光纤通信系统.ppt

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1、 光纤通信光纤通信,是以光波运载信号是以光波运载信号,以光导纤维为以光导纤维为传输媒介的一种通信方式。传输媒介的一种通信方式。8 光纤通信技术光纤通信技术 电电缆缆通通信信和和微微波波通通信信的的载载波波是是电电波波，光光纤纤通通信信的的载载波波是是光光波波。光光波波和和电电波波都都是是电电磁磁波波，但但是是频频率率差差别别很很大大。光光纤纤通通信信用用的的近近红红外外光光(波波长长约约1m)的的频频率率(约约300 THz)比比微微波波(波长为波长为0.1m1 mm)的频率的频率(3300 GHz)高高3个数量级以上。个数量级以上。一一一一 光纤基础知识光纤基础知识光纤基础知识光纤基础知识

2、数数字字光光纤纤通通信信,是是以以光光波波运运载载数数字字信信号号,以以光光导导纤纤维维为为传传输输媒媒介介的的一一种种通通信信方方式式。19961996年年，英英籍籍华华人人“光光通通信信之之父父”高高锟锟(C.K.KiloC.K.Kilo)博博士士根根据据介介质质波波导导理理论论提提出出了了光光纤纤通信的概念通信的概念。光纤的构造光纤的构造光纤的构造光纤的构造 1、纤芯：、纤芯：是由纯石英玻璃拉丝而成，纯度是由纯石英玻璃拉丝而成，纯度6个九（个九（99.9999%），），其余为掺杂的极少量的其余为掺杂的极少量的P2O5、GeO2，以提高纤芯的折射率。，以提高纤芯的折射率。2、包层：、包层：

3、是含有少量掺杂剂的高纯度是含有少量掺杂剂的高纯度SiO2，掺杂剂有硼或氟，以，掺杂剂有硼或氟，以降低包层的折射率。降低包层的折射率。3、涂覆层：、涂覆层：增加光纤的柔性及强度，一般为两次涂覆，使用环氧增加光纤的柔性及强度，一般为两次涂覆，使用环氧树脂或者硅橡胶。树脂或者硅橡胶。4、套塑层：、套塑层：加强光纤的机械强度，并可以着色，使用尼龙或者聚加强光纤的机械强度，并可以着色，使用尼龙或者聚乙烯。乙烯。为了使光纤能在工程中实用化,能承受工程中拉伸、侧压和各种外力作用,还要具有一定的机械强度才能使性能稳定。因此,将光纤制成不同结构、不同形状和不同种类的光缆以适应光纤通信的需要。根据不同的用途和条件

4、,制成的光缆种类很多,但其基本结构是相同的。光缆主要由缆芯、护套和加强元件组成。1、缆芯缆芯是由光纤芯组成的,它可分为单芯和多芯两种。单芯型缆芯和多芯型缆芯结构的比例如下表所示。光缆光缆光缆光缆单芯型由单根二次涂覆处理后的光纤组成。多芯型由多根经二次涂覆处理后的光纤组成,它又分为带状结构和单位式结构。目前国内外对二次涂覆主要采用下列两种保护结构:（1）紧套结构。在光纤与套管之间有一个缓冲层,其目的是为了减少外面应力对光纤的作用。缓冲层一般采用硅树脂,二次被覆用尼龙口。这种光纤的优点是:结构简单、使用方便。（2）松套结构。将一次涂覆后的光纤放在一个管子中,管中充油膏,形成松套结构。这种光纤的优点

5、是:机械性能好,防水性好,便于成缆。紧套和松套光纤结构示意图紧套和松套光纤结构示意图(a)紧套光纤结构示意图；紧套光纤结构示意图；(b)松套光纤结构示意图松套光纤结构示意图2、强度元件由于光纤的材料比较脆,容易断裂,为了使光缆便于承受敷设安装时所加的外力等,在光缆内中心或四周要加一根或多根加强元件。加强元件的材料可用钢丝或非金属的纤维增强塑料(FRP)等。3、护层光缆的护层主要是对已形成的光纤芯线起保护作用,避免受外部机械力和环境损坏。因此,要求护层具有耐压力、防潮、湿度特性好、重量轻、耐化学侵蚀、阻燃等特点。光缆的护层又分内护层和外护层,内护层一般采用聚乙烯或聚氦乙烯等,外护层可根据敷设条件

6、而定,要采用由钻带和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等。下面介绍几种有代表性的光缆结构形式。(1)层绞式光缆。它是将若干根松套（或紧套）光纤芯线以强度元件为中心绞合在一起的一种结构。这种结构的缆芯制造设备简单，成本低,芯线数不超过10根，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)单位式光缆。它是将几根至十几根光纤芯线集合成一个单位,由数个单位以强度元件为中心绞合成缆，其芯线数一般适用于几十芯。(3)骨架式光缆。这种结构是将单根或多根光纤放入骨架的螺旋槽内,骨架中心是强度元件,骨架上的沟槽可以是V型、U型或凹型。由于光纤在骨架沟槽内具有较大空间,因此当

7、光纤受到张力时,可在槽内作一定的位移,从而减少了光纤芯线的应力应变和微变,这种光纤具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。(4)带状式光缆。它是将412根光纤芯线排列成行,构成带状光纤单元,再将多个带状单元放入大套管内，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。这种光缆的结构紧凑,采用此种结构可做成上千芯的高密度用户光缆，已广泛应用于接入网。(a)层绞式；(b)单位式；(c)骨架式；(d)带状式。(5)中心束管式光缆。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。5

8、、常见光缆(a)6芯紧套层绞式光缆芯紧套层绞式光缆(架空、架空、管道管道)(b)(b)12芯松套层绞式光缆芯松套层绞式光缆(直埋防蚁直埋防蚁)5、常见光缆(c)12芯骨架式光缆芯骨架式光缆(直埋直埋)(d)648芯束管式光缆芯束管式光缆(直埋直埋)5、常见光缆(e)108芯带状光缆芯带状光缆(f)LXE束管式光缆束管式光缆(架空、架空、管道、管道、直埋直埋)5、常见光缆(g)浅海光缆浅海光缆5、常见光缆(h)架空地线复合光缆架空地线复合光缆(OPGW)1970 年年，作作为为光光纤纤通通信信用用的的光光源源也也取取得得了了实实质质性性的的进进展展。美美国国贝贝尔尔实实验验室室、日日本本电电气气

9、公公司司(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)双双异异质质结结半半导导体体激激光光器器(短波长短波长)。1973 年年，半半导导体体激激光光器器寿寿命命达达到到7000小小时时。1977 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10万万小小时时(约约11.4年年)，外推寿命达到，外推寿命达到100万小时，完全满足实用化的要求。万小时，完全满足实用化的要求。在在这这个个期期间间，1976年年日日本本电电报报电电话话（NTT）公公司司研研制制成成功功发发射射波波长长为为1.31m的的铟铟镓

10、镓砷砷磷磷(InGaAsP)激激光光器器，1979年年美美国国电电报报电电话话(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功发发射射波波长为长为1.55 m的连续振荡半导体激光器。的连续振荡半导体激光器。1976 年年，美美国国在在亚亚特特兰兰大大进进行行了了世世界界上上第第一一个个实实用用光光纤纤通通信信系系统统的的现现场场试试验验，系系统统采采用用GaAlAs激激光光器器作作光光源源，多多模模光光纤纤作作传传输输介介质质，速速率率为为44.7Mb/s，传传输输距距离离约约10km。1980 年年，美美国国标标准准化化FT3光光纤纤通通信信系系统统投投入入商商业业应

11、应用用，系系统统采采用用渐渐变变型型多多模模光光纤纤，速速率率为为44.7 Mb/s。美美国国很很快快敷敷设设了了东东西西干干线线和和南南北干线，穿越北干线，穿越22个州个州 光缆总长达光缆总长达5104 km。1976 年年和和 1978 年年，日日本本先先后后进进行行了了速速率率为为34Mb/s，传传输输距距离离为为64km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100Mb/s的的渐渐变变型型多多模模光光纤纤通通信信系系统统的的试试验验。1983年年敷敷设设了了纵纵贯贯日日本本南南北北的的光光缆缆长长途途干干线线，全全长长3400 km，初初期期传传输输速速率率

12、为为400 Mb/s，后来扩容到后来扩容到1.6 Gb/s。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-8海海底底光光缆缆通通信信系系统统于于1988年年建建成成，全全长长6400km；第第一一条条横横跨跨太太平平洋洋 TPC-3/HAW-4海海底底光光缆缆通通信信系系统统于于1989年年建建成成，全全长长13200km。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，促进了全球通信网的发展。促进了全球通信网的发展。我国九五期间投资我国九五期间投资 9292年李鹏总理召集计委、邮电、电子、电力等部委开通信年李鹏总

13、理召集计委、邮电、电子、电力等部委开通信协调会。九五期间投入光缆干线：八纵、八横、光通信系统。协调会。九五期间投入光缆干线：八纵、八横、光通信系统。光缆设备：国内一级干线以进口为主，二级以国产为主。光缆设备：国内一级干线以进口为主，二级以国产为主。目前国内目前国内光缆生产厂家光缆生产厂家上百家：长飞、西古、飞利浦合资、上百家：长飞、西古、飞利浦合资、成都电缆厂、电子部八所等；成都电缆厂、电子部八所等；光器件生产厂家：光器件生产厂家：武邮、电子部武邮、电子部4141、3434所等；所等；系统研制单位：系统研制单位：五大程控交换生产厂家：如深圳华为五大程控交换生产厂家：如深圳华为2.52.5万人，

14、中兴、西安大唐、北京巨龙、上海贝尔等。万人，中兴、西安大唐、北京巨龙、上海贝尔等。上海电子部上海电子部2323所，桂林所，桂林4343所。所。世界成缆光纤市场销售量世界成缆光纤市场销售量年份年份 1994 1995199619971998199920002001光纤销售光纤销售总长度总长度/104 km 181023002900347040704730558065703、国内外光纤通信发展的现状、国内外光纤通信发展的现状世界市场单模光纤平均价格世界市场单模光纤平均价格年份年份 1994 1995199619971998199920002001价格价格/($km-1)68677269605246

15、44世界成缆单模光纤市场销售量世界成缆单模光纤市场销售量 年份年份 199819992000200120022003价格光纤销售总长价格光纤销售总长度度/104 km 4110460053506230720081104、光纤通信的优点、光纤通信的优点（1）传输频带很宽，传输容量大；传输频带很宽，传输容量大；现现行行电电缆缆通通信信工工作作频频率率为为105Hz108Hz，微微波波通通信信工工作作频频率率在在109Hz左左右右，光光纤纤通通信信的的工工作作频频率率（光光波波载载频频）在在1014Hz左左右右。因因此此光光纤纤通通信信的的带带宽宽与与通通信信容容量量比比微微波波通通信信提提高高了了

16、10万万倍，而比同轴电缆通信提高了倍，而比同轴电缆通信提高了100万倍。万倍。采采用用多多种种复复用用技技术术可可以以使使线线路路传传输输容容量量成成百百倍倍地地增增加加。就就单单根根光光纤纤而而言言，采采用用波波分分复复用用(WDM)或或光光频频分分复复用用(OFDM)是是增加光纤通信系统传输容量最有效的方法。增加光纤通信系统传输容量最有效的方法。另另一一方方面面，减减小小光光源源谱谱线线宽宽度度和和采采用用外外调调制制方方式式，也也是是增加传输容量的有效方法。增加传输容量的有效方法。光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较通信手段通信手段 传输容量传输容

17、量(话路话路)/条条 中继距离中继距离/km 1000 km内中继器个内中继器个数数 微波无线电微波无线电 960 5020小同轴电缆小同轴电缆 9604250中同轴电缆中同轴电缆180061600光缆光缆 19203033光缆光缆 14000(1Gb/s)8411光缆光缆 6000(445MB/S)1347（3）重量轻、）重量轻、体积小；体积小；通通信信设设备备的的重重量量和和体体积积对对许许多多领领域域特特别别是是军军事事、航航空空和和宇宙飞船等方面的应用，具有特别重要的意义。宇宙飞船等方面的应用，具有特别重要的意义。光光纤纤重重量量轻轻，直直径径很很小小。即即使使做做成成光光缆缆，在在芯

18、芯数数相相同同的的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。在在飞飞机机上上用用光光纤纤代代替替电电缆缆，不不仅仅降降低低了了通通信信设设备备的的成成本本，而而且且降降低低了了飞飞机机的的制制造造成成本本。例例如如，在在美美国国A7飞飞机机上上，用用光光纤纤通通信信代代替替电电缆缆通通信信，使使飞飞机机重重量量减减轻轻27磅磅(约约12.247 kg)，相当于飞机制造成本减少相当于飞机制造成本减少27万美元。万美元。（2）损耗小，中继距离很长且误码率很小；）损耗小，中继距离很长且误码率很小；光缆和电缆的重量和截面积比较光缆和电缆的重量和截面积比

19、较项目项目 8 芯芯 18 芯芯 光缆光缆 电缆电缆 光缆光缆 电缆电缆 重量重量/(kgm-1)重量比重量比 0.42 16.3150.4211126直径直径/mm 截面积比截面积比 211475211659.6 此此外外，利利用用光光缆缆体体积积小小的的特特点点，在在市市话话中中继继线线中中成成功功地地解决了地下管道拥挤问题。解决了地下管道拥挤问题。光光纤纤由由电电绝绝缘缘的的石石英英材材料料制制成成，光光纤纤通通信信线线路路不不受受各各种种电电磁磁场场的的干干扰扰和和闪闪电电雷雷击击的的损损坏坏。无无金金属属光光缆缆非非常常适适合合于于存存在在强强电电磁磁场场干干扰扰的的高高压压电电力力

20、线线路路周周围围和和油油田田、煤煤矿矿等等易易燃燃易易爆环境中使用。爆环境中使用。（4）抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 在在光光纤纤中中传传输输的的光光泄泄漏漏非非常常微微弱弱，即即使使在在弯弯曲曲地地段段也也无无法法窃窃听听。没没有有专专用用的的特特殊殊工工具具，光光纤纤不不能能分分接接，因因此此信信息息在在光光纤纤中中传传输输非非常常安安全全。保保密密性性能能好好的的这这一一特特点点，对对军军事事、政政治和经济都有重要的意义。治和经济都有重要的意义。（5）泄漏小，泄漏小，保密性能好保密性能好（6）节约金属材料，）节约金属材料，有利于资源合理使用有利于资源合理使用 制制造造同同轴轴电电缆缆

21、和和波波导导管管的的铜铜、铝铝、铅铅等等金金属属材材料料，在在地地球球上上的的储储存存量量是是有有限限的的；而而制制造造光光纤纤的的石石英英(SiO2)在在地地球球上上基基本本上上是是取取之之不不尽尽的的材材料料。制制造造8km管管中中同同轴轴电电缆缆，1km需需要要120 kg铜铜和和500 kg铝铝；而而制制造造8 km光光纤纤只只需需320g石石英英。所所以以，推推广广光纤通信，有利于地球资源的合理使用。光纤通信，有利于地球资源的合理使用。总总之之，光光纤纤通通信信不不仅仅在在技技术术上上具具有有很很大大的的优优越越性性，而而且且在在经经济济上上具具有有巨巨大大的的竞竞争争能能力力，因因

22、此此其其在在信信息息社社会会中中将将发发挥挥越越来来越重要的作用。越重要的作用。1、光波分复用原理光波分复用原理 光光波波分分复复用用(WDM：Wavelength Division Multiplexing)技技术术是是在在一一根根光光纤纤中中同同时时传传输输多多个个波波长长光光信信号号的的一一项项技技术术。其其基基本本原原理理是是在在发发送送端端将将不不同同波波长长的的光光信信号号组组合合起起来来(复复用用)，并并耦耦合合到到光光缆缆线线路路上上的的同同一一根根光光纤纤中中进进行行传传输输，在在接接收收端端又又将将组组合合波波长长的的光光信信号号分分开开(解解复复用用)，并并作作进进一一步

23、步处处理理，恢恢复复出出原原信信号号后后送送入入不不同同的的终终端端，因因此此将将此此项项技技术术称称为为光光波波长长分分割割复复用用，简简称光波分复用技术。称光波分复用技术。光纤通信新技术（光纤通信新技术（DWDM）目目前前国国际际上上已已商商用用的的系系统统有有42.5 Gb/s(10Gb/s),82.5 Gb/s(20Gb/s),162.5 Gb/s(40Gb/s),402.5 Gb/s(100Gb/s),3210 Gb/s(320Gb/s),4010 Gb/s(400 Gb/s)。实实验验室室已已实实现现了了8240 Gb/s(3.28 Tb/s)的速率，传输距离达的速率，传输距离达3

24、00 km。OFC2000(Optical Fiber Communication Conference)提提供的情况有：供的情况有：Bell Labs:82路路40 Gb/s=3.28 Tb/s在在300km的的光光纤纤(即即G.655光光纤纤)上上，利利用用C和和L两两个个波波带带联联合合传传输输（注注：C波波带带为为15251565 nm，L波带为波带为15701620 nm）；）；日日本本NEC:16020 Gb/s=3.2 Tb/s，利利用用归归零零信信号号沿沿色色散散平平坦坦光光纤纤，经经过过增增益益宽宽度度为为64 nm的的光光纤纤放放大大器器，传传输输距距离离达达1500 km

25、;日日本本富富士士通通(Fujitsu):128路路10.66 Gb/s，经经过过C和和L波波带带，用用 分分 布布 喇喇 曼曼 放放 大大 器器(DRA:Distributed Raman Amplification),传输距离达传输距离达6140 km=840 km;日日本本NTT：30路路42.7 Gb/s，经经过过增增益益宽宽度度为为50 nm的的光纤放大器，传输距离达光纤放大器，传输距离达3125 km376 km;美美国国Lucent:100路路10Gb/s=1 Tb/s，各各路路波波长长的的间间隔隔缩缩小小到到25 GHz,利利用用L波波带带，沿沿NZDF光光纤纤(G.655光光纤纤)传传输输400 km;美美国国Qtera 和和Qwest:两两个个波波带带4路路10 Gb/s和和2路路10 Gb/s沿沿NZDF光光纤纤传传输输23105 km=2415 km,这这个个试试验验虽虽然然WDM路数不多，但在陆地光缆中却是最长距离。路数不多，但在陆地光缆中却是最长距离。