《光传输技术》PPT课件.ppt

第第2 2章章 光纤通信技术光纤通信技术光纤：是一种能够传送光频电磁波的介质波导。光纤：是一种能够传送光频电磁波的介质波导。1966年，年，高锟等发表高锟等发表 了了“光频介质纤维表面波导光频介质纤维表面波导”的学术论的学术论文，提出光纤传输线的概念，当时试验的光纤损耗太大，达文，提出光纤传输线的概念，当时试验的光纤损耗太大，达1千千dB/km。但他们指出，经过改进光纤制造工艺，可大大降。但他们指出，经过改进光纤制造工艺，可大大降低损耗。低损耗。1968年，年，高锟等研制出了高锟等研制出了0.85 m波波长下下损耗低至耗低至5dB/km的的整整块石英石英样品。品。1970年，年，美国康宁公司研制出美国康宁公司研制出0.6328 m波长的损耗为波长的损耗为 20dB/km的低损耗石英光纤，开始光纤通信产业化。的低损耗石英光纤，开始光纤通信产业化。现在，现在，光纤损耗已减少到每千米零点几分贝甚至更小。光纤损耗已减少到每千米零点几分贝甚至更小。1.引言引言2.光纤结构与分类光纤结构与分类 一、光纤的结构一、光纤的结构 光导纤维光导纤维(简称光纤简称光纤)是用比头发是用比头发丝还细的丝还细的石英玻璃丝石英玻璃丝制成的。制成的。（1 1）纤芯：核心部分，折射率为）纤芯：核心部分，折射率为n n1 1 石英晶体，光波在纤芯中传播。石英晶体，光波在纤芯中传播。（2 2）包层：折射率为）包层：折射率为n n2 2，且略小于，且略小于n n1 1，保证光的传播性能稳定。保证光的传播性能稳定。（3 3）保护层，保证光纤的韧度（纤芯比）保护层，保证光纤的韧度（纤芯比较脆，易折断），避免机械擦伤，较脆，易折断），避免机械擦伤，保护光纤不受水汽侵蚀。保护光纤不受水汽侵蚀。二、光纤的结构参数二、光纤的结构参数（1）直径）直径：纤芯直径和包层直径：纤芯直径和包层直径 标准纤芯直径：标准纤芯直径：单模光纤：单模光纤：810 m 多模光纤：多模光纤：50 m 包层直径：均为包层直径：均为125 m（2）相对折射率）相对折射率典型值：典型值：0.5%14%。单模光纤较小，多模光纤较大单模光纤较小，多模光纤较大2.光纤结构与分类光纤结构与分类 （3 3）数值孔径）数值孔径：代表光纤的集光能力代表光纤的集光能力 光光纤纤能能接接受受入入射射光光的的最最大大入入射射角角的的正正弦弦与与入入射射区区折折射率的乘积，用射率的乘积，用NANA表示。表示。n0sin i=n1sin （n为折射率）为折射率）n1sin i=n2sin 在纤芯与包层界面在纤芯与包层界面,全反射临界全反射临界折射角折射角 c=90o实现全反射应有实现全反射应有:c=90o，而：，而：2.光纤结构与分类光纤结构与分类 （3 3）数值孔径）数值孔径：=c=90o时有：时有：满足全内反射，至少要求：满足全内反射，至少要求：此时入射角为最大入射角，根据定义：此时入射角为最大入射角，根据定义：典型值：典型值：n1=1.46，n2=1.45，NA=0.122.光纤结构与分类光纤结构与分类 （4 4）归一化频率）归一化频率：定义：定义：纤芯的半径纤芯的半径传输的波长传输的波长数数值值孔孔径径意义：归一化频率是表征光纤中传输模式的物理量。意义：归一化频率是表征光纤中传输模式的物理量。a越小，越小，NA越小，越小，V越小，传输模式越少。越小，传输模式越少。一般，一般，当当V2.405时时，只能传输基膜，即单模光纤。，只能传输基膜，即单模光纤。2.光纤结构与分类光纤结构与分类 三、光纤的分类三、光纤的分类(1)(1)按纤芯材料分按纤芯材料分多成分玻璃光纤：多成分玻璃光纤：塑料光纤：塑料光纤：晶体光纤：晶体光纤：石英光纤（通信）：石英光纤（通信）：2.光纤结构与分类光纤结构与分类损耗低，其特点是材料的光传输损耗低，有的损耗低，其特点是材料的光传输损耗低，有的波长（波长（1.55 m）可低到）可低到0.2dBkm，一般均小，一般均小于于ldBkm。由普通光学玻璃拉制而成，损耗较大，主要用作传由普通光学玻璃拉制而成，损耗较大，主要用作传光束、传像束。光束、传像束。用两种以上高分子材料共聚而成，价格低廉，损耗较大，温用两种以上高分子材料共聚而成，价格低廉，损耗较大，温度特性差，只能用于短距离的信息传输或传光、传像用。度特性差，只能用于短距离的信息传输或传光、传像用。用晶体材料制成，如用晶体材料制成，如YAG光纤，可作光纤激光器或放大器。光纤，可作光纤激光器或放大器。三、光纤的分类三、光纤的分类(2)(2)按折射率分布分按折射率分布分2.光纤结构与分类光纤结构与分类n2n1n2n1n2n12a2arr=a单模阶跃折射率光纤单模阶跃折射率光纤多模阶跃折射率光纤多模阶跃折射率光纤多模梯度折射率光纤多模梯度折射率光纤剖面折射率分布阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤：纤芯和包纤芯和包层折射率都是均匀的，但层折射率都是均匀的，但n1 n2，在边界处，折射率突变，在边界处，折射率突变渐变折射率光纤渐变折射率光纤：按纤芯的折射按纤芯的折射率是渐变的，中心折射率高，沿半径率是渐变的，中心折射率高，沿半径方向逐渐减小，包层一般是均匀的。方向逐渐减小，包层一般是均匀的。三、光纤的分类三、光纤的分类(3)(3)按传输模式分按传输模式分2.光纤结构与分类光纤结构与分类单模光纤单模光纤 只能传输一种模式的光纤只能传输一种模式的光纤多模光纤多模光纤 同时传输多种模式的光纤同时传输多种模式的光纤单模单模：纤芯直径纤芯直径 2a=212 m，纤芯包层折射率差小，纤芯包层折射率差小，(n1-n2)/n1 0.00050.01多模：纤芯直径多模：纤芯直径 2a=50500 m，纤芯包层折射率差大，纤芯包层折射率差大，0.010.02 二、光波分复用技术二、光波分复用技术1 1、定义、定义 在同一根光纤中同时传输多路不同波长的信号。在同一根光纤中同时传输多路不同波长的信号。2 2、分类、分类密集光波分复用：传输光波相邻波长小于密集光波分复用：传输光波相邻波长小于10nm10nm稀疏光波分复用：传输光波相邻波长大于稀疏光波分复用：传输光波相邻波长大于10nm10nm（几公里）（几公里）双纤单向传输：双纤单向传输：单纤双向传输：单纤双向传输：A AB BA AB B互不干扰，但资源浪费互不干扰，但资源浪费节约资源，存在反射干扰节约资源，存在反射干扰5.光纤通信中的复用技术光纤通信中的复用技术 二、光波分复用技术二、光波分复用技术3 3、基本原理、基本原理 在发送端将不同波长的光信号复用起来，并耦合到同一在发送端将不同波长的光信号复用起来，并耦合到同一光纤中进行传输，在接收端再将不同波长的光分解，并进一光纤中进行传输，在接收端再将不同波长的光分解，并进一步处理恢复出原信号进入不同的终端。步处理恢复出原信号进入不同的终端。4 4、基本组成、基本组成光光合合波波器器功率放大器功率放大器前置放大器前置放大器光光分分波波器器发送端发送端接收端接收端光纤光纤5.光纤通信中的复用技术光纤通信中的复用技术 以以光为载波光为载波，以，以光纤为传输媒介光纤为传输媒介的通信系统。的通信系统。发送端发送端传输中继传输中继接收端接收端电信号电信号光信号光信号光纤光纤光信号光信号电信号电信号光纤光纤发送端：发送端：将电信号转换成光信号，并耦合进光纤将电信号转换成光信号，并耦合进光纤传输中继：传输中继：（1 1）长距离传输时的放大长距离传输时的放大 （2 2）存在色散时的脉冲整形）存在色散时的脉冲整形接收端：接收端：将光信号转换成电信号，解码、还原信息将光信号转换成电信号，解码、还原信息6.光纤的应用光纤的应用6.1 6.1 光纤通信光纤通信 远古时代的远古时代的烽火台烽火台已经包含了现代通信的一些特征，烽火已经包含了现代通信的一些特征，烽火台的有无可以看成是一种台的有无可以看成是一种二进制编码二进制编码，光是信息载体，空气是，光是信息载体，空气是传输介质，人眼是光监测器，烽火台则是信号源。传输介质，人眼是光监测器，烽火台则是信号源。18801880年，贝尔在发明了电话之后又发明了年，贝尔在发明了电话之后又发明了光话光话，用日光作，用日光作为光源，大气作为传输介质，实现了为光源，大气作为传输介质，实现了200m200m以内的语音信号传递，以内的语音信号传递，但是，由于缺乏可靠的光源和稳定低损耗传输媒介，因此光话但是，由于缺乏可靠的光源和稳定低损耗传输媒介，因此光话未能实用。未能实用。激光器和低损耗光纤激光器和低损耗光纤：光通信蓬勃，光纤通信中的光通信蓬勃，光纤通信中的1g1g石英石英材料可以取代电通信中的材料可以取代电通信中的100kg100kg的金属材料，而且光纤通信的的金属材料，而且光纤通信的传输的信息量则是电通信的一万倍以上。传输的信息量则是电通信的一万倍以上。6.1 6.1 光纤通信光纤通信数字光纤通信系统为例，发送端的基本组成数字光纤通信系统为例，发送端的基本组成光信号光信号光纤光纤光信号光信号电信号电信号光纤光纤一、发送端一、发送端数字信号数字信号光信号光信号增益控制增益控制温度控制温度控制保护电路保护电路电信号电信号发送端发送端传输中继传输中继接收端接收端线路编码线路编码驱动电路驱动电路光源光源控制电路控制电路6.16.1光纤通信光纤通信1 1、光源、光源 光源是光纤通信中最关键的器件，它产生的光波性光源是光纤通信中最关键的器件，它产生的光波性能的好坏直接影响着光纤通信的性能。能的好坏直接影响着光纤通信的性能。一、发送端一、发送端主要要求：主要要求：（1 1）光波长必须在石英光纤的三个）光波长必须在石英光纤的三个低损耗低损耗窗口。窗口。（0.85um0.85um，1.31um1.31um，1.55um1.55um）（2 2）合适的）合适的输出功率输出功率，其大小主要取决于通信距离，其大小主要取决于通信距离，光纤损耗，接收机的灵敏度等。光纤损耗，接收机的灵敏度等。（3 3）与光纤的）与光纤的耦合效率耦合效率要高。要高。6.16.1光纤通信光纤通信1 1、光源、光源一、发送端一、发送端主要要求：主要要求：（4 4）高可靠性和长寿命）高可靠性和长寿命（5 5）谱线窄，以减少色散和噪声）谱线窄，以减少色散和噪声（6 6）体积小、重量轻且经济实惠）体积小、重量轻且经济实惠（7 7）调制特性和温度特性要好）调制特性和温度特性要好综合各种要求综合各种要求:半导体激光器半导体激光器（LDLD，与光纤的耦合效率高，最为常用），与光纤的耦合效率高，最为常用）和和半导体发光二极管半导体发光二极管（LEDLED）是光纤通信中理想光源。）是光纤通信中理想光源。6.16.1光纤通信光纤通信二、传输中继二、传输中继（1 1）光纤损耗）光纤损耗 信号脉冲幅度衰减，需要放大衰减信号，信号脉冲幅度衰减，需要放大衰减信号，Re-amplifyingRe-amplifying中继站主要完成上述三种功能，通常称为中继站主要完成上述三种功能，通常称为“3R”3R”中继机。中继机。（2 2）光纤色散）光纤色散 信号脉冲宽度展宽，需要整形，信号脉冲宽度展宽，需要整形，Re-shapingRe-shaping（3 3）接收同步时需定时时钟）接收同步时需定时时钟 经过中继站处理后须重新定时，经过中继站处理后须重新定时，Re-timingRe-timing6.16.1光纤通信光纤通信三、接收机三、接收机（1 1）接收到光信号以后，第一个任务就是光电转换。）接收到光信号以后，第一个任务就是光电转换。（2 2）光电转换后的电信号通常比较弱，因此需要放大，信号）光电转换后的电信号通常比较弱，因此需要放大，信号 放大时通常分为两步：前置放大和主放大。放大时通常分为两步：前置放大和主放大。前置放大的原因：前置放大的原因：光电检测后的信号存在各种噪声，包括发送端、传输和光电检测后的信号存在各种噪声，包括发送端、传输和 光电检测电路的噪声，如果放大器再产生噪声，同信号光电检测电路的噪声，如果放大器再产生噪声，同信号 一起放大，将导致信号中的噪声过大，而不能正确地将一起放大，将导致信号中的噪声过大，而不能正确地将 信号提取出来，因此前置放大通常采用噪声比较低的放信号提取出来，因此前置放大通常采用噪声比较低的放 大器（场效应管或者双极性三极管）。大器（场效应管或者双极性三极管）。主放大的原因：主放大的原因：进一步放大，满足放大倍数的要求。进一步放大，满足放大倍数的要求。光电检测光电检测前置放大前置放大整形再生整形再生光信号光信号电信号电信号主放大主放大输出输出6.16.1光纤通信光纤通信三、接收机三、接收机（3 3）经过各种器件以后，信号已经不再是理想的脉冲，而是）经过各种器件以后，信号已经不再是理想的脉冲，而是 发生了一定程度的变形，因此需要一次整形再生的过程发生了一定程度的变形，因此需要一次整形再生的过程 来恢复原信号，再生电路比较简单，用来恢复原信号，再生电路比较简单，用比较器比较器就可以了。就可以了。光电检测光电检测前置放大前置放大整形再生整形再生光信号光信号电信号电信号主放大主放大输出输出原信号原信号变形信号变形信号恢复信号恢复信号6.16.1光纤通信光纤通信