光纤通信基础精.ppt

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1、光纤通信基础光纤通信基础1第1页，本讲稿共41页课程目标课程目标华为技术一一光纤通信概论光纤通信概论二二光纤与光缆光纤与光缆三三光发送与光接收光发送与光接收2第2页，本讲稿共41页l光纤通信概念光纤通信以光作为信息载体，利用光纤传输携带信息的光波，以达到通信之目的。数字光纤通信系统的基本组成：光发送机光接收机光纤光纤通信概论光纤通信概论3第3页，本讲稿共41页l典型的数字光纤通信系统方框图典型的数字光纤通信系统方框图光纤通信概论光纤通信概论华为技术电端机（模电端机（模/数）数）光发送机光发送机光纤光纤中继器中继器光接收机光接收机电端机（模电端机（模/数）数）模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号 发

2、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调制发送机中的光源器件LD，输出发出携带信息的光波。光波经光纤传输后到达接收端，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，恢复成原来的信息。光纤光纤模拟信号模拟信号4第4页，本讲稿共41页l携带信息的光波：携带信息的光波：数字信号为数字信号为1时，光源器件发送一个时，光源器件发送一个传号传号光脉冲；光脉冲；当数字信号为当数字信号为0时，光源器件发送一个时，光源器件发送一个空号空号（不发光）。（不发光）。光纤通信概论光纤通信概论5第5页，本讲稿共41页l通信容量大通信容量大一一根根光光纤纤同同时时传传输

3、输24万万个个话话路路，比比传传统统的的明明线线、同同轴轴电电缆缆、微微波等要高出几十乃至上千倍。波等要高出几十乃至上千倍。波波分分复复用用技技术术的的采采用用，把把一一根根光光纤纤当当作作几几根根、几几十十根根光光纤纤使使用用，通信容量近乎无限。通信容量近乎无限。l中继距离长中继距离长光光 纤纤 具具 有有 极极 低低 的的 衰衰 耗耗 系系 数数。目目 前前 商商 用用 化化 石石 英英 光光 纤纤 已已 达达0.19dB/km以以下下，配配以以适适当当的的光光发发送送与与光光接接收收设设备备，中中继继距距离离达数百公里以上，特别适用于长途一、二级干线通信。达数百公里以上，特别适用于长途一

4、、二级干线通信。光纤通信优点光纤通信优点6第6页，本讲稿共41页l保密性能好，抗干扰能力强保密性能好，抗干扰能力强由由于于光光的的频频率率极极高高，远远高高于于一一般般的的电电磁磁波波的的频频率率，而而且且光光波波在在光光纤纤中中传传输输时时只只在在其其芯芯区区进进行行，不不存存在在传传统统的的电电磁磁波波辐辐射射，因因此此其其保保密密性性能能极极好好，同同时时也也不不怕怕外外界界强强电电磁磁场场的的干干扰扰，抗抗干干扰扰能力强。能力强。l便于施工和维护便于施工和维护体体积积小小、重重量量轻轻。光光缆缆的的敷敷设设方方式式方方便便灵灵活活。既既可可以以直直埋埋、架架空，双可能通过管道和水底敷设

5、。空，双可能通过管道和水底敷设。光纤通信优点光纤通信优点7第7页，本讲稿共41页l光纤的构造光纤的构造光纤呈圆柱形，由纤芯、包层与保护层三大部分组成，如下图：光纤呈圆柱形，由纤芯、包层与保护层三大部分组成，如下图：光纤与光缆光纤与光缆纤芯纤芯包层包层保护层保护层8第8页，本讲稿共41页外径一般为外径一般为125um(一根头发平均一根头发平均100um)内径：单模内径：单模9um 多模多模50/62.5um12595012562.5125光纤的尺寸光纤的尺寸9第9页，本讲稿共41页l光纤的构造光纤的构造纤芯主要采用高纯度的SiO2二氧化硅，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

6、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；涂层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机械强度和可弯曲性。光缆是多根光纤放在放在一个松套管内，内冲石油膏和钢丝形成的。海底光缆内还有电源线，主要为中继站的放大器等提供电源。光纤与光缆光纤与光缆10第10页，本讲稿共41页l光纤的导光原理光纤的导光原理光是一种频率很高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导。光是一种频率很高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导。我们从几何光学的角度来简单讨论光纤的导光原理。我们从几何光学的角度来简单讨论光纤的导光原理。l全反射原理全反射原理光光线线在在均均匀匀介介质质中中是是以以直直线线传传播播的的，但但在在两

7、两种种不不同同介介质质的的分分界界面会产生反射和折射现象，如图所示：面会产生反射和折射现象，如图所示：光纤与光缆光纤与光缆11第11页，本讲稿共41页l全反射原理全反射原理光光线线在在均均匀匀介介质质中中是是以以直直线线传传播播的的，但但在在两两种种不不同同介介质质的的分分界界面会产生反射和折射现象，如图所示：面会产生反射和折射现象，如图所示：光纤与光缆光纤与光缆包层包层纤芯纤芯折射光折射光反射光反射光入射光入射光光的反射与折射光的反射与折射n2n112312第12页，本讲稿共41页l全反射原理全反射原理当当n2/n1的的比比值值增增大大到到一一定定程程度度，则则会会使使折折射射角角90度度，

8、此此时时的的折折射射光光线线不不再再进进入入包包层层，而而会会在在纤纤芯芯与与包包层层的的分分界界面面上上掠掠过过，或者重返回到纤芯中进行传播，这种现象叫做光的全反射现象。或者重返回到纤芯中进行传播，这种现象叫做光的全反射现象。不不难难理理解解，当当光光在在光光纤纤中中发发生生全全反反射射现现象象时时，由由于于光光线线基基本本上上全全部部在在纤纤芯芯区区进进行行传传播播，没没有有光光跑跑到到包包层层中中去去，所所以以可可以以大大大大降低光纤的衰耗。降低光纤的衰耗。光纤与光缆光纤与光缆13第13页，本讲稿共41页l全反射现象全反射现象光纤与光缆光纤与光缆光的全反射现象光的全反射现象n2n1折射光

9、折射光13入射光入射光14第14页，本讲稿共41页l光在光纤中的传播光在光纤中的传播光在光纤中以光在光纤中以“Z”形轨迹传播及沿纤芯与包层的分界面掠过形轨迹传播及沿纤芯与包层的分界面掠过光纤与光缆光纤与光缆n2n115第15页，本讲稿共41页l光纤的工作波长（工作窗口）光纤的工作波长（工作窗口）光光线线路路信信号号在在光光纤纤上上传传送送的的波波长长：850nm、1310nm、1550nm。850nm窗口只用于多模传输窗口只用于多模传输 1310nm和和1550nm窗口窗口 用于单模传输。用于单模传输。光纤与光缆光纤与光缆16第16页，本讲稿共41页光纤连接器类型光纤连接器类型SC LC MT

10、-RJ DSC VF-45 Opti-Jack17第17页，本讲稿共41页光纤连接器类型与连接方式光纤连接器类型与连接方式FC类型18第18页，本讲稿共41页光纤连接器类型与连接方式光纤连接器类型与连接方式SC类型19第19页，本讲稿共41页光纤连接器类型与连接方式光纤连接器类型与连接方式SC2类型20第20页，本讲稿共41页l光通道参数：衰减、色散光通道参数：衰减、色散光信号在光纤中传输的距离要受到色散和衰减的双重影响。光信号在光纤中传输的距离要受到色散和衰减的双重影响。l衰减衰减使在光纤中传输的光信号随着传输距离的增加而功率下降。使在光纤中传输的光信号随着传输距离的增加而功率下降。1310

11、nm窗口每公里衰减：窗口每公里衰减：0.4dB/km1550nm窗口每公里衰减：窗口每公里衰减：0.25dB/kml色色散散会会使使在在光光纤纤中中传传输输的的数数字字脉脉冲冲展展宽宽，引引起起码码间间干干扰扰，降降低低信号质量。信号质量。光纤与光缆光纤与光缆21第21页，本讲稿共41页l光纤的类型光纤的类型lG.652光光 纤纤：在在 1310nm波波 长长 窗窗 口口 色色 散散 性性 能能 最最 佳佳，是是 目前应用最广泛的光纤。目前应用最广泛的光纤。在在1310nm处，色散小，衰耗大；处，色散小，衰耗大；在在1550nm处，色散大，衰耗小；处，色散大，衰耗小；lG.653光光 纤纤：在

12、在 1550nm波波 长长，衰衰 耗耗 和和 色色 散散 皆皆 为为 最最 小小 值值，可可实实现现大大容容量量长长距距离离传传输输。因因出出现现四四波波混混频频效效应应(FWM),限限制了它在制了它在WDM（波分复用）方面的应用。（波分复用）方面的应用。光纤与光缆光纤与光缆22第22页，本讲稿共41页l光纤的类型光纤的类型lG.654光光纤纤：1550nm损损耗耗最最小小光光纤纤，主主要要用用于于长长再再生生中中继继距距离的海底光缆。离的海底光缆。lG.655光光纤纤：克克服服了了G.652光光纤纤在在1550nm处处色色散散受受 限限和和G.653光光纤纤在在1550nm处处出出现现四四波

13、波混混频频效效应应的的缺缺陷陷，适适用用于于WDM系统。系统。光纤与光缆光纤与光缆23第23页，本讲稿共41页l光缆简介光缆简介光光缆缆为为光光纤纤提提供供可可靠靠的的机机械械保保护护，使使之之适适应应外外部部使使用用环环境境，并并确保在敷设与使用中光缆的光纤具有可靠的传输性能。确保在敷设与使用中光缆的光纤具有可靠的传输性能。l光缆特性：光缆特性：光光缆缆虽虽有有一一定定的的强强度度和和抗抗张张力力，但但经经不不起起过过大大的的侧侧压压力力与与拉拉伸伸力。光缆在短期内可接触水，当时间过长会增加光纤的衰耗。力。光缆在短期内可接触水，当时间过长会增加光纤的衰耗。l光缆分类：光缆分类：架空光缆、直埋

14、式光缆、铠装光缆、海底光缆、阻燃光缆等等。架空光缆、直埋式光缆、铠装光缆、海底光缆、阻燃光缆等等。光纤与光缆光纤与光缆24第24页，本讲稿共41页l常见光纤连接器种类：常见光纤连接器种类：FC/PC：FC，圆头尾纤连接器，圆头尾纤连接器，PC，陶瓷截面为平面；，陶瓷截面为平面；SC/PC：SC，方头尾纤连接器，方头尾纤连接器，PC，同上；，同上；FC/APC：FC，同同上上，APC，以以截截面面中中心心为为圆圆心心，向向外外倾倾斜斜80度。度。光纤与光缆光纤与光缆25第25页，本讲稿共41页l光纤通信对光源器件的要求光纤通信对光源器件的要求发射光波长适中发射光波长适中0.85m、1.31m和和

15、1.55m附近。附近。发射光功率足够大（指入纤光功率）发射光功率足够大（指入纤光功率）温度特性好温度特性好光光源源器器件件的的发发光光波波长长与与发发射射光光功功率率易易随随温温度度变变化化，在在较较高高温温度度下下其性能容易劣化。其性能容易劣化。发光谱宽窄发光谱宽窄谱谱线线宽宽度度 应应小小于于2nm。谱谱线线过过宽宽，会会增增大大光光纤纤色色散散，减减少少光光纤纤的传输容量与传输距离。的传输容量与传输距离。第三章第三章 光源器件与光发送机光源器件与光发送机26第26页，本讲稿共41页l光纤通信对光源器件的要求光纤通信对光源器件的要求工作寿命长工作寿命长光光源源器器件件寿寿命命的的终终结结是

16、是指指其其发发光光功功率率降降低低到到初初始始值值的的一一半半或或者者其其阈值电流增大到其初始值的二倍以上。阈值电流增大到其初始值的二倍以上。体积小、重量轻体积小、重量轻第三章第三章 光源器件与光发送机光源器件与光发送机27第27页，本讲稿共41页l发光二极管发光二极管LED发光机理：自发幅射发光发光机理：自发幅射发光优点：线性度、温度特性好、价格低、寿命长、使用简单优点：线性度、温度特性好、价格低、寿命长、使用简单缺点：谱线较宽、与光纤的耦合效率低缺点：谱线较宽、与光纤的耦合效率低应应用用：小小容容量量、短短距距离离的的光光纤纤通通信信；用用于于对对线线性性变变要要求求高高的的模模拟拟传输。

17、传输。l激光二极管激光二极管LD发光机理：受激发光发光机理：受激发光优点：发光谱线窄（优点：发光谱线窄（15nm）与光纤的耦合效率高（可达与光纤的耦合效率高（可达90），调制速率高），调制速率高应用在大容量、长距离的数字光纤通信应用在大容量、长距离的数字光纤通信光源器件分类光源器件分类28第28页，本讲稿共41页l激光二极管激光二极管LD缺点：温度特性差缺点：温度特性差主主要要表表现现在在其其阈阈值值电电流流随随温温度度的的上上升升而而增增加加，如如下下图图所所示示。（注注：LD是阈值器件，需予偏置）是阈值器件，需予偏置）缺点：线性度差缺点：线性度差LD的的发发光光功功率率随随其其工工作作电电

18、流流的的变变化化，并并非非是是一一种种良良好好的的线线性性对对应应关关系系，但但数数字字光光纤纤通通信信对对光光源源器器件件的的线线性性度度并并没没有有过过高高的的要要求求，并不影响使用。并不影响使用。工作寿命短，目前可达到数十万小时。工作寿命短，目前可达到数十万小时。光源器件分类光源器件分类29第29页，本讲稿共41页光发送机方框图光发送机方框图30第30页，本讲稿共41页l平均发送光功率：平均发送光功率：指指在在发发送送“0”、“1”码码等等概概率率调调制制的的情情况况下下，光光发发送送机机输输出出的的光光功功率率值值，单位为单位为dBm。l-20dB谱宽：谱宽：l光发送机中光源器件的谱线

19、宽度光发送机中光源器件的谱线宽度一一般般用用-20dB谱谱宽宽衡衡量量，即即指指从从中中心心波波长长的的最最大大幅幅度度下下降降到到百百分分之之 （-20dB）时时两两点点间间的的宽度宽度l光源器件的寿命光源器件的寿命l消光比消光比EX：“1”码光脉冲功率与码光脉冲功率与“0”码光脉冲功率之比码光脉冲功率之比光发送机的消光比一般要求大于光发送机的消光比一般要求大于8.2dB，但并非越大越好，否则会引起，但并非越大越好，否则会引起啁啾声啁啾声。光发送机的主要技术指标光发送机的主要技术指标31第31页，本讲稿共41页l光光检检测测器器件件通通过过光光/电电转转换换，将将信信号号（通通信信信信息息）

20、从从光光波波中中分分离（检测）出来。离（检测）出来。l光纤通信对光检测器件的要求：光纤通信对光检测器件的要求：灵敏度高（响应度高）灵敏度高（响应度高）噪声低噪声低工作电压低工作电压低体积小、重量轻、寿命长体积小、重量轻、寿命长第四章第四章 光检测器件与光接收机光检测器件与光接收机32第32页，本讲稿共41页lPIN光二极管：光二极管：特性参数：灵敏度、响应时间特性参数：灵敏度、响应时间优点：噪声小、工作电压低优点：噪声小、工作电压低缺缺点点：没没有有倍倍增增效效应应。PIN的的光光接接收收机机灵灵敏敏度度不不高高，适适宜宜用用于于短短距通信。距通信。lAPD光二极管：光二极管：特性参数：倍增因

21、子特性参数：倍增因子G（平均增益），倍增噪声因子（平均增益），倍增噪声因子APD光光二二极极管管的的最最大大优优点点是是倍倍增增效效应应，即即输输入入同同样样大大小小的的光光功功率率信信号号能能获获得得比比PIN光光二二极极管管多多几几十十倍倍的的光光电电流流，大大大大提提高高了了光光接接收机的灵敏度（比收机的灵敏度（比PIN光接收机提高约光接收机提高约10dB以上）。以上）。光检测器件类型光检测器件类型33第33页，本讲稿共41页光接收机方框图光接收机方框图34第34页，本讲稿共41页光接收机各功能框介绍光接收机各功能框介绍l前置放大器：前置放大器：把光检测器产生的微弱光电流进行预放大。把光

22、检测器产生的微弱光电流进行预放大。l主放大器：主放大器：把信号进一步放大，其增益一般在把信号进一步放大，其增益一般在50dB以上。以上。l均衡器：均衡器：把把主主放放大大器器输输出出的的脉脉冲冲进进行行均均衡衡，以以形形成成码码间间干干扰扰最最小小、最最有有利于进行判决的波形。利于进行判决的波形。35第35页，本讲稿共41页光接收机各功能框介绍光接收机各功能框介绍l判决再生电路：判决再生电路：对对均均衡衡器器输输出出的的脉脉冲冲流流逐逐个个进进行行判判决决，并并再再生生成成波波形形整整齐齐的的脉脉冲码流。冲码流。l时钟提取电路：时钟提取电路：提取时钟，以保证收发同步。提取时钟，以保证收发同步。

23、l自动增益控制（自动增益控制（AGC）：）：控控制制前前置置放放大大器器与与主主放放大大器器的的增增益益，使使光光接接收收机机有有一一个个规规定定的的动态范围。动态范围。l偏压电路：偏压电路：向向APD光二极管提供反向偏压。光二极管提供反向偏压。36第36页，本讲稿共41页l光接收机灵敏度：光接收机灵敏度：在在保保证证规规定定的的误误码码率率条条件件下下(如如BER110-10)，光光接接收收机机所所需要的最小光功率值，一般以需要的最小光功率值，一般以dBm为单位。为单位。灵灵敏敏度度是是光光接接收收机机一一项项重重要要技技术术指指标标，灵灵敏敏度度与与光光发发送送机机的的发发光功率、光纤的衰

24、耗系数决定了光纤通信的中继距离。光功率、光纤的衰耗系数决定了光纤通信的中继距离。l光接收机过载光功率：光接收机过载光功率：在在保保证证规规定定的的误误码码率率条条件件下下(如如BER110-10)，光光接接收收机机所所允许的最大光功率值，以允许的最大光功率值，以dBm为单位。为单位。l动态范围：动态范围：过载光功率与灵敏度之差，动态范围一般在过载光功率与灵敏度之差，动态范围一般在20dB以上。以上。光接收机的主要技术指标光接收机的主要技术指标37第37页，本讲稿共41页l光光纤纤通通信信的的最最大大中中继继距距离离受受光光纤纤衰衰耗耗的的限限制制，称称为为衰衰耗耗受受限限系系统；统；l光光纤纤

25、通通信信的的最最大大中中继继距距离离受受传传输输色色散散的的限限制制，称称为为谓谓色色散散受受限限系统。系统。在在PDH及及SDH（STM-16以以下下）通通信信中中，码码速速率率不不高高（一一般般最最高高为为140Mb/s），色散造成的影响不大，多数为衰耗受限系统。），色散造成的影响不大，多数为衰耗受限系统。在在SDH（STM-64或或以以上上）通通信信中中，码码速速率率很很高高，光光纤纤色色散散影影响响很大，系统可能是衰耗受限系统，也可能是色散受限系统。很大，系统可能是衰耗受限系统，也可能是色散受限系统。光传输设计光传输设计-概述概述38第38页，本讲稿共41页l衰耗受限系统衰耗受限系统光

26、光纤纤通通信信的的中中继继距距离离受受各各种种传传输输衰衰耗耗参参数数的的限限制制，如如光光发发送送机机的的平平均均发发光光功功率率、光光缆缆的的衰衰耗耗系系数数、光光接接收收机机灵灵敏敏度度等等。衰衰耗耗受限系统的接收光功率可用下式计算：受限系统的接收光功率可用下式计算：实实际际接接收收光光功功率率=发发送送光光功功率率-光光传传输输距距离离*衰衰耗耗系系数数/km-活活动连接器总衰耗动连接器总衰耗光纤的衰耗系数光纤的衰耗系数:1310nm波长：波长：0.30.4dB/km 1550nm波长，波长，0.150.25dB/km活动连接器衰耗：一般每个为活动连接器衰耗：一般每个为0.5 dB。将

27、将实实际际接接收收光光功功率率与与接接收收灵灵敏敏度度相相比比较较，前前者者应应比比后后者者高高5dB以上，才能保证光传输系统长期正常工作。以上，才能保证光传输系统长期正常工作。光传输设计光传输设计-光传输距离估算光传输距离估算39第39页，本讲稿共41页l色散受限系统色散受限系统由由于于系系统统中中光光纤纤色色散散、光光源源谱谱宽宽等等因因素素的的影影响响，限限制制了了光光纤纤通通信的中继距离。信的中继距离。色散受限系统的中继距离，一般在光板技术指标中会给出。色散受限系统的中继距离，一般在光板技术指标中会给出。光传输设计光传输设计-光传输距离估算光传输距离估算40第40页，本讲稿共41页41第41页，本讲稿共41页