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光纤通信期末论文
江南大学
光纤通信期末论文
专业信息：
应用物理
班级：
物理0901
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学号：
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成绩：
提交日期：
2012.5.19
光纤通信的基础理论
摘要：
光纤通信系统主要由光源、光调制器、光纤线路、光解调器、光检测器组成，信道复用主要包括频分复用、时分复用，码分复用、光波分复用，光通道网络的管理与控制在光纤通信系统中扮演重要角色，它确保信号能准确无误地传递，以及出错控制、维修。
关键词：
光调制器光解调器信道复用光通道网络管理与控制
引言：
1966年，美籍华人高锟（C.K.Kao）和霍克哈姆（C.A.Hockham）发表论文，预见了低损耗的光纤能够用于通信，敲开了光纤通信的大门，引起了人们的重视。
1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20dB/km的光纤，光纤通信时代由此开始。
光纤通信是以很高频率（1014Hz数量级）的光波作为载波、以光纤作为传输介质的通信。
由于光纤通信具有损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点，备受业内人士青睐，发展非常迅速。
光纤通信系统的传输容量从1980年到2000年增加了近1万倍，传输速度在过去的10年中大约提高了100倍。
正文：
光自身固有的优点注定了它在人类历史上充当不可忽略的角色，随着人类技术的发展，其应用越来越广泛，优点也越来越突出。
光纤通信是将要传送的图像、数据等信号调制到光载波上，以光纤作为传输媒介的通信方式。
作为载波的光波频率比电波频率高得多，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。
光纤是由单根玻璃光纤、紧靠纤心的包层、一次涂履层以及套塑保护层组成。
纤芯和包层由两种光学性能不同的介质构成，内部的介质对光的折射率比环绕它的介质的折射率高，因此当光从折射率高的一侧射入折射率低的一侧时，只要入射角度大于一个临界值，就会发生反射现象，能量将不受损失。
这时包在外围的覆盖层就象不透明的物质一样，防止了光线在穿插过程中从表面逸出。
一：
光纤传输系统的基本组成：
1.光纤的分类：
突变折射率型多模光纤（SIF）：
纤芯直径＝50～60μm，光线以折射形状沿纤芯轴线方向传播，存在多条路径，并有较大的时延差，因而信号畸变大。
渐变折射率型多模光纤（GIF）：
纤芯直径＝50μm，光线以曲线形状沿纤芯轴线方向传播，各条路径时延差较小，因而信号畸变较小。
单模光纤（SMF）：
纤芯很细，直径约10μm，光线以直线形状沿纤芯轴线方向传播，只有一种传播模式，信号畸变很小。
实用光纤标准：
G.651：
GIF型光纤，适用于中小容量和中短距离；
G.652：
常规单模光纤，第一代SMF，在波长1.31μm处色散为零，传输距离只受损耗限制，适用于大容量传输；
G.653：
色散移位光纤，第二代SMF，在波长1.55μm色散为零，损耗小，适用于大容量长距离传输
G.654：
1.55μm损耗最小的SMF，1.31μm处色散为零；
G.655：
非零色散光纤，是新一代的SMF，适用于波分复用系统，提供更大的传输容量。
单模光纤的特性：
G.652光纤：
最成熟的单模光纤，但未把最小的衰减与最小的色散有效的结合在一起。
G.653光纤：
过渡性的单模光纤，把零色散点移到了衰减最小的波长。
G.654光纤：
过渡性的单模光纤，通过对光纤的截止波长进行位移而获得极低的衰减。
G.655光纤：
一种新型的单模光纤，把最小的衰减与小的色散结合在一起。
G652光纤的分类、特点与应用：
G.652A：
支持G.957规定的SDH传输系统，G.691规定的带光放大的单通过路STM-16（2.5Gbit/s）的SDH传输系统，G.693规定的40km的10Gbit/s以太网系统及STM-256
G.652B：
主要支持更高速率，例如G.691和G.692传输系统中直到STM-64（10Gbit/s），在G.693和G.959.1中对于STM-256的某些应用
G.652C（低水峰光纤）：
与G.652A光纤属性类似，允许使用在1360~1530nm扩展波长范围
G.652D：
与G.652B光纤属性类似，允许使用在1360~1530nm扩展波长范围
2.光源：
1.发光二极管（LED）：
自发辐射，输出光功率小，谱宽，稳定，长寿命（107），价低，适用于小容量、短距离传输系统。
2.激光二极管（LD）：
受激辐射，输出光功率大，谱窄，波长稳定，长寿命（105至106），价高，适用于大容量、长距离传输系统。
3.光调制器：
目前采用强度调制（由于光源频谱不纯，尚未实现相干光通信）；分内调制和外调制，对于数字调制，用光脉冲的有无代表数字信息（0和1）。
4.光检测器：
光信号经过光纤传输到达接收端后，在接收端有一个接收光信号的元件。
但是由于目前我们对光的认识还没有达到对电的认识的程度，所以我们并不能通过对光信号的直接还原而获得原来的信号。
在他们之间还存在着一个将光信号转变成电信号，然后再由电子线路进行放大的过程，最后再还原成原来的信号。
这一接收转换元件称作光检测器，或者光电检测器，简称检测器，又叫光电检波器或者光电二极管。
光检测器包括：
光电倍增管、热电探测器、光电二极管
常见的半导体光检测器包括：
PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。
光纤通信系统要求光检测器：
（1）灵敏度高：
灵敏度高表示检测器把光功率转变为电流的效率高。
在实际的光接收机中，光纤传来的信号及其微弱，有时只有1nw左右。
为了得到较大的信号电流，人们希望灵敏度尽可能的高。
（2）响应速度快：
指射入光信号后，马上就有电信号输出；光信号一停，电信号也停止输出，不要延迟。
这样才能重现入射信号。
实际上电信号完全不延迟是不可能的，但是应该限制在一个范围之内。
随着光纤通信系统的传输速率的不断提高，超高速的传输对光电检测器的响应速度的要求越来越高，对其制造技术提出了更高的要求。
（3）噪声小：
为了提高光纤传输系统的性能，要求系统的各个组成部分的噪声要求足够小。
但是对于光电检测器要求特别严格，因为它是在极其微弱的信号条件下工作，又处于光接收机的最前端，如果在光电变换过程中引入的噪声过大，则会使信号噪声比降低，影响重现原来的信号。
（4）稳定可靠：
要求检测器的主要性能尽可能不受或者少受外界温度变化和环境变化的影响，以提高系统的稳定性和可靠性。
5.光纤制造
图1
图2
图1改进的化学气相沉积法（MCVD）图2等离子激活化学气相沉积法（PCVD）
图3管外气相沉积法（OVD）图4轴向气相沉积法（VAD）
二：
光波分复用：
1.信道复用技术：
信道复用：
在同一信道上同时传输N路或N个用户的信息（N>1），其基本方法是将该信道划分为N个子信道。
频分复用（FDM）：
各子信道占用不同的频带，用滤波器分路；新发展的技术有正交频分复用（OFDM）、编码正交频分复用（COFDM）。
时分复用（TDM）：
各子信道占用不同的时隙，用门分路；又有同步时分复用和异步时分复用（又称统计时分复用）之分。
码分复用（CDM）：
各子信道采用不同的相互正交的码序列，用相关器分路。
光波分复用（WDM）：
各子信道采用不同的光载波，用光滤波器分路。
2.光波分复用原理
光波分复用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的技术。
发送端复用（OMUX）：
组合不同波长的光信号并耦合到同一根光纤中。
接收端解复用（ODMX）：
分离不同波长的光信号并作进一步处理。
中继放大：
经过一定距离的传输后，要用宽带放大器对光信号进行放大；目前普遍采用掺铒光纤放大器（EDFA）。
WDM原理图
3.波分复用技术的发展概况
BWDM：
利用1.3和1.55µm附近两个低损耗窗口构成两个波长的WDM系统
DWDM：
在1.55（1.50~1.60）µm窗口，同时用8，16或更多个波长，其中各波长之间的间隔约为1.6nm，0.8nm或更小，对应于200GHz,100GHz或更窄的频率间隔，得到广泛应用（以下用WDM表示）。
DWDM＋EDFA＋G.655光纤＋光子集成，是长途光纤宽带传输的主要技术方向。
目前水平：
商用系统：
40×10Gb/s
实验室：
82×40Gb/s=3.28Tb/s
基于WDM和波长选路的光传送网已成为主要的核心网
4.WDM的特点
4.1利用多个波长并行传输，突破电子电路的速率极限，减小了光纤色散的影响，充分利用光纤的巨大带宽资源，使单根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍、几十倍甚至几百倍
4.2各波长的信道相对独立，可同时传输不同类型、不同速率的信号
4.3可降低对O/E，E/O器件要求
4.4在光域传输的透明性好
4.5高度的组网灵活性、经济性和可靠性
5.光波分复用传输系统
ITU－TDWDM标称波长
6.光波分复用器件
6.1.耦合器
功能：
组合来自不同光纤的光信号或将光信号分离到不同的光纤中
工作原理：
分光纤型、微光学机械型、波导型。
从性能和价格考虑，光纤型为最好。
把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作。
在熔接区，光纤变细，相互靠近，发生了耦合。
由于常规单模光纤中大约有20％的光是靠包层传输的，光纤变细就有更多的能量分布于芯线外，加之光纤相互靠近，于是在耦合区就发生了不同程度的耦合。
性能参数
（1）耦合比CR：
一个指定输出端的光功率Poc与全部输出端光功率总和Pot的比值，用％表示
CR＝Poc/Pot=Poc/（PO1+…+PON）
功率分路损耗Ls=－10lg（CR）dB
光纤型耦合器的耦合比与耦合区光纤芯径的大小、芯间的距离以及波长有关。
（2）附加损耗Le：
由散射、吸收和器件缺陷引起，是输入光功率总和Pit与输出光功率总和Pot的比值，用dB表示
Le=10lg（Pit/Pot）
（3）插入损耗Lt：
是一个指定输入端的光功率Pic与一个指定输出端的光功率Poc的比值，用dB表示
Lt=10lg（Pic/Poc）Lt=Ls＋Le
（4）方向性DIR（隔离度）是一个输入端的光功率Pic与由耦合器反射到其它端的光功率Pr之比，用dB表示
DIR＝10lg（Pic/Pr）
（5）均匀性Uniformity（dB）=Ltmax－Ltmin
（6）其它参数：
热稳定度、极化稳定度、工作温度范围等
6.2.滤波器
光滤波器是WDM系统中的重要器件，常用来构成波分复用器和解复用器。
主要要求：
—插入损耗小，并应该与输入光的偏振态无关；
—通带应对温度的变化不敏感，在整个工作温度范围（大约100℃）波长漂移应远小于相邻信道的波长间隔；
—为使级联滤波器的总特性满足通带要求，单个滤波器的通带特性应尽可能平直或矩形系数应尽可能接近于1。
分类：
光纤光栅型、干涉型、波导型
（1）光栅型
光栅的工作原理：
以透射光栅为例。
入射光（平面波）经缝隙产生衍射（球面波），波长λi的主波束的最大值方向满足方程dsinθi=mλi,故可分离不同的波长。
角度的分离可在影像面变成距离的分离：
yi=Ltanθi
6.3.波分复用器/解复用器
复用器/解复用器功能:
组合/分离不同波长的光信号。
有时一个器件同时完成复用和解复用功能；有时复用和解复用分别用不同的器件。
主要性能参数：
（1）信道数：
器件能复用/解复用的波长信道数，典型值是4,8,16,32,40,48
（2）中心波长（频率）
（3）信道间隔：
器件能够处理的最小信道间隔，标准值是50（0.4）,100（0.8）,200GHz（1.6nm）
（4）通带宽度：
指一个波长的带宽，通常厂家给出按损耗1,3,20dB计的带宽
（5）最大插入损耗（典型值1.5-6dB）
（6）插入损耗均匀度（<1.5dB）
（7）隔离度：
MUX要求>30dB，DEMUX可低到18dB
三：
光波网络
1.光通道网络基本结构
2.光通道网络网元连接模型
3.光传送网络的分层结构
光传送网的功能：
为透明传送SDH、PDH、ATM、IP等业务信号提供光通道。
光通道层：
负责选路和波长分配，提供端到端的连接；负责光通道的运行、维护和管理（OAM）。
光复用段层：
保证相邻两个波长复用设备间多波长复用光信号的完整传输，负责该段的OAM。
光传输段层：
为光信号在不同的媒质（如G.652,G.655光纤）上提供传输功能。
4.路由与波长分配
对于无波长变换能力的OXC构成的光网络，路由选择受到波长连续性限制，即一条光通道的各段链路必须采用相同的波长。
这样的光通道称为波长通道。
对于具有（或部分具有）波长变换能力的OXC构成的光网络，路由选择有更多的自由度。
建立的光通道称为虚波长通道。
波长选路算法（RWA），待进一步研究
5.光通道网络的管理与控制
作用：
保证光通道的透明性和可重构性，从而提高网络运行的可靠性、生存性和资源利用的有效性，使静态网络变成动态网络，能依据业务量、网络状态的变化而改变网络配置。
光的监控信道（OSC）：
在每条光纤中专设一个波长（SV）来传输管理控制信息，传输速率约2Mb/s
配置管理：
——自动搜寻网络拓扑：
网管系统（NMSorNMC）通过查询各个网元和接收来自网元的报告，确定和更新各结点的连接表
——建立光通道连接：
通过网管系统协调各网元的路由选择和交叉连接功能，建立永久、半永久连接
故障管理
对于网元，故障管理功能包括：
——监视和检测故障
——联系内部与外部故障状况
——向管理者报告故障
——构成恢复机制
对于管理者，必须：
——通过报警分析、诊断测试进行故障定位
——找到可替换的设备或光纤
——下达修复命令
存在问题：
对于光网络来说，它不支持数字信号的监视，而仅靠光信号监视来隔离故障是十分困难的，甚至是不可能的。
因此需将光层和电层的性能监视结合起来考虑。
6.光网络的生存性
光网络要实用化，必须具备如下重要性质：
（1）高速大容量：
以适应业务量不断增长的需要
（2）透明性：
尽可能不作电的处理
（3）连通性：
尽可能提高网络建立连接的能力
（4）可重构性：
当发生光缆折断或结点故障时，光网络应能为发生故障的信道重选路由，完成网络连接的重构；在用户业务量变化时，在不改变光缆铺设的情况下，应可改变网络连接关系，调整波长资源的分配，从而最大限度地利用波长资源。
（5）可扩容性：
当业务量增加时，在不中断服务的情况下，可扩展网络容量，包括增加结点数和复用的波长数。
网络的生存性主要决定于：
（1）网元设备可靠性；
（2）网络的拓扑结构；（3）网络生存性策略
WDM光网络的生存性策略：
（1）保护倒换（适用于传输线路和环形网）；
（2）利用OXC重新选路进行业务恢复（适用于网状网）
总结：
今天，人们使用光纤系统承载数字电视、语音和数字是很普通的一件事，在商用与工业领域，光纤已成为地面传输标准。
在军事和防御领域，快速传递大量信息是大范围更新换代光纤计划的原动力。
尽管光纤仍在初期发展阶段，但总有一天光控飞行控制系统会用重量轻、直径小又使用安全的光缆取代线控飞行系统。
光导纤维与卫星和其他广播媒体一起，代表着在航空电子学、机器人学、武器系统、传感器、交通运输及其他高性能环境使用条件下的商用通信和专业应用的新的世界潮流。
光纤通信将取代之前的通信系统，成为新一代通信基础，光纤通信技术的未来一片光明，我们应该抓住机遇，努力发展光纤技术，让我国的光纤通信技术领先世界潮流。
参考文献：
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