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1、Fiber Optic Communications光纤通信,吉驭嫔西华大学物理与化学学院E-mail:手机：,Fiber Optic Communication,content：介绍了光纤通信的概念，光纤的传输特性、光发射机和光接收机的工作原理及工作特性、有源和无源光网络器件的工作原理及应用、光纤通信系统的设计、光纤网络等。,assignment：光纤通信是光信息科学学生的一门专业技术选修课，通过本课程的学习，学生将掌握光纤通信的基本原理和光纤通信系统的组成，了解光纤通信的未来与发展，为进一步学习光纤通信技术和设备打下基础。本课程对培养学生综合应用以前所掌握的通信系统基本知识、波动光学等基本
2、知识等有良好的促进作用。,光纤通信系统概述光纤光源和光发射机光检测器和光接收机光网络器件光纤通信系统的设计,要求：做好课堂笔记，按时完成作业，每章交一次作业，做好每次实验，写好实验报告。考核方式：平时成绩（考勤、作业、实验）：30%期中考试+期末考试：70%,1.1 Historical Perspective1.2 Main Characteristics 1.3 Composition and Classification,Chapter 1 Fiber Optic communications System,1.1 Historical Perspective,Smoke signals
3、 Blinker lights,1.1.1 Early optic communications,到了1880年，贝尔发明了第一个光电话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。贝尔用弧光灯或者太阳光作为光源，光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上。当人对着话筒讲话时，震动片随着话音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化，从而使话音信息“承载”在光波上（这个过程叫调制）。在接收端，装有一个抛物面接收镜，它把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上，硅光电池将光能转换成电流（这个过程叫解调）。电流送到听筒，就可以听到从发送端送过来的声音了。,The beginning of mo
4、dern optic communication,-Bells Photophone,Bells Photophone,1880-Photophone Transmitter,1880-Photophone Receiver,Bell photophone,Three elements of optic communications,Optical Sources（transmitter）Transmission medium（information channel）Receiver,贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道。大气光通信优点：有一定的容量、传输距离，方便灵活缺点：1 光
5、波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，遇到下雨下雪天也有影响。2.距离有限3.通信两点必须直线可见,在大气光通信受阻之后，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验。,1.1.2 Fiber Optic communications,Reflection waveguide and lens waveguide,1966年，英籍华裔学者高锟(K.C.Kao，当时工作于英国标准电信研究所)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信的基础。,高锟深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重
6、损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀。,1966年：光纤损耗为1000dB/km,高锟在论文光频介质纤维表面波导提出：通过改进制备工艺，减少原材料杂质，可使石英光纤的损耗大大下降，并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤，从而使光纤可用于通信之中。称为“光纤之父”。,1970年，光纤研制取得了重大突破。美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。,1972年，康宁公司将高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。,1973 年，美国
7、贝尔(Bell)实验室取得了更大成绩，光纤损耗降低到2.5dB/km。,1974 年降低到1.1dB/km。,1976 年，日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。,在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗：1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。,1970 年，作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。当年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后突破了半导体激光器在低温(-200)或脉冲激励条件下工作的限制，研制成功室温下连续
8、振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。,1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。,1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时(约11.4年)，外推寿命达到100万小时，完全满足实用化的要求。,1979年,美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55 m的连续振荡半导体激光器。,由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。,1.2.Main characteristics 1.2.1 What is the optic fiber communications?,Electric
9、communications广义的电通信指的是一切运用电波作为载体而传送信息的所有通信方式的总称。电通信又可分为有线电通信和无线电通信。,Communication:从广义的角度来说，就是彼此之间传递信息。,optic communications广义的光通信指的是一切运用光波作为载体而传送信息的所有通信方式的总称。光通信也可以分为利用大气进行通信的无线光通信和利用石英光纤或塑料光纤进行通信的有线光通信。,人们通常把应用石英光纤的有线光通信简称为光纤通信（optic fiber communications）,optic fiber communications用光作为信息的载体，以光纤作为传
10、输介质的一种通信方式。,1.2.2 The advantages of Fiber Optic Communictions,1.The capacity of Optic Fiber is very large,信号进行传输且没有明显衰减的频率范围。,Shannon-Hartley：,C为信道容量（单位为比特/秒，b/s），B为信道带宽（单位为赫兹，Hz），SNR是信号功率与噪声功率的比值，称之为信噪比。,增加信道带宽可以有效地提高信道容量,Bandwidth（带宽）,大多数光通信系统使用红外区域的波长,0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1.0 1.5 2.0Wavelength
11、(m),Ultraviolet,Visible,Infrared,Optical Spectrum(Partial),Blue,Red,Wave Nature of Light,载波频率越高,信道的带宽就越大,The electromagnetic spectrum of Communication system,2.Low loss,and long Relay distance,Relay distance(中继距离),传输线路上不加放大器时信号所能传输的最大距离。,3.Strong anti-interference ability,4.Good secrecy,5.Save non-f
12、errous metal,6.Others：thin Line diameter,light weight and long life,1.抗拉强度低2.光纤维护检修困难3.连接不方便,1.2.3 The disadvantages of Fiber Optic Communications,1.3 Composition and Classification,1.3.1 The Composition of Fiber Optic communications system,光纤通信系统由光发射机(Light Transmitter)、光纤线路(Optic Fiber Links)和光接收机
13、(Light Receiver)三部分组成。它首先要在发射机将需传送的电话、电报、图像和数据等信号进行光电转换，即将电信号变成光信号，再经光纤传输到接收机，接收机将接收到的光信号转变成电信号，最后还原成消息。,The basic component of the generalized optical fiber communication system,光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成。,光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。它一般由光检测器、放大电路和恢复电路组成。,光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒
14、介(信道)，将光信号由一处送到另一处。,中继器的主要作用就是延长光信号的传输距离。,Three component parts of the Basic Fiber Optic communications system,1、Light Transmitter,Composition diagram：,如果导带EC上的电子跃迁到价带EV上，就会将其间的能量差（也称能带差）以光的形式放出，光子的频率与能带差的关系为,我们可以通过控制半导体材料的成份来改变能带差，从而改变其发光波长。,Radiation of Light,Wave Nature of Light,半导体发光二极管LED的工作正是基
15、于电子从高能带跃迁到低能带将电能转变为光能的机理。把电流注入到半导体上，则原子中占据低能带的电子被激励到高能带后，再跃迁到低能带上，它们将自发辐射出光子。,光的自发辐射（发光二极管）,激光二极管LD的工作机理为受激辐射，即在入射光的激发下，产生与入射光频率、相位、偏振方向及传播方向一样的发射光。,光的受激发射（激光二极管）,Structural parameters：发送功率，单位：dBm,输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长,在光通信系统中，经常用dBm表示发射光功率，接收光功率，它是在1mW为基准的光功率相对量的单位，用下式计算：,
16、spectral characteristics of Light source,Light Source,LED,LD,(a)Analog modulation(b)Digital modulation,Modulator(调制器),A.Two distinct categories of modulation formation,Direct Intensity modulation 用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。Outer Intensity modulation(Indirect Intensity modulation)把激光的产生
17、和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。,B.Two distinct categories of modulation method,Direct Intensity modulation,Outer Intensity modulation,Auxiliary circuit,a.驱动电路:对于直接强度调制的光源，必须给它提供恒定偏置电流和已调制的信号，它才能正常工作。,b.自动功率控制电路:对输出光的强度进行监测。,c.自动温度控制电路:控制激光二极管的结温变化。,d.光隔离器:保护光源的激活区免受回射光的影响。,将激光二极管、监视光电二极管、光隔离器、热电制冷器、温度传感
18、器、控制电路、驱动电路、自动温度控制电路、自动功率控制电路、尾纤等制成为光发射模块，集成在一个管壳内并组成光发射功能的器件。,2.Optic Fiber Links Composition:光纤、光纤接头和光纤连接器,Optic Fiber,光纤是由两种不同折射率的石英玻璃（SiO2）在高温下拉制而成的。内层为纤芯，作用是传输光信号，外层为包层，作用是使光信号尽可能封闭在纤芯中传输。,按照传送光的模式的不同，光纤分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径大约几个微米，多模光纤的纤芯直径为一般为几十微米。单模光纤和多模光纤的包层直径一般都为125m。,包层n2,Optic-Fiber Cable
19、s,仅有纤芯和包层的光纤称为裸光纤。,在光纤制造过程中，裸纤从高温炉拉出后，立即要经过涂覆层流水线进行涂覆。涂覆层的主要成分是环氧树脂和硅橡胶分子材料。然后再制成光缆。,Optic-Fiber Cables,2.Optic Fiber Links Composition:光纤、光纤接头和光纤连接器 Low loss“Widow”,Fiber optic systems must have low loss.For glass low loss occurs at several wavelengths.The major operation regions(windows)are:,Wavel
20、engthWindow0.8-0.9 m First Window1.300 m Second Window 1.550 m Third Window,0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5,衰减（dB/km）,波长（m）,普通单模光纤的衰减随波长变化示意图,2.Optic Fiber Links Composition:光纤、光纤接头和光纤连接器 Low loss“Widow”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的变化差异很大，在0.85 m、1.31 m和1.55 m有三个损耗很小的波长“窗口”。光源激光器的发射波长和光检测器光电二极管的
21、波长响应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。目前在实验室条件下，1.55 m的损耗已达到0.154 dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。,3、Light ReceiverComposition:光检测器(Light Detectors)、光放大器(Optical Amplifiers)和相关电路组成。,Composition diagram,数字信号在光纤链路上的传输,如果把能量大于Eg的光照射到半导体材料上，则处于低能带的电子吸收该能量后被激励而跃迁到高能带上，我们可以通过在半导体上外加电场，将处于高能带的电子取出，从而使光能转变为电能。,Absorption of Light,Wave
22、Nature of Light,Absorption of Light,将PD管、前置放大器、阻抗匹配和电路状态监视/警示电路以及若干光学元件集成在一个管壳内可制成光接收模块。,Sensitivity(灵敏度)光接收机主要指标，它是指在满足给定误码率或信噪比条件下，接收机接收微弱信号的能力，工程上常用最低平均光功率 来描述:,式中，的单位为，的单位为mW。,Dynamic range(动态范围)光接收机另一指标，它是指在保证系统误码率指标要求下，接收机的最低光功率和最大允许光功率之比：,D的单位为dB。,Structural parameters,Optical Amplifiers,Prin
23、ciple:Stimulated radiation,掺铒光纤放大器,dBm and dB(P17),1、dBmdBm是一个表征功率绝对值的量计算公式为：10lgP（功率值/1mw）。例1 如果发射功率P为1mw，折算为dBm后为0dBm。例2 对于40W的功率，按dBm单位进行折算后的值应为：10lg（40W/1mw)=10lg（40000）=46dBm。,2、dBdB是一个表征相对值的量当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时，按下面计算公式：10lg（甲功率/乙功率）例3 甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。也就是说，甲的功率比乙的功率大3 dB
24、，则功率大一倍。,总的功率是单个级联部分的功率之和。,例1.3 假设一个发光管二极管的辐射功率为2mW，计算与此功率相对应的dBm值。此功率通过一组元件后有23dB的损耗，计算输出功率。,例1.1 三个级联部分的损耗分别为-1dB，-6dB，-3dB，计算此系统的总损耗。如果输出功率为5mW，试计算输出功率。,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。,1.3.2 The Classification of Fiber Optic communications system,根
25、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光纤通信系统、长波长光纤通信系统和超长波长光纤通信系统。,The first generation of optic fiber communications era:850nm波段的多模光纤。,The second generation of optic fiber communications era：1980年，1310nm波段的多模光纤，石英光纤的第二个低损耗窗口。,The third generation of optic fiber communications
26、era：1983年，1310nm波段的单模光纤，这一代光纤通信广泛地应用于长途干线和跨洋通信中。,The forth generation of optic fiber communications era：80年代后期，1550nm波段单模光纤在上传输的阶段。石英光纤的最低损耗窗口，为在这个时期，掺铒光纤放大器的出现成为光纤通信发展史上的重要里程碑。,The fifth generation of optic fiber communications era：1995年。主要特征是采用了密集波分复用DWDM对光纤系统传输容量进行扩容。,1.4.some problem,Attenuation
27、(损耗)光信号功率在光纤传输过程中的损耗。,光纤衰减的特性用衰减系数表示，光信号在光纤中传播时，其功率P随着传输距离的增加按指数形式衰减,设起始处（z=0）的信号光功率为P(0)，则在光纤,中经过距离z的传播后，其值为,衰减系数,单位为km-1,工程用dB/km作为光纤损耗的单位，有:,例 一根光纤长20km，衰减为0.5dB/km，一端注入功率为600W的光信号，求其输出光功率。,解：在光通信系统中，经常用dBm表示发射光功率：,利用上式将输入光功率单位转换为dBm，有,可得到在z=20km时的输出功率（用dBm表示）,P0单位为毫瓦（mW）。,换回到以瓦表示的单位,Factor of At
28、tenuation,a.Scattering 散射损耗是由于光纤材料密度的微观变化、成分的起伏、结构上的不完善以及制造过程中产生的缺陷造成的。,b.Absorption OH离子引起的损耗称为杂质吸收损耗，光纤石英材料（SiO2）固有的吸收，称之为内部吸收。,c.Geometric effects,光纤弯曲是光信息传输所受损耗的主要原因之一。,最小弯曲半径：光纤的一项参数。,光纤传输系统的损耗,Dispersion（色散）：由于光波中的不同频率分量以不同速度传输而产生不同的时间延迟的一种物理效应。（P65）,a.Multimode Distortion（多模失真）,不同入射角的光线代表不同的模
29、式,脉冲因多个模式而起的展宽-多模失真,Multimode Distortion：多个不同模式的存在而引起脉冲展宽。,设光纤的长度为L，最低模式（也称为零级模式）沿中心轴线到达光纤输出端所需时间为：,最高模式（以临界角传播的光线）所需时间：,脉冲展宽时间,相对折射率,脉冲展宽时间,控制多模失真,减少模式数量,减小纤芯直径的尺寸,减小相对折射率,例 一阶跃折射率光纤，已知n11.486，n21.472，仅考虑模式色散，计算每1km长度的脉冲展宽。,b.Waveguide Dispersion（波导色散）,波导色散引起的单位长度脉冲展宽,式中 是波导色散系数，单位,它与光纤的设计参数有关，为光源的
30、线宽，即光源辐射光的波长范围，L为光纤长度。,由于纤芯和包层有着不同的折射率，所以这两部分的传输速度不同，因而在光纤输出端，脉冲会展宽。,c.Material dispersion（材料色散）,材料色散是由于纤芯材料的折射率随波长变化，使得各个模式的群速率（光脉冲包络线速度）随着波长的变化而造成的。,材料色散的单位长度脉冲展宽可表示为,波导色散和材料色散的总和称为色度色散。,纯二氧化硅的材料色散,例3.1 对于工作在0.82um，谱线宽度为20nm的LED光源，计算纯二氧化硅中其脉冲展宽。假设传输距离是10Km，如果=1.5um，=50um，脉冲展宽是多少？,Nonlinear effect（
31、非线性效应）,a.自相位调制,b.交叉相位调制,c.四波混频,d.受激散射,光纤中的非线性效应，可以引起传输信号的损耗、信道之间的串话、信号频率的移动等不良后果。,1.5.光纤通信系统的主要性能指标,Bite-Rate and Bandwidth,a.Bite-Rate(比特率):也称为信息速率，是信道上每秒钟内所传输的比特数，单位为比特/秒，写成b/s或bps，常用符号B表示。,假设输入光脉冲是宽度为T矩形，到达接收端的延迟和展宽分别是t和t，为了将相邻的两个脉冲分辨出来，要求它们的间距不小于2t，这就要求输入光脉冲的间距也不小于2t。,最大比特率:,光纤色散是比特率受限的主要原因。,b.B
32、andwidth(带宽):信号可以不失真地进行传输的频率范围。,带宽分为电带宽和光带宽两种表述，分别用fel和fopt表示。,模拟信号的带宽,传输距离,光纤的损耗和色散是限制传输距离的两大主要因素，而它们对传输距离影响程度与工作波长以及比特率有关。,仅考虑光纤损耗，光信号沿光纤传输的最大距离L,式中 为光纤的损耗，单位为dB/km,，为光源最大平均输出功率，为接收机探测器的最小平均接收光功率,两者单位均为mW。,当光纤系统的信息传输速率较高时，色散对传输距离起到主要的限制作用。,光纤的传输速率与传输距离的关系,通信容量,通信容量用比特率距离积BL来表示，B为系统传输信息的比特速率，L则是中继距离，单位是（Mb/s）km。通信容量也可以用带宽距离积来表示，单位是MHzkm。通信容量与光纤的类型、工作波长、以及使用的激光器类型等诸多因素有关。,
