1、.1第七讲 光纤通信技术l了解光纤通信技术的发展与现状l掌握光纤通信系统的组成l了解光纤通信系统的分类l熟悉光纤通信系统的特点l熟悉主要光源的特点和适用场合l熟悉常见的光纤连接器的特点和适用场合l熟悉光纤配线架的作用l掌握光缆的构造和标识l了解光接收机和光放大器的作用l了解光纤通信复用技术.2现代光通信的起源l1880年，贝尔发明了第一个光电话，其原理是：将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束。l这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。l贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，遇到下雨下雪天
2、也有影响。.3波导的研究l在大气光通信受阻之后，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验。.4光纤的出现l1966年，英籍华人高锟(K.C.Kao，当时工作于英国标准电信研究所)博士发现了光在石英玻璃纤维中传输产生的严重损耗的原因。当时世界上最优秀的光学玻璃衰减高达1000dB/Km。l1970年，美国康宁（Corning）公司首先研制成衰减为20dB/Km的光纤。l1980年，光纤衰减就降低到了0.2dB/Km，接近理论值。.5光源与光探测器l 光纤通信系统中使用的光源经历了从发光二极管到半导体激光器的进步。l 目前，半导体激光器不仅可以在室温下
3、工作，而且其直接调制速率可以达到10Gbit/s乃至更高，逐渐满足了高效率、高速率、低噪声、大功率、长寿命等要求。l 光纤与光源的逐年进步解决了衰减和色散问题，其结果是增加了光纤系统的通信容量。l 光探测器也达到了GHz的响应灵敏度。.6光放大器l90年代初，光放大器的问世引起了光纤通信技术的重大变革，这在光通信史上具有里程碑的意义。l光放大器节省了光电变换的中继过程，而且实现了波长透明、速率透明和调制方式透明的光信号放大，从而诞生了采用波分复用（WDM）技术的新一代光纤系统商用化。.7光纤通信系统的组成l光纤通信系统是以光波为载体，光导纤维为传输介质的通信系统。.8光纤通信系统的组成l发送器
4、：发送器的核心是一个光源，其主要功能就是将一个信息信号从电子格式转换为光格式。可采用发光二极管(LED)或激光二极管(LD)作为光源。l光纤：光纤通信系统中的传输介质是光纤。l接收器：光接收器的关键设备是光检测器，其主要功能就是把光信息信号转换回电信号(光电流)。当今光纤通信系统中的光检测器是个半导体光电二极管(PD).9光纤通信系统的分类l根据光纤的传导模数量，分为多模光纤通信系统和单模光纤通信系统；l根据系统的工作波长，分为短波长光纤通信系统，长波长光纤通信系统和超长波长光纤通信系统；l根据调制信号的类型，分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统；l根据光源的调制方式，分为直接调制光纤通信系
5、统和间接调制光纤通信系统。.10光纤通信的主要特性l频带宽，通信容量大；l损耗低，中继距离长；l抗电磁干扰；l无串扰，保密性好；l线径细，重量轻，柔软；l原材料资源丰富，节约金属资源。.11光纤通信的主要特性l质地脆，机械强度低；l弯曲半径不宜过小；l连接困难，切断不易；l分路和耦合不方便；.12光发送器l光发送器的主要核心是光源。l常用光源主要有：发光二极管；F-P腔半导体激光器；分布反馈式（DFB）半导体激光器；分布布拉格反射式（DBR)半导体激光器；.13发光二极管l半导体发光二极管(Light-emitting Diode，LED)，通常应用GaAlAs（镓铝砷）和InGaAsP（铟镓
6、砷磷）材料，可以覆盖整个光纤通信系统使用波长范围，典型值为0.85m、1.31m及1.55m。l按照器件输出光的方式，可以将发光二极管分为三种类型结构：表面发光二极管、边发光二极管及超辐射发光二极管。lLED一般用于低速系统。.14发光二极管的工作原理l当给LED外加合适的正向电压时，Pp结之间的势垒(相对于空穴)和Np结之间的势垒(相对于电子)降低，大量的空穴和电子分别从P区扩散到p区和从N区扩散到p区(由于双异质结构，p区中外来的电子和空穴不会分别扩散到P区和N区)，在有源区形成粒子数反转分布状态，最终克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出。.15激光二极管l在结构上，半导体激光二极
7、管(Laser Diode，LD)与其他类型的激光器是相同的，都主要由三部分构成：激励源、工作物质及谐振腔。.16LD的工作原理l当给LD外加适当的正向电压时，由于有源区粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现象，那些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发辐射光子会在有源层内部边传播、边发生受激辐射放大(其余自发辐射光子均被衰减掉)，直至传播到高反射率界面又被反射回有源层，再次向另一个方向传播受激辐射放大。如此反复，直到放大作用足以克服有源层和高反射率界面的损耗后，就会向高反射率界面外面输出激光。.17光信号的调制l把信号加到光源上的方法有多种：内调制，直接调节光源的电流；激光部分调制部分集成电吸
8、收调制 外调制，采用电光调制器，一般采用电吸收调制器，和光源集成在一块芯片上。.18光纤连接器l光纤连接器的作用是使两根光纤的纤芯对准，保证90%以上的光能够通过。l光纤活动连接器是实现光纤之间活动连接的光无源器件，它还具有将光纤与其他无源器件、光纤与系统和仪表进行活动连接的功能。.19光纤连接器内部结构.20光纤连接器常用结构l套管结构：套管结构的连接器由插针和套筒组成。l双锥结构：双锥结构连接器是利用锥面定位。lV型槽结构：V形槽结构的光纤连接器是将两个插针放入V形槽基座中，再用盖板将插针压紧，利用对准原理使纤芯对准。l球面定芯结构：球面定心结构由两部分组成，一部分是装有精密钢球的基座，另
9、一部分是装有圆锥面(相当于车灯的反光镜)的插针。l透镜耦合结构：透镜耦合又称远场耦合，它分为球透镜耦合和自聚焦透镜耦合两种。.21V形槽结构形槽结构球透镜耦合结构自聚焦透镜耦合.22光纤连接器性能指标l光学性能，主要是插入损耗和回波损耗。l插入损耗，即连接损耗，因连接器的导入而引起的链路有效光功率的损耗，不大于0.5dB；l回波损耗，连接器对链路光功率反射的抑制能力，其典型值应不少于25dB；l互换性和重复性，指对同一类型光纤能任意组合使用，并可多次重复使用，由此而导入的附加损耗一般小于0.2dB；l抗拉强度，不低于90N；l工作温度，在-4070的温度下能正常使用；l插拔次数，能插拔1000
10、次以上。.23FC型光纤连接器lFC是Ferrule Connector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)。l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。后来，对该类型连接器做了改进，采用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。.24.25SC型连接器lSC型光纤连接器外壳呈矩形，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型或APC型研磨方式；紧
11、固方式是采用插拔销闩式，不须旋转。l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。.26ST型光纤连接器lST型光纤连接器外壳呈圆形，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型或APC型研磨方式；紧固方式为螺丝扣。l此类连接器适用于各种光纤网络，操作简便，且具有良好的互换性。.27MT-RJ连接器MT-RJ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，为便于与光信号收发机相连，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高密度光连接器。.28LC型光纤连接器lLC
12、型光纤连接器是著名的Bell研究所研究开发出来的，采用操作方便的模块化插孔(RJ)闩锁机理制成。该连接器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1.25m，提高了光配线架中光纤连接器的密度。l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。.29MU型光纤连接器lMU(Miniature unit Coupling)光纤连接器是以SC型连接器为基础研发的世界上最小的单芯光纤连接器。lMU连接器系列包括用于光缆连接的插座型光连接器(MU-A系列)、具有自保持机构的底板连接器(MU-B系列)以及用于连接LD/PD模块与插头的简化插座(
13、MU-SR系列)等。l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。.30光纤配线架l光纤配线架(ODF，Optical Fiber Distribution Frame)是光传输系统中一个重要的配套设备，它主要用于光缆终端的光纤熔接、光连接器安装、光路的调接、多余尾纤的存储及光缆的保护等，它对于光纤通信网络安全运行和灵活使用有着重要的作用。l光纤配线架作为光缆线路的终端设备拥有以下4项基本功能：固定功能、熔接功能、调配功能以及存储功能。.31壁挂式光纤配线架l壁挂式光纤配线架可直接固定于墙体上，一般为箱体结构，适用于光缆条数和光纤芯数都较小的场所。机架式光纤配线
14、架可直接安装在标准机柜中，适用于较大规模的光纤网络。.32机架式光纤配线架l机架式配线架又分为两种，一种是固定配置的配线架，光纤耦合器被直接固定在机箱上；另一种采用模块化设计，用户可根据光缆的数量和规格选择相对应的模块，便于网络的调整和扩展。.33光纤耦合器l光耦合器是将光信号进行分路或合路、插入、分配的一种器件。l熔融拉锥法就是将两根(或两根以上)除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。.34光耦合器.35光缆l光缆的构造一般分为缆芯和护层两大部分。.36缆芯l在光缆的构造中，缆芯是主体，其结
15、构是否合理，与光纤的安全运行关系很大。l一般来说，缆芯结构应满足以下基本要求：光纤在缆芯内处于最佳位置和状态，保证光纤传输性能稳定，在光缆受到一定的拉力、侧压力等外力时，光纤不受外力影响；其次缆芯内的金属线对也应得到妥善安排，并保证其电气性能；另外缆芯截面应尽可能小，以降低成本和节省敷设空间。.37护层l光缆护层同电缆护层的情况一样，是由护套和外护层构成的多层组合体。l光缆护层的作用是进一步保护光纤，使光纤能适应在各种场地敷设，如架空、管道、直埋、室内、过河、跨海等。l对于采用外周加强元件的光缆结构，护层还需提供足够的抗拉、抗压、抗弯曲等机械特性方面的能力。.38光缆的基本结构l光缆的基本结构
16、按缆芯组件的不同一般可以分为层绞式、骨架式、束管式和带状式四种。l我国及欧亚各国用的较多的是传统结构的层绞式和骨架式两种。.39层绞式结构l层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆。.40骨架式结构l骨架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是V形、U形或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置510根一次涂覆光纤。.41束管式结构l束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松套管扩大为整个纤芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其中。.42带状式结构l带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，然后将几层光纤带叠放在一起构成
17、光缆芯。.43.44光缆的分类l根据光缆的传输性能、距离和用途，光缆可以分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆；l根据光纤的种类，光缆可以分为多模光缆、单模光缆；l根据光纤套塑的种类，光缆可以分为紧套光缆、松套光缆、束管式新型光缆和带状式多芯单元光缆；l根据光纤芯数的多少，光缆可以分为单芯光缆和多芯光缆等等；.45光缆的分类l根据加强构件的配置方式，光缆可以分为中心加强构件光缆(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)；l根据敷设方式，光缆可以分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆；l根据护层材料性质，光缆可以分为普通光缆、阻燃光
18、缆和防蚁、防鼠光缆等。.46光缆的型号l光缆的型式代号是由分类、加强构件、派生(形状、特性等)、护套和外护层五部分组成。.47光缆的分类代号及意义lGY：通信用室(野)外光缆；lGR：通信用软光缆；lGJ：通信用室(局)内光缆；lGS：通信用设备内光缆；lGH：通信用海底光缆；lGT：通信用特殊光缆；lGW：通信用无金属光缆。.48加强构件的代号及意义l无符号：金属加强构件；lF：非金属加强构件；lG：金属重型加强构件；lH：非金属重型加强构件。.49派生特征的代号及其意义lB：扁平式结构；lZ：自承式结构；lT：填充式结构；lS：松套结构。注：当光缆型式兼有不同派生特征时，其代号字母顺序并列
19、。.50护套的代号及其意义lY：聚乙烯护套；lV：聚氯乙烯护套；lU：聚氨酯护套；lA：铝、聚乙烯护套；lL：铝护套；lQ：铅护套；lG：钢护套；lS：钢、铝、聚乙烯综合护套。.51外护层的代号及其意义l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，外护层采用两位数字表示。表 2.4 外 护 层 的 代 号 及 意 义代 号铠 装 层代 号外 被 层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5单 钢 带 皱 纹 纵 包.52光纤的规格代号l光纤的规格代号由光纤数目、光纤类别、光纤主要尺寸参数、传输性能和适用
20、温度五部分组成，各部分均用代号或数字表示。.53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。.54光纤类别的代号及其意义lJ：二氧化硅系多模渐变型光纤；lT：二氧化硅系多模阶跃型(突变型)光纤；lZ：二氧化硅系多模准突变型光纤；lD：二氧化硅系单模光纤；lX：二氧化硅纤芯塑料包层光纤；lS：塑料光纤。.55光纤的主要尺寸参数代号及其意义l用阿拉伯数字(含小数点)以m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。.56传输性能代号及其意义l光纤的传输特性代号是由使用波长、损耗系数、模式带宽的代号(分别为a、bb、cc)构成。la表示使用波长的代号，其数字代号规定
21、为：使用波长在0.85m区域；使用波长在1.31m区域；使用波长在1.55m区域。lbb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。lcc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(MHzkm)的千位和百位数字。单模光纤无此项。l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。.57适用温度代号及其意义lA：适用于-40 +40；lB：适用于-30 +50；lC：适用于-20 +60；lD：适用于-5+60。.58光电器件的简易检测l在没有测试条件的情况下，也可以借助于指针式万用表对光电检测器件进
22、行简易的测试。l这种测试方法主要是检查光电检测器件PN结的好坏：PN结好不能保证器件具有好的特性，而PN不好的器件其质量绝对不会好。表6.2 常用光电检测器件的参考数据Si-PINPDInGaAs-PINPDInGaAs-APD正向压降0.60.7V0.20.3V约2V正向电阻35k （R100档）35k （R100档）通反向电阻100k （R1K档）100k （R1K档）无穷大（R1K档）常用光电检测期间的参考数据.59光接收机l光接收机的主要部件是光电检测器，它直接从接收到的光信号中将基本调制信号恢复出来。.60光接收机的性能指标l灵敏度，就是指在一定误码率或信噪比(有时还要加上信号波形失
23、真量)条件下，光接收机需要接收的最小平均光功率(有时也称为平均最小输入光功率)。l动态范围，就是指在一定误码率或信噪比(有时还要加上信号波形失真量)条件下，光接收机允许的光信号平均光功率的变化范围。.61光放大器l光纤的中继距离受光纤的损耗和色散的限制。就损耗而言，目前光纤损耗典型值在1.31m波段为0.35dB/km左右，在1.55m波段为0.25dB/km左右。l以1989年诞生的掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)代表的光放大器技术可以说是光纤通信技术上的一次革命。l光放大器在光纤通信系统目前最重要的应用就是促使了波分复用技术(Wavele
24、ngth Division Multiplexing，WDM)走向实用化。.62光放大器的分类光放大器按原理不同大体上有三种类型。l掺杂光纤放大器，就是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器。l传输光纤放大器，其中有受激喇曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)光纤放大器、受激布里渊散射(Stimulated Brilliouin Scattering，SBS)光纤放大器和利用四波混频效应(FWM)的光放大器等。l半导体激光放大器，其结构大体上与激光二极管(Laser Diode，LD)相同。.63光纤通信复用技术l时分复用l波分复用l光码分复用l光副载波
25、复用l 光密集波分复用.64光副载波复用l光副载波复用(OSCM)技术是将基带信号首先调制到GHz的副载波上，再把副载波调制到THz的光载波上。每个信道具有不同的副载波频率，占据光载波附近光谱的不同部分，从而保证各信道上信号互不干扰。l副载波信道的复用和解复用是在电域而不是在光域进行的，因此，副载波复用具有几个信道能够共用一个价格昂贵的光器件，降低设备成本。l像电时分复用一样，副载波复用受限于电、光器件的可用带宽，从而限制了最高副载波频率和数据率。要想更多地利用光纤的带宽，副载波复用技术可以与波分复用技术联合使用。.65密集波分复用l波分复用系统中，当复用的波长数增多，使得每个复用波长间的间隔不到1纳米(nm)时，这种复用技术称作密集波分复用(DWDM)。.66光纤通信技术的发展与展望l光通信技术向更宽，更快的方向发展 从波分复用向密集波分复用发展，信道间的波长间隔从目前的100GHz向50GHz，25GHz发展。单信道速率从目前的2.5GHz向10GHz，40GHz发展，光时分复用技术日益受到重视。l光网络技术也在不断发展 在最近几年的OFC会议上讨论的热点技术有：光包交换技术（OPS，optical packet switching），光突发交换技术（OBS，optical burst switching），光纤到户技术（FTTH），IP over WDM等
