《光纤通信概念》PPT课件.ppt
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1、第1章绪论,光纤通信概念光纤通信系统的基本单元光纤通信的基本问题光纤通信系统的主要性能指标光纤通信技术的回顾和展望,1.1 光纤通信概念1.1.1 什么是光纤通信 通信是各种形式信息的有效传递,为了实现这一目的,需要相应的技术设备和传输介质。我们以调幅广播为例,话音信号经过话筒后转变为电信号,然后借助于频率范围是526.51605.5kHz的载波,将信号“装载”到载波上通过发射天线发送出去,在接收端由接收天线再将其“卸载”下来,这个过程称为信号的调制和解调。调幅广播的传输介质是大气信道。而光纤通信则是用光作为信息的载体,以光纤作为传输介质的一种通信方式。它首先要在发射端将需传送的电话、电报、图
2、像和数据等信号进行光电转换,即将电信号变成光信号,再经光纤传输到接收端,接收端将接收到的光信号转变成电信号,最后还原成消息。图为光纤通信系统示意图。,图1.1.1 光纤通信系统的构成,基本单元为三个部分:光发射机、光纤和光接收机。光发射机由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置组成,光源是其核心部件,由半导体发光二极管LED(Light Emission Diode)或者激光二极管LD(Laser Diode)构成;光纤在实用系统中一般以光缆的形式存在;光接收机由光检测器、放大电路和信号恢复电路组成。光发射机和光接收机也称为光端机。在光纤通信系统中还包括大量的有源
3、、无源光器件,图中示出的连接器起着各种设备与光纤之间的连接作用,光耦合器用于需要将传输的光分路或合路的场合,光放大器起着对光波放大的作用,用于弥补光信号传输一定距离后,因光纤衰减致使的光功率减弱。,1.1.2 光纤通信中光的作用及特性在光纤通信系统中,光是信息的载体,光必须经过光纤传播,而在光发射机和光接收机中,核心部件承担着电/光、光/电的转换,可见光在光纤通信中的重要地位。光的性质有很多,下面我们围绕光在光纤通信中的作用进行讨论。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。我们以模拟信号为例,说明信号携带的信息量与其所
4、占的带宽有关。比如,话音信号的带宽约为4kHz,电视图像信号的带宽为6MHz,显然电视图像的信息量比话音信号大。所以信号占据的频带宽,意味着携带的信息量大,则传输该信号的信道带宽也要随之增大。信道容量与信道带宽之间的关系可由香农哈特利(Shannon-Hartley)定理决定:(1.1.1)式中,C为信道容量(单位为比特/秒,bps),B为信道带宽(单位为赫兹,Hz),SNR是信号功率与噪声功率的比值,称之为信噪比。由(1.1.1)式可见,增加信道带宽可以有效地提高信道容量。信道的带宽又取决于载波的频率,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。按经验,带宽大约为载波信号频率
5、的十分之一。从图的通信用电磁波频谱可见,双绞线的工作频率可以到300kHz,同轴电缆为1GHz,微波波导传输信号的频率可高达100GHz,而光纤通信所用光的频率范围为100THz到1000THz,根据估计,其带宽可达50THz。目前单波长信号速率已达到40Gbit/s,已经实现了单根光纤传输容量为10.96Tb/s的实验系统。,2.光在光纤中传输的工作波长是由光纤特性决定的 可见光的波长范围为400nm700nm,从理论上来说,光还包括紫外线和红外线,其波长范围大约为3nm3106nm,光纤通信光源使用的波长范围在近红外区内,波长在800nm1700nm之间,属于不可见光,但这个范围的光不是都
6、可以在光纤中传输的。事实上光纤对不同波长的光呈现的传输特性是有很大差别的,这里我们主要考虑光纤的衰减特性,也称为损耗特性,因为低损耗是实现光信号长距离无中继传输的前提。光纤的损耗包含两个方面:一是因光纤材料(石英)和结构引起的吸收、散射等造成的损耗,二是组成系统时所产生的损耗,例如接插件连接损耗、弯曲损耗等,在此仅说明光纤本身的损耗。图是一个典型的石英光纤损耗谱,由图可见,大约在850nm、1300nm和1550nm处有三个低损耗窗口,也称为透光窗口。第一代光纤通信系统工作在850nm附近,早期制造的光纤在这个区域有局部的最小损耗。通过降低光纤材料中氢氧根离子和金属离子的含量,已经可以制造在1
7、100nm到1600nm范围内损耗极低的光纤,目前常用的工作波长在1310nm和1550nm处。三个窗口的衰减分别为:850nm附近为2dB/km,1310nm附近为0.5dB/km,在1550nm附近为0.2dB/km。我们把15301565nm的波长范围称为C波段,这是目前高速大容量长距离系统常用的波段。,图1.1.3 光纤损耗的波长特性,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发射机和光接收机中的光源和光检测器是基于半导体材料对光的辐射与吸收机理工作的。半导体材料的导电特性介于金属和绝缘体之间,其导电特性可以借助于图所示的能带图来解释,纵轴表示能量,横轴长度没有意义。如果导
8、带EC上的电子跃迁到价带EV上,就会将其间的能量差(也称能带差)以光的形式放出,光子的频率与能带差的关系为()或者()式中为普朗克常数(h6.6251034Js),为光速,的单位是电子伏特(),的单位为微米()。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。半导体发光二极管LED的工作正是基于电子从高能带跃迁到低能带将电能转变为光能的机理。把电流注入到半导体中的PN结上,则原子中占据低能带的电子被激励到高能带后,再跃迁到低能带上,它们将自发辐射出光子,如图(a)所示。,高能带中的电子实际上处于不同的能级,不可能都恰好带有相同的能量,当它们自发辐射到低能带的不同能级上时,根据
9、()式可知,这些光波的频率并不完全一样。另外这些光波还具有不同的相位和偏振方向,因此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。低能带高能带EC3EV2hEC2EC1EV3EV1h低能带高能带EC3EV2hEC2EC1EV3EV1h输入光Eg光检测器的工作过程则与LED相反,如果把能量大于的光照射到半导体材料上,则处于低能带的电子吸收该能量后被激励而跃迁到高能带上,我们可以通过在半导体PN结上外加电场,将处于高能带的电子取出,从而使光能转变为电能,如图(b)所示。,(a)光的自发辐射(发光二极管)(b)光的吸收(光检测器),(c)光的受激发射(激光二极管)图1.1.5 半
10、导体中光的自发辐射、受激发射和吸收,激光二极管LD的工作机理为受激发射,即在入射光的激发下,产生与入射光频率、相位、偏振方向及传播方向一样的发射光,当然,后者的强度远远大于前者,见图(c)。要实现受激发射需要两个条件:一是高能带上的电子密度要大于低能带上的电子密度,这种状态称为粒子数反转,可采用通过向半导体激光二极管注入正向电流的方式来实现粒子数反转;二是半导体激光器中必须存在光子谐振腔,并在谐振腔里建立起确定的振荡,从而得到单色性和方向性好的激光输出。,1.1.3 光纤通信的优势光纤通信与其它通信手段的主要区别有两点,一是载波频率很高;二是用光纤作为传输介质,其优势体现在以下几个方面:1.信
11、道带宽极宽,传输容量大随着社会信息化进程的发展,人们对通信的依赖程度越来越高,对通信系统运载信息能力的要求也日趋增强,有线通信从明线发展到电缆,无线通信从短波发展到微波和毫米波,都是试图通过提高载波频率来提高信道容量,而光纤中传输的光波是迄今为止使用频率最高的载波,其传输容量无疑是最高的。限于器件等技术因素的制约,目前光纤通信应有通信能力并没有完全发挥出来。例如,理论上一个光纤可以同时传输近100亿路电话和1000万路电视节目,而实用水平为每对光纤传输48万多路电话信号。在实际使用中,常使用组合光纤数不等的光缆,加之一些新技术的应用,如密集波分复用技术,其传输容量可以满足任何条件下信息传输的需
12、要。,2.中继距离长所谓中继距离是指传输线路上不加放大器时信号所能传输的最大距离。当信号在传输线上传输时,由于传输线的损耗会使信号不断衰减,信号传输的距离越长,其衰减程度就越多,当信号衰减到一定程度后,对方就收不到信号。为了延长通信的距离往往要在传输线路上设置一些放大器,也称为中继器,将衰减了的信号放大后再继续传输,显然,中继器越多,传输线的成本就越高,通信的可靠性也会降低,若某一中继器出现故障,就会影响全线的通信。在通信系统设计中,传输线路的损耗是要考虑的基本因素,表1.1列出了电缆和光纤每千米传输损耗,可见,光纤的传输损耗较之电缆要小很多,所以能实现很长的中继距离,在1550nm波长区,光
13、纤的衰减系统可低至0.2dB/km,它对降低通信成本,提高通信的可靠性及稳定性具有特别重大的意义。目前,光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200多公里,而同轴电缆系统的最大中继距离仅为6公里。,3.抗干扰干扰是影响通信质量的重要原因,对通信系统形成干扰的干扰源很多,有天然干扰源,如雷电、电离层的变化和太阳黑子活动等;有工业干扰源,如电动机和高压电力线;还有无线通信的相互干扰等,干扰对通信系统的影响是通过干扰信号频谱落在通信系统工作频谱范围内产生的,为了降低干扰的影响,人们采取了数字通信、差错控制编码等措施,但并不能完全消除干扰对通信指标的劣化。而光纤中传输的光信号特定的频率范围,使它不易受
14、各种电磁干扰的影响。同时光纤是由高纯度的二氧化硅材料制成的,不导电,也无电感效应,所以光纤通信系统可以从根本上解决多年来困扰人们的干扰问题。4.保密性好保密性好是通信系统又一重要要求。保密要求已从国家政治、军事、经济情报范畴扩展到企业经济、技术乃至个人通信领域。对信息的窃取通常有三个途径:一是直接接入式窃听;二是窃听计算机和终端设备辐射的电磁场;三是窃听电缆源辐射的电磁场。对于第一种窃听可以采取保密口令,信息加密等技术;对于第二种窃听可以采取加强电磁屏蔽措施,但电缆系统的完全屏蔽通常是比较困难的,现代侦听技术已能做到在离同轴电缆几千米的地方窃听电缆中传输的信号。但光波在光纤中传输,不易泄漏出来
15、,难于用传统的方法窃听其中的信息,同时,它也不会干扰其它通讯设备的正常工作。,5.节约有色金属光纤的主要原材料是来源丰富的二氧化硅。据测量,从上海至北京铺设一条电缆线路需要用铜800吨,铅300吨。如果用光纤代替铜、铅等有色金属。在保持同样的传输容量下,仅需要10公斤石英。因此,光纤通信技术的推广将节约大量的金属材料,具有合理使用地球资源的意义。除上述列举的优势外,光纤还具有线径细、重量轻、寿命长等优点。光缆的直径很小,144芯光缆横截面直径不到18毫米,而标准同轴电缆为47毫米,利用光纤这个特点可以解决地下管道拥挤问题。由于光纤的重量轻,它被应用于飞机制造上,不但降低了通信设备的成本和飞机制
16、造的成本,而且提高了通信系统的抗干扰能力和飞机设计的灵活性。由于光纤通信的诸多许多优点,除了在公用通信和专用通信中使用外,它还在其它许多领域,如测量、传感、自动控制及医疗卫生等方面得到了广泛的应用。光纤本身也存在一些缺陷。光纤在生产过程中光纤表面存在微裂纹,从而使光纤的抗拉强度低;光纤的连接必须使用专门的工具和仪表,光分路、耦合不是十分方便,光纤弯曲半径不能太小等,这些缺陷的影响在实际工程和维护工作中都可以避免或解决。,1.2 光纤通信系统的基本单元在上节中,我们已经对光纤通信系统的构成作了初步介绍。光纤通信系统的基本单元是由光发射机、光纤和光接收机三部分构成的,这节进一步讨论这三部分的功能。
17、1.2.1 光发射机1.光源及其调制方式如前所述,光发射机由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置组成,而光源是光发射机的核心部件。目前光纤通信系统中常用的光源有发光二极管LED和激光器LD两种,这两种器件都是用半导体材料制成,其主要参数和性能的比较如表1.2所示。,光纤通信系统中对光源的要求有以下几个方面:(1)光源发射的峰值波长必须位于光纤低损耗窗口之内,即为850nm,1310nm和1550nm。(2)输出的光功率要足够高并且稳定。(3)电光转换效率高,驱动功率低,寿命长,可靠性高。(4)单色性和方向性好,以减小光纤材料色散效应,提高光源和光纤的耦合效率。(
18、5)调制特性好,响应速度快,以利于高速率、大容量数字信号的传输。(6)输出特性(功率与电流的特性曲线)的线性度较高,减小模拟调制时的非线性失真。图示出了LED和LD的外形图和其输出特性。对于LD而言,当驱动电流由零开始增加时,输出功率增加并不多,只有当驱动电流大于阈值Ith后,输出光功率才明显增加。随着驱动电流的增加,输出光功率的增加很快。对于LED而言,其输出特性基本呈线性。,(a)LED外形图和输出特性,(b)LD外形图和输出特性图1.2.1 光源的外形和特性,输入到光发射机的电信号要转换成适合驱动光源的电流信号后,才能加到光源上。电流信号可以是模拟信号(如有线电视系统中使用的视频信号),
19、也可以是数字信号(如计算机数据),由于光源输出的光功率与驱动电流的关系可知,当输入信号是模拟信号时,选择合适的工作点,可以得到变化规律相同的光功率信号。显然,输出特性的线性度越高,电光转换时的失真就越小。图1.2.2(a)示出了模拟信号对光源调制的工作过程,图(b)为数字信号对光源调制过程。,(a)模拟电流信号对激光器的调制(b)数字电流信号对激光器的调制图1.2.2 电信号对光源的调制过程,在此需要说明消光比的概念。消光比(Extinction Ratio)是分别代表逻辑1和逻辑0的最大功率和最小功率之比,通常以dB为单位来衡量,它是数字传输时光源的一项重要参数。作为一个调制好的光源希望全0
20、码时没有光功率输出,否则它将使光纤系统产生噪声,造成接收机灵敏度降低。需要说明的是,我国对消光比的传统定义与上述刚好相反。电信号对光源的调制从方式来分有两种方式:一种称为直接强度调制(Intensity Modulation)如图表明的那样,即用电信号对光源的注入电流进行调制,然后使输出光波的强度随调制信号而变化。图(a)为直接强度调制机原理框图。直接调制光载波的方式用得比较多,但由于它本质上是电领域的调试方式,所以受激光二极管调制特性的限制。当光纤通信向着大容量高速化方向发展时,半导体光源本身的调制特性满足不了要求,则需要采用另一种调制方式-外调制方式来达到目的。图(b)示出了使用外调制器的
21、光信号调制原理图。,(a)直接调制(b)外调制图1.2.3 直接调制与外调制,外调制器是利用晶体的电光、磁光和声光等效应对光辐射进行调制,即在光源光辐射产生后再加载调制信号,外调制器放置在光源输出端的光路上,在调制器上加调制电压后,使激光器输出的连续波,通过调制器转换成一个随时间变化的光输出信号。目前在光纤通信系统使用的外调制器通常是铌酸锂(LiNbO3)电光调制器,它采用了一个集成光学马赫-曾特(MachZehnder)构成,简称为MZ调制器,图示出了一种双电极驱动构成的铌酸锂光调制器的电光路框图。,图1.2.4 双电极驱动的LiNbO3光调制器的电光路框图,2.光发射机的辅助电路除光源外,
22、光发射机还有与之匹配的直流偏置驱动电路,阻抗匹配电路,防止光从光纤返回的光隔离器,监视光源发射功率的监视光电二极管,自动功率控制电路和使光源恒温工作的温度控制系统。下面对其中主要部件的功能作简单的介绍。(1)驱动电路。对于直接强度调制的光源,必须给它提供恒定偏置电流和已调制的信号,它才能正常工作。这个功能是由驱动电路完成的。一般来说,驱动电路是一种电流开关电路。对它的基本要求是:既要有快的开关速度,又要保持良好的电流脉冲波形,另外,还得考虑其温度系数。因为环境温度的波动会引起供给电流的波动,所以现在几乎所有高性能的激光二极管都已采用具有可调节电流和温控装置的电路。(2)自动功率控制电路APC(
23、Automatic Power Control)。激光二极管恒定的光输出功率对保证通信系统的正常工作有着至关重要的意义。而事实上,激光二极管的阈值电流容易随温度和器件的老化而变化,从而引起输出光功率的变化,所以必须配置自动功率控制电路。通过设置在激光二极管后出光面的光电二极管对输出光的强度进行监测。光电二极管的输出被反馈给驱动电路,当光输出功率下降时,驱动电流增加,反之则减小,始终保持输出光功率为一恒定值。,(3)自动温度控制电路ATC(Automatic Temperature Control)。激光二极管的许多关键因素(波长、阈值电流、效率、PI特性、斜率等)都与二极管的结温有着密切的关系
24、,比如,对于1550nm器件,每增加摄氏1度,频率变化13GHZ。工作温度还与激光二极管的寿命密切相关。据估算,每30的温升会使其寿命降低一个数量级。因此,期望激光二极管工作时有尽可能低的和稳定的温度。帕尔帖(Peltier)温控装置是常用的一种激光二极管温度控制部件。它利用半导体材料的帕尔帖效应制成。P型和N型两种不同的半导体组成电偶,当直流电流通过时,一端吸收热量而另一端放出热量,这种效应就称之为帕尔帖效应,可见帕尔帖温控组件是一种转移热的热电半导体器件,也称热电制冷器。它的散热方向取决于电流流动的方向,通常,由反馈回路中的温度传感器(热敏电阻)控制供给温控装置组件电流的大小和极性。自动温
25、度控制电路可使激光二极管的结温变化控制在0.1的范围内。(4)光隔离器。光隔离器的作用是保护光源的激活区免受回射光的影响。实际上,当激光入射到光纤的端面时,其中的一部分将被反射回光源处。此外,连接器和机械接头也会将光反射回激光二极管。而光源(特别是激光二极管)对这一反射光是十分敏感的,它会增加LD的相对强度噪声(光源的一项噪声指标),从而影响整个光纤通信系统的性能。,现在,人们已经将激光二极管、监视光电二极管、光隔离器、热电制冷器、温度传感器、控制电路、驱动电路、自动温度控制电路、自动功率控制电路、尾纤等制成为光发射模块,集成在一个管壳内并组成光发射功能的器件,这样器件功能更加完善,性能也更加
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