《光纤通信讲义》PPT课件.ppt

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1、11 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信 1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状1 2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信与电通信光通信与电通信 1.2.2 光纤通信的优点光纤通信的优点 1.2.3 光纤通信的应用光纤通信的应用1 3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 1.3.1 发射和接收发射和接收 1.3.2 基本光纤传输系统基本光纤传输系统 1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统和模拟通信系统第第 1 章章 概概 论论返

2、回主目录1.1 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验大气激光通信试验。由于没有找到稳稳定定可可靠靠和和低低损损耗耗的的传传输输介介质质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激激光光器器的的发发明明和和应应用用，使沉睡了使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段年的光通信进入一个崭新的阶段。1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。贝尔光电话是现

3、代光通信的雏型贝尔光电话是现代光通信的雏型。原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信1966年，英英 籍籍 华华 裔裔 学学 者者 高高 锟锟(C.K.Kao)和和 霍霍 克克 哈哈 姆姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(OpticalFiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信光纤通信的基础。指指明明通通过过“原原材材料料的的提提纯纯制制造造出出适适合合于于长长距距离离通通信信使使用用的的低低损损耗耗光光纤纤”这这一一发发展展方方向向光纤通信发明家光纤通信发明家高锟高

4、锟(左左)1998年在英国接受年在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章1970年，年，光纤光纤研制取得了重大突破研制取得了重大突破1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。1973 年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47dB/km(波长1.2m)。在以后的10年中，波长为1.55m的光纤损耗：1979年是0.

5、20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限光纤最低损耗的理论极限。1970 年，光纤通信用年，光纤通信用光源光源取得了实质性的进展取得了实质性的进展1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室室温温下下连连续续振振荡荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。1977年，贝尔实验室研制的半导

6、体激光器寿命达到10万小时。1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55m的连续振荡半导体激光器。由于光纤和半导体激光器的技术进步，使由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑年成为光纤通信发展的一个重要里程碑 实用实用光纤通信系统光纤通信系统的发展的发展1976年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世世界界上上第第一一个个实用光纤通信系统的现场试验实用光纤通信系统的现场试验。1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s的突变型多模光纤通信系统，

7、以及速率为100Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：第一阶段(19661976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。第二阶段(19761986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。第三阶段(19861996年

8、)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。1.1.3 国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状1976年年美美国国在在亚亚特特兰兰大大进进行行的的现现场场试试验验，标标志志着着光光纤纤通通信信从基础研究发展到了商业应用的新阶段从基础研究发展到了商业应用的新阶段。此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多多模模发发展展到到单单模模，工作波长从0.85m发展到1.31m和1.55m(短短波波长长向向长长波波长长），传输速率传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。随着技术的进步和大规模产业的形成，光光纤纤价价格格不不断断下下降降，应用范围不断扩大。目前光纤已成为信息宽带传输

9、的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。在在许许多多发发达达国国家家，生生产产光光纤纤通通信信产产品品的的行行业业已已在在国国民民经经济济中占重要地位中占重要地位。光纤通信整体发展时间表光纤通信整体发展时间表19741976197819801982198419861988199019921000001000010001001010.10.8m多模1.3m单模1.55m直接检测光孤子光放大器1.55m相干检测系统性能(Gb/sKm）1.2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信与电通信光通信与电通信通信系统的传传输输容容量量取决于对载波调制的频频带带宽宽度

10、度，载载波波频率越高，频带宽度越宽频率越高，频带宽度越宽。光通信的主要特点光通信的主要特点 载波频率高；频带宽度宽载波频率高；频带宽度宽（图1.1）光光通通信信利利用用的的传传输输媒媒质质-光光纤纤，可可以以在在宽宽波波长长范范围围内内获获得得很小的损耗。很小的损耗。（图1.2）图1.1部分电磁波频谱图1.2各种传输线路的损耗特性1.2.2 光纤通信的光纤通信的优点优点 容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大 损耗很小，损耗很小，中继距离很长且误码率很小中继距离很长且误码率很小 重量轻、重量轻、体积小体积小抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 泄漏小，泄漏小，保密性能好保密性能好节约

11、金属材料，节约金属材料，有利于资源合理使用有利于资源合理使用1.2.3 光纤通信的光纤通信的应用应用光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。光纤通信的各种应用可概括如下：通信网通信网构成因特网的计算机局域网和广域网构成因特网的计算机局域网和广域网有线电视网的干线和分配网有线电视网的干线和分配网综合业务光纤接入网综合业务光纤接入网 ATMInternet骨干网骨干网DDN/FRPSTN/ISDNTV业务分配节点业务分配节点(COT)(COT)业务接入

12、节点（业务接入节点（RTRT）网管网管SNMP与电信网管中心相连Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622MSDH典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构典型应用之二：作为校园网的骨干传输网1.3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发发射射、接接收收和作为广义信道的基本光纤传输系统光纤传输系统。基本光纤传输系统的三个组成部分基本光纤传输系统的三个组成部分1 1 1 1、光发送机、光发送机、光发送机、光发送机组成框图：组成框图：组成框图：组成框图：光光源源调制器调制器通道耦合器通道耦合器电信号输入电信号输入光输出光输出驱动电路驱动

13、电路结构参数：结构参数：结构参数：结构参数：发送功率，发送功率，dbmdbm概念概念光源光谱特性光源光谱特性光源光谱特性光源光谱特性：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长器件寿命长器件寿命长器件寿命长电信号对光的调制的实现方式电信号对光的调制的实现方式 直接调制直接调制用电信号直接调制半导

14、体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。外调制外调制把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。图1.5两种调制方案(a)直接调制；(b)间接调制(外调制)2.光纤线路光纤线路 功功功功能能能能：是是把把来来自自光光发发射射机机的的光光信信号号，以以尽尽可可能能小小的的畸畸变变(失失真真)和衰减传输到光接收机和衰减传输到光接收机组成组成组成组成:光纤光纤、光纤接头光纤接头和光纤

15、连接器光纤连接器低低低低损损损损耗耗耗耗 “窗窗窗窗口口口口”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85m、1.31m和1.55m有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。光光光光源源源源激激光光器器的的发发射射波波长长和光光光光检检检检测测测测器器器器光光电电二二极极管管的的波波长长响响应应，都要和光纤这三个波长窗口窗口相一致。目前在实验室条件下，1.55m的损耗已达到0.154 dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰减（衰减（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波长波长（m）

16、普通单模光纤的衰减随波长变化示意图普通单模光纤的衰减随波长变化示意图6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段3 3 3 3、光接收机、光接收机、光接收机、光接收机功能：功能：功能：功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号并经放大和处理后恢复成发射前的电信号组成部分：组成部分：组成部分：组成部分：耦合器，光电检测器，解调器耦合器，光电检测器，解调器组成框图：组成框图：组成框图：组成框图：电子电路电子电

17、路光输入光输入耦合器耦合器光电检测器光电检测器解调器解调器电信号输出电信号输出结构参数：结构参数：结构参数：结构参数：接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度，定为，定为BER10BER10-9-9条件下，所要条件下，所要求的最小平无接收功率。求的最小平无接收功率。检测方式：检测方式：检测方式：检测方式：直接检测直接检测直接检测直接检测和和外差检测外差检测外差检测外差检测1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统和模拟通信系统 数数数数字字字字通通通通信信信信系系系系统统统统用参数取值离散的信号(如脉冲的有和无、电平的高和低等)代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；模

18、模模模拟拟拟拟通通通通信信信信系系系系统统统统则用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。这种基本特征决定着两种通信方式的优缺点和不同时期的发展趋势。数字通信系统的数字通信系统的优点优点优点优点如下：如下：抗干扰能力强，传输质量好。可以用再生中继，传输距离长。适用各种业务的传输，灵活性大。容易实现高强度的保密通信。数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。模拟通信系统的模拟通信系统的优点优点优点优点占用带宽较窄外，电路简单易于实现、价格便宜等。2.1 光纤结构和类型光纤结构和类型 2.1.1 光纤结构光纤结构

19、 2.1.2 光纤类型光纤类型2.2 光纤传输原理光纤传输原理 2.2.1 几何光学方法几何光学方法 2.2.2 光纤传输的波动理论光纤传输的波动理论2.3 光纤传输特性光纤传输特性 2.3.1 光纤色散光纤色散 2.3.2 光纤损耗光纤损耗 2.3.3 光纤标准和应用光纤标准和应用2.4 光缆光缆 2.4.1 光缆基本要求光缆基本要求 2.4.2 光缆结构和类型光缆结构和类型 2.4.3 光缆特性光缆特性2.5 光纤特性测量方法光纤特性测量方法 2.5.1 损耗测量损耗测量 2.5.2 带宽测量带宽测量 2.5.3 色散测量色散测量 2.5.4 截止波长测量截止波长测量第第 2 章章 光纤和

20、光缆光纤和光缆返回主目录2.1 光纤结构和类型光纤结构和类型2.1.1 光纤结构光纤结构光光纤纤（Optical Fiber）是是由由中中心心的的纤纤芯芯和和外外围围的的包包层层同同轴轴组成的圆柱形细丝组成的圆柱形细丝。纤纤芯芯的折折射射率率比包包层层稍高，损损耗耗比包包层层更低，光能量主要在纤芯纤芯内传输。包包层层为光的传输提供反反射射面面和光光隔隔离离，并起一定的机机械械保护作用。设纤纤芯芯和包包层层的折折射射率率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。图图2.1 光纤的外形光纤的外形2.1.2 光纤类型光纤类型光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高高纯纯度石英

21、度石英（SiO2）制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型，突变型多模光纤突变型多模光纤（Step-IndexFiber,SIF）渐变型多模光纤渐变型多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）单模光纤单模光纤（Single-ModeFiber,SMF）相对于单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤而言，突突突突变变变变型型型型光光光光纤纤纤纤和渐渐渐渐变变变变型型型型光光光光纤纤纤纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤多模光纤图2.2三种基本类型的光纤(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤图2.3典型特种单模光纤(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯特

22、特种种单单模模光光纤纤最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布示于图2.3，这些光纤的特征如下。双包层光纤双包层光纤双包层光纤双包层光纤 色散平坦光纤色散平坦光纤（DispersionFlattenedFiber,DFF）色散移位光纤色散移位光纤（DispersionShiftedFiber,DSF）三角芯光纤三角芯光纤三角芯光纤三角芯光纤 椭圆芯光纤椭圆芯光纤椭圆芯光纤椭圆芯光纤 双折射光纤双折射光纤或偏振保持光纤偏振保持光纤。主要用途：主要用途：突变型多模光纤突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。渐变型多模光纤渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。单模光纤单模光纤用在大容

23、量长距离的系统。特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平 1.55m色色散散移移位位光光纤纤实现了10Gb/s容量的100km的超大容量超长距离系统。色色散散平平坦坦光光纤纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。三三角角芯芯光光纤纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。偏偏振振保保持持光光纤纤用在外差接收方式的相干光系统，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。2.2 光纤传输原理光纤传输原理分析光纤传输原理的常用方法：分析光纤传输原理的常用方法：几何光学法几何光学法几何光学法几何光学法 麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程法麦克

24、斯韦波动方程法2.2.1 几何光学方法几何光学方法 几何光学法分析问题的两个出发点几何光学法分析问题的两个出发点 数值孔径数值孔径 时间延迟时间延迟 通过分析光束在光纤中传播的空间分布空间分布和时间分布时间分布 几何光学法分析问题的两个角度几何光学法分析问题的两个角度 突变型多模光纤突变型多模光纤 渐变型多模光纤渐变型多模光纤图2.4突变型多模光纤的光线传播原理1.突变型多模光纤突变型多模光纤数值孔径数值孔径数值孔径数值孔径为简便起见，以突突突突变变变变型型型型多多多多模模模模光光光光纤纤纤纤的交轴(子午)光线为例，进一步讨论光纤的传输条件。设纤纤纤纤芯芯芯芯和包包包包层层层层折射率分别为n1

25、和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致，如图2.4。光线在光纤端面以小角度从空气入射到纤芯(n0n2)。改变角度，不同相应的光线将在纤纤纤纤芯芯芯芯与包包包包层层层层交界面发生反射或折射。根据全反射原理全反射原理，存在一个临界角c。当c时，相应的光线将在交界面折射进入包包包包层层层层并逐渐消失，如光线3。由此可见，只有在半锥角为c的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。根据这个传播条件，定义临界角c的正弦为数数数数值值值值孔孔孔孔径径径径(NumericalAperture,NA)。根据定义和斯奈尔定律斯奈尔定律斯奈尔定律斯奈尔定律NA=n0sinc=n1cosc，n1sinc=n2

26、sin90(2.2)n0=1，由式（2.2）经简单计算得到式中=(n1-n2)/n1为纤芯纤芯纤芯纤芯与包层包层包层包层相对折射率差相对折射率差相对折射率差相对折射率差。NANA表表表表示示示示光光光光纤纤纤纤接接接接收收收收和和和和传传传传输输输输光光光光的的的的能能能能力力力力，NA(或c)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率耦合效率耦合效率耦合效率越高。对于无损耗光纤，在c内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好;但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限限限限制制制制了了了了信信信信息传输容量息传输容量息传输容量息传输容量。

27、所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。(2.3)时时时时间间间间延延延延迟迟迟迟根据图2.4，入射角为的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所经历的路程为l(oy)，在不大的条件下，其传播时间即时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟为式中c为真空中的光速。由式(2.4)得到最最大大入入射射角角(=c)和最小入射角最小入射角(=0)的光线之间时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟差差近似为(2.4)(2.5)这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽脉冲展宽脉冲展宽脉冲展宽，或称为信号畸变信号畸变信号畸变信号畸变。由此可见，突变型多模光纤突变型多模光纤突变型多模光纤突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的光线经光

28、纤传输后，其时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟不同而产生的。2.3 光纤传输特性光纤传输特性 产产生生信信信信号号号号畸畸畸畸变变变变的的主主要要原原因因是是光光纤纤中中存存在在色色色色散散散散，损损损损耗和色散耗和色散耗和色散耗和色散是光纤最重要的传输特性：是光纤最重要的传输特性：损耗限制系统的传输距离损耗限制系统的传输距离损耗限制系统的传输距离损耗限制系统的传输距离 色散则限制系统的传输容量色散则限制系统的传输容量色散则限制系统的传输容量色散则限制系统的传输容量 2.3.1 光纤色散光纤色散1.色散、色散、带宽和脉冲展宽带宽和脉冲展宽色色色色散散散散(Dispersion)是在光纤中传输的光

29、信号，由于不同成分的光的时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散的种类：色散的种类：模式色散模式色散模式色散模式色散 材料色散材料色散材料色散材料色散 波导色散波导色散波导色散波导色散1.损耗的机理损耗的机理图2.15是单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的损损损损耗耗耗耗与波长与波长与波长与波长的关系，这些机理包括吸收损耗吸收损耗吸收损耗吸收损耗和散射损耗散射损耗散射损耗散射损耗两部分。吸吸吸吸收收收收损损损损耗耗耗耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。散散散散 射射射射 损损损损 耗耗耗耗 主要由材料微观密度不均匀引起的

30、瑞瑞瑞瑞 利利利利(Rayleigh)Rayleigh)散射散射散射散射和由光纤结构缺陷结构缺陷结构缺陷结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。瑞瑞瑞瑞利利利利散散散散射射射射损损损损耗耗耗耗是光纤的固固固固有有有有损损损损耗耗耗耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。图2.15单模光纤损耗谱，示出各种损耗机理由图2.16看到：从多多多多模模模模突突突突变变变变型型型型(SIF)(SIF)、渐渐渐渐变变变变型型型型(GIF)(GIF)光光光光纤纤纤纤到单模单模单模单模(SMF)(SMF)光纤光纤光纤光纤，损耗依次减小损耗依次减小损耗依次减小损耗依次减小。从色散的讨论中看到：从从从从多多多多模模模模SI

31、FSIF、GIFGIF光光光光纤纤纤纤到到到到SMFSMF光光光光纤纤纤纤，色散依次减小色散依次减小色散依次减小色散依次减小(带宽依次增大带宽依次增大带宽依次增大带宽依次增大)。单单单单模模模模石石石石英英英英光光光光纤纤纤纤的零零零零色色色色散散散散波波波波长长长长在在在在1.31 1.31 mm，还可以把零色散波长从1.31m移到1.55m，实现带宽最大损耗最小的传输实现带宽最大损耗最小的传输实现带宽最大损耗最小的传输实现带宽最大损耗最小的传输。正因为这些特性，使光纤通信从SIF、GIF光纤发展到SMF光纤，从短短短短波波波波长长长长(0.85(0.85 m)“m)“窗窗窗窗口口口口”发发

32、发发展展展展到到到到长长长长波波波波长长长长(1.31(1.31 mm和和和和1.55 m)“1.55 m)“窗口窗口窗口窗口”，使系统技术水平不断提高。图2.16光纤损耗谱(a)三种实用光纤；(b)优质单模光纤2.3.3 光纤标准和应用光纤标准和应用 G.651G.651多多多多模模模模渐渐渐渐变变变变型型型型(GIF)(GIF)光光光光纤纤纤纤应用于中小容量、中短距离的通信系统。G.652G.652常常常常规规规规单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31m色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。G.653G.653色色色色散散散散移移移移位位位位光光光光纤纤

33、纤纤是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55m色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长距离通信系统。G.654 G.654 1.55 1.55 mm损损损损耗耗耗耗最最最最小小小小的的的的单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤其特点是在波长1.31m色散为零，在1.55m色散为1720ps/(nmkm)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20dB/km以下。色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤其特点是在波长1.55m具有大的负色散。G.655G.655非零色散光纤非零色散光纤非零色散光纤非零色散光纤是一种改进的色散移位光纤。表2.3光纤特性的标准2.4 光缆光缆 2.4.1 光

34、缆基本要求光缆基本要求保护光纤固有机械强度的方法，通常是采用塑塑塑塑料料料料被被被被覆覆覆覆和应应应应力力力力筛选筛选筛选筛选。光纤从高温拉制出来后，要立即用软软软软塑塑塑塑料料料料进进进进行行行行一一一一次次次次被被被被覆覆覆覆和应应应应力筛选力筛选力筛选力筛选，除去断裂光纤，并对成品光纤用硬塑料进行二次被覆硬塑料进行二次被覆硬塑料进行二次被覆硬塑料进行二次被覆。二次被覆光纤有紧紧紧紧套套套套、松松松松套套套套、大大大大套套套套管管管管和带带带带状状状状线线线线光纤四种，见图2.18。应力筛选应力筛选应力筛选应力筛选条件直接影响光纤的使用寿命。设对光纤进行拉伸应力筛选时，施加的应力为p，作用

35、时间为tp(设为1s)；长期使用时，容许施加的应力为r，作用时间为tr，断裂概率为106km一个断裂点。理论推算得到的容许作用时间(光纤使用寿命)tr和应力比r/p的关系示于图2.17。图2.17光纤使用寿命和应力比的关系图2.18二次被覆光纤(芯线)简图(a)紧套；(b)松套；(c)大套管；(d)带状线2.4.2 光缆结构和类型光缆结构和类型光缆一般由缆缆缆缆芯芯芯芯和护护护护套套套套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。1.缆芯缆芯缆芯缆芯缆芯通常包括被覆光纤被覆光纤被覆光纤被覆光纤(或称芯线)和加强件加强件加强件加强件两部分。被覆光纤被覆光纤被覆光纤被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特

36、性。加加加加强强强强件件件件起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。图2.20光缆类型的典型实例(a)6芯紧套层绞式光缆(架空、管道)；(b)12芯松套层绞式光缆(直埋防蚁)；(c)12芯骨架式光缆(直埋)；(d)648芯束管式光缆(直埋)；(e)108芯带状光缆；(f)LXE束管式光缆(架空、管道、直埋)；(g)浅海光缆；(h)架空地线复合光缆(OPGW)光缆光缆 的基本型式的基本型式层绞式层绞式层绞式层绞式 把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。骨架式骨架式骨架式骨架式 把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。中中中中心心心心束束束束管

37、管管管式式式式 把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。带带带带状状状状式式式式 把带状光纤单元放入大套管内，形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。2.护套护套护护护护套套套套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带构成。根据使用条件根据使用条件光缆光缆光缆光缆可以分为：可以分为：室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆室内光缆、架空光缆、埋地光

38、缆和管道光缆等。特种光缆常见的有：电力网使用的架架架架空空空空地地地地线线线线复复复复合合合合光光光光缆缆缆缆(OPGW)，跨越海洋的海海海海底底底底光光光光缆缆缆缆，易燃易爆环境使用的阻阻阻阻燃燃燃燃光光光光缆缆缆缆以及各种不同条件下使用的军用光缆军用光缆军用光缆军用光缆等。2.4.3 光缆特性光缆特性 拉力特性拉力特性拉力特性拉力特性 压力特性压力特性压力特性压力特性 弯曲特性弯曲特性弯曲特性弯曲特性 温度特性温度特性温度特性温度特性2.5 光纤特性测量方法光纤特性测量方法光纤的特性参数很多，基本上可分为几几几几何何何何特特特特性性性性、光光光光学学学学特特特特性性性性和传输特性传输特性传

39、输特性传输特性三类。几何特性几何特性几何特性几何特性包括纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度；光光光光学学学学特特特特性性性性主要有折射率分布、数值孔径、模场直径和截止波长；传输特性传输特性传输特性传输特性主要有损耗、带宽和色散。损耗测量损耗测量损耗测量损耗测量光纤损耗测量有两种基本方法：一种是测量通过光纤的传输光功率，称剪剪剪剪断断断断法法法法和和和和插插插插入入入入法法法法；另一种是测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法后向散射法后向散射法后向散射法。带宽测量带宽测量带宽测量带宽测量光纤带宽测量有时域时域时域时域和频域频域频域频域两种基本方法。时时时时域域域域法法法法是测量通过光纤的光脉冲产生

40、的脉冲展宽，又称脉冲法脉冲法脉冲法脉冲法；频频频频域域域域法法法法是测量通过光纤的频率响应，又称扫扫扫扫频频频频法法法法。色散测量色散测量色散测量色散测量光纤色散测量有相移法相移法相移法相移法、脉冲时延法脉冲时延法脉冲时延法脉冲时延法和干涉法干涉法干涉法干涉法等。第第3章章 光波分复用技术光波分复用技术随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。发展迅速的各种新型业务(特别是高速数据和视频业务)对通信网的带宽(或容量)提出了更高的要求。为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的要求，产生了各种复用技术。在光纤通信系统中除了大家熟知的时时分分复复用用(TDM)技术

41、外，还出现了其他的复用技术，例如光光时时分分复复用用(OTDM)、光光波波分分复复用用(WDM)、光频分复用光频分复用(OFDM)以及副载波复用副载波复用(SCM)技术。3.1 光波分复用原理光波分复用原理1.WDM的概念的概念光光波波分分复复用用(WDM：Wavelength Division Multiplexing)技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。光光波波分分复复用用（WDM）的的基基本本原原理理是是：在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同

42、的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用光波长分割复用，简称光波分复用技术光波分复用技术。图图7.6 中心波长在中心波长在1.3 m和和1.55 m的硅光纤低损耗传输窗口的硅光纤低损耗传输窗口 (插图表示插图表示1.55 m传输窗口的多信道复用传输窗口的多信道复用)光纤的带宽有多宽？光纤的带宽有多宽？如图7.6所示，在光纤的两个低损耗传输窗口：波长为1.31m(1.251.35m)的窗口，相应的带宽(|f|=|-c/|f|=|-c/2 2|,和分别为中心波长和相应的波段宽度，c为真空中光速)为17700GHz；波长为1.55m(1.501.60m)的窗口，相应的带宽为12500GHz。两个窗口

43、合在一起，总带宽超过30THz。如果信道频率间隔为10GHz，在理想情况下，一根光纤可以容纳3000个信道。由于目前一些光器件与技术还不十分成熟，因此要实现光信道十分密集的光光频频分分复复用用(OFDM)还较为困难。在这种情况下，人们把在同一窗口中信道间隔较小的波分复用称为密密集集波波分分复复用用(DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing)。目前该系统是在1550nm波长区段内，同时用8，16或更多个波长在一对光纤上(也可采用单光纤)构成的光通信系统，其中各个波长之间的间隔为1.6nm、0.8nm或更低，约对应于200GHz,100GHz或更窄的带

44、宽。WDM、DWDM和和OFDM在本质上没有多大区别在本质上没有多大区别以往技术人员习惯采用WDM和DWDM来区分是1310/1550nm简单复用还是在1550nm波长区段内密集复用，但目目前前在在电电信信界应用时，都采用界应用时，都采用DWDM技术。技术。由于1310/1550nm的复用超出了EDFA的增益范围，只在一些专门场合应用，所以经经常常用用WDM这这个个更更广广义义的的名名称称来来代代替替DWDM。WDM技术对网络升级、发展宽带业务(如CATV，HDTV和IPoverWDM等)、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信等具有十分重要意义，尤其是WDM加上EDFA更是对现代信息网络具

45、有强大的吸引力。目前，“掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器(EDFA)+密密集集波波分分复复用用(WDM)+非非零零色色散散光光纤纤(NZDSF，即即G.655光光纤纤)+光光子子集集成成(PIC)”正正成成为为国国际际上上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。长途高速光纤通信线路的主要技术方向。如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为WDM传输，我们就可以在这些WDM链路的交叉(结点)处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的光光交交叉叉连连接接设设备备(OXC)，或进行光上下路的光光分分插插复复用用器器(OADM)，则在原来由光纤链路组成的物理层上面就会形成一个新的光层。在这个光层中，相邻光纤链路中

46、的波长通道可以连接起来，形成一个跨越多个OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息传送，并且这种光通路可以根据需要灵活、动态地建立和释放，这就是目前引人注目的、新一代的WDM全光网络。2.WDM系统的基本形式系统的基本形式光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复复用用器器(也也叫合波器叫合波器)。反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器解复用器(也叫分波器也叫分波器)。从原理上讲，这种器件是互易的(双向可逆)，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。因此复用器和解复用器是相同的因此复

47、用器和解复用器是相同的(除非有特殊的要求除非有特殊的要求)。WDM系系统统的的基基本本构构成成主主要要有有以以下下两两种种形形式式：双双纤纤单单向向传传输输和单纤双向传输。单纤双向传输。(1)双纤单向传输。双纤单向传输。单向WDM传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。如图7.7所示，在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已调光信号1,2,n通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。由于各信号是通过不同光波长携带的，因而彼此之间不会混淆。在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。图图7.7 双纤单向双纤单向W

48、DM传输传输 (2)单单纤纤双双向向传传输输。双向WDM传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。如图7.8所示，所用波长相互分开，以实现双向全双工的通信。图图7.8 单纤双向单纤双向WDM传输传输4.1 通信网的发展趋势通信网的发展趋势4.2 光接入网光接入网第第 4 章章 光纤通信网络光纤通信网络返回主目录4.1 通信网的发展趋势通信网的发展趋势通通信信网网总总的的发发展展趋趋势势是是数数字字化化、综综合合化化和和宽宽带带化化。与光纤通信关系最为密切的是宽带化，这是人类社会发展到信息时代的迫切需求，也是科技进步的必然产物。数数字字化化就是在通信网的各个部分(核心网和接入网)及各个

49、环节(传输、交换、接入、终端等)全面采用数字技术。目前核核心心网网(或称骨干网)已实现了数字化，采用了数字传输和数字交换技术，其优越性已十分明显。接入网的情况比较复杂，模拟的东西还大量存在，如电话网从核心网边缘的端局交换机到用户终端的用户环路，大量使用的还是模拟二线；有线电视系统也基本上是模拟的；新近采用的非对称数字用户线(ADSL)实际上是模数混合体制。综综合合业业务务数数字字网网(包包括括窄窄带带和和宽宽带带)的的主主要要目目的的是是：要实现接入部分的数字化，提供端到端数字连接，从而支持综合业务，但由于种种原因，并没有普遍推广应用。所以现在只能说接入网正处于数字化的过程中，还不能说已实现了

50、数字化。综综合合化化，主要指业务的综合，即通信网要由原来的单一业务网(如电话网、分组数据网)发展为能同时提供多种业务(包括话音、数据、图像等)，特别是多媒体业务的网络。数数字字化化是是综综合合化化的的前前提提。当各种类型的消息都用统一的数字符号表示时，通过端到端的数字传输，便能实现综合业务。长期以来，通信网的主要业务是话音，所以电信网基本上等同于电话网；电信网中还有一种业务是电报，相当于原始的低速数据业务。随 着 计 算 机 网 络 的 出 现 和 发 展，特 别 是 因因 特特 网网(Internet)扩展到全世界，对数据业务量的需求不断增长，近十年来，几乎每半年翻一番。数据业务量猛增的主要