【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(diào)制，而在接收端把信息從光波中檢測出來（解調(diào)）。依目前技術(shù)水平，大部分采用強度調(diào)制與直接檢測方式（ IMDD）。 典型的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)方框圖 如圖 11 所示 。 圖 11 數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 從 圖 11 可以看出，數(shù)字光纖通信系統(tǒng)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(shù)轉(zhuǎn)換，用轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號去調(diào)制發(fā)射機中的光源器件（一般是半導(dǎo)體激光器 LD），則光源器件就會發(fā)出攜帶信息的光波。如當(dāng)數(shù)字信號為“ 1”時，光源器件發(fā)射一個“傳號”光脈沖；當(dāng)數(shù)字信號為“ 0”時，光源器件發(fā)射一個“空號”（不發(fā)光）。光波經(jīng)光纖傳輸后到達接收端。在接收端，光接收機把數(shù)字信號從光波中檢測出來送給電端機，而電端機再進行數(shù) /模轉(zhuǎn)換，恢復(fù)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(chǔ) 光纖的結(jié)構(gòu) 通信用光纖主要是由纖芯和包層構(gòu)成，包層外是涂覆層，整根光纖呈圓柱形。光纖的典型結(jié)構(gòu)如圖 12 所示。 圖 12 光纖的典型結(jié)構(gòu) 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(shù)，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?shù)谋匾獥l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(dǎo)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(chǎn)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(dǎo)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(shù) 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(shù)的影響不大，決定光纖衰減系數(shù)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(zhì)和氫氧根離子 OH吸收光而產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)某些缺陷、殘留一些氣泡和氣痕等。這些結(jié)構(gòu)上有缺陷的幾何尺寸遠大于光波，引起與波長無關(guān)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(shù)一般分別為 ～ （ 1310nm 區(qū)域）和 ～ （ 1550nm 區(qū)域）。 ITUT 1310nm 和 1550nm的衰減系數(shù)應(yīng)分別小于 。 2. 色散系數(shù) 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(xiàn)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(dǎo)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(yīng)，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(nèi)，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(chǎn)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(tǒng)光纜中的最短光纜長度的截止波長應(yīng)該小于系統(tǒng)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(chǎn)生或可以將產(chǎn)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(dāng)光纖的材料色散和波導(dǎo)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(nèi)，但人們可以通過巧妙的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計使光纖的零色散波長移到我們所希望的波長區(qū)內(nèi)，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(shù)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(shù)隨波長的變化越緩慢，因此越容易一次性地對其區(qū)域內(nèi)的所有光波長進行色散補償，這一點對于 WDM 系 統(tǒng)尤其重要，因為 WDM 系統(tǒng)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(tǒng)使用單模光纖作為傳輸媒質(zhì)。 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(yīng)用于 850nm 和 1310nm兩個波長區(qū)域的模擬或數(shù)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(shù)低于4dB/km，色散系數(shù)低于 120ps/；在 1310nm 波長區(qū)衰減系數(shù)低于 2dB/km，色散系數(shù)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(yīng)用的單模光纖?？梢詰?yīng)用在 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(shù)也較小，規(guī) 范值為 ～ （實際光纖的衰減系數(shù)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(xiàn)出極低的衰減，其衰減系數(shù)規(guī)范值為 ～ 。但在該波長區(qū)的色散系數(shù)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?shù)膯栴}，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(dāng)于單波長 系統(tǒng)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(dāng)大的麻煩。這是因為一方面 ，會出現(xiàn)色散受限的問題；另一方面還出現(xiàn)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(yīng)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(shè)計，即通過改變光纖內(nèi)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(shù)最小，低達。而且其衰減系數(shù)在該波長區(qū)也呈現(xiàn)出極小的數(shù)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(shù)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(xiàn)嚴重的四波混頻效應(yīng)（ FWM）。 考慮到今后網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將向超大容量密集波分復(fù)用系統(tǒng)方向發(fā)展，今后網(wǎng)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(shù)低達 ～ ，而零色散點仍然在 1310nm 波長處。 主要應(yīng)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(xiàn)的新型光纖，基本設(shè)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(shù)值限制，足以壓制四波混頻和交叉相位調(diào)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(fù)用的波長通道數(shù)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(chǎn)生的背景 SDH 全稱叫做同步數(shù)字傳輸體制，是一種傳輸?shù)捏w制（協(xié)議），就象 PDH—— 準同步數(shù)字傳輸體制一樣， SDH 這種傳輸體制規(guī)范了數(shù)字信號的幀結(jié)構(gòu)、復(fù)用方式、傳輸速率等級，接口碼型等特性。傳輸系統(tǒng)是通信網(wǎng)的重要組成部分，傳輸系統(tǒng)的好壞直接制約著通信網(wǎng)的發(fā)展。當(dāng)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(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)能有世界范圍的接口標準，能實現(xiàn)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(tǒng)的 PDH 傳輸網(wǎng)，由于其復(fù)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(wǎng)絡(luò)互連增加了難度，由此看出在通信網(wǎng)向大容量、標準化發(fā)展的今天， PDH 的傳輸體制已經(jīng)愈來愈成為現(xiàn)代通信網(wǎng)的瓶頸，制約了傳輸網(wǎng)向更高的速率發(fā)展。傳統(tǒng) PDH 的缺陷： 1. 業(yè)務(wù)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(xiàn)有的 PDH 數(shù)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(jié)構(gòu)、復(fù)用方式均 不相同，這種局面造成了國際互通的困難，不適應(yīng)當(dāng)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(shè)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(xiàn)設(shè)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(dǎo)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(shè)備無法實現(xiàn)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(shè)備，給組網(wǎng)、管理及網(wǎng)絡(luò)互通帶來困難。 2. 復(fù)用方式 現(xiàn)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(diào)整來匹配和容納時鐘的差異。由于 PDH 采用異步復(fù)用方式，那么就導(dǎo)致當(dāng)?shù)退傩盘枏?fù)用到高速信號時，其在高速信號的幀結(jié)構(gòu)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(guān)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。