TA000002 光纤通信基础ISSUE1.ppt

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1、TA000002 光纤通信基础ISSUE1.1光网络产品课程开发室光网络产品课程开发室课程目标课程目标 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第一章第一章 概论概论一光纤通信概念 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 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纤光纤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

2、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。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）。二二光纤通信优点光纤通信优点通信容量大通信容量大一根光纤同时传输一根光纤同时传输24万个话路，比万个话路，比传统的明线、同轴电缆、微波等要传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃

3、至上千倍。高出几十乃至上千倍。波分复用技术的采用，把一根波分复用技术的采用，把一根光纤当作几根、几十根光纤使用，光纤当作几根、几十根光纤使用，通信容量近乎无限。通信容量近乎无限。二二光纤通信优点光纤通信优点中继距离长中继距离长光纤具有极低的衰耗系数，目前商光纤具有极低的衰耗系数，目前商用化石英光纤已达用化石英光纤已达0.19dB/km以下，以下，配以适当的光发送与光接收设备，配以适当的光发送与光接收设备，中继距离达数百公里以上，中继距离达数百公里以上，特别适用于长途一、二级干线通信特别适用于长途一、二级干线通信二二光纤通信优点光纤通信优点保密性能好，抗干扰能力强保密性能好，抗干扰能力强 光波在

4、光纤中传输时只在其芯光波在光纤中传输时只在其芯区进行，不存在传统的电磁波辐射，区进行，不存在传统的电磁波辐射，因此其保密性能极好，同时也不怕因此其保密性能极好，同时也不怕外界强电磁场的干扰，抗干扰能力外界强电磁场的干扰，抗干扰能力强。强。二二光纤通信优点光纤通信优点便于施工和维护便于施工和维护 体积小、重量轻。光缆的敷设体积小、重量轻。光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空。敷设，又可以水底和架空。第二章第二章 光纤与光缆光纤与光缆 一一光纤的构造光纤的构造 什么是光纤呢？什么是光纤呢？光纤呈圆柱形，由纤芯、包层与涂层三大部分组光纤呈圆柱形

5、，由纤芯、包层与涂层三大部分组 成，如下图成，如下图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。？二二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，而光纤本身是一光是一种频率很高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导。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我们从几何光学的角度来简单讨论光纤的导光原

6、理原理 全反射原理全反射原理 光线在均匀介质中是以直线传播的，但在两种光线在均匀介质中是以直线传播的，但在两种不同介质的分界面会产生反射和折射现象，如图不同介质的分界面会产生反射和折射现象，如图所示所示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n2n1123 当当n的比值增大到一定程度，则会使折的比值增大到一定程度，则会使折射角射角90度，此时的折射光线不再进入包层，度，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，或者而会在纤芯与包层的分界面上掠过，或者重返回到纤芯中进行传播，这种现象叫做重返回到纤芯中进行传播，这种现象叫做光的全反射现象。

7、光的全反射现象。不难理解，当光在光纤中发生全反射现象不难理解，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，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没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。的衰耗。n2n1折射光折射光13光的全反射现象光的全反射现象入射光入射光三三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形轨迹传播及沿纤芯与包层的分界面掠过掠过n2n1四四光纤的工作波长（工作窗口）光纤的工作波长（工作窗口）光线路信号在光纤上传送的波长：光线路信号在光纤上传送的波长：850nm

8、、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五、光通道参数：衰减、色散五、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。双重影响。衰减使在光纤中传输的光信号随着传输距离的增加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。而功率下降。1310nm窗口每公里衰减：窗口每公里衰减：0.4dB/km 1550nm窗口每公里衰减：窗口每公里衰减：0.25dB/km色散会使在光纤中传输的数字脉冲展宽，引起码间色散会使在光纤中传

9、输的数字脉冲展宽，引起码间干扰，降低信号质量。干扰，降低信号质量。六、光纤的类型：六、光纤的类型：G.652光纤、光纤、G.653光纤，光纤，G.654光纤、光纤、G.655光纤光纤G.652光纤：在光纤：在1310nm波长窗口色散性能最佳，波长窗口色散性能最佳，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；G.653光纤：在光纤：在1550nm波长，衰耗和色散皆为最波长，衰耗和色散皆为最小小 值，可实现大容量长距离传输。值，可实现大容量长距离传输。因出现四波混频效应因出现四波混

10、频效应(FWM),限制了它限制了它 在在WDM（波分复用）方面的应用。（波分复用）方面的应用。六、光纤的类型六、光纤的类型 G.654光纤：光纤：1550nm损耗最小光纤，主要用于长损耗最小光纤，主要用于长 再生中继距离的海底光缆。再生中继距离的海底光缆。G.655光纤：克服了光纤：克服了G.652光纤在光纤在1550nm处色散受处色散受 限和限和G.653光纤在光纤在1550nm处出现四波处出现四波 混频效应的缺陷，适用于混频效应的缺陷，适用于WDM系统。系统。七七光缆简介光缆简介 光缆为光纤提供可靠的机械保护，使之适应光缆为光纤提供可靠的机械保护，使之适应外部使用环境，并确保在敷设与使用中

11、光缆的光纤外部使用环境，并确保在敷设与使用中光缆的光纤具有可靠的传输性能。具有可靠的传输性能。光缆特性：光缆特性：光缆虽有一定的强度和抗张力，但经不起过大光缆虽有一定的强度和抗张力，但经不起过大 的侧压力与拉伸力。的侧压力与拉伸力。光缆在短期内可接触水，当时间过长会增加光光缆在短期内可接触水，当时间过长会增加光 纤的衰耗。纤的衰耗。光缆分类：光缆分类：架空光缆，直埋式光缆、铠装光缆、海底光缆、架空光缆，直埋式光缆、铠装光缆、海底光缆、阻燃光缆等等。阻燃光缆等等。八、光纤连接器八、光纤连接器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

12、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，同上，同上，APC，以截面中心为圆心，向外倾斜，以截面中心为圆心，向外倾斜80第三章第三章 光源器件与光发送机光源器件与光发送机一一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）第三章第三章 光源器件与光发送机光源器件与光发送机一一光纤通信对光源器件的要求光纤通信对光源器件的要求温度特性好温度特性好光源器件的发光波长与发射光功率易随温光源器件的发

13、光波长与发射光功率易随温度变化，在较高温度下其性能容易劣化。度变化，在较高温度下其性能容易劣化。发光谱宽窄发光谱宽窄谱线宽度谱线宽度 应小于应小于2nm。谱线过宽，会增。谱线过宽，会增大光纤色散，减少光纤的传输容量与传输大光纤色散，减少光纤的传输容量与传输距离。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一一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 光源器件寿命的终结是指其发光功率光源器件寿命的终结是指其发光功率降低到初始值的一半或者其阈值电流增大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。到其初始值的二倍以上。体积小、重量轻体积小、重量轻

14、二二光源器件分类光源器件分类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、寿优点：线性度、温度特性好、价格低、寿 命长、使用简单命长、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用：小容量、短距离的光纤通信；应用：小容量、短距离的光纤通信；用于对线性变要求高的模拟传输。用于对线性变要求高的模拟传输。二二光源器件分类光源器件分类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

15、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应用：小容量、短距离的光纤通信；应用：小容量、短距离的光纤通信；用于对线性变要求高的模拟传输。用于对线性变要求高的模拟传输。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 主要表现在其阈值电流随温度的上主要表现在其阈值电流随温度的上升而增加，如下图所示。（注：升而增加，如下图所示。（注：LD是阈值是阈值器件，需予偏置）器件，需予偏置）激光二极管激光二极管LD缺点：线性度差缺点：线性度差 LD的发光功率随其工作电流的变化，的发光功率随其工作电流的变化，并非是一种良好的线性对应关系，但数字并非是一种良好的线性对应关系，但

16、数字光纤通信对光源器件的线性度并没有过高光纤通信对光源器件的线性度并没有过高的要求，并不影响使用。的要求，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。三、光发送机方框图三、光发送机方框图 光发送机的主要技术指标：光发送机的主要技术指标：平均发送光功率：平均发送光功率：指在发送指在发送0、1码等概率调制的情码等概率调制的情况下，光发送机输出的光功率值，单位为况下，光发送机输出的光功率值，单位为dBm。谱宽：光发送机中光源器件的谱线宽度谱宽：光发送机中光源器件的谱线宽度 一般用一般用-20dB谱宽衡量，即指从中谱宽衡量，即指从中 心波长的最大幅度下降到百分之一

17、心波长的最大幅度下降到百分之一 （-20dB）时两点间的宽度）时两点间的宽度 光发送机的主要技术指标：光发送机的主要技术指标：光源器件的寿命光源器件的寿命 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，但并非越大越好，否则会引起大越好，否则会引起啁啾声啁啾声。啁啾声：因消光比过大，引起发光波长发生偏移。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光检测器件通过光光检测器件通过光/电转换，将信号（通信电转换，将信号（通信信息）从光波中分离（检测）出来。信息）从光波中分离（检

18、测）出来。一、光纤通信对光检测器件的要求：一、光纤通信对光检测器件的要求：1 灵敏度高（响应度高）灵敏度高（响应度高）2 噪声低噪声低3 工作电压低工作电压低4 体积小、重量轻、寿命长体积小、重量轻、寿命长 二、光检测器件类型：二、光检测器件类型：PIN光二极管与光二极管与APD雪崩光二极管两大类雪崩光二极管两大类1、PIN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 缺点：没有倍增效应。缺点：没有倍增效应。PIN的光接收的光接收 机灵敏度不高，适宜用于短距机灵敏度不高，适宜用于短距 通信通信 二、光检测器件类型：二

19、、光检测器件类型：PIN光二极管与光二极管与APD雪崩光二极管两大类雪崩光二极管两大类2、APD光二极管：光二极管：特性参数：倍增因子特性参数：倍增因子G（平均增益）（平均增益）倍增噪声因子倍增噪声因子 APD光二极管的最大优点是倍增效应，光二极管的最大优点是倍增效应，即输入同样大小的光功率信号能获得比即输入同样大小的光功率信号能获得比PIN光二极管多几十倍的光电流，大大提光二极管多几十倍的光电流，大大提高了光接收机的灵敏度（比高了光接收机的灵敏度（比PIN光接收机光接收机提高约提高约10dB以上）。以上）。三、光接收机方框图三、光接收机方框图 三、光接收机各功能框介绍：三、光接收机各功能框介

20、绍：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予放大把光检测器产生的微弱光电流进行予放大主放大器：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以上以上均衡器：均衡器：把主放大器输出的脉冲进行均衡，以形成码间把主放大器输出的脉冲进行均衡，以形成码间干扰最小、最有利于进行判决的波形。干扰最小、最有利于进行判决的波形。三、光接收机各功能框介绍：三、光接收机各功能框介绍：判决再生电路：判决再生电路：对均衡器输出的脉冲流逐个进行判决，并再生对均衡器输出的脉冲流逐个进行判决，并再生成波形整齐的脉冲码流。成波形整齐的脉冲码流。时钟提取电路：时钟提取电路：提取时钟

21、，以保证收发同步。提取时钟，以保证收发同步。自动增益控制（自动增益控制（AGC）：）：控制前置放大器与主放大器的增益，使光接收控制前置放大器与主放大器的增益，使光接收机有一个规定的动态范围。机有一个规定的动态范围。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 四、光接收机主要技术指标：四、光接收机主要技术指标：光接收机灵敏度：光接收机灵敏度：在保证规定的误码率条件下在保证规定的误码率条件下(如如BER110-10)，光接收机所需要的最小光功率值，光接收机所需要的最小光功率值，一般以一般以dBm为单位。为单位。灵敏度是光接收机一项重要技术指标，灵灵敏度是光接收机一项重要

22、技术指标，灵敏度与光发送机的发光功率、光纤的衰耗系数敏度与光发送机的发光功率、光纤的衰耗系数决定了光纤通信的中继距离。决定了光纤通信的中继距离。四、光接收机主要技术指标：四、光接收机主要技术指标：光接收机过载光功率：光接收机过载光功率：在保证规定的误码率条件下在保证规定的误码率条件下(如如BER110-10)，光接收机所允许的最大光功率值，光接收机所允许的最大光功率值，以以dBm为单位。为单位。四、光接收机主要技术指标：四、光接收机主要技术指标：动态范围：动态范围：过载光功率与灵敏度之差，动态范围过载光功率与灵敏度之差，动态范围一般在一般在20dB以上。以上。光传输设计光传输设计最大中继距离的

23、计算最大中继距离的计算光纤通信的最大中继距离：光纤通信的最大中继距离：受光纤衰耗的限制，称为衰耗受限系统；受光纤衰耗的限制，称为衰耗受限系统；受传输色散的限制，称为谓色散受限系统。受传输色散的限制，称为谓色散受限系统。在在PDH通信中，码速率不高（一般最高为通信中，码速率不高（一般最高为140Mb/s），色散造成的影响不大，多数为衰），色散造成的影响不大，多数为衰耗受限系统。耗受限系统。在在SDH通信中，码速率很高，光纤色散影通信中，码速率很高，光纤色散影响很大，系统可能是衰耗受限系统，也可能是响很大，系统可能是衰耗受限系统，也可能是色散受限系统。色散受限系统。光传输设计光传输设计光传输距离估

24、算光传输距离估算1、衰耗受限系统、衰耗受限系统 光纤通信的中继距离受各种传输衰耗参数光纤通信的中继距离受各种传输衰耗参数的限制，如光发送机的平均发光功率、光缆的的限制，如光发送机的平均发光功率、光缆的衰耗系数、光接收机灵敏度等。衰耗系数、光接收机灵敏度等。光传输设计光传输设计光传输距离估算光传输距离估算衰耗受限系统的接收光功率可用下式计算：衰耗受限系统的接收光功率可用下式计算：实际接收光功率实际接收光功率=发送光功率发送光功率-光传输距离光传输距离*衰衰 耗系数耗系数/km-活动连接器总衰耗活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 1550n

25、m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 光传输设计光传输设计光传输距离估算光传输距离估算 将实际接收光功率与接收灵敏度相比较，将实际接收光功率与接收灵敏度相比较，前者应比后者高前者应比后者高5dB以上，才能保证光传输系以上，才能保证光传输系统长期正常工作。统长期正常工作。光传输设计光传输设计最大中继距离的计算最大中继距离的计算2、色散受限系统、色散受限系统 由于系统中光纤色散、光源谱宽等因素的由于系统中光纤色散、光源谱宽等因素的影响，限制了光纤通信的中继距离。影响，限制了光纤通信的中继距离。色散受限系统的中继距离，一般在光板技色散受限系统的中继距离，一般在光板技术指标中会给出。术指标中会给出。