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1、光纤通信工程概述,一、概述 光纤通信概念： 光纤通信以光作为信息载体，利用光纤传输携带信息的光波，以达到通信之目的。 1、发展简史 1). 里程碑 1966年高锟著名文章（PIEE）； 1966年高锟博士发表的论文用于光频的光纤表面波导,2). 导火线 1970年康宁公司的第一根低耗光纤； 3). 爆炸性发展 A）.光纤衰减： 1970年 ：20dB/km； 72年 ：4dB/km； 76年 ：0.5dB/km； 79年 ：0.2dB/km； 90年 ：0.14dB/km。 B）.系统： 76年 - 45Mb/s ； 85年 - 多模系统； 90年 - 单模系统； 93年 - SDH； 98年
2、 - WDM（40G）； 2000年 - 320G。,（2）光器件 光发送器件： 砷化镓铝半导体激光器异质结条形激光器分布反馈式激光器（DFB-LD）和多量子阱（MQW）激光器。 光接收器件： Si-PIN APD。 （3）光纤通信系统 从小容量到大容量、从短距离到长距离、从PDH SDH DWDM。在智能光网络（ION）、光分插复用器（OADM）、光交叉连接设备（OXC）等方面也取得巨大进展。,携带信息的光波： 数字信号为1时，光源器件发送一个传号光脉冲； 当数字信号为0时，光源器件发送一个空号（不发光）,光纤通信的光波波谱,光波波谱 光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长
3、范围为：300m6103m。 可见光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的连续光波组成，其中红光的波长最长，紫光的波长最短。波长再短就是X射线、射线。 电磁波波谱图如图1-1所示。,2光纤通信的光波波谱 光纤通信的波谱在1.671014Hz3.751014Hz之间，即波长在0.8m1.8m之间，属于红外波段，将0.8m0.9m称为短波长，1.0m1.8m称为长波长，2.0m以上称为超长波长。 各种单位的换算公式如表1-1所示。 表1-1 各种单位的换算公式,3.典型的数字光纤通信系统方框图,电端机（模/数）,光发送机,光纤,中继器,光接收机,电端机（模/数）,模拟信号,发送端的电端机把信息（如
4、话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件LD，输出发出携带信息的光波。光波经光纤传输后到达接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的信息。,光纤,模拟信号,1.3.2 光纤通信系统的分类 1按传输信号分类 （1）数字光纤通信系统 （2）模拟光纤通信系统 2按波长和光纤类型分类 （1）短波长（0.85m左右）多模光纤通信系统 （2）长波长（1.31m）多模光纤通信系统 （3）长波长（1.31m）单模光纤通信系统 （4）长波长（1.55m）单模光纤通信系统,2 、优点,1). 容量巨大 理论上一根光纤：100亿个话路。现在实
5、验室已实现50万个话路。 一根光纤同时传输24万个话路，比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍。 波分复用技术的采用，把一根光纤当作几根、几十根光纤使用，通信容量近乎无限。 2). 中继距离长 现已实现100公里无中继；若使用光放大器可实现640公里无中继传输。 3). 保密性能好 光在纤芯中传输，无泄露。 4). 适用能力强 不怕外界电磁干扰、耐腐蚀、可弯曲性好。 5). 体积小、重量轻、便于施工与维护 直埋、架空、水下。,（7）光纤通信同样也存在着如下缺点： 需要光/电和电/光变换部分； 光直接放大难； 电力传输困难； 弯曲半径不宜太小； 需要高级的切断接续技术； 分路耦合不方
6、便。,12,1.4 光纤通信的特点与应用,1.4.2 光纤通信的应用 （1）光纤在公用电信网间作为传输线。 （2）局域网中的应用。 （3）光纤宽带综合业务数字网及光纤用户线。 （4）作为危险环境下的通信线。诸如发电厂、化工厂、石油库等场所。 （5）满足不同网络层面的应用。核心网层面、城域网层面、局域网层面等。 （6）应用于专网。光纤通信主要应用于电力、公路、铁路、矿山等通信专网。,13,1.5 光纤通信的发展趋势,1目前的进展情况 （1）光纤通信的基础研究方面 （2）光纤研制方面 （3）无源光器件研制方面 （4）光传输设备和系统的研究方面 （5）光接入网的研究方面 （6）理论研究方面,14,1
7、.5 光纤通信的发展趋势,2发展趋势 （1）向超高速系统发展 （2）向超大容量WDM系统演进 （3）向光传送网方向发展 （4）向G.655光纤发展 （5）向宽带光纤接入网方向发展,二.光纤,光纤简介 1、光纤的构造 光纤呈圆柱形，由纤芯、包层与涂层三大部分组成,n1n2,纤芯主要采用高纯度的SiO2二氧化硅，并掺有少量的掺杂剂，提高纤芯的光折射率n1； 包层也是高纯度的二氧化硅，也掺杂一些掺杂剂，主要是降低包层的光折射率n2； 涂层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机械强度和可弯曲性。光缆是多根光纤放在放在一个松套管内，内冲石油膏和钢丝形成的。海底光缆内还有电源线，主要为中继站的放大器等提供电源
8、。,光纤的分类：阶跃型 渐变型,光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别,图2-5 光在阶跃折射率多模光纤中的传播,图2-6 光在渐变折射率多模光纤中的传播,多模光纤：其芯径50 m；多种模式的存在，产生模式色散，使传输容量减小。 单模光纤：其芯径8 10 m；只允许一种传播模式，不存在模式色散，传输容量大。 单模光纤还可以再分为：G.652、 G.653、 G.655等 光纤的工作波长（工作窗口）： 光线路信号在光纤上传送的波长： 850nm、1310nm、1550nm。 注意：850nm窗口 只用于多模传输 1310nm和1550nm窗口 用于单模传输。,ITU-T建议规范了G.6
9、52、G.653、G.654和G.655四种单模光纤。 （1）G.652光纤 G.652光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色散为零的波长）在1 310nm附近的光纤。 在1310nm波长窗口色散性能最佳，是目前应用最广泛的光纤。 在1310nm处，色散小，衰耗大； 在1550nm处，色散大，衰耗小； （2）G.653光纤 G.653光纤也称色散位移光纤（DSF），是指色散零点在1 550nm附近的光纤，它相对于G.652光纤，色散零点发生了移动，所以叫色散位移光纤。 在1550nm波长，衰耗和色散皆为最小 值，可实现大容量长距离传输。因出现四波混频效应(FWM),限制了它在WD
10、M（波分复用）方面的应用,（3）G.654光纤 G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低1 550nm的衰减，其零色散点仍然在1 310nm附近，因而1 550nm窗口的色散较高。G.654光纤主要应用于海底光纤通信。 （4）G.655光纤 由于G.653光纤的色散零点在1 550nm附近，DWDM系统在零色散波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零点的位置从1 550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1 550nm附近的DWDM工作波长范围内。这种光纤就是非零色散位移光纤（NDSF）。适用于WDM系统。,这四种单模光纤的主要性能指标是衰减、色散、偏振模色散（
11、 PMD）和模场直径 。 另：G.653光纤是为了优化1 550nm窗口的色散性能而设计的，但它也可以用于1 310nm窗口的传输。由于G.654光纤和G.655光纤的截止波长都大于1 310nm，所以G.654光纤和G.655光纤不能用于1 310nm窗口。,光纤的导光原理,光是一种频率很高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导。 我们从几何光学的角度来简单讨论光纤的导光原理。 光线在均匀介质中是以直线传播的，但在两种不同介质的分界面会产生反射和折射现象，如图所示：,包层,纤芯,折射光,反射光,入射光,光的反射与折射,n2,n1,1,2,3,当n2/n1的比值增大到一定程度，则会使折射角90度，
12、此时的折射光线不再进入包层，而会在纤芯与包层的分界面上掠过，或者重返回到纤芯中进行传播，这种现象叫做光的全反射现象。 不难理解，当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。,光在光纤中的传播,光在光纤中以“Z”形轨迹传播及沿纤芯与包层的分界面掠过,n2,n1,光纤的特性参数,1、损耗系数 f 每公里光纤对光功率信号的衰减值（dB/km）。 1310nm窗口每公里衰减：0.4dB/km 1550nm窗口每公里衰减：0.25dB/km 衰减系数的算法 后向散射法 OPTR 2、色度色散系数 D（） 1). 色度色散的概念 导致带
13、宽变窄，传输容量下降 A）.模式色散 不同的模式具有不同的传播速度。 仅对多模光纤有效。 B）.材料色散 不同波长的光在光纤中具有不同的传播速度。 C）.波导色散 光在不同结构的光纤中具有不同的传播速度。 单模光纤无模式色散，仅有材料色散与波导色散。 2). 色度色散系数 每公里长度的光纤传输单位光源谱宽时所产生的脉冲展宽值（ps/ nm.km）。 仅对单模光纤有效,在单模光纤中有两个低损耗区域，分别在1 310nm和1 550nm附近，即通常说的1 310nm窗口和1 550nm窗口；1 550nm窗口又可以分为C-band（1 525nm1 562nm）和L-band（1 565nm1 6
14、10nm）。,光纤的机械特性,光纤的机械特性主要包括耐侧压力、抗拉强度、弯曲以及扭绞性能等，使用者最关心的是抗拉强度。 （1）光纤的抗拉强度 光纤的抗拉强度很大程度上反映了光纤的制造水平。 影响光纤抗拉强度的主要因素是光纤制造材料和制造工艺。 预制棒的质量。 拉丝炉的加温质量和环境污染。 涂覆技术对质量的影响。 机械损伤。 （2）光纤断裂分析 存在气泡、杂物的光纤，会在一定张力下断裂，如图2-18所示。,（3）光纤的寿命 光纤的寿命，习惯称使用寿命，当光纤损耗加大以致系统开通困难时，称其已达到了使用寿命。从机械性能讲，寿命指断裂寿命。 （4）光纤的机械可靠性 一般来说，二氧化硅包层光纤的机械可
15、靠性已经得到广泛的认可。为了提高光纤的机械可靠性，在光纤的外包层中掺入二氧化钛，从而增加网络的寿命。,三.光缆,光缆的结构 光缆由缆芯、护层和加强芯组成。 （1）缆芯 缆芯由光纤的芯数决定，可分为单芯型和多芯型两种。 （2）护层 护层主要是对已成缆的光纤芯线起保护作用，避免受外界机械力和环境损坏。护层可分为内护层（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外护层（多用铝带和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等）。 （3）加强芯 加强芯主要承受敷设安装时所加的外力。 光缆的种类,各种典型结构的光缆,（1）层绞式结构光缆 把经过套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成。层绞式结构光缆类似传统的电缆结构，故又称之为古典光缆。,图2-21 12芯松套层绞式直埋光缆,图2-20 6芯紧套层绞式光缆,图2-22 12芯松套层绞式直埋防蚁光缆,图2-23 648芯松套层绞式水底光缆,图2-24 12芯松套+8芯2线对层绞式直埋光缆,（2）骨架式结构光缆 骨架式结构光缆是把紧套光纤或一次涂覆光纤放入加强芯周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。,图2-25 12芯骨架式光缆,图2-26 70芯骨架式光缆,图2-27 骨架式自承式架空光缆,（3）束管式结构光缆 把一次涂覆光纤或光纤束放入大套管中，加强芯配置在套管周围而构成。,图2-28 12芯束管式光缆,图2-29 648芯
