第七講光纖通信實施技術

第七講光纖通信技術了解光纖通信技術的發(fā)展與現(xiàn)狀掌握光纖通信系統(tǒng)的組成了解光纖通信系統(tǒng)的分類熟悉光纖通信系統(tǒng)的特點熟悉主要光源的特點和適用場合熟悉常見的光纖連接器的特點和適用場合熟悉光纖配線架的作用掌握光纜的構造和標識了解光接收機和光放大器的作用了解光纖通信復用技術現(xiàn)代光通信的起源1880年，貝爾發(fā)明了第一個光，其原理是：將弧光燈的恒定光束投射在話筒的音膜上，隨聲音的振動而得到強弱變化的反射光束。這一大膽的嘗試，可以說是現(xiàn)代光通信的開端。貝爾光和烽火報警一樣，都是利用大氣作為光通道，光波傳播易受氣候的影響，在大霧天氣，它的可見度距離很短，遇到下雨下雪天也有影響。波導的研究在大氣光通信受阻之后，人們將研究的重點轉入到地下光波通信的實驗，先后出現(xiàn)過反射波導和透鏡波導等地下通信的實驗。光纖的出現(xiàn)1966年，英籍華人高錕(K.C.Kao，當時工作于英國標準電信研究所)博士發(fā)現(xiàn)了光在石英玻璃纖維中傳輸產(chǎn)生的嚴重損耗的原因。當時世界上最優(yōu)秀的光學玻璃衰減高達1000dB/Km。1970年，美國康寧（Corning）公司首先研制成衰減為20dB/Km的光纖。1980年，光纖衰減就降低到了0.2dB/Km，接近理論值。光源與光探測器光纖通信系統(tǒng)中使用的光源經(jīng)歷了從發(fā)光二極管到半導體激光器的進步。目前，半導體激光器不僅可以在室溫下工作，而且其直接調制速率可以達到10Gbit/s乃至更高，逐漸滿足了高效率、高速率、低噪聲、大功率、長壽命等要求。光纖與光源的逐年進步解決了衰減和色散問題，其結果是增加了光纖系統(tǒng)的通信容量。光探測器也達到了GHz的響應靈敏度。光放大器90年代初，光放大器的問世引起了光纖通信技術的重大變革，這在光通信史上具有里程碑的意義。光放大器節(jié)省了光電變換的中繼過程，而且實現(xiàn)了波長透明、速率透明和調制方式透明的光信號放大，從而誕生了采用波分復用（WDM）技術的新一代光纖系統(tǒng)商用化。光纖通信系統(tǒng)的組成光纖通信系統(tǒng)是以光波為載體，光導纖維為傳輸介質的通信系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)的組成發(fā)送器：發(fā)送器的核心是一個光源，其主要功能就是將一個信息信號從電子格式轉換為光格式?？刹捎冒l(fā)光二極管(LED)或激光二極管(LD)作為光源。光纖：光纖通信系統(tǒng)中的傳輸介質是光纖。接收器：光接收器的關鍵設備是光檢測器，其主要功能就是把光信息信號轉換回電信號(光電流)。當今光纖通信系統(tǒng)中的光檢測器是個半導體光電二極管(PD)光纖通信系統(tǒng)的分類根據(jù)光纖的傳導模數(shù)量，分為多模光纖通信系統(tǒng)和單模光纖通信系統(tǒng)；根據(jù)系統(tǒng)的工作波長，分為短波長光纖通信系統(tǒng)，長波長光纖通信系統(tǒng)和超長波長光纖通信系統(tǒng)；根據(jù)調制信號的類型，分為模擬光纖通信系統(tǒng)和數(shù)字光纖通信系統(tǒng)；根據(jù)光源的調制方式，分為直接調制光纖通信系統(tǒng)和間接調制光纖通信系統(tǒng)。光纖通信的主要特性頻帶寬，通信容量大；損耗低，中繼距離長；抗電磁干擾；無串擾，保密性好；線徑細，重量輕，柔軟；原材料資源豐富，節(jié)約金屬資源。光纖通信的主要特性質地脆，機械強度低；彎曲半徑不宜過??；連接困難，切斷不易；分路和耦合不方便；光發(fā)送器光發(fā)送器的主要核心是光源。常用光源主要有：發(fā)光二極管；F-P腔半導體激光器；分布反饋式（DFB）半導體激光器；分布布拉格反射式（DBR)半導體激光器；發(fā)光二極管半導體發(fā)光二極管(Light-emittingDiode，LED)，通常應用GaAlAs（鎵鋁砷）和InGaAsP（銦鎵砷磷）材料，可以覆蓋整個光纖通信系統(tǒng)使用波長范圍，典型值為0.85μm、1.31μm及1.55μm。按照器件輸出光的方式，可以將發(fā)光二極管分為三種類型結構：表面發(fā)光二極管、邊發(fā)光二極管及超輻射發(fā)光二極管。LED一般用于低速系統(tǒng)。發(fā)光二極管的工作原理當給LED外加合適的正向電壓時，Pp結之間的勢壘(相對于空穴)和Np結之間的勢壘(相對于電子)降低，大量的空穴和電子分別從P區(qū)擴散到p區(qū)和從N區(qū)擴散到p區(qū)(由于雙異質結構，p區(qū)中外來的電子和空穴不會分別擴散到P區(qū)和N區(qū))，在有源區(qū)形成粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)，最終克服受激吸收及其他衰減而產(chǎn)生自發(fā)輻射的光輸出。激光二極管在結構上，半導體激光二極管(LaserDiode，LD)與其他類型的激光器是相同的，都主要由三部分構成：激勵源、工作物質及諧振腔。LD的工作原理當給LD外加適當?shù)恼螂妷簳r，由于有源區(qū)粒子數(shù)的反轉分布而首先發(fā)生自發(fā)輻射現(xiàn)象，那些傳播方向與諧振腔高反射率界面垂直的自發(fā)輻射光子會在有源層內部邊傳播、邊發(fā)生受激輻射放大(其余自發(fā)輻射光子均被衰減掉)，直至傳播到高反射率界面又被反射回有源層，再次向另一個方向傳播受激輻射放大。如此反復，直到放大作用足以克服有源層和高反射率界面的損耗后，就會向高反射率界面外面輸出激光。光信號的調制把信號加到光源上的方法有多種：內調制，直接調節(jié)光源的電流；激光部分調制部分集成電吸收調制外調制，采用電光調制器，一般采用電吸收調制器，和光源集成在一塊芯片上。光纖連接器光纖連接器的作用是使兩根光纖的纖芯對準，保證90%以上的光能夠通過。光纖活動連接器是實現(xiàn)光纖之間活動連接的光無源器件，它還具有將光纖與其他無源器件、光纖與系統(tǒng)和儀表進行活動連接的功能。光纖連接器內部結構光纖連接器常用結構套管結構：套管結構的連接器由插針和套筒組成。雙錐結構：雙錐結構連接器是利用錐面定位。V型槽結構：V形槽結構的光纖連接器是將兩個插針放入V形槽基座中，再用蓋板將插針壓緊，利用對準原理使纖芯對準。球面定芯結構：球面定心結構由兩部分組成，一部分是裝有精密鋼球的基座，另一部分是裝有圓錐面(相當于車燈的反光鏡)的插針。透鏡耦合結構：透鏡耦合又稱遠場耦合，它分為球透鏡耦合和自聚焦透鏡耦合兩種。V形槽結構球透鏡耦合結構自聚焦透鏡耦合光纖連接器性能指標光學性能，主要是插入損耗和回波損耗。插入損耗，即連接損耗，因連接器的導入而引起的鏈路有效光功率的損耗，不大于0.5dB；回波損耗，連接器對鏈路光功率反射的抑制能力，其典型值應不少于25dB；互換性和重復性，指對同一類型光纖能任意組合使用，并可多次重復使用，由此而導入的附加損耗一般小于0.2dB；抗拉強度，不低于90N；工作溫度，在-40℃～70℃的溫度下能正常使用；插拔次數(shù)，能插拔1000次以上。FC型光纖連接器FC是FerruleConnector的縮寫，表明其外部加強方式是采用金屬套，緊固方式為螺絲扣。最早，F(xiàn)C類型的連接器，采用的陶瓷插針的對接端面是平面接觸方式(FC)。此類連接器結構簡單，操作方便，制作容易，但光纖端面對微塵較為敏感，且容易產(chǎn)生菲涅爾反射，提高回波損耗性能較為困難。后來，對該類型連接器做了改進，采用對接端面呈球面的插針(PC)，而外部結構沒有改變，使得插入損耗和回波損耗性能有了較大幅度的提高。SC型連接器SC型光纖連接器外殼呈矩形，所采用的插針與耦合套筒的結構尺寸與FC型完全相同，其中插針的端面多采用PC型或APC型研磨方式；緊固方式是采用插拔銷閂式，不須旋轉。此類連接器價格低廉，插拔操作方便，介入損耗波動小，抗壓強度較高，安裝密度高。ST型光纖連接器ST型光纖連接器外殼呈圓形，所采用的插針與耦合套筒的結構尺寸與FC型完全相同，其中插針的端面多采用PC型或APC型研磨方式；緊固方式為螺絲扣。此類連接器適用于各種光纖網(wǎng)絡，操作簡便，且具有良好的互換性。MT-RJ連接器MT-RJ帶有與RJ-45型LAN電連接器相同的閂鎖機構，通過安裝于小型套管兩側的導向銷對準光纖，為便于與光信號收發(fā)機相連，連接器端面光纖為雙芯(間隔0.75mm)排列設計，是主要用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呙芏裙膺B接器。LC型光纖連接器LC型光纖連接器是著名的Bell研究所研究開發(fā)出來的，采用操作方便的模塊化插孔(RJ)閂鎖機理制成。該連接器所采用的插針和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，為1.25m，提高了光配線架中光纖連接器的密度。目前，在單模SFF方面，LC類型的連接器實際已經(jīng)占據(jù)了主導地位，在多模方面的應用也增長迅速。MU型光纖連接器MU(MiniatureunitCoupling)光纖連接器是以SC型連接器為基礎研發(fā)的世界上最小的單芯光纖連接器。MU連接器系列包括用于光纜連接的插座型光連接器(MU-A系列)、具有自保持機構的底板連接器(MU-B系列)以及用于連接LD/PD模塊與插頭的簡化插座(MU-SR系列)等。該連接器采用1.25mm直徑的套管和自保持機構，其優(yōu)勢在于能實現(xiàn)高密度安裝。光纖配線架光纖配線架(ODF，OpticalFiberDistributionFrame)是光傳輸系統(tǒng)中一個重要的配套設備，它主要用于光纜終端的光纖熔接、光連接器安裝、光路的調接、多余尾纖的存儲及光纜的保護等，它對于光纖通信網(wǎng)絡安全運行和靈活使用有著重要的作用。光纖配線架作為光纜線路的終端設備擁有以下4項基本功能：固定功能、熔接功能、調配功能以及存儲功能。壁掛式光纖配線架壁掛式光纖配線架可直接固定于墻體上，一般為箱體結構，適用于光纜條數(shù)和光纖芯數(shù)都較小的場所。機架式光纖配線架可直接安裝在標準機柜中，適用于較大規(guī)模的光纖網(wǎng)絡。機架式光纖配線架機架式配線架又分為兩種，一種是固定配置的配線架，光纖耦合器被直接固定在機箱上；另一種采用模塊化設計，用戶可根據(jù)光纜的數(shù)量和規(guī)格選擇相對應的模塊，便于網(wǎng)絡的調整和擴展。光纖耦合器光耦合器是將光信號進行分路或合路、插入、分配的一種器件。熔融拉錐法就是將兩根(或兩根以上)除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏，在高溫加熱下熔融，同時向兩側拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導結構，實現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。光耦合器光纜光纜的構造一般分為纜芯和護層兩大部分。纜芯在光纜的構造中，纜芯是主體，其結構是否合理，與光纖的安全運行關系很大。一般來說，纜芯結構應滿足以下基本要求：光纖在纜芯內處于最佳位置和狀態(tài)，保證光纖傳輸性能穩(wěn)定，在光纜受到一定的拉力、側壓力等外力時，光纖不受外力影響；其次纜芯內的金屬線對也應得到妥善安排，并保證其電氣性能；另外纜芯截面應盡可能小，以降低成本和節(jié)省敷設空間。護層光纜護層同電纜護層的情況一樣，是由護套和外護層構成的多層組合體。光纜護層的作用是進一步保護光纖，使光纖能適應在各種場地敷設，如架空、管道、直埋、室內、過河、跨海等。對于采用外周加強元件的光纜結構，護層還需提供足夠的抗拉、抗壓、抗彎曲等機械特性方面的能力。光纜的基本結構光纜的基本結構按纜芯組件的不同一般可以分為層絞式、骨架式、束管式和帶狀式四種。我國及歐亞各國用的較多的是傳統(tǒng)結構的層絞式和骨架式兩種。層絞式結構層絞式光纜的結構類似于傳統(tǒng)的電纜結構方式，故又稱為古典式光纜。骨架式結構骨架式光纜中的光纖置放于塑料骨架的槽中，槽的橫截面可以是V形、U形或其他合理的形狀，槽的縱向呈螺旋形或正弦形，一個空槽可放置5~10根一次涂覆光纖。束管式結構束管式結構的光纜近年來得到了較快的發(fā)展。它相當于把松套管擴大為整個纖芯，成為一個管腔，將光纖集中松放在其中。帶狀式結構帶狀式結構的光纜首先將一次涂覆的光纖放入塑料帶內做成光纖帶，然后將幾層光纖帶疊放在一起構成光纜芯。光纜的分類根據(jù)光纜的傳輸性能、距離和用途，光纜可以分為市話光纜、長途光纜、海底光纜和用戶光纜；根據(jù)光纖的種類，光纜可以分為多模光纜、單模光纜；根據(jù)光纖套塑的種類，光纜可以分為緊套光纜、松套光纜、束管式新型光纜和帶狀式多芯單元光纜；根據(jù)光纖芯數(shù)的多少，光纜可以分為單芯光纜和多芯光纜等等；光纜的分類根據(jù)加強構件的配置方式，光纜可以分為中心加強構件光纜(如層絞式光纜、骨架式光纜等)、分散加強構件光纜(如束管式光纜)和護層加強構件光纜(如帶狀式光纜)；根據(jù)敷設方式，光纜可以分為管道光纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜；根據(jù)護層材料性質，光纜可以分為普通光纜、阻燃光纜和防蟻、防鼠光纜等。光纜的型號光纜的型式代號是由分類、加強構件、派生(形狀、特性等)、護套和外護層五部分組成。光纜的分類代號及意義GY：通信用室(野)外光纜；GR：通信用軟光纜；GJ：通信用室(局)內光纜；GS：通信用設備內光纜；GH：通信用海底光纜；GT：通信用特殊光纜；GW：通信用無金屬光纜。加強構件的代號及意義無符號：金屬加強構件；F：非金屬加強構件；G：金屬重型加強構件；H：非金屬重型加強構件。派生特征的代號及其意義B：扁平式結構；Z：自承式結構；T：填充式結構；S：松套結構。 注：當光纜型式兼有不同派生特征時，其代號字母順序并列。護套的代號及其意義Y：聚乙烯護套；V：聚氯乙烯護套；U：聚氨酯護套；A：鋁、聚乙烯護套；L：鋁護套；Q：鉛護套；G：鋼護套；S：鋼、鋁、聚乙烯綜合護套。外護層的代號及其意義外護層是指鎧裝層及鎧裝層外面的外被層，參照國標GB2952-82的規(guī)定，外護層采用兩位數(shù)字表示。光纖的規(guī)格代號光纖的規(guī)格代號由光纖數(shù)目、光纖類別、光纖主要尺寸參數(shù)、傳輸性能和適用溫度五部分組成，各部分均用代號或數(shù)字表示。光纖數(shù)目用光纜中同類別光纖的實際有效數(shù)目的阿拉伯數(shù)字表示。光纖類別的代號及其意義J：二氧化硅系多模漸變型光纖；T：二氧化硅系多模階躍型(突變型)光纖；Z：二氧化硅系多模準突變型光纖；D：二氧化硅系單模光纖；X：二氧化硅纖芯塑料包層光纖；S：塑料光纖。光纖的主要尺寸參數(shù)代號及其意義用阿拉伯數(shù)字(含小數(shù)點)以μm為單位表示多模光纖的芯徑/包層直徑或單模光纖的模場直徑/包層直徑。傳輸性能代號及其意義光纖的傳輸特性代號是由使用波長、損耗系數(shù)、模式帶寬的代號(分別為a、bb、cc)構成。a表示使用波長的代號，其數(shù)字代號規(guī)定為： 使用波長在0.85μm區(qū)域； 使用波長在1.31μm區(qū)域； 使用波長在1.55μm區(qū)域。bb表示損耗系數(shù)的代號，其數(shù)字依次為光纜中光纖損耗系數(shù)值(dB/km)的個位和十分位。cc表示模式帶寬的代號，其數(shù)字依次是光纜中光纖模式帶寬數(shù)值(MHz·km)的千位和百位數(shù)字。單模光纖無此項。同一光纜適用于兩種以上的波長，并具有不同的傳輸特性時，應同時列出各波長上的規(guī)格代號，并用"/"劃開。適用溫度代號及其意義A：適用于-40℃~+40℃；B：適用于-30℃~+50℃；C：適用于-20℃~+60℃；D：適用于-5℃~+60℃。光電器件的簡易檢測在沒有測試條件的情況下，也可以借助于指針式萬用表對光電檢測器件進行簡易的測試。這種測試方法主要是檢查光電檢測器件PN結的好壞：PN結好不能保證器件具有好的特性，而PN不好的器件其質量絕對不會好。