光纤通信复习课件

1、光 纤 通 信 技 术杨健君电子科技大学中山学院讲授内容1 光纤通信概论 2 光纤传输理论及传输特性 光源和光发送机 光检测器和光接收机光无源器件同步数字体系 7 光波分复用系统8 数字光纤通信系统性能9 光接入网 光放大技术11 光纤通信新技术12 光联网技术 第一章 概论1.1 光纤通信的发展概况1.2 光纤通信的优点和应用1.3 光纤传输系统的组成现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息雏形：古代烽火、手旗、灯光1880年 贝尔的光电话激光器(发送源)光纤(传

2、输介质)1960 Maiman发明红宝石激光器1962 半导体激光器诞生(GaAs 870nm)70 年代室温工作LD(GaAsAI 850nm)1300,1550nm 多模LD单模LD1951 医用玻璃纤维(损耗1000dB/km)1966 高锟 理论预言1970 康宁制出低损耗光纤(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低损耗窗口光纤开发单模光纤 光纤通信系统概述由光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机等基本单元组成。此外还包括一些互连与光信号处理器件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。光源调制器驱动电路光发射机

3、放大器光电二极管判决器光接收机光纤光纤中继器第二章 光纤传输理论及传输特性1光纤与光缆的结构和类型2 光纤的传输原理3光纤传输特性光纤结构光纤: 中心部分(芯Core) 同心圆状包裹层(包层Clad)涂覆层特点：ncorenclad 芯(core)包层(clad)树脂被覆层阶跃光纤(SI)、渐变光纤(GI)Step-Index Fiber & Graded-Index Fiber实用化的光损耗为20dB/km (99.5%/m)；60年代研究，70年代突破，2000年0.2dB/km (99.995%/m);近四十年的努力光纤的光学传输理论从几何光学（射线光学）理论出发可用于直观解释光纤传光的

4、基本原理：全反射。数值孔径NA，可阐述入射角度的问题。借助计算机和WKBJ法，可简单分析导模总数。从电磁场（波导、导波）理论出发归一化频率、截止模式、截止波长、模场直径、NA等等，模式理论。可用来分析单模，多模和偏振模等问题，可用于描述单模光纤的传输性能。基于子午线的分析（阶跃光纤SIF）cin1n2n0n0、n1、n2 - 分别是:空气、纤芯、包层折射率，c - 芯包界面全反射临界角。相对折射率差观察：传输容量限制（阶跃光纤SIF）下降，BL上升。对于无包层的特殊光纤，n1=1.5，n2=1.0(空气)，=0.33很大，BL0.4(Mb/s).km减小值，BL能提高很多。一般0.01。当=0

5、.002时，BL100(Mb/s).km，10Mb/s的速率传输10km，适用于一些局域网。电磁场（波导）理论分析的思路模式举例四个低阶模式的电磁场矢量结构图单模传输单模条件和截止波长 从图可知，传输模式数目随V值的增加而增多。当V值减小时，不断发生模式截止， 模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当V2.405时，只有HE11(LP01)一个模式存在，其余模式全部截止。单模光纤的模式特性由此得到单模传输条件为由式(2.101)可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个临界波长c，当c时，是单模传输，这个临界波长c称为截止波长。(2.101) V=2.405 或 c= 分析题例:若想

6、在目前的多模光纤中实现单模传输，应选用怎样的光波长？ 也就是说，若有波长为14m或更长的实用光源，且光纤在此波长下损耗低，则目前通用的多模光纤就可以作为单模光纤使用。光纤传输特性产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散，损耗引起输出光功率的降低。损耗和色散是光纤最重要的传输特性，对通信系统而言：损耗限制系统的传输距离色散则限制系统的传输容量 光纤的损耗特性损耗定义:若POUT-出纤光功率， Pin-入纤光功率，则每公里的光纤损耗为：这里L是光纤长度，单位公里；单位用dB/km来表示。光纤的损耗特性例：计算题设光纤长1200公里，光纤损耗=0.5dB/km，求光纤总损耗？若输入光功率为30mW，则

7、输出光功率为？光纤的损耗机理1、吸收损耗2、散射损耗3、辐射损耗光纤色散特性光纤色散：信号能量中的各种分量由于在光纤中传输速度不同，而引起的信号畸变。这将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量。色散类型模式间色散：不同模式对应有不同的模折射率，导致群速度不同和脉冲展宽。（仅多模光纤有，为模间色散）波导色散 ()：传播常数随频率变化材料色散 n()：折射率随频率变化偏振模色散PMD（为模间色散）模内色散单 模 光 纤光源与光发射机光发射机由光源、调制器和信道耦合器组成。光信号是用电信号调制光载波产生的。直接调制：通过改变注入电流直接调制半导体光源的输出。带有啁啾，影响通信系统性能。外调

8、制：增加一调制器，适于高速系统应用。光源驱动电路调制器信号输入通道耦合器光发射机结构框图主要内容1、半导体激光器和发光二极管2、光源调制3、光发送机 LD和LED激光器被视为20世纪的三大发明（还有半导体和原子能）之一，特别是半导体激光器LD倍受重视。光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LD和发光二极管LED。主要差别：发光二极管输出非相干光；半导体激光器输出相干光。双能级原子系统的三种跃迁hE2E1自发发射跃迁E2E1受激吸收跃迁hhE2E1受激发射跃迁hh受激发射的光子与原光子具有相同的波长、相位和传播方向典型半导体激光器法布里-珀罗型激光器 F-P LD分布反馈激光器 DFB LDDFB

9、 LD 已成为中长距离光纤通信应用的主要激光器纵模数随注入电流而变：随着电流增加，主模的增益增加，而边模的增益减小，纵模数减少，一个模式开始占优势，直到出现单个窄线宽的光谱为止。I=67mAP=1.2mWI=75mAP=2.5mWI=100mAP=10mWI=95mAP=6mWI=80mAP=4mW半导体激光器特性参数1、半导体激光器的PI特性2、阈值电流Ith3、内量子效率i4、温度特性阈值电流随温度的变化峰值波长随温度的变化LD光源的主要技术指标光源的调制方式在光纤通信系统中，把随信息变化的电信号加到光载波上，使光载波按信息的变化而变化，这就是光源的调制。调制方式：直接调制间接调制（外调制

10、）光发射机1、光源（LD）2、编码3、APC, ATC（功控、温控LD）4、接口（转换/调理/均衡/放大）5、保护措施：告警，光隔离器6、.激光控制电路调制格式归零码RZ非归零码NRZ当前，数字光纤通信以采用NRZ码为主。有关各种调制码型的研究很多。tt000111RZNRZmBnB 码mBnB码是把输入的二进制原始码流进行分组，每组有m个二进制码，记为mB，称为一个码字，然后把一个码字变换为n个二进制码，记为nB，并在同一个时隙内输出。这种码型是把mB变换为nB，所以称为mBnB码，其中m和n都是正整数， nm，一般选取n=m+1。mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、 8B9B、 17

11、B18B等等。调制方式调制前光载波的形式为： E(t) =A cos(0t + )模拟通信可采用调幅、调频、调相等多种调制方式。采用数字调制时，相应地称为幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）。电场振幅载频相位光接收机光接收机：将光信号变换为电信号，再进行放大、再生。接收机性能的重要参数是接收机灵敏度。借助误码率来衡量。接收灵敏度取决于信噪比。 光检测器和光接收机4.1 半导体光检测器件4.2 光接收机4.3 光接收机噪声分析4.4 光接收机的误码率4.5 接收机灵敏度4.6 光中继机Ref: 响应度响应度是表示光检测器能量转换效率的一个参数，是光检测器的平均输出电流与平均

12、输入光功率之比。表示为: （A/W） (4-1)式中：R0 光检测器的响应度 IP 光检测器的平均输出电流 P0 入射在检测器光敏面上的平均光功率光电二极管PIN原理：(Ref: 图4-4 P89)I层较厚，几乎占尽了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。PIN光电二极管的主要特性 截止波长和吸收系数 响应度和量子效率 响应速度 线性饱和 暗电流 噪声 APD的工作原理和结构处于反向偏置的耗尽层光电二极管，当外加的反向偏压不

13、断增强时，耗尽层内产生的光生载流子在强电场作用下得到加速，获得很大的动能。高能的载流子与半导体晶体内的原子相碰撞，将束缚在价带中的电子激发到导带，从而在耗尽层内产生新的电子-空穴对，这种现象称为碰撞电离。碰撞电离的反复循环使耗尽层内的载流子数雪崩似的急剧增加，通过二极管的电流也就猛增，这就是雪崩倍增效应。雪崩光电二极管（APD）就是利用雪崩倍增效应实现内部电流增益的半导体光电转换器件。图4-11 直接检测数字光接收机框图4.3.1 光接收机的主要噪声光接收机中存在各种噪声源，根据噪声产生的不同机理，噪声可分为两类：散粒噪声和热噪声。接收机中的噪声源及其引入部位如图4-20所示。其中散粒噪声包括

14、光检测器的量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD倍增噪声；热噪声主要指负载电阻产生的热噪声，放大器噪声（主要是前置放大器噪声）中，既有热噪声，又有散粒噪声。灵敏度换算示例例如，某接收机在保证误码率Pe=10-9的条件下，所需接受的最小光功率为15.8nW，则灵敏度为：对于不同的误码率要求，接收机的灵敏度也不同。而产生误码的主要原因是噪声。光信号通过接收机时，受到各种噪声影响，降低接收机的灵敏度。因此，对接收机噪声的研究分析是光接收机的主要课题。第五章 内容列表1 光器件概述2 光连接器 Connector3 光衰减器 Attenuator4 光耦合器 Coupler5 复用器与滤波器 Mul

15、tiplexer and Filter6 光隔离器与环行器7 光调制器 Modulators8 光开光 Switches光连接器Connector（活动的）FC型：螺纹连接。外部材料为金属SC型：外壳采用工程塑料，矩形结构，便于密集安装，不用螺纹连接，可以直接插拔。ST型：采用带键的卡口式锁紧机构，确保连接时准确对中。连接中的损耗问题：Common commercial devicesPlanar Waveguide Coupler光耦合器的常见实现方法22光纤耦合器P4P0输入功率P1直通功率P3串扰P2耦合功率L锥形区域L锥形区域Z耦合区域可根据耦合比要求，决定拉伸长度。但拉锥长度太长，纤

16、芯变得过细后，将引起能量辐射，功率降低，插入损耗明显增加。复用器用途：波长选择、光放大器的噪声滤除、光复用/解复用WavelengthfilterWavelengthmultiplexerWavelengthrouter(f) (a)FSR传输函数 Pin(f) (b)输入功率Pout(f) (c)输出功率f1 f2 f3 . fNP1P2 P3 . PNf1 f2 f3 . fNF-P滤波器的传输特性(a)传输函数 (b)N个信道经波分复用后加到滤波器输入端的频谱图 (c)滤波器输出端DWDM系统对F-P滤波器参数的要求：F-P腔的自由谱区FSR必须大于多信道复用信号的频谱宽度，以免使信号重

17、叠，造成混乱。在DWDM中，信道间距小于1nm，所以要求F-P腔有较窄的带宽F。精细度F要高级联F-P腔Multilayer Dielectric Thin-Film Filter多层介质膜复用解复用器特点：通带特性好（平顶、隔离度高25dB）温度敏感性小（0.0005nm/C 不需温控）插损57dB（16波） 波长数16CH波长间隔0.8nm 价格较高PDL小(0.2dB)是16波长WDM系统中主要选用的器件光隔离器与环行器Isolators & Circulators 非互易器件用途：放置于激光器及光放大器前面，防止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允许光单向传输。主要指标：低的

18、插入损耗 (对正向入射光，1dB)高的隔离度 (对反向反射光，4050dB)原理：一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。原理展示与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理Polarizer Polarizer Faradayrotator Blocked Reflect light SOPLight out Light in 光调制器Modulators光调制器：实现从电信号到光信号的转换。光调制的分类：从光源调制角度看：其一，内调制或直接调制（简单、经济、引入较大的啁啾）；其二，外调制（调制信号啁啾小）。按被调制光波的参数分：强度调制、相位调制、偏振调制等。光开关的分类机械光开关热光开关电光开关微光机

19、电系统（MOEMS）SDH 内容目录6.1 SDH概述6.2 SDH速率等级和帧结构6.3 SDH复用和映射过程6.4 SDH网元设备6.5 SDH同步与定时6.6 SDH传送网6.7 SDH网络保护和恢复6.8 SDH网络管理6.2.1 网络节点接口表6-1 SDH的标准速率图6-2 STM-N帧结构STM-1 SOH 结构示例13459RSOH传输方向9N261N270N列MSOHAU PTR信息净负荷区域信息净负荷区就是帧结构中存放各种信息容量的地方。STM-N 净负荷(含POH) 图6-3 G.707给出的复用途径44736kb/s34368kb/s6312kb/s2048kb/s15

20、44kb/sVC-3TUG-2VC-12VC-11TU-11TU-12 TU-2 TU-3TUG-3139264kb/sC-11C-12C-2C-3C-4AUGVC-4 AU-4 AU-3STM-NVC-3VC-3N137713134指针处理复用定位校准映射图6-4 我国的SDH基本复用映射结构STM-NVC-3TUG-2VC-12TU-12 TU-3TUG-3139264kb/s34368kb/s2048kb/sC-12C-3C-4AUGVC-4 AU-4N17133指针处理复用定位校准映射复用定位校准映射155.520 Mb/sSTM-1AUGSOH3码速调整2.048 Mb/s2.224

21、 Mb/sVC-122.240 Mb/sTU-122.304 Mb/sTUG-26.912 Mb/sTUG-349.536 Mb/sVC-4150.336 Mb/sAU-4150.912 Mb/sC-12VC-12 POHC-12C-12TU-12 PTRTU-12TU-12TUG-2TUG-2TUG-2TUG-2TUG-2TUG-2TUG-2TU-12VC-12TUG-3TUG-3TUG-3VC-4AU-4 PTRVC-4 POH731VC-4AU-4 PTRAUG150.912 Mb/s3. 复用(续)由我国的复用路线可知：TUG-23TU-12；TUG-37TUG-2或1TU-3；STM

22、-1VC-43TUG-3；STM-NNSTM-1；由上述可知，一个STM-1可以直接提供63个2Mbit/s或3个34Mbit/s（经PDH复用解复用可以得到48（163）个2Mbit/s）或一个140Mbit/s（经PDH复用解复用可以得到64个2Mbit/s口）。因此，在SDH干线上开通34Mbit/s是不经济的。图6-20 复用设备一般化逻辑方框图（部分）图6-35 伪同步和主从同步原理图图6-36 等级主从控制示意图 SDH传送网 传送网的分层与分割传送网可从垂直方向分解为三个独立的层网络，即电路层，通道层，传输媒质层。每一层网络在水平方向又可以按照该层内部结构分割为若干分离的部分，组

23、成适于网络管理的基本骨架。图6-38 分层和分割视图图6-39 SDH传送网分层结构传送网故障恢复速度与备用容量效率不同的用户对故障恢复速度要求也不同。有的用户对网络的无间断运行具有强烈的依赖性，如银行自动取款机、大贸易公司等。对于这类用户，恢复时间应是自愈机制所能达到的最短时间，目前这个时间约为50ms。但是多数应用的故障恢复时间的容许范围可以在几秒钟到几分钟之间。特别是业务成本比较低的时候，容许范围可以达到30min。图6-43 1+1 和 1:n 保护二纤单向复用段保护环工作原理二纤单向通道保护环工作原理四纤双向复用段保护环工作原理二纤双向复用段保护环工作原理图6-50 SDH设备的管理

24、功能光纤通信系统光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器000010G1000GWDMWDM2. WDM系统组成某商业系统组成光波长转换单元（OTU）；波分复用器：分波/合波器（ODU/OMU）；光放大器（BA/LA/PA）；光/电监控信道（OSC/ESC）。OTUOTUOTUOMUODUOTUOTUOTUOSCOSCOSCLABAPA单纤单向M40M40MUXDEMUXOTUOTU单纤双向M40M40MUX/DEMUXDEMUX/MUXOTUOTU图7-5 WDM系统总体结构示意图（单向）光 合 波 器光转发器11光转发器2nBA光监控信道发送器光发送机1n光纤光接收机s光 分

25、 波 器光接收1lnPA光接收21n光纤光监控信道接收器sLA 光监控信道接收/ 发送器ss光中继放大网络管理系统有线路光放大器WDM系统的应用代码WDM系统的应用代码一般采用以下方式构成：nWx-yz，其中n 是最大波长数目W 代表传输区段（WL，V或U分别代表长距离、很长距离和超长距离）x 表示所允许的最大区段数（x1）y 是该波长信号的最大比特率（y4或16分别代表STM4或STM16）z 代表光纤类型（z2，3，5分别代表G.652，G.653或G.655光纤）标称中心频率和最小通路间隔所谓标称中心频率是指光波分复用系统中每个通路对应的中心波长。目前国际上规定的通路频率是基于参考频率为

26、193.1 THz，最小间隔为100 GHz的频率间隔系列。1552.52 nm0.8 nm1. WDM系统的技术问题光源的波长稳定问题光信道的串扰问题光纤色散对传输的影响问题光纤的非线性效应问题EDFA的动态可调整增益与锁定问题EDFA的增益平坦问题EDFA的光浪涌问题EDFA级联使用时的噪声积累问题数字光纤通信系统性能8.1 数字传输模型8.2 误码特性8.3 抖动特性8.4 漂移特性8.5 延时特性8.6 光纤通信系统的可用性8.7 光缆线路系统设计图8-1 标准数字假设参考连接HRX是按照最长距离和最坏情况下考虑的全程64kb/s连接国际部分4段国内部分5段图8-2 标准数字假设参考连

27、接（中等长度）实际连接一般都比最长HRX短，因此引入了标准中等长度HRX国内部分3段国际部分只有1段误码率误码率的数值通常可用n10-P的形式表示，其中P为一整数。对于数字通信系统，实际上指的是比特误码率(BER-bit error rate)，即每个码元为1比特时的误码率，其表达式为误码特性的评定方法误码时间率阈值(BERT- bit error rate threshold)在ITU-T G.821建议中，把误码劣化状态划分为三个领域：(1) 可正常通信，即可接受的领域，其阈值为110-6。(2) 可通信但质量有所劣化，即劣化领域，其阈值为110-6110-3。(3) 不能通信，即不可接受

28、的领域，其阈值为110-3。8.2.4 误码性能的规范G.821建议把27500km分成三个部分，即高级部分、中级部分和本地级部分。如图8.7所示。27500km25000kmISC1250km1250kmLEISCLE本地级15%本地级15%中级15%中级15%高级40%T参考点T参考点抖动特性抖动可以分为相位抖动和定时抖动。相位抖动指脉码传输过程中所形成的周期性的相位变化。定时抖动指脉码传输系统中的同步误差。抖动的大小或幅度通常可以用时间、相位度数或数字周期来表示。ITU建议采用数字周期来度量，即用“单位间隔”或称时隙(UI)来表示。1UI相当于1比特信息所占有的时间间隔，数值上等于传输比

29、特率的倒数。可靠性和可用性表示方法通常用来表示系统可靠性的参数有两个：一个是平均故障间隔时间(MTBF)，单位为小时；另一个是故障率()，单位为1/小时。1/MTBF。当采用10-9/小时作为计量单位时，称为 Fit，即1Fit10-9/小时。衰减限制系统的中继距离可由下式来计算：式中，L为最大中继距离(单位为km)，ASR为系统S点和R点之间光缆线路容许的衰减(单位为dB)，AC为S、R点间增加的光纤连接器衰减(单位为dB)，AS为光纤固定接头平均衰减(单位为dB/Km)，Af为光纤的平均衰减系数(单位为dB/Km)，MC为光缆的富余度(单位为dB/Km)。衰减限制系统最大中继距离的计算9 光纤接入网9.1 光接入网基本概念9.2 光接入网关键技术9.3 有源光接入网AON 9.4 无源光接入网PON 接入网分类示意图接入网有线接入网无线