第六章光纤通信

第六章光纤通信本章内容：–光纤通信概述–光纤与光缆–SDH传输网–波分复用技术–全光网络本章学习目的及要求–掌握光纤通信的特点–掌握光纤和光缆的结构、种类–理解SDH的特点和帧结构–了解光纤线路码型、DWDM和全光网络6.1光纤通信概述光信号可以用于传输信息吗？光通信具有什么样的特点？探讨光纤通信是以光纤为传输媒质，以光信号为信息载体的通信方式。6.1.1光纤通信的发展1880年，美国科学家贝尔发明光电话，标志着光通信的起源。1960年，美国人梅曼发明第一台红宝石激光器。1966年，“光纤之父”——高锟博士首次提出光纤通信的想法，这是光纤通信发展的里程碑。1970年，美国康宁公司研制出了损耗系数为20dB/km的光纤，光纤通信从此进入飞速发展。1977年，芝加哥第一条45Mbit/s的商用线路。1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s以及速率为100Mbit/s的光纤通信系统的试验。1980年，140Mbit/s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。由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统于1989年建成。1990年，565Mbit/s的光纤通信系统进入商用化阶段。1993年，速率622Mbit/s以下SDH产品开始商用化。1995年，速率2.5Gbit/s的SDH产品开始商用化。1996年，10Gbit/s的SDH产品开始商用化。1997年，20Gbit/s和40Gbit/s的产品试验取得巨大发展。2005年3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通，是至今世界容量最大的实用线路。目前研究中的商用速率为数十Tbit/s。光纤通信发明家高锟(左)1998年在英国接受IEE授予的奖章从光纤的损耗看光纤通信的发展–1970年是20dB/km–1972年是4dB/km–1974年是1.1dB/km–1976年是0.5dB/km–1979年是0.2dB/km–1990年是0.14dB/km，已经接近石英光纤的理论损耗极限值0.1dB/km。6.1.2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1014Hz～1015Hz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0.8~1.8μm。光纤通信使用的三个工作窗口–0.85μm、1.31μm、1.55μm。6.1.3光纤通信的特点优点–（1）传输频带宽，通信容量大–（2）传输衰减小，中继距离长–（3）抗电磁干扰，传输质量好–（4）体积小、重量轻、便于施工–（5）原材料丰富，节约有色金属，有利于环保缺点–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。6.2光纤与光缆6.2.1光纤的结构与分类6.2.2光纤的导光原理6.2.3单模传输条件6.2.4光纤的传输特性6.2.5光缆6.2.1光纤的结构与分类1．光纤的结构–光纤是由中心的纤芯和外面的包层构成的，一般为双层或多层的同心圆柱体，为轴对称结构。–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，同时还起到一定的机械保护作用。–通信用的单模光纤纤芯为4-10μm，多模光纤纤芯直径为50~85μm，不管单模光纤还是多模光纤，包层的直径均为125μm。n1n2设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光在光纤中传输的必要条件是n1＞n2。相对折射指数差（Δ）当n１与n２的差别极小时，这种光纤称为弱导波光纤。Δ越大，光纤把光耦合入纤芯的能力越强。2122212nnnΔ121nnnΔ由于石英玻璃质地脆、易断裂，为保护光纤不受损害，提高抗拉度，一般需要在裸光纤外面指经过两次涂覆。裸光纤：由纤芯和包层组成。光纤芯线：经过涂敷的裸光纤。光纤的结构包括纤芯、包层和涂敷层。通常见到的光纤均为涂敷后的光纤芯线。归纳思考2．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的不同，光纤可分为玻璃（石英）光纤和塑料光纤。（2）按照光纤的传输模式分类–根据光纤传输模式的数量，光纤可分为多模光纤（MMF）和单模光纤（SMF）。（3）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，光纤可分为突变型光纤（SIF）和渐变型光纤（GIF）。（4）按照ITU-T建议的分类–按照ITU-T关于光纤的建议，光纤分为G.651光纤（渐变多模光纤）、G.652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（性能最佳单模光纤）、G.655光纤（非零色散位移单模光纤）。阶跃型光纤（SIF）–纤芯折射率呈均匀分布。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n2。W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，使包层折射率介于纤芯和缓冲层之间。6.2.2光纤的导光原理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。–波动理论法是根据电磁场理论，分析其传输特性。–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。用光射线来研究光波传输特性的方法，称为射线法。1．光的反射和折射当光射线射到两种介质交界面时，将发生反射和折射。n1＞n2n1n2θ1θ2θ3入射折射反射光的全反射–当光从光密物质（折射率大的物质）入射进光疏物质（折射率小大的物质）时。–当入射角大于临界角。光射到两种介质交界面时，将发生反射和折射。当光从光密物质照射到光疏物质时，且入射角θ１满足θc＜θ１＜90°时，会发生全反射现象。为什么需要纤芯的折射率大于包层的折射率？归纳思考光线在阶跃型光纤中的传播示意图结论：1、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“之”字形向前传播。2．阶跃型光纤的传输原理数值孔径–表示光纤的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，即光纤的集光能力就越强。0max1sincoscNAnnθ接收锥2212NAnnNA=12nΔ光纤的数值孔径与光纤的几何尺寸无关，只与纤芯和包层两者的折射率差有关。n14n13n12n11n11n12n13n14结论：•渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化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3．渐变型光纤的传输原理6.2.3单模传输条件单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单一模式的光纤。单模光纤需要满足什么条件？1．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多少而引入的一个特征参数。其方程为：其中，α——是光纤的纤芯半径；λ——是光纤的工作波长；n1和n2——分别是光纤的纤芯和包层折射率；k0——真空中的波数；Δ——光纤的相对折射率差。单模传输条件：0＜V＜2.40522120122aVnnkan2．截止波长当V取2.405时，叫归一化截止频率Vc。当V=Vc时对应的波长λc称为截止波长，它给出了保证单模传输的光波长范围，λ＞λc。通过计算可算得单模光纤的截止波长大约在1.1μm左右，要实现单模传输，光的波长要大于截止波长，所以光纤的三个工作窗口中0.85μm这个波长不能用于单模光纤。405.2221ΔnaVcc405.2221anc6.2.4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输所表现出来的特性，主要包括损耗特性和色散特性。1．光纤的损耗特性定义–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(单位：dB/km)Pi和Po分别为入射光功率和出射光功率（mW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。oiPPLlg10光纤的传输损耗影响光信号的中继距离。光纤损耗可以分为吸收损耗、散射损耗和其他损耗。为什么光纤的工作窗口选择0.85μm、1.31μm、1.55μm？归纳思考光纤损耗的大小与波长有密切的关系，损耗与波长的关系曲线叫做光纤的损耗谱。石英光纤的损耗谱2.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，又称为模间色散，只存在于多模光纤中。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。色散主要包括模式色散、色度色散和偏振模色散三种。对于多模光纤，主要是模式色散。对于单模光纤，不存在模式色散，主要是材料色散。损耗和色散对于光脉冲传输中的影响有什么不同？归纳思考6.2.5光缆“光缆是为了满足光学、机械或环境的性能规范而制造的，它是利用置于包覆护套中的一根或多根光纤作为传输媒质并可以单独或成组使用的通信线缆组件”。1.光缆的结构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。（1）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。（2）加强构件–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。（3）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。2．光缆的种类（1）根据传输性能、距离和用途光缆可分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆。（2）按光纤的种类可分为多模光缆和单模光缆。（3）按光纤套塑方法可分为紧套光缆、松套光缆、束管式光缆和带状多芯单元光缆。（4）按光纤芯数可分为单芯光缆、双芯光缆、四芯光缆、六芯光缆、八芯光缆、十二芯光缆、二十四芯光缆等。（5）按加强件配置方法可分为中心加强构件光缆、分散加强构件光缆、护层加强构件光缆。（6）按敷设方式可分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆。（7）按护层材料性质可分为聚乙烯护层普通光缆、聚氯乙烯护层阻燃光缆和尼龙防蚁防鼠光缆。（8）按传输导体、介质状况可分为无金属光缆、普通光缆和综合光缆。（9）按结构方式可分为扁平结构光缆、层绞结构光缆、骨架式结构光缆、铠装结构光缆和高密度用户光缆等。（10）目前通信用光缆可分为–室(野)外光缆——用于室外直埋、管道、槽道、隧道、架空及水下敷设的光缆。–软光缆——具有优良的曲挠性能的可移动的光缆。–室(局)内光缆——用于室(局)内布放的光缆。–设备内光缆——用于设备内布放的光缆。–海底光缆——用于跨海洋敷设的光缆。–特种光缆——除上述几类之外，作特殊用途的光缆。光缆的基本结构包括缆芯、加强构件、填充物和护层等。不同敷设方式的光缆结构上应有什么不同？为什么会有不同种类的光缆？归纳思考6.3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端机光端机中继器光缆光源光端机光缆