光纖通信Fiber-opticcommunications

1、Fiber-optic communications光纖通信山東大學(xué)信息學(xué)院 李顯業(yè)Fiber-optic communications光纖通信山東大學(xué)信息學(xué)院 李顯業(yè)光纖通信Fiber-opticcommunications2基本器件光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4光纖耦合5概 述11.1 早期的光通信烽火臺烽火臺貝爾光電話貝爾光電話光可以傳遞信息。大氣傳輸，傳輸距離短，天氣影響嚴重。光可以傳遞信息。大氣傳輸，傳輸距離短，天氣影響嚴重。光波導(dǎo)？光波導(dǎo)？透鏡波導(dǎo)透鏡波導(dǎo) 內(nèi)窺鏡內(nèi)窺鏡光纖通信Fiber-opticcommunications2基本器件光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4光纖耦合5概 述11.2 光纖通

2、信高錕研究了石英玻璃光纖中的嚴重損耗問題高錕研究了石英玻璃光纖中的嚴重損耗問題石英光纖中石英光纖中的主要損耗的主要損耗吸收損耗吸收損耗散射損耗散射損耗彎曲損耗彎曲損耗本征吸收本征吸收雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收原子缺陷吸收原子缺陷吸收紫外吸收紫外吸收 紅外吸收紅外吸收 過渡金屬離子吸收過渡金屬離子吸收瑞麗散射損耗瑞麗散射損耗光纖結(jié)構(gòu)不完整引起散射損耗光纖結(jié)構(gòu)不完整引起散射損耗彎曲損耗彎曲損耗微彎損耗微彎損耗光纖通信Fiber-opticcommunications2基本器件光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4光纖耦合5概 述11.2 光纖通信波長波長(nm)損耗損耗系數(shù)系數(shù)(db/km)第第一一傳傳輸輸窗窗口口第第二二

3、傳傳輸輸窗窗口口第第三三傳傳輸輸窗窗口口隨著光纖高損耗問題的解決，激光器的發(fā)展，以及光纖通訊表現(xiàn)出的信隨著光纖高損耗問題的解決，激光器的發(fā)展，以及光纖通訊表現(xiàn)出的信息容量大、抗干擾能力強、保密性好、等優(yōu)點，逐漸進入實際應(yīng)用。息容量大、抗干擾能力強、保密性好、等優(yōu)點，逐漸進入實際應(yīng)用。光纖通信Fiber-opticcommunications光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4光纖耦合52.1 光纖通信系統(tǒng)的組成2基本組成概 述1點火點火大氣大氣傳播傳播人眼人眼光發(fā)送機光發(fā)送機光纖傳遞光纖傳遞光接受機光接受機光發(fā)光發(fā)送機送機中繼中繼器器光接光接受機受機光纖通信Fiber-opticcommunications

4、光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4光纖耦合5 2.2 光纖2基本器件技術(shù)發(fā)展1纖芯纖芯包層包層涂覆層涂覆層光纖的主要組成：光纖的主要組成：纖芯：高度透明的材料，光在里邊傳輸。纖芯：高度透明的材料，光在里邊傳輸。包層：折射率相對纖芯較小，使光線被束縛在纖芯里。包層：折射率相對纖芯較小，使光線被束縛在纖芯里。涂覆層：用來保護光纖不受水汽侵蝕，機械磨損，增強涂覆層：用來保護光纖不受水汽侵蝕，機械磨損，增強光纖柔韌性。光纖柔韌性。光纖通信Fiber-opticcommunications光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4光纖耦合52.2 光纖2基本器件技術(shù)發(fā)展1光纖的光纖的分類分類：階躍型光纖階躍型光纖1，按纖芯截面折射率分

5、：，按纖芯截面折射率分：漸變型光纖漸變型光纖nR2，按傳輸模式的數(shù)量分：，按傳輸模式的數(shù)量分：多模型光纖多模型光纖單模型光纖單模型光纖3，其他分類方法。，其他分類方法。 按工作波長分按工作波長分 按套塑類型分等按套塑類型分等光纖通信Fiber-opticcommunications光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4光纖耦合52.2 光纖2基本器件技術(shù)發(fā)展1階躍型多模光纖：階躍型多模光纖：相對折射率差相對折射率差 ：用來描述折射率相對變化：用來描述折射率相對變化數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑NA ：用來描述光纖集光能力的大小：用來描述光纖集光能力的大小歸一化頻率歸一化頻率V ：用來描述光纖中傳播模式：用來描述光纖中傳播模

6、式多模光纖中有不同模式的存在，具有不同的群速度。多模光纖中有不同模式的存在，具有不同的群速度。把由不同速度造成的時延叫做光纖的響應(yīng)時間把由不同速度造成的時延叫做光纖的響應(yīng)時間這個現(xiàn)象叫做光纖的模式色散這個現(xiàn)象叫做光纖的模式色散光纖通信Fiber-opticcommunications光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4光纖耦合52.2 光纖2基本器件技術(shù)發(fā)展1漸變型多模光纖：漸變型多模光纖：相對折射率差相對折射率差 ：用來描述折射率相對變化：用來描述折射率相對變化數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑NA ：用來描述光纖集光能力的大?。河脕砻枋龉饫w集光能力的大小歸一化頻率歸一化頻率V：用來描述光纖中傳播模式：用來描述光纖中傳播模

7、式多模光纖中有不同模式的存在，具有不同的群速度。多模光纖中有不同模式的存在，具有不同的群速度。把由不同速度造成的時延叫做光纖的響應(yīng)時間把由不同速度造成的時延叫做光纖的響應(yīng)時間光纖通信Fiber-opticcommunications光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4光纖耦合52.2 光纖2基本器件技術(shù)發(fā)展1階躍型階躍型單單模光纖：模光纖：相對折射率差相對折射率差 ：用來描述折射率相對變化：用來描述折射率相對變化數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑NA ：用來描述光纖集光能力的大?。河脕砻枋龉饫w集光能力的大小響應(yīng)時間：主要由光源線寬引起響應(yīng)時間：主要由光源線寬引起歸一化頻率歸一化頻率V ：用來描述光纖中傳播模式：用來描述光纖中

8、傳播模式光纖通信Fiber-opticcommunications光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4光纖耦合52.2 光纖2基本器件技術(shù)發(fā)展1光纖通信Fiber-opticcommunications光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4光纖耦合52.2 光纖2基本器件技術(shù)發(fā)展1光纖通信Fiber-opticcommunications光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4光纖耦合52.2 光纖2基本器件技術(shù)發(fā)展1傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 響應(yīng)時間與帶寬：響應(yīng)時間與帶寬：脈沖響應(yīng)函數(shù)脈沖響應(yīng)函數(shù)衰減函數(shù)衰減函數(shù)光纖通信Fiber-opticcommunications光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4光纖耦合52.2 光纖2基本器件技術(shù)發(fā)展1傳遞函數(shù)傳遞函

9、數(shù) 響應(yīng)時間與帶寬：響應(yīng)時間與帶寬：光纖通信Fiber-opticcommunications光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4光纖耦合52.3 中繼器2基本器件技術(shù)發(fā)展1光纖拉曼放大器（全波段）光纖拉曼放大器（全波段）優(yōu)點：高增益，低噪聲，穩(wěn)定性高，耦合效率高。優(yōu)點：高增益，低噪聲，穩(wěn)定性高，耦合效率高。缺點：放大波長范圍有限。缺點：放大波長范圍有限。摻鉺光纖放大器（摻鉺光纖放大器（1520nm-1600nm1520nm-1600nm）優(yōu)點：噪聲系數(shù)低，全波段放大，增益譜寬，作用時間短（飛秒）。優(yōu)點：噪聲系數(shù)低，全波段放大，增益譜寬，作用時間短（飛秒）。缺點：泵浦光源功率高，對偏振敏感等。缺點：泵浦光源

10、功率高，對偏振敏感等。優(yōu)點：可以對信號濾波，整型等處理。優(yōu)點：可以對信號濾波，整型等處理。電中繼電中繼 光光電電光光缺點：速度慢缺點：速度慢光中繼光中繼 光光光光光纖通信Fiber-opticcommunications光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4光纖耦合52.4 光源2基本器件技術(shù)發(fā)展1光纖通信中光源滿足的要求：光纖通信中光源滿足的要求：1，高功率。，高功率。2，能夠高速調(diào)制。，能夠高速調(diào)制。3，線寬比較小。，線寬比較小。4，低噪聲。，低噪聲。5，穩(wěn)定性等。，穩(wěn)定性等。主要主要的光源為發(fā)光二極管（的光源為發(fā)光二極管（LED）和激光二極管（）和激光二極管（LD）。）。發(fā)光二極管發(fā)光二極管：優(yōu)點：壽命

11、長，成本相對低。優(yōu)點：壽命長，成本相對低。 缺點：調(diào)制速率低，線寬較大。缺點：調(diào)制速率低，線寬較大。激光二極管：激光二極管：優(yōu)點：高速度，窄線寬。優(yōu)點：高速度，窄線寬。 缺點：對溫度敏感。缺點：對溫度敏感。光纖通信Fiber-opticcommunications光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4光纖耦合52.5 光電探測器2基本器件技術(shù)發(fā)展1PINPIN光電二級管：主要用于短距離小容量的光纖通信系統(tǒng)。光電二級管：主要用于短距離小容量的光纖通信系統(tǒng)。雪崩光電二級管：主要用于長距離大容量的光纖通信系統(tǒng)。雪崩光電二級管：主要用于長距離大容量的光纖通信系統(tǒng)。光纖通信Fiber-opticcommunicatio

12、ns復(fù)用技術(shù)4光纖耦合53.1 調(diào)制變量2基本器件技術(shù)發(fā)展1光 調(diào) 制3場調(diào)制：場調(diào)制： 由電磁波，微波通訊發(fā)展而來。分為振幅調(diào)制（AM），相位調(diào)制（PM），頻率調(diào)制（FM）。 相對困難： 1：光源要求性高。需要一個具有穩(wěn)定的振幅，相位或者頻率并且能夠自由變化調(diào)制的具有高度相干性的光源。 2：直接調(diào)制通常比較困難，需要額外的電光調(diào)制器。 3：檢測器件要求高。(外差檢測系統(tǒng))強度調(diào)制：強度調(diào)制： 對光強的調(diào)制，可由變化的電流對光強調(diào)制。 可直接檢測（direct detection receiver）光纖通信Fiber-opticcommunications復(fù)用技術(shù)4光纖耦合53.2 調(diào)制方式2

13、基本器件技術(shù)發(fā)展1光 調(diào) 制3編碼方式：脈沖編碼調(diào)制編碼方式：脈沖編碼調(diào)制(Pulse Code Modulation, PCM)1，開關(guān)鍵控調(diào)制，開關(guān)鍵控調(diào)制(On-off Keying, OOK)2，頻移鍵控調(diào)制，頻移鍵控調(diào)制(Frequency shift keying, FSK)3，相移鍵控調(diào)制，相移鍵控調(diào)制(Phase shift keying, PSK)4，ASK, SC, .調(diào)制方式：調(diào)制方式：光纖通信Fiber-opticcommunications光纖耦合54.1 時分復(fù)用2基本器件技術(shù)發(fā)展1光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4通過光開關(guān)把多路信號在時域里復(fù)用到一路光上面。通過光開關(guān)把多路

14、信號在時域里復(fù)用到一路光上面。t1 1t2 2t3 3t4 4111111000000TDM比特交錯時分復(fù)用分組交錯時分復(fù)用光纖通信Fiber-opticcommunications光纖耦合54.2 頻/波分復(fù)用2基本器件技術(shù)發(fā)展1光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4 在一根光纖中同時傳輸多個頻率的光信號的復(fù)用方式叫做頻分復(fù)用（FDM）。當(dāng)光信號之間的頻率間隔大于100GHZ時，通常叫做波分復(fù)用（WDM）我們接觸到的復(fù)用技術(shù)LTE-A 載波聚合雙百兆，雙4G！光纖通信Fiber-opticcommunications光纖耦合54.2 頻/波分復(fù)用2基本器件技術(shù)發(fā)展1光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4光纖通信Fiber-opticcommunications5. 光纖耦合器2基本器件技術(shù)發(fā)展1光 調(diào) 制3復(fù)用技術(shù)4光纖耦合5將光信號進行分路，合路，插入，分配的一種器件。將光信號進行分路，合路，插入，分配的一種器件。分類：分類： 從功率上：波長分配耦合器，光功率分配器。從功率上：波長分配耦合器，光功率分配器。 從端口形式上：從端口形式上：T型，型，X型，星型，樹形耦合器。型，星型，樹形耦合器。 從傳導(dǎo)模式上：單模耦合器，多模耦合器。從傳導(dǎo)模式上：單模耦合器，多模耦合器。主要原理：主