通信系统教程第3章——光纤通信系统.ppt

第3章光纤通信系统,本章主要内容,光纤发展简史,1,光纤通信系统基本构成,2,3,光纤与光缆,4,5,光端机,光纤通信概念及其特点,光纤通信是以激光为信息载体，以光纤为传输介质的通信方式。光纤通信技术是近30多年迅猛发展起来的高新技术；它的诞生和发展，给世界通信技术带来了划时代的革命。1966年美籍华裔科学家高锟提出光纤通信概念。1970年美国CORNING公司首次研制出阶跃折射率多模光纤，波长630nm处的衰减系数小于20dB/km。同年，贝尔实验室研制出室温下连续工作的激光器。,光纤通信系统光纤发展简史,1976年发现光纤的衰减在两个长波长区有：1310nm及1550nm两个窗口。美国西屋电器公司在亚特兰大进行了世界上第一个44.736Mbit/s传输110km的光纤通信系统现场试验。1980年制出低衰减光纤，在1550nm的衰减系数为0.20dB/km接近理论值。与此同时，开发出适用于长波长地光源：激光器、发光管、光检测器。成缆、无源器件、测试仪表等技术日趋成熟。,光纤通信系统光纤发展简史,1981年以后，世界各发达国家将光通信技术大规模推入商用。历经20多年，光纤通信速率由1978年地45Mbit/s提高到目前地40Gbit/s。我国自70年代初就已开始了光通信技术研究，1977年，武汉邮科院研制出中国第一根多模光纤，其在850nm地衰减系数为300dB/km。1979年建立了用多模短波长光纤进行的8Mbt/s、5.7km室内通信系统。,光纤通信系统光纤发展简史,1987年底，建成第一个国产长途光通信系统，由武汉荆州，全长约250km，传输34Mbit/s。1988年起，国内光纤通信系统的应用由多模光纤转为单模光纤。1991年，完成了第一条全国产化140Mbit/s合肥芜湖长途直埋单模光纤光缆线路，全长150km。1993年建立全国产化上海至无锡的大容量565Mbit/s高速系统。1997年以后，部分厂家研制出622Mbit/s、2.5Gbit/s及其波分复用系统。,光纤通信系统光纤发展简史,我国光纤光缆生产企业：制棒拉丝成缆：长飞、富通买棒拉丝：上海朗讯、南京华新藤仓、深圳特发、成都中住、西古、富通昭和。光缆生产企业：接近200家。,光纤通信系统光纤发展简史,1、光纤通信：光波为载波，光导纤维为传输介质的通信方式2、光纤通信优点：传输频带极宽，通信容量很大（见下表）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，重量轻，便于运输和敷设耐化学腐蚀，适用于特殊环境原材料资源丰富,节约有色金属,光纤通信系统概念、特点,表光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较,3、光纤通信缺点：光纤弯曲半径不宜过小光纤的切断和连接操作技术要求较高分路、耦合操作繁琐,光纤通信系统概念、特点,通信传输网常用的物理媒体光纤、微波、电缆以光纤为通信媒体，可提供高速通道的光纤传输网已成为目前通信传输网的主要部分。一个基本的光纤通信系统由三大部分构成：光发射机、光纤线路、光接收机。,光纤通信系统基本构成,光发射机光发射机的功能：把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光发射机组成：由光源、驱动器和控制器组成。光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上取决于光源的特性。光源种类：半导体发光二极管(LED)、半导体激光二极管(或称激光器)(LD)，单纵模分布反馈(DFB)激光器。,光纤线路光纤线路功能：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的失真和衰减传输到光接收机。光纤线路组成：由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤基本要求：损耗和色散这两个传输特性参数都尽可能地小，有足够好的机械特性和环境特性。石英光纤分类：多模光纤和单模光纤。单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。单模光纤适合大容量长距离光纤传输系统，小容量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更加合适。,光接收机光接收机的功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。光接收机组成：由光检测器、放大器和相关电路组成。光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。光检测器种类：光电二极管(PIN-PD)、雪崩光电二极管(APD)。,实际光纤通信系统,电信号转换为光信号,A/D转换,弥补光波远距离传送的损耗,光信号转换为电信号,D/A转换,光纤和光缆,主要内容预备知识：对光的认识光纤的结构和分类光缆的基本结构光纤的传输特性特种光纤的介绍,光波的基本特性,光波是一种电磁波，其波长在微米级，频率在数量级10121016HZ（高频）。由图可见，紫外线，可见光，红外线均属于光波的范畴。,光纤通信使用的波长范围是在0.81.8um。0.85um；1.31um1.55um这是目前所采用的三个通信窗口。,波长：一个波的两个连续周期中两个相同点间的距离。,周期：一个波中两个相同点顺次通过同一空间位置所需的时间。,一、光纤的结构,1、目前光纤是用石英玻璃（SiO2）制成的横截面很小的双层同心圆柱体。未经涂覆和套塑时称为裸光纤。2、光纤的基本结构：纤芯（core)：位于光纤中心，直径2a为575m,作用是传输光波。包层（cladding)：位于纤芯外层，直径2b为100150m,作用是将光波限制在纤芯中。涂敷层：纤芯的折射率稍大于包层的折射率。涂敷层是为了保护裸纤而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮树脂层，厚度一般为30150m。3、光在纤芯和包层的交界面满足全内反射。,光纤的结构和分类,图2.1光纤的基本结构,二、光纤的分类,按照光纤横截面上折射率分布情况来分：阶跃型光纤（SI）：在纤芯折射率布是均匀的，在纤芯和包层的交界面上折射率发生突变。成本费较小。渐变型光纤（GI）：折射率在纤芯中是连续变化的。成本费较大。按传输总模数来分：多模光纤，单模光纤在一定的波长下，多模光纤能传输许多模式,从几何光学的角度看，多条满足全反射的光线在光纤中传输就称为多模。多模光纤纤芯直径50um,包层直径为125um.接续较容易，成本费小。多模光纤可以是阶跃型，也可以是渐变型折射率。而当光纤的直径为一个波长左右时，光线沿直线向前传播，因此只能传输基模。单模光纤的纤芯直径10um,包层直径125m.接续难，成本费较小。按光纤材料分：石英材料光纤、塑料光纤、多成份玻璃纤维、石英蕊，塑料包层,分类：按照光纤横截面上折射率分布情况来分,阶跃型光纤（SI）,渐变型光纤（GI）,分类二按传输总模数来分,多模光纤（MMMultimodefiber）,单模光纤（SMSinglemodefiber）,（1）石英材料光纤：纤蕊和包层是由高纯度sio2掺适当的杂质制成损耗低，强度可靠性高，广泛采用。（2）石英蕊，塑料包层：硅树脂（3）多成份玻璃纤维（4）塑料光纤目前在光纤通信是主要使用石英光纤。,分类三按光纤材料分,光缆的基本结构,光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。缆芯：由单根或多根光纤芯线组成，有紧套和松套两种结构。紧套光纤有二层和三层结构。加强元件：用于增强光缆敷设时可承受的负荷。一般是金属丝或非金属纤维。护层：具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性，主要是对已成缆的光纤芯线进行保护。根据敷设条件可由铝带/聚乙烯综合纵包带粘界外护层(LAP），钢带（或钢丝）铠装和聚乙烯护层等组成。,光缆结构,光缆的一般结构图,(a)层绞式,(b)单位式,(c)骨架式,(d)带状式,光纤,光纤,光纤,光纤带,加强构件,单位,塑料骨架,加强构件,综合护套,防热层,光纤的结构示意图,光纤光缆,光纤光缆是包围在裸光纤周围的保护套，它的功能是保护光纤免受任何可能的损害。,实际使用的光缆分类,光缆的种类在公用通信网中用的光缆结构如表所示。,光纤的传输特性信号劣化：信号衰减和失真,光纤的损耗决定了在无信号放大和再生的条件下，光发送机和接收机之间所允许的最大距离。影响光纤通信系统的成本信号失真：光纤中光脉冲随着传输距离增加而展宽，如果传输距离足够长，光脉冲有可能展宽到与相邻的脉冲重叠，导致接收机错判，限制了光纤信息载的容量,损耗,1、损耗的定义：当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。2、损耗一般用损耗系数表示：(单位：dB/km)损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择,损耗的种类,吸收损耗散射损耗其他损耗,吸收损耗,本征吸收损耗是由于光纤材料本身吸收光能量产生的。主要存在红外波段的分子振动吸收和紫外波段的电子跃迁吸收。杂质吸收损耗主要是由于光纤中含有的各种过渡金属离子和氢氧根（OH-）离子在光的激励下产生振动，吸收光能量造成。,吸收损耗：单模光纤中的吸收与多模光纤中的非常相似，仅在数值上有差异，单模光纤中吸收产生的衰减比较小，单模光纤和多模光纤的典型光谱衰减曲线,散射损耗,散射损耗：主要包含瑞利散射损耗、非线性散射损耗和波导效应散射损耗。瑞利散射损耗：是由于光纤材料微观密度不均匀所引起的本征损耗。瑞利散射损耗与波长的四次方成反比，即波长越短，损耗越大。因此对短波长窗口影响较大。非线性散射损耗：是当光强度大到一定程度时，产生非线性喇曼散射和布里渊散射，使输入光信号的能量部分转移到新的频率成分上而形成损耗。因此非线性散射损耗是随传播频率变化的。在常规光纤中由于半导体激光器发送光功率较小，该损耗可忽略。但在DWDM系统中，由于总功率很大，就必须考虑其影响。波导效应散射损耗：是由于光纤波导结构缺陷引起的损耗，与波长无关。光纤波导结构缺陷主要由熔炼和拉丝工艺不完善造成。,其他损耗,主要有连接损耗和弯曲损耗和微弯损耗。连接损耗是由于进行光纤接续时端面不平整或光纤位置未对准等原因造成接头处出现损耗。其大小与连接使用的工具和操作者技能有密切关系。弯曲损耗是由于光纤中部分传导模在弯曲部位成为辐射模而形成的损耗。它与弯曲半径成指数关系，弯曲半径越大，弯曲损耗越小。微弯损耗是由于成缆时产生不均匀的侧压力，导致纤芯与包层的界面出现局部凹凸引起。,连接与耦合损耗：,弯曲损耗（宏弯损耗和微弯损耗）单模光纤中的宏弯损耗：a)光纤中的模场分布b)弯曲光纤中的模场分布,微弯损耗,宏弯损耗,光纤的损耗波谱曲线,损耗dB/km,一般测试曲线,长波长窗口,瑞利散射,波导缺陷吸收,紫外吸收,红外吸收,短波长窗口,光波导中信号失真,1什么是色散，色散的分类色散：是在光纤中传输的光信号由不同的频率成份和不同的模式成份携带的，这些不同的频率成份和模式成份有不同的传播速度，使得光纤输出波形在时间上产生展宽。色散种类：模内色散（色度色散）和模间色散，偏振模色散。,色散：随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽包括：模式色散(ModeDispersion)色度色散(ChromaticDispersion)偏振模色散(PolarizationModeDispersion),模内色散（色度色散）,模内色散包括材料色散和波导色散材料色散：纤芯的材料的折射率随波长的变化导致色散。折射率随波长的变化模式的群速度随波长变化，不同波长的光经历不同的路径，发生脉冲展宽。波导色散：原因是由于光纤中只有80%的光功率在纤芯中传播，20%在包层中传播，如果包层中传播速率大于纤芯，就出现色散。波导色散的大小取决于光纤的设计,模间色散,模间色散产生的原因：即使在同一频率的光，不同的模式群速率不一样，也产生色散。它主要取决于光纤的折射率分布。模间色散主要存于多模光纤中。,偏振模色散,2光纤各种色散对传输的影响：,色散效应对高速通信系统的影响,10Gb/s,40Gb/s,单模光纤：色度色散和偏振模色散色度色散两类：材料色散波导色散；,特种光纤介绍,色散平坦光纤：充分利用1.3um至1.55um整个波段，可以大幅度提高通信容量色散位移光纤（DSF）:将零色散点移至1.55um处，与光纤最低损耗波段一致，从而得到最低损耗和最低色散。但不利于多信道传输（主要有四波混频的影响，如有少量色散FWM反而干扰减少）非零色散位移光纤（NZDSF）：是一种改进的色散位移光纤，在光纤制作中，适当控制掺杂量，大到足以抑制DWDM中的四波混频，小到足以允许单信道10Gb/s，而不需色散补偿。色散补偿光纤（DCF）：利用一段光纤来补偿光纤中的色散。能够实现这种功能的光纤称为DCF光纤。如常规的单模光纤在1.55um波长区为正色散值，那么DCF光纤应该具有负色散值，零色散值在1.7um以上。,三种光纤色散情况比较,正常色散区,反常色散区,大多数已安装的光纤低损耗大色散分布大有效面积色散受限距离短2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km10Gb/s系统色度色散受限距离约34kmG.652+DCF方案升级扩容成本高结论:不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于2.5Gb/s以下速率的DWDM。,G.652单模光纤（NDSF）,低损耗零色散小有效面积长距离、单信道超高速EDFA系统四波混频（FWM）是主要的问题，不利于DWDM技术结论:适用于10Gb/s以上速率单信道传输，但不适用于DWDM应用，处于被市场淘汰的现状。,G.653单模光纤（DSF）,在15301565nm窗口有较低的损耗工作窗口较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应（四波混频）的发生。为DWDM系统的应用而设计的,G.655单模光纤（NZ-DSF）,结论:适用于10Gb/s以上速率DWDM传输，是未来大容量传输，DWDM系统用光纤的理想选择。,光端机,一、光发射机1、数字光发射机的功能:电端机输出的数字基带电信号转换为光信号；用耦合技术注入光纤线路；用数字电信号对光源进行调制。2、调制方式：直接调制和外调制。受调制的光源特性参数有：功率、幅度、频率和相位，广泛应用的是直接光强(功率)调制。,当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系。输出光功率和输入电流成正比，输出光信号反映输入电信号。,3、光发射机基本组成数字光发射机的方框图如图所示，主要有光源和电路两部分。光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。电路的设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映输入电信号。,1）光源对通信用光源的要求如下：发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85m、1.31m和1.55m附近。光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发射光束的方向性要好，以利于提高光源与光纤之间的耦合效率。,允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统的大传输容量的要求。器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好，可靠性高，寿命长。此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。,2）调制电路和控制电路直接光强调制的数字光发射机主要电路有：调制电路、控制电路和线路编码电路。,3）线路编码电路电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，要变换为适合于光纤传输的单极性码。,二、光接收机1、光接收机基本组成直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于图。主要包括：光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。,1）光检测器,对所用光源的波长范围内有较高的响应度或灵敏度较小的噪声响应速度快对温度变化不敏感与光纤尺寸匹配工作寿命长,光电二极管：尺寸小、灵敏度高、响应速度快、材料合适,2）放大器前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前放可供选择。主放大器一般是多级放大器，它的作用是：提供足够的增益；并通过它实现自动增益控制(AGC)，使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。,3）均衡和再生均衡的目的：对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿；使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减小误码率。再生电路包括：判决电路和时钟提取电路,三、线路编码在光纤通信系统中，从电端机输出的是适合于电缆传输的双极性码。光源不可能发射负光脉冲，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤通信系统传输的要求。数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即“有光脉冲”表示“”码，“无光脉冲”表示“0”码。,1、简单的二电平码会带来如下问题：在码流中，出现“”码和“0”码的个数是随机变化的，因而直流分量也会发生随机波动(基线漂移)，给光接收机的判决带来困难。在随机码流中，容易出现长串连“”码或长串连“0”码，这样可能造成位同步信息丢失，给定时提取造成困难或产生较大的定时误差。不能实现在线(不中断业务)的误码检测，不利于长途通信系统的维护。,2、数字光纤通信系统对线路码型的要求有：能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，有利于提高光接收机的灵敏度。能给光接收机提供足够的定时信息。