2022年光传输通信基本原理.docx

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1、精品学习资源第一部分光传输通信基本原理第一章、 光纤通信原理第一节、光纤通信的概念一、光纤通信的概念光纤通信概念：利用光纤来传输携带信息的光波以到达通信的目的；典型的光纤通信系统方框图如下：LDAPD光发送机光接收机中继器电端机（数字）电端机（数字）模拟信息模拟信息数字光纤通信系统方框图从图中可以看出， 数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成；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欢迎下载精品学习资源调制发送机中的光源器件 LD ，就 LD 就会发出携带信息的光波；即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0 ”时，光源器件发送

2、一个“空号”不发光；光波经低衰耗光纤传输后到达接收端；在接收端，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，复原成原先的信息；就这样完成了一次通信的全过程；其中时 ；间接调制也称外调制一般速率大于 2.5GB/S 时；二、光纤通信的特点1、通信容量大2、中继距离长3、保密性能好2、适应才能强5、体积小、重量轻、便于施工和爱护6、原材料来源丰富，潜在的价格低廉其次节、光纤的导光原理一、全反射原理我们知道，当光线在匀称介质中传播时是以直线方向进行的，但在到达两种不同介质的分界面时，会发生反射与折射现象，如图2.5 所示；欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源包层n2

3、纤芯n1入射光 2 1 1折射光反射光欢迎下载精品学习资源图 2.5光的反射与折射依据光的反射定律，反射角等于入射角；依据光的折射定律：欢迎下载精品学习资源n1Sin 2n2 Sin2 2.2 欢迎下载精品学习资源其中 n 1 为纤芯的折射率，n 2 为包层的折射率；明显，假设n 1n 2 ，就会有 21；假如 n 1 与 n 2 的比值增大到肯定程度，就会使折射角2 90 ，此时的折射光线不再进入包层，而会在纤芯与包层的分界面上拂过2=90 时，或者重返回到纤芯中进行传播290 时；这种现象叫做光的全反射现象，如图 2.6 所示；欢迎下载精品学习资源 2=90n2 n1折射光欢迎下载精品学习

4、资源k入射光欢迎下载精品学习资源图：光的全反射现象人们把对应于折射角2 等于90 的入射角叫做临界角；很简单可以得到临界角欢迎下载精品学习资源KSin1 n2；n1欢迎下载精品学习资源不难懂得，当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播， 没有光跑到包层中去， 所以可以大大降低光纤的衰耗；早期的阶跃光纤就是按这种思路进行设计的；第三节、光纤与光缆基本概念一、光纤的结构光纤呈圆柱形，由纤芯直径约 9-50um 、包层直径约 125um 与涂敷层直径约三大部分组成，如以下图：欢迎下载精品学习资源涂层包层n2纤芯n1d1d2欢迎下载精品学习资源包层n2涂层纤芯主要采纳高纯度的S

5、iO2 二氧化硅，并掺有少量的掺杂剂，提高纤芯的光折射率 n1；包层也是高纯度的二氧化硅，也掺杂一些掺杂剂，主要是降低包层的光折射率n2；涂敷层采纳丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机械强欢迎下载精品学习资源度和可弯曲性； 二、光纤的分类方式光纤有以下的分类方式：1、 按折射率分布分类A、阶跃光纤 SI定义：在纤芯与包层区域内，折射率的分布分别是匀称的，其值分别是 n1 与 n2，但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的；其折射率分布的表达式为：n1r 小于等于 a1 时nr=n2r式中：n1 为光纤纤芯区的折射率n2 为包层区的折射率a1 为纤芯半径a2 为包层半经B、渐变光纤 GI定义：光

6、纤蛛心处的折射率最大，但随横截面的增加而逐步变小，其 变化规律一般符合抛物线规律， 到了纤芯与包层的分界处， 正好降到与包层区域的折射率相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是匀称的；2、按传输的模式分类多模光纤欢迎下载精品学习资源定义：传输光波的模式不止一种；多模光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长，一般在50um 左右，光信号是以多个模式方式进行传播的， 光信号的波长以主纵模为准； 不同的传播模式会具有不同的传播速度和相位， 因此经过长距离的传播之后会产生时延， 导致光脉冲变宽，叫做光纤的模式色散或模间色散；由于模式色散影响较严峻， 降低了多模光纤的传输容量和距离， 多模光纤仅用于较小容量、

7、短距离的光纤传输通信；单模光纤定义：传输光波的模式只有一种； 目前主用当光纤的几何尺寸可以于光波长相比拟时，即纤芯的几何尺寸与光信 号波长相差不大时，一般为510um ，光纤只答应一种模式在其中传播， 其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤；单模光纤只答应一种 模式在其中传播，从而防止了模式色散的问题，故单模光纤具有极宽的带 宽，特殊适用于大容量的光纤通信；对于单模光纤，由于光纤的几何尺寸 小，使 V 的值小于 2.2028 ，这样 N 的值就为 1，只有一种模式3、按工作波长分类短波长光纤定义：习惯上把波长在 600-900nm 范畴内出现低衰耗光纤称做短波长光纤；长波长光纤定义：习惯

8、上把波长在 1000-2000nm范畴内的光纤称做短 波长光纤；欢迎下载精品学习资源2、套塑类型分类A、紧套光纤定义：指二次、三次涂敷层与予涂敷层及光纤的纤芯、包层等紧密的结合在一起的光纤；目前居多；B、松套光纤定义：指经过予涂敷层的光纤松散的放在一塑料管中，不再进行二次、三次涂敷；三、光纤的种类以及应用状况1310nm 性能最正确光纤 色散未移位光纤 ；它有二个波长工作区： 1310nm 与 1550nm ；在 1310nm波长：色散最小 未移位 ，小于 3.5ps/nm.km ；但损耗较大，为0.30.4dB/km ；在 1550nm 波长：色散较大，为 20ps/nm.km ；但损耗很小

9、， 为 0.150.25dB/km ；在我国占 99 以上；虽称 1310nm 性能最正确光纤，但绝大部分却用于 1550nm ， 其缘由是在 1310nm 无有用化光放大器；它可会传输或以为基群的 WDM 系统；但传输 TDM 的 10G ，面临色散受限的难题色度色散与 PMD ；1550nm 性能最正确光纤 色散移位光纤 ；它主要用于 1550nm 波长工作区；欢迎下载精品学习资源在 1550nm波长，色散较小 色散移位 ，为 3.5ps/nm.km ；损耗也很小，为0.150.25dB/km ；但它不能用于 WDM 方式，因会显现四波混频效应FWM ；1550nm损耗 最 小光 纤； 它

10、主 要用 于 1550nm波长 工 作区， 其损 耗为0.150.19dB/km ；主要用于海缆通信；它是为克服 G.653 光纤的 FWM 效应而设计的新型光纤；其性能与G.653 光纤类似，但既能用于 WDM ，又能传输 TDM 方式的 10G ；抱负情形：A、低色散： 210ps/nm.km ；2.km，便于色散补偿；C、大的有效面积，可防止显现非线性效应；目前， G.655 光纤尚无国际统一标准；-大的有效面积，会有效地防止非线性效应，但将导致色散斜的增加；-小的色散斜率将会便于色散的补偿；但其有效面积却减小；四、光缆结构层绞式、骨架式、束管式、带状式第四节、 光纤的特性与参数一、光纤

11、的三大特性欢迎下载精品学习资源光纤的特性参数可以分为三大类即几何特性参数、光学特性参数与传输特性参数；二、光纤的衰耗衰耗系数 a衰耗系数是光纤最重要的特性参数之一； 由于在很大程度上打算了光纤通信的中继距离；衰耗系数的定义为：每公里光纤对光功率信号的衰减值；其表达式为：pia10lgdB/km2.6PO其中Pi 为输入光功率值瓦特PO 为输出光功率值瓦特如某光纤的衰耗系数为 a=3dB/km ，就Pi100 .32PO这就意味着，经过一公里的光纤传输之后，其光功率信号削减了一半；长度为 L 公里的光纤的衰耗值为A = aL； 光纤的衰耗机理使光纤产生衰耗的缘由很多，但可归纳如下：本征吸取吸取衰

12、耗：学习文档 仅供参考欢迎下载精品学习资源杂质吸取线性散射衰耗 ：散射衰耗：非线性散射结构不完整散射其它衰耗微弯曲衰耗本征吸取：定义：构成光纤材料本身所固有的吸取作用；纯二氧化硅对光的吸取作用所引起的光纤衰耗是比较小，在600-900NM 波长范畴稍大，但小于1dB/km, 而在 1000-1800 波长范畴，几乎为零；杂质吸取 :光纤中的杂质对光的吸取作用，是造成光纤衰耗的主要缘由；光纤中的杂质大致可以分为二大类，即过渡金属离子与氢氧根离子； 过渡金属离子包括铜、铁、铬、钴、锰、镍离子等，这些离子在光的作用下会发生震惊而吸取光能量； 每种离子都有自己的吸取峰波长， 上述过渡金属离子的吸取峰波

13、长都落在 6001800nm 波长范畴；氢氧根离子对光的吸取峰波长落在10001800nm 波长范畴；因此在此波长范畴氢氧根离子的含量多少对光纤的衰耗具有重大影响；散射衰耗 :欢迎下载精品学习资源定义：所谓散射衰耗是指光在光纤中发生散射时所引起的衰耗；光的散射现象可分为线性散射与非线性散射；A. 线性散射衰耗瑞利散射所谓线性散射，是指光波的某种模式的功率线性地与其功率成正比 转换成另一种模式的功率， 但光的波长不变； 线性散射会把光功率辐射到光纤外部而引起衰耗；瑞利散射是典型的线性散射， 它与波长的 2 次方成反比， 即光波长越长， 瑞利散射衰耗越小；光纤材料不匀称，会造成其折射率会布不匀称，

14、易产生瑞利散射；B. 非线性散射衰耗所谓非线性散射，是指某光波长模式的部分功率非线性地转换到其它的波长中；布里渊散射与拉曼散射是典型的非线性散射；假如光纤中的光功率过大，就会显现非线性散射现象；因此防止发生非线性散射的根本方法，就是不要使光纤中的光功率信号过大，如不超过+25dBm ；其它衰耗其它衰耗包括微弯曲衰耗与连接衰耗等；它们占的比例很小；总之，在影响光纤衰耗的诸多因素中，最主要的是杂质吸取所引起的衰耗； 光纤材料中的杂质如氢氧根离子与过渡金属离子对光的吸取才能极强，它们是产生光纤衰耗的主要因素； 因此要想获得低衰耗光纤， 必需对制造光纤用的原材料二氧化硅等进行特别严格的化学提纯，使其杂

15、质的含量降到几个PPb 以下；欢迎下载精品学习资源三、光纤的色散：当一个光脉冲从光纤输入， 经过一段长度的光纤传输之后， 其输出端的光脉冲会变宽， 甚至有了明显的失真； 这说明光纤对光脉冲有展宽作用， 即光纤存在着色散色散是沿用了光学中的名词 ；光纤的色散是引起光纤带宽变窄的主要缘由， 而光纤带宽变窄就会限制光纤的传输容量；对于多模光纤引起色散的缘由主要有三种： 模式间色散、材料色散与波导色散；对于单模光纤，因只有一种传输模式 HE11 ，LP01 ，所以没有模式间色散，而只有材料色散与波导色散；模式间色散由于光在多模光纤中传输时会存在着很多种传播模式， 而每种传播模式具有不同的传播速度与相位

16、， 因此虽然在输入端同时输入光脉冲信号， 但到到达接收端的时间却不同，于是产生了脉冲展宽现象；材料色散所谓材料色散是指组成光纤的材料即二氧化硅本身所产生的色散；波导色散w所谓波导色散是指由光纤的波导结构所引起的色散；对多模光纤而言，其波导色散的影响甚小；欢迎下载精品学习资源四、光纤的带宽带宽系数的定义为： 一公里长的光纤， 其输出光功率信号下降到其最大值 直流光输入时的输出光功率值 的一半时， 此时间功率信号的调制频率就叫做光纤的带宽系数；如以下图所示：P1.00.50Bc调制频率f需要留意的是，由于光信号是以光功率来度量的，所以其带宽又称为3dB 光带宽；即光功率信号衰减3dB 时意味着输出

17、光功率信号削减一半；而一般的电缆之带宽称为 6dB 电带宽，由于输出电信号是以电压或电流来度量的；引起光纤带宽变窄的主要缘由是光纤的色散； 留意，单模光纤没有带宽系数的概念，仅有色散系数的概念；五、光纤的数值孔径 NA 数值孔径是多模光纤的重要参数， 它表征光纤端面接收光的才能， 其取值的大小要兼顾光纤接收光的才能和对模式色散的影响； CCITT 建议多模光纤的数值孔径取值范畴为 0.18 0.23 ，其对应的光纤端面接收角 c=10 13；六、模场直径 d欢迎下载精品学习资源模场直径表征单模光纤集中光能量的程度；由于单模光纤中只有基模在进行传输，因此粗略地讲， 模场直径就是在单模光纤的接收端

18、面上基模光斑的直径实际上基模光斑并没有明显的边界； 七、截止波长c要实现单模传输仍必需使光波波长大于某个数值，即c，这个数值就叫做单模光纤的截止波长；因此，截止波长 c 的含义是，能使光纤实现单模传输的最小工作光波波长； 也就是说， 尽管其它条件皆满意， 但假如光波波长不大于单模光纤的截止波长，仍不行能实现单模传输；第五节、光源对光器件的要求一、光纤通信对光源器件的要求1、发射光波长适中m邻近；2、发射光功率足够大光源器件肯定要能在室温下连续工作，而且其入纤光功率足够大， 最少也应有数百微瓦，当然到达一毫瓦以上 odBm 更好；在这里我们强调的是入纤光功率而不指单纯的发光功率； 由于只有进入光

19、纤后的光功率才有实际意义， 由于光纤的几何尺寸微小单模光纤的芯径不足10 微米，所以要求光源器件要具有与光纤较高的耦合效率；3、温度特性好光源器件的输出特性如发光波长与发射光功率大小等，一般来讲随温度变化而变化， 特殊是在较高温度下其性能简单劣化； 在光纤通信的初期与中期， 常常需要对半导体激光器加致冷器和自动温控电路， 而目前一些性能优良的激光器可欢迎下载精品学习资源以不需要任何温度爱护措施；2、发光谱宽窄光源器件发射出来的光的谱线宽度应当越窄越好； 由于假设其谱线过宽， 会增大光纤的色散，削减了光纤的传输容量与传输距离色散受限制时 ；例如对于长距离、大容量的光纤通信系统，其光源的谱线宽度

20、应当小于 2nm ；5、工作寿命长光纤通信要求其光源器件长期连续工作，因此光源器件的工作寿命越长越好；光源器件寿命的终结并不是我们所想象的完全损坏，而是其发光功率降低到初始值的一半或者其阈值电流增大到其初始值的二倍以上；目前工作寿命近百万小时约 100 年的半导体激光器已经商用化；6、体积小重量轻光源器件要安装在光发送机或光中继器内， 为使这些设备小型化， 光源器件必需体积小、重量轻；目前，光纤通信中常常使用的光源器件可以分为二大类，即发光二极管LED 和激光二极管 LD；当然 LD 又可以包括异质结激光二极管、分布反馈型激光二极管和多量子阱式激光二极管等就结构而言；第六节、光发送机与光接收机

21、的性能指标一、光发送机1、光功率单位顺便介绍一下3 个单位之间换算关系；xdB=ydBm-zdBm=10lgymW/zmWdB 是以 dBm 为单位的两个光信号功率的差值；欢迎下载精品学习资源xdBm=10lgymW/1mWdBm 是以 mW 为单位光信号功率的一种换算单位2、发送光功率 Ps在规定伪随机码序列的调制下，光发送机在参考点S 的平均发光功率；如-3+2dBm ；二、光接收机 1、接收灵敏度定义为 R 点处为到达 110 -10 的 BER 值所需要的平均接收功率的最小值；一般开头使用时、 正常温度条件下的接收机与寿命终了时、 处于最恶劣温度条件下的接收机相比，灵敏度余度大约为2

22、2dB ；一般情形下，对设备灵敏度的实测值要比指标最小要求值最坏值大3dB 左右灵敏度余度；2、过载光功率定义为在 R 点处为到达 110 -10 的 BER 值所需要的平均接收光功率的最大 值；由于，当接收光功率高于接收灵敏度时，由于信噪比的改善使BER 变小， 但随着光接收功率的连续增加， 接收机进入非线性工作区， 反而会使 BER 下降， 如图 6-3 所示；BER1 10 -10AB接收光功率BER 曲线图图中 A 点处的光功率是接收灵敏度， B 点处的光功率是接收过载功率， AB 之欢迎下载精品学习资源间的范畴是接收机可正常工作的动态范畴；第七节、光接口特性一、光接口类型与代码第一类

23、光接口不含光放大器以及线路速率低于10G/s 的接口；光接口代码：W:I- 代表局内通信； S-代表短距离通信； L-代长距离通信； V-代表甚长距离通信； U- 代表超长距离通信；Y:代表 STM 等级， Y=1 、2、16 、62；Z：代表使用光纤类型与工作窗口；1-G.652光纤，工作波长为1310nm ；2-G.652光纤，工作波长为1550nm ；3-G.653光纤，工作波长为1550nm ；5-G.655光纤，工作波长为1550nm ；例： L-16.2 ：工作在 G.652 光纤的 1550nm 波长区，传输速率为的长距离光接口；S-16.1 ：工作在 G.652 光纤的 1310nm 波长区，传输速率为的短距离光接口；应用代码： I 表示局内通信， S 表示短距离、 L 表示长距离、V 表示甚长距离、 U 表示超长距离局间通信；字母后第一位欢迎下载精品学习资源数字表示 STM 等级，其次位数字表示光纤类型和工作波长；应用代码： I 表示局内通信， S 表示短距离、 L 表示长距离、V 表示甚长距离、 U 表示超长距离局间通信；字母后第一位数字表示 STM 等级，其次位数字表示光纤类型和工作波长；欢迎下载