第4章光纤通信系统

1、现代通信技术概论现代通信技术概论2第第4章章 光纤通信系统光纤通信系统4.1 光纤通信概述光纤通信概述4.2 光纤与光缆光纤与光缆4.3 光纤通信系统光纤通信系统4.4 光纤通信新技术光纤通信新技术34.1 光纤通信概述光纤通信概述 光纤通信是以光波作为载体，以光导纤维作为光纤通信是以光波作为载体，以光导纤维作为传输媒介的一种通信技术。光纤通信以其宽带、传输媒介的一种通信技术。光纤通信以其宽带、大容量、低损耗、长中继、抗电磁干扰、体积小、大容量、低损耗、长中继、抗电磁干扰、体积小、重量轻、便于敷设等优点，成为当代长途通信最重量轻、便于敷设等优点，成为当代长途通信最主要手段。主要手段。 本章首先

2、对光纤通信的发展历史做出回顾，然本章首先对光纤通信的发展历史做出回顾，然后对光纤通信的特点进行说明，重点阐述光纤的后对光纤通信的特点进行说明，重点阐述光纤的结构、分类、光波传输机理以及光纤通信系统各结构、分类、光波传输机理以及光纤通信系统各组成部分的工作原理。最后，简要介绍了一些光组成部分的工作原理。最后，简要介绍了一些光纤通信新技术。纤通信新技术。44.1.1 光纤通信发展简史光纤通信发展简史1960年，美国加州休斯实验室第一台固体红宝年，美国加州休斯实验室第一台固体红宝石激光器石激光器1961年，美国贝尔实验室氦年，美国贝尔实验室氦-氢气体激光器氢气体激光器1966年，高锟提出带有包层材料

3、的石英玻璃光年，高锟提出带有包层材料的石英玻璃光纤纤1970年，美国康宁玻璃公司首次制成了损耗仅年，美国康宁玻璃公司首次制成了损耗仅为为20dB/km的低损耗光纤的低损耗光纤1970年，美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光年，美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光器器5光纤通信发展简史（续）光纤通信发展简史（续）1974年，美国贝尔实验室制造出年，美国贝尔实验室制造出1dB/km损损耗的低损耗光纤。耗的低损耗光纤。 至此制约光纤通信的两个关键问题，光源和传至此制约光纤通信的两个关键问题，光源和传输媒介问题完全得到解决。光纤通信的普及和推输媒介问题完全得到解决。光纤通信的普及和推广获得了高速发展的基本条件

4、。广获得了高速发展的基本条件。1977年美国芝加哥率先开通了第一条年美国芝加哥率先开通了第一条45Mb/s的商用光纤通信系统。的商用光纤通信系统。 目前，国际国内长途通信传输网的光纤化比例目前，国际国内长途通信传输网的光纤化比例已经超过已经超过90%64.1.2 光纤通信的特点光纤通信的特点 传输损耗小，中继距离长：传输损耗小，中继距离长：1.55m波长附波长附近约近约0.2-0.3dB/km，中继跨度百公里。，中继跨度百公里。 传输频带宽，通信容量大：单模光纤的潜在带传输频带宽，通信容量大：单模光纤的潜在带宽可达几十太赫兹（宽可达几十太赫兹（1012Hz） 抗电磁干扰，保密效果好抗电磁干扰，

5、保密效果好 体积小、重量轻、便于运输和敷设体积小、重量轻、便于运输和敷设 原材料丰富、节约有色金属、有利于环保原材料丰富、节约有色金属、有利于环保 不足：光纤质地脆弱易断，敷设时的弯曲半径不足：光纤质地脆弱易断，敷设时的弯曲半径不宜太小不宜太小74.2 光纤与光缆光纤与光缆 光纤与光缆的结构、分类以及光纤的导光原理。光纤与光缆的结构、分类以及光纤的导光原理。84.2.1 光纤的结构与分类光纤的结构与分类 光纤是多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯、光纤是多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯、包层、涂覆层，称为裸纤。包层外面涂覆一层包层、涂覆层，称为裸纤。包层外面涂覆一层硅酮树脂或聚氨基甲酸乙酯（硅酮树脂或

6、聚氨基甲酸乙酯（30150m），），然后增加保护套加以保护。然后增加保护套加以保护。 纤芯和包层是高纯度石英材料，包层折射率纤芯和包层是高纯度石英材料，包层折射率略低于纤芯，与纤芯一起形成光的全反射通道，略低于纤芯，与纤芯一起形成光的全反射通道，使光波的传输局限于纤芯内。使光波的传输局限于纤芯内。91. 光纤的结构光纤的结构102. 光纤的分类（表光纤的分类（表4.1）分类方法分类方法具体名称具体名称说明说明用途与特点用途与特点按照材料的成分按照材料的成分全石英系列光纤全石英系列光纤以以SiO2为主要材料为主要材料长途大容量通信。损耗小，传输距离长，成本高长途大容量通信。损耗小，传输距离长，成

7、本高多组分玻璃纤维多组分玻璃纤维多种材料组合成分多种材料组合成分短距离光信号传输、容易制造、价格便宜短距离光信号传输、容易制造、价格便宜塑料包层石英芯光纤塑料包层石英芯光纤线芯是线芯是SiO2材料，包层是硅树脂材料，包层是硅树脂易耦合，特性同全石英系列光纤相近但成本较低，易耦合，特性同全石英系列光纤相近但成本较低，短距离高速数据传输，如短距离高速数据传输，如IEEE1394。全塑料光纤全塑料光纤纤芯和包层均由塑料制成纤芯和包层均由塑料制成挠曲性好、易加工、易耦合、成本很低、传输距挠曲性好、易加工、易耦合、成本很低、传输距离很短。多用于家电、音响及短距图像传输离很短。多用于家电、音响及短距图像传

8、输按照折射率的分布按照折射率的分布阶跃型光纤阶跃型光纤纤芯和包层折射率均匀，但包层的折射率低于纤纤芯和包层折射率均匀，但包层的折射率低于纤芯，交界处产生跃变。芯，交界处产生跃变。带宽较窄，适于小容量短距离通信带宽较窄，适于小容量短距离通信渐变型光纤渐变型光纤从纤芯到包层的折射率呈抛物线规律逐渐变小从纤芯到包层的折射率呈抛物线规律逐渐变小带宽较宽，适于中容量中距离通信带宽较宽，适于中容量中距离通信按照传输模式按照传输模式单模光纤单模光纤仅允许与光纤轴平行的光波传输，即只有一个基仅允许与光纤轴平行的光波传输，即只有一个基膜传输膜传输宽带、大容量、长途通信宽带、大容量、长途通信多模光纤多模光纤光波可

9、以以多个特定的角度射入光纤的端面传播光波可以以多个特定的角度射入光纤的端面传播多为渐变型。渐变型多模光纤主要用于局域网多为渐变型。渐变型多模光纤主要用于局域网按照工作波长按照工作波长短波长光纤短波长光纤0.80.9m长波长光纤长波长光纤1.01.7m超长波长光纤超长波长光纤2.0m以上以上按照按照ITU-T建议建议G.651渐变多模光纤渐变多模光纤工作波长为工作波长为1.31m和和1.55m，主要用于计算机局域网或接入网。主要用于计算机局域网或接入网。G.652标准单模光纤标准单模光纤是目前应用最广的光纤是目前应用最广的光纤当工作波长在当工作波长在1.3m时，光纤色散很小，系统的时，光纤色散很

10、小，系统的传输距离只受光纤衰减所限制传输距离只受光纤衰减所限制G.653色散位移单模光纤色散位移单模光纤在在1.55m处实现最低损耗与零色散波长一致。处实现最低损耗与零色散波长一致。用于超高速率、单信道、长中继距离通信。不利用于超高速率、单信道、长中继距离通信。不利于多信道的于多信道的WDM传输，易发生四波混频导致信传输，易发生四波混频导致信道间发生串扰道间发生串扰G.654最佳性能单模光纤最佳性能单模光纤在在1.55m处具有极低损耗（大约处具有极低损耗（大约0.15dB/km）G.655非零色散位移单模光纤非零色散位移单模光纤这种光纤综合了标准光纤和色散位移光纤最好的这种光纤综合了标准光纤和

11、色散位移光纤最好的传输特性，传输特性，特别适合于密集波分复用传输，所以非零色散光特别适合于密集波分复用传输，所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。全波光纤全波光纤消除了常规光纤在消除了常规光纤在1385nm附近由于附近由于OH-造成的损造成的损耗峰，使光纤可利用的波长增加耗峰，使光纤可利用的波长增加100nm左右左右处于推广实用阶段处于推广实用阶段113. 光纤的折射率径向分布图光纤的折射率径向分布图124.2.2 光纤的导光原理光纤的导光原理 在光学理论中，当传输媒介的几何尺寸远大于在光学理论中，当传输媒介的几何尺寸远大于光波波长时，可以把

12、光表示成其传播方向上的一光波波长时，可以把光表示成其传播方向上的一条几何线，称为光射线。用光射线来分析光传播条几何线，称为光射线。用光射线来分析光传播特性的方法，称为射线法。下面通过射线法来分特性的方法，称为射线法。下面通过射线法来分析光在阶跃型光纤中的导光原理。析光在阶跃型光纤中的导光原理。131.光的反射与折射定律光的反射与折射定律 入=反21sinsinnn入折当当折折900时，折射光线会反射回到纤芯进行时，折射光线会反射回到纤芯进行传播，这种现象称为全反射。传播，这种现象称为全反射。142.光纤中的全反射传输光纤中的全反射传输调整入射角调整入射角，使得，使得折折290度而发生全反射：度

13、而发生全反射：NAsin154.2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性 光纤的传输特性光纤的传输特性描述的是光纤描述的是光纤的传输损耗、色散的传输损耗、色散和非线性效应和非线性效应。161. 传输损耗传输损耗 光纤传输损耗表现为随着传输距离的增加光功光纤传输损耗表现为随着传输距离的增加光功率逐渐下降，主要原因是吸收和散射造成再加光率逐渐下降，主要原因是吸收和散射造成再加光纤结构不完善导致纤结构不完善导致。10( )log()dB/kmoiPLP 式中式中是光波波长，是光波波长，L是光纤长度（是光纤长度（km），），Po与与Pi分别是光纤输出和输入端的光功率分别是光纤输出和输入端的光功率.172.

14、色散色散 理想光源应是频率单一的单色光，但现实光源理想光源应是频率单一的单色光，但现实光源信号不纯，含有不同的波长成分，在折射率为信号不纯，含有不同的波长成分，在折射率为n1的光纤介质中传输速度不同，从而导致光信号分的光纤介质中传输速度不同，从而导致光信号分量产生不同延迟，这种现象称为光纤的色散。量产生不同延迟，这种现象称为光纤的色散。 具体表现为当光脉冲沿着光纤传输一定距离后具体表现为当光脉冲沿着光纤传输一定距离后脉冲宽度展宽，严重时前后脉冲相互重叠，难以脉冲宽度展宽，严重时前后脉冲相互重叠，难以分辨。分辨。 有三个参数色散系数、最大时延差有三个参数色散系数、最大时延差、光纤、光纤带宽系数可

15、以分别从不同的角度来描述光纤色散带宽系数可以分别从不同的角度来描述光纤色散的程度。的程度。18光纤色散的类型光纤色散的类型 模式色散：在多模光纤中，因同一波长分量的模式色散：在多模光纤中，因同一波长分量的各种传导模式的相位不同、群速度不同而导致光各种传导模式的相位不同、群速度不同而导致光脉冲展宽的现象，称为模式色散（或模间色散）。脉冲展宽的现象，称为模式色散（或模间色散）。 材料色散：由光纤材料自身特性造成的。材料色散：由光纤材料自身特性造成的。 波导色散：由光纤中的光波导结构引起的。波导色散：由光纤中的光波导结构引起的。 多模光纤主要考虑模式色散，单模光纤主要考多模光纤主要考虑模式色散，单模

16、光纤主要考虑材料色散和波导色散。虑材料色散和波导色散。19单模光纤中的色散系数与波长关系单模光纤中的色散系数与波长关系203.非线性效应非线性效应 非线性效应在波分复用信道间产生串话和功率非线性效应在波分复用信道间产生串话和功率降低代价，限制光纤通信的传输容量和最大传输降低代价，限制光纤通信的传输容量和最大传输距离，影响系统的设计参数。距离，影响系统的设计参数。 光纤中的非线性效应分为两类光纤中的非线性效应分为两类:非弹性过程和非弹性过程和弹性过程。弹性过程。214.2.4 光缆光缆分类方法分类方法 光缆种类光缆种类按用途按用途长途光缆、短途中继光缆、室内光缆、混合光缆长途光缆、短途中继光缆、

17、室内光缆、混合光缆按敷设方式按敷设方式直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆 按传输模式按传输模式单模光缆、多模光缆（阶跃型、渐变型）单模光缆、多模光缆（阶跃型、渐变型）按结构按结构层绞式、骨架式、大束管式、带式、单元式层绞式、骨架式、大束管式、带式、单元式 按外护套结构按外护套结构 无铠装、钢带铠装、钢丝铠装无铠装、钢带铠装、钢丝铠装 按光缆中有无金属按光缆中有无金属 有金属光缆、无金属光缆有金属光缆、无金属光缆 按维护方式按维护方式 充油光缆、充气光缆充油光缆、充气光缆 光缆的分类光缆的分类22几种光缆的结构几种光缆的结构234.3光纤通信系统光纤通信

18、系统 光纤通信系统是以光为载波，以光导纤维为传光纤通信系统是以光为载波，以光导纤维为传输媒介来传输消息的通信系统。光纤通信系统主输媒介来传输消息的通信系统。光纤通信系统主要由电端机、光端机、光中继器和光缆组成。要由电端机、光端机、光中继器和光缆组成。241. 电发送端机电发送端机 把信源消息转换成电数字信号。把信源消息转换成电数字信号。252. 光发送端机光发送端机光源的调制有直接调制或外调制两种方式：光源的调制有直接调制或外调制两种方式：263. 光端机的调制方式光端机的调制方式 直接调制（强直接调制（强-直调制）：利用电信号调制光直调制）：利用电信号调制光波的幅度，驱动电路输出波的幅度，驱

19、动电路输出“0”、“1”脉冲信号脉冲信号直接控制光源的发光强度。适用于低速的半导体直接控制光源的发光强度。适用于低速的半导体发光二极管（发光二极管（LED）。）。 外腔调制（相干光调制）：把激光送入到外腔外腔调制（相干光调制）：把激光送入到外腔调制器，然后用电数字信号控制调制器，适用于调制器，然后用电数字信号控制调制器，适用于高速激光器（高速激光器（LD）调制。外调制可选择调制光波）调制。外调制可选择调制光波的频率或相位。的频率或相位。27例子：一种直接调制的共发射极驱动电路例子：一种直接调制的共发射极驱动电路284. 光中继器光中继器 光光-电电-光中继方式正在被光放大器取代，例如，光中继方

20、式正在被光放大器取代，例如，掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier）可以放大）可以放大1.55m波长附近波长附近的光信号，适用于长途越洋光通信系统。的光信号，适用于长途越洋光通信系统。295. 光接收端机光接收端机 将光纤传输过来的微弱光信号，经光检测器转将光纤传输过来的微弱光信号，经光检测器转变为电信号，然后再经放大电路放大到足够的电变为电信号，然后再经放大电路放大到足够的电平，送到电接收端机去。平，送到电接收端机去。电信号电信号306.电接收端机电接收端机 电接收端机接收判决器输出的再生码元数据流，电接收端机接收判决器输出的再生

21、码元数据流，并还原为信宿可接收的形式。并还原为信宿可接收的形式。314.4 光纤通信新技术光纤通信新技术 超大容量、超长距离、超高速传输一直光纤通信超大容量、超长距离、超高速传输一直光纤通信新技术的发展目标。新技术的发展目标。 拓展光纤可用拓展光纤可用“窗口窗口”的波长范围可以提高的波长范围可以提高光纤带宽；光纤带宽； 降低损耗系数降低损耗系数()可以增加光纤中继距离；可以增加光纤中继距离； 光波分复用或光时分复用可以增大系统容量；光波分复用或光时分复用可以增大系统容量； 相干光通信和光孤子通信也是研发热点。相干光通信和光孤子通信也是研发热点。 本节将对其中的一些内容进行概要介绍。本节将对其中

22、的一些内容进行概要介绍。324.4.1 光波分复用与光时分复用光波分复用与光时分复用 采用光波分复用（采用光波分复用（WDM）或光时分复用）或光时分复用（OTDM）技术可以在不增加线路投资的情况下，）技术可以在不增加线路投资的情况下，扩大系统容量。扩大系统容量。331. 光波分复用光波分复用光波分复用：利用不同波长的光信号作为载波来光波分复用：利用不同波长的光信号作为载波来传输多路光信号。传输多路光信号。342. 光波分复用的类型光波分复用的类型 根据光波分复用时波长间隔的大小可以将波分复根据光波分复用时波长间隔的大小可以将波分复用系统分为三种类型：用系统分为三种类型： 密集波分复用（密集波分

23、复用（DWDM）：波长间隔）：波长间隔 110nm 稀疏波分复用（稀疏波分复用（CWDM）：波长间隔）：波长间隔 10100nm 光频分复用（光频分复用（OFDM）：波长间隔）：波长间隔1nm （未获实用）（未获实用）353. 光时分复用光时分复用 类似电脉冲信号的时分复用，光时分复用是把类似电脉冲信号的时分复用，光时分复用是把低速的光脉冲信号复合在一起，形成超高速光脉低速的光脉冲信号复合在一起，形成超高速光脉冲信号的一种技术。实现冲信号的一种技术。实现OTDM的基本技术主要的基本技术主要包括超短光脉冲（包括超短光脉冲（10ps以下）发生技术、全光以下）发生技术、全光时分复用时分复用/去复用技

24、术、超高速光定时提取技术去复用技术、超高速光定时提取技术等。等。364.4.2 相干光通信相干光通信 本振光源的频率与相位与发送光源要严格匹配本振光源的频率与相位与发送光源要严格匹配，否则会产生中频误差，导致判断出错。，否则会产生中频误差，导致判断出错。374.4.3 光孤子通信光孤子通信 光孤子是一种能在光纤中传输，并且长时间保光孤子是一种能在光纤中传输，并且长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。因为它很窄持形态、幅度和速度不变的光脉冲。因为它很窄，所以可使邻近光脉冲间隔很小而不至于发生重，所以可使邻近光脉冲间隔很小而不至于发生重叠干扰，从而实现超长距离、超大容量光通信。叠干扰，从而实现超长距离、超大容量光通信。384.4.4 光交换技术光交换技术 光交换是指不经过任何光光交换是指不经过任何光/电转换，把输入端电转换，把输入端光信号直接交换到不同输出端。光信号直接交换到不同输出端。 采用光交换技术不但可以克服电子交换