光纖通信基礎原理-培訓材料

1、光纖通信基礎原理華南分院華南分院-廣電項目組培訓資料廣電項目組培訓資料2013.1目錄一.光纖通信概述二.光纖光纜三.光纖通信器件四.光纖通信系統(tǒng)光纖通信基本概念v光纖是光導纖維的簡稱，光纖通信是以光波為載波，以光纖為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。光波波譜v光波波長范圍為300610-3 m，分為：紅外線、可見光、紫外線。v光纖通信的波長在1.80.8 m，屬紅外波段。X射線射線無線電波紅外線可見光紫外線300 m0.76 m0.39 m610-3 m光纖通信系統(tǒng)模型光纖通信的優(yōu)點v傳輸頻帶寬，通信容量大理論上，一對光纖可傳10億路電話或10萬路電視。由于光纖制造技術和電子器件的限制，現(xiàn)一對光纖可傳

2、數(shù)十萬路電話或數(shù)千路電視。v光纖傳輸損耗低，中繼距離長目前，中繼距離超過300km。v抗干擾能力強光纖是絕緣體，不怕雷電和高壓。光纖傳輸?shù)念l率高于各種干擾源頻率。光纖通信的優(yōu)點v保密性好光波只在光纖中傳輸，不會跑到光纖之外。v節(jié)省大量有色金屬光纖的材料SiO2取之不盡，用之不竭。按現(xiàn)在的開采速度，世界上的銅礦只能再開采50年左右。v光纖體積小，重量輕光纜截面積為12mm，18芯同軸電纜的為65mm。光纜重量為90g/m，18芯同軸電纜的為11/m。光纖的結(jié)構(gòu)v通常光纖由纖芯、包層、一次涂敷層和套層共四層組成。光纖的結(jié)構(gòu)v未經(jīng)和套塑的光纖稱裸光纖，外徑為125m。v纖芯折射率稍大于包層折射率，以

3、保證光纖在纖芯中傳播。纖芯的折射率一般是l.463l.467,包層的折射率是1.45l.46左右。光纖的種類v按制造光纖所用材料分：石英系光纖多組分玻璃光纖塑料包層石英系光纖全塑料光纖氟化物光纖v按光纖傳輸模式數(shù)分：多模光纖單模光纖光纖的種類v按光纖折射率分布形狀分：階躍型光纖漸變型光纖三角形折射率分布光纖W型折射率分布光纖v按光纖的工作波長分：短波長光纖長波長光纖超長波長光纖光纖的損耗特性v光纖的損耗特性是光纖的傳輸特性之一。v損耗大小在很大程度上決定著光中繼距離的長短。v光纖損耗大致可分為光纖具有的固有損耗以及光纖制成后由使用條件造成的附加損耗。損耗種類 散射損耗 吸收損耗 微彎損耗 附加

4、損耗 彎曲損耗 接續(xù)損耗光纖損耗固有損耗光纖的色散特性v光纖的色散特性是光纖的又一傳輸特性。v色散大小直接影響通信容量的增減和通信距離的遠近。v色散是指光纖所傳輸?shù)男盘柌ㄐ位兊囊环N物理現(xiàn)象。表現(xiàn)為光脈沖寬度被展寬。色散種類模式色散：不同模式，其傳輸路徑不同，到達終點時間也不同，從而引起光脈沖展寬。材料色散：由于光源發(fā)出的光具有一定的波譜寬度，而石英玻璃的折射率隨光波頻率變化，引起模內(nèi)各信號的傳輸速率不同而產(chǎn)生的色散。波導色散（結(jié)構(gòu)色散）：由于波導效應引起模內(nèi)頻率高或波長短的光信號進入包層，而包層折射率小于纖芯折射率，導致模內(nèi)各信號的傳輸速率不同而產(chǎn)生的色散。 光纖的工作窗口v三個低損耗窗口：

5、0.85 m、1.31 m和1.55 m。v一般的二氧化硅光纖的零色散波長在1.31 m左右，而損耗最小點在1.55 m波長附近。實用光纖類型v常規(guī)單模光纖常規(guī)單模光纖是80年代初期成熟并實用化的一種光纖，即G.652光纖，其零色散波長在1.31m附近，典型損耗為0.33dB/km。v色散位移光纖 （DSF） 要利用1.55m的低損耗窗口，需改變單模光纖設計，將零色散波長從1.31m移到1.55m，形成色散位移光纖，即G.653光纖。我國于1991年研制出G.653色散位移光纖，最小衰減達0.22dB/km。實用光纖類型v非零色散光纖非零色散光纖，即G. 655光纖，有的也稱為真波光纖。它是在

6、單模光纖中引入一個小的控制色散，抑制四波混頻，即將零色散點移到光纖放大器的工作波段以外。試驗證明，小的色散有利于增加波分復用每個信道的容量和信道數(shù)量，實現(xiàn)超大容量的密集波分復用。實用光纖類型v色散補償光纖色散補償光纖在1.55m窗口有很大的負色散。在原G.652光纖線路中加入一段色散補償光纖，用其長度來控制色散補償量的大小，以抵消原G.652光纖在1.55m處的正色散，使整個線路在1.55m處的總色散為零 。一般說來，25m DCF可補償1km G. 652光纖的色散。光纖的測量v光纖損耗的測量切斷法：沿光纖長度分別測兩點的光功率。背向散射法：在光纖始端數(shù)值孔徑以內(nèi)，測量反射回來的瑞利散射光的

7、一種非破壞性的光纖損耗測量法。光纖帶寬的測量v時域法：從光纖的一端注入一串窄脈沖，從其 另一端測出脈沖的展寬值，從而得到光纖的基帶響應，即帶寬。估算法：B=0.44/(t22-t12)v頻域法：在光纖輸入端送入正弦光信號，在不改變光信號幅度的條件下，只改變正弦頻率，然后在光纖輸出端，由選頻電平表讀取經(jīng)檢測器變換出來的電信號幅值，得到幅頻特性曲線。幅頻特性的最大值下降6dB即為光纖帶寬。光纜v對光纜設計的基本要求：機械性能良好成纜時光纖傳輸特性要保持良好不同環(huán)境及使用場合下，光纜性能穩(wěn)定直徑要小、重量要輕易于敷設和接續(xù)容易生產(chǎn)、價格便宜、維護方便常用光纜v普通光纜層絞式和單元式光纜緊套松套帶狀式

8、光纜骨架式光纜特種光纜v海底光纜能承受敷設張力及故障修理時從海底打撈的張力；能承受敷設時的側(cè)壓力和深海中的水壓力；即使有了龜裂，也能防止光纜內(nèi)浸水。v無電磁感應光纜不僅在外護套和抗張力構(gòu)件中完全不使用金屬，而且在纜內(nèi)也不配中介金屬線對。特種光纜v復合架空地線光纜利用光纖無電磁感應性質(zhì)，與電力線中的架空地線復用而組成的光纜。v電力復合光纜利用光纖的無電磁感應性質(zhì)，和輸電線等電力光纜進行復合而成的。光纜的型號及識別v光纜的型號由光纜型式代號和光纖規(guī)格代號組成。v我國的光纜型號命名及表示法：光纜型式代號光纖規(guī)格代號 1235ccbba4光纜的型號及識別v光纜型式代號：分類及代號GY：通信用室（野）外

9、光纜GR：通信用軟光纜GJ：通信用室（局）內(nèi)軟光纜GS：通信設備內(nèi)光纜GH：通信用海底光纜GT：通信用特殊光纜：加強構(gòu)件及代號無符號：金屬加強構(gòu)件F：非金屬加強構(gòu)件C：金屬重型加強構(gòu)件H：非金屬重型加強構(gòu)件光纜型式代號：派生特征及代號B：扁平形狀Z：自承式結(jié)構(gòu)T：填充式結(jié)構(gòu)：護套及代號Y：聚乙烯護套V：聚氯乙烯護套U：聚氨酯護套A：鋁-聚乙烯粘接護套L：鋁護套G：鋼護套Q：鉛護套S：鋼-鋁-聚乙烯綜合護套光纜型式代號：外護層及代號外護層型號用數(shù)字代號表示材料的含義第一位數(shù)字標記鎧裝層材料第二位數(shù)字標記外護層材料0無0無11纖維層2雙鋼帶2聚氯乙烯套3細圓鋼絲3聚乙烯套4粗圓鋼絲4光纜的型號及識

10、別v光纖規(guī)格代號1：光纖數(shù)纜內(nèi)同類型光纖的實際有效數(shù)2：光纖類型及代號J：二氧化硅系多模漸變型光纖T：二氧化硅系多模階躍型光纖Z：二氧化硅系多模準階躍型光纖D：二氧化硅系單模光纖X：二氧化硅系塑料包層光纖S：塑料光纖光纖規(guī)格代號3：光纖主要尺寸參數(shù)多模光纖：芯徑/包層直徑(m)單模光纖：模場直徑/包層直徑(m)4：光纖傳輸特性及代號a:使用波長的代號，一位數(shù)表示：1：使用波長在0.85m區(qū)域2：使用波長在1.31m區(qū)域3：使用波長在1.55m區(qū)域bb:衰減系數(shù)的代號，兩位數(shù)表示（dB/km）cc:模式帶寬的代號，兩位數(shù)表示（MHzkm）單模光纖無此項。光源v光源的作用是完成電/光轉(zhuǎn)換。v光源的

11、發(fā)光波長由材料決定。v光纖通信對光源的基本要求合適的發(fā)光波長發(fā)光波長應與光纖的工作窗口一致。足夠的輸出功率應大于1mw可靠性高、壽命長要求光源平均工作壽命為106小時光纖通信對光源的基本要求v輸出效率高輸出光功率與所消耗的直流電功率的比值叫輸出效率。目前輸出效率的標準是大于10%。v光譜寬度窄光譜寬度是光源的發(fā)光波長范圍。v聚光性好聚光性好，即耦合效率高、入纖功率大。v調(diào)制方便調(diào)制是把話音等信息載在光波上。v價格低廉常用光源v半導體發(fā)光二極管半導體發(fā)光二極管(LED)是利用其有源區(qū)自發(fā)輻射輸出光信號的器件。只要在其兩端加上電流,便會輸出熒光, LED是無閾值的器件。在正向偏置下,LED能發(fā)出可

12、見光或紅外光。 v半導體激光器半導體激光器(LD)是利用在其有源區(qū)中受激發(fā)射的器件。只在工作電流超過閾值電流的情況下,才會輸出激光(相干光), LD是有閾值的器件。 光放大器v主要功能功率放大：置于光發(fā)射機前端，以提高入纖的光功率。在線中繼放大：取代現(xiàn)有的中繼器。前置放大：置于光電檢測器前，以提高接收的靈敏度。v常用光放大器摻鉺光纖放大器（EDFA）半導體激光放大器（SLA）摻鉺光纖放大器（EDFA）v基本原理EDFA能對1.55m波段提供有效的功率增益。當泵浦光輸入摻鉺光纖時，高能級的電子經(jīng)過各種碰撞后，發(fā)射出波長為1.531.56 m的熒光。若在波長為1.55 m附近的某種信號光入射時，信

13、號光會接受強輸入光（泵浦光）的能量，沿著摻鉺光纖逐步增強，而將該信號光放大。一般功率增益大于30dB。半導體激光放大器（SLA）v工作原理與半導體激光器的工作原理相同，也是利用能級間躍遷的受激現(xiàn)象進行光放大。v由電流直接激勵而去掉諧振腔，可獲得30dB以上的光增益。主要技術指標v功率增益指輸出光功率與輸入光功率的對數(shù)之比。泵浦光功率越大，信號功率增益也越大。v輸出飽和功率是一個描述輸入信號功率與輸出信號功率之間關系的參量。飽和輸出功率隨泵浦功率的增加而增加。v噪聲系數(shù)主要包括信號光波和放大器自發(fā)輻射光波見的差拍噪聲，以及光放大器自發(fā)輻射的不同頻率光波見的差拍噪聲，另外還有散彈噪聲等。光電檢測器

14、v半導體光檢測器是利用半導體P-N結(jié)內(nèi)的光電效應把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕钠骷?v光纖通信系統(tǒng)對光電檢測器的要求靈敏度高響應速度快噪聲小穩(wěn)定可靠v常用的光電檢測器PIN光電二極管雪崩光電二極管（APD）信號電流可借助雪崩倍增過程進行放大。無源光器件v光纖連接器也稱為光纖活動連接器或光纖活接頭。光源與光纖以及光纖與光電檢測器的連接均采用光纖活動連接器。常用的連接器有FC型和PC型。插入損耗一般在0.3dB以下。無源光器件v波分復用器件也稱光分波、合波器。指發(fā)送端將各種不同波長的光信號耦合進一根光纖的復用器，接收端將光纖送來的各種波長的信號分開的去復用器。光復用器在解決光纜線路的擴容或復用中起著關鍵

15、性作用。常用的波分復用器件有三種：棱鏡型、衍射光柵型和干涉濾光膜型。無源光器件v光衰減器主要用于光纖通信系統(tǒng)的指標測量、短距離通信系統(tǒng)的信號衰減以及系統(tǒng)試驗等場合。根據(jù)衰減光功率的工作機理來分：耦合型光衰減器反射型光衰減器吸收型光衰減器根據(jù)衰減量的變化情況來分：固定式衰減器步進可變式衰減器連續(xù)可變衰減器無源光器件v光開關是一種光路控制器件，起著控制光流和轉(zhuǎn)換光路的作用。光開關有機械式和非機械式兩種類型。機械式：利用機械動作達到光開關目的。非機械式：又稱固體式光開關。它是利用電光效應、磁光效應以及聲光效應進行光開關的。無源光器件v光分路耦合器光分路器是將某一波長的光信號按需要分成若干路信號，而光

16、耦合器是把幾路信號合成一路信號。光分路耦合器可分為兩分支型和多分支型兩種。前者多用于光通路測量，要求分路比可任意選擇；后者一般用于光數(shù)據(jù)總線，要求輸出信號分配均勻。光纖通信系統(tǒng)基本組成 備用 系統(tǒng) PCM 設 備 系統(tǒng) 轉(zhuǎn)換 設備 光 端 機 光纜 終端 架 光纜 終端 架 PCM設 備 無 人中 繼器 局設 中繼 設備 光纜 終端 架 系 統(tǒng)轉(zhuǎn) 換設備 光 端 機 光 纜終 端架 遠 供 監(jiān)控中心 中心任務中 監(jiān) 控 告警信號傳輸設備 監(jiān)控站 告 警信 號監(jiān) 測設備 區(qū) 間通信 公務控 監(jiān) 控 區(qū) 間通信 公務控 監(jiān) 控 公 務 區(qū)間 通信 端局 有人中繼站 無人中繼站 監(jiān)控站 備用 系統(tǒng)

17、光纖通信系統(tǒng)性能評價標準v誤碼特性所謂收發(fā)碼不一致就稱為誤碼。主要原因是傳輸系統(tǒng)的噪聲和脈沖抖動。誤碼性能用誤比特率BER來衡量。BER=錯誤比特數(shù)/總傳輸比特數(shù)系統(tǒng)總的誤碼率等于各中繼段誤碼率之和。光纖數(shù)字通信系統(tǒng)性能評價標準vITU-T規(guī)定了嚴重誤碼秒SES，誤碼秒ES的百分比指標。SES= S64 /SA64：在可用時間內(nèi)，對于64kb/s信號而言，1秒內(nèi)誤碼個數(shù)大于64的時間。ES=SE/SA8% SE：在可用時間內(nèi)，1秒內(nèi)誤碼個數(shù)大于1 或等于1的時間。抖動特性v長途數(shù)字通信系統(tǒng)的另一重要指標。v抖動是數(shù)字脈沖信號的相位擺動，或時間上的前后擺動，也稱相位抖動。v引起抖動的原因：非系統(tǒng)

18、性：主要來源于噪聲和各再生中繼器時鐘頻率的隨機變化。系統(tǒng)性：指各再生中繼器可以引起相關的定時相位誤差。系統(tǒng)設計原理v設計步驟明了設計任務和要求，制定相應的設計方案。明確系統(tǒng)通信容量，傳輸距離，以及誤碼率，經(jīng)濟限制和業(yè)務量增長等質(zhì)量指標。據(jù)此，合理選擇波長、碼型和光源-光纖-光檢測器的組合等。工程計算進行中繼距離、信息容量的計算。審查是否滿足設計要求和限制條件。光纖及光器件的選擇v工作波長的選擇v光纖的選擇v光源的選擇v光電檢測器的選擇線路碼型的選擇v常用線路碼型擾碼：將輸入的二進制NRZ碼序列打亂，按一定的規(guī)律重新排列。mBnB 碼：將輸入的原始碼流以m比特為單元分組，根據(jù)一定的規(guī)則將其變換成n比特一組的碼流輸出。插入碼：將輸入的原碼流以m比特為一組，在每組的第m位后插入一個碼。工程計算v損耗限制系統(tǒng)系統(tǒng)中繼距離僅由系統(tǒng)