《光纤通信讲义》PPT课件.ppt

11 光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 探索时期的光通信 1.1.2 现代光纤通信 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状1 2 光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信与电通信 1.2.2 光纤通信的优点 1.2.3 光纤通信的应用1 3 光纤通信系统的基本组成 1.3.1 发射和接收 1.3.2 基本光纤传输系统 1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统,第 1 章 概 论,返回主目录,1.1 光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 探索时期的光通信,在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验。,由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。,1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。,1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。,原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。,1.1.2 现代光纤通信 1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信的基础。,指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向,光纤通信发明家高锟(左)1998年在英国接受IEE授予的奖章,1970年，光纤研制取得了重大突破 1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。1973 年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗：1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。,1970 年，光纤通信用光源取得了实质性的进展 1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55 m的连续振荡半导体激光器。,由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑,实用光纤通信系统的发展 1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。1980 年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 Mb/s的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。,光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：第一阶段(19661976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。第二阶段(19761986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。第三阶段(19861996年)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。,1.1.3 国内外光纤通信发展的现状 1976年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85 m发展到1.31 m和1.55 m(短波长向长波长），传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。,光纤通信整体发展时间表,100000 10000 1000 100 10 1 0.1,1.2 光纤通信的优点和应用,1.2.1 光通信与电通信 通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。光通信的主要特点 载波频率高；频带宽度宽（图 1.1）光通信利用的传输媒质-光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。（图 1.2）,图 1.1 部分电磁波频谱,图 1.2 各种传输线路的损耗特性,1.2.2 光纤通信的优点 容许频带很宽，传输容量很大 损耗很小，中继距离很长且误码率很小 重量轻、体积小 抗电磁干扰性能好 泄漏小，保密性能好 节约金属材料，有利于资源合理使用,1.2.3 光纤通信的应用 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。光纤通信的各种应用可概括如下：,通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视网的干线和分配网 综合业务光纤接入网,ATM,Internet骨干网,DDN/FR,PSTN/ISDN,TV,业务分配节点,(COT),业务接入节点（RT）,网管,SNMP,与电信网管中心相连,Q3,100/1000M,E1/BRA/PRA,155M,622M SDH,典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构,典型应用之二：作为校园网的骨干传输网,1.3 光纤通信系统的基本组成,下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。,基本光纤传输系统的三个组成部分,1、光发送机组成框图：,结构参数：发送功率，dbm概念,光源光谱特性：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长,电信号对光的调制的实现方式 直接调制 用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。外调制 把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。,图 1.5两种调制方案(a)直接调制；(b)间接调制(外调制),2.光纤线路 功能：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机 组成:光纤、光纤接头和光纤连接器 低损耗“窗口”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85 m、1.31 m和1.55 m有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。光源激光器的发射波长和光检测器光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。目前在实验室条件下，1.55 m的损耗已达到0.154 dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。,0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5,衰减（dB/km）,波长（m）,普通单模光纤的衰减随波长变化示意图,3、光接收机功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号组成部分：耦合器，光电检测器，解调器组成框图：,结构参数：接收机灵敏度，定为BER10-9条件下，所要 求的最小平无接收功率。检测方式：直接检测和外差检测,1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统 数字通信系统用参数取值离散的信号(如脉冲的有和无、电 平的高和低等)代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；模拟通信系统则用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。这种基本特征决定着两种通信方式的优缺点和不同时期的发展趋势。,数字通信系统的优点如下：抗干扰能力强，传输质量好。可以用再生中继，传输距离长。适用各种业务的传输，灵活性大。容易实现高强度的保密通信。数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。,模拟通信系统的优点 占用带宽较窄外，电路简单易于实现、价格便宜等。,2.1 光纤结构和类型 2.1.1 光纤结构 2.1.2 光纤类型2.2 光纤传输原理 2.2.1 几何光学方法 2.2.2 光纤传输的波动理论2.3 光纤传输特性 2.3.1 光纤色散 2.3.2 光纤损耗 2.3.3 光纤标准和应用2.4 光缆 2.4.1 光缆基本要求 2.4.2 光缆结构和类型 2.4.3 光缆特性2.5 光纤特性测量方法 2.5.1 损耗测量 2.5.2 带宽测量 2.5.3 色散测量 2.5.4 截止波长测量,第 2 章 光纤和光缆,返回主目录,2.1 光纤结构和类型 2.1.1 光纤结构 光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。,图2.1 光纤的外形,2.1.2 光纤类型 光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英（SiO2）制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型，突变型多模光纤（Step-Index Fiber,SIF）渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber,GIF）单模光纤（Single-Mode Fiber,SMF）相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤,图 2.2三种基本类型的光纤(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤,图 2.3典型特种单模光纤(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯,特种单模光纤 最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布示于图2.3，这些光纤的特征如下。双包层光纤 色散平坦光纤（DispersionFlattened Fiber,DFF）色散移位光纤（DispersionShifted Fiber,DSF）三角芯光纤 椭圆芯光纤 双折射光纤或偏振保持光纤。,主要用途：突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。单模光纤用在大容量长距离的系统。特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平 1.55m色散移位光纤实现了10 Gb/s容量的100 km的超大容量超长距离系统。色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。,2.2 光纤传输原理,分析光纤传输原理的常用方法：几何光学法 麦克斯韦波动方程法,2.2.1 几何光学方法 几何光学法分析问题的两个出发点 数值孔径 时间延迟 通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布 几何光学法分析问题的两个角度 突变型多模光纤 渐变型多模光纤,图 2.4 突变型多模光纤的光线传播原理,1.突变型多模光纤 数值孔径 为简便起见，以突变型多模光纤的交轴(子午)光线为例，进一步讨论光纤的传输条件。设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致，如图2.4。光线在光纤端面以小角度从空气入射到纤芯(n0n2)。,改变角度，不同相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。根据全反射原理，存在一个临界角c。当c时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。由此可见，只有在半锥角为c的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。,根据这个传播条件，定义临界角c的正弦为数值孔径(Numerical Aperture,NA)。根据定义和斯奈尔定律 NA=n0sinc=n1cosc，n1sinc=n2sin90(2.2)n0=1，由式（2.2）经简单计算得到,式中=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或c)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在c内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好;但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。,(2.3),时间延迟 根据图2.4，入射角为的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所经历的路程为l(oy)，在不大的条件下，其传播时间即时间延迟为,式中c为真空中的光速。由式(2.4)得到最大入射角(=c)和最小入射角(=0)的光线之间时间延迟差近似为,(2.4),(2.5),这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。由此可见，突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后，其时间延迟不同而产生的。,2.3 光纤传输特性,产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散，损耗和色散是光纤最重要的传输特性：损耗限制系统的传输距离 色散则限制系统的传输容量,2.3.1 光纤色散 1.色散、带宽和脉冲展宽 色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散的种类：模式色散 材料色散 波导色散,1.损耗的机理 图2.15是单模光纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的损耗与波长的关系，这些机理包括吸收损耗和散射损耗两部分。吸收损耗 是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。散射损耗 主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。,图 2.15 单模光纤损耗谱，示出各种损耗机理,由图2.16看到：从多模突变型(SIF)、渐变型(GIF)光纤到单模(SMF)光纤，损耗依次减小。从色散的讨论中看到：从多模SIF、GIF光纤到SMF光纤，色散依次减小(带宽依次增大)。单模石英光纤的零色散波长在1.31 m，还可以把零色散波长从1.31 m移到1.55m，实现带宽最大损耗最小的传输。正因为这些特性，使光纤通信从SIF、GIF光纤发展到SMF光纤，从短波长(0.85 m)“窗口”发展到长波长(1.31 m和1.55 m)“窗口”，使系统技术水平不断提高。,图 2.16光纤损耗谱(a)三种实用光纤；(b)优质单模光纤,2.3.3 光纤标准和应用 G.651多模渐变型(GIF)光纤 应用于中小容量、中短距离的通信系统。G.652常规单模光纤 是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31 m色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。G.653色散移位光纤 是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55 m色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长距离通信系统。G.654 1.55 m损耗最小的单模光纤 其特点是在波长1.31 m色散为零，在1.55 m色散为1720 ps/(nmkm)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20 dB/km以下。色散补偿光纤 其特点是在波长1.55 m具有大的负色散。G.655非零色散光纤 是一种改进的色散移位光纤。,表2.3 光纤特性的标准,2.4 光缆,2.4.1 光缆基本要求 保护光纤固有机械强度的方法，通常是采用塑料被覆和应力筛选。光纤从高温拉制出来后，要立即用软塑料进行一次被覆和应力筛选，除去断裂光纤，并对成品光纤用硬塑料进行二次被覆。二次被覆光纤有紧套、松套、大套管和带状线光纤四种，见图2.18。应力筛选条件直接影响光纤的使用寿命。设对光纤进行拉伸应力筛选时，施加的应力为p，作用时间为tp(设为1s)；长期使用时，容许施加的应力为r，作用时间为tr，断裂概率为106km一个断裂点。理论推算得到的容许作用时间(光纤使用寿命)tr 和应力比r/p的关系示于图2.17。,图 2.17 光纤使用寿命和应力比的关系,图 2.18二次被覆光纤(芯线)简图(a)紧套；(b)松套；(c)大套管；(d)带状线,2.4.2 光缆结构和类型 光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。1.缆芯 缆芯通常包括被覆光纤(或称芯线)和加强件两部分。被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。加强件起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。,图 2.20光缆类型的典型实例(a)6芯紧套层绞式光缆(架空、管道)；(b)12芯松套层绞式光缆(直埋防蚁)；(c)12芯骨架式光缆(直埋)；(d)648芯束管式光缆(直埋)；(e)108芯带状光缆；(f)LXE束管式光缆(架空、管道、直埋)；(g)浅海光缆；(h)架空地线复合光缆(OPGW),光缆 的基本型式层绞式 把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。骨架式 把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。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。带状式 把带状光纤单元放入大套管内，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。,2.护套 护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带构成。根据使用条件光缆可以分为：室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆等。特种光缆常见的有：电力网使用的架空地线复合光缆(OPGW)，跨越海洋的海底光缆，易燃易爆环境使用的阻燃光缆以及各种不同条件下使用的军用光缆等。,2.4.3 光缆特性 拉力特性 压力特性 弯曲特性 温度特性,2.5 光纤特性测量方法,光纤的特性参数很多，基本上可分为几何特性、光学特性和传输特性三类。几何特性包括纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度；光学特性主要有折射率分布、数值孔径、模场直径和截止波长；传输特性主要有损耗、带宽和色散。,损耗测量 光纤损耗测量有两种基本方法：一种是测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插入法；另一种是测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法。,带宽测量 光纤带宽测量有时域和频域两种基本方法。时域法是测量通过光纤的光脉冲产生的脉冲展宽，又称脉冲法；频域法是测量通过光纤的频率响应，又称扫频法。色散测量 光纤色散测量有相移法、脉冲时延法和干涉法等。,第3章 光波分复用技术,随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。发展迅速的各种新型业务(特别是高速数据和视频业务)对通信网的带宽(或容量)提出了更高的要求。为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的要求，产生了各种复用技术。在光纤通信系统中除了大家熟知的时分复用(TDM)技术外，还出现了其他的复用技术，例如光时分复用(OTDM)、光波分复用(WDM)、光频分复用(OFDM)以及副载波复用(SCM)技术。,3.1 光波分复用原理 1.WDM的概念 光波分复用(WDM：Wavelength Division Multiplexing)技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。光波分复用（WDM）的基本原理是：在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。,图7.6 中心波长在1.3 m和1.55 m的硅光纤低损耗传输窗口(插图表示1.55 m传输窗口的多信道复用),光纤的带宽有多宽？如图7.6所示，在光纤的两个低损耗传输窗口：波长为1.31 m(1.251.35m)的窗口，相应的带宽(|f|=|-c/2|,和分别为中心波长和相应的波段宽度，c为真空中光速)为17700 GHz；波长为1.55 m(1.501.60 m)的窗口，相应的带宽为12500 GHz。两个窗口合在一起，总带宽超过30THz。如果信道频率间隔为10 GHz，在理想情况下，一根光纤可以容纳3000个信道。由于目前一些光器件与技术还不十分成熟，因此要实现光信道十分密集的光频分复用(OFDM)还较为困难。在这种情况下，人们把在同一窗口中信道间隔较小的波分复用称为密集波分复用(DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing)。,目前该系统是在1550 nm波长区段内，同时用8，16或更多个波长在一对光纤上(也可采用单光纤)构成的光通信系统，其中各个波长之间的间隔为1.6 nm、0.8 nm或更低，约对应于200 GHz,100 GHz或更窄的带宽。WDM、DWDM和OFDM在本质上没有多大区别 以往技术人员习惯采用WDM 和DWDM来区分是1310/1550 nm 简单复用还是在1550 nm波长区段内密集复用，但目前在电信界应用时，都采用DWDM技术。由于1310/1550 nm的复用超出了EDFA的增益范围，只在一些专门场合应用，所以经常用WDM这个更广义的名称来代替DWDM。,WDM技术对网络升级、发展宽带业务(如CATV，HDTV 和IP over WDM等)、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信等具有十分重要意义，尤其是WDM加上EDFA更是对现代信息网络具有强大的吸引力。目前，“掺铒光纤放大器(EDFA)+密集波分复用(WDM)+非零色散光纤(NZDSF，即G.655光纤)+光子集成(PIC)”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。,如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为WDM传输，我们就可以在这些WDM链路的交叉(结点)处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的光交叉连接设备(OXC)，或进行光上下路的光分插复用器(OADM)，则在原来由光纤链路组成的物理层上面就会形成一个新的光层。在这个光层中，相邻光纤链路中的波长通道可以连接起来，形成一个跨越多个OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息传送，并且这种光通路可以根据需要灵活、动态地建立和释放，这就是目前引人注目的、新一代的WDM全光网络。,2.WDM系统的基本形式 光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器(也叫合波器)。反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器(也叫分波器)。从原理上讲，这种器件是互易的(双向可逆)，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。因此复用器和解复用器是相同的(除非有特殊的要求)。,WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：双纤单向传输和单纤双向传输。(1)双纤单向传输。单向WDM传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。如图7.7所示，在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已调光信号1,2,n通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。由于各信号是通过不同光波长携带的，因而彼此之间不会混淆。在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。,图7.7 双纤单向WDM传输,(2)单纤双向传输。双向WDM传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。如图7.8所示，所用波长相互分开，以实现双向全双工的通信。,图7.8 单纤双向WDM传输,4.1 通信网的发展趋势4.2 光接入网,第 4 章 光纤通信网络,返回主目录,4.1 通信网的发展趋势 通信网总的发展趋势是数字化、综合化和宽带化。与光纤通信关系最为密切的是宽带化，这是人类社会发展到信息时代的迫切需求，也是科技进步的必然产物。数字化就是在通信网的各个部分(核心网和接入网)及各个环节(传输、交换、接入、终端等)全面采用数字技术。目前核心网(或称骨干网)已实现了数字化，采用了数字传输和数字交换技术，其优越性已十分明显。,接入网的情况比较复杂，模拟的东西还大量存在，如电话网从核心网边缘的端局交换机到用户终端的用户环路，大量使用的还是模拟二线；有线电视系统也基本上是模拟的；新近采用的非对称数字用户线(ADSL)实际上是模数混合体制。综合业务数字网(包括窄带和宽带)的主要目的是：要实现接入部分的数字化，提供端到端数字连接，从而支持综合业务，但由于种种原因，并没有普遍推广应用。所以现在只能说接入网正处于数字化的过程中，还不能说已实现了数字化。,综合化，主要指业务的综合，即通信网要由原来的单一业务网(如电话网、分组数据网)发展为能同时提供多种业务(包括话音、数据、图像等)，特别是多媒体业务的网络。数字化是综合化的前提。当各种类型的消息都用统一的数字符号表示时，通过端到端的数字传输，便能实现综合业务。长期以来，通信网的主要业务是话音，所以电信网基本上等同于电话网；电信网中还有一种业务是电报，相当于原始的低速数据业务。,随着计算机网络的出现和发展，特别是因特网(Internet)扩展到全世界，对数据业务量的需求不断增长，近十年来，几乎每半年翻一番。数据业务量猛增的主要推动力是因特网的WWW业务和高速多媒体业务。因此，用不了多少时间，数据业务的总量将超过电话业务。此外，电视会议、远程教育、电子商务等应用都要求通信网提供高速数据和视频业务，而这些业务所需的带宽都远大于电话业务。因此业务综合化必将导致网络的宽带化。通信网络从电话业务为主演进到多媒体业务为主，每个用户占用的带宽由64 kb/s要提高到6 Mb/s左右，由此估计总业务量约增加100倍。,如果考虑到今后要支持高清晰度电视等更宽带宽的业务，则总业务量还会不断增加。所以网络宽带化首先是人们的迫切需求。另一方面，由于光纤通信技术的成就，特别是密集波分复用(DWDM)技术的发展，使得网络的传输带宽大大增加。如果双绞铜线的传输带宽按2 Mb/s估计，一根光纤采用DWDM技术，传输容量可达到20200 Gb/s，也就是说，光纤的传输容量是铜线的一万至十万倍。因此宽带化意味着光纤将成为主要的传输媒质。今天，在核心网内以光纤为传输媒质，采用DWDM技术实现宽带传输，同时采用光交换技术构成全光通信网，已成为现实。,在接入网中，光纤正在伸向用户，从光纤到路边(FTTC)、光纤到大楼(FTTB)发展到光纤到交接箱(FTTCab)，最后将实现光纤到家(FTTH)。当然，从带宽需求和经济性考虑，接入网采用光纤没有必要也不可能如同核心网那样采用DWDM技术，而是采用比较简单和廉价的光纤通信设备。因此接入网和核心网实现宽带化的技术途径是不同的。本章将分别予以介绍。,4.2 光接入网,4.2.1 光接入网概述 1.接入网的概念 电信网包含了为在不同地方的用户提供各种电信业务的所有传输及复用设备、交换设备及各种线路设施等。接入网是电信网的重要组成部分，负责将电信业务透明地传送到用户。ITUT的G.902建议(参看图8.23)对接入网给出如下定义：接入网由业务结点接口(SNI)和用户网络接口(UNI)之间的一系列传送实体(如线路设施和传输设施)组成，为供给电信业务而提供所需的传送承载能力，可经由网络管理接口(Q3)配置和管理。原则上对接入网可以实现的UNI和SNI的类型和数目没有限制。接入网不解释信令。,2.光接入网的参考配置 光接入网(OAN)为共享相同网络侧接口并由光传输系统所支持的接入链路群，有时称之为光纤环路系统(FITL)。从系统配置上可以分为无源光网络(PON)和有源光网络(AON)，如图8.24所示。,ODN:光分配网络，是OLT和ONU之间的光传输媒质，由无源光器件组成。OLT：光线路终端，提供OAN网络侧接口，并且连接一个或多个ODN。ODT：光远程终端，由光有源设备组成。ONU：光网络单元，提供OAN用户侧接口，并且连接到一个ODN或ODT。,ONU：光网络单元，提供OAN用户侧接口，并且连接到一个ODN或ODT。UNI：用户网络接口。SNI：业务结点接口。S：光发送参考点。R：光接收参考点。AF：适配功能。V：与业务结点间的参考点。T：与用户终端间的参考点。a:AF与ONU之间的参考点。,在OLT和ONU之间没有任何有源电子设备的光接入网称为无源光网络(PON)。PON对各种业务是透明的，易于升级扩容，便于维护管理，缺点是OLT和ONU之间的距离和容量受到限制。用有源设备或有源网络系统(如SDH环网)的ODT代替无源光网络中的ODN，便构成有源光网络(AON)。AON的传输距离和容量大大增加，易于扩展带宽，运行和网络规划的灵活性大，不足之处是有源设备需要供电、机房等。如果综合使用两种网络，优势互补，就能接入不同容量的用户,目前，用户网光纤化的途径主要有两个：在现有电话铜缆用户网的基础上，引入光纤传输技术改造成光接入网 在现有有线电视(CATV)同轴电缆网的基础上，引入光纤传输技术使之成为光纤/同轴混合网(HFC)。,3.光接入网的拓扑结构 光接入网的拓扑结构一般有4种：单星形、双星形、总线形和环形，如图8.25所示。,4.光接入网的应用类型 根据ONU的位置不同，光接入网有4种基本应用类型：光纤到路边(FTTC)光纤到大楼(FTTB)光纤到办公室(FTTO)光纤到家(FTTH)。,在FTTC结构中，ONU设置在路边的人孔或电线杆上的分线盒处，有时也可以设置在交接箱处。FTTC一般采用双星形结构，从ONU到用户之间采用双绞线铜缆，若要传送宽带业务则要用高频电缆或同轴电缆。,FTTB是将ONU直接放在大楼内(如企业、事业单位办公楼或居民住宅公寓内)，再由铜缆将业务分配到各个用户。FTTB比FTTC的光纤化程度更进一步，更适合高密度用户区，也更容易满足未来宽带业务传输的需要。如果将FTTC结构中设置在路边的ONU换成无源光分路器，将ONU移到大企业事业单位(如公司、政府机关、大学或研究所)的办公室内就成了FTTO。将ONU移到用户家里就成了FTTH。FTTH是一种全透明全光纤的光接入网，适于引入新业务，对传输制式、带宽和波长等基本上没有限制，并且ONU安装在用户处，供电、安装维护等都比较方便。,4.1.2 无源光网络 1.网络结构 无源光网络的信号由端局和电视节目中心通过光纤和光分路器直接分送到用户，其网络结构如图8.26所示。其下行业务由光功率分配器以广播方式发送给用户，在靠近用户接口处的过滤器让每个用户接收发给它的信号。在上行方向，用户业务是在预定的时间发送，目的是让它们分时地发送光信号，因此要定期测定端局与每个用户的延时，以便上行传输同步，这是PON技术的难点。由于光信号经过分路器分路后，损耗较大，因而传输距离不能很远。,PON的一个重要应用是来传送宽带图像业务(特别是广播电视)。这方面尚无任何国际标准可用，但已形成一种趋势，即使用1310 nm波长区传送窄带业务，而使用1550 nm波长区传送宽带图像业务(主要是广播电视业务)。原因是1310/1550 nm波分复用(WDM)器件已很便宜，而目前1310 nm波长区的激光器也很成熟，价格便宜，适于经济地传送急需的窄带业务；另一方面，1550 nm波长区的光纤损耗低，又能结合使用光纤放大器，因而适于传送带宽要求较高的宽带图像业务。,具体的传输技术主要是：频分复用(FDM)、时分复用(TDM)和 密集波分复用(DWDM),图8.26(a)使用1310/1550两波长WDM器件来分离宽带和窄带业务，其中1310 nm波长区传送TDM方式的窄带业务信号，1550 nm波长区传送FDM方式的图像业务信号(主要是CATV信号)。,图8.26(b)也使用1310/1550 两波长WDM器件来分离宽带和窄带业务，与图8.26(a)不同之处在于先将电视信号编码为数字信号，再用TDM方式传输。,EPON技术简介,随着Internet的迅速普及，网上内容的爆炸性扩充，一个巨大的网络社会已然形成，人们的生活、学习和工作越来越离不开网络。正如在现实生活中美好生活离不开高速畅捷的交通一样，人们对网络带宽的需求也在不断提高。毫无疑问，光纤在传输带宽方面具有无与伦比的优势。经过多年的发展，长途干线光纤通信网络几乎已经铺满全球。此时，接入网带宽成为整个传输网络的瓶颈，并开始迎接光通信时代的到来。无源光网络（PON）的概念由来已久，它具有节省光纤资源、对网络协议透明的的特点，在光接入网中扮演着越来越重要的角色。,同时，以太网（Ethernet）技术经过二十年的发展，以其简便实用，价格低廉的特性，几乎已经完全统治了局域网，并在事实上被证明是承载IP数据包的最佳载体。随着IP业务在城域和干线传输中所占的比例不断攀升，以太网也在通过传输速率、可管理性等方面的改进，逐渐向接入、城域甚至骨干网上渗透。而以太网与PON的结合，便产生了以太网无源光网络（EPON）。它同时具备了以太网和PON的优点，正成为光接入网领域中的热门技术。,EPON接入系统具有如下特点：,局端（OLT）与用户（ONU）之间仅有光纤、光分路器等光无源器件，无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，因此，可有效节省建设和运营维护成本；EPON采用以太网的传输格式同时也是用户局域网/驻地网的主流技术，二者具有天然的融合性，消除了复杂的传输协议转换带来的成本因素；采用单纤波分复用技术（下行1490nm，上行1310nm），仅需一根主干光纤和一个OLT，传输距离可达20公里。在ONU侧通过光分路器分送给最多32个用户，因此可大大降低OLT和主干光纤的成本压力；,上下行均为千兆速率，下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带宽，上行利用时分复用（TDMA）共享带宽。高速宽带，充分满足接入网客户的带宽需求，并可方便灵活的根据用户需求的变化动态分配带宽；点对多点的结构，只需增加ONU数量和少量用户侧光纤即可方便地对系统进行扩容升级，充分保护运营商的投资；EPON具有同时传输TDM、IP数据和视频广播的能力，其中TDM和IP数据采用IEEE 802.3以太网的格式进行传输，辅以电信级的网管系统，足以保证传输质量。通过扩展第三个波长（通常为1550nm）即可实现视频业务广播传输。,第 5 章 光缆线路施工技术,5.1 光缆线路路由复测5.1.1 光缆线路路由复测的主要任务5.1.2 路由复测的原则5.1.3 路由复测的工作内容5.2 光缆的单盘检验与配盘5.2.1 光缆的单盘检验5.2.2 光缆配盘5.3 光缆接续、测试5.3.1 光缆的接续5.3.2 光缆测试5.4 直埋线路工程施工技术5.4.1 挖填光缆沟5.4.2 直埋光缆敷设安装及保护5.4.3 光缆线路标石的埋设5.4.4 光缆线路对地绝缘,5.1 光缆线路路由复测,5.1.1 光缆线路路由复测的主要任务 根据设计核定光缆路由走向及敷设方式、敷设位置、环境条件及配套设施（包括中继站站址）的安装地点；核定丈量各种敷设方式的地面距离，核定光缆穿越铁路、公路、河流、湖泊及大型水渠、地下管线以及其他障碍物的具体位置及技术措施；核定三防（防机械损伤、防雷、防白蚁）地段的长度、措施及实施的可能性；核定沟坎保护的地点和数量；核定管道光缆占用管孔位置；根据环境条件，初步确定接头位置；为光缆的配盘、光缆分屯及敷设提供必要的数据资料；修改、补充施工图。,5.1.2 路由复测的原则 复测时应严格按照经批准的施工图设计进行；如遇特殊