《光纤通信基础知识》课件

光纤通信基础知识概述

光纤通信概述光纤通信用光器件光接口分类及接口指标光通信系统设计光纤通信概述光纤通信的里程碑-----1966年高琨博士发表在PIEE上的文章《用于光频的光纤表面波导》从理论上分析和证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，科学的预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性。光通信研究的实质性突破----1970年美国康宁公司根据高锟博士的文章研制出世界上第一根超低损耗光纤（20dB/km）。光器件----1970年贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下工作的连续波砷化镓铝半导体激光器，为光纤通信找到了合适的光源器件。大规模集成电路技术和微机处理技术带动了光纤通信技术从小容量到大容量，从短距离到长距离、从旧体制（PDH）

到新体制（SDH）发展。光纤通信发展的几个关键点光纤通信技术概述通信容量大中继距离长保密性能好抗电磁干扰能力强体积小、重量轻、便于是施工维护原材料来源丰富、潜在价格低廉光纤通信的特点光纤通信技术概述光纤通信系统的基本组成光发送机电端机（数字）光接收机电端机（数字）模拟信息模拟信息LDAPD数字光纤通信系统光纤光纤的结构纤芯n1包层n2纤芯用来导光包层为光的传输提供反射面和光隔离，同时起到一定的机械保护作用，实用的光纤还采用涂覆层进一步保护光纤的机械和传输性能光在光纤中传输的必要条件是n1>n2按光纤的制造材料分：玻璃（石英）光纤和塑料光纤按光纤剖面折射率分布分类：突变型光纤（SIF）和渐变型光纤（GIF）按光纤传输模式分：多模光纤（MMF）和单模光纤（SMF）按传输模式的数量和光纤剖面的折射率分布，实用光纤主要分为：突变型多模光纤（MMF/SIF）,渐变型多模光纤（MMF/GIF）和单模光纤按套塑类型分类有紧套光纤与松套光纤按工作波长分类有短波长光纤（如波长为850nm光纤）与长波长光纤（如：波长为1310nm、1550nm光纤）

光纤的分类光纤ITU-T（国际电联）将单模光纤按其损耗和色散特性又分为以下四种：G.652光纤：常规单模光纤，又称色散未位移单模光纤；也叫做1310nm性能最佳光纤。该光纤的零色散点在1310nm处。在DWDM技术所使用的1550nm窗口处，它有大约17ps/nm.km的色散，G.652光纤是目前我国使用量最大的光纤。对于DWDM技术而言,G.652光纤在1550nm处的较大色散限制了无电中继传输距离，在单信道传输速率较高时这种限制表现的尤为明显。G.653光纤：色散移位光纤，也叫做1550nm性能最佳光纤。这种光纤通过设计光纤折射率的剖面，使零色散点移到1550nm窗口，从而与光纤的最小衰减窗口获得匹配，使超高速超长距离光纤传输成为可能G.654光纤：截止波长移位光纤。与G652相比是在1550nm处损耗降低约20%，但其零色散点仍然在1310nm附近，因而1550nm的色散较高。G.654光纤造价昂贵，一般用于海底传输G.655光纤：非零色散移位单模光纤（NZDF），该种光纤主要应用于1550nm工作波长区，色散系数较小，色散受限距离达数百公里，并且可以有效减小四波混频的影响光纤光纤传输原理分析光纤中广的传播特性的主要方法有：光射线分析法和波动理论分析法；以光射线分析法为例进行说明：多模渐变型光纤射线传输模型多模突变型光纤射线传输模型光纤反射层内芯5-10um反射层内芯单模光纤射线传输模型损耗特性：光信号在光纤中传播，随着距离的增大，能量会越来越弱，其中一部分被吸收，一部分可能突破光纤纤芯的束缚，辐射到光纤外部，这就叫做光纤的传输损耗（或者传输衰减）；光纤的传输特性3dB增益对应光功率提高一倍3dB损耗对应光功率减少一半光纤传输损耗图色散特性：光信号沿着光纤传输过程中，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散反映了光脉冲延光纤传播时的展宽。光纤在传输过程中的脉冲展宽，导致了脉冲与脉冲之间相重叠现象，即产生了码间干扰，从而形成传输码的失误。光纤的色散主要有：模式色散、色度色散和偏振模色散。非线性效应：当传输介质受到光场的作用时，组成介质的原子或分子内部的电子相对于原子核发生微小的位移或振动，使介质极化。非线性效应会引起信号产生附加损耗、信道间产生串扰、信号频率产生搬移等后果。光纤的非线性效应有两类：受激散射和非线性折射光纤通信用光器件有源光器件无源光器件二者的主要区别在于器件在实现本身功能的过程中，其内部是否发生光电能量转换常见的无源光器件有：光纤连接器、光分路器、光耦合器、光衰减器、光波分复用器、光波长转换器、光放大器等常见的有源光器件有：光源和光电检测器。如LD,LED,DFB-LD,MQW-LD光纤连接器是光纤与光纤之间进行可拆卸（活动）连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小，这是光纤连接器的基本要求。在一定程度上，光纤连接器也影响了光传输系统的可靠性和各项性能。光纤连接器一般以连接器的接头来表示，例如：FC/PC型，其中前者FC代表其连接头的外部加强方式结构采用金属套，紧固方式为螺丝扣；PC代表其对接端面插针类型为球面。下面就我们常用的几种做简单介绍。光纤连接器按连接头结构形式可分为：FC、SC、ST、LC、MU、MT等等各种形式FC型光纤连接器

：FC是FerruleConnector的缩写，表明其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。最早，FC类型的连接器，采用的陶瓷插针的对接端面是平面接触方式（FC）。此类连接器结构简单，操作方便，制作容易，但光纤端面对微尘较为敏感，且容易产生菲涅尔反射，提高回波损耗性能较为困难。光纤连接器SC是SquareConnector的缩写，其外壳呈矩形，所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全相同，其中插针的端面多采用PC或APC型研磨方式；紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转。此类连接器价格低廉，插拔操作方便，介入损耗波动小，抗压强度较高，安装密度高ST型光纤连接器：ST和SC接口比较类似，不同的是ST连接器的芯外露，SC连接器的芯在接头里面。对于10Base-F连接来说，连接器通常是ST类型的，对于100Base-FX来说，连接器大部分情况下为SC类型的光纤连接器MT-RJ型连接器

：MT-RJ是MultiTransmit－ReceiveJoint，是多芯发送接收一体的连接器，它带有与RJ-45型LAN电连接器相同的闩锁机构，通过安装于小型套管两侧的导向销对准光纤，为便于与光收发信机相连，连接器端面光纤为双芯（间隔0.75mm）排列设计，是主要用于数据传输的下一代高密度光纤连接器。LC型连接器

：LC是LucentConnector的缩写，顾名思义是由朗讯公司研究开发出来的，采用操作方便的模块化插孔（RJ）闩锁机理制成。其所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，为1.25mm。这样可以提高光纤配线架中光纤连接器的密度。目前，在单模SFF方面，LC类型的连接器实际已经占据了主导地位，在多模方面的应用也增长迅速。光纤连接器MU型连接器

：MU是MiniatureUnitCoupling的缩写，是以目前使用最多的SC型连接器为基础，由NTT研制开发出来的世界上最小的单芯光纤连接器。该连接器采用1.25mm直径的套管和自保持机构，其优势在于能实现高密度安装。利用MU的l.25mm直径的套管，NTT已经开发了MU连接器系列。随着光纤网络向更大带宽更大容量方向的迅速发展和DWDM技术的广泛应用，对MU型连接器的需求也将迅速增长。按光纤端面形状分有FC、PC（包括SPC或UPC）和APCFC型—FlatConnect

：称为平面连接器，采用的陶瓷插针的对接端面是平面接触方式（FC）。此类连接器结构简单，操作方便，制作容易，但光纤端面对微尘较为敏感，且容易产生菲涅尔反射，提高回波损耗性能较为困难。回波损耗：40dB光纤连接器PC型—PhysicalConnect

：称为球面连接器，其对接端面呈球面的插针（PC），而外部结构没有改变，使得插入损耗和回波损耗性能有了较大幅度的提高。回波损耗：40dBAPC型—AnglePhysicalConnect

：称为研磨式球面连接器，与PC型类似。回波损耗：55dBSC/APCFC/APC光源是通信系统中的重要器件之一，它的作用是将电信号转换为光信号，并将此光信号送入光纤中进行传输。对通信用光源的要求是：发光波长与光纤的低损耗窗口相符，有足够的光输出功率，可靠性高、寿命长，温度特性好，光谱宽度窄，调制特性好，与光纤的耦合效率高，体积小、重量轻等。目前普遍采用的光源是半导体激光器（LD）与半导体发光二极管（LED）.在高速率、远距离传输系统中均采用光谱宽度很窄的分布反馈式激光器（DFB-LD）和量子阱激光器（MQW-LD）.光源几个基本概念原子能级半导体能带半导体的P-N结E3E2E1导带价带满带禁带光和物质的相互作用存在着三种不同的基本过程：自发辐射、受激辐射和受激吸收粒子数反转分布状态在同一种物质内，光和物质的相互作用的三个过程同时存在。为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射或受激辐射大于受激吸收的几率，这就要求高能级上的电子数多于低能级上的电子数，这种现象称为粒子数发转分布状态。实现能级之间粒子数反转分布状态的方法有：光激励法和电激励法光与物质的相互作用光电检测器是光纤通信系统中的另一个核心器件，主要完成光信号到电信号的转换功能，要具有灵敏度高、响应时间短、噪声小、功耗低、可靠性高等优点。常用的光电检测器有：PIN光电二极管（PIN-PD）和雪崩光电二极管（APD）PIN二极管主要用于短距离、小容量的通信系统，APD二极管主要用于长距离、大容量的通信系统。光电检测器按光模块的封装形式分SFF、SFP两种，对于以太网封装的光模块还有一种GBIC。按照波长分850nm、1310nm、1550nm波长光模块。按模式分为多模和单模，而传输距离也不一样，多模传输距离为275～550m，单模则可以达到2Km、10Km、15Km、40Km、70Km，甚至100Km或以上。光模块SFP（SmallForm－factorPluggable）光模块，其收发分开，采用LC光纤，支持热插拔。ESFP（EnhancedSmallForm－factorPluggable）光模块相比SFP增加了对光模块电流、电压等性能的监测功能。SFF与SFP一样，唯一区别只是SFF为固定式。SFPESFPGBIC（GigabitInterfaceConverter）以太网封装的光模块，其收发分开，采用SC光纤接头，多模的波长为850nm，单模有1310nm和1550nm，支持热插拔。GBIC光耦合器是将光信号进行分路或合路、插入或分配的一种器件。光耦合器按其结构不同可以分为棱镜式和光纤式两类。其中光纤式耦合器体积小，工作稳定可靠，与光纤连接比较方便，使目前比较常用的一种。按照光纤型号分，有多模耦合器和单模耦合器。从工作带宽的角度分，有单工作窗口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器和双窗口的宽带耦合器。光耦合器光耦合器原理双锥耦合结构球透镜耦合结构自聚焦透镜耦合结构插入损耗：表示光耦合器损耗的大小。定义为输出光功率之和相对全部输入光功率的减少值。一般要求小于0.5dB。分光比：定义为各输出口的光功率之比。隔离度：指某一光路对其他光路的中的信号的隔离能力。隔离度越高意味着线路之间的“串话”越小。一般要求大于20dB。光耦合器的特性光耦合器输入输出0dBm-12dBm1：16光分路器原理光分路器每分一次光功率衰减3dBm光衰减器按照其工作原理可以分为：耦合型光衰减器、位移型光衰减器和衰减片型光衰减器。按其衰减量的变化方式可以分为固定式光衰减器和可变式光衰减器。可变式光衰减器通过人为调整衰减片的角度，改变反射光与透射光比例来改变光衰减的大小，可变衰减器有步进式和连续可调式两种。光衰减器光纤1光纤2光纤3（a）耦合型衰减器光纤1光纤1(b)横向移位和轴向移位型衰减器连接器连接器输入光纤输出光纤透镜透镜光衰减片(c)衰减片型光衰减器光接口类型一般是用代码表示，不同的字母和数字代表不同的含义，格式如：S1.1型光口

代码的第一位字母表示应用场合：I表示局内通信，传输距离0～2km；S表示短距离局间通信，传输距离2～15km；L表示长距离局间通信，1310nm波长传输距离为15～40km，1550nm波长传输距离为40～80km。字母后的第一位数字表示STM的速率等级，例如1表示STM-1，4表示STM-4，16表示STM-16。第二个数字（小数点后的第一个数字）表示工作的波长窗口和所有光纤类型：1和空白表示工作窗口为1310nm，所用光纤为G.652光纤；2表示工作窗口为1550nm，所用光纤为G..652或G.654光纤。光接口分类及接口指标平均发送光功率：发送机的发射光功率和所发送的数据信号中“1”占的比例有关，“1”越多，光功率也就越大。当发送伪随机信号时，“1”和“0”大致各占一半，这时测试得到的功率就是平均发送光功率。消光比：光数据全部为“1”时，平均光功率为A；光数据全部为“0”时，平均光功率为B，则消光比为：EX=10lg(A/B)

消光比太大，则引起啁啾声，频谱变宽，色散变大；消光比太小，则接收机很难将光的“1”和“0”分开，因此消光比不能太小，也不能很大，在协议上只规定了最小消光比。光发送机眼图：眼图把信号的上升时间、下降时间、脉冲过冲、脉冲下冲以及震荡等特性都反映出来了。这个眼图可以这样来理解：时间轴为一个周期的长度，眼图由四个部分组成：常“1”，“1”电平，“0”电平，常“0”电平。“1”电平和“0”电平并不是理想中的方波，而是有一定的上升和下降坡度，因此将这四种波形叠加起来，则就形成上面的眼图。光接口指标激光器工作波长

：激光器的工作波长不是光谱的峰峰值对应的波长，而是将光谱对应的波长进行加权平均得到的。最大均方根谱宽

：这是发光二极管（LED）和多纵摸（MLM）激光器的参数，根据协议，应该指光谱中比主峰小20dB的谱宽。最大-20dB谱宽：这是单纵摸（SLM）激光器的参数，是用中心波长的幅度下降到20dB处对应的波长宽度来表示。最小边模抑制比：这是单纵摸（SLM）激光器的参数，指主纵模的平均光功率与最显著边模的光功率之比的最小值，如果太小，那么经过长距离的传输，可能会引起比较大的色散。

光接口指标接收机灵敏度：这个参数指接收机在达到规定的比特差错率（对于STM1、STM4、STM16规定的比特差错率为10，对于STM64，规定的比特差错率为10）所能接收到的最低平均光功率，考虑到余度，一般要求出厂的灵敏度比要求的还要小3dB，比如：L-16.2接收机的灵敏度为-28dBm，余度为3dB，因此出厂的接收机的灵敏度的指标应该为-31dBm。接收机过载功率：这个参数指接收机在达到规定的比特差错率（STM1/STM4/STM16为10，STM64为10）；所能接收到的最高平均光功率。光通道代价：光通道代价代表了由于反射、符号间的干扰、模式分配噪声、激光器的啁啾声等引起的总的色散代价。由于发送机发出来的光不是理想的激光，而且在激光器处存在反射等等都引起了光的色散，在接收机处要对色散加以一定的处理，因此光通道代价是说明了发送机和接收机两个方面的性能。抖动漂移容限：简单地说，就是指：SDH分析仪在光的输入口对输入数据加抖动或者漂移，设备所能容忍最大的抖动或者漂移峰峰值应该不小于规范的数值。光输入口允许频偏：这个指标主要是测试接收机的锁相环能力，对光口输入频偏的允许能力。光纤通信系统设计的两大指标：中继距离和传输容量损耗受限系统：光纤通信的最大中继距离可能会受光纤损耗的限制色散受限系统：光纤通信的最大中继距离可能会受光纤色散的限制光纤通信系统设计T’,T:光端机和数字复接分接设备的接口；Tx：光发射机或中继器发射端；Rx：光接收机或中继器接收端；C1,C2:光纤连接器TTXRX中继器T’C1SRC2C1SRC2数字光纤线路系统S:靠近Tx的连接器C1的接收端；R:靠近Rx的连接器C2的发射端；SR:光纤线路，包括接头损耗受限系统中的中继距离可用下式计算：

L=(Pt-Pr-2Ac-Me-Pp)/(a+as+mc)Pt:光发送机平均发光功率。Pr：光接收机灵敏度。Ac：活动连接器的损耗，一般取Ac=0.5dB。Me:设备富余度，该指标主要考虑光终端设备在长期使用过程中会出现性能老化,一般取Me=3dB。Pp:光通道功率代价，该参数包括由于发射和由码间干扰、激光器的啁啾声引起的总色散代价，一般取Pp=1dB以下。a:光纤的损耗系数，典型值为1310nm波长，0.3~0.4dB/km；1550nm波长，0.15~0.25dB/km。as：平均每千米的接续损耗，在具体的施工中需要把一盘盘的光缆用熔接机连接起来才能形成较长的传输线路。每个熔接点的损耗可以保证在0.05dB以下。mc：光缆富裕度：光缆在长期运行过程中会产生老化，尤其随着温度的变化，其损耗系数会增加，故必须留出一定的裕量。一般取值为：0.1~0.2dB/km。光纤通信系统设计以太网模块传输距离

IEEE光模块命名方式：

xxx表示速率，速率标准。m：表示传输距离，常见距离有如下几种：PMD类型传输距离说明KR几十厘米K即backplane，为背板之间的信号传输。CR几米C即copper，高速线缆（铜缆）连接。SR300mSR代表短距离（ShortRange），在多模光纤上支持300m的链路长度。DR500mDR代表DatacenterReach，最大传输距离500m，并行单模光纤。FR2kmFR代表FiberReach，最大传输距离2km，通常是CWDM单模。LR10kmLR表示长距离可达(LongReach)，在单模光纤上支持的距离最远为10km。ER40kmER表示扩展可达（ExtendedReach），在单模光纤上支持的距离最远为40km。ZR80kmZR表示最长距离（ZebestRange），在单模光纤上支持的距离最远为80km。字母R后面的数字一般表示并行光纤或者WDM通道的数量。例如：100GBASE-SR10，模块速率100G；10是指10个光通道。100GBASE–LR4，模块速率100G；4是指4个光通道。光功率（luminouspower）：光在单位时间内所做的功。光功率单位常用毫瓦(mw)和分贝毫瓦(dbm)来表示，其中两者的关系为：1mW=0dBm，小于1mw的分贝毫瓦为负值。光功率是光信号测量的最基本和最常见的参数。光功率计：用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗的仪器。在光纤系统中，测量光功率是最基本的测量，一台光功率计就能够评价光端设备的性能，测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。过载光功率：确保误码比特率不超过某一特定值的情况下，在光接收侧参考点可以承受的最大输入光功率。光接收灵敏度：在保证达到所要求的误码比特率的条件下，接收端所需要的最小输入光功率。光功率

接收灵敏度&误码率

接收灵敏度：接收灵敏度定义为在保证达到所要求的误码率的条件下，接收机所需要的最小输入光功率。接收灵敏度越大，说明接收机的接收性能越差。

单位：dBm误码率：误码率（BER：symbolerrorrate）是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。

误码率=传输中的误码/所传输的总码数*100%。

一般要求系统的误码率小于10-10。影响接收机灵敏度的因素：信噪比:信噪比越大，表明接收电路的噪声越小，对灵敏度影响越小。信号的波形:信号的波形主要由发端的消光比和光纤的色散来决定。信号的传送速率:速率越高，接收灵敏度越差，中继距离就越短。

过载点

过载点：过载点即过载光功率。它定义为在保证达到所要求的误码率的条件下，接收端可以承受的最大输入平均光功率。

单位：dBm最小过载点：规范定义的“过载点”即“最小过载点”，是一个与误码率相关的概念。表示在满足一定误码率的情况下，接收机能接收的最大平均光功率。

目前在波分设备的光模块指标中提到的过载点都是“最小过载点”。

实际设备须有一定的余量，所以测出的过载点会略大于指标中给的“最小过载点”值。最大输入光功率：表示接收机能接收的最大光功率。当实际光功率大于此值时，可能会烧坏光器件。灵敏度与过载点：灵敏度和过载点对应的一个概念，一般指光功率的两个临界点。如果输入光功率小于灵敏度，可能设备无法正常接收信号，因为光功率太弱了。如果输入光功率超过了过载点，可能达不到要求的误码率，甚至会对设备造成损害。平均发送光功率&消光比

消光比：消光比是指在最坏的发射条件下，传"1"的平均光功率与传"0"的平均光功率的比值。

消光比（比例）="1"的平均光功率/"0"的平均光功率

消光比（dB）=10lg"1"的平均光功率/"0"的平均光功率

单位：dB平均发送光功率：平均发送光功率定义为当发送机发送伪随机序列信号时检测点的平均光功率。

单位：dBm消光比越大，代表在接收端会有越好的逻辑鉴别率；消光比越小，表示信号易受到干扰，系统的误码率会上升。标称单波输入/输出光功率&标称增益

工程上还引入了dB(分贝)，它表示两个功率量的比值，是一个相对值，用来表示光功率增益或衰减的单位。dB定义如下：其中Pout表示输出光功率，Pin表示输入光功率。进一步分析上述公式可得：引入dB和dBm后就将功率的计算从乘除法，变为了加减法，极大的简化了计算。光功率计算：光功率表示光信号能量的强弱，是波分系统的关键参数之一。光功率过大可能烧坏光器件，光功率过小，接收机就接收不到光信号。功率的国际单位是W(瓦特)。波分系统中传输的都是弱信号，功率值都非常小，所以用mW(毫瓦)表示。由于直接使用mW计算很不方便，工程上常用dBm(毫瓦分贝)来表示光功率的大小。dBm的定义如下：标称单波输入/输出光功率&标称增益

即：假设每一个单波的光功率都相等，记为P单。换算为dBm,可以得到:其中N表示系统满波时的波数，P总为光放允许的最大总输出功率。在系统满波数已知的情况下，可以计算出P单波光功率值。按照上述公式计算出的光放的单波输入光功率，称之为标称单波输入光功率。同理计算光放的单波输出光功率，即为标称单波输出光功率。

标称单波输入/输出光功率：进入光放中的信号是合波信号，合波信号的光功率，是每一个单波信号光功率之和。标称单波输入/输出光功率&标称增益

当输入和输出都达到标称时，此时的增益值即为光放的标称增益。即标称单波输入/输出，标称增益之前存在如下关系。标称增益：光放的增益定义为：标称值在光功率调测中的实际意义：在实际环境中，每一个单波的光功率都有一定的差异，因此标称值是一个理论值，但它对光功率调测有重要的参考意义。光功率调测的目标是使收端的OTU单板的OSNR满足要求，从而系统误码率符合传输要求。光放单板在对光功率进行放大的同时也引入了OSNR。当光放的增益达到标称增益、单波输入光功率达到标称单波输入光功率时，单波输出光功率自然也达到标称单波输出光功率，光放工作最稳定，输出和各系数指标也能达到稳定值，引入的噪声也小。因此光放的标称单波输入/输出，标称增益，是光功率调测时的重要的参考指标，在光放增益能够补偿线路损耗的情况下，使光放的单波输入/输出达到标称值，并且各波尽量平坦，此时系统传输性能达到最佳状态。

维护建议l

网络上产生的MAC_FCS_EXC告警必须及时处理，否则有业务中断的风险；l

网络上产生的MAC_FCS_SD告警，说明网络存在误码，建议尽快处理；l

根据现网业务对误码的敏感度，合理设置端口的EXC丢包门限值，避免EXC门限过高；l