第七章 光纤通信.ppt

1 光纤通信 CompanyLogo 2 光纤通信系统 光纤全称为光导纤维 它是一种能够通光的 直径很细的透明玻璃丝 是一种新的传输介质 光纤通信是以光波为载波 以光导纤维为传输媒质的激光通信 就是运用光反射原理 把光的全反射限制在光纤内部 用光信号取代传统通信方式中的电信号 从而实现信息的传递的 亦即将要传的电话 电报 图象和数据等信号先变成光信号 再经由光纤进行传输或在本地进行光交换的一种通信方式 CompanyLogo 3 概述 利用光导纤维作为光的传输介质的光纤通信 其发展只有几十年的历史 它的发展是以1960年美国人Maiman发明的红宝石激光器 和1966年英籍华人高锟博士提出利用二氧化硅石英玻璃可制成低损耗光纤的设想为基础的 这种设想直到1970年美国康宁公司研制出损耗为20dB Km的光纤 才使光纤进行远距离传输成为可能 CompanyLogo 4 光纤通信发展简史 自1970年以后 光纤通信的研究在世界范围内展开并得到迅猛发展 在短短的一 二十年中 已从0 85um短波长多模光纤发展到1 31um 1 55um的长波长单模光纤 同时开发出许多新型光电器件 激光器寿命已达数十万小时甚至百万小时 一些国家相继建成了长距离光纤通信系统 CompanyLogo 5 频带宽 通信容量大理论上讲一根单模光纤可利用的带宽达20THz 1THz 1012Hz 以上 现在最先进的光纤通信系统达400GHz 而一路电话带宽约占4KHz频带 一路彩色电视约占6MHz频带损耗低 无中继距离长铜缆的损耗特性与铜缆的结构尺寸及所传输信号的频率有关 光缆的损耗特性仅与玻璃的纯度 或者说透明度 有关 高质量望远镜的镜头损耗超过500dB km 目前通信用光纤的最低损耗达0 2dB km 光纤通信的优点 CompanyLogo 6 具有抗电磁干扰能力光导纤维是绝缘体材料 不受输电线 电气化铁路及高压设备等电器干扰 可以与高压电线平行架设 还可制成复合光缆光纤不受强电干扰 电气化铁道干扰和雷电干扰 抗电磁脉冲能力也很强 保密性好通信质量高 光纤通信的优点 CompanyLogo 7 节约有色金属 原材料资源丰富光纤的主要成分是SiO2资源十分丰富 电缆的主要成分是Cu Al等有色金属 资源有限 可节约大量金属 线径细 重量轻 柔软可制成大芯数高密度光缆单芯光缆可安装在飞机 火箭 潜艇及航天飞机上 光纤通信的优点 CompanyLogo 8 缺点 质地脆 机械强度低光纤切断和接续需要一定的工具 设备和技术分路 耦合不灵活光纤 光缆弯曲半径不能过小 CompanyLogo 9 1977年 第一根短波长 0 85um 阶跃型石英光纤问世 长度为17m 衰减系数为300dB km 1978年 研制出短波长多模梯度光纤 即G 651光纤 1979年 研制出多模长波长光纤 衰减为1dB km 建成5 7km 8Mb s光通信系统试验段 1980年 1300nm窗口衰减降至0 48dB km 1550nm窗口衰减为0 29dB km 我国光纤通信的开发里程 CompanyLogo 10 1984年 武汉 天津34Mb s市话中继光传输系统工程建成 多模 1988年 全长245km的武汉 长沙市34Mb s多模光缆通信系统工程通过邮电部鉴定验收 1989年 汉阳 汉南40Mb s单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收 1991年 研制出G 653色散位移光纤 最小衰减达0 22dB km 合肥 芜湖40Mb s单模光传输系统工程通过国家鉴定验收 我国光纤通信的开发里程 CompanyLogo 11 1993年 在掺铒光纤放大器的研究上取得突破性进展 小信号增益达25dB 上海 无锡65Mb s单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收 1997年 研制出G 655非零色散位移光纤 成都 攀枝花22Mb sSDH光传输工程通过邮电部鉴定验收 1998年 海口 三亚5Gb s光传输系统工程通过邮电部鉴定验收 该工程全长322km 仅在万宁设一个中继站 海口 万宁的中继距离为172km 1999年 8 2 5Gb sDWDM系统通过国家验收 我国光纤通信的开发里程 CompanyLogo 12 光的传播 光是一种电磁波可见光部分波长范围是 0 39 0 76 m 大于0 76 m部分是红外光 小于0 39 m部分是紫外光 光纤中应用的是 0 85 1 31 1 55 m三种 频率 Hz 102 104 106 108 1012 1014 1016 1018 1020 1022 106 104 102 1 1010 10 2 10 4 10 6 10 8 10 10 10 12 10 14 波长 名称 长波 中波 短波 超短波 微波 毫米波 红外线 可见光 紫外线 X射线 红外线 可见光 紫外线 光 电磁波谱 CompanyLogo 14 光纤通信系统的基本组成 光纤通信系统可归结为电 光 电的简单模型 即需传输的信号必须先变成电信号 然后转换成光信号在光纤内传输 对端又将光信号变成电信号 整个过程中 光纤部分只起传输作用 对于信号的生成和处理 仍由电系统来完成 CompanyLogo 15 光纤与光缆 光纤通信中采用的传输媒介是光纤 光纤与加强元件 外护层等组合而成光缆 CompanyLogo 16 光纤导光的原理 光纤是一种介质波导 具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的波导结构 其直径大约只有0 1mm 它是由两种折射率不同的玻璃构成的 CompanyLogo 17 通信用光纤 光缆 光纤种类与尺寸 包层与纤芯的主要材料均为玻璃 但它们掺杂不同的杂质 使包层与纤芯具有不同的折射率 包层的外面还有一层保护层保护光纤 简单说模式就是指电磁场的 波形 CompanyLogo 18 光纤的结构 CompanyLogo 19 光缆中的光纤一般是指经过两次涂覆后的光纤芯线 它的剖面结构如图所示 CompanyLogo 20 光纤的种类 光纤是一种新型的光波导 其种类很多 按光纤材料不同 常见的有以下几种 石英光纤 多组分玻璃光纤 全塑光纤 CompanyLogo 21 按照折射率分布不同来分 通常采用的是阶跃型光纤和渐变型光纤两种 1 阶跃型光纤 2 渐变型光纤 光纤的分类 CompanyLogo 22 按照传输的总模数来分 所谓模式 实质上是电磁场的一种分布形式 模式不同 其分布不同 根据光纤中传输模式数量来分 可分为单模光纤 SM Singlemodefiber 和多模光纤 MM Multi modefiber 光纤的分类 CompanyLogo 23 光波在光纤中传输 随着传输距离的增加而光功率逐渐下降 这就是光纤的传输损耗 光纤本身损耗的原因 大致包括两类 吸收损耗和散射损耗 光纤的损耗特性 CompanyLogo 24 吸收损耗是光波通过光纤材料时 有一部分光能变成热能 造成光功率的损失 散射损耗是由于光纤的材料 形状 折射率分布等的缺陷或不均匀 使光纤中传导的光发生散射 由此产生的损耗为散射损耗 光纤的损耗特性 吸收损耗 本征吸收 杂质吸收 散射损耗 瑞利散射 结构缺陷散射 CompanyLogo 25 由于光纤中色散的存在 会使得输入脉冲在传输过程中展宽 产生码间干扰 增加误码率 这样就限制了通信容量和传输距离 光纤的色散特性 CompanyLogo 26 光纤色散的概念 简单地说 光纤的色散就是由于光纤中光信号中的不同频率成分或不同的模式 在光纤中传输时 由于速度的不同而使得传播时间不同 因此造成光信号中的不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有后 从而产生波形畸变的一种现象 从光纤色散产生的机理来看 它包括模式色散 材料色散和波导色散三种 在单模光纤中只有基模传输 因此不存在模式色散 只有材料色散和波导色散 光纤的色散特性 CompanyLogo 27 在多模光纤中 不同模式在同一频率下传输 各自的相位常数 mn不同 群速不同 模式之间存在时延差 这种色散称为模式色散 材料色散是由于光纤材料本身的折射率随频率而变化 使得信号各频率成分的群速不同 引起的色散称为材料色散 由于光纤的几何结构 形状等方面的不完善 使得光波一部分在纤芯中传输 而另一部分在包层中传输 由于纤芯和包层的折射率不同 这样造成脉冲展宽的现象 称为波导色散 或称结构色散 光纤的色散特性 CompanyLogo 28 在实际通信线路中 光纤通信用的光纤都经过了一次涂覆和二次涂覆的处理 经过涂覆后的光纤虽然已具有了一定的抗张强度 但还是经不起施工中的弯折 扭曲和侧压等外力作用 为了使光纤能在各种环境中使用 必须把光纤与其他元件组合起来构成光缆 使其具有良好的传输性能以及抗拉 抗冲击 抗弯 抗扭曲等机械性能 光缆 CompanyLogo 29 光缆的结构 要求 保证光纤传输特性的优良 稳定 可靠 保证光缆具有足够的机械强度和环境温度性能 确保光缆的防潮能力 使光缆具有足够的使用寿命 有利于降低生产成本 使光缆的价格低廉 CompanyLogo 30 光缆的基本结构 不论光缆的具体结构形式如何 都是由缆芯 护套和加强元件构成 缆芯 由单根或多根光纤芯线组成 其作用是传输光波 加强元件 加强元件一般有金属丝和非金属纤维 其作用是增强光缆敷设时可承受的拉伸负荷 护层 光缆的护层主要是对已形成缆的光纤芯线器保护作用 避免受外界的损伤 CompanyLogo 31 缆芯是由光纤芯线组成 可分为单芯和多芯 单芯型 由单根经二次涂敷处理后的光纤组成多芯型 由多根经二次涂敷处理后的光纤组成二次涂覆主要采用两种保护结构 紧套结构松套结构 光缆的基本结构 CompanyLogo 32 光缆的种类 层绞式光缆结构 CompanyLogo 33 光缆的种类 单位式光缆结构 CompanyLogo 34 光缆的种类 骨架式光缆结构 CompanyLogo 35 光缆的种类 带状式光缆结构 CompanyLogo 36 公用通信网中的光缆结构 CompanyLogo 37 光纤通信系统的组成 CompanyLogo 38 光端机的组成 由于光纤通信系统一般都是双向的 所以我们将光发射机和接收机做在一起 称为光端机 CompanyLogo 39 光发射机 光发射机的作用是将电信号变成光信号 然后送入光纤中传输出去 光发射机主要是由光源 光源驱动 调制以及信道编码电路三部分组成 CompanyLogo 40 光发射机原理图 CompanyLogo 41 光发射机 输入接口其作用是进行电平转换 因为PCM电信号通常是三电平码即 12V 0V 12V 输入接口把它们转换成二电平的非归零码 NRZ 或者归零码 RZ 码型变换为了在不中断通信业务的条件下对光纤通信进行误码监测 实现公务联络和减少长连 0 与长连 1 的个数 通常要在发送端进行码型变换 而在接收端进行码型反变换 码型变换的方法是在原来标准码率的基础上适当增加一些码率 利用增加码率的一部分来实现误码监视 公务联络及平衡码流等 CompanyLogo 42 光发射机 驱动电路与光源组件实际上就是光源及其调制电路 其作用是把电信号变成光脉冲信号发送到光纤当中 该部分是光发送机的核心 许多重要技术指标皆由该部分决定 自动功率控制 APC 为了使光发送机能输出稳定的的光功率信号 必须采用相应的负反馈措施来控制光源器件的发光功率 CompanyLogo 43 光纤通信对光源器件的要求 光纤通信就是用低衰耗光纤来传输携带通信信息的光波 但并非所有的光都能用于光纤通信 人们希望用相干性好的激光作为携带通信信息的载体 因为它具有频率一致性好 相位差恒定 方向性强等优点 自从1960年梅曼发明了世界上第一只激光器 红宝石 以来 激光技术取得了突飞猛进的发展 并在各个领域尤其是工业领域取得了广泛的应用 但截止到1970年以前 世界上生产的激光器都不能用于光纤通信 这是因为大多数激光器体积庞大 而且不能连续波工作 而通信是要求长期连续不间断地工作 只有在1970年美国贝尔实验室研制出能在室温下连续波工作的世界上第一只GaAsAl激光器 才为光纤通信找到了合适的光源 CompanyLogo 44 光纤通信对光源器件的要求 发射光波长适中光源器件发射光波的波长 必须落在光纤呈现低衰耗的0 85 m 1 31 m和1 55 m附近 发射光功率足够大光源器件一定要能在室温下连续工作 而且其入纤光功率足够大 最少也应有数百微瓦 当然达到一毫瓦以上更好 在这里我们强调的是入纤光功率而不指单纯的发光功率 因为只有进入光纤后的光功率才有实际意义 由于光纤的几何尺寸极小 单模光纤的芯径不足10微米 所以要求光源器件要具有与光纤较高的耦合效率 CompanyLogo 45 光纤通信对光源器件的要求 温度特性好光源器件的输出特性如发光波长与发射光功率大小等 一般来讲随温度变化而变化 尤其是在较高温度下其性能容易劣化 在光纤通信的初期与中期 经常需要对半导体激光器加致冷器和自动温控电路 而目前一些性能优良的激光器可以不需要任何温度保护措施 发光谱宽窄光源器件发射出来的光的谱线宽度应该越窄越好 因为若其谱线过宽 会增大光纤的色散 减少了光纤的传输容量与传输距离 色散受限制时 例如对于长距离 大容量的光纤通信系统 其光源的谱线宽度应该小于2nm CompanyLogo 46 光纤通信对光源器件的要求 工作寿命长光纤通信要求其光源器件长期连续工作 因此光源器件的工作寿命越长越好 目前工作寿命近百万小时 约100年 的半导体激光器已经商用化 体积小重量轻光源器件要安装在光发送机或光中继器内 为使这些设备小型化 光源器件必须体积小 重量轻 CompanyLogo 47 光源器件 半导体发光二极管LED 发激光 谱线宽度较宽 调制速度较低 与光纤的耦合效率较低 输出曲线线性好 使用寿命长 成本低 适用于短距离 小容量的传输系统 半导体激光器LD 长距离 大容量的传输系统 CompanyLogo 48 中继器 光发送机输出的经过强度调制的光脉冲信号通过光纤传输到接收端 由于受发送光功率 接收机灵敏度 光纤线路损耗 甚至色散等因素的影响及限制 光端机之间的最大传输距离是有限的 例如 在1 31 m工作区34Mb s光端机的最大传输距离一般在50 70km 如果要超过这个最大传输距离 通常考虑增加光中继器 以放大和处理经衰减和变形了的光脉冲 CompanyLogo 49 中继器 传统的光中继器采用的是光 电 光 O E O 的模式 光电检测器先将光纤送来的非常微弱的并失真了的光信号转换成电信号 再通过放大 整形 再定时 还原成与原来的信号一样的电脉冲信号 然后用这一电脉冲信号驱动激光器发光 又将电信号变换成光信号 向下一段光纤发送出光脉冲信号 通常把有再放大 re amplifying 再整形 re shaping 再定时 re timing 这三种功能的中继器称为 3R 中继器 这种方式过程繁琐 很不利于光纤的高速传输 自从掺铒光纤放大器问世以后 光中继实现了全光中继 通常又称为1R re amplifying 再生 此技术目前仍然是通信领域的研究热点 CompanyLogo 50 中继器 CompanyLogo 51 光接收机 光接收机的作用是接收经光纤传输衰减后的十分微弱的光信号 从中检测出传送的信息 放大到足够大后 供终端处理使用 它包括光电检测器 光信号接收电路和信道解码电路三部分 CompanyLogo 52 光接收机原理图 CompanyLogo 53 光电检测器 光电检测器 光接收机中实现将光信号转换为电信号的器件称为光电检测器 其作用是把信号 通信信息 从光波中分离 检测 出来 即进行光 电转换 半导体光电检测器是利用半导体材料的光电效应来实现光电转换的 光检测器件质量的优劣在很大程度上决定了光接收机灵敏度的高低 而光接收机的灵敏度和光源器件的发光功率 光纤的衰耗三者一起便决定了光纤通信的中继距离 在系统受衰耗限制而不是受色散限制时 PIN光电二极管APD雪崩二极管 CompanyLogo 54 光接收机 主放大器 其作用是把信号进一步放大 其增益一般在50dB以上 主放大器的输出脉冲幅度一般在1 3伏 峰一峰值 以满足判决再生电路的要求 均衡器 把主放大器输出的脉冲进行均衡 以形成码间干扰最小 能量集中即最有利于进行判决的升余弦波形 CompanyLogo 55 光接收机 判决再生电路 对均衡器输出的脉冲流逐个进行判决 并再生成波形整齐的脉冲码流 自动增益控制 AGC 其作用是控制前置放大器与主放大器的增益 并使光接收机有一个规定的动态范围 CompanyLogo 56 光纤通信中的高新技术 相干光通信技术光复用技术动态单频激光器光孤子通信技术 CompanyLogo 57 光波分复用 由于光纤具有很宽的带宽 因此可以在一根光纤中传输多个波长的光载波 这就是波分复用 WDM 它类似于无线电信道的频分复用 CompanyLogo 58 波分复用系统 光波分复用 WDM WavelengthDivisionMultiplexing 技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术 其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来 复用 并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输 在接收端又将组合波长的光信号分开 解复用 并作进一步处理 CompanyLogo 59 光合波分波器 光合波分波器 1 2 2 1 n n 波分复用示意图 CompanyLogo 60 DWDM DWDM DenseWavelengthDivisionMultiplexing密集波分复用系统过去WDM系统是几十nm的波长间隔 现在的波长间隔小多了 只有 0 8 2 nm nanometer十亿分之一米 甚至 0 8nm 密集波分复用技术其实是波分复用的一种具体表现形式 由于DWDM光载波的间隔很密 因而必须采用高分辨率波分复用器件来选取 CompanyLogo 61 光孤子通信 孤子 Soliton 又称孤立波 是一种特殊形式的超短脉冲 或者说是一种在传播过程中形状 幅度和速度都维持不变的脉冲状行波 有人把孤子定义为 孤子与其他同类孤立波相遇后 能维持其幅度 形状和速度不变 1973年 孤立波的观点开始引入到光纤传输中 在频移时 由于折射率的非线性变化与群色散效应相平衡 光脉冲会形成一种基本孤子 在反常色散区稳定传输