第4章光纤通信系统(无水印)
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
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
26
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”。
14
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.
36
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
43
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
46
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
44
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。
45
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
23
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,
24
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。
31
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。
40
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。
16
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。
48
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
9
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
1
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
21
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
22
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。
38
单模光纤中的色散系数与波长关系
色散系数ps/(nm.km)
40
Dm和Dw分别代表材料和波导色散
30
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。
12
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
41
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
光
θ
θ折1 θ1
θ入 θ反
锥θ
包层n2 纤芯n1
纤芯n1 包层n2
33
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。
35
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
32
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。
37
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。