第4章光纤通信系统(无水印)

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4.2 光纤与光缆
1. 光纤的结构
涂敷层 包层直径2b
包层 纤芯
包层
125μm 5~10μm 125μm
纤芯 50~70μm
2a 2b
2a 2b
纤芯直径2a
(a) 裸纤的结构
单模光纤
多模光纤
(b)光纤的尺寸
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4.2 光纤与光缆
2. 光纤的分类
按材料分:
全石英光纤 多组分玻璃光纤 塑料包层石英芯光纤 全塑料光纤
在实际网络中,无论是核心网还是接入网,目前主要应 用的是G.652光纤。在核心网中新建线路已开始采用 G.655光纤,在接入网中已开始应用光纤带光缆。
4.1 光纤通信概述
光纤通信发展简史(续)
上世纪30年代,有人提 出这样的观点:“总有 一天光通信会取代有线 和微波通信而成为通信 主流”。
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4.1 光纤通信概述
() 10 log( Po ) dB/km
L Pi
式中λ是光波波长,L是光纤长度(km),Po与 Pi分别是光纤输出和输入端的光功率.
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4.2 光纤与光缆
2.色散
理想光源应是频率单一的单色光,但现实光 源信号不纯,含有不同的波长成分,在折射率为 n1的光纤介质中传输速度不同,从而导致光信号 分量产生不同延迟,这种现象称为光纤的色散。
光缆缆芯 钢丝铠甲抗拉件 耐压层 外护层
(c) 中心强度结构无金属光缆
(d) 深海专用光缆
4.2 光纤与光缆
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4.3光纤通信系统
光纤通信系统是以光为载波,以光导纤维为传 输媒介来传输消息的通信系统。光纤通信系统主 要由电端机、光端机、光中继器和光缆组成。
光发送端 机
信源 电发送端 机
光缆
光 源
LD
控制电 路
(b) 外腔调制
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思考:
为什么不直接把原始信号变成光信号,并在 光纤中传输?
尽管电信号从远距离传输的效果上不如光纤 中的光信号,但就整个领域来看,电信号依 然是信息时代的主力。对于电信号的存储、 处理、分析、转换已经形成了相当完善的一 套机制。
4.3光纤通信系统
3. 光端机的调制方式
反射角=入射角,折射角>入射角 当入射角较大时,在交界面上,全部入射光都被反
射回水中,这就是全反射。
光纤的诞生
可以制造透明的光导体,使得入射的光波信号在其中 不断地全反向,最终传到接收端。
这种导体叫做——光导纤维
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
1950年研制出了用玻璃制成的光纤,然而损耗较大, 信号每传输10米,能量损耗达90%
光缆
中继器
中继器
光缆
光 检 测
光接收端 机
电接收端 信宿 机
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4.Байду номын сангаас光纤通信系统
1. 电发送端机
把信源消息转换成电数字信号。
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4.3光纤通信系统
2. 光发送端机
光源的调制有直接调制或外调制两种方式:
电信号 线路编 驱动电 码路
光信号 LED
电信号 线路编 驱动电 外腔调制 光信号 码路 器
控制电路 (a) 直接调制
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4.2 光纤与光缆
4.2.1 光纤的结构与分类
光纤是多层同轴圆柱体,自内向外为纤芯、包 层、涂覆层,纤芯与包层称为裸纤。包层外面 涂覆一层硅酮树脂或聚氨基甲酸乙酯 (30~150μm),然后增加保护套加以保护。
纤芯和包层是高纯度石英材料,
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光纤的构造
包层折射率略低于纤芯,与纤芯一起形成光的 全反射通道,使光波的传输局限于纤芯内。
包层 r
2a
2b
(b) 渐变型光纤折射率分布图
4.2 光纤与光缆
4.2.2 光纤的导光原理
在光学理论中,当传输媒介的几何尺寸远大于 光波波长时,可以把光表示成其传播方向上的一 条几何线,称为光射线。用光射线来分析光传播 特性的方法,称为射线法。下面通过射线法来分 析光在阶跃型光纤中的导光原理。
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4.2 光纤与光缆
3.非线性效应
非线性效应在波分复用信道间产生串话和功 率降低代价,限制光纤通信的传输容量和最大传 输距离,影响系统的设计参数。
光纤中的非线性效应分为两类:非弹性过程和 弹性过程。
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4.2.4 光缆
分类方法 按用途 按敷设方式 按传输模式 按结构 按外护套结构
光缆的分类
光缆种类 长途光缆、短途中继光缆、室内光缆、混合光缆 直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆 单模光缆、多模光缆(阶跃型、渐变型) 层绞式、骨架式、大束管式、带式、单元式 无铠装、钢带铠装、钢丝铠装
4.2 光纤与光缆
2. 光纤的分类
多模光纤中的模间色散:
不同模式的光信号走过的距离不同,入射角越小,传 播路径越长,而在纤芯中传输速度又是一样的,所以 到达接收端的时间不同,这使得不同模式的信号出现 了时间上的差距,称为模间色散。
解决方法:改变各种光的传播速度,让距离远的光, 速度加快,距离近的光,速度放慢。
传播速度由折射率决定,折射率越大,速度越低。 靠近中心的地方,传输速度较慢,让纤芯折射率较大
4.2 光纤与光缆
2. 光纤的分类
多模光纤按照折射率分布,又分为:阶跃型和渐变型
纤芯 纤芯 纤芯 纤芯
n(r)
n1 n1
n2
n2
包层
包层
r
2a
2b
(a) 阶跃型光纤折射率分布图
n(r)
n1
n2
n2
包层
光纤通信是以光波作为 载体,以光导纤维作为传 输媒介的一种通信技术。
载波:波长0.8-2微米的 近红外光波
特点:宽带、大容量、低 损耗、长中继、抗电磁干 扰、体积小、重量轻、便 于敷设等优点,成为当代
长途通信最主要的手段。
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光纤通信系统框图
如何让光波携带信息?
数字信号为“1”时,光源器件发送一个“传号”光脉 冲
1974年,美国贝尔实验室制造出1dB/km损耗的低损耗 光纤。
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
我们今天所说的光通信已不再是用可见光进行的 视觉通信,而是采用光波作为载波来传递信息的 通信方式。
两个关键问题:
一是必须有稳定的、低损耗的传输媒质;
二是必须要找到高强度的、可靠的光源。
镜或透镜
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
相比之下,由于金属中的电子可以自由移动,所 以电通信中的电缆不需要精密的几何结构
光波也是电磁波,是否能找到一种光导线,能够 方便高效地传输光波呢?
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
光的全反射:光从水(或玻璃)中射到空气中时, 在两者的交界面上,一部分光线发生反射,另一部 分发生折射。
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4.3光纤通信系统
例子:一种直接调制的共发射极驱动电路
+ Vc LED
光功率 P
输出光信号脉冲
C1
R2
O
Ui
Uo
R1
R3
电流 I
输入电信号脉冲
( a ) 共发射机驱动电路 ( b )
电脉冲信号直接调制效果图
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4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
对光源的要求
波长与低损耗“窗口”一致:0.85微米,1.31 微米或1.55微米左右
光谱单色性要好,减少色散对带宽的限制 电/光转换效率要高 发射光束的稳定性要好 调制速率高,响应速度快 温度稳定性好,可靠性高,寿命长 体积小、重量轻,安装方便,价格便宜
1966年,英籍华人高锟发现,玻璃光纤的损耗,主要 是因为其中含有铜、铁、锰等金属粒子和杂质,只要 减少杂质,提高制造水平,就能大大减小光纤的损耗
1970年,美国康宁公司拉出了第一根有实用意义的光 纤,损耗仅为 20dB/km的低损耗光纤,传输1000米, 损耗掉能量的99%,揭开光纤通信序幕。
第4章 光纤通信系统
4.1 光纤通信概述
4.2 光纤与光缆
4.3 光纤通信系统
4.4 光纤通信新技术
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4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
Bell的光电话—近代光通信的开始
1880年,贝尔发明光电话 结构:发送端有一台弧光灯作为光源,发出的光投射到话 筒的音膜上,再反射回来。接收端有一个抛物面反射镜, 其焦点上放着一个硅光电池,能将光信号转变为电信号, 末端是听筒。 原理:让声音改变音膜反射光的强弱
数字信号为“0”时,光源器件发送一个“空号”(不 发光)
光纤通信的优点
光纤通信的优点
引言
一个半世纪以来人类通信能力增长示意图
公 里 X 每 秒 比 特
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4.1 光纤通信概述
4.1.2 光纤通信的特点 不足:光纤质地脆弱
易断,敷设时的弯曲 半径不宜太小
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4.2 光纤与光缆
✓光纤与光缆的结构 ✓光纤的导光原理
多模光纤主要考虑模式色散,单模光纤主要考 虑材料色散和波导色散。
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单模光纤中的色散系数与波长关系
色散系数ps/(nm.km)
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Dm和Dw分别代表材料和波导色散
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Dm
2a=11μm
20
Dm+Dw
10
B
2a=4.5μm
-10
A
2a=11μm Dw
-20
2a=4.5μm
λ(μm)
-30
1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0
至此制约光纤通信的两个关键问题,光源和 传输媒介问题完全得到解决。光纤通信的普 及和推广获得了高速发展的基本条件。
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4.1 光纤通信概述
光纤通信发展简史(续)
1977年美国芝加哥率先开通了第一条45Mb/s的 商用光纤通信系统。
目前,国际国内长途通信传输网 的光纤化比例已经超过90%
今天,全球已敷设光缆长度超过100万km,光缆已敷 设到世界屋脊西藏。生产光缆的厂家有200多家,每年 所用光纤的数量超过400万km。
按光缆中有无金属 有金属光缆、无金属光缆
按维护方式
充油光缆、充气光缆
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几种光缆的结构
裸光纤 涂敷层 紧套被覆层 芳纶纱加强元件 外护套
(a)室内单芯软光缆
被覆光纤 中心加强芯
薄膜绕包防水层
外护层
裸光纤 套管填充 缆芯填充
聚乙烯内护套 阻水材料 涂塑钢带
聚乙烯外护套
中心加强芯
填充绳 (b) 多芯地下直埋光缆
NA sin
空气n0
θ折2

θ
θ折1 θ1
θ入 θ反
锥θ
包层n2 纤芯n1
纤芯n1 包层n2
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4.2 光纤与光缆
4.2 光纤与光缆
4.2.3 光纤的传输特性
光纤的传输特性描述的是光纤的传输损耗、色散和 非线性效应。
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4.2 光纤与光缆
1. 传输损耗
光纤传输损耗表现为随着传输距离的增加光功率逐 渐下降,主要原因是吸收和散射造成再加光纤结构不 完善导致。
4.2 光纤与光缆
2. 光纤的分类
按模式分:多模光纤,单模光纤 模式——电磁场分布
从几何学角度看,每根以不同角度入射到光纤中的光射 线都有不同于其它光射线的模式。
当光纤纤芯的几何尺寸大于光波波长时,光可以以多种 模式传输,形成多模光纤,纤芯直径约50-70μm
单模光纤纤芯直径只有5-10 μm
Bell的光电话没能得到普及使用
2
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
Bell光电话的弱点:光信号是在大气中直接传递 的,敏感、易受干扰、传输距离近(几百米)
光纤通信的瓶颈:光波在大气中被吸收、反射、 折射、干扰,严重限制了传输距离
解决方法:
挖地下管道来传输 地下通道在几何上必须严格,且要放置许多反射
✓ 直接调制(强-直调制):利用电信号调制光 波的幅度,驱动电路输出“0”、“1”脉冲信号 直接控制光源的发光强度。适用于光源为低速的 半导体发光二极管(LED)的情况。
✓ 外腔调制(相干光调制):把激光送入到外腔 调制器,然后用电数字信号控制调制器,适用于 高速激光器(LD)调制。外调制可选择调制光波 的频率或相位。
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
激光——物质(红宝石、砷化镓等)受激跃 迁辐射所发出的一种特殊光。
具有良好的相干性、单色性、方向性和极高
的亮度。
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
1960年,美国加州休斯实验室第一台固体红宝石 激光器
1961年,美国贝尔实验室氦-氢气体激光器 1970年,美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光器
4.2 光纤与光缆
1.光的反射与折射定律
θ入=θ反
sin入 n2 sin折 n1
当θ折>900时,折射光线会反射回到纤 芯进行传播,这种现象称为全反射
包层 n2
θ折
折射光
纤芯 n1
入射光
θ入 θ反
反射光
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4.2 光纤与光缆
2.光纤中的全反射传输
调整入射角θ,使得θ折2>90度而发生全反射:
具体表现为当光脉冲沿着光纤传输一定距离 后脉冲宽度展宽,严重时前后脉冲相互重叠,难 以分辨。
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4.2 光纤与光缆
光纤色散的类型
✓ 模式色散:在多模光纤中,因同一波长分量的 各种传导模式的相位不同、群速度不同而导致光 脉冲展宽的现象,称为模式色散(或模间色散)。 ✓ 材料色散:由光纤材料自身特性造成的。 ✓ 波导色散:由光纤中的光波导结构引起的。
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