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第六章光纖通信一、學(xué)問(wèn)點(diǎn)光纖通信概述。光纖與光纜。光纖通信系統(tǒng)。二、重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容〔一〕光纖通信概述本節(jié)介紹光纖通信的概念、進(jìn)展、有用工作窗日以及光纖通信的特點(diǎn)。光纖即為光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱。光纖通信是以光纖為傳輸媒質(zhì)，以光信號(hào)為信息載體的通信方式。光纖通信的進(jìn)展史1966年，英籍華人高餛指出：假設(shè)能夠削減玻璃中的雜質(zhì)含量，就可以制造出損耗低于20dB/km1970系數(shù)為20dB/km光纖通信從今進(jìn)入飛速進(jìn)展。通過(guò)以上的進(jìn)展時(shí)期可以把光纖通信的進(jìn)展歸納為三個(gè)階段：1976～1986加傳輸距離為目的和大力推廣的進(jìn)展階段；1986～1996年：以實(shí)現(xiàn)超大容量超長(zhǎng)距離為目標(biāo)，全面深入開(kāi)展技術(shù)的援救階段。目前光纖通信的有用工作波長(zhǎng)1014Hz～1015Hz0.8m～1.8m.85.31m和1.55m，這是目前光纖通信所承受的只個(gè)工作波長(zhǎng)，也叫工作窗口。光纖通信的特點(diǎn)目前光纖通信己經(jīng)成為通信中的最主要的傳輸技術(shù)，以下優(yōu)點(diǎn)。(l)傳輸頻帶寬，通信容量大由信氨論知道，載波頻率越高，通信容量越大。它與其他通信傳輸系統(tǒng)相比，具有目前光纖通信使用的光載波頻率在1014Hz～1015Hz數(shù)量級(jí)，比常用的微波頻率高104倍～105104倍～105倍。(2)傳輸衰減小，傳輸距離長(zhǎng)目前，通信用的一般石英光纖損耗一般都低于l0dB/km。使用1.55波長(zhǎng)時(shí)，損耗可以降為dB/km。3)抗電磁十?dāng)_，傳輸質(zhì)量好。4)體積小、重量輕、便于施光纖真正傳光的是線芯，多模光纖的線芯直徑為50m～85m，單模光纖的線芯直徑為5m～10m125m，固然，外面還要有保護(hù)重量輕，可以節(jié)約地下管道建設(shè)投資，而且便于敷設(shè)、運(yùn)輸和施工。5)原材料豐富，節(jié)約有色金屬約有色金屬，也有利于環(huán)保。光纖本身也有缺點(diǎn)：如光纖質(zhì)地脆，機(jī)械強(qiáng)度低；光纖的切斷比其他通信方式優(yōu)越，大力進(jìn)展光纖通信己成趨勢(shì)。〔二〕光纖與光纜光纖的構(gòu)造與分類光纖的構(gòu)造222〔SiO〕1l芯的材料是SiO，摻雜微量的其他材料，摻雜的作用是為了提高材料的光折射率。包層的材料一般用純SiO，也有摻雜的，摻雜的作用是降低材料的光折射率。所以纖芯的折射率2所示。222圖一光纖的構(gòu)造圖圖從圖2中可以看出：纖芯位于光纖中心，直徑〔2a〕5m～75m，作用是傳輸光波。2 包層位于纖芯外層，直徑〔2b〕為100m～150m，作用是將光波限制在纖芯中。為了使光波在纖芯中傳送，包層材料折射率n比纖芯材料折射率n 2 l 2n >nl 230m～150m。套層又稱二次涂覆或被覆層，多承受聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龍等材料。經(jīng)過(guò)二次涂敷的裸光纖稱為光纖芯線。圖二光纖剖向構(gòu)造圖光纖的分類光纖可按組成材料、纖芯折射率分布及傳輸模式數(shù)等劃分。其具體分類狀況如3所示。圖三光纖的分類纖。階躍型光纖〔SIF〕：纖芯折射率呈均勻分布，纖芯和包層相對(duì)折射率差為1％～2％。漸變型光纖〔GIF〕：纖芯折射率呈非均勻分布，在軸心處最大，而在光纖橫截面內(nèi)沿半徑方向漸漸減小，在纖芯與包層的界面上降至包層折射率n2。W型光纖〔雙包層光纖〕：在纖芯與包層之間設(shè)有一折射率低于包層的緩沖層，使包1.3m～1.6m之間色散變化很小的色散1.55m的色散位移光纖。ITU-TG.6511.31m1.55m1.31m1.55m處光纖有最小損耗，主要用于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)或接入網(wǎng)。G.652光纖：常規(guī)單模光纖，也稱為非色散位移光纖，1.31m1.55mG.653光1.55m1.55mG.6541.55m處具有極低損耗〔0.18dB/km〕G.655光纖：非零色散位移單模光纖，在1.55m～1.65 m處色散值為〔0.1～6.0)ps/km用以平衡四波混頻等非線性效應(yīng)，適用于高速〔10Gbit/s以上〕、大容量、高密集波分復(fù)用系統(tǒng)(3)光纜的構(gòu)造光纜一般由纜芯、加強(qiáng)元件和護(hù)層三局部組成。纜芯：由單根或多根光纖芯線組成，有緊套和松套兩種構(gòu)造。緊套光纖有二層和三層構(gòu)造。(b)加強(qiáng)元件：用于增加光纜敷設(shè)時(shí)可承受的負(fù)荷，一般是用金屬絲或非金屬纖維制作。〔c〕護(hù)層：具有阻燃、防潮、耐壓、耐腐蝕等特性，主要是對(duì)己成纜的光纖芯線進(jìn)行保護(hù)。依據(jù)敷設(shè)條件可由鋁帶／聚乙烯綜合粘接外護(hù)層〔LAP〕，鋼帶〔或鋼絲〕銷裝和聚乙烯護(hù)層等組成。〔4〕實(shí)際使用的光纜分類實(shí)際使用的光纜分類如表1所示。表一 實(shí)際使用的光纜分類光纖的導(dǎo)光原理用光射線來(lái)爭(zhēng)論光波傳輸特性的方法，稱為射線法。〔1〕光波在兩介質(zhì)交界面的反射和折射介質(zhì)交界面時(shí)，將發(fā)生反射和折射。如圖4所示。圖四光的反射和折射面以斯涅爾定律說(shuō)明其物理概念。斯涅爾定律主要包括以下兩個(gè)關(guān)系式：產(chǎn)生全反射的條件是：2 n是包層折射率，n是重合或平行，這時(shí)間線將沿纖芯軸線方向向前傳播。假設(shè)光線以某一角度入射到光纖端面時(shí)，2 n2n角大于臨界角。由前面分析光纖的臨界角為c=arcsin 1，階躍型光纖就是利用光波11 l2 13 14的全反射原理將光波限制在纖芯中向前傳播為了分析漸變型光纖中光的傳播將纖芯劃分成假設(shè)干同軸的薄層假設(shè)各層內(nèi)折射率均勻分布而每層折射率從里到外漸漸減小即有n >n >n >n >?。假設(shè)光以肯定的入射角從軸心處第一層射向與其次層的交界面時(shí)，由于是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)折射接角大于入射角光線將折射進(jìn)其次層射向與第三層的交界面，并再次發(fā)生折射進(jìn)入第三層，依次類推，由于光線都是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，入射角將隨折射次數(shù)增大。當(dāng)在某一界面處〔圖中是在第三層和第四層的界面上，入射角大于臨界角時(shí)光線將消滅全反射方向不再朝向包層而是朝向軸心之后光線是從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)入射角漸漸減小直至穿過(guò)軸心后光線又消滅從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，重復(fù)上述折射過(guò)程因此，當(dāng)纖芯分層數(shù)無(wú)限多11 l2 13 145所示。圖五漸變型光纖的導(dǎo)光原理光纖中光射線的分析承受射線法爭(zhēng)論階躍型光纖和漸變型光纖的導(dǎo)光原理，兩種類型光纖的光射線分析如下。階躍型光纖中光射線的分析線，就稱為子午射線，簡(jiǎn)稱為子午線。除子午線外其他的光射線稱為斜射線。階躍型光纖的主要特性參數(shù)①相對(duì)折射指數(shù)差1 n和n1 1 當(dāng)nn1 ②數(shù)值孔徑折線，相應(yīng)的端面入射角記為光纖波導(dǎo)的孔徑角〔或端面臨界角。即只有光纖端面入射角徑角的正弦值為光纖的數(shù)值孔徑〔NA〕，即由于上式可簡(jiǎn)化為和包層的折射率差越大，NA值就越大，即光纖的集光力量就越強(qiáng)。對(duì)于階躍型光纖，由于纖芯折射率均勻分布，纖芯端面各點(diǎn)的數(shù)值孔徑都一樣，即各點(diǎn)收光力量一樣。3)漸變型光纖分析①漸變型光纖中的射線分析選用適宜的折射指數(shù)n(r)最正確折射率分布。其折射指數(shù)分布表達(dá)式為②數(shù)值孔徑不同，因此，漸變型光纖本地?cái)?shù)值孔徑的表達(dá)式為單模光纖光纖中的模式波、橫磁波和混合波。橫電波縱軸方向只有磁場(chǎng)重量，沒(méi)有電場(chǎng)重量；橫截面上有電場(chǎng)重量的電磁波。橫磁波縱軸方向只有電重量，沒(méi)有磁場(chǎng)重量：橫截面上有磁場(chǎng)重量的電磁波。混合波縱軸方向既有電重量又有磁場(chǎng)重量，是橫電波和橫磁波的混合。m表示電場(chǎng)沿圓周方向的變化周數(shù)，n表示電場(chǎng)沿徑向方向的變化周數(shù)，當(dāng)m和n的組合不同時(shí)，表示的模式也不同。(2)歸一化截止頻率歸一化截止頻率是為表征光纖中所能傳播的模式數(shù)目多少而引入的一個(gè)特征參數(shù)程為：其中，a—―是光纖的工作波長(zhǎng)；n1和—一分別是光纖的纖芯和包層折射率；0一一光纖的相對(duì)折射率差。從式中可看出，V值的大小打算于光纖的參數(shù)，而且它是一個(gè)直接和光的頻率成正比的無(wú)量綱的量，因此，稱為歸一化頻率。單模傳輸條件：當(dāng)0<V<2.405時(shí)，光纖中除主模〔或基模〕以外，其模的歸一化截止頻率時(shí)的波長(zhǎng)。即光纖的損耗特性及色散特性光纖的損耗特性光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加而光功率漸漸下降，這就是光纖的傳輸損耗。光纖本身?yè)p耗的緣由，大致可以分為吸取損耗、散射損耗和其他損耗。吸取損耗吸取損耗是指光波通過(guò)光纖材料時(shí)，有一局部光能變成熱能，造成光功率的損失。吸取損耗可以分為本征吸取和雜質(zhì)吸取兩類是由于光纖中含有的各種過(guò)渡金屬離子和氫氧根〔OHˉ〕離子在光的鼓勵(lì)下產(chǎn)生振動(dòng)，吸取光能量造成的。散射損耗射損耗和波導(dǎo)效應(yīng)散射損耗。瑞利散射損耗是由于光纖材料折射率分布尺寸的隨機(jī)不均勻性所引起的木征損耗散射損耗與波長(zhǎng)的四次方成反比，即波長(zhǎng)越短，損耗越大。因此，對(duì)短波長(zhǎng)窗口影響較大。藝不完善造成。其他損耗其他損耗主要是連接損耗、彎曲損耗和微彎損耗。連接損耗是由于進(jìn)展光纖接續(xù)時(shí)端面不平坦或光纖位置未對(duì)準(zhǔn)等緣由造成的接頭處消滅的損耗生不均勻的側(cè)壓力，導(dǎo)致纖芯與包層的界面消滅局部凹凸引起。光纖的色散特性光纖的色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，隨傳輸距離增加，由于不同成分的光傳輸時(shí)延不時(shí)間差。光纖色散的概念簡(jiǎn)潔地說(shuō)，光纖的色散就是由于光纖中光信號(hào)中的不同頻率成分或不同的模式，在光纖纖色散產(chǎn)生的機(jī)理來(lái)看，它包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散三種。光纖中的色散類型模式色散是指在多模光纖中，不同模式在同一頻率下傳輸，各自的相位常數(shù)不同，群速同，這樣造成脈沖展寬的現(xiàn)象，稱為波導(dǎo)色散或稱構(gòu)造色散。在單模光纖中只有基模傳輸，因此不存在模式色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散。(三)光纖通信系統(tǒng)光源與光發(fā)送機(jī)光纖通信中用到的光源有半導(dǎo)體激光器和發(fā)光三極管兩種。〔1〕半導(dǎo)體激光器的一般工作原理光器和雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器等三種。半導(dǎo)體激光器有如下工作特性。①閾值特性：對(duì)于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)外加正向電流到達(dá)某一值時(shí)，輸出光功率將急劇增加，這時(shí)將產(chǎn)生激光振蕩，這個(gè)電流值稱為閾值電流。tt②光譜特性：半導(dǎo)體激光器的光譜，隨著鼓勵(lì)電流變化。當(dāng)I＜I時(shí)，發(fā)出的是熒光，I＞Itt③溫度特性：激光器的閩值電流和光輸出功率隨溫度變化的特性為溫度特性。④轉(zhuǎn)換效率：半導(dǎo)體激光器是把電功率直接轉(zhuǎn)換成光功率的器件，衡量轉(zhuǎn)換效率的凹凸發(fā)光二極管。它除了沒(méi)有光學(xué)諧振腔以外，其他方面與激光器一樣，它是無(wú)閡值器件發(fā)光只限于自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光。光發(fā)送機(jī)6所示。圖六光放射機(jī)的原理方框圖輸入接口電路后，進(jìn)展碼型變換以便適合于光路的傳輸。擾碼器0101”統(tǒng)計(jì)分布均勻，便于時(shí)鐘信號(hào)的提取。編碼器為了便于不連續(xù)業(yè)務(wù)的誤碼監(jiān)測(cè)以及抑制直流重量的波動(dòng)編碼，并且要適合光纖傳輸。(d)驅(qū)動(dòng)器度，完成電／光轉(zhuǎn)換任務(wù)。光源一般承受的是半導(dǎo)體激光器。自動(dòng)功率掌握〔APC〕和自動(dòng)溫度掌握〔ATC〕率發(fā)生變化。為了穩(wěn)定輸出光功率，一般用ATC,APC電路來(lái)穩(wěn)定激光器的閾值電流。光電檢測(cè)器與光纖數(shù)字接收機(jī)〔1〕半導(dǎo)體光電檢測(cè)器換的。光電檢測(cè)器是利用外加反向偏壓的PN結(jié)，當(dāng)入射光作用時(shí)，發(fā)生受激吸取產(chǎn)生光流之和為光生電流。常用的光電檢測(cè)器分為PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管兩種。(a)PIN光電二極管PINPNPIN光電檢測(cè)器是為提高光電轉(zhuǎn)換效率而在PN結(jié)內(nèi)部設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體〔I層〕以擴(kuò)大耗盡層寬度的光電二極管。APD雪崩光電二極管APD光電檢測(cè)器件的構(gòu)造根本局部與PIN光電二極管一樣，仍是PN結(jié)，不同之處是在P層和N當(dāng)光入射到PN結(jié)后，光子被吸取產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，這些電子一空穴對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入強(qiáng)電場(chǎng)后使載流子雪崩式倍增，進(jìn)而形成大的光電流。光電檢測(cè)器的特性光電檢測(cè)器的特性用以下指標(biāo)進(jìn)展衡量。①響應(yīng)度R0和量子效率。響應(yīng)度和量子效測(cè)器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流。光接收機(jī)光纖數(shù)字接收機(jī)組成7所示。組成方框圖中各局部的功能如下。①光電檢測(cè)器。將光纖傳輸過(guò)來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。②前置放大器。前置放大器是與光電檢測(cè)器嚴(yán)密相連，故稱之為前置放大器。在一般路正常工作，必需將這種微弱的電信號(hào)經(jīng)過(guò)多級(jí)放大器進(jìn)展放大。大器，這樣才能得到較大的信噪比。圖七光纖數(shù)字接收機(jī)組成方框圖③主放大器。主要作用是將前置放大器輸出的信號(hào)放大到判決電路所需的信號(hào)電平，增益掌握電路對(duì)主放大器的增益進(jìn)展調(diào)整受輸入信號(hào)的影響。④均衡器。具有無(wú)線帶寬的矩形波數(shù)字信號(hào)在經(jīng)過(guò)帶寬受限的信道后，會(huì)產(chǎn)生拖尾現(xiàn)弦頻譜脈沖。⑤判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路。判決器由判決電路和碼形成電路構(gòu)成。判決器和時(shí)鐘恢復(fù)10⑥自動(dòng)增益掌握電路。用反響環(huán)路來(lái)掌握主放大器增益。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)時(shí)，通過(guò)反響環(huán)路穩(wěn)定，以利于判決。PCM傳輸?shù)拇a型。光接收機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)反映光接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)有多種，這里主要介紹光接收靈巧敏度和光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。①光接收靈巧敏度。光接收靈巧敏度這個(gè)指標(biāo)是描述接收機(jī)被調(diào)整到最正確狀態(tài)時(shí)，在滿足給定的誤碼率指標(biāo)條件下，接收機(jī)接收微弱信號(hào)的力量。②光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍用D表示，是在保證系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)要求下，接收機(jī)的最低輸入光功率〔用dBm來(lái)描述〕和最大允許輸入光功率〔用dBm來(lái)描述〕之差〔dB〕。光接收機(jī)噪聲的主要來(lái)源雪崩管倍增噪聲。②光接收機(jī)的電路噪聲。光纖通信系統(tǒng)〔1〕系統(tǒng)方框圖8所示。圖八 光纖通信系統(tǒng)組成方框圖從圖8中可以看出，一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)包括光發(fā)送機(jī)、光中繼器、光接收機(jī)和器和監(jiān)控系統(tǒng)。光中繼器光中繼器的作用信號(hào)的幅度受到衰減，波形消滅失真，這樣就限制了光脈沖信號(hào)在光纖中作長(zhǎng)距離的傳輸。為此就要在光信號(hào)傳輸肯定距離時(shí)，加設(shè)一個(gè)中繼器，以放大衰減信號(hào)，恢復(fù)失真的波形，使光脈沖得到再生。中繼器的組成99中可以看換。圖九光中繼器的構(gòu)成方框圖監(jiān)視掌握系統(tǒng)監(jiān)視掌握系統(tǒng)簡(jiǎn)稱監(jiān)控系統(tǒng)，其作用是監(jiān)視通信系統(tǒng)運(yùn)行狀況，保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行、牢靠通信。監(jiān)控系統(tǒng)的墓本類型有：①對(duì)一個(gè)數(shù)字段進(jìn)展監(jiān)控：②對(duì)多方向進(jìn)展監(jiān)控；③對(duì)跨越數(shù)字段進(jìn)展監(jiān)控。光纖通信系統(tǒng)的碼型〔1〕光纖對(duì)所傳信號(hào)碼型的要求光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)并不是直接傳輸由電端機(jī)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)變換成碼速略高一點(diǎn)的適合在光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)中傳的線路碼型碼型的具體要求是：①能限制信號(hào)帶寬，減小功率譜中的凹凸頻率重量；②能給光接收機(jī)供給足夠的定時(shí)信息；③能供給肯定的冗余碼，實(shí)現(xiàn)主輔信號(hào)同時(shí)傳輸。常用光纖線路碼型分組變換碼〔mBnB碼〕把輸入的二進(jìn)制原始碼流按m的二進(jìn)制碼，并在同樣大小的時(shí)隙內(nèi)輸出。特點(diǎn)：①碼流中“l(fā)”,“010”的數(shù)目削減，定時(shí)信息豐富；②凹凸頻重量少，基線漂移小；③碼流中引入肯定冗余度，便于在線誤碼監(jiān)測(cè)。〔b〕插入碼(mBIP碼)把輸入的二進(jìn)制原始碼流按m律插入一個(gè)碼，組成〔m+l〕位為一組的線路碼流。插入碼可分為mBIP碼、mBIC碼、mBIH碼。優(yōu)點(diǎn)：碼速提高不大，誤碼增值小；可實(shí)現(xiàn)在線誤碼監(jiān)測(cè)、區(qū)間通信和關(guān)心信息傳送缺點(diǎn)：碼流的頻譜特性不如mBnB碼，但翻尤碼后在進(jìn)展mBlX通信系統(tǒng)的要求。光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)損耗限制系統(tǒng)中繼距離的設(shè)計(jì)方法光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是依據(jù)用戶對(duì)傳輸距離和傳輸容量及其分布的要求體制和傳輸速