现代通信技术下章光纤通信.ppt

4光纤通信,利用光导纤维传输光波信号的通信方式称为光纤通信。,4.1 概述,光波属于电磁波的范畴。属于光波范畴之内的电磁波包括紫外线、可见光和红外线。,光纤通信波长范围使用近红外区,即0.81.8m的波长区，对应的频率为167375THz,4.1 光纤通信的基本概念,图 电磁波波谱图,4.1.1 光纤通信发展历史,1880年 A.G.贝尔利用可见光做光电话机，证实光波可以携带信息,1960年 发明了新光源激光器后，极大的促进了光波通信的研究激光器特性：单色性、强方向性、高亮度发展过程：60年 固体红宝石激光器61年 氦-氖 气体激光器70年 半导体激光器（体积小、耗电少、调制速度高、使用方便）,1966年 华裔科学家高锟博士等人提出从玻璃材料中去除杂质可以制成衰减为20dB/km的光导纤维。,今天 单波长光纤通信系统的传输速率已达40Gb/s,采用DWDM技术速率已达10.9Tb/s,光纤通信无争议地成为通信网络中最为重要的基础设施,已成为全球信息基础设施GII和国家高速信息公路NII的重要组成部分,4.1.1 光纤通信发展历史,1970年 美国康宁玻璃公司根据高氏理论首先制造出衰减为20dB/km的光导纤维，使光导纤维的发展得到突破。1973年 美国贝尔研究所生产出衰减为1dB/km的低损耗光纤1976年 日本电报电话公司（NTT）制造出0.5dB/km 的低损耗光纤,1976年 在美国亚特兰大成功进行了码速率为44.7Mb/s的光通信系统性能试验,从此光通信技术进入实用化阶段,4.1.2.光通信特点,频带宽,通信容量大理论上讲一根单模光纤可利用的带宽达20THz(1THz=1012Hz)以上,现在最先进的光纤通信系统达400GHz,而一路电话带宽约占4KHz频带,一路彩色电视约占6MHz频带损耗低,中继距离长铜缆的损耗特性与缆的结构尺寸及所传输信号的频率有关,光缆的损耗特性仅与玻璃的纯度(或者说透明度)有关,高质量望远镜的镜头其损耗超过500dB/km,目前通信用光纤的最低损耗达0.2 dB/km,具有抗电磁干扰能力光导纤维是绝缘体材料,不受输电线,电气化铁路及高压设备等电器干扰,可以与高压电线平行架设,还可制成复合光缆无串话,保密性好通信质量高线径细,重量轻,柔软可制成大芯数高密度光缆单芯光缆可安装在飞机,火箭,潜艇及航天飞机上节约有色金属,原材料资源丰富可节约大量铜金属,4.1.2 光纤通信的特点,传输频带宽，通信容量大传输损耗,无中继距离长 抗电磁干扰的能力强 保密性强,使用安全另外，光纤线径细、重量轻，而且制作光纤的资源丰富。抗腐蚀、不怕潮湿。,缺点,质地脆,机械强度低光纤切断和接续需要一定的工具,设备和技术分路,耦合不灵活光纤,光缆弯曲半径不能过小(20CM)在偏僻地区存在有供电困难问题,4.1.3 光纤通信的发展趋势,、光纤向保偏光纤方向发展,、光纤通信系统的中继距离越来越长,、光纤通信系统向波分复用系统方向发展,、光纤通信系统向相干光纤通信方向发展,、光孤子传输,、光纤通信系统向全光通信方向发展,、量子光通信系统,4.1.3 光纤通信的发展趋势,普通的点到点的波分复用系统虽然有巨大的通信容量，但只提供了原始的传输带宽，必须要有灵活的节点才能实现高效灵活的组网能力。光分叉复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC）是靠光层面上的波长连接来解决节点的容量扩展问题的，单个节点容量可从160Gbit/s增加到10Tbit/s。,光传送联网的一个最新发展趋势是自动交换光网络（ASON），使光联网从静态光联网发展到自动交换光网络，使传统的传送网向业务网方向发展。,4.2.1 光纤的结构,通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心圆柱体，外层的折射率比内层低。折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n1，直径为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为n2，直径为2b。n2n1,按照光纤组成材料划分有:石英系光纤 多组分玻璃光纤 氟化物光纤 塑料光纤液芯光纤,4.2.2 光纤的分类,按照光纤的工作波长可分有:短波长(0.80.9um)光纤长波长(.um)光纤超长波长（um）光纤,按照套塑层的不同，光纤可分为可分有:紧套光纤松套光纤,4.2 光纤的分类,按照纤芯中传输模式的多少来划分 单模光纤光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，约为410m。适用于大容量、长距离的光纤通信。多模光纤在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布。多模光纤的纤芯直径约为50m。,4.2.2 光纤的分类,按照光纤横截面折射率分布不同来划分 阶跃型光纤纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，又称为均匀光纤。适合带宽窄，小容量短距离 渐变型光纤如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。适合中容量，中距离通信,4.2.2 光纤的分类,按照ITU-T建议分类(1)渐变型多模光纤(G.651光纤)工作波长两种1310(具有最小色散值)和1550(具有最小的衰减系数)目前数据通信局域网,接入网的引入光缆和室内软光缆大量使用多模光纤,按照ITU-T建议分类:(2)常规单模光纤(G.652光纤):也称非色散位移光纤,其零色散波长在1310,在波长为1550处衰减最小,但有较大的正色散.波长可选1310或1550.是使用最为广泛的光纤,(3）色散位移光纤(G.653).此光纤零色散从1310 nm移至1530 nm工作波长,实现1550处最低衰减和零色散波长一致.非常适合于长距离、单信道高速光纤通信系统。但由于进行WDM在1550处低色散存在有害的四波混频等光纤非线性效应，其正在由非零色散位移光纤所替代,4.2.2 光纤的分类,按照ITU-T建议分类:(4)1550性能最佳单模光纤(G.654光纤):特点在1550处衰减极小，弯曲性能好，工作在1310系统处于多模工作状态。主要用于传输距离很长，且不能插入有源器件的无中继海底光纤通信系统。缺点造价昂贵，很少使用,（5）非零色散位移单模光纤(G.655光纤):专门为新一代光放大密集波分复用传输系统设计和制造的新型光纤,属于色散位移光纤,不过在1550处色散值不是零值,用以平衡四波混频等非线性效应.使其能用于高速率、大容量、密集波分复用的长距离光纤通信系统中.,4.2.3 光纤的传输特性,光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。光纤每单位长度的损耗，直接关系到光纤通信系统传输距离的长短。光纤本身损耗的原因大致包括两类：吸收损耗和散射损耗。,1光纤的损耗特性,（1）吸收损耗吸收作用是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，下面主要介绍本征吸收和杂质吸收。本征吸收是光纤基本材料（例如纯SiO2）固有的吸收，并不是由杂质或者缺陷所引起的。因此，本征吸收基本上确定了任何特定材料的吸收的下限。杂质吸收。是由于光纤材料的不纯净所造成的附加吸收损耗。影响最大的是金属过渡离子和水的氢氧根离子吸收电磁波而造成的损耗,吸收损耗的大小与波长有关，对于SiO2石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，一个是紫外吸收带，一个是红外吸收带。,1光纤的损耗特性,（2）散射损耗由于光纤的材料、形状及折射指数分布等的缺陷或不均匀，光纤中传导的光散射而产生的损耗称为散射损耗。散射损耗包括线性散射损耗和非线性散射损耗。线性散射损耗主要包括瑞利散射和材料不均匀引起的散射非线性散射主要包括：受激喇曼散射和受激布里渊散射等。,1光纤的损耗特性,瑞利散射损耗瑞利散射损耗也是光纤的本征散射损耗。这种散射是由光纤材料的折射率随机性变化而引起的。瑞利散射损耗与1/4成正比，它随波长的增加而急剧减小，所以在长波长工作时，瑞利散射会大大减小。材料不均匀所引起的散射损耗结构的不均匀性以及在制作光纤的过程中产生的缺陷也可能使光线产生散射。,2光纤的色散特性,（1）什么是光纤的色散一般将光功率降到峰值一半时所对应的波长范围称为光源的谱线宽度，用表示。一个理想的光源发出的应是单色光，即谱线宽度应为零。光纤中传送的信号是由不同的频率成分和不同的模式成分构成的，它们有不同的传播速度，将会引起脉冲波形的形状发生变化。也可以从波形在时间上展宽的角度去理解，也就是光脉冲在光纤中传输，随着传输距离的加大，脉冲波形在时间上发生了展宽，这种现象称为光纤的色散。,2光纤的色散特性,图 光源的谱线宽度,2光纤的色散特性,（3）光纤中的色散模式色散：光纤中的不同模式，在同一波长下传输，各自的相位常数mn不同，它所引起的色散称为模式色散。材料色散：由于光纤材料本身的折射指数n和波长呈非线性关系，从而使光的传播速度随波长而变化，这样引起的色散称为材料色散。波导色散：光纤中同一模式在不同的频率下传输时，其相位常数不同，这样引起的色散称为波导色散。,4.2.4 光缆,光缆的型号光缆的种类较多，同其他产品一样，具有具体的型式和规格。(1)光缆的型式代号,光缆分类代号及其意义GY：通信用室(野)外光缆；GR：通信用软光缆；GJ：通信用室(局)内光缆；GS：通信用设备内光缆；GH：通信用海底光缆；GT：通信用特殊光缆；GW：通信用无金属光缆。,加强构件的代号及其意义无符号：金属加强构件；F：非金属加强构件；G：金属重型加强构件；H：非金属重型加强构件。,派生特征的代号及其意义B：扁平式结构；Z：自承式结构；T：填充式结构；S：松套结构。注：当光缆型式兼有不同派生特征时，其代号字母顺序并列。,护套的代号及其意义Y：聚乙烯护套；V：聚氯乙烯护套；U：聚氨酯护套；A：铝、聚乙烯护套；L：铝护套；Q：铅护套；G：钢护套；S：钢、铝、聚乙烯综合护套。,外护层的代号及其意义外护层是指铠装层及铠装层外面的外被层，参照国标GB2952-82的规定，外护层采用两位数字表示，各代号的意义如表所示,(2)光纤的规格代号光纤的规格代号是由光纤数目、光纤类别、光纤主要尺寸参数、传输性能和适用温度五部分组成，各部分均用代号或数字表示。光纤数目：用光缆中同类别光纤的实际有效数目的阿拉伯数字表示,光纤类别的代号及其意义 J：二氧化硅系多模渐变型光纤；T：二氧化硅系多模阶跃型(突变型)光纤；Z：二氧化硅系多模准突变型光纤；D：二氧化硅系单模光纤；X：二氧化硅纤芯塑料包层光纤；S：塑料光纤。,光纤的主要尺寸参数代号及其意义用阿拉伯数字(含小数点)以m为单位表示多模光纤的芯径/包层直径或单模光纤的模场直径/包层直径。传输性能代号及其意义光纤的传输特性代号是由使用波长、损耗系数、模式带宽的代号(分别为a、bb、cc)构成。,其中a表示使用波长的代号，其数字代号规定如下：1：使用波长在0.85m区域；2：使用波长在1.31m区域；3：使用波长在1.55m区域。bb表示损耗系数的代号，其数字依次为光缆中光纤损耗系数值(dB/km)的个位和十分位。cc表示模式带宽的代号，其数字依次是光缆中光纤模式带宽数值(MHzkm)的千位和百位数字。单模光纤无此项。,适用温度代号及其意义A：适用于-40+40；B：适用于-30+50；C：适用于-20+60；D：适用于-5+60。,4.3 光纤通信系统,图、光纤数字通信系统示意图,半导体激光器（LD）或半导体发光二极管（LED,光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）,完整的光纤通信原理框图,信道编码电路,光源驱动与控制电路,信道解码电路,光信号接收电路,2.光发射机的主要指标光发送机的指标很多，我们仅从应用的角度介绍其主要指标。(1)平均发送光功率 平均发送光功率又称为平均输出光功率，通常是指光源尾巴光纤的平均输出光功率。入纤功率越大通信距离越远,但太大会使系统工作在非线性状态.一般在0.01mW,(2)消光比消光比定义为最小平均发送光功率与最大平均发送光功率之比，通常用符号EX表示即是指全码时的平均光功率与全码时的平均光功率之比 一般要求EX,（）光谱特性对于高速光纤通信系统，光源的光谱特性成为制约系统性能的至关重要的参数指标，它影响系统的色散性能，需要仔细考虑,.光接收机的主要指标(1)光接收机灵敏度所谓光接收机灵敏度，就是指在一定误码率或信噪比(有时还要加上信号波形失真量)条件下光接收机需要接收的最小平均光功率(有时也称为平均最小输入光功率)。Sr=10lgPmin,(2)光接收机动态范围 所谓光接收机动态范围，就是指在一定误码率或信噪比(有时还要加上信号波形失真量)条件下光接收机允许的光信号平均光功率的变化范围。D=10lg(Pmax/Pmin),中继器在点对点的光纤通信系统中，为了保证通信质量，在收发端机之间适当距离上必须设有光中继器。,光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是光-电-光转换形式的中继器，另一种是在光信号上直接放大的光放大器,由一个没有码型变换的光接收机和没有功放和码型变换的的光发射机组成,4.3.5 光纤通信系统的主要性能指标误码特性 误码特性是衡量数字光纤通信系统性能的重要指标之一,它反映了数字信息在传输过程中受损害的程度,抖动特性抖动是数字信号传输过程中的一种瞬时不稳定现象，包括输入信号脉冲在某一平均位置左右变化和提取时钟在中心位置上左右变化信号的有效瞬间(例如最佳抽样瞬间)相对于理想位置的短期变化,其变化频率大于或等于10HZ称为抖动变化频率小于10HZ称为漂移产生抖动的主要原因是随机噪声，时钟提取电路中的调谐频率偏移，接收机的码间干扰控制和抑制抖动的方法采用合适的线路编码和采用“缓冲存储器”及再定时技术,可靠性与可用性可靠性与可用性是反映数字光纤通信系统发生故障的时间间隔以及每次故障的维修时间的指标包括（）平均故障间隔时间（）平均故障修复时间（）可靠性（）可用性,4光纤通信新技术,4光放大器由于光纤存在损耗和色散，每个隔一定距离就需一个光电光中继器，对信号进行放大和再生 为了能够适应光纤通信不断提高的传输速率要求，希望采用光放大方法来替代传统的中继方式光放大器能直接放大光信号，无需转换成电信号，对信号的格式和速率具有高度的透明性，使系统更加简单灵活,光放大器运用的原因:(1)WDM(2)FTTH、FTTO、FTTC的终端分支太多,表光放大器的工作机理分类,1、半导体光放大器,半导体光放大器与半导体激光器的基本原理相同，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，当外光场射入时会发生受激辐射，受激辐射产生信号增益。,半导体放大器的缺点：与光纤藕合困难，耦合损失大；对光的偏振特性较为敏感，故稳定性差；噪声及串扰较大。优点：体积小，可充分利用现有的半导体激光器技术，制作工艺成熟，且便于与其他光器件进行集成。可覆盖1310和1550波段。,2、光纤放大器（1）稀土掺杂光纤放大器,稀土掺杂光纤放大器是利用稀土掺杂物质引起的增益机制实现光放大的。其中掺铒光纤放大器EDFA的工作波长1550波段；掺镨光纤放大器PDFA的工作波长1310波段,掺铒光纤是EDFA的核心，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铒离子，这样形成一种特殊光纤。这种光纤在一定泵浦光机理下，处于低能级的Er3+可以吸收泵浦光的能量,向高能级跃迁,很快以无辐射的形式跃迁到亚稳态,从而在亚稳态和基态之间形成粒子数反转分布.当1550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.,(2)利用非线性效应制作的常规光纤放大器,这种光纤是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,其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.如:拉曼放大器FRA:其原理基于光纤中的非线性效应受激拉曼散射SRS.受激拉曼散射:高能量的泵浦光散射,将 一部分能量转移到另一频率的光束上.频率的下移量是由分子的振动模式决定的,此过程称为拉曼效应.,拉曼光纤放大器的特点:可以全波放大.其增益谱由泵浦光的波长决定放大介质是传输光纤本身,降低了成本.可以实现分布式在线放大,实现长距离的无中继传输.增益频谱宽.,4.4.2 光波分复用,由于光纤具有很宽的带宽,因此可在一根光纤中传输多个波长的光载波,这就是波分复用WDM,采用这种技术,可实现大容量的光纤通信系统,单向传输的波分复用系统示意图,4.4.3 光纤孤子通信技术,当使用大功率、窄脉冲的光源耦合进光纤时，光纤的折射率将随光强的增加而变化，产生非线性效应使脉冲压缩。而由非线性所产生的相干光脉冲称为光孤子。光孤子可以抵消光纤色散的作用，从而实现超大容量、超长距离通信的重要技术之一。,