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1、第六章第六章 光纤通信光纤通信本章内容：本章内容：光纤通信概述光纤通信概述光纤与光缆光纤与光缆SDH传输网传输网波分复用技术波分复用技术全光网络全光网络本章学习目的及要求本章学习目的及要求掌握光纤通信的特点掌握光纤通信的特点掌握光纤和光缆的结构、种类掌握光纤和光缆的结构、种类理解理解SDH的特点和帧结构的特点和帧结构了解光纤线路码型、了解光纤线路码型、DWDM和全光网络和全光网络1光纤通信通信入门技术6.1.1光纤通信的发展光纤通信的发展 1880年，美国科学家贝尔发明年，美国科学家贝尔发明光电话光电话 ，标志着光通信的，标志着光通信的起源起源。1960年，美国人梅曼发明第一台红宝石激光器年，
2、美国人梅曼发明第一台红宝石激光器 。1966年，年，“光纤之父光纤之父”高锟高锟博士首次提出光纤通信的博士首次提出光纤通信的想法，这是光纤通信发展的想法，这是光纤通信发展的里程碑里程碑。1970年，美国康宁公司研制出了损耗系数为年，美国康宁公司研制出了损耗系数为20dB/km的的光纤，光纤通信从此进入光纤，光纤通信从此进入飞速发展飞速发展。1977年，芝加哥第一条年，芝加哥第一条45Mbit/s的商用线路。的商用线路。1976 年和年和 1978 年，日本先后进行了速率为年，日本先后进行了速率为34 Mb/s以及以及速率为速率为100 Mbit/s的光纤通信系统的试验。的光纤通信系统的试验。1
3、980 年，年，140Mbit/s光纤通信系统投入商业应用。光纤通信系统投入商业应用。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。2光纤通信通信入门技术6.1.2光纤通信的工作波长光纤通信的工作波长光波是电磁波的一种，其波长在微米级，频率为光波是电磁波的一种，其波长在微米级，频率为1014Hz1015Hz数量级。数量级。目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区，即波长为目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区，即波长为0.81.8m。光纤通信使用的三个工作窗口光纤通信使用的三个工作窗口0.85m、1.31m、1.55m。3光纤通信通信入门技术6.1.3 光纤通信
4、的特点光纤通信的特点优点优点（1）传输频带宽，通信容量大）传输频带宽，通信容量大（2）传输衰减小，中继距离长）传输衰减小，中继距离长（3）抗电磁干扰，传输质量好）抗电磁干扰，传输质量好（4）体积小、重量轻、便于施工）体积小、重量轻、便于施工（5）原材料丰富，节约有色金属，有利于环保）原材料丰富，节约有色金属，有利于环保缺点缺点光纤质地脆，机械强度低；光纤的切断和接续需要一定光纤质地脆，机械强度低；光纤的切断和接续需要一定的工具设备和技术，光缆的弯曲半径不能过小等等。的工具设备和技术，光缆的弯曲半径不能过小等等。 4光纤通信通信入门技术6.2 光纤与光缆光纤与光缆6.2.1 光纤的结构与分类光纤
5、的结构与分类6.2.2 光纤的导光原理光纤的导光原理6.2.3 单模传输条件单模传输条件6.2.4 光纤的传输特性光纤的传输特性6.2.5 光缆光缆5光纤通信通信入门技术 6.2.1 光纤的结构与分类光纤的结构与分类1光纤的结构光纤的结构纤芯、包层、涂覆层。纤芯、包层、涂覆层。纤芯位于光纤中心，作用是传输光波。包层纤芯位于光纤中心，作用是传输光波。包层位于纤芯外层，作用是将光波限制在纤芯中，位于纤芯外层，作用是将光波限制在纤芯中，同时还起到一定的机械保护作用。同时还起到一定的机械保护作用。n1n26光纤通信通信入门技术由于石英玻璃质地脆、易断裂，为保护光纤不由于石英玻璃质地脆、易断裂，为保护光
6、纤不受损害，提高抗拉度，一般需要在裸光纤外面受损害，提高抗拉度，一般需要在裸光纤外面指经过两次涂覆。指经过两次涂覆。裸光纤裸光纤：由纤芯和包层组成。：由纤芯和包层组成。光纤芯线光纤芯线：经过涂敷的裸光纤。：经过涂敷的裸光纤。 7光纤通信通信入门技术设纤芯和包层的折射率分别为设纤芯和包层的折射率分别为n1和和 n2，光，光在光纤中传输的必要条件是在光纤中传输的必要条件是n1n2。相对折射指数差（相对折射指数差（）当当n与与n的差别极小时，这种光纤称为弱的差别极小时，这种光纤称为弱导波光纤。导波光纤。8光纤通信通信入门技术2光纤的分类光纤的分类（1）按照光纤的制造材料分类）按照光纤的制造材料分类按
7、照光纤的制造材料的不同，光纤可分为玻璃按照光纤的制造材料的不同，光纤可分为玻璃（石英）光纤和塑料光纤。（石英）光纤和塑料光纤。（2）按照光纤的传输模式分类）按照光纤的传输模式分类根据光纤传输模式的数量，光纤可分为多模光根据光纤传输模式的数量，光纤可分为多模光纤（纤（MMF）和单模光纤（）和单模光纤（SMF）。）。 （3）按照光纤的折射率分布分类）按照光纤的折射率分布分类按照光纤剖面折射率分布的不同，光纤可分为按照光纤剖面折射率分布的不同，光纤可分为突变型光纤（突变型光纤（SIF）和渐变型光纤（）和渐变型光纤（GIF）。）。9光纤通信通信入门技术10光纤通信通信入门技术阶跃型光纤（阶跃型光纤（S
8、IF）纤芯折射率呈均匀分布。纤芯折射率呈均匀分布。渐变型光纤（渐变型光纤（GIF）纤芯折射率呈非均匀分布，在轴心处最大，而在光纤芯折射率呈非均匀分布，在轴心处最大，而在光纤横截面内沿半径方向逐渐减小，在纤芯与包层的纤横截面内沿半径方向逐渐减小，在纤芯与包层的界面上降至包层折射率界面上降至包层折射率n2。 W型光纤（双包层光纤）型光纤（双包层光纤）在纤芯与包层之间设有一折射率低于包层的缓冲层，在纤芯与包层之间设有一折射率低于包层的缓冲层，使包层折射率介于纤芯和缓冲层之间。使包层折射率介于纤芯和缓冲层之间。11光纤通信通信入门技术6.2.2 光纤的导光原理光纤的导光原理分析光纤的导光原理，一般可采
9、用两种方分析光纤的导光原理，一般可采用两种方法：一种是波动理论法，另一是射线法。法：一种是波动理论法，另一是射线法。波动理论法是根据电磁场理论，分析其传输特波动理论法是根据电磁场理论，分析其传输特性。性。 光可用一条表示光的传播方向的几何线来表示，光可用一条表示光的传播方向的几何线来表示，这条几何线就称为光射线。用光射线来研究光这条几何线就称为光射线。用光射线来研究光波传输特性的方法，称为射线法。波传输特性的方法，称为射线法。12光纤通信通信入门技术1光的反射和折射光的反射和折射当光射线射到两种介质交界面时，将发生当光射线射到两种介质交界面时，将发生反射和折射。反射和折射。 n1n2n1n21
10、23入射折射反射13光纤通信通信入门技术光的全反射光的全反射 当光从光密物质（折射率大的物质）入射进当光从光密物质（折射率大的物质）入射进光疏物质（折射率小的物质）时。光疏物质（折射率小的物质）时。当入射角大于临界角。当入射角大于临界角。 14光纤通信通信入门技术光线在阶跃型光纤中的传播示意图光线在阶跃型光纤中的传播示意图结论结论：1、阶跃型光纤就是利用光波的全反射原理、阶跃型光纤就是利用光波的全反射原理2、光波在纤芯中以、光波在纤芯中以“之之”字形向前传播。字形向前传播。2阶跃型光纤的传输原理阶跃型光纤的传输原理15光纤通信通信入门技术数值孔径数值孔径表示光纤的捕捉光线能力的大小。表示光纤的
11、捕捉光线能力的大小。 NA是表示光纤特性的重要数，它反映光纤与光源等元件耦合时的是表示光纤特性的重要数，它反映光纤与光源等元件耦合时的耦合效率。若纤芯和包层的相对折射率差越大，耦合效率。若纤芯和包层的相对折射率差越大，NA值就越大，即值就越大，即光纤的集光能力就越强。光纤的集光能力就越强。 接收锥接收锥16光纤通信通信入门技术n14n13n12n11n11n12n13n14结论：结论：渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化利用光的反射和折射利用光的反射和折射光线在其中以一条近似于正弦型的曲线向前传播光线在其中以一条近似于正弦型的曲线向前传播3渐变型光纤的传输原理渐变型光纤
12、的传输原理17光纤通信通信入门技术6.2.3 单模传输条件单模传输条件单模光纤是在给定的工作波长上，只传单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单一模式的光纤。输单一模式的光纤。 单模光纤需要满足什么条件？单模光纤需要满足什么条件？18光纤通信通信入门技术1归一化频率归一化频率V归一化频率是为表征光纤中所能传播的模式数目归一化频率是为表征光纤中所能传播的模式数目多少而引入的一个特征参数。其方程为：多少而引入的一个特征参数。其方程为：其中，其中，是光纤的纤芯半径；是光纤的纤芯半径；是光纤的工作波长；是光纤的工作波长； n1和和n2 分别是光纤的纤芯和包层折射率；分别是光纤的纤芯和包层折射率； k0
13、真空中的波数；真空中的波数；光纤的相对折射率差。光纤的相对折射率差。单模传输条件：单模传输条件：0V2.40519光纤通信通信入门技术6.2.4 光纤的传输特性光纤的传输特性光纤的传输特性指的是光信号在光纤中传光纤的传输特性指的是光信号在光纤中传输所表现出来的特性，主要包括损耗特性输所表现出来的特性，主要包括损耗特性和色散特性。和色散特性。20光纤通信通信入门技术1光纤的损耗特性光纤的损耗特性定义定义光信号在光纤内传播，随着距离的增大，能量会越来越弱，其中一光信号在光纤内传播，随着距离的增大，能量会越来越弱，其中一部分能量在光纤内部被吸收，一部分可能突破光纤纤芯的束缚，辐部分能量在光纤内部被吸
14、收，一部分可能突破光纤纤芯的束缚，辐射到了光纤外部，这叫做光纤的传输损耗（或传输衰减）。射到了光纤外部，这叫做光纤的传输损耗（或传输衰减）。损耗系数损耗系数 (单位：单位：dB/km)Pi和和Po分别为入射光功率和出射光功率（分别为入射光功率和出射光功率（mW或或W）损耗系数是光纤传输系统中限制光信号中继传输距离的重要损耗系数是光纤传输系统中限制光信号中继传输距离的重要因素之一。因素之一。光纤损耗大致可以分为吸收损耗、散射损耗和其他损耗。光纤损耗大致可以分为吸收损耗、散射损耗和其他损耗。21光纤通信通信入门技术光纤的传输损耗影响光信号的中继距离。光纤的传输损耗影响光信号的中继距离。光纤损耗可以
15、分为吸收损耗、散射损耗和光纤损耗可以分为吸收损耗、散射损耗和其他损耗。其他损耗。为什么光纤的工作窗口选择为什么光纤的工作窗口选择0.85m、1.31m、1.55m？归纳思考归纳思考22光纤通信通信入门技术2.光纤的色散特性光纤的色散特性光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。 模式色散模式色散模式色散是指即使同一波长的光，若其模式不同，则传播速率也不同，模式色散是指即使同一波长的光，若其模式不同，则传播速率也不同，从而引起色散，
16、又称为模间色散，只存在于多模光纤中。从而引起色散，又称为模间色散，只存在于多模光纤中。色度色散色度色散光源的光谱中不同波长成分的光在传输过程中发生群延时，引起光脉光源的光谱中不同波长成分的光在传输过程中发生群延时，引起光脉冲展宽，主要包括材料色散和波导色散。冲展宽，主要包括材料色散和波导色散。偏振模色散偏振模色散偏振模色散是由于光信号传输会产生两个方向的偏振模，当光纤在光偏振模色散是由于光信号传输会产生两个方向的偏振模，当光纤在光信号传输的两个方向上的折射率不同而产生的色散叫做偏振模色散。信号传输的两个方向上的折射率不同而产生的色散叫做偏振模色散。 23光纤通信通信入门技术色散主要包括模式色散
17、、色度色散和偏振模色散主要包括模式色散、色度色散和偏振模色散三种。色散三种。正常色散：正常色散：介质的折射率介质的折射率n随着波长的增加随着波长的增加而减小。而减小。反常色散：反常色散：介质的折射率介质的折射率n随着波长的增加随着波长的增加而增加。而增加。归纳思考归纳思考24光纤通信通信入门技术6.2.5 光缆光缆光缆的基本结构一般由缆芯、加强构件、光缆的基本结构一般由缆芯、加强构件、填充物和护层等几部分构成，除了这些基填充物和护层等几部分构成，除了这些基本结构之外，根据实际需要还要有防水层、本结构之外，根据实际需要还要有防水层、缓冲层、绝缘金属导线等构件。缓冲层、绝缘金属导线等构件。 25光
18、纤通信通信入门技术（1）缆芯）缆芯为了进一步保护光缆，增加光纤的强度，一般将带有涂敷层的光纤再套上为了进一步保护光缆，增加光纤的强度，一般将带有涂敷层的光纤再套上一层塑料层，通常称为套塑。将套塑后且满足机械强度要求的单根或者多一层塑料层，通常称为套塑。将套塑后且满足机械强度要求的单根或者多根光纤芯线根光纤芯线 以不同的形式组合起来，就形成了缆芯。以不同的形式组合起来，就形成了缆芯。 光缆缆芯的基本结构大体上有层绞式、骨架式、束管式和带状式四种。光缆缆芯的基本结构大体上有层绞式、骨架式、束管式和带状式四种。 26光纤通信通信入门技术（2）加强构件）加强构件加强构件的作用事增加光缆的抗拉强度，提高
19、光缆的机械性能。一加强构件的作用事增加光缆的抗拉强度，提高光缆的机械性能。一般光缆的加强构件采用镀锌钢丝、钢丝绳、不锈钢或者高强度塑料般光缆的加强构件采用镀锌钢丝、钢丝绳、不锈钢或者高强度塑料加强构件等。一般加强构件位于光缆的中心，也有位于护层的，叫加强构件等。一般加强构件位于光缆的中心，也有位于护层的，叫做护层加强构件。做护层加强构件。（3）护层结构）护层结构护层的主要作用是保护缆芯，提高机械性能和防护性能。不同的护护层的主要作用是保护缆芯，提高机械性能和防护性能。不同的护层结构适合不同的敷设条件。层结构适合不同的敷设条件。光缆的护层分为外护层和护套两部分，护套用来防止钢带、加强构光缆的护层
20、分为外护层和护套两部分，护套用来防止钢带、加强构件等金属构件损伤光纤；外护层进一步增强光缆的保护作用。件等金属构件损伤光纤；外护层进一步增强光缆的保护作用。（4）填充结构）填充结构填充结构用来提高光缆的防潮性能，在光缆缆间空隙中注入填充物，填充结构用来提高光缆的防潮性能，在光缆缆间空隙中注入填充物，以防止水汽进入光缆。以防止水汽进入光缆。27光纤通信通信入门技术28光纤通信通信入门技术6.3 光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统由光端机、光缆和中继器组成。光纤通信系统由光端机、光缆和中继器组成。光发送机与光接收机统称为光端机。光发送机与光接收机统称为光端机。光发送部分传输部分光接收部分电端机电
21、端机光端机中继器光缆光源光端机光缆光检测器光源光检测器29光纤通信通信入门技术光发送机的主要作用光发送机的主要作用将电端机送来的数字基带电信号变换为光信号，并耦合进光纤线将电端机送来的数字基带电信号变换为光信号，并耦合进光纤线路中进行传输。光发送机中的光源是整个系统的核心器件。路中进行传输。光发送机中的光源是整个系统的核心器件。光接收机的主要作用光接收机的主要作用将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生成与发送端相同换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生成与发送端相同的电信号，
22、输入到电接收端机，光接收机中关键器件是半导体光的电信号，输入到电接收端机，光接收机中关键器件是半导体光检测器。检测器。中继器的主要作用中继器的主要作用可对微弱的光信号直接进行放大的器件，其主要功能是提供光信可对微弱的光信号直接进行放大的器件，其主要功能是提供光信号的增益，以补偿光信号在传输过程中的衰减，增加传输系统无号的增益，以补偿光信号在传输过程中的衰减，增加传输系统无中继距离。中继距离。30光纤通信通信入门技术6.3.1 光源光源1光源光源 光纤通信中用到的光源有半导体激光器（光纤通信中用到的光源有半导体激光器（LD）和发光二极管（和发光二极管（LED）两种，发光二极管用于短）两种，发光二
23、极管用于短距离、低速光纤通信系统，光纤通信干线的光源距离、低速光纤通信系统，光纤通信干线的光源均为半导体激光器。均为半导体激光器。半导体激光器发出多种模式的光。半导体激光器发出多种模式的光。31光纤通信通信入门技术6.3.2中继器中继器作用作用光脉冲信号从发送机输出经光纤传输若干距离光脉冲信号从发送机输出经光纤传输若干距离后，由于光纤损耗和色散的影响，光脉冲信号后，由于光纤损耗和色散的影响，光脉冲信号的幅度受到衰减，波形出现失真，为此就要在的幅度受到衰减，波形出现失真，为此就要在光信号传输一定距离时，加设一个中继器，以光信号传输一定距离时，加设一个中继器，以放大衰减信号，恢复失真的波形，使光脉
24、冲得放大衰减信号，恢复失真的波形，使光脉冲得到再生。到再生。 种类种类中继器分为光中继器分为光-电电-光中继器和光中继器两种光中继器和光中继器两种 。32光纤通信通信入门技术光信号通过光发射机送到光缆传输，中间经过光信号通过光发射机送到光缆传输，中间经过中继器进行信号波形修整、再生、放大后，继中继器进行信号波形修整、再生、放大后，继续传输，直到传到接收机。续传输，直到传到接收机。归纳思考归纳思考33光纤通信通信入门技术6.4 SDH同步数字系列（同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）的研究工作始于）的研究工作始于1986年，年，其目的是建立光纤通信的
25、通用标准。其目的是建立光纤通信的通用标准。美国贝尔通信研究所最先提出了光同步传输网美国贝尔通信研究所最先提出了光同步传输网的概念，并称之为同步光网络（的概念，并称之为同步光网络（SONET）。）。国际电话电报咨询委员会（国际电话电报咨询委员会（CCITT），于），于1988年接受了年接受了SONET的概念，重新命名为同的概念，重新命名为同步数字系列（步数字系列（SDH），建立了世界性的统一标），建立了世界性的统一标准。准。34光纤通信通信入门技术6.4.2 SDH的帧格式和速率的帧格式和速率用于网络的运行、用于网络的运行、管理、维护及指配管理、维护及指配指示净负荷区域指示净负荷区域内的信息首字
26、节内的信息首字节在在STM-N帧内的帧内的准确位置，以便准确位置，以便接收时能正确分接收时能正确分离净负荷。离净负荷。真正用于电信真正用于电信业务的比特业务的比特35光纤通信通信入门技术SDH等级等级速率速率kbit/sSDH等级等级速率速率kbit/sSTM-1155 520STM-162 488 320STM-4622 080STM-649 953 280STM-25636光纤通信通信入门技术6.5 光波分复用的基本概念光波分复用的基本概念WDM技术基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合技术基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在起来，并
27、耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号分开，并作进一步处理，恢复接收端将组合波长的光信号分开，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。出原信号后送入不同的终端。 37光纤通信通信入门技术6.5.2 光波分复用的特点光波分复用的特点（1）充分利用光纤的巨大带宽资源）充分利用光纤的巨大带宽资源 （2）同时传输多种不同类型的信号）同时传输多种不同类型的信号 （3）节省线路投资）节省线路投资 （4）降低器件的超高速要求）降低器件的超高速要求 （5）高度的组网灵活性、）高度的组网灵活性、 经济性和可靠性经济性和可靠性 （6）IP的传送通道的传送通道38光纤通信通信入门技术6.6 全光网络全光网络全光网是指信息从源节点到目的节点的传输完全全光网是指信息从源节点到目的节点的传输完全在光域上进行，即全部采用光波技术完成信息的在光域上进行，即全部采用光波技术完成信息的传输和交换的宽带网络。它包括光传输、光放大、传输和交换的宽带网络。它包括光传输、光放大、光再生、光选路、光交换、光存储、光信息处理光再生、光选路、光交换、光存储、光信息处理等先进的全光技术。等先进的全光技术。 39光纤通信通信入门技术
