第六章光纤通信

第六章光纤通信本章内容：光纤通信概述光纤与光缆SDH传输网波分复用技术全光网络本章学习目的及要求掌握光纤通信的特点掌握光纤和光缆的结构、种类理解SDH的特点和帧结构了解光纤线路码型、DWDM和全光网络6.1光纤通信概述光信号可以用于传输信息吗？光通信具有什么样的特点？探讨

光纤通信是以光纤为传输媒质，以光信号为信息载体的通信方式。6.1.1光纤通信的发展1880年，美国科学家贝尔发明光电话，标志着光通信的起源。1960年，美国人梅曼发明第一台红宝石激光器。1966年，“光纤之父”——高锟博士首次提出光纤通信的想法，这是光纤通信发展的里程碑。1970年，美国康宁公司研制出了损耗系数为20dB/km的光纤，光纤通信从此进入飞速发展。1977年，芝加哥第一条45Mbit/s的商用线路。1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s以及速率为100Mbit/s的光纤通信系统的试验。1980年，140Mbit/s光纤通信系统投入商业应用。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。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。1990年，565Mbit/s的光纤通信系统进入商用化阶段。1993年，速率622Mbit/s以下SDH产品开始商用化。1995年，速率2.5Gbit/s的SDH产品开始商用化。1996年，10Gbit/s的SDH产品开始商用化。1997年，20Gbit/s和40Gbit/s的产品试验取得巨大发展。2005年3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通，是至今世界容量最大的实用线路。目前研究中的商用速率为数十Tbit/s。光纤通信发明家高锟(左)

1998年在英国接受IEE授予的奖章从光纤的损耗看光纤通信的发展1970年是20dB/km1972年是4dB/km1974年是1.1dB/km1976年是0.5dB/km1979年是0.2dB/km1990年是0.14dB/km，已经接近石英光纤的理论损耗极限值0.1dB/km。6.1.2光纤通信的工作波长光波是电磁波的一种，其波长在微米级，频率为1014Hz～1015Hz数量级。目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区，即波长为0.8~1.8μm。光纤通信使用的三个工作窗口0.85μm、1.31μm、1.55μm。6.1.3光纤通信的特点优点（1）传输频带宽，通信容量大（2）传输衰减小，中继距离长（3）抗电磁干扰，传输质量好（4）体积小、重量轻、便于施工（5）原材料丰富，节约有色金属，有利于环保缺点光纤质地脆，机械强度低；光纤的切断和接续需要一定的工具设备和技术，光缆的弯曲半径不能过小等等。6.2光纤与光缆6.2.1光纤的结构与分类6.2.2光纤的导光原理6.2.3单模传输条件6.2.4光纤的传输特性6.2.5光缆

6.2.1光纤的结构与分类1．光纤的结构光纤是由中心的纤芯和外面的包层构成的，一般为双层或多层的同心圆柱体，为轴对称结构。纤芯位于光纤中心，作用是传输光波。包层位于纤芯外层，作用是将光波限制在纤芯中，同时还起到一定的机械保护作用。通信用的单模光纤纤芯为4-10μm，多模光纤纤芯直径为50~85μm，不管单模光纤还是多模光纤，包层的直径均为125μm。n1n2设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光在光纤中传输的必要条件是n1＞n2。相对折射指数差（Δ）当n１与n２的差别极小时，这种光纤称为弱导波光纤。Δ越大，光纤把光耦合入纤芯的能力越强。由于石英玻璃质地脆、易断裂，为保护光纤不受损害，提高抗拉度，一般需要在裸光纤外面指经过两次涂覆。裸光纤：由纤芯和包层组成。光纤芯线：经过涂敷的裸光纤。光纤的结构包括纤芯、包层和涂敷层。通常见到的光纤均为涂敷后的光纤芯线。归纳思考2．光纤的分类（1）按照光纤的制造材料分类按照光纤的制造材料的不同，光纤可分为玻璃（石英）光纤和塑料光纤。（2）按照光纤的传输模式分类根据光纤传输模式的数量，光纤可分为多模光纤（MMF）和单模光纤（SMF）。（3）按照光纤的折射率分布分类按照光纤剖面折射率分布的不同，光纤可分为突变型光纤（SIF）和渐变型光纤（GIF）。（4）按照ITU-T建议的分类按照ITU-T关于光纤的建议，光纤分为G.651光纤（渐变多模光纤）、G.652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（性能最佳单模光纤）、G.655光纤（非零色散位移单模光纤）。阶跃城型光弱纤（SI捉F）纤芯蓬折射萌率呈稻均匀站分布才。渐变常型光步纤（GI眼F）纤芯管折射负率呈逐非均丈匀分味布，腿在轴那心处挠最大步，而支在光兰纤横趁截面另内沿链半径蝴方向弯逐渐淡减小咱，在锹纤芯焦与包贺层的稠界面贸上降滔至包厘层折反射率n2。W型光道纤（波双包有层光稠纤）在纤却芯与帅包层慈之间络设有殿一折县射率中低于纤包层笛的缓我冲层乱，使届包层拨折射司率介温于纤穿芯和挨缓冲坏层之呜间。6.亏2.株2光纤袜的导坊光原伐理分析语光纤沙的导由光原研理，赠一般硬可采码用两五种方装法：腹一种淡是波减动理催论法迫，另孟一是霸射线裁法。波动悔理论深法是戴根据枯电磁渡场理绍论，浸分析杏其传性输特聋性。光可埋用一挑条表凶示光元的传冠播方移向的锻几何剂线来锣表示旺，这葛条几卧何线述就称背为光截射线果。用澡光射截线来斯研究记光波兰传输稻特性瓶的方设法，会称为布射线兼法。1．光拿的反烫射和额折射当光政射线府射到华两种痕介质蜓交界网面时杆，将柏发生洁反射巾和折浮射。n1＞n2n1n2θ1θ2θ3入射折射反射光的押全反僵射当光有从光茫密物相质（印折射慈率大耍的物捎质）霉入射鼻进光忙疏物馋质（筝折射趴率小功大的旺物质斗）时申。当入欺射角用大于汉临界热角。光射到两种介质交界面时，将发生反射和折射。当光从光密物质照射到光疏物质时，且入射角θ１满足θc＜θ１＜90°时，会发生全反射现象。为什么需要纤芯的折射率大于包层的折射率？归纳思考光线绣在阶烟跃型暑光纤呜中的被传播厚示意狸图结论：1、阶膨跃型起光纤祝就是岸利用私光波子的全粥反射辛原理2、光应波在闻纤芯猾中以博“之欲”字昌形向陆前传填播。2．阶因跃型耗光纤眼的传仍输原俯理数值鼻孔径表示捞光纤项的捕纺捉光舅线能予力的骗大小构。NA是表事示光猛纤特炕性的谣重要蹈数，统它反跑映光驰纤与雾光源师等元薯件耦汁合时膛的耦奋合效酿率。仿若纤贼芯和缎包层姻的相蚀对折摄射率敬差越炸大，NA值就欢越大饿，即犹光纤长的集即光能雕力就赠越强杂。θ接收锥NA=光纤裳的数鹊值孔罩径与符光纤酿的几挖何尺骗寸无课关，译只与蹄纤芯蛾和包余层两磁者的块折射寨率差港有关触。n14n13n12n11n11n12n13n14结论运：渐变劝型光熔纤纤扔芯折卷射率荣呈连撒续变狱化利用档光的袍反射宏和折盲射光线捕在其尊中以签一条粒近似嫂于正携弦型自的曲盏线向缠前传寒播3．渐犯变型梁光纤睁的传祖输原麻理6.篮2.膝3单模泥传输过条件单模第光纤毒是在迟给定观的工摆作波翠长上阔，只阴传输斯单一捧模式旦的光曾纤。单模察光纤串需要召满足筋什么客条件衡？1．归饿一化节频率V归一万化频宇率是梁为表逝征光予纤中筝所能则传播毯的模晌式数慢目多青少而庭引入横的一协个特葛征参肝数。奋其方傻程为调：其中妙，α—纹—是光饿纤的肃纤芯赛半径数；λ—卷—是光孔纤的局工作按波长妇；n1和n2——分别作是光供纤的惰纤芯向和包醉层折屑射率喉；k0——真空围中的涂波数列；Δ—谷—光纤孙的相境对折邮射率忧差。单模炼传输设条件觉：0＜V＜2.尊40惜52．截川止波狗长当V取2.栏40梳5时，倒叫归晶一化话截止伶频率Vc。当V=Vc时对乏应的桌波长λc称为色截止谅波长般，它评给出岗了保倒证单筒模传赢输的蚁光波兰长范用围，λ＞λc。通过济计算龄可算帖得单侵模光僻纤的鸭截止羡波长黎大约浪在1.蛮1μm左右明，要饼实现阿单模鼻传输允，光缎的波探长要苗大于姻截止氏波长芳，所珍以光纱纤的脊三个俭工作临窗口凭中0.贯85μm这个判波长涝不能丈用于市单模迫光纤万。6.退2.鄙4光纤旨的传雪输特尚性光纤腊的传怨输特水性指豆的是惜光信樱号在欢光纤吧中传浇输所避表现痕出来惹的特越性，健主要于包括埋损耗期特性金和色件散特粮性。1．光易纤的亲损耗胆特性定义光信凳号在伶光纤拾内传为播，谁随着盯距离运的增牵大，渣能量果会越戒来越匠弱，明其中都一部膀分能陡量在葱光纤重内部邻被吸昏收，漠一部虫分可停能突顾破光且纤纤需芯的浩束缚接，辐泉射到岗了光稠纤外香部，毛这叫处做光蛾纤的命传输正损耗跑（或锄传输寨衰减块）。损耗折系数(单位北：dB北/k已m)Pi和Po分别艘为入甩射光标功率奥和出逐射光止功率脏（mW或W）损耗蜻系数堤是光蓝纤传剧输系参统中而限制根光信苹号中娇继传纸输距刺离的败重要止因素睬之一竖。光纤羽损耗得大致蒙可以莲分为吸收扭损耗奏、散逗射损显耗和寒其他文损耗。吸收被损耗红外腔和紫侨外吸映收损网耗氢氧吴根离机子损菜耗杂质雄损耗散射蕉损耗瑞利妨散射把损耗非线寒性散蒙射损盏耗波导翅效应早散射茶损耗其他铜损耗连接矿损耗弯曲面损耗微弯脏损耗近端远端信号传播光纤智的传右输损纳耗影烘响光情信号丹的中蚂继距拳离。光纤夏损耗匹可以闷分为乖吸收劲损耗渗、散零射损彻耗和结其他会损耗城。为什喝么光由纤的单工作伐窗口井选择0.槐85μm、1.胶31μm、1.晚55μm？归纳思考光纤鸽损耗隙的大德小与些波长腥有密裙切的幼关系晴，损岗耗与占波长火的关墓系曲叼线叫泥做光株纤的搭损耗太谱。石英和光纤御的损弓耗谱2.光纤逆的色散仔特性光纤欣的色轿散是博在光趁纤中凶传输膜的光且信号富，随脚传输钓距离乎增加查，由冷于不虾同成遮分的唉光传段输时固延不敞同引匙起的眨脉冲控展宽浆的物巴理效锦应。模式顾色散模式俭色散康是指变即使检同一尝波长酸的光冻，若资其模以式不坐同，血则传渐播速扣率也某不同衔，从默而引我起色帝散，晚又称损为模蹄间色饲散，盟只存佳在于到多模咳光纤勇中。色度存色散光源件的光浪谱中粘不同每波长滴成分态的光填在传勺输过荒程中梨发生司群延恰时，塔引起真光脉羊冲展紫宽，功主要屡包括盘材料桑色散争和波违导色客散。偏振横模色召散偏振立模色税散是姓由于厚光信绵号传您输会客产生街两个胡方向咳的偏便振模估，当抛光纤宣在光穗信号县传输甩的两椒个方多向上里的折里射率烂不同兵而产吓生的哀色散株叫做迈偏振嚷模色码散。色散送主要辅包括左模式摘色散痛、色沟度色春散和钻偏振世模色切散三爹种。对于恒多模惹光纤刮，主谎要是倦模式帅色散塌。对于宣单模寺光纤绍，不唯存在雷模式狭色散懂，主况要是亮材料例色散蒸。损耗奏和色樱散对占于光装脉冲席传输守中的垂影响藏有什孙么不颂同？归纳思考6.茫2.炸5光缆“光凤缆是础为了影满足皮光学奴、机艇械或尝环境铁的性格能规饭范而谋制造察的，睁它是炭利用失置于诉包覆淋护套包中的睁一根途或多坐根光吹纤作堂为传悄输媒枯质并衬可以耕单独迹或成茧组使优用的废通信洪线缆磨组件配”。1.光缆妇的结亡构光缆戚的基筑本结宗构一霜般由核缆芯桐、加他强构萄件、酷填充愚物和突护层保等几拴部分妨构成葱，除享了这仓些基荐本结惜构之贴外，抛根据寄实际吓需要赤还要害有防葛水层彻、缓晕冲层磨、绝晒缘金再属导船线等稼构件愧。（1）缆欲芯为了店进一编步保并护光刻缆，岭增加奏光纤户的强绕度，景一般胆将带碗有涂甜敷层哄的光朗纤再消套上肺一层比塑料按层，臭通常讽称为映套塑鸭。将支套塑智后且软满足袭机械钩强度缺要求请的单猛根或视者多率根光丽纤芯急线乘以不检同的弹形式欣组合脉起来绍，就殃形成沃了缆妻芯。光缆马缆芯忽的基疗本结阵构大够体上书有层塑绞式用、骨关架式亭、束揭管式倦和带筋状式笛四种即。（2）加况强构棕件加强蒜构件处的作岛用事拴增加炮光缆皮的抗勺拉强侵度，耗提高宣光缆奸的机贷械性歇能。鸣一般菌光缆例的加报强构瓣件采界用镀铅锌钢约丝、蝴钢丝尿绳、冷不锈里钢或扒者高番强度读塑料葵加强柳构件莫等。鼠一般季加强凝构件胁位于宇光缆猪的中乎心，晚也有赔位于扔护层芹的，铲叫做吨护层琴加强哥构件刚。（3）护语层结诱构护层歼的主介要作伏用是傍保护盼缆芯病，提提高机劝械性孙能和宵防护窑性能皆。不邪同的工护层魄结构谢适合的不同玻的敷渣设条拳件。光缆珍的护岁层分呈为外烦护层背和护烟套两像部分斩，护胶套用朽来防祝止钢融带、渴加强毁构件佣等金央属构掘件损毫伤光反纤；帅外护穷层进傲一步额增强场光缆牌的保剥护作愤用。（4）填眠充结仅构填充只结构蒸用来乳提高吉光缆钱的防坑潮性样能，竖在光逢缆缆吊间空寇隙中以注入弃填充雪物，最以防傲止水受汽进积入光认缆。2．光槽缆的昨种类（1）根钓据传曾输性蝇能、跪距离愤和用且途光冬缆可且分为陡市话晋光缆通、长壶途光皮缆、绳海底救光缆奋和用掀户光议缆。（2）按捉光纤蹦的种奸类可缘瑞分为聪多模吼光缆件和单勉模光铲缆。（3）按前光纤而套塑雁方法弄可分蜜为紧滴套光染缆、侨松套牲光缆西、束颂管式握光缆愤和带毁状多抖芯单泛元光堤缆。（4）按婚光纤蔬芯数订可分银为单误芯光篇缆、歉双芯督光缆絮、四筑芯光完缆、果六芯奏光缆鞠、八烂芯光议缆、苦十二牧芯光库缆、潮二十极四芯漂光缆奴等。（5）按饭加强尿件配销置方暴法可旬分为念中心则加强蹲构件惜光缆团、分粱散加尤强构术件光缴缆、餐护层模加强凳构件级光缆宴。（6）按怨敷设淡方式消可分在为管被道光忍缆、央直埋遭光缆夸、架肤空光架缆和害水底芳光缆惹。（7）按糟护层名材料丢性质追可分系为聚难乙烯折护层迟普通兼光缆苗、聚溪氯乙牧烯护滩层阻肺燃光杯缆和四尼龙皂防蚁好防鼠忙光缆侵。（8）按氏传输稀导体画、介牢质状归况可抵分为贩无金细属光饿缆、胡普通隆光缆沾和综廉合光完缆。（9）按榨结构洁方式搭可分瞧为扁袍平结第构光匙缆、混层绞盟结构兆光缆买、骨锦架式恨结构施光缆魂、铠惩装结爬构光呢缆和去高密蔬度用塔户光参缆等笋。（10）目乏前通谅信用轨光缆疲可分输为室(野)外光浑缆——用于撒室外寨直埋泊、管筝道、幅槽道聋、隧讨道、邮架空帽及水熊下敷蝴设的福光缆削。软光鼓缆——具有秆优良剂的曲览挠性逆能的分可移活动的铸光缆堡。室(局)内光暂缆——用于肯室(局)内布叹放的钟光缆横。设备畜内光秋缆——用于匪设备朗内布续放的蔬光缆示。海底叶光缆——用于扛跨海旦洋敷屠设的恳光缆旨。特种两光缆——除上威述几傻类之托外，惊作特乔殊用腹途的轻光缆词。光缆朱的基歉本结助构包鸡括缆护芯、印加强屑构件刷、填华充物堆和护感层等按。不同粥敷设土方式霉的光报缆结糟构上兴应有没什么畅不同晃？为什菊么会棒有不蜻同种辽类的判光缆础？归纳思考6.亦3光纤而通信迈系统光纤亩通信摧系统福由光爆端机不、光讯缆和孙中继骄器组扫成。光发慰送机开与光誓接收某机统存称为啊光端保机。光发送部分传输部分光接收部分电端机电端机光端机中继器光缆光源光端机光缆光检测器光源光检测器光发谅送机肌的主穴要作隙用将电拦端机同送来吼的数绳字基失带电陈信号捐变换隆为光条信号珍，并叨耦合萌进光防纤线初路中挡进行腰传输搭。光呆发送床机中尤的光祸源是第整个引系统送的核朝心器哪件。光接贴收机袜的主饶要作准用将光鉴纤传梅输后围的幅铜度被筋衰减隆、波瞧形产曾生畸价变的羡、微糠弱的统光信悠号变头换为狭电信磨号，抢并对分电信屈号进攀行放隆大、为整形弓、再枕生成傲与发座送端狂相同保的电努信号境，输评入到凉电接郊收端妹机，摄光接沃收机呼中关旗键器谅件是殿半导迷体光帽检测挎器。中继手器的床主要设作用可对级微弱谨的光思信号效直接柿进行冰放大逮的器溜件，前其主萄要功蕉能是鞠提供堤光信折号的倚增益全，以盯补偿简光信外号在组传输桑过程居中的右衰减赖，增蓄加传处输系唤统无讲中继骆距离锄。6.榴3.讽1光源钉与光茶发送园机1．光付源光纤潮通信不中用煮到的鸣光源择有半母导体歪激光改器（LD）和桃发光与二极但管（LE工D）两情种，乐发光询二极趁管用提于短影距离鄙、低秩速光吸纤通夏信系毫统，辆光纤抓通信跑干线垮的光毫源均洞为半栋导体仅激光铲器。光纤绘通信夫系统宿对通侍信用粉光源兄的要宴求是（1）发余光波凯长与缺光纤抖的低涛损耗你窗口帜相符（2）有述足够葛的光招输出障功率（3）可旱靠性碰高、稠寿命雹长（4）温削度特京性好砖；光膝谱宽啊度窄（5）调黎制特罢性好（6）与区光纤炮的耦孟合效徐率高竹，体充积小层、重便量轻召等。2．光颜发送仍机线路独编码文电路报将数己字电够信号兵编码傅转换氧为适雅合光酿信道视传输唇的线宵路码碍型，牲调制腾电路倡将数辈字电夕信号汉通过策光源乘调制咱转换闻为光塔信号懒，并种送到贱光缆腰线路雅进行末传输绸，控惕制电坚路实困现由敌于器末件老请化或蹄者温谢度变牢化时去稳定壮激光圾器的痛输出透功率比。6.仓3.滔2光电川检测句器与晴光纤因数字援接收怠机1．半郊导体载光电稠检测善器它的贯功能初是实舍现光框信号衬转换耕为电买信号寺，常矩用的袋光电荣检测棚器分你为PI躬N光电辨检测口器和AP重D雪崩买光电拖二极东管两声种。光纤棕通信暑系统现对光晨电检诊测器别的基倒本要冰求是上：（1）在触系统福的工世作波相长上仓具有承足够山高的裤响应侄度（停对一枕定的霸入射啊光功脂率，蓬能够膛输出创尽可旁能大恒的光班电流返）（2）具杆有足寄够快丈的响最应度（3）具拌有尽百可能核低的齐噪声（4）具露有良勇好的悠线性寒关系（5）具者有较捞小的拌体积才、较徒长的涂工作付寿命2．光运接收者机光电检测器前置放大器主放大器均衡器判决器线路解码解扰接口码型变换时钟提取自动增益控制电路AGC光纤输出码型变换电路光接收放大电路6.欣3.境3中继锣器作用光脉尝冲信系号从茫发送六机输筐出经送光纤蓄传输迎若干席距离掀后，蒙由于烦光纤蛇损耗多和色项散的辞影响烛，光还脉冲校信号斯的幅岁度受川到衰矛减，晃波形夺出现苹失真歌，为景此就国要在幼光信享号传冰输一如定距双离时艳，加钱设一照个中肯继器争，以属放大掀衰减曲信号资，恢疗复失佛真的昼波形苍，使汪光脉预冲得衰到再羞生。种类中继肤器分由为光-电-光中巾继器亚和光狮中继包器两纽奉种返。光信嫂号通眨过光敢发射隔机送携到光弓缆传诸输，讨中间酿经过氧中继抗器进南行信孝号波鬼形修估整、映再生趁、放办大后两，继确续传悼输，朵直到咽传到耗接收鸦机。光端瓜机中声为什嫂么需浮要码免型变鼠换？归纳思考6.抗3.芒4光纤思通信窄系统骄的码雾型光纤途线路宗编码距的必鉴要性电端概机码漏型一价般为粉三元来码，踩即以贼“1”和“0”去分查别对宽应正泛、负诱和零服电平柳。光兰源不纸可能浊发射居负的译光脉仅冲，过因而启，其苍线路恒码型核一般烂只考谦虑二匀电平什码，风即采屋用光纤脉冲乱的“淡有”尤和“预无”袍来表耻示二侧进制真码中兴的“1”和“0”。常用剖光纤息线路苦码型（1）分么组码概（mB枣nB码）（2）插脆入码翠（mB煎1X码）6.晒4德SD逢H6.肆4.辞1滨SD扫H的产扯生6.升4.寄2狠SD言H的帧互格式称和速付率6.雪4.携3幅SD帽H的基贺本网铃络单尿元6.篮4.图1凳SD聪H的产条生同步像数字搂系列掘（Sy稼nc绵hr闸on辜ou锡s酿Di各gi脚ta祝l极Hi轰er鹅ar生ch泼y，SD炭H）的篇研究晕工作母始于19炮86年，截其目老的是分建立零光纤交通信秤的通恭用标僵准。美国父贝尔日通信称研究林所最嗽先提刘出了颜光同址步传皇输网累的概明念，顺并称令之为屈同步叙光网赚络（SO胸NE健T）。国际疑电话窗电报窜咨询狡委员辟会（CC稻IT榆T），喂于19牲88年接犁受了SO弄NE详T的概退念，节重新哀命名竖为同跃步数妇字系正列（SD弄H），沉建立庭了世期界性宵的统仁一标杠准。6.景4.壮2乖SD澡H的帧墙格式说和速贝率用于网络的运行、管理、维护及指配指示净负荷区域内的信息首字节在STM-N帧内的准确位置，以便接收时能正确分离净负荷。真正用于电信业务的比特SDH等级速率kbit/sSDH等级速率kbit/sSTM-1155520STM-162488320STM-4622080STM-649953280STM-25639813120STM-0518406.潮4.乐3