浅析电力光纤传输技术

【摘 要】本文通过对光电效应原理的解析，阐述了光纤传输的特点与传输光介质的构成，对光信号的调整与放大的各种方式与设备进行了研究与总结。

【关键词】谐振条件；强度调制；光纤放大；分路

当光照射到金属或半导体上产生光电流的现象。光电流的强度与入射光成正比；当入射光的频率低于红限频率时，不会产生光电效应。入射光的频率太高，半导体材料对光的吸收系数将变大。光纤传输技术正是将此项物理现象应用到通讯中。

一、光纤传输特点与光构成

（一）光纤传输的特点。光纤对光信号的衰减极小。每km光纤对信号的衰减为0.2分贝，调幅光纤不加中继可传输40 km左右，数字光纤可传输100 km以上。光纤不易受电磁干扰，传输质量很好。光纤的容量极大。每一根光缆中包含4根至几千根光纤，每根光纤可复用几十个波长，每个波可传输几千套电视节目。

（二）激光。英文为Laser（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，即莱塞、镭射），受激辐射引起的光放大。辐射过程有三种：自发辐射、受激辐射、受激吸收。产生激光的三个条件：实现粒子数反转、满足阈值条件（受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗）和谐振条件（直射光与反射光位相相同）。工作物质（激活物质）、泵浦系统和谐振腔构成激光器的基本组成结构。

（三）与激光有关的基本概念。粒子数反转（高能态的粒子数大于低能态的粒子数）；激活物质（具有能实现粒子数反转能级结构的物质）； 泵浦过程（激励过程，即通过外界不断供给能量，促使低能态粒子尽快跃迁的过程）； 谐振腔（使受激辐射光在两个反射镜之间来回反射，不断引起新的受激辐射，使其不断被放大）。

二、光信号的调制和解调

（一）光信号的副载波强度调制。AM-IM的特点是传输节目更多，但对激光器的要求较高，光接收机的灵敏度较低，传输距离较近，1.31 μm激光，无中继距离不超过35 km。FM-IM的特点是对激光器线性的要求不高，传输距离较大。图像质量高交调互调产物表现为接收调频波的背景噪声，对图像质量的影响较小。但所占频道较宽（每个频道35 MHz～40 MHz），一根光纤只能传输16～18套电视节目，光接收机输出的信号需经过FM/AM转换器才能送入用户。可组成一个卫星电视传输系统。PCM-IM方式：失真小，无噪声积累，多级传输后载噪比仍可达60 dB，C/CTB和C/CSO可达70 dB。无中继放大可传输100 km以上，利用光纤放大器，可传输数千公里。但价格贵；无压缩时，一根光纤只能传输16套节目。经过压缩，可传输数百套节目，但成本较高。

（二）光调制器原理。直接调制的技术简单，损耗小，易于实现。但易出现附加频率调制或啁秋效应（chirping）。出现组合二次互调失真（CSO）。内调制和外调制需要通过专门的调制器。外调制效率较低，但无啁秋效应。光接收机的任务是把光信号恢复成电信号。硅波长响应范围为0.5μm～1.0μm，锗和InGaAs为1.1μm～1.6μm。

三、光缆

光缆的基本组成部分有光纤、导电线芯、加强筋、护套。光缆的接续分固定连接（粘接和熔接）与活动连接（光连接器和机械连接子）两类。

（一）模拟光纤干线的基本原理。光发射机将电视信号调制到光信号上，光分路器把光信号分成不同比例，分别送入各光节点，光纤放大器将光纤中的光信号放大，使之传输更远的距离，光接收机从光信号中解调出电信号。光发射机有直接调制光发射机、YAG外调制光发射机、DFB外调制光发射机。光接收机（optical receiver）应用在通信的光纤传输与接入，负责接收光信号的设备。通常由光检测器、光放大器和均衡器以及其他信号处理设备组成。光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出光纤传输后由光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。光信号经由光发射机发射与传输后，脉冲的波形被展宽，幅度得到了衰减。此时光接收机检测经过传输的衰减过的光信号，将其放大和整形，从而复生原信号。光纤放大器的工作原理有直接放大与间接放大，有后置放大器（光增强器）；前置放大器（预放器）以及光中继器。

（二）掺铒光纤放大器（EDFA）。双掺杂EDFA同时掺入钇和铒两种元素，泵浦光功率达3 W，波长为1.047 μm，信号光输出功率达2×500mW（27+3dBm）。包层泵浦EDFA的光纤有两个包层。纤芯的直径为5 μm，第一包层的直径为90 μm，第二包层的直径为125 μm。泵浦光（波长为910 nm～990 nm）从第一包层输入。可放大1537 nm～1574 nm或1560 nm～1600 nm的光，输出功率达3000 mW以上。三种泵浦方式进行比较：输出光功率方面，双向泵浦>后向泵浦>前向泵浦；噪声方面前向泵浦

四、光纤通信技术的特征和发展方向

（一）光纤通信的特征。光纤通信的可靠性很高、抗外力干扰的能力也很优秀而且传输速率也很快、信号质量强度高稳定等等。这些优点正是在国家电力系统信息传递中所遇到的难题。电力信号的传输要适应全天候的天气变化，光纤传输不受自然环境和物理环境影响，具有良好的抵御信号干扰的能力和自我修复力。比较目前的几种通信技术光纤是最经济实惠的，效果也是最好的。和其他网络的融合拓展，减少电力系统的资金浪费。

（二）光纤通信的发展方向。从过去的几十年的电子通讯技术发展的过程来看，传输信息量和传输效率一直是我们追求的目标。通常情况下，效率提升和成本的增加成文的正比，这个系数大约是10：1。二十年里，传输速度从10Mbps跃升到10Gbps，效率提升了数量级别。未来的发展仍旧是大容量和高速度。一根光纤的宽带利用率不到1%，还有99%的空间有待利用和开发。其实我们已经开始使用波长分开重复使用的方法来开发光纤的宽带资源，这种方法简称WDM。

宽带和光纤都是信息的传输渠道，如果采用WDM技术可以实现传输效率的大幅度提升，但是这种传输仍然是点到点的线性传输，不利于信息的互动交流。如果将光缆连接开发出信息交流平台，电力系统传输实现容量的再次提升，为电网节省开支提高效率。

五、结束语

光工作平台的输入输出是一个综合性指标，其性能综合受制于输入光功率与输出电平，需要在较低的接受输入功率与较高的输出电平间掌握平衡。

参考文献：

[1]李鉴增.光纤传输与网络技术[M].北京：中国广播电视出版社，2009.

[2]纪越峰.光缆通信系统[M].北京：电子工业出版社，1992.

[3]朱洪波，傅海阳，吴志忠，等.无线接入网[M].北京：人民邮电出版社，2000.