光纤通信系统PPT演示课件

光纤通信系统,4.1 光纤通信概述4.2 光纤与光缆4.3 光纤通信系统4.4 光纤通信新技术,1,4.1 光纤通信概述,光纤通信是以光波作为载体，以光导纤维作为传输媒介的一种通信技术。光纤通信以其宽带、大容量、低损耗、长中继、抗电磁干扰、体积小、重量轻、便于敷设等优点，成为当代长途通信最主要手段。 本章首先对光纤通信的发展历史做出回顾，然后对光纤通信的特点进行说明，重点阐述光纤的结构、分类、光波传输机理以及光纤通信系统各组成部分的工作原理。最后，简要介绍了一些光纤通信新技术。,2,4.1.1 光纤通信发展简史,3,1960年，美国加州休斯实验室第一台固体红宝石激光器1961年，美国贝尔实验室氦-氢气体激光器1966年，高锟提出带有包层材料的石英玻璃光纤1970年，美国康宁玻璃公司首次制成了损耗仅为20dB/km的低损耗光纤1970年，美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光器,光纤通信发展简史（续）,4,1974年，美国贝尔实验室制造出1dB/km损耗的低损耗光纤。 至此制约光纤通信的两个关键问题，光源和传输媒介问题完全得到解决。光纤通信的普及和推广获得了高速发展的基本条件。1977年美国芝加哥率先开通了第一条45Mb/s的商用光纤通信系统。 目前，国际国内长途通信传输网的光纤化比例已经超过90%,4.1.2 光纤通信的特点,5,传输损耗小，中继距离长：1.55m波长附近约0.2-0.3dB/km，中继跨度百公里。 传输频带宽，通信容量大：单模光纤的潜在带宽可达几十太赫兹（1012Hz） 抗电磁干扰，保密效果好 体积小、重量轻、便于运输和敷设 原材料丰富、节约有色金属、有利于环保 不足：光纤质地脆弱易断，敷设时的弯曲半径不宜太小,4.2 光纤与光缆,6,光纤与光缆的结构、分类以及光纤的导光原理。,4.2.1 光纤的结构与分类,7,光纤是多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯、包层、涂覆层，称为裸纤。包层外面涂覆一层硅酮树脂或聚氨基甲酸乙酯（30150m），然后增加保护套加以保护。 纤芯和包层是高纯度石英材料，包层折射率略低于纤芯，与纤芯一起形成光的全反射通道，使光波的传输局限于纤芯内。,1. 光纤的结构,8,2. 光纤的分类（表4.1）,9,3. 光纤的折射率径向分布图,10,4.2.2 光纤的导光原理,11,在光学理论中，当传输媒介的几何尺寸远大于光波波长时，可以把光表示成其传播方向上的一条几何线，称为光射线。用光射线来分析光传播特性的方法，称为射线法。下面通过射线法来分析光在阶跃型光纤中的导光原理。,1.光的反射与折射定律,入=反,12,当折900时，折射光线会反射回到纤芯进行传播，这种现象称为全反射。,2.光纤中的全反射传输,调整入射角，使得折290度而发生全反射：,13,4.2.3 光纤的传输特性(P83),光纤的传输特性描述的是光纤的传输损耗、色散和非线性效应。,14,4.2.3光纤的传输特性,1 光纤的损耗特性2 光纤的色散特性3 成缆对光纤特性的影响4 典型光纤参数,15,1、光纤的损耗特性,吸收损耗吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离子和氢氧根离子(OH)等杂质对光的吸收而产生的损耗，前者是由光纤材料本身的特性所决定的，称为本征吸收损耗。,16,1. 本征吸收损耗 本征吸收损耗在光学波长及其附近有两种基本的吸收方式。(1) 紫外吸收损耗 紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起的损耗。,17,(2) 红外吸收损耗 红外吸收损耗是由于光纤中传播的光波与晶格相互作用时，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗。2. 杂质吸收损耗 光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和OH。,18,3. 原子缺陷吸收损耗 通常在光纤的制造过程中，光纤材料受到某种热激励或光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为630nm左右。,19,散射损耗1. 线性散射损耗 任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤传播模式散射性的损耗，由于这类损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率成线性关系，所以称为线性散射损耗。,20,(1) 瑞利散射 瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。 对于短波长光纤，损耗主要取决于瑞利散射损耗。值得强调的是：瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。,21,(2) 光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射损耗)在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些随机因素，可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕等等。,22,2. 非线性散射损耗 光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别为受激喇曼散射和受激布里渊散射。,23,弯曲损耗 光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯。,24,在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲。 微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温度变化时，光纤的纤芯、包层和套塑的热膨胀系数不一致而引起的，其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变换引起的。,25,光纤损耗系数 为了衡量一根光纤损耗特性的好坏，在此引入损耗系数(或称为衰减系数)的概念，即传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率减小的分贝数，一般用表示损耗系数，单位是dB/km。用数学表达式表示为：,26,式中：L为光纤长度，以km为单位；P1和P2分别为光纤的输入和输出光功率，以mW或W为单位。,27,2、光纤的色散特性,色散的概念P83 理想光源应是频率单一的单色光，但现实光源信号不纯，含有不同的波长成分，在折射率为n1的光纤介质中传输速度不同，从而导致光信号分量产生不同延迟，这种现象称为光纤的色散。 具体表现为当光脉冲沿着光纤传输一定距离后脉冲宽度展宽，严重时前后脉冲相互重叠，难以分辨。 有三个参数色散系数、最大时延差、光纤带宽系数可以分别从不同的角度来描述光纤色散的程度。,28,光纤色散的类型,29,模式色散：在多模光纤中，因同一波长分量的各种传导模式的相位不同、群速度不同而导致光脉冲展宽的现象，称为模式色散（或模间色散）。用光的射线理论来说，就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延差。 材料色散：由光纤材料自身特性造成的。 波导色散：由光纤中的光波导结构引起的。 多模光纤主要考虑模式色散，单模光纤主要考虑材料色散和波导色散。,29,1. 阶跃型光纤中的模式色散 在阶跃型光纤中，传播最快的和最慢的两条光线分别是沿轴线方向传播的光线和以临界角c入射的光线，如图3.6所示。因此，在阶跃型光纤中最大色散是光线和光线到达终端的时延差。,30,图3.6 阶跃型光纤的模式色散,31,2. 渐变型光纤中的模式色散 在渐变型光纤中合理地设计光纤折射率分布，使光线在光纤中传播时速度得到补偿，从而模式色散引起的光脉冲展宽将很小。,32,材料色散 一般情况下，材料色散往往是用色散系数这个物理量来衡量，色散系数定义为单位波长间隔内各频率成份通过单位长度光纤所产生的色散，用D()表示，单位是ps/（nmkm）。,33,2. 材料色散 在已知材料色散系数的前提下，材料色散的表达式可根据色散系数的定义导出，材料色散用m表示。m()=Dm()L （3-25） 式(3-25)中：为光源的谱线宽度，即光功率下降到峰值光功率一半时所对应的波长范围；L是光纤的传播长度。,34,波导色散 式(3-23)中的第二项与波导的归一化传播常数b和波导的归一化频率V有关，而b和V又都是光纤折射率剖面结构参数的函数，所以式(3-23)中的第二项称之为波导色散系数，用Dw()表示。,35,极化色散 极化色散也称为偏振模色散，用p表示。从本质上讲属于模式色散，这里仅给出粗略的概念。 单模光纤中可能同时存在LP01x和LP01y两种基模，也可能只存在其中一种模式，并且可能由于激励和边界条件的随机变化而出现这两种模式的交替。,36,当光纤中存在着双折射现象时，两个极化正交的LP01x和LP01y模传播常数x和y不相等。对于弱导光纤，y和x之差可以近似地表示为：式中：nx和ny分别为x方向和y方向的折射率。,37,总色散光纤的总色散为：值得说明的是，单模光纤一般只给出色散系数D，其中包含了材料色散和波导色散的共同影响。,38,单模光纤中的色散系数与波长关系,39,39,光纤的色散和带宽对通信容量的影响 光纤的色散和带宽描述的是光纤的同一特性。其中色散特性是在时域中的表现形式，即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时间坐标轴上展宽了多少；而带宽特性是在频域中的表现形式，在频域中对于调制信号而言，光纤可以看作是一个低通滤波器，当调制信号的高频分量通过光纤时，就会受到严重衰减，如图3.12所示。,40,图3.12 光纤的带宽(f为调制信号频率),41,通常把调制信号经过光纤传播后，光功率下降一半(即3dB)时的频率(fc)的大小，定义为光纤的带宽(B)。由于它是光功率下降3dB对应的频率，故也称为3dB光带宽。可用式(3-33)表示。,42,光功率总是要用光电子器件来检测，而光检测器输出的电流正比于被检测的光功率，于是：从式(3-34)中可以看出，3dB光带宽对应于6dB电带宽。,43,1. 色散与带宽的关系 既然脉冲展宽、色散和带宽描述着光纤的同一个特性，那么它们之间必然存在着一定的联系。2. 模式畸变带宽和波长色散带宽 由于总色散包括模式色散、材料色散和波导色散，所以光纤的总带宽也可表示为：,44,式中：BM是由模式色散引起的模式畸变带宽；Bc是由材料色散和波导色散引起的波长色散带宽。,45,波长色散带宽定义为：式中：是光源的谱线宽度，单位是nm；L是光纤的长度，单位是km；D()是材料色散和波导色散的色散系数(即波长色散系数)，单位是ps/(nmkm)，其中材料色散占主导地位。,46,3. 链路总带宽对通信容量的影响 光纤链路总带宽与光纤长度之间的关系要分光纤链路中间有无接头。对于无接头的一个制造长度的光纤总带宽BT与其单位公里带宽B的关系如下：BT=BL- 式中：L是光纤的制造长度(km)，为带宽距离指数，它的取值与光纤的剖面分布及模耦合状态有关，一般在0.51.0之间(多模光纤取0.50.9，单模光纤1)。,47,成缆对光纤特性的影响,光缆特性1. 拉力特性 光缆能承受的最大拉力取决于加强构件的材料和横截面积，一般要求大于1km光缆的重量，多数光缆在100400kg范围。,48,2.压力特性 光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结构，多数光缆能承受的最大侧压力在100400kg/10cm。3.弯曲特性 弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折射率差以及光缆的材料和结构。4.温度特性 光纤本身具有良好的温度特性。,49,成缆对光纤特性的影响1. 成缆的附加损耗 不良的成缆工艺，把光纤制成光缆后，会带来附加损耗，称之为成缆损耗。2. 成缆可以改善光纤的温度特性 套塑光纤或带有表面涂层的光纤，它的损耗随温度变化如图3.14中虚线所示。,50,图3.14 光纤和光缆的温度特征,51,把光纤制成光缆，温度特性会得到相当大的改善，如图3.14中的实线所示。3. 机械强度增加 这一点是很显然的。一般光纤的断点强度约为15kg，而由于光缆结构中加入了加强构件、护套、甚至铠装层等，因此其断点强度远大于上述值；不仅如此，光缆的抗侧压、抗冲击和抗扭曲性能都有明显增强。,52,典型光纤参数,目前，ITU-T(国际电信联盟电信标准化机构)分别对G.651光纤、G.652光纤、G.653光纤、G.654光纤、G.655光纤的主要参数特性进行了标准化。 G.651光纤称为渐变型多模光纤，这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统中。,53,G.652光纤称为常规单模光纤，其特点是在波长1.31m处色散为零，系统的传输距离一般只受损耗的限制。 G.653光纤称为色散位移光纤，其特点是在波长1.55m处色散为零，损耗又最小。,54,G.654光纤称为截止波长光纤，其特点是在波长1.31m处色散为零，在1.55m处色散为1720ps/nmkm，和G.652光纤相同。 G.655光纤称为非零色散位移光纤，是一种改进的色散位移光纤。,55,56,57,58,3.非线性效应,59,非线性效应在波分复用信道间产生串话和功率降低代价，限制光纤通信的传输容量和最大传输距离，影响系统的设计参数。 光纤中的非线性效应分为两类:非弹性过程和弹性过程。,4.2.4 光缆,60,光缆的分类,几种光缆的结构,61,4.3光纤通信系统,62,光纤通信系统是以光为载波，以光导纤维为传输媒介来传输消息的通信系统。光纤通信系统主要由电端机、光端机、光中继器和光缆组成。,1. 电发送端机,63,把信源消息转换成电数字信号。,2. 光发送端机,64,光源的调制有直接调制或外调制两种方式：,3. 光端机的调制方式,65,直接调制（强-直调制）：利用电信号调制光波的幅度，驱动电路输出“0”、“1”脉冲信号直接控制光源的发光强度。适用于低速的半导体发光二极管（LED）。 外腔调制（相干光调制）：把激光送入到外腔调制器，然后用电数字信号控制调制器，适用于高速激光器（LD）调制。外调制可选择调制光波的频率或相位。,例子：一种直接调制的共发射极驱动电路,66,4. 光中继器,光-电-光中继方式正在被光放大器取代，例如，掺铒光纤放大器（EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier）可以放大1.55m波长附近的光信号，适用于长途越洋光通信系统。,67,5. 光接收端机,将光纤传输过来的微弱光信号，经光检测器转变为电信号，然后再经放大电路放大到足够的电平，送到电接收端机去。,68,电信号,6.电接收端机,69,电接收端机接收判决器输出的再生码元数据流，并还原为信宿可接收的形式。,4.4 光纤通信新技术,70,超大容量、超长距离、超高速传输一直光纤通信新技术的发展目标。 拓展光纤可用“窗口”的波长范围可以提高光纤带宽； 降低损耗系数()可以增加光纤中继距离； 光波分复用或光时分复用可以增大系统容量； 相干光通信和光孤子通信也是研发热点。 本节将对其中的一些内容进行概要介绍。,4.4.1 光波分复用与光时分复用,71,采用光波分复用（WDM）或光时分复用（OTDM）技术可以在不增加线路投资的情况下，扩大系统容量。,1. 光波分复用,72,光波分复用：利用不同波长的光信号作为载波来传输多路光信号。,2. 光波分复用的类型,73,根据光波分复用时波长间隔的大小可以将波分复用系统分为三种类型： 密集波分复用（DWDM）：波长间隔 110nm 稀疏波分复用（CWDM）：波长间隔 10100nm 光频分复用（OFDM）：波长间隔1nm （未获实用）,3. 光时分复用,74,类似电脉冲信号的时分复用，光时分复用是把低速的光脉冲信号复合在一起，形成超高速光脉冲信号的一