1、光纖通信,目錄,光纖通信概述 光纖光纜 光纖通信器件 光纖通信系統(tǒng),光纖通信基本概念,光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，光纖通信是以光波為載波，以光纖為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。,光波波譜,X射線,射線,無(wú)線電波,紅外線,可見光,紫外線,300 m,0.76 m,0.39 m,610-3 m,光波波長(zhǎng)范圍為300610-3 m，分為：紅外線、可見光、紫外線。 光纖通信的波長(zhǎng)在1.80.8 m，屬紅外波段。,光纖通信系統(tǒng)模型,光纖通信的優(yōu)點(diǎn),傳輸頻帶寬，通信容量大 理論上，一對(duì)光纖可傳10億路電話或10萬(wàn)路電視。 由于光纖制造技術(shù)和電子器件的限制，現(xiàn)一對(duì)光纖可傳數(shù)十萬(wàn)路電話或數(shù)千路電視。 光纖傳輸損耗低，中繼

2、距離長(zhǎng) 目前，中繼距離超過(guò)300km。 抗干擾能力強(qiáng) 光纖是絕緣體，不怕雷電和高壓。 光纖傳輸?shù)念l率高于各種干擾源頻率。,光纖通信的優(yōu)點(diǎn),保密性好 光波只在光纖中傳輸，不會(huì)跑到光纖之外。 節(jié)省大量有色金屬 光纖的主要材料SiO2取之不盡，用之不竭。 按現(xiàn)在的開采速度，世界上的銅礦只能再開采50年左右。 光纖體積小，重量輕 光纜截面積為12mm，18芯同軸電纜的為65mm。 光纜重量為90g/m，18芯同軸電纜的為11/m。,光纖的結(jié)構(gòu),通常光纖由纖芯、包層、一次涂敷層和套層組成。,光纖的結(jié)構(gòu),未經(jīng)套塑的光纖稱裸光纖，其外徑為125m。 纖芯折射率稍大于包層折射率，以保證光纖在纖芯中傳播。 纖芯

3、的折射率一般是l.463l.467,包層的 折射率是1.45l.46左右。,光纖的種類,按制造光纖所用材料分： 石英系光纖 多組分玻璃光纖 塑料包層石英系光纖 全塑料光纖 氟化物光纖 按光纖傳輸模式數(shù)分： 多模光纖 單模光纖,光纖的種類,按光纖折射率分布形狀分： 跳變式光纖 漸變式光纖 按光纖的工作波長(zhǎng)分： 短波長(zhǎng)光纖 長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖 超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖,光纖的損耗特性,光纖的損耗特性是光纖的傳輸特性之一。 損耗大小在很大程度上決定著光中繼距離的長(zhǎng)短。 光纖損耗大致可分為光纖具有的固有損耗以及光纖制成后由使用條件造成的附加損耗。,損耗種類,瑞利散射損耗 吸收損耗 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不完善引起的 損耗 微彎損耗 附

4、加損耗 彎曲損耗 接續(xù)損耗,光纖損耗,固有損耗,損耗小結(jié),損耗大小在很大程度上決定著光中繼距離的長(zhǎng)短。 三個(gè)低損耗窗口：0.85 m、1.31 m和1.55 m。 光纖產(chǎn)品在1.31 m波長(zhǎng)區(qū)的典型損耗為0.33dB/km，在1.55 m波長(zhǎng)區(qū)的典型損耗為0.21dB/km （該窗口被稱為損耗最小點(diǎn)）。,光纖的色散特性,光纖的色散特性是光纖的又一傳輸特性。 色散是指光纖所傳輸?shù)男盘?hào)波形畸變的一種物理現(xiàn)象。表現(xiàn)為光脈沖寬度被展寬。 光纖色散按產(chǎn)生原因分：模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散。,色散種類,模式色散：不同模式，其傳輸路徑不同，到達(dá)終點(diǎn)時(shí)間也不同，從而引起光脈沖展寬。 材料色散：由于光源發(fā)出的

5、光具有一定的波譜寬度，而石英玻璃的折射率隨光波頻率變化，引起模內(nèi)各信號(hào)的傳輸速率不同而產(chǎn)生的色散。 波導(dǎo)色散（結(jié)構(gòu)色散）：由于波導(dǎo)效應(yīng)引起模內(nèi)頻率高或波長(zhǎng)短的光信號(hào)進(jìn)入包層，而包層折射率小于纖芯折射率，導(dǎo)致模內(nèi)各信號(hào)的傳輸速率不同而產(chǎn)生的色散。,色散小結(jié),色散大小直接影響通信容量的增減和通信距離的遠(yuǎn)近。 各種色散的大小順序：模式色散材料色散波導(dǎo)色散。 模式色散僅存于多模光纖之中。單模光纖只有材料色散和波導(dǎo)色散。 常規(guī)單模光纖在1310nm附近的材料色散和波導(dǎo)色散相互抵消，即色散為零。而在1550nm窗口則為1520ps/kmnm。,實(shí)用光纖類型,G.652光纖 G.652光纖，即常規(guī)單模光纖是

6、指1310nm波長(zhǎng)性能最佳的單模光纖。在1310nm波長(zhǎng)工作時(shí)，理論色散為零，其典型損耗為0.33dB/km，而在1550nm波長(zhǎng)工作時(shí)，傳輸損耗最小，但色散系數(shù)約為17ps/nmkm。,實(shí)用光纖類型,G.653光纖 G.653光纖，即色散位移光纖（DSF）是指1550nm波長(zhǎng)性能最佳的單模光纖。其利用1550nm的低損耗窗口，通過(guò)改變折射率分布，將零色散點(diǎn)從1310nm移到1550nm，使光纖最小衰減窗口和零色散窗口均統(tǒng)一在1550nm波長(zhǎng)上。 DSF在單波長(zhǎng)、長(zhǎng)距離通信中具有很大的優(yōu)越性。,實(shí)用光纖類型,G.654光纖 這種光纖是指1550nm波長(zhǎng)損耗最小的光纖，典型衰減系數(shù)為0.150.

7、19dB/km。 設(shè)計(jì)重點(diǎn)是如何降低1550nm波長(zhǎng)處的衰減，零色散點(diǎn)仍位于1310nm波長(zhǎng)處。 主要應(yīng)用于需很長(zhǎng)再生段距離的海底光纖通信。,實(shí)用光纖類型,G. 655光纖 G. 655光纖，即非零色散光纖（NZDF） ，有的也稱為真波光纖。 將零色散點(diǎn)移向短波長(zhǎng)側(cè)（通常15101520nm范圍）或長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)（1570nm附近），使15401565nm范圍內(nèi)色散值保持在1.04.0ps/nmkm。 NZDF兼容了常規(guī)光纖和DSF的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又解決了常規(guī)光纖的色散受限和DSF難以實(shí)現(xiàn)WDM的致命弱點(diǎn)。,實(shí)用光纖類型,色散補(bǔ)償光纖（DCF） 色散補(bǔ)償光纖在1550nm窗口有很大的負(fù)色散。在原G.65

8、2光纖線路中加入一段色散補(bǔ)償光纖，用其長(zhǎng)度來(lái)控制色散補(bǔ)償量的大小，以抵消原G.652光纖在1550nm處的正色散，使整個(gè)線路在1550nm處的總色散為零 。 一般說(shuō)來(lái)，25m DCF可補(bǔ)償1km G.652光纖的色散。,新一代光纖,第二代的G.655光纖大有效面積的光纖和小色散斜率光纖 大有效面積的光纖具有較大的有效面積，可以更有效地克服光纖非線性的影響。 小色散斜率光纖具有更合理的色散規(guī)范值，簡(jiǎn)化了色散補(bǔ)償，更適合于L波段的應(yīng)用。 兩者均適合于以10Gbs為基礎(chǔ)的高密集波分復(fù)用系統(tǒng)，代表了干線光纖的最新發(fā)展方向。,新一代光纖,全波光纖 目前影響可用波段的主要因素是1385nm附近的水吸收峰，

9、采用全新的生產(chǎn)工藝，幾乎完全消除由水峰引起的衰減。 可用波長(zhǎng)范圍增加了100nm，可復(fù)用的波長(zhǎng)數(shù)大大增加。 允許使用波長(zhǎng)間隔較寬、波長(zhǎng)精度和穩(wěn)定度要求較低的光源、合波器、分波器和其它元件，使元器件特別是無(wú)源器件的成本大幅度下降，這就降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本。 未來(lái)城域網(wǎng)的新敷光纖將會(huì)逐漸轉(zhuǎn)向這種具有更長(zhǎng)技術(shù)壽命的新型光纖，我國(guó)正抓緊進(jìn)行開發(fā)和試驗(yàn)。,光纖的測(cè)量,光纖損耗的測(cè)量 切斷法：沿光纖長(zhǎng)度分別測(cè)兩點(diǎn)的光功率。 背向散射法：在光纖始端數(shù)值孔徑以內(nèi)，測(cè)量反射回來(lái)的瑞利散射光的一種非破壞性的光纖損耗測(cè)量法。,光纖帶寬的測(cè)量,時(shí)域法：從光纖的一端注入一串窄脈沖，從其 另一端測(cè)出脈沖的展寬值，從而得到

10、光纖的基帶響應(yīng)，即帶寬。 估算法：B=0.44/(t22-t12) 頻域法：在光纖輸入端送入正弦光信號(hào)，在不改變光信號(hào)幅度的條件下，只改變正弦頻率，然后在光纖輸出端，由選頻電平表讀取經(jīng)檢測(cè)器變換出來(lái)的電信號(hào)幅值，得到幅頻特性曲線。幅頻特性的最大值下降6dB即為光纖帶寬。,光纜,對(duì)光纜設(shè)計(jì)的基本要求： 機(jī)械性能良好 成纜時(shí)光纖傳輸特性要保持良好 不同環(huán)境及使用場(chǎng)合下，光纜性能穩(wěn)定 直徑要小、重量要輕 易于敷設(shè)和接續(xù) 容易生產(chǎn)、價(jià)格便宜、維護(hù)方便,常用光纜,普通光纜 層絞式和單元式光纜 緊套 松套 帶狀式光纜 骨架式光纜,特種光纜,海底光纜 能承受敷設(shè)張力及故障修理時(shí)從海底打撈的張力； 能承受敷設(shè)

11、時(shí)的側(cè)壓力和深海中的水壓力； 即使有了龜裂，也能防止光纜內(nèi)浸水。 無(wú)電磁感應(yīng)光纜 不僅在外護(hù)套和抗張力構(gòu)件中完全不使用金屬，而且在纜內(nèi)也不配中介金屬線對(duì)。,特種光纜,復(fù)合架空地線光纜 利用光纖無(wú)電磁感應(yīng)性質(zhì)，與電力線中的架空地線復(fù)用而組成的光纜。 電力復(fù)合光纜 利用光纖的無(wú)電磁感應(yīng)性質(zhì)，和輸電線等電力光纜進(jìn)行復(fù)合而成的。,光纜的型號(hào)及識(shí)別,光纜的型號(hào)由光纜型式代號(hào)和光纖規(guī)格代號(hào)組成。 我國(guó)的光纜型號(hào)命名及表示法：,光纜型式代號(hào),光纖規(guī)格代號(hào),光纜的型號(hào)及識(shí)別,光纜型式代號(hào) ：分類及代號(hào) GY：通信用室（野）外光纜 GR：通信用軟光纜 GJ：通信用室（局）內(nèi)軟光纜 GS：通信設(shè)備內(nèi)光纜 GH：通

12、信用海底光纜 GT：通信用特殊光纜 ：加強(qiáng)構(gòu)件及代號(hào) 無(wú)符號(hào)：金屬加強(qiáng)構(gòu)件 F：非金屬加強(qiáng)構(gòu)件 C：金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件 H：非金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件,光纜型式代號(hào),：派生特征及代號(hào) B：扁平形狀 Z：自承式結(jié)構(gòu) T：填充式結(jié)構(gòu) ：護(hù)套及代號(hào) Y：聚乙烯護(hù)套 V：聚氯乙烯護(hù)套 U：聚氨酯護(hù)套 A：鋁-聚乙烯粘接護(hù)套 L：鋁護(hù)套 G：鋼護(hù)套 Q：鉛護(hù)套 S：鋼-鋁-聚乙烯綜合護(hù)套,光纜型式代號(hào),：外護(hù)層及代號(hào)外護(hù)層型號(hào)用數(shù)字代號(hào)表示材料的含義,光纜的型號(hào)及識(shí)別,光纖規(guī)格代號(hào) 1：光纖數(shù) 纜內(nèi)同類型光纖的實(shí)際有效數(shù) 2：光纖類型及代號(hào) J：二氧化硅系多模漸變型光纖 T：二氧化硅系多模階躍型光纖 Z：二氧化硅

13、系多模準(zhǔn)階躍型光纖 D：二氧化硅系單模光纖 X：二氧化硅系塑料包層光纖 S：塑料光纖,光纖規(guī)格代號(hào),3：光纖主要尺寸參數(shù) 多模光纖：芯徑/包層直徑(m) 單模光纖：模場(chǎng)直徑/包層直徑(m) 4：光纖傳輸特性及代號(hào) a:使用波長(zhǎng)的代號(hào)，一位數(shù)表示： 1：使用波長(zhǎng)在0.85m區(qū)域 2：使用波長(zhǎng)在1.31m區(qū)域 3：使用波長(zhǎng)在1.55m區(qū)域 bb:衰減系數(shù)的代號(hào)，兩位數(shù)表示（dB/km） cc:模式帶寬的代號(hào)，兩位數(shù)表示（MHzkm） 單模光纖無(wú)此項(xiàng)。,光源,光源的作用是完成電/光轉(zhuǎn)換。 光源的發(fā)光波長(zhǎng)由材料決定。 光纖通信對(duì)光源的基本要求 合適的發(fā)光波長(zhǎng) 發(fā)光波長(zhǎng)應(yīng)與光纖的工作窗口一致。 足夠的輸

14、出功率 應(yīng)大于1mw 可靠性高、壽命長(zhǎng) 要求光源平均工作壽命為106小時(shí),光纖通信對(duì)光源的基本要求,輸出效率高 輸出光功率與所消耗的直流電功率的比值叫輸出效率。目前輸出效率的標(biāo)準(zhǔn)是大于10%。 光譜寬度窄 光譜寬度是光源的發(fā)光波長(zhǎng)范圍。 聚光性好 聚光性好，即耦合效率高、入纖功率大。 調(diào)制方便 調(diào)制是把話音等信息載在光波上。 價(jià)格低廉,常用光源,半導(dǎo)體發(fā)光二極管 半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)是利用其有源區(qū)自發(fā)輻射輸出光信號(hào)的器件。 只要在其兩端加上電流,便會(huì)輸出熒光, LED是無(wú)閾值的器件。 在正向偏置下,LED能發(fā)出可見光或紅外光。 LED譜線較寬，引起的色散值教大，不適合高速率傳輸。 LED

15、與光纖的耦合效率較低，一般只適合短距離率傳輸。,常用光源,半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器(LD)是利用在其有源區(qū)中受激發(fā)射的器件。 只在工作電流超過(guò)閾值電流的情況下,才會(huì)輸出激光(相干光), LD是有閾值的器件。 LD光譜寬度窄、光纖耦合效率較高、調(diào)制頻率高，適用于長(zhǎng)距離大容量的光纖通信系統(tǒng)。 LD易受溫度影響，需進(jìn)行自動(dòng)溫度控制和自動(dòng)功率控制。,光放大器,主要功能 功率放大：置于光發(fā)射機(jī)前端，以提高入纖的光功率。 在線中繼放大：取代現(xiàn)有的中繼器。 前置放大：置于光電檢測(cè)器前，以提高接收的靈敏度。 常用光放大器 摻鉺光纖放大器（EDFA） 半導(dǎo)體激光放大器（SLA）,摻鉺光纖放大器（EDFA）,基

16、本原理 EDFA能對(duì)1.55m波段提供有效的功率增益。 當(dāng)泵浦光輸入摻鉺光纖時(shí)，高能級(jí)的電子經(jīng)過(guò)各種碰撞后，發(fā)射出波長(zhǎng)為1.531.56 m的熒光。若在波長(zhǎng)為1.55 m附近的某種信號(hào)光入射時(shí)，信號(hào)光會(huì)接受強(qiáng)輸入光（泵浦光）的能量，沿著摻鉺光纖逐步增強(qiáng)，而將該信號(hào)光放大。 一般功率增益大于30dB。,半導(dǎo)體激光放大器（SLA）,工作原理與半導(dǎo)體激光器的工作原理相同，也是利用能級(jí)間躍遷的受激現(xiàn)象進(jìn)行光放大。 由電流直接激勵(lì)而去掉諧振腔，可獲得30dB以上的光增益。,主要技術(shù)指標(biāo),功率增益 指輸出光功率與輸入光功率的對(duì)數(shù)之比。 泵浦光功率越大，信號(hào)功率增益也越大。 輸出飽和功率 是一個(gè)描述輸入信號(hào)

17、功率與輸出信號(hào)功率之間關(guān)系的參量。 飽和輸出功率隨泵浦功率的增加而增加。 噪聲系數(shù) 主要包括信號(hào)光波和放大器自發(fā)輻射光波見的差拍噪聲，以及光放大器自發(fā)輻射的不同頻率光波見的差拍噪聲，另外還有散彈噪聲等。,光電檢測(cè)器,半導(dǎo)體光檢測(cè)器是利用半導(dǎo)體P-N結(jié)內(nèi)的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的器件。 光纖通信系統(tǒng)對(duì)光電檢測(cè)器的要求 靈敏度高 響應(yīng)速度快 噪聲小 穩(wěn)定可靠,常用的光電檢測(cè)器,PIN光電二極管 雪崩光電二極管（APD） 信號(hào)電流可借助雪崩倍增過(guò)程進(jìn)行放大。 靈敏度可提高15dB左右。 電路復(fù)雜，造價(jià)高。,無(wú)源光器件,光纖連接器 也稱為光纖活動(dòng)連接器或光纖活接頭。 光源與光纖以及光纖與光電檢測(cè)

18、器的連接均采用光纖活動(dòng)連接器。 常用的連接器有FC型和PC型。 插入損耗一般在0.3dB以下。,無(wú)源光器件,波分復(fù)用器件 也稱光分波、合波器。指發(fā)送端將各種不同波長(zhǎng)的光信號(hào)耦合進(jìn)一根光纖的復(fù)用器，接收端將光纖送來(lái)的各種波長(zhǎng)的信號(hào)分開的去復(fù)用器。 光復(fù)用器在解決光纜線路的擴(kuò)容或復(fù)用中起著關(guān)鍵性作用。 常用的波分復(fù)用器件有三種：棱鏡型、衍射光柵型和干涉濾光膜型。,無(wú)源光器件,光衰減器 主要用于光纖通信系統(tǒng)的指標(biāo)測(cè)量、短距離通信系統(tǒng)的信號(hào)衰減以及系統(tǒng)試驗(yàn)等場(chǎng)合。 根據(jù)衰減光功率的工作機(jī)理來(lái)分： 耦合型光衰減器 反射型光衰減器 吸收型光衰減器 根據(jù)衰減量的變化情況來(lái)分： 固定式衰減器 步進(jìn)可變式衰減器

19、 連續(xù)可變衰減器,無(wú)源光器件,光開關(guān) 是一種光路控制器件，起著控制光流和轉(zhuǎn)換光路的作用。 光開關(guān)有機(jī)械式和非機(jī)械式兩種類型。 機(jī)械式：利用機(jī)械動(dòng)作達(dá)到光開關(guān)目的。 非機(jī)械式：又稱固體式光開關(guān)。它是利用電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)以及聲光效應(yīng)進(jìn)行光開關(guān)的。,無(wú)源光器件,光分路耦合器 光分路器是將某一波長(zhǎng)的光信號(hào)按需要分成若干路信號(hào)，而光耦合器是把幾路信號(hào)合成一路信號(hào)。 光分路耦合器可分為兩分支型和多分支型兩種。前者多用于光通路測(cè)量，要求分路比可任意選擇；后者一般用于光數(shù)據(jù)總線，要求輸出信號(hào)分配均勻。,光纖通信系統(tǒng)基本組成,光纖通信系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),誤碼特性 所謂收發(fā)碼不一致就稱為誤碼。 主要原因是傳輸系統(tǒng)

20、的噪聲和脈沖抖動(dòng)。 誤碼性能用誤比特率BER來(lái)衡量。 BER=錯(cuò)誤比特?cái)?shù)/總傳輸比特?cái)?shù) 系統(tǒng)總的誤碼率等于各中繼段誤碼率之和。,光纖數(shù)字通信系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),ITU-T規(guī)定了嚴(yán)重誤碼秒SES，誤碼秒ES的百分比指標(biāo)。 SES= S64 /SA64：在可用時(shí)間內(nèi)，對(duì)于64kb/s信號(hào)而言，1秒內(nèi)誤碼個(gè)數(shù)大于64的時(shí)間。 ES=SE/SA8% SE：在可用時(shí)間內(nèi)，1秒內(nèi)誤碼個(gè)數(shù)大于1 或等于1的時(shí)間。,抖動(dòng)特性,長(zhǎng)途數(shù)字通信系統(tǒng)的另一重要指標(biāo)。 抖動(dòng)是數(shù)字脈沖信號(hào)的相位擺動(dòng)，或時(shí)間上的前后擺動(dòng)，也稱相位抖動(dòng)。 引起抖動(dòng)的原因： 非系統(tǒng)性：主要來(lái)源于噪聲和各再生中繼器時(shí)鐘頻率的隨機(jī)變化。 系統(tǒng)性：指各再生中繼器可以引起相關(guān)的定時(shí)相位誤差。,數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)步驟 明了設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。 明確系統(tǒng)通信容量，傳輸距離，以及誤碼率，經(jīng)濟(jì)限制和業(yè)務(wù)量增長(zhǎng)等質(zhì)量指標(biāo)。據(jù)此，合理選擇波長(zhǎng)、碼型和光源-光纖-光檢測(cè)器的組合等。 工程計(jì)算 進(jìn)行中繼距離、信息容量的計(jì)算。 審查是否滿足設(shè)計(jì)要求和限制條件。,數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程,要求條件 限制條件,選擇