1.光纤通信讲解

光纤通信2目录光纤通信概述光纤光缆光器件光发射机与光接收机光纤通信系统设计3提纲：光纤通信概述发展现状光波波谱系统基本组成特点4光纤通信的发展现状1．光纤通信发展的里程碑高锟博士1933年11月4日生于上海，杰出的华裔科学家，是公认的光纤通信的奠基人和开创者。1966年高锟发表了一篇具有划时代意义的论述光通信的基本原理和材料的文章(《用于光频的光纤表面波导》)，成为光纤通信开始的标志。5光纤通信的发展现状2．光纤通信发展的实质性突破1966年当时光纤的损耗超过了1000dB/km，直到1970年，才由美国康宁公司试验成功小于20dB/km的光纤；同年，贝尔实验室成功实现了可以在室温下连续工作的GaAs激光器，标志着实用化的光纤通信的开始。3．光纤通信爆炸性的发展（1）光纤损耗1970年：20dB/km；1972年：4dB/km；1974年：1.1dB/km；1976年：0.5dB/km；1979年：0.2dB/km；1990年：0.14dB/km。6光纤通信的发展现状（2）光器件光发送器件：砷化镓铝半导体激光器→异质结条形激光器→分布反馈式激光器（DFB-LD）和多量子阱（MQW）激光器。光接收器件：Si-PIN→APD。（3）光纤通信系统从小容量到大容量、从短距离到长距离、从PDH→SDH→DWDM。在智能光网络（ION）,光分插复用器（OADM）、光交叉连接设备（OXC）等方面也取得巨大进展。7光纤通信的发展现状（4）我国的发展我国光纤通信的研究开始于20世纪70年代1977年制成了国产第一根光纤1979年建立了第一个试验光纤通信系统1987年建成了武汉—荆州第一个国产长途光纤通信系统“九五”期间，中国已建成8纵8横光纤骨干网，覆盖了除台湾外所有省会城市和75％地市。目前，我国长途骨干网的光缆长度达到了17万公里，并经中美、中日、中韩等海缆和欧亚大陆桥光缆与国际光缆网连接。8光纤通信的发展现状FLAG－FiberOpticLinkaroundtheGlobe架空光缆直埋光缆北京上海至欧洲至日本FLAG至韩国至朝鲜至俄罗斯我国光缆骨干网分布图至东南亚9光纤通信概述发展现状光波波谱系统基本组成特点10光纤通信的光波波谱1．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。电磁波波谱图如图所示。11用于通信的电磁波波谱10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF电力、电话无线电、电视微波红外可见光双绞线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电频段划分传输介质光纤通信的光波波谱频率，Hz12光纤通信的光波波谱电磁波波谱图13光纤通信的光波波谱2．光纤通信的光波波谱光纤通信的波谱在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之间，即波长在0.8μm～1.8μm之间，属于红外波段，将0.8μm～0.9μm称为短波长，1.0μm～1.8μm称为长波长，2.0μm以上称为超长波长。各种单位的换算公式如表1-1所示。表1-1各种单位的换算公式c＝3×108m/s1MHz（兆赫）＝106Hzλ＝c/f1GHz（吉赫）＝109Hz1μm（微米）＝10−6m1THz（太赫）＝1012Hz1nm（纳米）＝10−9m1PHz（拍赫）＝1015Hz1Å（埃）＝10−10m14光纤通信概述发展现状光波波谱系统基本组成特点15光纤通信系统的基本组成光纤是光导纤维的简称光纤通信是以光波为载波，以光纤为传输介质的一种通信方式。16光纤通信系统的基本组成电端机（模/数）光发送机光纤中继器光接收机电端机（模/数）模拟信号发送端的电端机把信息（如话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件LD，输出发出携带信息的光波。光波经光纤传输后到达接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的信息。光纤模拟信号17光纤通信概述发展现状光波波谱系统基本组成特点18光纤通信的特点通信容量大中继距离长保密性能好适应能力强体积小、重量轻、便于施工和维护原材料来源丰富，潜在价格低廉19光纤通信的特点光纤通信同样也存在着如下缺点：①需要光/电和电/光变换部分②光直接放大难③电力传输困难④弯曲半径不宜太小⑤需要高级的切断接续技术⑥分路耦合不方便20目录光纤通信概述光纤光缆光器件光发射机与光接收机光纤通信系统设计21提纲：光纤光缆光纤的结构和类型光纤的导光原理光纤的传输特性光纤的标准与应用22光纤的结构和类型1.光纤结构纤芯包层沿光纤长度方向均匀沉积的纤芯涂覆层1012525023光纤的结构和类型（1）纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。直径d1=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～10μm，多模光纤的纤芯为50μm。纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。（2）包层：包层位于纤芯的周围。直径d2=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。24光纤的结构和类型（3）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。25光纤的分类若按制造材料分类可分为石英光纤和塑料光纤若按剖面折射率分类可分为突变型光纤和渐变光纤若按传输模的数量分类可分为多模光纤和单模光纤26光纤的分类1．按剖面折射率分类图2-3所示为两种典型光纤的折射率分布情况。一种称为阶跃折射率光纤；另一种称为渐变折射率光纤，如图2-3（a）、（b）所示。图2-3光纤的折射率分布27光纤的分类光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别如图2-5和图2-6所示。图2-5光在阶跃折射率多模光纤中的传播图2-6光在渐变折射率多模光纤中的传播28光纤的分类多模光纤单模光纤29提纲：光纤光缆光纤的结构和类型光纤的导光原理光纤的传输特性光纤的标准与应用30光纤的导光原理1．折射和折射率光线在不同的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的参数就是折射率，或称折射指数。折射率可由下式确定：n=c/v其中ν是光在某种介质中的速度，с是光在真空中的速度在折射率为n的介质中，光传播速度变为c/n，光波长变为0/n（0表示光在真空中的波长）。表2-1中给出了一些介质的折射率。表2-1不同介质的折射率材料空气水玻璃石英钻石折射率1.0031.331.52~1.891.432.4231光纤的导光原理当一条光线照射到两种介质相接的边界时，入射光线分成两束：反射光线和折射光线（如图2-9所示）。图2-9光的折射图2-10光的反射斯涅耳定律给出了定义这些光线方向的规则：1=3n1sin1=n2sin2全反射是光信号在光纤中传播的必要条件。sin1=n2/n132光纤的导光原理非传导光线传导光线纤芯折射率n1包层折射率n2条件1：n1n2条件2：θiθth33提纲：光纤光缆光纤的结构和类型光纤的导光原理光纤的传输特性光纤的标准与应用34光纤的传输特性光纤的传输特性主要是指光纤的损耗特性和色散特性，另有机械特性和温度特性。1．光纤的损耗特性衰减系数＝10log(P0/PL)/L这里；P0输入光功率PL经过L长度的光纤后的输出光功率L传输距离P0PLL35光纤的传输特性光纤总损耗谱36光纤的传输特性1．光纤的损耗特性光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的损耗（或衰减）。光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗3种损耗。（1）吸收损耗光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的损耗，包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收。37光纤的传输特性（2）散射损耗由于材料的不均匀使光信号向四面八方散射而引起的损耗称为瑞利散射损耗。光纤制造中，结构上的缺陷会引起与波长无关的散射损耗。（3）弯曲损耗光纤的弯曲会引起辐射损耗。实际中，有两种情况的弯曲：一种是曲率半径比光纤直径大得多的弯曲；一种是微弯曲。决定光纤衰减常数的损耗主要是吸收损耗和散射损耗，弯曲损耗对光纤衰减常数的影响不大。38光纤的传输特性（4）衰减系数光纤的衰减系数是指光在单位长度光纤中传输时的衰耗量，单位一般用dB/km。它是描述光纤损耗的主要参数。在单模光纤中有两个低损耗区域，分别在1310nm和1550nm附近，即通常说的1310nm窗口和1550nm窗口；1550nm窗口又可以分为C-band（1525nm～1562nm）和L-band（1565nm～1610nm）。如图2-14所示。3940光纤的传输特性光的色散如图2-12所示，当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）或水对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射率n不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。图2-12自然光的色散41色散对通信的影响输出波形码间干扰42光纤的传输特性2．光纤的色散特性光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散，如图2-15所示。色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。图2-15色散引起的脉冲展宽示意图43光纤的传输特性D为色度色散，DM为材料色散，DW为波导（结构）色散44光纤的传输特性光纤的色散可分为模式色散、色度色散、偏振模色散。（1）模式色散多模光纤中不同模式的光束有不同的群速度，在传输过程中，不同模式的光束的时间延迟不同而产生的色散，称模式色散。（2）色度色散由于光源的不同频率（或波长）成分具有不同的群速度，在传输过程中，不同频率的光束的时间延迟不同而产生色散称为色度色散。色度色散包括材料色散和波导色散。45光纤的传输特性①材料色散由于材料折射率随光信号频率的变化而不同，光信号不同频率成分所对应的群速度不同，由此引起的色散称为材料色散。②波导色散由于光纤波导结构引起的色散称为波导色散。其大小可以和材料色散相比拟，普通单模光纤在1.31μm处这两个值基本相互抵消。注：模式色散主要存在于多模光纤。单模光纤无模式色散，只有材料色散和波导色散。当波长在1.31μm附近，色散接近为零。色散系数就是单位波长间隔内光波长信号通过单位长度光纤所产生的时延差，用D表示，单位是ps/（nm·km）。46提纲：光纤光缆光纤的结构和类型光纤的导光原理光纤的传输特性光纤的标准与应用47单模光纤类型G.652单模光纤（NDSF）G.653单模光纤（DSF）G.655单模光纤（NZ-DSF）48光纤的标准与应用ITU-T建议规范了G.652、G.653、G.654和G.655四种单模光纤。（1）G.652光纤G.652光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色散为零的波长）在1310nm附近的光纤。它的折射率分布如图2-8所示。图（a）表示的阶跃折射率设计称为匹配包层型，图（b）表示的阶跃折射率设计被称为凹陷包层型。（2）G.653光纤G.653光纤也称色散位移光纤（DSF），是指色散零点在1550nm附近的光纤，它相对于G.652光纤，色散零点发生了移动，所以