第4章光纖通信系統(tǒng)

1、現(xiàn)代通信技術概論現(xiàn)代通信技術概論2第第4章章 光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)4.1 光纖通信概述光纖通信概述4.2 光纖與光纜光纖與光纜4.3 光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)4.4 光纖通信新技術光纖通信新技術34.1 光纖通信概述光纖通信概述 光纖通信是以光波作為載體，以光導纖維作為光纖通信是以光波作為載體，以光導纖維作為傳輸媒介的一種通信技術。光纖通信以其寬帶、傳輸媒介的一種通信技術。光纖通信以其寬帶、大容量、低損耗、長中繼、抗電磁干擾、體積小、大容量、低損耗、長中繼、抗電磁干擾、體積小、重量輕、便于敷設等優(yōu)點，成為當代長途通信最重量輕、便于敷設等優(yōu)點，成為當代長途通信最主要手段。主要手段。 本章首先

2、對光纖通信的發(fā)展歷史做出回顧，然本章首先對光纖通信的發(fā)展歷史做出回顧，然后對光纖通信的特點進行說明，重點闡述光纖的后對光纖通信的特點進行說明，重點闡述光纖的結構、分類、光波傳輸機理以及光纖通信系統(tǒng)各結構、分類、光波傳輸機理以及光纖通信系統(tǒng)各組成部分的工作原理。最后，簡要介紹了一些光組成部分的工作原理。最后，簡要介紹了一些光纖通信新技術。纖通信新技術。44.1.1 光纖通信發(fā)展簡史光纖通信發(fā)展簡史1960年，美國加州休斯實驗室第一臺固體紅寶年，美國加州休斯實驗室第一臺固體紅寶石激光器石激光器1961年，美國貝爾實驗室氦年，美國貝爾實驗室氦-氫氣體激光器氫氣體激光器1966年，高錕提出帶有包層材料

3、的石英玻璃光年，高錕提出帶有包層材料的石英玻璃光纖纖1970年，美國康寧玻璃公司首次制成了損耗僅年，美國康寧玻璃公司首次制成了損耗僅為為20dB/km的低損耗光纖的低損耗光纖1970年，美國貝爾實驗室砷化鎵鋁半導體激光年，美國貝爾實驗室砷化鎵鋁半導體激光器器5光纖通信發(fā)展簡史（續(xù)）光纖通信發(fā)展簡史（續(xù)）1974年，美國貝爾實驗室制造出年，美國貝爾實驗室制造出1dB/km損損耗的低損耗光纖。耗的低損耗光纖。 至此制約光纖通信的兩個關鍵問題，光源和傳至此制約光纖通信的兩個關鍵問題，光源和傳輸媒介問題完全得到解決。光纖通信的普及和推輸媒介問題完全得到解決。光纖通信的普及和推廣獲得了高速發(fā)展的基本條件

4、。廣獲得了高速發(fā)展的基本條件。1977年美國芝加哥率先開通了第一條年美國芝加哥率先開通了第一條45Mb/s的商用光纖通信系統(tǒng)。的商用光纖通信系統(tǒng)。 目前，國際國內(nèi)長途通信傳輸網(wǎng)的光纖化比例目前，國際國內(nèi)長途通信傳輸網(wǎng)的光纖化比例已經(jīng)超過已經(jīng)超過90%64.1.2 光纖通信的特點光纖通信的特點 傳輸損耗小，中繼距離長：傳輸損耗小，中繼距離長：1.55m波長附波長附近約近約0.2-0.3dB/km，中繼跨度百公里。，中繼跨度百公里。 傳輸頻帶寬，通信容量大：單模光纖的潛在帶傳輸頻帶寬，通信容量大：單模光纖的潛在帶寬可達幾十太赫茲（寬可達幾十太赫茲（1012Hz） 抗電磁干擾，保密效果好抗電磁干擾，

5、保密效果好 體積小、重量輕、便于運輸和敷設體積小、重量輕、便于運輸和敷設 原材料豐富、節(jié)約有色金屬、有利于環(huán)保原材料豐富、節(jié)約有色金屬、有利于環(huán)保 不足：光纖質(zhì)地脆弱易斷，敷設時的彎曲半徑不足：光纖質(zhì)地脆弱易斷，敷設時的彎曲半徑不宜太小不宜太小74.2 光纖與光纜光纖與光纜 光纖與光纜的結構、分類以及光纖的導光原理。光纖與光纜的結構、分類以及光纖的導光原理。84.2.1 光纖的結構與分類光纖的結構與分類 光纖是多層同軸圓柱體，自內(nèi)向外為纖芯、光纖是多層同軸圓柱體，自內(nèi)向外為纖芯、包層、涂覆層，稱為裸纖。包層外面涂覆一層包層、涂覆層，稱為裸纖。包層外面涂覆一層硅酮樹脂或聚氨基甲酸乙酯（硅酮樹脂或

6、聚氨基甲酸乙酯（30150m），），然后增加保護套加以保護。然后增加保護套加以保護。 纖芯和包層是高純度石英材料，包層折射率纖芯和包層是高純度石英材料，包層折射率略低于纖芯，與纖芯一起形成光的全反射通道，略低于纖芯，與纖芯一起形成光的全反射通道，使光波的傳輸局限于纖芯內(nèi)。使光波的傳輸局限于纖芯內(nèi)。91. 光纖的結構光纖的結構102. 光纖的分類（表光纖的分類（表4.1）分類方法分類方法具體名稱具體名稱說明說明用途與特點用途與特點按照材料的成分按照材料的成分全石英系列光纖全石英系列光纖以以SiO2為主要材料為主要材料長途大容量通信。損耗小，傳輸距離長，成本高長途大容量通信。損耗小，傳輸距離長，成

7、本高多組分玻璃纖維多組分玻璃纖維多種材料組合成分多種材料組合成分短距離光信號傳輸、容易制造、價格便宜短距離光信號傳輸、容易制造、價格便宜塑料包層石英芯光纖塑料包層石英芯光纖線芯是線芯是SiO2材料，包層是硅樹脂材料，包層是硅樹脂易耦合，特性同全石英系列光纖相近但成本較低，易耦合，特性同全石英系列光纖相近但成本較低，短距離高速數(shù)據(jù)傳輸，如短距離高速數(shù)據(jù)傳輸，如IEEE1394。全塑料光纖全塑料光纖纖芯和包層均由塑料制成纖芯和包層均由塑料制成撓曲性好、易加工、易耦合、成本很低、傳輸距撓曲性好、易加工、易耦合、成本很低、傳輸距離很短。多用于家電、音響及短距圖像傳輸離很短。多用于家電、音響及短距圖像傳

8、輸按照折射率的分布按照折射率的分布階躍型光纖階躍型光纖纖芯和包層折射率均勻，但包層的折射率低于纖纖芯和包層折射率均勻，但包層的折射率低于纖芯，交界處產(chǎn)生躍變。芯，交界處產(chǎn)生躍變。帶寬較窄，適于小容量短距離通信帶寬較窄，適于小容量短距離通信漸變型光纖漸變型光纖從纖芯到包層的折射率呈拋物線規(guī)律逐漸變小從纖芯到包層的折射率呈拋物線規(guī)律逐漸變小帶寬較寬，適于中容量中距離通信帶寬較寬，適于中容量中距離通信按照傳輸模式按照傳輸模式單模光纖單模光纖僅允許與光纖軸平行的光波傳輸，即只有一個基僅允許與光纖軸平行的光波傳輸，即只有一個基膜傳輸膜傳輸寬帶、大容量、長途通信寬帶、大容量、長途通信多模光纖多模光纖光波可

9、以以多個特定的角度射入光纖的端面?zhèn)鞑ス獠梢砸远鄠€特定的角度射入光纖的端面?zhèn)鞑ザ酁闈u變型。漸變型多模光纖主要用于局域網(wǎng)多為漸變型。漸變型多模光纖主要用于局域網(wǎng)按照工作波長按照工作波長短波長光纖短波長光纖0.80.9m長波長光纖長波長光纖1.01.7m超長波長光纖超長波長光纖2.0m以上以上按照按照ITU-T建議建議G.651漸變多模光纖漸變多模光纖工作波長為工作波長為1.31m和和1.55m，主要用于計算機局域網(wǎng)或接入網(wǎng)。主要用于計算機局域網(wǎng)或接入網(wǎng)。G.652標準單模光纖標準單模光纖是目前應用最廣的光纖是目前應用最廣的光纖當工作波長在當工作波長在1.3m時，光纖色散很小，系統(tǒng)的時，光纖色散很

10、小，系統(tǒng)的傳輸距離只受光纖衰減所限制傳輸距離只受光纖衰減所限制G.653色散位移單模光纖色散位移單模光纖在在1.55m處實現(xiàn)最低損耗與零色散波長一致。處實現(xiàn)最低損耗與零色散波長一致。用于超高速率、單信道、長中繼距離通信。不利用于超高速率、單信道、長中繼距離通信。不利于多信道的于多信道的WDM傳輸，易發(fā)生四波混頻導致信傳輸，易發(fā)生四波混頻導致信道間發(fā)生串擾道間發(fā)生串擾G.654最佳性能單模光纖最佳性能單模光纖在在1.55m處具有極低損耗（大約處具有極低損耗（大約0.15dB/km）G.655非零色散位移單模光纖非零色散位移單模光纖這種光纖綜合了標準光纖和色散位移光纖最好的這種光纖綜合了標準光纖和

11、色散位移光纖最好的傳輸特性，傳輸特性，特別適合于密集波分復用傳輸，所以非零色散光特別適合于密集波分復用傳輸，所以非零色散光纖是新一代光纖通信系統(tǒng)的最佳傳輸介質(zhì)。纖是新一代光纖通信系統(tǒng)的最佳傳輸介質(zhì)。全波光纖全波光纖消除了常規(guī)光纖在消除了常規(guī)光纖在1385nm附近由于附近由于OH-造成的損造成的損耗峰，使光纖可利用的波長增加耗峰，使光纖可利用的波長增加100nm左右左右處于推廣實用階段處于推廣實用階段113. 光纖的折射率徑向分布圖光纖的折射率徑向分布圖124.2.2 光纖的導光原理光纖的導光原理 在光學理論中，當傳輸媒介的幾何尺寸遠大于在光學理論中，當傳輸媒介的幾何尺寸遠大于光波波長時，可以把

12、光表示成其傳播方向上的一光波波長時，可以把光表示成其傳播方向上的一條幾何線，稱為光射線。用光射線來分析光傳播條幾何線，稱為光射線。用光射線來分析光傳播特性的方法，稱為射線法。下面通過射線法來分特性的方法，稱為射線法。下面通過射線法來分析光在階躍型光纖中的導光原理。析光在階躍型光纖中的導光原理。131.光的反射與折射定律光的反射與折射定律 入=反21sinsinnn入折當當折折900時，折射光線會反射回到纖芯進行時，折射光線會反射回到纖芯進行傳播，這種現(xiàn)象稱為全反射。傳播，這種現(xiàn)象稱為全反射。142.光纖中的全反射傳輸光纖中的全反射傳輸調(diào)整入射角調(diào)整入射角，使得，使得折折290度而發(fā)生全反射：度

13、而發(fā)生全反射：NAsin154.2.3 光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性 光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性描述的是光纖描述的是光纖的傳輸損耗、色散的傳輸損耗、色散和非線性效應和非線性效應。161. 傳輸損耗傳輸損耗 光纖傳輸損耗表現(xiàn)為隨著傳輸距離的增加光功光纖傳輸損耗表現(xiàn)為隨著傳輸距離的增加光功率逐漸下降，主要原因是吸收和散射造成再加光率逐漸下降，主要原因是吸收和散射造成再加光纖結構不完善導致纖結構不完善導致。10( )log()dB/kmoiPLP 式中式中是光波波長，是光波波長，L是光纖長度（是光纖長度（km），），Po與與Pi分別是光纖輸出和輸入端的光功率分別是光纖輸出和輸入端的光功率.172.

14、色散色散 理想光源應是頻率單一的單色光，但現(xiàn)實光源理想光源應是頻率單一的單色光，但現(xiàn)實光源信號不純，含有不同的波長成分，在折射率為信號不純，含有不同的波長成分，在折射率為n1的光纖介質(zhì)中傳輸速度不同，從而導致光信號分的光纖介質(zhì)中傳輸速度不同，從而導致光信號分量產(chǎn)生不同延遲，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散。量產(chǎn)生不同延遲，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散。 具體表現(xiàn)為當光脈沖沿著光纖傳輸一定距離后具體表現(xiàn)為當光脈沖沿著光纖傳輸一定距離后脈沖寬度展寬，嚴重時前后脈沖相互重疊，難以脈沖寬度展寬，嚴重時前后脈沖相互重疊，難以分辨。分辨。 有三個參數(shù)色散系數(shù)、最大時延差有三個參數(shù)色散系數(shù)、最大時延差、光纖、光纖帶寬系數(shù)可

15、以分別從不同的角度來描述光纖色散帶寬系數(shù)可以分別從不同的角度來描述光纖色散的程度。的程度。18光纖色散的類型光纖色散的類型 模式色散：在多模光纖中，因同一波長分量的模式色散：在多模光纖中，因同一波長分量的各種傳導模式的相位不同、群速度不同而導致光各種傳導模式的相位不同、群速度不同而導致光脈沖展寬的現(xiàn)象，稱為模式色散（或模間色散）。脈沖展寬的現(xiàn)象，稱為模式色散（或模間色散）。 材料色散：由光纖材料自身特性造成的。材料色散：由光纖材料自身特性造成的。 波導色散：由光纖中的光波導結構引起的。波導色散：由光纖中的光波導結構引起的。 多模光纖主要考慮模式色散，單模光纖主要考多模光纖主要考慮模式色散，單模

16、光纖主要考慮材料色散和波導色散。慮材料色散和波導色散。19單模光纖中的色散系數(shù)與波長關系單模光纖中的色散系數(shù)與波長關系203.非線性效應非線性效應 非線性效應在波分復用信道間產(chǎn)生串話和功率非線性效應在波分復用信道間產(chǎn)生串話和功率降低代價，限制光纖通信的傳輸容量和最大傳輸降低代價，限制光纖通信的傳輸容量和最大傳輸距離，影響系統(tǒng)的設計參數(shù)。距離，影響系統(tǒng)的設計參數(shù)。 光纖中的非線性效應分為兩類光纖中的非線性效應分為兩類:非彈性過程和非彈性過程和彈性過程。彈性過程。214.2.4 光纜光纜分類方法分類方法 光纜種類光纜種類按用途按用途長途光纜、短途中繼光纜、室內(nèi)光纜、混合光纜長途光纜、短途中繼光纜、

17、室內(nèi)光纜、混合光纜按敷設方式按敷設方式直埋光纜、管道光纜、架空光纜、水底光纜直埋光纜、管道光纜、架空光纜、水底光纜 按傳輸模式按傳輸模式單模光纜、多模光纜（階躍型、漸變型）單模光纜、多模光纜（階躍型、漸變型）按結構按結構層絞式、骨架式、大束管式、帶式、單元式層絞式、骨架式、大束管式、帶式、單元式 按外護套結構按外護套結構 無鎧裝、鋼帶鎧裝、鋼絲鎧裝無鎧裝、鋼帶鎧裝、鋼絲鎧裝 按光纜中有無金屬按光纜中有無金屬 有金屬光纜、無金屬光纜有金屬光纜、無金屬光纜 按維護方式按維護方式 充油光纜、充氣光纜充油光纜、充氣光纜 光纜的分類光纜的分類22幾種光纜的結構幾種光纜的結構234.3光纖通信系統(tǒng)光纖通信

18、系統(tǒng) 光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，以光導纖維為傳光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，以光導纖維為傳輸媒介來傳輸消息的通信系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)主輸媒介來傳輸消息的通信系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)主要由電端機、光端機、光中繼器和光纜組成。要由電端機、光端機、光中繼器和光纜組成。241. 電發(fā)送端機電發(fā)送端機 把信源消息轉(zhuǎn)換成電數(shù)字信號。把信源消息轉(zhuǎn)換成電數(shù)字信號。252. 光發(fā)送端機光發(fā)送端機光源的調(diào)制有直接調(diào)制或外調(diào)制兩種方式：光源的調(diào)制有直接調(diào)制或外調(diào)制兩種方式：263. 光端機的調(diào)制方式光端機的調(diào)制方式 直接調(diào)制（強直接調(diào)制（強-直調(diào)制）：利用電信號調(diào)制光直調(diào)制）：利用電信號調(diào)制光波的幅度，驅(qū)動電路輸出波的幅度，驅(qū)

19、動電路輸出“0”、“1”脈沖信號脈沖信號直接控制光源的發(fā)光強度。適用于低速的半導體直接控制光源的發(fā)光強度。適用于低速的半導體發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED）。）。 外腔調(diào)制（相干光調(diào)制）：把激光送入到外腔外腔調(diào)制（相干光調(diào)制）：把激光送入到外腔調(diào)制器，然后用電數(shù)字信號控制調(diào)制器，適用于調(diào)制器，然后用電數(shù)字信號控制調(diào)制器，適用于高速激光器（高速激光器（LD）調(diào)制。外調(diào)制可選擇調(diào)制光波）調(diào)制。外調(diào)制可選擇調(diào)制光波的頻率或相位。的頻率或相位。27例子：一種直接調(diào)制的共發(fā)射極驅(qū)動電路例子：一種直接調(diào)制的共發(fā)射極驅(qū)動電路284. 光中繼器光中繼器 光光-電電-光中繼方式正在被光放大器取代，例如，光中繼方

20、式正在被光放大器取代，例如，摻鉺光纖放大器（摻鉺光纖放大器（EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier）可以放大）可以放大1.55m波長附近波長附近的光信號，適用于長途越洋光通信系統(tǒng)。的光信號，適用于長途越洋光通信系統(tǒng)。295. 光接收端機光接收端機 將光纖傳輸過來的微弱光信號，經(jīng)光檢測器轉(zhuǎn)將光纖傳輸過來的微弱光信號，經(jīng)光檢測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后再?jīng)放大電路放大到足夠的電變?yōu)殡娦盘枺缓笤俳?jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到電接收端機去。平，送到電接收端機去。電信號電信號306.電接收端機電接收端機 電接收端機接收判決器輸出的再生碼元數(shù)據(jù)流，電接收端機接收判決器輸出的再生

21、碼元數(shù)據(jù)流，并還原為信宿可接收的形式。并還原為信宿可接收的形式。314.4 光纖通信新技術光纖通信新技術 超大容量、超長距離、超高速傳輸一直光纖通信超大容量、超長距離、超高速傳輸一直光纖通信新技術的發(fā)展目標。新技術的發(fā)展目標。 拓展光纖可用拓展光纖可用“窗口窗口”的波長范圍可以提高的波長范圍可以提高光纖帶寬；光纖帶寬； 降低損耗系數(shù)降低損耗系數(shù)()可以增加光纖中繼距離；可以增加光纖中繼距離； 光波分復用或光時分復用可以增大系統(tǒng)容量；光波分復用或光時分復用可以增大系統(tǒng)容量； 相干光通信和光孤子通信也是研發(fā)熱點。相干光通信和光孤子通信也是研發(fā)熱點。 本節(jié)將對其中的一些內(nèi)容進行概要介紹。本節(jié)將對其中

22、的一些內(nèi)容進行概要介紹。324.4.1 光波分復用與光時分復用光波分復用與光時分復用 采用光波分復用（采用光波分復用（WDM）或光時分復用）或光時分復用（OTDM）技術可以在不增加線路投資的情況下，）技術可以在不增加線路投資的情況下，擴大系統(tǒng)容量。擴大系統(tǒng)容量。331. 光波分復用光波分復用光波分復用：利用不同波長的光信號作為載波來光波分復用：利用不同波長的光信號作為載波來傳輸多路光信號。傳輸多路光信號。342. 光波分復用的類型光波分復用的類型 根據(jù)光波分復用時波長間隔的大小可以將波分復根據(jù)光波分復用時波長間隔的大小可以將波分復用系統(tǒng)分為三種類型：用系統(tǒng)分為三種類型： 密集波分復用（密集波分

23、復用（DWDM）：波長間隔）：波長間隔 110nm 稀疏波分復用（稀疏波分復用（CWDM）：波長間隔）：波長間隔 10100nm 光頻分復用（光頻分復用（OFDM）：波長間隔）：波長間隔1nm （未獲實用）（未獲實用）353. 光時分復用光時分復用 類似電脈沖信號的時分復用，光時分復用是把類似電脈沖信號的時分復用，光時分復用是把低速的光脈沖信號復合在一起，形成超高速光脈低速的光脈沖信號復合在一起，形成超高速光脈沖信號的一種技術。實現(xiàn)沖信號的一種技術。實現(xiàn)OTDM的基本技術主要的基本技術主要包括超短光脈沖（包括超短光脈沖（10ps以下）發(fā)生技術、全光以下）發(fā)生技術、全光時分復用時分復用/去復用技

24、術、超高速光定時提取技術去復用技術、超高速光定時提取技術等。等。364.4.2 相干光通信相干光通信 本振光源的頻率與相位與發(fā)送光源要嚴格匹配本振光源的頻率與相位與發(fā)送光源要嚴格匹配，否則會產(chǎn)生中頻誤差，導致判斷出錯。，否則會產(chǎn)生中頻誤差，導致判斷出錯。374.4.3 光孤子通信光孤子通信 光孤子是一種能在光纖中傳輸，并且長時間保光孤子是一種能在光纖中傳輸，并且長時間保持形態(tài)、幅度和速度不變的光脈沖。因為它很窄持形態(tài)、幅度和速度不變的光脈沖。因為它很窄，所以可使鄰近光脈沖間隔很小而不至于發(fā)生重，所以可使鄰近光脈沖間隔很小而不至于發(fā)生重疊干擾，從而實現(xiàn)超長距離、超大容量光通信。疊干擾，從而實現(xiàn)超長距離、超大容量光通信。384.4.4 光交換技術光交換技術 光交換是指不經(jīng)過任何光光交換是指不經(jīng)過任何光/電轉(zhuǎn)換，把輸入端電轉(zhuǎn)換，把輸入端光信號直接交換到不同輸出端。光信號直接交換到不同輸出端。 采用光交換技術不但可以克服電子交換