第七講光纖通信實(shí)施技術(shù)

第七講光纖通信技術(shù)了解光纖通信技術(shù)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(diǎn)熟悉主要光源的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合熟悉常見(jiàn)的光纖連接器的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合熟悉光纖配線架的作用掌握光纜的構(gòu)造和標(biāo)識(shí)了解光接收機(jī)和光放大器的作用了解光纖通信復(fù)用技術(shù)現(xiàn)代光通信的起源1880年，貝爾發(fā)明了第一個(gè)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(dòng)而得到強(qiáng)弱變化的反射光束。這一大膽的嘗試，可以說(shuō)是現(xiàn)代光通信的開(kāi)端。貝爾光和烽火報(bào)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(jiàn)度距離很短，遇到下雨下雪天也有影響。波導(dǎo)的研究在大氣光通信受阻之后，人們將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)入到地下光波通信的實(shí)驗(yàn)，先后出現(xiàn)過(guò)反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)等地下通信的實(shí)驗(yàn)。光纖的出現(xiàn)1966年，英籍華人高錕(K.C.Kao，當(dāng)時(shí)工作于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(yán)重?fù)p耗的原因。當(dāng)時(shí)世界上最優(yōu)秀的光學(xué)玻璃衰減高達(dá)1000dB/Km。1970年，美國(guó)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(cè)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(dǎo)體激光器的進(jìn)步。目前，半導(dǎo)體激光器不僅可以在室溫下工作，而且其直接調(diào)制速率可以達(dá)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(zhǎng)壽命等要求。光纖與光源的逐年進(jìn)步解決了衰減和色散問(wèn)題，其結(jié)果是增加了光纖系統(tǒng)的通信容量。光探測(cè)器也達(dá)到了GHz的響應(yīng)靈敏度。光放大器90年代初，光放大器的問(wèn)世引起了光纖通信技術(shù)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(guò)程，而且實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)透明、速率透明和調(diào)制方式透明的光信號(hào)放大，從而誕生了采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)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(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)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(gè)光源，其主要功能就是將一個(gè)信息信號(hào)從電子格式轉(zhuǎn)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(zhì)是光纖。接收器：光接收器的關(guān)鍵設(shè)備是光檢測(cè)器，其主要功能就是把光信息信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)(光電流)。當(dāng)今光纖通信系統(tǒng)中的光檢測(cè)器是個(gè)半導(dǎo)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(dǎo)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(zhǎng)，分為短波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)，長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)；根據(jù)調(diào)制信號(hào)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(diào)制方式，分為直接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)和間接調(diào)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(zhǎng)；抗電磁干擾；無(wú)串?dāng)_，保密性好；線徑細(xì)，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(zhì)地脆，機(jī)械強(qiáng)度低；彎曲半徑不宜過(guò)小；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(dǎo)體激光器；分布反饋式（DFB）半導(dǎo)體激光器；分布布拉格反射式（DBR)半導(dǎo)體激光器；發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管(Light-emittingDiode，LED)，通常應(yīng)用GaAlAs（鎵鋁砷）和InGaAsP（銦鎵砷磷）材料，可以覆蓋整個(gè)光纖通信系統(tǒng)使用波長(zhǎng)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(jié)構(gòu)：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(dāng)給LED外加合適的正向電壓時(shí)，Pp結(jié)之間的勢(shì)壘(相對(duì)于空穴)和Np結(jié)之間的勢(shì)壘(相對(duì)于電子)降低，大量的空穴和電子分別從P區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)和從N區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)(由于雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，p區(qū)中外來(lái)的電子和空穴不會(huì)分別擴(kuò)散到P區(qū)和N區(qū))，在有源區(qū)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)上，半導(dǎo)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(gòu)成：激勵(lì)源、工作物質(zhì)及諧振腔。LD的工作原理當(dāng)給LD外加適當(dāng)?shù)恼螂妷簳r(shí)，由于有源區(qū)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)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(huì)在有源層內(nèi)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(gè)方向傳播受激輻射放大。如此反復(fù)，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(huì)向高反射率界面外面輸出激光。光信號(hào)的調(diào)制把信號(hào)加到光源上的方法有多種：內(nèi)調(diào)制，直接調(diào)節(jié)光源的電流；激光部分調(diào)制部分集成電吸收調(diào)制外調(diào)制，采用電光調(diào)制器，一般采用電吸收調(diào)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(duì)準(zhǔn)，保證90%以上的光能夠通過(guò)。光纖活動(dòng)連接器是實(shí)現(xiàn)光纖之間活動(dòng)連接的光無(wú)源器件，它還具有將光纖與其他無(wú)源器件、光纖與系統(tǒng)和儀表進(jìn)行活動(dòng)連接的功能。光纖連接器內(nèi)部結(jié)構(gòu)光纖連接器常用結(jié)構(gòu)套管結(jié)構(gòu)：套管結(jié)構(gòu)的連接器由插針和套筒組成。雙錐結(jié)構(gòu)：雙錐結(jié)構(gòu)連接器是利用錐面定位。V型槽結(jié)構(gòu)：V形槽結(jié)構(gòu)的光纖連接器是將兩個(gè)插針?lè)湃隫形槽基座中，再用蓋板將插針壓緊，利用對(duì)準(zhǔn)原理使纖芯對(duì)準(zhǔn)。球面定芯結(jié)構(gòu)：球面定心結(jié)構(gòu)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(dāng)于車燈的反光鏡)的插針。透鏡耦合結(jié)構(gòu)：透鏡耦合又稱遠(yuǎn)場(chǎng)耦合，它分為球透鏡耦合和自聚焦透鏡耦合兩種。V形槽結(jié)構(gòu)球透鏡耦合結(jié)構(gòu)自聚焦透鏡耦合光纖連接器性能指標(biāo)光學(xué)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(dǎo)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(duì)鏈路光功率反射的抑制能力，其典型值應(yīng)不少于25dB；互換性和重復(fù)性，指對(duì)同一類型光纖能任意組合使用，并可多次重復(fù)使用，由此而導(dǎo)入的附加損耗一般小于0.2dB；抗拉強(qiáng)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(xiě)，表明其外部加強(qiáng)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(duì)接端面是平面接觸方式(FC)。此類連接器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，制作容易，但光纖端面對(duì)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(lái)，對(duì)該類型連接器做了改進(jìn)，采用對(duì)接端面呈球面的插針(PC)，而外部結(jié)構(gòu)沒(méi)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)。此類連接器價(jià)格低廉，插拔操作方便，介入損耗波動(dòng)小，抗壓強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(luò)，操作簡(jiǎn)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(jī)構(gòu)，通過(guò)安裝于小型套管兩側(cè)的導(dǎo)向銷對(duì)準(zhǔn)光纖，為便于與光信號(hào)收發(fā)機(jī)相連，連接器端面光纖為雙芯(間隔0.75mm)排列設(shè)計(jì)，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(kāi)發(fā)出來(lái)的，采用操作方便的模塊化插孔(RJ)閂鎖機(jī)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(shí)際已經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位，在多模方面的應(yīng)用也增長(zhǎng)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(chǔ)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(jī)構(gòu)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(jiǎn)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(jī)構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)在于能實(shí)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(gè)重要的配套設(shè)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(diào)接、多余尾纖的存儲(chǔ)及光纜的保護(hù)等，它對(duì)于光纖通信網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)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(shè)備擁有以下4項(xiàng)基本功能：固定功能、熔接功能、調(diào)配功能以及存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)，適用于光纜條數(shù)和光纖芯數(shù)都較小的場(chǎng)所。機(jī)架式光纖配線架可直接安裝在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜中，適用于較大規(guī)模的光纖網(wǎng)絡(luò)。機(jī)架式光纖配線架機(jī)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(jī)箱上；另一種采用模塊化設(shè)計(jì)，用戶可根據(jù)光纜的數(shù)量和規(guī)格選擇相對(duì)應(yīng)的模塊，便于網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整和擴(kuò)展。光纖耦合器光耦合器是將光信號(hào)進(jìn)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(shí)向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。光耦合器光纜光纜的構(gòu)造一般分為纜芯和護(hù)層兩大部分。纜芯在光纜的構(gòu)造中，纜芯是主體，其結(jié)構(gòu)是否合理，與光纖的安全運(yùn)行關(guān)系很大。一般來(lái)說(shuō)，纜芯結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下基本要求：光纖在纜芯內(nèi)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(cè)壓力等外力時(shí)，光纖不受外力影響；其次纜芯內(nèi)的金屬線對(duì)也應(yīng)得到妥善安排，并保證其電氣性能；另外纜芯截面應(yīng)盡可能小，以降低成本和節(jié)省敷設(shè)空間。護(hù)層光纜護(hù)層同電纜護(hù)層的情況一樣，是由護(hù)套和外護(hù)層構(gòu)成的多層組合體。光纜護(hù)層的作用是進(jìn)一步保護(hù)光纖，使光纖能適應(yīng)在各種場(chǎng)地敷設(shè)，如架空、管道、直埋、室內(nèi)、過(guò)河、跨海等。對(duì)于采用外周加強(qiáng)元件的光纜結(jié)構(gòu)，護(hù)層還需提供足夠的抗拉、抗壓、抗彎曲等機(jī)械特性方面的能力。光纜的基本結(jié)構(gòu)光纜的基本結(jié)構(gòu)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(guó)及歐亞各國(guó)用的較多的是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層絞式和骨架式兩種。層絞式結(jié)構(gòu)層絞式光纜的結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)方式，故又稱為古典式光纜。骨架式結(jié)構(gòu)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(gè)空槽可放置5~10根一次涂覆光纖。束管式結(jié)構(gòu)束管式結(jié)構(gòu)的光纜近年來(lái)得到了較快的發(fā)展。它相當(dāng)于把松套管擴(kuò)大為整個(gè)纖芯，成為一個(gè)管腔，將光纖集中松放在其中。帶狀式結(jié)構(gòu)帶狀式結(jié)構(gòu)的光纜首先將一次涂覆的光纖放入塑料帶內(nèi)做成光纖帶，然后將幾層光纖帶疊放在一起構(gòu)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(zhǎng)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(qiáng)構(gòu)件的配置方式，光纜可以分為中心加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如層絞式光纜、骨架式光纜等)、分散加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如束管式光纜)和護(hù)層加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如帶狀式光纜)；根據(jù)敷設(shè)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(hù)層材料性質(zhì)，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(hào)光纜的型式代號(hào)是由分類、加強(qiáng)構(gòu)件、派生(形狀、特性等)、護(hù)套和外護(hù)層五部分組成。光纜的分類代號(hào)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(nèi)光纜；GS：通信用設(shè)備內(nèi)光纜；GH：通信用海底光纜；GT：通信用特殊光纜；GW：通信用無(wú)金屬光纜。加強(qiáng)構(gòu)件的代號(hào)及意義無(wú)符號(hào)：金屬加強(qiáng)構(gòu)件；F：非金屬加強(qiáng)構(gòu)件；G：金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件；H：非金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件。派生特征的代號(hào)及其意義B：扁平式結(jié)構(gòu)；Z：自承式結(jié)構(gòu)；T：填充式結(jié)構(gòu)；S：松套結(jié)構(gòu)。 注：當(dāng)光纜型式兼有不同派生特征時(shí)，其代號(hào)字母順序并列。護(hù)套的代號(hào)及其意義Y：聚乙烯護(hù)套；V：聚氯乙烯護(hù)套；U：聚氨酯護(hù)套；A：鋁、聚乙烯護(hù)套；L：鋁護(hù)套；Q：鉛護(hù)套；G：鋼護(hù)套；S：鋼、鋁、聚乙烯綜合護(hù)套。外護(hù)層的代號(hào)及其意義外護(hù)層是指鎧裝層及鎧裝層外面的外被層，參照國(guó)標(biāo)GB2952-82的規(guī)定，外護(hù)層采用兩位數(shù)字表示。光纖的規(guī)格代號(hào)光纖的規(guī)格代號(hào)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(hào)或數(shù)字表示。光纖數(shù)目用光纜中同類別光纖的實(shí)際有效數(shù)目的阿拉伯?dāng)?shù)字表示。光纖類別的代號(hào)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(zhǔn)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(hào)及其意義用阿拉伯?dāng)?shù)字(含小數(shù)點(diǎn))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(chǎng)直徑/包層直徑。傳輸性能代號(hào)及其意義光纖的傳輸特性代號(hào)是由使用波長(zhǎng)、損耗系數(shù)、模式帶寬的代號(hào)(分別為a、bb、cc)構(gòu)成。a表示使用波長(zhǎng)的代號(hào)，其數(shù)字代號(hào)規(guī)定為： 使用波長(zhǎng)在0.85μm區(qū)域； 使用波長(zhǎng)在1.31μm區(qū)域； 使用波長(zhǎng)在1.55μm區(qū)域。bb表示損耗系數(shù)的代號(hào)，其數(shù)字依次為光纜中光纖損耗系數(shù)值(dB/km)的個(gè)位和十分位。cc表示模式帶寬的代號(hào)，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(wú)此項(xiàng)。同一光纜適用于兩種以上的波長(zhǎng)，并具有不同的傳輸特性時(shí)，應(yīng)同時(shí)列出各波長(zhǎng)上的規(guī)格代號(hào)，并用"/"劃開(kāi)。適用溫度代號(hào)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(jiǎn)易檢測(cè)在沒(méi)有測(cè)試條件的情況下，也可以借助于指針式萬(wàn)用表對(duì)光電檢測(cè)器件進(jìn)行簡(jiǎn)易的測(cè)試。這種測(cè)試方法主要是檢查光電檢測(cè)器件PN結(jié)的好壞：PN結(jié)好不能保證器件具有好的特性，而PN不好的器件其質(zhì)量絕對(duì)不會(huì)好。