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1、,第2章 光纤通信系统,通 信 系 统,2,第二章 光纤通信系统,2.1 概述 2.2 光纤传输特性 2.3 光源和无源光器件 2.4 光发送机和光接收机 2.5 光纤传输线路设计与关键器件 2.6 SDH光纤传输系统,3,2.1 概述,2.1.1 光纤通信的基本特点 2.1.2 光纤通信的组成,4,2.1.1 光纤通信的基本特点,5,光纤通信特点,光纤通信系统中，信号以光导纤维为传输媒介。 光纤通信特点 (1)传输的频带宽、信息容量大 (2)线径细、重量轻、成本低 (3)损耗极低 (4)不受电磁干扰，不受恶劣环境的锈蚀 (5)不怕高温，防爆、防火性强 (6)光纤通信保密性好,6,2.1 概述
2、,2.1.1 光纤通信的基本特点 2.1.2 光纤通信系统的组成,7,2.1.2 光纤通信系统的组成,基本构成,8,实际为双向系统,光纤通信系统组成,9,光 纤,10,光纤通信系统由光发送机、光缆、光中继器、光连接器、和光接收机(含电数字终端设备)等组成。,光纤通信系统组成,11,光发送机：主要包括光源及其驱动装置，完成电-光变换。 电数字终端：由用户的各种不同速率等级信号复接而成。除各种接口和复接设备外，还包含有其他辅助电路部分，具有告警、公务、监控及区间通信等功能。 光接收机：主要由光检测器构成，完成光-电变换。 光中继器： 将受到损耗及色散影响的畸变光信号转变为电信号，经放大整形、判决再
3、生，还原为规则的数字电脉冲信号。 数字电脉冲信号经过再调制光源，变为光脉冲信号送入光纤继续传输，达到延长传输距离的目的。,光纤通信系统组成,12,第二章 光纤通信系统,2.1 概述 2.2 光纤传输特性 2.3 光源和无源光器件 2.4 光发送机和光接收机 2.5 光纤传输线路设计与关键器件 2.6 SDH光纤传输系统,13,2.2 光纤传输特性,2.2.1 光纤的导光原理与传输模式 2.2.2 光纤的传输损耗 2.2.3 光纤的色散特性和传输带宽 2.2.4 实用光纤的类型和选择 2.2.5 光缆的结构与分类,14,2.2.1 光纤的导光原理与传输模式,导光原理,15,导光原理,光密媒质：折
4、射率相对较大的媒质。 光疏媒质：折射率相对较小的媒质。 光纤导光原理：当光线从光密媒质射向光疏媒质，且入射角大于临界角时，将会产生光的全反射现象，光纤就是利用这种全反射原理来传输光信号的。 阶跃型光纤：纤芯和包层的折射率分别为n1与n2，在界面处折射率发生突变。 光纤的自聚焦性：光波在不断的反射过程中，同时沿纤芯轴线方向前进。在这种全反射的情况下，光不会泄漏出去，称为光纤的自聚焦性。,16,阶跃 光纤,17,图2-3 光纤结构 (a) 阶跃型多模光纤; (b) 梯度型多模光纤; (c) 单模光纤,传输模式,18,阶跃型光纤：纤芯和包层的折射率分别为n1与n2，在界面处折射率发生突变。 梯度型光
5、纤： 纤芯折射率在轴心处最大，而在纤芯截面上，从轴心向径外逐步递减。在纤芯与包层的界面处，两者的折射率相等。 光波在梯度型光纤中传播，不在纤芯与包层界面处产生全反射，而是在不断折射过程中，沿纤芯进行传播。 多模光纤：光波沿着多条不同的折射路径传播，对应着光波的多种模式的传播，相应的光纤称为多模光纤。,多模光纤,19,直径：多模光纤承受多个模式的传输，纤芯直径约60m，其直径比光波长大很多。 优点：多模光纤结构简单、易于实现，接头连接要求不高，使用方便，价格较低，在早期的数字光纤通信系统中曾经采用。 缺点：多模光纤的传输带宽窄、损耗大，不同波长的信号传输延时差(色散)大。 应用：目前多模光纤仅用
6、于短距离的小容量系统或电视传输系统，在中、长距离的大容量系统中已多采用单模光纤。 类型：阶跃多模光纤和梯度型多模光纤,多模光纤,20,单模光纤：只能传送单一基模(m=0)的光纤。 纤径：纤芯直径一般为410m，比多模光纤小得多。 折射率差：较小。 截止波长：由纤径和折射率可确定，与芯径成正比，并随着折射率差减小而减小。 当工作波长大于光纤的截止波长时，光纤只允许基模传播，而其他模式均被截止。 时域特性：不同波长信号传输延时差很小(即色散小) 。 频域特性：传输信号的带宽比多模光纤宽得多，有利于高码率信息长距离传输。,单模光纤,21,三种实用光纤特性,22,光纤直径,23,2.2 光纤传输特性,
7、2.2.1 光纤的导光原理与传输模式 2.2.2 光纤的传输损耗 2.2.3 光纤的色散特性和传输带宽 2.2.4 实用光纤的类型和选择 2.2.5 光缆的结构与分类,24,2.2.2 光纤的传输损耗,光纤传输损耗研究发展历程 20世纪60年代中期以前，光导纤维的每千米衰减达1000dB以上； 1966年华裔科学家高锟(C.K.kao)博士等人经严格论证提出，从玻璃材料中去除杂质，可以制成衰减为20dB/km的光导纤维; 1970年美国康宁(Corning)玻璃公司根据高氏理论首先制造出衰减为20dB/km 的光纤； 1973年美国贝尔研究所使用化学泛相沉积法，生产出衰减为1dB/km的低损耗
8、光纤； 1976年日本电报电话公司(NTT)制造出0.5dB/km的低损耗光纤； 当前，利用高度精炼提纯的石英材料，人们先后制造了使用在850，1310和1550nm三个波长段的光纤，其中850nm波长段的衰减为2dB/km, 1310nm波长段的衰减为0.35dB/km,1550nm波长段的衰减为0.2dB/km,甚至更低,已接近理论极限值。,25,光纤传输,光纤性能是有限制的，随着信道数据率和传输距离的增加，光纤不再是一个透明管道。 传输特性 损耗(dB/km)，直接影响中继距离； 色散(ps/nm.km)，将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量； 非线性效应,26,两种主要损
9、耗：吸收损耗和散射损耗。 单位：dB/km。 吸收损耗 光波在光纤的传输过程中，光纤材料吸收光的能量并转变为热能，从而造成光功率的损失。 包括： 光纤玻璃材料本身固有的吸收损耗和因杂质引起的吸收损耗。,光纤传输损耗,27,吸收损耗,光纤材料的固有吸收：又称为本征吸收。 石英玻璃的固有吸收有两个吸收带： 红外区，吸收峰的波长在800012000nm范围； 紫外区，吸收峰在l00nm附近。光纤应用的工作波长在两个吸收损耗峰之间。 紫外吸收损耗对工作窗口的影响大，红外吸收损耗阻止了人们获取更长波长的工作窗口。,28,杂质吸收损耗 主要是由残留在材料中的OH-离子所引起的。 光纤在940、1240和1
10、380nm附近出现吸收损耗峰，峰值大小与OH-浓度密切相关。 早期为避开吸收损耗峰的影响，将工作波长选择在850，1310和1550nm附近，并分别称它们为第一、第二、第三工作窗口(波长带)。 其中第一窗口称为短波长带，第二、三窗口称为长波长带。,吸收损耗,29,图2-4 光纤的典型损耗谱特性,30,瑞利散射损耗,瑞利散射：当光波照射到比光波波长还要小的随机不均匀微粒时，光波将向四面八方散射，该现象称为瑞利散射。 瑞利散射损耗：光纤中因瑞利散射引起的光波衰减称为， 简称散射损耗。 瑞利散射是固有的，不能消除，瑞利散射的损耗系数与光波长的四次方成反比，随光波长的增加，瑞利散射损耗迅速降低，因此光
11、工作波长宜选择在长波长段。 当波长达到1700nm时，二氧化硅共振而开始吸收能量，光主纤的传播损耗将迅速增加。,31,2.2 光纤传输特性,2.2.1 光纤的导光原理与传输模式 2.2.2 光纤的传输损耗 2.2.3 光纤的色散特性和传输带宽 2.2.4 实用光纤的类型和选择 2.2.5 光缆的结构与分类,32,2.2.3 光纤的色散特性和传输带宽|,1. 光纤的色散特性 光纤色散：因不同谱分量传输群速度不同而引起的色散， 简称“色散”。 将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量。,33,产生：主要由材料色散和波导色散两部分的综合效应而产生。 材料色散：由于光纤材料对不同波长光的折射
12、率不同，而使得一定光源谱宽内各波长的光传输速度不同而产生的色散。 波导色散：与纤芯结构的波导特性有关，较细的纤芯直径会产生较大的波导色散。,光纤的色散特性,34,光纤的色散特性,色散系数D：衡量光纤的色散程度，定义为单位光纤长度中每单位波长变化()时所对应的信号群延时差T，单位为ps/(nmkm)，表示为 （为是光源的谱宽） D=T/(L) （2-1） 群速度色散2：表征光纤色散程度的另一参数。 设为信号沿光纤轴向的传播常数，信号的传播群速度为 ,而群速度色散 。它与色散系数D的关系 （2-2）,模间色散：光波不同模式分量沿不同路径传输引起的色散。,35,2.光纤对输入脉冲信号的展宽,（1）
13、脉冲展宽和通信容量 脉冲展宽：由于光传输存在色散效应，使被传输的窄脉冲信号的宽度展宽，从而引起传输的光脉冲(符号)序列出现符号间干扰。 脉冲的展宽量为群延时差T，若传输的光脉冲信号速率为B ,则通常认为相邻脉冲不重叠的准则为 T 1/B 即 BT 1 也即 BL | D | 1 (2-3),36,通信容量 传输距离(即光纤长度) L与比特率B的乘积BL。 对于给定的光源谱宽 ，色散是限制通信容量的一个重要因素。 实际通信容量计算 工程上，取BT =1/4(即允许前后脉冲最大重叠为1/4 BLmax=(4 | D | ) -1 (2-4),37,（2） 频率啁啾 啁啾：当电信号对激光器进行调制产
14、生光脉冲时，伴随调制还引起了谱线的展宽，并呈附加的线性调频，称为。 由于啁啾效应(谱线的展宽)，光纤色散的影响(脉冲展宽)更为加剧。,38,(3)光纤系统带宽,光纤系统带宽：主要由光调制器的频率响应确定。 光调制器输出光功率的频率响应 (2-5) Po为零调制频率时的输出功率。 调制带宽: 输出功率P()由Po降至半功率的频率带宽。 电带宽Wele (2-6) 光带宽Wopt (2-7),39,光纤系统带宽,图2-5 光纤系统的电带宽和光带宽,40,2.2 光纤传输特性,2.2.1 光纤的导光原理与传输模式 2.2.2 光纤的传输损耗 2.2.3 光纤的色散特性和传输带宽 2.2.4 实用光纤
15、的类型和选择 2.2.5 光缆的结构与分类,41,2.2.4 实用光纤的类型和选择,G.651 光通信早期应用的多模光纤。 工作于850nm和1300nm两个波长,损耗分别为46dB/km和 0.81dB/km， 色散大，带宽距离为(20100)MHzkm。 只能用于短距离、小容量的系统。,G.652 标准的单模光纤。 工作在1550nm波长，损耗小(0.20.25dB/km) 在1550nm波长处的色散较大，色散系数为20ps/(nmkm) “零色散“位于1300nm处，色散系数为3.5ps/(nmkm) 通常仅用于速率2.5Gb/s的干线,速率为10Gb/s时距离不超过50km。,G.65
16、3 第二代的单模光纤，称为零色散光纤。 将G.652的“零色散点”从1300nm移到1550nm，使1550nm波长的损耗较小，色散为3.5ps/(nmkm)，广泛用于大容量干线系统。 非线性较大，易产生四阶混频效应，形成有害频谱分量。 只能用于单波长系统，不宜用于波分复用(WDM)系统。,42,实用光纤的类型和选择,G.655 称为非零色散光纤。 它将G.653位于1550nm波长处的“零色散点”移至1525nm或1585nm 1550nm处色散值仅 (23)ps/(nmkm) 光纤的非线性有很大改善，避免了四阶混频有害频谱的产生。 可用于密集波分复用(DWDM)系统。,G.654 是衰减最小型光纤。 1550nm波长时的衰减仅0.185dB/km 色散较大，色散系数为1720ps/(nm
