第九章光纤传输系统

1、 光纤传输系统具有的优点：1.传输频带宽、通信容量大2.传输损耗低、传输距离长3.体积小、重量轻、便于铺设4.抗干扰性好、保密性强、使用安全5.材料资源丰富6.节约有色金属，且成本逐年降低 光通信的主要缺点：纤芯细且质脆、抗拉强度极其有限、机械性比金属差、各种操作要高度精确等。第九章 光纤传输系统第九章 光纤传输系统2.光缆器材 光纤（Optical Fiber）是光导纤维的简称。光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。第九章 光纤传输系统光缆结构图光缆结构图第九章 光纤传输系统第九章 光纤传输系统第九章 光纤传输系统o纤芯位于光纤中心，直径2a为575m, 作用是传输光波。o包层

2、位于纤芯外层，直径2b为100150m,作用是将光波限制在纤芯中。o纤芯和包层即组成裸光纤，两者采用高纯度二氧化硅（SiO2）制成，但为了使光波在纤芯中传送，应对材料进行不同掺杂，使包层材料折射率n2比纤芯材料折射率n1小，即光纤导光的条件是n1n2。o一次涂敷层是为了保护裸纤而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮树脂层，厚度一般为 30150m。o套层又称二次涂覆或被覆层，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龙等材料。经过二次涂敷的裸光纤称为光纤芯线。 第九章 光纤传输系统2.光缆器材 光纤一般包括三个主要部分：中心高折射率玻璃纤芯（光能量主要在纤芯中传输） ，低折射率的包层（为光的传输提供反射面

3、和光隔离，并起一定的机械保护作用），另外还有保护性的树脂涂覆层（增强光纤的机械强度，在光纤受外界震动时保护光纤的物理和化学性能，同时又增加柔韧性、隔离外界水气的侵蚀），最外面常有100微米厚的缓冲层或套塑层。 用光纤工具剥去外皮和塑料层后，暴露在外面的是涂有包层的纤芯，实际上我们很难看到真正的纤芯。第九章 光纤传输系统常说的光纤的规格就是裸纤的规格：多模62.5/125微米、50/125微米、9/125微米等，其中“/”前表示纤芯外径， “/”后表示纤芯加包层的外径。 套塑后的光纤（称为纤芯）还不能在工程中使用，必须把若干根光纤疏松地置于特制的塑料绑带或铝皮内，再被涂覆塑料或用钢带铠装，加上护

4、套后才称为光缆。第九章 光纤传输系统n1n2n1 n2n1n2临界角临界角900临界角临界角n1n2全反射全反射入射角入射角=反射角反射角12第九章 光纤传输系统 光纤传输原理：根据光学全反射原理，由于光纤纤芯的折射率比包层的折射率略高，只要进入光纤的光线以一定角度向纤芯包层界面入射时，则光线将被限定在纤芯中传播，在不考虑其他因素的情况下，光将自源传输到目的地。第九章 光纤传输系统第九章 光纤传输系统第九章 光纤传输系统2.光缆器材 光纤类型 按光纤所用材料分：石英系列光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤等； 按光纤的工作波长分：短波长（800900nm）光纤、长波长（1250

5、1350nm）光纤、超长波（15001600nm）光纤，其中多模光纤运行波长为850或1300nm，单模光纤运行波长为1310或1550nm。这是因为在这些波段中，光纤传输性能表现最佳。 波长是在一个周期中一个简单信号可以传输的距离。第九章 光纤传输系统2.光缆器材 光纤类型 按折射率分布情况分：突变型（Step Index Fiber，SIF）或阶跃型、渐变型(Grated Index Fiber，GIF)或梯度型、三角型（是渐变光纤的一种特例）等。 SIF纤芯的折射率是均匀的，包层的折射率稍低一些（也是均匀的），从而使得输入的光能在纤芯至包层的交界面上不断产生全反射而前进。这种光纤的缺点：

6、模间色散高、传输频带不宽、速率不高，只适用于短途低速通信，如工控等。目前以逐渐淘汰。 GIF包层的折射率是均匀的，但纤芯的折射率是不均匀的，中心的折射率最大，沿纤芯半径方向逐渐减小。克服了SIF光纤的缺点，现在的多模光纤多为渐变型光纤。第九章 光纤传输系统第九章 光纤传输系统第九章 光纤传输系统2.光缆器材 光纤类型 按光的传输模式分：多模光纤（Multi Mode Fiber，MMF）和单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）两类。 “模式”其实就是光线的入射角。简单地说，在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤芯至包层交界面上产生全反射的传播光线，就可称之为光

7、的一个传输模式。 多模光纤的纤芯直径较大，存在多个角度射入。只允许传输一个基模的光纤就称之为单模光纤。第九章 光纤传输系统2.光缆器材 光缆是由一捆光纤组成的，简称光缆。按光缆的结构分有：束管式光缆、层绞式光缆、带状式光缆等。 一般12芯以下的采用中心束管式，中心束管式工艺简单，成本低（所以市场上12芯以下的光缆的价格基本差别不大，但比如11芯与13芯的价格差就很大。层绞式的最大优点是易于分叉，即光缆部分光纤需分别使用时，不必将整个光缆断开，只需将要分叉的光纤断开即可。层绞式光缆芯线可达144芯，而带状式光缆的芯数可以做到上千芯。 按光缆铺设方式分：室内光缆、架空光缆、直埋式光缆、管道光缆、海

8、底光缆等。第九章 光纤传输系统中心束管式光缆 层绞式光缆 带状式光缆 第九章 光纤传输系统2.光缆器材光纤的传输性能光源与光纤的耦合：通常把光源发射的光功率尽可能多地送入传输光纤，称为耦合。光纤的数值孔径（Numerical Aperture，NA）：光纤的导光特性基于光射线在纤芯与包层界面上的全反射，使光线限定在纤芯中传输，入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。通常把这个角度称为光纤的数值孔径。（从增加进入光纤的光功率的观点来看，数值孔径越大越好，但随之而来会造成光纤的多模畸变即色散的加大，这将影响光纤的带宽） NA=SIN 接收锥接收锥第九章 光纤传

9、输系统 光纤的损耗：是指光信号的能量从发送端经过光纤传输后到接收端的衰减程度。光纤损耗主要有两大类：一是吸收损耗（固有吸收和杂质等引起的）、二是散射损耗（材料微观密度不均匀和光纤结构缺陷等引起的）。还有就是在网络环境中的光纤对接造成衰减损耗等。 光纤的色散（Dispersion）：“色散就是指一束同颜色的光通过透光物质后被散开成不同颜色光的现象”。光纤色散是在光纤中传输的光信号因不同成分，光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。由于不同的光脉冲以略微不同的速度传输而引起的光脉冲展宽。色散越小，带宽就越大，所产生的脉冲展宽就越小。 光线光线缺陷缺陷第九章 光纤传输系统 光纤色散包括：模式色散、波长

10、色散（又包括材料色散和波导色散）等。三种色散的大小顺序是：模式色散材料色散波导色散。 对于多模光纤在限制带宽方面起主导作用的是模式色散。 对于单模光纤由于不存在模式色散，其总色散为材料色散和波导色散之和。第九章 光纤传输系统单模光纤色散图单模光纤色散图第九章 光纤传输系统2.光缆器材光纤的传输性能 光纤的模式带宽：定义相邻两个脉冲虽重叠但仍能区别开时的最高脉冲速率所对应的频率范围为该光纤线路的最大可用带宽。通常用光纤传输信号的频率与其传输长度的乘积来描述光纤的带宽特性，用B.L表示，单位为GHz.Km或MHz.Km。在固定的带宽特性下，其含义为：当距离L增长时，允许的B就需要相应减小。 如：某

11、一根光纤最小模式带宽为200MHz/Km，则1千米时，可以传输最大频率为200MHz的信号，而500m时，可以传输最大频率为400MHz的信号。 第九章 光纤传输系统 多模光纤在100Mb/s速率吞吐时可以支持2000m距离，而在1Gb/s时只能支持550m？ 答：其主要原因是因为多模光纤的不同模式延迟（Differential Mode Delay）而产生的现象。多模光纤在传送光脉冲时，会发散展宽。当这种发散状况严重到一定程度后，前后脉冲之间会叠加，使得接收端无法准确分辨每一个光脉冲信号。第九章 光纤传输系统光纤的衰减图光纤的衰减图0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.

12、4 1.5 1.6 nm OH-OH-OH-第一窗口第二窗口第三窗口衰减(dB/km)水峰值6 54321第九章 光纤传输系统2.光缆器材 光纤连接器（Fiber Optic Connect）是光纤通信系统中用量最多的光无源器件，是连接两根光纤或光缆使其成为光通路且可以重复装卸的活接头，它把光纤的两个端面精密对接起来。在一定程度上，光纤连接器的性能影响着光纤传输系统的可靠性和传输性能。 大多数光纤连接器由3个部分组成：两个光纤插头和一个耦合管，两个插头装进两根光纤尾端，耦合管起对准套管的作用，耦合管多配有金属或非金属法兰盘。光纤连接器有单模和多模之分。第九章 光纤传输系统第九章 光纤传输系统2

13、.光缆器材光纤连接器的分类（常用的）： FC（Ferrule Connector）型光纤连接器。其外部加强方式采用金属套，紧固方式为螺丝扣。螺纹连接方式 ST（Straight Trip 直接连接）型光纤连接器。由一对经精密模压成形的圆锥形的圆筒插头和一个内部装有塑料套筒的耦合组件组成。卡扣方式。 SC（Subscriber Connector）光纤连接器。其外壳呈矩形，所采用的插针和耦合套筒的结构尺寸与FC型完全相同，紧固方式是采用插拔销式，不需旋转。直插方式。 LC光纤连接器。采用操作方便的模块化插孔锁机理制成。其所采用的插针和套管尺寸是普通SC、FC等所用的一半。第九章 光纤传输系统SC

14、 LC M DSC VF-45 Opti-Jack第九章 光纤传输系统2.光缆器材 光纤连接器的性能 光纤连接器首先考虑光学性能：主要指插入损耗和回波损耗。 插入损耗即连接损耗，是指因连接器的导入而引起的链路有效光功率的损耗。插入损耗越小越好，一般要求应不大于0.5dB。 回波损耗是指连接器对链路光功率反射的抑制能力，其典型值应不小于25dB。 目前使用的光纤连接器一般都可以插拔1000次以上。 在光链路中，光纤连接器在连接时，轴心错位和间隙造成的损耗影响最大。第九章 光纤传输系统2.光缆器材 光纤配线架（Fiber Panel）是光纤传输系统中一个重要的配套接续设备。主要作用是在管理子系统中

15、将光缆进行连接，作为光纤的接续设备，具有光纤固定、熔接、配接、存储和光缆保护等功能。 光纤配线架可分为：机柜式（采用封闭式结构，容量大、密度高）、机架式（一般采用模块化设计，灵活组装在机架上）和壁挂式（俗称终端盒）。 室外光缆接续盒（俗称光纤包）：光缆进入接线盒端口被密封，以达到保护光纤目的。第九章 光纤传输系统第九章 光纤传输系统2.光缆器材 光纤跳线/尾纤：两头都有连接器的称为跳线，只有一头有连接器的称为尾纤。 光开关：具有一个或多个可选择的传输端口对光传输线缆或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件，可以实现主/备光路切换，光纤、光器件的测试等。有机械式和非机械式两大类。 光纤收

16、发器（Fiber 、Converter）本身并不属于综合布线系统中的产品，它是布线系统网络周边产品。有光电转换收发器、单多模转换收发器等。第九章 光纤传输系统第九章 光纤传输系统第九章 光纤传输系统 为了降低损耗和色散，通用光纤的研制先后经历了850nm短波长多模光纤和1300nm长波长多模光纤（ITU-TG.651）、1310nm普通单模光纤（ITU-TG.652） 、1550nm色散位移单模光纤（ITU-TG.653） 、1550nm非零色散位移单模光纤（ITU-TG.655） ，以及宽带光传输非零色散光纤光缆特性（ITU-TG.656）等重要发展阶段。 G.652和G.655类光纤是国内

17、常用的单模光纤； 多模光纤按ITU-T只有G.651，按IEC分为A1、A2、A3、A4类多模光纤。在常用的多模光纤中，主要有A1a类50/125微米和A1b类62.5/125微米两种类型。常见单模光纤型号：B1.1、B1.3等 ISO/IEC 11801规定光纤标准等级：OM1指传统？微米多模光纤，OM2指传统？微米多模光纤，OM3是新增的万兆光纤。第九章 光纤传输系统 ITU-T建议的光纤分类G.652光纤：常规单模光纤，也称为非色散位移光纤，其零色散波长为1.31m，在1.55m处有最小损耗，是目前应用最广的光纤。G.653光纤：色散位移光纤，在1.55m处实现最低损耗与零色散波长一致，

18、但由于在1.55m处存在四波混频等非线性效应，阻碍了其应用。G.654光纤：性能最佳单模光纤，在1.55m处具有极低损耗（大约0.18dB/km）且弯曲性能好。G.655光纤：非零色散位移单模光纤，在1.55m1.65m处色散值为0.16.0ps/（nm.km），用以平衡四波混频等非线性效应，适用于高速（10Gb/s以上）、大容量、DWDM（密集波分复用）系统。第九章 光纤传输系统 光缆的标识:标识由型式和规格两大部分组成。 光缆型式由5部分组成，型号排列依次为（分类） （加强构件） （结构特征：派生） （护套） （外护套）。均用代号表示，如下图所示 第九章 光纤传输系统通信用光缆型号中的常用

19、标注符号通信用光缆型号中的常用标注符号分类代号加强件类型结构特征光缆护套光缆外护层代号含义代号含义代号含义代号含义代号含义GY室外光缆金属T填充式光缆Y聚乙烯23绕包钢带铠装聚乙烯GR软光缆F非金属非填充式光缆V聚氯乙烯22绕包钢带铠装聚氯乙烯GJ室内光缆G金属重型Z自承式光缆U聚氨乙烯53纵包钢带铠装聚氯乙烯GS设备内光缆H非金属重型B扁平形状A铝塑综合52绕包钢带铠装聚乙烯GH海底光缆S铝塑综合33细圆钢丝铠装聚乙烯第九章 光纤传输系统 光缆的标识天津立孚举例:第九章 光纤传输系统第九章 光纤传输系统 多模光纤的纤芯直径为5062.5m，包层外直径125m，单模光纤的纤芯直径为8.39m，

20、包层外直径125m。 光纤的工作波长有短波长0.85m、长波长1.31m和1.55m。光纤损耗一般是随波长加长而减小，0.85m的损耗为2.5dB/km,1.31m的损耗为0.35dB/km，1.55m的损耗为0.20dB/km，这是光纤的最低损耗，波长1.65m以上的损耗趋向加大。 由于OH的吸收作用，0.901.30m和1.341.52m范围内都有损耗高峰，这两个范围未能充分利用。80年代起，倾向于用单模光纤，而且先用长波长1.31m。第九章 光纤传输系统 单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。 后来又发现在1.31m波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、

21、一为负，大小也正好相等。这就是说在1.31m波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，1.31m处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，1.31m波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。 1.31m常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITUT在G652建议中确定的，因此这种光纤又称G652光纤。第九章 光纤传输系统 G.651光纤:渐变多模光纤，主要用于计算机局域网或接入网。 G.652光纤：常规单模光纤，也称为非色散位移光纤，其零色散波长为1.31m，在1.55m处有最小损耗，是目前应用最广的光纤。 G.653光纤：色散位移光纤，在1.55

22、m处实现最低损耗与零色散波长一致，但由于在1.55m处存在四波混频等非线性效应，阻碍了其应用。 G.655光纤：非零色散位移单模光纤，在1.55m1.65m处色散值为0.16.0ps/（nm.km），用以平衡四波混频等非线性效应，适用于高速（10Gb/s以上）、大容量、DWDM系统。第九章 光纤传输系统信号光发射机光源中继器检测器光接收机信号电E/光O转换光纤光O/电E转换发送单元传输单元接收单元连接器件第九章 光纤传输系统SC连接连接FC连接连接第九章 光纤传输系统第九章 光纤传输系统第九章 光纤传输系统各种类型的光纤连接器基本结构大体相同，即绝大多数光纤连接器一般由两个插针和一个耦合管三个

23、部分组成 。 光纤传输系统主要由三部分组成：光源(又称光发射机)，传输介质、光接收机。计算机网络之间的光纤传输中，光源和检测器的工作一般都是用光纤收发器完成的，光纤收发器简单的来说就是实现双绞线与光纤连接的设备，其作用是将双绞线所传输的信号转换成能够通过光纤传输的信号(光信号)。当然也是双向的，同样能将光纤传输的信号转换能够在双绞线中传输的信号，实现网络间的数据传输。 第九章 光纤传输系统 光纤传输系统按传输信号可分为数字传输系统和模拟传输系统。模拟传输系统是把光强进行模拟调制，将输入信号变为传输信号的振幅(频率或相位)的连续变化。数字传输系统是把输入的信号变换成“1”，“O”脉冲信号，并以其

24、作为传输信号，在接受端再还原成原来的信号。 第九章 光纤传输系统光发射机 光发射机的核心是光源及其驱动电路，它的作用是将被传输的电信号直接去调制光源的光强使之随信号电流线性变化，并有效地把光信号送入传输光纤。 有两种半导体光源：发光二极管（Light Emitting diode,LED）和激光二极管（Laser Diode,LD）第九章 光纤传输系统LED:输出是非相干光，其频谱宽，入纤功率小，调制速率低；LD：输出是相干光，其频谱窄，入纤功率大，调制速率高，而且LD的耦合效率比LED高1015dB。多模光纤采用LED光源单模光纤一般采用LD光源第九章 光纤传输系统850nm vcsel激光

25、与LED光源频谱比较 光接收机 光接收机是以最小的附加噪声及失真恢复由光纤传输携带的电信息。光检测器把接收到的光信号直接检波转换成电流。光检测器和前置放大器合起来叫做光接收机第九章 光纤传输系统 光波波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM） 波分多路复用实质上是利用了光具有不同的波长的特征。随着光纤技术的使用，基于光信号传输的复用技术得到重视。 波分多路复用的原理：利用波分复用设备将不同信道的信号调制成不同波长的光，并复用到光纤信道上。在接收方，采用波分设备分离不同波长的光。 优点： 1.增加光纤的传输容量，降低成本； 2.在一条光纤中利用不同的波长

26、，实现双向通信、不同类型信息通信（如数字模拟等）； 第九章 光纤传输系统第九章 光纤传输系统 WDM本质上是光域上的频分复用FDM技术。 通信系统的设计不同，每个波长之间的间隔宽度也有不同。按照通道间隔的不同，WDM可以细分为CWDM（稀疏波分复用）和DWDM（密集波分复用）。CWDM的信道间隔为20nm，而DWDM的信道间隔从0.2nm 到1.2nm，所以相对于DWDM，CWDM称为稀疏波分复用技术。整个CWDM系统成本只有DWDM的30%。 低水峰光纤使整个标准单模传输窗口1260nm1625nm的衰减最小化。 全波光纤可以提供从12801625nm的完整传输波段，为DWDM系统提供的波长

27、至少超过常规光纤的60。全波光纤除去了水峰损耗。 利用全波光纤，在1400nm区域10Gbits信号的无色散补偿距离可比常规光纤在1550 nm窗口长几倍以上。 第九章 光纤传输系统光纤接入网的接入方案光纤接入网的接入方案(a)点到点的网络点到点的网络 (b)路边交换网络路边交换网络 (c)无源光网络无源光网络即即:PON Curb switchCOCOCON subscribersL kmL kmL kmPassiveopticalsplitterN subscribers第九章 光纤传输系统BroadBroadTDMATDMA方式方式第九章 光纤传输系统1490nm1310nm第九章 光纤

28、传输系统OLT（OpticalLineTerminal）光线路终端）光线路终端ONU（OpticalNetworkUnit）光网络单元）光网络单元ODN（OpticalDistributionNetwork）光分配网）光分配网第九章 光纤传输系统千兆位以太网标准千兆位以太网标准 纤芯直径（纤芯直径（mm） 带宽（带宽（MHz/kmMHz/km） 最大传输距离（最大传输距离（m m）1000BASE-SX1000BASE-SX62.5160(160(波长波长850nm)850nm)22022062.5200(200(波长波长850nm)850nm)27527550400(400(波长波长850nm)850nm)50050050 500(500(波长波长850nm)850nm)5