第2章傳輸系統(tǒng)-光纖通信概述

1、光纖通信原理第一部分 概述 3000多年前，人們就開始利用光進行通信，但光通信的真正飛躍是在光纖出現(xiàn)之后，由于光纖無可比擬的優(yōu)越性，在短短的幾十年中迅速地取代了電通信的地位，通信速率由幾M發(fā)展到單信道10G，40G。1-1 光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀 1-1-1 早期的光通信 幾千年前，中國就有火光通信：烽火臺，它是世界上最早的光通信，因為它具有光通信的基本要素：光源、接受光源、接受器、信息加在光波上和光通道。器、信息加在光波上和光通道。 1880年，貝爾發(fā)明了光電話光電話，它是現(xiàn)代光通信的開端，但由于找不到實用的傳輸手段而夭折夭折。1-1-2 光纖通信 1950年曾出現(xiàn)過導光用的玻璃纖維，但損耗高

2、達損耗高達1000db/Km，這天文數(shù)字的損耗量，使有人認為光纖傳輸無實際意義。 1960年，英籍華人高錕指出：如能將年，英籍華人高錕指出：如能將光纖中過渡金屬離子減少到最低限度，光纖中過渡金屬離子減少到最低限度，有可能使光纖的損耗減少到有可能使光纖的損耗減少到1 db/Km，信，信息容量可能超過息容量可能超過100MHz。 1970年美國康寧公司拉出了損耗損耗20 db/Km的光纖。 現(xiàn)在光纖的無中繼傳輸已達幾萬公里，NEC公司在實驗室完成了10T以上容量的傳輸。 光纖通信的前途一片光明光纖通信的前途一片光明。1-2 光纖通信的主要特性1-2-1 光纖通信的優(yōu)點光纖通信的優(yōu)點 1、容量大、容

3、量大 目前商用系統(tǒng)單信道目前商用系統(tǒng)單信道10G，多信道，多信道1600G。 如果能消除如果能消除OH吸收峰，帶寬可達吸收峰，帶寬可達140T。 2、損耗低、中繼距離長、損耗低、中繼距離長 目前，實用的光纖通信系統(tǒng)使用的目前，實用的光纖通信系統(tǒng)使用的石英光纖在石英光纖在1.55微米波長區(qū)的損耗為微米波長區(qū)的損耗為0.18 db/Km，比已知的其他通信線路的損耗，比已知的其他通信線路的損耗低得多。如果今后采用非石英光纖，并低得多。如果今后采用非石英光纖，并工作在超長波長（大于工作在超長波長（大于2微米），光纖損微米），光纖損耗的理論系數(shù)可以下降到耗的理論系數(shù)可以下降到1/1000-1/10000

4、0 db/Km，光纖的無中繼傳輸可，光纖的無中繼傳輸可達幾萬公里，在任何情況下都可以不要達幾萬公里，在任何情況下都可以不要再生中繼。再生中繼。 3、抗干擾能力強、抗干擾能力強 光導纖維是不導電的，電磁波在其中不會產(chǎn)生感生電動勢，即不會產(chǎn)生與信號無關的噪聲。 4、保密性好、保密性好 電通信方式很容易被人竊聽，而光纖中傳送的光波被限制在光纖內部，很少會跑到光纖之外。即使在彎曲半徑很小的位置光泄漏也十分微弱。 5、體積小，重量輕、體積小，重量輕 目前常用的光纖纖芯直徑只有幾微米，加上包層直徑是125微米，500米只有50克。一公里四管同軸電纜重4400公斤，而一公里四芯光纜只200公斤，是電纜的是電

5、纜的二十分之一也不到。二十分之一也不到。 6、節(jié)約有色金屬和原材料、節(jié)約有色金屬和原材料 光纖的主要成分是二氧化硅，占地球占地球重量的重量的24%，而生產(chǎn)電纜需要大量的銅和鉛，在地球上快成為“稀有金屬”了。1-3-2 光纖通信系統(tǒng)的分類 根據(jù)調制信號的類型：模擬、數(shù)字模擬、數(shù)字。 根據(jù)光源的調制方式：直接、間接直接、間接。 根據(jù)光纖的傳導模數(shù)量：多模、單模多模、單模。 根據(jù)工作波長：短波長、長波長、超長短波長、長波長、超長波長。波長。第二部分 光纖的傳輸特性 光纖的特性很多，基本上可以分為幾何尺寸特性、光學特性、傳輸特性、機械特性和溫度特性五類。其中最主要最主要的是光纖的傳輸特性。的是光纖的傳

6、輸特性。2-1 光纖的損耗特性 光纖通信是隨著光纖損耗的不斷降光纖通信是隨著光纖損耗的不斷降低而發(fā)展起來的低而發(fā)展起來的，造成光纖損耗的原因很多，其損耗機理也很復雜。主要有三主要有三類：吸收損耗、散射損耗和彎曲損耗。類：吸收損耗、散射損耗和彎曲損耗。2-1-1 吸收損耗 吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過渡金屬離子和氫氧根離子等雜質對光的吸收而產(chǎn)生的損耗，前者是由光纖材料本身的特性所決定的，稱為本征吸收損耗。本征吸收損耗 本征吸收損耗是固有的本征吸收損耗是固有的，他包括紫外吸收損耗和紅外吸收損耗。 紫外吸收損耗對于波長小于0.4微米的光波表現(xiàn)得特別強烈，形成紫外吸收帶。 紅外吸收損耗對于

7、波長大于2微米的光波表現(xiàn)得特別強烈，形成紅外吸收帶。 雜質吸收損耗 雜質吸收損耗可以隨雜質濃度的降雜質吸收損耗可以隨雜質濃度的降低而減小，直至清除。因此得到一個很低而減小，直至清除。因此得到一個很寬的低損耗波長窗口寬的低損耗波長窗口，有利于波分復用，有利于波分復用（WDM）。）。原子缺陷吸收損耗 原子缺陷吸收損耗可以通過選用合適的制造工藝，不同的摻雜材料及含量使之減小到可以忽略不記的程度。2-1-2 散射損耗 光線通過均勻透明介質時，從側面是難以看到光線的，如果介質不均勻，如空氣中漂浮的大量灰塵，我們便可以從側面清晰地看到光束的軌跡。這是由于介質中的不均勻性使光線四面八方散開的結果，這種現(xiàn)象稱

8、之為散射。散射損耗是以光能的形式把能量輻射出光纖之外的一種損耗。散射損耗可分為線性散射損耗和非線性散射損耗。2-1-3 彎曲損耗 光纖的彎曲有兩種形式：一種是曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，我們習慣稱為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產(chǎn)生微米級的彎曲，這種高頻彎曲習慣稱為微彎。為了盡量減小這種損耗，施工過程中嚴格規(guī)定了光纖光纜的允許施工過程中嚴格規(guī)定了光纖光纜的允許彎曲半徑，使彎曲損耗降低到可以忽略彎曲半徑，使彎曲損耗降低到可以忽略不記的程度。不記的程度。2-2 光纖的色散特性 2-2-1 色散的概念 在物理光學中，色散是指由于某種物理原因使具有不同波長的光經(jīng)過透明介質后被散開的現(xiàn)象。 在光纖傳

9、輸理論中，借用了這一古老的術語表達了新的內容。在光纖中，在光纖中，光信號是由許多不同的成分（模式、頻光信號是由許多不同的成分（模式、頻率）組成的，其傳播速度不同，經(jīng)過一率）組成的，其傳播速度不同，經(jīng)過一段距離后，出現(xiàn)了時延差，從而引起信段距離后，出現(xiàn)了時延差，從而引起信號畸變，這種現(xiàn)象稱為色散。號畸變，這種現(xiàn)象稱為色散。2-2-2 模式色散 模式色散一般存在于多模光纖中模式色散一般存在于多模光纖中，由于在多模光纖中存在多個模式，其傳播速度不同，使光脈沖展寬，最終影響光纖的帶寬，即多模光纖的帶寬遠小于多模光纖的帶寬遠小于單模光纖。單模光纖。 理想的單模光纖在由于只傳輸一個理想的單模光纖在由于只傳

10、輸一個模式（基模），不存在模式色散，因此模式（基模），不存在模式色散，因此有較高的帶寬，被廣泛采用。有較高的帶寬，被廣泛采用。2-2-3 材料色散 光纖材料的折射率隨光波長的變化而變化，從而引起光脈沖展寬的現(xiàn)象稱為材料色散。光纖的材料色散遠小于模式光纖的材料色散遠小于模式色散，是影響單模光纖帶寬的主要原因。色散，是影響單模光纖帶寬的主要原因。 為什么？2-2-6 總色散 光纖中存在著模式色散、材料色散、波導色散和極化色散，這幾種色散的大小有下列關系：模式色散模式色散材料色散材料色散波波導色散導色散極化色散極化色散。由于極化色散很小，一般忽略不計。在多模光纖中，主要存在模式色散、材料色散和波導色

11、散；單單模光纖中不存在模式色散，而只存在材模光纖中不存在模式色散，而只存在材料色散和波導色散。料色散和波導色散。2-3 典型光纖參數(shù) G651光纖稱為漸變型多模光纖，這種光纖在光纖通信發(fā)展初期廣泛應用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)中。 G652光纖稱為常規(guī)單模光纖，其特點是光纖稱為常規(guī)單模光纖，其特點是在波長在波長1.31微米處色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離微米處色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離一般只受損耗的限制。一般只受損耗的限制。 G653光纖稱為色散位移光纖，其特點是光纖稱為色散位移光纖，其特點是在波長在波長1.55微米處色散為零，損耗又最小。微米處色散為零，損耗又最小。G653光纖適用于大容量長距離

12、通信系統(tǒng)中。光纖適用于大容量長距離通信系統(tǒng)中。 G654光纖稱為截止波長光纖，其特點是在波長1.31微米處色散為零。 G655光纖稱為非零色散位移光纖，光纖稱為非零色散位移光纖，是一種改進的色散位移光纖。在密集波是一種改進的色散位移光纖。在密集波分復用（分復用（DWDM）系統(tǒng)中）系統(tǒng)中。 隨著傳輸速率的提高隨著傳輸速率的提高,傳輸距離的加傳輸距離的加長和波分復用技術的實用化長和波分復用技術的實用化,工作在傳輸工作在傳輸損耗最低區(qū)域損耗最低區(qū)域(1.55微米附近微米附近)的非零色散的非零色散位移光纖將獲得迅速的發(fā)展。位移光纖將獲得迅速的發(fā)展。無源器件與有源器件 光纖通信中所用的光器件可分成光光有

13、源器件和光無源器件有源器件和光無源器件兩大類。區(qū)別在于其內部是否發(fā)生光電轉換。有光電轉有光電轉換就稱為光有源器件換就稱為光有源器件,否則為光無源器件。第三部分 光源與光發(fā)送器 從光纖通信的意義上來說，將在近紅外光譜附近產(chǎn)生電磁場能的發(fā)生器稱為光源。光源是光發(fā)送器的核心器件，通過它可以把調制信號變換成已調制信號，即實現(xiàn)電/光轉換。 由于體積小、重量輕、效率高、耗電少等特點，現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)均采用半導體光源器件，主要有半導體發(fā)光二極管（主要有半導體發(fā)光二極管（LED）和半導）和半導體激光二極管（體激光二極管（LD）。）。3-1 半導體光源的工作原理 3-1-1 發(fā)光二極管的工作原理 半導體發(fā)光二極

14、管（LED）的光譜可以覆蓋整個光纖通信系統(tǒng)使用的波長，典型值為0.85微米、 1.31微米、1.55微米。 1、發(fā)光二極管的類型結構 表面發(fā)光二極管、邊發(fā)光二極管及超輻射發(fā)光二極管。3-1-2 激光二極管的工作原理 在結構上，LD與其他類型的激光器是相同的，都有激勵源、工作物質和諧振腔組成。激勵源的作用是使工作物質形成粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)，為受激放大提供條件， LD采用電激勵方式。工作物質是提供合適的能帶結構，使LD按要求的波長發(fā)光。諧振腔是LD獨有的，提供正反饋功能。3-2 光源的工作特性 3-2-1 LED的工作特性 1、P-I特性 由于沒有閾值而使LED的P-I特性具有非常優(yōu)良的線性，因此

15、在模擬光纖通信系統(tǒng)中廣泛應用。 LED的發(fā)射光功率比LD小，所以適用于短距離系統(tǒng)，但壽命較長。 2、光譜特性 典型值是0.85微米、 1.31微米和1.55微米。 譜線寬度對系統(tǒng)性能影響很大，譜線寬度越寬，色散越大。 3、調制特性 LED的調制帶寬在100MHZ以下，所以只適用于低速光纖通信系統(tǒng)。 4、溫度特性 溫度增加時，LED的光功率會下降，線性工作區(qū)變窄。 LED受溫度的影響遠遠小于LD。 3-2-2 LD的工作特性 1、LD的P-I特性 由于存在閾值線象， LD的P-I特性不如LED， LD常常在閾值以上使用。 2、光譜特性 由于LD諧振腔的頻率選擇作用， LD的譜線寬度要比LED小得

16、多，這是LD應用于長距離、大容量系統(tǒng)的基本原因。 3、調制特性 LD有非常大的帶寬（幾百MHZ-幾十GHZ），因此，高速光纖通信系統(tǒng)是LD的主要用途。 4、溫度特性 與LED比較，溫度主要對LD的閾值電流、輸出光功率及峰值工作波長影響較大。為了降低溫度對LD的影響，可以選擇溫度特性優(yōu)異的新型LD，或外加自動溫度控制電路。3-3 光發(fā)送機 光發(fā)送機的主要作用是以電路的方光發(fā)送機的主要作用是以電路的方式完成電式完成電/光變換，光變換，即完成光信號的調制功能，在整個系統(tǒng)中具有十分重要的作用。3-3-1 光調制原理 1、光調制方式分類 （1）按光源與調制信號的關系分類 直接調制方式：是指直接將調制信號

17、施加在光源上來完成光源參數(shù)的調制過程，具有調制電路簡單、經(jīng)濟等優(yōu)點，目前廣泛采用，但調制速率比較低。 外部（間接）調制方式：是指通過外部調制器來完成光源參數(shù)的調制過程，具有極高的調制速率，但要一個專門的外部調制器，目前在新型系統(tǒng)中應用。 （2）按已調制信號的性質分類 分為模擬調制方式和數(shù)字調制方式。 模擬調制方式是指已調制信號屬于模擬信號，主要包括強度調制（IM）、振幅調制（AM）、雙邊帶抑制載波（DSB/SC）、單邊帶（SSB）及殘余邊帶（VSB）調制方式。 數(shù)字調制方式是指已調制信號屬于數(shù)字信號，主要包括幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）調制方式。3-3-2 光發(fā)送

18、機的構成及指標 1、光發(fā)送機構成驅動電路光源輔助電路 驅動電路的主要作用是為光源提供要求的驅動電流；光源的主要作用是完成電光變換（光調制）；輔助電路主要完成自動功率控制（APC）、自動溫度控制（ATC）和光源保護等功能。 2、光發(fā)送機的主要指標（1）平均發(fā)送光功率及其穩(wěn)定度 平均發(fā)送光功率是指光源尾巴光纖（尾纖）的平均輸出光功率。 穩(wěn)定度是指在溫度變化或器件老化過程中平均發(fā)送光功率的相對變化量，要求小于5%。 （2）消光比 定義為最大平均發(fā)送光功率與最小平均發(fā)送光功率之比。 EX=最大平均發(fā)送光功率/最小平均發(fā)送光功率。 一般要求EX不小于10。 （消光比也叫通斷比。）3-4 驅動電路和輔助電

19、路 3-4-1 驅動電路 對驅動電路的要求（1）能夠提供較大的、穩(wěn)定的驅動電流；（2）有足夠快的響應速度，最好大于光源的驅動速度；（3）保證光源具有穩(wěn)定的輸出特性。3-4-2 輔助電路 為了保證長期穩(wěn)定、可靠的工作，光發(fā)送機還設置了其他輔助電路。 1、自動功率控制（APC）電路 LD的閾值電流及P-I特性曲線斜率會隨著溫度的變化和老化效應而發(fā)生較大的變化，導致LD發(fā)送光功率發(fā)生波動。如果沒有APC，某些器件的波動在65%以上必須設置APC電路。 2、自動溫度控制（ATC）電路 LD的輸出特性與溫度有密切的關系。為了保證光發(fā)送器有穩(wěn)定的輸出特性，對LD的工作溫度必須進行控制，而且對LD的溫度控制

20、也是保護LD的一項關鍵措施。第四部分 光電檢測器與光接收機 光電檢測器（光電檢波器或光波探測器）是光纖通信系統(tǒng)的一個核心器件。借助于光電檢測器可以完成光/電變換。為了實現(xiàn)光的解調或光/電變換，在實際系統(tǒng)中還要將光電檢測器、放大電路、均衡濾波電路、自動增益控制（AGC）電路及其他電路構成一體，形成光接收機。4-1 光電檢測器的特性指標 4-1-1 光電檢測器的工作特性 1、響應度 在一定波長的光照射下，光電檢測器的平均輸出電流與入射的平均功率之比，一般在0.3- 0.7A/W。 2、量子效率 響應度是器件在外部電路中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性，而量子效率是器件在內部呈現(xiàn)的微觀靈敏特性，定義為通過結區(qū)的載

21、流子數(shù)與入射的光子數(shù)之比。 3、響應速度 即光電轉換速度。光電二極管要具有快速響應的特性，在結構上首先要減薄零場區(qū)，其次是減小結電容。采用同軸封裝和微帶結構以減小管殼電容，可以進一步提高響應速度。 4、暗電流 沒有入射光時，光電二極管輸出的電流，類似于晶體管的穿透電流，越小越好。由于倍增作用，APD的暗電流比PINPD大得多。溫度上升，暗電流會急劇增加。4-2 光接收機 4-2-1 光解調原理 光解調（檢測）方式有兩類：非相干檢測和相干檢測。 1、非相干檢測方式 非相干檢測方式就是直接功率檢測方式，是通過光電二極管直接將接收的光信號恢復成基本調制信號的過程。 光電檢測器低通濾波器 通過光電檢測

22、器和低通濾波器組成一個包絡檢測器，將光載波包絡（即基本調制信號）恢復出來。 2、相干檢測方式 類似于收音機和電視機中的超外差接收，首先接收光信號與一個光本地振蕩器在光混頻器中混頻后，再被光電檢測器變換成一定要求的電信號?；祛l器光電檢測器本地振蕩器4-2-2 光接收機的構成與指標 1、光接收機的構成 在實用的直接功率檢測光接收機中，光電檢測器直接從接收光信號中將基本調制信號恢復出來。光電檢測器前置放大器功率放大器均衡濾波器再生器高壓變換器AGC電路 前置放大器的主要作用是低噪聲放前置放大器的主要作用是低噪聲放大；大；功率放大器的主要作用是把信號放大到適合再生的幅度；均衡濾波器的作用是低通濾波和消

23、除碼間干擾；再生的作用是把接收的信號恢復成標準數(shù)字信號；AGC電路的作用是穩(wěn)定輸出信號的幅度；高壓變換器的作用是為APD提供合適的高壓，同時也有AGC作用。 2、光接收機指標 （1）光接收機靈敏度 是指在一定誤碼率和信噪比條件下光接收機需要接收的最小平均光功率。 （2）光接收機動態(tài)范圍 是指在一定誤碼率和信噪比條件下光接收機允許的平均光功率的變化范圍。 為了獲得較大的動態(tài)范圍，又要不損害靈敏度，最好的方法是引入AGC電路和/或倍增因子控制電路。第五部分 光復用技術 盡管目前光纖通信單信道實用系統(tǒng)盡管目前光纖通信單信道實用系統(tǒng)的速率已達的速率已達10G，但與光纖巨大的帶寬，但與光纖巨大的帶寬潛力相比還微不足道。電復用技術目前潛力相比還微不足道。電復用技術目前在實驗室達到了在實驗室達到了40G的水平，但受到電的水平，但受到電子遷移速度的限制，出現(xiàn)了子遷移速度的限制，出現(xiàn)了“電瓶頸電瓶頸”，要進一步發(fā)掘光纖巨大的帶寬潛力，只要進一步發(fā)掘光纖巨大的帶寬潛力，只有采用光復用技術。有采用光復用技術。5-1 光復用技術的概念 復用是在同一信道上同時傳輸多路信號而復用是在同一信道上同時傳輸多路信號而互不干擾的技術?；ゲ桓蓴_的技術。FDMA、TDMA、STDMA、CDMA等都是復用。等都是復