光纤通信应用技术(工信部).ppt

信息产业部武汉邮电科学研究院 王加强 中国的光通信从这里开始 光纤通信应用技术 教师简历 王加强 毕业于北京邮电大学 原北京邮电学院 信息产业部武汉邮电科学研究院高级工程师中国通信学会会员光纤通信专业技术资格认证培训师具有光纤传输系统设计与施工测量经历编著出版专业技术教材 1 光纤通信工程 人民邮电出版社 2002 2 光纤通信技术 武汉大学出版社 2007 为中国电信 移动 联通等通信运营商 广电 电力 铁道 高速等部门担任光纤传输工程技术培训 内容提要 光纤通信概述光纤传输系统与指标光波分复用 DWDM 系统光纤与光缆光发送与光接收光无源器件光放大与色散补偿技术光缆工程施工与测量光纤网络管理与维护 光纤通信概述 通信业务的迅猛增长主要体现为对传输带宽的需求光纤通信以其独特的优越性 巨大的传输带宽成为当今最主要的信息传输方式光纤通信在所有信息传输领域均获得广泛应用 光纤通信网络 以光波为信号载体 以光导纤维为传输介质的通信方式即为光纤通信光纤传输具有独特的优越性 巨大的传输带宽目前 百分之八十五以上的信息 语音 数据 图象 通过光纤传输我国各通信运营商与各行业 部门的专用网建设的光缆骨干网 城域网及用户接入网总长度已达680万公里以上 光纤通信的特点 传输带宽达数百THz 通信容量极大 传输衰耗低 中继距离长 光缆重量轻 尺寸小 便于敷设与维护 抗电磁干扰 特别有利于电力网通信 无信号间串扰 保密性好 材料来源广 成本相对低 光纤传输的应用问题 光纤使用中不能弯曲过小光纤线路的连接操作较复杂 固定 活动 光的分路与耦合较困难 光纤通信的技术演变 大气光通信1966年 高锟的论点1970年 光纤 康宁 器件 贝尔 1976 中国武汉 系统建设 市话 1982 长话 1987 八纵八横波长应用 850nm 1310nm 1550nm S C L 光纤应用 MMF SMF 新型 G 655 LEAF EDF DCF信号类型 模拟 数字 PDH SDH 传输速率 8M 34M 140M 155M 622M 2 5G 10G使用波长 单一波长 波分复用 密集波分复用 DWDM 网络技术 光分插复用 OADM 光交叉连接 OXC 自动光交换 ASON 光纤通信的应用类型 公用网 市话局间中继 长途干线系统 国际 一级 二级 移动网专用网 铁道 电力 军事 石油 高速 政务 金融 公安等广电网 HFC图象传输 CATV 计算机网 WAN MAN FRN DDN用户接入网 FTTC FTTB FTTH FTTO接入技术 APON EPON GPON接入速率 10Mbps 100Mb s 到户 千Mb s 到楼 G 万Mb s 10G Tb s 出口 行业专网的特点 对信号带宽的要求不断提高业务类型具有共性 传统语音业务高速INTERNET接入内部系统互联视频会议高清视频监控网络数据存储网络布局复杂 管理与维护困难一般无备用或保护系统 可靠性要求高 专用网络业务类型及带宽 传统语音业务 0 5M 16路 高速INTERNET接入 3 6M内部系统互联 2 4M视频会议 10M高清视频监控 8M网络数据存储 4M合计带宽需求量 25M 35M 光缆传输的不同应用网络 光纤通信系统涉及的产品 1 光传输设备 光端机 中继机 波分复用机 2 光纤 光缆及附件 接头盒 终端盒 光配线架 3 光电器件 有源器件 光源 光探测器 光放大器 波长转换器等无源器件 连接器 隔离器 耦合器 波分复用器等 4 测试仪器与专用工具 误码分析仪 光时域反射仪 OTDR 光谱分析仪光源 光功率计 光纤熔接机 米勒钳 切割器等 光纤传输系统 单信道光传输系统 光纤数字通信系统的技术指标 1 误码指标 平均误码率BER误码秒ES严重误码秒SES误码块EB误块秒比ESR 2 抖动与漂移性能 3 光发送与接收的技术指标 光端机 中继机 光端机 交换 交换 E O O E O E O 光纤传输扩容方式 光纤通信技术主要围绕提高传输容量与增大传输距离发展 PDH SDH WDM 提高传输容量的手段有 1 SDM 采用增加光纤对扩大通信容量 2 TDM 不断提高信道传输速率 3 WDM 增加光纤中信道 波长 数量 增大传输距离的方式有 1 进行光放大2 采用色散补偿与前向纠错技术3 实现光孤子通信 光波分复用技术 WDM WDM的含义WavelengthDivisionMultiplexing利用一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点 把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段 每个波段用作一个独立的通道传输一种预定波长 其信号类型 制式与速率均可不同 的光信号 光波分复用的特点 优点充分利用光纤带宽实现超大容量传输EDFA直接光放大 降低成本对速率和调制方式透明系统升级容易有限的传输速率可降低光纤色散的影响网络层次分明 业务调度方便适应未来光网络建设的要求高容量 低成本 透明性 波长分插复用 光波分复用的特点 主要技术问题光纤非线性的影响 特别是四波混频需宽带增益平坦的光放大器光源的波长稳定性和波长一致性光无源器件的插入衰耗及可靠性 TDM和WDM技术合用 利用TDM和WDM两种技术使网络容量巨增1 根据不同的光纤类型选择TDM的最高传输速率2 根据传输容量的大小选择DWDM复用的光信道数WDM的容量 总传输速率 由两方面因素决定 可同时使用的波道数N 以及每一波道可传输的最大速率 容量 V WDM的容量即传输的最大信息速率C N V 光波分复用应用类型 DWDM DenseWDM 密集波分复用波长间隔小于1000GHz 约8nm 一般在1550nm窗口采用 用于长距离传输CWDM CoarseWDM 粗波分复用波长间隔介于10nm到50nm 通常为20nm 可在1310nm和1550nm窗口采用 用于城域网WWDM WideWDM 宽波分复用波长间隔大于50nm 一般指1310nm 1550nm复用 仍用于接入网 但很少用于长距离传输 EMU OWU OSC ODU RXOTU16 2 1 RXOTU16 32 31 OMT DWDM系统结构图 OPA OBA 特点 使用DWDM和线路放大器优点 低成本增加带宽 OADM OADM OADM IP ATM SDH IP oxc OADM OADM OADM OADM OADM 特点 基于波长的自愈环优点 快速保护的OADM环 直接连接其他业务网络降低成本 特点 使用OXC优点 更为灵活的配置网络 点 到 点 单WDM自愈环 全光网络多个WDM自愈环 光纤网络组网方式 点到点组网 点到点组网是最基本的组网应用形式 通常用于端到端的业务传送 该组网方式主要由OMT站点和OLA站点组成传输系统 链形组网 链型组网包括二种情况 一种是在点到点组网中引入OADM站点 另一种是跨数字段连接 可根据业务需求进行动态的波长分配 使业务调度具有灵活性 成为一个业务可调度的系统 环形组网 在DWDM网络的规划中 环型组网是应用比较多的组网方式 该方式可提供光通道保护 光复用段保护和光线路保护 工程上既可采用OADM作为节点设备 也可采用OMT设备背靠背的方式进行环形组网 光分插复用 OADM 技术 波长分插应用使得某些波长可以经过OTU的转发直接通过中间局 而不需要经过SDH终端设备 可以使某些波长在中间局的终端设备上终结 也就是说某些波长在中间局上下业务 一个光波长在被数字终端设备 如SDH 再生和再定时之前 可以通过多达10个中间站 这些中间站 可以是OMT OADM 具有波长分插功能 如果某个波长在中间局不需要上下业务 那么采用 的通过方式而省去 终端设备 OAD OBA EMU OWU OSC 光波长分插复用示意 OAD RXOUT RXOTU TXOTU TXOTU TXOTU TXOTU OPA OAD OPA OAD OBA RXOUT RXOTU TXOTU TXOTU TXOTU TXOTU OADM固定信道 a 固定式 光交叉连接 OXC 技术 b 可重配置式 波长变换 波长变换 光层次的波长管理 波长交换与路由选择 CATV光网络结构 HFC 前端 服务区200 2000家庭用户 干线放大器 线路延伸器 干线网 星型 光节点 配线网 树型 用户引入线 光节点 光节点 分路器 分路器 分路器 用户接入网系统 PON 交换机 OLT OLT OLT 1 N 1 N 1 N n ONU p FTTC FTTB FTTH 传输链路 EPON的原理 信号复用 EPON系统采用WDM技术 实现单纤双向多波长传输为了分离同一根光纤上多个用户的来去方向的信号 采用以下两种复用技术 下行数据流采用TDM技术 上行数据流采用TDMA技术 1490nm 数据 1550nm 图象 1310nm EPON的原理 信号复用 成本更低光模块的节约光纤的节约 服务质量更好设备发挥主控功能 广播方式 EPON的原理 下行数据 EPON的原理 上行数据 TDMA方式 EPON原理 OLT和ONU的工作 ONU的操作ONU通过下行控制帧的时间戳与OLT同步 ONU等待发现帧 gate ONU进行发现处理 包括 测距 指定带宽 ONU等待授权 ONU只能在授权时间发送数据 OLT的操作产生时间戳消息 用于系统参考时间通过MPCP帧指配带宽进行测距操作控制ONU注册 EPON的原理 MPCP MPCP在OLT和ONU之间规定了一种控制机制 MPCP协调数据的有效发送和接收 系统运行过程中上行方向在一个时刻只允许一个ONU发送位于OLT的高层负责处理发送的定时 不同ONU的拥塞报告 从而优化PON系统内部的带宽分配MPCP有两种操作模式 自动发现 初始化 模式和普通模式 自动发现模式用来检测新连接的ONU 测量环路延时和ONU的MAC地址普通模式给所有已经初始化的ONU分配传输带宽 FTTH网络拓扑结构 光传输系统主要指标 光纤传输系统发送指标 1 工作波长 850nm 1310nm 1550nm S C L波段 线路传输特性与系统工作波长密切相关 2 平均发送光功率 Ps 功率单位 mw w 制造 购买光源用 dBm 设计 施工 测量用 dBm 10LogPs 1mw 毫瓦分贝值 光纤工作波段 工作窗口波段标称波长波长范围 nm 第一窗口850第二窗口O波段13101280 1360第三窗口S波段15501460 1530C波段15501530 1565第四窗口L波段15501565 1625第五窗口E波段波长扩展1360 1460 光纤传输系统发送指标 3 光谱特性 信号脉冲包含的波长范围4 边模抑制比 SMSR SMSR Pmain Pside 30dB5 消光比 EXT EXT P P1x100 10dBP 全零码的光功率值 P1 全1码的光功率值 光纤传输系统接收指标 1 接收灵敏度 Pr 在保证系统误码指标的条件下 光接收机所需要的最小光功率值 Pr 10lgPmin mw dBm Pr值决定于系统传输速率 码型以及光探测器的类型 2 接收动态范围 D 在保证系统误码指标的条件下 光接收机所需最小光功率值与所允许的最大光功率值之差 即 D 10lgPmax Pmin Pr dB 不同工作条件下的接收灵敏度 速率等级2Mb sSTM 4STM 16STM 64误码指标BER101010接收灵敏度 50dBm 32dBm 28dBm 20dBmPr 9 10 12 灵敏度与系统误码指标相关 灵敏度与动态范围的测量 光发 光收 误码仪 可变衰减器 光功率计 光纤传输线路指标 光纤衰减 G 652 G 6551310nm 0 28 0 35dB km1550nm 0 18 0 25dB km0 18 0 25dB km传输色散1310nm 0 2ps nm km1550nm 17 20ps nm km2 4ps nm km 光纤与光缆 光纤结构 包层 n 纤芯 n 1 2 涂复层 n1 1 4672 n2 1 4647 介质折射率的差别形成光波导 包层 涂复层 原料提纯熔炼制棒拉丝涂覆套塑成缆 光纤光缆制造工艺 光纤主要原料及提纯 原料 SiCL4 GeCL4 O2 CCL2F2 提纯方式 精馏去除沸点相差较大的杂质吸附去除化学键极性不同的物质纯度要求 99 9999 熔炼制棒 GeCL4 O2 CCLF2 SiCL4 2 熔炼车床 石英反应管 CL2 MCVD制棒工艺 制棒工艺参数 MCVD法与PCVD法沉积温度 1600缩棒温度 1750予制棒长度 1 1 2 m 直径 80 120 mm 相对折射率差 0 003 0 004 折射率分布 梯度多模 常规单模 色散位移 最低衰减 非零色散位移 SiO2 SiO2 F SiO2 Ge SiO2 Ge SiO2 SiO2 SiO2 F SiO2 拉丝涂覆 测径仪 调速 温控 涂覆 固化 筛选 收丝轮 加热炉 拉丝工艺参数 拉丝速度 25 30m s拉丝长度 350 400Km 棒 28g Km 筛选张力 管道 直埋3 5N架空 海底5 7N一层涂复 丙烯树脂 180 m抗拉 二层涂复 环氧树脂 250 m抗压 光纤的类别 可有不同分类方式 按传导模数分 多模 MMF 单模 SMF 按折射率分布 渐变型 GI 阶跃型 SI 按特殊用途分 EDF DCF LEAF 按ITU T或IEC文号分 G 651 A1 G 652 B1 G 653 B2 G 655 B4 G 651光纤 MM 多模光纤G 652光纤 SM 标准单模光纤G 653光纤 SM 色散位移光纤G 654光纤 SM 截止波长位移光纤G 655光纤 SM 非零色散位移光纤G 656光纤 SM 宽带NZ DSFG 657光纤 SM 抗弯曲衰减光纤 ITU T建议文号 特殊用途光纤 1 掺铒光纤 EDF 2 色散补偿光纤 DCF 3 数据光纤4 大有效面积光纤 LEAF 5 色散平坦光纤6 全波光纤 AWF 常用光纤命名与标准对照 光纤名称ITU T标准IEC标准多模光纤G 651A1aA1b非色散位移光纤G 652A B CB1 1 B1 3零色散位移光纤G 653B2截止波长位移光纤G 654B1 2非零色散位移光纤G 655A G 655BB4 注 G 652C B1 3 为全波光纤 G 652B有偏振色散要求 仍归于B1 1G 654 B1 2 为截止波长位移光纤 最低衰耗光纤 单模光纤导光原理 光的折射现象 光的全反射 1 3 2 2 3 1 Sin 1 460 1 464 85 8 入射角 90 85 8 4 2度 近于直线传导 光纤的基本参数 1 几何尺寸 类别 SM MM EDF 数据 纤芯直径 2a 9 50 4 5 62 5 包层外径 2b 125 涂复层外径 约250 m 2相对折射率差 n1 n2 n1 DCF 6 光纤的基本参数 3 数值孔径 NA n1 Sin 数值孔径表示光纤接收 耦合 光信号的能力常规单模光纤的NA值约为0 108多模光纤的NA值大于单模光纤 故光耦合效率高 NA值与折射率差有关 太大会形成多模传输 光纤的基本参数 4 模场直径 MFD 模场直径MFD的影响 模场直径MFD表示光纤中传导的光信号能量的集中程度 信号波长越长 则MFD值越大 光纤模场直径MFD在工程上具有较大意义 连接损耗弯曲敏感性 光纤的基本参数 5 归一化频率V与截止波长 V c NA 或 c NA V c 光纤单模传输条件 V Vc 2 405或 c 光纤归一化频率的影响 V值越小 越有利于单模传输在特定光纤中 V值越大 则其模场直径MFD越小 有利于信号能量集中 因而对光纤弯曲不敏感 但光纤接续损耗较大 光纤中的信号传导模数可由V值计算 光纤的基本参数 6 光纤截面形状误差1 包层不圆度 1 2 同心度误差 0 8 m 光纤的传输特性 传输衰减传输色散非线性效应 光纤传输衰减 光纤传输中各种因素引起的信号能量损失传输衰耗是系统设计 光功率分配 中继距离确定的重要参数定义 Pin Pout L 10LgPin Pout L dB 光纤衰减机理 光纤材料固有损耗 1 瑞利散射 光纤工艺中材料结晶产生的不均匀组织引起 其效率与光波长的四次方成反比 2 材料吸收 光纤材料 含杂质 对光信号的吸收 可分为紫外吸收与红外吸收 光纤衰减曲线 dB Km 瑞利散射 紫外吸收 红外吸收 1310 1550 nm OH吸收峰 光纤衰减机理 结构缺陷损耗制棒工艺中产生的纤芯不均匀 界面不平整 气泡 杂质 微弯等 辐射模 传导模 附加损耗 附加损耗主要指光纤使用中引起的损耗接续损耗包括 1 光纤固定熔接损耗 一般小于0 05dB 2 活动连接损耗 一般小于0 3dB 弯曲损耗 光纤衰减的测量 常用测量方法 1 剪断法2 插入法3 背向散射法剪断法测量 ITU T建议的基准方法 光源 光功率计 滤模器 被测光纤 L P1 P2 2m Lg dB Km 背向散射法测量 利用光传输中的背向散射与菲涅尔反射设计的光时域反射仪 OTDR 测量 OTDR测试功能 1 光缆线路长度 工程施工 线路维2 光纤衰耗分布护中广泛应用 3 接头损耗4 线路故障点的位置 光纤传输色散 色散的概念 红 紫 白光 光纤传输色散 光信号脉冲中含有不同的波长成分 光源谱宽 或不同传输模式 其传输速度与路径的差别会产生传输时延差 从而引起光脉冲展宽 严重时会造成码间干扰 脉冲展宽量 D x xL 1 模间色散 多模传输引起 不同传导模之间产生的传输时延差 单模传输不存在模间色散 光纤色散机理 模的概念 纵模指激光振荡的频谱成分 即波长成分单纵模激光器的频率仍有一定的分布范围横模指电磁场的横向场分布分为基模TEM00和高阶模TEMmn偏振模指同一光波模式所包含的相互正交的两个偏振态 多模光纤的改进 高 基 改为渐变型折射率 改变高 基次模的传输速度 T L长 V快 L短 V慢 展宽 单模光纤的色散机理 2 色度色散 波长差异引起 材料色散波导色散 3 偏振模色散与光纤结构 残余应力有关 单模光纤色散曲线 G 652 Ps nmKm nm 材料色散 波导色散 1310 总色散 0 1550 几种改进型光纤的色散曲线 Ps nmKm nm 0 1310 1550 G 652 G 655 G 653 G 654 快轴 PMD 传输线路 慢轴 距离 没有模式耦合 偏振模色散 PMD 分别在相互正交的两个偏振方向上传导的光由于折射率的不均匀或残余应力的作用产生的速度差异造成的传输时延差 PMD与所传输信号的波长差异无关对于截面圆理想 且不受弯 挤 扭等应力作用的光纤则不存在PMD PMD的影响 标准规定 无电再生传输距离内 PMD的展宽量即 应小于信号脉冲时隙的10 以保证系统功率代价不超出1dB不同传输速率的脉冲时隙宽度 单位 ps km 64K2 048M622M2 5G10G40G b s 15 6 S488ns1 6ns400ps100ps25ps故PMD限制距离为 L PMD km 2 光纤非线性效应 光纤传输特性与光功率无关 谓之 线性 光纤传输特性在强光功率作用下发生变化 则谓之 非线性 光纤非线性效应类型 受激散射效应 拉曼散射 SRS 布里渊散射 SBS 折射率效应 Kerr 自相位调制 SPM 交叉相位调制 XPM 四波混频 FWM 通常将产生某种非线性效应的光功率值称为其 阈值 四波混频 FWM 的光谱观察 1546 5 波长 1nm div 波长 1nm div 色散位移光纤 25km D 0ps nm km 真波光纤 50km D 2 5ps nm km 衰耗 10dB div 衰耗 10dB div 1546 5 2nm 1nm 1 5nm 2nm 1nm 1 5nm 注入光功率 3dBm 通道 FWM抑制措施 降低传输光功率增大通光面积增大信道间隔保持一定色散 光纤的选用 长途骨干光网络与本地网 依据每一信道所传输的基本速率 2 5Gb s及以下速率的系统 可用原敷设的G 652光纤DWDM系统 10Gb s及以上速率的系统 新建大容量骨干网系统 则应采用G 655光纤 光纤的选用 城域网光传输线路 除常规单模 G 652 外 为适应多种业务与多种速率信号传送 采用波分复用传输 需扩展可用光波长范围 1280 1625nm大容量城域网可选全波光纤 低水峰光纤 B1 3 全波光纤与G652光纤的色散并无区别 光纤的选用 光纤数据网与用户接入网速率低 距离短 一般采用多模光纤 A1 b 其芯径粗 便于接续 活动连接器件简单 可降低系统成本 接头多 分支复杂 通光面积大允许大功率光信号传输 不会产生非线性 以前多模光纤系统采用发光管 带宽窄 目前 新型垂直腔面发射激光器 VCSEL 已进入实用 带宽达数Gb s 光缆 光缆类别 缆芯结构不同分为 中心管式层绞式骨架式光缆敷设条件不同分为 架空光缆 管道光缆 直埋光缆和水底光缆光缆中光纤的松紧状态不同分为 紧结构松结构半松半紧结构光缆使用环境与缆中材料不同可分为 金属加强构件 非金属加强构件阻燃 防蚁光缆 电力光缆 层绞式光缆 经过套塑的光纤单元 管 螺旋绞合在中心加强构件上在缆芯周围加装各种护层并填充缆膏 光缆中光纤芯数最大可做到200芯以上适用于架空 管道 直埋 水下等各种方式 中心束管式光缆 装有多根光纤的松套管置于光缆截面的中心位置 单根高炭钢丝作为加强构件平行置于中心管的两边或周围光缆中光纤芯数最大为36芯光缆结构简单 轻便且对光纤保护有利 适用于架空 管道或直埋方式 叠带式光缆 带状光纤缆结构类同于非带状光纤缆 可分为中心管式 松套层绞式和骨架式三大类 光缆构造与材料 套塑1 松套 多纤合成 油膏填充 适于野外光缆 PBT 余长控制 水温 绞合节距 2 紧套 单纤紧包 线径细 适于局内光缆 硅橡胶orPVC 填充材料 气体 油膏 阻水纱对油膏性能要求 无腐蚀 高低温特性 易清除 光缆构造与材料 加强件 抗拉 1 金属 磷化钢丝 钢绞线 野外光缆 2 非金属 工程塑料 电力光缆用 芳纶纤维 局内光缆用 要求 材料杨氏模量E值大 不锈蚀护层 提供侧面保护 不同结构的光缆根据应用要求选用不同材料的护层 主要提供侧面保护 光缆构造与材料 光缆外护套野外用光缆 采用黑色聚乙烯 PE 易成形 机械强度高 致密性好 耐紫外线 局内用光缆 浅色聚氯乙烯 PVC 挠性好 耐弯曲疲劳且具阻燃性能 光缆型号标识 目前尚无ITU T建议 采用GB T 908 2000 完整代号分为两大部分 光缆型式代号 左边字母或数字 1 光缆类型 GY GJ GH GT GS 2 加强件 无符号 F 3 特征代号 B T Z X G D 光缆型式代号 光纤规格代号 光缆型号标识 4 护层代号 PE PVC A S L Q W 33 43 535 外护套代号 Y 或03 可略 V光纤规格代号 右边数字或字母 依次为 光纤芯数 光纤类型 D J S模场直径 包层外径 工作波长 1 2 3 衰耗系数 适用温度 A B C D 光缆代号示例 GYTA33 36D9 125 325 BGYDTS 192D9 125 230 AGYXTW 24D9 125 236 AGJFV 1D9 125 325 D GYTA GYTS GYXTA 3000芯 GHDT53 特种光缆 根据各种特殊要求 对光缆结构 材料及其性能进行改进 以适应不同场合的应用 常用特种光缆 雷电多发区敷设的非金属加强件光缆 GYFTS 强电感应区域用的完全非金属光缆 GYFTY 电力输送线路塔 杆 上直接挂设的全介质自承式光缆 ADSS 高压输电线路用架空复合地线光缆 OPGW 用于数据 图像网或应急抢修用的轻便型光缆防蚁 阻燃等特殊用途光缆 轻便光缆 防蚁光缆 全介质自承式光缆 ADSS 光纤复合地线缆 OPGW 电力通信线路用架空复合地线光缆 既作防护地线 内管中光纤作为光传输线路 其结构有中心管式和层绞式 一般采用不锈钢管内涂PBT材料作为光纤套管 并填充油膏 外层依次绞合铝包钢线和铝合金线作为防雷接地 大电流导热 OPGW光缆外径较大 一般为10 20mm 光纤光缆的应用条件 弯曲 不同弯曲半径R对光纤与光缆的影响不同 光纤 当R 2mm 光纤可能断裂 R 20mm 光纤传输损耗会增大 R 40mm 会造成光纤弯曲疲劳 光缆 运输与施工过程中 光缆的动态允许弯曲半径大于缆径20倍 静态弯曲半径大于缆径15倍 光缆选用 根据路由环境条件与敷设方式直埋选用阻水 防潮 耐腐蚀 对鼠咬 蚁害地区应选金属带铠装或尼龙护套光缆 市内管道或长途硬塑管道选一般PE护套层绞或骨架光缆 水下敷设应选多层铠装缆 架空选用一般结构的中心管或层绞式光缆 光缆选用 电力线路杆上架设选ADSS光缆 高压铁塔采用OPGW光缆 计算机数据网络或用户接入网可选多芯带缆 室内布线光缆宜用具有阻燃 无金属加强件的PVC外护套光缆 应用量最大 应用范围最为广泛的是松套层绞式光缆 常用光缆名称型号与应用场合 习惯名称型号结构特点出敷设应用金属加强 松套层绞架空 管道全填充 铝塑粘接护套金属加强 松套层绞架空 管道 全填充 钢塑粘接护套直埋金属加强 松套层绞全填充 钢塑粘接护套皱纹钢带铠装直埋金属加强 松套层绞全填充 铝塑粘接护套直埋细钢丝铠装 层绞式光缆 GYTA GYTS GYTS53 GYTA33 常用光缆名称型号与应用场合 习惯名称型号结构特点出敷设应用中心管式 全填充GYXTY金属加强 PE外护套架空 农话中心管式 全填充层架空 农话金属加强 钢塑粘接护层中心管式 全填充架空 管道夹带增强钢塑粘接护套农话 中心管式光缆 GYXTS GYXTW 常用光缆名称型号与应用场合 习惯名称型号结构特点敷设应用中心管带缆 金属加强架空 管道GYDXTW全填充 夹带钢丝粘接护套接入网骨架式带缆 全填充管道 接入金属加强 PE外护套点网松套层绞 金属加强 全填充直埋 接入皱纹钢带铠装网 带状光缆 GYDGTY GYDTY53 常用光缆名称型号与应用场合 习惯名称型号结构特点敷设应用松套层绞 非金属加强高压感应全填充 PE外护套区架空 槽道 非金属光缆 GYFTY GYFTCY 松套层绞 非金属加强电力线路铁塔架空 全填充 自承式PE外护套 GYTC8Y 全填充 8字形自承式PE外护套 松套层绞 金属加强件 电力线路杆路架空 室内光缆名称型号与应用 习惯名称型号结构特点敷设应用非金属加强 室内连接紧套光纤 PVC外护套尾纤或跳线 室内用光缆 GJFJV GJFJZY 非金属加强 阻燃聚烯烃外护套室内布线 紧套光纤 GJFDBZY 非金属加强 带状扁平室内布线型阻燃聚烯烃外护套或尾纤 光缆出厂检验项目 1 根据合同要求确定 缆芯结构 光纤类型 光纤芯数2 光缆机械特性 拉伸 弯曲 扭转 曲绕 冲击 光缆出厂检验项目 3 光纤特性 几何特性 包层不圆度 1 同心度误差0 8 m包层外径 125 m传输特性 衰耗 色散 截止波长 模场直径 工程特性项目 接续损耗 光缆绝缘电阻 护层材料及厚度 金属层与PE护层粘接强度缆中光纤排序及色标规定 光缆外护层标识 缆盘标识耐环境性能 温度 水分 缆中油膏滴流性 截面渗水性 外护套开裂性 光缆端别 缆盘上 内 A外 B有色标 红 A绿 B按局级 高 A低 B尺码数 小 A大 B 成品光缆外护套标识 1 制造厂商名称或注册商标2 制造年份3 光缆主要代号 光纤类型及纤数4 间隔为1M的尺码带5 有时打印用户名称或标识如 2008GYTS36B1 M上海移动 成品光缆缆盘标识 盘号光缆型号光缆长度允许弯曲半径盘重滚动方向 光发送与光接收 半导体光源 E O转换 信号加载 半导体光检测器 O E转换 信号解调 光放大器 EDFA PDFA RFA SOA 光波长转换器 OTU 光调制器 MZ EA 光有源器件基本类型 光发送要求 光源的波长稳定 光接收要求 光发送与接收要求 光源性能要求 发光波长 对准光纤低衰减窗口 发光功率 满足中继距离要求 光谱特性 窄谱宽 减小色散 调制特性 响应快 消光比好 可靠性 工作寿命长 Ith低 耦合效率 入纤功率大 通信用光源类别 发光管 LED 边发 面发 超辐射激光器 LD 双异质结 掩埋条型分布反馈 DFB 布拉格光栅 波长选择多量子阱 MQW 大功率垂直腔面发射激光器 VCSEL 用于多模光纤网络 发光机理 在一定结构中半导体材料的原子具有不同的能量等级 叠加成为能量带 处于高能级的能量带称为导带 Ec 处于低能级的能量带称为价带 Ev 导带与价带之间的间隔称为禁带 Eg 或带隙 原子在从高能级向低能级的跃迁过程中产生光子 禁带的大小决定物质所产生光子能量的大小 发光机理 Eg Ec Ev h V C h 普朗克常数 6 626 10 34J S V 光子频率 EC EV Eg 发光机理 hC Eg器件的发光波长取决于其材料的组份 不同材料组份具有不同的Eg值 发射激光的条件是 具备激光谐振腔形成 粒子数反转分布 长波长器件 InGaAsP短波长器件 GaAiAs 光源材料与发光波长 LD与LED特点与应用 LD 受激辐射发光功率大 光谱窄 发散角小 耦合性能高 用于长距离单模系统发送LED 自发辐射发光功率低 光谱宽 发散角大 耦合性能差 用于短距离多模系统发送 G 692 DWDM信道与波长规范 直接调制 输出功率正比于调制电流 简单 损耗小 价廉 线性调频 啁啾 波长随调制电流变化 展宽激光器线宽 限制使用在 2 5Gbps速率下 较短距离传输 光源调制方式 1 调制电流的变化将引起激光的波长随调制电流线性变化 这种变化被称为调制啁啾 它实际上是一种直接调制光源无法克服的波长 频率 抖动 DWDM系统一般不采用此种调制方式 外调制 波分复用系统均采用外调制 电吸收 EA 波导型铌酸锂 LiNbO3Mach Zehnder 激光器光源 开关 复杂 损耗大 价格贵 线性调频 啁啾 无或小 用于 2 5Gbps高速率传输 对于模拟信号要求线性度 偏振无关 光源调制方式 2 输入电路 激光器驱动电路 DFB激光器 偏置控制电路 TEC控制电路 输入电路 调制器驱动电路 EA调制器 偏置控制电路 TEC控制电路 DFB激光器 光发射模块 光检测器 在线路接收端完成光 电变换的器件有多种类型 真空光电管 光电倍增管 半导体光探测器 光纤通信中信号较弱 只有半导体探测器能满足要求 光探测器工作原理光电效应 一定结构的半导体材料受到光照射时产生电动势或光电流的现象 光探测器类别与特点 光电二极管 PIN 结构简单 灵敏度低 只具备O E变换功能 无放大作用 用于短距离光信号接收 雪崩管 APD APD除具有O E变换功能 还具有内部增益 灵敏度高 适于长距离通信 探测器中的暗电流 无光入射时的反向电流 会产生噪声 此外 APD还有倍增噪声 APD 前置放大器 时钟 数据恢复 AGC控制 AGC放大器 APD偏置 告警检测 数据出 时钟出 光信号入 光接收模块 波长转换器 OTU 为了使波分复用设备和其他通用设备 如SDH PDH ATM等 互连 需要光接口变换 光接口转换器应当满足以下的基本要求 比特率透明 不降低消光比 输出具有高的光信噪比和良好的谱特性 超低啁啾声 适宜的光谱宽度 以便保证足够的无再生传输距离输出的光信号波长稳定 功率稳定 OTU应具有3R功能 根据不同信道速率设计以目前工艺水平的组件比特率可达40Gbit s 消光比得到改善 并利用外调制对信号进行整形 高SNR 与偏振无关 操作简单 波长转换器 OTU 光无源器件 光纤连接器 光路的活动连接光耦合器 光功率分配光衰减器 光功率控制与调整光波分复用器 分波与合波光隔离器 阻挡反向光光环行器 改变光方向光纤光栅 信号滤波 光无源器件常用类型与功能 光纤连接器 功能 为光纤与器件 设备之间 设备和仪表之间或线路与测试仪表之间实现高质量活动连接可重复插拔对光连接器的要求 低插损 小于0 3dB高回损 大于50dB重复性 互换性好 小于0 1dB插拔寿命长 大于1000次价格低 FC 金属螺纹锁紧式SC 塑料矩形插拔式样插针 2 5mmST 金属圆柱卡口式MT 多芯带状光纤连接LC 微型连接器 美 插针 1 25mmMU 微型连接器 日 光连接器由螺纹锁紧向直接插拔演变 可减小操作空间 增大安装密度 避免挤压 活动连接器基本类型 不同结构的光连接器 插针端面结构与性能 FC PC SPC APC 光纤连接器型号与参数 常用型号 FC PC FC APC MU PC1 25mm插针直径 2 5mm基本参数 插入损耗1000次回波损耗 50dB 跳线长度 0 5 1 5 10 m 光衰减器 功能对光功率进行一定量衰减的器件 应用场合系统调试 模拟光纤中继站 减小富余光功率光测试仪表 校准定标分类光可变衰减器连续可变光衰减器 分档可变光衰减器光固定衰减器 光衰减器结构 作用 光传输测量 如Pr 光接收机功率过载 玻璃基片镀膜吸收光能量 应用 1 固定衰减 衰减片装在活动连接器法兰盘中间 2 活动衰减 具有多层衰减片组合 可调 结构 聚焦镜 聚焦镜 工作参数 1 工作波长2 衰减值或范围3 精度 误差量 光隔离器 功能保证光的单向传输 消除反射光对激光器的影响在光通信系统中 光在从光源到接收机的传输过程中 会经过许多不同的光学界面 在每一个光学界面均会出现不同程度的反射 这些反射产生的回程光最终会沿着原光路传回光源 当回程光累积强度达一定的程度时 就会引起光源工作不稳定 产生频率漂移 幅度变化等问题 从而影响整个系统的正常工作 输入光 反射光 4 4 2 偏振器 偏振器 光隔离器的工作原理 法拉第旋转器 输出光 光隔离器的要求低插损高回损对偏振无关型要求低的偏振相关损耗光隔离器的参数工作波长插入损耗 正向 隔离度 反向 对光隔离器的要求 光环形器 特点正向传输导通 反向传输截止分路功能阻止光信号返回输入端将反射光引到其它路径 如高速公路环岛 原理基于光隔离器与光耦合器 1 2 3 光环形器工作方式 光纤光栅 改变光栅周期 使不同的波长在光纤光栅不同位置获得反射 波分复用器 WDM DWDM系统中的关键器件 其插入损耗 反射指标信道隔离度均为重要指标 作用 在WDM系统中起分波与合波的作用 合波 复用器分波 解复用器 干涉滤光膜型WDM 特点设计与所用光纤参数几乎完全无关 可以实现结构稳定的小型化器件信号通带较平坦 与偏振态无关插入损耗较低温度特性很好 可达0 001nm oC以下体积较大 干涉滤光膜型 1 2 3 4 4 3 2 1 集成光波导型 平面波导器件的特点低损耗 与光纤良好的模场匹配 对准容易体积小 重量轻 集成度高在光掩模过程中实现复杂的光路良好的环境稳定性和机械稳定性适于批量生产 重复性好设备昂贵波导母版成本较高 阵列波导光栅 AWG 输入波导群 输出波导群 1 2 n 1 n 片状波导 阵列波导 硅衬底 总结一下 光器件与电器件的类比 光放大与色散补偿技术 光放大技术 为补充光信号传输过程中的能量损耗 采用某种技术对光信号进行直接放大 以延长传输距离 半导体光放大器 SOA 掺铒光纤光放大器 EDFA 掺镨光纤光放大器 PDFA 激光拉曼光放大器 FRA 放大器种类 应用特点比较 SOA 放大范围宽 1310nm 1550nm 体积小 集成度高 受温度影响 噪声大 与光纤耦合差 PDFA 只能放大1310nm光信号 很少应用 FRA 可作分布式放大或与EDFA合用作L波段放大 EDFA 增益高 输出功率大噪声低 配置灵活 传输透明 目前普遍应用 掺铒光纤放大器 EDFA 放大原理 光泵浦源的强光激活掺铒光纤中的铒离子 形成 粒子数反转分布 高能级粒子向下跃迁产生新的光子 使信号光增强 EDFA由以下部分组成 掺铒光纤 光泵浦源 MQW 光隔离器 双波耦合器 EDFA结构示意 光隔离器 光滤波器 泵浦激光 980 1480 掺铒光纤 能量 信号 泵浦激光 光耦合器 弱输入信号 1550nm 放大后的信号 EDFA的工作原理 EDFA工作特性一 输出功率 输出信号功率Pout dBm 5 10 15 饱和区 放大区 在放大区 输出信号与输入功率同比例被放大 但当输入功率增加时 受激辐射加快 以致于减少了粒子数反转数量 使受激辐射光减弱 导致增益饱和 输出功率趋于平稳 输入信号功率Pin dBm 30 20 10 0 信号增益 dB 30 饱和区 放大区 铒离子浓度 泵浦光功率 G G 信号光功率增加 进入饱和区增益快速下降增益还与掺铒光纤长度有关 EDFA工作特性二 增益变化 EDFA工作特性三 增益平坦度 在工作波长范围内最大与最小增益之差 输入信号功率Pin dBm 30 20 10 0 6 0 5 0 7 0 4 0 40 噪声指数 输出信噪比 输入信噪放大器输入功率过大会导致噪声指数急剧增大比 EDFA工作特性四 噪声指数 隔离器 WDM EDF 隔离器 泵浦激光器 输入信号 输入信号 隔离器 WDM EDF 隔离器 输入信号 输入信号 泵浦激光器 隔离器 WDM EDF 隔离器 输入信号 输入信号 泵浦激光器 泵浦激光器 同向泵浦 反向泵浦 双向泵浦 EDFA光放大器泵浦方式 EDFA在系统中的应用分类 合波器 分波器 功率放大器 OBA 前置放大器 OPA 线路放大器 OLA EDFA指标要求 增益 30 45dB输出光功率 14 22dBm增益平坦度 小于1dB噪声系数 小于5dB增益控制纳入网管 色散补偿技术 1 采用色散补偿光纤 DCF 正负色散抵消原理大负色散值约 100 300ps nm KM安装位置 一般置于线路终端 DCF衰耗较大 约0 5 1db KM 需配合EDFA使用 补偿成本较高 DCF在系统中的配置 SLM LD MZI外调制 DCF 光接收 OBA OPA SDH信号 传输线路 发送子系统 接收子系统 色散补偿技术 2 应用光纤光栅改变光栅周期 使不同的波长在光纤光栅不同位置获得反射 色散补偿技术 光纤光栅补偿 光纤光栅 传输光纤 传输光纤 光环行器 色散补偿应用 等量色散补偿条件 光缆工程设计简介 设计阶段划分 可行性论证初步设计 勘察 测量 掌握相关资料 施工图设计 计算 绘图 选定产品 设计文件组成 设计说明设计依据 工程概况 予期通信容量 设备与光缆选用及厂商指标 技术经济分析与投资回收期 设计职责分工 主要工程量 投资予算设备 光缆及附件 施工仪器设备等单价及总价 各项施工费用 各项管理及附加费用等 设计文件组成 施工图纸光缆路由图 接续安装图 特殊路段保护图 光缆截面图 线路进局图 线路成端图 设备安装图等 维护人员与仪器工具的配置 光缆工程设计内容 光缆路由确定线路传输指标确定光缆敷设方式选择特殊路段保护方式系统容量需求与设备选型中继站址确定与电源供给维护人员配置工程投资予算 光缆工程设计 传输指标的确定中继站距离确定 衰耗限制 色散限制 其它因素限制放大方式与位置确定色散补偿方式的选择线路指标与线路保护方式 中继距离的计算 光纤传输的中继距离受两方面限制 线路衰减限制的中继距离影响因素 光纤衰减 接续损耗 活动连接 线路余量 设备余量 等 光纤色散限制的中继距离影响因素 系统传输速率 光纤色散系数 光源谱线宽度等 衰耗限制距离的计算 传输总损耗 Ps Pr L Ps 光源发光功率 dBm Pr 接收灵敏度 dBm Me 设备裕量 dB Ac 活动连接损耗 dB Af 光纤衰耗系数 dB Km Mc 线路裕量 dB Km As 线路熔接损耗平均值 dB Km Km As Mc L Me 2Ac 中继距离计算 例 某光纤传输系统 光源采用SLM LD 发送光功率Ps 3dBm 接收灵敏度Pr 40dBm 光纤衰减Af 0 2dB km 接头损耗 平均 As 0 05dB km 活动连接损耗Ac 0 4dB 设备余量Me 2dB 线路余量Mc 0 1dB km 试计算其衰减限制的传输中继距离La 中继距离计算 计算La 3 40 2 0 4 20 2 0 05 0 1 98 KM 也可在已知线路参数 接收指标的条件下核算接收光功率能否满足系统传输要求 动态范围内 色散限制距离的计算 传输速率一定的条件下 限制传输距离 中继距离一定的条件下 限制传输速率 B D B 线路速率 光源系数 单纵模 0 31多纵模 0 12 D 光纤色散系数 光源谱线宽度 LD KM 系统光接口指标 光接口类型 L 4 2V 16 2传输速率 622Mb s2 5Gb s光纤类型 ITU TG 652 B1 工作波长 1480 1625nm最小发送光功率 5dBm最小消光比 10dB接收灵敏度 34dBm接收机过载点 12dBm光连接器型号 FC SC 光缆线路工程技术 光缆传输线路 在光传输系统中 由设备处理完成的各类信号 离开光纤传输线路即成为 空中楼阁 光纤通信技术的每一次飞跃都与光纤技术的进步密切相关光纤传输性能的好坏 线路施工质量的优劣 直接影响通信系统质量光缆线路的建设规模与水平 体现了国家的综合国力 光缆传输线路 在整个传输系统的总投资中 光缆线路系统的投资占到大部分光纤通信系统中断的主要原因是光缆线路障碍 统计占系统障碍的2 3除电信 移动 联通等运营商外 广电 铁道 电力 高速公路等部门亦大规模建设了光纤网络 未来 光纤城域网 数据网 用户接入网将大规模发展 光纤网络将覆盖城乡 无处不在 光缆传输线路 随着各部门 行业光纤网络的建设与发展 培养高素质的光纤网络施工 维护管理人员队伍成为重要任务 掌握光纤传输的基本知识 光纤光缆的应用要求与不同条件下的应用选择以及施工要领 各类测试仪表的正确使用与误差应对 既需理论知识 也需经验积累 光缆线路施工特点 施工项目繁杂对光纤连接技术 仪器要求较高光缆线路指标测试须专门人员与仪表局内光缆的布放与成端方式较复杂光纤细而脆 在运输 敷设中极易损坏 造成重大损失 施工管理 光缆线路施工技术难度大 稍一不慎 会造成重大经济损失 故要求精细组织 严格管理管理内容涉及 施工人员 设备仪器 工程主 辅材料 施工质量 施工进度诸多方面 施工合同内容 工程名称与施工地点工程量及费用工期及质量要求 设计指标 双方职责验收方式付款方式 光缆线路施工阶段 一 施工准备二 光缆敷设三 光纤接续四 局 站成端五 中继段指标测试六 线路验收与开通 光缆配盘 目的 选择接头位置 减少接头 节省光缆 光纤性能匹配 便于施工等 要求 按盘号顺序 分清A B端 按规范确定予留 分段敷设应准备 调整盘 架空接头应在杆附近 管道接头应在人孔处 直埋接头应在稳定 平坦干燥处 光缆敷设予留 目的 便于接续操作 重新连接 线路迁移 线路敷设的自然弯曲予留部位与长度 直埋或管道内自然弯曲7m km架空光缆的垂度5m km接头盒两侧每侧8 10m局内盘留成15 20m 光缆布放注意事项 光缆布放应按配盘图中的盘号沿路由顺序布放应分清端别并使两盘光缆A B相接光缆布放中应严禁出现 浪涌 背扣 等现象对出现以上现象处应作施工记录 光缆运输与敷设 缆盘移动时转动方向线路敷设时 8 字散盘与搬运由管道或直埋的上 下杆保护管道入孔时的保护 弯角 磨擦 直埋敷设 施工步骤