[互聯(lián)網(wǎng)]信息傳播技術(shù)第五章簡略版光纖通信

1、第第5章章 光纖通信光纖通信變化：電信道變變化：電信道變?yōu)楣庑诺?；電信為光信道；電信號變?yōu)楣庑盘柼栕優(yōu)楣庑盘?本章學(xué)習(xí)重點本章學(xué)習(xí)重點 光纖通信的概念與特點光纖通信的概念與特點 光纖傳輸光信號的原理光纖傳輸光信號的原理 光纖通信的主要技術(shù)光纖通信的主要技術(shù) 概述概述光纖可以導(dǎo)光；光纖可以導(dǎo)光；光可以傳輸信息光可以傳輸信息光纖燈光纖的非通信光纖燈光纖的非通信用途：照明用途：照明 現(xiàn)代通信方式示意圖現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息光纖通信經(jīng)過光纖通信經(jīng)過3030

2、年的技年的技術(shù)發(fā)展目前正在替代術(shù)發(fā)展目前正在替代其他的有線通信方式其他的有線通信方式電磁波的波段電磁波的波段光通信的起源光通信的起源 貝爾的光電話貝爾的光電話 光通信的出現(xiàn)比無線電通信還早。光通信的出現(xiàn)比無線電通信還早。 18961896年，波波夫發(fā)送與接收了第一封無線年，波波夫發(fā)送與接收了第一封無線電報，是無線通信的標(biāo)志電報，是無線通信的標(biāo)志; ; 18801880年，電話發(fā)明家貝爾利用太陽光作光年，電話發(fā)明家貝爾利用太陽光作光源，大氣為傳輸媒質(zhì)，用硒晶體作為光接源，大氣為傳輸媒質(zhì)，用硒晶體作為光接收器件，成功地進(jìn)行了光電話的實驗，通收器件，成功地進(jìn)行了光電話的實驗，通話距離最遠(yuǎn)達(dá)到了話距離

3、最遠(yuǎn)達(dá)到了213213米。米。 光在大氣中的傳遞會受到氣象條件限制，光在大氣中的傳遞會受到氣象條件限制， 所以光通信必須要解決兩個最根本的問題：所以光通信必須要解決兩個最根本的問題： 1.1.必須有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì)。必須有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì)。 2.2.必須要找到高強(qiáng)度的、可靠的光源。必須要找到高強(qiáng)度的、可靠的光源。 光源問題：光源問題： 從通信技術(shù)角度看，太陽光、燈光等普通從通信技術(shù)角度看，太陽光、燈光等普通的可見光源，的可見光源， 都不適合作為通信的光源，都不適合作為通信的光源， 這些光都帶有這些光都帶有“噪聲噪聲” ” ， 光的頻率不穩(wěn)定、不單一，光的頻率不穩(wěn)定、不單一， 光

4、的性質(zhì)也很復(fù)雜。光的性質(zhì)也很復(fù)雜。 光傳輸介質(zhì)問題：光傳輸介質(zhì)問題： 一是要導(dǎo)光，一是要導(dǎo)光， 二是傳輸性能即衰減率要達(dá)到通信要求。二是傳輸性能即衰減率要達(dá)到通信要求。 在此后的幾十年中，由于這兩項關(guān)鍵技術(shù)在此后的幾十年中，由于這兩項關(guān)鍵技術(shù)沒有得到解決，因此貝爾的光電話始終沒沒有得到解決，因此貝爾的光電話始終沒有走上實用化的階段。有走上實用化的階段。 19551955年，英國的卡帕尼博士，年，英國的卡帕尼博士， 發(fā)明了用極細(xì)的玻璃制做的光導(dǎo)纖維。發(fā)明了用極細(xì)的玻璃制做的光導(dǎo)纖維。 光纖光纖應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上，應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上， 用光纖束組成內(nèi)窺鏡，用光纖束組成內(nèi)窺鏡， 可以觀察人體腸胃內(nèi)的疾病，可以觀

5、察人體腸胃內(nèi)的疾病， 協(xié)助醫(yī)生及時作出確切的判斷。協(xié)助醫(yī)生及時作出確切的判斷。胃胃鏡鏡短短距距離離的的光光通通信信目鏡目鏡光纖光纖探頭探頭光源的問題解光源的問題解決了決了 但以上的光纖由于衰減率太高，還不能但以上的光纖由于衰減率太高，還不能用于通信。用于通信。 19601960年年7 7月月8 8日，美國科學(xué)家梅曼發(fā)明了日，美國科學(xué)家梅曼發(fā)明了紅寶石紅寶石激光激光器，器， 從此人們便可獲得性質(zhì)和電磁波相似而從此人們便可獲得性質(zhì)和電磁波相似而頻率穩(wěn)定的光源。頻率穩(wěn)定的光源。 研究現(xiàn)代化光通信的時代也從此開始。研究現(xiàn)代化光通信的時代也從此開始。激光產(chǎn)生原理激光產(chǎn)生原理光傳輸介質(zhì)的光傳輸介質(zhì)的問題解

6、決了問題解決了 19661966年英國標(biāo)準(zhǔn)電信研究所的高錕和年英國標(biāo)準(zhǔn)電信研究所的高錕和hockhamhockham 提出提出 用玻璃纖維可以進(jìn)行通信的設(shè)想。用玻璃纖維可以進(jìn)行通信的設(shè)想。 19701970年美國康寧公司的馬瑞爾、卡普年美國康寧公司的馬瑞爾、卡普隆、凱克成功地制成了衰減水平為隆、凱克成功地制成了衰減水平為20db/km20db/km的光纖，的光纖， 標(biāo)志著光纖用于通信有了現(xiàn)實的可能標(biāo)志著光纖用于通信有了現(xiàn)實的可能性。性。1986年年 19771977年，世界上第一條光纖通信系統(tǒng)在美年，世界上第一條光纖通信系統(tǒng)在美國芝加哥市投入商用，速率為國芝加哥市投入商用，速率為45mb45m

7、bs s。 19911991年起，我國開始大力發(fā)展光纖通信。年起，我國開始大力發(fā)展光纖通信。 第一節(jié)第一節(jié) 光纖通信的概念光纖通信的概念主要討論光主要討論光學(xué)特性學(xué)特性一一.光纖通信的概念光纖通信的概念 1.1.光纖通信：光纖通信： 以光波為載波攜帶信號，以光導(dǎo)纖維為傳以光波為載波攜帶信號，以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的通信方式。輸介質(zhì)的通信方式。 數(shù)字光纖通信：數(shù)字光纖通信： 以光波為載波攜帶數(shù)字信號，以光導(dǎo)纖維以光波為載波攜帶數(shù)字信號，以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的通信方式。為傳輸介質(zhì)的通信方式。微波的頻率微波的頻率范圍范圍300mhz-300ghz （1 1）頻帶寬，通信容量大。）頻帶寬，通信容量大。

8、光纖可利用的帶寬約為光纖可利用的帶寬約為50000ghz50000ghz， 2.4gb/s2.4gb/s系統(tǒng)，能同時傳輸系統(tǒng)，能同時傳輸3000030000多路電多路電話。話。2.2.特點特點 以傳輸圖書為例：以傳輸圖書為例： 45mb45mb的數(shù)據(jù)相當(dāng)于的數(shù)據(jù)相當(dāng)于4545本小說的信息量。本小說的信息量。 一個信道每秒可以輸出一個信道每秒可以輸出40gb40gb的數(shù)據(jù)，的數(shù)據(jù)， 一根有一根有200200個信道的光纖個信道的光纖 一秒可以傳輸上百萬本小說。一秒可以傳輸上百萬本小說。 這意味著，地球上每一個讀者這意味著，地球上每一個讀者 可在一秒鐘內(nèi)把美國國會圖書館的藏書下可在一秒鐘內(nèi)把美國國會

9、圖書館的藏書下載到自己的計算機(jī)上。載到自己的計算機(jī)上。寬帶寬意味著寬帶寬意味著高傳輸速率高傳輸速率 （2 2）低損耗，）低損耗，中繼距離長中繼距離長 一根火柴劃亮后的微弱光芒，一根火柴劃亮后的微弱光芒， 經(jīng)過經(jīng)過200公里的光纜輸出，公里的光纜輸出， 火柴光依然清晰可見。火柴光依然清晰可見。 所謂損耗是指光纖每單位長度上信號的所謂損耗是指光纖每單位長度上信號的衰減衰減, ,單位為單位為db/kmdb/km。 衰減率越低，傳輸距離越長。衰減率越低，傳輸距離越長。 光纖損耗的高低直接影響傳輸距離或中光纖損耗的高低直接影響傳輸距離或中繼站間隔距離的遠(yuǎn)近。繼站間隔距離的遠(yuǎn)近。 目前，光纖的最低損耗已達(dá)

10、目前，光纖的最低損耗已達(dá)0.2db/km0.2db/km， 這樣單模光纖的最大中繼距離可達(dá)上百這樣單模光纖的最大中繼距離可達(dá)上百公里，公里， 比同軸電纜大幾十倍，比同軸電纜大幾十倍， 比銅線大上百倍，比銅線大上百倍， 如果再使用光纖放大器的話，如果再使用光纖放大器的話， 不需要再生中繼，可以直通上萬公里。不需要再生中繼，可以直通上萬公里。 （3）抗干擾能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，保密性好。保密性好。 抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)主要有兩個原因：主要有兩個原因： 第一第一, ,光纖由石英材料構(gòu)成的，光纖由石英材料構(gòu)成的， 它是非金屬絕緣體，它是非金屬絕緣體， 不怕雷電和高壓，不怕雷電和高壓， 不受電磁干擾

11、見圖示；不受電磁干擾見圖示； 第二第二, ,光纖中傳輸?shù)氖穷l率很高的光波，光纖中傳輸?shù)氖穷l率很高的光波， 而各種干擾的頻率一般都比較低，而各種干擾的頻率一般都比較低， 不能干擾頻率比它高的多的光波。不能干擾頻率比它高的多的光波。保密性好是因為光纖表面的涂層具有隔離保密性好是因為光纖表面的涂層具有隔離輻射的作用，輻射的作用，加上涂層中的消光劑，即使光纜內(nèi)光纖總加上涂層中的消光劑，即使光纜內(nèi)光纖總數(shù)很多，也可實現(xiàn)無串音干擾；數(shù)很多，也可實現(xiàn)無串音干擾；光纜外也無法竊聽到光纖中傳輸?shù)男畔?。光纜外也無法竊聽到光纖中傳輸?shù)男畔ⅰ?另外在光纜彎曲半徑很小時，輻射出的光另外在光纜彎曲半徑很小時，輻射出的光波

12、也十分微弱。波也十分微弱。 （4）缺點）缺點 光纖質(zhì)地脆、機(jī)械強(qiáng)度低、光纖質(zhì)地脆、機(jī)械強(qiáng)度低、 需要比較好的切割及連接技術(shù)，需要比較好的切割及連接技術(shù)， 光纖彎曲半徑不宜過小，光纖彎曲半徑不宜過小， 分路、耦合比較復(fù)雜。分路、耦合比較復(fù)雜。 但這些問題比起光纖眾多的優(yōu)點來說都但這些問題比起光纖眾多的優(yōu)點來說都是小問題。是小問題。二二.光纖通信所使用的光光纖通信所使用的光（一）光波的劃分及光纖所用的光（一）光波的劃分及光纖所用的光頻率頻率 hz近紅外近紅外區(qū)域的區(qū)域的光光 光纖使用的光是在近紅外區(qū)內(nèi)，光纖使用的光是在近紅外區(qū)內(nèi)， 其波長為其波長為0.8-1.80.8-1.8微米微米 頻率為頻率為

13、 hzhz左右。左右。1410 科學(xué)家經(jīng)過長期的研究發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家經(jīng)過長期的研究發(fā)現(xiàn)， 光以光以0.850.85微米、微米、1.311.31微米和微米和1.551.55微米微米三種三種波長通過光纖時，波長通過光纖時， 所受的所受的“阻力阻力” ” 比其它波長阻力小得多，比其它波長阻力小得多， 所以光纖通信所用的波長以這幾種為主，所以光纖通信所用的波長以這幾種為主， 并將這三個點的光波稱作光纖通信的三個并將這三個點的光波稱作光纖通信的三個實用窗口實用窗口。 半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光與半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光與 半導(dǎo)體二極管產(chǎn)生的熒光半導(dǎo)體二極管產(chǎn)生的熒光 都可以作為光信通信使用的光源。都可以作為光信通

14、信使用的光源。光纖三個窗口與損耗特性光纖三個窗口與損耗特性第二傳輸窗口第二傳輸窗口第一傳輸窗口第一傳輸窗口1300130015501550850850紫外吸收紫外吸收紅外吸收紅外吸收瑞利散射瑞利散射0.20.22.52.5損損 耗耗 (db/km)(db/km)波波 長長 (nm)(nm)第三傳輸窗口第三傳輸窗口在在1.551.55 m m處最小損處最小損耗約為耗約為0.20.2db/kmdb/km注：注：1m（微米）（微米）=1000nm（納米）（納米）三三. .光纖通信的介質(zhì)光纖通信的介質(zhì)光纖光纖（一）光纖的結(jié)構(gòu)（一）光纖的結(jié)構(gòu) 通信光纖是由纖芯、包層、保護(hù)套三部分組成。通信光纖是由纖芯、

15、包層、保護(hù)套三部分組成。 纖芯：折射率較高，用來傳送光；纖芯：折射率較高，用來傳送光； 包層：折射率較低，保護(hù)纖芯，隔離輻射，將光包層：折射率較低，保護(hù)纖芯，隔離輻射，將光波限制在纖芯中形成全反射；波限制在纖芯中形成全反射； 保護(hù)套：強(qiáng)度大，能承受較大沖擊，保護(hù)光纖保護(hù)套：強(qiáng)度大，能承受較大沖擊，保護(hù)光纖。纖芯纖芯包層包層保護(hù)套保護(hù)套實物圖實物圖光纖的結(jié)構(gòu)與折射率光纖的結(jié)構(gòu)與折射率（二）光纖的分類（二）光纖的分類1.1.按照折射率可以分為：按照折射率可以分為： 均勻光纖均勻光纖 非均勻光纖非均勻光纖折射率：折射率：影響的是軌影響的是軌跡跡 均勻光纖：均勻光纖： 指光線的折射率指光線的折射率n1

16、n1和包層的折射率和包層的折射率n2n2 都為一常數(shù)，且都為一常數(shù)，且n1n2n1n2， 在纖芯和包層交界處折射率呈階梯型變化。在纖芯和包層交界處折射率呈階梯型變化。 非均勻光纖：非均勻光纖： 指光纖纖芯的折射率指光纖纖芯的折射率n1n1 是隨半徑變化的函數(shù)，是隨半徑變化的函數(shù)， 半徑增加折射率按一定規(guī)律減小，半徑增加折射率按一定規(guī)律減小， 在纖芯與包層的交界處在纖芯與包層的交界處n1n1等于等于 n2n2。如圖示。如圖示不是常不是常數(shù)數(shù)不同的折射率分布，傳輸特性完全不同不同的折射率分布，傳輸特性完全不同軌跡為直線軌跡為直線光反射前進(jìn)光反射前進(jìn)軌跡為曲線軌跡為曲線光折射前進(jìn)光折射前進(jìn)軌跡為直線

17、軌跡為直線沿軸線前進(jìn)沿軸線前進(jìn)均勻光纖的均勻光纖的傳輸特性傳輸特性（單模）（單模）非均勻光纖非均勻光纖的傳輸特性的傳輸特性（多模）（多模）非均勻光纖非均勻光纖的傳輸特性的傳輸特性（多模）（多模）2.2.按照傳輸?shù)哪?shù)可以分為：按照傳輸?shù)哪?shù)可以分為： 單模光纖單模光纖 多模光纖多模光纖 模式概念：模式概念： 光在光介質(zhì)中傳輸，其電磁場的分布形式。光在光介質(zhì)中傳輸，其電磁場的分布形式。 用幾何光學(xué)解釋，模式指光傳輸?shù)慕嵌取Ｓ脦缀喂鈱W(xué)解釋，模式指光傳輸?shù)慕嵌取?單模是用一種角度的光傳輸，單模是用一種角度的光傳輸， 多模式多種角度的光。多模式多種角度的光。影響的是光影響的是光路的個數(shù)路的個數(shù) 光纖的

18、傳輸模式和纖芯的幾何尺寸有關(guān)。光纖的傳輸模式和纖芯的幾何尺寸有關(guān)。如果纖芯的幾何尺寸遠(yuǎn)大于光波波長時，如果纖芯的幾何尺寸遠(yuǎn)大于光波波長時，光在光纖中會以幾十種乃至幾百種傳輸模式光在光纖中會以幾十種乃至幾百種傳輸模式進(jìn)行傳輸。如圖所示。進(jìn)行傳輸。如圖所示。目前技術(shù)支持兩種在光纖中傳輸光線的模式目前技術(shù)支持兩種在光纖中傳輸光線的模式模式(mode)多模(multi-mode)單模（single mode）階躍(step-index)漸變(graded-index)多模多模單模單模階躍階躍（均勻光纖）（均勻光纖）漸變漸變（非均勻光纖）（非均勻光纖） 單模光纖：單模光纖： 單模光纖的纖單模光纖的纖芯徑

19、芯徑d d1 1在在4m4m10m10m范圍范圍（1mm=1000m1mm=1000m），）， 當(dāng)纖芯的幾何尺寸（纖芯直徑當(dāng)纖芯的幾何尺寸（纖芯直徑d d1 1）較小，）較小， 與光波長在同一數(shù)量級時，與光波長在同一數(shù)量級時， 理論上光纖只傳輸一種模式，理論上光纖只傳輸一種模式， 即纖芯中即纖芯中只有一路光線通過不同的光路傳輸。只有一路光線通過不同的光路傳輸。光在均勻介質(zhì)單模光纖中的傳輸軌跡光在均勻介質(zhì)單模光纖中的傳輸軌跡軸線軸線的平的平行線行線 多模光纖：多模光纖： 多模光纖的纖芯直徑一般為多模光纖的纖芯直徑一般為50-75m50-75m， 當(dāng)光纖的幾何尺寸（纖芯直徑當(dāng)光纖的幾何尺寸（纖芯直

20、徑d d1 1）大于光波波）大于光波波長時（約長時（約1m1m），）， 光纖傳輸?shù)倪^程中會存在著幾十種乃至幾百種光纖傳輸?shù)倪^程中會存在著幾十種乃至幾百種傳輸模式，傳輸模式， 即即多路光線通過不同的光路傳輸。多路光線通過不同的光路傳輸。 這樣的光纖稱為多模光纖。這樣的光纖稱為多模光纖。光在均勻光纖多模光纖中的傳輸光在均勻光纖多模光纖中的傳輸光在非均勻光纖多模光纖中的傳輸光在非均勻光纖多模光纖中的傳輸三種主要類型光纖的比較三種主要類型光纖的比較單模單模光纖光纖多模多模光纖光纖均勻光均勻光纖的折纖的折射率射率非均勻非均勻光纖的光纖的折射率折射率均勻光纖光傳均勻光纖光傳輸路徑輸路徑非均勻光非均勻光纖光

21、傳輸纖光傳輸路徑路徑多模光多模光纖的纖纖的纖芯芯多模光多模光纖的纖纖的纖芯芯單模光單模光纖的纖纖的纖芯芯單模光纖單模光纖光傳輸路光傳輸路徑徑 以上說明：以上說明： （1 1）光學(xué)特性對光傳輸特性有影響。）光學(xué)特性對光傳輸特性有影響。 均勻光纖（階躍式）與非均勻光纖（漸變式）的均勻光纖（階躍式）與非均勻光纖（漸變式）的光傳輸路徑不同。光傳輸路徑不同。 （2 2）纖芯的直徑對光傳輸特性的影響：）纖芯的直徑對光傳輸特性的影響： 單模與多模光傳輸路徑不同。單模與多模光傳輸路徑不同。第二節(jié)第二節(jié) 光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性一一. .光纖的導(dǎo)光原理光纖的導(dǎo)光原理1.光的自然特性光的自然特性光的折射 反射

22、空氣折射率空氣折射率=n1=n1玻璃玻璃折射率折射率= n2= n2n2n2 n1n1折射率由高到低偏折射率由高到低偏離法線；反之亦然。離法線；反之亦然。光纖的反射與折射光纖的反射與折射光的全反射現(xiàn)象光的全反射現(xiàn)象當(dāng)當(dāng)n2n1 cn2n1 c為臨界角為臨界角 90 90 1 1 c c 時發(fā)生全反射時發(fā)生全反射介質(zhì)從高密到介質(zhì)從高密到低密偏離法線低密偏離法線產(chǎn)生折射產(chǎn)生折射當(dāng)入射角大當(dāng)入射角大于臨界角小于臨界角小于于90度時產(chǎn)度時產(chǎn)生反射生反射2. 2. 光纖的光學(xué)特性光纖的光學(xué)特性導(dǎo)光原理導(dǎo)光原理折射角入射角 包層包層（低折射率的媒體） 包層包層（低折射率的媒體） 纖芯纖芯（高折射率的媒體）

23、 包層包層纖芯單模導(dǎo)光路徑單模導(dǎo)光路徑 當(dāng)纖芯的直徑在當(dāng)纖芯的直徑在4-104-10微米左右，微米左右， 采用均勻光纖和高度集中的光源，采用均勻光纖和高度集中的光源， 使得發(fā)出的光線限制在非常接近水平的很使得發(fā)出的光線限制在非常接近水平的很小范圍內(nèi)小范圍內(nèi), , 從而使得傳輸?shù)墓饩€基本與軸線水平。從而使得傳輸?shù)墓饩€基本與軸線水平。單模光纖中不同光線的傳輸幾乎是相同的，單模光纖中不同光線的傳輸幾乎是相同的，從而可以忽略傳輸延遲，從而可以忽略傳輸延遲，所以光線幾乎同時到達(dá)目的地，所以光線幾乎同時到達(dá)目的地，可以無扭曲地重組為完整的信號?？梢詿o扭曲地重組為完整的信號。信源信號信源信號信宿信號信宿信號

24、多模均勻光纖的導(dǎo)光路徑多模均勻光纖的導(dǎo)光路徑 均勻光纖纖心的折射率為一常數(shù)，均勻光纖纖心的折射率為一常數(shù)， 在均勻光纖中傳輸在均勻光纖中傳輸 相當(dāng)于在均勻介質(zhì)中傳輸。相當(dāng)于在均勻介質(zhì)中傳輸。 當(dāng)纖芯的折射率滿足全反射定律時，當(dāng)纖芯的折射率滿足全反射定律時， 依照光全反射原理依照光全反射原理 以鋸齒形軌跡向前傳輸。以鋸齒形軌跡向前傳輸。多模均勻光纖的導(dǎo)光原理多模均勻光纖的導(dǎo)光原理在邊界，光線反射回來的反射角等于入射角，在邊界，光線反射回來的反射角等于入射角，入射角越大，反射角越大，傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)。入射角越大，反射角越大，傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)。 多模非均勻光纖的導(dǎo)光路徑多模非均勻光纖的導(dǎo)光路徑非均勻光纖

25、纖芯折射率非均勻光纖纖芯折射率n1n1是半徑是半徑r r的函數(shù)，的函數(shù)，n1n1隨隨r r的增加而按一定規(guī)律減小，的增加而按一定規(guī)律減小，到達(dá)與包層的交界面為到達(dá)與包層的交界面為n2n2，而包層的折射率為而包層的折射率為n2n2，由于由于n1n1隨隨r r的增加按一定規(guī)律減小，的增加按一定規(guī)律減小，因此可根據(jù)因此可根據(jù)n1n1（r r）的不同，將纖芯）的不同，將纖芯n1n1分成若分成若干層，設(shè)干層，設(shè)n11n12n13n11n12n13.n2n15n14n13n12n11n1光密到光密到光疏偏光疏偏離法線離法線光密到光密到光疏偏光疏偏離法線離法線光疏到光疏到光密靠光密靠近法線近法線光疏到光疏到

26、光密靠光密靠近法線近法線光密到光密到光疏偏光疏偏離法線離法線半徑半徑 根據(jù)折射定律，當(dāng)光密進(jìn)入光疏時偏離法線，當(dāng)根據(jù)折射定律，當(dāng)光密進(jìn)入光疏時偏離法線，當(dāng)光疏進(jìn)入光密時靠近法線。光疏進(jìn)入光密時靠近法線。 光線進(jìn)入時，光線進(jìn)入時， “每一層每一層” ” 向遠(yuǎn)離法線方向折射；向遠(yuǎn)離法線方向折射； 在半徑最大值處反射；在半徑最大值處反射； 之后光線射出時，之后光線射出時， “每一層每一層”向靠近法線方向折射；向靠近法線方向折射； 從而形成和軸線相交的正弦曲線。從而形成和軸線相交的正弦曲線。 多模非均勻光纖導(dǎo)光原理：多模非均勻光纖導(dǎo)光原理： 依照光的折射原理傳輸，依照光的折射原理傳輸， 光的軌跡是一條

27、多次折射形成的曲線（類光的軌跡是一條多次折射形成的曲線（類似于正弦曲線）向前傳輸。似于正弦曲線）向前傳輸。 2n1n多模非均勻光纖中光線傳輸路徑多模非均勻光纖中光線傳輸路徑 多模光纖中的傳輸問題：多模光纖中的傳輸問題： 不同光線的折射、反射角度不同，不同光線的折射、反射角度不同， 路徑也是不相同的，路徑也是不相同的， 所以光線到達(dá)目的地的時間也是不同，所以光線到達(dá)目的地的時間也是不同， 從而出現(xiàn)傳輸延遲的現(xiàn)象，從而出現(xiàn)傳輸延遲的現(xiàn)象， 使信號出現(xiàn)畸變。使信號出現(xiàn)畸變。從信號角度觀察光纖的三種傳輸從信號角度觀察光纖的三種傳輸路徑的影響路徑的影響輸入信號輸入信號信號傳信號傳輸路徑輸路徑信號傳信號傳

28、輸路徑輸路徑信號傳信號傳輸路徑輸路徑輸出信號輸出信號二二. .光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性 光纖的傳輸特性是指光纖的傳輸特性是指 光纖的損耗特性和色散特性。光纖的損耗特性和色散特性。1.1.光纖的損耗特性光纖的損耗特性 光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加， 而光功率強(qiáng)度逐漸減弱，而光功率強(qiáng)度逐漸減弱， 光纖對光波產(chǎn)生衰減作用，光纖對光波產(chǎn)生衰減作用， 稱為光纖的損耗（或衰減）。稱為光纖的損耗（或衰減）。 光纖的損耗限制了光信號的傳輸距離。光纖的損耗限制了光信號的傳輸距離。 光纖的損耗主要取決于光纖的損耗主要取決于 吸收損耗、吸收損耗、 散射損耗、散射損耗

29、、 彎曲損耗。彎曲損耗。 （1 1）吸收損耗）吸收損耗 由于光纖材料的成分造成的由于光纖材料的成分造成的 紫外吸收、紅外吸收，紫外吸收、紅外吸收， 以及雜質(zhì)吸收造成的損耗。以及雜質(zhì)吸收造成的損耗。 （2 2）散射損耗）散射損耗 由于光纖材料的不均勻使光信號向四面八由于光纖材料的不均勻使光信號向四面八方散射引起的損耗稱為散射損耗。方散射引起的損耗稱為散射損耗。 光纖制造中，結(jié)構(gòu)上的缺陷會引起與波長光纖制造中，結(jié)構(gòu)上的缺陷會引起與波長無關(guān)的散射損耗。無關(guān)的散射損耗。 （3 3）彎曲損耗）彎曲損耗 光纖的彎曲會引起輻射損耗。光纖的彎曲會引起輻射損耗。 實際中，光纖有兩種情況的彎曲：實際中，光纖有兩種

30、情況的彎曲： 一種是曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲；一種是曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲； 一種是微彎曲。一種是微彎曲。 決定光纖衰減常數(shù)的損耗主要是吸收損耗和散射決定光纖衰減常數(shù)的損耗主要是吸收損耗和散射損耗，損耗， 彎曲損耗對光纖衰減常數(shù)的影響不大彎曲損耗對光纖衰減常數(shù)的影響不大 。 2.2.光纖的色散特性光纖的色散特性 色散是指復(fù)色光分解為單色光而形成的色散是指復(fù)色光分解為單色光而形成的光譜現(xiàn)象。光譜現(xiàn)象。 光纖的色散是在光纖中的光信號，光纖的色散是在光纖中的光信號， 隨傳輸距離增加，隨傳輸距離增加， 由于不同成份（頻率、波長不同）的光傳輸時由于不同成份（頻率、波長不同）的光傳輸時延不同

31、延不同 引起的脈沖展寬的物理效應(yīng)引起的脈沖展寬的物理效應(yīng)。 光纖色散將引起光脈沖展寬和碼間串?dāng)_，光纖色散將引起光脈沖展寬和碼間串?dāng)_， 最終影響通信距離和容量，如圖示。最終影響通信距離和容量，如圖示。 色散的大小常用時延差表示，色散的大小常用時延差表示， 時延差是光脈沖中不同模式或不同波長成時延差是光脈沖中不同模式或不同波長成份傳輸同樣距離而產(chǎn)生的時間差。份傳輸同樣距離而產(chǎn)生的時間差。色散引起的脈沖展寬示意圖色散引起的脈沖展寬示意圖脈沖展寬脈沖展寬纖芯纖芯纖芯的包層纖芯的包層纖芯的包層纖芯的包層碼間干擾碼間干擾色散將導(dǎo)致碼間干擾。色散將導(dǎo)致碼間干擾。由于各波長成分到達(dá)的時間先后不一致，由于各波長

32、成分到達(dá)的時間先后不一致，因而使得光脈沖展寬，如圖。因而使得光脈沖展寬，如圖。脈沖展寬將使前后光脈沖發(fā)生重疊，脈沖展寬將使前后光脈沖發(fā)生重疊，形成碼間干擾引起誤碼，形成碼間干擾引起誤碼，因而限制了傳輸?shù)拇a速率和傳輸距離。因而限制了傳輸?shù)拇a速率和傳輸距離。z=0z=l色散色散 損耗特性和色散特性限制了光纖通信。損耗特性和色散特性限制了光纖通信。 為克服這些限制，為克服這些限制， 需要進(jìn)一步提高光纖傳輸光信號的相對穩(wěn)需要進(jìn)一步提高光纖傳輸光信號的相對穩(wěn)定性，定性， 還需要采用色散管理、寬帶摻鉺光纖放大還需要采用色散管理、寬帶摻鉺光纖放大器（器（edfa edfa ）、拉曼（）、拉曼（ramanra

33、man）放大、前向）放大、前向糾錯（糾錯（fecfec）等新技術(shù)。）等新技術(shù)。第三節(jié)第三節(jié) 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)一一.數(shù)字光纖系統(tǒng)的系統(tǒng)組成數(shù)字光纖系統(tǒng)的系統(tǒng)組成如何完成電信號如何完成電信號與光信號的轉(zhuǎn)換與光信號的轉(zhuǎn)換信信源源電發(fā)電發(fā)射機(jī)射機(jī)光發(fā)光發(fā)射機(jī)射機(jī)光中繼光中繼光接光接收機(jī)收機(jī)電接電接收機(jī)收機(jī)信信 宿宿光纖通信系統(tǒng)的組成光纖通信系統(tǒng)的組成（一）數(shù)字光纖通信系統(tǒng)框圖（一）數(shù)字光纖通信系統(tǒng)框圖1 1電話機(jī)電話機(jī)電視攝像機(jī)電視攝像機(jī)電電端端機(jī)機(jī)光光端端機(jī)機(jī)電話機(jī)電話機(jī)電視電視 接收機(jī)接收機(jī)電電端端機(jī)機(jī)光光端端機(jī)機(jī)光纜光纜信息發(fā)送端信息發(fā)送端信息接收端信息接收端（一）數(shù)字光纖通信系

34、統(tǒng)框圖（一）數(shù)字光纖通信系統(tǒng)框圖2 2光源光源調(diào)制器調(diào)制器驅(qū)動電路驅(qū)動電路放大器放大器光電二光電二極管極管判決器判決器（一）數(shù)字光纖通信系統(tǒng)框圖（一）數(shù)字光纖通信系統(tǒng)框圖3 3（一）數(shù)字光纖通信系統(tǒng)框圖（一）數(shù)字光纖通信系統(tǒng)框圖4 4 光信號光信號 傳輸傳輸線路線路 電信號電信號 驅(qū)驅(qū) 動動 光光 源源 中中 繼繼 器器 光光 檢檢 測測 光光 大大 光光電電路路放放光光傳輸傳輸線路線路（二）數(shù)字光纖通信的主要設(shè)備（二）數(shù)字光纖通信的主要設(shè)備 光發(fā)送端機(jī)光發(fā)送端機(jī) 光接收端機(jī)光接收端機(jī) 光中繼器光中繼器1.1.光發(fā)送端機(jī)光發(fā)送端機(jī) 發(fā)送端機(jī)的核心是一個光源，發(fā)送端機(jī)的核心是一個光源， 其主要功

35、能就是將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。其主要功能就是將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。 可采用發(fā)光二極管可采用發(fā)光二極管(led)(led)或半導(dǎo)體激光器或半導(dǎo)體激光器 (ld)(ld)作為光源。作為光源。1.光發(fā)送端機(jī)框圖光發(fā)送端機(jī)框圖完成碼型完成碼型轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換完成電信號完成電信號到光信號的到光信號的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 光發(fā)送機(jī)的功能光發(fā)送機(jī)的功能 光發(fā)射機(jī)是電光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。光發(fā)射機(jī)是電光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。 它的主要部件是：驅(qū)動電路和光源。它的主要部件是：驅(qū)動電路和光源。 功能是將電信號（數(shù)字信號）轉(zhuǎn)化為光信號，功能是將電信號（數(shù)字信號）轉(zhuǎn)化為光信號， 經(jīng)編碼后調(diào)制光源，經(jīng)編碼后調(diào)制光源， 產(chǎn)生載有信息的光信號，產(chǎn)生載有信息的

36、光信號， 完成電光轉(zhuǎn)換，完成電光轉(zhuǎn)換， 然后將光信號耦合到光纖中傳輸然后將光信號耦合到光纖中傳輸。 光接收機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備是光檢測器，光接收機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備是光檢測器， 主要功能是把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。主要功能是把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。 當(dāng)今光纖通信系統(tǒng)中的光檢測器是半導(dǎo)體當(dāng)今光纖通信系統(tǒng)中的光檢測器是半導(dǎo)體光電二極管光電二極管(pd)(pd)2.2.光接收端機(jī)光接收端機(jī)2.2.光接收端機(jī)框圖光接收端機(jī)框圖完成光信號完成光信號到電信號的到電信號的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換完成碼完成碼型轉(zhuǎn)換型轉(zhuǎn)換 光接收端機(jī)的功能光接收端機(jī)的功能 光接收機(jī)是光電轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。光接收機(jī)是光電轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。 它也由兩部分組成：它也由兩部分組成

37、： 光檢測電路和放大電路。光檢測電路和放大電路。 它的功能是將光纖傳輸來的光信號，它的功能是將光纖傳輸來的光信號， 經(jīng)光檢測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴＝?jīng)光檢測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?然后，再將這微弱的電信號經(jīng)放大電路放然后，再將這微弱的電信號經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，大到足夠的電平， 送入電接收機(jī)。送入電接收機(jī)。3. 3. 光中繼器光中繼器 光中繼器的功能光中繼器的功能 一是補(bǔ)償光的衰減；一是補(bǔ)償光的衰減； 二是對波形的失真脈沖進(jìn)行整形。二是對波形的失真脈沖進(jìn)行整形。 光中繼器通過再放大、再整形、再定時，光中繼器通過再放大、再整形、再定時， 讓光脈沖再生。讓光脈沖再生。 但這種過程相對復(fù)雜，但這種過程相對復(fù)

38、雜， 不利于光纖的高速傳輸。不利于光纖的高速傳輸。 自從摻鉺光纖放大器問世以后，自從摻鉺光纖放大器問世以后， 光中繼實現(xiàn)了全光中繼，光中繼實現(xiàn)了全光中繼， 直接對光信號放大。直接對光信號放大。3. 光中繼器光中繼器最簡單的光中繼器最簡單的光中繼器3.最簡單的光中繼器最簡單的光中繼器 實用的中繼器方框圖實用的中繼器方框圖 二二.光纖通信光纖通信工作原理工作原理 光纖通信的原理光纖通信的原理 在發(fā)送端在發(fā)送端 首先把傳輸?shù)男畔⑹紫劝褌鬏數(shù)男畔? (如話音如話音) )變成數(shù)字電信號，變成數(shù)字電信號， 送入激光器，送入激光器， 調(diào)制激光器發(fā)出的激光束，調(diào)制激光器發(fā)出的激光束， 使光的強(qiáng)度隨電信號的幅度

39、使光的強(qiáng)度隨電信號的幅度( (頻率頻率) )變化而變化，變化而變化， 將電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的光信號，將電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的光信號， 由光纖發(fā)送出去。由光纖發(fā)送出去。 光中繼器接收到衰弱的光信號，光中繼器接收到衰弱的光信號， 對變形的光信號進(jìn)行放大、對變形的光信號進(jìn)行放大、 恢復(fù)處理，再送入光纖繼續(xù)傳輸?；謴?fù)處理，再送入光纖繼續(xù)傳輸。 在接收端，在接收端， 檢測器收到光信號后檢測器收到光信號后 將光信號變換成數(shù)字電信號，將光信號變換成數(shù)字電信號， 放大處理后，送入放大處理后，送入pcmpcm多路復(fù)用設(shè)備。多路復(fù)用設(shè)備。第四節(jié)第四節(jié) 光纖通信復(fù)用技術(shù)光纖通信復(fù)用技術(shù) 光纖通信復(fù)用技術(shù)是指光纖通信復(fù)用技

40、術(shù)是指 在同一光鏈路上傳輸多路復(fù)用光信號，在同一光鏈路上傳輸多路復(fù)用光信號， 到接收端后進(jìn)行分路。到接收端后進(jìn)行分路。 光纖傳輸復(fù)用技術(shù)有三種基本形式：光纖傳輸復(fù)用技術(shù)有三種基本形式： 波分復(fù)用、時分復(fù)用、碼分復(fù)用。波分復(fù)用、時分復(fù)用、碼分復(fù)用。一一.波分復(fù)用波分復(fù)用 波分復(fù)用波分復(fù)用(wdm)(wdm)技術(shù)：技術(shù)： 是在一根光纖中是在一根光纖中 同時傳輸多波長光信號的一項技術(shù)，同時傳輸多波長光信號的一項技術(shù)， 即各光源具有獨立波段的復(fù)用方式。即各光源具有獨立波段的復(fù)用方式。光源光源1光源光源2光源光源ns1s2sn12n21檢測檢測器器1檢測檢測器器2檢測檢測器器nns1sns2波分復(fù)用系統(tǒng)波分復(fù)用系統(tǒng)wdm光復(fù)光復(fù)用設(shè)用設(shè)備備wdm光復(fù)光復(fù)用設(shè)用設(shè)備備1 2 n單根光纖單根光纖 其基本原理是其基本原理是 在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來，在發(fā)送端將不同波長的光信號組