光纤通信系统-第一章-概述-

光纤通信Fiber-OpticCommunicationTechnology2019/2019学年第一学期王烨课程特点：涉及光学、半导体及通信等学科内容，面广。要求：掌握光纤通信系统所涉及的各种器件、技术的功能及作用；掌握重要器件、技术的原理。参考书目光纤通信工程(修订版)，赵梓森著，人民邮电出版社光纤通信（第三版）,[美]GerdKeiser著，李玉权、崔敏、蒲涛等译，电子工业出版社，2019年7月；高等教育出版社(影印版)，2019年9月Fiber-OpticCommunicationSystems(3rdEdition),GOVINDP.AGRAWAL,清华大学出版社(影印版),2019年7月第一章概述？什么是光纤通信（传输煤质、载波）10010210410610810101012101410161018102010221024无线电微波红外紫外线可见光X射线γ1041051061071081091010101110121013101410151016f(Hz)f(Hz)双绞线同轴电缆无线电(AM)无线电(FM)电视频道卫星通信地面微波通信光纤BandLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF射线电磁波谱图通信系统框图发送机接收机信道载波：射频波微波毫米波光波信道：金属导线同轴电缆金属波导大气、光纤？光通信和光纤通信近代光通信：1880年Bell发明光电话，传输距离213m，但是并不实用，因为存在两个方面的制约：一)信道：Bell的光电话利用大气作为传输介质，损耗非常大，同时自然界气象条件变化万千，对光信号的干扰很大。二)光源：Bell的光电话利用自然光作为载波，这种光的频率和相位杂乱无章，不能用于大容量的通信。近代光通信的发展就是上述两个方面的制约因素的解决过程：1960年，美国人梅曼发明红宝石激光器，获得高强的、频率和相位都稳定（即相干的）光---激光。引起了新一轮的光通信研究热潮---激光大气通信。但是，仍然由于自然气象条件的影响而没有进展。光话机原理图弧光灯ABMNL送话器自由空间光通信(无线光通信)FSO:FreeSpaceOpticalCommunication用激光作为载体传输数据，提供无线高速点对点或点对多点通信的一种方式，其传播介质不是光纤而是空气，因此FSO也称之为“虚拟光纤”通信。FSO系统可传输数据、视频、语音等的信息，具有抗干扰能力强、极高的带宽、安装简便快捷、安全及成本低的特点。它同光纤通信一样可以构建高质量的通信系统，可广泛应用于军事保密通信、城域网路由保护和接入、基站连接等。光纤简介光纤通信的发展概况光纤通信的主要特点光纤通信系统的基本组成（重点）光纤通信要解决的基本问题一、光纤简介光纤结构光纤材料玻璃光纤塑料光纤专用光纤（氟化物光纤，光敏光纤等）光纤的制造目前通信用光纤主要是以石英玻璃（SiO2）为主的石英光纤。制造光纤流程：制作光纤预制棒拉丝涂覆套塑成缆1.光纤预制棒的制造预制棒（preform）:拉制光纤的原始棒体材料,具有与光纤相似结构和折射率分布。预制棒制造的关键：（1）如何制作出光纤材料（2）如何控制光纤纤芯、包层的折射率制作石英光纤材料的反应以SiCl4、GeCl4、CF2Cl2等物质为原材料高温(1400-1600ºC)下与氧气反应：SiCl4+O2SiO2+2Cl2GeCl4+O2GeO2+2Cl22CF2Cl2+4SiCl4+2O2SiF4+2Cl2+2CO2光纤折射率的控制通过掺杂实现光纤折射率增加或减小（纤芯掺杂折射率稍高的Ge、P等元素；包层掺杂折射率稍低的F、B元素等）通过载运气体（氧气、氩气）流速控制掺杂量的多少，从而控制折射率变化的大小SiO2折射率随掺杂浓度的变化光纤的组成如：GeO2-SiO2纤芯SiO2包层P2O5-SiO2纤芯SiO2包层SiO2纤芯B2O3-SiO2包层GeO2-B2O3-SiO2纤芯B2O3-SiO2包层光纤预制棒的制造工艺（1）管内化学气相沉积法改进的化学气相沉积法(MCVD)Modifiedchemical-vapordeposition等离子体激活化学气相沉积法(PCVD)Plasma-activatedchemical-vapordeposition光纤预制棒的制造工艺（2）管外化学气相沉积法气相轴向沉积法(VAD)Vapor-axialdeposition(VAD)棒外气相沉积法Outsidevapor-phaseoxidation(OVPO)Outsidevapor-phasedeposition(OVD)MCVD工艺流程MCVD法制备光纤预制棒的工艺流程示意图VADVAD法制备光纤预制棒的工艺流程示意图PCVDMACHINEPCVDMACHINE2.光纤的拉制工艺拉丝塔3.光纤的涂覆和套塑从预制棒拉出的光纤还不能直接使用，是脆性断裂材料，达不到实际使用的强度要求，抗拉和抗弯能力都较差。由于制造工艺的不完善，光纤强度将进一步下降。为保护光纤表面，提高抗拉强度和抗弯曲强度，还要对光纤进行涂覆和套塑处理。制造中造成强度下降的原因（1）预制棒在制造中可能存在杂质和气泡，会转移到光纤中。由于杂质的膨胀系数与周围玻璃不同，可能导致裂纹，造成强度的下降；气泡对强度的影响将更大。（2）拉丝过程中，拉丝炉的温度稳定性、周围环境中的粉尘及拉丝卷绕等有可能使光纤表面出现划痕、裂纹等机械损伤，影响光纤的强度。环境中的水分等有害物质将对光纤造成腐蚀，使光纤表面的裂纹扩展，降低光纤强度。涂覆和套塑流程光纤预制棒生产企业有五家：长飞、法尔胜光子、烽火通信、杭州富通和特恩弛，5家企业的生产能力是2000万公里／年。光纤拉丝生产企业有19家：长飞、上海光纤、南京华新藤仓、深圳特发、成都中住、杭州富通、法尔胜光子、西古、烽火通信、天大天财、特恩弛、亨通阿尔法、中天科技、华伦光纤、富春江、上海华源、山东太平洋、海南韩国三星、海南睿丰，这19家企业的生产能力是3500万公里／年。光纤类型1.按纤芯截面上折射率分布分类：阶跃型光纤渐变型光纤2.按传输模式的数量分类：多模光纤和单模光纤。传输模式：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。这些不同的光束称为模式。光在阶跃折射率光纤中的传播3.按传输波长分类:短波长光纤和长波长光纤。短波长光纤的波长为0.85μm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。4．按套塑结构分类：紧套光纤和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。光纤的传输特性从通信的角度，在研究信道问题时，人们最关注的是信道引起的信号衰减和信号畸变。信号衰减从能量的角度限制了信号的传递，而信号畸变则从信号检测精度的角度限制了信号的传递。影响光纤传输特性的包括衰减、色散和非线性效应。1.光纤衰减（损耗）概念：信号强度随距离增加而变弱。主要来源：吸收，散射，光泄漏。吸收损耗：由制造材料本身及其中的过渡金属离子和氢氧根离子等杂质对光的吸收而产生。散射损耗：以光能的形式把能量辐射出光纤之外的一种损耗。弯曲损耗：由于光纤弯曲使光从纤芯逸散到包层中产生的光泄漏。2.色散光纤对在其中传输的光脉冲的展宽特性。总的脉冲展宽：△t＝色散（ns/km）×距离（km）衰减、色散对脉冲的影响示意3.非线性效应光波间或光波与其中传输的材料之间的相互作用，从而对光信号产生影响。能引起噪声和串扰。光缆1.要求：避免受到破坏力防止光纤传输特性的劣化易于操作2.构造:缆芯，加强元件，护层缆芯缆芯由光纤的芯数决定，有单芯、多芯。多芯光缆要对光纤进行着色以便于识别。为防止气体和水分子浸入，光纤中应具有各种防潮层并填充油膏。加强元件吸收、抵消外界力（埋在地下的压力，施工拉线走的牵引力等）。位置：中间或外层（两种结构方式）要求：是具有高弹性范围、高比强度(强度和重量之比)，低线膨胀系数、优良的抗腐蚀性和一定的柔软性。一般采用钢丝、钢绞线或钢管等；强电磁干扰环境和雷区中则应使用高强度的非金属材料护层护层主要是对已成缆的光纤芯线起保护作用，避免受外界机械力和环境损坏。护层可分为内护层（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外护层（多用铝带和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等）。3.典型结构（1）层绞式结构光缆把经过套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成。层绞式结构光缆类似传统的电缆结构，故又称之为古典光缆。12芯松套层绞式直埋光缆6芯紧套层绞式光缆6～48芯松套层绞式水底光缆（2）骨架式结构光缆骨架式结构光缆是把紧套光纤或一次涂覆光纤放入加强芯周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。12芯骨架式光缆（我国）骨架式自承式架空光缆（3）束管式结构光缆把一次涂覆光纤或光纤束放入大套管中，加强芯配置在套管周围而构成。6～48芯束管式光缆（4）带状结构光缆把带状光纤单元放入大套管中，形成中心束管式结构；也可把带状光纤单元放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构图2-31中心束管式带状光缆图2-32层绞式带状光缆（5）单芯结构光缆单芯结构光缆简称单芯软光缆。这种结构的光缆主要用于局内（或站内）或用来制作仪表测试软线和特殊通信场所用特种光缆以及制作单芯软光缆的光纤。图2-33单芯软光缆4.光缆的种类根据光缆的传输性能、距离和用途:市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆；根据光纤的种类:多模光缆、单模光缆；根据光纤芯数的多少:单芯光缆和多芯光缆根据加强构件的配置方式:中心加强构件光缆(如层绞式光缆、骨架式光缆等)、分散加强构件光缆(如束管式光缆)和护层加强构件光缆(如带状式光缆)根据敷设方式:根据护层材料性质:普通光缆、阻燃光缆和防蚁、防鼠光缆等。5.光缆的型号GYGZL03-12J50/125(20408)CGYGZL03–12J50/125(20408)C光缆分类代号及其意义GY：通信用室(野)外光缆；GRGJ：通信用室(局)内光缆；GSGH：通信用海底光缆；GTGW：通信用无金属光缆。加强构件的代号及意义无符号：金属加强构件；F：非金属加强构件；G：金属重型加强构件；H：非金属重型加强构件。派生特征的代号及其意义BZT：填充式结构；S注：当光缆型式兼有不同派生特征时，其代号字母顺序并列。护套的代号及其意义Y：聚乙烯护套；VU：聚氨酯护套；AL：铝护套；QG：钢护套；S：钢、铝、聚乙烯综合护套。外护层的代号及其意义外护层是指铠装层及铠装层外面的外被层，参照国标GB2952-82的规定，采用两位数字表示。光纤的规格光纤数目：用光缆中同类别光纤的实际有效数目的阿拉伯数字表示。光纤类别的代号及其意义JT：二氧化硅系多模阶跃型(突变型)ZDXS：塑料光纤。光纤的尺寸参数代号：用阿拉伯数字(含小数点)以μm为单位表示多模光纤的芯径/包层直径或单模光纤的模场直径/包层直径。传输性能代号：是由使用波长、损耗系数、模式带宽的代号(分别为a、bb、cc)构成。a表示使用波长的代号，其数字代号规定如下：1：使用波长在0.85μm2：使用波长在1.31μm3：使用波长在1.55μm区域。bb表示损耗系数的代号，其数字依次为光缆中光纤损耗系数值(dB/km)的个位和十分位。cc表示模式带宽的代号，其数字依次是光缆中光纤模式带宽数值(MHz·km)的千位和百位数字。单模光注意：同一光缆适用于两种以上的波长，并具有不同的传输特性时，应同时列出各波长上的规格代号，并用/划开。适用温度代号及其意义A：适用于-40℃~+40℃；B：适用于-30℃~+50℃C：适用于-20℃~+60℃D：适用于-5℃~+60℃。二、光纤通信的发展概况1.光纤的发展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》。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