光纤通道培训教材.doc

继电保护光纤通道 贺家李 徐刚 编著 天 津 大 学 电力研究与培训中心 二零零七年九月 继电保护光纤通道 第一节 光纤通讯的发展简史 光波是波长极短的电磁波。因此，科学家早已断定利用光波进行通讯在理论上是可行的，也是人们长期以来梦寐以求的。光波的频率在3×1014以上，用这样高频率的波作为载波，可获得比现有通讯方式大万倍的通讯容量，又不受一般的电磁干扰，因而是一种理想的传输介质。但是如何使光波沿着预定的通道长距离传输却是一个极难的问题。只有当激光和光导纤维问世之后，才使这一难题的解决成为可能。 利用光纤作为光的传输介质的研究工作经历了约30年的时间，早在1950年国外就有人开始了光在光纤中传输的理论研究。1951年出现了用于医疗的光导纤维。但由于那时的光纤中光的传输衰耗太大，故不能用于一定距离的光通讯。1966年，英籍华人高锟博士揭示了制成衰耗低于20dB/km光纤的可能性。而当时世界上最优良的光学玻璃衰耗在1000dB/km左右。因而这个预见未被普通相信和重视。只有美国贝尔实验室主席Iam Ross和英国电信研究所（BTRL，BPO）的领导人对此极感兴趣，遂与美国康宁玻璃公司合作研制。至1970年该公司的Maurer等人首先制成了衰耗为20dB/km的光纤，取得了重大突破。高锟博士指出，降低玻璃内的过渡金属杂质离子是降低光纤衰耗的主要途径。沿此途径，在1974年光纤衰耗已降低到2dB/km。另外，玻璃内的OH离子也是造成衰耗的重要因素。解决此问题后，到1980年用于1.55μm波长的光纤衰耗值已降低到0.2dB/km。 实现光纤通讯的另一重要问题是光源。60年代，光纤通讯的研究主要应用波长为0.85μm附近的近红外区。因此，当时主要研究GaAlAs(镓铝砷)半导体激光器。当时制成的这种激光器不能在室温下运用，寿命很短。经过长时间艰难的研究工作，到1970年Hayashi等人终于制成了能在室温下连续运行的GaAlAs激光器。与此同时，1971年Burrus等人制成了GsAlAs发光二极管（LED），其寿命长、价格低廉，但频谱宽、速率低、功率小。80年代制成了适用于1.3μm、1.55μm的InGaAsP(铟镓砷磷)长波长激光器和发光管，现已得到广泛应用。 光接收器件也是光纤通讯必不可少的重要组成部分。随着光纤的发展，及时地研制成功适用于短波长的Si-PIN管和Si-APD雪崩光电二极管及适用长波长的InGaAs或InP的PIN管和APD管，还有Ge-APD管等。 1976年后，美国建成传输速率为44Mbit/s（每秒传送44M位数字信号）、传输距离达到10km的商用光纤通讯线路。80年代，光纤通讯进入大规模发展阶段。目前世界上光纤通讯已被广泛应用，全世界光纤用量每年约6000~7000万km 。国际上565Mbit/s的高速光纤通讯系统（可传送7680路双向电话）已广泛应用，2.4Gbit/s超高速系统也将投入运行。 我国早在70年代初就开展了光纤通讯的研究，70年代末已经能制造用于1.3 μm波长、衰耗为4dB/km的多模光纤，并能制造0.85μ m波长的发光二极管和激光器。80年代初，研制成长波长多模光纤、长波长激光器和PIN-FET光电检测组件，在武汉建立了市内光纤线路。1991年，建成合肥至芜湖的150km光纤线路。目前全国每年光纤用量约在550万km以上。国产的光纤衰耗可低至0.34dB/km，年产量已超过100万km。由此可见，我国光纤通讯的发展非常迅速，在电力系统中也得到广泛应用。 第二节 光纤通讯的优点和构成原理 光纤通讯与其他通讯方式比较有很多优点，对应用于电力系统而言，主要有以下几点。 （1）通讯容量大 随着电力系统保护、控制、远动技术的发展，需要愈来愈大的通讯容量。微波通道的通讯容量一般只有960路，而用光缆构成的光纤通道当用0.85μm短波长时通讯容量可达1920路，当用1.55μm长波长时通讯容量可达7680路。 （2）工作可靠 载波通道受雷电和电力系统操作产生的电磁干扰很大，信号衰耗受天气变化的影响很大，有时甚至不能工作。微波通道受电磁干扰较小，但在恶劣天气条件下信号衰落很大。光纤通道不受电磁干扰，基本上不受天气变化的影响，因此工作可靠性远高于载波和微波通道。这对于电力系统特别重要。 图1示光纤通讯系统构成框图，图中示出了通道的一个传输方向。向反方向传输的结构与此完全相同。图中发端的电端机是常规的通讯发送设备，用于对信息的信号进行处理，例如进行模数转换，调制和多路复用等。发端的光端机内有作为光源的激光器或发光器或发光二极管，其作用是将电信号调制到光信号上。然后将经调制的光源输入光纤，向对端传输。光信号在传输