第九章光纤通信

第九章光纤通信第一页，共七十一页，2022年，8月28日主要内容1.概述2.光纤与光缆3.数字光纤通信系统4.光波分复用系统5.全光通信网展望第二页，共七十一页，2022年，8月28日1.概述光纤通信是指以光波为载波，用光导纤维作为传输媒介的一种通信方式。由于主要传输和处理的是数字信号，因此又称为数字光纤通信系统。光纤通信与电通信的区别主要有两点：一是传输信号的区别，二是传输媒介的区别。第三页，共七十一页，2022年，8月28日表1光纤通信与电通信的区别通信形式光纤通信电通信传输信号光信号电信号传输媒介光导纤维金属线、无线第四页，共七十一页，2022年，8月28日10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015Wavelength（m）ElectricphoneRadioTVmicrowaveinfraredVisiblelight双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电第五页，共七十一页，2022年，8月28日光是一种电磁波可见光350nm～750nm光纤通信所用的波长800～1600nm145014901530157016101650S+SC

LL+

波长(nm)第六页，共七十一页，2022年，8月28日光功率衰减的单位dB(分贝)：描述功率相对比值的单位dB=10log10(Pout/Pin)Pout：输出功率；Pin：输入功率dBm(分贝毫瓦)：描述功率绝对值的单位dBm=10log10(P/1mw)1mw=0dBm10mw=10dBm40mw=16dBm第七页，共七十一页，2022年，8月28日

字首字首符号倍数因数

太，tera T 1012

吉，giga G 109

兆，mega M 106

千，kilo k 103

分，centi c 10-2

毫，milli m 10-3

微，micro 10-6

纳，nano n 10-9

皮，pico p 10-12

飞，femto f 10-15

第八页，共七十一页，2022年，8月28日光纤通信发展史发展史光电话：1880年贝尔(通信距离213m)光源：激光器梅曼(1960)美国贝尔公司(1970)半导体激光器传光介质：光纤高锟(1966)美国康宁公司(1970)低损耗光纤工作波长0.85μm、1.31μm和1.55μm第九页，共七十一页，2022年，8月28日1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。这种光电话利用太阳光或弧光灯作光源，通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的变化而变化，实现话音对光强度的调制。在接收端，用抛物面反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上，使光信号变换为电流，传送到受话器。第十页，共七十一页，2022年，8月28日1966年：光纤损耗为1000dB/km；高锟“光纤之父”1966年：高锟博士发表他的著名论文“光频介质纤维表面波导”首次明确提出，通过改进制备工艺，减少原材料杂质，可使石英光纤的损耗大大下降，并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤，从而使光纤可用于通信之中。第十一页，共七十一页，2022年，8月28日商用的光纤通信系统1977年在美国芝加哥和圣塔摩尼卡之间首次建成商用的光纤通信系统。两根(直径0.1mm左右)光纤，同时开通8000路电话！到1990年，光纤系统发展了几代(通信业务40%)由多模光纤(70年代)过渡到单模光纤(80年代)由短波长(0.85μm)过渡到长波长(1.31μm)信息传输的容量和速率大大提高。90年代：传输速率10000Mbit/s，同时开通1250000路电话。第十二页，共七十一页，2022年，8月28日光纤通信特点和应用与电缆相比，光纤具有如下的显著特点：1.线径细，重量轻。有利于长途和市话干线布放，而且便于制造多芯光缆。2.损耗极低(1.55m窗口的衰耗低于0.18dB／km),传输的距离可以很长。3.传输的频带宽、信息容量大,现在已经发展到几十千兆比特／秒的光纤通信系统，它可传输几十万路电话和几千路彩色电视节目。4.不受电磁干扰、防腐和不会锈蚀。5.不怕高温、防爆、防火性能强。6.保密性好。第十三页，共七十一页，2022年，8月28日2.光纤与光缆

（1）光纤的结构石英玻璃、塑料光纤和卤化物玻璃纤芯(折射率大)和包层全反射第十四页，共七十一页，2022年，8月28日2.光纤与光缆

光纤：光导纤维的简称，是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的(玻璃)纤维。第十五页，共七十一页，2022年，8月28日

光纤的基本结构一般是双层或多层的同心圆柱体，如右图所示。其中心部分是纤芯，纤芯外面的部分是包层，纤芯的折射率高于包层的折射率，从而形成一种光波导效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输，实现光信号的长距离传输。第十六页，共七十一页，2022年，8月28日光纤的基本结构光纤结构和类型

光纤的几何尺寸很小，纤芯直径一般在5～50微米之间，包层的外径为125微米，包括防护层，整个光纤的外径也只有250微米左右。第十七页，共七十一页，2022年，8月28日光纤直径纤芯(Core)62.55mm125mm包层(Clad)Core8mm125mmClad85μm

多模单模人的头发第十八页，共七十一页，2022年，8月28日（2）光纤的分类按工作波长：短波长(850nm)和长波长(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)、渐变(梯度)型(GI)和W型按材料：石英光纤、塑料光纤、卤化物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)等第十九页，共七十一页，2022年，8月28日光纤材料

1.玻璃光纤：用于制作光纤的光学透明的绝大多数玻璃都是氧化物玻璃，其中最常用的是二氧化硅，这种材料在850nm波长上折射率为1.458。为了制作两种具有相似特性、而折射率只有一个很小差异的材料以便形成纤芯和包层，可以在二氧化硅中掺入氟，或者掺入各种氧化物（通常称为掺杂），例如B2O3、GeO2或P2O5等。2.

卤化物玻璃纤维：氯化物玻璃在光波频谱的中段直到红外波段（0.2~8μm）有极低的传输损耗，其最低损耗窗口在2.55μm附近。氯化物玻璃是卤化物玻璃家族中的一员，卤化物中的负离子来自于元素周期表中的第Ⅶ组元素，例如氟、氯、溴、碘。3.

塑料光纤：直接在近距离提供高速业务的需求日益增长，开发了带宽宽的用于用户接入的梯度折射率聚合物光纤（POF）。这类光纤的纤芯，既可以是有机玻璃，也可以是加氯的聚合物。尽管塑料光纤与玻璃光纤相比有更大的光信号衰减，但它们具有更好的韧性、更为耐用。第二十页，共七十一页，2022年，8月28日光纤类型-按传播“路径”分类1)在光纤技术中，如果只有一条光径沿光缆传播，则称为单模；如果多于一条，则称为多模。“模”的概念简单说就是“路径”。2)如果一种光纤的纤芯折射率是均匀的，在纤芯与包层的界面有一个折射率突变（或阶跃），此类光纤称阶跃折射率光纤;3)如果纤芯折射率作为从光纤中心向外的径向距离的函数而渐变，这类光纤称为梯度折射率光纤（或渐变型光纤）。

4)光纤的几个典型：a.单模阶跃型光纤

b.多模阶跃型光纤

c.多模渐变型光纤

第二十一页，共七十一页，2022年，8月28日第二十二页，共七十一页，2022年，8月28日ITU-T建议的光纤分类G.651光纤：计算机局域网或接入网G.652光纤：应用最广的单模光纤

G.653光纤：较少采用G.654光纤：弯曲性能好G.655光纤：适用于高速、大容量、高密集波分复用系统

第二十三页，共七十一页，2022年，8月28日（3）光缆按芯数分为单芯、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加强元件加强元件加强元件加强元件加强元件光纤第二十四页，共七十一页，2022年，8月28日（4）光传播的基本知识

光在均匀介质中沿直线传播。光从光密介质到光疏介质传播，电磁波速度提高，光线偏离法线方向折射。光在两种可透射，且具有不同折射率的介质界面发生折射的情况可用斯涅尔定律（Snell’slaw）的关系式表示：当θ2=90º，θc=θ1=sin-1n2/n1

其中n是折射率，θc就是临界角，临界角是指当光由光密介质到光疏介质传播时，使折射光与界面重合，即折射角等于90º或者更大的最小入射角。当折射角大于或等于90º，光线就不会进入光疏介质，而在界面上发生全反射，反射角等于入射角。

第二十五页，共七十一页，2022年，8月28日（4）光传播的基本知识n1n2n1>n2n1n2临界角900临界角n1n2全反射入射角=反射角θ1θ2产生全反射的条件：n1>n290º>θ>临界角第二十六页，共七十一页，2022年，8月28日光纤：全反射条件

θ2θ1当θ2=90º，θc=θ1=sin-1n2/

n1θc就是临界角第二十七页，共七十一页，2022年，8月28日光纤的传光原理(全反射)第二十八页，共七十一页，2022年，8月28日阶越型光纤性能参数相对折射指数差：数值孔径(NA)：θ接收锥第二十九页，共七十一页，2022年，8月28日（5）多模光纤62.5/125μm的光纤在保安行业中应用最普遍典型距离达5英里用于：CCTV门禁控制系统内部通讯

多模MMF

第三十页，共七十一页，2022年，8月28日（6）单模光纤无限带宽8~10μm典型距离超过5英里用于：长途电信长途电视监控及多路切换共用天线电视系统单模SMF

第三十一页，共七十一页，2022年，8月28日单模光纤和多模光纤比较项目单模光纤多模光纤距离长短数据传输率高低光源激光发光二极管信号衰减小大端接较难较易造价高低第三十二页，共七十一页，2022年，8月28日（7）光纤的主要损耗

传输损耗是光纤的另一个重要性能指标，它会造成光能的减弱，引起系统带宽、传输速率、有效性以及整个系统通信能力的下降。主要损耗有以下几种：1.

吸收损耗：OH-和金属离子

2.

瑞利散射3.

辐射损耗4.

连接器损耗第三十三页，共七十一页，2022年，8月28日光纤损耗与波长的关系

m第三十四页，共七十一页，2022年，8月28日散射由于光线的基本结构不完美，引起的光能量损失，此时光的传输不再具有很好的方向性。光线缺陷第三十五页，共七十一页，2022年，8月28日光纤的耦合损耗

第三十六页，共七十一页，2022年，8月28日光纤损耗主要存在的地点光纤本身：与长度和类型有关1310nm：0.35~0.5dB/Km1550nm：0.2~0.3dB/Km850nm：2.3~3.4dB/Km光纤连接点：0.2dB/点·2Km设备处：3dB第三十七页，共七十一页，2022年，8月28日光损耗与波长光损耗单位：dB/km与波长有关单模损耗小波长又称为窗口第三十八页，共七十一页，2022年，8月28日光纤的衰减光纤的衰减图0.70.80.91.01.11.21.31.41.51.6λnm

OH-OH-OH-第一窗口第二窗口第三窗口衰减(dB/km)水峰值654321近端远端信号传播第三十九页，共七十一页，2022年，8月28日（8）光纤色散(Dispersion)光折射率与波长有关，因此不同波长的光及不同折射率都会导致不同的光速。因此，光源同时发出的光谱，经光纤传输后不会同时到达接收端，接收到的信号会发生畸变，使光脉冲展宽，这种畸变就称为光纤色散畸变。它是限制传输速率的主要因素。光纤的色散可以分为材料色散、波导色散、模间色散、偏振色散。第四十页，共七十一页，2022年，8月28日光纤概念小结光纤材料：玻璃光纤，卤化物玻璃纤维，塑料光纤。斯涅尔定律，全反射条件。“模”的概念：单模，多模。光纤的损耗：损耗与波长的关系。

光纤色散：使光脉冲发生展宽。第四十一页，共七十一页，2022年，8月28日信息源载波源

耦合器调制器耦合器检测器处理器信宿光信号域电信号域发送机接收机信道3.数字光纤通信系统第四十二页，共七十一页，2022年，8月28日数字光纤通信系统的组成

现在普遍采用的数字光纤通信系统，是采用数字编码信号经光强度（单位面积上的光功率）调制/直接检波的数字通信系统。光强度调制是利用数字信号直接调制光源的光强度，使之与信号电流成线性变化。直接检波，是指信号在光接收机的光频上检测出数字脉冲信号。在发送设备中，有源器件把数字脉冲电信号转换为光信号（E/O变换）送到光纤中进行传输。在接收设备中，光检测器件将接收到的光信号转换为数字脉冲信号（O/E变换）。当传输距离较远时，需采用光中继设备，把信号经过中继再生处理后传输。

第四十三页，共七十一页，2022年，8月28日数字光纤系统方框图信号光发射机光源中继器检测器光接收机信号E/O转换光纤O/E转换发送单元传输单元接收单元连接器件第四十四页，共七十一页，2022年，8月28日光纤通信系统功能部件发送单元：把电信号转换成光信号传输单元：载送光信号的介质接收单元：接收光信号并转换成电信号连接器件：连接光纤到光源、光检测以及其它光纤第四十五页，共七十一页，2022年，8月28日器件有源光器件光源、光电检测器、光纤放大器和调制器。无源光器件光分路器/耦合器、波分复用器、光纤连接器、光开关、光衰减器、光隔离器和极化器。第四十六页，共七十一页，2022年，8月28日光源为什么用激光作为光源？（1）激光频率纯，相干性好；（2）色散小；（3）激光方向性好，能量能够高度集中。第四十七页，共七十一页，2022年，8月28日(1)激光器(光发送机)半导体激光器和发光二极管半导体激光器阈值特性光谱特性温度特性转换效率第四十八页，共七十一页，2022年，8月28日(2)常用连接器类型SCLCMT-RJDSCVF-45Opti-Jack第四十九页，共七十一页，2022年，8月28日常用连接器类型FCTypeSCTypeSC2TypeFDDType第五十页，共七十一页，2022年，8月28日(3)光纤熔接机第五十一页，共七十一页，2022年，8月28日(4)光电检测器(光接收机)PIN和APD响应时间暗电流第五十二页，共七十一页，2022年，8月28日（5）光中继器作用：放大衰减了的光信号光-电-光转换第五十三页，共七十一页，2022年，8月28日光纤数字通信系统组成原理方框图

第五十四页，共七十一页，2022年，8月28日光纤数字通信系统工作原理

数字电端机主要是把用户各种数字信号，包括数字程控交换机和数字接口，通过复用设备（PDH或SDH）组成一定的数字传输结构（帧结构），不同速率等级的数字信号流送至光端机。光端机把数字电端机送来的数字信号进行处理，变成光脉冲送入光纤进行传输，接收端进行相反的变换。光端机主要由光发送、光接收、信号处理及辅助电路组成。在光发送部分完成电／光变换，在光接收部分主要完成光／电变换。信号处理，主要指把数字电端机送来的数字脉冲信号再处理，以及各种码型变换，使之适应光传输及其他目的。辅助电路主要包括告警、公务、监控及区间通信等等。第五十五页，共七十一页，2022年，8月28日PDH数字光纤传输系统

第五十六页，共七十一页，2022年，8月28日SDH光同步数字传输系统

SDH网性能卓越被公认为新一代理想的宽带传输网。SDH基本群信号STM-1其速率为155.52Mbit/s。更高等级的STM-n群信号可以看成是将STM-1基本群信号字节间插同步复用的结果。STM-n中的n目前可取1、4、16、64。下表列出了ITU-T建议G.707所规范的标准速率。从中可以看出，因SDH采用同步复用，在低次群合成高次群时无需插入比特，故SDH多次群速保持乘4的整数倍关系。

等级速率（Mbit/s）STM-1155.520STM-4622.080STM-162488.320STM-649953.280第五十七页，共七十一页，2022年，8月28日SDH终端复用（TM）设备第五十八页，共七十一页，2022年，8月28日SDH分插复用（ADM）设备

SDHADM设备串接在SDH链路中，可从过路的SDH信号中，分插沿途局所需的支路信号。因为ADM插入SDH链路工作，故ADM设备具有两个线路侧，每一线路侧接有一对光纤；一个支路侧用于沿途上下PDH和/或SDH支路信号。

第五十九页，共七十一页，2022年，8月28日STM-n的帧结构

第六十页，共七十一页，2022年，8月28日SDH的帧结构

STM-n帧由270╳n列和9行字组成。与PDH帧长一样，STM-n帧长度为125μs，即1秒传递8000帧。对STM-1而言，1帧包含270×9=243Byte;270×9×8=19440bit，SDH1秒传输8000帧，故STM-1的速率为19440×8000=155.52Mbit/s。

在STM-n的帧结构中包括信息净负荷区域、段开销区域和管理单元指针区域。

（1）信息净负荷（Payload）区域：Payload区域为帧结构中存放各种信息的区域。图中，261×9×n个字节都属于净负荷区。在净负荷区除了包含各支路信息外，还包含少量用于通道性能监视、管理和控制的通道开销字节（POH，PathOverHead）。

第六十一页，共七十一页，2022年，8月28日SDH的帧结构（续）

（2）段开销（SOH，SectionOverHead）区域：SOH是为了保证信息正常灵活的传输所需的附加字节。SOH供网络运行、维护、管理使用。

（3）管理单元指针（AUPTR，Adminstrativeunitpointer）区域：所谓指针，是一组地址码，用来指示信息净负荷中第一字节在STM-n帧内的准确位置，以便正确提取与分解净负荷中的信息。调整指针就是调节净负荷和STM-n帧之间频率与相位关系。采用指针方式是SDH的重要创新，这使得它可以在准同步环境中完成同步复用。第六十二页，共七十一页，2022年，8月28日SDH系统特点

优点：①有标准光接口；②同步字节复用；③强大的网络管理功能。不足之处：①由于增加了大量的维护管理比特因此频带利用率不如PDH系统；②由于在复接中采用了指针调整技术,使技术设备复杂。③由于大量采用了软件技术进行控制、管理与维护，如果出现人为和设备、软件故障及计算机病毒侵入，会导致系统发生重大故障

甚至造成系统瘫痪。SDH系统还有很多内容：SDH再生（REG,Regenerator）设备、数字交叉连接设备（DXC）、SDH设备的组网与保护、SDH自愈环形网、SDH网络管理、SDH系统网同步与定时等。第六十三页，共七十一页，2022年，8月28日光通信技术发展延长中继距离光放大器(EDFA) 外调制器(电光晶体LiNbO3) 色散补偿(DCF、Bragg光纤光栅)提高通信容量时分复用技术(TDM) 波分复用技术(WDM)光频分复用(OFDM)：载波间隔<1nm第六十四页，共七十一页，2022年，8月28日4.光波分复用系统光波分复用（WDM：WavelengthDivisionMultiplexing）技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。在同一窗口中信道间隔较小的波分复用称为密集波分复用（DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing）。目前DWDM是在1550nm波长区段内，同时用8，16或更多个波长,其中每个波长之间的间隔为1.6nm，0.8nm或更低，对应约200GHz，100GHz或更窄的带宽。其中1525－1565nm一般称为C波段这是目前系统所用的波段。目前一般系统应用时所采用的信道波长是等间隔的，即k×0.8nm，k取正整数。

第六十五页，共七十一页，2022年，8月28日波分复用WDM

波分复用就是光的频分复用。

82.5Gb/s1310nm1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm