电信传输技术第四章

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1、第四章 光纤传输,4.1 光纤传输链路的基本单元 4.2 光纤的导光原理 4.3 光纤的传输特性 4.4 光源和光发射机 4.5 光接收机 4.6 SDH光传输网 4.7 实现高速大容量的光传输技术,4.1光纤传输链路的基本单元,光纤传输链路由图4-1所示，其关键部分是由光源和驱动电路组成的光发送机、将光纤包在其中对光纤起到机械加固和保护作用的光缆以及由光检测器、光放大电路、信号恢复电路组成的光接收机三大部分组成。,图4-1,1. 光纤和光缆在光纤链路中，成缆后的光纤是最重要的元件之一，有关光纤的基本概念已在第2章介绍。与铜缆类似，光缆可以架空铺设，也可以铺设在管道内、铺设于海底或直埋于地下。

2、2. 发送机核心是光源。光源的主要功能就是将输入电信号转换为光信号。一般铺设好光缆以后，光源应有与光纤纤芯相匹配的尺寸，以便于将光功率注入光纤。,3. 接收机光接收器的关键设备是光电检测器。光信号注入光纤以后，由于光纤材料的散射、吸收和色散机理，会导致信号随传输距离的增加而产生连续的衰减和失真。,4.2 光纤的导光原理,4.2.1 基本光学定律1. 光速和材料的折射率光在不同的介质中以不同的速度传播，看起来就好像不同的介质以不同的阻力阻碍光的传播。描述介质的这一特征的参数就是折射率，或者折射指数。,如果v是光在某种介质中的速度，c是光在真空中的传播速度 ，那么介质的折射率n为,例【4.1】 已

3、知光从空气照射玻璃并从其中穿过，问光在玻璃中的传播速度是多少？,解：取光对玻璃的折射率n=1.5，得到光在玻璃中的传播速度为,2. 光线的反射定律和折射定律,光在传播过程中，若从一种介质传播到另一种介质的交界面时，因两种介质的折射率不等，将会在交界面上发生反射和折射现象，如图4-5所示，图中是 入射角， 是折射角。 是反射角,（a)光从空气进入玻璃 (b) 光从玻璃进入空气 图4-5入射光线、反射光线和折射光线,【例4.2】 图4-5中, 那么 和 的值是多少？ 解： , 由 ， 可求得,（a）任意角度入射（b）入射角度增加,（c）临界入射角发生全内反射 （d）入射角度大于临界入射角所有的光全

4、 部被反射回,4.2.2 光纤对光的传导,1.纤芯和包层的折射率根据光纤横截面上折射率分布的不同，可分为阶跃型光纤和渐变型光纤图4-8给出了阶跃型光纤的结构示意图。,（a）折射率图 (b) 光纤的横截面前视图 (c)光纤的横截面右视图,【例4.4】 已知纤芯的折射率 ，包层的折射率 ，在什么条件下光可以保持在纤芯中？,解：这个条件就是全反射。为了实现全反射，至少要使光纤以临界入射角入射到纤芯包层边界则,2. 临界入射角 和临界传播角,临界传播角 指光线与光纤中心线的角度（在光纤术语中常称它为“临界角”）；临界入射角 是光线和与纤芯和包层间的光边界垂直的直线间的角度,图4-10临界入射角和临界传

5、播角,3. 光纤接受角度,光当然要从像LED或LD这样的某个源发出，而这个源是在光纤之外的，所以我们必须把它导向到光纤中。图4-11示出了从一个光源辐射的光如何进入一根光纤的过程。,图4-11 光从光源导向光纤的过程,【例4.5】 已知光纤纤芯的折射率 ，包层的折射率 的光纤，问其接受角是多少？解： 因为， 由 ，对于空气， 。 则 ，求得所以接受角度 。,4. 数值孔径NA,数值孔径表征光纤从光源接收光线的能力。NA值越大，光纤接收收集光的能力越强。数值孔径NA的定义是：由于 ， ，则得到NA的常用公式：,4.3 光纤的传输特性,4.3.1光纤的损耗特性一、弯曲损耗1.宏弯损耗宏弯损耗是指由

6、整个光纤轴线的弯曲造成的损耗，其原理如图4-12所示。,图4-12弯曲损耗,2.微弯损耗,微弯损耗是指由光纤轴线微小的崎变造成的损耗。其原理如图4-13所示。纤芯包层接口在几何上的不完善可能会造成在相应区域上微观的凸起或凹陷。光束最初以临界传播角传输，经过在这些不完善点处的反射以后，传播角会发生变化。结果就是不再满足全内反射条件，部分光束被折射掉，即它们泄露出纤芯，从而产生微弯损耗。,图4-13 微弯损耗,二、散射损耗,光纤本身损耗的原因，大致包括两类：散射损耗和吸收损耗。所谓散射是指光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了在光的传播方向以外，在其它方向也可以看到光，这种现象称为光的散射散射损

7、耗中瑞利散射和结构缺陷散射对光纤传输的影响较大。,1.瑞利散射 这种散射是由于光纤材料的折射率随机性变化而引起的 2.结构缺陷散射 在光纤制造过程中，由于结构缺陷（如光纤中的气泡、未发生反应的原材料以及纤芯和包层交界处粗糙等），将会产生结构缺陷散射损耗，这种损耗与光波长无关,三、吸收损耗,吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，下面主要介绍本征吸收和杂质吸收。 （1）本征吸收材料的固有吸收损耗与波长有关，对于石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，一个是紫外吸收带，另一个是红外吸收带。,（2）杂质吸收杂质吸收是由光纤材料的不纯

8、净而造成的附加吸收损耗。影响最严重的是：金属过渡离子和水的氢氧根离子吸收电磁能量而造成的损耗。,四、对衰减的计算,光纤损耗（Loss）是指光纤输出端的功率 与发射到光纤时的功率 的比值。其中功率和以瓦（W）为单位。,【例4.7】 一个传输系统使用衰减A为0.5 dB/km的光纤。如果输入功率是1 mw，链路长度为15km，求出输出光功率。解：由（4.3-3）式得,【例4.8】如果发射功率为1mW，接收器的敏感性为50uw，计算衰减为0.5Db/km的光纤链路的最大传输距离。解：由于 的最小值是由接收器的敏感性来决定的，则 。由公式（4.3-4）得,4.3.2 光纤的色散特性,光纤色散是光纤的另

9、一个重要特性，由于光纤中色散的存在，会使得输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这就限制了传输容量和传输距离。光纤的色散可归结为三类：模式色散、材料色散，波导色散。,一、模式及模式数量,1模式光在光纤中是以一组独立的光束或光线传播。如果我们能够看到光纤内部的话，我们会看到一组光线以不同的传播角 传播，传播角的值从零到临界值,（a）不同光束的模式,(b)不同的光束具有不同的相位变化,光纤只支持那些在同一相位完成整个锯齿形的模式,2.模式数量,光纤中的模式数量依赖于光纤的光特性和几何特性。一根光纤的纤芯直径越大纤芯所能容纳的光就越多，所具有的模式就越多；同样，光的波长越短光纤所能容纳

10、的模式也越多。,一根光纤中模式的数量由归一化频率（normalized frequency）参数V来决定，这个参数常 被称为V参数。这个值等于（4.3-5） 其中,d为纤芯直径，为工作波长， n1和n2分别为纤芯和包层的折射率。对于阶跃折射率光纤，当V值较大（V20）时，可以采用下公式计算模式的数量N,（4.3-6）对于渐变折射率光纤，模式的数量N为,3模式的物理意义,在光纤中，总的光功率是由单个的模式携带的，所以在光纤输出端这些小部分结合起来就成了带一定功率的输出光束。,二、模式色散,1.色散的概念在光纤中，信号的不同模式或不同频率在传输时具有不同的速度，因而信号到达终端时会出现传输时延差，

11、从而引起信号畸变，这种现象统称色散。2. 模式色散由于光束在光纤内部的模式结构所造成的脉冲展宽被称为模式色散,3.模式色散的计算,色散的大小用时延差 表示。现以阶跃型多模光纤为例，对其最大模式色散进行估算在多模阶跃光纤中，传输最快和最慢的两条光线分别是沿轴心传播的光线1和以临界角 传播的光线2，如图4-18所示。 使用弱光纤可以表示为,【例4.10】对于一个 ， 阶跃折射率光纤，问一个光脉冲在此光纤中传输5 km之后光脉冲扩展（即模式色散）为多少？解：由于弱光纤 相差很小，这里用代替。根据公式（4.3-11）得,4.模式色散对传输速率的影响,假设我们需要以10 Mbps（兆比特每秒）的速度传输

12、信息,也就是说每秒钟想要传输个脉冲；换句话说，每个周期的持续时间为100 ns.模式色散会使这些脉冲产生扩展让我们看【例4.10】中的数字,三、减少模式色散的措施,1.采用渐变折射率光纤 （1）渐变折射率光纤的结构由图4-18的分析已知，在阶跃型多模光纤的纤芯中，零级模式沿中心轴线传播，较高级的模式以等于或小于临界传播角传播。这样，同样速度的光束传输不同的距离，它们以不同的时间到达接收器，从而形成脉冲扩展（模式色散）。,（2）渐变折射率光纤如何减少模式色散,对于渐变折射率光纤，其模式色散（最大脉冲扩展） 可由下公式给出（4.3-12） 其中是相对折射率，c是光在真空中的速度，为纤芯群折射率。,

13、【例4.11】 对于一个 ， 的渐变折射率光纤，如果链路长5 km，计算其由模式色散（脉冲扩展值）。解：由公式（4.3-12）得,2.采用单模光纤,单模光纤也由纤芯和包层构成，一般纤芯直径2a4-10，包层直径2b= 125单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单一基模的光纤.不会产生模式色散,3.各种光纤模式色散的比较,（a）阶跃折射率多模光线,（b）渐变折射率多模光纤,（c）阶跃折射率单模光纤,四、材料色散,材料色散是由光纤材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率，严格来说，并不是一个固定的常数，而是对不同的传输波长有不同的值。光纤传输实际上用的光源发出的光，并不是只有理想的单一波长，而是有一定

14、的波谱宽度。,由材料色散造成的脉冲扩展可用以下公式进行计算（4.3-13） 其中， 是材料色散系数， 单位是； 是光源光谱宽度。,【例4.12】某光纤的材料色散系数 ，其谱线宽度 ，试求该光传输1km之后的材料色散。（注： ）解：由式（4.3-13）得,五、波导色散,波导色散是由光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。这类色散在开路介质中是不存在的。波导色散主要存在单模光纤中。多模光纤中的波导色散可以忽略。,4.4光源和光发射机,4.4.1半导体光源器件为了提高光纤通信系统的传输性能，要求光源在下面几个方面具有良好的质量指标： (1)光源的发射波长应该与光纤的低损耗窗口一致，

15、目前为085、l3和1.55这三个低损耗窗口。,（2）光源的谱线宜窄，这样可以减小光纤色散对信号传输质量的影响。光源的谱线宽度直接影响到光纤的色散特性，限制了传输速率和传输距离。目前较好的半导体激光器谱线宽度可达到0.1nm。（3）光源与光纤的耦合效率要高，使更多的光功率进入光纤传输。目前，半导体激光器与尾纤的耦合效率为1020，最好可达50。（4）调制方法简单。,（5）响应速度要快，以满足高速率传输的需要。（6）能够室温连续工作。并能提供足够的光输出功率；目前，半导体激光器尾纤的输出功率可达5002mw；半导体发光二极管的尾纤输出功率可达10左右； （7）体积小、重量轻。寿命长。其寿命应在10万小时以上。,一、半导体激光器（LD）的工作特性,1.阈值特性,2.光谱特性当时 ，发出的是荧光，因此，光谱很宽，如图4-23(a)所示，其宽度常达数百埃（ ）。当 后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光，,3.温度特性,图4-25激光器阈值电流随温度的变化,二、半导体发光二极管（LED）的工作特性,