光纤通信第一章.ppt

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1、绪论光纤光发射机光接收机光纤通信系统设计,教材：光纤通信（第二版）顾婉仪 人民邮电出版社,参考书：1.光纤通信及网络技术 徐宝强 北京航空航天大学出版社2.光纤通信（第四版）Gerd Keiser 电子工业出版社,光 纤 通 信,绪论,光纤通信的含义发展历史、现状光纤通信特点,一.光纤通信的含义,通信（Communication）光通信（Optical Communication）光纤通信（Optical fiber Communication）,部分电磁波频谱,光纤通信系统的组成,光源,调制器,驱动电路,放大器,光电二极管,判决器,光发射机,光接收机,光 纤,中 继 器,光 器 件,光纤-传

2、输通道,功率降低脉冲展宽畸变,损耗（Loss）色散（Dispersion）非线性效应（Nonlinearity）,有三种危害,光发射机-PCM加载到光源上,LED、LD、DFB,光接收机-接收光信号,PIN APD,中继器恢复原来的信号,放大（Reamplifying）重定时（Retiming）整形（Reshaping）,3R:,二.光纤通信的发展,Fire beacons 狼烟,1880年，贝尔(Bell)发明了“光电话”。,光电话存在问题：1.光源 2.传输媒质,光纤通信的发展方向：1.3U2.1250nm-1650nm 损耗0.5dB/km,1962 半导体激光器,1960 梅曼 红宝石

3、激光器,动态单纵模DFB-LD,1975年 1310、1550nm MM-LD,静态单纵模DFB-LD,1970 双异质结半导体激光器 850nm,DSF色散位移光纤,MMF to SMF,SMF,1966 高锟 论文预言,波长1310、1550 nm低损耗窗口,1970 康宁、损耗20dB/km,商用：大有效面积NZDSF,NZDSF,商用：DFB-MQW-LD多量子阱激光器,1962 半导体激光器,1960 梅曼 红宝石激光器,动态单纵模DFB-LD,1975年 1310、1550nm MM-LD,静态单纵模DFB-LD,1970 双异质结半导体激光器 850nm,DSF色散位移光纤,MM

4、F to SMF,SMF,1966 高锟 论文预言,波长1310、1550 nm低损耗窗口,1970 康宁、损耗20dB/km,商用：大有效面积NZDSF,NZDSF,商用：DFB-MQW-LD多量子阱激光器,第一阶段：70s 波长：850nm 光纤：多模光纤 MMF 速率：10-100Mb/s 距离：10km,三.光纤通信系统的发展,第二阶段：80s 波长：1310nm 激光器：MM-LD 光纤：MMF：100Mb/s，10km SMF:1.7Gb/s,50km,第三阶段：80-90s 波长：1550nm 激光器：SM-LD 光纤：SMF 2.5GBb/s，100km,第四阶段：90s,波长

5、：1550nm OA：光放大器（EDFA）DWDM：密集波分复用,三.光纤通信的应用,四.特点,光波作为载波，速率高、信息量大；2.光纤，损耗小、中继距离大；3.抗电磁干扰；4.保密性好；5.尺寸小、重量轻；6.资源丰富。,各种传输线路的损耗特性,光纤通信的缺点,1、光纤的弯曲半径不易过小。2、切断和连接操作复杂。3、分路、耦合麻烦。,28,光纤的结构光纤的基本理论光纤的基本参数单模光纤,第一章 光纤的基本理论,结构特性：几何尺寸、分类光学特性：折射率、数值孔径 传输特性：损耗和色散,光纤的特性：,教学重点及难点重点:一、分析光纤的导光原理；二、理解光纤损耗和色散的概念；三、掌握光纤单模传输条

6、件的计算。难点：光纤传输的波动理论,1.1.1 光纤的结构和分类,核心结构：纤芯、包层,一、结构,1.纤芯：光波传输的主要通道。直径2a一般在450m。折射率用n1表示。,2.包层：2b=125 m。折射率用 n2表示。,3.涂覆层：保护光纤不受水气侵蚀和机械擦伤。注：n1 n2。这是光在光纤中传输的必要条件。,1.根据光纤横截面上折射率分布的情况来分类,（1）阶跃型光纤（2）渐变型光纤,阶跃光纤的折射率分布,渐变光纤的折射率分布,二、分类,2.根据光纤传输模式的不同分类（1）单模光纤：传输一个模式的光波，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。纤芯直径只有410 m。只有 阶跃型光纤。长距离，

7、大容量通信,根据电磁场理论：光波存在许多不同的模式,单模光纤,（2）多模光纤：传输多个模式的光波。包括 A 阶跃型光纤。短距离，小容量通信 B 渐变型光纤。中距离，中容量通信,2.根据光纤传输模式的不同分类,3.按照制造光纤所用的材料分类 石英系光纤 多组分玻璃光纤 塑料包层石英芯光纤 全塑料光纤,4.根据光纤的工作波长分类,实用光纤主要有三种基本类型,1.多模阶跃光纤（Step Index Fiber,SIF），一般2a=50m，特点是信号畸变大。,作用：相应的带宽只有10-20 MHzkm，只能用于小容量（8 Mb/s以下）短距离（几km以内）系统。,2.多模渐变光纤（Graded Ind

8、ex Fiber,GIF），2a为50m，特点是信号畸变小。,作用：带宽可达1-2 GHzkm，适用于中等容量（34-140 Mb/s）中等距离（10-20 km）系统。,3.单模光纤（Single Mode Fiber,SMF），2a=4-10 m，其信号畸变很小。,作用：大容量（565 Mb/s2.5 Gb/s）长距离(30 km以上)系统要用单模光纤,(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯,双包层光纤 色散平坦光纤（Dispersion Flattened Fiber,DFF）色散移位光纤（Dispersion Shifted Fiber,DSF）三角芯光纤 椭圆芯光纤 双折射光纤或偏

9、振保持光纤。,特种单模光纤,国际电联ITU-T 的光纤标准,G.651：多模光纤G.652：第一代单模光纤（用量最大的）G.653：1550nm 零色散单模光纤G.654：1550nm 波长衰减最小光纤G.655：非零色散位移光纤G.656：,光学传输原理,分析光纤传输原理的常用方法：几何光学法 麦克斯韦波动方程法,几何光学法（射线光学）：是忽略波长的光学（波长趋近于0），用射线代表光能量传输路线的方法。波动方程法：把光作为经典电磁场来处理，研究电磁波在光纤中的传输规律，得到光纤中的传播模式、长结构等。,分析问题的两个出发点 数值孔径 时间延迟 通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布 射

10、线光学法分析问题的两个角度 多模阶跃光纤 多模渐变光纤,1.1.2 多模阶跃折射率光线的射线光学理论分析,光纤通信课程 第一章,45,多模阶跃折射率光纤的射线光学理论分析,全反射光纤的数值孔径光纤的相对折射率差最大群时延差,(1)反射与折射(2)全反射临界 临界角(3)全反射,1.光的全反射,全反射条件：光线由光密介质 光疏介质 入射角全发射临界角,光纤的导光特性：是基于光线在纤芯和包层交界面上的全反射。把光线限制在纤芯中传输。光纤光纤种类：子午线 斜射线,n0：空气折射率n1：纤芯折射率n2：包层折射率 且n1n2n0,2.子午线在光纤中的传输,（1）临界入射（空气中的入射临界角）,与内光线

11、入射角的临界角 相对应，光纤入射光的入射角 有一个最大值，称为光纤端面入射临界角（简称入射临界角）。,(2)全反射传输 当 时，临界角，光线在纤芯和包层交界面发生全反射。将光线束缚在纤芯内传输。,(3)不能全反射,，则 临界角，不能发生全反射。有折射发生，光线有损失。,由此可见，只有在半锥角为 的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。,3.数值孔径 根据传播条件，定义入射临界角的正弦为数值孔径(Numerical Aperture,NA)。即光纤的数值孔径为：,光纤的数值孔径NA仅决定于光纤的折射率n1和n2，与光纤的直径无关。,光纤的数值孔径NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好；

12、(集光能力越好)公式可知，NA越大，n1，n2的差值越大；经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。选择适当的NA，通常用于通信的光纤NA的取值范围为0.10.3之间。,4、相对折射率差,n1 和n2 差值的大小直接影响着光纤的性能，引入相对折射率差来表示它们相差的程度，用表示，即,光纤的数值孔径可表示为：,弱导光纤，有 n1 n2，此时,例题：设光纤的纤芯折射率n1=1.500，包层折射率n2=1.485。求:（1）相对折射率差；（2）数值孔径NA；（3）入射临界角。,解：,（1）相对折射率差：,（2）数值孔径NA：,（3）入射临界角,0.21,12.12o,0.01,5.斜射

13、线在光纤中的传输 斜射线在光纤中传输为一条空间折线。焦散面：传输轨迹限定在一定的范围内，并与一圆面相切，该元柱面称为焦散面，半径为a0,图A 光纤端面投影图图B 光线传输的路径,6.时间延迟（时延）,时间延迟 入射角为的光线在长度为L(AC)的光纤中传输，所经历的路程为;,多模阶跃光纤最大时延差,时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。,它限制了光纤的传输带宽,7.NA 与 的关系,NA 越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高；但NA 越大，模间色散越严重。常用于通信的光纤的NA 取值范围为:0.10.3,是输入脉冲展宽的一种度量,时间展宽不超过系统比特间隔（），就不会产

14、生码间串扰，系统的比特率为 光纤的最大比特率距离积BL定义为光纤信息传输容量,例：多模阶跃光纤，纤芯折射率n1=1.5，包层折射率n2=1.497，求其传输容量BL。,1.1.3 渐变折射率光纤,折射率分布相对折射率差,设计渐变光纤的目的是减小多模光纤的群时延差-模式色散,适当选择折射率分布，可以使不同入射角的光线有大致相等的光程。,r 和 a 分别为径向坐标和纤芯半径；为相对折射率差；g为折射率分布指数,1.渐变折射率光纤折射率,70,2.相对折射率差,其中n(0)、n2分别是r0处和包层的折射率,71,渐变光纤中引入本地数值孔径的概念 指光纤端面上某一点的数值孔径,3.数值孔径,r i=0

15、,0=0,4.自聚焦效应 不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在一点上，这种现象称为自聚焦效应。,5.最大时延差,6.渐变光纤的最大比特率距离积BL,例：一根多模渐变光纤的长度L=1km，纤芯的折射率n(0)=1.5，相对折射率差=0.01，求其模式色散传输容量BL。,一、引入归一化频率V,V-光纤的归一化频率；n1-纤芯折射率；-相对折射率差；-传输光波长。,1.2.2 波动光学理论分析,二、传输条件,V-光纤的归一化频率；,Vc-光纤的归一化截止频率。,传输条件,当V 2.40483 时，只有 一个模式存在，其余模式全部截止。称为基模或主模。基模以外的模式统称高次模。,

16、三、单模传输条件,单模传输条件,截止波长：,该模式可传输，该模式截止。,对于突变型光纤，g，；对于平方律渐变型光纤，g=2，。,四、传输模数,光纤最重要的传输特性：损耗限制系统的传输距离 色散则限制系统的传输容量,损耗系数：单位长度光纤引起的光功率衰减,1.4 光纤的损耗,包括吸收损耗、散射损耗和其他损耗三部分。吸收损耗 是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。散射损耗 主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。,2.损耗的因素,归纳为：本征损耗、制造损耗、附加损耗,本征损耗,瑞利散射,折射率不均匀,瑞利散射损耗与 成

17、正比,制造损耗,附加损耗：光纤成缆以后出现的损耗。,1.5 光纤色散,一、光纤的色散概念1、色散,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。,2、光纤的色散,在光纤中，光信号是由很多不同的成分组成的，由于信号的各频率成分或各模式成分的传播速度不同，经过光纤传输一段距离后，不同成分之间出现时延差，引起传输信号波形失真，脉冲展宽，这种现象称为光纤色散。,88,3.光纤中的色散分类,模式色散（多模光纤）材料色散波导色散偏振模色散,（1）模式色散 模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生,模式不同，传输的群速度不同。存在于多模光纤中。,（2）材料色散,材料折

18、射率随波长变化而引起的。光源有一定的光谱宽度。n()Vg纯石英材料在1270nm时材料色散为零-材料的零色散波长,91,（3）波导色散传输模式的群速度随光波长变化而改变光源的光谱谱宽不为零它还与波导效应有关,材料色散和波导色散总称为色度色散,单模光纤色散特性,（4）偏振模色散 由于 HE11y 和 HE11x 模的传播常数y 和x 小不同，因此引起这两个模式传输的不同步，从而形成色散。这种色散叫做极化色散。,模式色散 材料色散 波导色散 偏振模色散,光纤这四种色散的大小有如下关系：,在多模光纤中，有模式色散和波长色散，而以模式色散为主。在单模光纤中，不存在模式色散，而只存在材料色散、波导色散和

19、极化色散。由于极化色散很小，一般忽略不计。,光纤通信课程 第一章,99,4、光纤色散的表示法,色散系数D（）最大时延差光纤的带宽B,光纤通信课程 第一章,100,光纤的色散系数D(),定义：单位光谱线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差。,101,最大时延差：,描述光纤中速度最快和最慢的光波成分的时延之差。时延差越大，色散越严重。,多模光纤的色散,单模光纤的色散,定义：调制信号经过光波运载后，光功率降低一半的频率，相应于光功率的3dB带宽。或电功率的6dB带宽。,光纤带宽,光纤的带宽,带宽与长度的关系,B 为光纤每千米带宽；B 为光纤长度为L km时带宽；E 为带宽长度系数，单模光纤E=1。,105,1.6 光纤的非线性效应,高光功率细的纤芯,光纤的非线性可以分为两类：受激散射效应：受激布里渊散射 受激拉曼散射折射率扰动（Kerr效应）,非线性效应,单模：材料色散为主,多模：模式色散和材料色散共有 色散除了与材料和光纤结构有关，还和光源频率有关重点：1.光纤的结构，分类 2.数值孔径，折射率分布 3.损耗，色散 4.时延、时延差、归一化频率、单模传输条件,