光纖通信培訓(xùn)教材課件

1、光纖通信目錄光纖通信概述光纖光纜光纖通信器件光纖通信系統(tǒng)光纖通信基本概念光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱，光纖通信是以光波為載波，以光纖為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。光波波譜X射線射線無線電波紅外線可見光紫外線300 m0.76 m0.39 m610-3 m光波波長范圍為300610-3 m，分為：紅外線、可見光、紫外線。光纖通信的波長在1.80.8 m，屬紅外波段。光纖通信系統(tǒng)模型光纖通信的優(yōu)點傳輸頻帶寬，通信容量大理論上，一對光纖可傳10億路電話或10萬路電視。由于光纖制造技術(shù)和電子器件的限制，現(xiàn)一對光纖可傳數(shù)十萬路電話或數(shù)千路電視。光纖傳輸損耗低，中繼距離長目前，中繼距離超過300km?？垢蓴_能力強光纖

2、是絕緣體，不怕雷電和高壓。光纖傳輸?shù)念l率高于各種干擾源頻率。光纖通信的優(yōu)點保密性好光波只在光纖中傳輸，不會跑到光纖之外。節(jié)省大量有色金屬光纖的主要材料SiO2取之不盡，用之不竭。按現(xiàn)在的開采速度，世界上的銅礦只能再開采50年左右。光纖體積小，重量輕光纜截面積為12mm，18芯同軸電纜的為65mm。光纜重量為90g/m，18芯同軸電纜的為11/m。光纖的結(jié)構(gòu)通常光纖由纖芯、包層、一次涂敷層和套層組成。光纖的結(jié)構(gòu)未經(jīng)套塑的光纖稱裸光纖，其外徑為125m。纖芯折射率稍大于包層折射率，以保證光纖在纖芯中傳播。纖芯的折射率一般是l.463l.467,包層的 折射率是1.45l.46左右。光纖的種類按制造

3、光纖所用材料分：石英系光纖多組分玻璃光纖塑料包層石英系光纖全塑料光纖氟化物光纖按光纖傳輸模式數(shù)分：多模光纖單模光纖光纖的種類按光纖折射率分布形狀分：跳變式光纖漸變式光纖按光纖的工作波長分：短波長光纖長波長光纖超長波長光纖光纖的損耗特性光纖的損耗特性是光纖的傳輸特性之一。損耗大小在很大程度上決定著光中繼距離的長短。光纖損耗大致可分為光纖具有的固有損耗以及光纖制成后由使用條件造成的附加損耗。損耗種類 瑞利散射損耗 吸收損耗 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不完善引起的 損耗 微彎損耗 附加損耗 彎曲損耗 接續(xù)損耗光纖損耗固有損耗損耗小結(jié)損耗大小在很大程度上決定著光中繼距離的長短。三個低損耗窗口：0.85 m、1.31 m

4、和1.55 m。光纖產(chǎn)品在1.31 m波長區(qū)的典型損耗為0.33dB/km，在1.55 m波長區(qū)的典型損耗為0.21dB/km （該窗口被稱為損耗最小點）。光纖的色散特性光纖的色散特性是光纖的又一傳輸特性。色散是指光纖所傳輸?shù)男盘柌ㄐ位兊囊环N物理現(xiàn)象。表現(xiàn)為光脈沖寬度被展寬。光纖色散按產(chǎn)生原因分：模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散。色散種類模式色散：不同模式，其傳輸路徑不同，到達(dá)終點時間也不同，從而引起光脈沖展寬。材料色散：由于光源發(fā)出的光具有一定的波譜寬度，而石英玻璃的折射率隨光波頻率變化，引起模內(nèi)各信號的傳輸速率不同而產(chǎn)生的色散。波導(dǎo)色散（結(jié)構(gòu)色散）：由于波導(dǎo)效應(yīng)引起模內(nèi)頻率高或波長短的光信號

5、進(jìn)入包層，而包層折射率小于纖芯折射率，導(dǎo)致模內(nèi)各信號的傳輸速率不同而產(chǎn)生的色散。色散小結(jié)色散大小直接影響通信容量的增減和通信距離的遠(yuǎn)近。各種色散的大小順序：模式色散材料色散波導(dǎo)色散。模式色散僅存于多模光纖之中。單模光纖只有材料色散和波導(dǎo)色散。常規(guī)單模光纖在1310nm附近的材料色散和波導(dǎo)色散相互抵消，即色散為零。而在1550nm窗口則為1520ps/kmnm。實用光纖類型G.652光纖G.652光纖，即常規(guī)單模光纖是指1310nm波長性能最佳的單模光纖。在1310nm波長工作時，理論色散為零，其典型損耗為0.33dB/km，而在1550nm波長工作時，傳輸損耗最小，但色散系數(shù)約為17ps/nm

6、km。實用光纖類型G.653光纖G.653光纖，即色散位移光纖（DSF）是指1550nm波長性能最佳的單模光纖。其利用1550nm的低損耗窗口，通過改變折射率分布，將零色散點從1310nm移到1550nm，使光纖最小衰減窗口和零色散窗口均統(tǒng)一在1550nm波長上。DSF在單波長、長距離通信中具有很大的優(yōu)越性。實用光纖類型G.654光纖這種光纖是指1550nm波長損耗最小的光纖，典型衰減系數(shù)為0.150.19dB/km。設(shè)計重點是如何降低1550nm波長處的衰減，零色散點仍位于1310nm波長處。主要應(yīng)用于需很長再生段距離的海底光纖通信。實用光纖類型G. 655光纖G. 655光纖，即非零色散光

7、纖（NZDF） ，有的也稱為真波光纖。將零色散點移向短波長側(cè)（通常15101520nm范圍）或長波長側(cè)（1570nm附近），使15401565nm范圍內(nèi)色散值保持在1.04.0ps/nmkm。NZDF兼容了常規(guī)光纖和DSF的優(yōu)點，同時又解決了常規(guī)光纖的色散受限和DSF難以實現(xiàn)WDM的致命弱點。實用光纖類型色散補償光纖（DCF）色散補償光纖在1550nm窗口有很大的負(fù)色散。在原G.652光纖線路中加入一段色散補償光纖，用其長度來控制色散補償量的大小，以抵消原G.652光纖在1550nm處的正色散，使整個線路在1550nm處的總色散為零 。一般說來，25m DCF可補償1km G.652光纖的色散

8、。新一代光纖第二代的G.655光纖大有效面積的光纖和小色散斜率光纖大有效面積的光纖具有較大的有效面積，可以更有效地克服光纖非線性的影響。小色散斜率光纖具有更合理的色散規(guī)范值，簡化了色散補償，更適合于L波段的應(yīng)用。兩者均適合于以10Gbs為基礎(chǔ)的高密集波分復(fù)用系統(tǒng)，代表了干線光纖的最新發(fā)展方向。新一代光纖全波光纖目前影響可用波段的主要因素是1385nm附近的水吸收峰，采用全新的生產(chǎn)工藝，幾乎完全消除由水峰引起的衰減?？捎貌ㄩL范圍增加了100nm，可復(fù)用的波長數(shù)大大增加。 允許使用波長間隔較寬、波長精度和穩(wěn)定度要求較低的光源、合波器、分波器和其它元件，使元器件特別是無源器件的成本大幅度下降，這就降

9、低了整個系統(tǒng)的成本。 未來城域網(wǎng)的新敷光纖將會逐漸轉(zhuǎn)向這種具有更長技術(shù)壽命的新型光纖，我國正抓緊進(jìn)行開發(fā)和試驗。光纖的測量光纖損耗的測量切斷法：沿光纖長度分別測兩點的光功率。背向散射法：在光纖始端數(shù)值孔徑以內(nèi)，測量反射回來的瑞利散射光的一種非破壞性的光纖損耗測量法。光纖帶寬的測量時域法：從光纖的一端注入一串窄脈沖，從其 另一端測出脈沖的展寬值，從而得到光纖的基帶響應(yīng)，即帶寬。估算法：B=0.44/(t22-t12)頻域法：在光纖輸入端送入正弦光信號，在不改變光信號幅度的條件下，只改變正弦頻率，然后在光纖輸出端，由選頻電平表讀取經(jīng)檢測器變換出來的電信號幅值，得到幅頻特性曲線。幅頻特性的最大值下降

10、6dB即為光纖帶寬。光纜對光纜設(shè)計的基本要求：機械性能良好成纜時光纖傳輸特性要保持良好不同環(huán)境及使用場合下，光纜性能穩(wěn)定直徑要小、重量要輕易于敷設(shè)和接續(xù)容易生產(chǎn)、價格便宜、維護(hù)方便常用光纜普通光纜層絞式和單元式光纜緊套松套帶狀式光纜骨架式光纜特種光纜海底光纜能承受敷設(shè)張力及故障修理時從海底打撈的張力；能承受敷設(shè)時的側(cè)壓力和深海中的水壓力；即使有了龜裂，也能防止光纜內(nèi)浸水。無電磁感應(yīng)光纜不僅在外護(hù)套和抗張力構(gòu)件中完全不使用金屬，而且在纜內(nèi)也不配中介金屬線對。特種光纜復(fù)合架空地線光纜利用光纖無電磁感應(yīng)性質(zhì)，與電力線中的架空地線復(fù)用而組成的光纜。電力復(fù)合光纜利用光纖的無電磁感應(yīng)性質(zhì)，和輸電線等電力光

11、纜進(jìn)行復(fù)合而成的。光纜的型號及識別光纜的型號由光纜型式代號和光纖規(guī)格代號組成。我國的光纜型號命名及表示法：光纜型式代號光纖規(guī)格代號1235ccbba4光纜的型號及識別光纜型式代號：分類及代號GY：通信用室（野）外光纜GR：通信用軟光纜GJ：通信用室（局）內(nèi)軟光纜GS：通信設(shè)備內(nèi)光纜GH：通信用海底光纜GT：通信用特殊光纜：加強構(gòu)件及代號無符號：金屬加強構(gòu)件F：非金屬加強構(gòu)件C：金屬重型加強構(gòu)件H：非金屬重型加強構(gòu)件光纜型式代號：派生特征及代號B：扁平形狀Z：自承式結(jié)構(gòu)T：填充式結(jié)構(gòu)：護(hù)套及代號Y：聚乙烯護(hù)套V：聚氯乙烯護(hù)套U：聚氨酯護(hù)套A：鋁-聚乙烯粘接護(hù)套L：鋁護(hù)套G：鋼護(hù)套Q：鉛護(hù)套S：鋼

12、-鋁-聚乙烯綜合護(hù)套光纜型式代號：外護(hù)層及代號外護(hù)層型號用數(shù)字代號表示材料的含義第一位數(shù)字標(biāo)記鎧裝層材料第二位數(shù)字標(biāo)記外護(hù)層材料0無0無11纖維層2雙鋼帶2聚氯乙烯套3細(xì)圓鋼絲3聚乙烯套4粗圓鋼絲4光纜的型號及識別光纖規(guī)格代號1：光纖數(shù)纜內(nèi)同類型光纖的實際有效數(shù)2：光纖類型及代號J：二氧化硅系多模漸變型光纖T：二氧化硅系多模階躍型光纖Z：二氧化硅系多模準(zhǔn)階躍型光纖D：二氧化硅系單模光纖X：二氧化硅系塑料包層光纖S：塑料光纖光纖規(guī)格代號3：光纖主要尺寸參數(shù)多模光纖：芯徑/包層直徑(m)單模光纖：模場直徑/包層直徑(m)4：光纖傳輸特性及代號a:使用波長的代號，一位數(shù)表示：1：使用波長在0.85m

13、區(qū)域2：使用波長在1.31m區(qū)域3：使用波長在1.55m區(qū)域bb:衰減系數(shù)的代號，兩位數(shù)表示（dB/km）cc:模式帶寬的代號，兩位數(shù)表示（MHzkm）單模光纖無此項。光源光源的作用是完成電/光轉(zhuǎn)換。光源的發(fā)光波長由材料決定。光纖通信對光源的基本要求合適的發(fā)光波長發(fā)光波長應(yīng)與光纖的工作窗口一致。足夠的輸出功率應(yīng)大于1mw可靠性高、壽命長要求光源平均工作壽命為106小時光纖通信對光源的基本要求輸出效率高輸出光功率與所消耗的直流電功率的比值叫輸出效率。目前輸出效率的標(biāo)準(zhǔn)是大于10%。光譜寬度窄光譜寬度是光源的發(fā)光波長范圍。聚光性好聚光性好，即耦合效率高、入纖功率大。調(diào)制方便調(diào)制是把話音等信息載在光

14、波上。價格低廉常用光源半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)是利用其有源區(qū)自發(fā)輻射輸出光信號的器件。只要在其兩端加上電流,便會輸出熒光, LED是無閾值的器件。在正向偏置下,LED能發(fā)出可見光或紅外光。LED譜線較寬，引起的色散值教大，不適合高速率傳輸。LED與光纖的耦合效率較低，一般只適合短距離率傳輸。常用光源半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器(LD)是利用在其有源區(qū)中受激發(fā)射的器件。只在工作電流超過閾值電流的情況下,才會輸出激光(相干光), LD是有閾值的器件。LD光譜寬度窄、光纖耦合效率較高、調(diào)制頻率高，適用于長距離大容量的光纖通信系統(tǒng)。LD易受溫度影響，需進(jìn)行自動溫度控制和自動功率控制。光放

15、大器主要功能功率放大：置于光發(fā)射機前端，以提高入纖的光功率。在線中繼放大：取代現(xiàn)有的中繼器。前置放大：置于光電檢測器前，以提高接收的靈敏度。常用光放大器摻鉺光纖放大器（EDFA）半導(dǎo)體激光放大器（SLA）摻鉺光纖放大器（EDFA）基本原理EDFA能對1.55m波段提供有效的功率增益。當(dāng)泵浦光輸入摻鉺光纖時，高能級的電子經(jīng)過各種碰撞后，發(fā)射出波長為1.531.56 m的熒光。若在波長為1.55 m附近的某種信號光入射時，信號光會接受強輸入光（泵浦光）的能量，沿著摻鉺光纖逐步增強，而將該信號光放大。一般功率增益大于30dB。半導(dǎo)體激光放大器（SLA）工作原理與半導(dǎo)體激光器的工作原理相同，也是利用能

16、級間躍遷的受激現(xiàn)象進(jìn)行光放大。由電流直接激勵而去掉諧振腔，可獲得30dB以上的光增益。主要技術(shù)指標(biāo)功率增益指輸出光功率與輸入光功率的對數(shù)之比。泵浦光功率越大，信號功率增益也越大。輸出飽和功率是一個描述輸入信號功率與輸出信號功率之間關(guān)系的參量。飽和輸出功率隨泵浦功率的增加而增加。噪聲系數(shù)主要包括信號光波和放大器自發(fā)輻射光波見的差拍噪聲，以及光放大器自發(fā)輻射的不同頻率光波見的差拍噪聲，另外還有散彈噪聲等。光電檢測器半導(dǎo)體光檢測器是利用半導(dǎo)體P-N結(jié)內(nèi)的光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕钠骷?光纖通信系統(tǒng)對光電檢測器的要求靈敏度高響應(yīng)速度快噪聲小穩(wěn)定可靠常用的光電檢測器PIN光電二極管雪崩光電二極管（

17、APD）信號電流可借助雪崩倍增過程進(jìn)行放大。靈敏度可提高15dB左右。電路復(fù)雜，造價高。無源光器件光纖連接器也稱為光纖活動連接器或光纖活接頭。光源與光纖以及光纖與光電檢測器的連接均采用光纖活動連接器。常用的連接器有FC型和PC型。插入損耗一般在0.3dB以下。無源光器件波分復(fù)用器件也稱光分波、合波器。指發(fā)送端將各種不同波長的光信號耦合進(jìn)一根光纖的復(fù)用器，接收端將光纖送來的各種波長的信號分開的去復(fù)用器。光復(fù)用器在解決光纜線路的擴(kuò)容或復(fù)用中起著關(guān)鍵性作用。常用的波分復(fù)用器件有三種：棱鏡型、衍射光柵型和干涉濾光膜型。無源光器件光衰減器主要用于光纖通信系統(tǒng)的指標(biāo)測量、短距離通信系統(tǒng)的信號衰減以及系統(tǒng)試

18、驗等場合。根據(jù)衰減光功率的工作機理來分：耦合型光衰減器反射型光衰減器吸收型光衰減器根據(jù)衰減量的變化情況來分：固定式衰減器步進(jìn)可變式衰減器連續(xù)可變衰減器無源光器件光開關(guān)是一種光路控制器件，起著控制光流和轉(zhuǎn)換光路的作用。光開關(guān)有機械式和非機械式兩種類型。機械式：利用機械動作達(dá)到光開關(guān)目的。非機械式：又稱固體式光開關(guān)。它是利用電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)以及聲光效應(yīng)進(jìn)行光開關(guān)的。無源光器件光分路耦合器光分路器是將某一波長的光信號按需要分成若干路信號，而光耦合器是把幾路信號合成一路信號。光分路耦合器可分為兩分支型和多分支型兩種。前者多用于光通路測量，要求分路比可任意選擇；后者一般用于光數(shù)據(jù)總線，要求輸出信號分配

19、均勻。光纖通信系統(tǒng)基本組成光纖通信系統(tǒng)性能評價標(biāo)準(zhǔn)誤碼特性所謂收發(fā)碼不一致就稱為誤碼。主要原因是傳輸系統(tǒng)的噪聲和脈沖抖動。誤碼性能用誤比特率BER來衡量。BER=錯誤比特數(shù)/總傳輸比特數(shù)系統(tǒng)總的誤碼率等于各中繼段誤碼率之和。光纖數(shù)字通信系統(tǒng)性能評價標(biāo)準(zhǔn)ITU-T規(guī)定了嚴(yán)重誤碼秒SES，誤碼秒ES的百分比指標(biāo)。SES= S64 /SA64：在可用時間內(nèi)，對于64kb/s信號而言，1秒內(nèi)誤碼個數(shù)大于64的時間。ES=SE/SA8% SE：在可用時間內(nèi)，1秒內(nèi)誤碼個數(shù)大于1 或等于1的時間。抖動特性長途數(shù)字通信系統(tǒng)的另一重要指標(biāo)。抖動是數(shù)字脈沖信號的相位擺動，或時間上的前后擺動，也稱相位抖動。引起抖

20、動的原因：非系統(tǒng)性：主要來源于噪聲和各再生中繼器時鐘頻率的隨機變化。系統(tǒng)性：指各再生中繼器可以引起相關(guān)的定時相位誤差。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計步驟明了設(shè)計任務(wù)和要求，制定相應(yīng)的設(shè)計方案。明確系統(tǒng)通信容量，傳輸距離，以及誤碼率，經(jīng)濟(jì)限制和業(yè)務(wù)量增長等質(zhì)量指標(biāo)。據(jù)此，合理選擇波長、碼型和光源-光纖-光檢測器的組合等。工程計算進(jìn)行中繼距離、信息容量的計算。審查是否滿足設(shè)計要求和限制條件。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設(shè)計流程 要求條件 限制條件明確選擇波長選擇碼型選擇復(fù)用方式選擇光纖、光源、光檢測器工程計算相關(guān)評價經(jīng)驗、可靠性和維護(hù)等性能檢查是否滿足要求條件和限制條件設(shè)計結(jié)束波長是否選擇恰當(dāng) 要求條件 限制條件放

21、寬是否考慮了所有的復(fù)用方式是否考慮了所有的光纖、光源和光檢測器是否考慮了所有的碼型光纖及光器件的選擇工作波長的選擇光纖的選擇光源的選擇光電檢測器的選擇線路碼型的選擇常用線路碼型擾碼：將輸入的二進(jìn)制NRZ碼序列打亂，按一定的規(guī)律重新排列。mBnB 碼：將輸入的原始碼流以m比特為單元分組，根據(jù)一定的規(guī)則將其變換成n比特一組的碼流輸出。插入碼：將輸入的原碼流以m比特為一組，在每組的第m位后插入一個碼。工程計算工程計算是指中繼距離和信息容量的計算。損耗和色散是限制數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的中繼距離和信息容量的主要因素。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)可分為：損耗限制系統(tǒng)和色散（帶寬）限制系統(tǒng)。損耗限制系統(tǒng)損耗限制系統(tǒng)是指中繼距離僅由系統(tǒng)的傳輸損耗決定。L=(PT-PR-2c-M)/ (f+ s+Mc)PT ：光發(fā)送機發(fā)送的平均光功率（dBm）PR：光接收機的靈敏度（dBm）c：每個活動連接器的損耗（dB）M：系統(tǒng)富余度（dB）f：光纖的平均損耗系數(shù)（dB/km）s：平均每公里光纖連接損耗（dB/km）Mc：每公里光纖的富余度（dB/km）色散（帶寬）限制系統(tǒng)色散（帶寬）限制系統(tǒng)是指中繼距離主要由光纖帶寬決定。L=106/（BD） B：線路的傳輸速率（Mb/s） ：LD的譜線寬度（nm）D：光纖的色散系數(shù)（ps/kmnm)：光通道的靈敏度代價 謝謝！ 每一次的加油，每一次的