光纤通信技术ppt课件

光纤通信技术 主要参考书目及网址 光通信原理与应用 朱宗玖等编著清华大学出版社 光纤通信技术 孙学康等著人民邮电出版社中国光纤通信光纤在线光电新闻网 学习意义 光纤通信技术在近30多年里得到了极大的发展 目前它和移动通信 卫星通信已经成为电信领域发展的基石 掌握一些光纤通信技术有助于学习现代通信技术和拓宽知识面 为以后的学习深造和工作做好知识储备 从事管理 销售工作 从事技术开发 设备制造 科研 网络运营及维护 工程施工及安装等工作或考研 先修课程 通信系统原理 模拟电路 电磁场与微波技术 目录 第一章通信基础知识 学习目标1 了解通信技术发展简史 2 掌握通信基本概念3 掌握业务传输技术特点 4 理解通信系统组成 分类和系统性能 5 掌握光纤通信系统及其组成的光网络演进 1 1通信技术简史 1 1 1科学技术发展科学技术是利用 有关研究客观事物存在及其相关规律的学说 能为自己所用 为大家所用的知识 人类的科学技术发展史经历了古代 近代和现代三个阶段 古代科学技术的代表是材料科学技术它的本质是利用物质资源制造质料工具 如锄头 镰刀 弓箭 棍棒等 扩展人类的体质能力 近代科学技术的代表是能量 源 科学技术它的本质是使用能源或者动力为资源创造动力工具 如机车 汽车 轮船 飞机等 扩展人类的体力能力 现代科学技术是建立在材料科学技术和能源科学技术基础上的信息科学技术它的本质是利用信息资源创造智能工具 如人工智能专家系统 智能机器人等 拓展人类的智能能力 表1 1给出了人类科学技术发展历程和本质使命的简要总结 1 1 2通信技术简史 按时代划分 通信技术经历了三大飞跃 光通信可以上溯西周时期建立的烽火台作为军事报警设施 下及当今指挥城市交通的信号灯和航海中使用的灯塔 光通信可以上溯西周时期建立的烽火台作为军事报警设施 下及当今指挥城市交通的信号灯和航海中使用的灯塔 传输距离短 光通信的缺点 传递信息量少 为了使光通信延长传输距离和增加传递信息内容 1792年 法国工程师ClaudeChappe 却柏 发明了采用机械臂编码来传输信息的光电报 利用中间接续站 现在通信术语称为中继站 可以实现超过100km的通信 1794年 世界上第一个光电报在法国的两个城市巴黎和里尔投入商用 从而实现了相距200km的通信 图1 1给出了ClaudeChappe及其发明的光电报的示意图 从中可以看到这个光电报通过转动机械臂角度发出了一条由CH A P P E5个字母组成的消息 这个非常有趣的消息恰好就是光电报发明人的名字 Chappe 自1794年到1830年为止 法国光电报系统从巴黎延伸到意大利 德国 比利时的边界 光电报系统是一种视距通信 其系统十分简单 传输距离和传递信息量少 而且保密性差 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 通话距离达到213米 光电话原理图 贝尔用弧光灯或者太阳光作为光源 光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上 当人对着话筒讲话时 震动片随着话音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化 从而使话音信息 承载 在光波上 这个过程叫调制 在接收端 装有一个抛物面接收镜 它把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上 硅光电池将光能转换成电流 这个过程叫解调 电流送到听筒 就可以听到从发送端送过来的声音了 接收镜 贝尔光电话是现代光通信的雏型 1 为什么光通信传输的距离非常有限 这主要是因为 这种传输方式里面的传输介质是 大气 损耗大 如果碰上雨 雪甚至雾霾天气 信号甚至可能会中断 更深层次的原因 我们现代人都已经知道了 是因为光是一种 波 且波长很短 0 4 0 7 m 它很容易被大气中的 尘埃粒子 所阻挡 2 另外 Bell的光电话是利用自然光 光源 作为载波 这种光的频率和相位杂乱无章 不能用于大容量的通信 3 能否建立 光通道 如 波导管 式的东西以减少损失 损耗 呢 是否可以找到新型的光源呢 研究人员曾经将研究的重点转入到地下光波通信的实验 先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验 但由于造价太高而出现了夭折 致使光通信发展一度出现长期的低迷状态 受英国物理学家JohnTyndall 约翰 在1870年做的 光可以在水流柱里传输 的影响 在1920 1950期间 人们发现在纤细的 有柔韧性的玻璃中和塑料光纤可以用于导光 终于在1950年 有人采用 玻璃纤维 传输光 但损耗达到了1000dB Km 即在1Km的长度上传输 损耗达到10100倍 这个数值显然是太大了 真正的奇迹是在1966年才出现 1966年 英籍华裔学者高锟 C K Kao 及其同事霍克哈姆 C A Hockham 在其发表的研究论文中指出 玻璃纤维 的严重损耗是由其里面所含杂质 如铜 铁 铬等金属离子 太多及石英玻璃拉制工艺的不均匀性产生的 论文 介质纤维表面光频波导 明确提出 1 如果能将光纤中过渡金属离子减少到最低限度 并改进制造工艺 有可能使光纤损耗降到最低 预见可减小到20dB km以下 2 光纤可以实现高速通信 3 给出了光纤原始结构 高锟 C K Kao 博士上述发现的重要意义在于 指出了光纤高损耗的真正来源以及研制通信光纤的正确方向 这一发现直接导致了在其后数年内通信光纤制造领域所发生的质的飞跃 以及光纤通信产业的迅速兴起 光纤通信发明家高锟 左 1998年在英国接受IEE授予的奖章 并于2009年 获得诺贝尔物理学奖 1970年 光纤研制取得了重大突破 美国康宁玻璃公司1970年首先研制出衰耗20dB km的光纤 光纤通信正式开始 据说康宁公司花费3000万美元 得到30米光纤样品 认为非常值得 这一突破 引起整个通信界的震动 世界发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信 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 1970年开始 光纤研制取得了重大突破 1960年 美国人梅曼 T H Maiman 发明了世界上第一台红宝石激光器 梅曼利用红宝石晶体做发光材料 用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源 获得了人类有史以来的第一束激光 1965年 第一台可产生大功率激光的器件 二氧化碳激光器诞生 1967年 第一台 射线激光器研制成功 激光器的发明和应用 使沉睡了80年的光通信进入到了一个崭新的阶段 在光纤突飞猛进的同时 光源的研究工作也有了起色 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0 850 m 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 贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达100万小时 实用中10年左右 的半导体激光器 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 1970年 光纤通信用光源取得了实质性的进展 实用光纤通信系统的前期发展 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 GaALAsLD 多模光纤 10Km 44 7Mbps 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34Mbps的突变型多模光纤通信系统 以及速率为100Mbps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 因此 全球通信界业一直公认 1976年是光纤通信的元年 1978年 模拟蜂窝移动通信系统投入使用 未商用 1980年 有线电视和综合业务数字业务 1988年 宽带综合业务数字网 1991年 全球移动通信系统进入商用 1995年 美籍华裔科学家历鼎毅倡导利用波分复用技术 即利用简单的光器件就可以在单根光纤中实现了大容量的传输 进而大大地降低了传输系统的成本 1998年 美国开通了数字电视业务 进一步提高电视业务清晰度和服务质量 1999年 具有宽带综合业务能力的第三代移动通信系统投入应用 2010年1月13日 在国务院常务会议上提出了电信网 电视网和因特网三网融合 统一通信概念 使任何人在任何时间 任何地点都可以通过任何设备 任何网络 与任何人进行语音 数据和图像的自由通信 1 2通信基本概念 1 2 1通信什么是 通信 通 就是传输和交换 信 就是信息 话音 图像 数据 通信就是信息的传输和交换 通过电信号或者光信号形式将信息由一方传输到另一方 图1 2给出了一个最简单的通信系统的模型 在这个过程中 通话的内容是由图中的 处理层 完成的 信息的传输是由图中的 物理层 完成的 在现代通信中 通信一般包括 信号的产生 传输和接收三个过程 什么是 电信 电信是利用有线 无线 光或者其它电磁系统传输 发送或者接收代表符号 书写 影像和声音或者其他任何性质情报的信号 通信和电信的区别 通信是按照约定传递信息 电信是利用电磁系统 广义泛指 传递代表媒体的信号 电磁系统完成信号传递功能 通信是一个广义的概念 而电信则是一个狭义的概念 图1 3揭示了通信涵盖了电信之间的关系 1 2 2信号1 信号及其分类信号是消息的物理载体 消息则是信息的物理表现形式 如语音 文字 符号 数据和图像等 信息 消息和信号三者存在着十分紧密的关系 信息是通过消息来表达 消息通过信号来传输 在科学研究中 通常是将 信号 做为研究对象 信号具有强度 频率 相位 能量等基本特征 信号可以表示为时间的函数 按照信号在时间坐标呈现连续变化或者阶跃变化 信号可以分为模拟信号和数字信号 模拟信号是幅度连续时变的信号 模拟信号又称为连续信号 如图1 4 a 所示连续信号的取值可用连续的时间函数表示 数字信号是幅度阶跃时变信号 数字信号又称为离散信号 如图1 4 b 所示离散信号可用取值有限个离散值连续的时间函数表示 需要强调的是 判断信号是模拟信号还是数字信号的准则为 看信号取值是连续的还是离散的 而不是看时间是连续的还是离散的 2 模 数变换将模拟信号调制变换为数字信号 叫 模 数 变换 它包括三个基本步骤 抽样 量化和编码 抽样定理 只要抽样频率fs满足奈奎特判据fs 2 f 模拟信号的带宽 就可以用抽样值来表示一个带宽有限的模拟信号 而抽样值不会引起任何信息损失 量化 是利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程 量化过程是对信号幅度进行离散处理 编码 是将量化后的信号电平数值变换成二进制码组的过程 编码的逆过程称为解码或译码 编码的目的是提高信号的传输可靠性 在光纤通信中 最常用的编 解码是模 数变换方法脉冲编码调制 PulseCodeModulation PCM 方法 PCM以二进制编码为基础 将模拟信号的量化后的每个抽样值变换为0和1比特数字串 3 信号特性通信中的信号基本特性可以用它们的时间特性和频率特性来表示 时间特性表示信号电压或电流随时间的变化关系 频率特性指信号可以表示为许多不同频率正弦信号的线性组合 通信系统中最常用的信号有正弦信号 方波信号和周期冲激串信号 正弦信号作为无线通信的载波 方波信号是数字通信所用的信号波形 周期冲激串信号则可以用作抽样信号 信号频域特性主要包括频谱 能量谱密度和功率谱密度 信号频域特性与信号的占用频率带宽 信号抗干扰能力等存在密切的关系 信号时域特性与信号的相关特性有关系 1 2 3光信号1 光的波 粒特性 2 波长 3 频率在光纤通信中 常用的频率单位有 千赫 1KHz 103Hz 兆赫 1MHz 106Hz 吉赫 1GHz 109Hz 太赫 1THz 1012Hz 传输的频率越高 可传信号的频带宽度就越大 其携带业务 信息 就越多 对于甚高频 频率为48 5MHz 300MHz 其带宽约为250MHz 只能传输27套电视节目 可见光的频率100000GHz 1014Hz 比甚高频高出一百多万倍 1 2 4信号调制1 调制作用为什么要进行调制 调制的作用就是要将传输的信号变换成适合信道传输的信号 调制信号 如何进行调制 载波是一种用来承载输入信号的高频周期信号 它本身不包含任何有用信息 在编码之前 载波可以用式 1 4 所示的形式 式中 E为电磁场矢量 e是单位矢量极化 A为载波振幅 是载波频率 为载波相位 2 调制方法由式 1 4 得知 可以选择的调制方法有 调制幅度A 调制载波频率 调制相位 按照调制的信号形式可以分为模拟调制和数字调制 模拟调制对应的三种调制方法分别被称为 幅度调制 AmplitudeModulation AM 频率调制 FrequencyModulation FM 相位调制 PhaseModulation PM 在数字调制中 对应三种调制方法分别为 幅移键控 AmplitudeShiftKeying ASK 频移键控 FrequencyShiftKeying FSK 相移键控 PhaseShiftKeying PSK 3 调制格式图1 7所示的是可供产生光比特流选择的调制格式 主要分为归零格式和非归零格式 1 2 5信号复用1 信道什么是 信道 信道就是信号传输的通道 按照所用的传输介质不同 信道可以分为有线信道和无线信道 有线信道需要利用具体的传输介质 如铜对绞线 光纤等传输信号 无线信道则是利用电磁波在空中传播的方式传输信号 通信质量的好坏 主要取决于信道 传输介质 的特性 表1 2比较了五种不同传输介质的特点 2 信号复用所谓复用就是将若干路彼此独立的信号在同一信道中传输的技术 复用的目的是使同一站点的多个用户共用一个信道传输信息 以提高信道的传输效率 进而降低通信系统的成本 常用的复用方法有 频分复用 时分复用 波分复用和时分复用 波分复用等 1 频分复用 FrequencyDivisionMultiplexing FDM 频分复用是指将在频域上划分的多个信道进行复用的技术 2 时分复用 TimeDivisionMultiplexing TDM 时分复用就是在时域上对不同传输信道的信号进行间插组合处理 即利用几个低速比特流来构建一个高速比特流 以实现在一个信道传输多路信号 3 波分复用 WaveDivisionMultiplexing WDM 波分复用就是在一根光纤中实现同时传输几十乃至上百个波长光信号的复用技术 波分复用技术的原理 如图1 10所示 4 时分复用 波分复用更能满足光网络的扩容和灵活组网的要求 当前光纤通信系统中常用时分复用 波分复用双重复用的扩容原理 1 3通信及其业务 1 3 1通信任务通信的任务是及时准确安全地完成信息在空间的传递 通信系统是由用户终端 传输介质 传输设备组成的 基本通信系统只能完成点到点通信 只有通信网上才能实现多点到多点的通信 通信网则是由用户终端 传输介质 传输和交换设备组成的拓扑结构 根据通信网的功能不同 通信网可以分为 业务网 传送网和支撑网 业务网是指面向公众提供电信业务的网络 例如 固定电话网 移动电话网 电视网 因特网等 传送网是完成各种通信业务的数字信号传送的网络 例如 由长途干线光网络 城域光网络和接入网 支撑网则是承担确保通信网正常工作支持作用的网络 1 3 2通信业务1 电话业务 1 固定电话电话网是由一定数量的节点 终端节点 交换节点 构建的网络 其可以通过 电路交换 实现任意用户之间进行语音交流 2 移动电话移动电话业务是通信的一方或者双方可以在移动状态中进行电话通信 第一代模拟移动通信 1G 第二代数字移动通信 2G 第三代多媒体移动通信 3G 3G有CDMA 中国电信 WCDMA 中国联通 TD SCDMA 中国移动 三种制式 书中有个小错误 4G运营牌照有望于今年下半年发放 4G的主要特点体现在 1 高速宽带20 100Mbit s 2 良好的兼容性 可以与3G的三种制式实现互连互通 3 业务多样化 2 数据业务ISDN IntegratedServiceDigitalNetwork 是由数字传输 数字复接和数字交换结合而成的数字化电信网 ISDN可以分为窄带综合业务数字网 Narrowband IntegratedServiceDigitalNetwork N ISDN 和宽带综合业务数字网 Broadband IntegratedServiceDigitalNetwork B ISDN N ISDN有两种标准接口 1 基本速率接口2B D B的速率是64kbit s 而D的速率16kbit s 2B D可以提供的总带宽为144kbit s 2 基群速率接口30B D B的速率是64kbit s D的的速率为64kbit s 30B D可以提供的总带宽为2048kbit s B ISDN可以提供2048kbit s 155Mbit s 622Mbit s速率的传输通道 能够支持从窄带遥控遥测到宽带高清晰数字电视等所有的业务 因此 B ISDN是一种 全能 电信网络 3 广播电视业务有线电视网普遍采用光纤和同轴电缆混合 HybridFiberCoax HFC 网络 光纤主要被用在 干线 传输 同轴电缆主要被用在接入网 HFC是一种能够支持电话 ISDN 广播模拟电视 数字电视 互动视频和高速全双工数据等业务的传输技术 图1 15所示的是一个典型的采用HFC技术的有线电视网的网络结构 一般从端局 前端 到配线网的光节点采用光纤传输 其网络拓扑结构可以采用环形 星形和树形 4 宽带接入业务传统铜线技术受到了哪些挑战 速率受限 满足不了日益增长的需求 驱动宽带接入业务不断发展的动力是用户日益增长的需求 城市企业事业单位未来需求的带宽为100M 1000M 家庭未来需求的带宽为50M 100M 宽带接入方案 光纤接入技术PON PassiveOpticalNetwork 技术具有点到多点 能够提供巨大带宽 传输质量好 接入可靠性高 建设和维护成本低等一系列优点 已经成为世界各国城市接入网发展的首选技术 是真正的FTTH FiberToTheHome 图1 16所表示的是一个典型的光纤接入技术方案 一个家庭用户可以通过无源光网络将电话 电视和数据业务接入家庭 实现宽带综合接入 举例 盈通培训资料P11 5 多媒体通信业务什么是媒体 媒体是指信息传递和存取的基本技术和手段 分类 感觉媒体 表示媒体 显示媒体 存储媒体和传输媒体 多媒体可以就是上述多种媒体的组合 随着三网融合的步伐加快 多媒体通信会越来越被人们所重视 1 4通信系统 1 4 1系统组成通信系统是由实现消息传输所需要的一切设备和传输介质构成 传统的点到点通信系统一般模型 可用图1 17的框图表示 信源作用是将声音 文字 数据 图像等消息转变成原始电信号 即完成非电量到电量的变换 发送设备的功能一是放大 二是变换 信道就是传输信号的通道 它可以分为有线信道和无线信道 有线信道包括铜线电缆 光纤等 无线信道可以是自由空间 真空等 噪声源是通信系统中各个设备 信道中的噪声与干扰的集中表示 接收设备的功能主要是恢复出原始信号 信宿是信息传输的终点 其作用与信源作用完成相反 完成电量到非电量的变换 1 4 2系统分类1 分类通信系统分类方法很多 但是最常用的分类方法是按照信道中所传输的信号的特征不同 将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统 1 模拟通信系统模拟通信系统是指信道中传输的是模拟信号的通信系统 模拟信号的通信系统的模型 如图1 18所示 经过调制后的信号被称为已调信号 已调信号具有三个基本特征 一是携带有信息 二是适合在信道中传输 三是信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零率 2 数字通信系统数字通信系统则指的是信道中传输的是数字信号的通信系统 数字通信系统可以概括为图1 19所示的数字通信系统的模型 信源编码的两个功能 一是数 模转换 二是数据压缩 信道编码是在经过信源编码的信号中增加一些多余的字符 以求自动发现或纠正传输中发生的错误 因此 信道编码的目的就是提高信号传输的可靠性 解调 信道解码 信源解码是调制 信道编码 信源编码的逆过程 2 对比与模拟通信系统相比 数字通信系统具有下述的一些显著的优点 数字信号本身具有较强的抗干扰能力 采用再生中继器 纠错编码等措施 可以进行长距离传输 采用信道编码技术 可以降低传输错误码率 数字信号的复用和压缩容易 适应的业务种类多 如可实现语音 数据和图像等综合传输 便于与计算机相连 实现系统和网络的智能化 数字硬件实现灵活 集成度高 设备体积小 系统成本低 系统升级扩容方便 便于保护运营商的投资等 同时 数字通信系统也存在两个缺点 在相同的容量下 数字通信系统传输所需要的带宽比模拟通信系统要大 同步要求高 需要位同步 帧同步等 从而需要复杂的同步系统 1 4 3系统性能1 通信系统如何评价一个通信系统的优劣 通过性能指标来评价 包括有效性 可靠性 经济性和运维的方便性等 人们最关心的通信系统性能是有效性和可靠性 有效性描述的是通信系统的消息传输速度问题 可靠性反映的是通信系统的消息传输质量问题 2 主要性能有效性通常用传输速率 带宽 频带利用率来描述 可靠性通常用误码率来表示 1 传输速率传输速率B被定义为每秒传输的比特数 可用bit s来表示 B的简单的数学表达公式 如式 1 6 所示 同时 图1 20给出了数字信号中的传输速率与比特周期呈反比关系 2 带宽信号带宽W指的是传送信号的频率宽度 即传送信号的最高频率与最低频率之差 信道带宽越大 其允许的传输容量和传输速率就越大 3 频带利用率频带利用率 带宽效率 的定义是单位频率带W内的传输速率B 其数学公式如式 1 7 所示 其单位是每赫兹每秒的比特数 常用 b s Hz 表示 4 误码率误码率的定义如式 1 8 所示 1 5光纤通信网络 1 5 1光纤通信系统1 基本组成图1 21所示的是最简单的光纤通信系统组成的框图 2 各个组件作用光发射机包括光源和光调制器 它主要是提供沿着光纤传输信息所需要的光能量 它的光源既可以是发光管也可以是激光器 光调制器的功能是调制带有串行序列数据的光 光接收机里一个非常重要的器件是光电检测器它的作用就是将调制的光信号转变成电信号 1 5 2光纤通信网络结构1 作用光网络是由宿端设备 光纤和组网光电元件等组成 它的作用有两个 一是利用传输介质光纤实现大容量 长距离 高可靠性链路传输 二是利用相关光电元件 引入了控制和管理机制 实现了多节点之间的联网 以及针对资源与业务的灵活配置 2 结构演进光网络结构经历了一个由简单的点到点 链形结构 环形结构向复杂的网状网结构的发展过程 它充分反映了通信容量大 网络可靠性增强 系统成本降低的通信技术进步 盈通DWDM省骨干网络图 茂名 光传送网 OpticalTransportNetwork OTN 是指在中间节点具有交叉连接能力的WDM光网络 OTN主要是针对干线向着Tbit s方向发展的需求而研制出的光传送网 OTN主要应用不仅适合DWDM长途核心网 而且可以应用于WDM城域光网络和光纤接入网 从光网络的管理角度看 光网络经历了由SDH DWDM和OTN 目前正在向着自动光交换网络 AutomaticallySwitchedOpticalNetwork ASON 发展 第2章光纤 学习目标1 了解光纤基本结构 2 掌握光波导理论研究意义 3 了解光纤制造方法特点 4 掌握研究光纤传输特性实际意义 5 掌握各种通信光纤性能特点和适用场所 2 1光纤的基本结构及特点 2 1 1光纤基本结构通信光纤是由石英玻璃或塑料或其它导光材料组成的圆柱形线性的导光纤维 简称光纤 光纤的剖面结构 如图2 1所示 通常 光纤是由两个同心均匀介质所组成 纤芯和包层 纤芯 1 位置 光纤的中心部位2 尺寸 直径2a 8 10 mm 50 62 5 mm 欧洲 美国标准 3 材料 纤芯的主要成分是石英 二氧化硅SiO2 掺有极少量的掺杂剂 二氧化锗GeO2 五氧化二磷P2O5 作用是提高纤芯对光的折射率 n1 以传输光信号 包层 位置 位于纤芯的周围尺寸 直径2b 125mm材料 其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅SiO2 而掺杂剂五氧化二硼B2O3的作用则是适当降低包层对光的折射率 n2 使之略低于纤芯的折射率 即n1 n2 它使得光信号能约束在纤芯中传输 涂覆层 1 位置 位于光纤的最外层2 尺寸 涂覆后的光纤外径约为1 5mm3 结构和材料 包括一次涂覆层 缓冲层和二次涂覆层a 一次涂覆层一般使用丙烯酸酯 有机硅或硅橡胶材料b 缓冲层一般为性能良好的填充油膏 防水 c 二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物4 作用 保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤 同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性 起着延长光纤寿命的作用 引入一个物理量相对折射率差 它的表达式如 2 1 式在实际应用中 纤芯与包层的折射率数值相差无几 单模光纤的相对折射率差 大约为0 2 多模光纤的相对折射率差 大约是1 2 1 2光纤的特点在光纤通信中 光纤的作用是传输介质 真正的载波是激光 1 巨大的工作带宽光纤通信使用的电磁波频率范围是1014Hz 2 优异的传输性能光纤的损耗可以达到0 15dB Km 具有极好的传输质量 3 杰出的使用性能 抗电磁干扰能力 光缆的使用寿命长 一般为20 30年 4 丰富的原料来源目前 国际期货市场铜 铝等金属材料价格不断上涨 而石英的储藏量非常丰富 取之不尽 用之不竭 5 独特的接继技术常用的单模光纤的纤芯直径仅为8 10 m左右 为光缆线路的施工中的光纤对准和熔接操作带来了极大的困难 需要专用的仪器 2 2光波导理论 2 2 1几何光学1 全内反射光 线 传输理论 当光线射到两种介质之间的界面上时 一部分光线被反射 形成反射光线 而一部分被折射 而形成折射光线 如图2 2所示 反射定律 1 反射光线保持在由入射光线与法线所构成的入射平面中 2 相对于入射光线来说 反射光线位于法线的相反侧 3 反射光线和入射光线分别与法线形成的夹角 1 2 折射定律 如果是在各向同性的介质 如玻璃 中 则由式菲涅尔折射定律可得出 光的入射角正弦sin 与折射角正弦sin 之比与其各自入射介质的折射率n1与折射介质的折射率n2成反比 即有如下关系式 当光线由光密介质n1入射到光疏介质n2的界面时 折射角 大于入射角 当 900时 光纤会沿着平行于两介质的界面传播 如图2 3所示的光线 这时的入射角写成 0 我们称它为两种介质的临界角 如式 2 3 所示 即临界角由两种介质的折射率n1和n2的比值决定的 对于入射角 大于临界角 0的所有光线 在光疏介质中没有对应的折射光线存在 这些光线在界面上全部被反射回光密介质中 这种现象称为全内反射 如图2 3所示的光线 由此可知 全内反射只能发生在光由光密介质入射到与光疏介质的界面上 对于圆柱形光波导 纤 如果使纤芯中心部分的折射率高于外包层的折射率 就有可能在纤芯和包层之间满足全内反射 从而使光线 限制 在芯层内并以锯齿形连续反射光纤形式在光纤中向前传输 直至传播到信息终端 单模光纤和多模光纤 单模光纤SMF SignalModeFiber 仅允许一个模式传播的光纤多模光纤MMF MultipleModeFiber 同时允许多个模式进行传播 在光纤的受光角内 以某一角度射入光纤端面 并能在光纤纤芯 包层交界面上产生全反射的传播光线 就可以称为入射光的一个传播模式 2 折射率分布为了设计出不同的光纤 可以使光纤剖面任意一点的折射率分布n是其半径r的函数n r n随着r的变化而变化 n r 可以决定光纤的光传输性能 可用数学公式 2 4 来表示 式中 n1为纤芯折射率 是光纤相对折射率差 r为离开纤轴心的距离 a是纤芯半径 g为折射率分布指数 n2是包层折射率 公式 2 4 可以用图2 4来反映 它直观且形象地描述了不同光纤的折射率分布几何形状 折射率分布指数g的取值范围在1 之间 通过改变g的取值大小就可以获得不同的光纤折射率分布形状 例如 g 1纤芯折射率分布为三角形 g 2光纤芯折射率分布呈梯度 渐变 形 g 纤芯折射率分布是阶跃 突变 形 表2 1列出了g取值 纤芯折射率形状与折射率变化特点的关系 从上图中可以看出 1 只有阶跃光纤的纤芯和包层折射率是常数 而其他光纤的纤芯折射率分布是r的函数n r 变化形式 2 光纤设计就是选择合理的纤 包折射率分布结构 即通过调整g的数值 可以获得不同传输性能的光纤 3 相对折射率差举例 P36例2 1单模玻璃光纤的相对折射率差是0 2 多模玻璃光纤的相对折射率差是1 熟料光纤的相对折射率差是0 22 12 但要注意 与数值孔径和光纤的接受角也存在着一定的数量关系 表2 2列出了几种不同光纤纤芯的折射率是1 50时 与数值孔径和光纤的接收角的关系 4 数值孔径光在纤芯和包层之间发生全反射的条件是 在他们之间的入射角必须大于临界角 0 就是说 只有小于 90 0 所有光线才会沿着纤芯中传输 在输入端端面上 根据折射定律 有下面关系式 空气折射率为1 引入一个物理量数值孔直径 NA NumericalAperture 为临界角 0对应的最大入射角 max的正弦值 NA表示光纤的集光能力 只有小于 max的光纤才能在纤芯中传输 下面通过两个计算实例来说明折射率分布不同的光纤 它们的NA就不同 集光能力各有差异 P37 例2 2和例2 3 多模光纤比单模光纤的集光能力要好的多 2 2 2研究目的研究光纤导光理论的目的 在于了解光波在光纤中的传输机理 传输条件 建立传输特性与光纤折射率分布结构参数之间的关系 以便于设计出能够满足通信系统所需要的传输特性的理想光纤 光具有波粒二像性 光既可以看成是光波 又可以看作是由光子组成的粒子流 在科学研究中对应的方法分别是射线理论和波动理论 2 2 3光射线理论按照折射率分布 多模光纤又可以分为两大类型 阶跃折射率分布的多模光纤 简称阶跃多模光纤 梯度折射率分布的多模光纤 简称梯度多模光纤 1 阶跃多模光纤描述阶跃多模光纤的折射率分布的数学公式 可用式 2 9 表示 由前所述可知 式中 n1 n2 n1的是纤芯 包层界面之间的相对折射率 显然 为了耦合更多的光进入光纤 应该尽可能将 做大 但是大 光纤不适合用作光纤通信 其原因是 大 光纤中会产生大的时延 时延 不同光线沿着不同路径到达输出端的时间是不一样的 在光纤通信中 这种时间上的先后就称作 时延 光信号在阶跃多模光纤中的传输 由动画可以直观地看出 在阶跃多模光纤中 不同模式的光信号到达终点所需的时间不相等 时延 时延产生的后果会使输入脉冲信号发生 脉冲展宽 产生多路径色散或模间色散 在接收端信号会产生码间干扰 由于时延 模间色散 的原因 阶跃多模光纤的工作带宽会受到严重影响 举例 P39最大时延公式 2 梯度多模光纤梯度多模光纤的设计思想是利用光传输速率与光纤材料折射率成反比的原理 来解决多模光纤中所存在的严重时延 模间色散 问题 光信号在梯度多模折射率光纤中的传输 由动画可以直观地看出 在梯度多模光纤中 不同模式的光信号到达终点所需的时间基本相等 原理分析 V C n1 沿中心轴的传播的路径最短 但该位置的折射率n也是最大的 所以V也是最慢的 2 越靠近轴心 折射率n越小 V会越快 结论 在梯度多模光纤中 各个光纤均是以同样的时间到达光纤的输出端 不会出现时延 举例 P41经计算 P41 公式2 17 梯度多模光纤的工作带宽比阶跃多模光纤的工作带宽能提高3个数量级 利用该方程组 求解 得出E r H r 在纤芯中的表达式 理论依据 Maxwell方程组 利用边界条件 找出其中的规律 传输特性 一 二 三 2 2 4波动理论 2 2 4波动理论1 麦克斯韦方程在电磁场理论中 一般认为 光纤是一种介质光波导 这种光波导的特点是 1 无传导电流 2 无职业电荷 3 线性各向同性 描述在光波导 光纤 中传播的电磁波所有的现象的麦克斯韦方程的具体形式如下 式中 E和H分别是电场矢量和磁场矢量 而D和B则分别是电通量密度和磁通量密度 电通量密度和磁通量密度与场矢量的关系 式中 为材料磁导率 在真空中为 0 对于非磁性材料的光纤 0 它是一个常数 是材料的介电系数 在真空中为 0 一般物体的 是空间坐标的函数 即 x y z r z 与n的关系如式 2 22 所示 2 波动方程利用数学的矢量关系式 3 亥姆霍兹方程空坐标分离 亥姆霍兹方程 如果光纤中传播的是单色光波 即电磁波具有确定的振荡频率f 角频率 2 f 我们可令 x y z x y z exp j t 2 27 式中 表示E或者H的某一场分量 如果将公式 2 27 代入标量波动方程 那么我们就可以得到亥姆霍兹方程 式中 k是光纤中光波的波数式中 是光纤中的工作波长 Vp为光波相速 k0 2 是真空中的光波的波数 4 模式分布 1 模式的概念1 数学上可以理解为满足边界条件的波动方程的一个特解 2 物理上一个模代表的是一种场图 3 模式是离散的 4 多个模式的线性组合构成了光波导中的总的场分布 5 一个模式在光波导中传输依赖传播常数 2 传导模特性光在光纤中远距离传播 纤芯区域的导波场应该为振荡场 包层区域的导波场则是衰减场 几个物理量U W V和b纤芯导波的归一化相位常数U 描述在纤芯中 导波沿径向场的分布规律 包层导波的归一化衰减常数W 描述在包层中 场的衰减规律 U和W的定义 如式 2 30 和式 2 31 所示 k0 2 真空中光波的波数 叫传播常数 它满足以下关系 V是一个能够描述光纤结构和性能的综合参数 在单模光纤中 V 2 405 举例 P45 例2 4 利用V的定义 可以设计和制造出不同性能的光纤 非色散位移单模光纤 简称G 652光纤 1310nm 非零色散位移单模光纤 简称G 655光纤 1550nm 弯曲不敏感的单模光纤 简称G 657光纤 1260 1625nm 传导模的概念传导模是光纤输入端激起的模式中 能够传输到另一端的传输模式 射线理论中 一组光线以不同的入射角进入光纤 通常认为一个传播方向的光线对应一种模式 有时也称之为射线模式 所以可以按入射角来区分模式 并且也以入射角划分模式等级 角度越小则模式等级越低 因此 严格按中心轴线传输的模式称为基模 而其它的分别为低阶模 高阶模 在波动理论中 讨论的不是光射线 而是模式 光纤模式是光波在光纤中传播的稳定样式 一种电磁场分布 麦克斯韦方程的解 称之为一个模式 两种理论中 讨论的模式没有绝对的对应关系 波动理论中 在阶跃多模光纤中 通过计算 可以求得很多光纤模式 方程解 它的数量N由V来决定 渐变型多模光纤 N V2 4 归一化传播常数bb W2 V2它满足 0 b 1 图2 10几个低阶光纤模的b和V的函数曲线 HE11模式是任何光纤中都可以存在的 因此HE11模称作主模或基模 若光纤的归一化频率V 2 405 则TE01 TM01 HE21模将不会出现 光纤中只有HE11模 因此就是阶跃折射率光纤单模传输的条件 V才是真正判断单模和多模的标准 由图中还可以看出 当V 2 405以后 TE01开始出现 紧接着TM01 HE21模也开始出现 也就是说 光纤中传输模式的数量完全由归一化频率V决定 而这个结构参数V又由纤芯和包层的折射率差 纤芯半径以及传输的光信号波长决定 由动画可以很直观地看出 阶跃光纤的传输条件随着光纤结构参数的变化而变化 在光纤纤芯可以传输的模式数量也发生变化 例题 假设一阶跃折射率光纤 其参数a 6 m 0 002 n1 1 5 当光波长 分别为1 55 m 1 3 m和0 85 m时 求光纤中可以传输哪些导模 补充作业题 2 2 5单模光纤1 单模传输条件 2 截止波长当光纤折射率分布结构参数确定后 只有工作波长大于某一特定波长时 才能实现单模传输 我们称这个特定波长为理论截止波长 c 此动画为光信号在单模阶跃折射率光纤中的传输 由动画可以直观地看出 单模光纤中只有一个模式的光信号可以传输 不存在模式之间的时间差 即没有 时延 产生 在电磁场理论研究中 有时还要用线性偏振模LPmn表示对应的模式的场在光纤剖面的上的分布规律 表2 4列出了LP模与矢量模之间的对应关系 3 模场直径模场直径 ModeFieldDiameter MFD 是单模光纤剖面中基模电磁场强横向分量分布集中程度的度量 或者说MFD是指基模的光功率下降至中心 光纤轴r 0 最大光功率1 e2时 对应的直径 即对应基模大部分光功率的直径 2 3光纤制造 2 3 1光纤设计 设计原则 2 3 2光纤材料 2 3 3光纤制造 光纤 光纤成品的测试内容 1 拉伸强度 必须至少能承受690MPa的压力 2 折射率剖面 3 光纤几何特征 纤芯直径 覆层规格及涂层直径应一致 4 衰减性 各种波长的光信号随距离变化的衰减程度 5 信息传输能力 带宽 6 色散 7 操作温度 湿度范围 8 衰减性和温度的相关性 2 4光纤传输性能 损耗 衰减 和色散是光纤最重要的传输特性 损耗限制系统的传输距离色散则限制系统的传输容量 1 衰减衰减是表示光在光纤中传播时 平均光功率沿光纤长度方向呈指数规律减少 即 其中 P 0 大为在L 0处注入光纤的光功率 P L 是传输到轴向距离L处的光功率 是衰减系数 光纤损耗特性中使用的单位dB 分贝 描述功率相对比值的单位 dB 10log10 Pout Pin 其中Pout 输出功率 Pin 输入功率 dBm 分贝毫瓦 描述功率绝对值的单位 dBm 10log10 P 1mw 1mw 0dBm 20mw 13dBm 40mw 16dBm 2 衰减系数衰减系数 定义为单位长度光纤引起的光功率衰减 当长度为L时 可以表示为 式中 是在波长为 处的衰减系数与波长的函数关系 其数值与选择的光纤长度无关 3衰减谱衰减谱是描述衰减系数与波长的函数关系 如图2 15所示 它具有三个主要特征是 1 衰减随波长的增大而呈降低趋势 2 衰减吸收峰与OH 离子有关 3 在波长大于1600nm衰减的增大的原因是由微 或宏 观弯曲损耗和石英玻璃吸收损耗引起的 石英玻璃光纤最常用的工作波带为 O波带 1260 1360nm C波带 1530 1565nm L波带 1565 1625nm 最广泛应用的是1550nm附近的C波带 光纤通信中的三个 工作窗口 0 85 m20dB km 现在为3dB km 短波长窗口 第一窗口 1 31 m0 35dB km以下长波长窗口 第二窗口 1 55 m0 15dB dB左右长波长窗口 第三窗口 光纤材料中的水气 主要是OH 对光纤损耗影响很大 特别是在1 38 m波长的地方有一个强烈的吸收峰 4衰减机理什么原因造成的衰减 衰减的机理是材料本身 制造缺陷 弯曲 接续等对光能的吸收 散射损耗 本征吸收 紫外 红外吸收 吸收损耗 衰减机理 杂质吸收 过渡金属离子吸收 OH 离子吸收 散射损耗 线性散射 瑞利散射 材料不均匀 制作缺陷 气泡 分界面不理想等 非线性散射 受激拉曼和受激布里渊散射 弯曲损耗 光纤的弯曲引起辐射损耗 光纤中传输的光波与晶格相互作用时 一部分光波能量传递给晶格 使其振动加剧 从而引起损耗 2 m时特强烈 光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时 光子流中的能量将被电子吸收 从而引起损耗 0 4 m时特强烈 受激拉曼和受激布里渊散射使输入光信号的部分能量转移到其他频率分量上 由图2 16 我们可以清晰地看出 光纤衰减的机理主要是由材料吸收 瑞利散射和波导结构不完善 弯曲损耗光纤的弯曲有两种形式 1 一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲 称为弯曲或宏弯 2 另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲 这种高频弯曲习惯称为微弯 光缆的生产 接续和施工过程中 不可避免出现弯曲 宏弯 曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲 弯曲曲率半径减小宏弯损耗指数增加 微弯 微米级的高频弯曲 微弯的原因 光纤的生产过程中的带来的不均成缆时受到压力不均使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导致的后果 造成能量辐射损耗 高阶模功率损耗 低阶模功率耦合到高阶模 宏弯带来的应用局限 Verizon的烦恼 Verizon钟爱光纤 花费230亿美元配置了12 9万公里长的光纤 直接连到180万用户家中 提供高速因特网和电视服务 光纤到户使Verizon遇到困境 宏弯引起信号衰减 新技术 抗宏弯的柔性光纤 PhotonicCrystalFiber PhotonicBandgapFiber 康宁公司帮组Verison解决了问题 可弯曲 折返 打结 已在2500万户家庭中安装 日本NTT也完成了这种光纤的研制 2 4 2色散在光纤中 光信号由很多不同的成分 如不同模式 不同频率 组成的 由于信号的各频率成分或各模式成分的传输速度不同 经过光纤传输一段距离后 不同成分之间出现时延差 从而引起信号畸变 光脉冲展宽 此现象称为色散 色散一般用时延差来表示 所谓时延差 是指不同频率或不同模式的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差 2 4 2色散1作用色散严重时 会导致前后光脉冲互相重叠 形成码间干扰 增加误码率 使通信质量下降 传输容量变小 2分类光纤色散可以分为两类 模式色散 模间色散 模内色散 色度色散 模式色散 模间色散 所谓模式色散 用光的射线理论来说 就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的传播速度不同所造成的时延差 对于波动理论 多模光纤中 不同模式在同一频率下传输 各自的传输常数 m不同 传播速度不同 模式之间存在时延差 偏振模色散也属于模间色散 10Gbps的系统才考虑 在阶跃型光纤中最大色散是传输最快的光线 和最慢的光线 到达终端的时延差 在渐变型光纤中合理地设计光纤折射率分布 使光线在光纤中传播时速度得到补偿 从而可以使模式色散引起的光脉冲展宽变得很小 模内色散 色度色散所谓模内色散 是由于光源的不同频率 或波长 成分具有不同的传播速度 在传输过程中 不同频率的光束的时间延迟不同而产生色散 模内色散包括材料色散和波导色散 材料色散是由于材料折射率随光信号频率的变化而不同 光信号不同频率成分所对应的传播速度不同 波导色散是由于光纤波导结构引起的色散 多模光纤中 模式色散占主要地位 模内色散很少 实际应用中可以不考虑 因此多模光纤的色散用时延差表示 单模光纤中只传输基模 不存在模式色散 此时模内色散地位就凸显出来了 单模光纤在波长在1 31 m附近 材料色散和波导色散为 一