第九章光纖通信

第九章光纖通信第1頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內容1.概述2.光纖與光纜3.數(shù)字光纖通信系統(tǒng)4.光波分復用系統(tǒng)5.全光通信網展望第2頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月1.概述光纖通信是指以光波為載波，用光導纖維作為傳輸媒介的一種通信方式。由于主要傳輸和處理的是數(shù)字信號，因此又稱為數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。光纖通信與電通信的區(qū)別主要有兩點：一是傳輸信號的區(qū)別，二是傳輸媒介的區(qū)別。第3頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月表1光纖通信與電通信的區(qū)別通信形式光纖通信電通信傳輸信號光信號電信號傳輸媒介光導纖維金屬線、無線第4頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015Wavelength（m）ElectricphoneRadioTVmicrowaveinfraredVisiblelight雙鉸線同軸電纜光纖衛(wèi)星/微波AM無線電FM無線電第5頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光是一種電磁波可見光350nm～750nm光纖通信所用的波長800～1600nm145014901530157016101650S+SC

LL+

波長(nm)第6頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光功率衰減的單位dB(分貝)：描述功率相對比值的單位dB=10log10(Pout/Pin)Pout：輸出功率；Pin：輸入功率dBm(分貝毫瓦)：描述功率絕對值的單位dBm=10log10(P/1mw)1mw=0dBm10mw=10dBm40mw=16dBm第7頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月

字首字首符號倍數(shù)因數(shù)

太，tera T 1012

吉，giga G 109

兆，mega M 106

千，kilo k 103

分，centi c 10-2

毫，milli m 10-3

微，micro

10-6

納，nano n 10-9

皮，pico p 10-12

飛，femto f 10-15

第8頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖通信發(fā)展史發(fā)展史光電話：1880年貝爾(通信距離213m)光源：激光器梅曼(1960)美國貝爾公司(1970)半導體激光器傳光介質：光纖高錕(1966)美國康寧公司(1970)低損耗光纖工作波長0.85μm、1.31μm和1.55μm第9頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。這種光電話利用太陽光或弧光燈作光源，通過透鏡把光束聚焦在送話器前的振動鏡片上，使光強度隨話音的變化而變化，實現(xiàn)話音對光強度的調制。在接收端，用拋物面反射鏡把從大氣傳來的光束反射到硅光電池上，使光信號變換為電流，傳送到受話器。第10頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月1966年：光纖損耗為1000dB/km；高錕“光纖之父”1966年：高錕博士發(fā)表他的著名論文“光頻介質纖維表面波導”首次明確提出，通過改進制備工藝，減少原材料雜質，可使石英光纖的損耗大大下降，并有可能拉制出損耗低于20dB/km的光纖，從而使光纖可用于通信之中。第11頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月商用的光纖通信系統(tǒng)1977年在美國芝加哥和圣塔摩尼卡之間首次建成商用的光纖通信系統(tǒng)。兩根(直徑0.1mm左右)光纖，同時開通8000路電話！到1990年，光纖系統(tǒng)發(fā)展了幾代(通信業(yè)務40%)由多模光纖(70年代)過渡到單模光纖(80年代)由短波長(0.85μm)過渡到長波長(1.31μm)信息傳輸?shù)娜萘亢退俾蚀蟠筇岣摺?0年代：傳輸速率10000Mbit/s，同時開通1250000路電話。第12頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖通信特點和應用與電纜相比，光纖具有如下的顯著特點：1.線徑細，重量輕。有利于長途和市話干線布放，而且便于制造多芯光纜。2.損耗極低(1.55

m窗口的衰耗低于0.18dB／km),傳輸?shù)木嚯x可以很長。3.傳輸?shù)念l帶寬、信息容量大,現(xiàn)在已經發(fā)展到幾十千兆比特／秒的光纖通信系統(tǒng)，它可傳輸幾十萬路電話和幾千路彩色電視節(jié)目。4.不受電磁干擾、防腐和不會銹蝕。5.不怕高溫、防爆、防火性能強。6.保密性好。第13頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月2.光纖與光纜

（1）光纖的結構石英玻璃、塑料光纖和鹵化物玻璃纖芯(折射率大)和包層全反射第14頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月2.光纖與光纜

光纖：光導纖維的簡稱，是一種能利用光的全反射作用來傳導光線的透明度極高的(玻璃)纖維。第15頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月

光纖的基本結構一般是雙層或多層的同心圓柱體，如右圖所示。其中心部分是纖芯，纖芯外面的部分是包層，纖芯的折射率高于包層的折射率，從而形成一種光波導效應，使大部分的光被束縛在纖芯中傳輸，實現(xiàn)光信號的長距離傳輸。第16頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖的基本結構光纖結構和類型

光纖的幾何尺寸很小，纖芯直徑一般在5～50微米之間，包層的外徑為125微米，包括防護層，整個光纖的外徑也只有250微米左右。第17頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖直徑纖芯(Core)62.55mm125mm包層(Clad)Core8mm125mmClad85μm

多模單模人的頭發(fā)第18頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）光纖的分類按工作波長：短波長(850nm)和長波長(1310nm、1550nm)按傳輸模式：多模光纖和單模光纖按折射率分布：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、鹵化物光纖等幾種新型光纖：色散位移光纖(DSF)、非零色散光纖(NZDF)、色散平坦光纖(DFF)、色散補償光纖(DCF)等第19頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖材料

1.玻璃光纖：用于制作光纖的光學透明的絕大多數(shù)玻璃都是氧化物玻璃，其中最常用的是二氧化硅，這種材料在850nm波長上折射率為1.458。為了制作兩種具有相似特性、而折射率只有一個很小差異的材料以便形成纖芯和包層，可以在二氧化硅中摻入氟，或者摻入各種氧化物（通常稱為摻雜），例如B2O3、GeO2或P2O5等。2.

鹵化物玻璃纖維：氯化物玻璃在光波頻譜的中段直到紅外波段（0.2~8μm）有極低的傳輸損耗，其最低損耗窗口在2.55μm附近。氯化物玻璃是鹵化物玻璃家族中的一員，鹵化物中的負離子來自于元素周期表中的第Ⅶ組元素，例如氟、氯、溴、碘。3.

塑料光纖：直接在近距離提供高速業(yè)務的需求日益增長，開發(fā)了帶寬寬的用于用戶接入的梯度折射率聚合物光纖（POF）。這類光纖的纖芯，既可以是有機玻璃，也可以是加氯的聚合物。盡管塑料光纖與玻璃光纖相比有更大的光信號衰減，但它們具有更好的韌性、更為耐用。第20頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖類型-按傳播“路徑”分類1)在光纖技術中，如果只有一條光徑沿光纜傳播，則稱為單模；如果多于一條，則稱為多模?！澳！钡母拍詈唵握f就是“路徑”。2)如果一種光纖的纖芯折射率是均勻的，在纖芯與包層的界面有一個折射率突變（或階躍），此類光纖稱階躍折射率光纖;3)如果纖芯折射率作為從光纖中心向外的徑向距離的函數(shù)而漸變，這類光纖稱為梯度折射率光纖（或漸變型光纖）。

4)光纖的幾個典型：a.單模階躍型光纖

b.多模階躍型光纖

c.多模漸變型光纖

第21頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第22頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月ITU-T建議的光纖分類G.651光纖：計算機局域網或接入網G.652光纖：應用最廣的單模光纖

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、高密集波分復用系統(tǒng)

第23頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）光纜按芯數(shù)分為單芯、雙芯、多芯按結構分為層絞式、骨架式、帶狀等按敷設場合分為架空、直埋、管道、移動、室內、水下、海底等按用途分為通信用光纜和非通信用光纜加強元件加強元件加強元件加強元件加強元件光纖第24頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）光傳播的基本知識

光在均勻介質中沿直線傳播。光從光密介質到光疏介質傳播，電磁波速度提高，光線偏離法線方向折射。光在兩種可透射，且具有不同折射率的介質界面發(fā)生折射的情況可用斯涅爾定律（Snell’slaw）的關系式表示：當θ2=90o，θc=θ1=sin-1n2/n1

其中n是折射率，θc就是臨界角，臨界角是指當光由光密介質到光疏介質傳播時，使折射光與界面重合，即折射角等于90o或者更大的最小入射角。當折射角大于或等于90o，光線就不會進入光疏介質，而在界面上發(fā)生全反射，反射角等于入射角。

第25頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）光傳播的基本知識n1n2n1>n2n1n2臨界角900臨界角n1n2全反射入射角=反射角θ1θ2產生全反射的條件：n1>n290o>θ>臨界角第26頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖：全反射條件

θ2θ1當θ2=90o，θc=θ1=sin-1n2/

n1θc就是臨界角第27頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖的傳光原理(全反射)第28頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月階越型光纖性能參數(shù)相對折射指數(shù)差：數(shù)值孔徑(NA)：θ接收錐第29頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）多模光纖62.5/125μm的光纖在保安行業(yè)中應用最普遍典型距離達5英里用于：CCTV門禁控制系統(tǒng)內部通訊

多模MMF

第30頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）單模光纖無限帶寬8~10μm典型距離超過5英里用于：長途電信長途電視監(jiān)控及多路切換共用天線電視系統(tǒng)單模SMF

第31頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月單模光纖和多模光纖比較項目單模光纖多模光纖距離長短數(shù)據(jù)傳輸率高低光源激光發(fā)光二極管信號衰減小大端接較難較易造價高低第32頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（7）光纖的主要損耗

傳輸損耗是光纖的另一個重要性能指標，它會造成光能的減弱，引起系統(tǒng)帶寬、傳輸速率、有效性以及整個系統(tǒng)通信能力的下降。主要損耗有以下幾種：1.

吸收損耗：OH-和金屬離子

2.

瑞利散射3.

輻射損耗4.

連接器損耗第33頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖損耗與波長的關系

m第34頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月散射由于光線的基本結構不完美，引起的光能量損失，此時光的傳輸不再具有很好的方向性。光線缺陷第35頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖的耦合損耗

第36頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖損耗主要存在的地點光纖本身：與長度和類型有關1310nm：0.35~0.5dB/Km1550nm：0.2~0.3dB/Km850nm：2.3~3.4dB/Km光纖連接點：0.2dB/點·2Km設備處：3dB第37頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光損耗與波長光損耗單位：dB/km與波長有關單模損耗小波長又稱為窗口第38頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月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近端遠端信號傳播第39頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（8）光纖色散(Dispersion)光折射率與波長有關，因此不同波長的光及不同折射率都會導致不同的光速。因此，光源同時發(fā)出的光譜，經光纖傳輸后不會同時到達接收端，接收到的信號會發(fā)生畸變，使光脈沖展寬，這種畸變就稱為光纖色散畸變。它是限制傳輸速率的主要因素。光纖的色散可以分為材料色散、波導色散、模間色散、偏振色散。第40頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖概念小結光纖材料：玻璃光纖，鹵化物玻璃纖維，塑料光纖。斯涅爾定律，全反射條件?！澳！钡母拍睿簡文?，多模。光纖的損耗：損耗與波長的關系。

光纖色散：使光脈沖發(fā)生展寬。第41頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月信息源載波源

耦合器調制器耦合器檢測器處理器信宿光信號域電信號域發(fā)送機接收機信道3.數(shù)字光纖通信系統(tǒng)第42頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的組成

現(xiàn)在普遍采用的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，是采用數(shù)字編碼信號經光強度（單位面積上的光功率）調制/直接檢波的數(shù)字通信系統(tǒng)。光強度調制是利用數(shù)字信號直接調制光源的光強度，使之與信號電流成線性變化。直接檢波，是指信號在光接收機的光頻上檢測出數(shù)字脈沖信號。在發(fā)送設備中，有源器件把數(shù)字脈沖電信號轉換為光信號（E/O變換）送到光纖中進行傳輸。在接收設備中，光檢測器件將接收到的光信號轉換為數(shù)字脈沖信號（O/E變換）。當傳輸距離較遠時，需采用光中繼設備，把信號經過中繼再生處理后傳輸。

第43頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字光纖系統(tǒng)方框圖信號光發(fā)射機光源中繼器檢測器光接收機信號E/O轉換光纖O/E轉換發(fā)送單元傳輸單元接收單元連接器件第44頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖通信系統(tǒng)功能部件發(fā)送單元：把電信號轉換成光信號傳輸單元：載送光信號的介質接收單元：接收光信號并轉換成電信號連接器件：連接光纖到光源、光檢測以及其它光纖第45頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月器件有源光器件光源、光電檢測器、光纖放大器和調制器。無源光器件光分路器/耦合器、波分復用器、光纖連接器、光開關、光衰減器、光隔離器和極化器。第46頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光源為什么用激光作為光源？（1）激光頻率純，相干性好；（2）色散小；（3）激光方向性好，能量能夠高度集中。第47頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)激光器(光發(fā)送機)半導體激光器和發(fā)光二極管半導體激光器閾值特性光譜特性溫度特性轉換效率第48頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)常用連接器類型SCLCMT-RJDSCVF-45Opti-Jack第49頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月常用連接器類型FCTypeSCTypeSC2TypeFDDType第50頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)光纖熔接機第51頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)光電檢測器(光接收機)PIN和APD響應時間暗電流第52頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）光中繼器作用：放大衰減了的光信號光-電-光轉換第53頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖數(shù)字通信系統(tǒng)組成原理方框圖

第54頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖數(shù)字通信系統(tǒng)工作原理

數(shù)字電端機主要是把用戶各種數(shù)字信號，包括數(shù)字程控交換機和數(shù)字接口，通過復用設備（PDH或SDH）組成一定的數(shù)字傳輸結構（幀結構），不同速率等級的數(shù)字信號流送至光端機。光端機把數(shù)字電端機送來的數(shù)字信號進行處理，變成光脈沖送入光纖進行傳輸，接收端進行相反的變換。光端機主要由光發(fā)送、光接收、信號處理及輔助電路組成。在光發(fā)送部分完成電／光變換，在光接收部分主要完成光／電變換。信號處理，主要指把數(shù)字電端機送來的數(shù)字脈沖信號再處理，以及各種碼型變換，使之適應光傳輸及其他目的。輔助電路主要包括告警、公務、監(jiān)控及區(qū)間通信等等。第55頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月PDH數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)

第56頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月SDH光同步數(shù)字傳輸系統(tǒng)

SDH網性能卓越被公認為新一代理想的寬帶傳輸網。SDH基本群信號STM-1其速率為155.52Mbit/s。更高等級的STM-n群信號可以看成是將STM-1基本群信號字節(jié)間插同步復用的結果。STM-n中的n目前可取1、4、16、64。下表列出了ITU-T建議G.707所規(guī)范的標準速率。從中可以看出，因SDH采用同步復用，在低次群合成高次群時無需插入比特，故SDH多次群速保持乘4的整數(shù)倍關系。

等級速率（Mbit/s）STM-1155.520STM-4622.080STM-162488.320STM-649953.280第57頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月SDH終端復用（TM）設備第58頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月SDH分插復用（ADM）設備

SDHADM設備串接在SDH鏈路中，可從過路的SDH信號中，分插沿途局所需的支路信號。因為ADM插入SDH鏈路工作，故ADM設備具有兩個線路側，每一線路側接有一對光纖；一個支路側用于沿途上下PDH和/或SDH支路信號。

第59頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月STM-n的幀結構

第60頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月SDH的幀結構

STM-n幀由270╳n列和9行字組成。與PDH幀長一樣，STM-n幀長度為125μs，即1秒傳遞8000幀。對STM-1而言，1幀包含270×9=243Byte;270×9×8=19440bit，SDH1秒傳輸8000幀，故STM-1的速率為19440×8000=155.52Mbit/s。

在STM-n的幀結構中包括信息凈負荷區(qū)域、段開銷區(qū)域和管理單元指針區(qū)域。

（1）信息凈負荷（Payload）區(qū)域：Payload區(qū)域為幀結構中存放各種信息的區(qū)域。圖中，261×9×n個字節(jié)都屬于凈負荷區(qū)。在凈負荷區(qū)除了包含各支路信息外，還包含少量用于通道性能監(jiān)視、管理和控制的通道開銷字節(jié)（POH，PathOverHead）。

第61頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月SDH的幀結構（續(xù)）

（2）段開銷（SOH，SectionOverHead）區(qū)域：SOH是為了保證信息正常靈活的傳輸所需的附加字節(jié)。SOH供網絡運行、維護、管理使用。

（3）管理單元指針（AUPTR，Adminstrativeunitpointer）區(qū)域：所謂指針，是一組地址碼，用來指示信息凈負荷中第一字節(jié)在STM-n幀內的準確位置，以便正確提取與分解凈負荷中的信息。調整指針就是調節(jié)凈負荷和STM-n幀之間頻率與相位關系。采用指針方式是SDH的重要創(chuàng)新，這使得它可以在準同步環(huán)境中完成同步復用。第62頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月SDH系統(tǒng)特點

優(yōu)點：①有標準光接口；②同步字節(jié)復用；③強大的網絡管理功能。不足之處：①由于增加了大量的維護管理比特因此頻帶利用率不如PDH系統(tǒng)；②由于在復接中采用了指針調整技術,使技術設備復雜。③由于大量采用了軟件技術進行控制、管理與維護，如果出現(xiàn)人為和設備、軟件故障及計算機病毒侵入，會導致系統(tǒng)發(fā)生重大故障

甚至造成系統(tǒng)癱瘓。SDH系統(tǒng)還有很多內容：SDH再生（REG,Regenerator）設備、數(shù)字交叉連接設備（DXC）、SDH設備的組網與保護、SDH自愈環(huán)形網、SDH網絡管理、SDH系統(tǒng)網同步與定時等。第63頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光通信技術發(fā)展延長中繼距離光放大器(EDFA) 外調制器(電光晶體LiNbO3) 色散補償(DCF、Bragg光纖光柵)提高通信容量時分復用技術(TDM) 波分復用技術(WDM)光頻分復用(OFDM)：載波間隔<1nm第64頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月4.光波分復用系統(tǒng)光波分復用（WDM：WavelengthDivisionMultiplexing）技術是在一根光纖中同時傳輸多波長光信號的一項技術。在同一窗口中信道間隔較小的波分復用稱為密集波分復用（DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing）。目前DWDM是在1550nm波長區(qū)段內，同時用8，16或更多個波長,其中每個波長之間的間隔為1.6nm，0.8nm或更低，對應約200GHz，100GHz或更窄的帶寬。其中1525－1565nm一般稱為C波段這是目前系統(tǒng)所用的波段。目前一般系統(tǒng)應用時所采用的信道波長是等間隔的，即k×0.8nm，k取正整數(shù)。

第65頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月波分復用WDM

波分復用就是光的頻分復用。

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2.5Gb/s1310nm1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm5