第5章 光纤通信

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1、第五章 光纤通信,参考教材第五章,1,提纲,光纤通信概述 光纤通信发展简史 光纤通信的特点 光纤通信系统 同步数字体系,光纤通信发展的历史和现状,探索时期的光通信 原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。 1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器， 给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用， 使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。 在这个时期，美国麻省理工学院利用He - Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验。 由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质， 对光通信的研究曾一度走入了低潮。,1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao

2、)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信的基础。 指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向,光纤通信发展的历史和现状,诺贝尔奖得主 高锟,(1933年11月4日)，英国华裔科学家，生于中国上海金山区。光纤通讯、电机工程专家。光纤之父，前香港中文大学校长。美国国家工程院院士、英国皇家工程科学院院士、英国皇家艺术学会会员和瑞典皇家工程科学院外籍院士，台湾中央研究院院士。1996年当选中国科学院外籍院士。 用石英基玻璃纤维进行长距离信息传

3、递，将带来一场通讯事业的革命，并提出当玻璃纤维损耗率下降到20分贝/公里时，光纤通讯即可成功。,光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段： 第一阶段(19661976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。 第二阶段(19761986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。 第三阶段(19861996年)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。,光纤通信,光纤通信是以光波为载频、光导纤维（简称光纤）为传输媒质的一种通信方式。, 容许频带很宽，传输容量很大 损耗很小， 中继距离很长且误码率很小 重量轻、 体积小 抗电磁干扰性能好 泄漏小，

4、保密性能好 节约金属材料， 有利于资源合理使用,光纤通信的特点,光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中， 都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速， 是当前研究开发应用的主要目标。,光纤通信的应用,10,DWDM 开始建设,SDH逐步成为 传输主力设备,容量增加/业务多样化,DWDM规模建 设，全光网试验,SDH标准完善，PDH仍为主力,PDH产品开始 规模使用,实用化 产品出现,高锟提出 光传输理论,1966,80年代,94年,99年,90年代初,98年,1976,Metro城域网兴起OADM、OXC逐渐使用,200

5、2年以后,PDH：准同步数字传输系统； SDH：同步数字传输系统； DWDM：密集波分复用系统； OADM：光分插复用系统； OXC：光交叉连接系统；,光传输技术介绍,11,PDH,PDH采用比特填充和码位交织的方法将低速率等级的信号复合成高速信号，它能够独立传送国内长途和市话网业务 只有地区性的数字信号速率和帧结构而不存在世界性的标准 没有世界性的标准光接口规范 只支持点对点传输 ，进行区段保护 ，无法实现统一工作的多种路由的环状保护 复用解复用需要逐级进行，结构复杂，硬件数量庞大 传统PDH的运行、管理和维护靠人工的数字信号交叉连接和停业务测试,12,SDH,SDH是为克服PDH的缺点而产

6、生的，它是先有目标再定规范，然后研制设备 使北美、日本和欧洲三个地区性的标准在STM-1及其以上等级获得了统一。 统一的标准光接口能够在基本光缆段上实现横向兼容，允许不同厂家的设备在光路上互通，满足多厂家环境的要求 SDH采用同步复用方式和灵活的复用映射结构 ，只需利用软件即可使高速信号一次直接分出低速支路信号 安排了丰富的开销字节，大大增强了网络进行运行维护管理能力 具有前向和后向兼容性，能够兼容PDH和ATM，IP等业务,13,基于SDH的多业务传送平台（MSTP）,以原有SDH为基础，从单纯支持2Mb/s 、155Mb/s 等话音业务接口向包括以太网和ATM等多业务接口演进，将多种不同业

7、务通过VC（虚容器）或VC 级联方式映射入SDH 时隙进行处理。 其实质就是在SDH基础上增加了数据业务接入和处理的单板，数据特性单板主要分为下面几个种类：以太网特性单板，ATM特性单板，DDN及xDSL单板，分类接入单板。 SDH多业务节点将传送节点与各种业务节点融合在一起，各厂商只是融合程度不同。,14,DWDM,DWDM是一种能在一根光纤上同时传送多个携带有信息（模拟或数字）的光载波，只需通过增加波长（信道）实现系统扩容的光纤通信技术 DWDM系统与SDH系统均属于传送网层，二者都是建立在光纤传输媒质上的传输手段 传统的DWDM主要解决了光缆资源不足的问题，OAM功能较弱，保护手段少,1

8、5,应用DWDM降低中继成本、节省光纤资源,.,应用DWDM前,应用DWDM后,16,DWDM在传输网中的地位,17,CWDM,CWDM的信道间隔为20nm CWDM设备不需要DWDM所必需的掺铒光纤放大器 ，使用成本低 单波道最高速率可达到2.5G 适用于光纤资源紧张、带宽要求很高的城域网络的接入层,18,OTN网络的引入,SDH网络功能 SDH网络提供了多种业务的传输功能：PDH、IP、Ethernet 等； SDH提供丰富的保护、管理功能； 不能满足未来骨干网节点的Tbit以上得大容量业务调度； WDM系统功能 WDM系统提高了带宽利用率、业务透明传输； 纯光网络没有性能监视能力，不能保

9、证性能，也不能满足传送网络的一般要求。,19,OTN的定义,OTN光传送网（Optical Transport Network） 由ITU-T G.872、G.798、G.709 等建议定义的一种全新的光传送技术体制，它包括光层和电层的完整体系结构，对于各层网络都有相应的管理监控机制和网络生存性机制。 光信号是由波长来表征，光信号的处理可以基于单个波长，或基于一个波分复用组。 OTN在光域内可以实现业务信号的传递、复用、路由选择、监控，并保证其性能要求和生存性。 OTN可以支持多种上层业务或协议，是未来网络演进的理想基础。,20,光纤通信的工作窗口,光纤的损耗系数随着波长而变化，为获得低损耗特

10、性，光纤通信选用的波长范围在 0.81.8m，并称0.81.0m为短波长波段，1.01.8m为长波长波段。 CWDM的信道间隔为20nm 目前光纤通信实用的波长即短波长段的0.85m、长波长波段的1.31m和1.55m，通常称其为是目前光纤通信的三个实用窗口。,提纲,光纤通信概述 光纤通信系统 光纤与光缆 光纤通信系统的组成 光线路的码型 同步数字体系,光纤的结构和分类,光纤由纤芯和包层两部分组成，纤芯完成光信号的传输，包层是为了将光信号封闭在纤芯中并保护纤芯。纤芯和包层的折射率不同，设纤芯、包层的折射率分别为n1、n2,则n1n2。,光纤的结构 目前通信用的光纤大多采用石英玻璃(SiO)制成

11、的横截面很小的双层同心圆柱体，未经涂覆和套塑时称为裸光纤，如图所示。,光纤与光缆,1.光纤的结构 石英玻璃、塑料或晶体 纤芯(折射率大)和包层 全反射,光纤的分类,按工作波长： 短波长(850nm)和长波长(1310nm、1550nm) 按传输模式(根据光纤中传输模式数量的不同)： 多模光纤和单模光纤 按折射率分布： 阶跃(突变)型(SI)、渐变(梯度)型(GI)和W型 按材料： 石英光纤、塑料光纤等,光纤的分类 1. 按照光纤横截面上折射率分布不同来分 (1) 阶跃型光纤（突变型多模光纤） (2) 渐变型光纤,图 三种基本类型的光纤 (a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c）

12、 单模光纤,2. 按照传输的总模数来分 所谓模式，实质上是电磁场的一种分布形式。模式不同，其分布不同，根据光纤中传输模式数量来分，可分为单模光纤和多模光纤。 (1) 单模光纤(SM-Single mode fiber) (2) 多模光纤(MM-Multi mode fiber),多模光纤,62.5/125 m 的光纤 典型距离达5英里 用于： CCTV 门禁控制系统 内部通讯,单模光纤,无限带宽 810 m 典型距离超过5英里 用于： 长途电信 长途电视监控及多路切换 共用天线电视系统,光传播的基本知识,n1,n2,n1 n2,n1,n2,临界角,900,临界角,n1,n2,全反射,入射角=反

13、射角,1,2,产生全反射的条件：n1n2 90临界角,图 突变型多模光纤的光线传播原理,1. 突变型多模光纤 设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1， 纤芯中心轴线与z轴一致， 如下图。 光线在光纤端面以小角度从空气入射到纤芯(n0n2)。,改变角度，不同相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。 根据全反射原理， 存在一个临界角c。 当c时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。 由此可见，只有在半锥角为c的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。,光纤的传输特性 1.损耗 光纤的传输损耗是影响系统传输距离的重要因素，光纤自身的损耗主要有吸收损耗和散射损耗。

14、吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，造成光功率的损失。 功率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射，由此产生的损耗为散射损耗。,光纤色散(Dispersion),所谓光纤色散是指由于光纤传输信号中的不同模式或不同频率成分，因传播速度的不同而引起的传输信号发生畸变的一种物理现象。 由于光纤中色散的存在，会使得输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率。它是限制传输速率的主要因素。,散射,由于光线的基本结构不完美，引起的光能量损失，此时光的传输不再具有很好的方向性。 简单地说，光纤的色散就是由于光纤中光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度的不同

15、而使得传播时间不同，因此造成光信号中的不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。,3.非线性效应 光纤通信中，激光器输出的高功率导致光纤的非线性极为显著。 非线性效应：在输出端可以产生输入端所没有的新的频率分量。,光纤的传输性能 1. 衰减(Loss) (1)衰减(dB ) 衰减是光纤的一个重要传输参数。它表明了光纤对光能量的传输损耗，对光纤质量的评定和对光纤通信系统的中继距离的确定都起着十分重要的作用，其评定量纲为dB。,(2)衰减系数(dB/km) 衰减系数定义为单位长度光纤引 起的光功率衰减，其评定量纲为dB/Km。,光缆,按芯数分为单芯、双芯、多芯 按敷设

16、场合分为架空、直埋、管道、移动、室内、水下、海底等 按用途分为通信用光缆和非通信用光缆,加强 元件,光纤通信系统的组成,光发送机,码型变换,光源驱动,发送光源,温控电路,光检测器,自动功率控制,图5-6 光发送机组成原理框图,使LD有恒定的光输出功率,保持LD组件内恒定的温度，保证激光参数的稳定性,将HDB3码或CMI码变化为NRZ码,将电信号加载到光束上,产生光信号,光源,在光纤通信系统中，光源产生光纤通信系统所需要的载波。 1. 激光二极管（LD） 半导体激光器在注入电流达到一定数值（IIt）时，才发出；而IIt时发出的是荧光，即LD具有阈值性。 2. 发光二极管（LED） LED与LD的差别是它没有光学谐振腔，不能产生激光，靠自发辐射发光，产生的是荧光。,对通信用光源