光纖通信通信入門的技術(shù)

1、關(guān)于光纖通信通信入門技術(shù)第1頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四6.1.1光纖通信的發(fā)展 1880年，美國(guó)科學(xué)家貝爾發(fā)明光電話 ，標(biāo)志著光通信的起源。1960年，美國(guó)人梅曼發(fā)明第一臺(tái)紅寶石激光器 。1966年，“光纖之父”高錕博士首次提出光纖通信的想法，這是光纖通信發(fā)展的里程碑。1970年，美國(guó)康寧公司研制出了損耗系數(shù)為20dB/km的光纖，光纖通信從此進(jìn)入飛速發(fā)展。1977年，芝加哥第一條45Mbit/s的商用線路。1976 年和 1978 年，日本先后進(jìn)行了速率為34 Mb/s以及速率為100 Mbit/s的光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。1980 年，140Mbit/s光纖通信系

2、統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)途干線。第2頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四6.1.2光纖通信的工作波長(zhǎng)光波是電磁波的一種，其波長(zhǎng)在微米級(jí)，頻率為1014Hz1015Hz數(shù)量級(jí)。目前光纖通信使用的波長(zhǎng)范圍是在近紅外區(qū)，即波長(zhǎng)為0.81.8m。光纖通信使用的三個(gè)工作窗口0.85m、1.31m、1.55m。第3頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四6.1.3 光纖通信的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)（1）傳輸頻帶寬，通信容量大（2）傳輸衰減小，中繼距離長(zhǎng)（3）抗電磁干擾，傳輸質(zhì)量好（4）體積小、重量輕、便于施工（5）原材料豐富，節(jié)約有色金屬，有利于環(huán)保缺點(diǎn)光

3、纖質(zhì)地脆，機(jī)械強(qiáng)度低；光纖的切斷和接續(xù)需要一定的工具設(shè)備和技術(shù)，光纜的彎曲半徑不能過小等等。 第4頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四6.2 光纖與光纜6.2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與分類6.2.2 光纖的導(dǎo)光原理6.2.3 單模傳輸條件6.2.4 光纖的傳輸特性6.2.5 光纜第5頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四 6.2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與分類1光纖的結(jié)構(gòu)纖芯、包層、涂覆層。纖芯位于光纖中心，作用是傳輸光波。包層位于纖芯外層，作用是將光波限制在纖芯中，同時(shí)還起到一定的機(jī)械保護(hù)作用。n1n2第6頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四由于石英玻

4、璃質(zhì)地脆、易斷裂，為保護(hù)光纖不受損害，提高抗拉度，一般需要在裸光纖外面指經(jīng)過兩次涂覆。裸光纖：由纖芯和包層組成。光纖芯線：經(jīng)過涂敷的裸光纖。 第7頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四設(shè)纖芯和包層的折射率分別為n1和 n2，光在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件是n1n2。相對(duì)折射指數(shù)差（）當(dāng)n與n的差別極小時(shí)，這種光纖稱為弱導(dǎo)波光纖。第8頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四2光纖的分類（1）按照光纖的制造材料分類按照光纖的制造材料的不同，光纖可分為玻璃（石英）光纖和塑料光纖。（2）按照光纖的傳輸模式分類根據(jù)光纖傳輸模式的數(shù)量，光纖可分為多模光纖（MMF）和單模光纖（S

5、MF）。 （3）按照光纖的折射率分布分類按照光纖剖面折射率分布的不同，光纖可分為突變型光纖（SIF）和漸變型光纖（GIF）。第9頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四第10頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四階躍型光纖（SIF）纖芯折射率呈均勻分布。漸變型光纖（GIF）纖芯折射率呈非均勻分布，在軸心處最大，而在光纖橫截面內(nèi)沿半徑方向逐漸減小，在纖芯與包層的界面上降至包層折射率n2。 W型光纖（雙包層光纖）在纖芯與包層之間設(shè)有一折射率低于包層的緩沖層，使包層折射率介于纖芯和緩沖層之間。第11頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四6.2.2

6、光纖的導(dǎo)光原理分析光纖的導(dǎo)光原理，一般可采用兩種方法：一種是波動(dòng)理論法，另一是射線法。波動(dòng)理論法是根據(jù)電磁場(chǎng)理論，分析其傳輸特性。 光可用一條表示光的傳播方向的幾何線來表示，這條幾何線就稱為光射線。用光射線來研究光波傳輸特性的方法，稱為射線法。第12頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四1光的反射和折射當(dāng)光射線射到兩種介質(zhì)交界面時(shí)，將發(fā)生反射和折射。 n1n2n1n2123入射折射反射第13頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四光的全反射 當(dāng)光從光密物質(zhì)（折射率大的物質(zhì)）入射進(jìn)光疏物質(zhì)（折射率小的物質(zhì)）時(shí)。當(dāng)入射角大于臨界角。 第14頁(yè)，共40頁(yè)，2022年

7、，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四光線在階躍型光纖中的傳播示意圖結(jié)論：1、階躍型光纖就是利用光波的全反射原理2、光波在纖芯中以“之”字形向前傳播。2階躍型光纖的傳輸原理第15頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四數(shù)值孔徑表示光纖的捕捉光線能力的大小。 NA是表示光纖特性的重要數(shù)，它反映光纖與光源等元件耦合時(shí)的耦合效率。若纖芯和包層的相對(duì)折射率差越大，NA值就越大，即光纖的集光能力就越強(qiáng)。 接收錐第16頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四n14n13n12n11n11n12n13n14結(jié)論：漸變型光纖纖芯折射率呈連續(xù)變化利用光的反射和折射光線在其中以一條近似于

8、正弦型的曲線向前傳播3漸變型光纖的傳輸原理第17頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四6.2.3 單模傳輸條件單模光纖是在給定的工作波長(zhǎng)上，只傳輸單一模式的光纖。 單模光纖需要滿足什么條件？第18頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四1歸一化頻率V歸一化頻率是為表征光纖中所能傳播的模式數(shù)目多少而引入的一個(gè)特征參數(shù)。其方程為：其中，是光纖的纖芯半徑；是光纖的工作波長(zhǎng)； n1和n2 分別是光纖的纖芯和包層折射率； k0 真空中的波數(shù)；光纖的相對(duì)折射率差。單模傳輸條件：0V2.405第19頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四6.2.4 光纖的傳

9、輸特性光纖的傳輸特性指的是光信號(hào)在光纖中傳輸所表現(xiàn)出來的特性，主要包括損耗特性和色散特性。第20頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四1光纖的損耗特性定義光信號(hào)在光纖內(nèi)傳播，隨著距離的增大，能量會(huì)越來越弱，其中一部分能量在光纖內(nèi)部被吸收，一部分可能突破光纖纖芯的束縛，輻射到了光纖外部，這叫做光纖的傳輸損耗（或傳輸衰減）。損耗系數(shù) (單位：dB/km)Pi和Po分別為入射光功率和出射光功率（mW或W）損耗系數(shù)是光纖傳輸系統(tǒng)中限制光信號(hào)中繼傳輸距離的重要因素之一。光纖損耗大致可以分為吸收損耗、散射損耗和其他損耗。第21頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四光纖的

10、傳輸損耗影響光信號(hào)的中繼距離。光纖損耗可以分為吸收損耗、散射損耗和其他損耗。為什么光纖的工作窗口選擇0.85m、1.31m、1.55m？歸納思考第22頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四2.光纖的色散特性光纖的色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，隨傳輸距離增加，由于不同成分的光傳輸時(shí)延不同引起的脈沖展寬的物理效應(yīng)。 模式色散模式色散是指即使同一波長(zhǎng)的光，若其模式不同，則傳播速率也不同，從而引起色散，又稱為模間色散，只存在于多模光纖中。色度色散光源的光譜中不同波長(zhǎng)成分的光在傳輸過程中發(fā)生群延時(shí)，引起光脈沖展寬，主要包括材料色散和波導(dǎo)色散。偏振模色散偏振模色散是由于光信號(hào)傳輸會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)

11、方向的偏振模，當(dāng)光纖在光信號(hào)傳輸?shù)膬蓚€(gè)方向上的折射率不同而產(chǎn)生的色散叫做偏振模色散。 第23頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四色散主要包括模式色散、色度色散和偏振模色散三種。正常色散：介質(zhì)的折射率n隨著波長(zhǎng)的增加而減小。反常色散：介質(zhì)的折射率n隨著波長(zhǎng)的增加而增加。歸納思考第24頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四6.2.5 光纜光纜的基本結(jié)構(gòu)一般由纜芯、加強(qiáng)構(gòu)件、填充物和護(hù)層等幾部分構(gòu)成，除了這些基本結(jié)構(gòu)之外，根據(jù)實(shí)際需要還要有防水層、緩沖層、絕緣金屬導(dǎo)線等構(gòu)件。 第25頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四（1）纜芯為了進(jìn)一步保護(hù)

12、光纜，增加光纖的強(qiáng)度，一般將帶有涂敷層的光纖再套上一層塑料層，通常稱為套塑。將套塑后且滿足機(jī)械強(qiáng)度要求的單根或者多根光纖芯線 以不同的形式組合起來，就形成了纜芯。 光纜纜芯的基本結(jié)構(gòu)大體上有層絞式、骨架式、束管式和帶狀式四種。 第26頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四（2）加強(qiáng)構(gòu)件加強(qiáng)構(gòu)件的作用事增加光纜的抗拉強(qiáng)度，提高光纜的機(jī)械性能。一般光纜的加強(qiáng)構(gòu)件采用鍍鋅鋼絲、鋼絲繩、不銹鋼或者高強(qiáng)度塑料加強(qiáng)構(gòu)件等。一般加強(qiáng)構(gòu)件位于光纜的中心，也有位于護(hù)層的，叫做護(hù)層加強(qiáng)構(gòu)件。（3）護(hù)層結(jié)構(gòu)護(hù)層的主要作用是保護(hù)纜芯，提高機(jī)械性能和防護(hù)性能。不同的護(hù)層結(jié)構(gòu)適合不同的敷設(shè)條件。光纜的護(hù)

13、層分為外護(hù)層和護(hù)套兩部分，護(hù)套用來防止鋼帶、加強(qiáng)構(gòu)件等金屬構(gòu)件損傷光纖；外護(hù)層進(jìn)一步增強(qiáng)光纜的保護(hù)作用。（4）填充結(jié)構(gòu)填充結(jié)構(gòu)用來提高光纜的防潮性能，在光纜纜間空隙中注入填充物，以防止水汽進(jìn)入光纜。第27頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四第28頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四6.3 光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)由光端機(jī)、光纜和中繼器組成。光發(fā)送機(jī)與光接收機(jī)統(tǒng)稱為光端機(jī)。光發(fā)送部分傳輸部分光接收部分電端機(jī)電端機(jī)光端機(jī)中繼器光纜光源光端機(jī)光纜光檢測(cè)器光源光檢測(cè)器第29頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四光發(fā)送機(jī)的主要作用將電端機(jī)送來的數(shù)

14、字基帶電信號(hào)變換為光信號(hào)，并耦合進(jìn)光纖線路中進(jìn)行傳輸。光發(fā)送機(jī)中的光源是整個(gè)系統(tǒng)的核心器件。光接收機(jī)的主要作用將光纖傳輸后的幅度被衰減、波形產(chǎn)生畸變的、微弱的光信號(hào)變換為電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、整形、再生成與發(fā)送端相同的電信號(hào)，輸入到電接收端機(jī)，光接收機(jī)中關(guān)鍵器件是半導(dǎo)體光檢測(cè)器。中繼器的主要作用可對(duì)微弱的光信號(hào)直接進(jìn)行放大的器件，其主要功能是提供光信號(hào)的增益，以補(bǔ)償光信號(hào)在傳輸過程中的衰減，增加傳輸系統(tǒng)無中繼距離。第30頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四6.3.1 光源1光源 光纖通信中用到的光源有半導(dǎo)體激光器（LD）和發(fā)光二極管（LED）兩種，發(fā)光二極管用于短距離

15、、低速光纖通信系統(tǒng)，光纖通信干線的光源均為半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器發(fā)出多種模式的光。第31頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四6.3.2中繼器作用光脈沖信號(hào)從發(fā)送機(jī)輸出經(jīng)光纖傳輸若干距離后，由于光纖損耗和色散的影響，光脈沖信號(hào)的幅度受到衰減，波形出現(xiàn)失真，為此就要在光信號(hào)傳輸一定距離時(shí)，加設(shè)一個(gè)中繼器，以放大衰減信號(hào)，恢復(fù)失真的波形，使光脈沖得到再生。 種類中繼器分為光-電-光中繼器和光中繼器兩種 。第32頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四光信號(hào)通過光發(fā)射機(jī)送到光纜傳輸，中間經(jīng)過中繼器進(jìn)行信號(hào)波形修整、再生、放大后，繼續(xù)傳輸，直到傳到接收機(jī)。歸納思考

16、第33頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四6.4 SDH同步數(shù)字系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）的研究工作始于1986年，其目的是建立光纖通信的通用標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)貝爾通信研究所最先提出了光同步傳輸網(wǎng)的概念，并稱之為同步光網(wǎng)絡(luò)（SONET）。國(guó)際電話電報(bào)咨詢委員會(huì)（CCITT），于1988年接受了SONET的概念，重新命名為同步數(shù)字系列（SDH），建立了世界性的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。第34頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四6.4.2 SDH的幀格式和速率用于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、管理、維護(hù)及指配指示凈負(fù)荷區(qū)域內(nèi)的信息首字節(jié)在STM-N幀內(nèi)

17、的準(zhǔn)確位置，以便接收時(shí)能正確分離凈負(fù)荷。真正用于電信業(yè)務(wù)的比特第35頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四SDH等級(jí)速率kbit/sSDH等級(jí)速率kbit/sSTM-1155 520STM-162 488 320STM-4622 080STM-649 953 280STM-25639813120第36頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四6.5 光波分復(fù)用的基本概念WDM技術(shù)基本原理是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開，并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端。 第37頁(yè)，共40頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四6.5.2 光波分復(fù)用的特點(diǎn)（1）充分利用光纖的巨大帶寬資源 （2）同時(shí)傳輸多種不同類