1、光纖通信技術光纖通信技術主要參考書目及網址 www.foc- 中國光纖通信 www.c- 光纖在線 光電新聞網學習意義學習意義 光纖通信技術在近30多年里得到了極大的發展，目前它和移動通信、衛星通信已經成為電信領域發展的基石。 掌握一些光纖通信技術有助于學習現代通信技術和拓寬知識面,為以后的學習深造和工作做好知識儲備。 從事管理、銷售工作； 從事技術開發、設備制造、科研、網絡運營及維護、工程施工及安裝等工作或考研。 先修課程先修課程 通信系統原理模擬電路電磁場與微波技術 目錄目錄第一章第一章 通信基礎知識通信基礎知識1第二章第二章 光纖光纖2第三章第三章 光纜光纜3第四章第四章 光器件光器件4

2、第五章第五章 光纖傳輸系統光纖傳輸系統5第六章光網絡第六章光網絡6第一章第一章 通信基礎知識通信基礎知識學習目標學習目標1.了解通信技術發展簡史。2.掌握通信基本概念3.掌握業務傳輸技術特點。4.理解通信系統組成、分類和系統性能。5.掌握光纖通信系統及其組成的光網絡演進1.1 1.1 通信技術簡史通信技術簡史1.1.1 科學技術發展科學技術發展 科學技術科學技術是利用“有關研究客觀事物存在及其相關規律的學說”能為自己所用，為大家所用的知識。 人類的科學技術發展史經歷了古代、近代和現代古代、近代和現代三個階段。 古代科學技術古代科學技術的代表是材料科學技術 它的本質是利用物質資源制造質料工具，如

3、鋤頭、鐮刀、弓箭、棍棒等，擴展人類的體質能力。 近代科學技術近代科學技術的代表是能量（源）科學技術 它的本質是使用能源或者動力為資源創造動力工具，如機車、汽車、輪船、飛機等，擴展人類的體力能力。 現代科學技術現代科學技術是建立在材料科學技術和能源科學技術基礎上的信息科學技術 它的本質是利用信息資源創造智能工具，如人工智能專家系統、智能機器人等，拓展人類的智能能力。 表1-1給出了人類科學技術發展歷程和本質使命的簡要總結。1.1.2 通信技術簡史通信技術簡史 光纖通信光纖通信電通信電通信光通信光通信 光通信光通信可以上溯西周時期建立的烽火臺作為軍事報警設施，下及當今指揮城市交通的信號燈和航海中使

4、用的燈塔。 光通信光通信可以上溯西周時期建立的烽火臺作為軍事報警設施，下及當今指揮城市交通的信號燈和航海中使用的燈塔。 傳輸距離短光通信的缺點光通信的缺點傳遞信息量少 為了使光通信光通信延長傳輸距離和增加傳遞信息內容，1792年，法國工程師Claude Chappe（卻柏）發明了采用機械臂編碼來傳輸信息的光電報，利用中間接續站（現在通信術語稱為中繼站）可以實現超過100km的通信。 1794年，世界上第一個光電報在法國的兩個城市巴黎和里爾投入商用，從而實現了相距200km的通信。圖1-1給出了Claude Chappe及其發明的光電報的示意圖。從中可以看到這個光電報通過轉動機械臂角度發出了一條

5、由CH 、A、 P、 P 、E 5個字母組成的消息。這個非常有趣的消息恰好就是光電報發明人的名字 Chappe。自1794年到1830年為止，法國光電報系統從巴黎延伸到意大利、德國、比利時的邊界。光電報系統是一種視距通信，其系統十分簡單、傳輸距離和傳遞信息量少，而其系統十分簡單、傳輸距離和傳遞信息量少，而且保密性差。且保密性差。1880年，美國人貝爾(Bell)發明了用光波作載波傳送話音的“光電話”,通話距離達到213米。光電話原理圖光電話原理圖光源 透鏡送話器反射鏡震動片光敏電池 貝爾用弧光燈或者太陽光作為光源，光束通過透鏡聚焦在話筒的震動片上。當人對著話筒講話時，震動片隨著話音震動而使反射

6、光的強弱隨著話音的強弱作相應的變化，從而使話音信息“承載”在光波上（這個過程叫調制調制）。 在接收端，裝有一個拋物面接收鏡，它把經過大氣傳送過來的載有話音信息的光波反射到硅光電池上，硅光電池將光能轉換成電流（這個過程叫解調解調）。電流送到聽筒，就可以聽到從發送端送過來的聲音了。 接收鏡貝爾光電話是現代光通信的雛型貝爾光電話是現代光通信的雛型1、為什么光通信傳輸的距離非常有限，這主要是因為，這種傳輸方式里面的傳輸介質傳輸介質是“大氣”，損耗大，如果碰上雨、雪甚至霧霾天氣，信號甚至可能會中斷。 更深層次的原因，我們現代人都已經知道了，是因為光是一種“波”，且波長很短（0.40.7 m ），它很容易

7、被大氣中的“塵埃粒子”所阻擋。2、另外，Bell的光電話是利用自然光（光源光源）作為載波，這種光的頻率和相位雜亂無章，不能用于大容量的通信。3、能否建立“光通道”如“波導管”式的東西以減少損失（損耗）呢？是否可以找到新型的光源呢？ 研究人員曾經將研究的重點轉入到地下光波通信的實驗，先后出現過反射波導和透鏡波導等地下通信的實驗，但由于造價太高而出現了夭折，致使光通信發展一度出現長期的低迷狀態。 受英國物理學家John Tyndall（約翰）在1870年做的”光可以在水流柱里傳輸”的影響，在1920-1950期間,人們發現在纖細的、有柔韌性的玻璃中和塑料光纖可以用于導光。 終于在1950年，有人采

8、用“玻璃纖維”傳輸光，但損耗達到了1000dB/Km，即在1Km的長度上傳輸，損耗達到10100倍，這個數值顯然是太大了。 真正的奇跡是在1966年才出現。 1966年，英籍華裔學者高錕高錕(C.K.Kao)(C.K.Kao)及其同事霍克哈姆(C.A.Hockham)在其發表的研究論文中指出，“玻璃纖維”的嚴重損耗是由其里面所含雜質（如銅、鐵、鉻等金屬離子）太多及石英玻璃拉制工藝的不均勻性產生的。論文介質纖維表面光頻波導明確提出：1、如果能將光纖中過渡金屬離子減少到最低限度，并改進制造工藝，有可能使光纖損耗降到最低（預見可減小到20dB/km以下）；2、光纖可以實現高速通信；3、給出了光纖原始

9、結構。 高錕(C.K.Kao)博士上述發現的重要意義在于：指出了光纖高損耗的真正來源以及研制通信光纖的正確方向。這一發現直接導致了在其后數年內通信光纖制造領域所發生的質的飛躍，以及光纖通信產業的迅速興起。光纖通信發明家高錕(左)1998年在英國接受IEE授予的獎章；并于2009年，獲得諾貝爾物理學獎。獲得諾貝爾物理學獎。19701970年，光纖研制取得了重大突破年，光纖研制取得了重大突破 美國康寧玻璃公司1970年首先研制出衰耗20dB/km的光纖。光纖通信正式開始！ 據說康寧公司花費3000萬美元，得到30米光纖樣品，認為非常值得。這一突破，引起整個通信界的震動，世界發達國家開始投入巨大力量

10、研究光纖通信。1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km4dB/km。1973年，美國貝爾(Bell)實驗室的光纖損耗降低到2.5dB/km2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km1.1dB/km。1976年，日本電報電話（NTT）公司將光纖損耗降低到0.47dB/Km0.47dB/Km（波長1.2 m ）。在以后的 10 年中，波長為1.55 m的光纖損耗： 1979 年是0.20 dB/km0.20 dB/km， 1984年是0.157 dB/km0.157 dB/km， 1986 年是0.154 dB/km0.154 dB/km， 接近了光纖最低損耗的理論極限

11、光纖最低損耗的理論極限。 19701970年開始，光纖研制取得了重大突破年開始，光纖研制取得了重大突破 1960年，美國人梅曼(T. H. Maiman)發明了世界上第一臺紅寶石激光器。梅曼利用紅寶石晶體做發光材料，用發光度很高的脈沖氙燈做激發光源，獲得了人類有史以來的第一束激光。 1965年，第一臺可產生大功率激光的器件-二氧化碳激光器誕生。 1967年，第一臺射線激光器研制成功。 激光器的發明和應用，使沉睡了激光器的發明和應用，使沉睡了8080年的年的光通信進入到了一個嶄新的階段。光通信進入到了一個嶄新的階段。 在光纖突飛猛進的同時，光源光源的研究工作也有了起色1970年，美國貝爾實驗室、

12、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯先后研制成功室溫下連續振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質結半導體激光器(短波長0.850m)。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導體激光器的發展奠定了基礎。 1973 年，半導體激光器壽命達到7000小時。 1976年，日本電報電話公司研制成功發射波長為1.3m的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。1977 年，貝爾研究所和日本電報電話公司幾乎同時研制成功壽命達100萬小時（實用中10年左右）的半導體激光器。1979年美國電報電話(AT&T)公司和日本電報電話公司研制成功發射波長為1.55m的連續振蕩半導體激光器。 由于光纖和半導體激光器的技術進步，使由于光纖和半導體激

13、光器的技術進步，使19701970年成為年成為光纖通信發展的一個重要里程碑。光纖通信發展的一個重要里程碑。1970年，光纖通信用光源光源取得了實質性的進展實用實用光纖通信系統光纖通信系統的前期發展的前期發展 1976年，美國在亞特蘭大（Atlanta）進行了世界上第一個實用光纖通信系統的現場試驗（GaALAs LD、多模光纖、10Km、44.7Mbps）。 1980年，美國標準化FT-3光纖通信系統投入商業應用。 1976年和1978年，日本先后進行了速率為34Mbps的突變型多模光纖通信系統，以及速率為100Mbps的漸變型多模光纖通信系統的試驗。 1983年敷設了縱貫日本南北的光纜長途干線

14、。 隨后，由美、日、英、法發起的第一條橫跨大西洋TAT-8海底光纜通信系統于1988年建成。 第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光纜通信系統于1989年建成。從此，海底光纜通信系統的建設得到了全面展開，促進了全球通信網的發展。 因此，全球通信界業一直公認，因此，全球通信界業一直公認，1976年是光纖通信的元年。年是光纖通信的元年。1978年，模擬蜂窩移動通信系統投入使用（未商用）。 1980年，有線電視和綜合業務數字業務。1988年，寬帶綜合業務數字網。1991年，全球移動通信系統進入商用。1995年，美籍華裔科學家歷鼎毅倡導利用波分復用技術，即利用簡單的光器件就可以在單根光纖中實現了

15、大容量的傳輸，進而大大地降低了傳輸系統的成本。1998年，美國開通了數字電視業務，進一步提高電視業務清晰度和服務質量。1999年，具有寬帶綜合業務能力的第三代移動通信系統投入應用。 2010年1月13日，在國務院常務會議上提出了電信網電信網、電視網電視網和因特網三網融合因特網三網融合。 統一通信統一通信概念： 使任何人在任何時間、任何地點都可以通過任何設備、任何網絡，與任何人進行語音、數據和圖像的自由通信。 個人化個人化數字化數字化綜合化綜合化移動化移動化寬帶化寬帶化統一通信統一通信未來通信發展趨勢未來通信發展趨勢1.2 1.2 通信基本概念通信基本概念1.2.1 通信通信 什么是“通信通信”

16、? “通”就是傳輸和交換； “信”就是信息（話音、圖像、數據） 通信通信就是信息的傳輸和交換，通過電信號或者光信號形式將信息由一方傳輸到另一方。 圖1-2給出了一個最簡單的通信系統的模型。 在這個過程中，通話的內容是由圖中的“處理層”完成的。 信息的傳輸是由圖中的“物理層”完成的。 在現代通信中，通信一般包括：信號的產生、傳輸和接收信號的產生、傳輸和接收三個過程。 什么是“電信電信”？ 電信電信是利用有線、無線、光或者其它電磁系統電磁系統傳輸、發送或者接收代表符號、書寫、影像和聲音或者其他任何性質情報的信號。 通信和電信的區別：通信和電信的區別： 通信通信是按照約定傳遞信息； 電信電信是利用電

17、磁系統（廣義泛指）傳遞代表媒體的信號，電磁系統完成信號傳遞功能。 通信通信是一個廣義的概念，而電信電信則是一個狹義的概念。 圖1-3揭示了通信涵蓋了電信之間的關系。1.2.2 信號信號 1. 信號及其分類信號及其分類 信號信號是消息的物理載體。 消息則是信息的物理表現形式，如語音、文字、符號、數據和圖像等。 信息、消息和信號信息、消息和信號三者存在著十分緊密的關系。 信息信息是通過消息消息來表達，消息消息通過信號信號來傳輸。 在科學研究中，通常是將“信號信號”做為研究對象。 信號具有強度、頻率、相位、能量等基本特征，信號可以表示為時間的函數。 按照信號在時間坐標呈現連續變化或者階躍變化，信號可

18、以分為模擬信號和數字信號模擬信號和數字信號。 模擬信號模擬信號是幅度連續時變的信號。模擬信號又稱為連續信號連續信號，如圖1-4（a）所示連續信號的取值可用連續的時間函數表示。 數字信號數字信號是幅度階躍時變信號。數字信號又稱為離散信號離散信號， 如圖1-4（b）所示離散信號可用取值有限個離散值連續的時間函數表示。 需要強調的是，判斷信號是模擬信號還是數字信號的準則為，看信號取值是連續的還是離散的，而不是看時間是連續的還是離散的。2. 模模/數變換數變換 將模擬信號調制變換為數字信號，叫“模/數”變換。它包括三個基本步驟：抽樣、量化和編碼。抽樣、量化和編碼。抽樣定理：抽樣定理： 只要抽樣頻率fs

19、 滿足奈奎特判據fs2f（模擬信號的帶寬），就可以用抽樣值來表示一個帶寬有限的模擬信號，而抽樣值不會引起任何信息損失。量化：量化： 是利用預先規定的有限個電平來表示模擬信號抽樣值的過程。量化過程是對信號幅度進行離散處理。 編碼：編碼： 是將量化后的信號電平數值變換成二進制碼組的過程。編碼的逆過程稱為解碼或譯碼。編碼的目的是提高信號的傳輸可靠性。 在光纖通信中，最常用的編/解碼是模/數變換方法脈沖脈沖編碼調制編碼調制（Pulse Code Modulation，PCMPCM）方法。PCM以二進制編碼為基礎，將模擬信號的量化后的每個抽樣值變換為0和1比特數字串。3. 信號特性信號特性 通信中的信號

20、基本特性可以用它們的時間特性時間特性和頻率頻率特性特性來表示。 時間特性時間特性表示信號電壓或電流隨時間的變化關系。 頻率特性頻率特性指信號可以表示為許多不同頻率正弦信號的線性組合。 通信系統中最常用的信號有正弦信號正弦信號、方波信號方波信號和周期沖周期沖激串信號激串信號。 正弦信號正弦信號作為無線通信的載波； 方波信號方波信號是數字通信所用的信號波形； 周期沖激串信號周期沖激串信號則可以用作抽樣信號。 信號頻域特性主要包括頻譜、能量譜密度和功率譜密度頻譜、能量譜密度和功率譜密度。 信號頻域特性信號頻域特性與信號的占用頻率帶寬、信號抗干擾能力等存在密切的關系。 信號時域特性信號時域特性與信號的

21、相關特性有關系。1.2.3 光信號光信號1. 光的波光的波/粒特性粒特性2.波長波長 3.頻率頻率在光纖通信中，常用的頻率單位有： 千赫（1KHz=103Hz） 兆赫（1MHz=106Hz） 吉赫（1GHz=109Hz） 太赫（1THz=1012Hz） 傳輸的頻率越高，可傳信號的頻帶寬度就越大，其攜帶業務（信息）就越多。 對于甚高頻，頻率為48.5MHz300MHz,其帶寬約為250MHz,只能傳輸27套電視節目 。 可見光的頻率100000GHz（1014Hz），比甚高頻高出一百多萬倍。 1.2.4 信號調制信號調制1.調制作用調制作用 為什么要進行調制？ 調制的作用就是要將傳輸的信號變換成

22、適合信道傳輸的信號（調制信號）。 如何進行調制？ 載波載波是一種用來承載輸入信號的高頻周期信號，它本身不包含任何有用信息。在編碼之前，載波可以用式（1-4）所示的形式： 式中，E 為電磁場矢量， e 是單位矢量極化， A 為載波振幅， 是載波頻率，為載波相位。2.調制方法調制方法 由式（1-4）得知，可以選擇的調制方法有： 調制幅度調制幅度A A、調制載波頻率、調制載波頻率、調制相位、調制相位。 按照調制的信號形式可以分為模擬調制模擬調制和數字調制數字調制。 模擬調制對應的三種調制方法分別被稱為： 幅度調制幅度調制（Amplitude Modulation，AMAM） 頻率調制頻率調制（Fre

23、quency Modulation，FMFM，） 相位調制相位調制（Phase Modulation，PMPM，） 在數字調制中，對應三種調制方法分別為： 幅移鍵控幅移鍵控（Amplitude Shift Keying ，ASK） 頻移鍵控頻移鍵控（Frequency Shift Keying，FSK） 相移鍵控相移鍵控（Phase Shift Keying ，PSK）3.調制格式調制格式 圖1-7所示的是可供產生光比特流選擇的調制格式：主要分為歸零格式和非歸零格式。 1.2.5 信號復用信號復用 1.信道信道 什么是“信道”？ 信道信道就是信號傳輸的通道。 按照所用的傳輸介質不同，信道可以分

24、為有線信道和無線有線信道和無線信道信道。 有線信道有線信道需要利用具體的傳輸介質，如銅對絞線、光纖等傳輸信號。 無線信道無線信道則是利用電磁波在空中傳播的方式傳輸信號。 通信質量的好壞，主要取決于信道信道（傳輸介質）的特性。 表1-2比較了五種不同傳輸介質的特點。 2.信號復用信號復用 所謂復用復用就是將若干路彼此獨立的信號在同一信道中傳輸的技術。 復用的目的復用的目的是使同一站點的多個用戶共用一個信道傳輸信息，以提高信道的傳輸效率，進而降低通信系統的成本。常用的復用方法有： 頻分復用頻分復用、時分復用時分復用、波分復用波分復用和時分復用時分復用+波分復用波分復用等。 （1）頻分復用）頻分復用

25、（Frequency Division Multiplexing ，FDM） 頻分復用頻分復用是指將在頻域上劃分的多個信道進行復用的技術。 （2）時分復用）時分復用（Time Division Multiplexing ，TDM） 時分復用時分復用就是在時域上對不同傳輸信道的信號進行間插組合處理，即利用幾個低速比特流來構建一個高速比特流，以實現在一個信道傳輸多路信號。 （3）波分復用）波分復用（Wave Division Multiplexing， WDM） 波分復用波分復用就是在一根光纖中實現同時傳輸幾十乃至上百個波長光信號的復用技術。波分復用技術的原理，如圖1-10 所示。 （4）時分復用

26、）時分復用+波分復用波分復用 更能滿足光網絡的擴容和靈活組網的要求。 當前光纖通信系統中常用時分復用+波分復用雙重復用的擴容原理。 1.3 1.3 通信及其業務通信及其業務1.3.1 通信任務通信任務 通信的任務通信的任務是及時準確安全地完成信息在空間的傳遞。 通信系統通信系統是由用戶終端、傳輸介質、傳輸設備組成的。 基本通信系統只能完成點到點通信，只有通信網上才能實現多點到多點的通信。 通信網通信網則是由用戶終端、傳輸介質、傳輸和交換設備組成的拓撲結構。 根據通信網的功能不同，通信網可以分為：業務網、傳送網和業務網、傳送網和支撐網。支撐網。 業務網業務網是指面向公眾提供電信業務的網絡。例如，

27、固定電話網、移動電話網、電視網、因特網等。 傳送網傳送網是完成各種通信業務的數字信號傳送的網絡。例如，由長途干線光網絡、城域光網絡和接入網。 支撐網支撐網則是承擔確保通信網正常工作支持作用的網絡。 1.3.2 通信業務通信業務1. 電話業務電話業務（1 1）固定電話）固定電話 電話網電話網是由一定數量的節點（終端節點、交換節點）構建的網絡，其可以通過“電路交換”實現任意用戶之間進行語音交流語音交流。 （2）移動電話）移動電話 移動電話業務移動電話業務是通信的一方或者雙方可以在移動狀態中進行電話通信。 第一代模擬移動通信（第一代模擬移動通信（1G1G） 第二代數字移動通信（第二代數字移動通信（2

28、G2G） 第三代多媒體移動通信（第三代多媒體移動通信（3G3G） 3G 有 CDMACDMA（中國電信）（中國電信） WCDMAWCDMA（中國聯通）（中國聯通） TD-SCDMATD-SCDMA（中國移動）（中國移動）三種制式。（書中有個小錯誤） 4G4G運營牌照有望于今年下半年發放。運營牌照有望于今年下半年發放。 4G的主要特點體現在：1、高速寬帶 20-100Mbit/s20-100Mbit/s；2、良好的兼容性，可以與3G的三種制式實現互連互通。3、業務多樣化 2. 2. 數據業務數據業務 ISDNISDN （ Integrated Service Digital Network ）是

29、由數字傳輸、數字復接和數字交換結合而成的數字化電信網。 ISDNISDN可以分為窄帶綜合業務數字網（Narrowband-Integrated Service Digital Network , N-ISDNN-ISDN）和寬帶綜合業務數字網（Broadband-Integrated Service Digital Network , B-ISDNB-ISDN）。 N-ISDNN-ISDN有兩種標準接口： 1、基本速率接口 2B+D，B的速率是64kbit/s，而D的速率16kbit/s，2B+D可以提供的總帶寬為144 kbit/s。 2、基群速率接口 30B+D，B的速率是64kbit/s

30、，D的的速率為64kbit/s，30B+D可以提供的總帶寬為2048 kbit/s。 B-ISDNB-ISDN可以提供2048 kbit/s、155Mbit/s、 622Mbit/s速率的傳輸通道，能夠支持從窄帶遙控遙測到寬帶高清晰數字電視等所有的業務。因此，B-ISDN是一種“全能”電信網絡。 3. 廣播電視業務廣播電視業務 有線電視網普遍采用光纖和同軸電纜混合（Hybrid Fiber Coax，HFCHFC）網絡。 光纖主要被用在（干線）傳輸， 同軸電纜主要被用在接入網。 HFC是一種能夠支持電話、ISDN 、廣播模擬電視、數字電視、互動視頻和高速全雙工數據等業務的傳輸技術。 圖1-15

31、所示的是一個典型的采用HFC技術的有線電視網的網絡結構。一般從端局（前端）到配線網的光節點采用光纖傳輸，其網絡拓撲結構可以采用環形、星形和樹形。4. 寬帶接入業務寬帶接入業務 傳統銅線技術受到了哪些挑戰？傳統銅線技術受到了哪些挑戰？ 速率受限。滿足不了日益增長的需求。 驅動寬帶接入業務不斷發展的動力是用戶日益增長的需求用戶日益增長的需求。 城市企業事業單位未來需求的帶寬為100M 1000M； 家庭未來需求的帶寬為50 M100 M。 寬帶接入方案寬帶接入方案光纖接入技術光纖接入技術 PONPON（Passive Optical Network）技術具有點到多點、能夠提供巨巨大帶寬大帶寬、傳輸

32、質量好傳輸質量好、接入可靠性高接入可靠性高、建設和維護成本低建設和維護成本低等一系列優點，已經成為世界各國城市接入網發展的首選技術。是真正的FTTHFTTH（Fiber To The Home）。 圖1-16所表示的是一個典型的光纖接入技術方案。一個家庭用戶可以通過無源光網絡將電話、電視和數據業務接入家庭，實現寬帶綜合接入。 舉例：盈通培訓資料P115. 多媒體通信業務多媒體通信業務 什么是媒體媒體？ 媒體媒體是指信息傳遞和存取的基本技術和手段。 分類：感覺媒體、表示媒體、顯示媒體、存儲媒體和傳輸媒體。 多媒體多媒體可以就是上述多種媒體的組合。 隨著三網融合的步伐加快，多媒體通信會越來越被人們

33、所重視。 1.4 1.4 通信系統通信系統1.4.1 系統組成系統組成 通信系統通信系統是由實現消息傳輸所需要的一切設備和傳輸介質構成。傳統的點到點通信系統一般模型，可用圖1-17的框圖表示。 信源信源作用是將聲音、文字、數據、圖像等消息轉變成原始電信號，即完成非電量到電量的變換。 發送設備發送設備的功能一是放大，二是變換。 信道信道就是傳輸信號的通道。 它可以分為有線信道和無線信道。有線信道包括銅線電纜、光纖等。無線信道可以是自由空間、真空等。 噪聲源噪聲源是通信系統中各個設備、信道中的噪聲與干擾的集中表示。 接收設備接收設備的功能主要是恢復出原始信號。 信宿信宿是信息傳輸的終點。其作用與信

34、源作用完成相反，完成電量到非電量的變換。 1.4.2 系統分類系統分類1.分類分類 通信系統分類方法很多，但是最常用的分類方法是按照信道中所傳輸的信號的特征不同，將通信系統分為模擬通信系統模擬通信系統和數字通信系統數字通信系統。（1）模擬通信系統）模擬通信系統 模擬通信系統是指信道中傳輸的是模擬信號的通信系統。模擬信號的通信系統的模型，如圖1-18所示。 經過調制后的信號被稱為已調信號已調信號。 已調信號具有三個基本特征： 一是攜帶有信息； 二是適合在信道中傳輸； 三是信號的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠離零率。（2）數字通信系統）數字通信系統 數字通信系統數字通信系統則指的是信道中傳輸的是數字

35、信號的通信系統。數字通信系統可以概括為圖1-19所示的數字通信系統的模型。 信源編碼信源編碼的兩個功能：一是數/模轉換，二是數據壓縮。 信道編碼信道編碼是在經過信源編碼的信號中增加一些多余的字符，以求自動發現或糾正傳輸中發生的錯誤。 因此，信道編碼的目的就是提高信號傳輸的可靠性。 解調、信道解碼、信源解碼解調、信道解碼、信源解碼是調制、信道編碼、信源編碼的逆過程。 2.對比對比 與模擬通信系統相比，數字通信系統具有下述的一些顯著的優點顯著的優點： 數字信號本身具有較強的抗干擾能力較強的抗干擾能力，采用再生中繼器、糾錯編碼等措施，可以進行長距離傳輸； 采用信道編碼技術，可以降低傳輸錯誤碼率； 數

36、字信號的復用和壓縮容易； 適應的業務種類多，如可實現語音、數據和圖像等綜合傳輸； 便于與計算機相連，實現系統和網絡的智能化； 數字硬件實現靈活、集成度高、設備體積小、系統成本低； 系統升級擴容方便，便于保護運營商的投資等。 同時，數字通信系統也存在兩個缺點兩個缺點： 在相同的容量下，數字通信系統傳輸所需要的帶寬需要的帶寬比模擬通信系統要大大； 同步要求高同步要求高（需要位同步、幀同步等），從而需要復雜的同步系統。 1.4.3 系統性能系統性能 1.通信系統通信系統 如何評價一個通信系統的優劣？ 通過性能指標來評價，包括有效性有效性、可靠性可靠性、經濟性和運維的方便性等。 人們最關心的通信系統性

37、能是有效性和可靠性。 有效性有效性描述的是通信系統的消息傳輸速度傳輸速度問題； 可靠性可靠性反映的是通信系統的消息傳輸質量傳輸質量問題。 2.主要性能主要性能 有效性有效性通常用傳輸速率、帶寬、頻帶利用率傳輸速率、帶寬、頻帶利用率來描述。 可靠性可靠性通常用誤碼率誤碼率來表示。 （1）傳輸速率）傳輸速率 傳輸速率傳輸速率B被定義為每秒傳輸的比特數，可用bit/s來表示。 B的簡單的數學表達公式，如式（1-6）所示。同時，圖1-20給出了數字信號中的傳輸速率與比特周期呈反比關系。（2）帶寬）帶寬 信號帶寬信號帶寬W指的是傳送信號的頻率寬度，即傳送信號的最高頻率與最低頻率之差。 信道帶寬越大，其允

38、許的傳輸容量和傳輸速率就越大。 （3）頻帶利用率）頻帶利用率 頻帶利用率（帶寬效率）頻帶利用率（帶寬效率）的定義是單位頻率帶W內的傳輸速率B，其數學公式如式（1-7）所示。其單位是每赫茲每秒的比特數，常用（b/s.Hz）表示。 （4）誤碼率）誤碼率 誤碼率誤碼率的定義如式（1-8）所示： 1.5 1.5 光纖通信網絡光纖通信網絡1.5.1 光纖通信系統光纖通信系統 1.基本組成基本組成 圖1-21所示的是最簡單的光纖通信系統組成的框圖。 2.各個組件作用各個組件作用 光發射機光發射機包括光源和光調制器。 它主要是提供沿著光纖傳輸信息所需要的光能量。 它的光源既可以是發光管也可以是激光器。 光調

39、制器的功能是調制帶有串行序列數據的光。 光接收機光接收機里一個非常重要的器件是光電檢測器光電檢測器 它的作用就是將調制的光信號轉變成電信號。 1.5.2 光纖通信網絡結構光纖通信網絡結構1. 作用作用 光網絡光網絡是由宿端設備、光纖和組網光電元件等組成。 它的作用有兩個： 一是利用傳輸介質光纖實現大容量、長距離大容量、長距離、高可靠高可靠性性鏈路傳輸； 二是利用相關光電元件，引入了控制和管理機制控制和管理機制，實現了多節點之間的聯網，以及針對資源與業務的靈活配置。 2. 結構演進結構演進 光網絡結構光網絡結構經歷了一個由簡單的點到點點到點、鏈形鏈形結構、環形環形結構向復雜的網狀網網狀網結構的發

40、展過程。它充分反映了通信容量大、網絡可靠性增強、系統成本降低的通信技術進步。 盈通DWDM省骨干網絡圖茂名粵西環粵東環珠三角環廣州東莞 深圳珠海中山順德惠州梅州湛江陽江江門DWDM容量珠三角環：40通道粵西環：16通道粵東環：16通道粵北環：16通道DWDM 網絡覆蓋廣東所有地市河源汕尾韶關清遠汕頭潮州揭陽佛山肇慶云浮粵北環光傳送網光傳送網（Optical Transport Network,OTNOTN）是指在中間節點具有交叉連接能力交叉連接能力的WDM光網絡。 OTN主要是針對干線向著Tbit/sTbit/s方向發展的需求而研制出的光傳送網。 OTN主要應用不僅適合DWDM長途核心網長途核

41、心網，而且可以應用于WDM城域光網絡城域光網絡和光纖接入網光纖接入網。 從光網絡的管理角度看，光網絡經歷了由SDHSDH、 DWDMDWDM和OTNOTN。 目前正在向著自動光交換網絡自動光交換網絡（Automatically Switched Optical Network,ASON）發展。 第2章 光纖學習目標學習目標1.了解光纖基本結構。2.掌握光波導理論研究意義。3.了解光纖制造方法特點。4.掌握研究光纖傳輸特性實際意義。5.掌握各種通信光纖性能特點和適用場所2.1 2.1 光纖的基本結構及特點光纖的基本結構及特點2.1.1 2.1.1 光纖基本結構光纖基本結構 通信光纖通信光纖是由石

42、英玻石英玻璃璃或塑料塑料或其它導光材料其它導光材料組成的圓柱形線性的導光纖維（簡稱光纖）。 光纖的剖面結構，如圖2-1所示。 通常，光纖是由兩個同心均勻介質所組成（纖纖芯和包層芯和包層）。纖芯纖芯1) 位置：光纖的中心部位2) 尺寸：直徑2a = 8（10）m mm 50（62.5） m mm（歐洲（歐洲/美國美國標準）標準）3) 材料：纖芯的主要成分是石英（二氧化硅石英（二氧化硅SiO2 ），），摻有極少量的摻雜劑(二氧化鍺GeO2，五氧化二磷P2O5)，作用是提高纖芯對光的折射率(n1)，以傳輸光信號纖芯包層包層包層1) 位置：位于纖芯的周圍2) 尺寸：直徑2b = 125 m mm3)

43、材料：其成分也是含有極少量摻雜劑的高純度二氧化硅SiO2。而摻雜劑五氧化二硼B2O3的作用則是適當降低包層對光的折射率(n2)，使之略低于纖芯的折射率，即即n1 n2，它使得光信號能約束在纖芯中傳輸，它使得光信號能約束在纖芯中傳輸涂覆層涂覆層1) 位置：位于光纖的最外層2) 尺寸：涂覆后的光纖外徑約為1.5 mm1.5 mm3) 結構和材料：包括一次涂覆層，緩沖層和二次涂覆層 a) 一次涂覆層一般使用丙烯酸酯、有機硅或硅橡膠材料 b) 緩沖層一般為性能良好的填充油膏 (防水) c) 二次涂覆層一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物4) 作用：保護光纖不受水汽侵蝕和機械擦傷保護光纖不受水汽侵蝕和機械擦傷，

44、同時又增加了光纖的機械強度與可彎曲性光纖的機械強度與可彎曲性，起著延長光纖壽命的作用 引入一個物理量相對折射率差相對折射率差。 它的表達式如（2-1）式 在實際應用中，纖芯與包層的折射率數值相差無幾。 單模光纖單模光纖的相對折射率差大約為0.2%； 多模光纖多模光纖的相對折射率差大約是1%。 2.1.2 2.1.2 光纖的特點光纖的特點 在光纖通信中，光纖光纖的作用是傳輸介質，真正的載波是激光載波是激光。 1、巨大的工作帶寬 光纖通信使用的電磁波頻率范圍是1014Hz。 2、優異的傳輸性能 光纖的損耗可以達到0.15dB/Km，具有極好的傳輸質量。3、杰出的使用性能抗電磁干擾能力。 光纜的使用

45、壽命長（一般為20-30年）。4、豐富的原料來源目前，國際期貨市場銅、鋁等金屬材料價格不斷上漲。而石英的儲藏量非常豐富，取之不盡、用之不竭。5、獨特的接繼技術常用的單模光纖的纖芯直徑僅為8-10m左右，為光纜線路的施工中的光纖對準和熔接操作帶來了極大的困難。需要專用的儀器。 2.2 2.2 光波導理論光波導理論2.2.1 2.2.1 幾何光學幾何光學1.1.全內反射全內反射 光（線）傳輸理論： 當光線射到兩種介質之間的界面上時，一部分光線被反射，形成反射光線反射光線，而一部分被折射，而形成折射光折射光線線，如圖2-2所示。 反射定律：反射定律： 1. 反射光線保持在由入射光線與法線所構成的入射

46、平面中；2. 相對于入射光線來說，反射光線位于法線的相反側；3. 反射光線和入射光線分別與法線形成的夾角1=2。 折射定律：折射定律： 如果是在各向同性的介質（如玻璃）中，則由式菲涅爾折射定律可得出： 光的入射角正弦sin與折射角正弦sin之比與其各自入射介質的折射率n1與折射介質的折射率n2成反比。即有如下關系式：當光線由光密介質光密介質n1n1入射到光疏介質光疏介質n2n2的界面時，折射角大于入射角。 當= 900 時，光纖會沿著平行于兩介質的界面傳播，如圖2-3所示的光線。這時的入射角寫成0 ，我們 稱它為兩種介質的臨界角臨界角，如式（2-3）所示。 即臨界角臨界角由兩種介質的折射率n1

47、和n2的比值決定的。 對于入射角大于臨界角0的所有光線，在光疏介質中沒有對應的折射光線存在，這些光線在界面上全部被反射回光密介質中，這種現象稱為全內反射全內反射，如圖2-3所示的光線。 由此可知，全內反射全內反射只能發生在光由光密介質光密介質入射到與光疏介質光疏介質的界面上，對于圓柱形光波導（纖），如果使纖芯纖芯中心部分的折射率高于外包層包層的折射率，就有可能在纖芯纖芯和包層包層之間滿足全內反射，從而使光線“限制限制”在芯層內并以鋸齒形連續反射光纖形式在光纖中向前傳輸，直至傳播到信息終端。單模光纖和多模光纖單模光纖和多模光纖單模光纖單模光纖SMF(Signal Mode Fiber)：僅允許一

48、個模式傳播的光纖多模光纖多模光纖MMF(Multiple Mode Fiber)：同時允許多個模式進行傳播在光纖的受光角內，以某一角度射入光纖端面，并能在光纖纖芯纖芯- -包層包層交界面上產生全反射的傳播光線，就可以稱為入射光的一個傳播模式傳播模式2. 2. 折射率分布折射率分布 為了設計出不同的光纖，可以使光纖剖面任意一點的折射率分布折射率分布n n 是其半徑r的函數n (r)。n隨著r的變化而變化。n (r)可以決定光纖的光傳輸性能光傳輸性能。 可用數學公式（2-4）來表示： 式中，n1 為纖芯折射率； 是光纖相對折射率差相對折射率差； r 為離開纖軸心的距離； a是纖芯半徑； g為折射率

49、分布指數折射率分布指數； n2是包層折射率。 公式（2-4）可以用圖2-4來反映，它直觀且形象地描述了不同光纖的折射率分布幾何形狀。 折射率分布指數折射率分布指數g的取值范圍在1-之間，通過改變g的取值大小就可以獲得不同的光纖折射率分布形狀。 例如，g=1纖芯折射率分布為三角形， g=2光纖芯折射率分布呈梯度（漸變）形梯度（漸變）形， g= 纖芯折射率分布是階躍（突變）形階躍（突變）形。 表2-1列出了g取值、纖芯折射率形狀與折射率變化特點的關系。 從上圖中可以看出： 1.只有階躍光纖階躍光纖的纖芯和包層折射率是常數，而其他光纖的纖芯折射率分布是r 的函數n (r)變化形式 。 2.光纖設計就

50、是選擇合理的纖纖/包折射率分布包折射率分布結構，即通過調整調整g的數值，可以獲得不同傳輸性能的光纖。3. 3. 相對折射率差相對折射率差 舉例：P36 例2-1單模玻璃光纖的相對折射率差是0.2%；多模玻璃光纖的相對折射率差是1%；熟料光纖的相對折射率差是0.2212% 但要注意：但要注意： 與數值孔徑和光纖的接受角也存在著一定與數值孔徑和光纖的接受角也存在著一定的數量關系。的數量關系。 表2-2列出了幾種不同光纖纖芯的折射率是1.50時，與數值孔與數值孔徑和光纖的接收角的關系。徑和光纖的接收角的關系。4. 4. 數值孔徑數值孔徑 光在纖芯和包層之間纖芯和包層之間發生全反射的條件是，在他們之間

51、的入射角必在他們之間的入射角必須大于臨界角須大于臨界角 0，就是說，只有小于（90-0）所有光線才會沿著纖芯中傳輸。在輸入端端面上，根據折射定律，有下面關系式（空氣折射率為1）： 引入一個物理量數值孔直徑（數值孔直徑（NA ，Numerical Aperture）： 為臨界角 0對應的最大入射角最大入射角max的正弦值的正弦值。 NA表示光纖的集光能力。表示光纖的集光能力。 只有小于只有小于max的光纖才能在纖芯中傳輸。的光纖才能在纖芯中傳輸。 下面通過兩個計算實例來說明折射率分布不同的光纖，它們的NA就不同，集光能力各有差異。 P37、例2-2和例2-3 多模光纖比單模光纖的集光能力要好的多

52、。多模光纖比單模光纖的集光能力要好的多。 2.2.2 2.2.2 研究目的研究目的 研究光纖導光理論的目的：研究光纖導光理論的目的： 在于了解光波在光纖中的傳輸機理傳輸機理、傳輸條件傳輸條件，建立傳輸特性與光纖折射率分布結構參數之間的關系，以便于設計出能夠滿足通信系統所需要的傳輸特性的理想光纖。 光具有波粒二像性：光具有波粒二像性： 光既可以看成是光波，又可以看作是由光子組成的粒子流，在科學研究中對應的方法分別是射線理論射線理論和波動理波動理論論。 光射線理論光射線理論光波動理論光波動理論適用條件l a（物體的幾何尺寸）l a研究對象光線模式基本方程射線方程波導場方程研究方法折射/反射定理邊值

53、問題主要特點約束光線模式2.2.3 2.2.3 光射線理論光射線理論 按照折射率分布，多模光纖又可以分為兩大類型： 階躍折射率分布的多模光纖（簡稱階躍多模光纖階躍多模光纖） 梯度折射率分布的多模光纖（簡稱梯度多模光纖梯度多模光纖）。 1 1、階躍多模光纖、階躍多模光纖 描述階躍多模光纖的折射率分布的數學公式，可用式（2-9）表示。 由前所述可知： 式中：=（n1-n2）/n1的是纖芯-包層界面之間的相對折射率。 顯然，為了耦合更多的光進入光纖，應該盡可能將做大； 但是大光纖不適合用作光纖通信。 其原因是，大光纖中會產生大的時延時延。時延時延 不同光線沿著不同路徑到達輸出端的時間是不一樣的。在光

54、纖通信中，這種時間上的先后就稱作“時延時延”。 由動畫可以直觀地看出：由動畫可以直觀地看出：在階躍多模光纖中，在階躍多模光纖中，不同模式的光信號到達終點所需的時間不同模式的光信號到達終點所需的時間不不相等相等。 時延時延 時延時延產生的后果會使輸入脈沖信號發生“脈沖展寬脈沖展寬”，產生多路徑色散多路徑色散或模間色散模間色散，在接收端信號會產生碼間干碼間干擾擾。 由于時延（模間色散）的原因，階躍多模光纖的工作階躍多模光纖的工作帶寬帶寬會受到嚴重影響。 舉例：P39 最大時延公式 2.2.梯度多模光纖梯度多模光纖 梯度多模光纖的設計思想是利用光傳輸速率與光光傳輸速率與光纖材料折射率成反比纖材料折射

55、率成反比的原理，來解決多模光纖中所存在的嚴重時延時延（模間色散）問題。 光信號在梯度多模折射率光纖中的傳輸光信號在梯度多模折射率光纖中的傳輸 由動畫可以直觀地看出：由動畫可以直觀地看出：在梯度多模光纖中，不同模式的光信號到達終點所需的時間基本相等。 原理分析： V=C/n1、沿中心軸的傳播的路徑最短，但該位置的折射率n也是最大的，所以V也是最慢的；2、越靠近軸心，折射率n越小，V會越快。結論：結論： 在梯度多模光纖梯度多模光纖中，各個光纖均是以同樣的時間到達光纖的輸出端，不會出現時延不會出現時延。 舉例：P41 經計算（P41，公式2-17），梯度多模光纖的工作梯度多模光纖的工作帶寬帶寬比階躍

56、多模光纖的工作帶寬能提高3個數量級。利用該方程組，求解，得出E（r,）、H(r,)在纖芯纖芯中的表達式理論依據：MaxwellMaxwell方程組方程組利用邊界條件，找出其中的規律（傳輸特性傳輸特性）一一二二三三2.2.4 2.2.4 波動理論波動理論2.2.4 2.2.4 波動理論波動理論1、麥克斯韋方程 在電磁場理論中，一般認為，光纖是一種介質光波導。這種光波導的特點是： 1.無傳導電流； 2.無職業電荷； 3.線性各向同性。 描述在光波導（光纖）中傳播的電磁波所有的現象的麥克斯韋方程的具體形式如下： 式中：E和和H分別是電場矢量電場矢量和磁場矢量磁場矢量， 而D和和B則分別是電通量密度電

57、通量密度和磁通量密度磁通量密度。電通量密度和磁通量密度與場矢量的關系： 式中：為材料磁導率磁導率，在真空中為0，對于非磁性材料的光纖=0，它是一個常數； 是材料的介電系數介電系數，在真空中為0，一般物體的是空間坐標的函數，即（x,y,z），（r,z）。 與n的關系如式（2-22）所示。2 2、波動方程、波動方程 利用數學的矢量關系式：3 3、亥姆霍茲方程、亥姆霍茲方程 空坐標分離：亥姆霍茲方程。如果光纖中傳播的是單色光波，即電磁波具有確定的振蕩頻率f，角頻率=2f，我們可令： =(x,y,z)=(x,y,z)exp（ jt） (2-27) 式中，表示E 或者H的某一場分量。如果將公式（2-27

58、）代入標量波動方程，那么我們就可以得到亥姆霍茲方程。 式中，k是光纖中光波的波數光波的波數 式中，是光纖中的工作波長， Vp為光波相速， k0 = 2/ 是真空中的光波的波數光波的波數。 4. 4. 模式分布模式分布（1 1）模式的概念）模式的概念 1.數學上可以理解為滿足邊界條件的波動方程的一個特解特解。2.物理上一個模代表的是一種場圖場圖。3.模式是離散離散的。4.多個模式的線性組合構成了光波導中的總的場分布總的場分布。5.一個模式在光波導中傳輸依賴傳播常數傳播常數。 （2 2）傳導模特性）傳導模特性 光在光纖中遠距離傳播， 纖芯區域纖芯區域的導波場應該為振蕩場振蕩場； 包層區域包層區域的

59、導波場則是衰減場衰減場。 幾個物理量U U、W W、V V和和b b 纖芯導波的歸一化相位常數纖芯導波的歸一化相位常數U U: 描述在纖芯中，導波沿徑向場的分布規律。 包層導波的歸一化衰減常數包層導波的歸一化衰減常數W W： 描述在包層中，場的衰減規律。 U和W的定義，如式（2-30）和式（2-31）所示。 k0 = 2/：真空中光波的波數。 叫傳播常數傳播常數，它滿足以下關系：2220102012220200k nk nk nk n2212122 2 aVnnanVll歸一化頻率 ，結構參數222 222201222212 2 VUWkannannl定 義V是一個能夠描述光纖結構和性能結構和

60、性能的綜合參數。在單模光纖中，在單模光纖中，V V2.4052.405舉例：P45，例2-4利用V的定義，可以設計和制造出不同性能的光纖。非色散位移單模光纖（簡稱G.652光纖）（1310nm）非零色散位移單模光纖(簡稱G.655光纖)（1550nm）彎曲不敏感的單模光纖(簡稱G.657光纖)（1260-1625nm） 傳導模的概念傳導模的概念 傳導模傳導模是光纖輸入端激起的模式中，能夠傳輸到另一端的傳輸模式。 射線理論射線理論中，一組光線以不同的入射角進入光纖，通常認為一個傳播方向的光線對應一種模式，有時也稱之為射線射線模式模式，所以可以按入射角來區分模式，并且也以入射角劃分模式等級，角度越