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计算机网络讨论课光通信报告

光通信基本教程

光纤和光缆

2017年3月

概述

所谓光通信就是利用光波载送信息的通信。

在载波技术方面，电磁波的通信已广泛应用于广播、电视等领域，本世纪末，随着数字技术的进步，出现了移动通信等数字无线电波技术。

在另一方面，光波作为一种波长很短的无线电波，同样也得到技术突破，目前已成为新一代的有线通信载波。

光通信技术的进步，推动了整个信息产业的飞速发展。

●光纤发展概况

1.1960年，梅曼（T.H.Maiman）发明了红宝石激光器。

美国林肯实验室首先研制出利用氦氖激光器通过大气传输彩色电视。

2.早期，为了避免大气对光传输的干扰，研制了透镜光波导的技术，利用管子进行光传输，在一定距离上设置聚焦透镜，汇聚散射光和诱导光转折，但振动和温度又严重影响了光传输。

这种思想，被后来采用直至成功研制成光导纤维。

3.1966年，实验证明利用玻璃可以制作光导纤维。

4.1970年科学家们研制出了衰减为20dB/km的光纤。

其中利用介质全反射原理导光的石英光纤被广泛采用。

石英光纤衰减小，性能高，强度大，见图1-1。

图1-1光纤导光原理

5.要实现长距离的光纤通信，必须减少光纤的衰减。

20世纪七、八十年代长距离光纤通信正在快速的发展中。

6.多模光纤较单模光纤较早应用。

80年代，单模光纤研制成功，带宽增大到10KHz/km，这一成就使大容量光通信成为可能，后来经过不断发展，光纤通信实现长距离超大容量传输。

7.发展了发光二极管（LED），LED寿命长，价格低，但谱线宽，速率低，功率笑，属于非相干光源

8.光检测器是光接收的主要器件，用于将光信号转变为电信号。

主要有用于短波长的Si-PIN管和Si-APD雪崩光电二极管以及适用于长波长的InGaAs/InP的PIN管和APD管，还有Ge-APD管。

9.由于工程上的需要，各式各样的光无源器件和光仪表也相应出现。

●光纤通信现状

在光通信的发展过程中，逐渐发现并利用激光器和多模光纤，当光纤机械振动则接收的

光信号随机起伏，出现所谓“模式噪声”，因此，用单模光纤的传输介质和激光器光源成为光纤通信的基本方式。

目前，全世界广泛应用光纤通信网络，光纤用量超过2000万km，建成了横跨太平洋、大西洋的海底光缆线路，见图1-2。

现在，国内已广泛使用光纤通信，至今已敷设近60000km光缆，如图1-3所示。

我国现已有了一定规模的光纤通信产业并且能生产少数国家才能生产的长波长激光器、PIN-FET和nGaAs/InP-PAD组件，寿命可达200000小时，满足商用要求。

随着SDH技术的发展，又相继推出了155Mbit/s、622Mbit/s甚至2.4Gbit/s的超高速系统，如“巨大中华”等民族企业。

随着接入网络（AN）技术的成熟，我国光纤通信技术将会更快速地发展。

●未来光纤接入网络

图1-4未来光纤接入网络

到90年代，通信技术高速发展，移动通信，卫星传输和光纤通信，将通信演变为高速、大容量、数字化和综合的多媒体业务。

在ITU-T的推动下，光纤通信的各种标准纷纷制定，如PDH、SDH、DWDM、AN和B-ISDN等。

因此，美国首先提出建立国家信息高速公路的构想：

国家信息基础建设（NII），之后各国纷纷制定计划，并推出全球的信息技术建设计划（GII）。

70年代，光纤网络主要用于市内等大容量业务区，80年代向市外长途干线发展，到90年代逐步向用户方向延伸，即所谓光纤道路边（FTTC）、光纤到大楼（FTTB）直到光纤到家庭（FTTH）。

目前也有采用电缆到家庭的经济方式，但也可实现光纤到公寓（FTTA），见图1-4。

FTTA、B、C构成未来的光纤接入网络，用户可以采用BRI（2B+D）的ISDN设备实现电话、传真、数据和计算机等通信，利用PRI（30B+D）的B-ISDN设备则可以完成除Hi-Fi和TV外的所有业务包含在内，预计到2020年，交换中心局到远端模块带宽达到2.4Gbit/s，远端模块带宽到用户间带宽达到622Mbit/s后，电视信号由MPEG-1的34Mbit/s压缩到20Mbit/s（MPEG-2），声音由64Kbit/s压缩到16Kbit/s。

这样，通信、计算机、广播电视和其它光通信将构成统一的4C网络（Communication，Computer，Consumer&Component）。

●光纤通信的优点

1.通信容量大

2.传输距离远

3.适应能力强

4.光纤重量轻、体积小

5.安全性高

6.原材料丰富

光纤通信原理

光纤通信系统如图2-1所示，电端机（交换机）将来自信号源的信号进行模/数转换、多路复用等处理（1.44Mbit/s或2Mbit/s，34Mbit/S和140Mbit/s等）送给发光端机，变成光信号，并按SDH的格式输入光纤，收光端机通过光检测器还原成电信号，放大、整形、恢复后输入到电端机（交换机或远端模块），完成通信。

光端机间的传输距离在长波长达到100公里，超过距离则用中继器将光纤衰减和畸变后的弱光信号再生成，继续向前传输。

将来，掺饵光发大器可实现全光中继。

光纤通信可采用模拟和数字调制，由于激光器的线性不够理想，不能像电气中载波模拟调制和多路复用，只能用于模拟电视信号的多路复用，如光付载波调制技术。

未来，包括电视在内的光纤通信将都是数字式的。

在光端机中，对电信号有两种光调制方法：

其一是在光源如激光器上调制，产生随电信号变化的光信号，此为直接调制。

其二为外调制，利用电光晶体调制器在光源外部调制，调制速率高。

所有的调制速率可达10~20Gbit/s，远远低于光纤的传输带宽（20000Gbit/s）。

要充分发挥光纤的超大容量的通信传输能力，必须采用光频复用的光纤通信系统，光频复用（FDM）又称光波复用（WDM），就是在光纤中同时采用许多不同波长的光进行传输，光频复用技术可在光纤中开发出100~200个光频道，每个频道可容纳10~20Gbit/s的信息容量，目前以朗讯（LUCENT）为首的通信企业已成功开发了WDM产品，预计下一个世纪，随着通信需求的越来越大，WDM通信技术将会广泛应用。

●光波

光波与通信用的无线电磁波一样，也是一种电波，光波的波长很短，或者说频率很高，达到1013～1014Hz，一般无线电磁波可用作广播电台、电视、移动通信的信号传输，光波也可以，而且是大容量、高速度、数字化和综合业务的通信传输，所不同的是：

一般无线电波通过空气传输，而通信用光波是通过光纤（OpticFiber）来实现的。

是一种有线传输。

如图2-2所示光波在电磁波谱中的位置，可见光的波长在0.39μm到0.76μm，包括红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，混合而成白光。

红光的波长长。

图2-2光波波谱

比红光波长更长的光，即波长大于0.76μm，是不可见的红外光，在0.76μm~15μm的光波称为近红外波，在15μm~25μm称为中红外波，在25μm~300μm称为远红外波。

比紫光波长更短的波为不可见的紫外光，紫外光的范围0.39μm~0.006μm，紫外光、可见光和红外光统称光波。

利用大气传送的光源如氦氖激光器波长为0.6328μm，是可见的红外光；另一种CO2激光器波长为10.6μm，为不可见近红外光。

当今通信用传输介质——石英光纤的低衰减“窗口”为0.6μm~1.6μm的波段范围，是属于可见红外光与不可见近红外光波段上。

1、光波速度

光波与电磁波在真空中的传输速度为c=3×105km/s。

光在均匀介质中直线传播，速度与介质的折射率成反比，即：

式中，n为介质光折射率，c为真空中的光速。

以真空的光折射率为1，其它介质的折射率大于1，因此传输速度比真空中小。

其中空气的折射率近视为1，而石英光纤的折射率为1.458，则光波速度为v=2×105km/s。

光波的波长（λ）、频率（f）和速度之间的关系为：

或

图2-3光的反射和折射

2、光波的折射与反射

光在同一均匀介质中是直线传播的，但在两种不同的介质的交界处会发生反射和折射现象，如图2-3所示。

设MM’为空气与玻璃的界面，NN’为界面的法线，空气折射率n1＜玻璃折射率n2。

当入射光到MM’与NN’的交接处O点时，发生一部分光反射回空气，另一部分光折射到玻璃中。

反射定律：

∠’1=∠1；

折射定律：

假设光在空气和玻璃中的速度分别为v1和v2，则根据波动理论可知：

因此，可推导出：

由此，对折射率较小的物质称为光疏介质，反之为光密介质。

2、光波的全反射

图2-4光的全反射

光从折射率大的介质到折射率小的介质时，根据折射理论，折射角大于入射角，并随入射角增大而增大，当入射角增大到临界角0时，折射角∠2=90，如图2-4，这时光以1角全反射回去，从能量角度看，折射光能量越来越小，反射光能量逐渐增大，直到折射光消失。

这种情况下：

即：

3、光在阶跃型光纤中的传播

如图2-5，纤芯的折射率n1＞包层的折射率n2，其折射率分布的数学式如下：

光线①以光纤的轴心线平行射入，则直线向前传播。

若光线以光纤端面入射角θ进入光纤，则在包层产生包层界面入射角。

因为n1＞n2，包层界面入射角的临界角M，与临界端面入射角θa的关系为：

当θ≥θa时，则＜M（如图中光线②），光线有一部分射到包层；

当θ≤θa时，则≥M（如图中光线③），光现在纤芯和包层的界面不断全反射，在允许的弯曲程度内，只要光纤是圆柱体，光就能在光纤中转弯，产生亿万次以上的全反射（与光纤的长度、直径有关）。

光纤端面的数值孔径：

光纤端面的临界角θa称为光纤的孔径角。

可知2θa大小为光纤可接收光的角度范围，实际上为圆锥角，因此，θa越大，可接收的光越多，光纤与光源的耦合越方便。

设M为光纤芯与包层的临界角，则有：

设光由折射率为n0的空气射入的，令n0=1，则有：

由上式得：

用n0=1和临界角公式代入得：

由于n1和n2相差很小，所以n1+n2≈2n1+，并定义Δ=为相对折射率差，则有：

其中，N.A（NumericalAperture）为数值孔径，当Δ越大，孔径角也越大。

但实际上大的数值孔径会在传输中激起高次模式，使传输带宽变窄，一般多模光纤Δ=1%，M=0.14rad≈8,当n1≈1.5时，则N.A=0.21。

2、光在聚焦型光纤中的传播

聚焦型光纤又称折射率分布渐变型光纤，光纤折射率分布如图2-6所示，数学表示如下：

上式中当a=2时：

聚焦型光纤的折射率，从轴心沿半径方向以平方律抛物线形状连续下降，轴心线上最大，边缘最小，因此光传播时，速度不一样，轴心线上最慢，如上图，平行入射的光，一般形成近似于正弦曲线的传播途径，其中1、2、3等点为自聚焦点，各平行光线同时到达。

这意味着光纤具有很宽的传输带宽，可以传送图像，此外，聚焦型光纤没有全反射损耗。

自聚焦型光纤的折射率实现平方律抛物线分布很难，如图2-7所示，一般采用梯度型分布曲线，称梯度型光纤，利用这种技术可制造多模梯度型光纤，其数值孔径如下：

其中：

n（0）为纤芯中心折射率，n（a）为芯层边缘的折射率

●光纤种类

光纤由折射率较高的纤芯（core）和折射率较低的包层（cladding）组成，在包层外面加上塑料护套，如图2-8所示。

光纤按材料分为：

1、石英光纤：

石英玻璃（SiO2）；

2、多种组份玻璃光纤；

3、液芯光纤：

细管内采用传光液体；

4、塑料光纤：

塑料为材料的传光传图像光纤；

5、高强度光纤：

以石英为纤芯和包层，外涂炭素材料。

按折射率分布分：

1、突变型光纤；

2、渐变型光纤；

3、W型光纤等。

按光纤内部能传输的电磁场的总模数（可激励的总模数）分：

1、单模光纤；

2、多模光纤。

按工作波长分：

1、1μm以下的短波长光纤（0.85μm）；

2、1μm以上的长波长光纤（第一长波长：

1.30μm，第二长波长1.55μm和第三长波长1.62μm）。

当今用于通信的光纤，一般为石英光纤，外径为125μm，传输带宽极宽，通信容量巨大。

材料纯度达到99.999999%，折射率分布十分精确，这样光纤的传输带宽才能达到10KHz/km~100KHz/km以上，以实现大容量通信。

一般以康宁光纤的标准：

1、0.85μm光纤传输率耗：

0.5dB/km；

2、1.30μm光纤传输率耗：

0.38dB/km；

3、1.31μm光纤传输率耗：

0.35dB/km；

4、1.55μm光纤传输率耗：

0.25dB/km；

5、1.625μm光纤传输率耗：

0.25dB/km。

●光纤衰减

光纤传输中会产生衰减（率耗或损耗），公式如下：

其中P出P入为输入和输出端的光功率。

光纤的衰减来源主要分为：

1、材料吸收衰减

吸收衰减是光纤材料中的某些粒子吸收光能而产生振动，并以热的形式而散失掉。

原因是材料中存在不需要的杂质离子，特别是过渡金属离子通（Cu2+）、铁（Fe2+）、铬（Cr3+）、钴（Co2+）、锰（Mn2+）、镍（Ni2+）、钒（V）等和氢氧根负离子（OH-，又称氢基）。

其中，金属离子的吸收波峰（吸收带）在0.5μm~1.1μm处，氢氧根负离子的基波吸收波峰在2.73μm，二次谐波吸收波峰在1.38μm处，三次谐波吸收波峰在0.95μm。

材料吸收的衰减要最低，必须对原材料严格化学提纯，金属离子含量降到ppb级，氢氧化合物的杂质含量在1ppm以下。

材料的本征吸收是固有的，紫外吸收的波长在0.39μm以下，红外吸收的波长范围在1.8μm以上。

2、光纤的散射衰减

散射就是在光纤中传输遇到不均匀或不连续的情况时，会有一部分光散射到各个方向上去，不能到传输终点，从而造成散射衰减。

1材料散射

制造中造成的缺陷如，气泡杂志、不溶解粒子及折晶等，引起材料散射。

其次，材料密度的不均匀造成折射率不均匀，引起瑞利散射，瑞利散射与波长有关，与光波的长的4次方（λ4）成反比，波长越长，散射衰减越小，因此，长波长（1.1μm~1.65μm）的衰减小于短波长（0.6μm~0.9μm）的衰减。

降低材料散射衰减的办法是在熔炼光纤预制棒和拉丝时，要选择合适的工艺，清洁的环境。

2光纤波导结构的不完善引起的散射

㈠光波导散射：

光纤粗细不均匀，截面形状改变，导致光传输时一部分能量辐射出去。

要求拉丝工艺保证质量，借助热状态下的玻璃表面张力，控制光纤截面的均匀。

㈡包层与纤芯间的界面凹凸不平滑引起的衰减

光遇到不平滑的包层界面，一部分光透过包层出去，引起光的衰减，还引起模式变换。

总之，光纤衰减除了材料吸收和材料散射外，其它由工艺技术造成，衰减很大时（＞10dB/km），属于材料吸收为主，而通信中的衰减主要来自波导散射和材料散射。

如图2-9所示，光衰减与波长有关，从曲线可知，石英光纤由三个衰减区（又称作低率耗“窗口”），第一衰减区为0.6μm~0.9μm，为短波长低率耗区。

第二和第三衰减区分别为1.0μm~1.35μm和1.45μm~1.8μm，为长波长低衰耗区。

3、光纤弯曲衰减、微弯衰减和接头衰减

㈠弯曲衰减：

光纤可弯曲，如果曲率半径过小，光就会从包层泄漏，因此在光纤制成缆、现场铺设（管道转弯）、光缆接头盒等场合可能出现弯曲衰减，描述为：

其中，R为弯曲半径，A、B与光纤参数（纤芯半径a，光纤外径2b，相对折射率差Δ）有关的待定常数。

㈡微弯衰减

微弯是随机的，其曲率半径与光纤横截面尺寸相比拟的畸变。

常发生在套塑、成蓝、周围温度变化。

微弯衰减是光纤随机畸变的高次模与辐射模之间的耦合模所引起的光功率损耗。

大小表示为：

其中：

N是随机微弯的个数；h是微弯凸起的高度；〈〉表示统计平均符号；E是涂层料的杨氏模量；Ef是光纤的杨氏模量；a为纤芯半径；b为光纤外半径；Δ微光纤的相对折射率差。

㈢接头衰减

光通信中两个中继站之间的长光纤，是由许许多多的短光纤连接起来的（一般每2km一段），采用熔接（≤0.05dB）或冷接（≤0.1dB）的技术，因此存在接头损耗，一般的熔接要求两根光纤的轴心偏移不超过10%。

光纤的连接

光通信系统的构成，除了光源和光检测器件外，还有一些不用电源的光通路元器件——无源光器件。

在安装任何光纤通信系统时，必须考虑以低损耗的方式把光纤连接起来，要求尽量减少在连接的地方出现的光的反射。

光纤的连接有永久性和活动性两种，永久性连接的称固定街头，使用熔接或冷接；活动接头为或接头，用砝琅盘活动连接器。

光纤作为光波导遇到不连续点就产生损耗或反射，无论是固定接头或活动街头，都是特定的不连续点。

对于固定接头，光波将产生较大的瑞利散射，对于活动接头，则是更大的菲涅尔反射。

●光纤的连接概述

光纤的连接可分为：

光缆

光纤虽然具有一定的抗拉强度，但是经不起实用场合的弯曲、扭曲和侧压力的作用。

因此，必须象通信用的铜缆一样，借用传统的矫合、套塑、金属带铠装等成缆工艺，并在缆芯中放置强度元件材料，制成不同环境下使用的多品种光缆，使之能适应工程要求的敷设条件，承受实用条件下的抗拉、抗冲击、抗弯、抗扭曲等机械性能，以保证光纤原有的好的传输性能不变。

光缆性能的好坏在很大程度上决定于光纤性能的好坏，因此，首先光纤必须符合ITU-T规定的技术指标要求。

光纤在成缆绞合、铠装、敷设安装和气候环境温度变化的情况下会引起衰耗的增加，因此在低温收缩时会使光纤的微弯增大，为了避免上述有害的现象，在生产中采用紧套光纤、松套光纤结构。

同时光纤必须能够承受足够的拉力，纯净光纤本身的拉力极大，达到2000kg/mm2，但是由于杂质、旗袍、微粒等原因，拉丝的平均强度只有10-30kg/mm2，换算成125m的标准通信光纤的断裂强度为4.89kg。

但目前国内外厂家的光纤平均抗拉强度在600-800g左右。

●光缆的种类和结构

根据我国光缆生产的实际情况和各地区使用条件的不同，光缆品种可按照下表分类，使用温度范围可分为所示四级。

1层绞式光缆

层绞式光缆一般由松套光纤以制电缆的方式构成的光缆，这种结构在全世界应用广泛，是早期光通信常用的光缆。

如图3-5所示6芯松套层绞式光缆。

2骨架式光缆

如图3-6所是骨架式光缆。

3束管式光缆

对光纤的保护来说，束管式结构光缆最合理。

4带状光缆

带状光缆可容纳大量光纤，如图美国BELL制造的144芯带状光缆，12根带状单元迭成一个矩形，并以一定的节距扭绞成缆，使光缆具有较好的弯曲性能。

未来光纤用户网络将大量采用带状光缆。