第七章光纖通信

第七章光纖通信光纖通信系統(tǒng)

光纖全稱為光導(dǎo)纖維，它是一種能夠通光的、直徑很細(xì)的透明玻璃絲，是一種新的傳輸介質(zhì)。光纖通信是以光波為載波,以光導(dǎo)纖維為傳輸媒質(zhì)的激光通信，就是運(yùn)用光反射原理，把光的全反射限制在光纖內(nèi)部，用光信號(hào)取代傳統(tǒng)通信方式中的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信息的傳遞的，亦即將要傳的、電報(bào)、圖象和數(shù)據(jù)等信號(hào)先變成光信號(hào)，再經(jīng)由光纖進(jìn)行傳輸或在本地進(jìn)行光交換的一種通信方式。2概述

利用光導(dǎo)纖維作為光的傳輸介質(zhì)的光纖通信,其發(fā)展只有幾十年的歷史，它的發(fā)展是以1960年美國人Maiman發(fā)明的紅寶石激光器，和1966年英籍華人高錕博士提出利用二氧化硅石英玻璃可制成低損耗光纖的設(shè)想為基礎(chǔ)的，這種設(shè)想直到1970年美國康寧公司研制出損耗為20dB/Km的光纖，才使光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸成為可能。3光纖通信發(fā)展簡史

自1970年以后，光纖通信的研究在世界范圍內(nèi)展開并得到迅猛發(fā)展，在短短的一、二十年中，已從0.85um短波長多模光纖發(fā)展到1.31um～1.55um的長波長單模光纖，同時(shí)開發(fā)出許多新型光電器件，激光器壽命已達(dá)數(shù)十萬小時(shí)甚至百萬小時(shí)，一些國家相繼建成了長距離光纖通信系統(tǒng)。

4頻帶寬,通信容量大理論上講一根單模光纖可利用的帶寬達(dá)20THz(1THz=1012Hz)以上,現(xiàn)在最先進(jìn)的光纖通信系統(tǒng)達(dá)400GHz,而一路帶寬約占4KHz頻帶,一路彩色電視約占6MHz頻帶損耗低,中繼距離長銅纜的損耗特性與銅纜的結(jié)構(gòu)尺寸及所傳輸信號(hào)的頻率有關(guān),光纜的損耗特性僅與玻璃的純度(或者說透明度)有關(guān),高質(zhì)量望遠(yuǎn)鏡的鏡頭損耗超過500dB/km,目前通信用光纖的最低損耗達(dá)0.2dB/km光纖通信的優(yōu)點(diǎn)5具有抗電磁干擾能力光導(dǎo)纖維是絕緣體材料,不受輸電線,電氣化鐵路及高壓設(shè)備等電器干擾,可以與高壓電線平行架設(shè),還可制成復(fù)合光纜光纖不受強(qiáng)電干擾、電氣化鐵道干擾和雷電干擾，抗電磁脈沖能力也很強(qiáng)。無串話,保密性好通信質(zhì)量高光纖通信的優(yōu)點(diǎn)6

線徑細(xì)，重量輕，柔軟可制成大芯數(shù)高密度光纜單芯光纜可安裝在飛機(jī),火箭,潛艇及航天飛機(jī)上節(jié)約有色金屬，原材料資源豐富光纖的主要成分是SiO2資源十分豐富。電纜的主要成分是Cu,Al等有色金屬，資源有限，可節(jié)約大量金屬。光纖通信的優(yōu)點(diǎn)7缺點(diǎn)質(zhì)地脆,機(jī)械強(qiáng)度低光纖切斷和接續(xù)需要一定的工具,設(shè)備和技術(shù)分路,耦合不靈活光纖,光纜彎曲半徑不能過小81977年，第一根短波長(0．85mm)階躍型石英光纖問世，長度為17m，衰減系數(shù)為300dB/km。1978年，研制出短波長多模梯度光纖，即G.651光纖。1979年，研制出多模長波長光纖，衰減為1dB/km。建成5.7km、8Mb/s光通信系統(tǒng)試驗(yàn)段。1980年，1300nm窗口衰減降至0.48dB/km，1550nm窗口衰減為0.29dB/km。我國光纖通信的開發(fā)里程

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1984年，武漢、天津34Mb/s市話中繼光傳輸系統(tǒng)工程建成(多模)。

1988年，全長245km的武漢－長沙市34Mb/s多模光纜通信系統(tǒng)工程通過郵電部鑒定驗(yàn)收。1989年，漢陽——漢南40Mb/s單模光傳輸系統(tǒng)工程通過郵電部鑒定驗(yàn)收。1991年，研制出G.653色散位移光纖。最小衰減達(dá)0.22dB/km。合肥——蕪湖40Mb/s單模光傳輸系統(tǒng)工程通過國家鑒定驗(yàn)收。我國光纖通信的開發(fā)里程

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1993年，在摻鉺光纖放大器的研究上取得突破性進(jìn)展，小信號(hào)增益達(dá)25dB。上?！獰o錫65Mb/s單模光傳輸系統(tǒng)工程通過郵電部鑒定驗(yàn)收。1997年，研制出G.655非零色散位移光纖。成都——攀枝花22Mb/sSDH光傳輸工程通過郵電部鑒定驗(yàn)收。1998年，?？凇齺?Gb/s光傳輸系統(tǒng)工程通過郵電部鑒定驗(yàn)收，該工程全長322km，僅在萬寧設(shè)一個(gè)中繼站，海口——萬寧的中繼距離為172km。1999年，8×2.5Gb/sDWDM系統(tǒng)通過國家驗(yàn)收。我國光纖通信的開發(fā)里程

11光的傳播光是一種電磁波

可見光部分波長范圍是：0.39~0.76μm。大于0.76μm部分是紅外光，小于0.39μm部分是紫外光。光纖中應(yīng)用的是：0.85，1.31，1.55μm三種。

12頻率（Hz）1021041061081012101410161018102010221061041021101010-210-410-610-810-1010-1210-14波長名稱長波中波短波超短波微波毫米波紅外線可見光紫外線X射線10mm1mm100μm10μm1μm100nm10nm1nm紅外線可見光紫外線光電磁波譜13光纖通信系統(tǒng)的基本組成

光纖通信系統(tǒng)可歸結(jié)為電-光-電的簡單模型。即需傳輸?shù)男盘?hào)必須先變成電信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換成光信號(hào)在光纖內(nèi)傳輸，對(duì)端又將光信號(hào)變成電信號(hào)。整個(gè)過程中，光纖部分只起傳輸作用，對(duì)于信號(hào)的生成和處理，仍由電系統(tǒng)來完成。光端機(jī)光纖光纖數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)

中繼器光端機(jī)14光纖與光纜

光纖通信中采用的傳輸媒介是光纖，光纖與加強(qiáng)元件、外護(hù)層等組合而成光纜。15光纖導(dǎo)光的原理

包層(n2)

芯線(n1)

入射

出射

光纖是一種介質(zhì)波導(dǎo)，具有把光封閉在其中并沿軸向進(jìn)行傳播的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其直徑大約只有0.1mm，它是由兩種折射率不同的玻璃構(gòu)成的。16通信用光纖、光纜光纖種類與尺寸包層纖芯包層與纖芯的主要材料均為玻璃，但它們摻雜不同的雜質(zhì)，使包層與纖芯具有不同的折射率。包層的外面還有一層保護(hù)層保護(hù)光纖簡單說模式就是指電磁場(chǎng)的“波形”17光纖的結(jié)構(gòu)纖芯

包層塑套18光纜中的光纖一般是指經(jīng)過兩次涂覆后的光纖芯線，它的剖面結(jié)構(gòu)如圖所示。

19光纖的種類光纖是一種新型的光波導(dǎo)，其種類很多，按光纖材料不同，常見的有以下幾種：·石英光纖·多組分玻璃光纖·全塑光纖20

按照折射率分布不同來分:通常采用的是階躍型光纖和漸變型光纖兩種。(1)階躍型光纖(2)漸變型光纖光纖的分類21

按照傳輸?shù)目偰?shù)來分:

所謂模式，實(shí)質(zhì)上是電磁場(chǎng)的一種分布形式。模式不同，其分布不同，根據(jù)光纖中傳輸模式數(shù)量來分，可分為單模光纖(SM-Singlemodefiber)和多模光纖(MM–Multi-modefiber)。光纖的分類22

光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加而光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗。光纖本身損耗的原因，大致包括兩類：吸收損耗和散射損耗。

光纖的損耗特性23

吸收損耗是光波通過光纖材料時(shí)，有一部分光能變成熱能，造成光功率的損失。散射損耗是由于光纖的材料、形狀、折射率分布等的缺陷或不均勻，使光纖中傳導(dǎo)的光發(fā)生散射，由此產(chǎn)生的損耗為散射損耗。

光纖的損耗特性吸收損耗:·本征吸收·雜質(zhì)吸收散射損耗:·瑞利散射·結(jié)構(gòu)缺陷散射24

由于光纖中色散的存在，會(huì)使得輸入脈沖在傳輸過程中展寬，產(chǎn)生碼間干擾，增加誤碼率，這樣就限制了通信容量和傳輸距離。光纖的色散特性25光纖色散的概念

簡單地說，光纖的色散就是由于光纖中光信號(hào)中的不同頻率成分或不同的模式，在光纖中傳輸時(shí)，由于速度的不同而使得傳播時(shí)間不同，因此造成光信號(hào)中的不同頻率成分或不同模式到達(dá)光纖終端有先有后，從而產(chǎn)生波形畸變的一種現(xiàn)象。從光纖色散產(chǎn)生的機(jī)理來看，它包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散三種。在單模光纖中只有基模傳輸，因此不存在模式色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散。光纖的色散特性26在多模光纖中，不同模式在同一頻率下傳輸，各自的相位常數(shù)βmn不同，群速不同，模式之間存在時(shí)延差，這種色散稱為模式色散。材料色散是由于光纖材料本身的折射率隨頻率而變化，使得信號(hào)各頻率成分的群速不同，引起的色散稱為材料色散。由于光纖的幾何結(jié)構(gòu)、形狀等方面的不完善，使得光波一部分在纖芯中傳輸，而另一部分在包層中傳輸，由于纖芯和包層的折射率不同，這樣造成脈沖展寬的現(xiàn)象，稱為波導(dǎo)色散，或稱結(jié)構(gòu)色散。

光纖的色散特性27在實(shí)際通信線路中，光纖通信用的光纖都經(jīng)過了一次涂覆和二次涂覆的處理，經(jīng)過涂覆后的光纖雖然已具有了一定的抗張強(qiáng)度，但還是經(jīng)不起施工中的彎折、扭曲和側(cè)壓等外力作用，為了使光纖能在各種環(huán)境中使用，必須把光纖與其他元件組合起來構(gòu)成光纜，使其具有良好的傳輸性能以及抗拉、抗沖擊、抗彎、抗扭曲等機(jī)械性能。光纜28光纜的結(jié)構(gòu)要求：保證光纖傳輸特性的優(yōu)良、穩(wěn)定、可靠；保證光纜具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和環(huán)境溫度性能；確保光纜的防潮能力，使光纜具有足夠的使用壽命；有利于降低生產(chǎn)成本，使光纜的價(jià)格低廉。29光纜的基本結(jié)構(gòu)不論光纜的具體結(jié)構(gòu)形式如何，都是由纜芯、護(hù)套和加強(qiáng)元件構(gòu)成。纜芯：由單根或多根光纖芯線組成，其作用是傳輸光波。加強(qiáng)元件：加強(qiáng)元件一般有金屬絲和非金屬纖維，其作用是增強(qiáng)光纜敷設(shè)時(shí)可承受的拉伸負(fù)荷。護(hù)層：光纜的護(hù)層主要是對(duì)已形成纜的光纖芯線器保護(hù)作用，避免受外界的損傷。

30纜芯是由光纖芯線組成，可分為單芯和多芯：單芯型：由單根經(jīng)二次涂敷處理后的光纖組成多芯型：由多根經(jīng)二次涂敷處理后的光纖組成二次涂覆主要采用兩種保護(hù)結(jié)構(gòu)：緊套結(jié)構(gòu)松套結(jié)構(gòu)光纜的基本結(jié)構(gòu)31光纜的種類層絞式光纜結(jié)構(gòu)32光纜的種類單位式光纜結(jié)構(gòu)33光纜的種類骨架式光纜結(jié)構(gòu)34光纜的種類帶狀式光纜結(jié)構(gòu)35公用通信網(wǎng)中的光纜結(jié)構(gòu)種類結(jié)構(gòu)光纖芯線數(shù)必要條件長途光纜層絞式單位式骨架式<1010-20<10低損耗、寬頻帶、骨架式有利于防護(hù)側(cè)壓力海底光纜層絞式單位式4-100低損耗、耐水壓、耐張力用戶光纜單位式帶狀式<200>200高密度、多芯和低損-中耗局內(nèi)光纜單位式帶狀式2-20重量輕、線徑細(xì)36光纖通信系統(tǒng)的組成信源電發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光中繼光接收機(jī)電接收機(jī)信宿37光端機(jī)的組成

由于光纖通信系統(tǒng)一般都是雙向的，所以我們將光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)做在一起，稱為光端機(jī)。38光發(fā)射機(jī)

光發(fā)射機(jī)的作用是將電信號(hào)變成光信號(hào)，然后送入光纖中傳輸出去。光發(fā)射機(jī)主要是由光源、光源驅(qū)動(dòng)、調(diào)制以及信道編碼電路三部分組成。39光發(fā)射機(jī)原理圖

ATC驅(qū)動(dòng)APC光源光監(jiān)測(cè)均衡碼型變換擾碼編碼時(shí)鐘數(shù)字基帶信號(hào)信道編碼電路光源驅(qū)動(dòng)與調(diào)制電路40光發(fā)射機(jī)輸入接口其作用是進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。因?yàn)镻CM電信號(hào)通常是三電平碼即+12V、0V、-12V，輸入接口把它們轉(zhuǎn)換成二電平的非歸零碼（NRZ）或者歸零碼（RZ）。碼型變換為了在不中斷通信業(yè)務(wù)的條件下對(duì)光纖通信進(jìn)行誤碼監(jiān)測(cè)、實(shí)現(xiàn)公務(wù)聯(lián)絡(luò)和減少長連“0”與長連“1”的個(gè)數(shù)，通常要在發(fā)送端進(jìn)行碼型變換，而在接收端進(jìn)行碼型反變換。碼型變換的方法是在原來標(biāo)準(zhǔn)碼率的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加一些碼率，利用增加碼率的一部分來實(shí)現(xiàn)誤碼監(jiān)視、公務(wù)聯(lián)絡(luò)及平衡碼流等。41光發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與光源組件實(shí)際上就是光源及其調(diào)制電路。其作用是把電信號(hào)變成光脈沖信號(hào)發(fā)送到光纖當(dāng)中。該部分是光發(fā)送機(jī)的核心，許多重要技術(shù)指標(biāo)皆由該部分決定。自動(dòng)功率控制（APC）為了使光發(fā)送機(jī)能輸出穩(wěn)定的的光功率信號(hào)，必須采用相應(yīng)的負(fù)反饋措施來控制光源器件的發(fā)光功率。42光纖通信對(duì)光源器件的要求光纖通信就是用低衰耗光纖來傳輸攜帶通信信息的光波，但并非所有的光都能用于光纖通信。人們希望用相干性好的激光作為攜帶通信信息的載體，因?yàn)樗哂蓄l率一致性好，相位差恒定，方向性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。自從1960年梅曼發(fā)明了世界上第一只激光器（紅寶石）以來，激光技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并在各個(gè)領(lǐng)域尤其是工業(yè)領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。但截止到1970年以前，世界上生產(chǎn)的激光器都不能用于光纖通信，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)激光器體積龐大，而且不能連續(xù)波工作。而通信是要求長期連續(xù)不間斷地工作。只有在1970年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出能在室溫下連續(xù)波工作的世界上第一只GaAsAl激光器，才為光纖通信找到了合適的光源。43光纖通信對(duì)光源器件的要求發(fā)射光波長適中光源器件發(fā)射光波的波長，必須落在光纖呈現(xiàn)低衰耗的0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。發(fā)射光功率足夠大光源器件一定要能在室溫下連續(xù)工作，而且其入纖光功率足夠大，最少也應(yīng)有數(shù)百微瓦，當(dāng)然達(dá)到一毫瓦以上更好。在這里我們強(qiáng)調(diào)的是入纖光功率而不指單純的發(fā)光功率。因?yàn)橹挥羞M(jìn)入光纖后的光功率才有實(shí)際意義，由于光纖的幾何尺寸極?。▎文９饫w的芯徑不足10微米），所以要求光源器件要具有與光纖較高的耦合效率。44光纖通信對(duì)光源器件的要求溫度特性好光源器件的輸出特性如發(fā)光波長與發(fā)射光功率大小等，一般來講隨溫度變化而變化，尤其是在較高溫度下其性能容易劣化。在光纖通信的初期與中期，經(jīng)常需要對(duì)半導(dǎo)體激光器加致冷器和自動(dòng)溫控電路，而目前一些性能優(yōu)良的激光器可以不需要任何溫度保護(hù)措施。發(fā)光譜寬窄光源器件發(fā)射出來的光的譜線寬度應(yīng)該越窄越好。因?yàn)槿羝渥V線過寬，會(huì)增大光纖的色散，減少了光纖的傳輸容量與傳輸距離（色散受限制時(shí)）。例如對(duì)于長距離、大容量的光纖通信系統(tǒng)，其光源的譜線寬度應(yīng)該小于2nm。45光纖通信對(duì)光源器件的要求工作壽命長光纖通信要求其光源器件長期連續(xù)工作，因此光源器件的工作壽命越長越好。目前工作壽命近百萬小時(shí)（約100年）的半導(dǎo)體激光器已經(jīng)商用化。體積小重量輕光源器件要安裝在光發(fā)送機(jī)或光中繼器內(nèi)，為使這些設(shè)備小型化，光源器件必須體積小、重量輕。46光源器件半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED：發(fā)激光，譜線寬度較寬，調(diào)制速度較低，與光纖的耦合效率較低，輸出曲線線性好，使用壽命長，成本低，適用于短距離、小容量的傳輸系統(tǒng)。半導(dǎo)體激光器LD：長距離、大容量的傳輸系統(tǒng)47中繼器光發(fā)送機(jī)輸出的經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制的光脈沖信號(hào)通過光纖傳輸?shù)浇邮斩?。由于受發(fā)送光功率、接收機(jī)靈敏度、光纖線路損耗、甚至色散等因素的影響及限制，光端機(jī)之間的最大傳輸距離是有限的。例如，在1.31μm工作區(qū)34Mb／s光端機(jī)的最大傳輸距離一般在50～70km。如果要超過這個(gè)最大傳輸距離，通?？紤]增加光中繼器，以放大和處理經(jīng)衰減和變形了的光脈沖。48中繼器傳統(tǒng)的光中繼器采用的是光－電－光(O-E-O)的模式，光電檢測(cè)器先將光纖送來的非常微弱的并失真了的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過放大、整形、再定時(shí)，還原成與原來的信號(hào)一樣的電脈沖信號(hào)。然后用這一電脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)光，又將電信號(hào)變換成光信號(hào)，向下一段光纖發(fā)送出光脈沖信號(hào)。通常把有再放大(re-amplifying)、再整形（re-shaping）、再定時(shí)（re-timing）這三種功能的中繼器稱為“3R”中繼器。這種方式過程繁瑣，很不利于光纖的高速傳輸。自從摻鉺光纖放大器問世以后，光中繼實(shí)現(xiàn)了全光中繼，通常又稱為1R（re-amplifying）再生。此技術(shù)目前仍然是通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。49中繼器前置放大器主放大均衡判決調(diào)制電路光源時(shí)鐘提取自動(dòng)功率控制光電檢測(cè)器自動(dòng)功率控制50光接收機(jī)光接收機(jī)的作用是接收經(jīng)光纖傳輸衰減后的十分微弱的光信號(hào)，從中檢測(cè)出傳送的信息，放大到足夠大后，供終端處理使用。它包括光電檢測(cè)器、光信號(hào)接收電路和信道解碼電路三部分。51光接收機(jī)原理圖

光電檢測(cè)器放大器均衡器判決器解碼解擾碼型反變換時(shí)鐘恢復(fù)電路AGC電信號(hào)光信號(hào)接收電路信道解碼電路光信號(hào)52光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器：光接收機(jī)中實(shí)現(xiàn)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件稱為光電檢測(cè)器。其作用是把信號(hào)（通信信息）從光波中分離（檢測(cè)）出來，即進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換。半導(dǎo)體光電檢測(cè)器是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。光檢測(cè)器件質(zhì)量的優(yōu)劣在很大程度上決定了光接收機(jī)靈敏度的高低。而光接收機(jī)的靈敏度和光源器件的發(fā)光功率、光纖的衰耗三者一起便決定了光纖通信的中繼距離（在系統(tǒng)受衰耗限制而不是受色散限制時(shí)）。PIN光電二極管APD雪崩二極管53光接收機(jī)主放大器：其作用是把信號(hào)進(jìn)一步放大，其增益一般在50dB以上。主放大器的輸出脈沖幅度一般在1～3伏（峰一峰值），以滿足判決再生電路的要求。均衡器：把主放大器輸出的脈沖進(jìn)行均衡，以形成碼間干擾最小、能量集中即最有利于進(jìn)行判決的升余弦波形。54光接收機(jī)判決再生電路：對(duì)均衡器輸出的脈沖流逐個(gè)進(jìn)行判決，并再生成波形整齊的脈沖碼流。自動(dòng)增益控制（AGC）：其作用是控制前置放大器與主放大器的增益，并使光接收機(jī)有一個(gè)規(guī)定的動(dòng)態(tài)范圍。55光纖通信中的高新技術(shù)

相干光通信技術(shù)光復(fù)用技術(shù)動(dòng)態(tài)單頻激光器光孤子通信技術(shù)56光波分復(fù)用Λ1（光源）Λ2（光源）Λn（光源）合波器Λ1(檢測(cè)器)分波器Λ2(檢測(cè)器)Λn(檢測(cè)器)單根光纖

由于光纖具有很寬的帶寬，因此可以在一根光纖中傳輸多個(gè)波長的光載波，這就是波分復(fù)用(WDM)，它類似于無線電信道的頻分復(fù)用。57波分復(fù)用系統(tǒng)光波分復(fù)用（WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技術(shù)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多波長光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號(hào)組合起來（復(fù)用），并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號(hào)分開（解復(fù)用），并作進(jìn)一步處理。5