光纖傳輸

縱觀國內外配線系統的發展，可看出這樣三個階段：

在這個階段語音同大規模數據通信不能混用也適應這樣的數據通信。

它能滿足用戶的大量數據傳輸和視頻的需求，但需要更多的接入設備，造價相對提高許多，且不易今後的擴展需求。

即人們所說的最終階段，在此時，各相應附屬設備更完善，數據處理能力更強，擴展性更好。發展也特別快，接入設備價格有所調整，可以說這是一步到位的綜合通信階段。分析光纖中光的傳輸，可以用兩種理論：射線光學（即幾何光學）理論和波動光學理論。射線光學理論是用光射線去代替光能量傳輸路線的方法，這種理論對於光波長遠遠小於光波導尺寸的多模光纖是容易得到簡單而直觀的分析結果的，但對於複雜問題，射線光學只能給出比較粗糙的概念。

波動光學是把光纖中的光作為經典電磁場來處理，因此，光場必須服從麥克斯韋方程組及全部邊界條件。從波動方程和電磁場的邊界條件出發，可以得到全面、正確的解析或數字結果，給出波導中容許的場結構形式（即模式）。

光纖是傳輸訊號極為方便的一種工具，纜線其中一根纖細的光蕊，就可以取代上千條以上的實體的通訊線路，完成大量及長距離的通訊工作。光纖傳輸的8大優勢如下：

1、靈敏度高，不受電磁雜訊之干擾。

2、體積小、重量輕、壽命長、價格低廉。

3、絕緣、耐高壓、耐高溫、耐腐蝕，適於特殊環境之工作。

4、幾何形狀可依環境要求調整，訊號傳輸容易。

5、高帶寬，通訊量大衰減小，傳輸距離遠。

6、訊號串音小，傳輸質量高。

7、保密性高。

8、便於敷設及搬運原料。

光纜傳輸的實現與發展形成了它的幾個優點。相對於銅線每秒1.54MHZ的速率，光纖網路的運行速率達到了每秒2.5GB。從帶寬看，很大的優勢是：光纖具有較大的信息容量，這意味著能夠使用尺寸很小的電纜，將來就不用更新或增強傳輸光纜中信號。光纖電纜對諸如無線電、電機或其他相鄰電纜的電磁雜訊具有較大的阻抗，使其免於受電雜訊的干擾。從長遠維護角度來看，光纜最終的維護成本會非常低。光纖使用光脈衝沿光線路傳輸信息，以替代使用電脈衝沿電纜傳輸信息。在系統的一端是發射機，是信息到光纖線路的起始點。發射機接收到的已編碼電子脈衝信息來自於銅線電纜，然後將信息處理並轉換成等效的編碼光脈衝。使用發光二極體或注入式激光器產生光脈衝，同時採用透鏡，將光脈衝集中到光纖介質，使光脈衝沿線路在光纖介質中傳輸。由內部全反射原理可知，光脈衝很容易沿光纖線路運動，光纖內部全反射原理說明了當入射角超過臨界值時，光就不能從玻璃中溢出；相反，光纖會反射回玻璃內。應用這一原理製作光纖的多芯電纜，使得以光脈衝形式沿光線路傳輸信息成為可能。光纖傳輸具有衰減小、頻帶寬、抗干擾性強、安全性能高、體積小、重量輕等優點，所以在長距離傳輸和特殊環境等方面具有無法比擬的優勢。傳輸介質是決定傳輸損耗的重要因素，決定了傳輸信號所需中繼的距離，光纖作為光信號的傳輸介質具有低損耗的特點，光纖的頻帶可達到1.0GHz以上，一般圖像的帶寬只有8MHz，一個通道的圖象用一芯光纖傳輸綽綽有餘，在傳輸語音、控制信號或接點信號方面更為優勢。光纖傳輸中的載波是光波，光波是頻率極高的電磁波，遠遠比電波通訊中所使用的頻率高，所以不受干擾。且光纖採用的玻璃材質，不導電，不會因斷路、雷擊等原因產生火花，因此安全性強，在易燃，易爆等場合特別適用。

組成部分

光源(又稱光發送機)，傳輸介質、檢測器(又稱光接收機)。計算機網路之間的光纖傳輸中，光源和檢測器的工作一般都是用光纖收發器完成的，光纖收發器簡單的來說就是實現雙絞線與光纖連接的設備，其作用是將雙絞線所傳輸的信號轉換成能夠通過光纖傳輸的信號(光信號)。當然也是雙向的，同樣能將光纖傳輸的信號轉換能夠在雙絞線中傳輸的信號，實現網路間的數據傳輸。在普通的視、音頻、數據等傳輸過程中，光源和檢測器的工作一般都是由光端機完成的，光端機就是將多個E1信號變成光信號並傳輸的設備，所謂E1是一種中繼線路數據傳輸標準，中國和歐洲的標準速率為2.048Mbps，光端機的主要作用就是實現電一光、光一電的轉換。由其轉換信號分為模擬式光端機和數字式光端機。因此，光纖傳輸系統按傳輸信號可分為數字傳輸系統和模擬傳輸系統。模擬傳輸系統是把光強進行模擬調製，將輸入信號變為傳輸信號的振幅(頻率或相位)的連續變化。數字傳輸系統是把輸入的信號變換成“1”，“O”脈衝信號，並以其作為傳輸信號，在接受端再還原成原來的信號。當然，隨著光纖傳輸信號的不同所需要的設備有所不同。光纖作為傳輸介質，是光纖傳輸系統的重要因素。可按不同的方式進行分類：按照傳輸模式來劃分：光線只沿光纖的內芯進行傳輸，只傳輸主模人們稱之為單模光纖(Single—Mode)。有多個模式在光纖中傳輸，人們稱這種光纖為多模光纖(Multi-Mode)。

按照纖芯直徑來劃分：緩變型多模光纖、緩變增強型多模光纖和緩變型單模光纖按照光纖芯的折射率分佈來劃分：階躍型光纖(Step index fiber)，簡稱SIF；梯度型光纖(Graded index fiber)，簡稱GIF；環形光纖（river fiber)；W型光纖。

光纜：點對點光纖傳輸系統之間的連接通過光纜。光纜含1根光纖(稱單纖)，有2根光纖(稱雙纖)，或者更多。

是由發光二極體LED或注入型激光二極體ILD發出光信號沿光媒體傳播，在另一端則有PIN或APD光電二極體作為檢波器接收信號。對光載波的調製為移幅鍵控法，又稱亮度調製（Intensity Modulation）。典型的做法是在給定的頻率下，以光的出現和消失來表示兩個二進位數字。發光二極體LED和注入型激光二極體ILD的信號都可以用這種方法調製，PIN和ILD檢波器直接響應亮度調製。

功率放大：將光放大器置於光發送端之前，以提高入纖的光功率。使整個線路系統的光功率得到提高。在線中繼放大：建築群較大或樓間距離較遠時，可起中繼放大作用，提高光功率。前置放大：在接收端的光電檢測器之後將微信號進行放大，以提高接收能力。

綜合布線系統中使用的光纖為玻璃多模850nm波長的LED，傳輸率為100Mbps，有效範圍約20Km.其纖芯和包層由兩種光學性能不同的介質構成。內部的介質對光的折射率比環繞它的介質的折射率高。由物理學可知，在兩種介質的界面上，當光從折射率高的一側射入折射率低的一側時，只要入射角度大於一個臨界值，就會發生反射現象，能量將不受損失。這時包在外圍的覆蓋層就象不透明的物質一樣，防止了光線在穿插過程中從表面逸出。

生產的光纖，無論是玻璃介質還是塑料介質，都可傳輸全部可見光和部分紅外光譜。用光纖做的光纜有多種結構形式。短距離用的光纜主要有兩種：

一種層結構光纜是在中心加鋼絲或尼龍絲，外束有若干根光纖，外面在加一層塑料護套；

另一種是高密度光纜，它有多層絲帶疊合而成，每一層絲帶上平行敷設了一排光纖。

光纜不易分支，因為傳輸的是光信號，所以一般用於點到點的連接。光的匯流排拓撲結構的實驗性多點系統已經建成，但是價格還太貴。原則上，由光纖功率損失小、衰減少，有較大的帶寬潛力，因此，一般光纖能夠支持的接頭數比雙絞線或同軸電纜多得多。低價可靠的發送器為0.85um波長發光二極體LED，能支持100Mbps的傳輸率和1.5～2KM範圍內的區域網。激光二極體的發送器成本較高，且不能滿足百萬小時壽命的要求。運行在0.85um波長的發光二極體檢波器PIN也是低價的接收器。

雪崩光二極體的信號增益比PIN大，但要用20～50V的電源，而PIN檢波器只需用5V電源。如果要達到更遠距離和更高速率，則可用1.3um波長的系統，這種系統衰減很小，但要比0.85um波長系統貴源。另外，與之配套的光纖連接器也很重要，要求每個連接器的連接損耗低於25dB，易於安裝，價格較低。光纖的芯子和孔徑愈大，從發光二極體LED接收的光愈多，其性能就愈好。芯子直徑為100um，包層直徑為140um 的光纖，可提供相當好的性能。其接收的光能比62.5/125um光纖的多4dB，比50/125um光纖多8.5dB。運行在0.8um波長的光纖衰減為6dB/Km，運行在1.3um波長的光纖衰減為4dB/Km。0.8um的光纖頻寬為150MHz/Km，1.3um的光纖頻寬為500MHz/Km。

綜合布線系統中，主幹線使用光纖做為傳輸介質是十分合適的，而且是必要的。

採用一種光波波分復用技術WDM（WAVELENGTH DIVISION MULTI-PLEXING），可以在一條線路上復用、發送、傳輸多個位，一般按一個位元組八位并行傳輸，對每個位流使用不同的波長，所以它所需的支持電路可在低速率下運行。WDM的光纖鏈路適合於位元組寬度的設備介面，是一種新的數據傳輸系統。

光纖的傳輸損耗特性是決定光網路傳輸距離、傳輸穩定性和可靠性的最重要因素之一。光纖傳輸損耗的產生原因是多方面的，在光纖通信網路的建設和維護中，最值得關注的是光纖使用中引起傳輸損耗的原因以及如何減少這些損耗。光纖使用中引起的傳輸損耗主要有接續損耗(光纖的固有損耗、熔接損耗和活動接頭損耗)和非接續損耗(彎曲損耗和其它施工因素和應用環境所造成的損耗)兩類。

光纖傳輸設備傳輸方式可簡單的分成：多模光纖傳輸設備和單模光纖傳輸設備。光纖，不僅可用來傳輸模擬信號和數字信號，而且滿足視頻傳輸的需求。其數據傳輸率能達幾千Mbps。如果在不使用中繼器的情況下，傳輸範圍能達到6-8km。

綜觀國內外配線系統的發展，可看出這樣三個階段：

1徠、雙絞線階段。在這個階段語音同大規模數據通信不能混用也適應這樣的數據通信。

2、同軸電纜+雙絞線階段。

3、光纖階段。

射線光學理論是用光射線去代替光能量傳輸路線的方法，這種理論對於光波長遠遠小於光波到尺寸的多模光纖是容易得到簡單而直觀的分析結果的，但對於複雜問題，射線光學只能給出比較粗糙的概念。

多模光纖傳輸設備所採用的光器件是LED，通常按波長可分為850nm和1300nm兩個波長，按輸出功率可分為普通LED和增強LED——ELED。多模光纖傳輸所用的光纖，有62.5mm和50mm兩種。

在多模光纖上傳輸決定傳輸距離的主要因素是光纖的帶寬和LED的工作波長，例如，如果採用工作波長1300nm的LED和50微米的光纖，其傳輸帶寬是400MHz.km，鏈路衰減為0.7dB/km，如果基帶傳輸頻率F為150MHz，對於出纖功率為-18dBm，接收靈敏度為-25dBm的光纖傳輸系統，其最大鏈路損耗為7dB，則可計算：

ST連接器損耗：

2dB（兩個ST連接器）

光學損耗裕量：2

則理論傳輸距離：

L=（7dB-2dB-2dB）/0.7dB/km=4.2km

L為傳輸距離，而根據光纖的帶寬計算：

L=B/F=400MHz.km/150MHz=2.6km

其中B為光纖帶寬，F為基帶傳輸頻率，那麼實際傳輸測試時，L￡2.6km，由此可見，決定傳輸距離的主要因素是多模光纖的帶寬。

1、單模傳輸設備

單模傳輸設備所採用的光器件是LD，通常按波長可分為850nm和1300nm兩個波長，按輸出功率可分為普通LD、高功率LD、DFB-LD（分佈反饋光器件）。單模光纖傳輸所用的光纖最普遍的是G.652，其線徑為9微米。

1310nm波長的光在G.652光纖上傳輸時，決定其傳輸距離限制的是衰減因數；因為在1310nm波長下，光纖的材料色散與結構色散相互抵消總的色散為0，在1310nm波長上有微小振幅的光信號能夠實現寬頻帶傳輸。

1550nm波長的光在G.652光纖上傳輸時衰減因數很小，單純從衰減因數考慮，1550nm波長的光在相同的光功率下傳輸的距離大於1310nm波長的光下的傳輸的距離，但是實際情況並非如此，單模光纖帶寬B與色散因數D的關係為：

B=132.5/（DlxDxL）GHz

其中L為光纖的長度，Dl為譜線寬度，對於1550nm波長的光，其色散因數如表3為20ps/（nm.km)，假設其光譜寬度等於1nm，傳輸距離為L=50公里，則有：

B=132.5/（DxL）GHz=132.5MHz

也就是說，對於模擬波形，採用1550nm波長的光，當傳輸距離為50公里時，傳輸帶寬已經小於132.5MHz，如果基帶傳輸頻率F為150MHz，那麼傳輸距離已經小於50km，況且實際應用中，光源的譜線寬度往往大於1nm。

從上式可以看出，1550nm波長的光在G.652光纖上傳輸時決定其傳輸距離限制的主要是色散因數。

2、單模

DVI光纖延長器：(可傳輸HDMI音視頻信號)T803-15KM-T(TX)/T803-15KM-R(RX)，產品致力於解決傳統銅線電纜DVI連接線傳輸距離受限制的問題，採用2芯LC單模光纖傳輸R、G、B信號及數據時鐘Clock信號，在解析度高達1920×1200@60Hz的情況下，可以延伸傳輸距離到15千米。具有EDID讀寫功能，可以將顯示器里的EDID存儲內容讀出並寫到DVI發射模塊T803-15KM-T(TX)中，使其能夠適應不同解析度的顯示器系統。

遠距離信號傳輸光纖傳輸的優勢

市面上主要的視頻傳輸線有單根導線、雙絞線、同軸電纜等，不論任何的電纜類型，它們都是作為信號傳輸的一種導體。這些不同類型的電纜，在傳輸不同信號的質量表現也有區別，除了部分特殊的應用，應用於音視頻傳輸的電纜大致以單根導線、雙絞線、同軸線和光纖為主。

1、光纖幾乎不存在任何衰減，只有lc或sc頭自身略有衰減，而且這並不會造成距離上的影響，通常在20dB以內，完全忽略不計。除非這條光纖距離太長，例如長達2.2公里的多模光纖，在傳輸中就徹底沒信號了，否則只要有信號，速度就是與發送端相當的。

2、抗干擾性強、零掉包率，無論在光纖周圍盤繞著多麼複雜的強電，傳輸速度始終保持一致。此外，傳輸過程中掉包現象的概率幾乎為零，測試時200成品多模跳線作為幹線，電信的軟體在滿機時是測不出來。

3、使用壽命很長、兼容性高，市場上一般的光纖可以用到10年甚至更久，這一點銅纜網線是無法相比的。而且兼容性很高，光纖在未來網路高速提升中，無論是1兆10兆甚至未來的萬兆，10萬兆，任何一條跳線都是通用的，不會像銅纜網線那樣有5類6類甚至十幾類，不會存在淘汰的問題。

3、新紀錄

2011年3月美國洛杉磯舉辦的2011年光纖通訊大會（OFC2011）上展示了最新的光纖傳輸技術。這是德國弗朗霍夫學會海因里希-赫茲研究所與丹麥技術大學研究人員合作完成的，研究人員在長度為29公里的單一玻璃光纖線路上創造了每秒10.2Terabit(太比特)的光纖傳輸速率新世界紀錄，其每秒傳輸的數據量相當於240張DVD光碟。在此之前的世界紀錄是由該研究所創造的每秒2.56Terabit。

2011年12月1日，武漢郵電科學研究院宣布，高速光通信實時傳輸關鍵技術研究取得突破，在一根光纖上，用正交頻分復用技術方式傳輸的數據量超過240Gb/秒，相當於每秒鐘能適時傳輸240部容量為1G、長度為40分鐘的高清電影，又一次刷新世界光通信領域紀錄。

光纖通信技術應用迅速增長，自1977年光纖系統首次商用安裝以來，電話公司就開始使用光纖鏈路替代舊的銅線系統。許多電話公司，在他們的系統中全面使用光纖作為幹線結構和作為城市電話系統之間的長距離連接。提供商已開始用光纖/銅軸混合線路進行試驗。這種混合線路允許在領域之間集成光纖和同軸電纜，這種被稱為節點的位置，提供將光脈衝轉換為電信號的光接收機，然後信號再經過同軸電纜被傳送到各個家庭。作為一種通信信號傳輸的恰當手段，光纖穩步替代銅線是顯而易見的，這些光纜在本地電話系統之間跨越很長的距離並為許多網路系統提供幹線連接。

光纖是一種採用玻璃作為波導，以光的形式將信息從一端傳送到另一端的技術。低損耗玻璃光纖相對於早期發展的傳輸介質，幾乎不受帶寬限制並具有獨特的優勢，點到點的光學傳輸系統由三個基本部分構成：產生光信號的光發送機、攜帶光信號的光纜和接收光信號的光接收機。

烽火科技集團武漢郵電科學院宣布：該院承擔的“超高速超大容量超長距離光傳輸基礎研究”項目取得新突破，單線光纖傳輸距離由1000公里增加至2240公里。

隨著網際網路應用的爆發性增長，世界各國都在競相發展超高速、超大容量、超長距離的光纖傳輸技術，中國也將此技術列入國家973計劃的重點科研項目。

在此基礎上，武漢市郵科院繼續完成了傳輸總容量17.32TB/秒、2.2億人同時通話、傳輸距離達1000公里的光纖傳輸實驗。這項實驗再次長驅至2400公里，使光纖通信領域的傳輸容量越大、距離則越短這一世界性難題得到破解。