电力系统通信技术 第4章 光纤通信技术.ppt

第第 4 4 章章 光纤通信技术光纤通信技术4.1光纤通信概述光纤通信概述4.2光纤和光缆光纤和光缆 4.3光源与光检测器光源与光检测器4.4光端机光端机 4.5数字光纤通信系统数字光纤通信系统4.6同步数字系列同步数字系列(SDH)4.7光纤通信新技术光纤通信新技术第第4章章 光纤通信技术光纤通信技术4.1光纤通信概述光纤通信概述 4.1.1光纤通信基本概念光纤通信基本概念光纤通信是以光为载波，以光纤为传输介质的通信方式。任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。光纤通信的载波是光波。虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。目前，光纤通信用的近红外光波长范围约0.8m1.8m。频率约300THz。光纤通信用的频带宽度约为200THz，在常用的1.31m和1.55m两个波长窗口频带宽度也在20THz以上。由于光源和光纤特性的限制，目前，光强度调制的带宽一般只有20GHz，因此还有3个数量级以上的带宽潜力可以挖掘。光纤是由绝缘的石英(SiO2)材料制成的，通过提高材料纯度和改进制造工艺，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多，因此，相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。1.容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5Gb/s和10Gb/s。采用外调制技术，传输速率可以达到40Gb/s。波分复用和光时分复用更是极大地增加了传输容量。DWDM最高水平为132个信道，传输容量为20Gb/s132=2640Gb/s。2.损耗小，中继距离长损耗小，中继距离长石英光纤在1.31m和1.55m波长，传输损耗分别为0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。因此，中继距离长。目前，采用外调制技术，波长为1.55m的色散移位单模光纤通信系统，若其传输速率为2.5Gb/s，则中继距离可达150km；若其传输速率为10Gb/s，则中继距离可达100km。传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点，使光纤通信系统不仅适合于长途干线网而且适合于接入网的使用，这也是降低每公里话路的系统造价的主要原因。3.重量轻、体积小重量轻、体积小光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。4.抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。无金属光缆非常适合于存在强电磁场干扰的高压电力线周围和油田、煤矿等易燃易爆环境中使用。光纤(复合)架空地线(OPGW)是光纤与电力输送系统的地线组合而成的通信光缆，已在电力系统的通信中发挥重要作用。5.泄漏小，保密性能好泄漏小，保密性能好 在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全。6.节约金属材料，有利于资源合理使用节约金属材料，有利于资源合理使用制造同轴电缆和波导管的铜、铝、铅等为金属材料；而制造光纤的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不尽的材料。总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，而且在经济上具有巨大的竞争能力，因此其在信息社会中将发挥越来越重要的作用。4.1.2光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 光纤通信系统是以光为载波，以光纤为传输介质的通信系统，可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。用户要传输的信息多种多样，一般有话音、图像、数据或多媒体信息。为叙述方便，这里仅以数字电话和模拟电视为例。图4-1示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。图4-1光纤通信系统的基本组成(单向传输)如图4-1所示，信息源把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。电发射机把基带信号转换为适合信道传输的信号，这个转换如果需要调制，则其输出信号称为已调信号。例如，对于数字电话传输，电话机把话音转换为频率范围为0.33.4kHz的模拟基带信号，电发射机把这种模拟信号转换为数字信号，并把多路数字信号组合在一起。模/数转换普遍采用脉冲编码调制(PCM)方式实现。一路话音转换成传输速率为64kb/s的数字信号，然后用数字复接器把30路PCM信号组合成2.048Mb/s的一次群甚至高次群的数字系列，最后把这种已调信号输入光发射机。还可以采用频分复用(FDM)技术，用来自不同信息源的模拟基带信号(或数字基带信号)分别调制指定的不同频率的射频(RF)电波，然后把多个这种带有信息的RF信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机，由光载波进行传输。在这个过程中，受调制的RF电波称为副载波，这种采用频分复用的多路信号传输技术，称为副载波复用(SCM)。不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号。光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。电接收机的功能和电发射机的功能相反，它把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。在整个通信系统中，在光发射机之前和光接收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备与电缆通信相同，不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输。光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤通信在通信网、广播电视网、计算机局域网和广域网、综合业务光纤接入网以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。4.2.1 光纤结构和类型光纤结构和类型1.光纤结构光纤结构光纤（OpticalFiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。光纤的外形如图4-2所示。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。纤芯和包层的相对折射率差=（n1-n2）/n1的典型值，一般单模光纤为0.3%0.6%，多模光纤为1%2%。4.2光纤和光缆光纤和光缆图4-2光纤的外形 2.光纤类型光纤类型光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英（SiO2）制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型，图4-3示出其横截面的结构和折射率分布、光线在纤芯传播的路径以及由于色散引起的输出脉冲相对于输入脉冲的畸变。这些光纤的主要特征如下。突变型多模光纤（Step-IndexFiber,SIF）如图4-3(a)，纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=5080m，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。渐变型多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）如图4-3(b)，在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50m，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。单模光纤（Single-ModeFiber,SMF）如图4-3(c)，折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有810m，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式，所以称为单模光纤。那么我们怎样理解光纤模式的概念呢？光也是电磁波，电磁波是由交变的电场和磁场组成且满足一定的数学关系。光在光纤中的传播就是电场和磁场相互交替地变换传播，电场和磁场不同的分布形式（满足特定的方程）就构成不同的模式。所谓单模光纤就是指只传输HE11一种矢量模式。多模光纤则指能同时传输多种模式（例如HE11、TM01、TE01、HE12等矢量模式）的光纤。渐变型多模光纤和单模光纤，包层外径2b都选用125m。实际上，根据应用的需要，可以设计折射率介于SIF和GIF之间的各种准渐变型光纤。为调整工作波长或改善色散特性，可以在图4-3(c)常规单模光纤的基础上，设计许多结构复杂的特种单模光纤。有在1.31.6m之间色散变化很小的色散平坦光纤（DispersionFlattenedFiber,DFF）；有把零色散波长移到1.55m的色散移位光纤（DispersionShiftedFiber,DSF）；有偏振保持光纤等。图4-3三种基本类型的光纤(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；(c)单模光纤各种光纤，其用途也不同。突变型多模光纤信号畸变大，相应的带宽只有1020MHzkm，用于小容量、短距离系统。渐变型多模光纤的带宽可达12GHzkm，适用于中等容量、中等距离系统。大容量（565Mb/s2.5Gb/s）长距离(30km以上)系统要用单模光纤。色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。外差接收方式的相干光系统要用偏振保持光纤，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。4.2.2光纤传光原理光纤传光原理 要详细描述光纤传光原理，需要求解由麦克斯韦方程组导出的波动方程。但在极限(波数k=2/非常大，波长0)条件下，可以用几何光学的射线方程作近似分析。几何光学的方法比较直观，容易理解，但并不十分严格。用几何光学方法分析光纤传输原理，我们关注的问题主要是光束在光纤中传播的空间分布和时间分布，并由此得到数值孔径和时间延迟的概念。1.突变型多模光纤突变型多模光纤 设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致，如图4-4所示。图4-4突变型多模光纤的光线传播原理光线在光纤端面以小角度从空气入射到纤芯(n0n2)。改变角度，不同相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。根据全反射原理，存在一个临界角c，当c时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。由此可见，只有在半锥角为c的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。根据这个传播条件，定义临界角c的正弦为数值孔径(NumericalAperture,NA)。根据定义和斯奈尔定律（4-2）N0=1，由式（4-2）经简单计算得到（4-3）式中：=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。设=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21。NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或c)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在c内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。现在我们来观察光线在光纤中的传播时间。根据图4-4，入射角为的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所经历的路程为l(oy)，在不大的条件下，得到最大入射角(=c)和最小入射角(=0)的光线之间时间延迟差近似为（4-4）式中：c为真空中的光速。这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。由此可见，突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后，其时间延迟不同而产生的，其大小与成正比。可见，NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。2.渐变型多模光纤渐变型多模光纤渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点。渐变型多模光纤的子午面(r-z)示于图4-5，一般光纤相对折射率差都很小，光线和中心轴线z的夹角也很小，即sin。图4-5渐变型多模光纤的光线传播原理由图可见，渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数，对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角0，其周期=2a/，取决于光纤的结构参数(a,)，而与入射角0无关。这说明不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在P点上，见图4-5，这种现象称为自聚焦(Self-Focusing)效应。渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。这是因为光线传播速度v(r)=c/n(r)(c为光速)，入射角的光线经历的路程较长，但大部分路程远离中心轴线，n(r)较小，传播速度较快，补偿了较长的路程。入射角小的光线情况正相反，其路程较短，但速度较慢。所以这些光线的时间延迟近似相等。所以信号畸变比突变型多模光纤的信号畸变要小。4.2.3光纤传输特性光纤传输特性光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变(失真)，因而输出信号和输入信号不同。对于脉冲信号，不仅幅度要减小，而且波形要展宽。产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。损耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输容量。本节讨论光纤的色散和损耗的机理和特性，为光纤通信系统的设计提供依据。（一）光纤色散（一）光纤色散色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。1）模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。2）材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光(实际光源不是纯单色光)，其时间延迟不同而产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。3）波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不同。如果信号是模拟调制的，色散限制带宽(Bandwith)；如果信号是数字脉冲，色散产生脉冲展宽。所以，色散通常用3dB光带宽f3dB 或脉冲展宽表示。光纤色散测量有相移法、脉冲时延法和干涉法等。（二）光纤损耗（二）光纤损耗由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字脉冲，其幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。损耗的大小用损耗系数表示。（dB/km）（4-5）式中：L为光纤的长度，km；Pi为输入光功率；Po为输出光功率。1.损耗的机理损耗的机理 光纤损耗机理包括吸收损耗和散射损耗两部分。吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。结构缺陷散射产生的损耗与波长无关。瑞利散射损耗与波长四次方成反比。瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。如果=0.2%，在1.55m波长，光纤最低理论极限为0.149dB/km。2.损耗测量损耗测量光纤损耗测量有两种基本方法：一种是测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插入法；另一种是测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法。在工程上最实用的是后向散射法。由于瑞利散射光功率与传输光功率成比例。利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方法，称为后向散射法。设在光纤中正向传输光功率为P，经过L1和L2点(L1P2)，从这两点返回输入端(L=0)。光检测器的后向散射光功率分别为Pd(L1)和Pd(L2)，经分析推导得到，正向和反向平均损耗系数（4-6）式中：右边分母中因子2是光经过正向和反向两次传输产生的结果。后向散射法不仅可以测量损耗系数，还可利用光在光纤中传输的时间来确定光纤的长度L。（4-7）式中：c为光速；n1为光纤的纤芯折射率；t为光脉冲从发出到返回的时间。式中：c为光速；n1为光纤的纤芯折射率；t为光脉冲从发出到返回的时间。图4-6示出后向散射法光纤损耗测量系统的框图。光源应采用特定波长、稳定的大功率激光器，调制的脉冲宽度和重复频率应和所要求的长度分辨率相适应。耦合器件把光脉冲注入被测光纤，又把后向散射光注入光检测器。光检测器应有很高的灵敏度。图4-6后向散射法光纤损耗测量系统图4-7后向散射功率曲线的示例相对反向散射功率光纤长度EDCBA图4-7是后向散射功率曲线的示例，图中A输入端反射区；BC恒定斜率区，用以确定损耗系数；C连接器、接头或局部缺陷引起的损耗；D介质缺陷(例如气泡)引起的反射；E输出端反射区（光纤断点），用以确定光纤长度。用后向散射法的原理设计的测量仪器称为光时域反射仪(OTDR)。这种仪器采用单端输入和输出，不破坏光纤，使用非常方便。OTDR不仅可以测量光纤损耗系数和光纤长度，还可以测量连接器和接头的损耗，观察光纤沿线的均匀性和确定故障点的位置，确实是光纤通信系统工程现场测量不可缺少的工具。（三）光纤标准和应用（三）光纤标准和应用制订光纤标准的国际组织主要有ITU-T和IEC(国际电工委员会)。应用情况一般为：G.651多模渐变型(GIF)光纤，这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统。G.652常规单模光纤，是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31m色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。目前世界上已敷设的光纤线路90%采用这种光纤。G.653色散移位光纤，是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55m色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长距离通信系统。G.6541.55m损耗最小的单模光纤，其特点是在波长1.31m色散为零，在1.55m色散为1720ps/(nmkm)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20dB/km以下。这种光纤实际上是一种用于1.55m改进的常规单模光纤，目的是增加传输距离。此外还有色散补偿光纤，其特点是在波长1.55m具有大的负色散。这种光纤是针对波长1.31m常规单模光纤通信系统的升级而设计的，因为当这种系统要使掺铒光纤放大器(EDFA)以增加传输距离时，必须把工作波长从1.31m移到1.55m。用色散补偿光纤在波长1.55m的负色散和常规单模光纤在1.55m的正色散相互抵消，以获得线路总色散为零损耗又最小的效果。G.655非零色散光纤，是一种改进的色散移位光纤。具有常规单模光纤和色散移位光纤的优点，是最新一代的单模光纤。这种光纤在密集波分复用和孤子传输系统中使用，实现了超大容量超长距离的通信。4.2.4光缆及电力系统特种光缆光缆及电力系统特种光缆 在实际通信线路中，都是将光纤制成不同结构型式的光缆。因为光纤本身脆弱易裂，直接和外界接触，易产生接触伤痕，甚至被折断。保护光纤固有机械强度的方法，通常是采用塑料被覆和应力筛选。光纤从高温拉制出来后，要立即用软塑料(例如紫外固化的丙烯酸树脂)进行一次被覆和应力筛选，除去断裂光纤，并对成品光纤用硬塑料(例如高强度聚酰胺塑料)进行二次被覆。二次被覆光纤有紧套、松套、大套管和带状线光纤四种。把一次被覆光纤装入硬塑料套管内，使光纤与外力隔离是保护光纤的有效方法。在工程应用中，光缆不可避免要遭受一定的拉力而伸长，或者遭遇低温而收缩。因此，松套管内的光纤要留有一定的余长，使光纤受拉力或压力的作用。（一）光缆结构和类型（一）光缆结构和类型光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。1.缆芯缆芯缆芯通常包括被覆光纤(或称芯线)和加强件两部分。被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。光缆类型多种多样，图4-8给出若干典型实例。根据缆芯结构的特点，光缆可分为四种基本型式。图4-8光缆类型的典型实例(a)6芯紧套层绞式光缆(架空、管道)；(b)12芯松套层绞式光缆(直埋防蚁)；(c)12芯骨架式光缆(直埋)；(d)6 48芯束管式光缆(直埋)；(e)108芯带状光缆；(f)LXE束管式光缆(架空、管道、直埋)；(g)浅海光缆；(h)架空地线复合光缆(OPGW)（1）层绞式。）层绞式。把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。这种结构的缆芯制造设备简单，工艺相当成熟，得到广泛应用。采用松套光纤的缆芯可以增强抗拉强度，改善温度特性。（2）骨架式。）骨架式。把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。这种结构的缆芯抗侧压力性能好，有利于对光纤的保护。（3）中心束管式。）中心束管式。把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。这种结构的加强件同时起着护套的部分作用，有利于减轻光缆的重量。（4）带状式。）带状式。把带状光纤单元放入大套管内，形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。带状式缆芯有利于制造容纳几百根光纤的高密度光缆，这种光缆已广泛应用于接入网。2.护套护套护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带构成。不同使用环境和敷设方式对护套的材料和结构有不同的要求。根据使用条件，光缆又可以分为许多类型。一般光缆有室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆等。（二）光缆特性（二）光缆特性光缆的传输特性取决于被覆光纤。对光缆机械特性和环境特性的要求由使用条件确定。光缆生产出来后，对这些特性的主要项目：拉力、压力、扭转、弯曲、冲击、振动和温度等，要根据国家标准的规定做例行试验。成品光缆一般要求给出上述特性。（三）电力系统特种光缆（三）电力系统特种光缆电力特种光缆是适应电力系统特殊的应用而发展起来的一种架空光缆体系，它将光缆技术和输电线技术相结合，架设在10500kV不同电压等级的电力杆塔上和输电线路上，具有高可靠、长寿命等突出优点，在我国电力通信领域普遍使用。就目前来看，电力特种光缆主要包括全介质自承式光缆ADSS、架空地线复合光缆OPGW、缠绕式光缆GWWOP、捆绑式光缆AL-Lash、相线复合光缆OPPC。但主要使用的是ADSS、OPGW。在电力线路上架设OPGW、ADSS、GWWOP等电力特种光缆以建立光纤通信网络。1.ADSS光缆光缆目前世界上ADSS光缆的结构主要有4种类型，如图4-9。A型：中心束管式ADSS光缆；B型：层绞式ADSS光缆；C型：分布式增强型ADSS光缆；D型：带状式ADSS光缆。其中A型与B型在电力系统中应用较广泛。图4-9几种无金属自承式架空光缆（ADSS）的结构图其主要特点是:采用了具有高弹性模量的高强度芳纶纱作为抗张元件。芳纶纱弹性模量高、重量轻、具有负膨胀系数、有防弹能力。同时光缆几何尺寸小，缆重仅为普通光缆的三分之一，可直接架挂在电力杆塔的适当位置上，对杆塔增加的额外负荷很小；外护套经过中性离子化浸渍处理，使光缆具有极强的抗电腐蚀能力；光缆采用无金属材料，绝缘性能好，能避免雷击，电力线出故障时，不会影响光缆的正常运行；利用现有电力杆塔，可以不停电施工，与电力线同杆架设，可降低工程造价；运行温度范围宽：4070；使用跨距范围：501200m。2.OPGW光缆的的结构和特点光缆的的结构和特点OPGW光缆是将光纤媒体复合在输电线路的架空地线里,地线和通信功能合二为一。OPGW光缆主要是由铝包钢线或铝合金线组成的外部绞线包裹着光纤缆、中心加强件等组成的。OPGW按光纤与其外层束管的“紧密”程度分为“松套”和“紧套”两种类型,大多数厂家都采用松套结构。OPGW主要特点是:(1)OPGW既可避雷,又可用于通信,不需要另外加挂光缆。(2)光缆位于OPGW中,外层有铝包钢线或铝合金线包裹,光缆受到保护,可靠性较高。(3)OPGW是随着电力线架设的,因而节省了施工费。(4)OPGW是架设在输电线路铁塔上的,这种铁塔比起邮电部门的通信电杆可靠、安全,且不易被盗窃。目前电力系统主要使用如图4-10所示几种结构的OPGW光缆。(A)(B)（C）图4-10几种OPGW光缆结构示意图1：光纤；2：不锈钢钢管(铝管塑管)；3：铝包钢线；4：铝合金线；5：螺旋型带槽铝合金骨架；6：镀锌钢管A型：中心束管式；B型：偏管层绞式；C型：骨架式OPGW光缆 3.缠绕式光缆GWWOP GWWOP光缆是将无金属的介质光缆缠绕在已运行的输电线路地线上。它是由松套缓冲管与小强度件或填充件绞绕在一起以形成圆形光纤单元,光纤单元是用交联聚乙烯护套加以保护。这个护套提供了机械和环境保护,并且抗电弧和雷击。其主要特点是:(1)抗干扰能力强、耐高温、抗老化,且不易被盗窃。(2)由于GWWOP光缆重量很轻,而且是使用专用的机械缠绕在输电线路地线上,所以,在光缆架设时不需对原杆塔作复核与改动即可施工。(3)光缆可在任何自承塔上熔接。GWWOP光缆的缺点是易受外界损坏。4.全介质捆绑光缆AD-LASHAD-LASH光缆是将非金属光缆采用捆绑式架设方法,通过捆绑机用捆绑带把光缆与架空地线或相线捆绑在一起。AD-LASH光缆的特点是：(1)光缆直径小、重量轻,将它捆绑在送电线路上,基本不会产生垂直的重力荷载,不会对原有杆塔造成明显的影响。(2)光缆的全介质设计减轻了光缆的重量。避免了送电线路短路或者雷击影响。(3)可以在地线或者相线上简单快捷地安装。AD-LASH光缆的设计使得其外护套具有耐高温及防电腐蚀等特点,因此,AD-LASH光缆不但可以在地线上安装,也可以在35kV及以下的相线上安装。(4)光缆由粘性捆绑带固定,不会在地线或者相线上移动。光缆的捆绑带表面有粘性物质,它可以使光缆、捆绑带及送电线路牢固地粘连在一起,光缆不能左右移动,不会对光缆的外护套造成摩擦损伤。(5)光缆安装完成后,由捆绑带承受重量,光缆不会受永久性张力,不会由于张力而产生应力衰减。(6)光缆与地线或相线被平行地捆绑在一起,不会有环形状态产生。其缺点是易受外界损坏,且高压送电线路档距较大,杆塔较高,捆绑机施工比较困难。5.光缆结构类型的选择光缆结构类型的选择电力特种光缆的选型主要是由它要架设的输电线路的情况决定的。ADSS光缆是目前使用较多的类型，可在现有的输电线路上附挂，不停电施工，但在500KV超高压输电线路上有抗电腐蚀能力较弱的缺点，且需验算铁塔的承受能力。ADSS适合于在已运行的220KV及以下输电线路上使用。其安全性能稍次于OPGW光缆，但施工周期较OPGW短，工程造价也比OPGW低。OPGW光缆适合于新建的220500KV线路。若使用在已经运行的线路上，则必须对承挂的杆塔结构进行复核验算，必要时还需对已有线路杆塔结构进行加强或改造，同时还要更换原有线路地线。工程量大，施工要求比较高，施工周期和故障恢复周期均较长。GWWOP光缆适合于在已运行的电力线路上使用。该型光缆虽然工程造价最低，但易受外界损害。根据目前电力系统使用光缆的情况,一般在220kv及以下老线路采用抗电腐蚀的ADSS光缆；在新建的220kv及以上输电线路上采用OPGW光缆；对ADSS抗拉强度不能满足要求的特大跨越档距可考虑采用GWWOP光缆；对35kv及以下运行时间较长的送电线路可考虑采用AD-LASH光缆。另外,随着电力系统光纤通信的发展,出现了ADSS、OPGW与普通光缆交替使用的情况。位于城镇地区的电业局、供电局及调度大楼等,由于高压输电线路很少伸入到城市中心,因而需在部分lOKV配电线路上附挂普通光缆,或沿城市规划的电缆沟进入市区以便于电力调度、供电自动化及行政管理工作。6.光缆应用中出现的问题和主要解决措施光缆应用中出现的问题和主要解决措施随着电力通信网建设的加快，运行中ADSS和OPGW暴露出来许多问题，主要集中在ADSS外护套电腐蚀和OPGW雷击问题。针对ADSS外护套电腐蚀问题，国内有关单位已开始了大量研究工作，主要集中在电应力作用下ADSS损伤机理的研究、耐电痕护套材料的开发、抗电应力损伤的措施以及电腐蚀的测试方法等方面，并取得了大量的研究成果。在确保ADSS光缆质量的前提下，规范工程设计、施工和运行条件，ADSS的电腐蚀是可以控制的。ADSS应用中的问题主要有：ADSS挂点的选择失误。“干带电弧”是造成ADSS表面产生电腐蚀的最主要原因。电弧产生的高热，使外护套表面的温度升高，产生树枝化的电痕，直至烧穿光缆的外护套，露出芳纶纱，最后造成断缆事故发生；ADSS光缆铝丝端部电晕放电引起的劣化，造成ADSS出现电腐蚀。解决ADSS腐蚀的主要措施有：ADSS外护套采用抗电应力损伤的新技术和新材料；采取措施降低ADSS光缆表面电场强度和电位差；减少放电电压的数值和均衡塔端的感应场强，如悬挂ADSS光缆的金具采用预绞丝结构并相应地安装均压环或防晕圈；在靠近杆塔的ADSS表面沿光缆方向安装半导体棒；优化ADSS的悬挂点等。而针对OPGW遭雷击问题，已采取了提高OPGW本身耐雷水平，在工程设计中提高OPGW防护水平等措施。4.3光源与光检测器光源与光检测器光源、光检测器是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着基本光纤传输系统的水平。4.3.1光源光源 光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)。（一）半导体激光器工作原理和基本结构（一）半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器产生激光的基本原理是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。1.受激辐射和粒子数反转分布受激辐射和粒子数反转分布 有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4)称为激发态。电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式(见图4-11)：图4-11能级和电子跃迁(a)受激吸收；(b)自发辐射；(c)受激辐射（1）在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图4-11(a)。（2）在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图4-11(b)。（3）在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射，见图4-11(c)。受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即E2-E1=hf12(4-8)式中：h为普朗克常数，h=6.62810-34Js；f12为吸收或辐射的光子频率。受激辐射和自发辐射产生的光其特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光；自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为N1和N2。如果N1N2，则受激吸收大于受激辐射，当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。如果N2N1，则受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2N1的分布，和正常状态的分布相反，所以称为粒子数反转分布。如何得到粒子数反转分布的状态呢?2.PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场，见图4-12(a)。图4-12PN结的能带和电子分布(a)P-N结内载流子运动；(b)零偏压时P-N结的能带图；(c)正向偏压下P-N结能带图内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的费米能级Ef相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图4-12(b)。这时在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图4-12(c)。在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。3.激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成,如图4-13所示，称为F-P谐振腔。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈，不断得到放大，方向性得到不断改善，结果增益大幅度得到提高。另一方面，由于谐振腔内激活物质存在吸收，反射镜存在透射和散射，因此光受到一定损耗。当增益和损耗相当时，在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡。图4-13激光器的构成和工作原理(a)激光振荡；(b)光反馈4.半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构半导体激光器的结构多种多样，基本结构是双异质结平面条形结构。这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。（二）半导体激光器的主要特性（二）半导体激光器的主要特性1.发射波长发射波长半导体激光器的发射波长为：(4-9)式中：为发射光的波长，m；c为光速；h为普朗克常数；Eg为半导体材料的禁带宽度，1eV=1.610-19J。2.激光束的空间分布激光束的空间分布激光束的空间分布用近场和远场来描述。近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。典型半导体激光器远场的光束横截面呈椭圆形。3.转换效率和输出光功率特性转换效率和输出光功率特性激光器的电/光转换效率用外微分量子效率d表示，其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数。激光器的光功率特性通常用P-I曲线表示，图4-14是典型激光器的光功率特性曲线。P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth和Ith分别为相应的阈值。当IIth时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。图4-14典型半导体激光器的光功率特性(a)短波长AlGaAs/GaAs;(b)长波长InGaAsP/InP4.温度特性温度特性 对于线性良好的激光器，输出光功率特性如图4-14所示。激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：一是激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大，二是外微分量子效率d随温度升高而减小。图4-15示出脉冲调制的激光器，由于温度升高引起阈值电流增加和外微分量子效率减小，造成的输出光功率特性P-I曲线的变化。图4-15P-I曲线随温度的变化（三）分布反馈激光器（三）分布反馈激光器随着光纤通信技术的进步，对激光器提出更高的要求。要求新型半导体激光器的谱线宽度更窄，并在高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性；发射光波长更加稳定，并能实现调谐；阈值电流更低，而输出光功率更大。具有这些特性的动态单纵模激光器有多种类型，其中性能优良并得到广泛应用的是分布反馈(DistributedFeedBack,DFB)激光器。DFB激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈，所以称为分布反馈激光器。如图4-16所示，由有源层发射的光，从一个方向向另一个方向传播时，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)，另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。如果光线a和b匹配，相互叠加，则产生更强的反馈，而其他波长的光将相互抵消。虽然每个波纹峰反射的光不大，但整个光栅有成百上千个波纹峰，反馈光的总量足以产生激光振荡。图4-16分布反馈(DFB)激光器(a)结构；(b)光反馈图中为光栅周期。DFB激光器与F-P激光器相比，具有单纵模、谱线窄、波长稳定性好、动态谱线好以及线性好等优点。（四）半导体激光器的安全使用（四）半导体激光器的安全使用半导体激光器是一种贵重器件，其PN结很容易受损。对正常的LD，使用前可用指针式万用表Rlk档测量，正向电阻约k，反向电阻大于500k，不正确使用，轻则降低其性能，重则导致永久性损坏，因此正确安全使用LD是非常重要的。LD对电路感应及漏电十分敏感，如焊接时烙铁漏电、人体静电感应、仪器漏电等很容易使LD损坏。因此在用电烙铁焊接时应很好接地，采用电池加