1、4光纖通信,利用光導(dǎo)纖維傳輸光波信號的通信方式稱為光纖通信。,4.1 概述,光波屬于電磁波的范疇。 屬于光波范疇之內(nèi)的電磁波包括紫外線、可見光和紅外線。,光纖通信波長范圍使用近紅外區(qū),即0.81.8m的波長區(qū)，對應(yīng)的頻率為167375THz,4.1 光纖通信的基本概念,圖 電磁波波譜圖,4.1.1 光纖通信發(fā)展歷史,1880年 A.G.貝爾利用可見光做光電話機(jī)，證實(shí)光波可以攜帶信息,1960年 發(fā)明了新光源激光器后，極大的促進(jìn)了光波通信的研究 激光器特性：單色性、強(qiáng)方向性、高亮度 發(fā)展過程： 60年 固體紅寶石激光器 61年 氦-氖 氣體激光器 70年 半導(dǎo)體激光器（體積小、耗電少、調(diào)制速度高

2、、使用方便）,1966年 華裔科學(xué)家高錕博士等人提出從玻璃材料中去除雜質(zhì)可以制成衰減為20dB/km的光導(dǎo)纖維。,今天 單波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率已達(dá)40Gb/s,采用DWDM技術(shù)速率已達(dá)10.9Tb/s,光纖通信無爭議地成為通信網(wǎng)絡(luò)中最為重要的基礎(chǔ)設(shè)施,已成為全球信息基礎(chǔ)設(shè)施GII和國家高速信息公路NII的重要組成部分,4.1.1 光纖通信發(fā)展歷史,1970年 美國康寧玻璃公司根據(jù)高氏理論首先制造出衰減為20dB/km的光導(dǎo)纖維，使光導(dǎo)纖維的發(fā)展得到突破。 1973年 美國貝爾研究所生產(chǎn)出衰減為1dB/km的低損耗光纖 1976年 日本電報(bào)電話公司（NTT）制造出0.5dB/km 的低損耗

3、光纖,1976年 在美國亞特蘭大成功進(jìn)行了碼速率為44.7Mb/s的光通信系統(tǒng)性能試驗(yàn),從此光通信技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化階段,4.1.2.光通信特點(diǎn),頻帶寬,通信容量大 理論上講一根單模光纖可利用的帶寬達(dá)20THz(1THz=1012Hz)以上,現(xiàn)在最先進(jìn)的光纖通信系統(tǒng)達(dá)400GHz,而一路電話帶寬約占4KHz頻帶,一路彩色電視約占6MHz頻帶 損耗低,中繼距離長 銅纜的損耗特性與纜的結(jié)構(gòu)尺寸及所傳輸信號的頻率有關(guān),光纜的損耗特性僅與玻璃的純度(或者說透明度)有關(guān),高質(zhì)量望遠(yuǎn)鏡的鏡頭其損耗超過500dB/km,目前通信用光纖的最低損耗達(dá)0.2 dB/km,具有抗電磁干擾能力 光導(dǎo)纖維是絕緣體材料,不受

4、輸電線,電氣化鐵路及高壓設(shè)備等電器干擾,可以與高壓電線平行架設(shè),還可制成復(fù)合光纜 無串話,保密性好 通信質(zhì)量高 線徑細(xì),重量輕,柔軟 可制成大芯數(shù)高密度光纜 單芯光纜可安裝在飛機(jī),火箭,潛艇及航天飛機(jī)上 節(jié)約有色金屬,原材料資源豐富 可節(jié)約大量銅金屬,4.1.2 光纖通信的特點(diǎn),傳輸頻帶寬，通信容量大 傳輸損耗,無中繼距離長 抗電磁干擾的能力強(qiáng) 保密性強(qiáng),使用安全 另外，光纖線徑細(xì)、重量輕，而且制作光纖的資源豐富。 抗腐蝕、不怕潮濕。,缺點(diǎn),質(zhì)地脆,機(jī)械強(qiáng)度低 光纖切斷和接續(xù)需要一定的工具,設(shè)備和技術(shù) 分路,耦合不靈活 光纖,光纜彎曲半徑不能過小(20CM) 在偏僻地區(qū)存在有供電困難問題,4.

5、1.3 光纖通信的發(fā)展趨勢,、光纖向保偏光纖方向發(fā)展,、光纖通信系統(tǒng)的中繼距離越來越長,、光纖通信系統(tǒng)向波分復(fù)用系統(tǒng)方向發(fā)展,、光纖通信系統(tǒng)向相干光纖通信方向發(fā)展,、光孤子傳輸,、光纖通信系統(tǒng)向全光通信方向發(fā)展,、量子光通信系統(tǒng),4.1.3 光纖通信的發(fā)展趨勢,普通的點(diǎn)到點(diǎn)的波分復(fù)用系統(tǒng)雖然有巨大的通信容量，但只提供了原始的傳輸帶寬，必須要有靈活的節(jié)點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)高效靈活的組網(wǎng)能力。 光分叉復(fù)用器（OADM）和光交叉連接器（OXC）是靠光層面上的波長連接來解決節(jié)點(diǎn)的容量擴(kuò)展問題的，單個(gè)節(jié)點(diǎn)容量可從160Gbit/s增加到10Tbit/s。,光傳送聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)最新發(fā)展趨勢是自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON），

6、使光聯(lián)網(wǎng)從靜態(tài)光聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)，使傳統(tǒng)的傳送網(wǎng)向業(yè)務(wù)網(wǎng)方向發(fā)展。,4.2.1 光纖的結(jié)構(gòu),通信用的光纖絕大多數(shù)是用石英材料做成的橫截面很小的雙層同心圓柱體，外層的折射率比內(nèi)層低。 折射率高的中心部分叫做纖芯，其折射率為n1，直徑為2a； 折射率低的外圍部分稱為包層，其折射率為n2，直徑為2b。 n2n1,按照光纖組成材料劃分有: 石英系光纖 多組分玻璃光纖 氟化物光纖 塑料光纖液芯光纖,4.2.2 光纖的分類,按照光纖的工作波長可分有: 短波長(0.80.9um)光纖 長波長(.um)光纖 超長波長（um）光纖,按照套塑層的不同，光纖可分為可分有: 緊套光纖松套光纖,4.2 光纖的分

7、類,按照纖芯中傳輸模式的多少來劃分 單模光纖 光纖中只傳輸一種模式時(shí)，叫做單模光纖。 單模光纖的纖芯直徑較小，約為410m。 適用于大容量、長距離的光纖通信。 多模光纖 在一定的工作波長下，多模光纖是能傳輸多種模式的介質(zhì)波導(dǎo)。 多模光纖可以采用階躍折射率分布，也可以采用漸變折射率分布。 多模光纖的纖芯直徑約為50m。,4.2.2 光纖的分類,按照光纖橫截面折射率分布不同來劃分 階躍型光纖 纖芯折射率n1沿半徑方向保持一定，包層折射率n2沿半徑方向也保持一定，而且纖芯和包層的折射率在邊界處呈階梯型變化的光纖稱為階躍型光纖，又稱為均勻光纖。適合帶寬窄，小容量短距離 漸變型光纖 如果纖芯折射率n1隨

8、著半徑加大而逐漸減小，而包層中折射率n2是均勻的，這種光纖稱為漸變型光纖，又稱為非均勻光纖。 適合中容量，中距離通信,4.2.2 光纖的分類,按照ITU-T建議分類 (1)漸變型多模光纖(G.651光纖) 工作波長兩種1310(具有最小色散值)和1550(具有最小的衰減系數(shù)) 目前數(shù)據(jù)通信局域網(wǎng),接入網(wǎng)的引入光纜和室內(nèi)軟光纜大量使用多模光纖,按照ITU-T建議分類: (2)常規(guī)單模光纖(G.652光纖):也稱非色散位移光纖,其零色散波長在1310,在波長為1550處衰減最小,但有較大的正色散.波長可選1310或1550.是使用最為廣泛的光纖,(3）色散位移光纖(G.653).此光纖零色散從13

9、10 nm移至1530 nm工作波長, 實(shí)現(xiàn)1550處最低衰減和零色散波長一致.非常適合于長距離、單信道高速光纖通信系統(tǒng)。但由于進(jìn)行WDM在1550處低色散存在有害的四波混頻等光纖非線性效應(yīng)，其正在由非零色散位移光纖所替代,4.2.2 光纖的分類,按照ITU-T建議分類: (4)1550性能最佳單模光纖(G.654光纖):特點(diǎn)在1550處衰減極小，彎曲性能好，工作在1310系統(tǒng)處于多模工作狀態(tài)。主要用于傳輸距離很長，且不能插入有源器件的無中繼海底光纖通信系統(tǒng)。缺點(diǎn)造價(jià)昂貴，很少使用,（5）非零色散位移單模光纖(G.655光纖):專門為新一代光放大密集波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的新型光纖,屬于色

10、散位移光纖,不過在1550處色散值不是零值,用以平衡四波混頻等非線性效應(yīng).使其能用于高速率、大容量、密集波分復(fù)用的長距離光纖通信系統(tǒng)中.,4.2.3 光纖的傳輸特性,光波在光纖中傳輸時(shí)，隨著傳輸距離的增加而光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗。光纖每單位長度的損耗，直接關(guān)系到光纖通信系統(tǒng)傳輸距離的長短。 光纖本身損耗的原因大致包括兩類：吸收損耗和散射損耗。,1光纖的損耗特性,（1）吸收損耗 吸收作用是光波通過光纖材料時(shí)，有一部分光能變成熱能，從而造成光功率的損失。 造成吸收損耗的原因很多，但都與光纖材料有關(guān)，下面主要介紹本征吸收和雜質(zhì)吸收。 本征吸收是光纖基本材料（例如純SiO2）固有的吸收，

11、并不是由雜質(zhì)或者缺陷所引起的。因此，本征吸收基本上確定了任何特定材料的吸收的下限。 雜質(zhì)吸收。是由于光纖材料的不純凈所造成的附加吸收損耗。影響最大的是金屬過渡離子和水的氫氧根離子吸收電磁波而造成的損耗,吸收損耗的大小與波長有關(guān)，對于SiO2石英系光纖，本征吸收有兩個(gè)吸收帶，一個(gè)是紫外吸收帶，一個(gè)是紅外吸收帶。,1光纖的損耗特性,（2）散射損耗 由于光纖的材料、形狀及折射指數(shù)分布等的缺陷或不均勻，光纖中傳導(dǎo)的光散射而產(chǎn)生的損耗稱為散射損耗。 散射損耗包括線性散射損耗和非線性散射損耗。 線性散射損耗主要包括瑞利散射和材料不均勻引起的散射 非線性散射主要包括：受激喇曼散射和受激布里淵散射等。,1光纖

12、的損耗特性, 瑞利散射損耗 瑞利散射損耗也是光纖的本征散射損耗。 這種散射是由光纖材料的折射率隨機(jī)性變化而引起的。瑞利散射損耗與1/4成正比，它隨波長的增加而急劇減小，所以在長波長工作時(shí)，瑞利散射會(huì)大大減小。 材料不均勻所引起的散射損耗 結(jié)構(gòu)的不均勻性以及在制作光纖的過程中產(chǎn)生的缺陷也可能使光線產(chǎn)生散射。,2光纖的色散特性,（1）什么是光纖的色散 一般將光功率降到峰值一半時(shí)所對應(yīng)的波長范圍稱為光源的譜線寬度，用表示。 一個(gè)理想的光源發(fā)出的應(yīng)是單色光，即譜線寬度應(yīng)為零。 光纖中傳送的信號是由不同的頻率成分和不同的模式成分構(gòu)成的，它們有不同的傳播速度，將會(huì)引起脈沖波形的形狀發(fā)生變化。也可以從波形在

13、時(shí)間上展寬的角度去理解，也就是光脈沖在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的加大，脈沖波形在時(shí)間上發(fā)生了展寬，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散。,2光纖的色散特性,圖 光源的譜線寬度,2光纖的色散特性,（3）光纖中的色散 模式色散：光纖中的不同模式，在同一波長下傳輸，各自的相位常數(shù)mn不同，它所引起的色散稱為模式色散。 材料色散：由于光纖材料本身的折射指數(shù)n和波長呈非線性關(guān)系，從而使光的傳播速度隨波長而變化，這樣引起的色散稱為材料色散。 波導(dǎo)色散：光纖中同一模式在不同的頻率下傳輸時(shí)，其相位常數(shù)不同，這樣引起的色散稱為波導(dǎo)色散。,4.2.4 光纜,光纜的型號 光纜的種類較多，同其他產(chǎn)品一樣，具有具體的型式和規(guī)格。 (

14、1) 光纜的型式代號, 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(shè)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。, 加強(qiáng)構(gòu)件的代號及其意義 無符號：金屬加強(qiáng)構(gòu)件； F：非金屬加強(qiáng)構(gòu)件； G：金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件； H：非金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件。, 派生特征的代號及其意義 B：扁平式結(jié)構(gòu)； Z：自承式結(jié)構(gòu)； T：填充式結(jié)構(gòu)； S：松套結(jié)構(gòu)。 注：當(dāng)光纜型式兼有不同派生特征時(shí)，其代號字母順序并列。, 護(hù)套的代號及其意義 Y：聚乙烯護(hù)套； V：聚氯乙烯護(hù)套； U：聚氨酯護(hù)套； A：鋁、聚乙烯護(hù)套；

15、 L：鋁護(hù)套； Q：鉛護(hù)套； G：鋼護(hù)套； S：鋼、鋁、聚乙烯綜合護(hù)套。, 外護(hù)層的代號及其意義 外護(hù)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(hù)層采用兩位數(shù)字表示，各代號的意義如表所示,(2) 光纖的規(guī)格代號 光纖的規(guī)格代號是由光纖數(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。 光纖數(shù)目：用光纜中同類別光纖的實(shí)際有效數(shù)目的阿拉伯?dāng)?shù)字表示, 光纖類別的代號及其意義 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(zhǔn)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

16、纖； S：塑料光纖。, 光纖的主要尺寸參數(shù)代號及其意義 用阿拉伯?dāng)?shù)字(含小數(shù)點(diǎn))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。 傳輸性能代號及其意義 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。,其中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(gè)位和十分位。 cc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(xiàng)。

17、, 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。,4.3 光纖通信系統(tǒng),圖、 光纖數(shù)字通信系統(tǒng)示意圖,半導(dǎo)體激光器（LD） 或半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED,光電二極管（PIN）和 雪崩光電二極管（APD）,完整的光纖通信原理框圖,信道編碼電路,光源驅(qū)動(dòng)與控制電路,信道解碼電路,光信號接收電路,2. 光發(fā)射機(jī)的主要指標(biāo) 光發(fā)送機(jī)的指標(biāo)很多，我們僅從應(yīng)用的角度介紹其主要指標(biāo)。 (1) 平均發(fā)送光功率 平均發(fā)送光功率又稱為平均輸出光功率，通常是指光源尾巴光纖的平均輸出光功率。入纖功率越大通信距離越遠(yuǎn),但太大會(huì)使系統(tǒng)工作

18、在非線性狀態(tài).一般在0.01mW,(2) 消光比 消光比定義為最小平均發(fā)送光功率與最大平均發(fā)送光功率之比，通常用符號EX表示即是指全碼時(shí)的平均光功率與全碼時(shí)的平均光功率之比 一般要求EX,（）光譜特性 對于高速光纖通信系統(tǒng)，光源的光譜特性成為制約系統(tǒng)性能的至關(guān)重要的參數(shù)指標(biāo)，它影響系統(tǒng)的色散性能，需要仔細(xì)考慮,. 光接收機(jī)的主要指標(biāo) (1) 光接收機(jī)靈敏度 所謂光接收機(jī)靈敏度，就是指在一定誤碼率或信噪比(有時(shí)還要加上信號波形失真量)條件下光接收機(jī)需要接收的最小平均光功率(有時(shí)也稱為平均最小輸入光功率)。 Sr=10lgPmin,(2) 光接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍 所謂光接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍，就是指在一定誤碼率

19、或信噪比(有時(shí)還要加上信號波形失真量)條件下光接收機(jī)允許的光信號平均光功率的變化范圍。 D=10lg(Pmax/Pmin),中繼器 在點(diǎn)對點(diǎn)的光纖通信系統(tǒng)中，為了保證通信質(zhì)量，在收發(fā)端機(jī)之間適當(dāng)距離上必須設(shè)有光中繼器。,光纖通信中光中繼器的形式主要有兩種，一種是光-電-光轉(zhuǎn)換形式的中繼器，另一種是在光信號上直接放大的光放大器,由一個(gè)沒有碼型變換的光接收機(jī)和沒有功放和碼型變換的的光發(fā)射機(jī)組成,4.3.5 光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 誤碼特性 誤碼特性是衡量數(shù)字光纖通信系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一,它反映了數(shù)字信息在傳輸過程中受損害的程度,抖動(dòng)特性 抖動(dòng)是數(shù)字信號傳輸過程中的一種瞬時(shí)不穩(wěn)定現(xiàn)象，包括輸入

20、信號脈沖在某一平均位置左右變化和提取時(shí)鐘在中心位置上左右變化 信號的有效瞬間(例如最佳抽樣瞬間)相對于理想位置的短期變化,其變化頻率大于或等于10HZ稱為抖動(dòng)變化頻率小于10HZ稱為漂移 產(chǎn)生抖動(dòng)的主要原因是隨機(jī)噪聲，時(shí)鐘提取電路中的調(diào)諧頻率偏移，接收機(jī)的碼間干擾控制和抑制抖動(dòng)的方法采用合適的線路編碼和采用“緩沖存儲器”及再定時(shí)技術(shù),可靠性與可用性 可靠性與可用性是反映數(shù)字光纖通信系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)間間隔以及每次故障的維修時(shí)間的指標(biāo) 包括（）平均故障間隔時(shí)間（）平均故障修復(fù)時(shí)間 （）可靠性（）可用性,4光纖通信新技術(shù),4光放大器 由于光纖存在損耗和色散，每個(gè)隔一定距離就需一個(gè)光電光中繼器，對信號

21、進(jìn)行放大和再生 為了能夠適應(yīng)光纖通信不斷提高的傳輸速率要求，希望采用光放大方法來替代傳統(tǒng)的中繼方式光放大器能直接放大光信號，無需轉(zhuǎn)換成電信號，對信號的格式和速率具有高度的透明性，使系統(tǒng)更加簡單靈活,光放大器運(yùn)用的原因: (1)WDM (2)FTTH、FTTO 、FTTC的終端分支太多,表光放大器的工作機(jī)理分類,1、半導(dǎo)體光放大器,半導(dǎo)體光放大器與半導(dǎo)體激光器的基本原理相同，當(dāng)給器件加偏置電流時(shí)，電流可以使半導(dǎo)體增益物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生自發(fā)輻射，當(dāng)外光場射入時(shí)會(huì)發(fā)生受激輻射，受激輻射產(chǎn)生信號增益。,半導(dǎo)體放大器的缺點(diǎn)：與光纖藕合困難，耦合損失大；對光的偏振特性較為敏感，故穩(wěn)定性差；噪聲及串?dāng)_較大。 優(yōu)點(diǎn)：體積小，可充分利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體激光器技術(shù)，制作工藝成熟，且便于與其他光器件進(jìn)行集成?？筛采w1310和1550波段。,2、光纖放大器（1）稀土摻雜光纖放大器,稀土摻雜光纖放大器是利用稀土摻雜物質(zhì)引起的增益機(jī)制實(shí)現(xiàn)光放大的。其中摻鉺光纖放大器EDFA的工作波長1550波段；摻鐠光纖放大器PDFA的工作波長1310波段