第四章 光纤通信精选文档.ppt

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1、第四章 光纤通信本讲稿第一页，共八十页4.1 4.1 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状 4.1.1 4.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信原始形式的光通信原始形式的光通信:中国古代用中国古代用“烽火台烽火台”报警，欧洲人用报警，欧洲人用旗语传送信息。旗语传送信息。18801880年年，美美国国人人贝贝尔尔(Bell)(Bell)发发明明了了用用光光波波作作载载波波传传送送话话音音的的“光光电电话话”。贝贝尔尔光光电电话话是是现现代代光光通通信信的的雏雏型。型。19601960年年，美美国国人人梅梅曼曼(Maiman)(Maiman)发发明明了了第第一一台台红红宝宝石石激激

2、光光器器，给给光光通通信信带带来来了了新新的的希希望望。激激光光器器的的发发明明和和应应用用，使使沉沉睡睡了了8080年年的的光光通通信信进进入入一一个个崭崭新新的的阶阶段。段。本讲稿第二页，共八十页 同同一一时时期期，美美国国麻麻省省理理工工学学院院利利用用He He-NeNe激激光器和光器和COCO2 2激光器进行了大气激光通信试验。激光器进行了大气激光通信试验。由由于于没没有有找找到到稳稳定定可可靠靠和和低低损损耗耗的的传传输输介介质质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。对光通信的研究曾一度走入了低潮。本讲稿第三页，共八十页4.1.2 4.1.2 现代光纤通信现代光纤通信 19661966

3、年年，英英籍籍华华裔裔学学者者高高锟锟(C.K.Kao)(C.K.Kao)和和霍霍克克哈哈姆姆(C.A.Hockham)(C.A.Hockham)发发表表了了关关于于传传输输介介质质新新概概念念的的论论文文，指指出出了了利利用用光光纤纤(Optical(Optical Fiber)Fiber)进进行行信信息息传传输输的的可可能能性性和和技技术术途途径径，奠奠定定了了现现代代光光通通信信光光纤纤通通信信的的基基础础。指指明明通通过过“原原材材料料的的提提纯纯制制造造出出适适合合于于长长距距离离通通信信使使用用的的低低损损耗耗光纤光纤”这一发展方向。这一发展方向。本讲稿第四页，共八十页光纤通信发明

4、家光纤通信发明家高锟高锟(左左)1998年在英国接受年在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章本讲稿第五页，共八十页19701970年，年，光纤光纤研制取得了重大突破：研制取得了重大突破：19701970年年，美美国国康康宁宁(Corning)(Corning)公公司司研研制制成成功功损损耗耗20dB/km20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。19721972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km4 dB/km。1973 1973 年年，美美国国贝贝尔尔(Bell)(Bell

5、)实实验验室室的的光光纤纤损损耗耗降降低低到到2.5dB/km2.5dB/km。1974 1974 年降低到年降低到1.1dB/km1.1dB/km。1976 1976 年年，日日本本电电报报电电话话(NTT)(NTT)公公司司将将光光纤纤损损耗耗降降低低到到0.47 dB/km(0.47 dB/km(波长波长1.2m)1.2m)。在在以以后后的的 10 10 年年中中，波波长长为为1.55 1.55 mm的的光光纤纤损损耗耗：1979 1979 年年是是0.20 0.20 dB/kmdB/km，19841984年年是是0.157 0.157 dB/kmdB/km，1986 1986 年是年是

6、0.154 dB/km0.154 dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。接近了光纤最低损耗的理论极限。本讲稿第六页，共八十页19701970年，光纤通信用年，光纤通信用光源光源取得了实质性的进展：取得了实质性的进展：19701970年年，美美国国贝贝尔尔实实验验室室、日日本本电电气气公公司司(NEC)(NEC)和和前前苏苏联联先先后后，研研制制成成功功室室温温下下连连续续振振荡荡的的镓镓铝铝砷砷(GaAlAs)(GaAlAs)双双异异质质结结半半导导体体激激光光器器(短短波波长长)。虽虽然然寿寿命命只只有有几几个个小小时时，但但它它为为半半导导体激光器的发展奠定了基础。体激光器的发展奠定了

7、基础。1973 1973年，半导体激光器寿命达到年，半导体激光器寿命达到70007000小时。小时。19761976年年,日日本本电电报报电电话话公公司司研研制制成成功功发发射射波波长长为为1.3 1.3 mm的的铟铟镓砷磷镓砷磷(InGaAsP)(InGaAsP)激光器。激光器。19771977年年，贝贝尔尔实实验验室室研研制制的的半半导导体体激激光光器器寿寿命命达达到到1010万万小时。小时。19791979年年,美美国国电电报报电电话话(AT&T)(AT&T)公公司司和和日日本本电电报报电电话话公公司司研研制制成成功发射波长为功发射波长为1.55 m1.55 m的连续振荡半导体激光器。的

8、连续振荡半导体激光器。由于光纤和半导体激光器的技术进步，使由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为光纤通信年成为光纤通信发展的一个重要里程碑发展的一个重要里程碑本讲稿第七页，共八十页实用实用光纤通信系统光纤通信系统的发展的发展 19761976年年,美美国国在在亚亚特特兰兰大大(Atlanta)(Atlanta)进进行行了了世世界界上上第第一一个实用光纤通信系统的现场试验。个实用光纤通信系统的现场试验。19801980年年,美美国国标标准准化化FT FT-3 3光光纤纤通通信信系系统统投投入入商商业业应应用。用。19761976年年和和1978 1978 年年，日日本本先先后后进

9、进行行了了速速率率为为34 34 Mb/sMb/s的的突突变变型型多多模模光光纤纤通通信信系系统统，以以及及速速率率为为100 100 Mb/sMb/s的的渐渐变变型型多多模模光光纤纤通信系统的试验。通信系统的试验。19831983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。随随后后，由由美美、日日、英英、法法发发起起的的第第一一条条横横跨跨大大西西洋洋 TAT-8TAT-8海底光缆通信系统于海底光缆通信系统于19881988年建成。年建成。第第一一条条横横跨跨太太平平洋洋TPC-3/HAW-4 TPC-3/HAW-4 海海底底光光缆缆通通信信系系统统于于19891

10、989年年建建成成。从从此此，海海底底光光缆缆通通信信系系统统的的建建设设得得到到了了全全面面展展开开，促促进了全球通信网的发展。进了全球通信网的发展。本讲稿第八页，共八十页 光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：第第一一阶阶段段(1966(1966到到19761976年年)，这这是是从从基基础础研研究究到到商商业业应用的开发时期。应用的开发时期。第第二二阶阶段段(1976(1976到到19861986年年)，这这是是以以提提高高传传输输速速率率和和增增加加传传输输距距离离为为研研究究目目标标和和大大力力推推广广应应用用的的大大发发展展时时期。期。第第三三

11、阶阶段段(1986(1986到到19961996年年)，这这是是以以超超大大容容量量超超长长距距离离为为目标、全面深入开展新技术研究的时期。目标、全面深入开展新技术研究的时期。本讲稿第九页，共八十页4.1.3 4.1.3 国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状 19761976年年美美国国在在亚亚特特兰兰大大进进行行的的现现场场试试验验，标标志志着着光光纤纤通通信信从从基基础研究发展到了商业应用的新阶段。础研究发展到了商业应用的新阶段。此此后后，光光纤纤通通信信技技术术不不断断创创新新：光光纤纤从从多多模模发发展展到到单单模模，工工作作波波长长从从0.85 0.85 mm发发展展到到

12、1.31 1.31 mm和和1.55 1.55 m(m(短短波波长长向向长长波长波长），传输速率从几十），传输速率从几十Mb/sMb/s发展到几十发展到几十Gb/sGb/s。随随着着技技术术的的进进步步和和大大规规模模产产业业的的形形成成，光光纤纤价价格格不不断断下下降降，应应用范围不断扩大。用范围不断扩大。目目前前光光纤纤已已成成为为信信息息宽宽带带传传输输的的主主要要媒媒质质，光光纤纤通通信信系系统统将将成成为为未未来来国国家家信信息息基基础础设设施施的的支支柱柱。在在许许多多发发达达国国家家，生生产产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。

13、本讲稿第十页，共八十页光纤通信整体发展时间表光纤通信整体发展时间表 100000 10000 1000 100 10 1 0.1 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 19920.8m多模1.3m单模1.55m直接检测光孤子光放大器1.55m相干检测系统性能(Gb/sKm）本讲稿第十一页，共八十页4.2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用 通通信信系系统统的的传传输输容容量量取取决决于于对对载载波波调调制制的的频频带带宽宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。度，载波频率越高，频带宽度越宽。光光通通信信载载波波频频率率高高、频频带带宽宽度度宽

14、宽；光光通通信信利利用用的的传传输输媒质媒质-光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。本讲稿第十二页，共八十页图图 部分电磁波频谱部分电磁波频谱本讲稿第十三页，共八十页图图 各种传输线路的损耗特性各种传输线路的损耗特性 本讲稿第十四页，共八十页4.2.1 4.2.1 光纤通信的优点光纤通信的优点 容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大 损耗很小，损耗很小，中继距离很长且误码率很小中继距离很长且误码率很小 重量轻、重量轻、体积小体积小 抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 泄漏小，泄漏小，保密性能好保密性能好 节约金属材料，节约金属材料，有利于资

15、源合理使用有利于资源合理使用本讲稿第十五页，共八十页4.2.3 4.2.3 光纤通信的应用光纤通信的应用 光光纤纤可可以以传传输输数数字字信信号号，也也可可以以传传输输模模拟拟信信号号。光光纤纤在在通通信信网网、广广播播电电视视网网与与计计算算机机网网以以及及在在其其它它数数据据传传输输系系统统中中都都得得到到了了广广泛泛应应用用。光光纤纤宽宽带带干干线线传传送送网网和和接接入入网网发发展展迅迅速速，是是当当前研究开发应用的主要目标。前研究开发应用的主要目标。光纤通信的各种应用可概括如下：光纤通信的各种应用可概括如下：通信网通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网构成因特网的计算机局域网和广域

16、网 有线电视网的干线和分配网有线电视网的干线和分配网 综合业务光纤接入网综合业务光纤接入网本讲稿第十六页，共八十页 ATMInternet骨干网骨干网DDN/FRPSTN/ISDNTV业务分配节点业务分配节点(COT)(COT)业务接入节点（业务接入节点（RTRT）网管网管SNMP与电信网管中心相连Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622M SDH典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构拓扑结构本讲稿第十七页，共八十页典型应用之二：作为校园网的骨干传输网典型应用之二：作为校园网的骨干传输网本讲稿第十八页，共八十页4.3 4.3 光纤通

17、信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 下下图图示示出出单单向向传传输输的的光光纤纤通通信信系系统统，包包括括发发射射、接接收收和作为广义信道的基本和作为广义信道的基本光纤传输系统光纤传输系统。本讲稿第十九页，共八十页基本光纤传输系统的三个组成部分基本光纤传输系统的三个组成部分1 1 1 1、光发送机、光发送机、光发送机、光发送机组成框图：组成框图：光光 源源调制器调制器通道耦合器通道耦合器电信号输入电信号输入光输出光输出驱动电路驱动电路 半导体激光器或发光二极管作为光源，在驱动电流的作用半导体激光器或发光二极管作为光源，在驱动电流的作用下发生受激辐射产生光信号；用外加电信号调制光信号，使输下

18、发生受激辐射产生光信号；用外加电信号调制光信号，使输出光随电信号变化而变化。出光随电信号变化而变化。本讲稿第二十页，共八十页2.2.光纤线路光纤线路 功功能能：是是把把来来自自光光发发射射机机的的光光信信号号，以以尽尽可可能能小小的的畸畸变变(失失真真)和衰减传输到光接收机。和衰减传输到光接收机。组成组成:光纤、光纤接头和光纤连接器光纤、光纤接头和光纤连接器 低低损损耗耗 “窗窗口口”：普普通通石石英英光光纤纤在在近近红红外外波波段段，除除杂杂质质吸吸收收峰峰外外，其其损损耗耗随随波波长长的的增增加加而而减减小小，在在0.85 0.85 mm、1.31 1.31 mm和和1.55 1.55 m

19、m有三个损耗很小的波长有三个损耗很小的波长“窗口窗口”。光光源源激激光光器器的的发发射射波波长长和和光光检检测测器器光光电电二二极极管管的的波波长长响响应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。目目前前在在实实验验室室条条件件下下，1.55 1.55 mm的的损损耗耗已已达达到到0.154 0.154 dB/kmdB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。接近石英光纤损耗的理论极限。本讲稿第二十一页，共八十页普通单模光纤的衰减随波长变化示意图普通单模光纤的衰减随波长变化示意图0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰减衰减（dB/km）第

20、一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波长波长（mm）6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L L波段波段本讲稿第二十二页，共八十页3 3、光接收机、光接收机 功能：功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。组成部分：组成部分：耦合器，光电检测器，解调器耦合器，光电检测器，解调器 组成框图：组成框图：电子电路电子电路光输入光输入耦合器耦合器光电检测器光电检测器解调器解调器电信号

21、输出电信号输出 光电检测器根据光电效应，由接收光信号产生电信号光电检测器根据光电效应，由接收光信号产生电信号并输出。并输出。本讲稿第二十三页，共八十页4.4 4.4 光纤与光缆结构光纤与光缆结构 4.4.1 4.4.1 光纤结构光纤结构 4.4.2 4.4.2 光缆结构光缆结构4.5 4.5 光纤传输原理光纤传输原理与与传输传输特性特性 4.5.1 4.5.1 光纤传输原理光纤传输原理 4.5.2 4.5.2 光纤光纤传输传输特性特性本讲稿第二十四页，共八十页4.4.1 光纤的结构光纤的结构光纤（光纤（Optical Fiber）是由中心的）是由中心的纤芯纤芯和外围的和外围的包层包层同轴组成的

22、圆柱形细丝，其主要成分是同轴组成的圆柱形细丝，其主要成分是SiO2 裸纤的典型尺寸为直径裸纤的典型尺寸为直径125um。本讲稿第二十五页，共八十页纤芯的折射率纤芯的折射率n1比包层折射率比包层折射率n2稍高，损稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。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。起一定的机械保护作用。根据光能量在光纤中传输的必要条件是根据光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。4.4.1 光纤的结构光纤的结构本讲稿第二十六页，共八十页 常用石英光纤的制造工艺主要包括：熔炼、拉丝、常用石英

23、光纤的制造工艺主要包括：熔炼、拉丝、包塑三个过程。包塑三个过程。熔炼：熔炼：采用化学气相沉积法制造具有所需折射率分布的采用化学气相沉积法制造具有所需折射率分布的预制棒（长预制棒（长1m，直径，直径2cm）。）。SiCl4+O2 SiO2+2Cl2 在在1800C高温下高温下SiCl4 和和O2混合蒸汽发生化学作用混合蒸汽发生化学作用将在熔融石英管内壁形成将在熔融石英管内壁形成SiO2 的连续层，可在其中的连续层，可在其中掺入掺入B2O3适当降低折射率，形成光纤的包层；当包层适当降低折射率，形成光纤的包层；当包层沉积到足够厚时，向管内添加沉积到足够厚时，向管内添加GeCl4等来适当提高折射等来适

24、当提高折射率，以形成纤芯。率，以形成纤芯。4.4.1 光纤的结构光纤的结构本讲稿第二十七页，共八十页拉丝：拉丝：光纤预制棒在光纤预制棒在2000 C高温的石墨炉高温的石墨炉内软化后，用电动机旋转内软化后，用电动机旋转“拉丝轮拉丝轮”拉制拉制成光纤，采用激光测径仪监测并反馈控制成光纤，采用激光测径仪监测并反馈控制光纤直径，拉丝过程中为光纤涂覆环氧树光纤直径，拉丝过程中为光纤涂覆环氧树脂或橡胶保护层来保持光纤的传输特性脂或橡胶保护层来保持光纤的传输特性（典型的涂层光纤直径（典型的涂层光纤直径250um）。）。包塑：包塑：为了进一步增大光纤的强度，在一为了进一步增大光纤的强度，在一次涂层光纤的外面再

25、套上一层聚丙烯或者次涂层光纤的外面再套上一层聚丙烯或者尼龙等材料形成二次涂层光纤。尼龙等材料形成二次涂层光纤。4.4.1 光纤的结构光纤的结构本讲稿第二十八页，共八十页按照纤芯与包层折射率的变化，实用光按照纤芯与包层折射率的变化，实用光纤主要可以分为：突变型多模光纤、渐纤主要可以分为：突变型多模光纤、渐变型多模光纤、单模光纤三种类型；变型多模光纤、单模光纤三种类型；其他的特种光纤还有：双包层光纤、三其他的特种光纤还有：双包层光纤、三角芯光纤、椭圆芯光纤等。角芯光纤、椭圆芯光纤等。4.4.1 光纤的结构光纤的结构本讲稿第二十九页，共八十页图图 三种基本类型的光纤三种基本类型的光纤(a)(a)突变

26、型多模光纤；突变型多模光纤；(b)(b)渐变型多模光纤渐变型多模光纤;（c c）单模光纤）单模光纤 本讲稿第三十页，共八十页4.4.2 光缆的结构和类型光缆的结构和类型 为使光纤在运输、安装与铺设中不受损坏，光纤必须成缆。为使光纤在运输、安装与铺设中不受损坏，光纤必须成缆。通过各种保护措施如机械强度保护、防潮、防化学腐蚀、防通过各种保护措施如机械强度保护、防潮、防化学腐蚀、防紫外光、防雷电、防鼠虫等来适应不同的应用场合。紫外光、防雷电、防鼠虫等来适应不同的应用场合。光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加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。有铠装。缆芯：缆芯：包括被

27、覆光纤包括被覆光纤(或称芯线或称芯线)和加强件两部分。和加强件两部分。被被被被覆光纤覆光纤覆光纤覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。加强件加强件加强件加强件起起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。套中。护套：护套：对缆芯进行机械保护和环境保护，要求具有良好的抗对缆芯进行机械保护和环境保护，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。通常由聚乙烯或聚侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。通常由聚乙烯或聚氯乙烯氯乙烯(PE(PE或或PVC)PVC)和铝带或钢带构成。和铝带或钢带

28、构成。本讲稿第三十一页，共八十页按应用场合不同可以分为：室内光缆和按应用场合不同可以分为：室内光缆和室外光缆；室外光缆；按铺设方式不同可以分为：架空光缆、按铺设方式不同可以分为：架空光缆、直埋光缆、管道光缆、水下光缆等；直埋光缆、管道光缆、水下光缆等；按照成缆结构方式不同可以分为：层绞按照成缆结构方式不同可以分为：层绞式、骨架式、束管式和带状式。式、骨架式、束管式和带状式。4.4.2 光缆的结构和类型光缆的结构和类型本讲稿第三十二页，共八十页层绞式层绞式：把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成，以：把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成，以便提高抗拉强度；光纤密度高，典型的可达便提高抗拉强度；

29、光纤密度高，典型的可达144根，价格便根，价格便宜，是目前主流的光缆结构。宜，是目前主流的光缆结构。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：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，抗侧压性能好，但制造的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成，抗侧压性能好，但制造工艺复杂，应用的有工艺复杂，应用的有8槽槽72芯骨架光缆。芯骨架光缆。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：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；每束配置在套管周围而构成；每束2-12根光纤，最大束为根光纤，最大束为8。带状式带状式：把带状光纤单

30、元放入大套管内，形成中心束管式结：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；典型配置为成骨架式或层绞式结构；典型配置为12*12芯。芯。4.4.2 光缆的结构和类型光缆的结构和类型本讲稿第三十三页，共八十页(a)6芯芯紧紧套套层层绞绞式式光光缆缆(架空、管道架空、管道)；(b)12芯芯松松套套层层绞绞式式光光缆缆(直埋防蚁直埋防蚁)；(c)12芯芯骨骨架架式式光光缆缆(直埋直埋)；(d)648芯芯束束管管式式光光缆缆(直埋直埋)；(e)108芯芯带带状状光光缆缆；(f

31、)LXE束束管管式式光光缆缆(架架空空、管管道道、直直埋埋)；(g)浅海光缆；浅海光缆；(h)架架空空地地线线复复合合光光缆缆(OPGW)本讲稿第三十四页，共八十页4.5 4.5 光纤传输原理光纤传输原理与传输特性与传输特性4.5.1 光纤传输原理光纤传输原理 设纤芯和包层折射率分别为设纤芯和包层折射率分别为n1n1和和n2n2，空气的折，空气的折射率射率n0n0=1=1，纤芯中心轴线与纤芯中心轴线与z z轴一致。轴一致。光线在光纤端面以小角度光线在光纤端面以小角度从空气入射到纤芯从空气入射到纤芯(n n00 n2n2)。本讲稿第三十五页，共八十页4.5 4.5 光纤传输原理光纤传输原理与传输

32、特性与传输特性本讲稿第三十六页，共八十页 改改变变角角度度，不不同同相相应应的的光光线线将将在在纤纤芯芯与与包包层层交交界界面面发发生反射或折射。生反射或折射。根据根据全反射原理全反射原理，存在一个临界角存在一个临界角c c当当c c时时，相相应应的的光光线线将将在在交交界界面面折折射射进进入入包包层层并并逐逐渐渐消消失失（如如光线光线3 3）。）。由由此此可可见见，只只有有在在半半锥锥角角为为c c的的圆圆锥锥内内入入射射的的光光束束才才能能在在光纤中传播。光纤中传播。本讲稿第三十七页，共八十页图图 三种基本类型的光纤三种基本类型的光纤(a)(a)突变型多模光纤；突变型多模光纤；(b)(b)

33、渐变型多模光纤渐变型多模光纤;（c c）单模光纤）单模光纤 本讲稿第三十八页，共八十页4.5.2 光纤光纤传输特性传输特性 损耗损耗和和色散色散是光纤最重要的传输特性：是光纤最重要的传输特性：损耗限制系统的传输距离损耗限制系统的传输距离 色散则限制系统的传输容量色散则限制系统的传输容量本讲稿第三十九页，共八十页光纤色散光纤色散1.1.色散的定义色散的定义 色色散散是是指指在在光光纤纤中中传传输输的的光光信信号号由由于于不不同同成成分分的的光光的的时时间间 延延迟迟不同而产生的一种物理效应。不同而产生的一种物理效应。光纤脉冲展宽的定义光纤脉冲展宽的定义 本讲稿第四十页，共八十页色散的种类色散的种

34、类模式色散：多模光纤中，传输的模式很多，不同的模式，其传输路径不同，模式色散：多模光纤中，传输的模式很多，不同的模式，其传输路径不同，所经过的路程就不同，达终点的时间也就不同，这就引起了脉冲的展宽。所经过的路程就不同，达终点的时间也就不同，这就引起了脉冲的展宽。材料色散：材料色散是由光纤材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率，严格来材料色散：材料色散是由光纤材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率，严格来说，并不是一个固定的常数，而是对不同的传输波长有不同的值。光的波长不同，说，并不是一个固定的常数，而是对不同的传输波长有不同的值。光的波长不同，折射率折射率n n就不同，光传输的速度也就不同。因此，

35、当把具有一定光谱宽度的光源就不同，光传输的速度也就不同。因此，当把具有一定光谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤内传输时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，到达发出的光脉冲射入光纤内传输时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，到达终端时将产生时延差，从而引起脉冲波形展宽。终端时将产生时延差，从而引起脉冲波形展宽。波导色散：由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生全反射时，波导色散：由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤

36、芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。光传输路径长度随光波波长的不同而异。本讲稿第四十一页，共八十页光纤损耗光纤损耗 损损耗耗的的存存在在导导致致光光信信号号幅幅度度的的的的减减小小，进进而而限限制制系系统统的的传传输输距离距离 。最最一一般般的的条条件件下下，光光纤纤内内传传输输的的光光功功率率P P随随距距离离的的变变化化可可以以用用下下式式表表示示，设设长长度度为为L(km)L(km)的的光光纤纤输输入入光光功功率率为为P Pi i输输出光功率为出光功率为

37、P Po o光纤的损耗系数为：光纤的损耗系数为：本讲稿第四十二页，共八十页 下下图图是是单单模模光光纤纤的的损损耗耗谱谱，图图中中示示出出各各种种机机理理产产生生的的损损耗耗与波长的关系，包括吸收损耗和散射损耗两部分。与波长的关系，包括吸收损耗和散射损耗两部分。吸吸收收损损耗耗 是是由由SiOSiO2 2材材料料引引起起的的固固有有吸吸收收和和由由杂杂质质引引起起的的吸收产生的。吸收产生的。散散射射损损耗耗 主主要要由由材材料料微微观观密密度度不不均均匀匀引引起起的的瑞瑞利利散散射射和和由光纤结构缺陷由光纤结构缺陷(如气泡如气泡)引起的散射产生的。引起的散射产生的。本讲稿第四十三页，共八十页单

38、模光纤损耗谱单模光纤损耗谱本讲稿第四十四页，共八十页4.6 4.6 光纤光纤传输网传输网 光纤传输网的分类及特点光纤传输网的分类及特点4.7 4.7 光纤光纤自愈自愈网网 光纤自愈网的类型与原理光纤自愈网的类型与原理 光纤自愈网的常见类型光纤自愈网的常见类型本讲稿第四十五页，共八十页4.6 4.6 光纤传输网光纤传输网 网网络络的的物物理理拓拓扑扑泛泛指指网网络络的的形形状状，即即网网络络结结点点和和传传输输线路的几何排列，它反映了物理上的连接性。线路的几何排列，它反映了物理上的连接性。除除了了最最简简单单的的点点到到点点的的物物理理拓拓扑扑外外，网网络络物物理理拓拓扑扑一一般般有有5 5种类

39、型：种类型：线形线形 星形星形 树形树形 环形环形 网孔形网孔形本讲稿第四十六页，共八十页1.1.线形线形 将将通通信信网网的的所所有有站站点点串串联联起起来来，并并使使首首末末两两个个点点开开放放，就就形形成成了了线线形形拓拓扑扑。在在这这种种拓拓扑扑结结构构中中，要要使使两两个个非非相相邻邻点点之之间间完完成成连连接接，其其间间的的所所有有点点都都必必须须完完成成连连接接功功能能。这这是是早早期期应应用用的的比比较较经经济济的的网网络络拓拓扑扑形式。形式。线形网络拓扑线形网络拓扑(a)本讲稿第四十七页，共八十页 2.2.星形星形 当当通通信信网网的的所所有有点点中中有有一一个个特特殊殊的的

40、点点与与其其余余点点以以辐辐射射的的形形式式直直接接相相连连，而而其其余余点点之之间间相相互互不不能能直直接接相相连连时时，形形成成了了星星形形拓拓扑扑，又称枢纽形拓扑。又称枢纽形拓扑。在在这这种种拓拓扑扑结结构构中中，除除了了特特殊殊点点外外的的任任意意两两点点间间的的连连接接都都是是通通过过特特殊殊点点进进行行的的，特特殊殊点点为为经经过过的的信信息息流流进进行行路路由由选选择择并并完完成成连连接接功功能能。这这种种网网络络拓拓扑扑可可以以将将特特殊殊点点(枢枢纽纽站站)的的多多个个光光纤纤终终端端综综合合成成一一个个，具具有有灵灵活活的的带带宽宽管管理理，能能节节省省投投资资和和运运营营

41、成成本本，但但是是在在特特殊点存在失效问题和瓶颈问题。殊点存在失效问题和瓶颈问题。(b)星形网络拓扑星形网络拓扑本讲稿第四十八页，共八十页3.3.树形树形 将点到点拓扑单元的末端点连将点到点拓扑单元的末端点连接到几个特殊点就形成树形拓扑。接到几个特殊点就形成树形拓扑。树形拓扑可以看成是线形拓扑和星树形拓扑可以看成是线形拓扑和星形拓扑的结合。这种拓扑结构在特形拓扑的结合。这种拓扑结构在特殊点也存在瓶颈问题和光功率预算殊点也存在瓶颈问题和光功率预算限制问题，特别适用于广播式业务，限制问题，特别适用于广播式业务，但不适用于提供双向通信业务。但不适用于提供双向通信业务。(c)树形网络拓扑树形网络拓扑本

42、讲稿第四十九页，共八十页4.4.环形环形 将将通通信信网网的的所所有有站站点点串串联联起起来来首首尾尾相相连连，而而且且没没有有任任何何点点开开放放，就就形形成成了了环环形形网网。将将线线形形结结构构的的两两个个首首尾尾开开放放点点相相连连就就变变成成了了环环形形网网。在在环环形形网网中中，要要完完成成两两个个非非相相邻邻点点之之间间的的连连接接，这这两两点点之之间间的的所所有有点点都都必必须须完完成成连连接接功功能能。环环形形网网的的最最大大优优点点是是具具有有很很高高的的网网络络生生存存性性，因因而而在在SDHSDH网网中中受到特别的重视。受到特别的重视。(d)环形网络拓扑环形网络拓扑本讲

43、稿第五十页，共八十页网孔形物理拓扑网孔形物理拓扑 (e)5.5.网孔形网孔形 当通信网的许多点直接互连时当通信网的许多点直接互连时就形成了网孔形拓扑。如果所有的就形成了网孔形拓扑。如果所有的点都直接互连时就称为理想的网孔点都直接互连时就称为理想的网孔形。在非理想的网孔形中，没有直形。在非理想的网孔形中，没有直接相连的两个点之间需要经由其它接相连的两个点之间需要经由其它点的转接功能才能实现连接。网孔点的转接功能才能实现连接。网孔形的优点是不存在如星形拓扑那样形的优点是不存在如星形拓扑那样的瓶颈问题和失效问题，两点间有的瓶颈问题和失效问题，两点间有多种路由可选；缺点是结构复杂、多种路由可选；缺点是

44、结构复杂、成本较高。成本较高。本讲稿第五十一页，共八十页 上上述述的的拓拓扑扑结结构构都都有有各各自自的的特特点点，在在网网中中都都有有不不同同程程度度的的应应用用。网网络络拓拓扑扑的的选选择择要要考考虑虑的的因因素素很很多多，如如网网络络的的生生存存性性是是否否高高，网网络络配配置置是是否否容容易易，网网络络结结构构是是否否适适于于引引进进新新业业务等。务等。一一个个实实际际网网络络的的不不同同部部分分适适宜宜采采用用的的拓拓扑扑结结构构也也有有可可能能不不同同，例例如如本本地地网网适适宜宜采采用用环环形形和和星星形形拓拓扑扑结结构构，有有时时也也可可用用线线形形拓拓扑扑，市市内内局局间间中

45、中继继网网适适宜宜采采用用环环形形和和线形拓扑，而长途网可能采用网孔形拓扑。线形拓扑，而长途网可能采用网孔形拓扑。本讲稿第五十二页，共八十页4.7 4.7 光纤自愈网光纤自愈网 随随着着人人类类社社会会进进入入信信息息社社会会，人人们们对对通通信信的的依依赖赖性性越越来来越越大大，对对通通信信网网络络生生存存性性的的要要求求也也越越来来越越高高，一一种种称称为为自自愈愈网网(Self-healing Network)(Self-healing Network)的概念应运而生。的概念应运而生。自自愈愈网网就就是是无无需需人人为为干干预预，网网络络就就能能在在极极短短的的时时间间内内从从失效故障中

46、自动恢复，失效故障中自动恢复，使用户感觉不到网络已出了故障。使用户感觉不到网络已出了故障。基基本本原原理理就就是是：使使网网络络具具备备发发现现替替代代传传输输路路由由并并重重新新确确立立通通信信的的能能力力。自自愈愈网网的的概概念念只只涉涉及及重重新新确确立立通通信信，不不管管具具体体失失效效元元部部件件的的修修复复或或更更换换，后后者者仍仍需需人人员员干干预预才才能能完完成成。本讲稿第五十三页，共八十页自愈网的类型和原理自愈网的类型和原理 自自愈愈网网的的具具体体实实施施手手段段多多种种多多样样，但但各各种种自自愈愈网网都都需需要要考考虑虑一一些些共共同同因因素素：初初始始成成本本、要要求

47、求恢恢复复的的业业务务量量的的比比例例、用用于于恢恢复复任任务务所所需需的的额额外外容容量量、业业务务恢恢复复的的速速率率、升升级级或或增增加加节节点点的的灵灵活性、操作运行和维护的灵活性等等。活性、操作运行和维护的灵活性等等。目目前前主主要要采采用用的的保保护护类类型型有有线线路路保保护护倒倒换换、环环形形网网保保护护、DXCDXC保保护护以以及及环环形形网网与与DXCDXC的的混混合合保保护等。护等。本讲稿第五十四页，共八十页线路保护倒换线路保护倒换 线线路路保保护护倒倒换换是是最最简简单单的的自自愈愈网网形形式式，其其工工作作原原理理是是当当工工作作通通道道传传输输中中断断或或性性能能劣

48、劣化化到到一一定定程程度度后后，系系统统倒倒换换设设备备将将主主信信号号自自动动倒倒换换到到备备用用传传输输通通道道，从从而而使使业业务务继继续续进进行行。这这种种保保护护方方式式的的业业务务恢恢复复时时间间很很快快，可可以以短短于于50ms。但但是是如如果果主主用用和和备备用用系系统统属属于于同同缆缆复复用用，当当光光缆缆被被意意外外切切断断时时，这种保护方式就无能为力了。这种保护方式就无能为力了。改改进进的的方方法法是是采采用用多多径径保保护护，即即主主用用和和备备用用采采用用不不同同的的光光缆缆，当当一一根根中中断断时时另另一一根根不不受受影影响响。这这种种配配置置比比较较容容易易，但但

49、相相对对成成本本较较高高。此此外外，该该保保护护方方法法只只能能提提供供传传输输链链路路的的保保护护，无无法法对对网网络络节节点点的的失失效效进进行行保保护护，因因此此主主要要适适用用于于点点到到点点的的保保护。护。本讲稿第五十五页，共八十页环形网保护环形网保护 将将网网络络节节点点连连成成一一个个环环形形可可以以进进一一步步改改善善网网络络的的生生存存性性。网网络络节节点点可可以以是是DXC，也也可可以以是是ADM，但但一一般般采采用用ADM。利利用用ADM的的分分插插能能力力构构成成自自愈愈环环是是SDH的的特色之一。特色之一。自自愈愈环环按按结结构构分分类类可可以以分分为为通通道道保保护

50、护环环和和复复用用段段保护环。保护环。（1 1）通通道道保保护护环环的的业业务务量量保保护护是是以以通通道道为为基基础础的的，倒倒换换与与否否由由离离开开环环的的每每一一个个通通道道的的信信号号质质量量的的优优劣劣而而定定。光光域域上上能能够够准准确确检检测测的的参参数数只只有有光光功功率率、光光信信噪噪比比和和中中心心波波长长，在在可可检检测测的的参参数数中中，最最方方便便、直接的参数是光功率。直接的参数是光功率。本讲稿第五十六页，共八十页 （2 2）复复用用段段保保护护环环的的业业务务量量保保护护是是以以复复用用段段为为基基础础的的，倒倒换换与与否否由由每每一一对对节节点点间间的的复复用用