光傳輸通信基本原理

1、第一部分光傳輸通信基本原理_LD光發(fā)送機中繼器模擬信息第一章、光纖通信原理第一節(jié)、光纖通信的概念、光纖通信的概念光纖通信概念：利用光纖來傳輸攜帶信息的光波以達到通信的目的。典型的光纖通信系統(tǒng)方框圖如下:電端機（數(shù)字）模擬信息數(shù)字光纖通信系統(tǒng)方框圖從圖中可以看出，數(shù)字光纖通信系統(tǒng)基本上由光發(fā)送機、光纖與光接收機組 成。發(fā)送端的電端機把信息（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)送機中的光源器件 LD ，則 LD 就會發(fā)出攜帶信息的光波。即當數(shù)字信號 為“1”時，光源器件發(fā)送一個“傳號”光脈沖；當數(shù)字信號為“0”時，光源器件發(fā)送 一個“空號（”不發(fā)光）。光波經(jīng)低衰耗光纖傳輸后到達接收

2、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)成原來的信息。 就這樣完成了一次通信的全過程。 其中光發(fā)送機的調(diào)制方式有兩 種：直接調(diào)制也稱內(nèi)調(diào)制（一般速率小于等于 2.5GB/S 時）；間接調(diào)制也稱外調(diào) 制（一般速率大于 2.5GB/S 時）。二、光纖通信的特點1、通信容量大2、中繼距離長3、保密性能好2、適應(yīng)能力強5、體積小、重量輕、便于施工和維護6、原材料來源豐富，潛在的價格低廉第二節(jié)、光纖的導(dǎo)光原理一、全反射原理 我們知道，當光線在均勻介質(zhì)中傳播時是以直線方向進行的，但在到達兩種不同介質(zhì)的分界面時，會發(fā)生反射與折射現(xiàn)象，如圖 2.5 所示。圖

3、2.5光的反射與折射根據(jù)光的反射定律，反射角等于入射角。根據(jù)光的折射定律：n1Sin & = n2Sin *(22)其中ni為纖芯的折射率，n2為包層的折射率。顯然，若ni>n2,則會有B 2>也。如果ni與n2的比值增大到一定程度，則會使折射角B2為0 °，此時的折射光線不再進入包層，而會在纖芯與包層的分界面上掠過(B2=90 °時，或者重返回到纖芯中進行傳播(B 2>90。時。這種現(xiàn)象叫做光的全反射現(xiàn)象，如圖2.6所示。入射光圖：光的全反射現(xiàn)象人們把對應(yīng)于折射角B2等于90 °的入射角叫做臨界角。很容易可以得到臨界角.1門2vK =

4、Sin不難理解，當光在光纖中發(fā)生全反射現(xiàn)象時，由于光線基本上全部在纖芯區(qū)進行傳播，沒有光跑到包層中去，所以可以大大降低光纖的衰耗。早期的階躍光纖就是按這種思路進行設(shè)計的。第三節(jié)、光纖與光纜基本概念、光纖的結(jié)構(gòu)光纖呈圓柱形，由纖芯（直徑約 9-50um ）、包層（直徑約125um ）與涂敷層（直徑約1.5cm ）三大部分組成，如下圖：丿涂層包層 n21纖芯ni包層 n2涂層di d2纖芯主要采用高純度的 SiO2 （二氧化硅），并摻有少量的摻雜劑，提高纖芯的光折射率ni;包層也是高純度的二氧化硅，也摻雜一些摻雜劑，主要是降低包層的光折射率 n2 ；涂敷層采用丙烯酸酯、硅橡膠、尼龍，增加機械強度和

5、可彎曲性。、光纖的分類方式光纖有以下的分類方式：1、按折射率分布分類A、階躍光纖SI定義：在纖芯與包層區(qū)域內(nèi)，折射率的分布分別是均勻的，其值分別是n1與n2，但在纖芯與包層的分界處，其折射率的變化是階躍的。 其折射率分布的表達式為：n1r小于等于al時n(r)=n2r式中：n1為光纖纖芯區(qū)的折射率n2為包層區(qū)的折射率al為纖芯半徑a2為包層半經(jīng)B、漸變光纖GI定義：光纖蛛心處的折射率最大，但隨橫截面的增加而逐漸變小，其變化規(guī)律一般符合拋物線規(guī)律，到了纖芯與包層的分界處，正好降到與包層區(qū)域 的折射率相等的數(shù)值；在包層區(qū)域中其折射率的分布是均勻的。按傳輸?shù)哪Ｊ椒诸惗嗄９饫w定義：傳輸光波的模式不止一

6、種多模光纖纖芯的幾何尺寸遠大于光波波長，一般在 50um 左右，光信號是以 多個模式方式進行傳播的， 光信號的波長以主縱模為準。 不同的傳播模式會 具有不同的傳播速度和相位， 因此經(jīng)過長距離的傳播之后會產(chǎn)生時延， 導(dǎo)致 光脈沖變寬，叫做光纖的模式色散或模間色散。由于模式色散影響較嚴重， 降低了多模光纖的傳輸容量和距離， 多模光纖僅用于較小容量、 短距離的光 纖傳輸通信。單模光纖定義：傳輸光波的模式只有一種。 （目前主用） 當光纖的幾何尺寸可以于光波長相比擬時，即纖芯的幾何尺寸與光信 號波長相差不大時，一般為 510um ，光纖只允許一種模式在其中傳播， 其余的高次模全部截止，這樣的光纖叫做單模

7、光纖。單模光纖只允許一種 模式在其中傳播，從而避免了模式色散的問題，故單模光纖具有極寬的帶 寬，特別適用于大容量的光纖通信。對于單模光纖，由于光纖的幾何尺寸 小，使 V 的值小于 2.2028 ，這樣 N 的值就為 1，只有一種模式3、按工作波長分類短波長光纖定義：習(xí)慣上把波長在 600-900nm 范圍內(nèi)呈現(xiàn)低衰耗光纖 稱做短波長光纖。長波長光纖定義：習(xí)慣上把波長在 1000-2000nm 范圍內(nèi)的光纖 稱做短 波長光2、套塑類型分類A、緊套光纖定義：指二次、三次涂敷層與予涂敷層及光纖的纖芯、包層等緊密的 結(jié)合在一起的光纖。目前居多。B、松套光纖定義：指經(jīng)過予涂敷層的光纖松散的放在一塑料管中

8、，不再進行二 次、三次涂敷。三、光纖的種類以及應(yīng)用狀況 、G.652 光纖1310nm 性能最佳光纖 （色散未移位光纖 ）。它有二個波長工作區(qū)： 1310nm 與 1550nm 。在 1310nm 波長：色散最小 （ 未移位 ） ，小于 3.5ps/nm.km ；但損耗較大，為 0.30.4dB/km 。在 1550nm 波長：色散較大，為 20ps/nm.km ；但損耗很小，為 0.150.25dB/km 。在我國占99 %以上。雖稱1310nm性能最佳光纖，但絕大部分卻用于 1550nm , 其原因是在 1310nm 無實用化光放大器。它可會傳輸 2.5G 或以 2.5G 為基群的 WDM

9、 系統(tǒng)；但傳輸 TDM 的 10G ，面臨 色散受限的難題 （色度色散與 PMD） 。 、G.653 光纖1550nm 性能最佳光纖 （色散移位光纖 ）。它主要用于 1550nm 波長工作區(qū)在 1550nm 波長，色散較小 （色散移位 ） ，為 3.5ps/nm.km ；損耗也很小，為0.150.25dB/km 。但它不能用于 WDM 方式，因會出現(xiàn)四波混頻效應(yīng) （FWM） 。 、 G.654 光纖其損耗為G.653 光纖1550nm 損耗 最 小光 纖。 它主 要用 于 1550nm 波長 工 作區(qū)0.150.19dB/km ；主要用于海纜通信。 、 G.655 光纖它是為克服 G.653

10、光纖的 FWM 效應(yīng)而設(shè)計的新型光纖。其性能與 類似，但既能用于 WDM ，又能傳輸 TDM 方式的 10G。理想情況：A）、低色散：210ps/nm.km ；B）、色散斜率小于0.05ps/nm 2.km，便于色散補償；C）、大的有效面積，可避免出現(xiàn)非線性效應(yīng)。目前， G.655 光纖尚無國際統(tǒng)一規(guī)范。-大的有效面積，會有效地避免非線性效應(yīng)，但將導(dǎo)致色散斜的增加。-小的色散斜率將會便于色散的補償；但其有效面積卻減小。四、光纜結(jié)構(gòu)層絞式、骨架式、束管式、帶狀式第四節(jié)、 光纖的特性與參數(shù)、光纖的三大特性光纖的特性參數(shù)可以分為三大類即幾何特性參數(shù)、光學(xué)特性參數(shù)與傳輸特性參數(shù)二、光纖的衰耗衰耗系數(shù)a

11、衰耗系數(shù)是光纖最重要的特性參數(shù)之一。因為在很大程度上決定了光纖通信 的中繼距離。衰耗系數(shù)的定義為：每公里光纖對光功率信號的衰減值。其表達式為：Pia=10lg -（dB/km）（ 2.6）PO其中Pi為輸入光功率值（瓦特）P。為輸出光功率值（瓦特）如某光纖的衰耗系數(shù)為a=3dB/km，貝U旦=1003 =2Po這就意味著，經(jīng)過一公里的光纖傳輸之后，其光功率信號減少了一半。長度為L公里的光纖的衰耗值為 A = aL 0光纖的衰耗機理使光纖產(chǎn)生衰耗的原因很多，但可歸納如下：本征吸收吸收衰耗:雜質(zhì)吸收線性散射衰耗：散射衰耗：非線性散射結(jié)構(gòu)不完整散射其它衰耗（微彎曲衰耗）本征吸收：定義：構(gòu)成光纖材料本

12、身所固有的吸收作用。純二氧化硅對光的吸收作用所引起的光纖衰耗是比較小，在600-900NM波長范圍稍大，但小于1dB/km,而在1000-1800波長范圍，幾乎為 零。雜質(zhì)吸收：光纖中的雜質(zhì)對光的吸收作用，是造成光纖衰耗的主要原因。光纖中的雜質(zhì)大致可以分為二大類，即過渡金屬離子與氫氧根離子。過渡金屬離子包括銅、鐵、鉻、鉆、錳、鎳離子等，這些離子在光的作用下會發(fā)生震動而吸收光能量；每種離子都有自己的吸收峰波長，上述過渡金屬 離子的吸收峰波長都落在 6001800nm波長范圍。氫氧根離子對光的吸收峰波長落在 10001800nm波長范圍；因此在此 波長范圍氫氧根離子的含量多少對光纖的衰耗具有重大影

13、響。定義：所謂散射衰耗是指光在光纖中發(fā)生散射時所引起的衰耗。光的散射現(xiàn)象可分為線性散射與非線性散射。A. 線性散射衰耗瑞利散射所謂線性散射，是指光波的某種模式的功率線性地（與其功率成正比） 轉(zhuǎn)換成另一種模式的功率，但光的波長不變。線性散射會把光功率輻射到光纖外 部而引起衰耗。瑞利散射是典型的線性散射，它與波長的2次方成反比，即光波長越長， 瑞利散射衰耗越小。光纖材料不均勻，會造成其折射率會布不均勻，易產(chǎn)生瑞利散射。B. 非線性散射衰耗所謂非線性散射，是指某光波長模式的部分功率非線性地轉(zhuǎn)換到其它的波長中。布里淵散射與拉曼散射是典型的非線性散射。如果光纖中的光功率過大，就會出現(xiàn)非線性散射現(xiàn)象。因此

14、防止發(fā)生非 線性散射的根本方法，就是不要使光纖中的光功率信號過大，如不超過 +25dBm。 其它衰耗其它衰耗包括微彎曲衰耗與連接衰耗等；它們占的比例很小?？傊谟绊懝饫w衰耗的諸多因素中，最主要的是雜質(zhì)吸收所引起的衰耗。光纖材料中的雜質(zhì)如氫氧根離子與過渡金屬離子對光的吸收能力極強，它們是產(chǎn)生光纖衰耗的主要因素。因此要想獲得低衰耗光纖，必須對制造光纖用的原材料PPb以下氧化硅等進行非常嚴格的化學(xué)提純，使其雜質(zhì)的含量降到幾個三、光纖的色散：當一個光脈沖從光纖輸入， 經(jīng)過一段長度的光纖傳輸之后， 其輸出端的光脈 沖會變寬， 甚至有了明顯的失真。 這說明光纖對光脈沖有展寬作用， 即光纖存在 著色散（色

15、散是沿用了光學(xué)中的名詞） 。光纖的色散是引起光纖帶寬變窄的主要原因， 而光纖帶寬變窄則會限制光纖 的傳輸容量。對于多模光纖引起色散的原因主要有三種： 模式間色散、 材料色散與波導(dǎo)色 散。對于單模光纖，因只有一種傳輸模式（ HE11 ，LP01 ），所以沒有模式間色 散，而只有材料色散與波導(dǎo)色散。模式間色散因為光在多模光纖中傳輸時會存在著許多種傳播模式， 而每種傳播模式具有 不同的傳播速度與相位， 因此雖然在輸入端同時輸入光脈沖信號， 但到達到接收 端的時間卻不同，于是產(chǎn)生了脈沖展寬現(xiàn)象。材料色散At入所謂材料色散是指組成光纖的材料即二氧化硅本身所產(chǎn)生的色散。波導(dǎo)色散Atw所謂波導(dǎo)色散是指由光纖

16、的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所引起的色散。對多模光纖而言，其波導(dǎo)色散的影響甚小四、光纖的帶寬帶寬系數(shù)的定義為：一公里長的光纖，其輸出光功率信號下降到其最大值（直 流光輸入時的輸出光功率值）的一半時，此時光功率信號的調(diào)制頻率就叫做光纖 的帶寬系數(shù)。如下圖所示：需要注意的是，由于光信號是以光功率來度量的，所以其帶寬又稱為3dB光帶寬。即光功率信號衰減 3dB時意味著輸出光功率信號減少一半。而一般的 電纜之帶寬稱為6dB電帶寬，因為輸出電信號是以電壓或電流來度量的。引起光纖帶寬變窄的主要原因是光纖的色散。注意，單模光纖沒有帶寬系數(shù)的概念，僅有色散系數(shù)的概念。五、光纖的數(shù)值孔徑（NA）數(shù)值孔徑是多模光纖的重要參數(shù)，它表

17、征光纖端面接收光的能力，其取值的 大小要兼顧光纖接收光的能力和對模式色散的影響。CCITT建議多模光纖的數(shù)值孔徑取值范圍為0.180.23，其對應(yīng)的光纖端面接收角B c=10 °T3六、模場直徑d模場直徑表征單模光纖集中光能量的程度。由于單模光纖中只有基模在進行傳輸， 因此粗略地講， 模場直徑就是在單模 光纖的接收端面上基模光斑的直徑（實際上基模光斑并沒有明顯的邊界） 。七、截止波長入C要實現(xiàn)單模傳輸還必須使光波波長大于某個數(shù)值， 即入6這個數(shù)值就叫做 單模光纖的截止波長。因此，截止波長入C的含義是，能使光纖實現(xiàn)單模傳輸?shù)?最小工作光波波長。 也就是說， 盡管其它條件皆滿足， 但如果

18、光波波長不大于單 模光纖的截止波長，仍不可能實現(xiàn)單模傳輸。第五節(jié)、光源對光器件的要求一、 光纖通信對光源器件的要求1、發(fā)射光波長適中光源器件發(fā)射光波的波長，必須落在光纖呈現(xiàn)低衰耗的0.85阿、1.31 pm和1.55 pm附近。2、發(fā)射光功率足夠大光源器件一定要能在室溫下連續(xù)工作， 而且其入纖光功率足夠大， 最少也應(yīng) 有數(shù)百微瓦，當然達到一毫瓦以上 （odBm） 更好。在這里我們強調(diào)的是入纖光功 率而不指單純的發(fā)光功率。 因為只有進入光纖后的光功率才有實際意義， 由于光 纖的幾何尺寸極小（單模光纖的芯徑不足 10 微米），所以要求光源器件要具有 與光纖較高的耦合效率。3、溫度特性好光源器件的輸

19、出特性如發(fā)光波長與發(fā)射光功率大小等， 一般來講隨溫度變化 而變化，尤其是在較高溫度下其性能容易劣化。 在光纖通信的初期與中期， 經(jīng)常 需要對半導(dǎo)體激光器加致冷器和自動溫控電路， 而目前一些性能優(yōu)良的激光器可 以不需要任何溫度保護措施。2、發(fā)光譜寬窄光源器件發(fā)射出來的光的譜線寬度應(yīng)該越窄越好。 因為若其譜線過寬， 會增 大光纖的色散，減少了光纖的傳輸容量與傳輸距離（色散受限制時） 。例如對于 長距離、大容量的光纖通信系統(tǒng)，其光源的譜線寬度 應(yīng)該小于 2nm 。 5、工作壽命長光纖通信要求其光源器件長期連續(xù)工作，因此光源器件的工作壽命越長越 好。光源器件壽命的終結(jié)并不是我們所想象的完全損壞， 而是

20、其發(fā)光功率降低到 初始值的一半或者其閾值電流增大到其初始值的二倍以上。目前工作壽命近百萬小時（約 100 年）的半導(dǎo)體激光器已經(jīng)商用化。 6、體積小重量輕光源器件要安裝在光發(fā)送機或光中繼器內(nèi)， 為使這些設(shè)備小型化， 光源器件 必須體積小、重量輕。目前，光纖通信中經(jīng)常使用的光源器件可以分為二大類，即發(fā)光二極管（LED）和激光二極管（LD）。當然LD又可以包括異質(zhì)結(jié)激光二極管、分布反 饋型激光二極管和多量子阱式激光二極管等（就結(jié)構(gòu)而言） 。第六節(jié)、光發(fā)送機與光接收機的性能指標一、光發(fā)送機1、光功率單位順便介紹一下 3 個單位之間換算關(guān)系。xdBm=10lg(ymW/1mW)dBm是以mW為單位光信號功率的一種換算單位S的平均發(fā)光功率。如2、發(fā)送光功率Ps在規(guī)定偽隨機碼序列的調(diào)制下，光發(fā)送機在參考點-3+2dBm。二、光接收機1、接收靈敏度定義為R點處為達到1 X10"10的BER值所需要的平均接收功率的最小值。一般 開始使用時、正常溫度條件下的接收機與壽命終了時、 處于最惡劣溫度條件下的 接收機相比，靈敏度余度大約為2 2dB。一般情況下，對設(shè)備靈敏度的實測值 要比指標最小要求值（最壞值）大 3dB左右（靈敏度余度）。2、過載光功率定義為在R點處為達到1 X10"10的BER值所需要的平均接收光功率的最大值。