光通讯基本知识与理论培训.ppt

1 光纤通讯基本理论知识培训教材 一 基本对数公式 lg a b lga lgblg a b lga lgblgan n lgaac blogab clog10a可以简写成lga二 mw与dBm的换算公式P0 dBm 10lg P0 1mw mw 2 3 探索时期的光通信 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 贝尔光电话是现代光通信的雏型 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 在这个时期 美国麻省理工学院利用He Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验 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 4 现代光纤通信 1966年 英籍华裔学者高锟 C K Kao 和霍克哈姆 C A Hockham 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 指明通过 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 这一发展方向 5 光纤通信发明家高锟 左 1998年在英国接受IEE授予的奖章 6 1970年 光纤研制取得了重大突破 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 1974年降低到1 1dB km 1976年 日本电报电话 NTT 公司将光纤损耗降低到0 47dB km 波长1 2 m 在以后的10年中 波长为1 55 m的光纤损耗 1979年是0 20dB km 1984年是0 157dB km 1986年是0 154dB km 接近了光纤最低损耗的理论极限 7 1970年 光纤通信用光源取得了实质性的进展 1970年 美国贝尔实验室 日本电气公司 NEC 和前苏联先后 研制成功室温下连续振荡的镓铝砷 GaAlAs 双异质结半导体激光器 短波长 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 1973年 半导体激光器寿命达到7000小时 1976年 日本电报电话公司研制成功发射波长为1 3 m的铟镓砷磷 InGaAsP 激光器 1977年 贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时 1979年美国电报电话 AT T 公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1 55 m的连续振荡半导体激光器 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 8 实用光纤通信系统的发展 1976年 美国在亚特兰大 Atlanta 进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验 1980年 美国标准化FT 3光纤通信系统投入商业应用 1976年和1978年 日本先后进行了速率为34Mb s的突变型多模光纤通信系统 以及速率为100Mb s的渐变型多模光纤通信系统的试验 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线 随后 由美 日 英 法发起的第一条横跨大西洋TAT 8海底光缆通信系统于1988年建成 第一条横跨太平洋TPC 3 HAW 4海底光缆通信系统于1989年建成 从此 海底光缆通信系统的建设得到了全面展开 促进了全球通信网的发展 9 光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段 第一阶段 1966 1976年 这是从基础研究到商业应用的开发时期 第二阶段 1976 1986年 这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期 第三阶段 1986 1996年 这是以超大容量超长距离为目标 全面深入开展新技术研究的时期 10 国内外光纤通信发展的现状1976年美国在亚特兰大进行的现场试验 标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段 此后 光纤通信技术不断创新 光纤从多模发展到单模 工作波长从0 85 m发展到1 31 m和1 55 m 短波长向长波长 传输速率从几十Mb s发展到几十Gb s 随着技术的进步和大规模产业的形成 光纤价格不断下降 应用范围不断扩大 目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质 光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱 在许多发达国家 生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位 11 光纤通信整体发展时间表 1000001000010001001010 1 12 光纤通信的优点和应用光通信与电通信 通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度 载波频率越高 频带宽度越宽 光通信的主要特点载波频率高 频带宽度宽光通信利用的传输媒质 光纤 可以在宽波长范围内获得很小的损耗 13 光纤通信的优点 容许频带很宽 传输容量很大 损耗很小 中继距离很长且误码率很小 重量轻 体积小 抗电磁干扰性能好 泄漏小 保密性能好 节约金属材料 有利于资源合理使用 14 光纤通信的应用 光纤可以传输数字信号 也可以传输模拟信号 光纤在通信网 广播电视网与计算机网 以及在其它数据传输系统中 都得到了广泛应用 光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速 是当前研究开发应用的主要目标 光纤通信的各种应用可概括如下 通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视网的干线和分配网 综合业务光纤接入网 15 ATM Internet骨干网 DDN FR PSTN ISDN TV 业务分配节点 COT 业务接入节点 RT 网管 SNMP 与电信网管中心相连 Q3 100 1000M E1 BRA PRA 155M 622MSDH 应用一 宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构 16 应用二 作为校园网的骨干传输网 17 光纤通信系统的基本组成 下图示出单向传输的光纤通信系统 包括发射 接收和作为广义信道的基本光纤传输系统 18 光纤线路传输原理 光的反射 折射 全反射功能 是把来自光发射机的光信号 以尽可能小的畸变 失真 和衰减传输到光接收机组成 光纤 光纤接头和光纤连接器低损耗 窗口 普通石英光纤在近红外波段 除杂质吸收峰外 其损耗随波长的增加而减小 在0 85 m 1 31 m和1 55 m有三个损耗很小的波长 窗口 见后图 光源激光器的发射波长和光检测器光电二极管的波长响应 都要和光纤这三个波长窗口相一致 目前在实验室条件下 1 55 m的损耗已达到0 154dB km 接近石英光纤损耗的理论极限 19 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 20 光纤结构光纤 OpticalFiber 主要是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝 最外面的涂敷层主要起机械保护作用 纤芯的折射率比包层稍高 损耗比包层更低 光能量主要在纤芯内传输 包层为光的传输提供反射面和光隔离 并起一定的机械保护作用 设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2 光能量在光纤中传输的必要条件是n1 n2 21 纤芯 包层 涂敷层 22 光纤光纤分类 根据模式 单模 SMF 28 980 CORNING OFS 46所 SM800 SM600多模 突变型多模光纤 Step IndexFiber SIF 渐变型多模光纤 Graded IndexFiber GIF 50 125 62 5 125 100 140相对于单模光纤而言 突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大 可以容纳数百个模式 所以称为多模光纤保偏光纤 1310 1550等掺铒光纤 C和L波断根据直径 标准 125um RC 80um 23 主要用途 突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统 渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统 单模光纤用在大容量长距离的系统 特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统 这种系统最大优点是提高接收灵敏度 增加传输距离 24 光缆的基本型式层绞式把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成 骨架式把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成 中心束管式把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中 加强件配置在套管周围而构成 带状式把带状光纤单元放入大套管内 形成中心束管式结构 也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内 形成骨架式或层绞式结构 25 光缆结构和类型 光缆一般由缆芯和护套两部分组成 有时在护套外面加有铠装 1 缆芯 缆芯通常包括被覆光纤 或称芯线 和加强件两部分 被覆光纤是光缆的核心 决定着光缆的传输特性 加强件起着承受光缆拉力的作用 通常处在缆芯中心 有时配置在护套中 2 护套 护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用 要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力 护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯 PE或PVC 和铝带或钢带构成 根据使用条件光缆可以分为 室内光缆 架空光缆 埋地光缆和管道光缆等 26 光纤基本参数 数值孔径 NA NA表示光纤接收和传输光的能力 NA 或 c 越大 光纤接收光的能力越强 从光源到光纤的耦合效率越高 截止波长 只有当工作波长大于单模光纤的截止波长 c时 才能保证光纤工作单模状态抗拉强度 衰减系数 衰减是光纤中光功率减少量的一种度量 它取决于光纤的工作 波长 类型和长度 并受测量条件的影响纤芯 包层直径 同轴度 是指纤芯中轴线对包层外圆柱面的同轴度标准长度 27 光纤的光线传播原理 数值孔径为简便起见 以普通光纤的交轴 子午 光线为例 进一步讨论光纤的传输条件 设纤芯和包层折射率分别为n1和n2 空气的折射率n0 1 纤芯中心轴线与z轴一致 如下图 光线在光纤端面以小角度 从空气入射到纤芯 n0n2 28 改变角度 不同 相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射 根据全反射原理 存在一个临界角 c 当 c时 相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失 如光线3 由此可见只有在半锥角为 c的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播 根据这个传播条件 定义临界角 c的正弦为数值孔径 NumericalAperture NA 标准多模光纤的NA公称值一般为0 2 对应的孔径角约为11 5 标准单模光纤的NA公称值一般为0 1 0 15 对应的孔径角约为5 7 8 6 29 通信用光器件通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型 有源器件包括光源 光检测器 PD 和光放大器 光无源器件主要有连接器 耦合器 波分复用器 衰减器 光开关和隔离器等 光源是光发射机的关键器件 其功能是把电信号转换为光信号 无源光器件的要求 插入损耗小 反射损耗大 工作温度范围宽 性能稳定 寿命长 体积小 价格便宜 便于集成等 30 ASEBroadbard ASE C CL ASE宽带光源 ASE C CL Highstable DFB FPLD LED SLED 高稳定性光源 DFB FPLD LED SLED MiniASEBroadbandModule ASE C 小尺寸ASE宽带光源模块 ASE C Lightsources 光源 31 半导体光源一般性能和应用 LED通常和多模光纤耦合 用于1 3 m 或0 85 m 波长的小容量短距离系统 因为LED发光面积和光束辐射角较大 而多模SIF光纤或G 651规范的多模GIF光纤具有较大的芯径和数值孔径 有利于提高耦合效率 增加入纤功率 LD通常和G 652或G 653规范的单模光纤耦合 用于1 3 m或1 55 m大容量长距离系统 分布反馈激光器 DFB LD 主要和G 653或G 654规范的单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合 用于超大容量的新型光纤系统 32 Handheld手持式 Desktop台式 光检测器OpticalPowerMeters 光功率计 33 连接器和接头 连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸 活动 连接的器件 主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间 或光纤线路与其他光无源器件之间的连接 分类 接头形式 FC SC ST LC MU 插芯 PC UPC APC 主要指标 重复性好 互换性好 RL大 插入损耗小 寿命长 光纤连接器原理 34 FC连接器 MU连接器 SC连接器 目前市场上常用的连接器 FC PC FC APC SC PC SC APCLC PC LC APC MU PC MU APCMU JST PCMT RJMPO MPX 35 光衰减器光衰减器是按照用户的要求将光信号能量进行预期地衰减的器件 主要用于系统中吸收或反射掉光功率余量 评估系统的损耗及各类实验中 根据光衰减器的工作原理可分为以下几类 1 位移型光衰减器2 直接镀膜型光衰减器 吸收膜或反射膜型光衰减器 3 衰减片型光衰减器4 液晶型光衰减器根据光衰减器的衰减方式可分为以下几类 1 固定光衰减器2 可变光衰减器根据光衰减器的接口方式可分为以下几类 1 尾纤式光衰减器2 连接器端口式光衰减器 36 All Fibervariable全光纤可调 CollimatorVariable准直器式可调 Fixed固定式 OpticalAttenuators光衰减器 37 光纤耦合器 光纤耦合器就是一种能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合 并进行再分配的器件 分类 从功能上分 光功率分配器 合波器 光波长分配器 固定衰减器从端口形式 X 2x2 Y 1x2 NxN N 2 树形 1xN N 2 从工作带宽 单窗口窄带 单窗口宽带 双窗口宽带 从传导模式 多模 单模 制作方法 全光纤型 平面波导型 全光纤型 腐蚀法 研磨法 熔融拉锥法 38 SplitterMixer WDMAttenuator 1 2 1 2 0dBm 15dBm PowerManagement thesplitter 结构 N M星型结构 39 Level1 Level2 Level3 1x16Splitter Level4 40 波导型耦合器T形耦合器 定向耦合器 波分解复用器 波导型在一片平板衬底上制作所需形状的光波导 衬底作支撑体 又作波导包层 波导的材料根据器件的功能来选择 一般是SiO2 横截面为矩形或半圆形 分光比 被测波长在各输出端口的输出光功率的比值 实际中也可用相对总功率的百分比表示 按客户需要确定 插入损耗 InsertionLoss 指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减小值 41 P1P2 P0 I1 I2 O2 熔融器件 分光比 插入损耗 dB Pouti Pout 100 10lg Pouti Pin 附加损耗 ExcessLoss 所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值 42 P1P2 P 附加损耗 dB I1 I2 O2 熔融器件 附加损耗 反映由于光纤结构 发生熔拉 所产生的能量损失 可以由插入损耗计算出来 0 1dB 97 5 2 5 0 15dB 96 5 0 2dB 95 5 0 5dB 90 10lg Pout Pin 偏振相关损耗 PolarizationDependentLoss 当传输光信号的偏振态发生360 变化时 器件各输出端口输出光功率的最大变化量 PDLi 10lg MIN Pouti MAX Pouti 定义为入射光的偏振态各态历经地改变时 指定输出端口的光功率的变化最大量 偏振相关损耗反映了器件对于传输光的偏振态的敏感程度 在高性能的通信系统中 PDL是光分路器一个非常重要的指标 因而也是衡量器件制造质量的重要参数 多模没有PDL指标 单模器件标准PDL为0 1 0 15dB 0 03为超低 43 回波损耗 ReturnLoss 输入光功率沿输入路径返回的量度 方向性 Directivity 输入一侧非注入光的端口的输出光功率与全部注入光功率的比值 RLi 10lg P4 P0 dB DL 10lg P3 P0 dB 44 P1P2 P4P3 P0 I1 I2 O2 熔融器件 45 P1P2 I1 O2 熔融器件 1 2 O1 隔离度 Isolation 指波分复用器中某一波长的通路对另一波长信号的隔离能力 ISO i 10lg Pj i Pi i dB Pj i 从第j光路输出端测到波长为 i的信号的光功率 Pi i 从第i光路输出端测到波长为 i的信号的光功率 46 Pigtail 光纤固定座 功能 固定光纤 组成 ferrule fiber8度角 作用 減少反射量 原理 反射定律 方法 研磨 A R Coating 抗反射鍍模 作用 減少反射量 增大穿透濾 原理 衍射 种类 singlefiberpigtail dualfiberpigtail 47 COLLIMATOR 光纤准直器 功能 聚光组成 Pigtail GRINLENS Glasstube Fiber Ferrule Fiber GRINLENS Glasstube 1 800 0 005mm 1 1 1 5mm 6 6 5 7 0 2mm Coating 48 Pigtail 固定光纤的作用Collimator 收集和汇聚光的作用Filter 滤波 取出特定波长的光波 波分复用器 CWDM DWDM 49 光隔离器与光环行器耦合器和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换的 称之为互易器件 隔离器就是一种非互易器件 其主要作用是只允许光波往一个方向上传输 阻止光波往其他方向特别是反方向传输 隔离器主要用在激光器或光放大器的后面 以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏 插入损耗和隔离度是隔离器 50 隔离器工作原理如图所示 这里假设入射光只是垂直偏振光 第一个偏振器的透振方向也在垂直方向 因此输入光能够通过第一个偏振器 紧接第一个偏振器的是法拉弟旋转器 法拉弟旋转器由旋光材料制成 能使光的偏振态旋转一定角度 例如45 并且其旋转方向与光传播方向无关 法拉弟旋转器后面跟着的是第二个偏振器 这个偏振器的透振方向在45 方向上 因此经过法拉弟旋转器旋转45 后的光能够顺利地通过第二个偏振器 也就是说光信号从左到右通过这些器件 即正方向传输 是没有损耗的 插入损耗除外 另一方面 假定在右边存在某种反射 比如接头的反射 反射光的偏振态也在45 方向上 当反射光通过法拉弟旋转器时再继续旋转45 此时就变成了水平偏振光 水平偏振光不能通过左面偏振器 第一个偏