项目4CATV光缆干线系统主要器件设备应用与操作课件.ppt

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1、第4章 光纤通信基础,4.1 光纤通信简介4.2 光纤与光缆4.3 光无源器件4.4 有线电视HFC网络系统光发射机4.5 光接收机4.6 光放大器,4.1 光纤通信简介,4.1.1光纤通信概念4.1.2光纤通信使用波段4.1.3光纤通信的特点4.1.4 光纤通信系统4.1.5光纤通信的发展,4.1.1光纤通信概念,光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。光纤通信技术是近30年迅猛发展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革。,4.1.2光纤通信使用波段,（1）光在电磁波谱中的位置光波与无线电波相似，也是一种电磁波，只是它的频率比无线电波的

2、频率高得多。红外线、可见光和紫外线均属于光波的范畴。图41下图所示为电磁波波谱图。,4.1.3光纤通信的特点,（1）与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下：频带宽损耗低重量轻抗干扰能力强成本不断下降 工作性能可靠 保真度高,（2）光纤通信同时具有以下缺点：1 光纤弯曲半径不宜过小；2 光纤的切断和连接操作技术复杂；3 分路、耦合麻烦。,4.1.4 光纤通信系统,（1）光纤通信系统可分两大类：数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统,（2）光调制方式：强度调制-直接检测（IM/DD）,4.1.5光纤通信的发展,4.2 光纤与光缆,4.2.1光纤结构及导光原理4.2.2光纤的种类4.2.3光纤

3、的衰减与衰减系数4.2.4 光纤的色散4.2.5 常用光纤4.2.6 光缆的结构与分类4.2.7 光缆的型号与命名,4.2.1光纤结构及导光原理,光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。其典型结构是多层同轴圆柱体，如图4-5所示，自内向外为纤芯、包层和涂覆层。,核心部分是纤芯和包层，其中纤芯由高度透明的材料制成，是光波的主要传输通道；包层的折射率略小于纤芯，使光的传输性能相对稳定。纤芯粗细、纤芯材料和包层材料的折射率，对光纤的特性起决定性影响。涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆，起保护光纤不受水汽的侵蚀相机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性，起着延长光纤寿命的作用。,光的折射，反射和全反射：因光

4、在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的（即不同的物质有不同的光折射率），相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。,4.2.2光纤的种类,(1)按光在光纤中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤。多模光纤：中心玻璃芯较粗（50或62.5m），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

5、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。单模光纤：中心玻璃芯较细（芯径一般为9或10m），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，但其色度色散起主要作用，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。单模光纤(Single-mode Fiber)：一般光纤跳纤用黄色表示，接头和保护套为蓝色；传输距离较长。多模光纤(Multi-mode Fiber)：一般光纤跳纤用橙色表示，也有的用灰色表示，接头和保护套用米色或者黑色；传输距离较短。,(2)按最佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。常规型

6、：光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1300nm。色散位移型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1300nm和1550nm。,(3)按折射率分布情况分：突变型和渐变型光纤。突变型：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。其成本低，模间色散高。适用于短途低速通讯，如：工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。渐变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高模光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。,4.2.3光纤的衰减与衰减系数,（1）造成光纤衰减的主要因素有：本征，

7、弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。,（2）衰减系数（也称衰耗系数）,4.2.4 光纤的色散,由于光纤中所传信号的不同频率成分或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。从机理上说，光纤色散分为材料色散，波导色散和模式色散。前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一种色散由于信号不是单一模式所引起。,4.2.5 常用光纤,(1)G.652标准单模光纤标准单模光纤是指零色散波长在1.3m窗口的单模光纤，国际电信联盟（ITUT）把这种光纤规范为G.652光纤。其

8、特点是当工作波长在1.3m时，光纤色散很小，系统的传输距离只受光纤衰减所限制。但这种光纤在1.3m波段的损耗较大，约0.3dB/km0.4dB/km；在1.55m波段的损耗较小，约为0.2dB/km0.25dB/km。色散在1.3m波段为3.5ps/nmkm，在1.55m波段的损耗较大，约为20ps/nmkm。这种光纤可支持用于在1.55m波段的2.5Gb/s的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若传输10Gb/s的信号，传输距离超过50公里时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。,(2)G.653色散位移光纤针对衰减和零色散不在同一工作波长上的特点，20世纪80年代中期，人们开发成功了一种把零

9、色散波长从1.3m移到1.55m的色散位移光纤（DSF，Dispersion Shifted Fiber）。ITU把这种光纤的规范编为G.653。色散位移光纤在1.55m色散为零，不利于多信道的WDM传输，用的信道数较多时，信道间距较小，这时就会发生四波混频（FWM）导致信道间发生串扰。如果光纤线路的色散为零，FWM的干扰就会十分严重；如果有微量色散，FWM干扰反而还会减小。针对这一现象，人们研制了一种新型光纤，即非零色散光纤（NZDSF）G.655。,(3)G.654衰减最小光纤为了满足海底缆长距离通信的需求，人们开发了一种应用于1.55m波长的纯石英芯单模光纤，它在该波长附近上的衰减最小，

10、仅为0.185dB/km。G.654光纤在1.3m波长区域的色散为零，但在1.55m波长区域色散较大，约为（1720）ps/（nmkm）。ITU把这种光纤规范为G.654。,(4)G.655非零色散光纤针对色散位移光纤在1.55m色散为零，会产生四波混频，导致信道间发生串扰，不利于多信道的WDM系统的问题，如果有微量色散，FWM干扰反而还会减小。针对这一特点，人们研制了非零色散光纤（NZDSF）。非零色散光纤实质上是一种改进的色散位移光纤，其零色散波长不在1.55m，而是在1.525m或1.585m处。非零色散光纤削减了色散效应和四波混频效应，而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一

11、种，所以非零色散光纤综合了标准光纤和色散位移光纤最好的传输特性，既能用于新的陆上网络，又可对现有系统进行升级改造，它特别适合于高密度WDM系统的传输，所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。,(5)全波光纤由朗讯公司发明的全波光纤ALLwave?Fiber消除了常规光纤在1385nm附近由于OH离子造成的损耗峰，损耗从原来的2dB/km降到0.3dB/km，这使光纤的损耗在1310nm1600nm都趋于平坦。其主要方法是改进光纤的制造工艺，基本消除了光纤制造过程中引入的水分。全波光纤使光纤可利用的波长增加100nm左右，相当于125个波长通道100GHz通道间隔。全波光纤的损耗特性

12、是很诱人的，但它在色散和非线性方面没有突出表现。,(6)色散补偿光纤色散补偿光纤（DCF，DispersionCompensatingFiber）是具有大的负色散光纤。它是针对现已敷设的1.3m标准单模光纤而设计的一种新型单模光纤。为了使现已敷设的1.3m光纤系统采用WDM/EDFA技术，就必须将光纤的工作波长从1.3m转为1.55m，而标准光纤在1.55m波长的色散不是零，而是正的（1720）ps/（nmkm），并且具有正的色散斜率，所以必须在这些光纤中加接具有负色散的色散补偿光纤，进行色散补偿，以保证整条光纤线路的总色散近似为零，从而实现高速度、大容量、长距离的通信。,4.2.6 光缆的结

13、构与分类,(l）光缆的结构,(2）光缆的分类 光缆的分类如表 4 所示。,(3）典型光缆的结构典型光缆的结构如图 4 所示。,4.2.7 光缆的型号与命名,光缆型号由它的型式代号和规格代号构成，中间用“一”分开，即光缆的型号型式代号一规格代号。(l）光缆的型式代号的命名 国家通信行业标准 YD/T 908 一 2000 光缆型号命名方法 规定的光缆的型号组成格式如图 4所示。,图 4 16 光缆的型式代号构成,表 4 光缆型式代号分类与意义,(2）光缆的规格代号的命名光缆的规格由光纤芯数和光纤类别组成，如果同一根光缆中含有两种或两种以上的规格（光纤数和光纤类别）的光纤时，中间应用“+”连接。规

14、格代号的构成如图 417 所示。,图 4 17 光缆的规格代号构成,表 4 15光缆的规格代号分类与说明,4.3 光无源器件,4.3.1 光纤分路器4.3.2 光纤连接器4.3.3 光纤衰减器4.3.4 光纤波分复用器4.3.5 光开关4.3.6 光接头盒、光配线箱、光终端盒,4.3.1 光纤分路器,光分路器又称分光器：是光纤链路中最重要的无源器件之一，是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件，常用MN来表示一个分路器有M个输入端和N个输出端。在光纤CATV系统中使用的光分路器一般都是12、13以及由它们组成的1N光分路器。,(1)光分路器的分光原理光分路器按原理可以分为熔融拉锥型和平面波导

15、型两种，熔融拉锥型产品是将两根或多根光纤进行侧面熔接而成；平面波导型是微光学元件型产品，采用光刻技术，在介质或半导体基板上形成光波导，实现分支分配功能。这两种型式的分光原理类似，它们通过改变光纤间的消逝场相互耦合（耦合度，耦合长度）以及改变光纤纤半径来实现不同大小分支量，反之也可以将多路光信号合为一路信号叫做合成器。熔锥型光纤耦合器因制作方法简单、价格便宜、容易与外部光纤连接成为一整体，而且可以耐孚机械振动和温度变化等优点，目前成为市场的主流制造技术。,(2)光分路器的常用技术指标,4.3.2 光纤连接器,(1)光纤连接器功能作用 光纤连接器：是光纤与光纤之间进行可拆卸（活动）连接的器件，它把

16、光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小，这是光纤连接器的基本要求。在一定程度上，光纤连接器影响了光传输系统的可靠性和各项性能。,(2)光纤连接器类型光纤连接器按传输媒介的不同可分为常见的硅基光纤的单模、多模连接器，还有其它如以塑胶等为传输媒介的光纤连接器；按连接头结构形式可分为：FC、SC、ST、LC、D4、DIN、MU、MT等等各种形式。,4.3.3 光纤衰减器,光衰减器是一种非常重要的纤维光学无源器件，是光纤CATV中的一个不可缺少的器件。到目前为止市场上已经形成了固定式、步进可调式、连续可调式及智

17、能型光衰减器四种系列。,4.3.4 光纤波分复用器,波分复用器在光路中起到合波和分波的作用，它把不同波长的光信号汇集（合波）到一根光纤中传输，到了接收端，又把由光纤传输来的复用光信号重新分离（分波）出来。根据分光原理的不同，波分复用器又可分为枝镜型、干涉模型和衍射光栅型三种，目前市场上的产品大多数是衍射光栅型。波分复用器的主要指标有插入损耗、串音损耗、波长间隔和复用路数等。插入损耗是指因使用波分复用器而带来的光功率损耗，一般在15dB左右。串音损耗表示波分复用器对各波长的分隔程度。串音衰耗越大越好，应大于20dB。,4.3.5 光开关,光开关是一种光路控制器件，起着切换光路的作用，在光纤传输网

18、络和各种光交换系统中，可由微机控制实现分光交换，实现各终端之间、终端与中心之间信息的分配与交换智能化；在普通的光传输系统中，可用于主备用光路的切换，也可用于光纤、光器件的测试及光纤传感网络中，使光纤传输系统，测量仪表或传感系统工作稳定可靠，使用方便。,4.3.6 光接头盒、光配线箱、光终端盒,光接头盒能够起密封和防水作用，它可以横式安装，也可以竖式安装。为了保证连接强度，先在一段连接光缆之间用钢丝加固，然后将每根熔接好的光纤用插板分层排列。一根光缆输出，选择1*1接头盒，如果是一根光缆输入，N根光缆输出，选择1*N接头盒。当光缆芯数超过16对，订购时需要说明是多少芯光缆，以便内部增加光纤热收缩

19、套管和光纤托板。,4.4 有线电视HFC网络系统光发射机,4.4.1 光发射机功能4.4.2 光发射机结构原理4.4.3 光发射机的主要技术指标,4.4.1 光发射机功能,光发射机是有线电视 HFC 系统中的一个重要的光有源器件，其主要功能是将有线电视电信号转换为光信号，并输出相应的功率以满足有线电视 HFC 网络各节点对光功率的要求。AM 一 VSB 光发射机是有线电视系统重要的光端机。直接调制 1 310nm DFB 光发射机是当前光纤网络的主用机型，由于 DFB 激光器输出功率受非线性失真的限制，当前 DFB 光发射机输出功率最大仅到 16dBm。,4.4.2 光发射机结构原理,(1)直

20、接调制光发射机直接调制光发射机是利用高频电视信号来控制半导体激光器的偏流，进而控制激光器的输出光强，一般采用 DFB 激光器作为光源。,(2)外调制光发射机外调制多路调幅光发射机是在激光器输出激光之后，让其通过一个外调制器，使激光的强度随外加多路调幅信号电压而改变。根据采用激光器的不同，目前主要有 YAG 外调制光发射机和 DFB 外调制光发射机两类。,4.4.3 光发射机的主要技术指标,4.5 光接收机,4.5.1光接收机功能与类型4.5.2光接收机基本组成4.5.3光接收机的主要技术指标,4.5.1光接收机功能与类型,光接收机的目的是利用光电效应把由光纤传来的光信号转变为电平合适、噪声低、

21、幅频特性平坦的电信号，送入用户分配系统进行分配。光接收机的结构，通常有室内型和室外型两种。室内型采用 19 英寸机架方式，便于上架安装；室外型有压铸铝合金外壳，具有密封、散热性好、防水、防潮、防雷电、抗电磁干扰等特点，通过同轴电缆 60V 交流供电。,4.5.2光接收机基本组成,（1）光接收机的原理框图如图11所示。它由光接收组件（O/E转换）和电信号放大两个部分组成。,图411光接收机的原理框图,（2）光工作站在双向 HFC 有线电视网络的光节点上使用的室外型光接收机，不仅具有下行O/E转换功能，还具有上行 E/O 转换功能，已相当于一个光工作站。其组成包括下行光接收机、上行光发射机及进行网

22、络管理状态的应答器等部分，它们都安装在一个压铸铝合金外壳内。典型的光工作站的原理如图 12 所示。,图412国内某品牌野外型光工作站原理框图,4.5.3光接收机的主要技术指标,4.6 光放大器,4.6.1 间接光放大器功能原理4.6.2 直接光放大器功能原理4.6.3 掺饵光纤放大器的结构4.6.4 光放大器的主要技术指标,4.6.1 间接光放大器功能原理,间接放大是先把光信号解调出来，还原为电信号，利用普通的干线放大器把它放大后再调制成光信号。可见一个间接放大的光放大器实际上是由一个光接收机、一个电放大器和一个光发射机组成。利用这种方式，每放大一次，载噪比和CSO就会降低 3dB,CTB会降

23、低6dB，故对模拟信号只能放大一次。这种方式主要用于调频光纤系统，特别是数字光纤线路，因为数字信号通过脉冲幅度再生、波形再生及再定时功能，随时可以把信号恢复到同发送端完全相同的数字信号，非线性指标和载噪比指标都不会降低，故对数字信号能够放大 100 次。,4.6.2 直接光放大器功能原理,直接放大是用输入的光信号去激励已经实现粒子数反转的激活物质，得到光强增大的光。它和激光器的区别在于激光器的反馈较强，实现了光振荡；而直接放大的光放大器，反馈较小，要抑制光振荡。这一点非常类似于电信号处理中放大器和振荡器之间的关系。直接放大的光放大器主要有半导体光放大器和光纤放大器两类。半导体光放大器可以集成化

24、，做成很小的器件，但技术难度大，与光纤祸合时损耗也大。目前应用最为广泛的主要是光纤放大器。,在有线电视系统中，光纤放大器一般用于 3 种情况。一是接在光发射机的输出端，用来提高光发射机的输出功率，称为光发射机的后置放大器（或称为光增强器）;二是接在光接收机的输入端，用来提高光接收机的灵敏度，称为光接收机的前置放大器（或称预放器）；三是接在光纤线路中间，增加传输距离，称为光中继器。,4.6.3 掺饵光纤放大器的结构,（1）掺饵光纤放大器的结构原理图 4-15 为掺饵光纤放大器的结构简图，泵浦激光器的光波通过波分复用器祸合进入掺饵光纤，将电子基态能级抽运到亚稳态能级，造成离子数反转。当光信号波也通

25、过波分复用器进入光纤时，就诱导亚稳态能级上的电子向下跃迁，并释放与信号光波波长相同的激光，从而造成信号光波的加强，即实现了光信号的放大。为了防止信号光波在掺饵光纤之后又反射回掺饵光纤，以及从掺饵光纤反射回光源，掺饵光纤两端都加有光隔离器。,（2）1550nm CATV掺铒光纤放大器实例,图416国内某品牌1550nm CATV掺铒光纤放大器原理框图,4.6.4 光放大器的主要技术指标,掺饵光纤放大器的主要性能参数有：增益、饱和输出功率、噪声系数和非线性失真。（1）增益 在掺饵光纤放大器中，增益是描述光纤放大器对光信号的放大能力的性能参数，定义为输出信号光功率与输入信号光功率之比，以分贝表示。（

26、2）饱和输出功率 饱和输出功率定义为一个输出功率阈值，这个阈值是光纤放大器从线性增益区变化到非线性增益区的转折点。这个转折点的增益为掺饵光纤放大器小信号增益的一半。光纤放大器应工作于饱和状态。,（3）噪声系数 噪声系数是衡量掺饵光纤放大器内部噪声的参数。光纤放大器的主要噪声是信号光与掺饵光纤中自发辐射间的差拍噪声，对于 980nrn 泵浦的掺饵光纤放大器，噪声系数的理论极限为 3dB；对于 1 480nm 泵浦的掺饵光纤放大器，噪声系数的理论极限为 3.5dB。实际的掺饵光纤放大器的噪声系数大于等于 4.5dB，并随输入光功率而变，信号光功率过大或过小，噪声系数都大。对于一个给定的光纤放大器，有一个使噪声系数最小的输入光功率最佳值。,（4）非线性失 真非线性失真主要是由增益谱的不平坦引起的。光发射机在 AM 一 VSB 直接调制下，激光器会产生调频效应，经过光纤放大器后的输出信号光功率会产生信号幅度失真。这种失真经分析为二阶非线性失真，将导致 C/CSO 指标下降。,