1、2021/3/261第七講 光纖通信技術(shù)l了解光纖通信技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀l掌握光纖通信系統(tǒng)的組成l了解光纖通信系統(tǒng)的分類l熟悉光纖通信系統(tǒng)的特點l熟悉主要光源的特點和適用場合l熟悉常見的光纖連接器的特點和適用場合l熟悉光纖配線架的作用l掌握光纜的構(gòu)造和標(biāo)識l了解光接收機和光放大器的作用l了解光纖通信復(fù)用技術(shù)2021/3/262現(xiàn)代光通信的起源l1880年,貝爾發(fā)明了第一個光電話,其原理是:將弧光燈的恒定光束投射在話筒的音膜上,隨聲音的振動而得到強弱變化的反射光束。l這一大膽的嘗試，可以說是現(xiàn)代光通信的開端。l貝爾光電話和烽火報警一樣，都是利用大氣作為光通道，光波傳播易受氣候的影響，在大霧天氣，它

2、的可見度距離很短，遇到下雨下雪天也有影響。2021/3/263波導(dǎo)的研究l在大氣光通信受阻之后,人們將研究的重點轉(zhuǎn)入到地下光波通信的實驗,先后出現(xiàn)過反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)等地下通信的實驗。2021/3/264光纖的出現(xiàn)l1966年,英籍華人高錕(K.C.Kao,當(dāng)時工作于英國標(biāo)準(zhǔn)電信研究所)博士發(fā)現(xiàn)了光在石英玻璃纖維中傳輸產(chǎn)生的嚴(yán)重損耗的原因。當(dāng)時世界上最優(yōu)秀的光學(xué)玻璃衰減高達1000dB/Km。l1970年,美國康寧（Corning）公司首先研制成衰減為20dB/Km的光纖。l1980年，光纖衰減就降低到了0.2dB/Km，接近理論值。2021/3/265光源與光探測器l 光纖通信系統(tǒng)中使用的光

3、源經(jīng)歷了從發(fā)光二極管到半導(dǎo)體激光器的進步。l 目前,半導(dǎo)體激光器不僅可以在室溫下工作,而且其直接調(diào)制速率可以達到10Gbit/s乃至更高,逐漸滿足了高效率、高速率、低噪聲、大功率、長壽命等要求。l 光纖與光源的逐年進步解決了衰減和色散問題，其結(jié)果是增加了光纖系統(tǒng)的通信容量。l 光探測器也達到了GHz的響應(yīng)靈敏度。2021/3/266光放大器l90年代初,光放大器的問世引起了光纖通信技術(shù)的重大變革,這在光通信史上具有里程碑的意義。l光放大器節(jié)省了光電變換的中繼過程,而且實現(xiàn)了波長透明、速率透明和調(diào)制方式透明的光信號放大，從而誕生了采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)的新一代光纖系統(tǒng)商用化。2021/3/2

4、67光纖通信系統(tǒng)的組成l光纖通信系統(tǒng)是以光波為載體,光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的通信系統(tǒng)。2021/3/268光纖通信系統(tǒng)的組成l發(fā)送器:發(fā)送器的核心是一個光源,其主要功能就是將一個信息信號從電子格式轉(zhuǎn)換為光格式?？刹捎冒l(fā)光二極管(LED)或激光二極管(LD)作為光源。l光纖:光纖通信系統(tǒng)中的傳輸介質(zhì)是光纖。l接收器:光接收器的關(guān)鍵設(shè)備是光檢測器,其主要功能就是把光信息信號轉(zhuǎn)換回電信號(光電流)。當(dāng)今光纖通信系統(tǒng)中的光檢測器是個半導(dǎo)體光電二極管(PD)2021/3/269光纖通信系統(tǒng)的分類l根據(jù)光纖的傳導(dǎo)模數(shù)量,分為多模光纖通信系統(tǒng)和單模光纖通信系統(tǒng);l根據(jù)系統(tǒng)的工作波長,分為短波長光纖通信系統(tǒng),長波

5、長光纖通信系統(tǒng)和超長波長光纖通信系統(tǒng);l根據(jù)調(diào)制信號的類型，分為模擬光纖通信系統(tǒng)和數(shù)字光纖通信系統(tǒng);l根據(jù)光源的調(diào)制方式，分為直接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)和間接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)。2021/3/2610光纖通信的主要特性l頻帶寬,通信容量大;l損耗低,中繼距離長;l抗電磁干擾;l無串?dāng)_,保密性好；l線徑細，重量輕，柔軟；l原材料資源豐富，節(jié)約金屬資源。2021/3/2611光纖通信的主要特性l質(zhì)地脆,機械強度低;l彎曲半徑不宜過小;l連接困難,切斷不易;l分路和耦合不方便；2021/3/2612光發(fā)送器l光發(fā)送器的主要核心是光源。l常用光源主要有: 發(fā)光二極管; F-P腔半導(dǎo)體激光器; 分布反饋式（DF

6、B）半導(dǎo)體激光器; 分布布拉格反射式（DBR)半導(dǎo)體激光器；2021/3/2613發(fā)光二極管l半導(dǎo)體發(fā)光二極管(Light-emitting Diode,LED),通常應(yīng)用GaAlAs（鎵鋁砷）和InGaAsP（銦鎵砷磷）材料,可以覆蓋整個光纖通信系統(tǒng)使用波長范圍，典型值為0.85m、1.31m及1.55m。l按照器件輸出光的方式，可以將發(fā)光二極管分為三種類型結(jié)構(gòu):表面發(fā)光二極管、邊發(fā)光二極管及超輻射發(fā)光二極管。lLED一般用于低速系統(tǒng)。2021/3/2614發(fā)光二極管的工作原理l當(dāng)給LED外加合適的正向電壓時,Pp結(jié)之間的勢壘(相對于空穴)和Np結(jié)之間的勢壘(相對于電子)降低,大量的空穴和電

7、子分別從P區(qū)擴散到p區(qū)和從N區(qū)擴散到p區(qū)(由于雙異質(zhì)結(jié)構(gòu),p區(qū)中外來的電子和空穴不會分別擴散到P區(qū)和N區(qū))，在有源區(qū)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，最終克服受激吸收及其他衰減而產(chǎn)生自發(fā)輻射的光輸出。2021/3/2615激光二極管l在結(jié)構(gòu)上,半導(dǎo)體激光二極管(Laser Diode,LD)與其他類型的激光器是相同的,都主要由三部分構(gòu)成:激勵源、工作物質(zhì)及諧振腔。2021/3/2616LD的工作原理l當(dāng)給LD外加適當(dāng)?shù)恼螂妷簳r,由于有源區(qū)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布而首先發(fā)生自發(fā)輻射現(xiàn)象,那些傳播方向與諧振腔高反射率界面垂直的自發(fā)輻射光子會在有源層內(nèi)部邊傳播、邊發(fā)生受激輻射放大(其余自發(fā)輻射光子均被衰減掉),直至

8、傳播到高反射率界面又被反射回有源層，再次向另一個方向傳播受激輻射放大。如此反復(fù)，直到放大作用足以克服有源層和高反射率界面的損耗后，就會向高反射率界面外面輸出激光。2021/3/2617光信號的調(diào)制l把信號加到光源上的方法有多種: 內(nèi)調(diào)制,直接調(diào)節(jié)光源的電流; 激光部分調(diào)制部分集成電吸收調(diào)制 外調(diào)制,采用電光調(diào)制器,一般采用電吸收調(diào)制器,和光源集成在一塊芯片上。2021/3/2618光纖連接器l光纖連接器的作用是使兩根光纖的纖芯對準(zhǔn),保證90%以上的光能夠通過。l光纖活動連接器是實現(xiàn)光纖之間活動連接的光無源器件,它還具有將光纖與其他無源器件、光纖與系統(tǒng)和儀表進行活動連接的功能。2021/3/26

9、19光纖連接器內(nèi)部結(jié)構(gòu)2021/3/2620光纖連接器常用結(jié)構(gòu)l套管結(jié)構(gòu):套管結(jié)構(gòu)的連接器由插針和套筒組成。l雙錐結(jié)構(gòu):雙錐結(jié)構(gòu)連接器是利用錐面定位。lV型槽結(jié)構(gòu): V形槽結(jié)構(gòu)的光纖連接器是將兩個插針放入V形槽基座中,再用蓋板將插針壓緊,利用對準(zhǔn)原理使纖芯對準(zhǔn)。l球面定芯結(jié)構(gòu)：球面定心結(jié)構(gòu)由兩部分組成,一部分是裝有精密鋼球的基座，另一部分是裝有圓錐面(相當(dāng)于車燈的反光鏡)的插針。l透鏡耦合結(jié)構(gòu)：透鏡耦合又稱遠場耦合，它分為球透鏡耦合和自聚焦透鏡耦合兩種。2021/3/2621V形槽結(jié)構(gòu)形槽結(jié)構(gòu)球透鏡耦合結(jié)構(gòu)自聚焦透鏡耦合2021/3/2622光纖連接器性能指標(biāo)l光學(xué)性能,主要是插入損耗和回波損

10、耗。l插入損耗,即連接損耗,因連接器的導(dǎo)入而引起的鏈路有效光功率的損耗，不大于0.5dB;l回波損耗，連接器對鏈路光功率反射的抑制能力，其典型值應(yīng)不少于25dB;l互換性和重復(fù)性，指對同一類型光纖能任意組合使用，并可多次重復(fù)使用，由此而導(dǎo)入的附加損耗一般小于0.2dB;l抗拉強度，不低于90N；l工作溫度，在-4070的溫度下能正常使用；l插拔次數(shù)，能插拔1000次以上。2021/3/2623FC型光纖連接器lFC是Ferrule Connector的縮寫,表明其外部加強方式是采用金屬套,緊固方式為螺絲扣。最早,FC類型的連接器，采用的陶瓷插針的對接端面是平面接觸方式(FC)。l此類連接器結(jié)構(gòu)

11、簡單，操作方便，制作容易，但光纖端面對微塵較為敏感，且容易產(chǎn)生菲涅爾反射，提高回波損耗性能較為困難。后來，對該類型連接器做了改進，采用對接端面呈球面的插針(PC)，而外部結(jié)構(gòu)沒有改變，使得插入損耗和回波損耗性能有了較大幅度的提高。 2021/3/26242021/3/2625SC型連接器lSC型光纖連接器外殼呈矩形,所采用的插針與耦合套筒的結(jié)構(gòu)尺寸與FC型完全相同,其中插針的端面多采用PC型或APC型研磨方式;緊固方式是采用插拔銷閂式,不須旋轉(zhuǎn)。l此類連接器價格低廉，插拔操作方便，介入損耗波動小，抗壓強度較高，安裝密度高。 2021/3/2626ST型光纖連接器lST型光纖連接器外殼呈圓形,所

12、采用的插針與耦合套筒的結(jié)構(gòu)尺寸與FC型完全相同,其中插針的端面多采用PC型或APC型研磨方式;緊固方式為螺絲扣。l此類連接器適用于各種光纖網(wǎng)絡(luò),操作簡便,且具有良好的互換性。2021/3/2627MT-RJ連接器MT-RJ帶有與RJ-45型LAN電連接器相同的閂鎖機構(gòu),通過安裝于小型套管兩側(cè)的導(dǎo)向銷對準(zhǔn)光纖,為便于與光信號收發(fā)機相連,連接器端面光纖為雙芯(間隔0.75mm)排列設(shè)計，是主要用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呙芏裙膺B接器。 2021/3/2628LC型光纖連接器lLC型光纖連接器是著名的Bell研究所研究開發(fā)出來的,采用操作方便的模塊化插孔(RJ)閂鎖機理制成。該連接器所采用的插針和套筒的尺寸是普

13、通SC、FC等所用尺寸的一半,為1.25m,提高了光配線架中光纖連接器的密度。l目前,在單模SFF方面,LC類型的連接器實際已經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位,在多模方面的應(yīng)用也增長迅速。 2021/3/2629MU型光纖連接器lMU(Miniature unit Coupling)光纖連接器是以SC型連接器為基礎(chǔ)研發(fā)的世界上最小的單芯光纖連接器。lMU連接器系列包括用于光纜連接的插座型光連接器(MU-A系列)、具有自保持機構(gòu)的底板連接器(MU-B系列)以及用于連接LD/PD模塊與插頭的簡化插座(MU-SR系列)等。l該連接器采用1.25mm直徑的套管和自保持機構(gòu),其優(yōu)勢在于能實現(xiàn)高密度安裝。2021/3/2

14、630光纖配線架l光纖配線架(ODF,Optical Fiber Distribution Frame)是光傳輸系統(tǒng)中一個重要的配套設(shè)備,它主要用于光纜終端的光纖熔接、光連接器安裝、光路的調(diào)接、多余尾纖的存儲及光纜的保護等,它對于光纖通信網(wǎng)絡(luò)安全運行和靈活使用有著重要的作用。 l光纖配線架作為光纜線路的終端設(shè)備擁有以下4項基本功能:固定功能、熔接功能、調(diào)配功能以及存儲功能。 2021/3/2631壁掛式光纖配線架l壁掛式光纖配線架可直接固定于墻體上,一般為箱體結(jié)構(gòu),適用于光纜條數(shù)和光纖芯數(shù)都較小的場所。機架式光纖配線架可直接安裝在標(biāo)準(zhǔn)機柜中,適用于較大規(guī)模的光纖網(wǎng)絡(luò)。 2021/3/2632機

15、架式光纖配線架l機架式配線架又分為兩種,一種是固定配置的配線架,光纖耦合器被直接固定在機箱上;另一種采用模塊化設(shè)計,用戶可根據(jù)光纜的數(shù)量和規(guī)格選擇相對應(yīng)的模塊，便于網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整和擴展。 2021/3/2633光纖耦合器l光耦合器是將光信號進行分路或合路、插入、分配的一種器件。l熔融拉錐法就是將兩根(或兩根以上)除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏,在高溫加熱下熔融,同時向兩側(cè)拉伸,最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。2021/3/2634光耦合器2021/3/2635光纜l光纜的構(gòu)造一般分為纜芯和護層兩大部分。2021/3/2636纜芯l在光纜的構(gòu)造中,纜芯是主體

16、,其結(jié)構(gòu)是否合理,與光纖的安全運行關(guān)系很大。l一般來說，纜芯結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下基本要求:光纖在纜芯內(nèi)處于最佳位置和狀態(tài)，保證光纖傳輸性能穩(wěn)定，在光纜受到一定的拉力、側(cè)壓力等外力時，光纖不受外力影響;其次纜芯內(nèi)的金屬線對也應(yīng)得到妥善安排，并保證其電氣性能;另外纜芯截面應(yīng)盡可能小，以降低成本和節(jié)省敷設(shè)空間。2021/3/2637護層l光纜護層同電纜護層的情況一樣,是由護套和外護層構(gòu)成的多層組合體。l光纜護層的作用是進一步保護光纖,使光纖能適應(yīng)在各種場地敷設(shè),如架空、管道、直埋、室內(nèi)、過河、跨海等。l對于采用外周加強元件的光纜結(jié)構(gòu)，護層還需提供足夠的抗拉、抗壓、抗彎曲等機械特性方面的能力。2021/3/

17、2638光纜的基本結(jié)構(gòu)l光纜的基本結(jié)構(gòu)按纜芯組件的不同一般可以分為層絞式、骨架式、束管式和帶狀式四種。l我國及歐亞各國用的較多的是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層絞式和骨架式兩種。2021/3/2639層絞式結(jié)構(gòu)l層絞式光纜的結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)方式,故又稱為古典式光纜。2021/3/2640骨架式結(jié)構(gòu)l骨架式光纜中的光纖置放于塑料骨架的槽中,槽的橫截面可以是V形、U形或其他合理的形狀,槽的縱向呈螺旋形或正弦形,一個空槽可放置510根一次涂覆光纖。2021/3/2641束管式結(jié)構(gòu)l束管式結(jié)構(gòu)的光纜近年來得到了較快的發(fā)展。它相當(dāng)于把松套管擴大為整個纖芯,成為一個管腔,將光纖集中松放在其中。2021/3/2642

18、帶狀式結(jié)構(gòu)l帶狀式結(jié)構(gòu)的光纜首先將一次涂覆的光纖放入塑料帶內(nèi)做成光纖帶,然后將幾層光纖帶疊放在一起構(gòu)成光纜芯。2021/3/26432021/3/2644光纜的分類l根據(jù)光纜的傳輸性能、距離和用途,光纜可以分為市話光纜、長途光纜、海底光纜和用戶光纜;l根據(jù)光纖的種類,光纜可以分為多模光纜、單模光纜;l根據(jù)光纖套塑的種類,光纜可以分為緊套光纜、松套光纜、束管式新型光纜和帶狀式多芯單元光纜;l根據(jù)光纖芯數(shù)的多少，光纜可以分為單芯光纜和多芯光纜等等；2021/3/2645光纜的分類l根據(jù)加強構(gòu)件的配置方式,光纜可以分為中心加強構(gòu)件光纜(如層絞式光纜、骨架式光纜等)、分散加強構(gòu)件光纜(如束管式光纜)和

19、護層加強構(gòu)件光纜(如帶狀式光纜);l根據(jù)敷設(shè)方式,光纜可以分為管道光纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜;l根據(jù)護層材料性質(zhì),光纜可以分為普通光纜、阻燃光纜和防蟻、防鼠光纜等。2021/3/2646光纜的型號l光纜的型式代號是由分類、加強構(gòu)件、派生(形狀、特性等)、護套和外護層五部分組成。2021/3/2647光纜的分類代號及意義lGY:通信用室(野)外光纜;lGR:通信用軟光纜;lGJ:通信用室(局)內(nèi)光纜; lGS：通信用設(shè)備內(nèi)光纜；lGH：通信用海底光纜； lGT：通信用特殊光纜；lGW：通信用無金屬光纜。2021/3/2648加強構(gòu)件的代號及意義l無符號:金屬加強構(gòu)件; lF:非金屬加強構(gòu)

20、件;lG:金屬重型加強構(gòu)件; lH：非金屬重型加強構(gòu)件。2021/3/2649派生特征的代號及其意義lB:扁平式結(jié)構(gòu); lZ:自承式結(jié)構(gòu);lT:填充式結(jié)構(gòu); lS：松套結(jié)構(gòu)。注：當(dāng)光纜型式兼有不同派生特征時,其代號字母順序并列。2021/3/2650護套的代號及其意義lY:聚乙烯護套; lV:聚氯乙烯護套;lU:聚氨酯護套; lA：鋁、聚乙烯護套； lL：鋁護套； lQ：鉛護套；lG：鋼護套； lS：鋼、鋁、聚乙烯綜合護套。2021/3/2651外護層的代號及其意義l外護層是指鎧裝層及鎧裝層外面的外被層,參照國標(biāo)GB2952-82的規(guī)定,外護層采用兩位數(shù)字表示。表 2.4 外 護 層 的 代

21、號 及 意 義代 號鎧 裝 層代 號外 被 層0無0無1 1纖 維 層2雙 鋼 帶2聚 氯 乙 烯 套3細 圓 鋼 絲3聚 乙 烯 套4粗 圓 鋼 絲5單 鋼 帶 皺 紋 縱 包2021/3/2652光纖的規(guī)格代號l光纖的規(guī)格代號由光纖數(shù)目、光纖類別、光纖主要尺寸參數(shù)、傳輸性能和適用溫度五部分組成,各部分均用代號或數(shù)字表示。2021/3/2653光纖數(shù)目用光纜中同類別光纖的實際有效數(shù)目的阿拉伯?dāng)?shù)字表示。2021/3/2654光纖類別的代號及其意義lJ:二氧化硅系多模漸變型光纖;lT:二氧化硅系多模階躍型(突變型)光纖;lZ:二氧化硅系多模準(zhǔn)突變型光纖;lD：二氧化硅系單模光纖；lX：二氧化硅纖

22、芯塑料包層光纖；lS：塑料光纖。2021/3/2655光纖的主要尺寸參數(shù)代號及其意義l用阿拉伯?dāng)?shù)字(含小數(shù)點)以m為單位表示多模光纖的芯徑/包層直徑或單模光纖的模場直徑/包層直徑。2021/3/2656傳輸性能代號及其意義l光纖的傳輸特性代號是由使用波長、損耗系數(shù)、模式帶寬的代號(分別為a、bb、cc)構(gòu)成。la表示使用波長的代號,其數(shù)字代號規(guī)定為: 使用波長在0.85m區(qū)域; 使用波長在1.31m區(qū)域; 使用波長在1.55m區(qū)域。lbb表示損耗系數(shù)的代號,其數(shù)字依次為光纜中光纖損耗系數(shù)值(dB/km)的個位和十分位。lcc表示模式帶寬的代號,其數(shù)字依次是光纜中光纖模式帶寬數(shù)值(MHzkm)的

23、千位和百位數(shù)字。單模光纖無此項。l同一光纜適用于兩種以上的波長，并具有不同的傳輸特性時，應(yīng)同時列出各波長上的規(guī)格代號，并用/劃開。2021/3/2657適用溫度代號及其意義lA:適用于-40 +40; lB:適用于-30 +50;lC:適用于-20 +60;lD：適用于-5 +60。2021/3/2658光電器件的簡易檢測l在沒有測試條件的情況下,也可以借助于指針式萬用表對光電檢測器件進行簡易的測試。l這種測試方法主要是檢查光電檢測器件PN結(jié)的好壞:PN結(jié)好不能保證器件具有好的特性,而PN不好的器件其質(zhì)量絕對不會好。表6.2 常用光電檢測器件的參考數(shù)據(jù)Si-PINPDInGaAs-PINPDI

24、nGaAs-APD正向壓降0.60.7V0.20.3V約2V正向電阻35k （R100檔）35k （R100檔）通反向電阻100k （R1K檔）100k （R1K檔）無窮大（R1K檔）常用光電檢測期間的參考數(shù)據(jù)2021/3/2659光接收機l光接收機的主要部件是光電檢測器,它直接從接收到的光信號中將基本調(diào)制信號恢復(fù)出來。2021/3/2660光接收機的性能指標(biāo)l靈敏度,就是指在一定誤碼率或信噪比(有時還要加上信號波形失真量)條件下,光接收機需要接收的最小平均光功率(有時也稱為平均最小輸入光功率)。l動態(tài)范圍,就是指在一定誤碼率或信噪比(有時還要加上信號波形失真量)條件下，光接收機允許的光信號平

25、均光功率的變化范圍。2021/3/2661光放大器l光纖的中繼距離受光纖的損耗和色散的限制。就損耗而言,目前光纖損耗典型值在1.31m波段為0.35dB/km左右,在1.55m波段為0.25dB/km左右。l以1989年誕生的摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA)代表的光放大器技術(shù)可以說是光纖通信技術(shù)上的一次革命。l光放大器在光纖通信系統(tǒng)目前最重要的應(yīng)用就是促使了波分復(fù)用技術(shù)(Wavelength Division Multiplexing，WDM)走向?qū)嵱没?021/3/2662光放大器的分類光放大器按原理不同大體上有三種類型。l摻雜光纖放大器,就是利用稀土金屬離子作為激光