光纤通信培训教材

1、光纤通信光纤通信 目录 光纤通信概述 光纤光缆 光纤通信器件 光纤通信系统 光纤通信基本概念 光纤是光导纤维的简称，光纤通信是以 光波为载波，以光纤为传输介质的一种 通信方式。 光波波谱 X射线射线无线电波 红 外 线 可 见 光 紫 外 线 300 m 0.76 m 0.39 m 610-3 m 光波波长范围为300610-3 m，分 为：红外线、可见光、紫外线。 光纤通信的波长在1.80.8 m，属红外 波段。 光纤通信系统模型 光中继器 光端机 光端机 电端机 电端机 用户 用户 光纤通信的优点 v传输频带宽，通信容量大 理论上，一对光纤可传10亿路电话或10万路 电视。 由于光纤制造技

2、术和电子器件的限制，现一 对光纤可传数十万路电话或数千路电视。 v光纤传输损耗低，中继距离长 目前，中继距离超过300km。 v抗干扰能力强 光纤是绝缘体，不怕雷电和高压。 光纤传输的频率高于各种干扰源频率。 光纤通信的优点 v保密性好 光波只在光纤中传输，不会跑到光纤之外。 v节省大量有色金属 光纤的主要材料SiO2取之不尽，用之不竭。 按现在的开采速度，世界上的铜矿只能再开采50 年左右。 v光纤体积小，重量轻 光缆截面积为12mm，18芯同轴电缆的为65mm。 光缆重量为90g/m，18芯同轴电缆的为11/m。 光纤的结构 v通常光纤由纤芯、包层、一次涂敷层和 套层组成。 光纤的结构 v

3、未经套塑的光纤称裸光纤，其外径为 125m。 v纤芯折射率稍大于包层折射率，以保证 光纤在纤芯中传播。 v纤芯的折射率一般是l.463l.467,包层的 折射率是1.45l.46左右。 光纤的种类 v按制造光纤所用材料分： 石英系光纤 多组分玻璃光纤 塑料包层石英系光纤 全塑料光纤 氟化物光纤 v按光纤传输模式数分： 多模光纤 单模光纤 光纤的种类 v按光纤折射率分布形状分： 跳变式光纤 渐变式光纤 v按光纤的工作波长分： 短波长光纤 长波长光纤 超长波长光纤 光纤的损耗特性 v光纤的损耗特性是光纤的传输特性之一。 v损耗大小在很大程度上决定着光中继距 离的长短。 v光纤损耗大致可分为光纤具有

4、的固有损 耗以及光纤制成后由使用条件造成的附 加损耗。 损耗种类 瑞利散射损耗 吸收损耗 波导结构不完善引起的 损耗 微弯损耗 附加损耗 弯曲损耗 接续损耗 光纤损耗 固有损耗 损耗小结 损耗大小在很大程度上决定着光中继距 离的长短。 三个低损耗窗口：0.85 m、1.31 m和 1.55 m。 光纤产品在1.31 m波长区的典型损耗 为0.33dB/km，在1.55 m波长区的典型 损耗为0.21dB/km （该窗口被称为损耗 最小点）。 光纤的色散特性 v光纤的色散特性是光纤的又一传输特性。 v色散是指光纤所传输的信号波形畸变的 一种物理现象。表现为光脉冲宽度被展 宽。 v光纤色散按产生原

5、因分：模式色散、材 料色散和波导色散。 色散种类 模式色散：不同模式，其传输路径不同，到达终 点时间也不同，从而引起光脉冲展宽。 材料色散：由于光源发出的光具有一定的波谱宽 度，而石英玻璃的折射率随光波频率变化，引起 模内各信号的传输速率不同而产生的色散。 波导色散（结构色散）：由于波导效应引起模内 频率高或波长短的光信号进入包层，而包层折射 率小于纤芯折射率，导致模内各信号的传输速率 不同而产生的色散。 色散小结 色散大小直接影响通信容量的增减和通信距离 的远近。 各种色散的大小顺序：模式色散材料色散 波导色散。 模式色散仅存于多模光纤之中。单模光纤只有 材料色散和波导色散。 常规单模光纤在

6、1310nm附近的材料色散和波 导色散相互抵消，即色散为零。而在1550nm 窗口则为1520ps/kmnm。 实用光纤类型 vG.652光纤 G.652光纤，即常规单模光纤是指1310nm波 长性能最佳的单模光纤。在1310nm波长工作 时 ， 理 论 色 散 为 零 ， 其 典 型 损 耗 为 0.33dB/km，而在1550nm波长工作时，传输 损耗最小，但色散系数约为17ps/nmkm。 实用光纤类型 vG.653光纤 G.653光纤，即色散位移光纤（DSF）是指 1550nm波长性能最佳的单模光纤。其利用 1550nm的低损耗窗口，通过改变折射率分布， 将零色散点从1310nm移到1

7、550nm，使光纤 最小衰减窗口和零色散窗口均统一在1550nm 波长上。 DSF在单波长、长距离通信中具有很大的优 越性。 实用光纤类型 G.654光纤 l这种光纤是指1550nm波长损耗最小的光纤， 典型衰减系数为0.150.19dB/km。 l设计重点是如何降低1550nm波长处的衰减， 零色散点仍位于1310nm波长处。 l主要应用于需很长再生段距离的海底光纤通 信。 实用光纤类型 vG. 655光纤 G. 655光纤，即非零色散光纤（NZDF） ，有的 也称为真波光纤。 将零色散点移向短波长侧（通常15101520nm 范围）或长波长侧（1570nm附近），使 1 5 4 0 1 5

8、 6 5 n m 范 围 内 色 散 值 保 持 在 1.04.0ps/nmkm。 NZDF兼容了常规光纤和DSF的优点，同时又解 决了常规光纤的色散受限和DSF难以实现WDM 的致命弱点。 实用光纤类型 v色散补偿光纤（DCF） 色散补偿光纤在1550nm窗口有很大的负色 散。在原G.652光纤线路中加入一段色散补 偿光纤，用其长度来控制色散补偿量的大小， 以抵消原G.652光纤在1550nm处的正色散， 使整个线路在1550nm处的总色散为零 。 一般说来，25m DCF可补偿1km G.652光纤 的色散。 新一代光纤 第二代的G.655光纤大有效面积的光 纤和小色散斜率光纤 l大有效面

9、积的光纤具有较大的有效面积，可 以更有效地克服光纤非线性的影响。 l小色散斜率光纤具有更合理的色散规范值， 简化了色散补偿，更适合于L波段的应用。 l两者均适合于以10Gbs为基础的高密集波 分复用系统，代表了干线光纤的最新发展方 向。 新一代光纤 全波光纤 l目前影响可用波段的主要因素是1385nm附近的 水吸收峰，采用全新的生产工艺，几乎完全消 除由水峰引起的衰减。 l可用波长范围增加了100nm，可复用的波长数 大大增加。 l允许使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要 求较低的光源、合波器、分波器和其它元件， 使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降， 这就降低了整个系统的成本。 l未来城域

10、网的新敷光纤将会逐渐转向这种具有 更长技术寿命的新型光纤，我国正抓紧进行开 发和试验。 光纤的测量 v光纤损耗的测量 切断法：沿光纤长度分别测两点的光功率。 背向散射法：在光纤始端数值孔径以内，测 量反射回来的瑞利散射光的一种非破坏性的 光纤损耗测量法。 光纤带宽的测量 v时域法：从光纤的一端注入一串窄脉冲，从其 另一端测出脉冲的展宽值，从而得到光纤的基 带响应，即带宽。 估算法：B=0.44/(t22-t12) v频域法：在光纤输入端送入正弦光信号，在不 改变光信号幅度的条件下，只改变正弦频率， 然后在光纤输出端，由选频电平表读取经检测 器变换出来的电信号幅值，得到幅频特性曲线。 幅频特性的

11、最大值下降6dB即为光纤带宽。 光缆 v对光缆设计的基本要求： 机械性能良好 成缆时光纤传输特性要保持良好 不同环境及使用场合下，光缆性能稳定 直径要小、重量要轻 易于敷设和接续 容易生产、价格便宜、维护方便 常用光缆 v普通光缆 层绞式和单元式光缆 紧套 松套 带状式光缆 骨架式光缆 特种光缆 v海底光缆 能承受敷设张力及故障修理时从海底打捞的 张力； 能承受敷设时的侧压力和深海中的水压力； 即使有了龟裂，也能防止光缆内浸水。 v无电磁感应光缆 不仅在外护套和抗张力构件中完全不使用金 属，而且在缆内也不配中介金属线对。 特种光缆 v复合架空地线光缆 利用光纤无电磁感应性质，与电力线中的架 空

12、地线复用而组成的光缆。 v电力复合光缆 利用光纤的无电磁感应性质，和输电线等电 力光缆进行复合而成的。 光缆的型号及识别 v光缆的型号由光缆型式代号和光纤规格 代号组成。 v我国的光缆型号命名及表示法： 光缆型式代号光纤规格代号 1235 ccbba 4 光缆的型号及识别 v光缆型式代号 ：分类及代号 GY：通信用室（野）外光缆 GR：通信用软光缆 GJ：通信用室（局）内软光缆 GS：通信设备内光缆 GH：通信用海底光缆 GT：通信用特殊光缆 ：加强构件及代号 无符号：金属加强构件 F：非金属加强构件 C：金属重型加强构件 H：非金属重型加强构件 光缆型式代号 ：派生特征及代号 B：扁平形状

13、Z：自承式结构 T：填充式结构 ：护套及代号 Y：聚乙烯护套 V：聚氯乙烯护套 U：聚氨酯护套 A：铝-聚乙烯粘接护套 L：铝护套 G：钢护套 Q：铅护套 S：钢-铝-聚乙烯综合护套 光缆型式代号 ：外护层及代号 外护层型号用数字代号表示材料的含义 第一位数字标记铠装层材料第二位数字标记外护层材料 0无0无 11纤维层 2双钢带2聚氯乙烯套 3细圆钢丝3聚乙烯套 4粗圆钢丝4 光缆的型号及识别 v光纤规格代号 1：光纤数 缆内同类型光纤的实际有效数 2：光纤类型及代号 J：二氧化硅系多模渐变型光纤 T：二氧化硅系多模阶跃型光纤 Z：二氧化硅系多模准阶跃型光纤 D：二氧化硅系单模光纤 X：二氧化

14、硅系塑料包层光纤 S：塑料光纤 光纤规格代号 3：光纤主要尺寸参数 多模光纤：芯径/包层直径(m) 单模光纤：模场直径/包层直径(m) 4：光纤传输特性及代号 a:使用波长的代号，一位数表示： 1：使用波长在0.85m区域 2：使用波长在1.31m区域 3：使用波长在1.55m区域 bb:衰减系数的代号，两位数表示（dB/km） cc:模式带宽的代号，两位数表示（MHzkm） 单模光纤无此项。 光源 v光源的作用是完成电/光转换。 v光源的发光波长由材料决定。 v光纤通信对光源的基本要求 合适的发光波长 发光波长应与光纤的工作窗口一致。 足够的输出功率 应大于1mw 可靠性高、寿命长 要求光源

15、平均工作寿命为106小时 光纤通信对光源的基本要求 v输出效率高 输出光功率与所消耗的直流电功率的比值叫输出效 率。目前输出效率的标准是大于10%。 v光谱宽度窄 光谱宽度是光源的发光波长范围。 v聚光性好 聚光性好，即耦合效率高、入纤功率大。 v调制方便 调制是把话音等信息载在光波上。 v价格低廉 常用光源 v半导体发光二极管 半导体发光二极管(LED)是利用其有源区自发辐射 输出光信号的器件。 只要在其两端加上电流,便会输出荧光, LED是无阈 值的器件。 在正向偏置下,LED能发出可见光或红外光。 LED谱线较宽，引起的色散值教大，不适合高速率 传输。 LED与光纤的耦合效率较低，一般只

16、适合短距离率 传输。 常用光源 v半导体激光器 半导体激光器(LD)是利用在其有源区中受激发射的器 件。 只在工作电流超过阈值电流的情况下,才会输出激光 (相干光), LD是有阈值的器件。 LD光谱宽度窄、光纤耦合效率较高、调制频率高， 适用于长距离大容量的光纤通信系统。 LD易受温度影响，需进行自动温度控制和自动功率 控制。 光放大器 v主要功能 功率放大：置于光发射机前端，以提高入纤 的光功率。 在线中继放大：取代现有的中继器。 前置放大：置于光电检测器前，以提高接收 的灵敏度。 v常用光放大器 掺铒光纤放大器（EDFA） 半导体激光放大器（SLA） 掺铒光纤放大器（EDFA） v基本原理

17、 EDFA能对1.55m波段提供有效的功率增益。 当泵浦光输入掺铒光纤时，高能级的电子经过 各种碰撞后，发射出波长为1.531.56 m的 荧光。若在波长为1.55 m附近的某种信号光 入射时，信号光会接受强输入光（泵浦光）的 能量，沿着掺铒光纤逐步增强，而将该信号光 放大。 一般功率增益大于30dB。 半导体激光放大器（SLA） v工作原理与半导体激光器的工作原理相 同，也是利用能级间跃迁的受激现象进 行光放大。 v由电流直接激励而去掉谐振腔，可获得 30dB以上的光增益。 主要技术指标 v功率增益 指输出光功率与输入光功率的对数之比。 泵浦光功率越大，信号功率增益也越大。 v输出饱和功率

18、是一个描述输入信号功率与输出信号功率之间关系 的参量。 饱和输出功率随泵浦功率的增加而增加。 v噪声系数 主要包括信号光波和放大器自发辐射光波见的差拍 噪声，以及光放大器自发辐射的不同频率光波见的 差拍噪声，另外还有散弹噪声等。 光电检测器 v半导体光检测器是利用半导体P-N结内的 光电效应把光信号转变为电信号的器件。 v光纤通信系统对光电检测器的要求 灵敏度高 响应速度快 噪声小 稳定可靠 常用的光电检测器 PIN光电二极管 雪崩光电二极管（APD） l信号电流可借助雪崩倍增过程进行放大。 l灵敏度可提高15dB左右。 l电路复杂，造价高。 无源光器件 v光纤连接器 也称为光纤活动连接器或光

19、纤活接头。 光源与光纤以及光纤与光电检测器的连接均 采用光纤活动连接器。 常用的连接器有FC型和PC型。 插入损耗一般在0.3dB以下。 无源光器件 v波分复用器件 也称光分波、合波器。指发送端将各种不同 波长的光信号耦合进一根光纤的复用器，接 收端将光纤送来的各种波长的信号分开的去 复用器。 光复用器在解决光缆线路的扩容或复用中起 着关键性作用。 常用的波分复用器件有三种：棱镜型、衍射 光栅型和干涉滤光膜型。 无源光器件 v光衰减器 主要用于光纤通信系统的指标测量、短距离 通信系统的信号衰减以及系统试验等场合。 根据衰减光功率的工作机理来分： 耦合型光衰减器 反射型光衰减器 吸收型光衰减器

20、根据衰减量的变化情况来分： 固定式衰减器 步进可变式衰减器 连续可变衰减器 无源光器件 v光开关 是一种光路控制器件，起着控制光流和转换 光路的作用。 光开关有机械式和非机械式两种类型。 机械式：利用机械动作达到光开关目的。 非机械式：又称固体式光开关。它是利用电光效 应、磁光效应以及声光效应进行光开关的。 无源光器件 v光分路耦合器 光分路器是将某一波长的光信号按需要分成 若干路信号，而光耦合器是把几路信号合成 一路信号。 光分路耦合器可分为两分支型和多分支型两 种。前者多用于光通路测量，要求分路比可 任意选择；后者一般用于光数据总线，要求 输出信号分配均匀。 光纤通信系统基本组成 备用 系

21、统 PCM 设 备 系统 转换 设备 光 端 机 光缆 终端 架 光缆 终端 架 PCM 设 备 无 人 中 继 器 局设 中继 设备 光缆 终端 架 系 统 转 换 设备 光 端 机 光 缆 终 端 架 远 供 监控中心 中心任务中 监 控 告警信号传输设备 监控站 告 警 信 号 监 测 设备 区 间 通信 公 务 控 监 控 区 间 通信 公 务 控 监 控 公 务 区间 通信 端局 有人中继站 无人中继站 监控站 备用 系统 光纤通信系统性能评价标准 v误码特性 所谓收发码不一致就称为误码。 主要原因是传输系统的噪声和脉冲抖 动。 误码性能用误比特率BER来衡量。 BER=错误比特数/

22、总传输比特数 系统总的误码率等于各中继段误码率 之和。 光纤数字通信系统性能评价标准 vITU-T规定了严重误码秒SES，误码秒 ES的百分比指标。 SES= S64 /SA64：在可用时间内，对于64kb/s信号而 言，1秒内误码个数大于64的时间。 ES=SE/SA8% SE：在可用时间内，1秒内误码个数大于 1 或等于1的时间。 抖动特性 v长途数字通信系统的另一重要指标。 v抖动是数字脉冲信号的相位摆动，或时 间上的前后摆动，也称相位抖动。 v引起抖动的原因： 非系统性：主要来源于噪声和各再生中继器 时钟频率的随机变化。 系统性：指各再生中继器可以引起相关的定 时相位误差。 数字光纤通信系统设计 v设计步骤 明了设计任务和要求，制定相应的设计方案。 明确系统通信容量，传输距离，以及误码率，经 济限制和业务量增长等质量指标。据此，合理选 择波长、码型和光源-光纤-光检测器的组合等。 工程计算 进行中继距离、信息容量的计算。 审查是否满足设计要求和限