光纤通信基本知识

第三章光纤通信基本知识一光纤通信二光纤光缆三光器件四光纤传输系统五 SDH1SJTU一光纤通信光纤通信是以光波为载波，以光纤（光导纤维）为传输媒体，将信号从某一点传送到另一点的通信方式。具有传输距离远（传输损耗小）、通信容量大（传输频带宽）、抗干扰性能好（不受电磁干扰）、保密性好（不产生光泄漏）、重量轻、体积小等优点。2SJTU二 光纤光缆光纤是用石英玻璃、塑料或晶体等对某个波长范围透明的材料制造的能传输光的纤维。由纤芯和包层组成，纤芯的折射率比包层的高。光纤的特征和性能：1.几何和结构参数：芯径、外径、数值孔径、折射率分布等。2.光传输特性：工作波长、传输损耗和带宽、色散、偏振特性等。3.环境特性：高低温特性、抗微弯和弯曲特性、抗辐射特性、抗疲劳特性、机械筛选强度等。3SJTU光纤的分类按工作波长：短波长（850nm)长波长（1310nm、1550nm）按传输模式：多模光纤和单模光纤按折射率分布：阶跃（突变）型(SI)和梯度（渐变）型(GI)按材料：石英光纤、塑料光纤等几种新型光纤：色散位移光纤（DSF）、非零色散光纤（NZDF）、色散平坦光纤（DFF）、色散补偿光纤（DCF）等4SJTU光缆含有光纤，符合现场实际使用要求的光、机械和环境规范的缆。由光纤、加强件和外护层等组成。光缆的分类：按芯数分为单芯、双芯、多芯按结构分为层绞式、骨架式、带状等按敷设场合分为架空、直埋、管道、移动、室内、水下、海底等按用途分为通信用光缆和非通信用光缆5SJTU三 光器件（无源）光分路器/耦合器：1xN（树型）、NxN（星型）波分复用器：合波器和分波器、滤波器光纤连接器：固定、活动（FC、ST、SC等）、适配器（直通）光开关光衰减器：固定、可变光隔离器：单方向传输光的器件极化器6SJTU有源光器件光源：发光二极管（LED）激光二极管（LD）光电检测器： PIN光电管、PIN-FET组件雪崩光电二极管（APD）光纤放大器（EDFA）调制器7SJTU四 光纤传输系统第一代：0.85um多模光纤系统第二代：1.3um多模光纤系统第三代：1.3um单模光纤系统第四代：1.55um单模光纤系统三个过渡：短波长~长波长多模光纤~单模光纤AlGaAs/GaAs~InGaAsP/InP三项新技术:波分复用(WDM)相干通信光电子集成(OEIC)8SJTU光纤传输系统框图电端机驱动光源光检测判决再生光源光检测放大电端机发送光发送机光纤光缆光中继器光接收机接收光纤光缆模拟通信：信噪比和谐波失真数字通信：误码率和相位抖动9SJTU光纤通信系统的新技术延长中继距离的新技术 光放大器(EDFA) 外调制器(电光晶体LiNbO3) 色散补偿(DCF、Bragg光纤光栅)提高通信容量的新技术 时分复用技术（TDM） 波分复用技术（WDM）10SJTU光波分复用用（WDM）在一根光纤纤中同时传传输几个不不同波长的的光信号。。复用器是是将若干干不同波波长的光光信号分分开或合合并的器器件，有有熔锥型型、棱镜镜色散型型、光栅栅色散型型、干涉涉滤光型型等。光纤复用器复用器11SJTU光频分复复用（OFDM）当波分复复用的光光载波间间隔变窄窄到小于于1nm时，就就是光频频分复用用；而间间隔大于于1nm时，称称为密集集波分复复用（DWDM）12SJTU副载波调制（（SCM）SCM是一种种采用两级调调制的频分复复用系统。第第一次电调制制，由多路信信号分别对多多个副载频进进行调制（AM/FM/PM）,然然后，再将复复合信号对光光波进行强度度调制。13SJTU相干光通信系系统相干光通信系系统又称为外外差光纤通信信系统。是一一种采用单一一频率的相干干光做光载波波，利用无线线电技术中的的外差接收方方式，再配合合ASK\FSK\PSK等调制方方式的新型光光纤通信方式式。主要优点点是光接收机机灵敏度高，，选择性好；；既可扩大通通信容量，又又可增加再生生中继距离。。14SJTU光孤子（Soliton）通信在很强的光场场作用下，光光纤的各种特特征参数随光光场强弱呈非非线性变化。。它使所传的的光脉冲变窄窄，正好补偿偿了由于色散散使脉冲展宽宽的影响。光光孤子是一种种特殊形状的的超短脉冲（（几个uus），它在光光纤的传输过过程中将不产产生畸变，可可实现高速、、长距离通信信。15SJTU光放放大大器器为了了进进行行长长距距离离传传输输，，可可以以采采用用光光/电电/光光转转换换形形式式的的光光中中继继器器，，也也可可以以采采用用直直接接对对光光信信号号进进行行放放大大的的光光放放大大器器。。光放放大大器器可可分分为为半半导导体体光光放放大大器器（（SOA））和和光光纤纤放放大大器器（（FA））。。光纤纤放放大大器器又又可可分分为为非非线线性性光光纤纤放放大大器器（（喇喇曼曼光光纤纤放放大大器器））和和掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器（（EDFA））16SJTU掺铒铒光光纤纤放放大大器器（（EDFA））将稀稀土土元元素素铒铒（（Er））注注入入到到纤纤芯芯中中，，即即是是掺掺铒铒光光纤纤。。它它在在泵泵浦浦光光的的作作用用下下可可直直接接对对某某一一波波长长的的光光信信号号进进行行放放大大，，这这就就是是掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器。。EDFA的的主主要要优优点点是是：：1、、工工作作波波长长在在1530~1560nm范范围围；；2、、激激励励的的泵泵浦浦功功率率低低（（几几十十mW））;3、、增增益益高高（（40dB））,噪噪声声低低（（3~4dB））,输输出出功功率率大大（（14~20dB））;4、、连连接接损损耗耗低低（（0.1dB））;17SJTUEDFA的的结结构构光耦耦合器器光隔隔离器器光隔隔离器器光滤滤波器器泵浦浦光源源输入入光信信号号输出出光信信号号掺铒铒光光纤纤光耦耦合器器光隔隔离器器光隔隔离器器光滤滤波器器泵浦浦光源源输入入光信信号号输出出光信信号号掺铒铒光光纤纤同向向泵泵浦浦结结构构反向向泵泵浦浦结结构构双向向泵泵浦浦结结构构（（略略））18SJTUEDFA的的应应用用用作作光光接接收收机机的的前前置置放放大大器器，，可可提提高高接接收收机机灵灵敏敏度度10~20dB;用作作光光发发射射机机的的功功率率放放大大器器，，增增加加入入纤纤光光功功率率，，延延长长传传输输距距离离；；用作光中继继器，可实实现全光通通信；19SJTU五同步步数字系列列（SDH）准同步数字字系列(PDH---PlesiochronousDigitalHierarchy):只只有地区性性(北美,日本,欧欧洲)的数数字信号速速率和帧结结构标准,没有统一一的国际标标准;没有有国际标准准的光接口口规范;采采用异步复复接,复用用结构复杂杂,灵活性性差;网络络运行,管管理,维护护(OAM)困难.同步数字系系列（SDH---SynchronousDigitalHierarchy）SDH是由一一些网络单单元(NE)组成的的、在光纤纤上进行同同步信息传传输、复用用、分插和和交叉连接接的网络20SJTUSDH的特特点国际统一的的数字传输输标准STM-N采用同步复复用方式和和灵活的复复用映射结结构,具有有广泛的适适应性丰富的开销销比特,加加强了网络络的OAM能力统一的标准准光接口采用软件进进行网络配配置和控制制,便于扩扩展具有完全的的后向兼容容性和前向向兼容性21SJTUSDH的比比特率等级速速率（Mb/s）STM-1155.520STM-4622.080STM-162488.320STM-649953.28022SJTUSDH的帧帧结构STM-1的帧结构构125us9x270=2430个字节节第1行23456789RSOHAUPTRMSOH9列261列净荷（含POH）23SJTUSDH开销销字节的分分层分支分分支------分支组装分分支取出POH插入入POH提提取通通道道层MSOHMSOH插入提提取复复用层RSOHRSOHRSOH插入提提取/插插入提提取再再生层光接口光光接接口光光接口口物物理层层终端再再生器器终终端POHMSOHRSOHRSOH载波载波物理线路物理线路24SJTUSDH的复复用结构STM-NAUGAU4VC4C4xNx1x3x3TUG3x1TU3VC3AU3VC3x7C3x7TUG2TU2VC2C2x1x3TU12VC12C12x4TU11VC11C11指针调整加POH或或SOH映射定位复用25SJTUSDH的复复用过程映射:把把PDH的的各种速率率及ATM信元与SDH的容容器进行适适配的过程程定位:用用指针指示示净荷的第第一个字节节在帧内的的位置复用:按按单字节间间插方法，，将N个TU变成TUG，N个AU复复接成AUG，N个个AUG复复用进STM-N的的过程26SJTUSDH传送送网的分层层模型电路层网络络电电路层层VC-11VC-12VC-2VC-3低低阶通道层VC-3VC-4高高阶SDH传送层复用段层网网络段层再生段层网网络传传输媒质层物理层网络络27SJTUSDH的承承载业务WDMSDHATMFRPPP/HDLCLAPSSDLIPTCP/UDPApplicationL5~7L4L3L2L1L0FR:FrameRelayPPP:PointtoPointProtocolLAPS:LinkAccessProcedure-SDHSDL:SimpleDataLink28SJTUSDH的的系统组组成PTMSTRSTRSTMSTPT再生段再生段再生段复用段通道PT：通道终端，网络单元为TM（终端复用器）MST：复用段终端，网络单元为ADM（分插复用器）或DXC（数字交叉连接设备）RST：再生段终端，网络单元为再生器29SJTUSDH的的光缆数数字线路路系统同步光缆缆数字线线路系统统是指连连接两个个SDH设备(TM,DXC或ADM)的的光缆链链路.由由线路终终端,光光缆段和和再生器器(如果果配置的的话)组组成.分分为局间间链路和和局内链链路两类类.局间链路路又分为为长距离离(再生生段距离离为40km以以上)和和短距离离(再生生段距离离为15km左左右).局内链路路可用光光纤(传传输距离离不超过过2km),也也可用同同轴电缆缆(传输输距离不不超过70m).30SJTUSDH的的光接口口分类局内局局间通信信通信短短距距离长长距离离光源标称称波长(nm)13101310155013101550G.652G.654传输距离离(km)~2~15~40~80STM-1I-1S-1.1S-1.2L-1.1L-1.2L-1.3STM等等级STM-4I-4S-4.1S-4.2L-4.1L-4.2L-4.3STM-16I-16S-16.1S-16.2L-16.1L-16.2L-16.3应用光纤类型型G.652G.653G.652:1310nm性性能最佳佳的色散散未移位位单模光光纤G.653:1550nm性性能最佳佳的色散散移位单单模光纤纤G.654:1550nm损损耗最小小的单模模光纤G.655:1550nm非非零色散散光纤31SJTUSDH的的光接口口位置发送SR接收CtxCrx光缆设施施TX:发发送机Ctx,Crx:活动动连接器器S,R:参考点点RX:接接收机32SJTU发送机在在S点的的特性光源类型型：LED、MLM、、SLM光谱特性性：最大大均方根根宽度、、最大-20dB宽度度、最小小边模抑抑制比平均发送送功率：：当发送送机发送送伪随机机序列信信号时在在S点所所测得的的平均光光功率消光比：：在最坏坏反射条条件时，，全调制制条件下下传号与与空号的的平均光光功率的的比值眼图模板板：限制制发送光光脉冲形形状的方方法33SJTUS-R点点之间光光通道的的特性衰减范围围最大色散散值：1dB功功率代价价所对应应的光通通道色散散值反射：由由光通道道折射率率不连续续引起的的，包括括光纤本本身的折折射率不不均匀所所造成的的散射和和光纤接接头产生生的反射射34SJTU光通道的的损耗允许的光光通道损损耗Psr为:Psr=Pt-Pr-Pp实际的S-R点点允许损损耗为:Psr=(Af+As/Lf+Mc)L+2Ac实际可达达的再生生段距离离L为:L=(Pt-Pr-2Ac-Pp)/(Af+As/Lf+Mc)Pt:发发送光功功率Pr:接收收机灵敏敏