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光通信概论
第一节光通信发展史
在近代各种通信手段中,光纤通信是最有发展前途的通信方式之一。
光纤通信这门课程,所涉及的基础知识面十分广泛,不仅涉及到物理学中近代光学和电磁学的一些基本理论,而且还涉及到通信原理中诸如调制-解调方式、数字脉冲信号传输等方面的技术基础理论,以及电子电路基础理论等。
光纤(或称为光导纤维)是一种由高纯度的二氧化硅材料制作的介质传输线,以光载波载送信息,以光纤作为传输媒介传送光载信息的传输方式,称为光纤通信。
光纤通信是七十年代初期发展起来的一门新技术,目前已被广泛地应用到人类社会的各个领域,并且与微波通信、卫星通信构成了全球通信的三大体系之一。
然而,人们探求最有效的用光传送信息,却经历了漫长的岁月。
古代用烽火台的火光传送敌情,实质上就是一种大气空间的光通信。
类似这类极为原始的光通信方式一直沿用至今,例如用红绿灯向驾驶员传送交通指挥信息,目前仍被广泛采用,但它所能传送的信息量非常有限。
实际上人们从未停止过对光通信技术作更高级更完美的追求。
值得重视的是1880年A.G.Bell所发明的光学电话。
他采用普通光源发出的自然光作载波,在200m的大气空间的通信距离上完成了语言信息的传送实验。
因此,光学电话一度引起人们的极大关注,该项研究工作一直进行到20世纪,但进展不大,一直停留在短距离通信,低通信容量的水平上,无法像微波通信那样作为一种有效的通信手段加以利用。
主要原因由两点:
其一,没有找到理想的强相干光源,采用普通光源发出的光波,频率成分复杂,振动方向杂乱,不具备通常使用的无线电波的性质,因而无法将它作为光载波进行调制;其二,没有找到合适的传送光的介质,光在大气空间传输,远不及无线电波稳定,严重受气象条件的影响,通信距离和通信可靠性都受到限制。
除外层空间人造卫星之间采用空间光通信外,地面上的大气空间的光通信没有发展前途。
1960年T.H.Maiman研制成功了第一只红宝石激光器,从此获得了理想的强相干光源。
激光器发出的光,具有一般无线电波的性质,可以作为理想的光载波加以调制,用于携带信息。
20世纪60年代到70年代是光纤通信发展史上取得突破性进展的年代。
1965年S.E.Miller报道了透镜光波导的研究成果。
所谓透镜光波导,实际上就是在一条金属管内,每隔一定距离放置一些聚集光学透镜,使光波在管道内不断聚集向前传播,但由于波导结构复杂,安装精度高,而无法实用化。
1966年7月英国标准电信研究所英籍华人高锟和G.A.Hokham发表文章,明确提出可以用玻璃制成衰减为20dB/km的光导纤维的早期预见,给发展光纤通信指出了方向。
事隔两年即1968年,高锟和G.A.Daves又发表文章,宣称他们在0.85μm的波长上测量SiO2玻璃块所得折算光纤衰减为5dB/km。
到1970年美国康宁玻璃公司宣布研制成功衰减为20dB/km的光纤。
从此激发了世界许多国家竞相开展光纤通信的研究。
1976年以后各种实用的光纤通信系统相继出现。
1980年在1.55μm的波长上获得了0.2dB/km的光纤衰减。
随着光纤衰减的降低,也随着新的激光有源器件不断研制成功,到80年代中期包括我国在内的许多国家,开始大规模建立光纤通信系统。
在光纤发展的历史上,0.8~0.9μm的短波长光纤通信系统被认为是第一代光纤通信,长波长1.3μm的多模和单模光纤通信是光纤通信的第二代,长波长1.55μm的单模光纤通信是光纤通信的第三代,目前已发展了用于1.56~1.62波长的第四波段光纤和可用于1.28~1.625波长的全波光纤,同时强相干光纤通信,如红外光纤、保偏光纤等也得到相应的发展。
第二节光通信的基本概念
光缆通信是以光作为信息载体,以光导纤维作为传输介质的一种先进的通信手段。
从经典相对论观点出发,又可以将光缆通信进一步分为经典光通信和量子光通信两类。
经典相对论认为,世界上一切物体存在的形式都具有双重性,即波动性和微粒性。
光存在的形式的双重性特别明显,从波动的观点出发研究光,发现光是一种振荡于光频的电磁波,光的相干性与衍射现象是作为电磁波的有力证明,因此光作为电磁波将遵守有关的电磁场理论;从微粒观点出发研究光,则可以将光看作是由具有一定能量的光量子的光子微粒流组成,其中光压现象便是光的微粒性存在形式的有力证明,这时光量子将遵守量子理论,其运动规律遵守量子电动力学规定。
一、经典光通信
经典光通信是将光作为有一定波段范围的电磁波观点出发进行研究和应用的。
这类光缆通信理论认为通信信息的载体是光波,即通信信息被载于波段0.1~10.0μm波长范围的光载波上,这种光载波传输信息的机制,使得光缆通信与现有的长波、中波、短波和微波无线电通信一样,都是以电磁波作为信息载体,因此无线电通信中的所有概念、理论和技术都可以方便地引伸到光缆通信的领域,一般地把电磁波作为信息载体的通信方式统称为经典通信。
这种通信系统通信容量的上限受所谓的高斯噪声限制,一般容量不超过104GHz。
因此经典光通信是以光波作为信息载体,以光导纤维作为传输介质的一种传输手段。
经典光缆通信包括已经相当成熟的光强度调制/直接检测(IM/DD)通信制式,以及正在研究的相干光通信、光弧子通信、光复用通信以及全光纤通信等。
1、光强度调制/直接检测(IM/DD)模式
这是一种广泛采用的相当成熟的原始模式。
在发端用准备传输的电信号去调制半导体光源的工作电流,从而实现将传输信号载到光波上的目的;在收端直接将光信号变换成点信号,经放大、判决等处理恢复原电信号,这种模式的优点是设备简单,其缺点是接收灵敏度低、选择性差、通信容量低。
2、光复用通信
这是一种充分利用传输通道,提高通信容量的多维通信手段。
光复用技术包括光波分复用(WDM)、光空分复用(SDM)、光时分复用(TDM)以及光频分复用(FDM)等几类,通过光复用技术可以使通信容量提高103~104倍。
3、光弧子通信
光弧子通信是利用光纤的非线性补偿,抵消光纤的色散,从而形成光弧度子(soliton)利用光弧子实现光缆通信。
4、相干光通信
相干光通信有称为外差光通信,这种通信模式在发端是利用光波的相干特性经信息栽入光波的振幅、相位或频率的各种参量之中;在收端则利用光外差检测方式。
相干光通信模式与IM/DD相比,其显著优点是接收灵敏度提高15~20dB,并具有优良的选择性。
5、全光纤通信
利用光纤的非线性效应在实现光缆通信系统中全部功能器件部件与传输介质的光纤结合起来,实现全光纤通信的新模式。
二、量子光通信
光量子通信是以光作为具有一定能量的hv的光量子的光子流观点出发的概念研究光通信的。
因此,量子光通信是以光子作为信息载体,以光导纤维作为传输介质的一种通信手段。
量子光通信的一个显著优点是通信容量提高几个数量级。
因而研究量子光通信应服从量子信息论遵守的规律,信息的载体是光量子微粒。
它们的运动、传输以及相互作用要遵守量子电动力学原理。
量子光通信与经典光通信有显著区别,其关键及时是光子计数技术、量子无破坏测量技术以及亚泊松态激光器等。
量子光通信目前还处于实验室研究阶段。
三、光缆通信系统组成
光源、光纤和光检测器是构成光缆通信系统的三大要素。
光源是用于产生光载体的器件,光纤是光的传输介质,而光检测器件用于在收端将所载信号检测出来。
在这里主要讨论的光缆通信系统组成主要是经典光通信中IM/DD制式的光缆通信系统。
一般地光缆通信系统由主工作系统和辅助工作系统(或称支持系统)组成。
主工作系统完成通信信息的传送,而辅助系统支持主工作系统的工作。
在光缆通信系统中,可由若干系统并行,每个系统占用两根光纤进行双工通信。
如简图,其工作过程是:
在发端通过改变流过光源(发光二极管LED或激光器LD)电流的方法将要发送的电信号直接调制在光载波上,使输出的光波幅度随电信号变化,被调制的光信号经光纤连接器耦合进入光纤之中,经光缆传输后光载信号到达中继器,在这里首先将光信号还原为电信号。
然后经其放大整形,最后又将其转化成光信号注入光纤之中,继续向前传送。
在收端经接收的光信号转化为电信号,经放大判决等处理恢复远电信
号。
辅助工作系统包括主备切换系统、远供系统、监控系统以及公务电话系统等。
主备切换系统一般光缆通信系统有N个主信道工作系统和一个备用信道工作系统。
当某个信道工作系统发生故障时,根据优先权设置,通过切换设备实现主备信道工作系统的切换。
监控系统用于对通信光缆系统运行状态进行实时监控。
一般为自动监测和自动故障定位。
公务电话系统用于光缆通信系统维护管理业务联络。
一般采用数字电话。
远供系统用于光缆通信系统中中继站的供电,通常采用高压、直流、串行的供电方式。
四、光纤传光的物理解释
在解释光纤传光原理前,先了解一下光纤的结构。
一般光纤是由纤芯、包层和涂层三部分组成,如下图:
纤芯区位于光纤的中心,其折射率为nk;包层包围着纤芯,其折射率为nM。
nk略大于nM,使得光能够通过纤芯区与包层区之间的界面上连续全反射被约束在纤芯区。
因此,纤芯区是光的传输通道,而包层的作用是保证光只能在纤芯区内传输而跑不出来。
涂层被涂在包层表面,一般由若干层聚合物组成。
对于涂层的要求是涂覆均匀、容易剥除,此外一般地在其上面有着色标志。
涂层的作用是加强光纤的机械强度,防止外界影响并吸收应力从而避免光纤微弯曲。
此外涂层的折射率要高于包层折射率,以防止外界对光纤的影响。
从光学特性对光纤进行分类,主要是考虑纤芯区与包层区折射率分布。
其纤芯区各点折射率可以表示成该点距光纤轴芯线距离r的函数形式。
即:
nk=F(r)
纤芯区与包层区相对折射率差称为阶跃系数,可用下式表示:
nM-nk
△=
nk
当nk=F(r)=常数时,即纤芯内各点折射率相同,称为阶跃性光纤,此时有nM=(1-△)nk,阶段跃光纤又分为多模阶段跃型和单模阶跃型两类;当nk=F(r)为抛物曲线时称为梯度型光纤。
在光纤中,当传递的光波波长远小于纤芯芯径时,光纤传光的原来可以采用几何光学模型来解释。
下图是多模阶段跃型光纤中光线的传播情况:
当光线在光纤端面,从空气介质(n=1)射入纤芯介质nk并且在包层与纤芯界面上发生全反射时,从图得下述关系:
sinA
=nk
sinrG
将代入上式得:
由上式可看出,从空气进入到阶跃型光纤的入射光,只有入射角的正弦值小于AN才由可能在光纤中连续地全反射向前传播,而不会射入包层。
数值孔径是反映光纤受光程度的物理参数,它和nk一起决定从已定光源可以耦合进入光纤由多少光。
Nk、AN愈大,光纤受光能力越强。
但有种种原因,数值孔径被限制在一定范围内,其典型值AN=0.2,对应为±12,也就是说,只有在偏离光纤轴心12范围内的光线才能进入光纤中向前传播,而在这个范围内可以有无数根光线,如果每一根光线对应一个“模”,则可以有无数个模。
每个模在光纤种传播的路径是不同的。
光的波动论解释光纤传光原理
采用几何光学概念解释光纤传光原理,认为一根光线对应一个模,这种解释相当粗糙,并不能全面反映光纤传光原理。
从波动论观点出发,认为光是一种电磁波,光波在时间和空间种传播可以通过正弦函数来描述。
沿着Z方向传播的平面波可表示为:
α=Asin(ωt-Kz)
式中:
A为振幅;(ωt-Kz)为相位角;ω为角频率为2πf;
Z为以米为单位Z方向长度;K为每米内波数,它是波长的倒数。
在电磁场理论中,用波矢量Kn(r、φ、ψ)来更正确地定义在光纤中可以传播的模。
光波在光纤中的传播可以根据给定的边界条件,解一组麦克斯韦方程,得到可以在光纤中传播的波矢量。
它满足相位一致条件,代表该点传播着平面波,其传播方向用与光纤轴心线径向距离r、轴向夹角φ和横向夹角φ来描写。
从几何观点考虑大于入射临界角的所以光线都可以在光纤中通过连续地全反射进行传播,这可以对应无数个模。
但是从波动论观点进一步研究发现,这些模还必须满足边界条件的波矢量解,即满足全反射又满足相位条件。
因此,即使在使用多模光纤中通过高阶模也是有限的。
第三节通信光缆的分类和命名
随着社会的发展,光通信技术的日趋完善,不仅对光纤的性能提出了更高的要求,而且对于光纤光缆同样提出了更严格的要求。
因而使得光纤的原材料选取和光纤的控制方法、光纤的结构和传输性能、光纤的品种系列化等方面,达到了成熟完善阶段,同时使得光纤光缆也出现了能够适应各种敷设环境与工作条件的各种结构形式。
一、光缆的分类
在讨论光缆分类前,首先了解一下光纤的类别,光纤通信的实用化时间虽然不长,但光纤的种类却琳琅满目,那么光纤发展到今天究竟有多少类别,又如何进行类别划分呢?
1、按工作波长分:
短波长光纤0.85μm
长波长光纤1.3~1.62μm
超长波长光纤2.0μm以上
2、按传输模式分
多模光纤
单模光纤
3、按纤芯折射率分布分
阶跃型光纤
梯度型光纤(渐变型光纤)
4、按ITU-T的建议来分:
G.652光纤——零色散单模光纤
G.653光纤——色散位移单模光纤
G.654光纤——1550nm波长损耗最小的单模光纤
G.655光纤——非零色散位移单模光纤
DCF光纤——色散补偿单模光纤(ITU-T尚未定名)
4、特殊光纤
保偏光纤
传感光纤
红外光纤
塑料光纤
光纤目前已应用到社会各个领域,特别是通信方面,已受到人们的青睐。
那么作为光纤光缆来说,无论哪种结构形式,何种敷设方式及适用场所,必须满足安全、可靠经济的首要条件。
1、按敷设方式分
直埋式、架空式、管道式、水底(海底)式
2、按使用场合划分
室外(野外)用、室内(局内)用、移动式、设备用、特殊用等。
3、按结构形式分
层绞式、单元式、带状式、骨架式、复合式、自承式、充气式等。
4、按使用辅助材料分
有金属光缆、非金属光缆
5、按光纤芯数分
单芯式、多芯式
光纤光缆无论哪种结构形式多必须考虑以下几方面的要求:
1、通信容易既能满足当前市场要求,又能便于发展扩容要求。
2、传输性能稳定可靠及保证使用寿命20~30年。
3、制造工艺简单,运输安全可靠,敷设维护方便。
4、适应敷设,使用满足应用方式,并又较强的抵抗自然灾害的能力。
二光缆的型号命名
光纤光缆的型号命名,目前邮电部已经在97年制定了标准,其标准代号为YD/T908-1997《光缆型号命名方法》。
本标准参照采用国际电工委员会IEC794-1“光缆”第一部分:
总规范、IEC793-1-1“光纤”的总则中有关光缆的划分和光纤的分类部分,并根据我国现行的国际标准GB7424《通信光缆的一般要求》、GB11819《光纤的一般要求》、GB12375〈〈通信用多模光纤系列〉和通信行业标准YD/T638.1〈邮电工业产品型号命名方法〉制定本标准。
1、型号的组成
光缆型号由型式和规格两部分组成。
型式代号与规格代号之间空一格。
规格
型式
2、型号的组成内容
Ⅴ
Ⅳ
Ⅲ
Ⅱ
Ⅰ
(1)型式代号:
由5个部分组成,个各分均用代号表示。
其中结果特征代号指缆芯结构和光缆派生结构特征。
外护层
护套
结构特征
加强构结
分类
(2)分类代号
GY——通信用室(野)外光缆
GM——通信用移动式光缆
GJ——通信用室(局)内光缆
GH——通信用海底光缆
GT——通信用特殊光缆
(3)加强构件代号
无符号——金属加强构件
F——非金属加强构件
G——金属重型加强构件
H——非金属重型加强构件
加强构件是指护套以内或嵌入护套重用于增强光缆抗拉力的构件。
(4)结构特征代号
D——光纤带结构
S——光纤松套结构
J——光纤紧套结构
无符号——层绞结构
G——骨架结构
X——中心束管式
T——填充式
R——充气式
C——自承式
B——扁平形状
E——椭圆形状
Z——阻然结构
(5)护套代号
Y——聚乙烯护套
V——聚氯乙烯护套
U——聚氨酯护套
A——铝-聚乙烯粘结护套
S——钢-聚乙烯粘结护套
W——夹带钢丝的钢-聚乙烯粘结护套
L——铝护套
G——钢护套
Q——铅护套
(6)外护层代号
外护层由铠装层和外护层两组代号组成,均用数字表示。
铠装层代号
0——无铠装层
2——双钢带绕包
3——单细圆钢丝
33——双细圆钢丝
4——单粗圆钢丝
44——双粗圆钢丝
5——皱纹钢带
外护层代号
1——纤维外被
2——聚氯乙烯
3——聚乙烯
4——聚乙烯加被覆尼龙套
5——聚乙烯保护管
3、规格代号
光缆的规格代号由四部分构成:
Ⅳ
a
bb
Ⅲ
Ⅱ
Ⅰ
适用温度特性
传输特性
衰减常数
使用波长
光纤类别
光纤数
(1)光纤数:
用光缆中同类别光纤的实际有效数目的数字表示。
(2)光纤类别:
光纤类别应采用光纤产品的分类代号表示,即用大写A表示多模光纤,大写B表示单模光纤,再以数字和小写字母表示不同种类光纤。
A1a——纤芯50μm,包层125μm的渐变折射率二氧化硅多模光纤
A1b——纤芯62.5μm,包层125μm的渐变折射率二氧化硅多模光纤
A2a——纤芯100μm,包层140μm的突变折射率二氧化硅多模光纤
A2b——纤芯200μm,包层240μm的突变折射率二氧化硅多模光纤
A3a——纤芯200μm,包层300μm的突变折射率二氧化硅芯塑料包
层多模光纤
A4a——纤芯980~990μm,包层1000μm的突变折射率塑料多模光纤
B1.1——普通型二氧化硅单模光纤
B1.2——截止波长移位型二氧化硅单模光纤
B2——色散位移型二氧化硅单模光纤
B3——色散平坦型二氧化硅单模光纤
B4——偏振保持型二氧化硅单模光纤
B5——非零色散型二氧化硅单模光纤
(3)光纤传输特性代号
波长代号:
1——使用波长再850nm区域
2——使用波长再1300nm区域
3——使用波长再1550nm区域
衰减常数代号:
是两位数,其数字依次为光缆中光纤衰减常数分类数值(dB/km)的十分位数字和百分位数字。
(4)使用温度特性代号:
由温度特性代号和温度特性等级代号组成。
温度特性代号:
A——-40~60℃
B——-30~60℃
C——-20~60℃
温度特性等级代号:
0——无衰减变化
1——衰减变化≤0.10dB/2km
2——衰减变化≤0.20dB/2km
3——衰减变化≤0.30dB/2km
另外,当光缆中光纤是多模光纤时,应在衰减常数代号后面加上模式带宽的代号(用带宽分类数值的千位和百位表示);当光缆具有远程供电线芯时,应在光纤规格代号后面空一格后写上线芯规格(如3个线径为0.6的铜导线线对,则表示3*2*0.6)。
光缆的规格代号的另一种表示方法也可有5部分组成,即在光纤的类别代号后加入光纤主要尺寸参数,其余不变。
当使用该方法编制规格代号时,其光纤类别代号应表示为:
J——二氧化硅系多模渐变型光纤
T——二氧化硅系多模突变型光纤
Z——二氧化硅系多模准突变型光纤
D——二氧化硅系单模光纤
X——二氧化硅系纤芯塑料包层光纤
S——塑料光纤
光纤主要尺寸参数:
多模光纤用芯径或包层直径的μm值表示;单摸光纤用模场直径或包层直径的μm数表示。
例1:
金属加强构件、松套层绞式、填充型、铝-聚乙烯粘结护套、皱纹钢带铠装、聚乙烯套通信用室外光缆,包含48根B1.1单模光纤和2对0.9铜导体的远程供电线芯,在1310和1550nm波长上衰减分别为0.36dB/km和0.25dB/km,光缆在-40~60℃温度范围内最大附加衰减为0.1dB/2km。
则光缆的型号表示为:
GYSTA5324B1.1(236/325)A1+2*2*0.9
例2:
非金属加强构件椭圆型聚乙烯护层中心束管式全填充型通信用室外光缆,包含12根芯径为62.5/125μm的二氧化硅系多模渐变形光纤,在1300波长上,光纤衰减常数为不大于1.0dB/km,模式带宽不小于800MHz.km,光缆的温度适用范围为-20~60℃。
则光缆的型号表示为:
GYFTEY12J62.5/125(21008)C
第四节通信光缆的技术性能
一、通信光缆的特点
光纤光缆的发展虽然很短,但其的发展速度却是非常惊人,主要原因是光纤光缆与通信电缆相比具有优越的性能。
1、光纤具有极大的频宽
光载波的频率落在1012~1016Hz,其所能提供的频宽远大于金属传输媒体(同轴电缆为500MHz),现阶段多模光纤频宽约1GHz.km。
单模光纤频带宽数百GHz.Km。
2、体积小,种类轻
光纤的外径小,约略大于头发外径,即使加上外被,仍然比铜线轻且细,能有效提高管道利用率。
光纤的重量轻,使其敷设较长,可减少接续次数。
另外,光纤因其质量轻,适用于飞行器、卫星等。
3、电绝缘特性
光纤是有介质作成,如石英玻璃、塑料等。
故又称为介质波导,即为量绝缘体,它不象其他金属线对,没有大地回流及介面的困扰,不会产生火花、电弧。
所以适用于易受雷击或高电压场所。
4、不受电磁干扰及串音干扰
光纤是介质波导,自然不受电磁干扰,不受无线电波的干扰,也不受交换机所产生的瞬断脉波而致的电磁脉动干扰,所以光纤不需要屏蔽。
光纤不受感应雷击,所以没有电磁感应串音,所以光纤没有串音困扰。
4、保密性强
光信号不会从光纤中辐射出来,不像电信号在导体中行进会辐射电磁波,所以光纤的保密性强,使它适用于军事、银行连线及电脑网络。
6、传输损耗小
光纤的传输损失很低,在工作波长为1.55μm处其损失低于0.2dB/km,显然可减少中继站,因而可减少系统成本。
7、光纤有极佳的柔软性及应变性
8、系统可靠度高,容易维护。
9、成本低。
二、通信光缆的主要技术指标
光缆是传输光波的线缆,其性能与传输电能的电缆或传输电磁信息的话缆是截然不同的,因此必须对光缆的主要技术指标有一概括性的了解。
光缆的主要特性有光纤的几何特性、光学特性、传输特性、机械特性和环境特性等。
下面结合本厂实际情况,对YD/T901-1997《层绞式通信用室外光缆》标准中所规定的光缆的技术指作一简单介绍。
(一)光缆结构完整性及外观
光缆应有层绞的缆芯和护层两大部分组成,护层有包括护套和可能有的外护层。
7、填充复合物
8、包带及可能有的扎纱、非金属辅助加强构件和内衬套
9、可能有的撕裂绳
10、护套
11、可能有的外护层
1、中心加强构件
2、可能有的垫层
3、可能有的填充绳
4、光纤
5、纤膏
6、松套管
光缆结构应是全截面阻水结构,即水在缆芯和护层中都不能纵向渗流。
(二)识别色谱
为了便于光缆在施工敷设中以及今后的维护,使光纤以及松套管具有颜色识别标识。
一般光纤的颜色色谱为:
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
颜色
蓝
桔
绿
棕
灰
白
红
黑
黄
紫
粉红
青绿
松套管的颜色应符合GB/T6995.2的规定,并且不退色不迁移,可以采用全色,也可以采用环状或条状的色标。
在绞层中各松套管的识别可采用全色谱,也可采用领示色谱。
(1)当采用全色谱时
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