第七章光纤通信

光纤通信

张昀(wumeijialian)第一页，共六十五页。1光纤通信系统

光纤全称为光导纤维，它是一种能够通光的、直径很细的透明玻璃丝，是一种新的传输介质。光纤通信是以光波为载波,以光导纤维为传输媒质的激光通信，就是运用光反射原理，把光的全反射限制在光纤内部，用光信号取代传统通信方式中的电信号，从而实现信息的传递的，亦即将要传的电话、电报、图象和数据等信号先变成光信号，再经由光纤进行传输或在本地进行光交换的一种通信方式。2CompanyLogo第二页，共六十五页。概述

利用光导纤维作为光的传输介质的光纤通信,其发展只有几十年的历史，它的发展是以1960年美国人Maiman发明的红宝石激光器，和1966年英籍华人高锟博士提出利用二氧化硅石英玻璃可制成低损耗光纤的设想为基础的，这种设想直到1970年美国康宁公司研制出损耗为20dB/Km的光纤，才使光纤进行远距离传输成为可能。3CompanyLogo第三页，共六十五页。光纤通信发展简史

自1970年以后，光纤通信的研究在世界范围内展开并得到迅猛发展，在短短的一、二十年中，已从0.85um短波长多模光纤发展到1.31um～1.55um的长波长单模光纤，同时开发出许多新型光电器件，激光器寿命已达数十万小时甚至百万小时，一些国家相继建成了长距离光纤通信系统。

4CompanyLogo第四页，共六十五页。频带宽,通信容量大理论上讲一根单模光纤可利用的带宽达20THz(1THz=1012Hz)以上,现在最先进的光纤通信系统达400GHz,而一路电话带宽约占4KHz频带,一路彩色电视约占6MHz频带损耗低,无中继距离长铜缆的损耗特性与铜缆的结构尺寸及所传输信号的频率有关,光缆的损耗特性仅与玻璃的纯度(或者说透明度)有关,高质量望远镜的镜头损耗超过500dB/km,目前通信用光纤的最低损耗达0.2dB/km光纤通信的优点5CompanyLogo第五页，共六十五页。具有抗电磁干扰能力光导纤维是绝缘体材料,不受输电线,电气化铁路及高压设备等电器干扰,可以与高压电线平行架设,还可制成复合光缆光纤不受强电干扰、电气化铁道干扰和雷电干扰，抗电磁脉冲能力也很强。保密性好通信质量高光纤通信的优点6CompanyLogo第六页，共六十五页。节约有色金属，原材料资源丰富光纤的主要成分是SiO2资源十分丰富。电缆的主要成分是Cu,Al等有色金属，资源有限，可节约大量金属。

线径细，重量轻，柔软可制成大芯数高密度光缆单芯光缆可安装在飞机,火箭,潜艇及航天飞机上光纤通信的优点7CompanyLogo第七页，共六十五页。缺点质地脆,机械强度低光纤切断和接续需要一定的工具,设备和技术分路,耦合不灵活光纤,光缆弯曲半径不能过小8CompanyLogo第八页，共六十五页。1977年，第一根短波长(0．85um)阶跃型石英光纤问世，长度为17m，衰减系数为300dB/km。1978年，研制出短波长多模梯度光纤，即G.651光纤。1979年，研制出多模长波长光纤，衰减为1dB/km。建成5.7km、8Mb/s光通信系统试验段。1980年，1300nm窗口衰减降至0.48dB/km，1550nm窗口衰减为0.29dB/km。我国光纤通信的开发里程

9CompanyLogo第九页，共六十五页。1984年，武汉、天津34Mb/s市话中继光传输系统工程建成(多模)。1988年，全长245km的武汉－长沙市34Mb/s多模光缆通信系统工程通过邮电部鉴定验收。1989年，汉阳——汉南40Mb/s单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收。1991年，研制出G.653色散位移光纤。最小衰减达0.22dB/km。合肥——芜湖40Mb/s单模光传输系统工程通过国家鉴定验收。我国光纤通信的开发里程

10CompanyLogo第十页，共六十五页。

1993年，在掺铒光纤放大器的研究上取得突破性进展，小信号增益达25dB。上海——无锡65Mb/s单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收。1997年，研制出G.655非零色散位移光纤。成都——攀枝花22Mb/sSDH光传输工程通过邮电部鉴定验收。1998年，海口——三亚5Gb/s光传输系统工程通过邮电部鉴定验收，该工程全长322km，仅在万宁设一个中继站，海口——万宁的中继距离为172km。1999年，8×2.5Gb/sDWDM系统通过国家验收。我国光纤通信的开发里程

11CompanyLogo第十一页，共六十五页。光的传播光是一种电磁波

可见光部分波长范围是：0.39~0.76μm。大于0.76μm部分是红外光，小于0.39μm部分是紫外光。光纤中应用的是：0.85，1.31，1.55μm三种。

12CompanyLogo第十二页，共六十五页。频率（Hz）1021041061081012101410161018102010221061041021101010-210-410-610-810-1010-1210-14波长名称长波中波短波超短波微波毫米波红外线可见光紫外线X射线10mm1mm100μm10μm1μm100nm10nm1nm红外线可见光紫外线光电磁波谱13CompanyLogo第十三页，共六十五页。光纤通信系统的基本组成

光纤通信系统可归结为电-光-电的简单模型。即需传输的信号必须先变成电信号，然后转换成光信号在光纤内传输，对端又将光信号变成电信号。整个过程中，光纤部分只起传输作用，对于信号的生成和处理，仍由电系统来完成。光端机光纤光纤数据

数据

中继器光端机14CompanyLogo第十四页，共六十五页。光纤与光缆

光纤通信中采用的传输媒介是光纤，光纤与加强元件、外护层等组合而成光缆。

15CompanyLogo第十五页，共六十五页。光纤导光的原理

包层(n2)

芯线(n1)

入射

出射

光纤是一种介质波导，具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的波导结构，其直径大约只有0.1mm，它是由两种折射率不同的玻璃构成的。16CompanyLogo第十六页，共六十五页。通信用光纤、光缆光纤种类与尺寸包层纤芯包层与纤芯的主要材料均为玻璃，但它们掺杂不同的杂质，使包层与纤芯具有不同的折射率。包层的外面还有一层保护层保护光纤。简单说模式就是指电磁场的“波形”17CompanyLogo第十七页，共六十五页。光纤的结构纤芯

包层

塑套

18CompanyLogo第十八页，共六十五页。光缆中的光纤一般是指经过两次涂覆后的光纤芯线，它的剖面结构如图所示。

19CompanyLogo第十九页，共六十五页。光纤的种类光纤是一种新型的光波导，其种类很多，按光纤材料不同，常见的有以下几种：·石英光纤

·多组分玻璃光纤

·全塑光纤20CompanyLogo第二十页，共六十五页。

按照折射率分布不同来分:通常采用的是阶跃型光纤和渐变型光纤两种。(1)阶跃型光纤(2)渐变型光纤光纤的分类21CompanyLogo第二十一页，共六十五页。

按照传输的总模数来分:所谓模式，实质上是电磁场的一种分布形式。模式不同，其分布不同，根据光纤中传输模式数量来分，可分为单模光纤(SM-Singlemodefiber)和多模光纤(MM–Multi-modefiber)。光纤的分类22CompanyLogo第二十二页，共六十五页。光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。光纤本身损耗的原因，大致包括两类：吸收损耗和散射损耗。

光纤的损耗特性23CompanyLogo第二十三页，共六十五页。

吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，造成光功率的损失。散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射，由此产生的损耗为散射损耗。光纤的损耗特性吸收损耗:·本征吸收·杂质吸收散射损耗:·瑞利散射·结构缺陷散射24CompanyLogo第二十四页，共六十五页。由于光纤中色散的存在，会使得输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量和传输距离。光纤的色散特性25CompanyLogo第二十五页，共六十五页。光纤色散的概念简单地说，光纤的色散就是由于光纤中光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度的不同而使得传播时间不同，因此造成光信号中的不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。从光纤色散产生的机理来看，它包括模式色散、材料色散和波导色散三种。在单模光纤中只有基模传输，因此不存在模式色散，只有材料色散和波导色散。光纤的色散特性26CompanyLogo第二十六页，共六十五页。在多模光纤中，不同模式在同一频率下传输，各自的相位常数βmn不同，群速不同，模式之间存在时延差，这种色散称为模式色散。材料色散是由于光纤材料本身的折射率随频率而变化，使得信号各频率成分的群速不同，引起的色散称为材料色散。由于光纤的几何结构、形状等方面的不完善，使得光波一部分在纤芯中传输，而另一部分在包层中传输，由于纤芯和包层的折射率不同，这样造成脉冲展宽的现象，称为波导色散，或称结构色散。

光纤的色散特性27CompanyLogo第二十七页，共六十五页。在实际通信线路中，光纤通信用的光纤都经过了一次涂覆和二次涂覆的处理，经过涂覆后的光纤虽然已具有了一定的抗张强度，但还是经不起施工中的弯折、扭曲和侧压等外力作用，为了使光纤能在各种环境中使用，必须把光纤与其他元件组合起来构成光缆，使其具有良好的传输性能以及抗拉、抗冲击、抗弯、抗扭曲等机械性能。光缆28CompanyLogo第二十八页，共六十五页。光缆的结构要求：保证光纤传输特性的优良、稳定、可靠；保证光缆具有足够的机械强度和环境温度性能；确保光缆的防潮能力，使光缆具有足够的使用寿命；有利于降低生产成本，使光缆的价格低廉。29CompanyLogo第二十九页，共六十五页。光缆的基本结构不论光缆的具体结构形式如何，都是由缆芯、护套和加强元件构成。缆芯：由单根或多根光纤芯线组成，其作用是传输光波。加强元件：加强元件一般有金属丝和非金属纤维，其作用是增强光缆敷设时可承受的拉伸负荷。护层：光缆的护层主要是对已形成缆的光纤芯线器保护作用，避免受外界的损伤。

30CompanyLogo第三十页，共六十五页。缆芯是由光纤芯线组成，可分为单芯和多芯：单芯型：由单根经二次涂敷处理后的光纤组成多芯型：由多根经二次涂敷处理后的光纤组成二次涂覆主要采用两种保护结构：紧套结构松套结构光缆的基本结构31CompanyLogo第三十一页，共六十五页。光缆的种类层绞式光缆结构32CompanyLogo第三十二页，共六十五页。光缆的种类单位式光缆结构33CompanyLogo第三十三页，共六十五页。光缆的种类骨架式光缆结构34CompanyLogo第三十四页，共六十五页。光缆的种类带状式光缆结构35CompanyLogo第三十五页，共六十五页。公用通信网中的光缆结构36CompanyLogo第三十六页，共六十五页。光纤通信系统的组成信源电发射机光发射机光中继光接收机电接收机信宿37CompanyLogo第三十七页，共六十五页。光端机的组成

由于光纤通信系统一般都是双向的，所以我们将光发射机和接收机做在一起，称为光端机。38CompanyLogo第三十八页，共六十五页。光发射机

光发射机的作用是将电信号变成光信号，然后送入光纤中传输出去。光发射机主要是由光源、光源驱动、调制以及信道编码电路三部分组成。39CompanyLogo第三十九页，共六十五页。光发射机原理图

ATC驱动APC光源光监测均衡码型变换扰码编码时钟数字基带信号信道编码电路光源驱动与调制电路40CompanyLogo第四十页，共六十五页。光发射机输入接口其作用是进行电平转换。因为PCM电信号通常是三电平码即+12V、0V、-12V，输入接口把它们转换成二电平的非归零码（NRZ）或者归零码（RZ）。码型变换为了在不中断通信业务的条件下对光纤通信进行误码监测、实现公务联络和减少长连“0”与长连“1”的个数，通常要在发送端进行码型变换，而在接收端进行码型反变换。码型变换的方法是在原来标准码率的基础上适当增加一些码率，利用增加码率的一部分来实现误码监视、公务联络及平衡码流等。41CompanyLogo第四十一页，共六十五页。光发射机驱动电路与光源组件实际上就是光源及其调制电路。其作用是把电信号变成光脉冲信号发送到光纤当中。该部分是光发送机的核心，许多重要技术指标皆由该部分决定。自动功率控制（APC）为了使光发送机能输出稳定的的光功率信号，必须采用相应的负反馈措施来控制光源器件的发光功率。42CompanyLogo第四十二页，共六十五页。光纤通信对光源器件的要求光纤通信就是用低衰耗光纤来传输携带通信信息的光波，但并非所有的光都能用于光纤通信。人们希望用相干性好的激光作为携带通信信息的载体，因为它具有频率一致性好，相位差恒定，方向性强等优点。自从1960年梅曼发明了世界上第一只激光器（红宝石）以来，激光技术取得了突飞猛进的发展，并在各个领域尤其是工业领域取得了广泛的应用。但截止到1970年以前，世界上生产的激光器都不能用于光纤通信，这是因为大多数激光器体积庞大，而且不能连续波工作。而通信是要求长期连续不间断地工作。只有在1970年美国贝尔实验室研制出能在室温下连续波工作的世界上第一只GaAsAl激光器，才为光纤通信找到了合适的光源。43CompanyLogo第四十三页，共六十五页。光纤通信对光源器件的要求发射光波长适中光源器件发射光波的波长，必须落在光纤呈现低衰耗的0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。发射光功率足够大光源器件一定要能在室温下连续工作，而且其入纤光功率足够大，最少也应有数百微瓦，当然达到一毫瓦以上更好。在这里我们强调的是入纤光功率而不指单纯的发光功率。因为只有进入光纤后的光功率才有实际意义，由于光纤的几何尺寸极小（单模光纤的芯径不足10微米），所以要求光源器件要具有与光纤较高的耦合效率。44CompanyLogo第四十四页，共六十五页。光纤通信对光源器件的要求温度特性好光源器件的输出特性如发光波长与发射光功率大小等，一般来讲随温度变化而变化，尤其是在较高温度下其性能容易劣化。在光纤通信的初期与中期，经常需要对半导体激光器加致冷器和自动温控电路，而目前一些性能优良的激光器可以不需要任何温度保护措施。发光谱宽窄光源器件发射出来的光的谱线宽度应该越窄越好。因为若其谱线过宽，会增大光纤的色散，减少了光纤的传输容量与传输距离（色散受限制时）。例如对于长距离、大容量的光纤通信系统，其光源的谱线宽度应该小于2nm。45CompanyLogo第四十五页，共六十五页。光纤通信对光源器件的要求工作寿命长光纤通信要求其光源器件长期连续工作，因此光源器件的工作寿命越长越好。目前工作寿命近百万小时（约100年）的半导体激光器已经商用化。体积小重量轻光源器件要安装在光发送机或光中继器内，为使这些设备小型化，光源器件必须体积小、重量轻。46CompanyLogo第四十六页，共六十五页。光源器件半导体发光二极管LED：发激光，谱线宽度较宽，调制速度较低，与光纤的耦合效率较低，输出曲线线性好，使用寿命长，成本低，适用于短距离、小容量的传输系统。半导体激光器LD：长距离、大容量的传输系统47CompanyLogo第四十七页，共六十五页。中继器光发送机输出的经过强度调制的光脉冲信号通过光纤传输到接收端。由于受发送光功率、接收机灵敏度、光纤线路损耗、甚至色散等因素的影响及限制，光端机之间的最大传输距离是有限的。例如，在1.31µm工作区34Mb／s光端机的最大传输距离一般在50～70km。如果要超过这个最大传输距离，通常考虑增加光中继器，以放大和处理经衰减和变形了的光脉冲。48CompanyLogo第四十八页，共六十五页。中继器传统的光中继器采用的是光－电－光(O-E-O)的模式，光电检测器先将光纤送来的非常微弱的并失真了的光信号转换成电信号，再通过放大、整形、再定时，还原成与原来的信号一样的电脉冲信号。然后用这一电脉冲信号驱动激光器发光，又将电信号变换成光信号，向下一段光纤发送出光脉冲信号。通常把有再放大(re-amplifying)、再整形（re-shaping）、再定时（re-timing）这三种功能的中继器称为“3R”中继器。这种方式过程繁琐，很不利于光纤的高速传输。自从掺铒光纤放大器问世以后，光中继实现了全光中继，通常又称为1R（re-amplifying）再生。此技术目前仍然是通信领域的研究热点。49CompanyLogo第四十九页，共六十五页。中继器前置放大器主放大均衡判决调制电路光源时钟提取自动功率控制光电检测器自动功率控制50CompanyLogo第五十页，共六十五页。光接收机光接收机的作用是接收经光纤传输衰减后的十分微弱的光信号，从中检测出传送的信息，放大到足够大后，供终端处理使用。它包括光电检测器、光信号接收电路和信道解码电路三部分。51CompanyLogo第五十一页，共六十五页。光接收机原理图

光电检测器放大器均衡器判决器解码解扰码型反变换时钟恢复电路AGC电信号光信号接收电路信道解码电路光信号52CompanyLogo第五十二页，共六十五页。光电检测器光电检测器：光接收机中实现将光信号转换为电信号的器件称为光电检测器。其作用是把信号（通信信息）从光波中分离（检测）出来，即进行光/电转换。半导体光电检测器是利用半导体材料的光电效应来实现光电转换的。光检测器件质量的优劣在很大程度上决定了光接收机灵敏度的高低。而光接收机的灵敏度和光源器件的发光功率、光纤的衰耗三者一起便决定了光纤通信的中继距离（在系统受衰耗限制而不是受色散限制时）。PIN光电二极管APD雪崩二极管53CompanyLogo第五十三页，共六十五页。光接收机主放大器：其作用是把信号进一步放大，其增益一般在50dB以上。主放大器的输出脉冲幅度一般在1～3伏（峰一峰值），以满足判决再生电路的要求。均衡器：把主放大器输出的脉冲进行均衡，以形成码间干扰最小、能量集中即最有利于进行判决的升余弦波形。54CompanyLogo第五十四页，共六十五页。光接收机判决再生电路：对均衡器输出的脉冲流逐个进行判决，并再生成波形整齐的脉冲码流。自动增益控制（AGC）：其作用是控制前置放大器与主放大器的增益，并使光接收机有一个规定的动态范围。55CompanyLogo第五十五页，共六十五页。光纤通信中的高新技术

相干光通信技术光复用技术动态单频激光器光孤子通信技术56CompanyLogo第五十六页，共六十五页。光波分复用Λ1（光源）Λ2（光源）Λn（光源）合波器Λ1(检测器)分波器Λ2(检测器)Λn(检测器)单根光纤

由于光纤具有很宽的带宽，因此可以在一根光纤中传输多个波长的光载波，这就是波分复用(WDM)，它类似于无线电信道的频分复用。57CompanyLogo第五十七页，共六十五页。波分复用系统光波分复用（WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理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。58CompanyLogo第五十八页，共六十五页。光合波分波器光合波分波器1221nn波分复用示意图59CompanyLogo第五十九页，共六十五页。DWDMDWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing密集波分复用系统过去WDM系统是几十nm的波长间隔，现在的波长间隔小多了，只有（0.8～2）nm（nanometer十亿分之一米），甚至<0.8nm。密集波分复用技术其实是波分复用的一种具体表现形式。由于DWDM光载波的间隔很密，因而必须采用高分辨率波分复用器件来选取。60CompanyLogo第六十页，共六十五页。光孤子通信孤子（Soliton）又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。有人把孤子定义为：孤子与其他同类孤立波相遇后，能维持其幅度、形状和速度不变。1973年，孤立波的观点开始引入到光纤传输中。在频移时，由于折射率的非线性变化与群色散效应相平衡，光脉冲会形成一种基本孤子，在反常色散区稳定传输。由此，逐渐产生了新的电磁理论——光孤子理论，从而把通信引向非线性光纤孤子传输系统这一新领域。光孤子（soliton）就是这种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。利用光孤子特性可以实现超长距离、超大容量的光通信。61CompanyLogo第六十一页，共六十五页。光孤子通信光纤通信中，限制传输距离和传输容量的主要原因是“损耗”和“色散”。“损耗”使