光纤与光缆知识—技术培训

光纤和光缆知识技术培训2019年9月光纤与光缆知识1#概述所谓光通信就是利用光波载送信息的通信。在载波技术方面，电磁波的通信已广泛应用于广播、电视等领域，本世纪末，随着数字技术的进步，出现了移动通信等数字无线电波技术。在另一方面，光波作为一种波长很短的无线电波，同样也得到技术突破，目前已成为新一代的有线通信载波。光通信技术的进步，推动了整个信息产业的飞速发展。光纤发展概况1960年，梅曼（T.H.Maiman）发明了红宝石激光器，产生了单色相干光，实现了高速的光调制。美国林肯实验室首先研制出利用氦氖激光器通过大气传输彩色电视，利用大气传输光信号具有以下的缺点：气候严重影响通信，如雾天；大气的密度不均匀，传输不稳定；传输设备之间要求没有阻隔利用大气传输光波的思想实际上是电磁波传输的技术，光波实质上是频率极高的电磁波（3×1014Hz），其通信的容量比一般的电磁波大万倍以上，如果光通信能够实现，它将具有划时代的意义。早期，为了避免大气对光传输的干扰，研制了透镜光波导的技术，利用管子进行光传输，在一定距离上设置聚焦透镜，汇聚散射光和诱导光转折，但振动和温度又严重影响了光传输。这种思想，被后来采用直至成功研制成光导纤维。1966年，英籍华人高锟（C.K.Kao）和Hockham实验证明利用玻璃可以制作光导纤维（OpticFiber）。但当时的玻璃衰减达1000dB/km，无法用于传输，后经过美国贝尔实验室主席IanRoss、英国电信研究所（BTRL，BPO）和美国康宁玻璃公司（CORNING）的Maurer等合作，于1970年首先研制成功衰减为20dB/km的光纤，取得重大突破。之后，各发达国家纷纷开展光纤通信研究，出现了多组成份玻璃光纤、塑料光纤、液芯光纤等，其中利用介质全反射原理导光的石英光纤被广泛采用。石英光纤衰减小，性能高，强度大，见图1-1。要实现长距离的光纤通信，必须减少光纤的衰减。高锟指出降低玻璃内过度金属杂质离子是降低光纤衰减的主要因素，1974年，光纤衰减降低到2dB/km。1976年通过研究发现降低玻璃内的OH离子含量就出现地衰减的长波长双窗口：1.3μm和1.55μm。在1980年，1.55μm波长光纤衰减达到0.2dB/km，接近理论值。80年代中，又发现水分和潮气长期接触光纤会扩散到石英光纤内，从而使光纤衰减增大且强度降低。于是采用注入油膏于光纤套管中隔绝水气，制成品质完善的光缆用于工程。要实现大容量的通信，要求光纤有很宽的带宽。单模（SM：SingleMode）光纤的带宽N2N1N1＞N2图1-1光纤导光原理光纤与光缆知识2#最宽，是理想的传输介质。但是单模光纤纤芯很细，70年代工艺无法做到，因此，多模（MM：MultiMode）光纤较早应用，光在多模光纤里各模式间存在光程差，造成输出的光信号带宽不宽。1976年日本研制成渐变型（又称自聚焦型，SELFCO）光纤，光纤的带宽达到KHz/km数量级。80年代，单模光纤研制成功，带宽增大到10KHz/km，这一成就使大容量光通信成为可能，80年代中，零色散波长为1.55μm的光纤研制成功，光纤通信实现长距离超大容量传输。70年代，光纤的低衰减窗口在近红外区0.85μm的短光波，光源采用GaAlAs（镓铝砷）注入式半导体激光器（LD：LaserDiode）），但是寿命很短。直到研制成功可连续运行的GaAlAs双异质结注入式激光器（Hayashi等），同时也发展了GaAlAs发光二极管（LED：Burrus），LED寿命长，价格低，但谱线宽，速率低，功率笑，属于非相干光源。80年代，研究出了InGaAsP（铟镓砷磷）长波长激光器和LED，现已广泛应用。光检测器是光接收的主要器件，用于将光信号转变为电信号。主要有用于短波长的Si-PIN管和Si-APD雪崩光电二极管以及适用于长波长的InGaAs/InP的PIN管和APD管，还有Ge-APD管。由于工程上的需要，各式各样的光无源器件和光仪表也相应出现。如：光活动连接器，光衰减器、光纤熔接机和光时域反射测试仪等。光纤通信1976年，美国首先在亚特兰大建成距离为10公里，码率为44Mbit/s的光纤通信系统，80年代，许多国家都建成商用的通信系统。在此中，发现利用激光器和多模光纤，当光纤机械振动则接收的光信号随机起伏，出现所谓“模式噪声”，因此，用单模光纤的传输介质和激光器光源成为光纤通信的基本方式，80年代中，还发现FP型激光器不能维持单谱线相干性，使输出信号中带有“模分配噪声”，从而使光纤的容量和传输距离受到限制，之后研究出动态单纵模激光器解决了此问题，如：分布反馈（DFB）激光器和更优良的量子阱激光器。这些技术的解决，使超过100km已上无中继，容量到达Gbit/s的光通信成为现实。目前，全世界广泛应用光纤通信网络，光纤用量超过2000万km，建成了横跨太平洋、大西洋的海底光缆线路，见图1-2，国际上565Mbit/s高速光纤通信系统（可传送7680路双向电话）已广泛使用，2.4Gbit/s超高速系统也付诸商用。光纤与光缆知识3#70年代初，我国已开始光纤技术的研究。70年代末，制造出衰减为4dB/km，1.3μm波长的光纤，并能制造0.85μm的LED和LD以及Si-APD雪崩光电二极管，实验系统码率为8Mbit/s。80年代初，开始研制长波长多模光纤、长波长激光器和PIN-FET光电检测组件。82年在武汉建立了13多公里的短波长、长波长实用市内线路，码率为8Mbit/s和34Mbit/s。80年代末，研制出单模光纤和140Mbit/s系统，88年在武汉建立了单模架空线路，距离为35公里。1991年在合肥和芜湖间建成单模直埋线路，全长150km，从水下跨越长江。图1-2世界跨洋海底光缆简图图1-3我国光缆干线网络光纤与光缆知识4#现在，国内已广泛使用光纤通信，至今已敷设近60000km光缆。如北京-武汉-广州，北京-沈阳-哈尔滨国家干线光缆等，如图1-3所示。我国幅员广阔，光纤通信在不同的地理、气候环境中使用，在北方要求耐-40℃低温，在南方的架空光缆要抗台风与雷击，在西北沙漠地带，直埋光缆要防风沙的袭击，在华东经济发达地区，如在上海等建成了565Mbit/s的高速系统，在华中地区如武汉，则建成了跨长江的水下线路。我国现已有了一定规模的光纤通信产业，能生产光纤、光缆、光电器件、光端机和光仪表，国产光纤衰减能达到0.38dB/km（1.3μm），其产量包括合资生产年约100000km，如侯马光缆厂，武汉长飞，成都西门子等。我国能生产少数国家才能生产的长波长激光器、PIN-FET和nGaAs/InP-PAD组件，寿命可达200000小时，满足商用要求。国产光端机的传输码率达到140Mbit/s、565Mbit/s（PDH系统），90年代随着SDH技术的发展，又相继推出了155Mbit/s、622Mbit/s甚至2.4Gbit/s的超高速系统，如“巨大中华”（巨龙、大唐、中兴和华为）等民族企业，其生产的光端机广泛应用于国家一级干线、二级干线（省级）、本地网和市话网。随着接入网络（AN）技术的成熟，我国光纤通信技术将会更快速地发展。未来光纤接入网络到90年代，通信技术高速发展，移动通信，卫星传输和光纤通信，将通信演变为高速、大容量、数字化和综合的多媒体业务。在ITU-T的推动下，光纤通信的各种标准纷纷制定，如PDH、SDH、DWDM、AN和B-ISDN等。因此，美国首先提出建立国家信息高速公路的构想：国家信息基础建设（NII），之后各国纷纷制定计划，并推出全球的信息技术建设计划（GII）。70年代，光纤网络主要用于市内等大容量业务区，80年代向市外长途干线发展，到90年代逐步向用户方向延伸，即所谓光纤道路边（FTTC）、光纤到大楼（FTTB）直到光纤到家庭（FTTH）。目前也有采用电缆到家庭（如：CABLEMODEM和ADSL技术）的经济方式，但也可实现光纤到公寓（FTTA），见图1-4。FTTA、B、C构成未来的光纤接入网络，用户可以采用BRI（2B+D）的ISDN设备实现电话、传真、数据和计算机等通信，利用PRI（30B+D）的B-ISDN设备则可以完成除Hi-Fi和TV外的所有业务包含在内，预计到2020年，交换中心局到远端模块带宽达到2.4Gbit/s，远端模块带宽到用户间带宽达到622Mbit/s后，电视信号由MPEG-1的34Mbit/s压缩到20Mbit/s（MPEG-2），声音由64Kbit/s压缩到16Kbit/s，这样，通信、计算机、广播电视和其FTTBFTTAFTTH模块局中心局长途光缆线路移动通信基站接入网光缆电缆图1-4未来光纤接入网络光纤与光缆知识5#它光通信将构成统一的4C网络（Communication，Computer，Consumer&Component）。光纤通信原理光纤通信系统如图2-1所示，电端机（交换机）将来自信号源的信号进行模/数转换、多路复用等处理（1.44Mbit/s或2Mbit/s，34Mbit/S和140Mbit/s等）送给发光端机，变成光信号，并按SDH的格式输入光纤，收光端机通过光检测器还原成电信号，放大、整形、恢复后输入到电端机（交换机或远端模块），完成通信。光端机间的传输距离在长波长达到100公里，超过距离则用中继器将光纤衰减和畸变后的弱光信号再生成，继续向前传输。将来，掺饵光发大器可实现全光中继。光纤通信可采用模拟和数字调制，由于激光器的线性不够理想，不能像电气中载波模拟调制和多路复用，只能用于模拟电视信号的多路复用，如光付载波调制技术。未来，包括电视在内的光纤通信将都是数字式的。在光端机中，对电信号有两种光调制方法：其一是在光源如激光器上调制，产生随电信号变化的光信号，此为直接调制。其二为外调制，利用电光晶体调制器在光源外部调制，调制速率高。所有的调制速率可达10~20Gbit/s，远远低于光纤的传输带宽（20000Gbit/s）。要充分发挥光纤的超大容量的通信传输能力，必须采用光频复用的光纤通信系统，光频复用（FDM）又称光波复用（WDM），就是在光纤中同时采用许多不同波长的光进行传输，光频复用技术可在光纤中开发出100~200个光频道，每个频道可容纳10~20Gbit/s的信息容量，目前以朗讯（LUCENT）为首的通信企业已成功开发了WDM产品，预计下一个世纪，随着通信需求的越来越大，WDM通信技术将会广泛应用。光波光波与通信用的无线电磁波一样，也是一种电波，光波的波长很短，或者说频率很高，达到1013～1014Hz，一般无线电磁波可用作广播电台、电视、移动通信的信号传输，光波也可以，而且是大容量、高速度、数字化和综合业务的通信传输，所不同的是：一般无线电波通过空气传输，而通信用光波是通过光纤（OpticFiber）来实现的。是一种有线传输。如图2-2所示光波在电磁波谱中的位置，可见光的波长在0.39μm到0.76μm，包括红、Publicswitch光缆光端机光中继光缆光端机Publicswitch图2-1光纤通信系统简图光纤与光缆知识6#橙、黄、绿、蓝、靛、紫，混合而成白光。红光的波长长。比红光波长更长的光，即波长大于0.76μm，是不可见的红外光，在0.76μm~15μm的光波称为近红外波，在15μm~25μm称为中红外波，在25μm~300μm称为远红外波。比紫光波长更短的波为不可见的紫外光，紫外光的范围0.39μm~0.006μm，紫外光、可见光和红外光统称光波。利用大气传送的光源如氦氖激光器波长为0.6328μm，是可见的红外光；另一种CO2激光器波长为10.6μm，为不可见近红外光。当今通信用传输介质——石英光纤的低衰减“窗口”为0.6μm~1.6μm的波段范围，是属于可见红外光与不可见近红外光波段上。1、光波速度光波与电磁波在真空中的传输速度为c=3×105km/s。光在均匀介质中直线传播，速度与介质的折射率成反比，即：式中，n为介质光折射率，c为真空中的光速。以真空的光折射率为1，其它介质的折射率大于1，因此传