1.光纤通信

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1、光纤通信,2,目录,光纤通信概述,光纤光缆,光器件,光发射机与光接收机,光纤通信系统设计,3,提纲：光纤通信概述, 发展现状 光波波谱 系统基本组成 特点,4,光纤通信的发展现状,1光纤通信发展的里程碑,高锟博士1933年11月4日生于上海，杰出的华裔科学家，是公认的光纤通信的奠基人和开创者。1966年高锟发表了一篇具有划时代意义的论述光通信的基本原理和材料的文章(用于光频的光纤表面波导) ，成为光纤通信开始的标志。,5,光纤通信的发展现状,2光纤通信发展的实质性突破 1966年当时光纤的损耗超过了1000dB/km，直到1970年，才由美国康宁公司试验成功小于20dB/km的光纤；同年，贝尔

2、实验室成功实现了可以在室温下连续工作的GaAs激光器，标志着实用化的光纤通信的开始。 3光纤通信爆炸性的发展 （1）光纤损耗 1970年：20dB/km； 1972年：4dB/km； 1974年：1.1dB/km； 1976年：0.5dB/km； 1979年：0.2dB/km； 1990年：0.14dB/km。,6,光纤通信的发展现状,（2）光器件 光发送器件： 砷化镓铝半导体激光器异质结条形激光器分布反馈式激光器（DFB-LD）和多量子阱（MQW）激光器。 光接收器件： Si-PIN APD。 （3）光纤通信系统 从小容量到大容量、从短距离到长距离、从PDH SDH DWDM。在智能光网络（

3、ION）,光分插复用器（OADM）、光交叉连接设备（OXC）等方面也取得巨大进展。,7,光纤通信的发展现状,（4）我国的发展 我国光纤通信的研究开始于20世纪70年代 1977年制成了国产第一根光纤 1979年建立了第一个试验光纤通信系统 1987年建成了武汉荆州第一个国产长途光纤通信系统 “九五”期间，中国已建成8纵8横光纤骨干网，覆盖了除台湾外所有省会城市和75地市。 目前，我国长途骨干网的光缆长度达到了17万公里，并经中美、中日、中韩等海缆和欧亚大陆桥光缆与国际光缆网连接。,8,光纤通信的发展现状,FLAGFiber Optic Link around the Globe,架空光缆,直埋

4、光缆,北京,上海,至欧洲,至日本 FLAG,至韩国,至朝鲜,至俄罗斯,我国光缆骨干网分布图,至东南亚,9,光纤通信概述, 发展现状 光波波谱 系统基本组成 特点,10,光纤通信的光波波谱,1 光波波谱 光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300m6103m。 可见光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的连续光波组成，其中红光的波长最长，紫光的波长最短。波长再短就是X射线、射线。 电磁波波谱图如图所示。,11,用于通信的电磁波波谱,101,107,102,106,103,105,104,104,105,103,106,102,107,101,108,100,109,1

5、0-1,1010,10-2,1011,10-3,1012,10-4,1013,10-5,1014,10-6,1015,ELF,VF,VLF,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,电力、电话,无线电、电视,微波,红外,可见光,双绞线,同轴电缆,光纤,卫星/微波,AM无线电,FM无线电,频段划分,传输介质,光纤通信的光波波谱,频率，Hz,12,光纤通信的光波波谱,电磁波波谱图,13,光纤通信的光波波谱,2光纤通信的光波波谱 光纤通信的波谱在1.671014Hz3.751014Hz之间，即波长在0.8m1.8m之间，属于红外波段，将0.8m0.9m称为短波长，1.0m1.8m称为长波长，

6、2.0m以上称为超长波长。 各种单位的换算公式如表1-1所示。 表1-1 各种单位的换算公式,14,光纤通信概述, 发展现状 光波波谱 系统基本组成 特点,15,光纤通信系统的基本组成,光纤是光导纤维的简称 光纤通信是以光波为载波，以光纤为传输介质的一种通信方式。,16,光纤通信系统的基本组成,电端机（模/数）,光发送机,光纤,中继器,光接收机,电端机（模/数）,模拟信号,发送端的电端机把信息（如话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件LD，输出发出携带信息的光波。光波经光纤传输后到达接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成

7、原来的信息。,光纤,模拟信号,17,光纤通信概述, 发展现状 光波波谱 系统基本组成 特点,18,光纤通信的特点,通信容量大 中继距离长 保密性能好 适应能力强 体积小、重量轻、便于施工和维护 原材料来源丰富，潜在价格低廉,19,光纤通信的特点,光纤通信同样也存在着如下缺点： 需要光 / 电和电 / 光变换部分 光直接放大难 电力传输困难 弯曲半径不宜太小 需要高级的切断接续技术 分路耦合不方便,20,目录,光纤通信概述,光纤光缆,光器件,光发射机与光接收机,光纤通信系统设计,21,提纲：光纤光缆, 光纤的结构和类型 光纤的导光原理 光纤的传输特性 光纤的标准与应用,22,光纤的结构和类型,1

8、. 光纤结构,纤芯,包层,沿光纤长度方向均匀沉积的纤芯,涂覆层,10,125,250,23,光纤的结构和类型,（1）纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。 直径d1=4m50m，单模光纤的纤芯为4m10m，多模光纤的纤芯为50m。 纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。 （2）包层：包层位于纤芯的周围。 直径d2=125m，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。,24,光纤的结构和类

9、型,（3）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。 涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。,25,光纤的分类,若按制造材料分类可分为石英光纤和塑料光纤 若按剖面折射率分类可分为突变型光纤和渐变光纤 若按传输模的数量分类可分为多模光纤和单模光纤,26,光纤的分类,1按剖面折射率分类 图2-3所示为两种典型光纤的折射率分布情况。 一种称为阶跃折射率光纤；另一种称为渐变折射率光纤，如图2-3 （a）、（b）所示。,图2-3 光纤的折射率分布,27,光

10、纤的分类,光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别如图2-5和图2-6所示。,图2-5 光在阶跃折射率多模光纤中的传播,图2-6 光在渐变折射率多模光纤中的传播,28,光纤的分类,多模光纤,单模光纤,29,提纲：光纤光缆, 光纤的结构和类型 光纤的导光原理 光纤的传输特性 光纤的标准与应用,30,光纤的导光原理,1折射和折射率 光线在不同的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的参数就是折射率，或称折射指数。折射率可由下式确定： n = c/v 其中是光在某种介质中的速度，是光在真空中的速度 在折射率为n的介质中，光传播速度变为c/n，光波长变为0/n（ 0表示光在真空中的波长）。

11、表2-1中给出了一些介质的折射率。,表2-1 不同介质的折射率,31,光纤的导光原理,当一条光线照射到两种介质相接的边界时，入射光线分成两束：反射光线和折射光线（如图2-9所示）。,图2-9 光的折射,图2-10 光的反射,斯涅耳定律给出了定义这些光线方向的规则：1 = 3 n1sin 1 = n2sin 2 全反射是光信号在光纤中传播的必要条件 。 sin 1 =n2/n1,32,光纤的导光原理,非传导光线,传导光线,纤芯折射率n1,包层折射率n2,条件1：n1n2 条件2： i th,33,提纲：光纤光缆, 光纤的结构和类型 光纤的导光原理 光纤的传输特性 光纤的标准与应用,34,光纤的传

12、输特性,光纤的传输特性主要是指光纤的损耗特性和色散特性，另有机械特性和温度特性。 1光纤的损耗特性 衰减系数 10log(P0/PL)/L 这里； P0 输入光功率 PL 经过L长度的光纤后的输出光功率 L 传输距离,P0,PL,35,光纤的传输特性,光纤总损耗谱,36,光纤的传输特性,1光纤的损耗特性 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的损耗（或衰减）。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗3种损耗。 （1）吸收损耗 光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的损耗，包括紫外吸收、红外吸收和杂质

13、吸收。,37,光纤的传输特性,（2）散射损耗 由于材料的不均匀使光信号向四面八方散射而引起的损耗称为瑞利散射损耗。 光纤制造中，结构上的缺陷会引起与波长无关的散射损耗。 （3）弯曲损耗 光纤的弯曲会引起辐射损耗。实际中，有两种情况的弯曲：一种是曲率半径比光纤直径大得多的弯曲；一种是微弯曲。 决定光纤衰减常数的损耗主要是吸收损耗和散射损耗，弯曲损耗对光纤衰减常数的影响不大 。,38,光纤的传输特性,（4）衰减系数 光纤的衰减系数是指光在单位长度光纤中传输时的衰耗量，单位一般用dB/km。它是描述光纤损耗的主要参数。 在单模光纤中有两个低损耗区域，分别在1 310nm和1 550nm附近，即通常说

14、的1 310nm窗口和1 550nm窗口；1 550nm窗口又可以分为C-band（1 525nm1 562nm）和L-band（1 565nm1 610nm）。如图2-14所示。,39,40,光纤的传输特性,光的色散 如图2-12所示，当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）或水对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射率n不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。,图2-12 自然光的色散,41,色散对通信的影响,输出波形,码间干扰,42,光纤的传输特性,2光纤的色散特性 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的

15、群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散，如图2-15所示。色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。,图2-15 色散引起的脉冲展宽示意图,43,光纤的传输特性,D为色度色散，DM为材料色散，DW为波导（结构）色散,44,光纤的传输特性,光纤的色散可分为模式色散、色度色散、偏振模色散。 （1）模式色散 多模光纤中不同模式的光束有不同的群速度，在传输过程中，不同模式的光束的时间延迟不同而产生的色散，称模式色散。 （2）色度色散 由于光源的不同频率（或波长）成分具有不同的群速度，在传输过程中，不同频率的光束的时间延迟不同而产生色散称为色度色散。色度色散包括材料色散和波导色散。,45,光纤的传输特性, 材料色散 由于材料折射率随光信号频率的变化而不同，光信号不同频率成分所对应的群速度不同，由此引起的色散称为材料色散。 波导色散 由于光纤波导结构引起的色散称为波导色散。其大小可以和材料色散相比拟，普通单模光纤在1.31m处这两个值基本相互抵消。 注：模式色散主要存在于多模光纤。单模光纤无模式色散，只有材料色散和波导色散。当波长在1.31m附近，色散接近为零。 色散系数就是单位波长间隔内光波长信