第二部分光纖通信技術(shù)培訓課程課件

第二部分光纖通信技術(shù)（優(yōu)選）第二部分光纖通信技術(shù)名稱應(yīng)用傳輸介質(zhì)有線介質(zhì)無線介質(zhì)紫外線可見光紅外線電話數(shù)據(jù)視頻激光束光纖毫米波特高頻（SHF）超高頻（UHF）甚高頻（VHF）高頻（HF）中頻（MF）低頻（LF）甚低頻（VLF）音頻波導同軸電纜雙絞線微波無線電短波無線電長波無線電衛(wèi)星通信微波通信電話、電報調(diào)幅廣播移動無線電UHFTV移動通信導航潛艇通信飛行器通信導航、雷達業(yè)余無線電商務(wù)應(yīng)用調(diào)頻廣播1014Hz1015Hz10-6m100GHz10GHz1GHz100MHz10MHz1MHz100kHz10kHz1kHz1cm10cm1m10m100m1km10km100km800nm1700nm帶寬可達50THz光纖通信中光的作用及特性2.光在光纖中傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL是由光纖特性決定的低損耗是實現(xiàn)光信號長距離無中繼傳輸?shù)那疤?。波長(nm)損耗(dB/km)700900110013001500170011015501310850光纖損耗的波長特性2dB/Km0.5dB/Km0.2dB/Km導帶能帶價帶能帶禁帶光子電子ECEV量能hν3.光在光發(fā)射機和光接收機中的工作基于光的輻射與吸收光纖通信中光的作用及特性我們可以通過控制半導體材料的成份來改變能帶差，從而改變其發(fā)光波長。自發(fā)輻射光是一種非相干光，即不是單一頻率、相位和偏振方向相同的光。 低能帶高能帶EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν（a）光的自發(fā)輻射（發(fā)光二極管LED）光纖通信中光的作用及特性（b）光的受激發(fā)射（激光二極管）低能帶高能帶EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν輸入光hν輸出光要實現(xiàn)受激發(fā)射需要兩個條件：一是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；二是在半導體激光器中產(chǎn)生諧振從而得到單色性和方向性好的激光輸出。低能帶高能帶EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν輸入光Eg（c）光的吸收（光檢測器）

光纖通信中光的作用及特性第一章緒論(二）光纖通信中光的作用及特性；光纖通信系統(tǒng)的基本單元簡介；光纖通信的基本問題；光纖通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標。光纖通信系統(tǒng)的基本單元1.光發(fā)射機

電信號到光信號的轉(zhuǎn)換裝置和光信號傳輸裝置組成，光源是光發(fā)射機的核心部件。目前常用光源有LED和LD兩種。IF(mA)P(mW)LED外形圖和輸出特性IF(mA)P(mW)LD外形圖和輸出特性光纖通信系統(tǒng)的基本單元對光源的調(diào)制（a）模擬電流信號對激光器的直接調(diào)制P(mW)IF(mA)IbIth輸出光信號輸入電流信號限流點工作在線性區(qū)工作在截止區(qū)工作在限流區(qū)直接調(diào)制間接調(diào)制典型的單模光纖的纖芯直徑和相對折射率分別②1550nm單模光纖以不同入射角進入光纖的光線將經(jīng)歷不同的途徑，雖然在輸入端同時入射并以相同的速度傳播，但到達光纖輸出端的時間卻不同，出現(xiàn)了時間上的分散，導致脈沖嚴重展寬。要實現(xiàn)受激發(fā)射需要兩個條件：一是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；光纖通信系統(tǒng)的基本單元大小與4成反比，R＝C/4（dB/km）因而主要作用在短波長區(qū)。光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標光纖通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標。色散的種類：所有大于臨界角C的光線都被限制在纖芯內(nèi)。光纖通信系統(tǒng)的基本單元單模光纖中波導色散和材料色散與波長的關(guān)系111色散的種類：POUT--出纖光功率Pin--入纖光功率光纖是一種高度透明的玻璃絲，由純石英經(jīng)復雜的工藝拉制而成。P(mW)IF(mA)輸出光信號輸入電流信號Ith（b）數(shù)字電流信號對激光器的直接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)的基本單元消光比（ExtinctionRatio）：是衡量數(shù)字傳輸時光源的一項重要參數(shù)。為保證接收機靈敏度不受或少受影響，消光比應(yīng)盡量小，一般應(yīng)小于0.1外調(diào)制方式（間接調(diào)制）：光源調(diào)制器光信號（已加載信息）光信號（未加載信息）輸入電信號光纖通信系統(tǒng)的基本單元不直接調(diào)制光源，而是在光源輸出的通路上外加調(diào)制器來對光波進行調(diào)制（利用晶體的電光效應(yīng)，磁光效應(yīng)，聲光效應(yīng)），適用于各種類型的激光器。光纖通信系統(tǒng)的基本單元電光效應(yīng)——電場引起晶體折射率變化的現(xiàn)象，能夠產(chǎn)生電光效應(yīng)的變化稱為電光晶體。Mach-ZehnderInterferometer（1）驅(qū)動電路。

（2）自動功率控制電路APC（AutomaticPowerControl）。

（3）自動溫度控制電路ATC(AutomaticTemperatureControl)?？刂圃?.1℃的范圍內(nèi)。

（4）光隔離器。 光纖通信系統(tǒng)的基本單元2.光發(fā)射機的輔助電路

使不能工作驅(qū)動器數(shù)據(jù)DFB-LD監(jiān)測PD光纖光隔離器激光器偏置監(jiān)測APC電路ATC電路熱電致冷器熱敏電阻器背面監(jiān)測光輸出告警激光器溫度監(jiān)測光發(fā)射模塊功能框圖光發(fā)射模塊實物圖光纖通信系統(tǒng)的基本單元2.光纖光纖是一種高度透明的玻璃絲，由純石英經(jīng)復雜的工藝拉制而成。光纖中心部分(芯Core)＋同心圓狀包裹層(包層Clad)＋涂覆層特點：ncore>nclad光在芯和包層之間的界面上反復進行全反射，并在光纖中傳遞下去。芯包層樹脂涂覆層光纖通信系統(tǒng)的基本單元光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標效應(yīng)），適用于各種類型的激光器。摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理：二是在半導體激光器中產(chǎn)生諧振從而得到單色性和方向性好的激光輸出。四波混頻FWM(FourWaveMixing)。光纖通信系統(tǒng)的基本單元對于理想的光纖，不會有任何的損耗，對應(yīng)的損耗系數(shù)為0dB/km，但在實際中這是不可能的。瑞利散射損耗對光纖來說是其本身固有的，因而它確定了光纖損耗的最終極限。第一，它可以對任何比特率和格式的信號都加以放大，這種屬性稱之為光放大器對任何比特率和信號格式是透明的。若P0是入射光纖的功率，則傳輸功率PT為：對數(shù)字傳輸而言，色散造成光脈沖的展寬，致使前后脈沖相光纖通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標。POUT--出纖光功率Pin--入纖光功率OH離子吸收：O-H鍵的基本諧振波長為2.光纖通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標。73m，與Si-O鍵的諧振波長相互影響，在光纖通信波段內(nèi)產(chǎn)生一系列的吸收峰，影響較大的是在1.光纖通信中光的作用及特性是由于纖芯材料的折射率隨波長變化，使得各個模式光纖通信系統(tǒng)的基本單元根據(jù)芯區(qū)折射率徑向分布的不同，可分為：不同的折射率分布，傳輸特性完全不同光纖通信系統(tǒng)的基本單元-數(shù)值孔徑(NA)相對折射率差n0、n1、n2--分別是空氣、纖芯、包層折射率，c--芯包界面全反射臨界角代表光纖接收光的本領(lǐng)大?cin1n2n0（示意圖，比例不符）光纖通信系統(tǒng)的基本單元階躍型光纖以不同入射角進入光纖的光線將經(jīng)歷不同的途徑，雖然在輸入端同時入射并以相同的速度傳播，但到達光纖輸出端的時間卻不同，出現(xiàn)了時間上的分散，導致脈沖嚴重展寬。模間色散所有大于臨界角C的光線都被限制在纖芯內(nèi)。階躍光纖High-orderMode(Longerpath)Low-orderMode(shorterpath)AxialMode(shortestpath)corecladding光纖通信系統(tǒng)的基本單元光纖光纜實物圖光纖通信系統(tǒng)的基本單元光纖通信系統(tǒng)的基本單元3.光接收機由光信號到電信號的轉(zhuǎn)換裝置和電信號處理裝置組成，具體由光電檢測器、放大器和相關(guān)電路組成。光CATV接收模塊光纖通信系統(tǒng)的基本單元是指在滿足給定誤碼率或信噪比條件下，接收機接收微弱信號的能力，工程上常用最低平均光功率來描述，靈敏度表示為是指在保證系統(tǒng)誤碼率指標要求下，接收機的最低光功率和最大允許光功率之比靈敏度動態(tài)范圍第一，它可以對任何比特率和格式的信號都加以放大，這種屬性稱之為光放大器對任何比特率和信號格式是透明的。第二，它不只是對單個信號波長，而是在一定波長范圍內(nèi)對若干個信號都可以放大。輸入光信號輸出光信號光纖光纖光放大器光纖通信系統(tǒng)的基本單元4.光放大器光放大器的作用:兩個明顯的優(yōu)勢:光放大器是基于受激輻射機理來實現(xiàn)入射光功率放大隔離器輸入光激活介質(zhì)泵浦源隔離器輸出光光纖通信系統(tǒng)的基本單元摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理：光纖通信系統(tǒng)的基本單元帶寬是一個頻率范圍，在這個頻率范圍之內(nèi)，信號可以不失光源是光發(fā)射機的核心部件。第二，它不只是對單個信號波長，而是在一定波長范圍內(nèi)對若干個信號都可以放大。二是在半導體激光器中產(chǎn)生諧振從而得到單色性和方向性好的激光輸出。對光纖放大器的主要要求是：高增益，低噪聲，高的輸出光功率，低的非線性失真當發(fā)生彎曲時，離中心較遠的消失場尾部須以較大的速度行進，以便與纖芯中的場一同前進。是指在保證系統(tǒng)誤碼率指標要求下，接收機的最光纖通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標。對數(shù)字傳輸而言，色散造成光脈沖的展寬，致使前后脈沖相瑞利散射損耗對光纖來說是其本身固有的，因而它確定了光纖損耗的最終極限。光纖通信系統(tǒng)的基本單元光纖通信系統(tǒng)的基本單元OH離子吸收：O-H鍵的基本諧振波長為2.POUT--出纖光功率Pin--入纖光功率光纖通信系統(tǒng)的基本單元簡介；光纖通信中光的作用及特性外調(diào)制方式（間接調(diào)制）：實際的低損耗光纖在900nm波長處的損耗為3dB/km，這表示傳輸1km后信號光功率將損失50％，2km后損失達75％(損失了6dB)。光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標OH離子吸收：O-H鍵的基本諧振波長為2.Er3+能級圖

包層信號光1550nm泵浦光1480nm或980nmEDF信號光泵浦光摻鉺光纖長度最佳長度光強光纖通信系統(tǒng)的基本單元對光纖放大器的主要要求是：高增益，低噪聲，高的輸出光功率，低的非線性失真

摻鉺光纖放大器光纖通信系統(tǒng)的基本單元第一章緒論(二）光纖通信中光的作用及特性；光纖通信系統(tǒng)的基本單元簡介；光纖通信的基本問題；光纖通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標。損耗定義:POUT--出纖光功率Pin--入纖光功率1.光纖的損耗特性光纖損耗是通信距離的固有限制，在很大程度上決定著傳輸系統(tǒng)的中繼距離，損耗的降低依賴于工藝的提高和對石英材料的研究。若P0是入射光纖的功率，則傳輸功率PT為：這里代表光纖損耗，L是光纖長度，習慣上光纖的損耗通過下式用dB/km來表示：光纖通信的基本問題示例對于理想的光纖，不會有任何的損耗，對應(yīng)的損耗系數(shù)為0dB/km，但在實際中這是不可能的。實際的低損耗光纖在900nm波長處的損耗為3dB/km，這表示傳輸1km后信號光功率將損失50％，2km后損失達75％(損失了6dB)。之所以可以這樣進行運算，是因為用分貝表示的損耗具有可加性。光纖通信的基本問題第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(nm)OH離子吸收峰光纖損耗譜損耗主要機理：材料吸收、瑞利散射和輻射損耗第三傳輸窗口在1.55m處最小損耗約為0.2dB/km光纖通信的基本問題光纖的損耗機理(1)材料吸收紫外、紅外、OH離子、金屬離子吸收等，是材料本身所固有的--本征吸收損耗OH離子吸收：O-H鍵的基本諧振波長為2.73m，與Si-O鍵的諧振波長相互影響，在光纖通信波段內(nèi)產(chǎn)生一系列的吸收峰，影響較大的是在1.39、1.24、0.95m，峰之間的低損耗區(qū)構(gòu)成了光纖通信的三個窗口。減低OH離子濃度，減低這些吸收峰---全波光纖（AllWave康寧）光纖通信的基本問題光纖的損耗機理(2)瑞利散射是一種基本損耗機理。由于制造過程中沉積到熔石英中的隨機密度變化引起的，導致折射率本身的起伏，使光向各個方向散射。大小與4成反比，R＝C/4（dB/km）因而主要作用在短波長區(qū)。瑞利散射損耗對光纖來說是其本身固有的，因而它確定了光纖損耗的最終極限。在1.55m波段，瑞利散射引起的損耗仍達0.12~0.16dB/km

，是該段損耗的主要原因。光纖通信的基本問題光纖的損耗機理(3)輻射損耗又稱彎曲損耗，包括兩類：一是彎曲半徑遠大于光纖直徑，二是光纖成纜時軸向產(chǎn)生的隨機性微彎。定性解釋：導模的部分能量在光纖包層中（消失場拖尾）與纖芯中的場一起傳輸。當發(fā)生彎曲時，離中心較遠的消失場尾部須以較大的速度行進，以便與纖芯中的場一同前進。這有可能要求離纖芯遠的消失場尾部以大于光速的速度前進，由于這是不可能的，因此這部分場將輻射出去而損耗掉。光纖通信的基本問題例：一根光纖長20km，衰減為0.5dB/km，一端注入功率為600μW的光信號，求其輸出光功率。光纖通信的基本問題色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，由于不同成分的光的時間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。對數(shù)字傳輸而言，色散造成光脈沖的展寬，致使前后脈沖相互重疊，引起數(shù)字信號的碼間串擾，造成誤碼率增加；對模擬傳輸而言，它會限制帶寬，產(chǎn)生諧波失真，使得系統(tǒng)的信噪比下降。

色散的種類：

模式色散材料色散波導色散色度色散纖芯光源包層光纖通信的基本問題1.模式色散不同入射角的光線代表不同的模式光源0纖芯包層1230123TT＋Δt脈沖因多個模式而起的展寬---模式色散光纖通信的基本問題脈沖展寬的計算最低模式（也稱為零級模式）沿中心軸線到達光纖輸出端所需時間為最高模式（以臨界角傳播的光線）所需時間:脈沖展寬時間光纖通信的基本問題單模光纖設(shè)計的基本思路:減小纖芯直徑的尺寸減小相對折射率典型的單模光纖的纖芯直徑和相對折射率分別是8.3μm和0.37%，而漸變折射率光纖這兩者的數(shù)值分別是50μm和2%。例:一階躍折射率光纖，已知n1＝1.486，n2＝1.472，僅考慮模式色散，計算每1km長度的脈沖展寬。光纖通信的基本問題2.波導色散進入單模光纖中的光信號功率大約只有80%在纖芯中傳播，另外20%在包層傳輸，由于纖芯和包層有著不同的折射率，所以這兩部分的傳輸速度不同，在包層中傳播的光功率速度要更大一些，因而在光纖輸出端，脈沖會展寬。波導色散系數(shù)光源的線寬光纖通信的基本問題3.材料色散是由于纖芯材料的折射率隨波長變化，使得各個模式的群速率（光脈沖包絡(luò)線速度）都會隨著波長的變化而造成的。材料色散系數(shù)光源的線寬波長(μm)材料色散波導色散色度色散色散系數(shù)ps/(km·nm)1.11.21.31.41.51.61.7-30-20-100102030光纖通信的基本問題單模光纖中波導色散和材料色散與波長的關(guān)系光纖通信的基本問題非線性效應(yīng)1.自相位調(diào)制SPM（SelfPhaseModulation）2.交叉相位調(diào)制XPM(CrossPhaseModulation)3.四波混頻FWM(FourWaveMixing)。4.受激喇曼散射SRS(StimulatedRamanScattering)5.受激布里淵散射SBS(StimulatedBrillouinScattering)第一章緒論(二）光纖通信中光的作用及特性；光纖通信系統(tǒng)的基本單元簡介；光纖通信的基本問題；光纖通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標。光纖輸入光脈沖輸出光脈沖時間波形光脈沖展寬101111光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標1.比特率也稱為信息速率，是信道上每秒鐘內(nèi)所傳輸?shù)谋忍財?shù)，單位為比特/秒，寫成b/s或bps，常用符號B表示。光纖色散效應(yīng)對比特率的限制1.比特率和帶寬返回比特率與脈沖展寬(a)輸入光脈沖Tt2Δτ0光強(b)輸出光脈沖tτ0光強2ΔτΔτ最大比特率的計算式:光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標光纖色散是比特率受限的主要原因。為了解決這個問題，研制出了多種類型的光纖和各種補償色散的技術(shù)，如漸變折射率光纖，色散補償光纖等。典型的單模光纖的纖芯直徑和相對折射率分別這里代表光纖損耗，L是光纖長度，習慣上光纖的損耗通過下式用dB/km來表示：自發(fā)輻射光是一種非相干光，即不是單一頻率、相位和偏振方向相同的光。不同入射角的光線代表不同的模式變折射率光纖，色散補償光纖等。光纖通信系統(tǒng)的基本單元心軸線到達光纖輸出端所需時間為消光比（ExtinctionRatio）：互重疊，引起數(shù)字信號的碼間串擾，造成誤碼率增加；光在光纖中傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL是由光纖特性決定的大小與4成反比，R＝C/4（dB/km）因而主要作用在短波長區(qū)。是衡量數(shù)字傳輸時光源的一項重要參數(shù)。特點：ncore>nclad光在芯和包層之間的界面上反復進行全反射，并在光纖中傳遞下去。光纖通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標。效應(yīng)），適用于各種類型的激光器。另外20%在包層傳輸，由于纖芯和包層有著不同的折射率，（a）模擬電流信號對激光器的直接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)的基本單元OH離子吸收：O-H鍵的基本諧振波長為2.（b）光的受激發(fā)射（激光二極管）2.帶寬帶寬是一個頻率范圍，在這個頻率范圍之內(nèi)，信號可以不失真地進行傳輸，它反映了模擬傳輸系統(tǒng)運載信息的能力。光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標1電帶寬Δfel頻率f(Hz)光帶寬Δfopt0.7070.5歸一化電流或功率2.傳輸距離光源最大平均輸出功率接收機探測器的最小平均接收光功率光纖的損耗LC連接器光發(fā)射機距離L(km)光接收機連接器接頭接頭PoutPrecLCLSLSdBm光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標光纖通信系統(tǒng)的基本單元紫外、紅外、OH離子、金屬離子吸收等，是材料本身所固有的--本征吸收損耗（a）模擬電流信號對激光器的直接調(diào)制101所有大于臨界角C的光線都被限制在纖芯內(nèi)。光纖通信系統(tǒng)的基本單元不同入射角的光線代表不同的模式帶寬是一個頻率范圍，在這個頻率范圍之內(nèi)，信號可以不失單模光纖中波導色散