光纤通信基础SDH培训教材之一(1)

光光光光纤纤纤纤通通通通信信信信基基基基础础础础－ＳＤＨ培训教材之一王王王王鸿鸿鸿鸿滨滨滨滨编编编编华为公司传输系统部一九九八年三月1第一篇光纤通信基础第一章第一章第一章第一章概概概概论论论论§§§§1.1光纤通信概念光纤通信概念光纤通信概念光纤通信概念所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。要使光波成为携带信息的载体，必须对之进行调制，在接收端再把信息从光波中检测出来。然而，由于目前技术水平所限，对光波进行频率调制与相位调制等仍局限在实验室内，尚未达到实用化水平，因此目前大都采用强度调制与直接检波方式（IM-DD）。又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重，所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。典型的数字光纤通信系统方框图如图1.1所示。光发送机电端机（数字）模拟信息LD光接收机电端机（数字）模拟信息APD中继器图1.1数字光纤通信系统方框图从图中可以看出，数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。发送端的电端机把信息（如话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件LD，则LD就会发出携带信息的光波。即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”（不发光）。光波经低衰耗光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模2转换，恢复成原来的信息。就这样完成了一次通信的全过程。§§§§1.2光纤通信发展简史光纤通信发展简史光纤通信发展简史光纤通信发展简史伴随社会的进步与发展，以及人们日益增长的物质与文化需求，通信向大容量，长距离的方向发展已经是必然的发展趋势。由于光波具有极高的频率（大约3亿兆赫兹），也就是说是具有极高的宽带从而可以容纳巨大的通信信息，所以用光波作为载体来进行通信一直是人们几百年来追求的目标所在。1、光纤通信的里程碑、光纤通信的里程碑、光纤通信的里程碑、光纤通信的里程碑在六十年代中期以前，人们虽然历经苦心研究过光圈波导、气体透镜波导、空心金属波导管等，想用它们作为传送光波的媒体以实现通信，但终因它们或者衰耗过大或者造价昂贵而无法实用化。也就是说历经几百年人们始终没有找到传输光波的理想传送媒体。一九六六年七月，英藉、华裔学者高锟博士（K.C.Kao）在PIEE杂志上发表了一篇十分著名的文章《用于光频的光纤表面波导》，该文从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并设计了通信用光纤的波导结（即阶跃光纤）。更重要的是科学地予言了制造通信用的超低耗光纤的可能性，即加强原材料提纯，加入适当的掺杂剂，可以把光纤的衰耗系数降低到20dB/km以下。而当时世界上只能制造用于工业、医学方面的光纤，其衰耗在1000dB/km以上。对于制造衰耗在20dB/km以下的光纤，被认为是可望不可及的。以后的事实发展雄辩地证明了高锟博士文章的理论性和科学大胆予言的正确性，所以该文被誉为光纤通信的里程碑。2、导火索、导火索、导火索、导火索一九七０年美国康宁玻璃公司根据高锟文章的设想，用改进型化学相沉积法（MCVD法）制造出当时世界上第一根超低耗光纤，成为使光纤通信爆炸性竞相发展的导火索。虽然当时康宁玻璃公司制造出的光纤只有几米长，衰耗约20dB/km，而且几个小时之后便损坏了。但它毕竟证明了用当时的科学技术与工艺方法制造通信用的超低耗光纤是完全有可能的，也就是说找到了实现低衰耗传输光波的理想传输媒体，是光通信研究的重大实质性突破。33、爆炸性发展、爆炸性发展、爆炸性发展、爆炸性发展自一九七０年以后，世界各发达国家对光纤通信的研究倾注了大量的人力与物力，其来势之凶，规模之大、速度之快远远超出了人们的意料之外，从而使光纤通信技术取得了极其惊人的进展。从光纤的衰耗看：七O年：20dB/km七二年：4dB/km七四年：1.1dB/km七六年：0.5dB/km七九年：0.2dB/km九O年：0.14dB/km它已经接近石英光纤的理论衰耗极限值0.1dB/km。从光器件看：一九七O年，美国贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下连续波工作的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。后来逐渐发展到性能更好、寿命达几万小时的异质结条形激光器和现在的分布反馈式单纵模激光器（DFB）以及多量子阱激光器（MQW）。光接收器件也从简单的硅PIN光二极管发展到量子效率达90％的Ⅲ-Ⅴ族雪崩光二极管APD。从光纤通信系统看：正是光纤制造技术和光电器件制造技术的飞速发展，以及大规模、超大规模集成电路技术和微处理机技术的发展，带动了光纤通信系统从小容量到大容量、从短距离到长距离、从低水平到高水平、从旧体制（PDH）到新体制（SDH）的迅猛发展。七六年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通信系统。码率为45Mb/s，中继距离为10km。八０年，多模光纤通信系统商用化（140Mb/s），并着手单模光纤通信系统的现场试验工作。九０年，单模光纤通信系统进入商用化阶段（565Mb/s），并着手进行零色散移位光纤和波分复用及相干通信的现场试验，而且陆续制定数字同步体系（SDH）的技术标准。九三年，SDH产品开始商用化（622Mb/s以下）。九五年，2.5Gb/s的SDH产品进入商用化阶段。九六年，10Gb/s的SDH产品进入商用化阶段。九七年，采用波分复用技术（WDM）的20Gb/s和40Gb/s的SDH产品试验4取得重大突破。此外，在光孤子通信、超长波长通信和相干光通信方面也正在取得巨大进展。总之，从一九七０年到现在虽然只有短短不到三十年的时间，但光纤通信技术却取得了极其惊人的进展。用带宽极宽的光波作为传送信息的载体以实现通信，这一几百年来人们梦寐以求的幻想在今天已成为活生生的现实。然而就目前的光纤通信而言，其实际应用仅是其潜在能力的2％左右，尚有巨大的潜力等待人们去开发利用。因此，光纤通信技术并未停滞不前，而是向更高水平、更高阶段方向发展。§§§§1.3光纤通信优点光纤通信优点光纤通信优点光纤通信优点光纤通信之所以受到人们的极大重视，这是因为和其它通信手段相比，具有无以伦比的优越性。1、通信容量大、通信容量大、通信容量大、通信容量大从理论上讲，一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输1000亿个话路。虽然目前远远未达到如此高的传输容量，但用一根光纤同时传输24万个话路的试验已经取得成功，它比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍以上。一根光纤的传输容量如此巨大，而一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光纤，如果再加上波分复用技术把一根光纤当作几根、几十根光纤使用，其通信容量之大就更加惊人了。2、中继距离长、中继距离长、中继距离长、中继距离长由于光纤具有极低的衰耗系数（目前商用化石英光纤已达0.19dB/km以下），若配以适当的光发送与光接收设备，可使其中继距离达数百公里以上。这是传统的电缆（1.5km）、微波（50km）等根本无法与之相比拟的。因此光纤通信特别适用于长途一、二级干线通信。据报导，用一根光纤同时传输24万个话路、100公里无中继的试验已经取得成功。此外，已在进行的光孤子通信试验，已达到传输120万个话路、6000公里无中继的水平。因此，在不久的将来实现全球无中继的光纤通信是完全可能的。53、保密性能好、保密性能好、保密性能好、保密性能好光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光“泄露”出去，因此其保密性能极好。4、适应能力强、适应能力强、适应能力强、适应能力强适应能力强是指，不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀，可挠性强（弯曲半径大于25厘米时其性能不受影响）等。5、体积小、重量轻、便于施工维护、体积小、重量轻、便于施工维护、体积小、重量轻、便于施工维护、体积小、重量轻、便于施工维护光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空。6、原材料来源丰富，潜在价格低廉、原材料来源丰富，潜在价格低廉、原材料来源丰富，潜在价格低廉、原材料来源丰富，潜在价格低廉制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅即砂子，而砂子在大自然界中几乎是取之不尽、用之不竭的。因此其潜在价格是十分低廉的。6第二章第二章第二章第二章光纤与光缆光纤与光缆光纤与光缆光纤与光缆§§§§2.1光纤的构造光纤的构造光纤的构造光纤的构造光纤呈园柱形，它由纤芯、包层与涂敷层三大部分组成，如图2.1所示。涂层包层纤芯包层涂层n2n1n2d1d2图2.1光纤的构造1、纤芯、纤芯、纤芯、纤芯纤芯位于光纤的中心部位（直径d1约9～50微米），其成份是高纯度的二氧化硅，此外还掺有极少量的掺杂剂如二氧化锗，五氧化二磷等，掺有少量掺杂剂的目的是适当提高纤芯的光折射率(n1)。2、包层、包层、包层、包层包层位于纤芯的周围（其直径d2约125微米），其成份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。而掺杂剂（如三氧化二硼）的作用则是适当降低包层的光折射率(n2)，使之略低于纤芯的折射率。3、涂敷层、涂敷层、涂敷层、涂敷层光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂敷层，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。一般涂敷后的光纤外径约1.5厘米。7§§§§2.2光纤的分类光纤的分类光纤的分类光纤的分类目前光纤的种类繁多，但就其分类方法而言大致有四种，即按光纤剖面折射率分布分类，按传播模式分类、按工作波长分类和按套塑类型分类等。此外按光纤的组成成份分类，除目前最常应用的石英光纤之外，还有含氟光纤与塑料光纤等。1、按折射率分布分类──阶跃光纤与渐变光纤、按折射率分布分类──阶跃光纤与渐变光纤、按折射率分布分类──阶跃光纤与渐变光纤、按折射率分布分类──阶跃光纤与渐变光纤①阶跃光纤所谓阶跃光纤是指：在纤芯与包层区域内，其折射率分布分别是均匀的，其值分别为n1与n2，但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的，如图2.2所示。rn1n(r)n2a1a2d1d2图2.2阶跃光纤的折射率分布其折射率分布的表达式为：()nnnr=
12raara≤≤112阶跃光纤是早期光纤的结构方式，后来在多模光纤中逐渐被渐变光纤所取代（因渐变光纤能大大降低多模光纤所特有的模式色散），但用它来解释光波在光纤中的传播还是比较形象的。而现在当单模光纤逐渐取代多模光纤成为当前光纤的主流产品时，阶跃光纤结构又作为单模光纤的结构形式之一。②渐变光纤所谓渐变光纤是指：光纤轴心处的折射率最大（n1），而沿剖面径向的增加时时8而逐渐变小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分界处，正好降到与包层区域的折射率n2相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的即为n2。如图2.3所示。rn1n(r)n2a1d1d2a2图2.3渐变光纤的折射率分布nra11212−
∆ra≤1时()nr=（2.1）n2ara12≤时其中：n1为光纤轴心处的折射率n2为包层区域折射率a1为纤芯半径∆=−≈−nnnnnn1222121212称之为相对折射率差至于渐变光纤的剖面折射率为何做如此分布，其主要原因是为了降低多模光纤的模式色散，增加光纤的传输容量，详见§2.4部分。2、按传播模式分类──多模光纤与单模光纤、按传播模式分类──多模光纤与单模光纤、按传播模式分类──多模光纤与单模光纤、按传播模式分类──多模光纤与单模光纤传播模式概念我们知道，光是一种频率极高（3×1014赫兹）的电磁波，当它在波导──光纤中传播时，根据波动光学理论和电磁场理论，需要用麦克斯韦式方程组来解9决其传播方面的问题。而通过繁琐地求解麦氏方程组之后就会发现，当光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播，如TMmn模、TEmn模、HEmn模等等（其中m、n=0、1、2、3、……）。其中HE11模被称为基模，其余的皆称为高次模。①多模光纤当光纤的几何尺寸（主要是纤芯直径d1）远远大于光波波长时（约1微米），光纤中会存在着几十种乃至几百种传播模式。不同的传播模式会具有不同的传播速度与相位，因此经过长距离的传输之后会产生时延