现代通信技术第章光纤通信技术ppt课件

第9章光纤通信技术 9 1光纤通信概述9 1 1电磁波谱信息的传输是以电磁波为媒介进行的 通信所用的波段是在波长为千米至微米数量级范围 由于通信容量与电磁波频率成正比例的增大 所以探索将更高频率的电磁波用于通信技术是人们追求的目标 9 1 2光纤通信系统基本结构与特点光纤通信系统和其他通信系统相比具有的优点 频带宽 通信容量大传输损耗低 无中继距离长抗电磁干扰光纤通信串话小 保密性强 使用安全体积小 重量轻 便于敷设材料资源丰富 9 2光纤传输原理与特性 9 2 1光纤的结构和分类纤芯 Core 包层 Cladding 涂敷层 Coating 按光纤横截面的折射率分布分类阶跃光纤 SIF Step IndexFiber 纤芯折射率n1 包层折射率n2 纤芯和包层的折射率都是均匀分布的 折射率在纤芯和包层的界面上发生突变 渐变光纤 GIF Graded IndexFiber 包层的折射率n2 是均匀的 而在纤芯中折射率n1则随着纤芯的半径的加大而减小 是非均匀 且连续变化的 此外还有三角型折射率光纤 其纤芯折射率分布曲线为三角型 双包层光纤 四包层光纤等 如图 按光纤中的传导模式数量分类单模光纤 多模光纤按光纤构成的原材料分类石英系光纤 多组分玻璃光纤 塑料包层光纤 全塑光纤按光纤的套塑层分类紧套光纤 松套光纤 9 2 2光纤的导光原理 光的波粒二像性 既可以将光看成光波 电磁波 也可以将光看作是由光子组成的粒子流 光纤中光的传输特性的两种分析方法 理论 射线光学 几何光学 理论 波动光学理论 射线光学 用光射线代表光能量传输线路 这种理论适用于光波长远远小于光波导尺寸的多模光纤 可以得到简单 直观的分析结果 波动光学 把光纤中的光作为经典电磁场来处理 从波动方程和电磁场的边界条件出发 可以得到全面 正确的解析或数字结果 给出光纤中的场的结构形式 即传输模式 从而给出光纤中完善的场的描述形式 它的特点是 能够精确 全面地描述光纤的传输特性 这种理论适合于单模光纤和多模光纤的分析 采用射线光学分析光纤的特性多模阶跃折射率光纤的射线光学理论分析在多模阶跃光纤的纤芯中 光按直线传输 在纤芯和包层的界面上光发生反射 光纤的相对折射率差 由光纤中光线在界面的全反射条件 可以推出临界角 可以定义光纤的数值孔径为 数值孔径 NA NumericalAperture 表征了光纤端面收集入射光的能力 多模渐变折射率光纤的射线光学理论分析 多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是连续变化的 它随纤芯半径r的增加按一定规律减小 渐变折射率光纤的折射率分布可以表示为 g是折射率分布指数 a是纤芯半径 r是纤芯中任意一点到轴心的距离 使群时延差减至最小的最佳折射率分布指数g为2左右 9 2 3光纤的传输特性 光纤的损耗特性光波在光纤中传输时 随着传输距离的增加 光功率会不断下降 光纤对光波产生的衰减作用称为光纤的损耗 衡量光纤损耗特性的参数为衰减系数 损耗系数 定义为单位长度光纤引起的光功率衰减 为在波长 处的衰减系数 Pi为输人光纤的光功率 Po为光纤输出的光功率 L为光纤的长度光纤的损耗特性是光纤的一个很重要的传输参数 它对于评价光纤质量和确定光纤通信系统的中继距离有着决定性的作用 引起光纤损耗的因素光纤的损耗因素主要有吸收损耗 散射损耗和其它损耗 光纤的吸收损耗 AbsorptionLoss 本征吸收 红外吸收 由于分子震动引起的吸收 Si O键共振吸收 它在1500 1700nm波长区对光纤通信有影响 紫外吸收 由于电子跃迁引起的吸收 它在700 1100nm波长区对光纤通信有影响 杂质吸收 过渡金属离子Cu2 Fe2 Mn3 Cr3 Ni2 V3 引起的吸收 氢氧根离子 HO 引起的吸收 吸收峰在2 8 m 但是在1 39 m 1 24 m 0 95 m附近有谐波吸收峰 光纤的散射损耗 ScatteringLoss 由制作缺陷和本征散射产生瑞利 Relay 散射 由纤芯材料的微小颗粒或气孔等分子级的结构不均匀引起的 瑞利散射系数与波长的四次方 4 成反比 非线性散射 受激Raman散射 受激Brillouin散射 其它损耗 弯曲损耗 微弯损耗 宏弯损耗连接损耗耦合损耗 光纤的损耗特性曲线 损耗谱 氢氧根离子 HO 引起的谐波吸收峰 红外吸收 紫外吸收 Relay散射 光纤的色散特性光纤色散的概念光纤色散 FiberDispersion 由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的 由于不同频率成分和不同模式成分的光在光纤中的传输速度不同 从而导致信号畸变的一种物理现象 光纤色散的表示法 光纤的色散系数D 定义为单位光谱线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差最大时延差 群时延差 描述光纤中速度最快和最慢的光波成分的时延之差 时延差越大 色散就越严重 光纤带宽 用光纤的频率特性来描述光纤的色散 光纤色散的种类根据色散产生的原因 光纤色散的种类主要可以分为模式色散 材料色散和波导色散3种 模式色散 模间色散 在多模光纤中存在许多传输模式 即使在同一波长 不同模式沿光纤轴向的传输速度也不同 到达接收端所用的时间不同 产生了模式色散 材料色散 由于光纤材料的折射率是波长 的非线性函数 从而使光的传输速度随波长的变化而变化 由此而引起的色散 波导色散 同一模式的相位常数 随波长 而变化 从而引起色散 波导色散主要是由光源的光谱宽度和光纤的几何结构所引起的 偏振模色散 PMD PolarizedModeDispersion 由沿着光纤两个不同方向偏振的同一模式的相位常数不同 从而导致这两个模式传输不同步 形成色散 单模光纤的色散 光纤的非线性效应定义 当入射到光纤中的光功率密度足够大时 光纤的传输特性参数随光功率的变化而变化的现象 称为光纤的非线性效应 光纤中的非线性效应对于光纤通信系统有正反两方面的作用 一方面可引起传输信号的附加损耗 波分复用系统中信道之间的串话 信号载波的移动等 另一方面又可以被利用来开发如放大器 调制器等新型器件 光纤的非线性效应的种类 受激散射效应 受激布里渊 Brillouin 散射 受激拉曼 Raman 散射折射率扰动 自相位调制 交叉相位调制 四波混频 FWM 光孤子 Soliton 9 2 4单模光纤 光纤中的模 光纤中只有一些离散的角度的光能够维持传播 称为导模 GuidedMode 与纤芯轴平行的导模称为零阶模 Zero OrderMode 或称基模 FundamentalMode 单模光纤 只能维持零阶模传输而高阶模均截止的光纤称为单模光纤 光纤单模传输的条件 引入V参数的概念光纤中传输的不同阶模式 有不同的V参数 若实现单模传输 只传零阶模 则须使V参数要小于一阶模V参数的值V1 由波动光学可计算出V1 2 40483 由此可得到光纤单模传输的条件为 单模光纤的结构特点为了保证单模传输 光纤的芯径较小 一般其芯径为4 10 m 为了制造的合理及改善光纤性能 单模光纤的包层折射率常是变化的 构成所谓的双包层结构 图9 5给出了几种不同的折射率分布形式 单模光纤的特性参数截止波长 指光纤的第一个高阶模截止时的波长 只有当工作波长大于单模光纤的截止波长时 才能保证光纤工作在单模状态 由光纤单模传输的条件 模场直径 MFD ModeFieldDiameter 描述光纤中光功率沿光纤半径的分布状态 即光纤中光能集中程度的参量 定义为 单模光纤中光功率径向分布最大值的1 e2处所对应的宽度 单模光纤的偏振 Polarization 所谓单模光纤 实际上传输两个相互正交的基模 在完善的光纤中 这两个模式有相同的相位常数 是互相兼并的 但实际光纤的不完善 使得两正交基模的相位常数不相等 即传播速度不同而造成时延差 这种现象叫做偏振模色散 PMD 单模光纤的分类 常规单模光纤 SMF G 652光纤 亦称为非色散位移单模光纤色散位移单模光纤 DSF G 653光纤 截止波长位移单模光纤 G 654光纤 在1550nm波长区域损耗极小 主要用于无中继的海底光纤通信系统 非零色散位移单模光纤 NZDF G 655光纤 适应波分复用 WDM 传输系统色散补偿单模光纤 DCF 一种在1550nm波长区有很大负色散系数的单模光纤 9 3光发送机与光接收机 光发送机与光接收机统称为光端机 光发送机的主要作用是将电端机送来的电信号变换为光信号 并耦合进光纤中进行传输 光发送机中的光源是整个系统的核心器件 它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标 光接收机的主要作用是将光纤传输后的幅度被衰减的 波形产生畸变的 微弱的光信号变换为电信号 并对电信号进行放大 整形 再生后 再生成与发送端相同的电信号 输入到电接收机 光接收机中的关键器件是半导体光检测器 它和接收机中的前置放大器合称光接收机前端 前端的性能是决定光接收机的主要因素 9 3 1半导体激光器和发光二极管 光纤通信系统对光源的要求发射波长应该与光纤的低损耗窗口一致 即为850nm 1310nm和1550nm的3个低损耗窗口 有足够高的 稳定的输出光功率 以满足系统中继距离的要求 一般为数十微瓦至数微瓦为宜 光谱线宽要窄 即单色性好 以减小光纤色散对信号传输质量的影响 调制方法简单 且要响应速度快 以满足高速率传输的需要 电光转换效率要高 能够在室温下连续工作 体积小 重量轻 寿命长 工作稳定可靠 半导体激光器 LD 和半导体发光二极管 LED 就是满足上述要求的理想光源器件 在不同的光纤通信系统中用作光发送机的光源 半导体激光器 LD LaserDiode 基本原理受激辐射 StimulatedEmission 是半导体激光器的基本工作原理 在半导体材料中 原子是紧密地按一定规则排列的 由于电子的共有化运动 使能级产生了分裂 并形成了能带 如图9 9所示 产生激光的条件 粒子数反转分布 光学谐振腔 半导体激光器的结构半导体光源的核心是PN结 它由高掺杂浓度的p型半导体材料和N型半导体材料组成 在p区和N区之间为有源区 或激活区 两个端面为自然解理面形成平行反射镜 构成光学谐振腔 有源区为光提供增益 而谐振腔的作用是提供光学正反馈 半导体激光器的稳态特性发射波长 构成半导体激光器的材料决定激光器的发射波长 P I特性 输出光功率P随注入电流I的变化关系 温度特性 半导体激光器是对温度敏感的器件 它的输出光功率随温度而变化 模式特性 横模 侧模 纵模光谱特性 半导体激光器的光谱特性主要是由激光器的纵模决定 激光器的效率LD把激励的电功率转换成光功率的比率 常用的参数为外微分量子效率 LD达到阈值后 输出光子数的增量与注入电子数的增量之比 发光二极管 LED Light EmittingDiodes 基本原理LED是非相干光源 工作原理是自发辐射 发光二极管的结构LED通常有两种结构 面发光二极管 SLED 边发光二极管 ELED 工作特性P I特性 不存在阈值 I P呈线性关系 有饱和现象 光谱特性 由于是自发辐射发光 所以输出光谱较宽 温度特性 与LD相比 LED的温度特性很好 远场特性 距离器件输出端面一定距离的光束在空间上的分布称为远场特性 LED的发散角比LD大 所以与光纤耦合的效率低 光源的调制定义 光调制是用待发送的电信号控制光载波的某一参量 如光强度等 使之携带发送信息的过程 也就是完成电 光转换的过程 种类 根据调制与光源的关系 光调制可分为直接调制和间接调制 直接调制 把要传送的信息转变为电流信号注人LD或LED 从而获得相应的光信号 所以是采用电源调制方法 直接调制后的光波电场振幅的平方正比于调制信号 是一种光强度调制 IM 的方法 间接调制 利用晶体的电光效应 磁光效应 声光效应等性质来实现对激光辐射的调制 这种调制方式既适用于半导体激光器 也适用于其他类型的激光器 间接调制最常用的是外调制的方法 即在激光形成以后加载调制信号 9 3 2光发送机 光发送机的组成 光源的数字调制与驱动LED的数字调制和驱动LD的数字调制和驱动控制电路自动温度控制 ATC 自动功率控制 APC 光发送机的主要指标平均发送光功率 光源尾纤输出的平均光功率消光比 全 1 码平均发送光功率与全 0 码平均发送光功率之比光谱特性 光源的谱线宽度 9 3 3光检测器 光纤通信系统对光检测器的要求 在系统的工作波长上要有足够高的响应度 即对一定的入射光功率 光检测器能输出尽可能大的光电流 有足够高的响应速度和足够的工作带宽 即对高速光脉冲信号有足够快的响应能力 产生的附加噪声小 光电转换线性好 保真度高 工作稳定可靠 工作寿命长 体积小 使用简便 目前 满足上述要求 适合于光纤通信系统使用的光检测器主要有半导体PIN光电二极管 雪崩光电二极管 APD 光电晶体管等 其中前两种应用最为广泛 PIN光电二极管基本原理和结构工作原理 受激吸收PIN结构 在高掺杂P型和N型半导体材料之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料 称为I层 使得光子在耗尽区内能够被充分吸收 以利于提高量子效率和响应速度 主要特性波长响应范围 光子能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg时 才能产生光电效应 这一条件限制了光电二极管使用的上限波长 称为光电二极管的截止波长 响应度和量子效率响应度和量子效率表征了光电二极管的光电转换效率 响应度 量子效率 响应速度响应速度是光电二极管的一个重要参数 响应速度通常用响应时间来表示 响应时间为光电二极管对矩型光脉冲的响应 电脉冲的上升时间或下降时间 P为人射到光电二极管上的光功率 IP为光生电流 R的单位为A W 2 雪崩光电二极管 APD AvalanchePhotodiodes 基本原理和结构基本原理 雪崩倍增效应 雪崩光电二极管能够获得内部增益是基于碰撞电离效应 当PN结上加高的反偏压时 耗尽层的电场很强 光生载流子经过时就会被电场加速 当电场强度足够高时 光生载流子获得很大的动能 它们在高速运动中与半导体晶格碰撞 使晶体中的原子电离 激发出新的电子 空穴对 这个过程称为碰撞电离 碰撞电离产生的电子 空穴对在强电场作用下同样又被加速 重复前一过程 这样多次碰撞电离的结果使载流子迅速增加 电流也迅速增大 形成雪崩倍增效应 APD拉通型 RAPD 结构 APD的特性APD的雪崩倍增因子响应度和量子效率响应度 APD具有电流增益 所以APD的响应度比PIN的响应度大大提高量子效率 只与初级光生载流子数目有关 不涉及倍增问题 APD的响应速度APD的响应速度主要取决于载流子完成倍增过程所需要的时间 载流子在耗尽层的渡越时间以及结电容和负载电阻的RC时间常数等因素 IP是APD的输出平均电流IP0是平均初级光生电流 9 3 4光接收机 光接收机的组成 9 4光纤通信系统 电端机光发送端机光中继器光接收端机备用系统备用系统包括光端机 光纤和光中继器 但电端机一般无备用系统 备用系统可供一个或多个主用系统共用 当某一个主用系统出现故障时 即可倒换至备用系统 辅助系统辅助系统是为了保证光纤通信系统的信号可靠传送 以及整个光纤通信网络的管理 运行和维护而设置的 它包括监控管理系统 公务通信系统 自动倒换系统 告警处理系统 电源供给系统等 9 5光放大技术 9 5 1光放大器半导体光放大器半导体光放大器是一个具有或不具有端面反射的半导体激光器 结构和工作原理 与LD非常相似 当给器件加偏置电流时 电流可以使半导体增益物质产生粒子数反转 使电子从价带跃迁到导带 从而产生自发辐射 当外光场人射时会发生受激辐射 受激辐射产生信号增益 特点 尺寸很小 增益较高 一般在15 30dB 频带宽 一般为50 70nm 存在的主要问题 与光纤的耦合损耗大 为5 8dB 由于增益与偏振态 温度等因素有关 因此稳定性差 在高速光信号的放大上 仍存在问题 输出功率小 噪声系数较大 光纤放大器光纤放大器分为稀土掺杂光纤放大器和利用非线性效应制作的常规光纤放大器 掺铒光纤放大器 EDFA Erbium DopedFiberAmplifiers 利用光纤中稀土掺杂物质引起的增益机制实现光放大 掺杂的稀土元素有铒 Er 镨 Pr 铒镱 Er Yb 共掺杂等 掺铒光纤放大器 EDFA 的工作波长为1550nm波段 典型结构图9 32 掺铒光纤引起的增益机制 掺铒光纤是EDFA的核心 它以石英光纤作基础材料 在光纤芯子中掺入一定比例的稀土元素 铒离子 Er3 这种光纤在一定的泵浦光激励下 处于低能级的Er3 可以吸收泵浦光的能量 向高能级跃迁 Er3 的能级结构图如图9 33所示 由于Er3 在高能级上的寿命很短 很快以无辐射的形式跃迁到亚稳态 4I13 2能级 在该能级上 Er3 有较长的寿命 从而在亚稳态和基态之间形成粒子数反转分布 当1550nm波段的光信号通过这段掺铒光纤时 亚稳态的Er3 以受激辐射的形式跃迁到基态 并产生出和入射光信号中的光子一模一样的光子 大大增加了信号光中的光子数量 实现了信号光在掺铒光纤中的放大 EDFA的泵浦形式 同向泵浦 反向泵浦 双向泵浦 利用非线性效应制作的常规光纤放大器 增益介质 常规光纤工作原理 利用光纤的三阶非线性光学效应产生的增益机制对光信号进行放大 特点 传输线路和放大线路同为光纤 是一种分布参数式的光放大器 主要缺点 由于单位长度的增益系数较低 需要很高的泵浦光功率 常见的非线性光纤放大器 光纤拉曼放大器 FRA FiberRamanAmplifiers 在1270 1670nm全波段实现光放大 利用传输光纤作在线放大 光纤布里渊放大器 FBA FiberBrillouinAmplifiers EDFA应用形式系统线路放大器功率放大器前置放大器LAN放大器EDFA的主要特点工作波长为1550nm 与光纤的低损耗波段一致 EDFA的信号增益谱很宽 达到30nm或更高 可用于多路信号的放大 尤其适合于密集波分复用 DWDM 光纤通信系统 EDFA的增益高 约为20 40dB 且具有较高的饱和输出功率 一般为10 20dBm EDFA具有较低的噪声指数 为4 8dB 与光纤的耦合损耗小 甚至可达0 1dB 所需泵浦光功率较低 约数十毫瓦 泵浦效率较高 9 5 2EDFA的应用形式与特点 9 6光波分复用技术 光波分复用技术 WDM WavelengthDivisionMultiplexer 在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术 9 6 1WDM系统构成WDM系统按照工作波长的波段不同可以分为两类 一类是在整个长波长波段内信道间隔较大的复用 称为粗波分复用 CWDM 另一类是在1550nm波段的密集波分复用 DWDM 它是在同一窗口中信道间隔较小的波分复用 可以同时采用8 16或更多个波长在一对光纤上 也可采用单纤 构成光纤通信系统 其中每个波长之间的间隔为1 6nm 0 8nm或更低 对应的带宽为200GHz 100GHz或更窄的带宽 目前 DWDM采用的信道波长是等间隔的 即kx0 8nm k为正整数 EDFA成功地应用于DWDM系统 极大地增加了光纤中可传输的信息容量和传输距离 WDM系统的基本构成主要有两种形式 即双纤单向传输和单纤双向传输 DWDM系统主要由5个部分组成 即光发射机 光中继放大器 光接收机 光监控信道和网络管理系统 9 6 2WDM技术的特点 1 充分利用了光纤的巨大带宽资源 低损耗波段 使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几十倍至几百倍 从而增加了光纤的传输容量 2 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 包括数字信号和模拟信号 PDH信号和SDH信号 的综合和分离 实现多媒体信号 如音频 视频 数据 文字 图像等 的混合传输 3 可以实现单根光纤的双向传输 以节省大量的线路投资 4 可以有多种应用形式 如长途干线的传输网络 广播式分配网络 局域网等 5 使n个波长复用起来在单根光纤中传输 在大容量长途传输时可以节约大量光纤 对已经建成的光纤通信系统可以很容易地进行扩容升级 因而WDM技术可以节约线路投资 6 随着传输速率的不断提高 许多光电器件的响应速度已明显不足 使用WDM技术可以降低对一些器件在性能上的极高要求 同时又可实现大容量传输 7 WDM的信道对数据格式是透明的 即与信号的速率和电调制方式无关 在网络扩充和发展中是理想的扩容手段 也是引入宽带新业务的方便手段 8 利用WDM技术可以实现高度的组网灵活性 经济性和可靠性 9 7光时分复用技术 光时分复用 OTDM OpticalTimeDivisionMultiplexing 技术是提高每个信道上传输信息容量的一个有效的途径 9 7 1OTDM系统构成超短光脉冲光源光分路器调制器延迟线阵列光耦合器EDFA时钟提取电路光时分解复用器 光控高速开关 9 7 2OTDM技术特点 OTDM技术的主要特点 1 系统可以工作在单波长状态 具有很高的速率带宽比 可以有效地利用光纤的带宽资源 特别是