[科普中国]-光纤传输

光纤传输，即以光导纤维为介质进行的数据、信号传输。光导纤维，不仅可用来传输模拟信号和数字信号，而且可以满足视频传输的需求。光纤传输一般使用光缆进行，单根光导纤维的数据传输速率能达几Gbps，在不使用中继器的情况下，传输距离能达几十公里。

发展阶段纵观国内外配线系统的发展，我们可看出这样三个阶段：

双绞线阶段在这个阶段语音同大规模数据通信不能混用也适应这样的数据通信。

电缆+双绞线它能满足用户的大量数据传输和视频的需求，但需要更多的接入设备，造价相对提高许多，且不易今后的扩展需求。

光纤阶段即我们所说的最终阶段，在此时，各相应附属设备更完善，数据处理能力更强，扩展性更好。发展也特别快，接入设备价格有所调整，可以说这是一步到位的综合通信阶段。分析光纤中光的传输，可以用两种理论：射线光学（即几何光学）理论和波动光学理论。射线光学理论是用光射线去代替光能量传输路线的方法，这种理论对于光波长远远小于光波导尺寸的多模光纤是容易得到简单而直观的分析结果的，但对于复杂问题，射线光学只能给出比较粗糙的概念。

波动光学是把光纤中的光作为经典电磁场来处理，因此，光场必须服从麦克斯韦方程组及全部边界条件。从波动方程和电磁场的边界条件出发，可以得到全面、正确的解析或数字结果，给出波导中容许的场结构形式（即模式）。1

产品优势光纤是传输讯号极为方便的一种工具，缆线其中一根纤细的光蕊，就可以取代上千条以上的实体的通讯线路，完成大量及长距离的通讯工作。光纤传输的8大优势如下：

1、灵敏度高，不受电磁噪声之干扰。

2、体积小、重量轻、寿命长、价格低廉。

3、绝缘、耐高压、耐高温、耐腐蚀，适于特殊环境之工作。

4、几何形状可依环境要求调整，讯号传输容易。

5、高带宽，通讯量大衰减小，传输距离远。

6、讯号串音小，传输质量高。

7、保密性高。

8、便于敷设及搬运原料。

优点光缆传输的实现与发展形成了它的几个优点。相对于铜线每秒1.54MHZ的速率，光纤网络的运行速率达到了每秒2.5GB。从带宽看，很大的优势是：光纤具有较大的信息容量，这意味着能够使用尺寸很小的电缆，将来就不用更新或增强传输光缆中信号。光纤电缆对诸如无线电、电机或其他相邻电缆的电磁噪声具有较大的阻抗，使其免于受电噪声的干扰。从长远维护角度来看，光缆最终的维护成本会非常低。光纤使用光脉冲沿光线路传输信息，以替代使用电脉冲沿电缆传输信息。在系统的一端是发射机，是信息到光纤线路的起始点。发射机接收到的已编码电子脉冲信息来自于铜线电缆，然后将信息处理并转换成等效的编码光脉冲。使用发光二极管或注入式激光器产生光脉冲，同时采用透镜，将光脉冲集中到光纤介质，使光脉冲沿线路在光纤介质中传输。由内部全反射原理可知，光脉冲很容易沿光纤线路运动，光纤内部全反射原理说明了当入射角超过临界值时，光就不能从玻璃中溢出；相反，光纤会反射回玻璃内。应用这一原理制作光纤的多芯电缆，使得以光脉冲形式沿光线路传输信息成为可能。光纤传输具有衰减小、频带宽、抗干扰性强、安全性能高、体积小、重量轻等优点，所以在长距离传输和特殊环境等方面具有无法比拟的优势。传输介质是决定传输损耗的重要因素，决定了传输信号所需中继的距离，光纤作为光信号的传输介质具有低损耗的特点，光纤的频带可达到1.0GHz以上，一般图像的带宽只有8MHz，一个通道的图象用一芯光纤传输绰绰有余，在传输语音、控制信号或接点信号方面更为优势。光纤传输中的载波是光波，光波是频率极高的电磁波，远远比电波通讯中所使用的频率高，所以不受干扰。且光纤采用的玻璃材质，不导电，不会因断路、雷击等原因产生火花，因此安全性强，在易燃，易爆等场合特别适用。

组成部分

光源(又称光发送机)，传输介质、检测器(又称光接收机)。计算机网络之间的光纤传输中，光源和检测器的工作一般都是用光纤收发器完成的，光纤收发器简单的来说就是实现双绞线与光纤连接的设备，其作用是将双绞线所传输的信号转换成能够通过光纤传输的信号(光信号)。当然也是双向的，同样能将光纤传输的信号转换能够在双绞线中传输的信号，实现网络间的数据传输。在普通的视、音频、数据等传输过程中，光源和检测器的工作一般都是由光端机完成的，光端机就是将多个E1信号变成光信号并传输的设备，所谓E1是一种中继线路数据传输标准，我国和欧洲的标准速率为2.048Mbps，光端机的主要作用就是实现电一光、光一电的转换。由其转换信号分为模拟式光端机和数字式光端机。因此，光纤传输系统按传输信号可分为数字传输系统和模拟传输系统。模拟传输系统是把光强进行模拟调制，将输入信号变为传输信号的振幅(频率或相位)的连续变化。数字传输系统是把输入的信号变换成“1”，“O”脉冲信号，并以其作为传输信号，在接受端再还原成原来的信号。当然，随着光纤传输信号的不同所需要的设备有所不同。光纤作为传输介质，是光纤传输系统的重要因素。可按不同的方式进行分类：按照传输模式来划分： 光线只沿光纤的内芯进行传输， 只传输主模我们称之为单模光纤(Single—Mode)。有多个模式在光纤中传输，我们称这种光纤为多模光纤(Multi-Mode)。

按照纤芯直径来划分：缓变型多模光纤、缓变增强型多模光纤和缓变型单模光纤按照光纤芯的折射率分布来划分：阶跃型光纤(Step index fiber)，简称SIF；梯度型光纤(Graded index fiber)，简称GIF；环形光纤（river fiber)；W型光纤。

光缆：点对点光纤传输系统之间的连接通过光缆。光缆含1根光纤(称单纤)，有2根光纤(称双纤)，或者更多。2

传输过程是由发光二极管LED或注入型激光二极管ILD发出光信号沿光媒体传播，在另一端则有PIN或APD光电二极管作为检波器接收信号。对光载波的调制为移幅键控法，又称亮度调制（Intensity Modulation）。典型的做法是在给定的频率下，以光的出现和消失来表示两个二进制数字。发光二极管LED和注入型激光二极管ILD的信号都可以用这种方法调制，PIN和ILD检波器直接响应亮度调制。

功率放大:将光放大器置于光发送端之前，以提高入纤的光功率。使整个线路系统的光功率得到提高。在线中继放大:建筑群较大或楼间距离较远时，可起中继放大作用，提高光功率。前置放大:在接收端的光电检测器之后将微信号进行放大，以提高接收能力。

传输材料综合布线系统中使用的光纤为玻璃多模850nm波长的LED，传输率为100Mbps，有效范围约20Km.其纤芯和包层由两种光学性能不同的介质构成。内部的介质对光的折射率比环绕它的介质的折射率高。由物理学可知，在两种介质的界面上，当光从折射率高的一侧射入折射率低的一侧时，只要入射角度大于一个临界值，就会发生反射现象，能量将不受损失。这时包在外围的覆盖层就象不透明的物质一样，防止了光线在穿插过程中从表面逸出。

生产的光纤，无论是玻璃介质还是塑料介质，都可传输全部可见光和部分红外光谱。用光纤做的光缆有多种结构形式。短距离用的光缆主要有两种：

一种层结构光缆是在中心加钢丝或尼龙丝，外束有若干根光纤，外面在加一层塑料护套；

另一种是高密度光缆，它有多层丝带叠合而成，每一层丝带上平行敷设了一排光纤。

传输特性光缆不易分支，因为传输的是光信号，所以一般用于点到点的连接。光的总线拓扑结构的实验性多点系统已经建成，但是价格还太贵。原则上，由光纤功率损失小、衰减少，有较大的带宽潜力，因此，一般光纤能够支持的接头数比双绞线或同轴电缆多得多。低价可靠的发送器为0.85um波长发光二极管LED，能支持100Mbps的传输率和1.5～2KM范围内的局域网。激光二极管的发送器成本较高，且不能满足百万小时寿命的要求。运行在0.85um波长的发光二极管检波器PIN也是低价的接收器。

雪崩光二极管的信号增益比PIN大，但要用20～50V的电源，而PIN检波器只需用5V电源。如果要达到更远距离和更高速率，则可用1.3um波长的系统，这种系统衰减很小，但要比0.85um波长系统贵源。另外,与之配套的光纤连接器也很重要，要求每个连接器的连接损耗低于25dB，易于安装，价格较低。光纤的芯子和孔径愈大，从发光二极管LED接收的光愈多，其性能就愈好。芯子直径为100um，包层直径为140um 的光纤，可提供相当好的性能。其接收的光能比62.5/125um光纤的多4dB，比50/125um光纤多8.5dB。运行在0.8um波长的光纤衰减为6dB/Km，运行在1.3um波长的光纤衰减为4dB/Km。0.8um的光纤频宽为150MHz/Km，1.3um的光纤频宽为500MHz/Km。

综合布线系统中，主干线使用光纤做为传输介质是十分合适的，而且是必要的。

采用一种光波波分复用技术WDM（WAVELENGTH DIVISION MULTI-PLEXING），可以在一条线路上复用、发送、传输多个位，一般按一个字节八位并行传输，对每个位流使用不同的波长，所以它所需的支持电路可在低速率下运行。WDM的光纤链路适合于字节宽度的设备接口，是一种新的数据传输系统。3

传输损耗光纤的传输损耗特性是决定光网络传输距离、传输稳定性和可靠性的最重要因素之一。光纤传输损耗的产生原因是多方面的，在光纤通信网络的建设和维护中，最值得关注的是光纤使用中引起传输损耗的原因以及如何减少这些损耗。光纤使用中引起的传输损耗主要有接续损耗(光纤的固有损耗、熔接损耗和活动接头损耗)和非接续损耗(弯曲损耗和其它施工因素和应用环境所造成的损耗)两类。

传输原理光纤传输设备传输方式可简单的分成：多模光纤传输设备和单模光纤传输设备。光纤，不仅可用来传输模拟信号和数字信号，而且满足视频传输的需求。其数据传输率能达几千Mbps。如果在不使用中继器的情况下，传输范围能达到6-8km。

综观国内外配线系统的发展，我们可看出这样三个阶段：

1、双绞线阶段。在这个阶段语音同大规模数据通信不能混用也适应这样的数据通信。

2、同轴电缆 +双绞线阶段。

3、光纤阶段。

射线光学理论是用光射线去代替光能量传输路线的方法，这种理论对于光波长远远小于光波到尺寸的多模光纤是容易得到简单而直观的分析结果的，但对于复杂问题，射线光学只能给出比较粗糙的概念。

多模光纤传输设备所采用的光器件是LED，通常按波长可分为850nm和1300nm两个波长，按输出功率可分为普通LED和增强LED——ELED。多模光纤传输所用的光纤，有62.5mm和50mm两种。

在多模光纤上传输决定传输距离的主要因素是光纤的带宽和LED的工作波长，例如，如果采用工作波长1300nm的LED和50微米的光纤，其传输带宽是 400 MHz .km，链路衰减为0.7dB/km，如果基带传输频率F为150MHz，对于出纤功率为-18dBm，接收灵敏度为-25 dBm的光纤传输系统，其最大链路损耗为7 dB，则可计算：

ST连接器损耗：

2dB（两个ST连接器）

光学损耗裕量：2

则理论传输距离：

L=（7 dB-2 dB-2 dB）/0.7dB/km=4.2 km

L为传输距离，而根据光纤的带宽计算：

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

其中 B为光纤带宽，F为基带传输频率，那么实际传输测试时，L￡2.6km，由此可见，决定传输距离的主要因素是多模光纤的带宽。

1、单模传输设备

单模传输设备所采用的光器件是LD，通常按波长可分为850nm和1300nm两个波长，按输出功率可分为普通LD、高功率LD、DFB-LD（分布反馈光器件）。单模光纤传输所用的光纤最普遍的是G.652，其线径为9微米。

1310nm波长的光在G.652光纤上传输时，决定其传输距离限制的是衰减因数；因为在1310nm波长下，光纤的材料色散与结构色散相互抵消总的色散为0，在1310nm波长上有微小振幅的光信号能够实现宽频带传输。

1550nm波长的光在G.652光纤上传输时衰减因数很小，单纯从衰减因数考虑，1550nm波长的光在相同的光功率下传输的距离大于1310nm波长的光下的传输的距离，但是实际情况并非如此，单模光纤带宽B与色散因数D的关系为：

B=132.5/（DlxDxL）GHz

其中L为光纤的长度，Dl为谱线宽度，对于1550nm波长的光，其色散因数如表3为20 ps/（nm .km)，假设其光谱宽度等于1nm，传输距离为L=50公里，则有：

B=132.5/（DxL）GHz=132.5MHz

也就是说，对于模拟波形，采用1550nm波长的光，当传输距离为50公里时，传输带宽已经小于132.5 MHz，如果基带传输频率F为150MHz，那么传输距离已经小于50km，况且实际应用中，光源的谱线宽度往往大于1nm。

从上式可以看出，1550nm波长的光在G.652光纤上传输时决定其传输距离限制的主要是色散因数。

2、单模

DVI光纤延长器：(可传输HDMI音视频信号)T803-15KM-T (TX) / T803-15KM-R (RX)，产品致力于解决传统铜线电缆DVI连接线传输距离受限制的问题，采用2芯LC单模光纤传输R、G、B信号及数据时钟Clock信号，在分辨率高达1920×1200@60Hz的情况下,可以延伸传输距离到15千米。具有EDID读写功能，可以将显示器里的EDID存储内容读出并写到DVI发射模块T803-15KM-T(TX)中，使其能够适应不同分辨率的显示器系统。

远距离信号传输光纤传输的优势

市面上主要的视频传输线有单根导线、双绞线、同轴电缆等，不论任何的电缆类型，它们都是作为信号传输的一种导体。这些不同类型的电缆，在传输不同信号的质量表现也有区别，除了部分特殊的应用，应用于音视频传输的电缆大致以单根导线、双绞线、同轴线和光纤为主。

1、光纤几乎不存在任何衰减，只有lc或sc头自身略有衰减，而且这并不会造成距离上的影响，通常在20dB以内，完全忽略不计。除非这条光纤距离太长，例如长达2.2公里的多模光纤，在传输中就彻底没信号了，否则只要有信号，速度就是与发送端相当的。

2、抗干扰性强、零掉包率，无论在光纤周围盘绕着多么复杂的强电，传输速度始终保持一致。此外，传输过程中掉包现象的概率几乎为零，测试时200成品多模跳线作为干线，电信的软件在满机时是测不出来。

3、使用寿命很长、兼容性高，市场上一般的光纤可以用到10年甚至更久，这一点铜缆网线是无法相比的。而且兼容性很高，光纤在未来网络高速提升中，无论是1兆10兆甚至未来的万兆，10万兆，任何一条跳线都是通用的，不会像铜缆网线那样有5类6类甚至十几类，不会存在淘汰的问题。

3、新纪录

2011年3月美国洛杉矶举办的2011年光纤通讯大会（OFC2011）上展示了最新的光纤传输技术。这是德国弗朗霍夫学会海因里希-赫兹研究所与丹麦技术大学研究人员合作完成的，研究人员在长度为29公里的单一玻璃光纤线路上创造了每秒10.2Terabit(太比特)的光纤传输速率新世界纪录，其每秒传输的数据量相当于240张DVD光盘。在此之前的世界纪录是由该研究所创造的每秒2.56Terabit。

2011年12月1日，武汉邮电科学研究院宣布，高速光通信实时传输关键技术研究取得突破，在一根光纤上，用正交频分复用技术方式传输的数据量超过240Gb/秒，相当于每秒钟能适时传输240部容量为1G、长度为40分钟的高清电影，又一次刷新世界光通信领域纪录。

应用光纤通信技术应用迅速增长，自1977年光纤系统首次商用安装以来，电话公司就开始使用光纤链路替代旧的铜线系统。许多电话公司，在他们的系统中全面使用光纤作为干线结构和作为城市电话系统之间的长距离连接。提供商已开始用光纤/铜轴混合线路进行试验。这种混合线路允许在领域之间集成光纤和同轴电缆，这种被称为节点的位置，提供将光脉冲转换为电信号的光接收机，然后信号再经过同轴电缆被传送到各个家庭。作为一种通信信号传输的恰当手段，光纤稳步替代铜线是显而易见的，这些光缆在本地电话系统之间跨越很长的距离并为许多网络系统提供干线连接。

光纤是一种采用玻璃作为波导，以光的形式将信息从一端传送到另一端的技术。低损耗玻璃光纤相对于早期发展的传输介质，几乎不受带宽限制并具有独特的优势，点到点的光学传输系统由三个基本部分构成：产生光信号的光发送机、携带光信号的光缆和接收光信号的光接收机。4

单线光纤烽火科技集团武汉邮电科学院宣布：该院承担的“超高速超大容量超长距离光传输基础研究”项目取得新突破，单线光纤传输距离由1000公里增加至2240公里。

随着互联网应用的爆发性增长，世界各国都在竞相发展超高速、超大容量、超长距离的光纤传输技术，我国也将此技术列入国家973计划的重点科研项目。

在此基础上，武汉市邮科院继续完成了传输总容量17.32TB/秒、2.2亿人同时通话、传输距离达1000公里的光纤传输实验。这项实验再次长驱至2400公里，使光纤通信领域的传输容量越大、距离则越短这一世界性难题得到破解。

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学