第4章 光纤通信技术

第4章光纤通信技术4.1光纤通信概述4.2光纤和光缆4.3光源与光检测器4.4光端机4.5数字光纤通信系统4.6同步数字系列(SDH)4.7光纤通信新技术第4章光纤通信技术4.1光纤通信概述4.1.1光纤通信基本概念光纤通信是以光为载波，以光纤为传输介质的通信方式。任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。光纤通信的载波是光波。虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。目前，光纤通信用的近红外光波长范围约0.8μm～1.8μm。频率约300THz。光纤通信用的频带宽度约为200THz，在常用的1.31μm和1.55μm两个波长窗口频带宽度也在20THz以上。由于光源和光纤特性的限制，目前，光强度调制的带宽一般只有20GHz，因此还有3个数量级以上的带宽潜力可以挖掘。光纤是由绝缘的石英(SiO2)材料制成的，通过提高材料纯度和改进制造工艺，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多，因此，相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。1.容许频带很宽，传输容量很大目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5Gb/s和10Gb/s。采用外调制技术，传输速率可以达到40Gb/s。波分复用和光时分复用更是极大地增加了传输容量。DWDM最高水平为132个信道，传输容量为20Gb/s×132=2640Gb/s。2.损耗小，中继距离长石英光纤在1.31μm和1.55μm波长，传输损耗分别为0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。因此，中继距离长。目前，采用外调制技术，波长为1.55μm的色散移位单模光纤通信系统，若其传输速率为2.5Gb/s，则中继距离可达150km；若其传输速率为10Gb/s，则中继距离可达100km。传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点，使光纤通信系统不仅适合于长途干线网而且适合于接入网的使用，这也是降低每公里话路的系统造价的主要原因。3.重量轻、体积小光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。4.抗电磁干扰性能好光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。无金属光缆非常适合于存在强电磁场干扰的高压电力线周围和油田、煤矿等易燃易爆环境中使用。光纤(复合)架空地线(OPGW)是光纤与电力输送系统的地线组合而成的通信光缆，已在电力系统的通信中发挥重要作用。5.在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全。6.节约金属材料，有利于资源合理使用制造同轴电缆和波导管的铜、铝、铅等为金属材料；而制造光纤的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不尽的材料。总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，而且在经济上具有巨大的竞争能力，因此其在信息社会中将发挥越来越重要的作用。4.1.2光纤通信系统的基本组成光纤通信系统是以光为载波，以光纤为传输介质的通信系统，可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。用户要传输的信息多种多样，一般有话音、图像、数据或多媒体信息。为叙述方便，这里仅以数字电话和模拟电视为例。图4-1示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。图4-1光纤通信系统的基本组成(单向传输)信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本光纤传输系统光纤线路接收发射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出如图4-1所示，信息源把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。电发射机把基带信号转换为适合信道传输的信号，这个转换如果需要调制，则其输出信号称为已调信号。例如，对于数字电话传输，电话机把话音转换为频率范围为0.3～3.4kHz的模拟基带信号，电发射机把这种模拟信号转换为数字信号，并把多路数字信号组合在一起。模/数转换普遍采用脉冲编码调制(PCM)方式实现。一路话音转换成传输速率为64kb/s的数字信号，然后用数字复接器把30路PCM信号组合成2.048Mb/s的一次群甚至高次群的数字系列，最后把这种已调信号输入光发射机。还可以采用频分复用(FDM)技术，用来自不同信息源的模拟基带信号(或数字基带信号)分别调制指定的不同频率的射频(RF)电波，然后把多个这种带有信息的RF信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机，由光载波进行传输。在这个过程中，受调制的RF电波称为副载波，这种采用频分复用的多路信号传输技术，称为副载波复用(SCM)。不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号。光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。电接收机的功能和电发射机的功能相反，它把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。在整个通信系统中，在光发射机之前和光接收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备与电缆通信相同，不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输。光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤通信在通信网、广播电视网、计算机局域网和广域网、综合业务光纤接入网以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。4.2.1光纤结构和类型1.光纤结构光纤（OpticalFiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。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。光纤的外形如图4-2所示。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n1n2。纤芯和包层的相对折射率差Δ=（n1-n2）/n1的典型值，一般单模光纤为0.3%～0.6%，多模光纤为1%～2%。4.2光纤和光缆图4-2光纤的外形包层n2纤芯n12.光纤类型光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英（SiO2）制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型，图4-3示出其横截面的结构和折射率分布、光线在纤芯传播的路径以及由于色散引起的输出脉冲相对于输入脉冲的畸变。这些光纤的主要特征如下。突变型多模光纤（Step-IndexFiber,SIF）如图4-3(a)，纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=50～80μm，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。渐变型多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）如图4-3(b)，在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50μm，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。单模光纤（Single-ModeFiber,SMF）如图4-3(c)，折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有8～10μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式，所以称为单模光纤。那么我们怎样理解光纤模式的概念呢？光也是电磁波，电磁波是由交变的电场和磁场组成且满足一定的数学关系。光在光纤中的传播就是电场和磁场相互交替地变换传播，电场和磁场不同的分布形式（满足特定的方程）就构成不同的模式。所谓单模光纤就是指只传输HE11一种矢量模式。多模光纤则指能同时传输多种模式（例如HE11、TM01、TE01、HE12等矢量模式）的光纤。渐变型多模光纤和单模光纤，包层外径2b都选用125μm。实际上，根据应用的需要，可以设计折射率介于SIF和GIF之间的各种准渐变型光纤。为调整工作波长或改善色散特性，可以在图4-3(c)常规单模光纤的基础上，设计许多结构复杂的特种单模光纤。有在1.3～1.6μm之间色散变化很小的色散平坦光纤（DispersionFlattenedFiber,DFF）；有把零色散波长移到1.55μm的色散移位光纤（DispersionShiftedFiber,DSF）；有偏振保持光纤等。图4-3三种基本类型的光纤(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；(c)单模光纤横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot(a)输入脉冲光线传播路径输出脉冲50m125mrnAitAot(b)～10m125mrnAitAot(c)各种光纤，其用途也不同。突变型多模光纤信号畸变大，相应的带宽只有10～20MHz·km，用于小容量、短距离系统。渐变型多模光纤的带宽可达1～2GHz·km，适用于中等容量、中等距离系统。大容量（565Mb/s～2.5Gb/s）长距离(30km以上)系统要用单模光纤。色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。外差接收方式的相干光系统要用偏振保持光纤，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。4.2.2光纤传光原理要详细描述光纤传光原理，需要求解由麦克斯韦方程组导出的波动方程。但在极限(波数k=2π/λ非常大，波长λ→0)条件下，可以用几何光学的射线方程作近似分析。几何光学的方法比较直观，容易理解，但并不十分严格。用几何光学方法分析光纤传输原理，我们关注的问题主要是光束在光纤中传播的空间分布和时间分布，并由此得到数值孔径和时间延迟的概念。1.设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致，如图4-4所示。图4-4突变型多模光纤的光线传播原理321y1lLxoc23纤芯n1包层n2zc1光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯(n0n1)，折射角为θ1，折射后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯与包层交界面以角度ψ1入射到包层(n1n2)。改变角度θ，不同θ相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。根据全反射原理，存在一个临界角θc，当θθc时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线1。根据斯奈尔(Snell)定律得到n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(4-1)当θ=θc时，相应的光线将以ψc入射到交界面，并沿交界面向前传播(折射角为90°)，如光线2，当θθc时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。由此可见，只有在半锥角为θ≤θc的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。根据这个传播条件，定义临界角θc的正弦为数值孔径(NumericalAperture,NA)。根据定义和斯奈尔定律（4-2）N0=1，由式（4-2）经简单计算得到（4-3）0211090sinsin,cossinnnnnNAccc212221nnnNA式中：Δ=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。设Δ=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21。NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或θc)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在θc内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。现在我们来观察光线在光纤中的传播时间。根据图4-4，入射角为θ的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所经历的路程为l(oy)，在θ不大的条件下，得到最大入射角(θ=θc)和最小入射角(θ=0)的光线之间时间延迟差近似为（4-4）式中：c为真空中的光速。这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。由此可见，突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后，其时间延迟不同而产生的，其大小与Δ成正比。可见，NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。cLnnncLncLncLnc121111)1(sin2.渐变型多模光纤渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点。渐变型多模光纤的子午面(r-z)示于图4-5，一般光纤相对折射率差都很小，光线和中心轴线z的夹角也很小，即sin