光纤通信小结.ppt

光纤通信系统总复习 一 光纤的传输理论 1 基本的光纤和光缆的结构 基本结构 纤芯 core 包层 cladding 涂敷层 jacket 纤芯的折射率略大于包层的折射率 光纤材料 石英光纤 塑料光纤光纤的主要类型basictypeofFiber多模光纤 阶跃折射率 渐变折射率单模光纤 阶跃折射率光纤的相对折射率差 n1 n2 n1 NA 最大群时延 数值孔径 2 缆芯结构 层绞式 大束管式 骨架式 带式 光缆的结构 无铠装光缆 皱纹钢带装防蚁光缆 皱纹钢带铠装光缆 外护层结构分类 PE 聚乙烯PSP 聚乙烯 钢 聚乙烯PAP 聚乙烯 铝 聚乙烯 2 光纤传输的性质 1 损耗 dB km 固有损耗 非固有损耗光纤中低损耗窗口0 85mm 2 5dB km 1 3mm 0 4dB km 1 55mm 0 2dB km dBm 相对于1mW功率的dB0dBm 1mW10dBm 10mW20dBm 100mW 2 色散 Dispersion 模式色散 intermodaldispersion 多模光纤中各模式在同一频率下有不同的群速度 因而形成模式色散 模内色散 intramodaldispersion 材料色散波导色散偏振模色散后三种色散类型统称为模内色散 3 光纤的模式理论归一化频率V 2 a n12 n22 1 2 V 2 405HE11基模2 405 3 832HE11 TE01 TM01 HE213 832 5 136HE11 TE01 TM01 HE21EH11 HE31 HE12 低次模的归一化传输常数随V的变化 阶跃折射率光纤 M V2 2渐变折射率光纤M V2 4 二 光源和光调制 半导体光源 半导体激光器 LD 和半导体发光二极管 LED 半导体光源的优点 体积小 重量轻 耗电少 易于光纤耦合发射波长适合在光纤中低损耗传输可以直接进行强度调制可靠性高 1 激光器的基础知识1 能级的光跃迁 受激辐射 受激吸收 自发辐射光子的能量为hf2 吸收煤质 2 半导体激光器的激射条件 放大煤质粒子数翻转分布 布居翻转对应激光放大状态 有源区里实现足够的粒子数反转分布当处于高能级上的电子数N2大于处于低能级上的电子数N1时 受激辐射占据主导地位 光被放大 N2 N1的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情况 外界激励 通常称为粒子数反转分布 或布局反转 给PN结加正向电压 2 存在光学谐振机理 并在有源区里建立起稳定的振荡 3 半导体激光器的结构 分类和主要性质1 F P腔激光器 振幅条件 使激光器成为阈值器件e th 2L R 1 增加增益的方法 加大注入电流 N2 N1 C2g 8 n2 2 sp 相位条件 使激光器的发射光谱呈模式振荡2 L q2 q 1 2 3 2 量子阱激光器 结构特点 有源区非常薄量子阱 QW QuantumWell 半导体激光器是一种窄带隙有源层夹在宽带隙半导体材料中间或交替重叠生长 有源层厚度小至德布罗意波长量级的新型半导体激光二极管 性能特点 阈值电流低 输出功率高谱线宽度窄 频率啁啾改善调制速率高 晶体的天然解理面 3 DFB激光器 通过周期性的波纹结构提供的光耦合来建立光振荡 即布喇格反射原理 单纵模振荡线性度好线宽窄 布拉格反射可比作多级调谐 使谐振波长的选择性大为提高 稳定性好 因为光栅有助于锁定在给定的波长上 使其温度漂移很小 动态谱特性好 高速调制下也保持单模振荡 虽然动态谱宽度要比静态谱宽展宽 但较F P腔LD展宽小得多 4 半导体激光器的基本性质 1 阈值特性2 效率功率效率 P 定义为激光器输出光功率Pex与注入激光器的电功率Pin之比 p Pex VjI I2Rs 内量子效率 i 定义为有源区里每秒钟产生的光子数与有源区里每秒钟注入的电子 空穴对数之比 i Rr Rnr Rr 外量子效率 ex 定义为激光器每秒钟实际输出的光子数与每秒钟外部注入的电子 空穴对数之比 ex pex h I e0 由于h Eg e0V因此 ex pex IV外微分量子效率 D 对应P I特性中阈值以上的线性范围的斜率 D Pex Pth h I Ith e0 Pex h I Ith e0 pex Dh I Ith e0 3 温度特性随温度升高 阈值电流增加 外微分量子效率下降 峰值波长向长波长方向移动4 相对强度噪声RIN它定义为 相对输出光功率的变化的功率谱密度 RIN对光反射非常敏感5 频率啁啾 Ith I0exp K K0 Ith2 Ith1exp K2 K1 K0 5 半导体激光器的瞬态性质 1 瞬态现象 半导体激光器在进行直接调制时显示出来的现象 1 张弛振荡和电光延迟 固有的瞬态现象 2 自脉动现象 内部不均匀所致 张弛振荡的衰减时间 0 1 与 sp同一数量级 并随注入电流的增加而减小 张弛振荡的角频率与 sp和 ph有关 并随注入电流的增加而升高 6 半导体激光器的模式性质半导体激光器的纵模 光谱性质半导体激光器的横模 横截面上的电磁场分布 7 半导体发光二极管 1 工作原理当注入正向电流时 注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光 2 特点 与半导体激光器比较 非相干光源 自发发射为主 发射荧光过程无光学谐振腔 不一定需要实现粒子数反转非阈值电流 输出功率基本上与注入电流成正比3 基本性质发射谱线和发散角 光谱较宽 光纤色散严重 发散角大 与光纤的耦合效率较低 响应速度 调制速率低热特性 温度特性较好 无需温控电路 寿命长 可靠性高 特点 强度调制 IM 只适用于半导体光源简单方便 价格便宜 但动态谱线的展宽严重 不适合高速 长距离传输系统 1 直接调制示意图 半导体光源 调制电路 激光输出 发送信号 注入电流 8 光源的调制类型 直接调制和间接调制 发送信号直接变成调制电流注入激光器驱动激光器的输出 使光强随发送信号的变化而变化 发送信号 特点 啁啾小用于 2 5Gb s高速率传输可用于要求线性度高模拟信号有些调制器偏振相关 电光调制 磁光调制 声光调制 3 数字激光发射端机 线路编码 调制电路 LD 控制电路 数字信号入 光信号 数字光发射端机原理机框图 1 偏置电流和调制电流大小的选择 偏置电流的选择 加大直流偏置电流使其逼近阈值 可以大大减小电光延迟时间 同时使张弛振荡得到一定程度的抑制激光器偏置在阈值附近可以大大减小码型效应和结发热效应的影响加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化对某些异质结激光器 若激光器正好偏置在阈值上 则散粒噪声的影响较重 2 调制电流的选择 足够的光脉冲幅度减小光源负担避开可能发生自脉动的区域 3 激光器的控制电路 温度变化和器件老化对激光器的影响 控制电路的作用 控制方法 自动温度控制电路 ATC 自动光功率控制电路 APC 阈值电流增加外微分量子效率减小 光电变换 前置放大 主放大器 均衡滤波 判决器 译码器 AGC电路 时钟恢复 直接检测 DD 数字光接收机原理框图 三 光接收机 1 光电二极管 PD 1 PD的工作原理 光电效应 受激吸收过程当入射光子能量大于禁带宽度时 价带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带上 产生一个电子 空穴对 电子 空穴对在电场的作用下定向运动 形成光电流 光电二极管工作在反向偏压下 h Eg或 hc Eg PIN能带图 耗尽区 量子效率 定义为单位时间内产生的光生电子 空穴对数与单位时间入射的总光子数之比 响应度 定义为光生电流与入射光功率之比 工程上常用响应度来衡量光电转换效率的高低 Ip e0 h p0 1 R exp w1 1 exp w A W 1 R exp w1 1 exp w 光生电流 入射光功率 零电场的厚度 耗尽区的厚度 入射表面的反射率 单位光功率产生的光生电流 2 PD的工作特性波长响应范围b 光电转换效率响应速度 d 暗电流 2 雪崩光电二极管 APD AvalanchePhotodiode 1 工作原理光电效应 碰橦电离 雪崩倍增效应 高灵敏度检测器 加很高的反向电压 区 2 APD的工作特性 a APD的平均雪崩增益和雪崩击穿电压平均雪崩增益定义为 G Im Ip式中Ip为一次光电流 Im为倍增输出电流的平均值 由于倍增过程是随机产生的 因此雪崩倍增效应具有统计的特征 故倍增效应应取统计平均值 G与反向电压有关 V越大 G值越高 b APD的过剩噪声 3 接收机灵敏度的高斯近似计算1 APD作为检测器 2 PD作为检测器 可忽略PD的散粒噪声 3 计算步骤 由输入 输出波形计算 查表 1 2求Z 由BER确定Q 确定APD的参量 x 计算最佳雪崩增益和灵敏度 1光纤通信系统的组成1 框图 出 四 光纤通信系统和通信网 2 辅助系统 网络管理系统 含告警处理系统 故障管理 性能管理 配置管理 安全管理公务通信系统自动倒换系统电源供给系统 2 系统性能及测试 1 误码性能长期平均误码率 BER 误码时间百分数 ES SES DM 1 系统性能 2 抖动性能 概念 数字信号 包括时钟信号 的各有效瞬间对于标准时间的位置偏差 称为抖动 或漂动 10Hz以下的相位变化称为漂动 而10Hz以上的则称为抖动 原因 随机噪声产生低频振荡的相位调制 加载到传输的数字信号上 产生抖动 抖动的单位 UI 表示单位时隙 当传输信号为NRZ码时 1UI就是 比特信息所占用的时间 它在数值上等于传输速率的倒数 影响 使判决偏离最佳的判决时间 测试方法如下 a 按图示接好测试系统 误码仪的发送部分按规定送出223 1或215 1伪随机码 用来调制光发射机 b 增大光衰减器的衰减量 同时监测误码 直到误码仪指示的的误码率为某一要求值 如10 10 c 断开光纤连接器 用光功率计测量此时的接收光功率 即为要求误码率下的接收灵敏度 如BER 10 10时的灵敏度值 1 误码率和灵敏度的测试 所用仪表 误码测试仪 光衰减器 连接器 光功率计 光接收机灵敏度的测试原理图 2 系统性能的测试 注 长光纤 3 光纤通信系统的总体设计 1 系统的总体考虑 选择路由 设置局站确定系统的制式 速率光纤选型选择合适的设备 核实设备的性能指标对中继段进行功率和色散预算 2 系统预算 1 功率预算 最大中继距离Lmax PT PR 2Ac Pp Af As Lf Mc 最小中继距离Lmin PT Pr 2Ac D Af As PR Pr Me 2 色散预算 对于色散受限系统 可达到的最大再生距离可用下式估算 最坏值法 Lmaxd DSR Dm 1 SDH的特点 SDH的特点主要体现在如下几个方面 有全世界统一的数字信号速率和帧结构标准同步复用 强大的网络管理能力有标准的光接口具有兼容性按字复用自愈网络 网络保护能力差 4 光同步数字传输网 2 PDH的缺点无世界统一的数字信号速率和帧结构标准 造成国际互通困难异步复用 结构缺乏灵活性 上下话路费用高网络管理能力差难于形成自愈网络 网络保护能力差有标准的光接口按比特复用 3 STM 649953 280Mbit s 帧结构的构成块状帧结构 并以字节为基础 9行 270 N列 由左到右 由上到下顺序排成串行码流依次传输 传输一帧需125 s 每秒8000帧 STM N传输速率 N 1 4 16 N 8 9 270 8000 N 155 520Mbit s 4 帧结构 5 我国的基本复用映射结构 6 自愈网的概念所谓自愈网就是无需人为干预网络就能在极短时间内从失效状态中自动恢复所携带的业务 使用户感觉不到网络已出现了故障 其基本原理就是使网络具有备用路由 并重新确立通信能力 各种自愈网络 二纤单向通道倒换环二纤单向复用段倒换环四纤双向复用段倒换环二纤双向复用段倒换环 2 网同步的方式主从同步方式 相互同步方式 准同步 外时钟同步等 1 网同步的概念所有数字网都要实现网同步 所谓网同步是使网中所有交换节点的时钟频率和相位保持一致 或者说所有交换节点的时钟频率和相位都控制在预先确定的容差范围内 以便使网内各交换节点的全部数字流实现正确有效的交换 7 SDH网同步 5 光放大器 通用光放大器结构 光纤放大器 半导体光放大器 SOA 激活介质不同 耦和器件 泵浦源 所有的光放大器都是通过受激辐射过程来实现入射光功率放大的 产生受激辐射的粒子数反转机制与半导体激光器中使用的相同 只是没有反馈机制 不能产生相干光 其工作原理 设备吸收了外部泵浦提供的能量 在激活介质中泵浦为电子提供能量 使其达到较高的能级产生离子数反转 输入信号光子会通过受激辐射过程触发这些已经激活的电子 使其跃迁到较底的能级 从而产生一个放大的信号 激活介质 1 掺铒光纤放大器 Erbium dopedFiberAmplifier EDFA 泵浦态 亚稳态 基态 1 原理三能级跃迁 1 s 铒是镧系稀土元素 原子序数是68 原子量为167 3 利用其4f能级 光纤放大器的激活介质由标称值为 m长度的轻度掺稀土元素 2 EDFA结构 同向泵浦 反向泵浦 双向泵浦 抽头 噪声性能好 增益高 二者兼顾 增益随输入功率变化曲线 3 性能指标放大器增益小信号增益 饱和增益 最大输出功率 小信号增益带宽 饱和输出功率 饱和区 当输入信号增强时 有源区中激活的载流子逐渐减少 6 接入网的概念 交换局和用户之间的实施系统 具有复用 交叉连接和传输功能 五 WDM系统的概况 1 波分复用频带1 WDM CWDM DWDM和OFDM 波长间隔不同 2 WDM的复用频带 1530 1560 nmregioncalledC band 1570 1610 nmregioncalledL ba