第六章_光纖通信

1、第6章 光纖通信本章內(nèi)容l 光纖通信概述l 光纖與光纜l 光纖通信系統(tǒng)光纖通信n指利用光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱光纖)傳輸光波信號(hào)的一種通信方式。n電磁波：長(zhǎng)波、中波、微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線。n使用光(激光器)信號(hào)，使用光纜作為傳輸介質(zhì)。波長(zhǎng)是0.81.8m衰減的單位dB = 10 log10 ( P in / Pout )Pout：輸出功率Pin ：輸入功率6.1 光纖通信概述n發(fā)展史光電話：1880年貝爾(通信距離213m)光源：激光器 梅曼(1960)n美國(guó)貝爾公司(1970) 半導(dǎo)體激光器傳光介質(zhì)：光纖 高錕(1966) n美國(guó)康寧公司(1970) 低損耗光纖n工作波長(zhǎng) 0.85m、1.31

2、m和1.55m光纖通信特點(diǎn)n1、通信容量大、通信容量大光載波頻率在10141015Hz 一根僅有頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖： 理論 可以1000 億個(gè)話路 實(shí)際 24萬(wàn)2、傳輸衰減小，中繼距離長(zhǎng)、傳輸衰減小，中繼距離長(zhǎng)20dB/km，即可實(shí)現(xiàn)通信目前損耗0.2dB/km 中繼距離 重量(8根/km)電纜 1.5km 4噸光纜 100km 60kg n3、保密性能好、保密性能好 光波在光纖中傳輸時(shí)只在其芯區(qū)進(jìn)行，基本上沒(méi)有光“泄露”出去，因此其保密性能極好。 n4、體積小、重量輕、便于、體積小、重量輕、便于施工維護(hù)施工維護(hù) 光纜的敷設(shè)方式方便靈活，既可以直埋、管道敷設(shè)，又可以水底和架空。 n5、抗電磁干擾

3、，傳輸質(zhì)量好、抗電磁干擾，傳輸質(zhì)量好 不怕外界強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾、耐腐蝕，可撓性強(qiáng)（彎曲半徑大于25 厘米時(shí)其性能不受影響）等。 n6、原材料來(lái)源豐富，潛在價(jià)格、原材料來(lái)源豐富，潛在價(jià)格低廉低廉 制造石英光纖的最基本原材料是二氧化硅,在大自然界中幾乎是取之不盡、用之不竭的。因此其潛在價(jià)格是十分低廉的。 二氧化硅組成的礦物二氧化硅組成的礦物, ,半透明或不透半透明或不透明的晶體明的晶體, ,一般乳白色一般乳白色, ,質(zhì)地堅(jiān)硬質(zhì)地堅(jiān)硬6.2 光纖與光纜 1.光纖的結(jié)構(gòu)石英玻璃、塑料或晶體纖芯(折射率大)和包層全反射光纖直徑纖芯(Core)62. 5 mm125 mm包層(Clad)CoreCore8

4、mm125 mmCladClad85m 多模單模人的頭發(fā) 光纖的分類光纖的分類n按工作波長(zhǎng)：短波長(zhǎng)(850nm)和長(zhǎng)波長(zhǎng)(1310nm、1550nm)n按傳輸模式：多模光纖和單模光纖多模光纖中光信號(hào)通過(guò)多多模光纖中光信號(hào)通過(guò)多個(gè)通路傳播，距離較短。個(gè)通路傳播，距離較短。 單模光纖的纖芯較細(xì)，使單模光纖的纖芯較細(xì)，使光線能夠直接發(fā)射到中心。光線能夠直接發(fā)射到中心。建議距離較長(zhǎng)時(shí)采用。建議距離較長(zhǎng)時(shí)采用。 n按折射率分布：按折射率分布：階躍階躍(突變突變)型型(SI)、漸變、漸變(梯梯度度)型型(GI)和和W型型n按材料：按材料：石英光纖石英光纖、塑料光纖塑料光纖等等 塑料光纖塑料光纖POF n聚

5、合物光纖(POF,Polymer Optical Fiber)n目前，制作POF主要的材料有兩類：一類是聚甲基丙烯酸甲脂聚合物（Polymer Polymethy lmethacrylate）；另一類是全氟樹脂(Perfluorinated)n缺點(diǎn)：損耗低 每公里損耗值約為數(shù)百分貝 ITU-T建議的光纖分類 nG.651光纖：計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)或接入網(wǎng)nG.652光纖：應(yīng)用最廣的單模光纖 nG.653光纖：較少采用nG.654光纖：彎曲性能好 nG.655光纖：適用于高速、大容量、高密集波分復(fù)用系統(tǒng) 2.光纜n按芯數(shù)分為單芯、雙芯、多芯n按結(jié)構(gòu)分為層絞式、骨架式、帶狀等n按敷設(shè)場(chǎng)合分為架空、直埋、管

6、道、移動(dòng)、室內(nèi)、水下、海底等n按用途分為通信用光纜和非通信用光纜加強(qiáng)加強(qiáng)元件元件加強(qiáng)加強(qiáng)元件元件加強(qiáng)加強(qiáng)元件元件加強(qiáng)加強(qiáng)元件元件加強(qiáng)加強(qiáng)元件元件光纖光纖 光纖光纖 第一條海底光纜 空中光纜空中光纜 3、光的導(dǎo)光原理光的導(dǎo)光原理光傳播的基本知識(shí)光從真空射入介質(zhì)發(fā)生折射時(shí)，入射角i與折射角r的正弦之比n叫做介質(zhì)的“絕對(duì)折射率1”，簡(jiǎn)稱“折射率”。它表示光在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)對(duì)光的一種特征。n=sin i/sin r=c/vn由于光在真空中傳播的速度最大，故其他媒質(zhì)的折射率都大于1。 n水水1.33 水晶水晶1.55n金剛石金剛石 2.42n玻璃按成分不同而為1.51.9 n空氣 20、760毫米汞

7、高 折射率為1.00027 全反射全反射n n1 1n n2 2n n1 1 n n2 2n n1 1n n2 2臨界角臨界角90900 0臨界角臨界角n n1 1n n2 2全反射全反射入射角入射角= =反射角反射角1 12 2產(chǎn)生全反射的條件：n1n2 90 臨界角臨界角1.1.光從空氣中斜射入玻璃中時(shí)光從空氣中斜射入玻璃中時(shí), ,折射光線向折射光線向 法線方向偏法線方向偏折折.( .(填填“靠近靠近”或或“遠(yuǎn)離遠(yuǎn)離”) )空氣空氣玻璃玻璃靠近靠近2.2.一束光線斜射到一塊玻璃三棱鏡上一束光線斜射到一塊玻璃三棱鏡上( (如下如下圖圖), ),畫出光折射的情況畫出光折射的情況. .光所以能在

8、光纖中傳輸，主要是纖芯和包層的共同作用。 4、突變型突變型(突變型突變型)光纖光纖n突變型光纖突變型光纖(Step Index Fiber, SIF)n突變型(階躍型)：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變的 ；n即：整個(gè)纖芯的折射率是均勻的； 階躍型光纖性能參數(shù)n相對(duì)折射指數(shù)差：n數(shù)值孔徑(NA)：2122212nnn接收錐接收錐2221max0sinnnnNA 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑(NA)n數(shù)值孔徑是表征光纖端面接收光的能力，其取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和對(duì)模式色散的影響。CCITT建議n多模光纖的NA取值范圍為0.180.23n其對(duì)應(yīng)的光纖端面接收角c=1013。 n漸變型光纖(Grad

9、edIndex Fiber, GIF) ：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小，可使高模光按正弦形式傳播；n即：纖芯折射率逐漸減?。籲 反射角逐漸增大n所謂所謂“模?！笔侵敢砸欢ń撬俣仁侵敢砸欢ń撬俣冗M(jìn)入光纖的一束光。進(jìn)入光纖的一束光。n所有發(fā)射的光都沿直線傳播，所有發(fā)射的光都沿直線傳播，這種光纖稱為單模光纖這種光纖稱為單模光纖 ；n多模光纖允許多束光在光纖中多模光纖允許多束光在光纖中同時(shí)傳播；同時(shí)傳播； 5、單模光纖、單模光纖n單模光纖（Single Mode Fiber， SMF）只能有一道光信號(hào)傳輸，使用單獨(dú)模式的光信號(hào)，無(wú)光的信號(hào)色散，傳輸距離會(huì)更長(zhǎng)，傳輸數(shù)據(jù)量也更高。單模光纖單模光

10、纖n810 mn典型距離超過(guò)5英里n用于：長(zhǎng)途電信長(zhǎng)途電視監(jiān)控及多路切換共用天線電視系統(tǒng) 6.多模光纖多模光纖n多模光纖(Multimode optical fiber MMF)n光信號(hào)可以從不同的角度進(jìn)入光纖的線芯進(jìn)行傳輸?？梢灾本€傳輸也可以使用折射和反射來(lái)向前發(fā)送信號(hào)。適用于中容量、中距離通信。適用于中容量、中距離通信。n常用光纖規(guī)格常用光纖規(guī)格： n單模： 8/125m，9/125m ，10/125m n多模： 50/125m 歐洲標(biāo)準(zhǔn)n 62.5/125m 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn) 單模和多模光纖單模和多模光纖n我們簡(jiǎn)單的作個(gè)比喻：可以把多模光纖想成是一條很寬的公路（光纖模截面寬），在這條公路上，可以

11、行駛轎車、路車和卡車（信號(hào)的模式），但是由于車型不同（信號(hào)模式不同），所以到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間也會(huì)不同。而單模光纖則可以想成是一條鐵路，雖然同時(shí)只能有一輛火車行駛，速度要高于公路。單模光纖和多模光纖比較項(xiàng)目單模光纖多模光纖距離長(zhǎng)長(zhǎng)短短數(shù)據(jù)傳輸率高高低低光源激光激光發(fā)光二極管發(fā)光二極管信號(hào)衰減小小大大端接較難較難較易較易造價(jià)高高低低 單模傳輸條件單模傳輸條件n歸一化頻率V小于其歸一化截止頻率Vc(2.405）時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)單模傳輸 單模傳輸?shù)臈l件：n1、光纖的參量 (纖芯半徑等)n2、NA必須滿足一定條件 n3、c (截止波長(zhǎng))光纖的主要損耗損耗吸收損耗吸收損耗散射損耗散射損耗其他損耗其他損耗n損耗系數(shù)

12、損耗系數(shù)(單位：Db/km)ndB/km = 10 lg( P in / Pout )/LPout：輸出功率Pin ：輸入功率 吸收損耗吸收損耗n本征吸收本征吸收：材料本身吸收小部分光能量n雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收：光纖所含的OH-和金屬離子吸收散射損耗散射損耗n由于光線的基本結(jié)構(gòu)不完美，引起的光能量損失，此時(shí)光的傳輸不再具有很好的方向性。光線光線缺陷缺陷光損耗與波長(zhǎng)光損耗與波長(zhǎng)n光損耗單位： dB/kmn與波長(zhǎng)有關(guān)n單模損耗小n波長(zhǎng)又稱為窗口光纖損耗主要存在的地點(diǎn)n光纖本身：與長(zhǎng)度和類型有關(guān)1310 nm：0.35 0.5 dB/Km1550 nm：0.2 0.3dB/Km850 nm：2.3 3.

13、4 dB/Kmn光纖連接點(diǎn)：0.2dB/Kmn設(shè)備處：3dB/km光纖的衰減光纖的衰減圖光纖的衰減圖0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 nm OH-OH-OH-第一窗口第二窗口第三窗口衰減(dB/km)水峰值6 54321近近端端遠(yuǎn)遠(yuǎn)端端信號(hào)傳播彩虹是怎么產(chǎn)生的彩虹是怎么產(chǎn)生的? ?紅花綠草的顏色是由什么決定的紅花綠草的顏色是由什么決定的? ?光光的的色色散散 光的色散光的色散結(jié)論：結(jié)論：白光不是單色光，而是由各白光不是單色光，而是由各種色光混合成的種色光混合成的 太陽(yáng)光通過(guò)三棱鏡后被分解成太陽(yáng)光通過(guò)三棱鏡后被分解成七種色光七種色光, ,依次是依次是

14、紅紅、橙、橙、黃、黃、綠、綠、藍(lán)、藍(lán)、靛、靛、紫紫. .光纖色散(Dispersion)n光纖中的信號(hào)是由不同的頻率成分或模式光纖中的信號(hào)是由不同的頻率成分或模式成分構(gòu)成的，它們是由不同的傳播速度，成分構(gòu)成的，它們是由不同的傳播速度，從而引起比較復(fù)雜的色散現(xiàn)象。從而引起比較復(fù)雜的色散現(xiàn)象。它是限制傳輸容量傳輸容量的主要因素。模式色散(模間色散)色度色散偏振模色散 光纖的色散特性光纖的色散特性1、模式色散模式色散： 定義定義：同一波長(zhǎng)光信號(hào)的不同模式成分同一波長(zhǎng)光信號(hào)的不同模式成分之間的色散，稱為模間色散或模式色散。之間的色散，稱為模間色散或模式色散。模間色散只在多模光纖中存在。模間色散只在多模

15、光纖中存在。 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因多模光纖中各個(gè)模式的光傳播的路徑和速度多模光纖中各個(gè)模式的光傳播的路徑和速度不同，使得在光纖出射端各模式的到達(dá)時(shí)不同，使得在光纖出射端各模式的到達(dá)時(shí)間不一致，產(chǎn)生時(shí)延差，引起光脈沖展寬。間不一致，產(chǎn)生時(shí)延差，引起光脈沖展寬。 模式色散模式色散 色度色散色度色散(模內(nèi)色散模內(nèi)色散) 定義定義 同一個(gè)導(dǎo)波模式的不同光波長(zhǎng)之間的色散同一個(gè)導(dǎo)波模式的不同光波長(zhǎng)之間的色散 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 光源光譜不純光源光譜不純;（材料色散）（材料色散） 光纖石英材料的折射率不是一個(gè)常數(shù)，而是隨光光纖石英材料的折射率不是一個(gè)常數(shù)，而是隨光波長(zhǎng)的增大而減小波長(zhǎng)的增大而減小; （材料色散）（

16、材料色散） 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與折射率分布等參量有關(guān)，使得不同路波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與折射率分布等參量有關(guān)，使得不同路徑光線之間的速度差是一個(gè)隨傳輸路徑變化的復(fù)徑光線之間的速度差是一個(gè)隨傳輸路徑變化的復(fù)雜函數(shù)。雜函數(shù)。（波導(dǎo)色散） 這三方面原因?qū)е峦粋€(gè)導(dǎo)波模式的不同波長(zhǎng)這三方面原因?qū)е峦粋€(gè)導(dǎo)波模式的不同波長(zhǎng)光線之間產(chǎn)生時(shí)延差，引起光脈沖展寬。光線之間產(chǎn)生時(shí)延差，引起光脈沖展寬。 3、偏振色散、偏振色散：?jiǎn)文９饫w中實(shí)際：?jiǎn)文９饫w中實(shí)際存在偏振方向相互正交的兩個(gè)基存在偏振方向相互正交的兩個(gè)基模。當(dāng)光纖中存在雙折射時(shí)，這模。當(dāng)光纖中存在雙折射時(shí)，這兩個(gè)模式的傳輸速度不同，引起兩個(gè)模式的傳輸速度不同，引起偏振色散。偏振

17、色散。6.3 光纖通信系統(tǒng) 通過(guò)光端機(jī)（向光纖中輸入光信號(hào)的設(shè)備）向光纖發(fā)出一連串明暗不同的光信號(hào) n發(fā)送單元：把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)n傳輸單元：載送光信號(hào)的介質(zhì)n接收單元：接收光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)n連接器件：連接光纖到光源、光檢測(cè)以及其它光纖光纖(Optical Fiber)系統(tǒng)方框圖信號(hào)光發(fā)射機(jī)光源中繼器檢測(cè)器光接收機(jī)信號(hào) E/O轉(zhuǎn)換光纖O/E轉(zhuǎn)換發(fā)送單元傳輸單元接收單元連接器件 光源光源n自身正在發(fā)光，且能持續(xù)發(fā)光的物體叫作光源。n光源可分為：n1.天然光源n2.人造光源（如點(diǎn)燃的蠟燭、發(fā)光的電燈、激光束等） 第一臺(tái)雙異結(jié)質(zhì)激光器n半導(dǎo)體激光器LD(Laser Diode) 首個(gè)綠光激光二

18、極管n發(fā)光二極管 LED( Light Emitting Diode): 光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī)n光發(fā)送機(jī)：將數(shù)字復(fù)用設(shè)備的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，電-光轉(zhuǎn)化n核心部件：光源 常用連接器類型常用連接器類型SC LC MT-RJ DSC VF-45 Opti-JackFC TypeSC TypeSC2 TypeFDD Type 光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器(光接收機(jī)光接收機(jī)) 光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器n光電檢測(cè)器是光纖通信系統(tǒng)中接收端機(jī)中的第一個(gè)部件，由光纖傳輸來(lái)的光信號(hào)通過(guò)它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。它是利用材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。n對(duì)其要求有：靈敏度高靈敏度高、響應(yīng)快響應(yīng)快、噪聲小噪聲小、成本低成本低和和可靠性高可靠性

19、高。 PIN和和APDn在光纖通信技術(shù)中，常用半導(dǎo)體光電二極管來(lái)檢測(cè)光信號(hào)，如：PIN光電二極管 和 APD雪崩光電二極管。n PIN是指在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體，稱為I層。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。nAPD（雪崩光電二極管）利用光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的雪崩倍增效應(yīng)，產(chǎn)生光電流的倍增作用。 光中繼器光中繼器n作用：放大衰減了的光信號(hào)n光-電-光轉(zhuǎn)換 半導(dǎo)體光放大器 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器n摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA)，是一種對(duì)光信號(hào)放大的光

20、器件。它使長(zhǎng)距離、大容量、高速率的光纖通信成為可能，是DWDM系統(tǒng)不可缺少的重要器件。在我國(guó)，武漢郵科院研制開(kāi)發(fā)的EDFA系列產(chǎn)品，是目前唯一的國(guó)產(chǎn)商用化產(chǎn)品。 光纖通信碼型要求n必須是二電平碼！n信號(hào)自帶定時(shí)信息n提供一定的冗余傳輸 6.4 SDHnE1(一次群)簡(jiǎn)介n歐洲的30路脈碼調(diào)制PCM簡(jiǎn)稱E1，速率是2.048Mbit/s 。 n1、一個(gè)E1的幀長(zhǎng)為256個(gè)bit,分為32個(gè)時(shí)隙，一個(gè)時(shí)隙為8個(gè)bit。 E1(一次群一次群)n2、每秒有8k個(gè)E1的幀通過(guò)接口，即8K*256=2048kbps。n3、每個(gè)時(shí)隙在E1幀中占8bit， 8*8k=64k(bit)n4、在E1信道中，8bit組成一個(gè)時(shí)隙（TS），由 32個(gè)時(shí)隙組成了一個(gè)幀（F），16個(gè)幀組成一個(gè)復(fù)幀（MF）。 SDHn SDH(Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字系列同步數(shù)字系列) 將復(fù)接、線路傳輸及交換功能融為一體，是美國(guó)貝爾通信技術(shù)研究所提出來(lái)的同步光網(wǎng)絡(luò)（SONET）。 2. SDH幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu) SDH幀結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字同步時(shí)分復(fù)用、保證網(wǎng)絡(luò)可靠有幀結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字同步時(shí)分復(fù)用、保證網(wǎng)絡(luò)可靠有效運(yùn)行的關(guān)鍵。效運(yùn)行的關(guān)鍵。(圖圖 5.5) 一個(gè)一個(gè)STMN幀有幀有9行，每行由行，每行由270N