第六章_光纤通信.ppt

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 指利用光导纤维 简称光纤 传输光波信号的一种通信方式 电磁波 长波 中波 微波 红外线 可见光 紫外线 使用光 激光器 信号 使用光缆作为传输介质 波长是0 8 1 8 m 衰减的单位 dB 分贝 描述功率相对比值的单位dB 10log10 Pin Pout Pout 输出功率Pin 输入功率 6 1光纤通信概述 发展史光电话 1880年贝尔 通信距离213m 光源 激光器梅曼 1960 美国贝尔公司 1970 半导体激光器传光介质 光纤高锟 1966 美国康宁公司 1970 低损耗光纤工作波长0 85 m 1 31 m和1 55 m 光纤通信特点 1 通信容量大光载波频率在1014 1015Hz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 5km4吨光缆 100km60kg 3 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 4 体积小 重量轻 便于施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 5 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 6 原材料来源丰富 潜在价格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 半透明或不透明的晶体 一般乳白色 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 5mm 125 m m 包层 Clad Core 8 m m 125 m m Clad 85 m 多模 单模 人的头发 光纤的分类 按工作波长 短波长 850nm 和长波长 1310nm 1550nm 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个通路传播 距离较短 单模光纤的纤芯较细 使光线能够直接发射到中心 建议距离较长时采用 按折射率分布 阶跃 突变 型 SI 渐变 梯度 型 GI 和W型按材料 石英光纤 塑料光纤等 塑料光纤POF 聚合物光纤 POF PolymerOpticalFiber 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 PolymerPolymethylmethacrylate 另一类是全氟树脂 Perfluorinated 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 G 651光纤 计算机局域网或接入网G 652光纤 应用最广的单模光纤G 653光纤 较少采用G 654光纤 弯曲性能好G 655光纤 适用于高速 大容量 高密集波分复用系统 2 光缆 按芯数分为单芯 双芯 多芯按结构分为层绞式 骨架式 带状等按敷设场合分为架空 直埋 管道 移动 室内 水下 海底等按用途分为通信用光缆和非通信用光缆 加强元件 光纤 第一条海底光缆 空中光缆 3 光的导光原理 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 sini sinr c v 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 水1 33水晶1 55金刚石2 42玻璃按成分不同而为1 5 1 9空气20 760毫米汞高折射率为1 00027 全反射 n1 n2 n1 n2 n1 n2 临界角 900 临界角 n1 n2 全反射 入射角 反射角 1 2 产生全反射的条件 n1 n290 临界角 1 光从空气中斜射入玻璃中时 折射光线向法线方向偏折 填 靠近 或 远离 靠近 2 一束光线斜射到一块玻璃三棱镜上 如下图 画出光折射的情况 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 光纤 突变型光纤 StepIndexFiber SIF 突变型 阶跃型 光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的 即 整个纤芯的折射率是均匀的 阶跃型光纤性能参数 相对折射指数差 数值孔径 NA 数值孔径 NA 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建议多模光纤的NA取值范围为0 18 0 23其对应的光纤端面接收角 c 10 13 渐变型光纤 Graded IndexFiber GIF 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 即 纤芯折射率逐渐减小 反射角逐渐增大 所谓 模 是指以一定角速度进入光纤的一束光 所有发射的光都沿直线传播 这种光纤称为单模光纤 多模光纤允许多束光在光纤中同时传播 5 单模光纤 单模光纤 SingleModeFiber 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 8 10 m典型距离超过5英里用于 长途电信长途电视监控及多路切换共用天线电视系统 6 多模光纤 多模光纤 MultimodeopticalfiberMMF 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 常用光纤规格 单模 8 125 m 9 125 m 10 125 m多模 50 125 m欧洲标准62 5 125 m美国标准 单模和多模光纤 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 单模传输条件 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 1 光纤的参量 纤芯半径等 2 NA必须满足一定条件3 c 截止波长 光纤的主要损耗 吸收损耗散射损耗其他损耗 损耗系数 单位 Db km dB km 10lg Pin Pout LPout 输出功率Pin 输入功率 吸收损耗 本征吸收 材料本身吸收小部分光能量杂质吸收 光纤所含的OH 和金属离子吸收 散射损耗 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 光损耗与波长 光损耗单位 dB km与波长有关单模损耗小波长又称为窗口 光纤损耗主要存在的地点 光纤本身 与长度和类型有关1310nm 0 35 0 5dB Km1550nm 0 2 0 3dB Km850nm 2 3 3 4dB Km光纤连接点 0 2dB Km设备处 3dB km 光纤的衰减 彩虹是怎么产生的 红花绿草的颜色是由什么决定的 光的色散 光的色散 结论 白光不是单色光 而是由各种色光混合成的 太阳光通过三棱镜后被分解成七种色光 依次是红 橙 黄 绿 蓝 靛 紫 光纤色散 Dispersion 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 从而引起比较复杂的色散现象 它是限制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 1 模式色散 定义 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 模间色散只在多模光纤中存在 产生原因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一致 产生时延差 引起光脉冲展宽 模式色散 色度色散 模内色散 定义同一个导波模式的不同光波长之间的色散 产生原因 光源光谱不纯 材料色散 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 材料色散 波导结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光线之间产生时延差 引起光脉冲展宽 3 偏振色散 单模光纤中实际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 这两个模式的传输速度不同 引起偏振色散 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 向光纤发出一连串明暗不同的光信号 发送单元 把电信号转换成光信号传输单元 载送光信号的介质接收单元 接收光信号并转换成电信号连接器件 连接光纤到光源 光检测以及其它光纤 光纤 OpticalFiber 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 自身正在发光 且能持续发光的物体叫作光源 光源可分为 1 天然光源2 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 半导体激光器LD LaserDiode 首个绿光激光二极管 发光二极管LED LightEmittingDiode 光发送机 光发送机 将数字复用设备的电信号转化为光信号 电 光转化核心部件 光源 常用连接器类型 SCLCMT RJDSCVF 45Opti Jack FCType SCType SC2Type FDDType 光电检测器 光接收机 光电检测器 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 对其要求有 灵敏度高 响应快 噪声小 成本低和可靠性高 PIN和APD 在光纤通信技术中 常用半导体光电二极管来检测光信号 如 PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管 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 APD 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 作用 放大衰减了的光信号光 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 ErbiumDopedFiberAmplifier 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 必须是二电平码 信号自带定时信息提供一定的冗余传输 6 4SDH E1 一次群 简介欧洲的30路脉码调制PCM简称E1 速率是2 048Mbit s 1 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 2 每秒有8k个E1的帧通过接口 即8K 256 2048kbps 3 每个时隙在E1帧中占8bit 8 8k 64k bit 4 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 SDH SDH SynchronousDigitalHierarchy 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 SDH帧结构是实现数字同步时分复用 保证网络可靠有效运行的关键 图5 5 一个STMN帧有9行 每行由270 N个字节组成 这样每帧共有9 270 N 个字节 每字节为8bit 帧周期为125 s 即每秒传输8000帧 对于STM1而言 传输速率为9 270 8 8000 155 520Mb s 字节发送顺序为 由上往下逐行发送 每行先左后右 SDH帧大体可分为三个部分 1 段开销 SOH 段开销是在SDH帧中为保证信息正常传输所必需的附加字节 每字节含64kb s的容量 主要用于运行 维护和管理 如帧定位 误码检测 公务通信