第七章 光纤通信

Logo1光纤通信张昀IntroductiontoComputerSystems2CompanyLogo2光纤通信系统光纤全称为光导纤维，它是一种能够通光的、直径很细的透明玻璃丝，是一种新的传输介质。光纤通信是以光波为载波,以光导纤维为传输媒质的激光通信，就是运用光反射原理，把光的全反射限制在光纤内部，用光信号取代传统通信方式中的电信号，从而实现信息的传递的，亦即将要传的电话、电报、图象和数据等信号先变成光信号，再经由光纤进行传输或在本地进行光交换的一种通信方式。IntroductiontoComputerSystems3CompanyLogo3概述利用光导纤维作为光的传输介质的光纤通信,其发展只有几十年的历史，它的发展是以1960年美国人Maiman发明的红宝石激光器，和1966年英籍华人高锟博士提出利用二氧化硅石英玻璃可制成低损耗光纤的设想为基础的，这种设想直到1970年美国康宁公司研制出损耗为20dB/Km的光纤，才使光纤进行远距离传输成为可能。IntroductiontoComputerSystems4CompanyLogo4光纤通信发展简史自1970年以后，光纤通信的研究在世界范围内展开并得到迅猛发展，在短短的一、二十年中，已从0.85um短波长多模光纤发展到1.31um～1.55um的长波长单模光纤，同时开发出许多新型光电器件，激光器寿命已达数十万小时甚至百万小时，一些国家相继建成了长距离光纤通信系统。IntroductiontoComputerSystems5CompanyLogo5频带宽,通信容量大理论上讲一根单模光纤可利用的带宽达20THz(1THz=1012Hz)以上,现在最先进的光纤通信系统达400GHz,而一路电话带宽约占4KHz频带,一路彩色电视约占6MHz频带损耗低,中继距离长铜缆的损耗特性与铜缆的结构尺寸及所传输信号的频率有关,光缆的损耗特性仅与玻璃的纯度(或者说透明度)有关,高质量望远镜的镜头损耗超过500dB/km,目前通信用光纤的最低损耗达0.2dB/km光纤通信的优点IntroductiontoComputerSystems6CompanyLogo6具有抗电磁干扰能力光导纤维是绝缘体材料,不受输电线,电气化铁路及高压设备等电器干扰,可以与高压电线平行架设,还可制成复合光缆光纤不受强电干扰、电气化铁道干扰和雷电干扰，抗电磁脉冲能力也很强。无串话,保密性好通信质量高光纤通信的优点IntroductiontoComputerSystems7CompanyLogo7线径细，重量轻，柔软可制成大芯数高密度光缆单芯光缆可安装在飞机,火箭,潜艇及航天飞机上节约有色金属，原材料资源丰富光纤的主要成分是SiO2资源十分丰富。电缆的主要成分是Cu,Al等有色金属，资源有限，可节约大量金属。光纤通信的优点IntroductiontoComputerSystems8CompanyLogo8缺点质地脆,机械强度低光纤切断和接续需要一定的工具,设备和技术分路,耦合不灵活光纤,光缆弯曲半径不能过小IntroductiontoComputerSystems9CompanyLogo9•1977年，第一根短波长(0．85mm)阶跃型石英光纤问世，长度为17m，衰减系数为300dB/km。•1978年，研制出短波长多模梯度光纤，即G.651光纤。•1979年，研制出多模长波长光纤，衰减为1dB/km。建成5.7km、8Mb/s光通信系统试验段。•1980年，1300nm窗口衰减降至0.48dB/km，1550nm窗口衰减为0.29dB/km。我国光纤通信的开发里程IntroductiontoComputerSystems10CompanyLogo10•1984年，武汉、天津34Mb/s市话中继光传输系统工程建成(多模)。•1988年，全长245km的武汉－长沙市34Mb/s多模光缆通信系统工程通过邮电部鉴定验收。•1989年，汉阳——汉南40Mb/s单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收。•1991年，研制出G.653色散位移光纤。最小衰减达0.22dB/km。合肥——芜湖40Mb/s单模光传输系统工程通过国家鉴定验收。我国光纤通信的开发里程IntroductiontoComputerSystems11CompanyLogo11•1993年，在掺铒光纤放大器的研究上取得突破性进展，小信号增益达25dB。上海——无锡65Mb/s单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收。•1997年，研制出G.655非零色散位移光纤。成都——攀枝花22Mb/sSDH光传输工程通过邮电部鉴定验收。•1998年，海口——三亚5Gb/s光传输系统工程通过邮电部鉴定验收，该工程全长322km，仅在万宁设一个中继站，海口——万宁的中继距离为172km。•1999年，8×2.5Gb/sDWDM系统通过国家验收。我国光纤通信的开发里程IntroductiontoComputerSystems12CompanyLogo12光的传播光是一种电磁波可见光部分波长范围是：0.39~0.76μm。大于0.76μm部分是红外光，小于0.39μm部分是紫外光。光纤中应用的是：0.85，1.31，1.55μm三种。频率（Hz）1021041061081012101410161018102010221061041021101010-210-410-610-810-1010-1210-14波长名称长波中波短波超短波微波毫米波红外线可见光紫外线X射线10mm1mm100μm10μm1μm100nm10nm1nm红外线可见光紫外线光电磁波谱IntroductiontoComputerSystems14CompanyLogo14光纤通信系统的基本组成光纤通信系统可归结为电-光-电的简单模型。即需传输的信号必须先变成电信号，然后转换成光信号在光纤内传输，对端又将光信号变成电信号。整个过程中，光纤部分只起传输作用，对于信号的生成和处理，仍由电系统来完成。光端机光纤光纤数据数据中继器光端机IntroductiontoComputerSystems15CompanyLogo15光纤与光缆光纤通信中采用的传输媒介是光纤，光纤与加强元件、外护层等组合而成光缆。IntroductiontoComputerSystems16CompanyLogo16光纤导光的原理包层(n2)芯线(n1)入射出射光纤是一种介质波导，具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的波导结构，其直径大约只有0.1mm，它是由两种折射率不同的玻璃构成的。IntroductiontoComputerSystems17CompanyLogo17通信用光纤、光缆光纤种类与尺寸多模单模纤芯直径65/50μm10μm左右包层直径125μm125μm包层纤芯包层与纤芯的主要材料均为玻璃，但它们掺杂不同的杂质，使包层与纤芯具有不同的折射率。包层的外面还有一层保护层保护光纤简单说模式就是指电磁场的“波形”IntroductiontoComputerSystems18CompanyLogo18光纤的结构纤芯包层塑套IntroductiontoComputerSystems19CompanyLogo19光缆中的光纤一般是指经过两次涂覆后的光纤芯线，它的剖面结构如图所示。IntroductiontoComputerSystems20CompanyLogo20光纤的种类光纤是一种新型的光波导，其种类很多，按光纤材料不同，常见的有以下几种：·石英光纤·多组分玻璃光纤·全塑光纤IntroductiontoComputerSystems21CompanyLogo21按照折射率分布不同来分:通常采用的是阶跃型光纤和渐变型光纤两种。(1)阶跃型光纤(2)渐变型光纤光纤的分类IntroductiontoComputerSystems22CompanyLogo22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(SM-Singlemodefiber)和多模光纤(MM–Multi-modefiber)。光纤的分类IntroductiontoComputerSystems23CompanyLogo23光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。光纤本身损耗的原因，大致包括两类：吸收损耗和散射损耗。光纤的损耗特性IntroductiontoComputerSystems24CompanyLogo24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。散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射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。光纤的损耗特性吸收损耗:·本征吸收·杂质吸收散射损耗:·瑞利散射·结构缺陷散射IntroductiontoComputerSystems25CompanyLogo25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，这样就限制了通信容量和传输距离。光纤的色散特性IntroductiontoComputerSystems26CompanyLogo26•光纤色散的概念简单地说，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。从光纤色散产生的机理来看，它包括模式色散、材料色散和波导色散三种。在单模光纤中只有基模传输，因此不存在模式色散，只有材料色散和波导光纤的色散特性IntroductiontoComputerSystems27CompanyLogo27在多模光纤中，不同模式在同一频率下传输，各自的相位常数βmn不同，群速不同，模式之间存在时延差，这种色散称为模式色散。材料色散是由于光纤材料本身的折射率随频率而变化，使得信号各频率成分的群速不同，引起的色散称为材料色散。由于光纤的几何结构、形状等方面的不完善，使得光波一部分在纤芯中传输，而另一部分在包层中传输，由于纤芯和包层的折射率不同，这样造成脉冲展宽的现象，称为波导色散，或称结构色散。光纤的色散特性IntroductiontoComputerSystems28CompanyLogo28在实际通信线路中，光纤通信用的光纤都经过了一次涂覆和二次涂覆的处理，经过涂覆后的光纤虽然已具有了一定的抗张强度，但还是经不起施工中的弯折、扭曲和侧压等外力作用，为了使光纤能在各种环境中使用，必须把光纤与其他元件组合起来构成光缆，使其具有良好的传输性能以及抗拉、抗冲击、抗弯、抗扭曲等机械性能。光缆IntroductiontoComputerSystems29CompanyLogo29光缆的结构要求：保证光纤传输特性的优良、稳定、可靠；保证光缆具有足够的机械强度和环境温度性能；确保光缆的防潮能力，使光缆具有足够的使用寿命；有利于降低生产成本，使光缆的价格低廉。IntroductiontoComputerSystems30CompanyLogo30光缆的基本结构不论光缆的具体结构形式如何，都是由缆芯、护套和加强元件构成。缆芯：由单根或多根光纤芯线组成，其作用是传输光波。加强元件：加强元件一般有金属丝和非金属纤维，其作用是增强光缆敷设时可承受的拉伸负荷。护层：光缆的护层主要是对已形成缆的光纤芯线器保护作用，避免受外界的损伤。IntroductiontoComputerSystems31CompanyLogo31缆芯是由光纤芯线组成，可分为单芯和多芯：单芯型：由单根经二次涂敷处理后的光纤组成多芯型：由多根经二次涂敷处理后的光纤组成二次涂覆主要采用两种保护结构：紧套结构松套结构光缆的基本结构IntroductiontoComputerSystems32CompanyLogo32光缆的种类层绞式光缆结构Introduct