光的传播—走进神秘的光纤世界

光的传播—走进神秘的光纤世界 光的传播—走进神秘的光纤世界 光的传播 wHaH技术广角 走进j冲秘的光纤世界 文/图本刊特约作者JLChang 很多』,都对1o年后的两络生活充满着美好的幻 想.我们可以通过刚络进人好莱坞,欣赏高清晰度的 电影,或者与在地球另一边的人玩高度逼真的3b游 戏:我们不必匆匆忙忙到办”L-室上班,只要打开Pc机 (如果还有的话)或笔记本吧晌即可与客户通可视】P 电话,召开公司视频去议家庭同络化也成为r现实 所有的家电产品实现互联,视频点播真真实实走进每 一 个家庭.人们充分享受数字化的高质量生活…总 之,空向l的距离将不复存在要实琨这一切,除了相 应的信息终端外,高速度的因特网是必要条件,这也 意昧着我们需要有高容量的数据恃输介质,因为到时 必然台白高达数oB/s,甚至I:IB/s(ITB=IGBx1024) 的数据传输要求现有的各种电缆至多只能达到lGB/ s的水平,由于电气特性的限制.继续向上提升的可 能性很小,而光纤超高容量,发展潜力近乎无限的 优势越来越受到人们的青昧,在可预见的将来,光 纤将是未来高速网络的基础= 其实光纤早已在人们生活中发挥着重要的怍片j, 目前因特网洲际线路,电信电话系统的骨干线路都依 赖于光纤,在一些如证券公司,电山系统等重要部I1] 的高速以太网中,光奸已经成为的连接线路.光 纤路由器光纤交换机,光纤收发器和光纤网卡对读 者来说也不是陌生的词汇,一些发烧的音响设备甚生 采用光纤来传输高保真的音频信号 既然光纤有如此重要的作用.那么它的性能到底 如何,是以什幺方式实现数据传输的呢?别着急,本 文将会力求通俗易懂的语青来解开光纤的神秘面纱. 一 ,目前国内的光纤网建设情况 与国内外微电子技术存在巨大的差距相反,中国 在光电子技术方面几乎与世界同步.1g6年世界第一 条商用光通信系统在美国亚特兰大问世,而在1979年 底我国在北京,上海,武汉等地的光通信实验系统就 先后投人试用——当时我国是拥有光通信系统的少数 国家之一目前中国光纤网络的规模,设备先进程度 92NO.1.200lNew~lardwa1”e 和技术商用化等方面均达到世界先进水平,并具有起 点高,技术先进,发展速度快等特点,与国外发达国 家的水平相当.1998年,我国建成着名的几纵八横” 长途骨干【卅,使得中国光纤阿络的规模居于世界前 列,中国电信,叶J国联通等运营商计划”该骨干网为 基础在未来几年内建成容量达320GbDs的高速环网; 有线电视系统虽然还是使用传统电缆,但是未来十年 内高清晰度数字电视必将步人家庭.现有的电缆将无 法满足将来增长几倍的数据传输要求,因此有线电视 骨干网采用大容量的光纤阿络将是唯一的选择当然, 光纤阿络发展的目标并不仅限于骨干网,用户网光纤 化将是束来发展的方向,如从光纤网到用户住宅区, 从光纤阿到用户所在的建筑物,从光纤网到用户楼层 等.晶终目标是实现光纤网到家庭,用户可以直接 通过光纤连接互联网,有线电视网和(可视)电话 网——这几种网络在不久的将来很可能统一为高容 量的光纤阿,所有的音频,视频,3D数据等多媒体 信息都在光纤网内传输,最后到达相应的信息终端. 不过要实现光纤到家庭,一步到位的建设是不现实 的,因为光纤网络不兼眷现在基于电信号的阿络,一步 到位建设就必须大规模更换现有设备,投资较大.而且 现在国内Pc机并未真正普及.可视电话.数字电视和 视频点播系统都还在发展之中.没有形成真正的产品, 实现光纤到家庭显然还没到最好的时机.因此在今后几 年内骨=r网络采用光纤,其余线路采用电缆的混台结构 是比较台理的当然.随着技术的发展和基于光传输的 终端产品步人成熟.光纤骨干同将会逐新向用户端延 伸,最终宴现光纤到家庭(即实现全光网”). 二,光纤传输的特点 我们知道,无论是双绞线,同轴电缆或是Pc机与 外设的连接线缆,线路中传送的都是电信号.如果传 输模拟信号,信息是加数在正弦电渡上;如果传输数 字信号,则一般就用高电平(如)示1,低电 平(如)表示,0但无论是模拟信号还是数字 技术广角,?, 信线路中传连的都是电流;光?f传输这些传输 式有很大区别它是以光倍而不是屯嚣柒传输 数据的光纤传输有l,特点: 1.通信容量巨太 光纤的通信容量是其它传输方式所无法比拟的通 信容量的大小可用带宽来表示,我们知道,现有通信方 式总是搿需姜传送的信包祷加(调制J到某种载波 而带宽的夫小又与载披的频率(或被K,波长与频率成 反比)息息相关,频率越商(波长越垭)州带宽越宽 通信容量也就越大.最’月ly-通信的无线电被频率在数 万到数”]?现在广泛的微设频率在数干万数 亿lll1L1的7次到10的8坎力)光纤通信使的载 波接近红外线频率在10的13次方数量域,也戟是说 光纤通信的容量比微波通信大】0万倍到】00万倍而 门求来还呈直线}:开趋势.目萨使用的光纤系统都能达 到卜JL个GB/s的水平——这娟当J’缸砂传送l一百万本 小兑或者f几个小时的高清晰度叭|I影像1 2.信号保真度高,无干扰 光f具雨『电气宽争n隔的特眭.不百艇具有非常高的透射率,同此石英光圩传输损耗翠 很低工作存1jjm波长的单模石英光纤,传输损 耗只打o2dB/km(0.0分1Jj/千l米)=石英光纤主耍用 在通信领域,也是目前用量最大的光纤 ?多组分玻璃光纤:纤芯南特殊的光学玻璃制成 它的传输损耗较人,在{常的U照环境下平均损耗高 达0~ll/m以上,这种光纤丰要用于传光束传像束 和纤维面板等= ?塑料光纤:它的纤芯l打商分子复合材料制成.特 点是损耗很人”f是价格低廉般片j_『几米内短距 离的数据传输,如音响没备的信线等 ?液芯光纤:它是把石英管拉制成槛细的中空管 道,然后将四氯乙烯或其它高透光率的化学液体注满 填充而成.液芯光纤始十20世纪70年代现在只用在 光奸传感器等少数场合- (2)按照传输模式分类 按照传输模式,光纤则可分为单模光纤和多模光 微型计算机2001年第1期93 纤.单模光纤只能一个模式传墙数据.『『『i多模光纤 则可工作在不同模式下单模光纤虽较多模光纤有更 高的带宽和更低的信号衰减.但其制造成本和熔接等 施工费用都较多模光纤贵得多.所市场上仍是以多 模光纤为主.目前常用的多模光纤有100/140m,85/ 】25m,62j/12Sm和so/125m四种规格.由于 制定FDDI光纤分散式接口标准的AXSIX3T9.j采用 60.j/12om作为FDDI使用的光纤规格.因此82.5/ ,25m已成为市场的主流= 除了材料和传输模式外,光纤还可按照折射率 分布来丛分.但是由于涉及到一定程度的光学知识, 毒文就不再详述目前生产的光纤,无论是哪一种介 质,都可传输垒部可见光和部分红外光谱=用光纤做 成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加钢丝或尼龙丝,外面 束有若干根光纤,最后再加一层塑料护套;另一种是 高密度光缆,它由多层丝带叠台而成.每一层丝带上 平行敷设了一排光纤. 四,光纤传输工作原理 整个光纤传输过程包括电信号输八,电信号调制 成光信号,光信号在光纤中传输,光信号词制成电信 号,电信号输出等五个阶段.如图2所示. 光纤惜输帛统示意图 我们知道,包括计算机在内的各种电器设备使用 的都是电信号,要使信号在光纤中传输就必接影响到整个光纤 通信系统的性能目前最重要的光源器件是半导体激 光二极管(Lrj)和半导体发光二极管(LED)由于激 光是一种严格的相干光源,能量密集度高,非常适台 远距离传输,在长距离高容量的光纤通信系统中半 94NO.1.2001NewR~dwdre e?mrd?1.drc技术广角 导体瀚光器是主要光源. 电信号调制成相应的光信号后,就可以通过光纤 进行传输了.我们知道光线只能直线传播,实际市线 中光缆显然不可能是一条绝对的直线.介绍光纤的时 候我们就初步提到”光纤是以全反射原理来传输数据 的:激光器发出光束后光束向前直线传输,遇到纤 芯与包层的交界处则反射回来.就像遇到一面镜子一 样:少部分泄漏的光线则设包层吸收,也就是说光信 号在纤芯内部是以前进一反射一前进波浪式向前行 进的,如图3所示=实际布线中允许光缆有一定程度 的弯曲(这是不可避免的).不过超出标准弯曲度是绝 对禁止的.因为这样会导致丈量光信号向回路反射回 去,导致信号传输受阻= <X×: 鱼星 围3激光在光奸内部的传输示惠图 纤芯 与其它介质一样.光纤也不能避免信号减弱的同 题,因为在传输的过程中.总会有少部分的能量损耗, 这种细徽的损耗将会随着传输距离的增加而扩大,最 终导致信号减弱到无{击继续传输.尽管目前光纤的损 耗已降低到0.2dB/km,信号无中继传输最远可速 1OOkm的水平,但要使光信号传输得更远,就必须对光 信号进行放大. 光信号放大的方式可分为功率放大,在线中继放 大和前置放大三种.功率放大是将光放大器置于光发 送端之前.以提高倍号进八光纤的光功率,使整个线 路系统的光功率得到提高:在线中继放大是将中继器. (功率放大作用)放置在线路中间,起到增强传输信号 的作用.在线中继放大主要用于远距离传输的场合. 目前洲际光缆线路基本上都是采用中继放大的方式; 前置放大则是在接收端的光电器之后将微信号进 行放大.以提高接收能力.不论是功率放大,中继放 大或是前置放大.实现原理无非是光一电一光的间 接变换或者”光一光直接增强.光一电一光变换 主要机理是将散弱的光信号还原成电信号,再将电信 号调制成同样的功率更强的光信号,通过这种接力来 增加传输距离.中鳢放大就是采用”光一电一光变换 模式,实现起来比较复杂.成本也高”光一光增强 通过光放大器直接增强信号的光功率,避免了复杂的 “光一电一光变换过程是实现远距离无中继传输和 翟一] 厂 技术广角…nl? 未来光纤两所依赖的主蟹信号增强技术. 光接收端机的作用是抒接收到的微弱光信号还原 为电信号,它的核心组件是光电检测器.当光信号抵 达目标时.光电检删器先将光信号转换成电信号(即 解调)接收机再将其放大,再生,恢复成相应的电信 号.光纤系统中一般采用P】光电二极管和雪崩光电 二极管(APD)来充当光电检测器,由于牵涉到过多的 电子和光学知识,率文就不再详细介绍这两种半导体 器件的相关特性. 应该指出的是,在实际产晶巾,光发射端机和接 崆端机往往台成在一起,并稀为光收发器.光收发器 不仅能够调制并发送光信号,也能够完成光信号的解 调,将它还原成电信号.舟’所示就是市场上较常见的 两种收发器,二者都具备光纤接口和烈绞线的RJ一45以 太网接口,可提供从10~.1光纤到:0双绞线,100~]光 纤到lO0~l双绞线之间的”光一电”和电一光转换. “一45接口 垡图4市墙上较常卫的两种收发器 五,光纤传输中运用的技术 随着技术的发展,人_对网络带宽的需求也不断 增加.如果为了增加带宽而铺设新的光纤,势必会大 幅提高成本,因此我们必须通过新技术来提高现有单 根光纤的通信容量. 目前提高光纤通信容量主要有两种途径:第一种 是直接提高光纤中的比特速率,对应的就是光时分复 用技术:另一种则是增加光纤中传输的信道数,对应 的是渡分复用和频分复用技术. 光的时分复用(ODt1ca1nnleD…s】on lLP11n6,下简行OTD’.I)是一种采用光超短脉 冲以极高比特幸(为1O0Ob/s或更高)在网培中传送 数据的一种方祛,它充分利用了光纤的带宽,可达 到很高的信号传输速率.我们知道.光纤可传输宽带 宽的数字信号,在实际应用中需要一次性传输的信息 量也不可能都是非常大因此每个信息包占用的时间 段可很小理论上说可以把传输时间分成许多时间 段,每一时间段传输一路信号:比如将1秒时间分成 10段每段为01秒第一个0】秒传送第一路信息 包,第二个01秒第一路信息包中止传输,开始传送 第二路信息包……依此娄推第十个01秒传送第十 路信息包;第二秒开始兄接着传输第一路信息包-- 这样每秒钟就可以传输10路信号,这就是时分复用的 基车原理它很类似于舒时系统的概念.0TM目前在 实验室中已经完成了将lOOb/s的数据沆复用/解复用 形成250Gb/s信号的1)r系统.日本XTT公司的研究 人员完成了队s40Gb/S传送60公里的传输试验和以 320C”b/S传送120公里的试验.英国电信的40Gb/s的 局域阿实验是世界上首次基于O?SS~技术的,也是世界 上最陕的局域网之一它可将高速计算机工作站互 连.这两个试验都是基于0T『]【技术的高速分组数据网 络,可实现短程计算机互连,它成功地把超高速0TD 技术推向更加广阔的应用领域,如局域网和高容量路 由器等.不过0TDH实现商用还需要几年时间. 另一个提高通信容量的方法是采用波分复用技术 (D1v1siOilu1t】p1e川g简称wD).DM非 常类似于在无线系统中早已采用丁的频分复用技术 (Frequente.i1On?u’t】P1ex1ng.简称FDM),二 者都是指利用一根光皇工来传输不同光频率或光波长的 载波信号一般来说,相邻两路载波信号光波长间隔 太于rls(1ns=10的一9次方秒)称为波分复用,否则 称为频分复用——频分复用实际上是一种密集渡分复 用我们知道,不同波长或不同频率的光在传输时不 会互相干扰,因此一根光纤同时传输多路不同渡长的 信号是完全可行的,这就是w驯和FDM的基本原理.w叫 系统已比较成熟,目前商用速率可达到400C~b/s,实 验室中wD”系统的最高速率已达6.4Tb./s.wD系统广 泛用于长途网,企业网及海底光缆网络(因特网洲 际互连)中. 口 凰5现有传输系统试验和商用速半的发展情况 微型计算机20Oj年第1期95 WD7和TDI]技术在l未来的发展中部非常要它们 不仪仅是通过复用米提高点到的传输容量而且还 a队进行选路和变换.目前由于所用的元件已经商用 化或接近商用化,wD技术闷前已得到r较大的发展. 而OTD’,I【f]r所用的技术还不太成熟.田此目前被看作 一 项长期的刚络解决,过OTD~.I口以克服wDM技 术固有的模拟特性而带来的一些限制——如由于放大 器级联而导致的频谱非线忖由于非理想化的滤波器 和交换机造成的串音,光}r带来的光的非线性影响; 及为r保持波长稳定度所需的复杂的{卒制方案和 昂贵的长波激光器光源及稳定的滤波器一一而引起几 1『J的r泛关注.罔;是现柏传输系统试验和商用速率 的发展情况. w叫和OTDII并不是不兼样或互捕对芷的技术,它 们町在同一网络中共存.将oTD与1’肼{技术相结台, 可以提网络资源利用率,达到更高的通信容量.NTT 已经完成r两个基下OTD’d/WI)!,1的TB级试骑第一个是 一 个10通道,每通道速率为1OOGb/s的试验;第二个 是一个?通道,每通道速率为200Gh/s的试验从长远 讲,0TD与wD技术相结台将具有更好的应用前景. 遗憾的是,光皇干传输也无祛做到百分之百的精确, 光信号失真接收端误码等问题在远距离传输中尤为 突}Ii1引起这种现象的婴原因就是光纤的色散. 光纤通信中应用最广的悯制方式是脉冲编码调制 (Pc),它是一种强度调制.南于实际使用的光源总是 具有一定谱线宽度的不存在绝对的单色光波,因此, 光脉冲信号的各种什量在光}川无值以绝对相同的速度 传赣.也就是说光脉冲信号的各个分量不町能绝对同时 到达光接收端机各分量之IflJ有一定的时延差——这种 时延差非常细微,在几千米的近距离传输不告造成任何 影响但是光纤传输的距离往往达成百上千公里此时 时延差籽造成信号的严晕失r[:脉冲波在接收端被展 l宽’接收端根难识别原来的脉冲信而产生误码.我们 把这种现象称为延迟畸变或哲色散 为丁把光纤线路存在的色i投降低到撮低限度. 增强光纤系统的可靠性色啦补偿光纤技术近每也得 到很大的发展.目前色散补偿技术丰要肯以下儿种: ?色散补偿光鲆 采用巾色散补偿光纤(Dispersi0”3Com~ensati(巾 Fibet,即DCF)制成的圈插人光纤线路中,该光纤的 色散带负与线路光纤符号相反,但消耗光功率,仍 颓进一步优化: ?色散管理光纤 色散管理光纤(D1spers1on~anagedFibet,即 DF).这种光纤带有正,负色散区段,如同线路光纤 延腱敷设不至于造成DCF圈那样无谓的光损失. 96NO.1,2001NewHardware NeuHHrdwm’e技术广角 ?双模光纤补偿 双模光纤补偿法运用高阶模,它在截止波长附近 产生较大的波导色散(带负号)与线路光纤中带正号 的单色散相抵消. 六,光纤技术的过去,现在和未来 1966年高锭博士f中国科学院外籍院士,香港工 程科学院院长,美国工程院院士,英国伦敦大学博士,’ 冈阐述发展光纤在通讯力面的应用,被誉为”光纤之 父)首次提出利用光导纤维光载波的形式传输信 息,奠定了光纤通信的理论基础1970年美国康宁公: 司首次成功研制出具有安用意义的,损耗为20dB/km 的光纤,展示了光纤实际应用的光明前景.此后光纤 通信技术的理论不断发展.同时相关产业也蓬勃兴起, 截至2O世纪80年代中期,许多发达国家和地区用光纤 通信线路已取代了传统的同轴电缆,井已经铺设了多 条穿越太平洋和大西洋的海底光缆.后来因特网的蓬 勃发展为光纤通信带来了H大的机遇,在需要大量远 程数据传输的场合光纤体现出了无比的优势.遗憾 的是铺设光缆及其相关设备需要高额的费用,这很大 度限制了光纤在普通商业环境中的应用不过当时 计算机技术还停留在比较低的水平,普通用户没有大 量数据传输的要求因此在20世纪8O年代中期以前光 纤要用在电信系统和因特网骨干连接之中. 2o【廿纪90年代蛆后,计算机技术的飞速发展使得 片j户需要传输的数据量越来越大从文本信息到普通 多媒体信息再到现在高质量的音频视频信息,现 有的各种网络都已不堪重负,传统的铜缆传输技术也 基本卜走到了尽头——尽管千兆以太网仍可用铜缆传 输,但人丽图6星型光纤四络示意图 光纤网络是基于光玎传输的数据网络其主体都 j卜一光纤传输网络则Fhi~D’4终端,光中继器/放大器 和光纤组成.在靠近普通用p的数据阁络则利用传统 的路器交换机等相关设备组城罔6是一个星型光 纤网络.箕土体部分由光纤光纤路l{_器/交换机构 成.终端用f则普通电缆连接下级路南嚣/交换机 由此实现十光纤网.光纤『卅络充分利用光纤高带宽 和电缆低成本的优点.在现有的罔特阿基础之上进行 政造,实现起来技术难凄很小,不过E并不是光纤网 络的最终目标全光同琦是未来光纤同络的方向. 全光刚技术目前还处在研究阶段,它是以波长蹄 由光交换技术和wDM技术为基础,整个阿络全部采用 光信号实现信息的高速交换.在过去的一年中.wD?, 千兆以太同千兆/兆兆交换选路技术.以及把高速 路南器直接接人光网的”】PoverwDM技术都得到 r很大的进步,尤其是IP:n”技术使料用 p终端可直接接到WI)’4光纤网的相关设备上,简而 言之,用町以使用光纤州卡直接接人争光网.每个 用网速率均可选到】00’41~/s的水平.由r网络全 部采用光信号传输整个阿络非常简单,扩展肚很好 整件建造和维护成本也将低于现有的光电混俞型网络. 据统计,采用光纤阿技术可使网络的运行费用节省 ?0,建网费片j节省0o,而其传输速度则是现在因特 网的舯倍l光纤网络的实现将使人J的梦想变成现宴 今天,光纤技术的进步使得光纤的眭能每9个月 翻一番,比适用十半导体芯H领域的摩尔定律快一 倍!飞速发展的光纤技术给我国带来了巨人机遇,H 前备十城市部在积极策划自己的”光各fH愿这一次 我们可以在光领域有所作为.毕竟.如果不能掌握属 于自己的信息技术,中国的信息产业很难说有美好的 未来}无论如何,光纤技术必将改变未来人们的生活. 或许等到全光网实现的时候,”地球村才可以真正变 为现实!圃 浅析低扬声器 低音扬声器单元的q值和箱体低频额率响麻密 切相关.低音单元安装在特定蒋秘的箱体内.丰要 是为r控制它们组在趁的峒应特H实际的方 Jl0 |, ? . J 一 _/ / , 图L不同q值瞄殪对应的频半挣}生 是测量和调整 值.是一十 综台量,过里用 来描绘扬声器和 昔箱的惜振人 小:它代表等效 电蹄对系统谐振 的控制能力,『『『i 系统谐振是由低 爵和箱件组台的 电子,机械和宅 t压缩相互作用 而产生的.图l 值’’文/图子衿 为某低青扬声器不同q值及对应的频率特眭,通 过适当地运用声学手段(如吸音材料的增加或减少 等}进行调整,可将低频段的频率响应调整在比较 半直的状态. 有趣的是.不同的Q值下音箱台有不同的音质表 现虽熟这些特定的G值只是连续0值当中的几个点, 但我们可概括得出它与音质的一般关系.Q值在接近1 时,声音比较温暧,强劲,也就是一些音响经销商所 说的’好卖的声音”:Q值在o.8左右,声音更加细腻 (_丰要归功于改善的瞬志特性),但感觉有些”浅”;Q 值为0.j时通常心里感觉相当紧,并且处于过阻 状态;q值为】2时,可表现更多的低音但是, 当Q值太于】.2时音质就不理想了所,音箱的日 值一般在o5一j2之间.根据扬声器单元的特性和设 计者对音质取向的不同,调整到不同的q值就会有不 同的音质表现.圃 微型计算机2001年第1期97 ?Ill?l??l_?.m_d?Jl?t{1..?.