【正文】 第 1 章 光纖通信概述 光纖通信 本章簡要介紹光纖通信的基本概念、發(fā)展簡史及其突出的優(yōu)點。 光纖通信的概念 所謂光纖通信，就是利用光纖來傳輸攜帶信息的光波以達到通信之目的。 要使光波成為攜帶信息的載體，必須在發(fā)射端對其進行調制，而在接收端把信息從光波中檢測出來（解調）。依目前技術水平，大部分采用強度調制與直接檢測方式（ IMDD）。 典型的數字光纖通信系統方框圖 如圖 11 所示 。 圖 11 數字光纖通信系統 從 圖 11 可以看出，數字光纖通信系統基本上由光發(fā)射機、光纖與光接收機組成。在發(fā)射端，電端機把模擬信息（如話音）進行模 /數轉換，用轉換后的數字信號去調制發(fā)射機中的光源器件（一般是半導體激光器 LD），則光源器件就會發(fā)出攜帶信息的光波。如當數字信號為“ 1”時，光源器件發(fā)射一個“傳號”光脈沖；當數字信號為“ 0”時，光源器件發(fā)射一個“空號”（不發(fā)光）。光波經光纖傳輸后到達接收端。在接收端，光接收機把數字信號從光波中檢測出來送給電端機，而電端機再進行數 /模轉換，恢復成原來的模擬信息。就這樣完成了一次通信的全過程。 光纖基礎 光纖的結構 通信用光纖主要是由纖芯和包層構成，包層外是涂覆層，整根光纖呈圓柱形。光纖的典型結構如圖 12 所示。 圖 12 光纖的典型結構 纖芯的粗細、纖芯材料和包層材料的折射率，對光纖的特性起著決定性的影響。圖 13所示為常用光纖三種基本類型。 圖 13 常用光纖三種基本類型 按照光在光纖中傳輸模式的不同，分為單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑極細，一般不到 10?m，如圖 15（ a）所示；多模光纖的纖芯直徑較粗，通常在 50?m 左右。但從光纖的外觀上來看，兩種光纖區(qū)別不大。 從圖中可以看出，在纖芯和包層橫截面上，折射率剖面有兩種典型的分布。對于多模光纖而言，一種是纖芯和包層折射率 沿光纖徑向分布都是均勻的，而在纖芯和包層的交界面上，折射率呈階梯形突變，這種光纖稱為突變型光纖，如圖 15（ b）所示；另一種是纖芯的折射率不是均勻常數，而是隨纖芯徑向坐標增加而逐漸減小，一直漸變到等于包層折射率值，因而將這種光纖稱為漸變型光纖，如圖 15（ c）所示。這兩種光纖剖面的共同特點是：纖芯的折射率 n1 大于包層折射率 n2，這也是光信號在光纖中傳輸的必要條件。對于突變型光纖而言，它可以使光波在纖芯和包層的交界面形成全反射，引導光波沿纖芯向前傳播；對于漸變型光纖而言，它可以使光波在纖芯中產生連續(xù)折射，形成 穿過光纖軸線的類似于正弦波的光射線，引導光波沿纖芯向前傳播，兩種光射線軌跡如圖 15（ b）、（ c）所示。 光纖的基本特性 1. 衰減系數 光纖的損耗主要包括吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗三種，在彎曲半徑較大的情況下，彎曲損耗對光纖衰減系數的影響不大，決定光纖衰減系數的損耗主要是吸收損耗和散射損耗。 吸收損耗是制造光纖的材料本身造成的，是光纖中過量金屬雜質和氫氧根離子 OH吸收光而產生的光功率損耗。 散射損耗通常是由于光纖材料密度的微觀變化，以及所含 SiO GeO2 和 P2O5等成分的濃度不均勻， 使得光纖中出現一些折射率分布不均勻的局部區(qū)域，從而引起光的散射，將一部分光功率散射到光纖外部引起損耗；或者在制造光纖的過程中，在纖芯和包層交界面上出現某些缺陷、殘留一些氣泡和氣痕等。這些結構上有缺陷的幾何尺寸遠大于光波，引起與波長無關的散射損耗，并且將整個光纖損耗譜曲線上移，但這種散射損耗相對前一種散射損耗而言要小得多。 綜合以上幾個方面的損耗，單模光纖的衰減系數一般分別為 ～ （ 1310nm 區(qū)域）和 ～ （ 1550nm 區(qū)域）。 ITUT 1310nm 和 1550nm的衰減系數應分別小于 。 2. 色散系數 光纖的色散指光纖中攜帶信號能量的各種模式成分或信號自身的不同頻率成分因群速度不同，在傳播過程中互相散開，從而引起信號失真的物理現象。一般光纖存在三種色散： ? 模式色散：光纖中攜帶同一個頻率信號能量的各種模式成分，在傳輸過程中由于不同模式的時間延遲不同而引起的色散。 ? 材料色散：由于光纖纖芯材料的折射率隨頻率變化，使得光纖中不同頻率的信號分量具有不同的傳播速度 而引起的色散。 ? 波導色散：光纖中具有同一個模式但攜帶不同頻率的信號，因為不同的傳播群速度而引起的色散。 幾種典型光纖的色散特性如圖 14 所示。 圖 14 典型光纖的色散特性 3. 模場直徑 單模光纖的纖芯直徑為 8～ 10?m，與工作波長 ～ ?m 處于同一量級，由于衍射效應，不易測出纖芯直徑的精確值。此外，由于基模 LP 01 場強的分布不只局限于纖芯之內，因而單模光纖纖芯直徑的概念在物理上已沒有什么意義，所以改用模場直徑的概念。模場直徑是產生空間光強分布的基模場分布的有效直徑，也就是通常說的基模光斑的直徑。 光纖在 1310nm 波長區(qū)的模場直徑標稱值在 ～ ?m 范圍，偏差小于 10%； 光纖在 1550nm 波長區(qū)的模場直徑標稱值在 8～ 11?m 范圍，偏差小于 10%。 上述兩種單模光纖的包層直徑均為 125?m。 4. 截止波長 為避免模式噪聲和色散代價，系統光纜中的最短光纜長度的截止波長應該小于系統的最低工作波長，截止波長條件可以保證在最短光纜長度上單模傳輸，并且可以抑制高階模的產生或可以將產生的高階模式噪聲功率代價減小到完全可以忽略的地步。目前 ITUT 定義了三種截止波長： ? 短于 2m長跳線光纜中的一次涂覆光纖的截止波長； ? 22m長成纜光纖的截止波長； ? 2～ 20m長跳線光纜的截止波長。 5. 零色散波長 當光纖的材料色散和波導色散在某個波長互相抵消時，光纖總的色度色散為零，該波長即為零色散波長。一般來講，光纖的零色散波長位于 1310nm波長區(qū)內，但人們可以通過巧妙的波導結構設計使光纖的零色散波長移到我們所希望的波長區(qū)內，從而制造出色散移位光纖。 6. 零色散斜率 在零色散波長附近，光纖的色度色散系數隨波長而變化的曲線斜率稱之為零色散斜率。其值越小，說明光纖的色散系數隨波長的變化越緩慢，因此越容易一次性地對其區(qū)域內的所有光波長進行色散補償，這一點對于 WDM 系 統尤其重要，因為 WDM 系統是工作在某個波長區(qū)而不是某個單波長。 光纖的種類 ITUT 首先在建議 中定義了多模光纖。由于單模光纖具有低損耗、帶寬大、易于擴容和成本低等特點，目前國際上已一致認同 SDH/DWDM 光傳輸系統使用單模光纖作為傳輸媒質。 ITUT 在 、 、 和 建議中分別定義了四種單模光纖，在此一并予以簡要介紹。 1. 光纖 光纖是一種折射率漸變型多模光纖，主要應用于 850nm 和 1310nm兩個波長區(qū)域的模擬或數字信號傳輸。其 纖芯直徑為 50?m，包層直徑 125?m。在 850nm 波長區(qū)衰減系數低于4dB/km，色散系數低于 120ps/；在 1310nm 波長區(qū)衰減系數低于 2dB/km，色散系數低于 6ps/。 2. 光纖 光纖即指零色散點在 1310nm 波長附近的常規(guī)單模光纖，又稱色散未移位光纖，這也是到目前為止得到最為廣泛應用的單模光纖?？梢詰迷?1310nm和 1550nm 兩個波長區(qū)域，但在 1310nm 波長區(qū)域具有零色散點，低達 。在 1310nm 波長區(qū)，其衰減系數也較小，規(guī) 范值為 ～ （實際光纖的衰減系數低于該規(guī)范值）。故稱其為1310nm 波長性能最佳光纖。 在 1550nm波長區(qū)域， 光纖呈現出極低的衰減，其衰減系數規(guī)范值為 ～ 。但在該波長區(qū)的色散系數較大，一般約 20ps/。 由于在 1310nm波長區(qū)域目前還沒有商用化的光放大器，解決不了超長距離傳輸的問題，所以 光纖雖然稱為 1310nm 波長性能最佳光纖，但仍然大部分工作于 1550nm 波長區(qū)域。 在 1550nm波長區(qū)域，用 TDM 方式的 的 WDM 信號是沒有問題的，因為后者對光纖的色散要求仍相當于單波長 系統的要求。但用來傳輸 10Gbit/s 的 SDH 信號或基于 10Gbit/s 的 WDM 信號則會遇到相當大的麻煩。這是因為一方面 ，會出現色散受限的問題；另一方面還出現了偏振模色散（ PMD）受限的問題。 3. 光纖 光纖即零色散點在 1550nm 波長附近的常規(guī)單模光纖，又稱色散移位光纖。它主要應用于 1550nm 波長區(qū)域，且在 1550nm波長區(qū)域的性能最佳。因為在光纖制造時已對光纖的零色散點進行了移位設計，即通過改變光纖內折射率分布的辦法把光纖的零色散點從1310nm 波長移位到 1550nm 波長處，所以它在 1550nm 波長區(qū)域的色散系數最小，低達。而且其衰減系數在該波長區(qū)也呈現出極小的數值，其規(guī)范值為 ～。故稱其為 1550nm 波長性能最佳光纖。 在 1550nm波長區(qū)域，因為 光纖的色散系數極小，所以特別適合傳輸單波長、大容量的 SDH 信號。例如用它來傳輸 TDM 方式的 10Gbit/s 的 SDH信號是沒有問題的。但是，用它來傳輸 WDM 信號則會遇到麻煩，即出現嚴重的四波混頻效應（ FWM）。 考慮到今后網絡設備將向超大容量密集波分復用系統方向發(fā)展，今后網上不宜使用 光纖。 4. 光纖 1550nm波長衰減最小光纖，它以努力降低光纖的衰減為主要目的，在 1550nm波長區(qū)域的衰減系數低達 ～ ，而零色散點仍然在 1310nm 波長處。 主要應用于需要中繼距離很長的海底光纖通信，但其傳輸容量卻不能太大。 5. 光纖 光纖是近幾年涌現的新型光纖，基本設計思想是在 1550nm 窗口工作波長區(qū)具有合理的、較低的色散，足以支持 10Gbit/s 以上速率的長距離傳輸而無需色散補償，從而節(jié)省了色 散補償器件及其附加光放大器的成本；同時，其色散值又保持非零特性，具有最小數值限制，足以壓制四波混頻和交叉相位調制等非線性影響，同時滿足 TDM和 WDM 兩種發(fā)展方向的需要。因此， 光纖可以用來傳輸單個載波上信號速率為 光信號，復用的波長通道數量可達幾十、幾百個。它代表了今后光纖發(fā)展的方向。 第 2 章 SDH 概述 SDH產生的背景 SDH 全稱叫做同步數字傳輸體制，是一種傳輸的體制（協議），就象 PDH—— 準同步數字傳輸體制一樣， SDH 這種傳輸體制規(guī)范了數字信號的幀結構、復用方式、傳輸速率等級，接口碼型等特性。傳輸系統是通信網的重要組成部分，傳輸系統的好壞直接制約著通信網的發(fā)展。當前世界各國大力發(fā)展的信息高速公路，其中一個重點就是組建大容量的光纖傳輸網絡，不斷提高傳輸線路上的信號速率，擴寬傳輸頻帶，就好比一條不斷擴展的能容納大量車流的高速公路。同時用戶希望傳輸網能有世界范圍的接口標準，能實現我 們這個地球村中的每一個用戶隨時隨地便捷地通信。目前傳統的 PDH 傳輸網，由于其復用方式不能滿足信號大容量傳輸要求，而且 PDH 體制的地區(qū)性規(guī)范也使網絡互連增加了難度，由此看出在通信網向大容量、標準化發(fā)展的今天， PDH 的傳輸體制已經愈來愈成為現代通信網的瓶頸，制約了傳輸網向更高的速率發(fā)展。傳統 PDH 的缺陷： 1. 業(yè)務接口 (1) 只有地區(qū)性的電接口規(guī)范，不存在世界性標準?，F有的 PDH 數字信號序列有三種信號速率等級：歐洲系列、日本系列和北美系列。各種信號系列的電接口速率等級以及信號的幀結構、復用方式均 不相同，這種局面造成了國際互通的困難，不適應當前隨時隨地便捷通信的發(fā)展趨勢。三種信號系列的電接口速率等級如圖 21 所示。 圖 21 電接口速率等級圖 (2) 沒有世界性標準的光接口規(guī)范。為了完成設備對光路上的傳輸性能進行監(jiān)控，各廠家各自采用自行開發(fā)的線路碼型。典型的例子是mBnB 碼。其中 mB 為信息碼， nB 是冗余碼，冗余碼的作用是實現設備對線路傳輸性能的監(jiān)控功能。由于冗余碼的接入使同一速率等級上光接口的信號速率大于電接口的標準信號速率，不僅增加了發(fā)光器的光功率代價，而且由于各廠家在進行線路編碼時，為完成不同的線路監(jiān)控功能，在信息碼后加上不同的冗余碼，導致不同廠家同一速率等級的光接口碼 型和速率也不一樣，致使不同廠家的設備無法實現橫向兼容。這樣在同一傳輸路線兩端必須采用同一廠家的設備，給組網、管理及網絡互通帶來困難。 2. 復用方式 現在的 PDH 體制中，只有 （包括日本系列 信號）是同步的，其他速率的信號都是異步的，需要通過碼速的調整來匹配和容納時鐘的差異。由于 PDH 采用異步復用方式，那么就導致當低速信號復用到高速信號時，其在高速信號的幀結構中的位置沒規(guī)律性和固定性。也就是說在高速信號中不能確認低速信號的位置，而這一點正是能否 從高速信號中直接分 /插出低速信號的關鍵所在。正如你在一堆人中尋找一個沒見過的人時，若這一堆人排成整齊的隊列，那么你只要知道所要找的人站在這堆人中的第幾排和第幾列，就可以將他找了出來。若這一堆人雜亂無章的站在一起，若要找到你想找的人，就只能一個一個的按照片去尋找了。