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1、第3章 光纤通信系统,本章主要内容,光纤发展简史,1,光纤通信系统基本构成,2,3,光纤与光缆,4,5,光端机,光纤通信概念及其特点,光纤通信是以激光为信息载体，以光纤为传输介质的通信方式。 光纤通信技术是近30多年迅猛发展起来的高新技术；它的诞生和发展，给世界通信技术带来了划时代的革命。 1966年美籍华裔科学家高锟提出光纤通信概念。 1970年美国CORNING公司首次研制出阶跃折射率多模光纤，波长630nm处的衰减系数小于20dB/km。同年，贝尔实验室研制出室温下连续工作的激光器。,光纤通信系统光纤发展简史,1976年发现光纤的衰减在两个长波长区有：1310nm及1550nm两个窗口。
2、美国西屋电器公司在亚特兰大进行了世界上第一个44.736Mbit/s传输110km的光纤通信系统现场试验。 1980年制出低衰减光纤，在1550nm的衰减系数为0.20dB/km接近理论值。与此同时，开发出适用于长波长地光源：激光器、发光管、光检测器。成缆、无源器件、测试仪表等技术日趋成熟。,光纤通信系统光纤发展简史,1981年以后，世界各发达国家将光通信技术大规模推入商用。历经20多年，光纤通信速率由1978年地45Mbit/s提高到目前地40Gbit/s。 我国自70年代初就已开始了光通信技术研究，1977年，武汉邮科院研制出中国第一根多模光纤，其在850nm地衰减系数为300dB/km。
3、 1979年建立了用多模短波长光纤进行的8Mbt/s、5.7km室内通信系统。,光纤通信系统光纤发展简史,1987年底，建成第一个国产长途光通信系统，由武汉荆州，全长约250km，传输34Mbit/s。 1988年起，国内光纤通信系统的应用由多模光纤转为单模光纤。 1991年，完成了第一条全国产化140Mbit/s合肥芜湖长途直埋单模光纤光缆线路，全长150km。 1993年建立全国产化上海至无锡的大容量565Mbit/s高速系统。 1997年以后，部分厂家研制出622Mbit/s、2.5Gbit/s及其波分复用系统。,光纤通信系统光纤发展简史,我国光纤光缆生产企业： 制棒拉丝成缆：长飞、富通
4、 买棒拉丝：上海朗讯、南京华新藤仓、深圳特发、成都中住、西古、富通昭和。 光缆生产企业：接近200家。,光纤通信系统光纤发展简史,1、光纤通信：光波为载波，光导纤维为传输介质的通信方式 2、光纤通信优点： 传输频带极宽，通信容量很大（见下表） 传输衰减小，距离远 信号串扰小，传输质量高 抗电磁干扰，保密性好 光纤尺寸小，重量轻，便于运输和敷设 耐化学腐蚀，适用于特殊环境 原材料资源丰富,节约有色金属,光纤通信系统概念、特点,表 光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较,3、光纤通信缺点： 光纤弯曲半径不宜过小 光纤的切断和连接操作技术要求较高 分路、耦合操作繁琐,光纤通信系统概念、特点,通信传输
5、网常用的物理媒体光纤、微波、电缆 以光纤为通信媒体，可提供高速通道的光纤传输网已成为目前通信传输网的主要部分。 一个基本的光纤通信系统由三大部分构成：光发射机、光纤线路、光接收机。,光纤通信系统基本构成,光发射机 光发射机的功能：把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。 光发射机组成：由光源、 驱动器和控制器组成。 光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上取决于光源的特性。 光源种类：半导体发光二极管(LED)、半导体激光二极管(或称激光器)(LD)， 单纵模分布反馈(DFB)激光器。,光纤线路 光纤线路功能：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的失真和衰减传输
6、到光接收机。 光纤线路组成：由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。 光纤基本要求：损耗和色散这两个传输特性参数都尽可能地小， 有足够好的机械特性和环境特性。 石英光纤分类：多模光纤和单模光纤。 单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。 单模光纤适合大容量长距离光纤传输系统，小容量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更加合适。,光接收机 光接收机的功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。 光接收机组成：由光检测器、 放大器和相关电路组成。 光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、 噪声
7、低和响应速度快。 光检测器种类： 光电二极管(PIN - PD)、雪崩光电二极管(APD)。 ,实际光纤通信系统,电信号转换 为光信号,A/D 转换,弥补光波远距离 传送的损耗,光信号转换 为电信号,D/A 转换,光纤和光缆,主要内容 预备知识：对光的认识 光纤的结构和分类 光缆的基本结构 光纤的传输特性 特种光纤的介绍,光波的基本特性,光波是一种电磁波，其波长在微米级，频率在数量级10121016 HZ（高频）。由图可见，紫外线，可见光，红外线均属于光波的范畴。,光纤通信使用的波长范围是在0.81.8 um。 0.85um； 1.31 um 1.55um 这是目前所采用的三个通信窗口。,波长
8、：一个波的两个连续周期中两个相同点间的距离。,周期：一个波中两个相同点顺次通过同一空间位置所需的时间。,一、 光纤的结构,1、目前光纤是用石英玻璃（SiO2）制成的横截面很小的双层同心圆柱体。未经涂覆和套塑时称为裸光纤。 2、光纤的基本结构： 纤芯（core)：位于光纤中心，直径2a为575m, 作用是传输光波。 包层（cladding)：位于纤芯外层，直径2b为100150m,作用是将光波限制在纤芯中。 涂敷层：纤芯的折射率稍大于包层的折射率。涂敷层是为了保护裸纤而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮树脂层，厚度一般为 30150m。 3、光在纤芯和包层的交界面满足全内反射。,光纤的结构和分类
9、,图 2.1 光纤的基本结构,二、光纤的分类,按照光纤横截面上折射率分布情况来分： 阶跃型光纤（SI）：在纤芯折射率布是均匀的 ，在纤芯和包层的交界面上折射率发生突变。成本费较小。 渐变型光纤（GI）：折射率在纤芯中是连续变化的。成本费较大。 按传输总模数来分：多模光纤，单模光纤 在一定的波长下，多模光纤能传输许多模式,从几何光学的角度看，多条满足全反射的光线在光纤中传输就称为多模。多模光纤纤芯直径50um,包层直径为125um.接续较容易，成本费小。多模光纤可以是阶跃型，也可以是渐变型折射率。 而当光纤的直径为一个波长左右时，光线沿直线向前传播，因此只能传输基模。 单模光纤的纤芯直径10um
10、,包层直径125m.接续难，成本费较小。 按光纤材料分：石英材料光纤、塑料光纤、多成份玻璃纤维、石英蕊，塑料包层,分类：按照光纤横截面上折射率分布情况来分,阶跃型光纤（SI）,渐变型光纤（GI）,分类二按传输总模数来分,多模光纤 （MMMulti mode fiber）,单模光纤（SMSingle mode fiber）,（1）石英材料光纤：纤蕊和包层是由高纯度 sio2掺适当的杂质制成损耗低，强度可靠性高，广泛采用。 （2）石英蕊，塑料包层：硅树脂 （3）多成份玻璃纤维 （4）塑料光纤 目前在光纤通信是主要使用石英光纤。,分类三按光纤材料分,光缆的基本结构,光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部
11、分组成。 缆芯：由单根或多根光纤芯线组成，有紧套和松套两种结构。紧套光纤有二层和三层结构。 加强元件：用于增强光缆敷设时可承受的负荷。一般是金属丝或非金属纤维。 护层：具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性，主要是对已成缆的光纤芯线进行保护。根据敷设条 件可由铝带/聚乙烯综合纵包带粘界外护层 (LAP），钢带（或钢丝）铠装和聚乙烯护层等组成。,光缆结构,光缆的一般结构图,(a)层绞式,(b)单位式,(c)骨架式,(d)带状式,光纤,光纤,光纤,光纤带,加强构件,单位,塑料骨架,加强构件,综合护套,防热层,光纤的结构示意图,光纤光缆,光纤光缆是包围在裸光纤周围的保护套，它的功能是保护光纤免受任何可能
12、的损害。,实际使用的光缆分类,光缆的种类 在公用通信网中用的光缆结构如表所示。,光纤的传输特性 信号劣化：信号衰减和失真,光纤的损耗决定了在无信号放大和再生的条件下，光发送机和接收机之间所允许的最大距离。影响光纤通信系统的成本 信号失真：光纤中光脉冲随着传输距离增加而展宽，如果传输距离足够长，光脉冲有可能展宽到与相邻的脉冲重叠，导致接收机错判，限制了光纤信息载的容量,损耗,1、损耗的定义： 当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。 2、损耗一般用损耗系数表示： (单位：dB/km) 损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择,损耗的种类,吸收损耗
13、散射损耗 其他损耗,吸收损耗,本征吸收损耗是由于光纤材料本身吸收光能量产生的。主要存在红外波段的分子振动吸收和紫外波段的电子跃迁吸收。 杂质吸收损耗主要是由于光纤中含有的各种过渡金属离子和氢氧根（OH-）离子在光的激励下产生振动，吸收光能量造成。,吸收损耗： 单模光纤中的吸收与多模光纤中的非常相似，仅在数值上有差异，单模光纤中吸收产生的衰减比较小， 单模光纤和多模光纤的典型光谱衰减曲线,散射损耗,散射损耗：主要包含瑞利散射损耗、 非线性散射损耗和波导效应散射损耗。 瑞利散射损耗：是由于光纤材料微观密度不均匀所引起的本征损耗。瑞利散射损耗与波长的四次方成反比，即波长越短，损耗越大。因此对短波长窗
14、口影响较大。 非线性散射损耗：是当光强度大到一定程度时，产生非线性喇曼散射和布里渊散射，使输入光信号的能量部分转移到新的频率成分上而形成损耗。因此非线性散射损耗是随传播频率变化的。在常规光纤中由于半导体激光器发送光功率较小，该损耗可忽略。但在DWDM系统中，由于总功率很大，就必须考虑其影响。 波导效应散射损耗：是由于光纤波导结构缺陷引起的损耗，与波长无关。光纤波导结构缺陷主要由熔炼和拉丝工艺不完善造成。,其他损耗,主要有连接损耗和弯曲损耗和微弯损耗。 连接损耗是由于进行光纤接续时端面不平整或光纤位置未对准等原因造成接头处出现损耗。其大小与连接使用的工具和操作者技能有密切关系。 弯曲损耗是由于光
15、纤中部分传导模在弯曲部位成为辐射模而形成的损耗。它与弯曲半径成指数关系，弯曲半径越大，弯曲损耗越小。 微弯损耗是由于成缆时产生不均匀的侧压力，导致纤芯与包层的界面出现局部凹凸引起。,连接与耦合损耗：,弯曲损耗（宏弯损耗和微弯损耗） 单模光纤中的宏弯损耗：a)光纤中的模场分布 b)弯曲光纤中的模场分布,微弯损耗,宏弯损耗,光纤的损耗波谱曲线,损耗dB/km,一般测试曲线,长波长窗口,瑞利散射,波导缺陷吸收,紫外吸收,红外吸收,短波长窗口,光波导中信号失真,1 什么是色散，色散的分类 色散：是在光纤中传输的光信号由不同的频率成份和不同的模式成份携带的，这些不同的频率成份和模式成份有不同的传播速度，
16、使得光纤输出波形在时间上产生展宽。 色散种类：模内色散（色度色散）和模间色散，偏振模色散。,色散： 随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽包括：模式色散(Mode Dispersion) 色度色散(Chromatic Dispersion) 偏振模色散(Polarization Mode Dispersion),模内色散（色度色散）,模内色散包括材料色散和波导色散 材料色散：纤芯的材料的折射率随波长的变化导致色散。折射率随波长的变化模式的群速度随波长变化，不同波长的光经历不同的路径，发生脉冲展宽。 波导色散：原因是由于光纤中只有80%的光功率在纤芯中传播，20%在包层中传播，如果包层中传播速率大于纤芯，就出现色散。波导色散的大小取决于光纤的设计,模间色散,模间色散产生的原因：即使在同一频率的光，不同的模式群速率不一样，也产生色散。它主要取决于光纤的折射率分布。 模间色散主要存于多模光纤中
