光纤通信基础知识

光纤通信基础

1. 光纤通信概论 1.1光纤通信概论

光纤通信：以光作为信息载体，利用光纤传输携带信息的光波，以达到通信之目的。

数字光纤通信系统的基本组成：光发送机﹑光接收机﹑光纤。

典型的数字光纤通信系统方框图：

数字光纤通信系统

发送端的电端机把信息（如话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件LD ，输出发出携带信息的光波。光波经光纤传输后到达接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的信息。

携带信息的光波：数字信号为"1" 时，光源器件发送一个" 传号" 光脉冲；当数字信号为"0" 时，光源器件发送一个" 空号" （不发光）。 1.2光纤通信优点 1）、通信容量大

一根光纤同时传输24万个话路，比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍。波分复用技术的采用，把一根光纤当作几根、几十根光纤使用，通信容量近乎无限。

2）、中继距离长

光纤具有极低的衰耗系数，目前商用化石英光纤已达0.19dB/km以下，配以适当的光发送与光接收设备，中继距离达数百公里以上，特别适用于长途一、

二级干线通信。

3）、保密性能好。 4）、抗干扰能力强

光波在光纤中传输时只在其芯区进行，不存在传统的电磁波辐射，因此其保密性能极好，同时也不怕外界强电磁场的干扰，抗干扰能力强。

5）、便于施工和维护

体积小、重量轻。光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空。 2光纤与光缆 2.1光纤的构造

光纤呈圆柱形是由单根玻璃纤维、紧靠纤心的包层、一次涂履层以及套塑保护层组成。

2.2光纤的导光原理

光是一种频率很高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导。 我们从几何光学的角度来简单讨论光纤的导光原理 全反射原理：

光线在均匀介质中是以直线传播的，但在两种不同介质的分界面会产生反射和折射现象，如图所示：

光的反射与折射

光的全反射现象

当n 的比值增大到一定程度，则会使折射角≥90度，此时的折射光线不再进入包层，而会在纤芯与包层的分界面上掠过，或者重返回到纤芯中进行传播，这种现象叫做光的全反射现象。

不难理解，当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。

2.3光在光纤中的传播

光在光纤中以“Z ”形轨迹传播及沿纤芯与包层的分界面掠过 2.4光纤的工作波长（工作窗口）

光线路信号在光纤上传送的波长：850nm 、1310nm 、1550nm 850nm 窗口只用于多模传输；1310nm 和1550nm 窗口用于单模传输 2.5 光通道参数：衰减、色散

光信号在光纤中传输的距离要受到色散和衰减的双重影响。 衰减使在光纤中传输的光信号随着传输距离的增加而功率下降。 1310nm 窗口每公里衰减：0.4dB/km 1550nm 窗口每公里衰减：0.25dB/km

色散：在光纤数字通信系统中，由于光纤中的信号是由不同的频率成分和不同的模式成份来携带的，这些不同的频率成份和不同的模式成份的传输速度不同，从而引起色散。色散会使在光纤中传输的数字脉冲展宽，引起码间干扰，降低信号质量。

D(ps/km·

不同光纤色散图

2.6光纤的类型

按光在光纤中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤。

单模光纤(Single Mode Fiber)：只允许传输一个模式光波的光导纤维。中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。

多模光纤(Multi Mode Fiber) ：允许同时传输多个模式光波的光导纤维。中心玻璃芯较粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM 时则只有300MB 的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。 光纤分类：

• 标准单模光纤(G.652光纤) • 零色散位移光纤(G.653光纤) • 1550 nm处最低衰减光纤(G.654光纤) • 非零色散位移光纤(G.655光纤) • 色散补偿光纤(DCF, G.65X 光纤)

G .652光纤：在1310nm 波长窗口色散性能最佳，是目前应用最广泛的光纤。 在1310nm 处，色散小，衰耗大；在1550nm 处，色散大，衰耗小；G .653光纤：

在1550nm 波长，衰耗和色散皆为最小值，可实现大容量长距离传输。

因出现四波混频效应(FWM),限制了它在WDM （波分复用）方面的应用。G .654光纤：1550nm 损耗最小光纤，主要用于长再生中继距离的海底光缆。G .655光纤：克服了G .652光纤在1550nm 处色散受限和G .653光纤在1550nm 处出现四波混频效应的缺陷，适用于WDM 系统。

光纤的三个低损耗窗口

2.7光缆简介

光缆为光纤提供可靠的机械保护，使之适应外部使用环境，并确保在敷设与使用中光缆的光纤具有可靠的传输性能。

光缆特性：光缆虽有一定的强度和抗张力，但经不起过大的侧压力与拉伸光 缆在短期内可接触水，当时间过长会增加光纤的衰耗。

光缆分类：架空光缆，直埋式光缆、铠装光缆、海底光缆、阻燃光缆等等。 2.8尾纤连接器 常见光纤连接器种类： FC ：圆头连接器 SC ，方头连接器 LC ：小方头连接器

2.9光缆的一些规范(移动线路施工规范)

• 每盘光缆两端有端别识别标志；面向光缆看，在顺时针方向上松套管序号增大时为A 端，反之为B 端；

• 人（手）孔内的光缆应挂有按照相关要求制作的标识牌（进出方向各一块）； • 局内光缆一般从局前人孔经地下进线室引至光传输设备。局内光缆应挂按相关规定制作的标识牌，以便识别。

• 光缆在光纤配线架（ODF ）成端处，将金属构件用铜芯聚氯乙烯护套电缆引出，并将其连接到保护地线上。必须有独立的光缆接地排。纤芯排列安装从下至上，从左至右。 光缆长度预留表

3 光源器件与光发送机

3.1光纤通信对光源器件的要求

发射光波长适中在0.85μm 、1.31μm 和1.55μm 附近；发射光功率足够大（指入纤光功率）；温度特性好，光源器件的发光波长与发射光功率易随温度变化，在较高温度下其性能容易劣化。发光谱宽窄谱线宽度：应小于2nm 。谱线过宽，会增大光纤色散，减少光纤的传输容量与传输距离。工作寿命长光源器件

寿命的终结是指其发光功率降低到初始值的一半或者其阈值电流增大到其初始值的二倍以上。体积小、重量轻 3.2光源器件分类

1）发光二极管LED 发光机理：自发幅射发光

优点：线性度、温度特性好、价格低、寿命长、使用简单 缺点：谱线较宽、与光纤的耦合效率低

应用：小容量、短距离的光纤通信；用于对线性变要求高的模拟传输。 2）激光二极管LD 发光机理：受激发光

优点：发光谱线窄（1～5nm ）与光纤的耦合效率高（可达90％）调制速

率高应用在大容量、长距离的数字光纤通信

缺点：

温度特性差：主要表现在其阈值电流随温度的上升而增加，如下图所示。

（注：LD 是阈值器件，需予偏置）

线性度差：LD 的发光功率随其工作电流的变化，并非是一种良好的线性

对应关系，但数字光纤通信对光源器件的线性度并没有过高的要求，并不影响使用。

工作寿命短，目前可达到数十万小时。 3.3光发送机

光发送机的主要技术指标：

平均发送光功率：指在发送"0" 、"1" 码等概率调制的情况下，光发送机输出的光功率值，单位为dBm 。

谱宽：光发送机中光源器件的谱线宽度， 一般用-20dB 谱宽衡量，即指从中心波长的最大幅度下降到百分之一（-20dB ）时两点间的宽度

光发送机的主要技术指标： 光源器件的寿命

消光比EX ："1" 码光脉冲功率与"0" 码光脉冲功率之比，光发送机的消光比一般要求大于8.2dB ，但并非越大越好，否则会引起" 啁啾声" 。 4 光检测器件与光接收机

光检测器件通过光/电转换，将信号（通信信息）从光波中分离（检测）出来。

4.1光纤通信对光检测器件的要求： 1） 2） 3） 4）

灵敏度高（响应度高） 噪声低 工作电压低

体积小、重量轻、寿命长

4.2光检测器件类型：

PIN 光二极管与APD 雪崩光二极管两大类

1）PIN 光二极管：

特性参数：灵敏度、响应时间

优点：噪声小、工作电压低 缺点：没有倍增效应。PIN 的光接收 机灵敏度不高，适宜用于短距 通信

2）APD 光二极管：

特性参数：倍增因子G （平均增益）倍增噪声因子。 APD 光二极管的最大优点是倍增效应，即输入同样大小的光功率信号能获得比PIN 光二极管多几十倍的光电流，大大提高了光接收机的灵敏度（比PIN 光接收机提高约10dB 以上）。 4.3 光接收机各功能框介绍：

前置放大器：把光检测器产生的微弱光电流进行予放大 主放大器：把信号进一步放大，其增益一般在50dB 以上

均衡器：把主放大器输出的脉冲进行均衡，以形成码间干扰最小、最有利于进行判决的波形。

判决再生电路：对均衡器输出的脉冲流逐个进行判决，并再生成波形整齐的脉冲码流。

时钟提取电路：提取时钟，以保证收发同步。

自动增益控制（AGC ）：控制前置放大器与主放大器的增益，使光接收机有一个规定的动态范围。

偏压电路：向APD 光二极管提供反向偏压 光接收机灵敏度：

在保证规定的误码率条件下(如BER ＝1×10-10) ，光接收机所需要的最小光功率值，一般以dBm 为单位。

灵敏度是光接收机一项重要技术指标，灵敏度与光发送机的发光功率、光纤的衰耗系数决定了光纤通信的中继距离。

光接收机过载光功率：在保证规定的误码率条件下(如BER ＝1×10-10) ，光接收机所允许的最大光功率值，以dBm 为单位。

动态范围：过载光功率与灵敏度之差，动态范围一般在20dB 以上。 光纤通信的最大中继距离：受光纤衰耗的限制，称为衰耗受限系统；受传输色散的限制，称为谓色散受限系统。

在PDH 通信中，码速率不高（一般最高为140Mb/s），色散造成的影响不大，多数为衰耗受限系统。

在SDH 通信中，码速率很高，光纤色散影响很大，系统可能是衰耗受限系统，也可能是色散受限系统。