1、 光纖通信 Fiber-Optic Communication Technology2019/2019學年第一學期 王燁課程特點：涉及光學、半導體及通信等 學科內(nèi)容，面廣。要求：掌握光纖通信系統(tǒng)所涉及的各種器 件、技術的功能及作用；掌握重要 器件、技術的原理。參考書目光纖通信工程(修訂版)，趙梓森著， 人民郵電出版社光纖通信（第三版）, 美Gerd Keiser著，李玉權、崔敏、蒲濤等譯，電子工業(yè)出版社，2019年7月；高等教育出版社(影印版) ，2019年9月Fiber-Optic Communication Systems(3rd Edition), GOVIND P. AGRAWAL,清

2、華大學出版社(影印版), 2019年7月第一章 概述？什么是光纖通信（傳輸煤質、載波）電磁波譜圖通信系統(tǒng)框圖發(fā)送機接收機信道載波：射頻波微波毫米波光波信道：金屬導線同軸電纜金屬波導大氣、光纖？ 光通信和光纖通信 近代光通信：1880年Bell發(fā)明光電話，傳輸距離213m，但是并不實用，因為存在兩個方面的制約： 一)信道：Bell的光電話利用大氣作為傳輸介質，損耗非常大，同時自然界氣象條件變化萬千，對光信號的干擾很大。 二)光源： Bell的光電話利用自然光作為載波，這種光的頻率和相位雜亂無章，不能用于大容量的通信。 近代光通信的發(fā)展就是上述兩個方面的制約因素的解決過程： 1960年，美國人梅曼

3、發(fā)明紅寶石激光器，獲得高強的、頻率和相位都穩(wěn)定（即相干的）光-激光。引起了新一輪的光通信研究熱潮-激光大氣通信。 但是，仍然由于自然氣象條件的影響而沒有進展。光話機 原 理 圖弧光燈ABMNL送話器自由空間光通信(無線光通信)FSO: Free Space Optical Communication 用激光作為載體傳輸數(shù)據(jù)，提供無線高速點對點或點對多點通信的一種方式，其傳播介質不是光纖而是空氣，因此FSO也稱之為“虛擬光纖”通信。FSO系統(tǒng)可傳輸數(shù)據(jù)、視頻、語音等的信息，具有抗干擾能力強、極高的帶寬、安裝簡便快捷、安全及成本低的特點。它同光纖通信一樣可以構建高質量的通信系統(tǒng)，可廣泛應用于軍事保

4、密通信、城域網(wǎng)路由保護和接入、基站連接等。 光纖簡介光纖通信的發(fā)展概況光纖通信的主要特點光纖通信系統(tǒng)的基本組成（重點）光纖通信要解決的基本問題 一、光纖簡介光纖結構光纖材料玻璃光纖塑料光纖專用光纖（氟化物光纖，光敏光纖等）光纖的制造 目前通信用光纖主要是以石英玻璃（SiO2）為主的石英光纖。制造光纖流程： 制 作光 纖預制棒拉絲涂覆套塑成纜1.光纖預制棒的制造預制棒（preform）:拉制光纖的原始棒體材料,具有與光纖相似結構和折射率分布。預制棒制造的關鍵： （1）如何制作出光纖材料 （2）如何控制光纖纖芯、包層的折射率制作石英光纖材料的反應 以SiCl4、GeCl4、CF2Cl2等物質為原材

5、料高溫(1400-1600C)下與氧氣反應： SiCl4+O2SiO2+2Cl2 GeCl4+O2GeO2+2Cl2 2CF2Cl2+4SiCl4+2O2SiF4+2Cl2+2CO2 光纖折射率的控制通過摻雜實現(xiàn)光纖折射率增加或減?。ɡw芯摻雜折射率稍高的Ge、P等元素；包層摻雜折射率稍低的F、B元素等）通過載運氣體（氧氣、氬氣）流速控制摻雜量的多少，從而控制折射率變化的大小SiO2折射率隨摻雜濃度的變化光纖的組成如：GeO2-SiO2纖芯 SiO2包層P2O5-SiO2纖芯 SiO2包層SiO2纖芯 B2O3-SiO2包層GeO2-B2O3-SiO2纖芯 B2O3-SiO2包層光纖預制棒的制造

6、工藝（1）管內(nèi)化學氣相沉積法改進的化學氣相沉積法(MCVD) Modified chemical-vapor deposition等離子體激活化學氣相沉積法(PCVD) Plasma-activated chemical-vapor deposition光纖預制棒的制造工藝（2）管外化學氣相沉積法氣相軸向沉積法(VAD) Vapor-axial deposition (VAD)棒外氣相沉積法 Outside vapor-phase oxidation (OVPO) Outside vapor-phase deposition (OVD) MCVD工藝流程MCVD法制備光纖預制棒的工藝流程示意圖

7、 VADVAD法制備光纖預制棒的工藝流程示意圖 PCVD MACHINEPCVD MACHINE2. 光纖的拉制工藝拉絲塔3. 光纖的涂覆和套塑從預制棒拉出的光纖還不能直接使用，是脆性斷裂材料，達不到實際使用的強度要求，抗拉和抗彎能力都較差。由于制造工藝的不完善，光纖強度將進一步下降。為保護光纖表面，提高抗拉強度和抗彎曲強度，還要對光纖進行涂覆和套塑處理。制造中造成強度下降的原因 （1）預制棒在制造中可能存在雜質和氣泡，會轉移到光纖中。由于雜質的膨脹系數(shù)與周圍玻璃不同，可能導致裂紋，造成強度的下降；氣泡對強度的影響將更大。 （2）拉絲過程中，拉絲爐的溫度穩(wěn)定性、周圍環(huán)境中的粉塵及拉絲卷繞等有可

8、能使光纖表面出現(xiàn)劃痕、裂紋等機械損傷，影響光纖的強度。環(huán)境中的水分等有害物質將對光纖造成腐蝕，使光纖表面的裂紋擴展，降低光纖強度。涂覆和套塑流程光纖預制棒生產(chǎn)企業(yè)有五家：長飛、法爾勝光子、烽火通信、杭州富通和特恩弛，5家企業(yè)的生產(chǎn)能力是2000萬公里年。光纖拉絲生產(chǎn)企業(yè)有19家：長飛、上海光纖、南京華新藤倉、深圳特發(fā)、成都中住、杭州富通、法爾勝光子、西古、烽火通信、天大天財、特恩弛、亨通阿爾法、中天科技、華倫光纖、富春江、上海華源、山東太平洋、海南韓國三星、海南睿豐，這19家企業(yè)的生產(chǎn)能力是3500萬公里年。光纖類型 1. 按纖芯截面上折射率分布分類：階躍型 光纖漸變型 光纖2. 按傳輸模式的

9、數(shù)量分類： 多模光纖和單模光纖。傳輸模式：當光在光纖中傳播時，如果光纖纖芯的幾何尺寸遠大于光波波長時，光在光纖中會以幾十種乃至幾百種傳播模式進行傳播。這些不同的光束稱為模式。光在階躍折射率光纖中的傳播 3. 按傳輸波長分類: 短波長光纖和長波長光纖。 短波長光纖的波長為0.85m 長波長光纖的波長為1.3m 1.6m ， 主要有1.31m和1.55m兩個窗口。 4按套塑結構分類： 緊套光纖和松套光纖 緊套光纖就是在一次涂覆的光纖上再緊緊地套上一層尼龍或聚乙烯等塑料套管，光纖在套管內(nèi)不能自由活動。 松套光纖，就是在光纖涂覆層外面再套上一層塑料套管，光纖可以在套管中自由活動。光纖的傳輸特性 從通信

10、的角度，在研究信道問題時，人們最關注的是信道引起的信號衰減和信號畸變。信號衰減從能量的角度限制了信號的傳遞，而信號畸變則從信號檢測精度的角度限制了信號的傳遞。 影響光纖傳輸特性的包括衰減、色散和非線性效應。1. 光纖衰減（損耗） 概念：信號強度隨距離增加而變?nèi)酢?主要來源： 吸收，散射，光泄漏。吸收損耗：由制造材料本身及其中的過渡金屬離子和氫氧根離子等雜質對光的吸收而產(chǎn)生。散射損耗：以光能的形式把能量輻射出光纖之外的一種損耗。彎曲損耗：由于光纖彎曲使光從纖芯逸散到包層中產(chǎn)生的光泄漏。2. 色散光纖對在其中傳輸?shù)墓饷}沖的展寬特性。 總的脈沖展寬： t色散（ns/km）距離（km）衰減、色散對脈沖

11、的影響示意3. 非線性效應 光波間或光波與其中傳輸?shù)牟牧现g的相互作用，從而對光信號產(chǎn)生影響。能引起噪聲和串擾。光纜1. 要求：避免受到破壞力防止光纖傳輸特性的劣化易于操作2. 構造: 纜芯，加強元件，護層纜芯纜芯由光纖的芯數(shù)決定，有單芯、多芯。多芯光纜要對光纖進行著色以便于識別。 為防止氣體和水分子浸入， 光纖中應具有各種防潮層并填充油膏。加強元件吸收、抵消外界力（埋在地下的壓力，施工拉線走的牽引力等）。位置：中間或外層（兩種結構方式）要求：是具有高彈性范圍、高比強度(強度和重量之比)， 低線膨脹系數(shù)、 優(yōu)良的抗腐蝕性和一定的柔軟性。 一般采用鋼絲、鋼絞線或鋼管等；強電磁干擾環(huán)境和雷區(qū)中則應

12、使用高強度的非金屬材料護層 護層主要是對已成纜的光纖芯線起保護作用，避免受外界機械力和環(huán)境損壞。護層可分為內(nèi)護層（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外護層（多用鋁帶和聚乙烯組成的LAP外護套加鋼絲鎧裝等）。3. 典型結構（1）層絞式結構光纜 把經(jīng)過套塑的光纖繞在加強芯周圍絞合而構成。層絞式結構光纜類似傳統(tǒng)的電纜結構，故又稱之為古典光纜。 12芯松套層絞式直埋光纜6芯緊套層絞式光纜 648芯松套層絞式水底光纜 （2）骨架式結構光纜 骨架式結構光纜是把緊套光纖或一次涂覆光纖放入加強芯周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構成。 12芯骨架式光纜（我國） 骨架式自承式架空光纜 （3）束管式結構光纜 把一次涂覆光纖或光

13、纖束放入大套管中，加強芯配置在套管周圍而構成。 648芯束管式光纜 （4）帶狀結構光纜 把帶狀光纖單元放入大套管中，形成中心束管式結構；也可把帶狀光纖單元放入凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)，形成骨架式或層絞式結構圖2-31 中心束管式帶狀光纜圖2-32 層絞式帶狀光纜 （5）單芯結構光纜 單芯結構光纜簡稱單芯軟光纜。 這種結構的光纜主要用于局內(nèi)（或站內(nèi)）或用來制作儀表測試軟線和特殊通信場所用特種光纜以及制作單芯軟光纜的光纖。圖2-33 單芯軟光纜4. 光纜的種類 根據(jù)光纜的傳輸性能、距離和用途: 市話光纜、長途光纜、海底光纜和用戶光纜； 根據(jù)光纖的種類: 多模光纜、單模光纜； 根據(jù)光纖芯數(shù)的多少: 單芯光纜

14、和多芯光纜 根據(jù)加強構件的配置方式: 中心加強構件光纜(如層絞式光纜、骨架式光纜等)、分散加強構件光纜(如束管式光纜)和護層加強構件光纜(如帶狀式光纜) 根據(jù)敷設方式: 管道光纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜 根據(jù)護層材料性質: 普通光纜、阻燃光纜和防蟻、防鼠光纜等。5. 光纜的型號GYGZL03-12J50/125(20408)CGY G Z L 03 12 J 50/125 (2 04 08) C 光纜分類代號及其意義GY：通信用室(野)外光纜；GR：通信用軟光纜；GJ：通信用室(局)內(nèi)光纜； GS：通信用設備內(nèi)光纜；GH：通信用海底光纜； GT：通信用特殊光纜；GW：通信用無金屬光纜。加

15、強構件的代號及意義無符號：金屬加強構件； F：非金屬加強構件；G：金屬重型加強構件；H：非金屬重型加強構件。派生特征的代號及其意義B：扁平式結構；Z：自承式結構；T：填充式結構； S：松套結構。注：當光纜型式兼有不同派生特征時，其代號字母順序并列。護套的代號及其意義Y：聚乙烯護套； V：聚氯乙烯護套；U：聚氨酯護套； A：鋁、聚乙烯護套； L：鋁護套； Q：鉛護套；G：鋼護套； S：鋼、鋁、聚乙烯綜合護套。外護層的代號及其意義外護層是指鎧裝層及鎧裝層外面的外被層，參照國標GB2952-82的規(guī)定，采用兩位數(shù)字表示。光纖的規(guī)格光纖數(shù)目：用光纜中同類別光纖的實際有效數(shù)目的阿拉伯數(shù)字表示。光纖類別的

16、代號及其意義 J：二氧化硅系多模漸變型光纖；T：二氧化硅系多模階躍型(突變型)光纖；Z：二氧化硅系多模準突變型光纖；D：二氧化硅系單模光纖；X：二氧化硅纖芯塑料包層光纖；S：塑料光纖。光纖的尺寸參數(shù)代號：用阿拉伯數(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。傳輸性能代號：是由使用波長、損耗系數(shù)、模式帶寬的代號(分別為a、bb、cc)構成。a表示使用波長的代號，其數(shù)字代號規(guī)定如下：1：使用波長在0.85m區(qū)域；2：使用波長在1.31m區(qū)域；3：使用波長在1.55m區(qū)域。bb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。c

17、c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)的千位和百位數(shù)字。單模光纖無此項。注意：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，應同時列出各波長上的規(guī)格代號，并用/劃開。適用溫度代號及其意義A：適用于-40 +40； B：適用于-30 +50；C：適用于-20 +60；D：適用于-5 +60。 二、光纖通信的發(fā)展概況1. 光纖的發(fā)展光纖通信發(fā)展的里程碑 1966年高錕博士發(fā)表的論文用于光頻的光纖表面波導。光纖通信發(fā)展的實質性突破 1970年美國康寧公司制造出當時世界上第一根超低損耗光纖。光纖通信爆炸性的發(fā)展 （1）光纖損耗 1970年：20dB/km； 19

18、72年：4dB/km； 1974年：1.1dB/km； 1976年：0.5dB/km； 1979年：0.2dB/km； 1990年：0.14dB/km。 我心里覺得一個人有這樣子的好運，能夠做一件前所沒有的事情，而且做出來的影響是非常非常大的，我感覺很滿足，我有這個機會，來創(chuàng)一個新的領域，而且這光纖的生成，使得世界又有很大的變化，我很滿足。2019年，鳳凰衛(wèi)視主持人許戈輝采訪時問高錕，“是否認為自己該拿諾貝爾獎”時，高錕的回答光纖的建議（標準）G651光纖：多模梯度光纖G652光纖：單模光纖，標準光纖G653光纖：色散位移單模光纖G654光纖：截止波長位移單模光纖G655光纖：非零色散位移單模

19、光纖G656光纖：? Characteristics of a fibre and cable with non-zero dispersion for wideband optical transport2.光纖通信的發(fā)展1980 850nm多模光纖通信系統(tǒng)1983 1300nm單模光纖通信系統(tǒng)1991 1550nm單模光纖單頻激光器光纖通 信系統(tǒng)2019 采用光放大器和WDM系統(tǒng)的第四代光纖通信系統(tǒng)實驗室研究成功: 第五代光纖通信系統(tǒng)孤子通信 到90年代，光線的傳輸速率已達到每秒10000兆比特，相當于在一對頭發(fā)絲1/10粗細的光纖可以通125萬路電話。我國光纖通信的開發(fā)里程 1977年，

20、第一根短波長(085mm)階躍型石英光纖問世，長度為17m，衰減系數(shù)為300dB/km。 1978年，研制出短波長多模梯度光纖，即G.651光纖。 1979年，研制出多模長波長光纖，衰減為1dB/km。建成5.7km、8Mb/s光通信系統(tǒng)試驗段。 1980年，1300nm窗口衰減降至0.48dB/km，1550nm窗口衰減為0.29dB/km。 1984年，武漢、天津34Mb/s市話中繼光傳輸系統(tǒng)工程建成(多模)。 1988年，全長245km的武漢長沙市34Mb/s多模光纜通信系統(tǒng)工程通過郵電部鑒定驗收。 1989年，漢陽漢南40Mb/s單模光傳輸系統(tǒng)工程通過郵電部鑒定驗收。 1991年，研制出G.653色散位移光纖。最小衰減達0.22dB/km。合肥蕪湖40Mb/s單模光傳輸系統(tǒng)工程通過國家鑒定驗收。 1993年，在摻鉺光纖放大器的研究上取得突破性進展，小信號增益達25dB。上海無錫65Mb/s單模光傳輸系統(tǒng)工程通過郵電部鑒定驗收。 2019年，研制出G.655非零色散位移光纖。成都攀枝花22Mb/s SDH光傳輸工程通過郵電部鑒定驗收。 2019年，?？谌齺?/p>