第六章_光纤通信.ppt

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1、第6章 光纤通信本章内容l 光纤通信概述l 光纤与光缆l 光纤通信系统光纤通信n指利用光导纤维(简称光纤)传输光波信号的一种通信方式。n电磁波：长波、中波、微波、红外线、可见光、紫外线。n使用光(激光器)信号，使用光缆作为传输介质。波长是0.81.8m衰减的单位ndB(分贝)：描述功率相对比值的单位dB=10 log10(P in/Pout)Pout：输出功率Pin：输入功率6.1 光纤通信概述n发展史光电话：1880年贝尔(通信距离213m)光源：激光器 梅曼(1960)n美国贝尔公司(1970)半导体激光器传光介质：光纤 高锟(1966)n美国康宁公司(1970)低损耗光纤n工作波长 0.

2、85m、1.31m和1.55m光纤通信特点n1、通信容量大、通信容量大光载波频率在10141015Hz 一根仅有头发丝粗细的光纤：理论 可以1000 亿个话路 实际 24万2、传输衰减小，中继距离长、传输衰减小，中继距离长20dB/km，即可实现通信目前损耗0.2dB/km 中继距离 重量(8根/km)电缆 1.5km 4吨光缆 100km 60kg n3、保密性能好、保密性能好 光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光“泄露”出去，因此其保密性能极好。n4、体积小、重量轻、便于施、体积小、重量轻、便于施工维护工维护 光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空。n5、

3、抗电磁干扰，传输质量好、抗电磁干扰，传输质量好 不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀，可挠性强（弯曲半径大于25 厘米时其性能不受影响）等。n6、原材料来源丰富，潜在价格、原材料来源丰富，潜在价格低廉低廉 制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅,在大自然界中几乎是取之不尽、用之不竭的。因此其潜在价格是十分低廉的。二氧化硅组成的矿物二氧化硅组成的矿物,半透明或不透半透明或不透明的晶体明的晶体,一般乳白色一般乳白色,质地坚硬质地坚硬6.2 光纤与光缆 1.光纤的结构石英玻璃、塑料或晶体纤芯(折射率大)和包层全反射光纤直径纤芯(Core)62.5 mm125 mm包层(Clad)CoreCore8 mm12

4、5 mmCladClad85m 多模单模人的头发 光纤的分类光纤的分类n按工作波长：短波长(850nm)和长波长(1310nm、1550nm)n按传输模式：多模光纤和单模光纤多模光纤中光信号通过多多模光纤中光信号通过多个通路传播，距离较短。个通路传播，距离较短。单模光纤的纤芯较细，使单模光纤的纤芯较细，使光线能够直接发射到中心。光线能够直接发射到中心。建议距离较长时采用。建议距离较长时采用。n按折射率分布：按折射率分布：阶跃阶跃(突变突变)型型(SI)、渐变、渐变(梯度梯度)型型(GI)和和W型型n按材料：按材料：石英光纤石英光纤、塑料光纤塑料光纤等等 塑料光纤塑料光纤POF n聚合物光纤(P

5、OF,Polymer Optical Fiber)n目前，制作POF主要的材料有两类：一类是聚甲基丙烯酸甲脂聚合物（Polymer Polymethy lmethacrylate）；另一类是全氟树脂(Perfluorinated)n缺点：损耗低 每公里损耗值约为数百分贝 ITU-T建议的光纤分类 nG.651光纤：计算机局域网或接入网nG.652光纤：应用最广的单模光纤 nG.653光纤：较少采用nG.654光纤：弯曲性能好 nG.655光纤：适用于高速、大容量、高密集波分复用系统 2.光缆n按芯数分为单芯、双芯、多芯n按结构分为层绞式、骨架式、带状等n按敷设场合分为架空、直埋、管道、移动、室

6、内、水下、海底等n按用途分为通信用光缆和非通信用光缆加强加强元件元件加强加强元件元件加强加强元件元件加强加强元件元件加强加强元件元件光纤光纤 光纤光纤 第一条海底光缆 空中光缆空中光缆 3、光的导光原理光的导光原理n光是直线传播的，但当光线照射到某一物质上时便会发生折射和反射。光传播的基本知识光从真空射入介质发生折射时，入射角i与折射角r的正弦之比n叫做介质的“绝对折射率1”，简称“折射率”。它表示光在介质中传播时，介质对光的一种特征。n=sin i/sin r=c/vn由于光在真空中传播的速度最大，故其他媒质的折射率都大于1。n水水1.33 水晶水晶1.55n金刚石金刚石 2.42n玻璃按成

7、分不同而为1.51.9 n空气 20、760毫米汞高 折射率为1.00027 全反射全反射n n1 1n n2 2n n1 1 n n2 2n n1 1n n2 2临界角临界角90900 0临界角临界角n n1 1n n2 2全反射全反射入射角入射角=反射角反射角1 12 2产生全反射的条件：n1n2 90 临界角临界角1.1.光从空气中斜射入玻璃中时光从空气中斜射入玻璃中时,折射光线向折射光线向 法线方向偏法线方向偏折折.(.(填填“靠近靠近”或或“远离远离”)空气空气玻璃玻璃靠近靠近2.2.一束光线斜射到一块玻璃三棱镜上一束光线斜射到一块玻璃三棱镜上(如下图如下图),),画出光折射的情况画

8、出光折射的情况.光所以能在光纤中传输，主要是纤芯和包层的共同作用。4、突变型突变型(突变型突变型)光纤光纤n突变型光纤突变型光纤(Step Index Fiber,SIF)n突变型(阶跃型)：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的；n即：整个纤芯的折射率是均匀的；阶跃型光纤性能参数n相对折射指数差：n数值孔径(NA)：接收锥接收锥 数值孔径数值孔径(NA)n数值孔径是表征光纤端面接收光的能力，其取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影响。CCITT建议n多模光纤的NA取值范围为0.180.23n其对应的光纤端面接收角c=1013。n渐变型光纤(GradedIndex Fiber,GIF)

9、：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高模光按正弦形式传播；n即：纤芯折射率逐渐减小；n 反射角逐渐增大n所谓所谓“模模”是指以一定角速度进是指以一定角速度进入光纤的一束光。入光纤的一束光。n所有发射的光都沿直线传播，这所有发射的光都沿直线传播，这种光纤称为单模光纤种光纤称为单模光纤；n多模光纤允许多束光在光纤中同多模光纤允许多束光在光纤中同时传播；时传播；5、单模光纤、单模光纤n单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）只能有一道光信号传输，使用单独模式的光信号，无光的信号色散，传输距离会更长，传输数据量也更高。单模光纤单模光纤n810 mn典型距离超过5英里n用于：长途

10、电信长途电视监控及多路切换共用天线电视系统单模单模单模单模 SMFSMFSMFSMF 6.多模光纤多模光纤n多模光纤(Multimode optical fiber MMF)n光信号可以从不同的角度进入光纤的线芯进行传输。可以直线传输也可以使用折射和反射来向前发送信号。适用于中容量、中距离通信。适用于中容量、中距离通信。n常用光纤规格常用光纤规格：n单模：8/125m，9/125m，10/125m n多模：50/125m 欧洲标准n 62.5/125m 美国标准 单模和多模光纤单模和多模光纤n我们简单的作个比喻：可以把多模光纤想成是一条很宽的公路（光纤模截面宽），在这条公路上，可以行驶轿车、路

11、车和卡车（信号的模式），但是由于车型不同（信号模式不同），所以到达终点的时间也会不同。而单模光纤则可以想成是一条铁路，虽然同时只能有一辆火车行驶，速度要高于公路。单模光纤和多模光纤比较项目单模光纤多模光纤距离长长短短数据传输率高高低低光源激光激光发光二极管发光二极管信号衰减小小大大端接较难较难较易较易造价高高低低 单模传输条件单模传输条件n归一化频率V小于其归一化截止频率Vc(2.405）时，才能实现单模传输 单模传输的条件：n1、光纤的参量(纤芯半径等)n2、NA必须满足一定条件 n3、c(截止波长)光纤的主要损耗损耗吸收损耗吸收损耗散射损耗散射损耗其他损耗其他损耗n损耗系数损耗系数(单位：

12、Db/km)ndB/km=10 lg(P in/Pout)/LPout：输出功率Pin：输入功率 吸收损耗吸收损耗n本征吸收本征吸收：材料本身吸收小部分光能量n杂质吸收杂质吸收：光纤所含的OH-和金属离子吸收散射损耗散射损耗n由于光线的基本结构不完美，引起的光能量损失，此时光的传输不再具有很好的方向性。光线光线缺陷缺陷光损耗与波长光损耗与波长n光损耗单位：dB/kmn与波长有关n单模损耗小n波长又称为窗口光纤损耗主要存在的地点n光纤本身：与长度和类型有关1310 nm：0.35 0.5 dB/Km1550 nm：0.2 0.3dB/Km850 nm：2.3 3.4 dB/Kmn光纤连接点：0.

13、2dB/Kmn设备处：3dB/km光纤的衰减光纤的衰减图光纤的衰减图0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 nm OH-OH-OH-第一窗口第二窗口第三窗口衰减(dB/km)水峰值6 54321近近端端远远端端信号传播彩虹是怎么产生的彩虹是怎么产生的?红花绿草的颜色是由什么决定的红花绿草的颜色是由什么决定的?光光的的色色散散 光光的的色色散散结论：结论：白光不是单色光，而是由各白光不是单色光，而是由各种色光混合成的种色光混合成的 太阳光通过三棱镜后被分解成太阳光通过三棱镜后被分解成七种色光七种色光,依次是依次是红红、橙、橙、黄、黄、绿、绿、蓝、蓝、靛、靛

14、、紫紫.光纤色散(Dispersion)n光纤中的信号是由不同的频率成分或模式光纤中的信号是由不同的频率成分或模式成分构成的，它们是由不同的传播速度，成分构成的，它们是由不同的传播速度，从而引起比较复杂的色散现象。从而引起比较复杂的色散现象。它是限制传输容量传输容量的主要因素。模式色散(模间色散)色度色散偏振模色散 光纤的色散特性光纤的色散特性1、模式色散模式色散：定义定义：同一波长光信号的不同模式成分同一波长光信号的不同模式成分之间的色散，称为模间色散或模式色散。模之间的色散，称为模间色散或模式色散。模间色散只在多模光纤中存在。间色散只在多模光纤中存在。产生原因产生原因 多模光纤中各个模式的

15、光传播的路径和速度多模光纤中各个模式的光传播的路径和速度不同，使得在光纤出射端各模式的到达时间不同，使得在光纤出射端各模式的到达时间不一致，产生时延差，引起光脉冲展宽。不一致，产生时延差，引起光脉冲展宽。模式色散模式色散 色度色散色度色散(模内色散模内色散)定义定义 同一个导波模式的不同光波长之间的色散同一个导波模式的不同光波长之间的色散 产生原因产生原因 光源光谱不纯光源光谱不纯;（材料色散）（材料色散）光纤石英材料的折射率不是一个常数，而是随光光纤石英材料的折射率不是一个常数，而是随光波长的增大而减小波长的增大而减小;（材料色散）（材料色散）波导结构与折射率分布等参量有关，使得不同路波导结

16、构与折射率分布等参量有关，使得不同路径光线之间的速度差是一个随传输路径变化的复径光线之间的速度差是一个随传输路径变化的复杂函数。杂函数。（波导色散）这三方面原因导致同一个导波模式的不同波长这三方面原因导致同一个导波模式的不同波长光线之间产生时延差，引起光脉冲展宽。光线之间产生时延差，引起光脉冲展宽。3、偏振色散、偏振色散：单模光纤中实际：单模光纤中实际存在偏振方向相互正交的两个基存在偏振方向相互正交的两个基模。当光纤中存在双折射时，这模。当光纤中存在双折射时，这两个模式的传输速度不同，引起两个模式的传输速度不同，引起偏振色散。偏振色散。6.3 光纤通信系统 通过光端机（向光纤中输入光信号的设备

17、）向光纤发出一连串明暗不同的光信号 n发送单元：把电信号转换成光信号n传输单元：载送光信号的介质n接收单元：接收光信号并转换成电信号n连接器件：连接光纤到光源、光检测以及其它光纤光纤(Optical Fiber)系统方框图信号光发射机光源中继器检测器光接收机信号 E/O转换光纤O/E转换发送单元传输单元接收单元连接器件 光源光源n自身正在发光，且能持续发光的物体叫作光源。n光源可分为：n1.天然光源n2.人造光源（如点燃的蜡烛、发光的电灯、激光束等）第一台双异结质激光器n半导体激光器LD(Laser Diode)首个绿光激光二极管n发光二极管 LED(Light Emitting Diode)

18、:光发送机光发送机n光发送机：将数字复用设备的电信号转化为光信号，电-光转化n核心部件：光源 常用连接器类型常用连接器类型SC LC MT-RJ DSC VF-45 Opti-JackFC TypeSC TypeSC2 TypeFDD Type 光电检测器光电检测器(光接收机光接收机)光电检测器光电检测器n光电检测器是光纤通信系统中接收端机中的第一个部件，由光纤传输来的光信号通过它转换成电信号。它是利用材料的光电效应实现光电转换的。n对其要求有：灵敏度高灵敏度高、响应快响应快、噪声小噪声小、成本低成本低和和可靠性高可靠性高。PIN和和APDn在光纤通信技术中，常用半导体光电二极管来检测光信号，

19、如：PIN光电二极管 和 APD雪崩光电二极管。n PIN是指在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体，称为I层。这样，PN结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。nAPD（雪崩光电二极管）利用光生载流子在耗尽区内的雪崩倍增效应，产生光电流的倍增作用。光中继器光中继器n作用：放大衰减了的光信号n光-电-光转换 半导体光放大器 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器n掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA)，是一种对光信号放大的光器件。它使长距离、大容量、高速率的光纤通信成为可能，是DWDM系统不可缺少的重

20、要器件。在我国，武汉邮科院研制开发的EDFA系列产品，是目前唯一的国产商用化产品。光纤通信码型要求n必须是二电平码！n信号自带定时信息n提供一定的冗余传输 6.4 SDHnE1(一次群)简介n欧洲的30路脉码调制PCM简称E1，速率是2.048Mbit/s。n1、一个E1的帧长为256个bit,分为32个时隙，一个时隙为8个bit。E1(一次群一次群)n2、每秒有8k个E1的帧通过接口，即8K*256=2048kbps。n3、每个时隙在E1帧中占8bit，8*8k=64k(bit)n4、在E1信道中，8bit组成一个时隙（TS），由 32个时隙组成了一个帧（F），16个帧组成一个复帧（MF）。

21、SDHn SDH(Synchronous Digital Hierarchy，同步数字系列同步数字系列)将复接、线路传输及交换功能融为一体，是美国贝尔通信技术研究所提出来的同步光网络（SONET）。2.SDH帧结构帧结构 SDH帧帧结结构构是是实实现现数数字字同同步步时时分分复复用用、保保证证网网络络可可靠靠有有效效运运行行的的关关键键。(图图 5.5)一一个个STMN帧帧有有9行行，每每行行由由270N个个字字节节组组成成。这这样样每每帧帧共共有有9270N个个字字节节，每每字字节节为为8 bit。帧帧周周期期为为125 s，即即每每秒秒传传输输8000帧帧。对对于于STM1 而而言言，传传

22、输输速速率率为为927088000=155.520 Mb/s。字字节节发发送送顺顺序序为为：由由上上往下逐行发送，每行先左后右。往下逐行发送，每行先左后右。SDH帧大体可分为三个部分：帧大体可分为三个部分：(1)段段开开销销(SOH)。段段开开销销是是在在SDH帧帧中中为为保保证证信信息息正正常常传传输输所所必必需需的的附附加加字字节节(每每字字节节含含64 kb/s的的容容量量)，主主要要用用于于运运行行、维维护护和和管管理理，如如帧帧定定位位、误误码码检测、检测、公务通信、自动公务通信、自动保护倒换以及网管信息传输。保护倒换以及网管信息传输。对对于于STM1 而而言言，SOH共共使使用用98(第第4行行除除外外)=72 Byte相相应应于于576 bit。由由于于每每秒秒传传输输8000帧帧，所所以以SOH的的容量为容量为5768000=4.608 Mb/s。SDH与PDHnSDH技术同传统的PDH技术相比，有下面几个明显的优点：1、统一的比特率、统一的比特率：n在PDH中，世界上存在着欧洲、北美及日本三种体系的速率等级。而SDH中实现了统一的比特率。此外还规定了统一的光接口标准，因此为不同厂家设备间互联提供了可能。n2、极强的网管能力、极强的网管能力：n在SDH帧结构中规定了丰富的网管字节，可提供满足各种要求的能力。