过程监控08光纤通信0420

1、光纤通信光纤通信的概念光纤通信的优点光纤通信系统的结构光纤的结构和特点光缆光发送机和光接收机光纤通信的传输体制SDH自愈网1光纤通信光波的波长在微米级，频率约10141015Hz，比微波频率更高。光通信比微波通信更有前途2光纤通信的优点光波的频率高，频带宽光纤的损耗低，传输距离长抗电磁干扰能力强光纤内的光能几乎不向外辐射，难以被窃听在运用频率内，光纤对每一频率成分的损耗几乎是一样的。简化了中继站和接收站的设计。光纤是电的绝缘体。没有电位差和接地的问题光纤的材料是石英，来源丰富。光纤材料抗腐蚀性好，化学性能稳定，寿命长光纤的尺寸小，重量轻3多模光纤和5类双绞线的衰减与频率关系如图所示，当传输频率

2、超过100MHz时，5类双绞线随着频率的增加衰减愈来愈大；而光纤在300MHz以内，衰减基本不变。 光纤与电缆频率与衰减关系图光纤的频率-衰耗特性 4光纤通信系统的组成5光纤的结构光纤为光导纤维的简称，由直径大约为0.1mm的细玻璃丝构成。它透明、纤细，具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的波导结构，它由折射较高的纤芯和折射率较低的包层组成。纤芯区域完成光信号的传输；包层则是将光封闭在纤芯内，并保护纤芯，增加光纤的机械强度。其中纤芯的芯径一般为50或62.5m，包层直径一般为125m。通常为了保护光纤，包层外还往往覆盖一层塑料外套加以保护。6光波的传输-1目前，通信光纤的纤芯和包层的主体材料都是

3、石英玻璃，但两区域中掺杂情况不同，因而折射率也不同。纤芯的折射率一般是1.4631.467（根据光纤的种类而异），包层的折射率是1.451.46左右。也就是说，纤芯的折射率比包层的折射率稍微大一些。这就满足了全反射的一个条件。当纤芯内的光线入射到纤芯与包层的交界面时，只要其入射角大于临界角，就会在纤芯内发生全反射，光就会全部由交界面偏向中心。当碰到对面交界面时，又全反射回来。光纤中的光就是这样在芯包交界面上，不断地来回全反射，传向远方，而不会漏射到包层中去。7光波的传输-2当光纤拐弯时，如图（b）所示，只要弯曲不十分厉害，光也不会折射到包层中去，仍然会全反射回来，只是来回反射的次数增多了。8光

4、纤的传播模式当光纤芯直径很小时，光纤只允许与光纤轴方向一致的光线通过，即只允许通过一个基模。这种只允许传输一个基模的光纤就称为单模光纤。当光纤芯直径较大时，则在光纤的受光角内，可允许光波以多个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中传播，此时，就称光纤中有多个模式。这种能传输多个模式的光纤就称为多模光纤。 9单模光纤单模光纤(Single Mode Fiber)的纤芯直径为8.3m，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。80年代起，倾向于多用单模光纤，而且先用长波长1.31m。单模光纤的中心玻璃芯很细，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程

5、通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样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、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G.652光纤。10多模光纤多模光纤(Multi Mode Fiber)的纤芯直径为5062.

6、5m，包层外直径125m。多模光纤可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。 G.651多模光纤（50/125 m ）主要应用于局域网,不适用于长距离传输,但在300至500米的范围内,G.651是成本较低的多模传输光纤。 11单模和多模光纤实物图单模光纤为黄色，多模光纤为橙色12光缆（见课本134页）13光源在光纤通信中，所用的光源有三种：半导体激光器、半导体发光二极管和非半导体激光器。在实际的光纤通信系统中，通常选用前两种。非

7、半导体激光器，如气体激光器、固体激光器等，虽然它们是最早制成的相干光源，但由于其体积太大，不适宜与体积小的光纤配合使用，只用于一些特殊场所。 14半导体激光器半导体激光器即为激光二极管，记作LD。它是前苏联科学家H.巴索夫于1960年发明的。半导体激光器的结构通常由P层、N层和形成双异质结的有源层构成。半导体激光器的发光是利用光的受激辐射原理。处于粒子数反转分布状态的大多数电子在受到外来入射光子激励时，会同步发射光子，受激辐射的光子和入射光子不仅波长相同，而且相位、方向也相同。这样由弱的入射光激励而得到了强的发射光，起到了光放大作用。但是仅仅有光放大功能还不能形成光振荡。正如电子电路中的振荡器

8、那样，只有放大功能不能产生电振荡，还必须设计正反馈电路，使电路中所损失的功率由放大的功率得以补偿。同样，在激光器中也是借用电子电路的反馈概念，把放大了的光反馈一部分回来进一步放大，产生振荡，发出激光。这种用于实现光的放大反馈的仪器称为光学谐振腔。半导体激光器的优点：尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，相干性好。15半导体发光二极管半导体发光二极管和半导体激光器类似，也是一个PN结，也是利用外电源向PN结注入电子来发光的。半导体发光二极管记作LED，是由P型半导体形成的P层和N型半导体形成的N层，以及中间的由双异质结构成的有源层组成。有源层是发光区，其厚度为0.

9、10.2m左右。半导体发光二极管的结构公差没有激光器那么严格，而且无谐振腔。所以，所发出的光不是激光，而是荧光。LED是外加正向电压工作的器件。在正向偏压作用下，N区的电子将向正方向扩散，进入有源层，P区的空穴也将向负方向扩散，进入有源层。进入有源层的电子和空穴由于异质结势垒的作用，而被封闭在有源层内，就形成了粒子数反转分布。这些在有源层内粒子数反转分布的电子，经跃迁与空穴复合时，将产生自发辐射光。半导体发光二极管的结构简单，体积小，工作电流小，使用方便，成本低，所以在光电系统中的应用极为普遍。16光检测器 光信号经过光纤传输到达接收端后，在接收端有一个接收光信号的元件。但是由于目前我们对光的

10、认识还没有达到对电的认识的程度，所以我们并不能通过对光信号的直接还原而获得原来的信号。在他们之间还存在着一个将光信号转变成电信号，然后再由电子线路进行放大的过程，最后再还原成原来的信号。这一接收转换元件称作光检测器，或者光电检测器，简称检测器，又叫光电检波器或者光电二极管。常见的光检测器包括：PIN光电二极管、雪雪崩光电二极管（APD）等。17常见的光检测器常见的光检测器包括：PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD） 、PIN-FET集成组件。（见课本141页）18光发送机（见课本143页）19光接收机（见课本141页）20光纤通信的传输体制光纤数字传输目前都采用同步分时复用（TDM）技术，

11、先后有两种传输体制：（1）准同步数字体系（PDH，Plesiochronous Digital Hierarchy ）（2）同步数字体系（SDH，Synchronous Data Hierarchy）21光纤通信传输体制的发展历程1972 年ITU-T前身CCITT提出第一批PDH建议1976和1988年又提出两批建议-形成完整的PDH体系1984年美国贝尔实验室开始同步信号光传输体系的研究1985年美国国家标准协会(ANSI)根据贝尔实验室提出的全同步网的构想,委托T1X1委员会起草光同步网标准,并命名为SONET(Synchronous Optical Network)1986年CCITT

12、开始以SONET为基础制订SDH1988年通过了第一批SDH建议1990以后,SDH已成为光纤通信基本传输方式；目前,SDH不仅是一套新的国际标准,又是一个组网原则,也是一种复用方法。22PDH的概念准同步：是指各级的比特率相对于其标准值有一个规定的容量偏差，而且定时用的时钟信号并不是由一个标准时钟发出来的（异源），通常采用正码速调整法实现准同步复用。PDH有两种基础速率：一种以1.544Mb/s为第一等级基础速率，采用的国家有北美各国和日本；另一种以2.048Mb/s为第一等级基础速率，采用的国家有西欧各国和中国。PDH适合中/低速率的点对点传输。23PDH的缺点随着数字交换的引入，由光通信

13、技术的发展带动的长距离大容量数字电路的建设，以及网络控制和宽带综合业务数字网（B-ISDN）的发展需要，暴露了现有的PDH存在的一些弱点。主要是：北美、日本、欧洲三种数字体制互不兼容，没有世界性的标准光接口规范，在光路上无法互通和调配；各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的开销比特，缺乏灵活性；低/高速率信号的插入/分出，都必须逐级进行，不能直接分插，所以复接/分接设备结构复杂，上下话路价格昂贵24SDH的诞生随着光纤通信技术和大规模集成电路的高速发展，1985年美国提出了一种以光纤通信为基础的同步光纤网（SONET）概念，作为现代化通信网的基本结构。1988年ITU-T对SONET概念进

14、行了修改，重新命名为同步数字序列，简称SDH，使之成为不仅适用于光纤通信，也适合于微波和卫星传输的体制。现在SDH已经成为国际上公认的新一代的理想传输网体制。在电信网中所运载的种类繁多的信息首先必须规范化，然后再纳入数字序列的某一级的一种速率信号之中，即成为电信网所传输的异步或同步数字序列信号的内容。SDH的最低分级是155.520Mb/s，称为基本传送模块，用STM-1表示；STM-N则表示速率为N155.520Mb/s的传送模块，其中N一般取1、4、16、64、256。25SDH的优点SDH不仅适合点对点传输，而且适合多点之间的网络传输SDH采用世界统一的标准传输速率等级，可以承载现有的P

15、DH和各种新的数字信号（100Mb/s以太网信号等），有利于不同通信系统的互连SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范。因此，光接口成为开放型接口，不同厂家的产品可以互通。SDH帧结构中，有丰富的开销比特用于网络的运行/维护和管理采用数字同步复用技术，简化了复接分接设备，低/高速率信号的转换不必逐级进行采用数字交叉连接设备DXC可以对各种端口速率进行可控的连接配置，对网络进行自动化的调度和管理26SDH自愈网-1SDH网的一个核心特点就是其自愈能力，即构建自愈网的能力。所谓自愈网就是无需人工干预，网络就能在极短的时间内从失效故障中自动恢复所携带的业务，使用户感觉不到网络已出了故障。其基本原理就

16、是使网络具备替代传输路由并重新确立通信的能力。自愈网的概念只涉及重新确立通信，而不管具体失效元件的修复或更换，后者仍需人工干预才能完成。27SDH自愈网-2最简单的自愈网形式就是传统PDH系统采用的线路保护倒换方式。其工作原理是当工作通道中断或性能劣化到一定程度后，系统倒换设备将主信号自动转换至备用光纤系统传输，从而使接受端仍能接受到正常的信号而感觉不出网络已经出现故障。这种保护方式的业务恢复时间很快，可短于50ms，它对于网络节点的光或电的元件失效故障都十分有效。但是当光缆被切断时，往往是同一缆芯内的所有光纤（包括主用和备用）一起被切断，因而上述保护方式就无能为力了。 28SDH自愈环SDH

17、传输网以环形结构为多，可以形成智能的自愈环。目前自愈环的种类很多。如果按照一对节点所用光纤最小数量来区分，可以分为二纤环和四纤环；如果根据进入环的支路信号与该支路信号返回的支路信号方向是否相同来区分，又可以将自愈环分为单向环和双向环；如果根据环网的保护机理不同，自愈环又可分为通道保护和复用段保护两种方式。 29二纤单向通道倒换环图-130二纤单向通道倒换环图-231二纤单向通道倒换环原理单向环通常由两根光纤实现，一根光纤用于传业务信号，称S光纤，另一根用于保护，称P光纤。单向通道倒换环使用“首端桥接，末端倒换”结构，如图(1)业务信号和保护信号分别由S1和P1携带。例如支路信号AC从节点A到节点C，信号同时馈入发送方向光纤S1和P1，即所谓双馈方式（11保护）。其中S1光纤按顺时针方向将信号送至节点C，P1按照逆时针将同样的信号送往节点C。接受端C按照分路通道信号的优劣决定选哪一个作为分路信号。正常情况下，以S1信号为主。当BC节点间的电缆被切断，如图（2），在C点，由于经S1光纤来的信号丢失，按通道选优原则，倒换开关将由S1光纤转向P1光纤，接收由A节点而来的AC信号，从而使AC间信号仍然维持，不会因故障而丢失。确保通信畅通。 32二纤单向复用段倒换环图-133二纤单向复用段倒换环图-234二