第2章传输系统-光纤通信概述

光纤通信原理第一部分概述3000多年前，人们就开始利用光进行通信，但光通信的真正飞跃是在光纤出现之后，由于光纤无可比拟的优越性，在短短的几十年中迅速地取代了电通信的地位，通信速率由几M发展到单信道10G，40G。1-1光纤通信的发展与现状1-1-1早期的光通信几千年前，中国就有火光通信：烽火台，它是世界上最早的光通信，因为它具有光通信的基本要素：光源、接受器、信息加在光波上和光通道。1880年，贝尔发明了光电话，它是现代光通信的开端，但由于找不到实用的传输手段而夭折。1-1-2光纤通信1950年曾出现过导光用的玻璃纤维，但损耗高达1000db/Km，这天文数字的损耗量，使有人认为光纤传输无实际意义。1960年，英籍华人高锟指出：如能将光纤中过渡金属离子减少到最低限度，有可能使光纤的损耗减少到1db/Km，信息容量可能超过100MHz。1970年美国康宁公司拉出了损耗20db/Km的光纤。现在光纤的无中继传输已达几万公里，NEC公司在实验室完成了10T以上容量的传输。光纤通信的前途一片光明。1-2光纤通信的主要特性1-2-1光纤通信的优点1、容量大目前商用系统单信道10G，多信道1600G。如果能消除OH吸收峰，带宽可达140T。2、损耗低、中继距离长目前，实用的光纤通信系统使用的石英光纤在1.55微米波长区的损耗为0.18db/Km，比已知的其他通信线路的损耗低得多。如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长（大于2微米），光纤损耗的理论系数可以下降到1/1000-1/100000db/Km，光纤的无中继传输可达几万公里，在任何情况下都可以不要再生中继。3、抗干扰能力强光导纤维是不导电的，电磁波在其中不会产生感生电动势，即不会产生与信号无关的噪声。4、保密性好电通信方式很容易被人窃听，而光纤中传送的光波被限制在光纤内部，很少会跑到光纤之外。即使在弯曲半径很小的位置光泄漏也十分微弱。5、体积小，重量轻目前常用的光纤纤芯直径只有几微米，加上包层直径是125微米，500米只有50克。一公里四管同轴电缆重4400公斤，而一公里四芯光缆只200公斤，是电缆的二十分之一也不到。6、节约有色金属和原材料光纤的主要成分是二氧化硅，占地球重量的24%，而生产电缆需要大量的铜和铅，在地球上快成为“稀有金属”了。1-3-2光纤通信系统的分类根据调制信号的类型：模拟、数字。根据光源的调制方式：直接、间接。根据光纤的传导模数量：多模、单模。根据工作波长：短波长、长波长、超长波长。第二部分光纤的传输特性光纤的特性很多，基本上可以分为几何尺寸特性、光学特性、传输特性、机械特性和温度特性五类。其中最主要的是光纤的传输特性。2-1光纤的损耗特性光纤通信是随着光纤损耗的不断降低而发展起来的，造成光纤损耗的原因很多，其损耗机理也很复杂。主要有三类：吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗。2-1-1吸收损耗吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离子和氢氧根离子等杂质对光的吸收而产生的损耗，前者是由光纤材料本身的特性所决定的，称为本征吸收损耗。本征吸收损耗本征吸收损耗是固有的，他包括紫外吸收损耗和红外吸收损耗。紫外吸收损耗对于波长小于0.4微米的光波表现得特别强烈，形成紫外吸收带。红外吸收损耗对于波长大于2微米的光波表现得特别强烈，形成红外吸收带。杂质吸收损耗杂质吸收损耗可以随杂质浓度的降低而减小，直至清除。因此得到一个很宽的低损耗波长窗口，有利于波分复用（WDM）。原子缺陷吸收损耗原子缺陷吸收损耗可以通过选用合适的制造工艺，不同的掺杂材料及含量使之减小到可以忽略不记的程度。2-1-2散射损耗光线通过均匀透明介质时，从侧面是难以看到光线的，如果介质不均匀，如空气中漂浮的大量灰尘，我们便可以从侧面清晰地看到光束的轨迹。这是由于介质中的不均匀性使光线四面八方散开的结果，这种现象称之为散射。散射损耗是以光能的形式把能量辐射出光纤之外的一种损耗。散射损耗可分为线性散射损耗和非线性散射损耗。2-1-3弯曲损耗光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯。为了尽量减小这种损耗，施工过程中严格规定了光纤光缆的允许弯曲半径，使弯曲损耗降低到可以忽略不记的程度。2-2光纤的色散特性2-2-1色散的概念在物理光学中，色散是指由于某种物理原因使具有不同波长的光经过透明介质后被散开的现象。在光纤传输理论中，借用了这一古老的术语表达了新的内容。在光纤中，光信号是由许多不同的成分（模式、频率）组成的，其传播速度不同，经过一段距离后，出现了时延差，从而引起信号畸变，这种现象称为色散。2-2-2模式色散模式色散一般存在于多模光纤中，由于在多模光纤中存在多个模式，其传播速度不同，使光脉冲展宽，最终影响光纤的带宽，即多模光纤的带宽远小于单模光纤。理想的单模光纤在由于只传输一个模式（基模），不存在模式色散，因此有较高的带宽，被广泛采用。2-2-3材料色散光纤材料的折射率随光波长的变化而变化，从而引起光脉冲展宽的现象称为材料色散。光纤的材料色散远小于模式色散，是影响单模光纤带宽的主要原因。为什么？2-2-6总色散光纤中存在着模式色散、材料色散、波导色散和极化色散，这几种色散的大小有下列关系：模式色散材料色散波导色散极化色散。由于极化色散很小，一般忽略不计。在多模光纤中，主要存在模式色散、材料色散和波导色散；单模光纤中不存在模式色散，而只存在材料色散和波导色散。2-3典型光纤参数G651光纤称为渐变型多模光纤，这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统中。G652光纤称为常规单模光纤，其特点是在波长1.31微米处色散为零，系统的传输距离一般只受损耗的限制。G653光纤称为色散位移光纤，其特点是在波长1.55微米处色散为零，损耗又最小。G653光纤适用于大容量长距离通信系统中。G654光纤称为截止波长光纤，其特点是在波长1.31微米处色散为零。G655光纤称为非零色散位移光纤，是一种改进的色散位移光纤。在密集波分复用（DWDM）系统中。随着传输速率的提高,传输距离的加长和波分复用技术的实用化,工作在传输损耗最低区域(1.55微米附近)的非零色散位移光纤将获得迅速的发展。无源器件与有源器件光纤通信中所用的光器件可分成光有源器件和光无源器件两大类。区别在于其内部是否发生光电转换。有光电转换就称为光有源器件,否则为光无源器件。第三部分光源与光发送器从光纤通信的意义上来说，将在近红外光谱附近产生电磁场能的发生器称为光源。光源是光发送器的核心器件，通过它可以把调制信号变换成已调制信号，即实现电/光转换。由于体积小、重量轻、效率高、耗电少等特点，现代光纤通信系统均采用半导体光源器件，主要有半导体发光二极管（LED）和半导体激光二极管（LD）。3-1半导体光源的工作原理3-1-1发光二极管的工作原理半导体发光二极管（LED）的光谱可以覆盖整个光纤通信系统使用的波长，典型值为0.85微米、1.31微米、1.55微米。1、发光二极管的类型结构表面发光二极管、边发光二极管及超辐射发光二极管。3-1-2激光二极管的工作原理在结构上，LD与其他类型的激光器是相同的，都有激励源、工作物质和谐振腔组成。激励源的作用是使工作物质形成粒子数反转分布状态，为受激放大提供条件，LD采用电激励方式。工作物质是提供合适的能带结构，使LD按要求的波长发光。谐振腔是LD独有的，提供正反馈功能。3-2光源的工作特性3-2-1LED的工作特性1、P-I特性由于没有阈值而使LED的P-I特性具有非常优良的线性，因此在模拟光纤通信系统中广泛应用。LED的发射光功率比LD小，所以适用于短距离系统，但寿命较长。2、光谱特性典型值是0.85微米、1.31微米和1.55微米。谱线宽度对系统性能影响很大，谱线宽度越宽，色散越大。3、调制特性LED的调制带宽在100MHZ以下，所以只适用于低速光纤通信系统。4、温度特性温度增加时，LED的光功率会下降，线性工作区变窄。LED受温度的影响远远小于LD。3-2-2LD的工作特性1、LD的P-I特性由于存在阈值线象，LD的P-I特性不如LED，LD常常在阈值以上使用。2、光谱特性由于LD谐振腔的频率选择作用，LD的谱线宽度要比LED小得多，这是LD应用于长距离、大容量系统的基本原因。3、调制特性LD有非常大的带宽（几百MHZ---几十GHZ），因此，高速光纤通信系统是LD的主要用途。4、温度特性与LED比较，温度主要对LD的阈值电流、输出光功率及峰值工作波长影响较大。为了降低温度对LD的影响，可以选择温度特性优异的新型LD，或外加自动温度控制电路。3-3光发送机光发送机的主要作用是以电路的方式完成电/光变换，即完成光信号的调制功能，在整个系统中具有十分重要的作用。3-3-1光调制原理1、光调制方式分类（1）按光源与调制信号的关系分类直接调制方式：是指直接将调制信号施加在光源上来完成光源参数的调制过程，具有调制电路简单、经济等优点，目前广泛采用，但调制速率比较低。外部（间接）调制方式：是指通过外部调制器来完成光源参数的调制过程，具有极高的调制速率，但要一个专门的外部调制器，目前在新型系统中应用。（2）按已调制信号的性质分类分为模拟调制方式和数字调制方式。模拟调制方式是指已调制信号属于模拟信号，主要包括强度调制（IM）、振幅调制（AM）、双边带抑制载波（DSB/SC）、单边带（SSB）及残余边带（VSB）调制方式。数字调制方式是指已调制信号属于数字信号，主要包括幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）调制方式。3-3-2光发送机的构成及指标1、光发送机构成驱动电路光源辅助电路驱动电路的主要作用是为光源提供要求的驱动电流；光源的主要作用是完成电光变换（光调制）；辅助电路主要完成自动功率控制（APC）、自动温度控制（ATC）和光源保护等功能。2、光发送机的主要指标（1）平均发送光功率及其稳定度平均发送光功率是指光源尾巴光纤（尾纤）的平均输出光功率。稳定度是指在温度变化或器件老化过程中平均发送光功率的相对变化量，要求小于5%。（2）消光比定义为最大平均发送光功率与最小平均发送光功率之比。EX=最大平均发送光功率/最小平均发送光功率。一般要求EX不小于10。（消光比也叫通断比。）3-4驱动电路和辅助电路3-4-1驱动电路对驱动电路的要求（1）能够提供较大的、稳定的驱动电流；（2）有足够快的响应速度，最好大于光源的驱动速度；（3）保证光源具有稳定的输出特性。3-4-2辅助电路为了保证长期稳定、可靠的工作，光发送机还设置了其他辅助电路。1、自动功率控制（APC）电路LD的阈值电流及P-I特性曲线斜率会随着温度的变化和老化效应而发生较大的变化，导致LD发送光功率发生波动。如果没有APC，某些器件的波动在65%以上必须设置APC电路。2、自动温度控制（ATC）电路LD的输出特性与温度有密切的关系。为了保证光发送器有稳定的输出特性，对LD的工作温度必须进行控制，而且对LD的温度控制也是保护LD的一项关键措施。第四部分光电检测器与光接收机光电检测器（光电检波器或光波探测器）是光纤通信系统的一个核心器件。借助于光电检测器可以完成光/电变换。为了实现光的解调或光/电变换，在实际系统中还要将光电检测器、放大电路、均衡滤波电路、自动增益控制（AGC）电路及其他电路构成一体，形成光接收机。4-1光电检测器的特性指标4-1-1光电检测器的工作特性1、响应度在一定波长的光照射下，光电检测器的平均输出电流与入射的平均功率之比，一般在0.3--0.7A/W。2、量子效率响应度是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性，而量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏特性，定义为通过结区的载流子数与入射的光子数之比。3、响应速度即光电转换速度。光电二极管要具有快速响应的特性，在结构上首先要减薄零场区，其次是减小结电容。采用同轴封装和微带结构以减小管壳电容，可以进一步提高响应速度。4、暗电流没有入射光时，光电二极管输出的电流，类似于晶体