TA000002 光纖通信基礎(chǔ) ISSUE1.20

TA000002光纖通信基礎(chǔ)ISSUE1.20完成此課程，您將學(xué)會(huì)：一﹑光纖通信概論二﹑光纖與光纜三﹑光發(fā)送與光接收目標(biāo)Page2光纖通信概論光纖通信概念 光纖通信以光作為信息載體，利用光纖傳輸攜帶信息的光波，以達(dá)到通信之目的。

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的基本組成：光發(fā)送機(jī)﹑光接收機(jī)﹑光纖Page3光纖通信概論典型的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)方框圖電端機(jī)（模/數(shù)）光發(fā)送機(jī)光纖中繼器光接收機(jī)電端機(jī)（數(shù)/模）模擬信號(hào)發(fā)送端的電端機(jī)把信息（如話音）進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，用轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)去調(diào)制發(fā)送機(jī)中的光源器件LD，輸出發(fā)出攜帶信息的光波。光波經(jīng)光纖傳輸后到達(dá)接收端，光接收機(jī)把數(shù)字信號(hào)從光波中檢測出來送給電端機(jī)，而電端機(jī)再進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，恢復(fù)成原來的信息。光纖模擬信號(hào)Page4光纖通信概論攜帶信息的光波：數(shù)字信號(hào)為"1"時(shí)，光源器件發(fā)送一個(gè)"傳號(hào)"光脈沖；當(dāng)數(shù)字信號(hào)為"0"時(shí)，光源器件發(fā)送一個(gè)"空號(hào)"（不發(fā)光）。Page5光纖通信優(yōu)點(diǎn)通信容量大 一根光纖同時(shí)傳輸24萬個(gè)話路，比傳統(tǒng)的明線、同軸電纜、微波等要高出幾十乃至上千倍。 波分復(fù)用技術(shù)的采用，把一根光纖當(dāng)作幾根、幾十根光纖使用，通信容量近乎無限。中繼距離長 光纖具有極低的衰耗系數(shù)。目前商用化石英光纖已達(dá)0.19dB/km以下，配以適當(dāng)?shù)墓獍l(fā)送與光接收設(shè)備，中繼距離達(dá)數(shù)百公里以上，特別適用于長途一、二級(jí)干線通信。Page6光纖通信優(yōu)點(diǎn)保密性能好，抗干擾能力強(qiáng) 由于光的頻率極高，遠(yuǎn)高于一般的電磁波的頻率，而且光波在光纖中傳輸時(shí)只在其芯區(qū)進(jìn)行，不存在傳統(tǒng)的電磁波輻射，因此其保密性能極好，同時(shí)也不怕外界強(qiáng)電磁場的干擾，抗干擾能力強(qiáng)。便于施工和維護(hù) 體積小、重量輕。光纜的敷設(shè)方式方便靈活。既可以直埋、架空，雙可能通過管道和水底敷設(shè)。Page7光纖與光纜光纖的構(gòu)造 光纖呈圓柱形，由纖芯、包層與涂層三大部分組成，如下圖：涂層

n2

包層

n2

包層

涂層

纖芯

n1

d1

d2Page8光纖與光纜光纖的構(gòu)造

纖芯主要采用高純度的SiO2二氧化硅，并摻有少量的摻雜劑，提高纖芯的光折射率n1； 包層也是高純度的二氧化硅，也摻雜一些摻雜劑，主要是降低包層的光折射率n2； 涂層采用丙烯酸酯、硅橡膠、尼龍，增加機(jī)械強(qiáng)度和可彎曲性。光纜是多根光纖放在放在一個(gè)松套管內(nèi)，內(nèi)沖石油膏和鋼絲形成的。海底光纜內(nèi)還有電源線，主要為中繼站的放大器等提供電源。光纖的導(dǎo)光原理 光是一種頻率很高的電磁波，而光纖本身是一種介質(zhì)波導(dǎo)。我們從幾何光學(xué)的角度來簡單討論光纖的導(dǎo)光原理。Page9光纖與光纜全反射原理 光線在均勻介質(zhì)中是以直線傳播的，但在兩種不同介質(zhì)的分界面會(huì)產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，如圖所示：包層纖芯折射光反射光入射光光的反射與折射n2n1123Page10光纖與光纜全反射原理 當(dāng)n2/n1的比值增大到一定程度，則會(huì)使折射角≥90度，此時(shí)的折射光線不再進(jìn)入包層，而會(huì)在纖芯與包層的分界面上掠過，或者重返回到纖芯中進(jìn)行傳播，這種現(xiàn)象叫做光的全反射現(xiàn)象。 不難理解，當(dāng)光在光纖中發(fā)生全反射現(xiàn)象時(shí)，由于光線基本上全部在纖芯區(qū)進(jìn)行傳播，沒有光跑到包層中去，所以可以大大降低光纖的衰耗。Page11光纖與光纜全反射現(xiàn)象光的全反射現(xiàn)象n2n1折射光13入射光Page12光纖與光纜光在光纖中的傳播 光在光纖中以“Z”形軌跡傳播及沿纖芯與包層的分界面掠過n2n1Page13光纖與光纜光纖的工作波長（工作窗口） 光線路信號(hào)在光纖上傳送的波長：850nm、1310nm、1550nm。

850nm窗口只用于多模傳輸

1310nm和1550nm窗口用于單模傳輸。Page14光纖與光纜光通道參數(shù)：衰減、色散 光信號(hào)在光纖中傳輸?shù)木嚯x要受到色散和衰減的雙重影響。衰減 使在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)隨著傳輸距離的增加而功率下降。

1310nm窗口每公里衰減：0.4dB/km 1550nm窗口每公里衰減：0.25dB/km色散會(huì)使在光纖中傳輸?shù)臄?shù)字脈沖展寬，引起碼間干擾，降低信號(hào)質(zhì)量。Page15光纖與光纜光纖的類型G.652光纖：在1310nm波長窗口色散性能最佳，是目前應(yīng)用最廣泛的光纖。 在1310nm處，色散小，衰耗大； 在1550nm處，色散大，衰耗?。籊.653光纖：在1550nm波長，衰耗和色散皆為最小值，可實(shí)現(xiàn)大容量長距離傳輸。因出現(xiàn)四波混頻效應(yīng)(FWM),限制了它在WDM（波分復(fù)用）方面的應(yīng)用。Page16光纖與光纜光纖的類型G.654光纖：1550nm損耗最小光纖，主要用于長再生中繼距離的海底光纜。G.655光纖：克服了G.652光纖在1550nm處色散受限和G.653光纖在1550nm處出現(xiàn)四波混頻效應(yīng)的缺陷，適用于WDM系統(tǒng)。Page17光纖與光纜光纜簡介 光纜為光纖提供可靠的機(jī)械保護(hù)，使之適應(yīng)外部使用環(huán)境，并確保在敷設(shè)與使用中光纜的光纖具有可靠的傳輸性能。光纜特性： 光纜雖有一定的強(qiáng)度和抗張力，但經(jīng)不起過大的側(cè)壓力與拉伸力。光纜在短期內(nèi)可接觸水，當(dāng)時(shí)間過長會(huì)增加光纖的衰耗。光纜分類： 架空光纜、直埋式光纜、鎧裝光纜、海底光纜、阻燃光纜等等。Page18光纖與光纜常見光纖連接器種類：

FC/PC：FC，圓頭尾纖連接器，PC，陶瓷截面為平面；

SC/PC：SC，方頭尾纖連接器，PC，同上；

FC/APC：FC，同上，APC，以截面中心為圓心，向外傾斜80度。Page19第三章光源器件與光發(fā)送機(jī)光纖通信對(duì)光源器件的要求發(fā)射光波長適中

0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。發(fā)射光功率足夠大（指入纖光功率）溫度特性好 光源器件的發(fā)光波長與發(fā)射光功率易隨溫度變化，在較高溫度下其性能容易劣化。發(fā)光譜寬窄 譜線寬度應(yīng)小于2nm。譜線過寬，會(huì)增大光纖色散，減少光纖的傳輸容量與傳輸距離。Page20第三章光源器件與光發(fā)送機(jī)光纖通信對(duì)光源器件的要求工作壽命長 光源器件壽命的終結(jié)是指其發(fā)光功率降低到初始值的一半或者其閾值電流增大到其初始值的二倍以上。體積小、重量輕Page21光源器件分類發(fā)光二極管LED

發(fā)光機(jī)理：自發(fā)幅射發(fā)光優(yōu)點(diǎn)：線性度、溫度特性好、價(jià)格低、壽命長、使用簡單缺點(diǎn)：譜線較寬、與光纖的耦合效率低應(yīng)用：小容量、短距離的光纖通信；用于對(duì)線性變要求高的模擬傳輸。激光二極管LD

發(fā)光機(jī)理：受激發(fā)光優(yōu)點(diǎn)：發(fā)光譜線窄（1～5nm） 與光纖的耦合效率高（可達(dá)90％），調(diào)制速率高應(yīng)用在大容量、長距離的數(shù)字光纖通信Page22光源器件分類激光二極管LD缺點(diǎn)：溫度特性差 主要表現(xiàn)在其閾值電流隨溫度的上升而增加，如下圖所示。（注：LD是閾值器件，需予偏置）缺點(diǎn)：線性度差

LD的發(fā)光功率隨其工作電流的變化，并非是一種良好的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，但數(shù)字光纖通信對(duì)光源器件的線性度并沒有過高的要求，并不影響使用。工作壽命短，目前可達(dá)到數(shù)十萬小時(shí)。Page23光發(fā)送機(jī)方框圖Page24光發(fā)送機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)平均發(fā)送光功率： 指在發(fā)送“0”、“1”碼等概率調(diào)制的情況下，光發(fā)送機(jī)輸出的光功率值，單位為dBm。-20dB譜寬：光發(fā)送機(jī)中光源器件的譜線寬度 一般用-20dB譜寬衡量，即指從中心波長的最大幅度下降到百分之（-20dB）時(shí)兩點(diǎn)間的寬度光源器件的壽命消光比EX： “1”碼光脈沖功率與“0”碼光脈沖功率之比 光發(fā)送機(jī)的消光比一般要求大于8.2dB，但并非越大越好，否則會(huì)引起"啁啾聲"。Page25第四章光檢測器件與光接收機(jī)光檢測器件通過光/電轉(zhuǎn)換，將信號(hào)（通信信息）從光波中分離（檢測）出來。光纖通信對(duì)光檢測器件的要求：靈敏度高（響應(yīng)度高）噪聲低工作電壓低體積小、重量輕、壽命長Page26PIN光二極管：特性參數(shù)：靈敏度、響應(yīng)時(shí)間優(yōu)點(diǎn)：噪聲小、工作電壓低缺點(diǎn)：沒有倍增效應(yīng)。PIN的光接收機(jī)靈敏度不高，適宜用于短距通信。APD光二極管：特性參數(shù)：倍增因子G（平均增益），倍增噪聲因子APD光二極管的最大優(yōu)點(diǎn)是倍增效應(yīng)，即輸入同樣大小的光功率信號(hào)能獲得比PIN光二極管多幾十倍的光電流，大大提高了光接收機(jī)的靈敏度（比PIN光接收機(jī)提高約10dB以上）。光檢測器件類型Page27光接收機(jī)方框圖Page28光接收機(jī)各功能框介紹前置放大器： 把光檢測器產(chǎn)生的微弱光電流進(jìn)行預(yù)放大。主放大器： 把信號(hào)進(jìn)一步放大，其增益一般在50dB以上。均衡器： 把主放大器輸出的脈沖進(jìn)行均衡，以形成碼間干擾最小、最有利于進(jìn)行判決的波形。Page29光接收機(jī)各功能框介紹判決再生電路： 對(duì)均衡器輸出的脈沖流逐個(gè)進(jìn)行判決，并再生成波形整齊的脈沖碼流。時(shí)鐘提取電路： 提取時(shí)鐘，以保證收發(fā)同步。自動(dòng)增益控制（AGC）： 控制前置放大器與主放大器的增益，使光接收機(jī)有一個(gè)規(guī)定的動(dòng)態(tài)范圍。偏壓電路： 向APD光二極管提供反向偏壓。Page30光接收機(jī)靈敏度： 在保證規(guī)定的誤碼率條件下(如BER＝1×10-10)，光接收機(jī)所需要的最小光功率值，一般以dBm為單位。 靈敏度是光接收機(jī)一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，靈敏度與光發(fā)送機(jī)的發(fā)光功率、光纖的衰耗系數(shù)決定了光纖通信的中繼距離。光接收機(jī)過載光功率： 在保證規(guī)定的誤碼率條件下(如BER＝1×10-10)，光接收機(jī)所允許的最大光功率值，以dBm為單位。動(dòng)態(tài)范圍： 過載光功率與靈敏度之差，動(dòng)態(tài)范圍一般在20dB以上。光接收機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)Page31光纖通信的最大中繼距離受光纖衰耗的限制，稱為衰耗受限系統(tǒng)；光纖通信的最大中繼距離受傳輸色散的限制，稱為謂色散受限系統(tǒng)。在PDH及SDH（STM-16以下）通信中，碼速率不高（一般最高為140Mb/s），色散造成的影響不大，多數(shù)為衰耗受限系統(tǒng)。在SDH（STM-64或以上）通信中，碼速率很高，光纖色散影響很大，系統(tǒng)可能是衰耗受限系統(tǒng)，也可能是色散受限系統(tǒng)。光傳輸設(shè)計(jì)-概述Page32衰耗受限系統(tǒng) 光纖通信的中繼距離受各種傳輸衰耗參數(shù)的限制，如光發(fā)送機(jī)的平均發(fā)光功率、光纜的衰耗系數(shù)、光接收機(jī)靈敏度等。衰耗受限系統(tǒng)的接收光功率可用下式計(jì)算： 實(shí)際接收光功率=發(fā)送光功率-光傳輸距離*衰耗系數(shù)/km-活動(dòng)連接器總衰耗 光纖的衰耗系數(shù): 1310nm波長：0.3~0.4d