光纤通信的一些基础知识

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• 1966 高锟 理论预言 • 70年代,室内光纤通信实验 年代, 年代 • 76年后,实用光纤通信系统出现 年后, 年后 • 80年美国 年美国AT&T公司 公司45Mb/s光纤通信系统商用 年美国 公司 光纤通信系统商用 • 光纤通信的发展经历了短波长-长波长、多模光纤光纤通信的发展经历了短波长 长波长、多模光纤 长波长 单模光纤、低速率-高速率 高速率: 单模光纤、低速率 高速率:~10Gb/s,甚至 , 40Gb/s 、单波长 单波长-DWDM、OEO网络 全光网络 网络-全光网络 、 网络 全光网络... • 随着光纤和光器件的降价,光纤传输在向超大容 随着光纤和光器件的降价, 超长距离发展的同时, 量、超长距离发展的同时,也越来越多地用于小 容量、 容量、短距离的接入网中
光探测器
光电转换器件 要求:高效率,低噪声, 要求:高效率,低噪声,宽带 类型:光电导型—响应速度太慢 响应速度太慢, 类型:光电导型 响应速度太慢,不能用于通信 光电压型—采用反偏 采用反偏PN结 光电压型 采用反偏 结 • PN光电二极管 光电二极管 • PIN光电二极管 光电二极管 • APD雪崩光电二极管 雪崩光电二极管
光纤:多模、单模光纤比较
光纤:主要参数
传输特性 −损耗 损耗(dB/km)、色散 损耗 、色散(ps/nm.km) 等 •损耗 直接影响中继距离; 损耗 直接影响中继距离; •色散 引起光脉冲展宽和码间串扰,最终影响 色散 引起光脉冲展宽和码间串扰, 通信距离和容量。 通信距离和容量。
光纤:损耗
概述: 概述:光纤通信分类 按信息表达方式: 按信息表达方式:模拟与数字 模拟传输:有线电视 模拟传输:
— 线性度,信躁比 线性度,
数字传输: 数字传输:PDH, SDH, GE
— 速率,误码率,灵敏度 速率,误码率,
光纤:构造
• 结构特性
– 纤芯、包层、涂覆层 纤芯、包层、 – 外径:125µm、内径:50 µm(多模)4~10 外径: µ 、内径: (多模) µm(单模) (单模) – 材料:SiO2,高折射纤芯区通过掺 e和P形 材料: 高折射纤芯区通过掺G 形 成
光纤:分类
ITU-T标准光纤 标准光纤 √G.652:普通单模光纤(SSMF) :普通单模光纤( ) √G.653:色散位移光纤 :色散位移光纤(DSF) √G.654: 截止波长位移光纤(CSF),多用于海缆 截止波长位移光纤( ) √G.655:非零色散位移光纤 :非零色散位移光纤(NZ-DSF) 特种光纤: 特种光纤: 保偏光纤( 保偏光纤(PM) ) 色散补偿光纤( 色散补偿光纤(DCF) ) 掺铒光纤( 掺铒光纤(EDF)等 )
G.655 G.652 & G.654 EDFA 频带
20
G.653
10 0 -10 -20 色散 ps/nm.km) 色散(ps/nm.km)
1200
1300 波长(nm) 波长 输入脉冲
1400
1500
1600
1700
输出脉冲
+ Disp
光纤:色散
光源
• LED发光二极管 发光二极管 光谱宽,耦合功率小, 光谱宽,耦合功率小,稳定度低 适合于多模、短距离传输。 适合于多模、短距离传输。价格低 • LD激光二极管 激光二极管 光谱窄,功率大,稳定度高, 光谱窄,功率大,稳定度高,适合于 单模、长距离传输。 单模、长距离传输。价格高
光纤数字传输系统:光接收机
时钟提取与数据再生( 时钟提取与数据再生(CDR) ) 将均衡器输出的升余弦信号恢复成数字信号,包括: 将均衡器输出的升余弦信号恢复成数字信号,包括:时 钟提取电路、 钟提取电路、判决电路 要求: 要求: •抗连“0”和连“1” 抗连“ ”和连“ ” 抗连 •时钟抖动小 时钟抖动小
有关光纤通信的一些基本常识
• • • • • •
概述 光纤 光源 光探测器 光纤传输系统 新进展
概述:光通信基本概念
• 什么是通信? 什么是通信?
– “通”传送,“信”信息;信息的传送 – 基本组成:发送、传输、接收
• 什么是光通信? 什么是光通信?
– 用光波载运信息,实现通信
• 什么是光纤通信? 什么是光纤通信?
光探测器:PN光电二极管
缺点: 缺点: 响应速度慢, 响应速度慢,带宽受限 主要因素: 主要因素 光生电流中的扩散分量 解决方法: 解决方法 减小p,n区厚度 区厚度; 减小 区厚度 减少p,n区吸收的光能 减少 区吸收的光能
光探测器:PIN光电二极管
•PN结间插入的非掺杂或轻掺杂半导体材料,I区高 结间插入的非掺杂或轻掺杂半导体材料, 区高 结间插入的非掺杂或轻掺杂半导体材料 阻抗,电压基本都落在I区 使耗尽层宽度w增大 增大, 阻抗,电压基本都落在 区,使耗尽层宽度 增大, 提高响应度
光源: MLM多纵模激光器
F-P腔的作用 •方向选择 •光谱相位条件 相位条件
2kL = 2mπ 1 1 ln g = α int + RR 2L 1 2
主要参数: •工作波长 •最大rms谱宽 •出纤功率
振幅条件
光源: SLM单纵模激光器
分布反馈( 分布反馈(DFB)激光器 ) 分布布拉格反射( 分布布拉格反射(DBR)激光器 ) •分布反馈,不同的纵模具有不同的损耗,某一纵模 分布反馈,不同的纵模具有不同的损耗, 分布反馈 的损耗最小(净增益最大)而达到选模振荡条件。 的损耗最小(净增益最大)而达到选模振荡条件。 特点: 特点: •单纵模 单纵模 •窄谱线 窄谱线 •波长稳定好 波长稳定好 •线性度好 线性度好 主要参数: 主要参数: •工作波长 工作波长 •-20dB谱宽 谱宽 •边模抑制比 〉30dB 边模抑制比 •出纤功率 出纤功率
光纤数字传输系统:光接收机
光信号 光电 变换 前置 放大 主放 大器 均衡 滤波 电信号 判 决 器 时钟信号 时钟恢复 时钟提取与数据再生 (CDR)
AGC电路 电路 前端 线性通道
基本参数: 基本参数 工作波长、码速率、接收灵敏度(误码率)、 )、过载点 工作波长、码速率、接收灵敏度(误码率)、过载点
• 光学特性
– 折射率分布
√ 阶跃型光纤、梯度型光纤、三角分布、双包层 阶跃型光纤、梯度型光纤、三角分布、 (W型) 型
光纤:构造
光纤:分类
按照光纤传输模式的多少分: 按照光纤传输模式的多少分:
√ 单模光纤 √ 多模光纤
按照光纤截面折射率分布分: 按照光纤截面折射率分布分:
√ 阶跃型光纤 √ 梯度型光纤 多模光纤 梯度型光纤(多模光纤 多模光纤) √三角分布 色散位移光纤 三角分布--色散位移光纤 三角分布 色散位移光纤(DSF G.653),非零色散位 非零色散位 移光纤(NZ-DSF G.655) 移光纤
光纤数字传输系统:光接收机
误码率( 误码率(BER): ): 接收机判决电路错误确定一个比特的概率。 接收机判决电路错误确定一个比特的概率。 接收灵敏度: 接收灵敏度: 接收机工作于某一误码率(例如10 接收机工作于某一误码率(例如 -10)所要求 的最小平均接收光功率( 的最小平均接收光功率(dBm)。 。
•引起光纤损耗的主要机理: 引起光纤损耗的主要机理: 引起光纤损耗的主要机理
•光能量的吸收损耗、散射损耗、辐射损耗 光能量的吸收损耗、散射损耗、 光能量的吸收损耗
2.5
第一传输窗口
OH离子吸收峰 OH离子吸收峰
光纤带宽: 光纤带宽: 1300nm窗口约 窗口约100nm, 窗口约 , 1550nm窗口约 窗口约100nm, 窗口约 , 共200nm,约30THz ,
– 以光波载运信息,用光纤作传输媒体,实现通信
概述: 概述:光纤通信的优点
• • • • • • • 频带宽、 频带宽、信息容量大 传输损耗低、 传输损耗低、无中继距离远 材料丰富 抗电磁干扰 光纤间串话小, 光纤间串话小,保密性好 耐腐蚀、 耐腐蚀、耐高压 体积小、 体积小、质量轻
概述: 概述:光纤通信系统的发展历程
吸收 外电场加速
光探测器:材料与波长
Si:λC=1.06µm,使用范围:0.5~1.0 µm : µ ,使用范围: Ge: λC=1.6µm,使用范围:1.1~1.6 µm : µ ,使用范围: InGaAs: λC=1.6µm,使用范围:1.1~1.6 µm : µ ,使用范围:
光纤数字传输系统:结构
损 耗 (dB/km)
第二传输窗口 第三传输窗口
瑞利散射
红外吸收
0.2 850
紫外吸收
1300 1550
பைடு நூலகம்波 长 (nm)
光纤损耗谱特性
光纤:损耗
工 作 波 长 (n m ) 光 纤 损 耗 ( d B /k m )
850 2
1300 0 .4
1550 0 .2 5
光纤:色散
•光纤色散 光纤色散 信号能量中的各种频率分量由于在光纤中传输速度 不同, 不同,而引起的信号畸变 •色散类型 色散类型 •模间色散(仅多模光纤有) 模间色散( 模间色散 仅多模光纤有) •波导色散 波导色散 •材料色散 材料色散 •偏振模色散 偏振模色散
光纤:色散
G.652: 零色散波长:1300nm 零色散波长 1550色散 色散:~16~17ps/nm.km 色散 G.653: 零色散波长:1550nm 零色散波长 G.655: 1550nm色散 色散:2~6ps/nm.km 色散
光纤:色散
0.6 0.5 衰减 (dB/km) dB/km) 0.4 0.3 0.2 0.1 1100
• 拓扑结构
1 2 1 2 3 5 4 1 2 3
点对点系统
线形网络
环形网络
•系统组成 系统组成
电信号 光发射机
光纤
光接收机 无中继系统
电信号
光纤 电信号 光发射机 中继器 中继系统 光接收机 电信号
光纤数字传输系统:光发射机
数字信号
线路编码
调制电路 光信号 光源
•线路编码: 线路编码: 线路编码 消除或减少数字电信号中的直流和低频分量,以便于接收及监测。 消除或减少数字电信号中的直流和低频分量,以便于接收及监测。 大体可归纳为三类:扰码二进制、字变换码、 大体可归纳为三类:扰码二进制、字变换码、插入型码 •调制格式: 调制格式: 调制格式 归零码(RZ)、非归零码 归零码 、非归零码(NRZ),当前数字光纤通信以 ,当前数字光纤通信以NRZ为主 为主 •调制方式: 调制方式: 调制方式 强度调制-直接检测 直接检测(IM-DD),是最简单、最初级的方式。 强度调制 直接检测 ,是最简单、最初级的方式。
光探测器:PIN光电二极管
光探测器:APD光电二极管
•利用电离碰撞 1个光子产生多对电子 空穴对 有增益 利用电离碰撞, 个光子产生多对电子 空穴对,有增益 利用电离碰撞 个光子产生多对电子-空穴对
入射光-------一对电子-空穴对 一次光生电流 一对电子 空穴对 一次光生电流)-------------入射光 一对电子 空穴对(一次光生电流 与晶格碰撞电离---------多对电子 空穴对 二次光生电流) 空穴对(二次光生电流 与晶格碰撞电离 多 电子-空穴对 二次光生电流)
光纤数字传输系统:光发射机
•基本参数 基本参数 •码速率 码速率 •平均发送光功率 平均发送光功率(dBm) P=10 lg P(mW) 平均发送光功率 -10dBm相当于 毫瓦 相当于0.1毫瓦 相当于 •眼图(模板) 眼图( 眼图 模板) •消光比 •消光比(dB) EX=10 lg (P1/P0) 消光比(dB) •光谱特性 光谱特性 •波长 波长 •最大均方根宽度 最大均方根宽度(MLM) 最大均方根宽度 •最大 最大20dB跌落宽度 跌落宽度(SLM) 最大 跌落宽度 •最小边模抑制比 最小边模抑制比(SMSR) SMSR=10lg(M1/M2) 最小边模抑制比
•定义 定义
损耗
α (dB km ) = −
P 10 log10 out P L in
L--光纤长度,POUT--出纤光功率, Pin--入纤光功率 光纤长度, 出纤光功率, 光纤长度 出纤光功率 入纤光功率 1dB 损耗相当于损失 20%光功率 光功率 3dB 损耗相当于损失 50%光功率 光功率 10dB 损耗相当于损失 90%光功率 光功率
光纤数字传输系统:光接收机
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