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第五章光纤通信 通信工程系 第五章光纤通信 5 1概述5 1 1光纤通信的发展历史5 1 2光纤通信的概念5 1 3光纤通信的特点5 2光纤5 3光纤通信系统5 4光波分复用 WDM 现代移动通信网络技术 2 5 1概述 原始形式的光通信 中国古代用 烽火台 报警 欧洲人用旗语传送信息 1880年 美国人贝尔 Bell 发明了用光波作载波传送话音的 光电话 5 1 1光纤通信的发展历史 在发送端 利用太阳光或弧光灯作光源 通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上 使光强度随话音的变化而变化 实现话音对光强度的调制 在接收端 用抛物面反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上 使光信号变换为电流 传送到受话器 5 1概述 5 1概述 由于当时没有理想的光源和传输介质 这种光电话的传输距离很短 并没有实际应用价值 因而进展很慢 激光具有波谱宽度窄 方向性极好 亮度极高的良好特性 激光是一种高度相干光 它的特性和无线电波相似 是一种理想的光载波 1960年 美国人梅曼 Maiman 发明了第一台红宝石激光器 给光通信带来了新的希望 激光器的发明和应用 使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段 5 1概述 光源的发展 实验证明 用承载信息的光波 通过大气的传播 实现点对点的通信是可行的 但是通信能力和质量受气候影响十分严重 大气光通信激光器一问世 人们就模拟无线电通信进行了大气激光通信的研究 5 1概述 由于雨 雾 雪和大气灰尘的吸收和散射 光波能量衰减很大 例如 雨能造成30dB km的衰减 浓雾衰减高达120dB km 另一方面 大气的密度和温度不均匀 造成折射率的变化 使光束位置发生偏移 因而通信的距离和稳定性都受到极大的限制 由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质 对光通信的研究曾一度走入了低潮 5 1概述 传输介质 光纤的发展1966年 英籍华裔学者高锟和霍克哈姆发表了关于传输介质新概念的论文 指出了利用光纤 OpticalFiber 进行信息传输的可能性和技术途径 奠定了现代光通信 光纤通信的基础 5 1概述 当时石英纤维的损耗高达1000dB km以上 高锟等人指出 这样大的损耗不是石英纤维本身固有的特性 而是由于材料中的杂质 例如过渡金属离子的吸收产生的 材料本身固有的损耗基本上由瑞利散射决定 它随波长的四次方而下降 其损耗很小 因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤 5 1概述 11 高锟 左 因发明光纤 提出光纤通信理论获得2009年诺贝尔物理学奖 瑞典国王 右 向高锟颁奖 5 1概述 1970年 美国康宁 Corning 公司研制成功损耗20dB km的石英光纤 把光纤通信的研究开发推向一个新阶段 1972年 康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB km 1973年 美国贝尔 Bell 实验室的光纤损耗降低到2 5dB km 1976年 日本电报电话 NTT 公司将光纤损耗降低到0 47dB km 5 1概述 1970年 研制成功室温下连续振荡的半导体激光器 虽然寿命只有几个小时 但它为半导体激光器的发展奠定了基础 1977年 贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时 由于光纤和半导体激光器的技术进步 使1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑 光纤通信用光源的进展 1973年 半导体激光器寿命达到7000小时 5 1概述 5 1概述 5 1 2光纤通信的概念光纤通信是以光波为载波 光导纤维 简称光纤 为传输媒质的一种通信方式 光波实际上是一高频 1014Hz 的电磁波 在讨论高频电磁波时 我们习惯采用波长来代替频率描述 波长与频率的关系为 其中 为电磁波的波长 其物理含义是电磁波在时间上变化一周 其波前在空间变化一周所行进的长度 c为光波在自由空间中传播的速度 其值为3 108m s f为电磁波的频率 其物理含义是交变电磁波在单位时间 每秒 变化的周期数 5 1概述 光波的频率一般可达到1013 1014Hz 对应的波长在10 100000nm之间 5 1 3光纤通信的特点 传输频带宽 通信容量大 传输损耗低 中继距离长 抗电磁干扰 保密性强 无串话干扰 线径细 0 1mm 重量轻 资源丰富 5 1概述 第五章光纤通信 5 1概述5 2光纤5 2 1光纤的结构和分类5 2 2光纤的传输特性5 3光纤通信系统5 4光波分复用 WDM 现代移动通信网络技术 17 5 2光纤 5 2 1光纤的结构和分类光纤由纤芯和包层两部分组成 纤芯完成光信号的传输 包层是为了将光信号封闭在纤芯中并保护纤芯 纤芯和包层的折射率不同 设纤芯 包层的折射率分别为n1 n2 则n1 n2 现代移动通信网络技术 19 5 2光纤 1 根据光纤横截面上折射率分布的不同 分为阶跃型光纤和渐变型光纤 2 根据光纤中传输模式 模式是指电磁场的分布形式 数量的不同 分为单模光纤和多模光纤 4 2光纤 5 2光纤 a 突变型多模光纤 b 渐变型多模光纤 c 单模光纤 5 2 2光纤的传输特性1 损耗光波在光纤中传输 光功率随着传输距离的增加而减小 这种现象称为光纤的传输损耗 光纤的传输损耗是影响系统传输距离的重要因素 5 2光纤 光纤自身的损耗主要有吸收损耗和散射损耗 此外 光源与光纤的耦合损耗 光纤之间的连接损耗等也是光纤传输损耗的因素 吸收损耗 因为光波在传输中有一部分光能转变为热能 造成光功率的损失 散射损耗 因为材料折射率不均匀或有缺陷 光纤表面畸形或粗糙等原因造成的 5 2光纤 光纤通信的工作窗口光纤的损耗随着波长而变化 为获得低损耗特性 光纤通信选用的波长范围在0 8 1 8 m 并称0 8 1 0 m为短波长波段 1 0 1 8 m为长波长波段 第一代系统 波长0 85 m 最低损耗2 5dB km 第二代系统 波长1 31 m 最低损耗0 27dB km 第三代系统 波长1 55 m 最低损耗0 16dB km 5 1概述 现代移动通信网络技术 25 0 70 80 91 01 11 21 31 41 5 衰减 dB km 波长 m 普通单模光纤的衰减随波长变化示意图 5 2 2光纤的传输特性2 色散光脉冲信号经光纤传输 到达输出端会发生时间上的展宽 这种现象称为色散 色散的大小用时延差 表示 5 2光纤 产生原因 光脉冲信号的不同频率成分 不同模式 在光纤中传输时途径不同 速度不同 到达终点所用时间不同 即群时延差引入了色散 导致问题 信号波形畸变 表现为脉冲展宽 产生码间干扰 增加误码率 限制带宽 影响通信容量和传输速率 5 2光纤 光纤的色散主要有模式色散 材料色散和波导色散 模式色散 不同模式的光传输途径不同 速度不同所引起的色散 材料色散 由于光纤材料本身的折射指数随波长而变化引起的色散 波导色散 光纤的几何结构不完善引起的色散 第五章光纤通信 5 1概述5 2光纤5 3光纤通信系统5 3 1光纤通信系统的组成5 3 2光发射机5 3 3数字光接收机5 3 4光中继器5 4光波分复用 WDM 现代移动通信网络技术 29 5 3光纤通信系统 5 3 1光纤通信系统的组成光纤通信系统由光发射端机 光纤 光中继器和光接收端机组成 见下图所示 光纤通信系统组成框图 光纤通信系统一般采用数字编码 强度调制 直接检波 IM DD 方式 强度 指单位面积上的光功率 强度调制 在发送端用电信号通过调制器控制光源的发光强度 使光强随着信号电流线性变化 从而将电信号转变成相应的已调光信号送入光纤进行传输 直接检波 是指在接收端通过 光电检测器 对已调光信号直接进行光频检测 以获得相应的电信号 5 3光纤通信系统 光发射机是实现电 光转换的光端机 由光源 驱动器和调制器组成 其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制 成为已调光波 然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输 5 3光纤通信系统 5 3 2光发射机 光发射机中的重要器件是能够完成电光转换的半导体光源 目前光纤通信中常用的光源有 半导体激光二极管 LD 半导体发光二级管 LED 5 3光纤通信系统 光接收机是实现光 电转换的光端机 它由光检测器和光放大器组成 其功能是将光纤或光缆传输来的光信号 经光检测器转变为电信号 然后 再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平 送到接收端 5 3光纤通信系统 5 3 3光接收机 35 随着传输线路的延长 会由于传输损耗而使脉冲衰减 同时加上传输线路的失真特性 光纤中的各种色散 产生脉冲波型的失真 光纤通信中光中继器的形式主要有两种 一种是光 电 光转换形式的中继器 另一种是在光信号上直接放大的光放大器 5 3光纤通信系统 5 3 4光中继器 36 re amplifying再放大 光放大器的功能 re timing再定时 消除时间抖动 re shaping再整形 消除波形畸变 通过这3个R 得到接近于发射端的光信号的copy 从而延长传输距离 提高信号质量 3R组合 5 3光纤通信系统 光中继器的功能 37 3R再生功能 放大 消除波形畸变 消除时间抖动 第五章光纤通信 5 1概述5 2光纤5 3光纤通信系统的组成5 4光波分复用 WDM 5 4 1波分复用系统的概念5 4 2波分复用系统的基本形式5 4 3波分复用系统的特点 现代移动通信网络技术 38 5 4光波分复用 WDM 5 4 1波分复用系统的概念WDM的概念 在一芯光纤中同时传输多波长光信号 利用单模光纤在低损耗区的巨大带宽 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 在接收端又将这些合在一起的波长分开 解复用 并作进一步处理 恢复出原信号后送入不同的终端 5 4光波分复用 WDM 波分复用 光纤通信中特有的传输技术 它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点 将光纤的低损耗窗口划分为若干个波段 每个波段用一个独立的信道传输一种预定波长的光信号 通常把光信号间隔较大 几十个纳米 的复用称为光波分复用 WDM 而把在同一窗口中信道间隔较小 纳米级 零点几个纳米级 的WDM称为密集波分复用 DWDM 5 4 2波分复用系统的基本形式1 双纤单向传输单向WDM是指所有光波长同时在一根光纤上沿同一方向传送 如图所示 在发送端将载有各种信息的 具有不同波长的已调光信号 1 2 3 4 n通过光复用器组合在一起 并在一根光纤中单向传输 在接收端光解复用器将不同波长的信号分开 完成多路光信号传输的任务 5 4光波分复用 WDM 双纤单向传输的WDM系统 5 4光波分复用 WDM 2 单纤双向传输单纤双向传输如图所示 双向是指不同光波长在一根光纤上同时向两个不同的方向传输 但是两个方向所用的波长相互分开 以实现两个方向的全双工通信 单向WDM系统在开发和应用方面都比较广泛 双向WDM系统的优点是只使用一根光纤和较少的光纤放大器 但同时对系统的要求也高 例如要抑制多通道干扰 MPI 并需要双向光纤放大器 5 4光波分复用 WDM 图单纤双向传输的WDM系统 5 4光波分复用 WDM 5 4 3波分复用系统的主要特点1 充分利用光纤的巨大带宽资源WDM充分利用了光纤的巨大带宽资源 低损窗口 使一根光纤的传输容量比只使用单波长传输时增加了几倍甚至几十倍 从而增加了光纤的传输容量 降低了成本 2 同时传输多种不同类型的信号由于WDM技术中使用的各波长相互独立 因而可以传输特性完全不同的信号 完成各种业务信号的综合和分离 甚至数字信号与模拟信号也可以同时传输 5 4光波分复用 WDM 3 节约光纤资源采用WDM技术使若干个波长复用起来在一根光纤中传输 在长途传输过程中可以节约大量的光纤资源 4 降低对高速电子器件的要求随着传输速率的提高 许多电子器件的响应速度已经明显不足 而波分复用技术则可以弥补这方面的不足 5 可平滑升级WDM网络可以为急于解决带宽需求问题的运营公司提供平滑稳妥的网络升级方案 5 4光波分复用 WDM 5 4光波分复用 WDM
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