光纤通信基础原理-培训材料

光纤通信基础原理华南分院-广电项目组培训资料2013.1目录一.光纤通信概述二.光纤光缆三.光纤通信器件四.光纤通信系统光纤通信基本概念光纤是光导纤维的简称，光纤通信是以光波为载波，以光纤为传输介质的一种通信方式。光波波谱光波波长范围为300～6×10-3μm，分为：红外线、可见光、紫外线。光纤通信的波长在1.8～0.8μm，属红外波段。X射线Γ射线无线电波红外线可见光紫外线300μm0.76μm0.39μm6×10-3μm光纤通信系统模型光中继器光端机光端机电端机电端机……用户用户光纤通信的优点传输频带宽，通信容量大理论上，一对光纤可传10亿路电话或10万路电视。由于光纤制造技术和电子器件的限制，现一对光纤可传数十万路电话或数千路电视。光纤传输损耗低，中继距离长目前，中继距离超过300km。抗干扰能力强光纤是绝缘体，不怕雷电和高压。光纤传输的频率高于各种干扰源频率。光纤通信的优点保密性好光波只在光纤中传输，不会跑到光纤之外。节省大量有色金属光纤的材料——SiO2取之不尽，用之不竭。按现在的开采速度，世界上的铜矿只能再开采50年左右。光纤体积小，重量轻光缆截面积为12mm，18芯同轴电缆的为65mm。光缆重量为90g/m，18芯同轴电缆的为11㎏/m。光纤的结构通常光纤由纤芯、包层、一次涂敷层和套层共四层组成。光纤的结构未经和套塑的光纤称裸光纤，外径为125μm。纤芯折射率稍大于包层折射率，以保证光纤在纤芯中传播。纤芯的折射率一般是l.463～l.467,包层的折射率是1.45～l.46左右。光纤的种类按制造光纤所用材料分：石英系光纤多组分玻璃光纤塑料包层石英系光纤全塑料光纤氟化物光纤按光纤传输模式数分：多模光纤单模光纤光纤的种类按光纤折射率分布形状分：阶跃型光纤渐变型光纤三角形折射率分布光纤W型折射率分布光纤按光纤的工作波长分：短波长光纤长波长光纤超长波长光纤光纤的损耗特性光纤的损耗特性是光纤的传输特性之一。损耗大小在很大程度上决定着光中继距离的长短。光纤损耗大致可分为光纤具有的固有损耗以及光纤制成后由使用条件造成的附加损耗。损耗种类散射损耗吸收损耗微弯损耗附加损耗弯曲损耗接续损耗光纤损耗固有损耗光纤的色散特性光纤的色散特性是光纤的又一传输特性。色散大小直接影响通信容量的增减和通信距离的远近。色散是指光纤所传输的信号波形畸变的一种物理现象。表现为光脉冲宽度被展宽。色散种类模式色散：不同模式，其传输路径不同，到达终点时间也不同，从而引起光脉冲展宽。材料色散：由于光源发出的光具有一定的波谱宽度，而石英玻璃的折射率随光波频率变化，引起模内各信号的传输速率不同而产生的色散。波导色散（结构色散）：由于波导效应引起模内频率高或波长短的光信号进入包层，而包层折射率小于纤芯折射率，导致模内各信号的传输速率不同而产生的色散。光纤的工作窗口三个低损耗窗口：0.85μm、1.31μm和1.55μm。一般的二氧化硅光纤的零色散波长在1.31μm左右，而损耗最小点在1.55μm波长附近。实用光纤类型常规单模光纤常规单模光纤是80年代初期成熟并实用化的一种光纤，即G.652光纤，其零色散波长在1.31μm附近，典型损耗为0.33dB/km。色散位移光纤（DSF）要利用1.55μm的低损耗窗口，需改变单模光纤设计，将零色散波长从1.31μm移到1.55μm，形成色散位移光纤，即G.653光纤。我国于1991年研制出G.653色散位移光纤，最小衰减达0.22dB/km。实用光纤类型非零色散光纤非零色散光纤，即G.655光纤，有的也称为真波光纤。它是在单模光纤中引入一个小的控制色散，抑制四波混频，即将零色散点移到光纤放大器的工作波段以外。试验证明，小的色散有利于增加波分复用每个信道的容量和信道数量，实现超大容量的密集波分复用。实用光纤类型色散补偿光纤色散补偿光纤在1.55μm窗口有很大的负色散。在原G.652光纤线路中加入一段色散补偿光纤，用其长度来控制色散补偿量的大小，以抵消原G.652光纤在1.55μm处的正色散，使整个线路在1.55μm处的总色散为零。一般说来，25mDCF可补偿1kmG.652光纤的色散。光纤的测量光纤损耗的测量切断法：沿光纤长度分别测两点的光功率。背向散射法：在光纤始端数值孔径以内，测量反射回来的瑞利散射光的一种非破坏性的光纤损耗测量法。光纤带宽的测量时域法：从光纤的一端注入一串窄脉冲，从其另一端测出脉冲的展宽值，从而得到光纤的基带响应，即带宽。估算法：B=0.44/√(t22-t12)频域法：在光纤输入端送入正弦光信号，在不改变光信号幅度的条件下，只改变正弦频率，然后在光纤输出端，由选频电平表读取经检测器变换出来的电信号幅值，得到幅频特性曲线。幅频特性的最大值下降6dB即为光纤带宽。光缆对光缆设计的基本要求：机械性能良好成缆时光纤传输特性要保持良好不同环境及使用场合下，光缆性能稳定直径要小、重量要轻易于敷设和接续容易生产、价格便宜、维护方便常用光缆普通光缆层绞式和单元式光缆紧套松套带状式光缆骨架式光缆特种光缆海底光缆能承受敷设张力及故障修理时从海底打捞的张力；能承受敷设时的侧压力和深海中的水压力；即使有了龟裂，也能防止光缆内浸水。无电磁感应光缆不仅在外护套和抗张力构件中完全不使用金属，而且在缆内也不配中介金属线对。特种光缆复合架空地线光缆利用光纤无电磁感应性质，与电力线中的架空地线复用而组成的光缆。电力复合光缆利用光纤的无电磁感应性质，和输电线等电力光缆进行复合而成的。光缆的型号及识别光缆的型号由光缆型式代号和光纤规格代号组成。我国的光缆型号命名及表示法：光缆型式代号光纤规格代号ⅠⅡⅢⅣⅤ1235ccbba4光缆的型号及识别光缆型式代号Ⅰ：分类及代号GY：通信用室（野）外光缆GR：通信用软光缆GJ：通信用室（局）内软光缆GS：通信设备内光缆GH：通信用海底光缆GT：通信用特殊光缆Ⅱ：加强构件及代号无符号：金属加强构件F：非金属加强构件C：金属重型加强构件H：非金属重型加强构件光缆型式代号Ⅲ：派生特征及代号B：扁平形状Z：自承式结构T：填充式结构Ⅳ：护套及代号Y：聚乙烯护套V：聚氯乙烯护套U：聚氨酯护套A：铝-聚乙烯粘接护套L：铝护套G：钢护套Q：铅护套S：钢-铝-聚乙烯综合护套光缆型式代号Ⅴ：外护层及代号外护层型号用数字代号表示材料的含义第一位数字标记铠装层材料第二位数字标记外护层材料0无0无1—1纤维层2双钢带2聚氯乙烯套3细圆钢丝3聚乙烯套4粗圆钢丝4—光缆的型号及识别光纤规格代号1：光纤数缆内同类型光纤的实际有效数2：光纤类型及代号J：二氧化硅系多模渐变型光纤T：二氧化硅系多模阶跃型光纤Z：二氧化硅系多模准阶跃型光纤D：二氧化硅系单模光纤X：二氧化硅系塑料包层光纤S：塑料光纤光纤规格代号3：光纤主要尺寸参数多模光纤：芯径/包层直径(μm)单模光纤：模场直径/包层直径(μm)4：光纤传输特性及代号a:使用波长的代号，一位数表示：1：使用波长在0.85μm区域2：使用波长在1.31μm区域3：使用波长在1.55μm区域bb:衰减系数的代号，两位数表示（dB/km）cc:模式带宽的代号，两位数表示（MHz•km）单模光纤无此项。光源光源的作用是完成电/光转换。光源的发光波长由材料决定。光纤通信对光源的基本要求合适的发光波长发光波长应与光纤的工作窗口一致。足够的输出功率应大于1mw可靠性高、寿命长要求光源平均工作寿命为106小时光纤通信对光源的基本要求输出效率高输出光功率与所消耗的直流电功率的比值叫输出效率。目前输出效率的标准是大于10%。光谱宽度窄光谱宽度是光源的发光波长范围。聚光性好聚光性好，即耦合效率高、入纤功率大。调制方便调制是把话音等信息载在光波上。价格低廉常用光源半导体发光二极管半导体发光二极管(LED)是利用其有源区自发辐射输出光信号的器件。只要在其两端加上电流,便会输出荧光,LED是无阈值的器件。在正向偏置下,LED能发出可见光或红外光。半导体激光器半导体激光器(LD)是利用在其有源区中受激发射的器件。只在工作电流超过阈值电流的情况下,才会输出激光(相干光),LD是有阈值的器件。光放大器主要功能功率放大：置于光发射机前端，以提高入纤的光功率。在线中继放大：取代现有的中继器。前置放大：置于光电检测器前，以提高接收的灵敏度。常用光放大器掺铒光纤放大器（EDFA）半导体激光放大器（SLA）掺铒光纤放大器（EDFA）基本原理EDFA能对1.55μm波段提供有效的功率增益。当泵浦光输入掺铒光纤时，高能级的电子经过各种碰撞后，发射出波长为1.53~1.56μm的荧光。若在波长为1.55μm附近的某种信号光入射时，信号光会接受强输入光（泵浦光）的能量，沿着掺铒光纤逐步增强，而将该信号光放大。一般功率增益大于30dB。半导体激光放大器（SLA）工作原理与半导体激光器的工作原理相同，也是利用能级间跃迁的受激现象进行光放大。由电流直接激励而去掉谐振腔，可获得30dB以上的光增益。主要技术指标功率增益指输出光功率与输入光功率的对数之比。泵浦光功率越大，信号功率增益也越大。输出饱和功率是一个描述输入信号功率与输出信号功率之间关系的参量。饱和输出功率随泵浦功率的增加而增加。噪声系数主要包括信号光波和放大器自发辐射光波见的差拍噪声，以及光放大器自发辐射的不同频率光波见的差拍噪声，另外还有散弹噪声等。光电检测器半导体光检测器是利用半导体P-N结内的光电效应把光信号转变为电信号的器件。光纤通信系统对光电检测器的要求灵敏度高响应速度快噪声小稳定可靠常用的光电检测器PIN光电二极管雪崩光电二极管（APD）信号电流可借助雪崩倍增过程进行放大。无源光器件光纤连接器也称为光纤活动连接器或光纤活接头。光源与光纤以及光纤与光电检测器的连接均采用光纤活动连接器。常用的连接器有FC型和PC型。插入损耗一般在0.3dB以下。无源光器件波分复用器件也称光分波、合波器。指发送端将各种不同波长的光信号耦合进一根光纤的复用器，接收端将光纤送来的各种波长的信号分开的去复用器。光复用器在解决光缆线路的扩容或复用中起着关键性作用。常用的波分复用器件有三种：棱镜型、衍射光栅型和干涉滤光膜型。无源光器件光衰减器主要用于光纤通信系统的指标测量、短距离通信系统的信号衰减以及系统试验等场合。根据衰减光功率的工作机理来分：耦合型光衰减器反射型光衰减器吸收型光衰减器根据衰减量的变化情况来分：固定式衰减器步进可变式衰减器连续可变衰减器无源光器件光开关是一种光路控制器件，起着控制光流和转换光路的作用。光开关有机械式和非机械式两种类型。机械式：利用机械动作达到光开关目的。非机械式：又称固体式光开关。它是利用电光效应、磁光效应以及声光效应进行光开关的。无源光器件光分路耦合器光分路器是将某一波长的光信号按需要分成若干路信号，而光耦合器是把几路信号合成一路信号。光分路耦合器可分为两分支型和多分支型两种。前者多用于光通路测量，要求分路比可任意选择；后者一般用于光数据总线，要求输出信号分配均匀。光纤通信系统基本组成备用系统PCM设备系统转换设备光端机光缆终端架光缆终端架PCM设备无人中继器局设中继设备光缆终端架系统转换设备光端机光缆终端架远供监控中心中心任务中监控告警信号传输设备监控站告警信号监测设备区间通信公务控监控区间通信公务控监控公务区间通信端局有人中继站无人中继站监控站备用系统光纤通信系统性能评价标准误码特性所谓收发码不一致就称为误码。主要原因是传输系统的噪声和脉冲抖动。误码性能用误比特率BER来衡量。BER=错误比特数/总传输比特数系统总的误码率等于各中继段误码率之和。光纤数字通信系统性能评价标准ITU-T规