部分光纤通信技术.ppt
第一章 绪论(二）,光纤通信中光的作用及特性；光纤通信系统的基本单元简介；光纤通信的基本问题；光纤通信系统的主要技术指标。,带宽大约为载波信号频率的十分之一,光纤通信中光的作用及特性,1.光作为载波，可以极大地提高信道的带宽,带宽是信号进行传输且没有明显衰减的频率范围，信道的带宽越大，信道容量就越大。,香农哈特利（Shannon-Hartley）定理：,载波频率越高，信道的带宽就越大，系统的信息传输能力也就越强。,信道带宽,信噪比,带宽可达50THz,光纤通信中光的作用及特性,2.光在光纤中传输的工作波长是由光纤特性决定的,低损耗是实现光信号长距离无中继传输的前提。,2dB/Km,0.5dB/Km,0.2dB/Km,3.光在光发射机和光接收机中的工作基于光的辐射与吸收,光纤通信中光的作用及特性,我们可以通过控制半导体材料的成份来改变能带差，从而改变其发光波长。,自发辐射光是一种非相干光，即不是单一频率、相位和偏振方向相同的光。,（a）光的自发辐射（发光二极管LED）,光纤通信中光的作用及特性,（b）光的受激发射（激光二极管）,要实现受激发射需要两个条件：一是粒子数反转；二是在半导体激光器中产生谐振从而得到单色性和方向性好的激光输出。,（c）光的吸收（光检测器）,光纤通信中光的作用及特性,第一章 绪论(二）,光纤通信中光的作用及特性；光纤通信系统的基本单元简介；光纤通信的基本问题；光纤通信系统的主要技术指标。,光纤通信系统的基本单元,1.光发射机,电信号到光信号的转换装置和光信号传输装置组成，光源是光发射机的核心部件。,目前常用光源有LED和LD两种。,LED外形图和输出特性,LD外形图和输出特性,光纤通信系统的基本单元,对光源的调制,（a）模拟电流信号对激光器的直接调制,工作在线性区,工作在截止区,工作在限流区,直接调制,间接调制,（b）数字电流信号对激光器的直接调制,光纤通信系统的基本单元,消光比（Extinction Ratio）：,是衡量数字传输时光源的一项重要参数。,为保证接收机灵敏度不受或少受影响，消光比应尽量小，一般应小于0.1,外调制方式（间接调制）：,光纤通信系统的基本单元,不直接调制光源，而是在光源输出的通路上外加调制器来对光波进行调制（利用晶体的电光效应，磁光效应，声光效应），适用于各种类型的激光器。,光纤通信系统的基本单元,电光效应电场引起晶体折射率变化的现象，能够产生电光效应的变化称为电光晶体。,Mach-Zehnder Interferometer,（1）驱动电路。（2）自动功率控制电路APC（Automatic Power Control）。（3）自动温度控制电路ATC(Automatic Temperature Control)。控制在0.1的范围内。（4）光隔离器。,光纤通信系统的基本单元,2.光发射机的辅助电路,光发射模块功能框图,光发射模块实物图,光纤通信系统的基本单元,2.光纤,光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成。光纤中心部分(芯Core)同心圆状包裹层(包层Clad)涂覆层特点：ncorenclad 光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。,光纤通信系统的基本单元,根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：,不同的折射率分布，传输特性完全不同,光纤通信系统的基本单元,-数值孔径(NA),相对折射率差,n0、n1、n2-分别是空气、纤芯、包层折射率，c-芯包界面全反射临界角,代表光纤接收光的本领,大?,光纤通信系统的基本单元,阶跃型光纤,以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽。,模间色散,所有大于临界角C的光线都被限制在纤芯内。,阶跃光纤,core,cladding,光纤通信系统的基本单元,光纤 光缆实物图,光纤通信系统的基本单元,光纤通信系统的基本单元,3.光接收机,由光信号到电信号的转换装置和电信号处理装置组成，具体由光电检测器、放大器和相关电路组成。,光CATV接收模块,光纤通信系统的基本单元,是指在保证系统误码率指标要求下，接收机的最低光功率和最大允许光功率之比,灵敏度,动态范围,第一，它可以对任何比特率和格式的信号都加以放大，这种属性称之为光放大器对任何比特率和信号格式是透明的。第二，它不只是对单个信号波长，而是在一定波长范围内对若干个信号都可以放大。,光纤通信系统的基本单元,4.光放大器,光放大器的作用:,两个明显的优势:,光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大,光纤通信系统的基本单元,掺铒光纤放大器的基本结构及工作原理：,Er3+能级图,光纤通信系统的基本单元,对光纤放大器的主要要求是：高增益，低噪声，高的输出光功率，低的非线性失真,掺铒光纤放大器,光纤通信系统的基本单元,第一章 绪论(二）,光纤通信中光的作用及特性；光纤通信系统的基本单元简介；光纤通信的基本问题；光纤通信系统的主要技术指标。,损耗定义:,POUT-出纤光功率 Pin-入纤光功率,1.光纤的损耗特性,光纤损耗是通信距离的固有限制，在很大程度上决定着传输系统的中继距离，损耗的降低依赖于工艺的提高和对石英材料的研究。,若P0是入射光纤的功率，则传输功率PT为：,这里代表光纤损耗，L是光纤长度，习惯上光纤的损耗通过下式用dB/km来表示：,光纤通信的基本问题,示例,对于理想的光纤，不会有任何的损耗，对应的损耗系数为0dB/km，但在实际中这是不可能的。实际的低损耗光纤在900nm波长处的损耗为3dB/km，这表示传输1km后信号光功率将损失50，2km后损失达75(损失了6dB)。之所以可以这样进行运算，是因为用分贝表示的损耗具有可加性。,光纤通信的基本问题,1300,1550,850,紫外吸收,红外吸收,瑞利散射,0.2,2.5,损 耗(dB/km),波 长(nm),OH离子吸收峰,光纤损耗谱,损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗,光纤通信的基本问题,光纤的损耗机理(1),材料吸收紫外、红外、OH离子、金属离子吸收等，是材料本身所固有的-本征吸收损耗OH离子吸收：O-H键的基本谐振波长为2.73 m，与Si-O键的谐振波长相互影响，在光纤通信波段内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在1.39、1.24、0.95 m，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。减低OH离子浓度，减低这些吸收峰-全波光纤（AllWave 康宁）,光纤通信的基本问题,光纤的损耗机理(2),瑞利散射是一种基本损耗机理。由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起的，导致折射率本身的起伏，使光向各个方向散射。大小与4成反比，RC/4（dB/km）因而主要作用在短波长区。瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的，因而它确定了光纤损耗的最终极限。在1.55 m波段，瑞利散射引起的损耗仍达0.120.16 dB/km，是该段损耗的主要原因。,光纤通信的基本问题,光纤的损耗机理(3),辐射损耗又称弯曲损耗，包括两类：一是弯曲半径远大于光纤直径，二是光纤成缆时轴向产生的随机性微弯。定性解释：导模的部分能量在光纤包层中（消失场拖尾）与纤芯中的场一起传输。当发生弯曲时，离中心较远的消失场尾部须以较大的速度行进，以便与纤芯中的场一同前进。这有可能要求离纤芯远的消失场尾部以大于光速的速度前进，由于这是不可能的，因此这部分场将辐射出去而损耗掉。,光纤通信的基本问题,例：一根光纤长20km，衰减为0.5dB/km，一端注入功率为600W的光信号，求其输出光功率。,光纤通信的基本问题,色散(Dispersion),是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。,对数字传输而言，色散造成光脉冲的展宽，致使前后脉冲相互重叠，引起数字信号的码间串扰，造成误码率增加；对模拟传输而言，它会限制带宽，产生谐波失真，使得系统的信噪比下降。,色散的种类：模式色散 材料色散 波导色散,色度色散,光纤通信的基本问题,1.模式色散,不同入射角的光线代表不同的模式,脉冲因多个模式而起的展宽-模式色散,光纤通信的基本问题,脉冲展宽的计算,最低模式（也称为零级模式）沿中心轴线到达光纤输出端所需时间为,最高模式（以临界角传播的光线）所需时间:,脉冲展宽时间,光纤通信的基本问题,单模光纤设计的基本思路:,减小纤芯直径的尺寸,减小相对折射率,典型的单模光纤的纤芯直径和相对折射率分别是8.3m和0.37%，而渐变折射率光纤这两者的数值分别是50m和2%。,例:一阶跃折射率光纤，已知n11.486，n21.472，仅考虑模式色散，计算每1km长度的脉冲展宽。,光纤通信的基本问题,2.波导色散,进入单模光纤中的光信号功率大约只有80%在纤芯中传播，另外20%在包层传输，由于纤芯和包层有着不同的折射率，所以这两部分的传输速度不同，在包层中传播的光功率速度要更大一些，因而在光纤输出端，脉冲会展宽。,波导色散系数,光源的线宽,光纤通信的基本问题,3.材料色散,是由于纤芯材料的折射率随波长变化，使得各个模式的群速率（光脉冲包络线速度）都会随着波长的变化而造成的。,材料色散系数,光源的线宽,光纤通信的基本问题,单模光纤中波导色散和材料色散与波长的关系,光纤通信的基本问题,非线性效应,1.自相位调制SPM（Self Phase Modulation）,2.交叉相位调制XPM(Cross Phase Modulation),3.四波混频FWM(Four Wave Mixing)。,4.受激喇曼散射SRS(Stimulated Raman Scattering),5.受激布里渊散射SBS(Stimulated Brillouin Scattering),第一章 绪论(二）,光纤通信中光的作用及特性；光纤通信系统的基本单元简介；光纤通信的基本问题；光纤通信系统的主要技术指标。,光纤通信系统的主要性能指标,1.比特率,也称为信息速率，是信道上每秒钟内所传输的比特数，单位为比特/秒，写成b/s或bps，常用符号B表示。,光纤色散效应对比特率的限制,1.比特率和带宽,返回,比特率与脉冲展宽,最大比特率的计算式:,光纤通信系统的主要性能指标,光纤色散是比特率受限的主要原因。为了解决这个问题，研制出了多种类型的光纤和各种补偿色散的技术，如渐变折射率光纤，色散补偿光纤等。,2.带宽,带宽是一个频率范围，在这个频率范围之内，信号可以不失真地进行传输，它反映了模拟传输系统运载信息的能力。,光纤通信系统的主要性能指标,2.传输距离,光源最大平均输出功率,接收机探测器的最小平均接收光功率,光纤的损耗,光纤通信系统的主要性能指标,光纤的传输速率与传输距离的关系,光纤通信系统的主要性能指标,损耗限制,色散限制,3.通信容量,1.用比特率距离积BL来表示,单位是（Mbit/s）km。,2.用带宽距离积来表示，单位是MHzkm。,光纤通信系统的主要性能指标,本章小结,应掌握的基本内容:,1.光纤通信系统的基本组成,2.色散和损耗对光纤通信系统传输的影响,3.光纤通信系统主要性能指标,本节结束，谢谢！,作业：P27 1.2 1.5 1.6 1.8 1.11 1.14 1.19,
