第六章-光纖通信

第6章光纖通信本章內(nèi)容l 光纖通信概述l 光纖與光纜l 光纖通信系統(tǒng)光纖通信指利用光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱光纖)傳輸光波信號(hào)的一種通信方式。電磁波：長(zhǎng)波、中波、微波、¤、紅外線、可見光、紫外線。使用光(激光器)信號(hào)，使用光纜作為傳輸介質(zhì)。波長(zhǎng)是0.8～1.8μm衰減的單位dB(分貝)：描述功率相對(duì)比值的單位dB=10log10(Pin/Pout)Pout：輸出功率Pin：輸入功率6.1光纖通信概述發(fā)展史光電話：1880年貝爾(通信距離213m)光源：激光器梅曼(1960)美國(guó)貝爾公司(1970)半導(dǎo)體激光器傳光介質(zhì)：光纖高錕(1966)美國(guó)康寧公司(1970)低損耗光纖工作波長(zhǎng)0.85μm、1.31μm和1.55μm光纖通信特點(diǎn)1、通信容量大光載波頻率在1014～1015Hz

一根僅有頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖：理論可以1000億個(gè)話路實(shí)際24萬2、傳輸衰減小，中繼距離長(zhǎng)20dB/km，即可實(shí)現(xiàn)通信目前損耗0.2dB/km中繼距離重量(8根/km)電纜1.5km4噸光纜>100km60kg3、保密性能好

光波在光纖中傳輸時(shí)只在其芯區(qū)進(jìn)行，基本上沒有光“泄露”出去，因此其保密性能極好。

4、體積小、重量輕、便于施工維護(hù)

光纜的敷設(shè)方式方便靈活，既可以直埋、管道敷設(shè)，又可以水底和架空。

5、抗電磁干擾，傳輸質(zhì)量好

不怕外界強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾、耐腐蝕，可撓性強(qiáng)（彎曲半徑大于25厘米時(shí)其性能不受影響）等。6、原材料來源豐富，潛在價(jià)格低廉

制造石英光纖的最基本原材料是二氧化硅,在大自然界中幾乎是取之不盡、用之不竭的。因此其潛在價(jià)格是十分低廉的。二氧化硅組成的礦物,半透明或不透明的晶體,一般乳白色,質(zhì)地堅(jiān)硬

6.2光纖與光纜1.光纖的結(jié)構(gòu)石英玻璃、塑料或晶體纖芯(折射率大)和包層全反射光纖直徑纖芯(Core)62.5mm125mm包層(Clad)Core8mm125mmClad85μm

多模單模人的頭發(fā)

光纖的分類按工作波長(zhǎng)：短波長(zhǎng)(850nm)和長(zhǎng)波長(zhǎng)(1310nm、1550nm)按傳輸模式：多模光纖和單模光纖多模光纖中光信號(hào)通過多個(gè)通路傳播，距離較短。單模光纖的纖芯較細(xì)，使光線能夠直接發(fā)射到中心。建議距離較長(zhǎng)時(shí)采用。

按折射率分布：階躍(突變)型(SI)、漸變(梯度)型(GI)和W型按材料：石英光纖、塑料光纖等塑料光纖POF

聚合物光纖(POF,PolymerOpticalFiber)目前，制作POF主要的材料有兩類：一類是聚甲基丙烯酸甲脂聚合物（PolymerPolymethylmethacrylate）；另一類是全氟樹脂(Perfluorinated)缺點(diǎn)：損耗低每公里損耗值約為數(shù)百分貝ITU-T建議的光纖分類G.651光纖：計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)或接入網(wǎng)G.652光纖：應(yīng)用最廣的單模光纖

G.653光纖：較少采用G.654光纖：彎曲性能好G.655光纖：適用于高速、大容量、高密集波分復(fù)用系統(tǒng)2.光纜按芯數(shù)分為單芯、雙芯、多芯按結(jié)構(gòu)分為層絞式、骨架式、帶狀等按敷設(shè)場(chǎng)合分為架空、直埋、管道、移動(dòng)、室內(nèi)、水下、海底等按用途分為通信用光纜和非通信用光纜加強(qiáng)元件加強(qiáng)元件加強(qiáng)元件加強(qiáng)元件加強(qiáng)元件光纖光纖第一條海底光纜

空中光纜

3、光的導(dǎo)光原理光是直線傳播的，但當(dāng)光線照射到某一物質(zhì)上時(shí)便會(huì)發(fā)生折射和反射。光傳播的基本知識(shí)光從真空射入介質(zhì)發(fā)生折射時(shí)，入射角i與折射角r的正弦之比n叫做介質(zhì)的“絕對(duì)折射率[1]”，簡(jiǎn)稱“折射率”。它表示光在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)對(duì)光的一種特征。n=sini/sinr=c/v由于光在真空中傳播的速度最大，故其他媒質(zhì)的折射率都大于1。水1.33水晶1.55金剛石2.42玻璃按成分不同而為1.5～1.9空氣20℃、760毫米汞高折射率為1.00027全反射n1n2n1>n2n1n2臨界角900臨界角n1n2全反射入射角=反射角θ1θ2產(chǎn)生全反射的條件：n1>n290o>θ>臨界角1.光從空氣中斜射入玻璃中時(shí),折射光線向

法線方向偏折.(填“靠近”或“遠(yuǎn)離”)空氣玻璃靠近2.一束光線斜射到一塊玻璃三棱鏡上(如下圖),畫出光折射的情況.光所以能在光纖中傳輸，主要是纖芯和包層的共同作用。

4、突變型(突變型)光纖突變型光纖(StepIndexFiber,SIF)突變型(階躍型)：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變的；即：整個(gè)纖芯的折射率是均勻的；階躍型光纖性能參數(shù)相對(duì)折射指數(shù)差：數(shù)值孔徑(NA)：θ接收錐

數(shù)值孔徑(NA)數(shù)值孔徑是表征光纖端面接收光的能力，其取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和對(duì)模式色散的影響。CCITT建議多模光纖的NA取值范圍為0.18～0.23其對(duì)應(yīng)的光纖端面接收角θc=10°～13°。漸變型光纖(GradedIndexFiber,GIF)：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小，可使高模光按正弦形式傳播；即：纖芯折射率逐漸減??；反射角逐漸增大所謂“?！笔侵敢砸欢ń撬俣冗M(jìn)入光纖的一束光。所有發(fā)射的光都沿直線傳播，這種光纖稱為單模光纖；多模光纖允許多束光在光纖中同時(shí)傳播；5、單模光纖單模光纖（SingleModeFiber，SMF）只能有一道光信號(hào)傳輸，使用單獨(dú)模式的光信號(hào)，無光的信號(hào)色散，傳輸距離會(huì)更長(zhǎng)，傳輸數(shù)據(jù)量也更高。單模光纖8~10μm典型距離超過5英里用于：長(zhǎng)途電信長(zhǎng)途電視監(jiān)控及多路切換共用天線電視系統(tǒng)單模SMF

6.多模光纖多模光纖(MultimodeopticalfiberMMF)光信號(hào)可以從不同的角度進(jìn)入光纖的線芯進(jìn)行傳輸?？梢灾本€傳輸也可以使用折射和反射來向前發(fā)送信號(hào)。適用于中容量、中距離通信。常用光纖規(guī)格：?jiǎn)文＃?/125μm，9/125μm，10/125μm多模：50/125μm歐洲標(biāo)準(zhǔn)62.5/125μm美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)

單模和多模光纖我們簡(jiǎn)單的作個(gè)比喻：可以把多模光纖想成是一條很寬的公路（光纖模截面寬），在這條公路上，可以行駛轎車、路車和卡車（信號(hào)的模式），但是由于車型不同（信號(hào)模式不同），所以到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間也會(huì)不同。而單模光纖則可以想成是一條鐵路，雖然同時(shí)只能有一輛火車行駛，速度要高于公路。單模光纖和多模光纖比較項(xiàng)目單模光纖多模光纖距離長(zhǎng)短數(shù)據(jù)傳輸率高低光源激光發(fā)光二極管信號(hào)衰減小大端接較難較易造價(jià)高低單模傳輸條件歸一化頻率V小于其歸一化截止頻率Vc(2.405）時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)單模傳輸單模傳輸?shù)臈l件：1、光纖的參量(纖芯半徑等)2、NA必須滿足一定條件3、λ≥λc(截止波長(zhǎng))光纖的主要損耗吸收損耗散射損耗其他損耗損耗系數(shù)(單位：Db/km)dB/km=10lg(Pin/

Pout)/LPout：輸出功率Pin：輸入功率

吸收損耗本征吸收：材料本身吸收小部分光能量雜質(zhì)吸收：光纖所含的OH-和金屬離子吸收散射損耗由于光線的基本結(jié)構(gòu)不完美，引起的光能量損失，此時(shí)光的傳輸不再具有很好的方向性。光線缺陷光損耗與波長(zhǎng)光損耗單位：dB/km與波長(zhǎng)有關(guān)單模損耗小波長(zhǎng)又稱為窗口光纖損耗主要存在的地點(diǎn)光纖本身：與長(zhǎng)度和類型有關(guān)1310nm：0.35~0.5dB/Km1550nm：0.2~0.3dB/Km850nm：2.3~3.4dB/Km光纖連接點(diǎn)：0.2dB/Km設(shè)備處：3dB/km光纖的衰減光纖的衰減圖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減(dB/km)水峰值654321近端遠(yuǎn)端信號(hào)傳播彩虹是怎么產(chǎn)生的?紅花綠草的顏色是由什么決定的?光的色散光的色散結(jié)論：白光不是單色光，而是由各種色光混合成的．太陽(yáng)光通過三棱鏡后被分解成七種色光,依次是紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫.光纖色散(Dispersion)光纖中的信號(hào)是由不同的頻率成分或模式成分構(gòu)成的，它們是由不同的傳播速度，從而引起比較復(fù)雜的色散現(xiàn)象。它是限制傳輸容量的主要因素。模式色散(模間色散)色度色散偏振模色散

光纖的色散特性1、模式色散：

①定義：同一波長(zhǎng)光信號(hào)的不同模式成分之間的色散，稱為模間色散或模式色散。模間色散只在多模光纖中存在。

②產(chǎn)生原因

多模光纖中各個(gè)模式的光傳播的路徑和速度不同，使得在光纖出射端各模式的到達(dá)時(shí)間不一致，產(chǎn)生時(shí)延差，引起光脈沖展寬。

模式色散

色度色散(模內(nèi)色散)①定義同一個(gè)導(dǎo)波模式的不同光波長(zhǎng)之間的色散

②產(chǎn)生原因

光源光譜不純;（材料色散）

光纖石英材料的折射率不是一個(gè)常數(shù)，而是隨光波長(zhǎng)的增大而減小;（材料色散）

波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與折射率分布等參量有關(guān)，使得不同路徑光線之間的速度差是一個(gè)隨傳輸路徑變化的復(fù)雜函數(shù)。（波導(dǎo)色散）這三方面原因?qū)е峦粋€(gè)導(dǎo)波模式的不同波長(zhǎng)光線之間產(chǎn)生時(shí)延差，引起光脈沖展寬。

3、偏振色散：?jiǎn)文９饫w中實(shí)際存在偏振方向相互正交的兩個(gè)基模。當(dāng)光纖中存在雙折射時(shí)，這兩個(gè)模式的傳輸速度不同，引起偏振色散。6.3光纖通信系統(tǒng)通過光端機(jī)（向光纖中輸入光信號(hào)的設(shè)備）向光纖發(fā)出一連串明暗不同的光信號(hào)

發(fā)送單元：把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)傳輸單元：載送光信號(hào)的介質(zhì)接收單元：接收光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)連接器件：連接光纖到光源、光檢測(cè)以及其它光纖光纖(OpticalFiber)系統(tǒng)方框圖信號(hào)光發(fā)射機(jī)光源中繼器檢測(cè)器光接收機(jī)信號(hào)E/O轉(zhuǎn)換光纖O/E轉(zhuǎn)換發(fā)送單元傳輸單元接收單元連接器件光源自身正在發(fā)光，且能持續(xù)發(fā)光的物體叫作光源。光源可分為：1.天然光源2.人造光源（如點(diǎn)燃的蠟燭、發(fā)光的電燈、激光束等）

第一臺(tái)雙異結(jié)質(zhì)激光器半導(dǎo)體激光器LD(LaserDiode)首個(gè)綠光激光二極管發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode):

光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī)：將數(shù)字復(fù)用設(shè)備的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，電-光轉(zhuǎn)化核心部件：光源

常用連接器類型SCLCMT-RJDSCVF-45Opti-JackFCTypeSCTypeSC2TypeFDDType

光電檢測(cè)器(光接收機(jī))

光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器是光纖通信系統(tǒng)中接收端機(jī)中的第一個(gè)部件，由光纖傳輸來的光信號(hào)通過它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。它是利用材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。對(duì)其要求有：靈敏度高、響應(yīng)快、噪聲小、成本低和可靠性高。

PIN和APD在光纖通信技術(shù)中，常用半導(dǎo)體光電二極管來檢測(cè)光信號(hào)，如：PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管。PIN是指在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體，稱為I層。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。APD（雪崩光電二極管）利用光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的雪崩倍增效應(yīng)，產(chǎn)生光電流的倍增作用。

光中繼器作用：放大衰減了的光信號(hào)光-電-光轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體光放大器

摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器(ErbiumDopedFiberAmplifier,EDFA)，是一種對(duì)光信號(hào)放大的光器件。它使長(zhǎng)距離、大容量、高速率的光纖通信成為可能，是DWDM系統(tǒng)不可缺少的重要器件。在我國(guó)，武漢郵科院研制開發(fā)的EDFA系列產(chǎn)品，是目前唯一的國(guó)產(chǎn)商用化產(chǎn)品。

光纖通信碼型要求必須是二電平碼！信號(hào)自帶定時(shí)信息提供一定的冗余傳輸

6.4SDHE1(一次群)簡(jiǎn)介歐洲的30路脈碼調(diào)制PCM簡(jiǎn)稱E1，速率是2.048Mbit/s。1、一個(gè)E1的幀長(zhǎng)為256個(gè)bit,分為32個(gè)時(shí)隙，一個(gè)時(shí)隙為8個(gè)bit。E1(一次群)2、每秒有8k個(gè)E1的幀通過接口，即8K*256=2048kbps。3、每個(gè)時(shí)隙在E1幀中占8bit，8*8k=64k(bit)4、在E1信道中，8bit組成一個(gè)時(shí)隙（TS），由32個(gè)時(shí)隙組成了一個(gè)幀（F），16個(gè)幀組成一個(gè)復(fù)幀（MF）。

SDHSDH(SynchronousDigitalHierarchy，同步數(shù)字系列)

將復(fù)接、線路