《光传输技术》PPT课件.ppt

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1、第2章 光纤通信技术,光纤：是一种能够传送光频电磁波的介质波导。1966年，高锟等发表 了“光频介质纤维表面波导”的学术论文，提出光纤传输线的概念，当时试验的光纤损耗太大，达1千dB/km。但他们指出，经过改进光纤制造工艺，可大大降低损耗。1968年，高锟等研制出了0.85 m波长下损耗低至5dB/km的整块石英样品。1970年，美国康宁公司研制出0.6328 m波长的损耗为 20dB/km的低损耗石英光纤，开始光纤通信产业化。现在，光纤损耗已减少到每千米零点几分贝甚至更小。,1.引言,2.光纤结构与分类,一、光纤的结构,光导纤维(简称光纤)是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的。（1）纤芯：核心

2、部分，折射率为n1 石英晶体，光波在纤芯中传播。（2）包层：折射率为n2，且略小于n1，保证光的传播性能稳定。（3）保护层，保证光纤的韧度（纤芯比较脆，易折断），避免机械擦伤，保护光纤不受水汽侵蚀。,二、光纤的结构参数,（1）直径：纤芯直径和包层直径 标准纤芯直径：单模光纤：810 m 多模光纤：50 m 包层直径：均为125 m（2）相对折射率,典型值：0.5%14%。单模光纤较小，多模光纤较大,2.光纤结构与分类,（3）数值孔径：代表光纤的集光能力 光纤能接受入射光的最大入射角的正弦与入射区折射率的乘积，用NA表示。,n0sini=n1sin（n为折射率）n1sini=n2sin在纤芯与包

3、层界面,全反射临界折射角c=90o实现全反射应有:c=90o，而：,2.光纤结构与分类,（3）数值孔径：,=c=90o时有：,满足全内反射，至少要求：,此时入射角为最大入射角，根据定义：,典型值：n1=1.46，n2=1.45，NA=0.12,2.光纤结构与分类,（4）归一化频率：,定义：,纤芯的半径,传输的波长,数值孔径,意义：归一化频率是表征光纤中传输模式的物理量。,a越小，NA越小，V越小，传输模式越少。一般，当V2.405时，只能传输基膜，即单模光纤。,2.光纤结构与分类,三、光纤的分类,(1)按纤芯材料分,多成分玻璃光纤：,塑料光纤：,晶体光纤：,石英光纤（通信）：,2.光纤结构与分

4、类,损耗低，其特点是材料的光传输损耗低，有的波长（1.55 m）可低到0.2dBkm，一般均小于ldBkm。,由普通光学玻璃拉制而成，损耗较大，主要用作传光束、传像束。,用两种以上高分子材料共聚而成，价格低廉，损耗较大，温度特性差，只能用于短距离的信息传输或传光、传像用。,用晶体材料制成，如YAG光纤，可作光纤激光器或放大器。,三、光纤的分类,(2)按折射率分布分,2.光纤结构与分类,n2,n1,n2,n1,n2,n1,2a,2a,r,r=a,单模阶跃折射率光纤,多模阶跃折射率光纤,多模梯度折射率光纤,剖面折射率分布,阶跃折射率光纤：纤芯和包层折射率都是均匀的，但n1 n2，在边界处，折射率突

5、变,渐变折射率光纤：按纤芯的折射率是渐变的，中心折射率高，沿半径方向逐渐减小，包层一般是均匀的。,三、光纤的分类,(3)按传输模式分,2.光纤结构与分类,单模光纤 只能传输一种模式的光纤,多模光纤 同时传输多种模式的光纤,单模：纤芯直径 2a=212 m，纤芯包层折射率差小，(n1-n2)/n1 0.00050.01,多模：纤芯直径 2a=50500 m，纤芯包层折射率差大，0.010.02,二、光波分复用技术,1、定义 在同一根光纤中同时传输多路不同波长的信号。,2、分类,密集光波分复用：传输光波相邻波长小于10nm,稀疏光波分复用：传输光波相邻波长大于10nm（几公里）,双纤单向传输：,单

6、纤双向传输：,A,B,A,B,互不干扰，但资源浪费,节约资源，存在反射干扰,5.光纤通信中的复用技术,二、光波分复用技术,3、基本原理 在发送端将不同波长的光信号复用起来，并耦合到同一光纤中进行传输，在接收端再将不同波长的光分解，并进一步处理恢复出原信号进入不同的终端。,4、基本组成,光合波器,功率放大器,前置放大器,光分波器,发送端,接收端,光纤,5.光纤通信中的复用技术,以光为载波，以光纤为传输媒介的通信系统。,发送端,传输中继,接收端,电信号,光信号,光纤,光信号,电信号,光纤,发送端：将电信号转换成光信号，并耦合进光纤,传输中继：（1）长距离传输时的放大（2）存在色散时的脉冲整形,接收

7、端：将光信号转换成电信号，解码、还原信息,6.光纤的应用,6.1 光纤通信,远古时代的烽火台已经包含了现代通信的一些特征，烽火台的有无可以看成是一种二进制编码，光是信息载体，空气是传输介质，人眼是光监测器，烽火台则是信号源。1880年，贝尔在发明了电话之后又发明了光话，用日光作为光源，大气作为传输介质，实现了200m以内的语音信号传递，但是，由于缺乏可靠的光源和稳定低损耗传输媒介，因此光话未能实用。激光器和低损耗光纤：光通信蓬勃，光纤通信中的1g石英材料可以取代电通信中的100kg的金属材料，而且光纤通信的传输的信息量则是电通信的一万倍以上。,6.1 光纤通信,数字光纤通信系统为例，发送端的基

8、本组成,光信号,光纤,光信号,电信号,光纤,一、发送端,数字信号,光信号,增益控制温度控制保护电路,电信号,发送端,传输中继,接收端,线路编码,驱动电路,光源,控制电路,6.1光纤通信,1、光源 光源是光纤通信中最关键的器件，它产生的光波性能的好坏直接影响着光纤通信的性能。,一、发送端,主要要求：,（1）光波长必须在石英光纤的三个低损耗窗口。（0.85um，1.31um，1.55um）,（2）合适的输出功率，其大小主要取决于通信距离，光纤损耗，接收机的灵敏度等。,（3）与光纤的耦合效率要高。,6.1光纤通信,1、光源,一、发送端,主要要求：,（4）高可靠性和长寿命,（5）谱线窄，以减少色散和噪

9、声,（6）体积小、重量轻且经济实惠,（7）调制特性和温度特性要好,综合各种要求:半导体激光器（LD，与光纤的耦合效率高，最为常用）和半导体发光二极管（LED）是光纤通信中理想光源。,6.1光纤通信,二、传输中继,（1）光纤损耗 信号脉冲幅度衰减，需要放大衰减信号，Re-amplifying,中继站主要完成上述三种功能，通常称为“3R”中继机。,（2）光纤色散 信号脉冲宽度展宽，需要整形，Re-shaping,（3）接收同步时需定时时钟 经过中继站处理后须重新定时，Re-timing,6.1光纤通信,三、接收机,（1）接收到光信号以后，第一个任务就是光电转换。（2）光电转换后的电信号通常比较弱，

10、因此需要放大，信号 放大时通常分为两步：前置放大和主放大。前置放大的原因：光电检测后的信号存在各种噪声，包括发送端、传输和 光电检测电路的噪声，如果放大器再产生噪声，同信号 一起放大，将导致信号中的噪声过大，而不能正确地将 信号提取出来，因此前置放大通常采用噪声比较低的放 大器（场效应管或者双极性三极管）。主放大的原因：进一步放大，满足放大倍数的要求。,光电检测,前置放大,整形再生,光信号,电信号,主放大,输出,6.1光纤通信,三、接收机,（3）经过各种器件以后，信号已经不再是理想的脉冲，而是 发生了一定程度的变形，因此需要一次整形再生的过程 来恢复原信号，再生电路比较简单，用比较器就可以了。,光电检测,前置放大,整形再生,光信号,电信号,主放大,输出,原信号,变形信号,恢复信号,6.1光纤通信,