光纤通信PPT模板

光纤通信原理瑞典皇家科学院６日宣布，将２００９年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及两位美国科学家。高锟获奖，是因为他在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”做出了突破性成就。《Asiaweek》回顾影响20世纪的5位亚洲人时，他和邓小平、黑泽明、甘地、盛天昭夫并列，各自在不同的领域塑造了整个世界的面貌。1光纤通信概述1.1什么是光纤通信1.2光纤通信的发展史1.3光纤通信的特点1.4光纤通信系统的组成1.5光纤通信的发展趋势1.1什么是光纤通信利用光导纤维传输光波信号的通信方式，称为光纤通信。光纤通信是工作在近红外区，其波长是0.8～1.8μm，对应的频率为167～375THz。光纤通信技术的发展十分迅速，已经起到了举足轻重的地位，发展前景十分广阔。1.2光纤通信的发展史我国古代使用的烽火台就是大气光通信的最好例子。后来的手旗、灯光甚至交通红绿灯等均可划入光通信的范畴。近代光通信的雏形可追朔到1880年Bell发明的光电话。但通信光电话未能像其它电通信方式那样得到发展。1966年英籍华人高琨博士提出光导纤维的概念在全世界范围内掀起了发展光纤通信的高潮。1978年工作于0.8μm的第一代光波系统正式投入商业应用。上世纪80年代初，早期的采用多模光纤的第二代光波通信系统问世。1990年，工作于2.4Gb/s，1.55μm的第三代光波系统已能提供通信商业业务。第四代光波系统以采用光放大器(OA)增加中继距离和采用频分与波分复用(FDM与WDM)增加比特率为特征。第五代光波通信系统的研究与发展也经历了20多年历程，已取得突破性进展。它基于光纤非线性压缩抵消光纤色散展宽的新概念产生的光孤子，实现光脉冲信号保形传输。从通信网来看第一代为纯电信网第二代通信网仅仅是用光纤代替铜线，使通信网的性能得到了某种改善，而网络的拓扑骨架基本上之前的模式，光波通信的潜力尚未完全发挥。第三代通信网为全光通信网。1990年后，随着光纤与光波电子技术的发展，新颖光纤与半导体功能光器件相继问世，掀起了发展全光通信网的潮流。这种通信网中，不仅用光波系统传输信号，交换、复用、控制与路由选择等亦全部在光域完成，由此构建真正的光波通信网。1.3光纤通信的特点传输频带宽，通信容量大。中继距离远。抗电磁干扰能力强，无串话。光纤细，光缆轻。资源丰富，节约有色金属和能源。均衡容易。经济效益好。抗腐蚀、不怕潮湿。1.4光纤通信系统的组成根据调制信号的类型，光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。根据光源的调制方式，光纤通信系统可以分为直接调制光纤通信系统和间接调制光纤通信系统。根据光纤的传导模数量，光纤通信系统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤通信系统。根据系统的工作波长，光纤通信系统可分为短波长(0.8～0.9μm)光纤通信系统、长波长(1.0～1.7μm)光纤通信系统和超长波长(2μm以上)光纤通信系统。1.5光纤通信的发展趋势国家863计划通信技术主题专家组副组长纪越峰：在高速光传输方面，目前已实现了10.96Tbit/s（274波×40Gbit/s）的实验系统；在超长距离传输方面，已达到了4000km无电中继的技术水平我国已成为世界上为数不多的几个掌握了全套SDH和WDM光通信系统系列产品技术的国家之一，在世界光通信系统和光网络领域已经占据了一席之地。从一九七０年到现在虽然只有短短不到三十年的时间，但光纤通信技术却取得了极其惊人的进展。用带宽极宽的光波作为传送信息的载体以实现通信。然而就目前的光纤通信而言，其实际应用仅是其潜在能力的2％左右，尚有巨大的潜力等待人们去开发利用。2光波波谱光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300μm～6×10−3μm。可见光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的连续光波组成，其中红光的波长最长，紫光的波长最短。波长再短就是X射线、γ射线。电磁波波谱图3光纤3.1光纤的结构与类型3.2光纤的射线理论分析3.3光纤的损耗特性3.4光纤的色散特性3.5单模光纤3.6光纤的传输带宽3.7光纤连接器特性3.1光纤的结构与类型3.1.1光纤(OpticalFiber，OF)就是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的，一般可以分为三部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层光纤结构示意图3.1.2光纤的分类方法很多，既可以按照1.光纤截面折射率分布来分类，2.光纤中传输模式数的多少3.光纤使用的材料4.传输的工作波长来分类。1.按光纤截面上折射率分布分类按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤(Step-IndexFiber，SIF)和渐变型光纤(Graded-IndexFiber，GIF)光纤的折射率分布2.按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤(Multi-ModeFiber，MMF)和单模光纤(SingleModeFiber，SMF)。在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。单模和多模光纤结构示意图3.按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。4.按ITU-T按照ITU-T关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G.651光纤(渐变型多模光纤)、G.652光纤(常规单模光纤)、G.653光纤(色散位移光纤)、G.654光纤(截止波长光纤)和G.655(非零色散位移光纤)光纤。ITU-T的中文名称是国际电信联盟远程通信标准化组(ITU-TforITUTelecommunicationStandardizationSector),它是国际电信联盟管理下的专门制定远程通信相关国际标准的组织。（1）G.652光纤。G.652光纤特点是零色散波长在1.31μm，故其被称为常规单模光纤或非色散位移单模光纤。G.652光纤在1.31μm处衰减系数为0.35dB/km左右，在1.55μm处衰减系数为人0.20dB/km左右，但1.55μm处的色散系数大约为17~20ps/km.nm，从而限制了其在工作波长为1550nm系统中的传输速率和传输距离。（2）G.653光纤。G.653光纤特点是零色散波长由G.652光纤的1.31μm位移到1.55μm制得的光纤，故其称为色散位移光纤。G.653光纤同时实现了1.55μm窗口的低衰减系数和小色散系数。但是当其用于带有掺铒光纤放大器的波分复用系统中时，由于光纤芯中的光功率密度过大产生了非线性效应，限制了G.653光纤在单信道速率10Gbit/s以上波分复用或密集波分复用系统中的应用（3）G.655光纤。G.655光纤特点是在1.530~1.565μm波长区为非零色散，故其称为非零色散位移光纤。G.655光纤解决G.653光纤在单信道速率10Gbit/s以上波分复用中出现的非线性效应，特别是四波混频，所以其在10Gbit/s以上波分复用或密集波分复用的高速率、大容量、远距离光纤传输系统中得到极为广泛地应用。G.657光纤标准将成为FTTx建设的主流G.652标准光纤的弯曲半径为25mm，受弯曲半径的限制，光纤不能随意地进行小角度拐弯安装2006年12月，ITU-T第十五工作组通过了一个新的光纤标准，即G.657，称为“用于接入网的低弯曲损耗敏感单模光纤和光缆特性”。根据G.657标准，光纤的弯曲半径可达5～10mm，因此符合G.657标准的光纤可以像铜缆一样，沿着建筑物内很小的拐角安装，非专业的技术人员也可以掌握施工的方法，降低了FTTx网络布线的成本。除此以外，实际施工中光纤的弯曲半径一般会小于该类光纤的最小弯曲半径，当光纤发生一定程度的老化时，信号仍然可以正常传送。因此，G.657标准有助于提高光纤的抗老化能力，降低FTTx的维护成本。3.2光纤的射线理论分析3.2.1光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为v=c/n式中：c＝2.997×105km/s，是光在真空中的传播速度；n是介质的折射率(空气的折射率为1.00027，近似为1；玻璃的折射率为1.45左右)。反射定律：反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，并且反射角等于入射角，即：θ1′＝θ1。折射定律：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：n1sinθ1=n2sinθ23.2.21.模式是波动理论的概念。在波动理论中，一种电磁场的分布称之为一个模式。在射线理论中，通常认为一个传播方向的光线对应一种模式，有时也称之为射线模式。2.相位一致条件光纤中光波相位的变化情况相位一致条件就是说：如果图中所示的这个模式在A、B处相位相等，则经过一段传播距离后，在A′、B′处也应该相位相等或相差2π的整数倍。光纤的相位一致条件也可以从另外一个角度出发得到。根据物理学的知识可知：波在无限空间中传播时，形成行波；而在有限空间传播时，形成驻波。3.3光纤的损耗特性1.衰减系数损耗是光纤的一个重要传输参量，是光纤传输系统中继距离的主要限制因素之一。损耗的大小可以用衰减常数α定义。通常α表示成dB/km为单位的形式。2.光纤通信的低损耗窗口由石英光纤的损耗谱曲线自然地显示光纤①第一低损耗窗口短波长0.85μm②第二低损耗窗口长波长1.31μm附近；③第三低损耗窗口长波长1.55μm附近；实验上曲线的损耗值为：对于单模光纤，在0.85μm时约为2.5dB/km；在1.31μm时约为0.4dB/km；在1.55μm时仅为0.2dB/km，已接近理论值(理论极限为0.1dB/km)。3.光纤损耗主要包括：(1)材料的吸收损耗光纤材料吸收损耗包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收等，它是材料本身所固有的，因此是一种本征吸收损耗。(2)光纤的散射损耗瑞利散射损耗。光纤在加热过程中，热扰动使原子产生压缩性的不均匀，造成密度不均匀，进一步造成折射率不均匀。这种不均匀性在冷却过程中固定了下来并引起光的散射。波导散射损耗。当光纤的纤芯直径沿轴向不均匀时，产生导模和辐射模间的耦合，能量从导模转移到辐射模，从而形成附加的波导散射损耗。非线性散射损耗。当光线中传输的光强大到一定程度时，就会产生非线性受激拉曼散射和受激布里渊散射，是输入光能部分转移到新的频率分量上。(3)辐射损耗当理想的圆柱形光纤受到某种外力作用时，会产生一定曲率半径的弯曲，导致能量泄露到包层，这种由能量泄露导致的损耗称为辐射损耗。3.4光纤的色散特性1.什么是光纤色散信号在光纤中是由不同的频率成分和不同模式成分携带的，这些不同的频率成分和模式成分有不同的传播速度，从而引起色散。也可以从波形在时间上展宽的角度去理解，即光脉冲在通过光纤传播期间，其波形在时间上发生了展宽，这种观象就称为色散。光纤色散是光纤通信的另一个重要特性，光纤的色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量。因此制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统容量和加大传输距离是非常重要的。引起光纤色散的原因很多，由于信号不是单一频率而引起的色散有材料色散和波导色散，由于信号不是单一模式所引起的色散称为模式色散。2.色散的程度描述时延差Δτ可以表示光纤的色散程度：Δτ=DΔλL式中：D为色散系数，单位为ps/(nm·km)，Δλ为光源谱宽，L为传输的距离时延差越大，色散越严重。3.材料色散和波导色散(1)材料色散它是由于材料折射率随光波长非线性变化引起的色散在λ0=1.27μm时，时延差最小，这个波长称为材料的零色散波长。(2)波导色散对于单模光纤，波导的作用不能忽略。对于某模式的电磁波而言，传播常数β可以由U（导波径向归一化常数）、V（归一化频率）和W（导波径向归一化衰减系数）推出，在不同的频率下，相位常数β不同，使得群速不同而引起色散，这种色散称为波导色散。4.模式色散模式色散是指不同模式的电磁波在光纤中传播，群速不同而引起的色散。可以用光纤中传输的最高模式与最低模式之间的时延差来表示3.5单模光纤1、什么是单模光纤单模光纤是在给定的工作波长上，只