光传输通信基本原理.doc

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1、|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达到通信的目的。 典型的光纤通信系统方框图如下：光 发 送 机电 端 机（ 数 字 ）模 拟 信 息LD 光 接 收 机电 端 机（ 数 字 ）模 拟 信 息APD中 继 器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|去调制发送机中的光源器件 LD，则 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

2、信号为“0” 时，光源器件发送一个“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，恢复成原来的信息。就这样完成了一次通信的全过程。其中光发送机的调制方式有两种：直接调制也称内调制（一般速率小于等于 2.5GB/S 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、适应能力强5、体积小、重量轻、便于施工和维护6、原材料来源丰富，潜在的价格低廉第二节、光纤的导光原理一、全反射原理我们知道，当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进

3、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。|折 射 光反 射 光入 射 光 1 1 2包 层n2纤 芯n1图 2.5 光的反射与折射根据光的反射定律，反射角等于入射角。根据光的折射定律：（2.2）nSiin122其中 n1为纤芯的折射率，n 2为包层的折射率。显然，若 n1n2，则会有 21。如果 n1与 n2的比值增大到一定程度，则会使折射角 290，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掠过（ 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。折 射 光入 射 光 k 2=90n2

4、n1|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。很容易可以得到临界角。KSin12不难理解，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 1.5cm）三大部分组成，如下图： n1 n2 n2 d1 d2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；包层也是高纯度的二氧化硅，也掺杂一些掺

5、杂剂，主要是|降低包层的光折射率 n2；涂敷层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机械强度和可弯曲性。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均匀的，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：n1 r 小于等于 a1 时n(r)=n2 r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：光纤蛛心处的折射率最大，但随横截面的增加而逐渐变小，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

6、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均匀的。|2、 按传输的模式分类 多模光纤定义：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重，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、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

7、大时，一般为 510um，光纤只允许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。单模光纤只允许一种模式在其中传播，从而避免了模式色散的问题，故单模光纤具有极宽的带宽，特别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 范围内呈现低衰耗光纤 称做短波长光纤。 长波长光纤|定义：习惯上把波长在 1000-2000nm 范围内的光纤 称做短波长光纤。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

8、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、 G.652 光纤1310nm 性能最佳光纤( 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，为0.150.25dB/km。在我国占 99以上。虽称 1310nm 性能最佳光纤，但绝大部分却用于1550nm，其原因是在 1310nm 无实用

9、化光放大器。它可会传输 2.5G 或以 2.5G 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)。| 、 G.653 光纤1550nm 性能最佳光纤( 色散移位光纤)。它主要用于 1550nm 波长工作区。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，因会出现四波混频效应(FWM) 。 、G.654 光纤1550nm 损耗最小光纤。它主要用于 1550nm 波长工作区，其损耗为0.150.19dB/km；主要用于海缆通信。 、 G.655 光纤它是为

10、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。理想情况：A） 、低色散：210ps/nm.km ；B)、色散斜率小于 0.05ps/nm.km，便于色散补偿；C)、大的有效面积，可避免出现非线性效应。目前，G.655 光纤尚无国际统一规范。-大的有效面积，会有效地避免非线性效应，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、光纤的三大特性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

11、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。因为在很大程度上决定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：(dB/km) apPiO10lg（2.6）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，则iO1023.这就意味着，经过一公里的光纤传输之后，其光功率信号减少了一半。长度为 L 公里的光纤的衰耗值为 A = aL 。 光纤的衰耗机理|使光纤产生衰耗的原因很多，但可归纳如下：本征吸收吸收衰耗：杂质吸收线性散射衰耗 ： 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）本征吸收：定义：构成光纤材料本身所固有的吸收作用。纯二氧化硅对光的吸收作用所引起的光纤衰耗是比较小，在600-900NM 波长范围稍大，但小于 1dB/km,而在 1000-1800 波长范围，几乎为零。杂质吸收:光纤中的杂质对光的吸收作用，是造成光纤衰耗的主要原因。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。