通信中光线路的特性

光传播的路径~

光束含有能量，当它投射到一个不透明的物体上并被吸
收时，能量就会发生某种变化。其中的大部分转换为热，也
就是说，构成不透明物体的粒子在获得光能之后，就开始更
加快速地振动。
然而，光束能够对不透明的物体施加直接的力吗？光束
能够把它的运动传给那个吸收它的物体吗？一个运动中的大
而重的物体对任何阻挡在它前进道路上的东西的影响是明显
的。滚木球戏中的滚球击中了一个柱，就会使它飞起来。但
光由无质量的粒子所组成，它仍然能够把它的运动传递给物
质，并对物质施加力吗？
早在1873年，苏格兰物理学家麦克斯韦就从理论上
研究了这个问题。他指出，光即使是由无质量的波所组成，
也仍然会对物质施加力。这种力的大小取决于运动光束中每
单位长度所含的能量。有一件令人注目的事。假定你有一个
手电筒，你将它正好开一秒钟。它在这一秒钟内发射的光含
有大量的能量，但就在这一秒钟内，发射出的光的第一部分
已经走了约30万公里。手电筒在一秒钟内所发出的全部光
就分成那样长的一道光束，所以，这道光束中每一米或甚至
每一公里长度中的能量确实是很小的。
正是由于这个原因，在通常情况下我们并不觉得光对物
质有任何作用力。
不过，假定你取一根轻的横杆，在横杆两端各有一个平
圆盘，然后用一根细石英丝拴在横杆的中央，把它悬吊起来。
在一圆盘上施加极小的一点力，就会使横杆围绕着石英丝扭
转。如果一道光束照在一个圆盘上，那么，只要这道光束对
圆盘施加了力，这个横杆就会旋转。
当然，如果稍有一点微风推动着圆盘，那么，光束的这
种微小的力就会被掩盖起来，所以整个装置必须封闭在一个
小室内。就连空气分子碰撞圆盘所产生的力也会比光力大得
多。因此，这个小室必须抽成高真空。完成了这样的设施并
采取了某些其他的预防措施之后，当一道强烈的光束照射在
圆盘上时，就有可能测出圆盘位置的微小移动。
1901年，两位美国物理学家尼科尔斯和赫尔在达特
默思学院完成了这样的实验，证明光确实能产生一种力，这
种力的大小正好同二十八年前麦克斯韦所预言的差不多。几
乎与此同时，俄国物理学家列别捷夫用稍微复杂一点的装置，
也证实了这种情况。
这种“辐射压力”的存在被证实以后，天文学家相信这
种压力说明了关于彗星的某种有趣的现象。彗星的尾部总是
指着背离太阳的方向，当彗星接近太阳的时候，彗尾就拖在
后面。当彗星最接近太阳并绕着太阳运动时，它的尾部就来
回摆动。然后，当彗星离开太阳时，它的尾部却跑到它的前
面去了。
于是天文学家就这样想：“啊哈，这就是辐射压力！”
大约有半个世纪，他们一直认为这是真实的，但是他们
错了。太阳光的辐射压力并不够强，把彗星尾部推向背离太
阳的方向的是太阳风。

距离：理论最大距离能到达1200M

光开关是较为重要的光无源器件，在光网络系统中可对光信号进行通断和切换。光开关在光分/插复用(OADM)、时分复用（TDM）、波分复用（WDM）中有着广泛的应用。光开关以其高速度、高稳定性、低串扰等优势成为各大通信公司和研究单位的研究重点。光开关有着广阔的市场前景，是最具发展潜力的光无源器件之一。

一、光开关与全光网络

近几年，随着远程通信和计算机通信的飞速发展，特别是Internet/Intranet业务的爆炸式崛起，传统的基于电子领域的传输系统已难以满足日益增加的业务需要。密集波分复用（DWDM）技术利用单模光纤的低损耗窗口，在一根光纤中同时传输多路波长载波，并采用掺铒光纤放大器（EDFA）来取代传统的光电中继系统。不但在不增加光纤的基础上使容量成倍增加，还摆脱了由于光电转换过程中“电子瓶颈”所带来的单根光纤传输速率制约。因而被认为是提高光纤通信容量的一种有效途径，如图1所示。

从图2中我们看到，光交叉连接器（OXC）和光上/下路复用器（OADM）是全光网络的关键。OADM和OXC可以管理任意波长的信号，从而更充分地利用带宽。而且，环状网络拓扑结构增强了WDM设备的可靠性以及数据的生存性。

光交叉连接矩阵是OXC的核心，它要求无阻塞、低延迟、宽带和高可靠性，并且要具有单向、双向和广播形式的功能，如图3所示。而光开关又是光交换和光互连中最基本的器件，它的性能、价格将直接影响到OXC系统的商用化进程。

二、光开关概述

目前，在光传送网中各种不同交换原理和实现技术的光开关被广泛地提出。不同原理和技术的光开关具有不同的特性，适用于不同的场合。依据不同的光开关原理，光开关可分为：机械光开关、磁光开关、热光开关、电光开关和声光开关。依据光开关的交换介质来分，光开关可分为：自由空间交换光开关和波导交换光开关。

机械式光开关：机械式光开关发展已比较成熟，可分为移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜和移动耦合器。传统的机械式光开关插入损耗较低（≤2dB）；隔离度高（>45dB）；不受偏振和波长的影响。其缺陷在于开关时间较长，一般为毫秒量级，有时还存在回跳抖动和重复性较差的问题。另外其体积较大，不易做成大型的光开关矩阵。机械式光开关，已经做成产品，在国内市场上主要有康顺公司生产的1×2，1×4，2×2机械式光开关，国外的主要有E-TEK,JDS,Dicon,Lightech,Oplink等公司的产品。

微电子机械光开关（MEMS）：MEMS是由半导体材料，如Si等，构成的微机械结构。它将电、机械和光集成为一块芯片，能透明地传送不同速率、不同协议的业务。MEMS已广泛应用在工业领域。MEMS器件的结构很像IC的结构，它的基本原理就是通过静电的作用使可以活动的微镜面发生转动。从而改变输入光的传播方向。MEMS既有机械光开关的低损耗、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成等优点。基于MEMS光开关交换技术的解决方案已广泛应用于骨干网或大型交换网。

液晶光开关：液晶光开关的工作状态基于对偏振的控制：一路偏振光被反射，而另一路可以通过。典型的液晶器件将包括无源和有源两部分。无源部分，如分路器将入射光分为两路偏振光。根据是否使用电压，有源部分或者改变入射光的偏振态或者不加改变。由于电光效应，在液晶上施加电压将改变非常光的折射率，从而改变非常光的偏振状态，本来平行光经过在液晶中的传输会变成垂直光。液晶的电光系数很高，是铌酸锂的几百万倍，使液晶成为最有效的光电材料。电控液晶光开关的交换速度可达亚微秒级，未来将可以达到纳秒级。

热光效应开关：热光技术一般用于制作小型光开关。典型的如1×1、1×2、2×2等，更大的光开关可由1×2光开关元件在同一晶片上集成。热光开关主要有两种基本类型：数字型光开关（DOS：Digital optical switches）和干涉型光开关(Interferometric switches)。干涉型光开关具有结构紧凑的优点，缺点是对波长敏感。因此，通常需要进行温度控制。它们都是在介质材料，如玻璃或硅基片上，先做上波导结构，然后，在波导上蒸镀金属薄膜加热器，金属薄膜通电发热，导致其下面的波导的折射率发生变化，从而实现光的开关动作。

声光开关：在这种开关中，声波用来控制光线的偏转。交换速度从500ns到10us。由于没有移动部分，可靠性较高。1×2光开关损耗低于2.5db。LMGR公司声称其光纤线性声光开关没有机械部分，使用电和计算机控制声光偏转装置，能在几个微秒内将输入信号送到输出端，转向器可以任意转向。Brimrose公司也开发了自己的声光开关，其1×2光开关的交换速度是525ns，相对损耗为2.5db。

波导型光开关：波导型光开关是最近发展的光开关，采用波导结构。它同样利用电光、声光、热光、磁光效应。最一般的介质波导是平板波导结构，它由衬底、薄膜层和覆盖层组成。衬底、薄膜层以及覆盖层底折射率分别为ns、nf、n c ，光在薄膜层中传播的条件，必须满足nf >ns> n c。由于其体积小，可用于大规模的OXC中。

磁光开关：磁光开关原理是利用法拉第旋光效应，通过外加磁场的改变来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用，从而达到切换光路的效果。相对于传统的机械式光开关，它具有开关速度快，稳定性高等优势，而相对于其他的非机械式光开关，它又具有驱动电压低、串扰小等优势，可以预见在不久的将来，磁光开关将是一种极具竞争力的光开关。

三、国内外的研究情况

目前国内各光学器件生产厂家都还没有磁光开关的成品上市，国外有很多公司已经研制出或者正处于研发阶段，目前在这方面处于领先地位的外国公司有：Primanex、agiltron等。

下面简单介绍一下这两个公司磁光开关的性能指标

Primanex公司2×2磁光开关的性能参数见下表：

1、光学特性参数：

2、电学特性参数：

表2 Primanex公司2×2磁光开关成品机电学能参数

3、设备外观布局：

图4 Primanex公司2×2磁光开关成品结构布局

Agiltron公司1×2磁光开关性能参数见下表

1、 光学特性参数：

2、电学特性参数：

四、光开关在通信市场的潜力

世界市场光开关的需求量在九十年代初、中期增长缓慢，只有数十万件。但在九十年代后期，随着全光网络的兴起、发展，经济信息化过程的加快，特别是全球范围光交换机及其交换矩阵系统市场需求猛增，系统设备销售2006年将增长至32亿美元，对光开关的需求也将会急剧上升。根据日本光通信行业的预测，九十年代末世界光开关年需求量近百万件。近期外刊报道，北美九十年代末光开关的需求量为数十万件。据统计，世界光开关年销售增长率已达到13%。光开关在国内光无源器件市场所占份额较小，随着全光通信网络系统的开发、应用，国内市场需求量将会大幅度增长。对于国内厂商而言，是难得的机遇，更是巨大的挑战。下图为专业机构对光开关市场所作的预测。

图5. 北美2000～2004年光开关市场预测

图6. 2000~2004年光开关容量需求

五.结束语

可以看出，随着DWDM系统市场的增长，光开关等无源器件市场也将迅速发展。而且更重要的是，光开关相对于光隔离器、环形器等器件而言，它的产品还不是很成熟，国外著名的器件生产商如 JDS Uniphase、Oplink也还处在研发阶段，如果我们从现阶段就开始介入这方面的研究和产品开发，将可确保中国通信行业在光通信器件方面处在比较有利的位置，便于其的发展。

随着光通讯的迅猛发展，全光网络离我们越来越近。这也使得应用于光网络中的各种光无源器件越来越受到重视。光开关是一种具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。它可用于光纤通讯系统、光纤网络系统，光纤测量系统或仪器以及光纤传感系统，起到开关切换作用，对于光纤通讯网络具有重要的科学意义和实用价值。

量大，搞干扰

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蒙阴县18921375954： 通讯技术中光纤传输特性是什么? - ？
学媚三协： 光纤传输特性主要是指损耗特性和带宽特性(即色散特性),其特性的好坏直接影响光纤通信的中继距离和传输速率(或传输容量),因此它是设计光缆传输系统的基本出发点.

蒙阴县18921375954： 给点有关光纤通信的科普知识？
学媚三协： 光纤基本知识 第一部分 光纤理论与光纤结构 一、光及其特性: 1、光是一种电磁波 可见光部分波长范围是:390~760nm(毫微米).大于760nm部分是红外光,小于390nm部分是紫外光.光纤中应用的是:850nm,1300nm,1310nm,1550nm四...

蒙阴县18921375954： 光信号在光纤中的特性？
学媚三协： 光纤进行传输:光信号在光纤中传输的损耗非常小,光纤直放站信号传输的距离主要是受信号时延的限制. 当引入光纤直放站延伸信号传播距离时,信号的传播时延包括了在光纤直放站上的时延和在空中传播的时延.光信号在光纤的介质中传播时,速度是无线信号在空气中传播的2/3,加上直放站的时延(大约1.5μS)和无线信号在空中传播时延,因此,光纤直放站距离基站最远不应该大于20km.

蒙阴县18921375954： 求解:光在光纤中的传输特点.(这个是大学物理实验中的一条思考题.) - ？
学媚三协： 1、衰减.光在光纤中传播时,平均光功率沿光纤长度方向呈指数规律减少. 2、色散. 波长色散.由于光纤中的信号是由不同的频率成分和不同的模式成分来携带的,这些不同的频率成分和不同的模式成分的传输速度不同,从而引起色散.在光纤中,不同速度的信号传过的距离所需的时延不同.时延差越大,色散就越严重.因此,常用时延差表示色散程度.单模光纤中只传输基模LP01,总色散由材料色散、波导色散和折射剖面色散组成. 偏振模色散.(光纤中的光传输可描述为完全时沿X轴振动和完全是沿Y轴上的振动或一些光在两个轴上的振动.) 3、非线性效应.当光功率增加到一定程度时,光信号与光纤传输媒介间的非线性交互现象将会呈现.

蒙阴县18921375954： 双绞线、同轴电缆和光缆的特点通过比较说明双绞线、同轴电缆和光缆的特点, - ？
学媚三协：[答案] 网络传输介质是网络中传输数据、连接各网络节点的实体,在局域网中常见的网络传输介质有双绞线、同轴电缆、光缆3种.... 在使用光缆互联多个小型机的应用中,必须考虑光纤的单向特性,如果要进行双向通信,那么就应使用双股光纤.由于要对不...

蒙阴县18921375954： 光缆是以光的什么特性传输信号的 - ？
学媚三协： 光缆,光导纤维都是全反射现象的重要应用,即光由光密介质(即光在此介质中的折射率大的)射到光疏介质(即光在此介质中折射率小的)的界面时,全部被反射回原介质内的现象.光纤通信利用的就是全反射的道理.光纤在结构上有中心和外皮两种不同介质,光从中心传播时遇到光纤弯曲处,会发生全反射现象,而保证光线不会泄漏到光纤外.光在均匀透明的,即使是弯曲的玻璃棒的光滑内壁上,借助于接连不断地全反射,可以从一端传导到另一端,当棒的截面直径很小,甚至到数微米数量级,传导的效果也不变,这种导光的细玻璃丝称为光学纤维.光在纤维中的传导有专门的波导理论来论述,但是也不妨用光的全反射来作一般的解释.

蒙阴县18921375954： 光纤通信是现代通信的一种重要方式.光纤的内壁具有使光发生反射的特性,使从一端射入的光能传播到光纤的另一端.请在图中作出光路图,表示光纤传输光... - ？
学媚三协：[答案] 光导纤维由内外两层组成,且内外两层的折射本领不同,激光不会透过去,激光是不断的经光纤壁反射向前传播.先作出“法线”,然后根据光的反射定律即可作出反射光线.如下图:

蒙阴县18921375954： 影响光纤通信的传输特性有哪些 - ？
学媚三协： 我只知道那些因素可以影响光纤传输信号的质量. 宏弯,高频震动,断面,熔接点,X射线等.

蒙阴县18921375954： 室外光缆的特点 - ？
学媚三协： 阻水带纵包防止光缆的纵向渗水 两根平行钢丝保证光缆的抗拉强度 室外光缆的抗拉强度较大,保护层较厚重,并且通常为铠装(即金属皮包裹).室外光缆主要适用于建筑物之间、以及远程网络之间的互联. 一般来说,室外光缆只是填充物,...

蒙阴县18921375954： 在光纤通信中,我们利用了光的什么特点 - ？
学媚三协： 光的折射特点.