光纖通信2014復(fù)習(xí)

1、光纖通信 復(fù)習(xí)光纖通信的歷史：光纖通信的歷史： 19701970年，美國康寧公司生產(chǎn)出了每公里衰減年，美國康寧公司生產(chǎn)出了每公里衰減20dB20dB的光導(dǎo)纖的光導(dǎo)纖維，同年美國貝爾實驗室實現(xiàn)了維，同年美國貝爾實驗室實現(xiàn)了GaAlAsGaAlAs半導(dǎo)體激光器室溫下的連半導(dǎo)體激光器室溫下的連續(xù)工作。兩項成果問世，揭開了光纖通信的序幕。續(xù)工作。兩項成果問世，揭開了光纖通信的序幕。 第一代光纖通信系統(tǒng)：第一代光纖通信系統(tǒng)： 低損耗的熔石英光纖和長壽命的半導(dǎo)體激光器的研制成功低損耗的熔石英光纖和長壽命的半導(dǎo)體激光器的研制成功 1973-1976 0.85um 1973-1976 0.85um 多模光纖多

2、模光纖 速率速率 50-100Mbit/S, 50-100Mbit/S, 10km10km中繼距離。中繼距離。 第二代光纖通信系統(tǒng)：第二代光纖通信系統(tǒng)： 單模光纖單模光纖 最低色散波長（最低色散波長（1.3um1.3um） 輸容量增加了近輸容量增加了近1010倍倍1976-1982 1.30um 1976-1982 1.30um 多模和單模光纖多模和單模光纖 速率速率 140Mbit/S, 140Mbit/S, 20-50km20-50km中繼距離。中繼距離。 第一章第一章 概述概述第三代光纖通信系統(tǒng)：第三代光纖通信系統(tǒng)：最低損耗波長（最低損耗波長（1.55um1.55um），使無中繼傳輸距離

3、和傳輸容量），使無中繼傳輸距離和傳輸容量又提高好幾倍。又提高好幾倍。 1982-1988 1.310um 1982-1988 1.310um 實用化單模光纖實用化單模光纖 準同步數(shù)字準同步數(shù)字體系（體系（PDHPDH）, 50km, 50km中繼距離。中繼距離。第四代光纖通信系統(tǒng)：第四代光纖通信系統(tǒng)：光纖放大器、波分復(fù)用技術(shù)單模光纖光纖放大器、波分復(fù)用技術(shù)單模光纖 光纖放大器光纖放大器 波分復(fù)用波分復(fù)用 同步數(shù)字體（同步數(shù)字體（SDHSDH）, , 2.5Gbit/s2.5Gbit/s高傳輸率容量（高傳輸率容量（100Gb/s100Gb/s） 80km80km中繼距離無中中繼距離無中繼長距離（

4、繼長距離（100km100km） 。光纖通信特點：光纖通信特點：傳輸容量大：傳輸容量大：中繼距離遠：中繼距離遠：抗電磁干擾能力強抗電磁干擾能力強:鋪設(shè)容易：鋪設(shè)容易： 資源豐富，節(jié)約有色金屬和能源經(jīng)濟效益好：資源豐富，節(jié)約有色金屬和能源經(jīng)濟效益好：壽命長：壽命長：保密性好：保密性好：光纖構(gòu)成：光纖構(gòu)成：光纖一般由纖芯、包層和緩沖（塑套）組成光纖一般由纖芯、包層和緩沖（塑套）組成多模光纖多模光纖: 多路徑傳播多路徑傳播 (時延不同時延不同) 帶寬窄帶寬窄單模光纖單模光纖: 單一模式單一模式 帶寬寬帶寬寬光纖損耗的計算光纖損耗的計算: Loss= P i / P o P i 為輸入功率為輸入功率

5、P o 為輸出功率為輸出功率 常以分貝常以分貝dB來表示來表示 Loss (dB)= 10lg(P i / P o )衰減系數(shù)：衰減系數(shù)： 單位長度的衰減單位長度的衰減 A()= Loss (dB)/L(km)= 10lg(P i / P o )/L 單位：單位：dB/km第二章第二章 光纖與光纜光纖與光纜 波長窗口：波長窗口：850nm 2 dB/km1310nm 0.4 - 0.5 dB/km 1550nm 0.2 - 0.3 dB/km兩個主要窗口：兩個主要窗口：色散和衰減的特點：色散和衰減的特點：1310nm 色散最小色散最小1550nm 衰減最低衰減最低0.7 0.8 0.9 1.0

6、 1.11.31.51.21.41.6 1.7 1.82.01.9108765432Wavelength (m) BY ZZM of BESTI First WindowsSecond windowsThird Windows (The “C” Band)Fourth Windows (The “L” Band)80年代初80年代末現(xiàn)代色散（色散（Dispersion） ：是由光纖中所傳輸?shù)墓庑盘柌煌念l：是由光纖中所傳輸?shù)墓庑盘柌煌念l率成分和不同模式成分的群速度不同而引起的傳輸信號的畸變率成分和不同模式成分的群速度不同而引起的傳輸信號的畸變的一種物理現(xiàn)象。的一種物理現(xiàn)象。主要色散：模式色散

7、、材料色散、波導(dǎo)色散主要色散：模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散單模光纖：材料色散和波導(dǎo)色散為主單模光纖：材料色散和波導(dǎo)色散為主多模光纖：模式色散為主多模光纖：模式色散為主光纖的工作波段光纖的工作波段OOriginal EExtended SShort CConventional LLong UUltralongG.652單模光纖單模光纖 標(biāo)準單模光纖，是指零色散波長在標(biāo)準單模光纖，是指零色散波長在1.3um窗口的單模光纖，窗口的單模光纖，ITU把這種光纖規(guī)范為把這種光纖規(guī)范為G.652光纖。光纖。 G.652單模光纖在單模光纖在C波段波段15301565nm和和L波段波段15651625nm的色散

8、較大，一般為的色散較大，一般為1722psnmkm，系統(tǒng)速率達，系統(tǒng)速率達到到2.5Gbit/s以上時，需要進行色散補償，在以上時，需要進行色散補償，在10Gbit/s時系統(tǒng)時系統(tǒng)色散補償成本較大，它是目前傳輸網(wǎng)中敷設(shè)最為普遍的一種色散補償成本較大，它是目前傳輸網(wǎng)中敷設(shè)最為普遍的一種光纖。光纖。 G.655非零色散位移光纖非零色散位移光纖 綜合標(biāo)準光纖和色散位移光纖的優(yōu)點。將零色散波長放在綜合標(biāo)準光纖和色散位移光纖的優(yōu)點。將零色散波長放在1525或或1585nm處，并保留一定色散。處，并保留一定色散。 可采用DWDM擴容，也可以開通高速系統(tǒng)。 新型的G.655 光纖可以使有效面積擴大到一般光纖

9、的1.52倍，大有效面積可以降低功率密度，減少光纖的非線性效應(yīng)。 是大容量通信優(yōu)選的光纖。 G.652G.655G.653 光纜種類光纜種類 ：（層絞式、骨架式、束管式、帶狀）（層絞式、骨架式、束管式、帶狀）第三章第三章 通信用光器件通信用光器件光源 光檢測器 光無源器件 光放大器光源的種類：光源的種類：半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 Laser Diodes 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 Light-emitting DiodeLED特性：特性： 壽命長壽命長 穩(wěn)定性、可靠性高穩(wěn)定性、可靠性高 調(diào)制、驅(qū)動簡單調(diào)制、驅(qū)動簡單 輸出功率低輸出功率低 譜線寬譜線寬 20-50nm 發(fā)散角大，與光纖的耦合效率低發(fā)

10、散角大，與光纖的耦合效率低 （5-10%） 用于低速短距離的光纖通信系統(tǒng)中用于低速短距離的光纖通信系統(tǒng)中LD特點特點 ： 受激輻射、相干光、譜線窄、功率高受激輻射、相干光、譜線窄、功率高 發(fā)光面小、發(fā)散較小，與光纖耦合效率高發(fā)光面小、發(fā)散較小，與光纖耦合效率高 壽命和可靠性比壽命和可靠性比LED稍低稍低Table - Comparison of LEDs and LasersCharacteristicLEDsLasersOutput PowerLinearly proportional to drive currentProportional to current above the thr

11、esholdCurrentDrive Current: 50 to 100 mA PeakThreshold Current: 5 to 40 mACoupled PowerModerateHighSpeedSlowerFasterOutput PatternHigherLowerBandwidthModerateHighWavelengths Available0.66 to 1.65 m0.78 to 1.65 mSpectral WidthWider (40-190 nm FWHM)Narrower (0.00001 nm to 10 nm FWHM)Fiber TypeMultimod

12、e OnlySM, MMEase of UseEasierHarderLifetimeLongerLongLED與LD的驅(qū)動特性光發(fā)射機技術(shù)指標(biāo)：光發(fā)射機技術(shù)指標(biāo)： 平均輸出光功率 PT = 10 lg（P（mw）/1（mw）（dBm） 穩(wěn)定度 5-10% 消光比 EXT EXT= P0/P1 0.1 P0 0碼功率 P1 1碼功率光檢測器和光接收機光檢測器和光接收機PIN光電二極管光電二極管是在摻雜濃度很高的P型、N型半導(dǎo)體之間，加一層輕摻雜的N型材料，稱為I（本征層）。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴散后形成一個很寬的耗盡層。這樣可以提高其響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率。PIN光電二極管的優(yōu)點光電二極

13、管的優(yōu)點提高了響應(yīng)速度提高了響應(yīng)速度提高了長波的量子效率提高了長波的量子效率噪聲小噪聲小APD光電二極管光電二極管 雪崩光電二極管，又稱APD（Avalanche Photo Diode）。它不但具有光/電轉(zhuǎn)換作用，而且具有內(nèi)部放大作用，其放大作用是靠管子內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)完成的。APD特點：特點： 響應(yīng)速度快 靈敏度高 線性差 噪聲大 暗電流大光接收機基本參數(shù)光接收機基本參數(shù): 靈敏度： Sr = 10 lg(Pmin(mw)/1（mw) (dBm) 動態(tài)范圍： D=10 lg (Pmax/Pmin) (dB)光接收機基本組成光接收機基本組成: : 光檢測和前置放大電路 主放大電路 均衡放大

14、電路 基線處理 定時再生 輸出電路無源無源器件器件常用連接器的種類常用連接器的種類FC ：FCFC型光纖連接器 （FC ）：螺紋鎖緊，接頭的對接方式為平面對接。FCPC型光纖連接器 （PC ） ：端面呈凸面拱型結(jié)構(gòu) SC型：緊固方式是采用插拔銷閂式，中心結(jié)構(gòu)尺寸與FC型相同，端面處理采用拱型凸面或PC研磨方式。 ST型：型：卡口式鎖緊卡口式鎖緊FCSTSC光纖連接器的性能光纖連接器的性能介入損耗介入損耗（或稱插入損耗）（或稱插入損耗）(insertion losses)(insertion losses)回波損耗回波損耗（或稱反射衰減、回損、回程損耗）（或稱反射衰減、回損、回程損耗）互換性互換

15、性 每次互換后，其連接損耗變化量越小越好。每次互換后，其連接損耗變化量越小越好。重復(fù)性重復(fù)性插拔壽命插拔壽命（最大可插拔次數(shù)）（最大可插拔次數(shù)）耦合器耦合器 光分路耦合器是分路和耦合光信號的器件。光分路耦合器是分路和耦合光信號的器件。 功能是功能是把一個輸入的光信號分配給多個輸出（分路），或把多個把一個輸入的光信號分配給多個輸出（分路），或把多個輸入的光信號組合成一個輸出（耦合）。輸入的光信號組合成一個輸出（耦合）。濾波器濾波器波分復(fù)用波分復(fù)用/ /解復(fù)用器解復(fù)用器光開關(guān)光開關(guān)復(fù)用復(fù)用電域復(fù)用電域復(fù)用 時分復(fù)用（時分復(fù)用（TDM） 頻分復(fù)用頻分復(fù)用(FDM)光域復(fù)用光域復(fù)用 光時分復(fù)用（光時分

16、復(fù)用（OTDM） 光頻（波）分復(fù)用光頻（波）分復(fù)用(OFDM, WDM)第四章第四章 光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)調(diào)制調(diào)制 調(diào)制是用數(shù)字或模擬信號改變載波的幅度、頻調(diào)制是用數(shù)字或模擬信號改變載波的幅度、頻率或相位的過程。率或相位的過程。 改變載波幅度的調(diào)制叫非相干調(diào)制，而改變改變載波幅度的調(diào)制叫非相干調(diào)制，而改變載波頻率或相位的調(diào)制是相干調(diào)制。載波頻率或相位的調(diào)制是相干調(diào)制。DWDM技術(shù)DWDM當(dāng)前水平：當(dāng)前水平：目前目前1.6Tbit/s WDM系統(tǒng)已經(jīng)大量商用。系統(tǒng)已經(jīng)大量商用。 100km 10.9Tbit/s（273x40Gbit/s） 50GHz S、C和和L波段波段 100km 10.

17、2Tbit/s（256x40Gbit/s）交替）交替75和和50GHz ，C和和L波段波段CWDM技術(shù)技術(shù)參數(shù)：波長組合：三種，即4、8和16個波長通路間隔：20nm允許波長漂移6.5nm優(yōu)點：激光器：降低了對激光器的要求外圍電路：無須致冷器和波長鎖定器，功耗低， 尺寸小濾波器： 20nm間隔的濾波器只需要50層鍍膜 （100GHz間隔DWDM的需要150層）SDH的概念 所謂SDH是一套可進行同步信息傳輸、復(fù)用、分插和交叉連接的標(biāo)準化數(shù)字信號的結(jié)構(gòu)等級。SDH的特點 （1）新型的復(fù)用映射方式：同步復(fù)用方式和靈活的映射結(jié)構(gòu)。 （2）接口標(biāo)準統(tǒng)一：全世界統(tǒng)一的NNI，體現(xiàn)了橫向兼容性。 （3）網(wǎng)

18、絡(luò)管理能力強：幀結(jié)構(gòu)中豐富的開銷比特。 （4）組網(wǎng)與自愈能力強：采用先進的ADM、DXC等組網(wǎng)。 （5）兼容性好：具有完全的前向兼容性和后向兼容性。 （6）先進的指針調(diào)整技術(shù)：可實現(xiàn)準同步環(huán)境下的良好工作。 （7）獨立的虛容器設(shè)計：具有很好的信息透明性。 （8）系列標(biāo)準規(guī)范： 便于國內(nèi)、國際互連互通。材料色散為主受限系統(tǒng)設(shè)計 色散受限系統(tǒng)可達的再生段距離的最壞值可用下式估算：色散受限系統(tǒng)可達的再生段距離的最壞值可用下式估算： L d=DSR/Dm 其中其中DSR為為S點和點和R點之間允許的最大色散值，可以從相關(guān)的點之間允許的最大色散值，可以從相關(guān)的標(biāo)準表格中查到，標(biāo)準表格中查到，Dm為允許工作

19、波長范圍內(nèi)的最大光纖色散系為允許工作波長范圍內(nèi)的最大光纖色散系數(shù)，單位為數(shù)，單位為ps/（nmkm），可取實際光纖色散分布最大值。），可取實際光纖色散分布最大值。例：某光纖系統(tǒng)允許最大色散值例：某光纖系統(tǒng)允許最大色散值 DSR(或或Dmax)為為1200ps/nm，所用光纖的色散系數(shù)為所用光纖的色散系數(shù)為17ps/nm*km。求色散受限最大傳輸距離。求色散受限最大傳輸距離。 解：解： L d=DSR/Dm=1200(ps/nm)/ 17(ps/nm*km)=70.6(km)功率預(yù)算：功率預(yù)算：光纖通信系統(tǒng)的光功率必須滿足下式：光纖通信系統(tǒng)的光功率必須滿足下式： Pout=Prec+Ltot+P

20、mPout為平均數(shù)出光功率：為平均數(shù)出光功率： dBm Pout=10lg(Pout(mW)/1mW)Prec為接收靈敏度：為接收靈敏度： dBm Prec=10lg(Prec(mW)/1mW)Ltot 所有損耗所有損耗 dBPm 為功率余量為功率余量 dB損耗受限系統(tǒng)簡單計算： L(km)=(L(km)=(發(fā)射光功率發(fā)射光功率接收靈敏度接收靈敏度接頭損耗接頭損耗富余度富余度)/)/光纖衰減系數(shù)光纖衰減系數(shù) 即：即：L(km)= L(km)= （Pout-Prec-Ac-PmPout-Prec-Ac-Pm）/Af/Af典型參數(shù)：典型參數(shù)：平均輸出光功率：平均輸出光功率： -20dBm -20d

21、Bm 0dBm0dBm接收靈敏度：接收靈敏度： -60dBm -60dBm -30dBm-30dBm固定接頭：固定接頭：0.2 0.2 0.5dB0.5dB活動接頭：活動接頭：1 1 2dB2dB富余度：富余度：6 6 9dB9dB例例1： 一對光端機發(fā)射機的發(fā)射平均功率為一對光端機發(fā)射機的發(fā)射平均功率為2mW，接收靈敏度，接收靈敏度為為1W，計算以，計算以dBm表示的發(fā)射平均功率和接收機的靈敏度。表示的發(fā)射平均功率和接收機的靈敏度。如果將這對光端機用在衰減系數(shù)為如果將這對光端機用在衰減系數(shù)為0.5dB/km的光纜上，兩端的光纜上，兩端接頭損耗都為接頭損耗都為2dB，保留，保留6dB富余度，求

22、中繼距離（不考慮中富余度，求中繼距離（不考慮中間接頭損耗）。間接頭損耗）。例例2： 一光纖通信系統(tǒng)，要求通信距離一光纖通信系統(tǒng)，要求通信距離50km，數(shù)據(jù)傳輸速率為，數(shù)據(jù)傳輸速率為2.5Gbps，請問采用單模光纖還是多模光纖？設(shè)發(fā)射機平均光，請問采用單模光纖還是多模光纖？設(shè)發(fā)射機平均光功率為功率為0.5mW，所用光纖的衰減為，所用光纖的衰減為0.2dB/km，使用兩個活動，使用兩個活動接頭，每個衰減為接頭，每個衰減為1dB，留，留8dB富余度，不考慮其他因素，試富余度，不考慮其他因素，試確定光接收機的靈敏度。確定光接收機的靈敏度。例例 1 解：解： 一對光端機發(fā)射機的發(fā)射平均功率為一對光端機發(fā)射機的發(fā)射平均功率為2mW，接收靈敏度為，接收靈敏度為1W，計算以，計算以dBm表示的發(fā)射平均功率和接收機的靈敏度。如果表示的發(fā)射平均功率和接收機的靈敏度。如果將這對光端機用在衰減系數(shù)為將這對光端機用在衰減系數(shù)為0.5dB/km的光纜上，兩端接頭損耗的光纜上，兩端接頭損耗都為都為2dB，保留，保留6dB富余度，求中繼距離（不考慮中間接頭損耗）。富余度，求中繼距離（不考慮中間接頭損耗）。解：解：Pt=2mW=10log(2mW/1mW)=3dBm Pr=10 W=10log(10 W/1mW) =10log(0.001mW/1mW) =-30dBm