光纖通信概論精第一章ppt精選課件

.,光纖通信概論,.,主要參考書目,光纖通信系統(tǒng)楊祥林編著國(guó)防工業(yè)出版社光纖通信系統(tǒng)顧畹儀編著北京郵電大學(xué)出版社光通信原理與技術(shù)李玉權(quán)等編著電子科技大學(xué)出版社光纖通信技術(shù)DjafarK.Mynbaev等著科學(xué)出版社光纖光學(xué)廖延彪編著清華大學(xué)出版社,.,學(xué)習(xí)意義,光纖通信技術(shù)在近30、40年里得到了極大的發(fā)展，目前它和移動(dòng)通信、數(shù)據(jù)通信已經(jīng)成為電信領(lǐng)域發(fā)展的基石。掌握一些光纖通信技術(shù)有助于學(xué)習(xí)現(xiàn)代通信技術(shù)和拓寬知識(shí)面,為以后的學(xué)習(xí)深造和工作做好知識(shí)儲(chǔ)備。,.,主要內(nèi)容,第1章引言第2章光纖制造技術(shù)與光纜第3章光纖的基本特性第4章有源光器件第5章無源光器件第6章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)第7章光纖通信新技術(shù)第8章光纖通信網(wǎng)絡(luò),.,第1章引言,.,第一章引言,1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀1.1.1探索時(shí)期的光通信1.1.2現(xiàn)代光纖通信1.1.3國(guó)內(nèi)外光纖通信的發(fā)展1.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用1.2.1光通信和電通信1.2.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)1.2.3光纖通信的應(yīng)用1.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成1.3.1光發(fā)射機(jī)與接收機(jī)1.3.2光纖線路1.3.3模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)1.4光纖通信技術(shù)的展望,.,1.1.1探索時(shí)期的光通信,原始形式的光通信:中國(guó)古代用“烽火臺(tái)”報(bào)警，歐洲人用旗語傳送信息。,.,旗語,目視光通信,白色旗表示跑道上有緩慢移動(dòng)的車輛紅色旗表示比賽已停止黑色旗表示指定的賽車下次通過修理站時(shí)要停車黃底紅道旗意思是告訴車手跑道較滑,F1賽車,.,1880年，美國(guó)人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”,通話距離達(dá)到213米。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。,.,光電話原理圖,貝爾用弧光燈或者太陽光作為光源，光束通過透鏡聚焦在話筒的震動(dòng)片上。當(dāng)人對(duì)著話筒講話時(shí)，震動(dòng)片隨著話音震動(dòng)而使反射光的強(qiáng)弱隨著話音的強(qiáng)弱作相應(yīng)的變化，從而使話音信息“承載”在光波上（這個(gè)過程叫調(diào)制）。在接收端，裝有一個(gè)拋物面接收鏡，它把經(jīng)過大氣傳送過來的載有話音信息的光波反射到硅光電池上，硅光電池將光能轉(zhuǎn)換成電流（這個(gè)過程叫解調(diào)）。電流送到聽筒，就可以聽到從發(fā)送端送過來的聲音了。,接收鏡,.,光電話實(shí)用的制約因素,信道：Bell的光電話利用大氣作為傳輸介質(zhì)，損耗非常大，同時(shí)自然界氣象條件變化萬千，對(duì)光信號(hào)的干擾很大光源：Bell的光電話利用自然光作為載波，這種光的頻率和相位雜亂無章，不能用于大容量的通信,.,困難在哪里？,沒有合適的光源，一般光源相干性太差，類似于噪聲，無法調(diào)制。沒有合適的傳輸介質(zhì)，由于光頻極高，透過障礙的能力很差，必須通過波導(dǎo)介質(zhì)傳播。沒有合適的檢測(cè)設(shè)備。沒有.,長(zhǎng)路漫漫，誰能打開光纖通信的大門？,.,1917年愛因斯坦提出“受激輻射”的概念，奠定了激光的理論基礎(chǔ)。1958年美國(guó)科學(xué)家肖洛和湯斯發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的現(xiàn)象：當(dāng)他們將閃光燈泡所發(fā)射的光照在一種稀土晶體上時(shí)，晶體的分子會(huì)發(fā)出鮮艷的、始終會(huì)聚在一起的強(qiáng)光。由此他們提出了“激光原理”，受激輻射可以得到一種單色性很好、亮度又很高的新型光源。1960年，美國(guó)人梅曼(T.H.Maiman)發(fā)明了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器。梅曼利用紅寶石晶體做發(fā)光材料，用發(fā)光度很高的脈沖氙燈做激發(fā)光源，獲得了人類有史以來的第一束激光。1965年，第一臺(tái)可產(chǎn)生大功率激光的器件-二氧化碳激光器誕生。1967年，第一臺(tái)射線激光器研制成功。1997年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員研制出第一臺(tái)原子激光器。,曙光出現(xiàn)了！,.,1960年梅曼發(fā)明了紅寶石激光器，光源問題得到解決。相關(guān)的半導(dǎo)體技術(shù)：激光器，檢測(cè)器，.相繼問世。激光單色性和方向性良好，是人類所能獲得的最理想的光載波。半導(dǎo)體激光器采用注入電流的方式進(jìn)行泵浦，體積小，可用電流信號(hào)直接進(jìn)行高頻調(diào)制，成為最理想的光通信光源。對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)可用基于光電效應(yīng)的真空光電管或半導(dǎo)體光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行處理。,激光器的發(fā)明使人們認(rèn)識(shí)到一個(gè)以光波為基礎(chǔ)的新的通信時(shí)代已經(jīng)到來。接下來所面臨的最重要的問題就是需要尋找適當(dāng)?shù)墓鈧鬏斀橘|(zhì)，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的低損耗遠(yuǎn)距離傳輸。,.,1.1.2現(xiàn)代光纖通信,大氣作為光傳輸介質(zhì)的可行性,大氣和自由空間是天然的光學(xué)信道。在無障礙情況下，光信號(hào)可以通過大氣進(jìn)行傳輸，構(gòu)成所謂空間光通信系統(tǒng)。,空間光通信系統(tǒng)所面臨的困難：穩(wěn)定性問題：塵埃、雨雪、大霧可致通信中斷背景噪聲問題：太陽、月亮、星系、民用光源等激光光束的發(fā)散問題光源與探測(cè)器之間的對(duì)準(zhǔn)問題建筑物與地球弧形表面對(duì)光的直線傳播的影響,依靠大氣介質(zhì)無法建立商用化大容量光通信系統(tǒng)。近年來，空間光通信在航空航天器之間、航空航天器與地面基站之間以及野戰(zhàn)條件下的軍事通信等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用方面所具有的優(yōu)勢(shì)開始顯現(xiàn)，正逐漸受到通信研究領(lǐng)域重視并得到初步應(yīng)用。,.,介質(zhì)光波導(dǎo),光沿水流傳輸并且能隨之彎曲此現(xiàn)象首次由英國(guó)物學(xué)家JohnTyndall于1870年證明,在1920-1950期間,纖細(xì)的有柔韌性的玻璃和塑料光纖可以用于導(dǎo)光這個(gè)時(shí)期的光纖稱為“裸”光纖,因?yàn)楣饫w表面直接暴露在空氣中,用介質(zhì)光波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光的空間約束與定向?qū)б秊閷?shí)現(xiàn)光信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸，需要研制出具有極低損耗的光導(dǎo)纖維市場(chǎng)前景巨大，大量人力與資金被用于通信光纖研制,.,石英光纖,于1954年由荷蘭人vanHeel提出的光纖結(jié)構(gòu),石英是已知的具有最低光學(xué)損耗的介質(zhì)材料芯子通常為摻鍺石英（SiO2:Ge），包層通常為純石英（SiO2），涂覆層為樹脂材料在芯包界面上滿足全反射條件的光將被約束在芯子內(nèi)沿光纖傳輸,.,OpticalFiberin1966,光纖損耗分貝表示：,Lkm,Pin,Pout,20dB的衰減表示輸出功率僅剩1，1000dB/km的損耗意味著這種光纖根本無法用于信號(hào)傳輸!,衰減為1000dB/km,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)用的水平,如何降低衰減,從而達(dá)到實(shí)用的水平?,.,傳輸介質(zhì)問題由一位華人解決！,1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)及其同事霍克哈姆(C.A.Hockham)在其發(fā)表的研究論文中指出，光纖的高損耗來自石英中的雜質(zhì)，通過對(duì)原材料的提純可以制作出適合長(zhǎng)距離通信的低損耗光纖,預(yù)見玻璃可制成衰耗20dB/km以下的光導(dǎo)纖維，即光纖。,高錕(C.K.Kao)上述發(fā)現(xiàn)的重要意義在于指出了光纖高損耗的真正來源以及研制通信光纖的正確方向。這一發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了在其后數(shù)年內(nèi)通信光纖制造領(lǐng)域所發(fā)生的質(zhì)的飛躍，以及光纖通信產(chǎn)業(yè)的迅速興起。,.,由于在光纖領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)高錕(左)在英國(guó)接受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)?1998年),.,1970年，光纖誕生！,康寧玻璃公司1970年首先研制出衰耗20dB/km的光纖。光纖通信正式開始！據(jù)說康寧公司花費(fèi)3000萬美元，得到30米光纖樣品，認(rèn)為非常值得。這一突破，引起整個(gè)通信界的震動(dòng)，世界發(fā)達(dá)國(guó)家開始投入巨大力量研究光纖通信。,.,.,1970年，美國(guó)康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖通信的研究開發(fā)推向一個(gè)新階段。1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km。1973年，美國(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。在以后的10年中，波長(zhǎng)為1.55m的光纖損耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。,1970年，光纖研制取得了重大突破,.,光纖,.,.,1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長(zhǎng)0.850m)。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。里程碑1973年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時(shí)。1976年，日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.3m的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。1977年，貝爾研究所和日本電報(bào)電話公司幾乎同時(shí)研制成功壽命達(dá)100萬小時(shí)（實(shí)用中10年左右）的半導(dǎo)體激光器。真正實(shí)用1979年美國(guó)電報(bào)電話(AT光接收機(jī)和光纖線路,.,1.3.1光發(fā)送和接收機(jī),1、光發(fā)送機(jī)組成框圖：,結(jié)構(gòu)參數(shù)：發(fā)送功率，dbm概念,光源光譜特性：輸出光功率足夠大，調(diào)制頻率足夠高，譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長(zhǎng)穩(wěn)定，器件壽命長(zhǎng),.,光發(fā)射機(jī),光發(fā)射端機(jī)的功能:電/光或E/O轉(zhuǎn)換光發(fā)射端機(jī)由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。對(duì)光源的要求？輸出功率足夠大，調(diào)制頻率足夠高，譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長(zhǎng)穩(wěn)定，器件壽命長(zhǎng)。半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）半導(dǎo)體激光二極管（或稱激光器）（LD）,.,半導(dǎo)體激光器,垂直表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器,邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器,.,兩種調(diào)制方式,1、直接調(diào)制：電信號(hào)調(diào)制器件的驅(qū)動(dòng)電流，使輸出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)。特點(diǎn)：技術(shù)簡(jiǎn)單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，但是調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制，帶寬可達(dá)幾億赫茲。2、間接調(diào)制：激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開。目前有多種調(diào)制器可供選擇，最常用的是電光調(diào)制器（還有磁光效應(yīng)和聲光效應(yīng)）。它是利用電信號(hào)改變電光晶體的折射率，使通過調(diào)制器的光參數(shù)隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)調(diào)制的。特點(diǎn)：高速率、大消光比、大光功率和消除半導(dǎo)體激光器內(nèi)調(diào)制產(chǎn)生的光頻率跳變的“啁啾”現(xiàn)象，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，成本較高。,.,圖1.5兩種調(diào)制方案(a)直接調(diào)制；(b)間接調(diào)制(外調(diào)制),.,光發(fā)射機(jī)的參數(shù)(1),發(fā)送光功率（dBm）P=10lgP(mW)/1(mW)以1mW為基準(zhǔn)的、用分貝表示的功率。表示功率的絕對(duì)值。,.,光譜特性最大均方根RMS寬度對(duì)于多縱模激光器和發(fā)光二極管這樣的光能量比較分散的光源,采用來衡量光脈沖能量在頻域的集中程度.單縱模的激光器,能量主要集中在主模中.半高全寬FWHM(3dB)寬度最大20dB跌落寬度,光發(fā)射機(jī)的參數(shù)(2),.,最小邊模抑制比(SMSR)：主縱模(M1)的平均光功率與最顯著的邊模(M2)的平均光功率之比的最低值。SMSR=10lg（M1/M2）,光發(fā)射機(jī)的參數(shù)(3),一般規(guī)定單縱模激光器的最小邊模抑制比為30dB，即主縱模功率至少要比邊模大1000倍以上。,.,2、光接收機(jī)功能：是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號(hào)組成部分：耦合器，光電檢測(cè)器，解調(diào)器組成框圖：,結(jié)構(gòu)參數(shù)：接收機(jī)靈敏度，定為BER10-9條件下，所要求的最小平均接收功率。檢測(cè)方式：直接檢測(cè)和外差檢測(cè),.,廣泛使用的光探測(cè)器有兩種類型：在半導(dǎo)體PN結(jié)中加入本征層的PIN光電二極管（PIN-PD）雪崩光電二極管（APD）,.,光/電或O/E轉(zhuǎn)換通過光探測(cè)器實(shí)現(xiàn)兩種方式：直接檢測(cè)和相干檢測(cè)（外差檢測(cè)）直接檢測(cè)探測(cè)器直接把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。是目前光纖通信系統(tǒng)普遍使用的方法。相干檢測(cè)（外差檢測(cè)）要設(shè)置一個(gè)本地振蕩器和一個(gè)光混頻器，使本地振蕩光和光纖輸出的信號(hào)光在混頻器中產(chǎn)生差拍而輸出中頻信號(hào)，再由光探測(cè)器把中頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。難度大。高靈敏度。,.,接收機(jī)的靈敏度是表征光接收機(jī)調(diào)整到最佳工作狀態(tài)時(shí)，光接收機(jī)接收微弱光信號(hào)的能力。光接收機(jī)靈敏度定義為：特定條件下(數(shù)字系統(tǒng):誤碼率,模擬系統(tǒng):信噪比)，接收機(jī)所需要的最小輸入光功率。接收靈敏度一般用dBm來表示，它是以lmW光功率為基礎(chǔ)的絕對(duì)功率，或?qū)憺镻r=10Log(Pmin/10-3)其中，Pmin指在給定誤比特率的條件下，接收機(jī)能接收的最小平均光功率。例如，在給定的誤比特率為10-9時(shí)，接收機(jī)能接收的最小平均光功率為1nW（即10-9W），光接收機(jī)靈敏度為-60dBm。,.,1.3.2光纖線路,功能：是把來自光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)組成:光纖、光纖接頭和光纖連接器低損耗“窗口”：普通石英光纖在近紅外波段，除雜質(zhì)吸收峰外，其損耗隨波長(zhǎng)的增加而減小，在0.85m、1.31m和1.55m有三個(gè)損耗很小的波長(zhǎng)“窗口”，見后圖。光源激光器的發(fā)射波長(zhǎng)和光檢測(cè)器光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)，都要和光纖這三個(gè)波長(zhǎng)窗口相一致。目前在實(shí)驗(yàn)室條件下，1.55m的損耗已達(dá)到0.154dB/km，接近石英光纖損耗的理論極限。,.,0.70.80.91.01.11.21.31.41.5,衰減（dB/km）,波長(zhǎng)（m）,普通單模光纖的衰減隨波長(zhǎng)變化示意圖,.,中繼器,隨著傳輸線路的延長(zhǎng)，會(huì)由于傳輸損耗而使脈沖衰減，同時(shí)加上傳輸線路的失真特性（光纖中的各種色散）產(chǎn)生脈沖波型的失真。因此，需要中繼器來進(jìn)行修復(fù)。,3R：re-amplifying再放大（光放大器的功能）re-timing再定時(shí)（消除時(shí)間抖動(dòng)）re-shaping再整形（消除波形畸變）通過這3個(gè)R，得到接近于發(fā)射端的光信號(hào)的copy，從而延長(zhǎng)傳輸距離，提高信號(hào)質(zhì)量。,3R組合,.,光纖通信系統(tǒng)的分類,光纖通信系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)所使用的激光光波的波長(zhǎng)、攜帶信息的形式、傳輸光纖、信號(hào)的調(diào)制方式、光接收方式的不同和光纖中傳送的是單波長(zhǎng)通道還是多波長(zhǎng)通道的信號(hào)分成多種光纖通信系統(tǒng)。根據(jù)電端機(jī)送入光端機(jī)信號(hào)性質(zhì)的不同，可分為模擬和數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。,1.3.3模擬和數(shù)字通信系統(tǒng),.,1、有效性，指信息的傳輸速度；2、可靠性，指信息的傳輸質(zhì)量；3、適應(yīng)性，指環(huán)境使用條件；4、標(biāo)準(zhǔn)性，指元件的標(biāo)準(zhǔn)性、互換性；5、經(jīng)濟(jì)性，指成本是否低；6、保密性，指是否便于加密；7、使用維修是否方便。,光纖通信系統(tǒng)的評(píng)價(jià):,.,數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào),.,數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng),通信的目的是傳遞和交換信息模擬信號(hào)：連續(xù)數(shù)字信號(hào)：離散模擬通信系統(tǒng)用連續(xù)的信號(hào)代表信息，強(qiáng)調(diào)的是變換過程中信號(hào)和信息之間的線性關(guān)系。數(shù)字通信系統(tǒng)則用離散的信號(hào)來代表信息，強(qiáng)調(diào)的是信號(hào)和信息之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。,.,調(diào)制方式,.,調(diào)制前光載波的形式為：E(t)=Acos(0t+),模擬通信可采用調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等多種調(diào)制方式。采用數(shù)字調(diào)制時(shí)，相應(yīng)地稱為幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）；信號(hào)只有兩種狀態(tài)的ASK稱為通斷鍵控（OOK），這是當(dāng)前的數(shù)字通信系統(tǒng)通常使用的格式，屬于強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè)（IM-DD）通信方式，是通信方式中最簡(jiǎn)單、最初級(jí)的方式。,電場(chǎng),振幅,載頻,相位,.,常見線路碼：RZ（歸零碼）：光脈沖“1”寬度較窄，在比特周期結(jié)束前歸零。NRZ（非歸零碼）：光脈沖“1”在比特周期內(nèi)不變，在兩個(gè)連續(xù)比特“1”間不為零。,.,數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),1、抗干擾能力強(qiáng)，傳輸質(zhì)量好。2、可以用再生中繼，傳輸距離長(zhǎng)。3、適用各種業(yè)務(wù)的傳輸，靈活性大。4、容易實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的保密通信。5、數(shù)字通信系統(tǒng)大量采用數(shù)字電路，易于集成，從而實(shí)現(xiàn)小型化、微型化，增強(qiáng)設(shè)備可靠性，有利于降低成本。,.,數(shù)字通信的缺點(diǎn),數(shù)字通信的缺點(diǎn)是占用頻帶較寬，系統(tǒng)的頻帶利用率不高。例如，一路模擬電話只占用4kHz的帶寬，而一路數(shù)字電話要占用64kHz的帶寬。數(shù)字通信的很多優(yōu)點(diǎn)是以犧牲頻帶為代價(jià)得到的。,.,模擬通信系統(tǒng),模擬通