1、浅谈光纤通信和通信电缆浅谈光纤通信和通信电缆 摘要 : 综述了光纤通信与通信电缆的发展历史、技术特点,并就光纤通信和通信电缆未来的发展趋势和我国的现状提出了一些值得思考的问题.作者:李卫星2009年3月22日目录一、光纤通信发展历史 1二、通信电缆发展历史 . 4三、光纤通信技术的特点 . 5四、通信电缆技术的特点及发展趋势 14五、光纤通信的发展趋势 . 15六、光纤通信与通信电缆在我国的现状 . 23七、参考文献 26一 光纤通信发展历史在日常生活中，我们时常听到光纤通讯(Optical Fiber Communications)，但什么是光纤通讯呢？它又是如何传递光的讯号呢？为了解这个问
2、题，我们先从光传输的历史讲起光纤通信是七十年代发展起来的一门新兴技术。 光纤是光导纤维的简称。它是由玻璃材料(SiO2)抽丝而成的一种光传输媒体。以光波传送信息，以光纤为传输介质的通信方式称为光纤通信。 利用光进行信息传递的历史至少可以追溯到我国古代的烽火台，当时是用火光来传递讯号作为警戒用途，至今已有七百多年的历史。后来则是在海上航行的船只利用灯号来作为通讯用途，比如：海军旗语、信号弹。乃至现在在大城市仍然使用的红绿灯都是利用光进行通信的。从近代科技的发展史来看，光通讯重大发明则是在公元1880年由贝尔(Alexander Graham Bell)发明的光话机(Photophone)所获得。
3、贝尔将太阳聚成一道极为狭窄的光束，照射在很薄的镜子上，当人们发出声音的声波让这面薄镜产生振动时，反射光强度的变化使得感应的侦测器产生变动，改变电阻值。而接收端则利用变化的电阻值产生电流，还原成原来的声波。当贝尔测试光话机成功时，他写下了我听到光线的笑声、咳嗽声和歌唱声。 他的这项发明仅能传播约200公尺，因为藉由空气传递的光束，遇到的情况都不尽相同，例如雾、雨或雪都能阻挡光线，甚至在干燥而新鲜的空气中，光线强度仍会随距离迅速减弱。当时贝尔虽曾预测这项发明在科学世界里，将远比电话、留声机和麦克风更有趣，但是这种初期的光通信所能传送的信息是十分有限的。一方面由于普通光源或日光成份复杂、振动方面杂乱
4、而无法调变；另一方面利用大气为介质进行光通信损耗大，受气候影响严重、不能全天侯进行、易受地理条件的限制。因此，贝尔的“光话机”由于高强度光源的可靠度和低损耗介质的稳定性，仍未能解决而一直未能实用。1960年，正当人们开始认识到信息对未来社会重要性的时候，美国的Maimen发明了红宝石雷射二极管。由此，人们得到了良好的同调光，使光通信得到了新生。这更加激发了人们对低损耗导光介质的研究热潮。 有人也想到了利用物质传导光。所以在公元1870年时，约翰道耳(John Tyndall)作了一个实验，让光波在由桶底流出的水柱中传播，因为光为电磁波的一种，所以我们称水柱那样可以传导光波的物质为波导（wave
5、guide）。介质波导的理论则始于公元1910年，由Hondros及Debye首先提出。 近代的光纤通讯始于1960年代，而使得光纤成为现在及未来通讯的主力乃是基于两个事件的激发：首先是公元1960年美国物理学家梅门（Theodore Harold Maiman）成功地使红宝石振荡产生雷射光。第二则为公元1966年，科学家高锟（Charles Kao）及George A. Hockham，他们预测所制作的光纤，能够让光波在其中传输一公里，仍有原来1的光能量，那么光纤就能够像电缆一般，来作为传输工具。因为在当时，即使是最好的光纤，光波在其中传输20公尺就已使光能量降低至原来能量的1。 到了公元1
6、970年，由贝尔实验室制作成功，可于常温下连续振荡之半导体雷射（Semi-Conductor-Laser）及康宁玻璃工厂（Corning Glass Work）制造出每公里衰灭小于20分贝的低损失石英质（Silica）光纤后，光纤技术一日千里。今日，由于光电科技的发展，每公里衰灭低于1分贝，传输带宽（频率宽度）高于800MHZ的光电缆已可大量生产，再配合高阶数字多任务（High Order Digital Multiplex）技术的发展以及高性能光电组件（Opto-Electronic Device）的开发，每秒传播速度高达九千万位（Binary Digit，简称bit），甚至每到每秒四亿位之
7、高速大容量光通讯系统，目前已达实用化的阶段。 当然，利用玻璃中的全反射原理传光，早已为人们所熟知，并且已在医学领域中得到应用(短距离传光光纤束)。但到60年代中期，最好的光学玻璃的传输损耗仍高达 1000dB/km。这意味着，如果要在一公里长的光纤末端检测到一个波长为1m的光子 (其能量h210-19焦耳)，则在其入端要输入的光的能量为21081焦耳。这将远超过太阳系自形成以来的，全部辐射能量的总和。在希望渺茫的局面下， 1966年英籍华人高锟(C.K.Kao)博士和Hockham发表了一篇具有划时代意义的论文，他们提出，如果利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维(光纤)来进行光通信，其损耗可能低
8、于20dB/km。他们还指出，这类玻璃的理论最低损耗值比这一数值还要低得多。 1970年美国的康宁公司果然制造出损耗为20dB/km的光导纤维(所使用光源的波长约为 0.8m)。在此之后，光纤通信技术的进展发生了急剧的变化，光导纤维已成为光纤通信系统中最优越的传光线路。1972年康宁公司又生产出7dB/km的低损耗光纤，1973年贝尔实验室又将此项指标降为2.5dB/km，后来国际上又有1.5dB/km的光纤报导，1979年日本茨城通信研究所又研制出接近理论极限值的0.2dB/km的光纤。 1970年代初的另一重要事件是实现了半导体雷射二极管的室温运转。在此同时，发明了镓-砷发光二极管。 至此
9、，光通信技术中的两大难题高强度光源的可靠度和低损耗介质的稳定性都得到了解决，使光纤通信技术受到了空前的重视。短短二十余年的发展时间，已从实验室走向实用，并带来了巨大的社会经济效益。目前，横跨大西洋海底和太平洋海域的光纤通信已正式使用，它可以提供40000路电话的通信，传输的数据率每秒可达8.4亿位。西方的一些发达国家已相继建成了多条、遍及国内的光纤通信系统。美国、日本等亦正在着手建立全国光纤通信信息网络。 二、通信电缆发展历史1、1876年，美国贝尔发明有线电话机，美国制造市内通信电缆。1878年，美国在纽约与波士顿之间开通了第一条长途话缆线路。 1889年美国WE 公司开始大批量生产纸带绕包
10、绝缘铅包市内通信电缆。 来源:输配电设备网 1891年英法海峡敷设最早的海底话缆。 1898年英国在伦敦与伯明翰之间敷设了一条长达46公里的19个四线组成的长途通信电缆；用至1938年又改为载波通信。 2、1921年，美国与古巴间敷设了第一条同轴海底话缆。 1932年，英国与比利时之间敷设了第一条载波传输的海底同轴电缆。 1936年，德国制造宽带同轴电缆用以传输电视。 1939年，德国、美国开发了聚乙烯料，应用于各种通信电缆。 1944年，美国与法国间敷设了距离最长的（100海里）海底电缆。 1949年，美国制成公用天线电视电缆 1950年，美国制成全塑（PE）皱纹铝带综合护层电话电缆。3、1
11、956年，英、美、加三国合作敷设了第一条跨越大西洋的对称式电话电缆，全长4300公里；1959年，美、法、加三国合作敷设了第二条大西洋海底通信电缆（同轴式）。 至1976年，共敷设6条跨越大西洋的海底通信电缆。此后，在大西洋及各个海域陆续又敷设了大量的海底通信电缆，使世界各地区、各国之间信息传输全部畅通。4、1976年10月，中日之间的海缆系统开通，有480话路。 目前我国除生产长途型通信电缆和市内话缆外，光纤电缆和聚烯烃绝缘综合护层全塑市内话缆也有了长足的发展，国内不少厂家和科研单位从国外引进技术和设备开始生产。我国每年有少量的聚烯烃绝缘聚烯烃护套全塑市话电缆销往港澳、东南亚及中东等地。三、
12、光纤的技术特点光纤通信 在目前的有线传播中，利用光纤传输可说是最重要的方式，自1970年美国 康宁公司开发出光的损失率甚低的光纤后，光纤的制造技术逐年的进步，加以雷射二极管技术的成熟，因此1980年以后光纤通信时代正式来临。光纤通信系统和传统传输系统比较有下列优点：1. 光纤有极大的通信带宽，带宽可达 12GHz 以上，而一般同轴电缆带宽约 330MHz550MHz，因此光纤有较大的电讯容量。2. 光纤是绝缘体，不受电磁波的干扰，不会产生噪声，可使通信的质量更佳。3. 光纤以石英玻璃为材料，材料取得容易，且材料耐腐蚀、耐水，价格又低廉。4. 长距离的通讯光纤的讯号衰减率甚低。5. 光纤质轻，富
13、可挠性，因此管线的施工容易。由于光纤具有上述的优点，因此世界各国都看好光纤通信的前景，美国政府正在进行的信息高速公路，就是以光纤到家(Fiber To The Home; FTTH)为终期目标，我国台湾地区于1988年8月完成第一条台 澎光纤网络系统，并陆续完成台湾与各离岛间的光纤网络与西部二条主干线，东部光纤网络干线、长途通信系统光纤网络化等，并计划逐年汰换现有的海底同轴电缆，以我国台湾地区对外通讯于1999年全部光纤化为目标。电信总局并预定于 2010 年以前完成用户线路全面光纤化，届时信息高速公路已到每个家庭，将使台湾地区家庭生活方式产生很大的变化。光纤通讯系统其主要的构成如下图。（E/
14、O 为电光变换器，是将输入的电讯转化成光讯号再进光纤线路。中继站用于光纤传送时，将减弱的信号放大。O/E 是将光纤进来的讯号转化成电讯以便输出。电信号的强弱直接转换成光讯号的强弱。亦即电子信号的”1”与“0”转变成光讯号的“亮”与“熄”。）光纤通信的类型光纤通信系统可以依系统所采用的传输信号形式、传输光的波长、光纤类型和光接收与发送方式进行分类。无论那一类光纤通信系统，基本上都是由光发送机、光传输线和光接收机三部分组成。这种系统的原理示意方块图如图1-1所示： 上述的光纤系统，加上适当的接口设备，就可作为一个单独的“光组件”插入现有的数字和模拟通信、有线和无线通信系统中。 (一) 依传输信号分
15、类依光纤中传输的光信号，可分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统两大类。 1. 数字光纤通信系统数字光纤通信系统是目前光纤通信的主要形式。图1-1中的电信号是采用脉冲编码调变(PCM) 信号，它对光源所发出的光载波进行强度调变，使光强度的大小随信号电流进行线性变化。光接收机部分直接检测光的强度，恢复为电信号。 数字光纤通信的优点是抗干扰性强、易于与计算机结合等；缺点是占用的频带较宽。而光纤可使用的频带很宽，可以弥补数字通信占用较宽的频带缺点。目前，人类社会进入信息化时代，世界各国在公用通信网中的长途干线和市内局间中继线路纷纷采用数字光纤通信系统做主要形式，以便实现传输网络的数字化(IDN)。
16、2. 模拟光纤通信系统在图1-1所示的光纤通信系统中，输入的电信号若不是脉码调变信号而采用模拟信号，即为模拟光纤通信系统。 模拟光纤通信的优点是不需要模拟数字和数字模拟转换，系统比较简单；缺点是抗干扰性能差，光电及电光转换将引进噪声。 (二) 依光源波长和光纤类型分类目前，光纤通信系统采用光的波长可分为短波长(0.8m)和长波长(1.3m、1.55 m) ；采用的光纤有单模光纤和多模光纤。光纤通信依所采用的光源波长和光纤的种类可分成以下四种类型： 1. 短波长多模光纤通信系统这种系统采用发光峰值波长为0.85m的雷射二极管(LD)或发光二极管(LED)作为光源、多模光纤作为光的传输信道。其通信
17、容量一般在480路以下(速率在34Mbit/s以下)，中继距离约10km。 2. 长波长多模光纤通信系统这种系统的光源(LD或LED)的峰值波长为1.3m，中继距离在20km以内，传输速率一般为34Mbit/s。 3. 长波长(1.3m)单模光纤通信系统这种通信系统的光源是峰值波长为1.3m的单纵模雷射二极管，采用单模光纤做传输信道。其传输速率一般为140565Mbit/s，中继距离可达3050km。 4. 长波长(1.55m)单模光纤通信系统这种光纤通信系统是性能更为优越的光纤通信。它对单模光纤的波散及单纵模雷射二极管的要求比较高，目前正处在研制阶段。 (三) 其它类型的光纤通信系统1. 同
18、调光通信系统光纤通信进入电信网络、光纤产业的形成，使光纤通信的光明前景变成了现实的应用。然而，直到现在，光纤通信仍基本上是处于代替电信电缆的地位，光纤通信仍处于发展的初期阶段。光纤通信的优点有许多还没有得到发挥。 同调光通信是采用调谐性良好的光载波，利用电信号调变，再经光纤送入光接收机。接收机接收到的光信号与接收机内部振荡所产生的光波在满足相位匹配和振幅匹配的条件下进行混频，输出与光信号和接收机产生之光信号强度之和的平方成正比的中频信号电流。该信号的大小与光载波信号的振幅、频率、相位和偏振有关。所以，这种接收机可以解调强度、相位、频率和偏振调变的光波。只要通过外差检测把光载波信号转移到中频区域
19、后，就能够利用普通的电技术进一步处理电信号。 同调光通信的优点是： (1) 提高了光接收机的灵敏度1025dB。如果光纤的衰减为 0.2dB/km，灵敏度可提高20dB，这相当于中继距离增加100km。(2) 使通信速率可达Gbit/s的数量级。(3) 可进行高密度分波多任务(Wavelength Division Multiplexing;WDM) 。 其缺点是对光源、检测器等要求高。目前同调光通信正处于研发阶段，不久的将来，可能投入使用。 2. 分波多任务系统在一根光纤中同时传送两个或多个不同的光载波信号的光纤通信系统称为分波多任务系统。采用分波多任务技术，可以使光纤通信的容量成倍数增加，
20、目前，许多国家已应用了这门技术。 光纤通信系统及其构成光纤通信系统是以光波为载体、光导纤维为传输媒体的通信方式,起主导作用的是光源、光纤、光发送机和光接收机。光源是光波产生的根源。光纤是传输光波的导体。光发送机的功能是产生光束,将电信号转变成光信号,再把光信号导入光纤。光接收机的功能负责接收从光纤上传输的光信号,并将它转变成电信号,经解碼后再作相应处理。 光纤通信系统组成光纤通信系统的基本构成如图3所示:图3 光纤通信系统的基本构成光纤通信系统的主要优点有:(1)传输频频宽,通信容量大。(2)线路损耗低,传输距离远。(3)抗干扰能力强,应用范围广。(4)线径细,重量轻。(5)抗化学腐蚀能力强。
21、(6)光纤制造资源丰富。 在网络工程中,一般用62.5m/125m规格的多模光纤,有时也用100m/125m和100m/140m规格的光纤。户外布线大于2公里时可选用单模光纤。在进行综合布线时需要了解的光纤的一些基本特性,现以AMP(安普)公司的光纤线缆产品为例说明。表1和表2分别为光纤性能指针和使用温度范围。表1 安普光纤线缆的特性单模(1310/1550nm)多模50/125(850/1300nm)多模LSZH 50/125(850/1300nm)多模62.5/125(850/1300nm)多模扩展型Grade 62.5/125(850/1300nm)室内光纤最大衰减值典型衰减值带宽(MH
22、Z/km)0.7/0.70.5/0.5-/-3.5/2.02.6/1.1400/4003.5/2.02.6/1.1400/8003.5/1.02.9/0.9160/5003.5/1.02.9/0.9200/600室外光纤最大衰减值典型衰减值带宽(MHZ/km)0.5/0.40.4/0.3-/-3.5/2.02.6/1.1400/4003.5/2.02.6/1.1400/8003.5/1.02.9/0.9160/5003.5/1.02.9/0.9200/600表2 安普光纤的温度适用范围室内和阻燃型低烟及无毒气性能(LSZH)室内光纤贮存应用-40C +85C (-40F +185F)-20C
23、+85C (-4F +185F)-10C +60C (+14F +140F)-10C +60C (+14F +140F)标准光纤LSZH及铝外衣室外光纤贮存应用-40C +75C (-40F +167F)-40C +75C (-4F +167F)-20C +60C (-4F +190F)-20C +60C (-40F +190F)为了便于阅读以下的表格,先对直径、重量、拉力、弯曲半径作如下解释:直径:单位用m表示。重量:用kg/km表示。拉力:拉力单位用N(牛顿)。对拉力分两种情况说明:安装时最大为2700N;安装后,即长期为440N;弯曲半径:指光缆安装拐弯时的弯曲半径。 光纤通信的应用光纤
24、通信的速率容量从几十Mb/s到10Gb/s；加上WDM波长多任务技术，则已开发完成的先系统的传输容量已到40Gb/s。另一个重要的发展是色散补偿光纤(Dispersion Compensation Fiber，DCF)。传统标准单膜光纤零色散点在1310nm，所有高速WDM系统用参饵光纤放大器的操作在1530-1560nm波段，会有很大的光纤色散现象。在2.5Gb/s操作速度时700-800公里以上才需要用DCF来减低其色散引起的干扰，但在10Gb/s的光纤通信系统，几乎50-80公里以上就要用到DCF来减低传输光纤中引起的色散现象。光纤通信系统的应用（）长距离的光纤通信可以是远洋的 （）大中
25、城市区间光纤通信环形网络 （）交换机局(Central office，CO)到用户附近的Fiber Feeder光纤支线 （）有线电视公司的HFC网络所有电视信号由端头(Headend)到光纤网络(Fiber Node)（）电话公司的光纤用户回路网络，有的采用FTTC光纤信号到邻近的架构，光纤信号到近邻的网络点后有光网络单元(ONN，Optical Network Unit)把光电转换后变回电子信号经原有铜线送到用户家 （）区间LAN光纤计算机网络(Local Area Network,LAN)有了光纤通信的应用，使人类再二十一世纪可以更接近地球村、世界大同、天涯若比邻的理想，因为通讯缩短了人
26、与人、国与国之间的距离，也增进了人类社会彼此间的信息交流及相互间的了解。 光纤通信的优点本世纪30年代，有人提出这样的观点：“总有一天光通信会取代有线和微波通信而成为通信主流”。该观点反映出光纤通信技术在未来通信已显示出其重要性。 (一) 通信容量大 理论上两根光纤可传送上百万个电话和上百个电视节目。目前已成功地完成了三万路电话的系统(同轴电缆的通信容量最高只能传送108000个电话)，极适合于数字信号的传输。如果像电缆那样把十几根或上百根光纤组成光缆(即空间多任务)，再使用分波多任务技术，其通信容量就会大得惊人。 (二) 中继距离长 光纤的突出优点之一就是损耗小。目前，光纤的最低损耗已达0.
27、2dB/km，甚至更低。若光传送15公里，光强度还有原来的一半。有人比喻说，如果有一根针沉入10公里深的海底，假如海水的透明度与光纤相同，那么人在海面上可以把针看得非常清楚。相信，在不久的将来，损耗可能会有更新的突破。光纤的损耗如此之小，使通信无中继传输距离大大增加。目前，单模光纤的最大中继距离可达上百公里，比同轴电缆大几十倍。 (三) 不受电磁干扰。 光纤是由非金属的石英介质材料构成。因此，光纤通信，不受电磁干扰，传送信息保密性强。 (四) 资源丰富 光纤的主要构成材料是二氧化硅玻璃，其资源十分丰富。相对于用以制做电缆的铜、铅等材料，可以说是取之不尽、用之不竭。 (五) 光缆重量轻、体积小相
28、同话路的光缆要比电缆轻90%95%(光缆重量仅为电缆重量的十分之一到二十分之一)，而直径不到电缆的五分之一。故运输和架设都比较方便。 当然光纤通信除上述优点之外，光纤本身也有一些缺点。如光纤质地脆、机械强度低、需要比较好的切割及连接技术，分路、耦合比较麻烦。但这些问题都会随着科技的发展而变得容易解决。 四、通信电缆技术特点1.概述通信电缆是指用于近距音频通信和远距的高频载波和数字通信及信号传输的电缆，是我国五大电缆产品之一。根据通信电缆的用途和使用范围,可分为六大系列产品,即市内通信电缆(包括纸绝缘市内话缆、聚烯烃绝缘聚烯烃护套市内话缆)、长途对称电缆(包括纸绝缘高低频长途对称电缆、铜芯泡沫聚
29、乙烯高低频长途对称电缆以及数字传输长途对称电缆)、同轴电缆(包括小同轴电缆、中同轴和微小同轴电缆)、海底电缆(可分对称海底和同轴海底电缆)、光纤电缆(包括传统的电缆型、带状列阵型和骨架型三种)、射频电缆(包括对称射频和同轴射频)。通信电缆生产厂分布全国各地。目前我国除生产长途型通信电缆和市内话缆外，光纤电缆和聚烯烃绝缘综合护层全塑市内话缆也有了长足的发展，国内不少厂家和科研单位从国外引进技术和设备开始生产。我国每年有少量的聚烯烃绝缘聚烯烃护套全塑市话电缆销往港澳、东南亚及中东等地。2.型号及规格通信电缆主要用于近距音频通信和远距的高频载波和数字通信,其种类、型号及规格繁多。主要有聚烯烃绝缘聚烯
30、烃护套市内话缆,导体直径按标准规定采用0.32mm、0.40mm、0.50mm、0.60mm和0.80mm。产品型号及规格为HYA、HYAT、HYAC、HYAGC,其生产范围可根据采用导体直径不同而有差异,总的加工范围是10-3000对。长途对称电缆的型号有HEYFL23、HEYFQ23、HEYFQ41等,其代表规格有3组、4组、7组、14组、19组等。3.制造方法及技术指标不同的电缆其制造工艺虽有一定的差异,但就其总的加工方法有其共性。为保证电缆的结构尺寸稳定,有良好的电气性能,电缆的生产顺序按其结构采取由内向外进行。整个制造过程,分为绝缘线芯的制造,线组绞合,同轴对的制造,成缆工艺,缆芯干燥,电缆的金属套和外护层的制造。通信电缆的电气技术指标项目多而高。一般的金属缆有导线电阻,绝缘电阻,工作电容,绝缘强度,电容不平衡等要求。对于长途和同轴电缆,除以上
