《現(xiàn)代通信技術(shù)課件》第六章 光纖通信.ppt

第6章光纖通信 本章內(nèi)容l光纖通信概述l光纖與光纜l光纖通信系統(tǒng) 光纖通信 指利用光導(dǎo)纖維 簡稱光纖 傳輸光波信號的一種通信方式 電磁波 長波 中波 微波 紅外線 可見光 紫外線 使用光 激光器 信號 使用光纜作為傳輸介質(zhì) 波長是0 8 1 8 m 衰減的單位 dB 分貝 描述功率相對比值的單位dB 10log10 Pin Pout Pout 輸出功率Pin 輸入功率 6 1光纖通信概述 發(fā)展史光電話 1880年貝爾 通信距離213m 光源 激光器梅曼 1960 美國貝爾公司 1970 半導(dǎo)體激光器傳光介質(zhì) 光纖高錕 1966 美國康寧公司 1970 低損耗光纖工作波長0 85 m 1 31 m和1 55 m 光纖通信特點(diǎn) 1 通信容量大光載波頻率在1014 1015Hz一根僅有頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖 理論可以1000億個話路實(shí)際24萬 2 傳輸衰減小 中繼距離長20dB km 即可實(shí)現(xiàn)通信目前損耗0 2dB km中繼距離重量 8根 km 電纜1 5km4噸光纜 100km60kg 3 保密性能好光波在光纖中傳輸時(shí)只在其芯區(qū)進(jìn)行 基本上沒有光 泄露 出去 因此其保密性能極好 4 體積小 重量輕 便于施工維護(hù)光纜的敷設(shè)方式方便靈活 既可以直埋 管道敷設(shè) 又可以水底和架空 5 抗電磁干擾 傳輸質(zhì)量好不怕外界強(qiáng)電磁場的干擾 耐腐蝕 可撓性強(qiáng) 彎曲半徑大于25厘米時(shí)其性能不受影響 等 6 原材料來源豐富 潛在價(jià)格低廉制造石英光纖的最基本原材料是二氧化硅 在大自然界中幾乎是取之不盡 用之不竭的 因此其潛在價(jià)格是十分低廉的 二氧化硅組成的礦物 半透明或不透明的晶體 一般乳白色 質(zhì)地堅(jiān)硬 6 2光纖與光纜 1 光纖的結(jié)構(gòu)石英玻璃 塑料或晶體纖芯 折射率大 和包層全反射 光纖直徑 纖芯 Core 62 5mm 125 m m 包層 Clad Core 8 m m 125 m m Clad 85 m 多模 單模 人的頭發(fā) 光纖的分類 按工作波長 短波長 850nm 和長波長 1310nm 1550nm 按傳輸模式 多模光纖和單模光纖 多模光纖中光信號通過多個通路傳播 距離較短 單模光纖的纖芯較細(xì) 使光線能夠直接發(fā)射到中心 建議距離較長時(shí)采用 按折射率分布 階躍 突變 型 SI 漸變 梯度 型 GI 和W型按材料 石英光纖 塑料光纖等 塑料光纖POF 聚合物光纖 POF PolymerOpticalFiber 目前 制作POF主要的材料有兩類 一類是聚甲基丙烯酸甲脂聚合物 PolymerPolymethylmethacrylate 另一類是全氟樹脂 Perfluorinated 缺點(diǎn) 損耗低每公里損耗值約為數(shù)百分貝 ITU T建議的光纖分類 G 651光纖 計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)或接入網(wǎng)G 652光纖 應(yīng)用最廣的單模光纖G 653光纖 較少采用G 654光纖 彎曲性能好G 655光纖 適用于高速 大容量 高密集波分復(fù)用系統(tǒng) 2 光纜 按芯數(shù)分為單芯 雙芯 多芯按結(jié)構(gòu)分為層絞式 骨架式 帶狀等按敷設(shè)場合分為架空 直埋 管道 移動 室內(nèi) 水下 海底等按用途分為通信用光纜和非通信用光纜 加強(qiáng)元件 光纖 第一條海底光纜 空中光纜 3 光的導(dǎo)光原理 光是直線傳播的 但當(dāng)光線照射到某一物質(zhì)上時(shí)便會發(fā)生折射和反射 光傳播的基本知識 光從真空射入介質(zhì)發(fā)生折射時(shí) 入射角i與折射角r的正弦之比n叫做介質(zhì)的 絕對折射率 1 簡稱 折射率 它表示光在介質(zhì)中傳播時(shí) 介質(zhì)對光的一種特征 n sini sinr c v 由于光在真空中傳播的速度最大 故其他媒質(zhì)的折射率都大于1 水1 33水晶1 55金剛石2 42玻璃按成分不同而為1 5 1 9空氣20 760毫米汞高折射率為1 00027 全反射 n1 n2 n1 n2 n1 n2 臨界角 900 臨界角 n1 n2 全反射 入射角 反射角 1 2 產(chǎn)生全反射的條件 n1 n290 臨界角 1 光從空氣中斜射入玻璃中時(shí) 折射光線向法線方向偏折 填 靠近 或 遠(yuǎn)離 靠近 2 一束光線斜射到一塊玻璃三棱鏡上 如下圖 畫出光折射的情況 光所以能在光纖中傳輸 主要是纖芯和包層的共同作用 4 突變型 突變型 光纖 突變型光纖 StepIndexFiber SIF 突變型 階躍型 光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變的 即 整個纖芯的折射率是均勻的 階躍型光纖性能參數(shù) 相對折射指數(shù)差 數(shù)值孔徑 NA 數(shù)值孔徑 NA 數(shù)值孔徑是表征光纖端面接收光的能力 其取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和對模式色散的影響 CCITT建議多模光纖的NA取值范圍為0 18 0 23其對應(yīng)的光纖端面接收角 c 10 13 漸變型光纖 Graded IndexFiber GIF 光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小 可使高模光按正弦形式傳播 即 纖芯折射率逐漸減小 反射角逐漸增大 所謂 模 是指以一定角速度進(jìn)入光纖的一束光 所有發(fā)射的光都沿直線傳播 這種光纖稱為單模光纖 多模光纖允許多束光在光纖中同時(shí)傳播 5 單模光纖 單模光纖 SingleModeFiber SMF 只能有一道光信號傳輸 使用單獨(dú)模式的光信號 無光的信號色散 傳輸距離會更長 傳輸數(shù)據(jù)量也更高 單模光纖 8 10 m典型距離超過5英里用于 長途電信長途電視監(jiān)控及多路切換共用天線電視系統(tǒng) 6 多模光纖 多模光纖 MultimodeopticalfiberMMF 光信號可以從不同的角度進(jìn)入光纖的線芯進(jìn)行傳輸 可以直線傳輸也可以使用折射和反射來向前發(fā)送信號 適用于中容量 中距離通信 常用光纖規(guī)格 單模 8 125 m 9 125 m 10 125 m多模 50 125 m歐洲標(biāo)準(zhǔn)62 5 125 m美國標(biāo)準(zhǔn) 單模和多模光纖 我們簡單的作個比喻 可以把多模光纖想成是一條很寬的公路 光纖模截面寬 在這條公路上 可以行駛轎車 路車和卡車 信號的模式 但是由于車型不同 信號模式不同 所以到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間也會不同 而單模光纖則可以想成是一條鐵路 雖然同時(shí)只能有一輛火車行駛 速度要高于公路 單模光纖和多模光纖比較 單模傳輸條件 歸一化頻率V小于其歸一化截止頻率Vc 2 405 時(shí) 才能實(shí)現(xiàn)單模傳輸單模傳輸?shù)臈l件 1 光纖的參量 纖芯半徑等 2 NA必須滿足一定條件3 c 截止波長 光纖的主要損耗 吸收損耗散射損耗其他損耗 損耗系數(shù) 單位 Db km dB km 10lg Pin Pout LPout 輸出功率Pin 輸入功率 吸收損耗 本征吸收 材料本身吸收小部分光能量雜質(zhì)吸收 光纖所含的OH 和金屬離子吸收 散射損耗 由于光線的基本結(jié)構(gòu)不完美 引起的光能量損失 此時(shí)光的傳輸不再具有很好的方向性 光損耗與波長 光損耗單位 dB km與波長有關(guān)單模損耗小波長又稱為窗口 光纖損耗主要存在的地點(diǎn) 光纖本身 與長度和類型有關(guān)1310nm 0 35 0 5dB Km1550nm 0 2 0 3dB Km850nm 2 3 3 4dB Km光纖連接點(diǎn) 0 2dB Km設(shè)備處 3dB km 光纖的衰減 彩虹是怎么產(chǎn)生的 紅花綠草的顏色是由什么決定的 光的色散 光的色散 結(jié)論 白光不是單色光 而是由各種色光混合成的 太陽光通過三棱鏡后被分解成七種色光 依次是紅 橙 黃 綠 藍(lán) 靛 紫 光纖色散 Dispersion 光纖中的信號是由不同的頻率成分或模式成分構(gòu)成的 它們是由不同的傳播速度 從而引起比較復(fù)雜的色散現(xiàn)象 它是限制傳輸容量的主要因素 模式色散 模間色散 色度色散偏振模色散 光纖的色散特性 1 模式色散 定義 同一波長光信號的不同模式成分之間的色散 稱為模間色散或模式色散 模間色散只在多模光纖中存在 產(chǎn)生原因多模光纖中各個模式的光傳播的路徑和速度不同 使得在光纖出射端各模式的到達(dá)時(shí)間不一致 產(chǎn)生時(shí)延差 引起光脈沖展寬 模式色散 色度色散 模內(nèi)色散 定義同一個導(dǎo)波模式的不同光波長之間的色散 產(chǎn)生原因 光源光譜不純 材料色散 光纖石英材料的折射率不是一個常數(shù) 而是隨光波長的增大而減小 材料色散 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與折射率分布等參量有關(guān) 使得不同路徑光線之間的速度差是一個隨傳輸路徑變化的復(fù)雜函數(shù) 波導(dǎo)色散 這三方面原因?qū)е峦粋€導(dǎo)波模式的不同波長光線之間產(chǎn)生時(shí)延差 引起光脈沖展寬 3 偏振色散 單模光纖中實(shí)際存在偏振方向相互正交的兩個基模 當(dāng)光纖中存在雙折射時(shí) 這兩個模式的傳輸速度不同 引起偏振色散 6 3光纖通信系統(tǒng) 通過光端機(jī) 向光纖中輸入光信號的設(shè)備 向光纖發(fā)出一連串明暗不同的光信號 發(fā)送單元 把電信號轉(zhuǎn)換成光信號傳輸單元 載送光信號的介質(zhì)接收單元 接收光信號并轉(zhuǎn)換成電信號連接器件 連接光纖到光源 光檢測以及其它光纖 光纖 OpticalFiber 系統(tǒng)方框圖 信號 光發(fā)射機(jī) 光源 中繼器 檢測器 光接收機(jī) 信號 E O轉(zhuǎn)換 光纖 O E轉(zhuǎn)換 發(fā)送單元 傳輸單元 接收單元 連接器件 光源 自身正在發(fā)光 且能持續(xù)發(fā)光的物體叫作光源 光源可分為 1 天然光源2 人造光源 如點(diǎn)燃的蠟燭 發(fā)光的電燈 激光束等 第一臺雙異結(jié)質(zhì)激光器 半導(dǎo)體激光器LD LaserDiode 首個綠光激光二極管 發(fā)光二極管LED LightEmittingDiode 光發(fā)送機(jī) 光發(fā)送機(jī) 將數(shù)字復(fù)用設(shè)備的電信號轉(zhuǎn)化為光信號 電 光轉(zhuǎn)化核心部件 光源 常用連接器類型 SCLCMT RJDSCVF 45Opti Jack FCType SCType SC2Type FDDType 光電檢測器 光接收機(jī) 光電檢測器 光電檢測器是光纖通信系統(tǒng)中接收端機(jī)中的第一個部件 由光纖傳輸來的光信號通過它轉(zhuǎn)換成電信號 它是利用材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的 對其要求有 靈敏度高 響應(yīng)快 噪聲小 成本低和可靠性高 PIN和APD 在光纖通信技術(shù)中 常用半導(dǎo)體光電二極管來檢測光信號 如 PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管 PIN是指在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層 相對 很厚的本征半導(dǎo)體 稱為I層 這樣 PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于I層中 從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬 結(jié)電容變小 APD 雪崩光電二極管 利用光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的雪崩倍增效應(yīng) 產(chǎn)生光電流的倍增作用 光中繼器 作用 放大衰減了的光信號光 電 光轉(zhuǎn)換 半導(dǎo)體光放大器 摻鉺光纖放大器 摻鉺光纖放大器 ErbiumDopedFiberAmplifier EDFA 是一種對光信號放大的光器件 它使長距離 大容量 高速率的光纖通信成為可能 是DWDM系統(tǒng)不可缺少的重要器件 在我國 武漢郵科院研制開發(fā)的EDFA系列產(chǎn)品 是目前唯一的國產(chǎn)商用化產(chǎn)品 光纖通信碼型要求 必須是二電平碼 信號自帶定時(shí)信息提供一定的冗余傳輸 6 4SDH E1 一次群 簡介歐洲的30路脈碼調(diào)制PCM簡稱E1 速率是2 048Mbit s 1 一個E1的幀長為256個bit 分為32個時(shí)隙 一個時(shí)隙為8個bit E1 一次群 2 每秒有8k個E1的幀通過接口 即8K 256 2048kbps 3 每個時(shí)隙在E1幀中占8bit 8 8k 64k bit 4 在E1信道中 8bit組成一個時(shí)隙 TS 由32個時(shí)隙組成了一個幀 F 16個幀組成一個復(fù)幀 MF SDH SDH SynchronousDigitalHierarchy 同步數(shù)字系列 將復(fù)接 線路傳輸及交換功能融為一體 是美國貝爾通信技術(shù)研究所提出來的同步光網(wǎng)絡(luò) SONET 2 SDH幀結(jié)構(gòu) SDH幀結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字同步時(shí)分復(fù)用 保證網(wǎng)絡(luò)可靠有效運(yùn)行的關(guān)鍵 圖5 5 一個STMN幀有9行 每行由270 N個字節(jié)組成 這樣每幀共有9 270 N 個字節(jié) 每字節(jié)為8bit 幀周期為125 s 即每秒傳輸8000幀 對于STM1而言 傳輸速率為9 270 8 8000 155 520Mb s 字節(jié)發(fā)送順序?yàn)?由上往下逐行發(fā)送 每行先左后右 SDH幀大體可分為三個部分 1 段開銷 SOH 段開銷是在SDH幀中為保證信息正常傳輸所必需的附加字節(jié) 每字節(jié)含64kb s的容量 主要用于運(yùn)行 維護(hù)和管理 如幀定位 誤碼檢測 公務(wù)通信