现代通信技术下章光纤通信.ppt
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1、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)
2、,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
3、 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
4、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
5、,、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
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