【通信导论】第七章 光纤通信

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 光纤通信,一.电缆与光缆,二.数字光纤通信系统,一. 电缆与光缆,1. 对称电缆,市内电话通信电缆,-,传输300-3400,Hz,话音：,分室内、室外。,软铜线：线径0.4、0.5、0.6、0.8,mm；,对绞、聚乙稀等绝缘；,护套：聚氯乙稀（,PVC),；,高频对称电缆,-,主要用于载波电话。,2. 同轴电缆,高频传输同轴电缆,：,外导体用软铜管或铜丝编织，屏蔽好、轻、频带宽、易弯曲。,长途通信电缆-,传输频率高、频带宽：60,KHz70MHz,中同轴2.6/9.5,mm;,小1.2/4.4,mm;,微0.7/2.9,mm。,3.电缆护层：,防潮、机械保护；充气或充油。,4.,电缆敷设：,直埋、管道、隧道、架空、水底。,光纤：光纤中光的传播,1.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。,2.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（,Snells law）,的关系式表示：,当,2=90,，c=1=sin,-1,（,n2,/,n1,）,其中,n,是,折射率，,c,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90,。,3.当入射角大于,临界角,折射角就大于或等于90,，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。,光纤：,全反射条件,2,1,当,2=90,，c=1=sin,-1,(n2/,n1),c,就是临界角,光纤：,光纤结构,光纤波导最常用的结构是单一固体电介质圆柱。这个介质圆柱就是通常所说的,纤芯,，纤芯周围是折射率为,n2,的电介质,包层（包层直径一般为,125,m,）,而且,n2,n1,。,当光进入,纤芯,的,入射角大于,临界角,光线就不会进入光疏介质,包层,，而在界面上发生全反射。采用包层结构是基于以下几种考虑，首先包层可以减少散射损耗，而散射损耗则是由纤芯表面电介质的不连续性造成的；其次包层可以增加光纤的机械强度，还可以防止纤芯受污染,。,光纤的损耗,传输损耗是光纤的一个重要性能指标，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,2.,瑞利散射,3.,辐射损耗,4.,连接器损耗,光纤的三个低损耗,“,窗口,”,一个短波长窗口：,0.8,m,0.9,m,：,损耗,3dB/km,；,二个长波长窗口：,1.31,m,：,损耗0.,35dB/km,；,1.55,m,：,损耗0.,15dB/km .,如果采用非石英光纤，并工作在超长波长（2,m,以上），理论,损耗可降至10,-3,10,-5,dB/km,。,这样传输距离可达几千甚至几万,km,而不需要中继。,光纤的,耦合损耗,光纤色散,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，光谱宽度、材料不纯、,光纤本身的缺陷,等使由光源,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，这种畸变就是称为,光纤,色散畸变。,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。,它们的影响是,使光脉冲发生展宽,。,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,的几个类型,：,a.,单模阶跃型光纤,b.,多模阶跃型光纤,c.,多模渐变型光纤,单模的条件,归一化频率,V,是概括光纤结构及工作波长,0,的一个综合性参数：,V,k,0,n,1,a(2),1/2,k,0,=2/,0,；a,为纤芯的半径；,光纤的相对折射率差, ,（,n,1,- n,2,）/,n,1,；,n,1,为纤芯的折射率；,n,2,为包层的折射率；,阶跃型光纤满足：,0,V, 2.40483,时，,就处于单模工作状态。,单模阶跃型光纤,（1）优点：质量高,a）,在这三种类型光纤中，单模阶越型光纤色散最小。由于光线几乎沿同一路径传播，具有相同的轴向速度，因此系统消除了模间色散干扰。,b）,接收端还原光信号的高精确度，使单模阶跃型比其它光纤具有更宽的可用带宽和更高的传输速率。,（2）缺点：价格贵,a）,由于,纤芯极细(4-10,m),；,使光进出光纤的耦合十分困难，耦合效率低、光源的入射孔径也最小。,b）,同样由于纤芯极细，在使用单模阶跃型光纤时，对光源的要求比较高。,c）,制造相对困难，造价高。,（3）适合,使用于高速率长距离,光通信,系统。,多模阶跃型光纤,（1）优点,:,价格低,a）,造价低，制造相对容易。,b）,有较大的纤芯(50,m,),，光耦合容易,。,（2）缺点,:,质量低,a),由于光纤中接受端到达光有不同的 传播路径，存在模间色散，对系统性能影响比较严重。,b),可用带宽和传输速率均低于其它的光纤。,（3）适合于小容量短距离光通信系统,多模渐变型光纤,多模渐变型光纤性能介于单模和多模阶跃型光纤之间。带宽比多模阶跃型光纤大1到2个数量级。,它比单模阶跃型光纤更易于光的耦合，但比多模阶跃型光纤困难；,受多条传播路径的影响，其色散比单模阶跃型光纤大，但小于多模阶跃型光纤；,比单模阶跃型光纤容易制造，但又难于多模阶跃型光纤。,适合于中容量中距离光通信系统,光纤类型-按材料分类,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850,nm,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,B,2,O,3,、GeO,2,或,P,2,O,5,等。,2.,卤化物玻璃光纤,：氯化物玻璃在光波频谱的中段直到红外波段（0.28,m）,有极低的传输损耗，其最低损耗窗口在2.55,m,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。,光缆基本结构,光缆主要由缆芯、加强元件和护套组成。,l）,缆芯,： 缆芯是由光纤芯组成的， 有单芯和多芯两种。,缆芯是光缆结构中的主体，其作用主要是妥善地安置光纤的位置，使光纤在各种外力影响下仍能保持优良的传输性能。多芯光缆还要对光纤进行着色以便于识别。另外，为防止气体和水分子浸入，光纤中应具有各种防潮层并填充油膏。,2）强度元件,：由于光纤的材料比较脆，容易断裂，为了使光缆便于承受敷设安装时所加的外力等，在光缆内中心或四周要加一根或多根加强元件、加强元件的材料可用钢丝或非金属的纤维,增强塑料（,FRP,）,等。,3）护层,：光缆的护层主要是对已形成的光纤芯线起保护作用 。要求护层具有耐压力、防潮、湿度特性好、重量轻、耐化学侵蚀、阻燃等特点。,光缆的护层又分内护层和外护层，内护层一般采用聚乙烯或聚氯乙烯等，外护层可根据敷设条件而定，要采用由钻带和聚乙烯组成的,LAP,外护套加钢丝销装等。,光缆的种类,（1）层绞式光缆,。它是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞合在一起的一种结构。特点是成本低，芯线数不超过 10。,（2）骨架式光缆,。这种结构是将单根或多根光纤放入骨架的螺旋槽内，骨架中心是强度元件，骨架上的沟槽可以是,V,型、,U,型或凹型。由于光纤在骨架沟槽内具有较大空间，因此当光纤受到张力时，可在槽内作一定的位移从而减少了光纤芯线的应力应变和微变，这种光纤具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。,（3）带状式光缆,。它是将412根光纤芯线排列成行构成带状光纤单元，再将多个带单元按一定方式排列成缆。这种光缆的结构紧凑，采用此种结构可做成千芯的高密度用户光缆。,（4）束管式光缆,。它的特点是中心无加强元件，缆心为一充油管，一次涂覆的光纤敷在油中。加强件置于管外，既能做加强用，又能作为机械保护层。由于构成缆心的束管是一个空腔，因此又称为空腔式光缆。,(,a),层绞式；（,b,）,骨架式；（,c,）,带状式；（,d,）,束管式,光纤光缆特点和应用,与电缆相比，,光缆,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 (1.55,m,窗口的衰耗低于 0 .18,dBkm),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、防腐蚀和不会锈蚀,寿命20年以上,。,5.不怕高温、 防爆、防火性能强。,6.保密性好 。,光纤光缆,概念,小结,斯涅尔定律,：,全反射条件为,“,入射角大于临界角,”;,光纤的损耗与,光纤色散的,概念,;,“,三个窗口,”,：,0.85,m,；1.31,m,；,1.55,m,;,“,模,”,的概念,：,“,单模,”光纤,与,“,多模,”光纤;,光纤的结构: 纤芯,包层,;,光缆的结构:,缆芯、加强元件和护套;,光纤材料：,玻璃光纤（含,卤化物玻璃纤维），,塑料光纤。,光纤光缆特点和应用。,二. 数字光纤通信系统,基本概念,1.光纤通信技术发展历史,2.数字光纤通信系统,3.光波分复用系统,4.全光通信网展望,1. 光纤通信技术发展历史,早在,1880,年贝尔（,Bell,）,就用可见光做过光线电话机实验，证实光波可以携带信息,。,在光器件方面,，,1960,年使用的是,固体红宝石激光器,，1961开发出氦-氖气体激光器，,1970年,美国贝尔实验室研制成功可以在室温下工作的半导体激光器。,在光传输介质方面,，研究了以下三种光传输手段：（1）光在大气中传播。 （2）光通过一系列透镜在管道中传输。,（3）利用玻璃纤维传输光波,。,20世纪60年代中期以前，由于光导纤维每公里衰耗达1000,dB,以上，使之不能作为光通信的传输媒质。,1966,年,华裔科学家高锟（,C.K.Kao）,博士,等人经严格论证，提出从玻璃材料中去除杂质可以制成衰耗为20,dB/km,的光导纤维，这在当时是不可想象的。,至今，利用高度精练提纯的石英材料，人们先后开发出使用在,0.85,m,、,1.3m,和,1.55,m,三个波长段的光纤。,历史发展（续）,1970,年研制出半导体激光器，1976年,美国在亚特兰大成功进行了码率为44.7,Mb/s,的光纤通信系统性能试验，中继距离,20km,，揭开了光纤通信实用化高速发展的序幕。,80,年代以后,逐渐改用,1.3m,波长单模光纤，容量达到,2.5Gbits/s,。,90,年代以后，又转向更长,波长,1.55,m,，并开始使用,WDM,等新技术。,我国,1974,年开始研究,，,1976,年,研制出多模光纤，,1979,年,建成,5.7km,实验系统，,1983,年,建成连接武汉,3,镇的,8Mbits/s,系统, 1985年又扩容成,34Mbits/s,开始实用。,1991,年起,，不再建长途电缆通信系统，而大力发展光纤通信。,“,八五,”,期间，建成,22,条光缆干线、总长度,33000km,的,“,八纵八横,”,光纤通信干线传输网。,1999,年建成,8,2.5Gbits/s DWDM,系统,。,最近报道：我国已经,领先研制出80,40,Gb/s,DWDM,工程化与试验系统,。可以实现4000万人（对）同时通话，或传输几万路超高清晰度数字电视。,2.数字光纤通信系统的组成,第一代光纤通信传输系统基本上都是150,Mb/s,以下的中小容量的数字或模拟传输系统，大都采用0.85,m,波长或1.3,m,波长的渐变型多模光纤。,第二代光纤通信传输系统采用了长波长1.55,m,单模光纤全数字传输系统，光纤通信的传输速率和传输容量都进一步得到了提高。,数字,光通信系统组成示意图,数,据,源,光,发,射,机,光,接,收,机,光学信道,光纤数字通信系统组成原理方框图,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,光端机：调制、解调与光电变换,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）。,现在数字光纤通信系统，普遍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。,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。包括放大、整形与再定时三个环节（当然，要经过光/电与电/光变换）。,光信号传输原理方框图,调制,（E/O,变换）,解调（,O/E,变换）,（放大、整形,与再定时）,数字脉冲,数字脉冲,光源,光纤通信系统的光源不是普通的光源，而是用,激光光源,。激光就是在原子、分子体系内，通过受激辐射，使得光放大而产生一种新型的光，它是由专门的,激光器,产生的,。,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。,一般光是向四面八方散射的，而激光是沿单一方向发光，可以形成很好的平行光束，传输一公里左右的距离，光束只扩散十来厘米，若把激光光束照到38万公里远的月球上，其光点的直径也只不过是两公里左右。这对光纤通信来说，便于把光波耦合到直径很小的光纤内芯中去，传输距离可以远些，在长距离通信中，则中继距离可以加大。,光源：半导体激光器,激光器有三种：,固体激光器、气体激光器、,半导体激光器,。,半导体激光器即激光二极管（,LD）,要求它,：,1）,适用的发光波长：,“,三个窗口,”,；,2）足够的输出功率：,一般1毫瓦（1,mW）；,3）,可靠性：,要求平均寿命10,6,h(,约100年）；,（目前在通信领域中采用镓铝砷（,GaAlAs）,和铟镓砷磷（,InGaAsP）,材料为主的半导体激光器，激光器寿命已达数十万小时，甚至百万小时。）,4）,光谱宽度窄，聚光性好；,5）调制方便，便宜。,光接收机主要指标,1）光电二极管：光接收器件。,2）接收机灵敏度：,为保证达到所要求的误比特率，接收机所需要的最小输入光功率。,例如,要求误比特率,10,-9,，,如,这时接收机所需要的最小输入光功率为1,nW,用分贝表示,10,log10,-9,W=,90dBW，,一般采用,dBm,，10,log10,-6,mW =,6,0dBm 。,3）接收机动态范围：一般为16-,20,dB。,（,由于接收机前置放大器动态范围有限）,光纤数字通信系统组成原理方框图,数字电端机,与复用设备,数字,电端机,主要是把各种,用户设备信号,（,包括话音、图象、数据）,转换成,数字信号，通过,复用设备（,PDH,或,SDH）,组成一定的数字传输结构（帧结构），以不同速率等级的数字信号流送至光端机。,PDH,数字光纤传输系统,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155.52,Mbit/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,目前取1、4、16、64、,256,。下表列出了,ITU-T,建议,G.707,所规范的标准速率。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-1,155.520,STM-4,622.080,STM-16,2488.320,STM-64,9953.280,SDH,终端复用（,TM）,设备,SDH,分插复用（,ADM,）,设备,SDH ADM,设备串接在,SDH,链路中，可从过路的,SDH,信号中，分插沿途局、所所需的支路信号。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。,STM-n,的帧结构,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125,s，,即1秒传递8000帧。对,STM-1,而言，1帧包含270,9=,2430,Byte;270,9,8=19440bit，SDH 1,秒传输8000帧，故,STM-1,的速率为19440,8000=155.52,Mbit/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，Path OverHead）。,SDH,的帧结构,（2）,段开销（,SOH， Section OverHead）,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。,SOH,又可进一步分为再生段开销（,RSOH， Regenerative Section OverHead）,和复用段开销（,MSOH, Multiplying Section OverHead）,STM-1,的速率为155.52,Mbit/s，,其中4.608,Mbit/s,用于段开销。,（3）,管理单元指针（,AUPTR， Adminstrative unit pointer）,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,。,SDH,系统特点,优点,：有标准光接口；同步字节复用；,强大的网络管理功能。,不足之处,： 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、如果按收容2.048,Mb/s,的,STM-1（155.520Mb/s）SDH,只有63个2,Mb/s,（,而四次群,PDH 140 Mb/s,有64个2,Mb/s,）。,由于在复接中采用了指针调整技术,使技术设备复杂。,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,系统还有好多内容：,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。,3.光波分复用（,WDM）,系统,在数字光纤通信中除了大家熟知的时分复用（,TDM）,技术外，还出现了其他的复用技术，例如光时分复用（,OTDM）、,光频分复用（,OFDM）,及微波副载波复用（,SCM）、,光波分复用（,WDM）,等技术。这些复用技术的出现，使通信网的传输效率得到了很大的提高。,光波分复用（,WDM,：,Wavelength Division Multiplexing,）,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：Dense Wavelength Division Multiplexing）。,目前,DWDM,是在1550,nm,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1.6,nm，0.8nm,或更低，对应约200,GHz，100GHz,或更窄的带宽。其中15251565,nm,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。,WDM,技术的主要特点,1,使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍，从而增加光纤的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和经济价值。,2,同时传输多种不同类型的信号,，,由于,WDM,技术中使用的各波长相互独立,，实现多媒体信号（如音频、视频、数据、文字、图像等）混合传输。,3可实现,单根光纤双向传输,，由于许多通信（如：电话）都采用全双工方式，因此采用,WDM,技术可节省大量的线路投资。,4,降低器件的超高速要求。,现在,DWDM,系统已达到,402.5Gb/s,-,1002.5,Gb/s,水平。,最近报道：我国已经领先研制出80,40,Gb/s,DWDM,工程化与试验,系统。可以实现4000万人（对）同时通话，或传输几万路超高清晰度数字电视。,4.全光通信网展望,光纤通信的速率不断提高带来了一个新的问题：在这种超高速的传输网络中，如果网络节点仍以电信号处理信息进行交换或调配线路，就会受到所谓“电子瓶颈”的限制，出现带宽限制、时钟偏移、串话、高功耗等缺陷，而超高速传输所带来的经济效益可能会被光/电、电/光转换费用所抵消。为了解决在超高速光通信传输中所带来的带宽、容量和费用等问题，人们提出了全光网（,AON,）,传输与交换整个过程均在光域内进行，即端到端为全光路，中间没有光,/,电转换器。,全光网的结构示意图,