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完整版光信息传输技术研究进展毕业设计论文

优秀论文归档资料

未经允许切勿外传

本科毕业论文

题目：

光信息传输技术研究进展

院（部）：

理学院

专业：

应用物理学

班级：

光电061班

姓名：

陈道永

学号：

**

指导教师：

刘轩张宝金

完成日期：

2010年5月20日

摘要·····································································Ⅲ

ABSTRACT································································Ⅳ

1前言

1.1光信息传输技术的背景······················································1

1.2光信息传输简介····························································3

1.3光信息传输技术研究进展的意义··············································3

2光信息传输原理

2.1光纤通信原理·····························································4

2.1.1光纤通信······························································4

2.1.2光纤通信的主要特性·····················································4

2.1.3光纤通信系统的组成和分类···············································5

2.1.4光纤和光缆····························································6

2.1.5光纤的传输特性························································7

2.2光无源器件通信原理······················································9

2.2.1波分复用的原理························································9

2.2.2光开关的特性·························································11

2.2.3光纤光栅原理·························································11

2.2.4光纤耦合器的原理与分类··············································13

3光信息传输技术

3.1光纤通信技术····························································17

3.1.1光纤光缆技术·························································17

3.1.2光有源器件····························································17

3.1.3光无源器件····························································18

3.1.4光复用技术····························································18

3.1.5光放大技术····························································19

3.2.无源导波器件通信技术····················································20

3.2.1光纤连接器的性能······················································20

3.2.2光分路器的分光原理···················································21

3.2.3光波分复用的技术·····················································22

3.2.4光隔离器的工作原理·····················································23

3.2.5光开关·································································24

4光信息传输技术发展及现状

4.1光纤通信技术的发展及现状················································27

4.2光纤通信技术的趋势及展望················································27

4.2.1向超高速系统的发展····················································27

4.2.2向超大容量WDM系统的演进············································27

4.2.3实现光联网····························································28

4.2.4开发新代的光纤························································28

4.2.5解决全网瓶颈的手段—光接入网··········································28

谢辞······································································29

参考文献···································································30

摘要

本文通过对光信息传输原理、光信息传输技术、光信息传输技术发展及现状描述来论述了光信息传输技术研究进展。

其中光信息传输原理包括光纤通信原理和光无源器件通信原理。

光信息传输技术主要论述的是光纤通信技术和无源导波器件通信技术，光纤通信技术主要阐述的是光纤光缆技术、光有源器件、光无源器件、光复用技术和光放大技术，无源导波器件通信技术主要阐述的是光纤连接器的性能、光分路器的分光原理、光波分复用的技术、光隔离器的工作原理和光开关。

光信息传输技术发展及现状主要是光纤通信技术的趋势及展望，描述了光纤通信技术向超高速系统的发展、向超大容量WDM系统的演进、实现光联网、开发新代的光纤和实现全网光接入网。

关键字：

光信息传输；光纤通信；无源导波器件；光纤通信技术

TheProgressofOpticalInformationTransmissionTechnologyResearch

ABSTRACT

Thearticlethroughthetheoryofopticalinformationtransmission,opticalinformationtransmissiontechnology,opticalinformationtransmissiontechnologydevelopmentandthepresentsituation,thispaperdiscussesdescribeinformationtransmissiontechnologyresearchprogressoflight.Informationtransmissionprincipleoflightandopticalfibercommunicationprincipleincludescommunicationprinciplepassivecomponents.Opticalinformationtransmissiontechnologyisthemainopticalfibercommunicationtechnologyandthepassivewaveguidedevicecommunicationstechnology,opticalfibercommunicationtechnologymainlyelaboratesisactiveopticalfibercabletechnology,components,withoutlight-resource,lightamplificationbytechnologyretrocession,passivewaveguidedevicecommunicationstechnologyismainlyexpoundstheopticalfiberconnectors,opticalpropertiesoflight,theprincipleofWDMtechnology,theworkingprincipleofoptoisolatorlightswitch.Opticalinformationtransmissiontechnologydevelopmentandthepresentsituationoftheopticalfibercommunicationtechnologyismainlydescribethetrendandoutlook,opticalfibercommunicationtechnologytothedevelopmentofultra-oflargecapacityWDMsystems,newgenerationnetworkdevelopment,opticalfiberandcutinlightaccess.

KeyWords:

opticalinformationtransmission；opticalfibercommunication；passivewaveguidedevices；opticalfibercommunicationtechnology

1前言

1.1光信息传输技术的背景

远在周代，我国就有了烽火传递信息的方法，烽火作为一种原始的声光通信手段，服务于古代军事战争。

从边境到国都以及边防线上，每隔一定距离就筑起一座烽火台。

内储柴草，当敌人入侵时，便一个接一个地点燃起烽火报警，各路诸侯见到烽火，马上派兵相助抵抗敌人。

西周时期，为了防备敌人入侵，采用“烽隧”作为边防告急的联络信号。

在古史书《周礼》中有这样一段记载在各国从边疆到腹地的通道上，每隔一段距离，筑起一座烽火台，接连不断，台上有桔槔，桔槔头上有装着柴草的笼子，敌人入侵时，烽火台一个接一个地燃放烟火传递警报。

早期的光通信到了1880年，贝尔发明了第一个光电话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。

在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。

光波在大气中传输，通话距离达213米。

后来改用孤光灯作为光源，延长通信距离。

但光源在大气中传输受到雨、雾、烟和尘土的阻抗或减弱，通信很不稳定，应用上受到很大的限制。

1966年，高锟等人提示了实现低衰耗光导纤维的可能性。

如图1.1所示是贝尔电话系统。

图1.1贝尔电话系统

贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，遇到下雨下雪天也有影响。

在大气光通信受阻之后，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验，如图1.2所示。

（a）反射波导

（b）透镜波导

图1.2反射波导和透镜波导

1966年，英籍华人高锟（K.C.Kao，当时工作于英国标准电信研究所）博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀，他还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。

日本也做出了超低损耗的光纤（损耗为0.2dBkm，波长为1.55μm），同时进行了多模光纤（同时允许多个方向的光线在其中传送的光纤）1.31μm的长波长传输系统的现场试验。

1970年，美国研制出衰耗为20分贝公里的石英光纤和体积很小的半导体激光器。

此后，光纤及激光器等部件的质量逐年迅速提高，因而以半导体激光器作为光源，以石英光纤作为光的传输媒介，以半导体光电二极管作为接收器件的光源通信系统迅速发展起来。

80年代，以短波长光源和多模光纤为标志的第一代光通信技术已很成熟，无中断通信距离约为10公里，通信路次约为1000路，已用作市话局之间的中继线，也用于城市间的通信系统，但中继站较多，站距较短。

以长波长光源和单模光纤为标志的第二代光纤通信技术也已成熟，无中继通信距离约为30公里，通信容量约为5000路，适用于长途干线通信。

全光化和光集成化的光纤通信技术正在研究之中。

到如今，光纤通信已经发展到以采用光放大器（OpticalAmplifier，OA）增加中继距离和采用波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）增加传输容量为特征的第四代系统。

1.2光信息传输简介

光信息传输包括光纤通信传输和无源波导器件传输。

光纤通信传输是以光波作载体、光纤为信道传输信息的过程。

又称光缆信息传输或光纤通信。

光纤信息传输的工作原理是：

发信端将要求传输的模拟信号或数字化脉冲电信号去调制光源,进行电光变换,被调制的光波沿着光纤传送到收信端后，由解调器进行光电逆变换，检测复原成电信号，完成信息传输。

当收、发信端间距离过长、信噪比降低时，加入中继器进行信号再生放大。

光纤信息传输按其结构和功能主要有三种形式：

（1）光几乎直接从细小芯径穿过的单模阶跃折射率光纤；

（2）光以全反射方式传送的多模阶跃折射率光纤；（3）折射率随偏轴距离呈抛物线形减小，光以正弦方式传输的多模梯度折射率光纤。

光纤信息传输与传统通信方式相比，特点是频带极宽，通信容量巨大。

光波频率范围大约是无线电射频有效带宽的105倍；激光频率宽度为常用微波频率的103倍，因此通信容量高出微波的103倍。

如果考虑到载波的多路复用和由偏振面获得的多路复用，则通信容量还将增大约100倍。

光波长为微米数量级,光纤直径与波长成比例，因此在电缆横截面相等条件下，光通信容量将是微波通信的107～109倍。

光纤通信还具有以下特点：

（1）体积小、重量轻、强度高，易于铺设。

每10公里长的光纤仅重200克左右；12公里长的光纤可经受1.41万千克平方厘米的张力。

（2）传输损耗低，中继间隔大，串音影响小，适宜远距离传输。

现代光纤工艺可做到1公里长的光纤仅衰减1分贝左右。

（3）材料资源丰富，成本低,系统建造费用省。

（4）不导电，不受外界电磁干扰，能承受恶劣环境影响。

光无源器件是光纤通信设备的重要组成部分。

它是一种光学元器件，其工艺原理遵守光学的基本规律及光线理论和电磁波理论、各项技术指标、多种计算公式和各种测试方法，与纤维光学、集成光学息息相关；因此它与电无源器件有本质的区别。

在光纤有线电视中，其起着连接、分配、隔离、滤波等作用。

1.3光信息传输技术研究进展的意义

光信息传输技术进展的研究可以使各位学者和相关人士了解这方面的前沿知识和未来的发展。

由于光信息传输的发展可以使我们未来的通信和信息传输带来便捷。

未来的光纤通信向超高速系统的发展、向超大容量WDM系统的演进、实现光联网、新一代的光纤、光接入网等发展。

2光信息传输原理

2.1光纤通信原理

光纤通信的原理是：

在发送端首先要把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。

光纤传输系统主要由：

光发送机、光接收机、光缆传输线路、光中继器和各种无源光器件构成。

要实现通信，基带信号还必须经过电端机对信号进行处理后送到光纤传输系统完成通信过程。

2.1.1光纤通信

光纤通信技术是通过光学纤维传输信息的通信技术。

在发信端，信息被转换和处理成便于传输的电信号，电信号控制——光源，使发出的光信号具有所要传输的信号的特点，从而实现信号的电光转换。

发信端发出的光信号通过光纤传输出到远方的收信端，经光电二极管等转换成电信号，从而实现信号的光电转换。

各种电信号对光波进行调制后，通过光纤进行传输的通信方式，称光纤通信。

光纤通信不同于有线电通信，后者是利用金属媒体传输信号，光纤通信则是利用透明的光纤传输光波。

虽然光和电都是电磁波，但频率范围相差很大。

一般通信电缆最高使用频率约9-24兆赫（10（6）Hz），光纤工作频率在10（14）-10（15））Hz之间。

2.1.2光纤通信的主要特性

光纤通信之所以发展迅猛，主要缘于它具有以下特点：

（1）通信容量大、传输距离远；一根光纤的潜在带宽可达20THz。

采用这样的带宽，只需一秒钟左右，即可将人类古今中外全部文字资料传送完毕。

目前400Gbits系统已经投入商业使用。

光纤的损耗极低，在光波长为1.55μm附近，石英光纤损耗可低于0.2dBkm，这比目前任何传输媒质的损耗都低。

因此，无中继传输距离可达几十、甚至上百公里。

（2）信号串扰小、保密性能好。

（3）抗电磁干扰、传输质量佳，电通信不能解决各种电磁干扰问题，唯有光纤通信不受各种电磁干扰。

（4）光纤尺寸小、重量轻，便于敷设和运输。

（5）材料来源丰富，环境保护好，有利于节约有色金属铜。

（6）无辐射，难于窃听，因为光纤传输的光波不能跑出光纤以外。

（7）光缆适应性强，寿命长。

（8）质地脆，机械强度差。

（9）光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。

（10）分路、耦合不灵活。

（11）光纤光缆的弯曲半径不能过小。

（12）有供电困难问题。

光纤通信最主要的优点是：

（1）容量大。

光纤工作频率比目前电缆使用的工作频率高出8-9个数量级，故所开发的容量很大。

（2）衰减小。

光纤每公里衰减比目前容量最大的通信同轴电缆的每公里衰减要低一个数量级以上。

（3）体积小，重量轻。

同时有利于施工和运输。

（4）防干扰性能好。

光纤不受强电干扰、电气化铁道干扰和雷电干扰，抗电磁脉冲能力也很强，保密性好。

（5）节约有色金属。

一般通信电缆要耗用大量的铜、铝或铅等有色金属。

光纤本身是非金属，光纤通信的发展将为国家节约大量有色金属。

（6）成本低。

目前市场上各种电缆金属材料价格不断上涨，而光纤价格却有所下降。

这为光纤通信得到迅速发展创造了重要的前提条件。

2.1.3光纤通信系统的组成和分类

光纤通信系统基本构成：

（1）光发信机：

光发信机是实现电光转换的光端机。

它由光源、驱动器和调制器组成。

其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。

电端机就是常规的电子通信设备。

（2）光收信机：

光收信机是实现光电转换的光端机。

它由光检测器和光放大器组成。

其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。

（3）光纤或光缆：

光纤或光缆构成光的传输通路。

其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。

（4）中继器：

中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。

它的作用有两个：

一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。

（5）光纤连接器、耦合器等无源器件：

由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1Km）。

因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。

于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。

光纤通信系统分类：

基本光纤通信系统：

最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。

其中数据源包括所有的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号；光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波窗口有0.85、1.31和1.55。

光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器EDFA等；而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。

数字光纤通信系统：

光纤传输系统是数字通信的理想通道。

与模拟通信相比较，数字通信有很多的优点，灵敏度高、传输质量好。

因此，大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字传输方式。

2.1.4光纤和光缆

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。

光导纤维由前香港中文大学校长高锟发明。

微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。

通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。

在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤被用作长距离的信息传，如图2.1所示。

图2.1光纤结构示意图

光纤主要分以下两大类：

（1）传输点模数类分单模光纤（SingleModeFiber）和多模光纤（MultiModeFiber）。

单模光纤的纤芯直径很小，在给定的工作波长上只能以单一模式传输，传输频带宽，传输容量大。

多模光纤是在给定的工作波长上，能以多个模式同时传输的光纤。

与单模光纤相比，多模光纤的传输性能较差。

（2）折射率分布类光纤可分为跳变式光纤和渐变式光纤。

跳变式光纤纤芯的折射率和保护层的折射率都是一个常数。

在纤芯和保护层的交界面，折射率呈阶梯型变化。

渐变式光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小，在纤芯与保护层交界处减小为保护层的折射率。

纤芯的折射率的变化近似于抛物线。

光缆是为了满足光学、机械或环境的性能规范而制造的，它是利用置于包覆护套中的一根或多根光纤作为传输媒质并可以单独或成组使用的通信线缆组件。

光栅主要有狭缝光栅和柱镜光栅两类，狭缝光栅即线型光栅是最早较为成熟的光栅，其成像原理为针孔成像的原理。

因这种光栅比较容易制作，技术难度不大，所以在十几年前就有制作非常优美的大幅狭缝光栅立体灯箱广告出现。

现今一些立体制作公司仍乐于用狭缝光栅立体灯箱参与展览，效果是不错，但