冷接子和快速连接器论文44450.doc
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1、引言 人类社会的一切活动都离不开资讯的传递通信,它像人的神经系统一样重要。通信是人与人之间通过某种媒体进行的信息交流与传递。从广义上说,无论采用何种方法,使用何种媒质,只要将信息从一地传送到另一地,均可称为通信。 通信又分为有线通信和无线通信。狭义上现代的有线通信是指有线电信,即利用金属导线、光纤等有形媒质传送信息的方式。光或电信号可以代表声音,文字,图象等。其中光纤通信符合了高速度、大容量、高保密等要求,但是,光纤通信能实际应用到人类传输信息中并不是一帆风顺的,其发展中经历了很多技术难关,比如光纤的连接,解决了这些技术难题,光纤通信才能进一步发展。而光纤的连接以前都是热熔,需要熔接机,特别不
2、方便,随着时间的推移,现在又发明了一种冷接子和快速连接器,他们不仅接续方便,而且速度快。为以后光纤入户提供了很多方便。第1章 概论1.1光纤的发展概况 1880年,贝尔发明了光化系统,但光通信的关键性困难光源和传光介质没有解决,所以长达80年左右的时间内,光通信没有多大的进展。 1960年美国科学家梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器,1960年贝尔实验室又发明了氦-氖激光器。 激光器的发展使光通信的研究有了进展。 对于传光介质,在20世纪60年代初出现了研究大气激光通信的热潮。这种通信方式的优点是无需敷设线路,经济方便;缺点是受自然条件的影响太大,难于实现。 在大气激光通信的研究受阻之后,又有
3、人进行地下光波通信的实验。但这种通信方式系统复杂、造价高、测试困难,也无法实现。 早在1954年,出现传光用的纤维,但衰减达1000dB/km,无法实用。1964年,高坤博士根据介质波导理论,提出光纤通信的概念。他指出:只要设法消除玻璃中的杂质,做出衰减低于20dB/km的光纤是完全可能的,光纤损耗极限还远低于这个数值。这一重大研究成果使光纤通信的研究出现了生机。所以英籍华人高坤博士被誉为“光纤通信之父”。 1970年是光纤通信史上闪光的一年。这一年美国康宁玻璃公司拉制出了20dB/km的低损耗光纤。同一年,贝尔实验室又研究成功了在室温下可连续工作的激光器。后来,光纤的损耗不断下降,1972年
4、降至4dB/km,1973年降至1dB/km,1976年降至0.5dB/km,同年美国首先在亚特兰大成功地进行了速率为44.763Mb/s、距离为10km的光纤通信系统的现场试验,使光纤通信向实用化迈进了第一步。 1980年,多模光纤通信系统投入了商用,单模光纤通信系统也进入现场试验。 1983年,美、日、德、法、英、荷、意等国都先后宣布以后不再使用电缆,而改用光缆。 随着光纤通信技术的日益发展,光缆不仅敷向海底。美、日、英联合建立的太平洋海底光缆,全长8300km,使用840Mb/s系统,连接美、日、新西兰等国。由美英法联合建设的横跨大西洋的海底光缆,全长6000km,使用560Mb/s系统
5、,1991年开通使用。 在光纤通信领域,我国用了不到15的时间,从研制至推广应用,其发展之快、应用范围之广、规模之大、所涉及学科之广是前所未有的。在世界技术革命的浪潮中,光纤数字通信技术异军突起,迅猛发展,它的发展速度超出人们的想象,光纤通信被誉为通信工具中的王牌。 光纤通信已经经历了三代。第一代使用PDH技术,那时的网络比较简单,适合于小容量传输,传输速率为2.048/8.448/34.368/139.264Mb/s;第二代使用SDH技术,是宽带传输,速率为155/622/2500Mb/s,适合于用户传输网络建设和市话传输网络建设;第三代使用SDH+DWDM技术,性能卓越,使用光中继传输,向
6、全光通信迈进了一大步,使用波分复用技术,通信容量已达10Gb/s、20Gb/s、40Gb/s、80Gb/s和320Gb/s。现在,光纤通信正在向高速率、大容量和智能化的方向发展。1.2光纤的发展现状 发展较快的几项光纤通信技术1.2.1 波分复用技术 光纤通信的多路复用技术,一开始是采用原来铜缆沿用的PCM脉冲编码调制方式,把模拟信号变换为数字信号,再应用时分多路(TDM, WTBX Time Division Multiplexing)技术组成一次群即基群2Mbit/s)、二次群(8Mbit/s)、三次群(34Mbit/s)和四次群(140Mbit/s)等,这种系列被称为准同步数字系列(PD
7、H,WTBX Plesiochronous Digital Hierarchy)。各国现有的PDH有三种系列,互不兼容,而且没有统一的标准接口规范,各个厂家生产的设备不能互通,另外还存在上下电路困难等问题。后来改用新的同步数字系列(SDH,WTBX Sychronous Digital Hierarchy),即STM-1(155Mbit/s),STM-4(622Mbit/s)和STM-16(2.5Gbit/s)等。SDH所采用的复用技术,仍然属于TDM技术。 目前,SDH系列在国内外已大量使用,我国干线上主要使用STM-16,相当于可复用3万多个话路。高于2.5Gbit/s以至更高速率的研究工
8、作已在我国和其他许多国家展开,其间碰到的最大问题是光纤色散的限制,而要克服这些限制在技术上、成本上都十分困难。因此,当前实际应用的大都只限于2.5Gbit/s,不超过10Gbit/s的传输速率。 近年来,WDM技术的进展,为光纤通信的发展开辟了另一个十分广阔的前景。WDM是在一根光纤上同时利用多个波长进行传输的技术。比如,目前我国开发的在一根光纤上同时传送8个波长系统,每个波长的速率可达2.5Gbit/s,即所谓82.5Gbit/s系统。这样,一根光纤的总速率可达20Gbit/s。若每个波长的速率为10Gbit/s,则一根光纤的总速率就可达80Gbit/s。这将大量节省光纤的数量。最近我国正在
9、全国长途骨干光缆网上进行升级改造,也就是利用WDM 82.5Gbit/s光传输系统使一对光纤可同时传送24万路电话或2400套电视节目。据报道,国外已出现206个波长的WDM系统试验样机。可见WDM技术的发展前景很好。 WDM技术的发展,不但大量节省光纤数目和以后扩容的工程费用,而且在长途干线上还可以大量节省掺铒光纤放大器(EDFA,Er-Doped Fiber Amplifier)的数目。因为目前掺铒光纤放大的带宽达30nm,足以使多个波长一起得到放大增益,不必每个波长配置单独的掺铒光纤放大器。当波长更多时,掺铒光纤放大器必须有更宽的平坦带宽增益。有资料介绍,把掺铒光纤放大器的平坦增益特性的
10、波长宽度从原来的30nm加大到80nm的研究,其意义将更大。1.2.2 光纤接入网(OAN, WTHX Optical Access Network)技术 十多年来,由于各种通信业务的迅猛发展,对通信容量的需求急剧增加,光纤干线的建设应运而起,各国先后建成全国的光缆骨干网。随后出现的问题是用户接入网仍保留着旧的铜缆网,不能适应发展需要,必须加以改造。改造的方案很多,首先考虑到的是开发利用铜缆的潜力,进一步提高其带宽来满足一定时期的需要,然后再过渡到光缆。比如,当前不少国家都在采用的线对增容系统、高比特率数字用户环路(HDSL,HighBit-Rate Digital Subscriber Lo
11、op)、不对称数字用户环路(ADSL,Asymmetric Digital Subscriber Loop)、混合光纤与同轴电缆系统(HFC, WTBX Hybrid Fiber and coaxial Cable)等等都属于一些过渡性措施,应用广泛。 近年来,Internet的崛起大大超出人们原来的估计,目前它的年增长率已达300,形成爆炸性的增长,并促使电信、计算机、有线电视等技术的融合,走向三网合一。三网合一意味着数据、话音、视像等各种业务都综合起来进行传送。这种综合必将大大促进在接入网中大量使用光纤,促进光纤用户接入网的发展,加速光纤到户(FTTH,Fiber to the Home)
12、的实现。 在实现光纤到户前,首先采用交换式数字图像(SDV, WTBX Switched Digital Video)系统是一种较好的方案。数字图像系统由一个以光源光网络(PON, WTBX Passive Optical Network)为基础的数字光纤到路边(FTTC, WTBX Fiber to the Curb )系统与一个单向的混合光纤与同轴电缆有线电视系统叠加而成。数字图像系统主干传输部分采用共缆分纤的空分复用(SDM,WTBX Space Division Multiplexing) 方式分别传送双向数字信号和单向模拟视像信号。上述两种信号由设置于路边的光网络单元(ONU, WT
13、BX Optical Network Unit)分别恢复成各自的基带信号,其中语音信号经双绞线送往用户,数字和模拟视像信号经同轴电缆送往用户。光网络单元由同轴电缆负责供电。数字图像技术的优点是数字视像和模拟视像可以兼容,较好地解决光纤到路边的供电问题,能较可靠地传送电信业务,对已有的混合光纤与同轴电缆网不必加以改造。因此,采用数字图像技术作为实现光纤到户前的过渡方案是可行的。1.2.3 全光网技术 光纤通信技术是以光纤代替电缆,以光波代替原来频率较低的电磁波发展起来的。因此,至今在光纤通信系统上仍需用大量的电信设备,甚至本来的光信号源也要变换成电信号源,然后进入光纤通信系统。在传输过程中的放大
14、、交换及接入设备终端等基本上全是电设备。这是由于电系统比较成熟、应用比较方便所造成的。但这些电设备会带来许多限制和干扰因素,而这些因素在光的系统中原本是可以避免的。 建立全光网的设想很早就提出来了,但困难很多,最关键的技术问题是解决光信号在传输过程中的损耗和光的交换问题。80年代出现了光纤放大器以后,研究工作的进展就比较快了。目前,光的交换技术研究也有了很大的进展,其中进展较快、较实际的是基于WDM技术的全光网。 迄今比较成熟的光放大器是掺铒光纤放大器,它的带宽通常在1 5301 560nm之间,在单模光纤上开通4,8,16个波长是比较方便的。 光路交换可以有:针对光纤在不同空间位置的空分交换
15、方式;控制不同时延进行的时分交换方式;转换不同波长/频率的波分/频分交换方式;或综合其中两种及两种以上的综合交换方式。 近年来,美国、欧洲、日本等一些国家已先后建立全光网的现场试验。比如美国组成的多波长全光通信试验网(MONET),泛欧光纤传输迭加网(PHOTON)等,其中还用到一些光器件,如光的交叉连接器(OXC,Optical Cross Connector);波长路由器(Wavelength Router)、波长转换器(Wavelength Convertor)、插分复接/分接复用器(ADM,Add-Drop Multiplexer-Demultiplexer)等。当波分复用系统的光纤进
16、入本局的插分复接/分接复用器后,可以让部分波长从中分出,其它波长则直通;分出的部分波长负载上的信号进入本局,而由本局引出的信号荷载于同样波长进入插分复接/分接复用器。其工作原理与电的ADM原理相仿。随着各种光器件和光交换技术的不断完善,全光网技术也将日趋成熟。1.3光纤的发展趋势 光纤通信是电信史上的一次重要革命,在电信网中获得了大规模应用。光纤通信的廉价、优良的带宽特性使其成为电信网的主要传输手段。本文对光纤通信领域的个不同方面进行综合评述和分析,旨在对光纤通信领域的现状和最新发展趋势作一全面总结。1.3.1 传输体制的全面转向 传统的光纤通信是以准同步传输体制()为基础的,随着网络日趋复杂
17、和庞大,以及用户要求的日益提高,这种传输体制正暴露出一系列不可避免的内在缺点。于是,一种有机地结合高速大容量光纤传输技术和智能网元技术的新传输体制光同步传送网应运而生,将之称为同步数字体系()。 这种传输体制有一整套完整严密的技术规范,它有全世界统一的网络节点接口,从而简化了信号的互通以及信号的传输、复用、交叉连接和交换过程;它有一套标准化的信息结构等级,安排有丰富的开销比特用于网络的管理和维护;它有统一的标准光接口,允许不同厂家设备在光路上互通;它大量采用软件进行网络配置和控制,使得新功能和新特性的增加比较方便。采用技术还可以构成具有高度可靠性的自愈环结构,这对金融、政府机构和国防安全方面的
18、某些应用十分重要。1.3.2 向超高速系统发展 由于高比特率系统的经济效益大致按指数规律增长,因而传统的光纤通信发展始终在按照电的时分复用()方式扩容,目前商用系统的速率已达,其速率在年时间里增加了 倍。高速系统的出现不仅增加了业务传输容量,而且也为各种各样的新业务,特别是宽带业务和多媒体业务提供了实现的可能。目前系统已开始批量装备网络,全世界安装的终端已超过 个,主要在北美,欧洲、日本和澳大利亚也有少量试验和商用系统。 在理论上,上述基于时分复用的高速系统的速率还有望进一步提高,例如在实验室传输速率已能达。然而,电的系统在性能价格比上以及在实用中是否能成功还是个未知因素,因而唯一现实的出路是
19、转向光的复用方式。光复用方式有很多种,但目前只有波分复用()方式已进入大规模商用阶段,其他方式尚处于试验研究阶段。1.3.3 向超大容量波分复用 系统的演进 如前所述,采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽,然而光纤的巨大可用带宽资源仅仅利用了不到,的资源尚待发掘。采用波分复用系统的主要好处是:.可以充分利用光纤的巨大带宽资源,使容量可以迅速扩大几倍至上百倍;.在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器,从而大大降低传输成本;.与信号速率及电调制方式无关,是引入宽带新业务的方便手段;.利用实现网络交换和复用可望实现未来透明的、具有高度生存性的光联网。 鉴于应用上的巨大好处以及近几年来技术上的重大突
20、破和市场驱动,波分复用系统发展十分迅速。目前全球实际敷设的系统已超过 个,而实用化系统的最大容量已达()。美国朗讯公司宣布年底将推出个不同波长的系统,其总容量可达()或()。实验室的最高水平则已达到()。可以认为,近两年来超大容量密集波分复用系统的发展是光纤通信发展史上的又一次划时代的里程碑。1.3.4 实现全光联网战略大方向 上述技术尽管具有巨大的传输容量,但基本是以点到点通信为基础的系统,其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能实现类似在电路上的分插功能和交叉连接功能的话,无疑将是一次新的飞跃。根据这一基本思路,光的分插复用器()和光的交叉连接设备()均已在实验室研制成功,已开始商用。
21、实现光联网的基本目的是:.实现超大容量光网络(一对光纤达);.实现网络扩展性,允许网络的节点数和业务量的不断增长;.实现网络可重构性,达到灵活重组网络的目的;.实现网络的透明性,允许互联不同系统和不同制式的信号;.实现快速网络恢复,恢复时间可达。 鉴于光联网具有上述潜在的巨大优势,发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行预研,特别是美国国防部预研局资助了一系列光联网项目,诸如以为主开发的光网技术合作计划(),以朗讯公司为主开发的全光通信网预研计划,多波长光网络()和国家透明光网络()等等。在欧洲和日本,也分别有类似的光联网项目在进行。列出了世界上几个比较典型的全光联网项目的概况。 综上所述,全
22、光联网已经成为继电联网以后的又一次新的光通信发展高潮,其标准化工作将于年基本完成,其设备的商用化时间也大约在年左右。第2章 光纤的基础知识2.1 光纤的概念 光纤是光导纤维的简写,是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反 射原理而达成的光传导工具,它是一种新的导光材料。现在实用的光纤是一根比人的头发稍粗的玻璃丝。光纤的外径一般为125-140um,芯径一般为3-100um。光纤在光通信系统中的作用是在不受外界干扰的条件下,低损耗、小失真地将光信号从一端传送到另一端。2.2 光纤的结构 纤芯位于光纤中心,直径2a为575m,作用是传输光波。 包层位于纤芯外层,直径2b为100150m,作用是将
23、光波限制在纤芯中。 纤芯和包层即组成裸光纤,两者采用高纯度二氧化硅(SiO2)制成,但为了使光波在纤芯中传送,应对材料进行不同掺杂,使包层材料折射率n2比纤芯材料折射率n1小,即光纤导光的条件是n1n2。 一次涂敷层是为了保护裸纤而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮树脂层,厚度一般为 30150m。 套层又称二次涂覆或被覆层,多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龙等材料。经过二次涂敷的裸光纤称为光纤芯线。如图所示1.1光纤的结构示意图1.12.3 光纤的分类 光纤的种类很多,分类方法也是各种各样的。2.3.1 按照制造光纤所用的材料 按照制造光纤所用的材料分:石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层
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