光纖通信系統(tǒng)PPT演示課件

光纖通信系統(tǒng),4.1 光纖通信概述4.2 光纖與光纜4.3 光纖通信系統(tǒng)4.4 光纖通信新技術(shù),1,4.1 光纖通信概述,光纖通信是以光波作為載體，以光導(dǎo)纖維作為傳輸媒介的一種通信技術(shù)。光纖通信以其寬帶、大容量、低損耗、長(zhǎng)中繼、抗電磁干擾、體積小、重量輕、便于敷設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)代長(zhǎng)途通信最主要手段。 本章首先對(duì)光纖通信的發(fā)展歷史做出回顧，然后對(duì)光纖通信的特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明，重點(diǎn)闡述光纖的結(jié)構(gòu)、分類、光波傳輸機(jī)理以及光纖通信系統(tǒng)各組成部分的工作原理。最后，簡(jiǎn)要介紹了一些光纖通信新技術(shù)。,2,4.1.1 光纖通信發(fā)展簡(jiǎn)史,3,1960年，美國(guó)加州休斯實(shí)驗(yàn)室第一臺(tái)固體紅寶石激光器1961年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室氦-氫氣體激光器1966年，高錕提出帶有包層材料的石英玻璃光纖1970年，美國(guó)康寧玻璃公司首次制成了損耗僅為20dB/km的低損耗光纖1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室砷化鎵鋁半導(dǎo)體激光器,光纖通信發(fā)展簡(jiǎn)史（續(xù)）,4,1974年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室制造出1dB/km損耗的低損耗光纖。 至此制約光纖通信的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，光源和傳輸媒介問(wèn)題完全得到解決。光纖通信的普及和推廣獲得了高速發(fā)展的基本條件。1977年美國(guó)芝加哥率先開(kāi)通了第一條45Mb/s的商用光纖通信系統(tǒng)。 目前，國(guó)際國(guó)內(nèi)長(zhǎng)途通信傳輸網(wǎng)的光纖化比例已經(jīng)超過(guò)90%,4.1.2 光纖通信的特點(diǎn),5,傳輸損耗小，中繼距離長(zhǎng)：1.55m波長(zhǎng)附近約0.2-0.3dB/km，中繼跨度百公里。 傳輸頻帶寬，通信容量大：?jiǎn)文９饫w的潛在帶寬可達(dá)幾十太赫茲（1012Hz） 抗電磁干擾，保密效果好 體積小、重量輕、便于運(yùn)輸和敷設(shè) 原材料豐富、節(jié)約有色金屬、有利于環(huán)保 不足：光纖質(zhì)地脆弱易斷，敷設(shè)時(shí)的彎曲半徑不宜太小,4.2 光纖與光纜,6,光纖與光纜的結(jié)構(gòu)、分類以及光纖的導(dǎo)光原理。,4.2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與分類,7,光纖是多層同軸圓柱體，自內(nèi)向外為纖芯、包層、涂覆層，稱為裸纖。包層外面涂覆一層硅酮樹(shù)脂或聚氨基甲酸乙酯（30150m），然后增加保護(hù)套加以保護(hù)。 纖芯和包層是高純度石英材料，包層折射率略低于纖芯，與纖芯一起形成光的全反射通道，使光波的傳輸局限于纖芯內(nèi)。,1. 光纖的結(jié)構(gòu),8,2. 光纖的分類（表4.1）,9,3. 光纖的折射率徑向分布圖,10,4.2.2 光纖的導(dǎo)光原理,11,在光學(xué)理論中，當(dāng)傳輸媒介的幾何尺寸遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)時(shí)，可以把光表示成其傳播方向上的一條幾何線，稱為光射線。用光射線來(lái)分析光傳播特性的方法，稱為射線法。下面通過(guò)射線法來(lái)分析光在階躍型光纖中的導(dǎo)光原理。,1.光的反射與折射定律,入=反,12,當(dāng)折900時(shí)，折射光線會(huì)反射回到纖芯進(jìn)行傳播，這種現(xiàn)象稱為全反射。,2.光纖中的全反射傳輸,調(diào)整入射角，使得折290度而發(fā)生全反射：,13,4.2.3 光纖的傳輸特性(P83),光纖的傳輸特性描述的是光纖的傳輸損耗、色散和非線性效應(yīng)。,14,4.2.3光纖的傳輸特性,1 光纖的損耗特性2 光纖的色散特性3 成纜對(duì)光纖特性的影響4 典型光纖參數(shù),15,1、光纖的損耗特性,吸收損耗吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過(guò)渡金屬離子和氫氧根離子(OH)等雜質(zhì)對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗，前者是由光纖材料本身的特性所決定的，稱為本征吸收損耗。,16,1. 本征吸收損耗 本征吸收損耗在光學(xué)波長(zhǎng)及其附近有兩種基本的吸收方式。(1) 紫外吸收損耗 紫外吸收損耗是由光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)時(shí)，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起的損耗。,17,(2) 紅外吸收損耗 紅外吸收損耗是由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時(shí)，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動(dòng)加劇，從而引起的損耗。2. 雜質(zhì)吸收損耗 光纖中的有害雜質(zhì)主要有過(guò)渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH。,18,3. 原子缺陷吸收損耗 通常在光纖的制造過(guò)程中，光纖材料受到某種熱激勵(lì)或光輻射時(shí)將會(huì)發(fā)生某個(gè)共價(jià)鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時(shí)晶格很容易在光場(chǎng)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長(zhǎng)約為630nm左右。,19,散射損耗1. 線性散射損耗 任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無(wú)缺的，無(wú)論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均勻，這將引起光纖傳播模式散射性的損耗，由于這類損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率成線性關(guān)系，所以稱為線性散射損耗。,20,(1) 瑞利散射 瑞利散射是一種最基本的散射過(guò)程，屬于固有散射。 對(duì)于短波長(zhǎng)光纖，損耗主要取決于瑞利散射損耗。值得強(qiáng)調(diào)的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構(gòu)成光纖損耗的理論極限值。,21,(2) 光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗(波導(dǎo)散射損耗)在光纖制造過(guò)程中，由于工藝、技術(shù)問(wèn)題以及一些隨機(jī)因素，可能造成光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面不完整、芯徑變化、圓度不均勻、光纖中殘留氣泡和裂痕等等。,22,2. 非線性散射損耗 光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動(dòng)激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。,23,彎曲損耗 光纖的彎曲有兩種形式：一種是曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，我們習(xí)慣稱為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產(chǎn)生微米級(jí)的彎曲，這種高頻彎曲習(xí)慣稱為微彎。,24,在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過(guò)程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。 微彎是由于光纖受到側(cè)壓力和套塑光纖遇到溫度變化時(shí)，光纖的纖芯、包層和套塑的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的，其損耗機(jī)理和彎曲一致，也是由模式變換引起的。,25,光纖損耗系數(shù) 為了衡量一根光纖損耗特性的好壞，在此引入損耗系數(shù)(或稱為衰減系數(shù))的概念，即傳輸單位長(zhǎng)度(1km)光纖所引起的光功率減小的分貝數(shù)，一般用表示損耗系數(shù)，單位是dB/km。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：,26,式中：L為光纖長(zhǎng)度，以km為單位；P1和P2分別為光纖的輸入和輸出光功率，以mW或W為單位。,27,2、光纖的色散特性,色散的概念P83 理想光源應(yīng)是頻率單一的單色光，但現(xiàn)實(shí)光源信號(hào)不純，含有不同的波長(zhǎng)成分，在折射率為n1的光纖介質(zhì)中傳輸速度不同，從而導(dǎo)致光信號(hào)分量產(chǎn)生不同延遲，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散。 具體表現(xiàn)為當(dāng)光脈沖沿著光纖傳輸一定距離后脈沖寬度展寬，嚴(yán)重時(shí)前后脈沖相互重疊，難以分辨。 有三個(gè)參數(shù)色散系數(shù)、最大時(shí)延差、光纖帶寬系數(shù)可以分別從不同的角度來(lái)描述光纖色散的程度。,28,光纖色散的類型,29,模式色散：在多模光纖中，因同一波長(zhǎng)分量的各種傳導(dǎo)模式的相位不同、群速度不同而導(dǎo)致光脈沖展寬的現(xiàn)象，稱為模式色散（或模間色散）。用光的射線理論來(lái)說(shuō)，就是由于軌跡不同的各光線沿軸向的平均速度不同所造成的時(shí)延差。 材料色散：由光纖材料自身特性造成的。 波導(dǎo)色散：由光纖中的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的。 多模光纖主要考慮模式色散，單模光纖主要考慮材料色散和波導(dǎo)色散。,29,1. 階躍型光纖中的模式色散 在階躍型光纖中，傳播最快的和最慢的兩條光線分別是沿軸線方向傳播的光線和以臨界角c入射的光線，如圖3.6所示。因此，在階躍型光纖中最大色散是光線和光線到達(dá)終端的時(shí)延差。,30,圖3.6 階躍型光纖的模式色散,31,2. 漸變型光纖中的模式色散 在漸變型光纖中合理地設(shè)計(jì)光纖折射率分布，使光線在光纖中傳播時(shí)速度得到補(bǔ)償，從而模式色散引起的光脈沖展寬將很小。,32,材料色散 一般情況下，材料色散往往是用色散系數(shù)這個(gè)物理量來(lái)衡量，色散系數(shù)定義為單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)各頻率成份通過(guò)單位長(zhǎng)度光纖所產(chǎn)生的色散，用D()表示，單位是ps/（nmkm）。,33,2. 材料色散 在已知材料色散系數(shù)的前提下，材料色散的表達(dá)式可根據(jù)色散系數(shù)的定義導(dǎo)出，材料色散用m表示。m()=Dm()L （3-25） 式(3-25)中：為光源的譜線寬度，即光功率下降到峰值光功率一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍；L是光纖的傳播長(zhǎng)度。,34,波導(dǎo)色散 式(3-23)中的第二項(xiàng)與波導(dǎo)的歸一化傳播常數(shù)b和波導(dǎo)的歸一化頻率V有關(guān)，而b和V又都是光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，所以式(3-23)中的第二項(xiàng)稱之為波導(dǎo)色散系數(shù)，用Dw()表示。,35,極化色散 極化色散也稱為偏振模色散，用p表示。從本質(zhì)上講屬于模式色散，這里僅給出粗略的概念。 單模光纖中可能同時(shí)存在LP01x和LP01y兩種基模，也可能只存在其中一種模式，并且可能由于激勵(lì)和邊界條件的隨機(jī)變化而出現(xiàn)這兩種模式的交替。,36,當(dāng)光纖中存在著雙折射現(xiàn)象時(shí)，兩個(gè)極化正交的LP01x和LP01y模傳播常數(shù)x和y不相等。對(duì)于弱導(dǎo)光纖，y和x之差可以近似地表示為：式中：nx和ny分別為x方向和y方向的折射率。,37,總色散光纖的總色散為：值得說(shuō)明的是，單模光纖一般只給出色散系數(shù)D，其中包含了材料色散和波導(dǎo)色散的共同影響。,38,單模光纖中的色散系數(shù)與波長(zhǎng)關(guān)系,39,39,光纖的色散和帶寬對(duì)通信容量的影響 光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性。其中色散特性是在時(shí)域中的表現(xiàn)形式，即光脈沖經(jīng)過(guò)光纖傳輸后脈沖在時(shí)間坐標(biāo)軸上展寬了多少；而帶寬特性是在頻域中的表現(xiàn)形式，在頻域中對(duì)于調(diào)制信號(hào)而言，光纖可以看作是一個(gè)低通濾波器，當(dāng)調(diào)制信號(hào)的高頻分量通過(guò)光纖時(shí)，就會(huì)受到嚴(yán)重衰減，如圖3.12所示。,40,圖3.12 光纖的帶寬(f為調(diào)制信號(hào)頻率),41,通常把調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳播后，光功率下降一半(即3dB)時(shí)的頻率(fc)的大小，定義為光纖的帶寬(B)。由于它是光功率下降3dB對(duì)應(yīng)的頻率，故也稱為3dB光帶寬?？捎檬?3-33)表示。,42,光功率總是要用光電子器件來(lái)檢測(cè)，而光檢測(cè)器輸出的電流正比于被檢測(cè)的光功率，于是：從式(3-34)中可以看出，3dB光帶寬對(duì)應(yīng)于6dB電帶寬。,43,1. 色散與帶寬的關(guān)系 既然脈沖展寬、色散和帶寬描述著光纖的同一個(gè)特性，那么它們之間必然存在著一定的聯(lián)系。2. 模式畸變帶寬和波長(zhǎng)色散帶寬 由于總色散包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散，所以光纖的總帶寬也可表示為：,44,式中：BM是由模式色散引起的模式畸變帶寬；Bc是由材料色散和波導(dǎo)色散引起的波長(zhǎng)色散帶寬。,45,波長(zhǎng)色散帶寬定義為：式中：是光源的譜線寬度，單位是nm；L是光纖的長(zhǎng)度，單位是km；D()是材料色散和波導(dǎo)色散的色散系數(shù)(即波長(zhǎng)色散系數(shù))，單位是ps/(nmkm)，其中材料色散占主導(dǎo)地位。,46,3. 鏈路總帶寬對(duì)通信容量的影響 光纖鏈路總帶寬與光纖長(zhǎng)度之間的關(guān)系要分光纖鏈路中間有無(wú)接頭。對(duì)于無(wú)接頭的一個(gè)制造長(zhǎng)度的光纖總帶寬BT與其單位公里帶寬B的關(guān)系如下：BT=BL- 式中：L是光纖的制造長(zhǎng)度(km)，為帶寬距離指數(shù)，它的取值與光纖的剖面分布及模耦合狀態(tài)有關(guān)，一般在0.51.0之間(多模光纖取0.50.9，單模光纖1)。,47,成纜對(duì)光纖特性的影響,光纜特性1. 拉力特性 光纜能承受的最大拉力取決于加強(qiáng)構(gòu)件的材料和橫截面積，一般要求大于1km光纜的重量，多數(shù)光纜在100400kg范圍。,48,2.壓力特性 光纜能承受的最大側(cè)壓力取決于護(hù)套的材料和結(jié)構(gòu)，多數(shù)光纜能承受的最大側(cè)壓力在100400kg/10cm。3.彎曲特性 彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對(duì)折射率差以及光纜的材料和結(jié)構(gòu)。4.溫度特性 光纖本身具有良好的溫度特性。,49,成纜對(duì)光纖特性的影響1. 成纜的附加損耗 不良的成纜工藝，把光纖制成光纜后，會(huì)帶來(lái)附加損耗，稱之為成纜損耗。2. 成纜可以改善光纖的溫度特性 套塑光纖或帶有表面涂層的光纖，它的損耗隨溫度變化如圖3.14中虛線所示。,50,圖3.14 光纖和光纜的溫度特征,51,把光纖制成光纜，溫度特性會(huì)得到相當(dāng)大的改善，如圖3.14中的實(shí)線所示。3. 機(jī)械強(qiáng)度增加 這一點(diǎn)是很顯然的。一般光纖的斷點(diǎn)強(qiáng)度約為15kg，而由于光纜結(jié)構(gòu)中加入了加強(qiáng)構(gòu)件、護(hù)套、甚至鎧裝層等，因此其斷點(diǎn)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于上述值；不僅如此，光纜的抗側(cè)壓、抗沖擊和抗扭曲性能都有明顯增強(qiáng)。,52,典型光纖參數(shù),目前，ITU-T(國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu))分別對(duì)G.651光纖、G.652光纖、G.653光纖、G.654光纖、G.655光纖的主要參數(shù)特性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。 G.651光纖稱為漸變型多模光纖，這種光纖在光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)中。,53,G.652光纖稱為常規(guī)單模光纖，其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)1.31m處色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離一般只受損耗的限制。 G.653光纖稱為色散位移光纖，其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)1.55m處色散為零，損耗又最小。,54,G.654光纖稱為截止波長(zhǎng)光纖，其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)1.31m處色散為零，在1.55m處色散為1720ps/nmkm，和G.652光纖相同。 G.655光纖稱為非零色散位移光纖，是一種改進(jìn)的色散位移光纖。,55,56,57,58,3.非線性效應(yīng),59,非線性效應(yīng)在波分復(fù)用信道間產(chǎn)生串話和功率降低代價(jià)，限制光纖通信的傳輸容量和最大傳輸距離，影響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。 光纖中的非線性效應(yīng)分為兩類:非彈性過(guò)程和彈性過(guò)程。,4.2.4 光纜,60,光纜的分類,幾種光纜的結(jié)構(gòu),61,4.3光纖通信系統(tǒng),62,光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，以光導(dǎo)纖維為傳輸媒介來(lái)傳輸消息的通信系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)主要由電端機(jī)、光端機(jī)、光中繼器和光纜組成。,1. 電發(fā)送端機(jī),63,把信源消息轉(zhuǎn)換成電數(shù)字信號(hào)。,2. 光發(fā)送端機(jī),64,光源的調(diào)制有直接調(diào)制或外調(diào)制兩種方式：,3. 光端機(jī)的調(diào)制方式,65,直接調(diào)制（強(qiáng)-直調(diào)制）：利用電信號(hào)調(diào)制光波的幅度，驅(qū)動(dòng)電路輸出“0”、“1”脈沖信號(hào)直接控制光源的發(fā)光強(qiáng)度。適用于低速的半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）。 外腔調(diào)制（相干光調(diào)制）：把激光送入到外腔調(diào)制器，然后用電數(shù)字信號(hào)控制調(diào)制器，適用于高速激光器（LD）調(diào)制。外調(diào)制可選擇調(diào)制光波的頻率或相位。,例子：一種直接調(diào)制的共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路,66,4. 光中繼器,光-電-光中繼方式正在被光放大器取代，例如，摻鉺光纖放大器（EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier）可以放大1.55m波長(zhǎng)附近的光信號(hào)，適用于長(zhǎng)途越洋光通信系統(tǒng)。,67,5. 光接收端機(jī),將光纖傳輸過(guò)來(lái)的微弱光信號(hào)，經(jīng)光檢測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后再經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到電接收端機(jī)去。,68,電信號(hào),6.電接收端機(jī),69,電接收端機(jī)接收判決器輸出的再生碼元數(shù)據(jù)流，并還原為信宿可接收的形式。,4.4 光纖通信新技術(shù),70,超大容量、超長(zhǎng)距離、超高速傳輸一直光纖通信新技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。 拓展光纖可用“窗口”的波長(zhǎng)范圍可以提高光纖帶寬； 降低損耗系數(shù)()可以增加光纖中繼距離； 光波分復(fù)用或光時(shí)分復(fù)用可以增大系統(tǒng)容量； 相干光通信和光孤子通信也是研發(fā)熱點(diǎn)。 本節(jié)將對(duì)其中的一些內(nèi)容進(jìn)行概要介紹。,4.4.1 光波分復(fù)用與光時(shí)分復(fù)用,71,采用光波分復(fù)用（WDM）或光時(shí)分復(fù)用（OTDM）技術(shù)可以在不增加線路投資的情況下，擴(kuò)大系統(tǒng)容量。,1. 光波分復(fù)用,72,光波分復(fù)用：利用不同波長(zhǎng)的光信號(hào)作為載波來(lái)傳輸多路光信號(hào)。,2. 光波分復(fù)用的類型,73,根據(jù)光波分復(fù)用時(shí)波長(zhǎng)間隔的大小可以將波分復(fù)用系統(tǒng)分為三種類型： 密集波分復(fù)用（DWDM）：波長(zhǎng)間隔 110nm 稀疏波分復(fù)用（CWDM）：波長(zhǎng)間隔 10100nm 光頻分復(fù)用（OFDM）：波長(zhǎng)間隔1nm （未獲實(shí)用）,3. 光時(shí)分復(fù)用,74,類似電脈沖信號(hào)的時(shí)分復(fù)用，光時(shí)分復(fù)用是把低速的光脈沖信號(hào)復(fù)合在一起，形成超高速光脈沖信號(hào)的一