光纤通信介绍ppt课件

光纤通信介绍 通信网及传输链路 通信网的基本构成 终端设备传输链路PCM传输系统 PulseCodeModulation 脉码调制光纤传输系统卫星传输系统数字微波传输系统转接交换设备 传输链路 实线传输链路频分载波传输链路电缆时分数字传输链路光缆时分数字传输链路数字微波传输链路 光纤通信 以光波为载频 以光导纤维为传输介质的通信方式波长范围是近红外区 即0 8 1 6微米目前所采用的三个实用通信窗口短波波长段 波长为0 85微米长波波长段 1 31微米和1 55微米 光纤传输基本原理 光纤通信所用的光波长范围在800 1600nm的近红外区光的传播是通过电场 磁场的状态随时间变化的规律表现出来的 光纤通信的优点 具有传输频带宽 通信容量大传输衰减小 距离远信号串扰小 传输质量高抗电磁干扰 保密性好光纤尺寸小 质量轻便于运输和敷设耐化学腐蚀 适用于特殊环境原料资源丰富节约有色金属 光纤通信的基本组成 PCM复用设备 光端机 光中继器 光端机 PCM复用设备 光通信系统数字编码 强度调制 直接检波通信系统 光纤 光纤心线的剖面结构示意图 纤芯包层一次涂覆二次涂覆 套塑 2a2b 光纤 光纤的传播模式频率在光纤的数值孔径角内 以某一角度射入光纤端面 并能在光纤的纤芯到包层界面上形成全反射的传播光线就可称为一个光的传输模式 高次模基模低次模 平面波的反射和折射 反射定律 1 1 折射定律 n1sin 1 n2sin 2 折射率n c V 全反射 sin 1 n2 n1 光纤的传输特性 损耗特性色散特性偏振模色散光纤的非线性效应 损耗 损耗 表明光纤对光能的传输消耗 光波在光纤中传播时 平均光功率沿光纤长度按照指数规率减少 P L P 0 10 L 10 式中 P 0 在L 0处注入光纤的光功率P L 传输到轴向距离L处的光功率衰减系数 L 10 L P L P 0 dB km 衰减谱 衰减系数与波长的函数关系 损耗起因 一 吸收损耗 光波通过光纤材料时 一部分光能变成热能 造成光功率的损失 本征吸收 是光纤基础材料 如SiO2 固有的吸收 不是杂质或缺陷引起的 因此 本征吸收基本确定了某一种材料吸收损耗的下限 杂质吸收 由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗 损耗起因 二 散射损耗 由于光纤的材料 形状 折射率分布等的缺陷或不均匀 使光纤中传导的光与微小粒子相碰撞发生散射 由此产生的损耗 散射 指光通过密度或折射率等不均匀的物质时 除了在光的传播方向以外 在其他方向也可以看到光 这种现象叫光的散射 损耗起因 损耗起因 三 附加损耗 微弯损耗 光纤侧面受到不均匀压力 轴向上发生微米级弯曲 造成纤芯与包层界面微小凹凸 产生光辐射损耗 弯曲损耗 光纤弯曲的曲率半径较小 光泄露到包层中 产生损耗 接续损耗 光纤接续时 两纤芯间不完全吻合 致使一根光纤的出射光泄露到包层而辐射损耗掉 色散 光纤中的信号是由不同的频率成分和不同的模式成分来携带的 这些不同的频率成分和不同的模式成分的传输速度不同 到达光纤终端有先有后 从而引起波形畸变的一种现象 色散 脉冲展宽 T 色散的表示方法 色散的大小由时延差表示 时延 指信号传输单位长度时 所需要的时间 时延差 不同速度的信号在时延上的差别 时延本身不代表色散的大小 因为任何光信号传输某个距离都需要时间 即都有时延 而信号中不同频率成分或不同模式成分之间的时延差才能表示色散的大小 时延差越大 色散越严重 单位 ps km nm 色散的特性 色散的分类 色度色散 模间色散 材料色散 波导色散偏振模色散 偏振模色散PMD 光纤中的光传输可描述成完全是沿X轴振动和完全是沿Y轴振动或一些光在两轴上的振动 每个轴代表一个偏振 模 两个偏振模的到达时间差 偏振模色散PMD 偏振模色散PMD PMD产生机理及解决方法 由光纤的双折射引起 诸如应力 弯曲 扭绞 温度等随机引入产生信号间干扰 当偏振相关损耗产生的二次效应可能产生PMD与色度色散之间的耦合从而增加色散的统计分量 解决办法之一是改进光纤工艺或在系统输入输出端插入偏振控制器 模间色散 多模光纤中 各传输模式路径不同 到达出射端时间不同 从而引起光脉冲展宽 产生的色散 材料色散 由于光纤材料的折射率随光波长而变化 使得信号各频率成分群速不同 引起脉冲展宽的色散现象 波导色散 把具有一定波谱线宽的光源发出的光脉冲射入到光纤后 由于不同波长的光传输路程不完全相同 所以到达光纤出射端时间不同 从而使脉冲展宽的色散 光纤的非线性效应 散射影响受激布里渊散射 SBS 受激拉曼散射 SRS 光纤克尔 折射率引起 效应自相位调制 SPM 交叉相位调制 XPM 四波混频 FWM 四波混频FWM效应 信道间相互作用产生新的频率相关参数有信道数 信道间隔和信道功率等 光纤的类型 一 按照折射率分布不同来分 均匀光纤 n1及n2都为常数 且n1 n2非均匀光纤 n1随半径增加而减小 n1 n2 n1 n2 n n r r 0 0 光纤的类型 二 按照传输的总模数来分 单模光纤 SMSinglemodefiber 纤芯直径很小 约4 10微米理论上只传输一种模式 避免了模式色散 传输频带宽 传输容量大 适用于大容量 长距的光纤通信 多模光纤 MMMultimodefiber 纤芯直径为50 75微米在一定的工作波长下 有多个模式在光纤中传输 可分为多模均匀和多模非均匀光纤 阶跃型单模光纤的典型结构 梯度型单模光纤的典型结构 折射率呈梯度分布和更低的衰减 使其性能比阶跃性单模光纤要好得多 单模光纤 标准单模光纤 G 652光纤 色散位移单模光纤 G 653光纤 1550nm波长最低衰减光纤 G 654光纤 非零色散位移光纤 G 655光纤 色散补偿光纤 G 65X光纤 色散平坦光纤 光纤 光纤类型和损耗谱 标准单模光纤 G 652光纤 SiO2 GeO2SiO2 GeO2SiO2SiO2SiO2 F简单阶跃匹配包层型简单阶跃下凹内包层型相对折射率差 偏低高的 能大大改变光纤的抗弯性 损耗光纤抗弯性稍差 零色散波长在1310nm 在波长1550nm处衰减最小 色散位移单模光纤 G 653光纤 实现了在1550nm波长低衰减和零色散 可以20Gbit s系统 不需任何色散补偿 1550nm波长最低衰减光纤 G 654光纤 选用纯SiO2芯来降低光纤的衰减最大优点 在1550nm波长的最低衰减为0 18dB km制造困难 价格昂贵 适用于海底光缆 非零色散位移光纤 G 655光纤 1994年专门为DWDM系统设计得新型光纤特定得最小色散保证抑制四波混频非线性 色散平坦光纤 制作难度大 且光纤衰减大 所以不实用 色散补偿光纤 色散问题严重阻碍1310nm单模光纤到1550nm得升级扩容 所以研制了这种光纤 在升级系统中加入很短得一段负色散光纤 即可抵消几十公里常规光纤在1550nm处得正色散 光缆结构图 光路无源器件 光纤连接器 又称光纤活动连接器 活动接头 用于设备与光纤 光纤与光纤 光纤与其他无源器件的连接 套筒 滚珠 光纤 光纤插塞 光定向耦合器 用于在光纤通信系统或光纤测试中 从光纤的主传输信道中取出一部分光 作为监测 控制等使用 或把两个不同方向来的光信号合起来送入一根光纤中传输 光纤式定向耦合器 4 3 1 2 光衰减器 用于当输入光功率超过某一范围时 为使光接收机不产生失真 或为满足光线路中某种测试的需要 对输入光信号进行一定程度的衰减 采用金属蒸发膜吸收光能 衰减量与膜厚度成正比分类 固定衰减器 衰减量一定可变衰减器 连续可变分档可变 光隔离器 是保证光信号只能正向传输的器件 避免线路中由于各种因素而产生的反射光再次进入激光器 而影响了激光器的工作稳定性 偏振器1 偏振器2 0 45 90 45 正向 反向 隔离 光源和光发射机 光源概述 光纤通信系统分为三大部分 光发射部分 传输部分及光接收部分 光发射部分的核心是产生激光或荧光的光源 包括 半导体激光器LD LaserDiode 发出的是激光 适于长距离 大容量的传输系统半导体发光二极管LED LightEmittingDiode 发出的是荧光 成本低 寿命长 适用于短距离 小容量的传输系统共同特点 体积小 重量轻 耗电量小 与激光器有关的几个概念 光子 1905年 爱因斯坦提出光量子学说 光是由能量为hf的光量子组成 h 普朗克常数 f 光波频率不同频率的光子具有不同的能量 携带信息的光波 具有的能量只能是hf的整数倍 光的波粒二相性 原子能级 物质由原子组成 原子由原子核和核外电子组成 当原子的内部能量变化时 即可能产生光波 电子围绕原子核按一定轨道运动 具有一定的电子能量 这些所允许的能量值因轨道不同 是一个个分开的 且不连续 其大小取决于轨道上的电子数目 这些分立的能量值就称为原子的不同能级 光与物质的三种作用形式 E2 E1 E1 E1 E1 E1 E1 E2 E2 E2 E2 E2 原子的自发辐射 原子的受激吸收 原子的受激辐射 引起光放大 hf E2 E1 hf E2 E1 hf E2 E1 hf E2 E1 Z Z Z Z Z 激光器的基本组成 激光器是指激光的自激振荡器 要使光产生振荡 必须先使光得到放大 产生光放大的必要条件 粒子数反转分布状态即 受激辐射 受激吸收激光器的基本组成 能够产生激光的工作物质泵浦源光学谐振腔 激光器的参量 平均衰减系数 表示谐振腔内损耗的大小增益系数G 表示光通过单位长度的激活物质后 光强增长的百分比 阈值条件 指激光器能产生激光震荡的最低限度称为激光器的阈值条件 只决定于光学谐振腔的固有损耗 损耗越小 阈值条件越低 激光器就越容易起振 谐振频率 增益物质 入射光 出射光 光强I 距离Z 半导体激光器 LD 半导体激光器 LD 是有阈值的器件 光纤通信对半导体发光器件的基本要求 光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口 能长时间连续工作 并能提供足够的光输出功率 耦合效率高 光源的谱线宽度窄 寿命长 工作稳定 半导体激光器 LD 用半导体材料作为激活物质的激光器 称为半导体激光器 分类 同质结半导体激光器 早期使用 阈值电流高异质结半导体激光器 阈值电流小 发光强度高工作特性 阈值特性光谱特性温度特性转换效率 半导体发光二极管 LED 半导体发光二极管 LED 是无阈值器件 没有光学谐振腔 发光只限于自发辐射 发出的是荧光 半导体发光二极管 LED 工作特性 光谱较宽P I曲线的线性较好与光纤的耦合效率较低寿命长温度特性较好 光源的调制 目的 将电信号调到光波上 方法 直接调制 直接调制半导体激光器的注入电流 简单方便 色散大 限制了通信容量和传输速率 一般以1Gb s为标志 间接调制 根据某些电光或声光晶体的光波传输特性随电压或声压等外界因素的变化而变化的物理现象而提出的一种调制方式 调制速率一般以10Gb s为标志 光发射机 作用 把从电端机送来的电信号转变为光信号 送入光纤线路进行传输 要求 有合适的输出光功率 入纤功率 有较好的消光比调制特性好 调制效率和调制频率高组成 输入电路 输入盘 电光转换电路 发送盘 参数 平均发送功率 消光比 最大 20dB带宽 最小边模抑制比 光电检测器 指将光信号转换为电信号的器件 特性 响应度R0和量子效率 响应时间暗电流ID雪崩倍增因子G倍增噪声和过剩噪声系数F G 光接收机 光接收机灵敏度 指接收机被调整到最佳状态时 在满足给定的误码率指标条件下 接收机接收微弱信号的能力 光接收机的动态范围 在保证系统的误码率指标要求下 接收机的最低输入光功率 dBm 和最大允许输入光功率 dBm 之差 dB 参数 接收灵敏度 接收过载功率 光接收机的噪声 在满足误码率的指标要求下 所需输入接收机的光功率低 表明这个光接收机的灵敏度高 性能好 而接收机的光功率不能无限制的低 显然是受到系统中噪声的限制 噪声的来源 光电检测器引入的噪声光接收机的电路噪声模分配噪声 光纤通信系统 光纤通信中的码型 一 PCM端机输出端口的接口码型 HDB3 三阶高密度双极性码 具有 1 1 0三种电平 CMI 传号反转码 是一种两电平不归零码 光纤通信中的码型 二 选择码型应满足的主要要求 应避免在信码流中出现长连 0 和长连 1 码 能进行不中断业务的误码监测 尽量减少信码流中直流分量的起伏 光纤通信中常用码型 mBnB码 BlockCode 分组码插入比特码 系统部件 一 工作波长的选择 若传输距离长 可选用1310nm和1550nm的长波波段 损耗低 若传输码速高 可选用1310nm的单模光纤 色散小 对于传输距离短 码速不高的光纤通信系统可选用短波长波段 光源的选择 激光器 输出光功率高 谱线窄 适于长距离 高码速 寿命低 价格高 稳定性差 发光二极管 发光功率低 适于短距离 低码速寿命低 价格低 系统部件 二 光导纤维的分类 单模光纤 理论上没有模式色散 适合长距离 高码速 但芯径细 联接时较困难 多模光纤 有模式色散 不适合长距离 高码速情况 但芯径粗 联接时较简单 传输性能指标 误码性能 定义 误码性能由误码率来衡量 误码率BER 错误接收的码元数 传输的码元总数评定方法 传输性能指标 抖动性能 一 抖动又称相