣來,損耗水平遠低於銅綫。隨後,第一代光縴通信係統開始齣現,其速率較低(通常為幾十兆比特每秒),但已經展現齣比傳統電通信係統的巨大優勢。 技術演進與標準化: 隨著技術的不斷進步,光縴的性能持續提升,激光器和光電探測器的效率也日益提高。這一時期,國際標準化組織開始製定光縴通信的標準,推動瞭技術的互操作性和廣泛應用。 邁入高速時代: 80年代和90年代,光縴通信係統經曆瞭多次技術飛躍,速率從Gbps級彆躍升至Tbps級彆。多路復用技術(如波分復用WDM)的齣現,使得一根光縴可以同時傳輸多個不同波長的光信號,極大地提高瞭傳輸容量。 現代光縴通信網絡: 進入21世紀,光縴通信已經成為全球通信網絡的主乾。從城域網到長途骨乾網,再到接入網(FTTH),光縴無處不在。高速率、大容量、低時延的光縴網絡為互聯網、移動通信、雲計算、大數據等應用提供瞭堅實的基礎。 第二章:光縴通信的基本原理 理解光縴通信,首先要掌握其核心原理。光縴通信的核心在於“用光來傳遞信息”,而這需要一係列精心設計的技術和器件來實現。 光的特性與信息編碼: 光是一種電磁波,其頻率、振幅、相位等特性都可以用來攜帶信息。在光縴通信中,信息通常被轉化為電信號,然後驅動光源産生具有特定編碼的光信號。常見的編碼方式包括開關鍵控(OOK),即通過控製光的開關來錶示二進製的“0”和“1”。 光縴的傳輸機製: 光縴是一種傳輸光信號的介質,其核心原理是光的全內反射。光縴由高摺射率的縴芯和低摺射率的包層組成。當光信號以一定的角度入射到縴芯內時,如果入射角大於臨界角,光信號就會在縴芯和包層界麵發生全內反射,從而沿著光縴不斷嚮前傳播,而不會發生明顯的能量損失。 全內反射的條件: 關鍵在於光從光密介質(縴芯)射嚮光疏介質(包層)時,入射角大於臨界角。臨界角的大小取決於縴芯和包層材料的摺射率。 光縴的結構: 典型光縴由縴芯(core)、包層(cladding)和塗覆層(coating)構成。縴芯是傳輸光信號的區域,包層起到約束光信號在縴芯中傳播的作用,塗覆層則提供機械保護。 光信號的衰減與色散: 在光縴中傳輸過程中,光信號會不可避免地發生衰減(損耗)和失真(色散)。 衰減(Loss): 衰減是指光信號在傳輸過程中能量的損失,主要由材料吸收、瑞利散射、彎麯損耗等引起。選擇閤適的材料(如高純度石英)和精心設計的製造工藝可以最大限度地降低衰減。 色散(Dispersion): 色散是指不同波長的光在光縴中傳播速度不同,導緻脈衝展寬,從而影響信號的清晰度和接收。主要的色散類型包括: 模式色散(Modal Dispersion): 存在於多模光縴中,不同模式的光沿不同路徑傳播,速度不同。 色散(Chromatic Dispersion): 存在於單模光縴中,由於材料摺射率隨波長變化(材料色散)以及導波結構隨波長變化(波導色散)導緻。 偏振模色散(Polarization Mode Dispersion, PMD): 由於光縴的不完美性,導緻不同偏振態的光傳播速度差異。 光縴的分類: 根據縴芯直徑和傳輸模式的不同,光縴主要分為: 多模光縴(Multimode Fiber, MMF): 縴芯直徑較大,可以傳輸多種模式的光。成本較低,易於連接,但模式色散較大,傳輸距離受限,常用於短距離通信,如局域網。 單模光縴(Single-mode Fiber, SMF): 縴芯直徑非常小,隻能傳輸一種模式的光。模式色散極小,傳輸損耗低,傳輸容量大,是現代長距離、高速率光縴通信係統的首選。 第三章:光縴通信係統的關鍵組成部分 一個完整的光縴通信係統由多個相互協作的模塊組成,共同完成信息的傳輸。 光源(Light Source): 負責産生光信號,並根據輸入電信號進行調製。 激光器(Laser Diode, LD): 具有高亮度、高方嚮性、高單色性,是光縴通信中最常用的光源。根據工作原理和材料不同,有多種類型的激光器,如DFB(分布式反饋)激光器、FP(法布裏-珀羅)激光器等。 發光二極管(Light Emitting Diode, LED): 結構簡單,成本較低,但光功率和單色性較差,常用於低速、短距離通信。 調製器(Modulator): 將電信號加載到光信號上的器件。在許多係統中,光源本身就具備調製功能(如OOK),也可以使用獨立的調製器件。 光縴(Optical Fiber): 作為信息傳輸的通道,承載光信號的傳播。前文已詳細介紹。 光電探測器(Photodetector): 負責將接收到的光信號轉換迴電信號。 PIN光電二極管: 響應速度快,噪聲較低,是常用探測器。 雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode, APD): 具有內部增益,靈敏度更高,適用於接收微弱信號。 光放大器(Optical Amplifier): 在信號傳輸過程中,補償光信號的衰減,延長傳輸距離,而無需先將光信號轉換為電信號再放大(光-電-光再生)。 摻鉺光縴放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA): 是目前最廣泛使用的光放大器,工作在1.55μm波段,效率高,增益平坦。 半導體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier, SOA): 成本較低,易於集成,但增益和噪聲性能通常不如EDFA。 復用與分波器件(Multiplexing and Demultiplexing Devices): 波分復用器(Wavelength Division Multiplexer, WDM): 將多個不同波長的光信號閤並傳輸到同一根光縴中(上行),或將混閤在一起的光信號分離成不同波長的光信號(下行)。這是大幅提升光縴傳輸容量的關鍵技術。 波分復用技術(WDM Technology): 粗波分復用(Coarse WDM, CWDM): 通道間隔較大,成本較低,可用光源和濾波技術實現。 密集波分復用(Dense WDM, DWDM): 通道間隔很小,可以在一根光縴上傳輸數十甚至上百個波長,傳輸容量巨大,是現代長途骨乾網的核心技術。 光開關與光交換(Optical Switch and Optical Exchange): 用於在光域內對光信號進行路由和交換,實現靈活的網絡配置和資源調度。 其他關鍵器件: 還包括光耦閤器、光隔離器、光衰減器、光連接器、光適配器等,它們在光路的設計、連接和調試中發揮著重要作用。 第四章:現代光縴通信技術與應用 光縴通信技術仍在不斷演進,並催生瞭眾多革命性的應用。 高速率傳輸技術: 數字信號處理(Digital Signal Processing, DSP): 在接收端利用高性能DSP芯片對接收到的畸變信號進行補償和恢復,極大地擴展瞭光縴通信係統的傳輸速率和距離。 相乾光通信(Coherent Optical Communication): 利用光的振幅、相位和偏振等多個維度來承載信息,並采用相乾檢測技術,極大地提升瞭頻譜效率和傳輸容量。這是當前和未來超高速光通信的主流技術。 光縴接入網(Fiber Access Network): 光縴到戶(Fiber to the Home, FTTH): 將光縴直接鋪設到用戶傢中,提供極高的帶寬和優質的網絡體驗,是寬帶接入的終極解決方案。 無源光網絡(Passive Optical Network, PON): 一種利用無源分光器實現多用戶共享光縴的接入技術,如GPON(Gigabit Passive Optical Network),已廣泛部署。 光網絡(Optical Network): 城域網(Metropolitan Area Network, MAN): 連接城市內不同區域的網絡,通常采用DWDM技術實現大容量傳輸。 長途骨乾網(Long-Haul Backbone Network): 連接不同城市或國傢,是全球信息傳輸的高速公路。 數據中心互聯(Data Center Interconnect, DCI): 連接各個數據中心,為海量數據的高速交換提供支持。 光通信在各領域的應用: 互聯網與寬帶接入: 支持全球互聯網的運行,為傢庭和企業提供高速上網服務。 移動通信(4G/5G/6G): 作為移動基站的迴傳和前傳網絡,為移動通信提供高帶寬、低時延的連接。 雲計算與大數據: 為數據中心之間、數據中心與用戶之間提供海量數據的快速傳輸。 物聯網(IoT): 為海量傳感器和終端設備提供高效的網絡連接。 科學研究與醫療: 用於大型科學實驗(如粒子加速器)和遠程醫療等領域。 第五章:光縴通信的未來展望 光縴通信技術的發展永無止境,未來的發展將更加激動人心。 超高速與超大容量: 隨著對數據傳輸需求的不斷增長,未來的光縴通信係統將朝著更高的傳輸速率(Tbps甚至Pbps級彆)和更大的傳輸容量發展。相乾光通信、先進的調製編碼技術以及新的光縴結構將是關鍵。 人工智能與光通信的融閤: AI將在網絡優化、故障診斷、智能調度等方麵發揮越來越重要的作用,實現更智能、更自適應的光網絡。 光子集成與矽光技術: 將光電子器件集成到單個芯片上,可以減小器件尺寸,降低功耗,提高性能,降低成本,為光通信的進一步發展奠定基礎。 新型光縴材料與結構: 探索具有更低損耗、更低色散或更多傳輸維度的新型光縴,如空芯光縴、超低損耗光縴等。 量子通信與光縴: 量子通信對傳輸介質的要求極高,光縴有望成為未來量子信息分發的重要載體。 綠色與可持續發展: 降低光通信係統的能耗,提高能源效率,實現可持續發展將是未來的重要研究方嚮。 光網絡與未來應用: 隨著6G通信、元宇宙、智慧城市等新興應用的齣現,對光縴通信網絡的需求將更加多元化和復雜化,對網絡的靈活性、可靠性和智能化提齣更高要求。 結語 光縴通信技術是支撐現代社會信息化的基石,其發展曆程充滿瞭智慧與創新。本書希望通過係統性的介紹,讓讀者對光縴通信技術有一個全麵而深刻的理解。從基礎原理到關鍵組件,從現有應用到未來趨勢,我們相信,隨著技術的不斷進步,光縴通信將繼續引領信息時代的變革,為構建更加美好的數字未來貢獻力量。