光纤与SDH技术

光纤通信原理与系统第1章光纤通信概述本章内容、重点和难点光纤通信的发展现状。光纤通信的光波波谱。光纤通信系统的基本组成与分类。光纤通信的特点与应用。光纤通信的发展趋势。本章重点光纤通信系统的基本组成。光纤通信的特点。本章难点光纤通信的光波波谱。学习本章的目的和要求掌握光纤通信的概念。了解光纤通信的产生及发展。掌握光纤通信的组成及特点。1.1光纤通信的发展现状1．光纤通信发展的里程碑1966年高锟博士发表的论文《用于光频的光纤表面波导》。2．光纤通信发展的实质性突破1970年美国康宁公司制造出当时世界上第一根超低损耗光纤。3．光纤通信爆炸性的发展（1）光纤损耗1970年：20dB/km；1972年：4dB/km；1974年：1.1dB/km；1976年：0.5dB/km；1979年：0.2dB/km；1990年：0.14dB/km。（2）光器件光发送器件：砷化镓铝半导体激光器→异质结条形激光器→分布反馈式激光器（DFB-LD）和多量子阱（MQW）激光器。光接收器件：Si-PIN→APD。（3）光纤通信系统从小容量到大容量、从短距离到长距离、从PDH→SDH→DWDM。在智能光网络（ION）、光分插复用器（OADM）、光交叉连接设备（OXC）等方面也取得巨大进展。1.2光纤通信的光波波谱1．光波波谱光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300μm～6×10−3μm。可见光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的连续光波组成，其中红光的波长最长，紫光的波长最短。波长再短就是X射线、γ射线。电磁波波谱图如图1-1所示。图1-1电磁波波谱图2．光纤通信的光波波谱光纤通信的波谱在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之间，即波长在0.8μm～1.8μm之间，属于红外波段，将0.8μm～0.9μm称为短波长，1.0μm～1.8μm称为长波长，2.0μm以上称为超长波长。各种单位的换算公式如表1-1所示。表1-1各种单位的换算公式c＝3×108m/s1MHz（兆赫）＝106Hzλ＝c/f1GHz（吉赫）＝109Hz1μm（微米）＝10−6m1THz（太赫）＝1012Hz1nm（纳米）＝10−9m1PHz（拍赫）＝1015Hz1Å（埃）＝10−10m1.3光纤通信系统的基本组成与分类1.3.1光纤通信系统的基本组成所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。数字光纤通信系统方框图如图1-2所示。由光发射机、光纤和光接收机组成。图1-2数字光纤通信系统方框图光发射机的作用就是进行电/光转换，并把转换成的光脉冲信号码流输入到光纤中进行传输。光源器件一般是LED和LD。光纤：完成光波的传输。光接收机的作用就是进行光/电转换。光收器件一般是PIN和APD。1.3.2光纤通信系统的分类1．按传输信号分类（1）数字光纤通信系统（2）模拟光纤通信系统2．按波长和光纤类型分类（1）第一代（1973-1976）：短波长（0.85μm左右）多模光纤通信系统（2）第二代（1976-1982）：长波长（1.31μm）多模光纤通信系统（3）第三代（1987-1990）：长波长（1.31μm）单模光纤通信系统（4）第四代（1990—）：长波长（1.55μm）单模光纤通信系统1.4光纤通信的特点与应用1.4.1光纤通信的特点（1）通信容量大（2）中继距离长（3）保密性能好（4）适应能力强（5）体积小、重量轻、便于施工和维护（6）原材料来源丰富，潜在价格低廉（7）光纤通信同样也存在着如下缺点：①需要光/电和电/光变换部分；②光直接放大难；③电力传输困难；④弯曲半径不宜太小；⑤需要高级的切断接续技术；⑥分路耦合不方便。1.4.2光纤通信的应用（1）光纤在公用电信网间作为传输线。（2）局域网中的应用。（3）光纤宽带综合业务数字网及光纤用户线。（4）作为危险环境下的通信线。诸如发电厂、化工厂、石油库等场所。（5）满足不同网络层面的应用。核心网层面、城域网层面、局域网层面等。（6）应用于专网。光纤通信主要应用于电力、公路、铁路、矿山等通信专网。1.5光纤通信的发展趋势1．目前的进展情况（1）光纤通信的基础研究方面（2）光纤研制方面（3）无源光器件研制方面（4）光传输设备和系统的研究方面（5）光接入网的研究方面（6）理论研究方面2．发展趋势（1）向超高速系统发展（2）向超大容量WDM系统演进（3）向光传送网方向发展（4）向G.655光纤发展（5）向宽带光纤接入网方向发展第2章光纤和光缆本章内容、重点和难点本章内容光纤的结构和类型。光纤的导光原理。光纤的特性。光缆的结构和种类。本章重点光纤的结构和类型。光纤的特性。光缆的种类。本章的难点光纤的导光原理。学习本章目的和要求掌握光纤的结构和类型。了解光纤的导光原理。掌握光纤的特性。掌握光缆的结构和种类。2.1光纤的结构和类型2.1.1光纤的结构1.光纤结构光纤由纤芯、包层和涂覆层3部分组成，如图2-1所示。图2-1光纤的结构（1）纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。直径d1=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～10μm，多模光纤的纤芯为50μm。纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。（2）包层：包层位于纤芯的周围。直径d2=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。紧套光纤与松套光纤紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动。图2-2套塑光纤结构2．光纤的折射率分布与光线的传播图2-3所示为两种典型光纤的折射率分布情况。一种称为阶跃折射率光纤；另一种称为渐变折射率光纤，如图2-3（a）、（b）所示。图2-3光纤的折射率分布光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别如图2-5和图2-6所示。图2-5光在阶跃折射率多模光纤中的传播图2-6光在渐变折射率多模光纤中的传播2.1.2光纤的分类（1）若按传输模的数量分类可分为多模光纤和单模光纤（2）若按传输波长分类可分为短波长光纤和长波长光纤（3）若按套塑结构分类可分为紧套光纤和松套光纤1．按传输模数分类按传输模的数量不同，光纤分为多模光纤和单模光纤。传播模式概念：当光在光纤中传播时，如果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。如图2-4所示。这些不同的光束称为模式。图2-4光在阶跃折射率光纤中的传播a）多模光纤当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长时（约1μm），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，这样的光纤称为多模光纤。如图2-5和图2-6所示。b）单模光纤当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）较小，与光波长在同一数量级，如芯径d1在4μm～10μm范围，这时，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。如图2-7所示。图2-7光在单模光纤中的传播轨迹（2）．按传输波长分类光纤可分为短波长光纤和长波长光纤。短波长光纤的波长为0.85μm（0.8μm～0.9μm）长波长光纤的波长为1.3μm～1.6μm，主要有1.31μm和1.55μm两个窗口。（3）．按套塑结构分类按套塑结构不同，光纤可分为紧套光纤和松套光纤。3．单模光纤的分类ITU-T建议规范了G.652、G.653、G.654和G.655四种单模光纤。（1）G.652光纤G.652光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色散为零的波长）在1310nm附近的光纤。它的折射率分布如图2-8所示。图（a）表示的阶跃折射率设计称为匹配包层型，图（b）表示的阶跃折射率设计被称为凹陷包层型。图2-8G.652光纤的折射率（2）G.653光纤G.653光纤也称色散位移光纤（DSF），是指色散零点在1550nm附近的光纤，它相对于G.652光纤，色散零点发生了移动，所以叫色散位移光纤。（3）G.654光纤G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低1550nm的衰减，其零色散点仍然在1310nm附近，因而1550nm窗口的色散较高。G.654光纤主要应用于海底光纤通信。（4）G.655光纤由于G.653光纤的色散零点在1550nm附近，DWDM系统在零色散波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零点的位置从1550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1550nm附近的DWDM工作波长范围内。这种光纤就是非零色散位移光纤（NDSF）。这四种单模光纤的主要性能指标是衰减、色散、偏振模色散（PMD）和模场直径。另：G.653光纤是为了优化1550nm窗口的色散性能而设计的，但它也可以用于1310nm窗口的传输。由于G.654光纤和G.655光纤的截止波长都大于1310nm，所以G.654光纤和G.655光纤不能用于1310nm窗口。2.2光纤的导光原理1．折射和折射率光线在不同的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的参数就是折射率，或称折射指数。折射率可由下式确定：n=c/v其中ν是光在某种介质中的速度，с是光在真空中的速度。在折射率为n的介质中，光传播速度变为c/n，光波长变为0/n（0表示光在真空中的波长）。表2-1中给出了一些介质的折射率。表2-1不同介质的折射率材料空气水玻璃石英钻石折射率1.0031.331.52～1.891.432.42当一条光线照射到两种介质相接的边界时，入射光线分成两束：反射光线和折射光线（如图2-9所示）。图2-9光的折射图2-10光的反射斯涅耳定律给出了定义这些光线方向的规则：1=3n1sin1=n2sin2全反射是光信号在光纤中传播的必要条件。3．光的色散如图2-11所示，当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）或水对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射率n不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。图2-11自然光的色散2.3光纤特性2.3.1光纤的几何特性光纤的几何特性包括芯直径、包层直径、纤芯/包层同心度、不圆度和光纤翘曲度等。1．芯直径芯直径主要是对多模光纤的要求。ITU-T规定，多模光纤的芯直径为50±3μm。2．包层直径包层直径指光纤的外径，ITU-T规定，多模及单模光纤的包层直径均要求为125±3μm。目前，光纤生产制造商已将光纤外径规格从125.0±3μm提高到125.0±1μm。3．纤芯/包层同心度和不圆度纤芯/包层同心度是指纤芯在光纤内所处的中心程度。目前光纤制造商已将纤芯/包层同心度从≤0.8μm的规格提高到≤0.5μm的规格。不圆度包括芯径的不圆度和包层的不圆度。ITU-T规定，纤芯/包层同心度误差≤6%（单模为＜1.0μm），芯径不圆度≤6%，包层不圆度（包括单模）＜2%。4．光纤翘曲度光纤翘曲度指在特定长度光纤上测量到的弯曲度，可用曲率半径来表示弯曲度。翘曲度（即曲率半径）数值越大，意味着光纤越直。注：纤芯/包层同心度对接续损耗的影响最大，其次是翘曲度。2.3.2光纤的光学特性光纤的光学特性有折射率分布、数值孔径、模场直径及截至波长等。1．折射率分布光纤折射率分布，可用下式表示：2/112)/(21darnn其中，n1为纤芯折射率，n2为包层折射率，a为芯半径，r为离开纤芯中心的径向距离，Δ为相对折射率差，Δ=(n1−n2)/n1。多模光纤的折射率分布，决定光纤带宽和连接损耗，单模光纤的折射率分布，决定工作波长的选择。2．数值孔径（NA）最大数值孔径的定义为：221/212()NAnn其中，n1为阶跃光纤均匀纤芯的折射率（梯度光纤为纤芯中心的最大折射率），n2为均匀包层的