第4章光纤通信系统

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1、第4章光纤通信系统第4章 光纤通信系统本章内容：43.1 光纤通信概述4.2 光纤和光缆4.3 光纤传输设备4.4 光纤通信网络4.5 光纤通信的新发展4.1 光纤通信概述 我国古代使用的烽火台就是大气光通信的最好例子。后来的手旗、灯光甚至交通红绿灯等均可划入光通信的范畴。望远镜的出现，又极大地延长了这种目视光通信的距离。 1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。这种光电话利用太阳光或弧光灯作光源，通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的变化而变化，实现话音对光强度的调制。在接收端，用抛物面反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上，使光信号变

2、换为电流， 传送到受话器。 它证明了用光波作为载波传送信息的可行性。贝尔电话系统 贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，这种光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，遇到下雨下雪天也有影响。 1966年英籍华人高琨博士提出光导纤维的概念在全世界范围内掀起了发展光纤通信的高潮。 利用光导纤维作为光的传输媒介的光纤通信, 其发展只有近四十年的历史。 随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大： 从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接入网，从数字电话到有线电视(CATV)， 从单一类型信息的传输到多种业务的传输。 目前光纤已成为信息宽带传

3、输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。 光纤通信系统是以光导纤维和激光技术、光电集成技术为基础发展起来的通信系统，它具有频带宽、重量轻、体积小、节省能源，主要用于大容量国际、国内长途通信干线，也用于短局间中继。我国今后不再敷设新的长途电缆线路，而全部采用光缆。光纤通信的发展可分为以下几代进程: 第一代光纤通信系统，是以19731976年的850 nm波长的多模光纤通信系统为代表。 第二代光纤通信系统，是20世纪70年代末, 80年代初的多模和单模光纤通信系统。第三代光纤通信系统，是20世纪80年代中期以后的长波长单模光纤通信系统。第四代光纤通信系统，是指进入20世纪90年

4、代以后的同步数字体系光纤传输网络。从通信网的发展来看第一代为纯电信网第二代通信网仅仅是用光纤代替铜线，使通信网的性能得到了某种改善，而网络的拓扑骨架基本上是之前的模式，光波通信的潜力尚未完全发挥。第三代通信网为全光通信网。1990年后，随着光纤与光波电子技术的发展，新颖光纤与半导体功能光器件相继问世，掀起了发展全光通信网的潮流。这种通信网中，不仅用光波系统传输信号，交换、复用、控制与路由选择等亦全部在光域完成，由此构建真正的光波通信网。5.1.1 光纤通信的基本概念 光纤通信是以光波为载频，以光导纤维为传输媒介的通信方式。即利用光导纤维传输携带信息的光波信号的通信方式。 光纤通信系统由光发送机

5、、光纤、光中继器和光接收机组成。 光纤通信首先要在信源将欲传送的电话、电报、图像和数据等信号进行电/光转换，即把电信号先变成光信号。将电信号送至光发送机，对光源的光载波进行调制。再经由光纤（包括在本地进行光交换）传输到信宿，信宿必须将接收到的光信号作与发信端相反的变换，即进行光/电转换变成电信号，从而完成一次光纤通信的全过程。 光纤通信系统的组成对于长距离的光纤通信系统，每隔一定距离需要接入光中继器。 实用的光纤通信系统一般都是双向的，每一端都有光发送机、光接收机和电发送机、电接收机并且每一端的光发送机和光接收机做在一起，称为光端机，电发送机和电接收机组合起来称为电端机。同样，中继器也有正反两

6、个方向。 光纤通信也可分为模拟通信和数字通信两种。模拟光通信中的光信号强度随电信号的变化而线性变化，通俗地讲，就是光线有“明”“暗”之分。数字光通信中的光信号与数字电信号相似，只有两种状态：“亮”和“灭”。 在实际应用中，作为一个完整的光纤通信系统，还应包括光中继器、监控系统、脉冲复接和脉冲分离系统、告警系统以及电源系统等。还需使用光连接器、光衰减器、光分路器、光耦合器、光分波器、光滤波器、光开关等。 纵观影响当今电信业的主要技术，很少有像光纤和光波传输系统那样能引发如此剧烈的变革。在光纤通信中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质光纤又比铜轴电缆或波导管的损耗低很多，因此相对电

7、缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。4.1.2 光纤通信的特点1.传输频带宽，通信容量大 采用波分复用(WDM)或光频分复用(OFDM)是增加光纤通信系统传输容量最有效的方法。2. 损耗很小，中继距离长 用做光纤的二氧化硅玻璃介质的纯净度增高，光纤的损耗降低。因此，中继距离可以很长，这样可在通信线路中减少中继站的数量，以降低成本并提高通信质量。3.抗电磁干扰能力强 光纤是由纯度较高的电绝缘玻璃材料（二氧化硅）制成的，是不导电和无电感的，在有强烈电磁干扰的地区和场合中使用，光纤也不会产生感应电压、电流，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。4.不产生串话、保密性强 光在光纤

8、中传播时，几乎不向外辐射。光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。因此在同一光缆中，数根光纤之间不会相互干扰，即不会产生串话，也难以窃听，所以光纤通信和其它通信方式相比有更好的保密性。5.线径细、重量轻 光纤的直径很小，只有125?m左右，因此制成光缆后，直径要比相同容量的电缆小得多，而且重量也轻。6.资源丰富、节约有色金属和原材料 电缆是由铜、铝、铅等金属材料制成的，而光纤的原材料是石英，在地球上资源丰富，而且用很少的原材料就可以拉制很长的光纤。7.容易均衡 在电通信中，信号的各频率成分的幅度变化是不相等的，频率越低，幅度的变化越小；频率越高，其幅度变化则越大。这对信号的接收极为不利，为使

9、各频率成分都受到相同幅度的放大处理，就必须采用幅度均衡。对光纤通信系统则不同，在光纤通信的运用频带内，光纤对每一频率的损耗是相等的，一般情况下，不需要在中继站和接收端采取幅度均衡措施。8.抗化学腐蚀、使用寿命长 石英材料具有一定的抗化学腐蚀能力。比由铜或铝组成的电缆抗腐蚀和氧化能力强，绝缘性能好，适用于强电系统，使用寿命长，一般认为光缆的寿命为2030年。9.光纤接头不放电、不产生电火花 进水和受潮对金属导线意味着接地和短路。光纤是由玻璃制成，光纤不产生放电，也不存在发生火花的危险，所以安全性好。它适用于矿井下、军火仓库、石油化工等易燃易爆的环境中，它是比较理想的防爆型传输线路。光纤通信存在一

10、些缺点，如： 需要光/电和电/光变换部分；光直接放大难；电力传输困难；光纤质地脆、机械强度低，弯曲半径不宜太小；要求比较好的切断、连接技术；分路、耦合比较麻烦等。4.2 光纤和光缆 光纤通信中采用的传输媒介是光纤（Optical Fiber，OF） 。光纤是通信的物理基础，是一种能够导光的透明玻璃丝。光纤与加强元件、外护层等组合而成光缆。4.2.1 光纤结构和类型1.光纤的结构 光纤就是用来导光的透明介质纤维，光纤是由中心的纤芯(折射率n1)和外围的包层(折射率n2)同轴组成的圆柱形细丝。 实用的光纤结构为自内向外为纤芯、包层及涂覆层。纤芯和包层合起来构成裸光纤，光纤的光学及传输特性主要由它决

11、定。涂覆层包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层，作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。光纤的结构 纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离， 并起一定的机械保护作用。 设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。光纤结构2. 光纤的分类按光纤剖面折射率分布分类：(1)阶跃光纤（又称为均匀光纤） 纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤。(2)渐变型光纤（又称为非均匀光纤） 纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，折射率分布曲线为抛物线。

12、(3)三角形光纤 纤芯折射率分布曲线为三角形。光纤折射率分布曲线按传导模的数目分类： 传导模指能够在光纤中远距离传输的传播模式。(1)多模光纤 当纤芯的几何尺寸（直径一般为50m）远大于光波波长(如1.55m)时，光纤剖面折射率分布为渐变型，外径125m。光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，称为多模光纤。(2)单模光纤 当纤芯的几何尺寸较小（一般为8m10m），与光波长在同一数量级，这时，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。 单模光纤的折射率分布多呈阶跃性。 多模光纤单模光纤光在阶跃折射率多模光纤中的传播光在渐变折射率多模光纤中的传

13、播按光纤套塑结构分类(1)紧套光纤 就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。 (2)松套光纤 就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动。 若一根管内有多根光纤，称为松套光纤束。 紧套光纤 松套光纤套塑光纤结构按传输波长分类(1)短波长光纤 波长为0.85m（0.8m0.9m）(2)长波长光纤 波长为1.3m1.6m，主要有1.31m、 1.55m。还有超长波长光纤。按光纤材料不同(1)石英光纤 (2)氟化物光纤 (3)全塑光纤现在实用的石英光纤通常有以下三种： 阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。4.2.2 光纤的导光原理 光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为 v=c/n式中：c2.997105km/s，是光在真空中的传播速度；n是介质的折射率(空气的折射率为1.00027，近似为1；玻璃的折射率为1.5左右)。 引用几何光学中的折射和反射原理解释光在光纤中的传播现象。1.光的折射和全反射 当一条光线照射到两种介质相接的边界时，入射光线分成两束：反射光线折射光线。 并服从光的反射和折射定律。反射定律：反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，并且反射角等于入射角，即：31。折射定律 ：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位