光纖通信的原理應(yīng)用

1、光纖通信主講人：日 期：2015年1月9日目錄1光纖通信中的核心技術(shù)2光纖通信中的應(yīng)用極限31.1 發(fā)射器1.2 光纖1.3 光放大器1.4 接收器1.5 波分復(fù)用1.6 帶寬距離乘積2.1 信號(hào)色散2.2 信號(hào)衰減光纖入戶3.1 光纖入戶的架構(gòu)及設(shè)備3.2 光纖入戶的問題1.1發(fā)射器一、光源的選擇在光纖通信系統(tǒng)中通常作為光源的半導(dǎo)體組件是發(fā)光二極管（light-emitting diode, LED）或是激光二極管（laser diode）。二、半導(dǎo)體光源的優(yōu)點(diǎn)體積小、發(fā)光效率高、可靠度佳，以及可以將波長優(yōu)化，更重要的是半導(dǎo)體光源可以在高頻操作下直接調(diào)制，非常適合光纖通信系統(tǒng)的需求。三、發(fā)光

2、二級(jí)管和激光二極管的區(qū)別1、發(fā)光二極管LED通常用在傳輸速率10Mb/s至100Mb/s的局域網(wǎng)，傳輸距離也在數(shù)公里之內(nèi)。原因：發(fā)光效率差，通常只有輸入功率的1%可以轉(zhuǎn)換成光功率，約是100微瓦特左右；LED的頻譜范圍較廣（通常分散在30納米至60納米間），導(dǎo)致色散較為嚴(yán)重，限制了其傳輸速率與傳輸距離的乘積。2、激光二極管半導(dǎo)體激光的輸出功率通常在100毫瓦特（mW）左右，方向性相對而言較強(qiáng)，通常和單模光纖的耦合效率可達(dá)50%。激光的輸出頻譜較窄，也有助于增加傳輸速率以及降低模態(tài)色散。1.2光纖一、光纖是一種多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的圓柱體，圓柱體由纖芯，包層和護(hù)層組成。1、纖芯 由二氧化硅或塑料制成，直

3、徑5-7um，有時(shí)在主體材料中摻入微量其他材料，如：GeO2,P2O5等，以提高折射率。2、包層圍繞纖芯的套層，可以是單層或多層結(jié)構(gòu)。直徑約100-200um。材料一般為SiO2。有的摻入極微量的B2O3，SiO4，以降低光的折射率。3、護(hù)層包層外面的涂料，保護(hù)光纖不受外來的損害，增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度。光纖最外層是一層塑料保護(hù)管，其顏色用來區(qū)分光纜中各種不同的光纖。1.3光放大器一、中繼器的缺點(diǎn)過去光纖通信的距離限制主要根源于信號(hào)在光纖內(nèi)的衰減以及信號(hào)變形，而解決的方式是利用光電轉(zhuǎn)換的中繼器。中繼器先將光信號(hào)轉(zhuǎn)回電信號(hào)放大后再轉(zhuǎn)換成較強(qiáng)的光信號(hào)傳往下一個(gè)中繼器，然而這樣的系統(tǒng)架構(gòu)無疑較為復(fù)雜，不

4、適用于新一代的波分復(fù)用技術(shù)，同時(shí)每隔20公里就需要一個(gè)中繼器，讓整個(gè)系統(tǒng)的成本也難以降低。二、光放大器的目的在不用作光電與電光轉(zhuǎn)換下就直接放大光信號(hào)。三、光放大器的原理是在一段光纖內(nèi)摻雜稀土族元素（rare-earth）如鉺（erbium），再以短波長激光激發(fā)，放大光信號(hào)，取代中繼器。1.4光接收器一、光偵測器（photodetector）利用光電效應(yīng)將入射的光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)。二、光偵測器的結(jié)構(gòu)光偵測器通常是半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的發(fā)光二極管，例如p-n結(jié)二極管、p-i-n二極管，或是雪崩型二極管。另外“金屬-半導(dǎo)體-金屬”（Metal-Semiconductor-Metal, MSM）光偵測器也因?yàn)榕c

5、電路集成性佳，而被應(yīng)用在光再生器（regenerator）或是波分復(fù)用器中。1.5波分復(fù)用一、波分復(fù)用的概念將光纖的工作波長分區(qū)成多個(gè)信道，使能在同一條光纖內(nèi)傳輸更大量的數(shù)據(jù)。二、波分復(fù)用系統(tǒng)的組成一個(gè)完整的波分復(fù)用系統(tǒng)分為發(fā)射端的波分復(fù)用器以及在接收端的波長分波解多任務(wù)器，最常用于波分復(fù)用系統(tǒng)的組件是數(shù)組波導(dǎo)光柵。而目前市面上已經(jīng)有商用的波分復(fù)用器/解多任務(wù)器，最多可將光纖通信系統(tǒng)劃分成80個(gè)信道，也使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室幌伦泳屯黄芓b/s的等級(jí)。1.6帶寬距離乘積一、帶寬-距離乘積評(píng)估光纖通信系統(tǒng)的一項(xiàng)指標(biāo)，單位是百萬赫茲公里（MHzkm）。二、為什么使用這兩個(gè)值的乘積作為一項(xiàng)指標(biāo)由于傳輸距

6、離越遠(yuǎn)，光纖內(nèi)的色散現(xiàn)象就越嚴(yán)重，影響信號(hào)質(zhì)量。使用這兩個(gè)值的乘積做為指標(biāo)的原因是通常這兩個(gè)值不會(huì)同時(shí)變好，而必須有所取舍。舉例而言，一個(gè)常見的多模光纖系統(tǒng)的帶寬-距離乘積約是500MHzkm，代表這個(gè)系統(tǒng)在一公里內(nèi)的信號(hào)帶寬可以到500MHz，而如果距離縮短至0.5公里時(shí)，帶寬則可以倍增到1000MHz。目錄1光纖通信中的核心技術(shù)2光纖通信中的應(yīng)用極限光纖通信中的應(yīng)用極限31.1 發(fā)射器1.2 光纖1.3 光放大器1.4 接收器1.5 波分復(fù)用1.6 帶寬距離乘積2.1 2.1 信號(hào)色散信號(hào)色散2.2 2.2 信號(hào)衰減信號(hào)衰減光纖入戶3.1 光纖入戶的架構(gòu)及設(shè)備3.2 光纖入戶的問題2.1信

7、號(hào)色散一、單模光纖中心玻璃芯很細(xì)(芯徑一般為9或10m)，只能傳一種模式的光纖。二、多模光纖多模光纖容許不同模式的光于一根光纖上傳輸，由于多模光纖的芯徑較大，故可使用較為廉價(jià)的耦合器及接線器，多模光纖的纖芯直徑為50m至100m。三、單模光纖和多模光纖的比較 1、 單模傳輸距離遠(yuǎn) 2、 多模傳輸帶寬大 3、 單模不會(huì)發(fā)生色散，質(zhì)量可靠 4、 單模通常使用激光作為光源，貴，而多模通常用便宜的LED 5、 單模價(jià)格比較高 6、 多模價(jià)格便宜，近距離傳輸可以2.1信號(hào)色散一、信號(hào)色散對于現(xiàn)代的玻璃光纖而言，最嚴(yán)重的問題并非信號(hào)的衰減，而是色散問題，也就是信號(hào)在光纖內(nèi)傳輸一段距離后逐漸擴(kuò)散重疊，使得接

8、收端難以判別信號(hào)的高或低。二、信號(hào)色散的原因造成光纖內(nèi)色散的成因很多。以模態(tài)色散為例，信號(hào)的橫模軸速度不一致導(dǎo)致色散，這也限制了多模光纖的應(yīng)用。在單模光纖中，模態(tài)間的色散可以被壓抑得很低。2.2信號(hào)衰減一、信號(hào)衰減的原因光波在光纖內(nèi)衰減的主因有物質(zhì)吸收、瑞麗散射（Rayleigh scattering）、米氏散射（Mie scattering）以及連接器造成的損失。雖然石英的吸收系數(shù)只有0.03dB/km，但是光纖內(nèi)的雜質(zhì)仍然會(huì)讓吸收系數(shù)變大。其他造成信號(hào)衰減的原因還包括應(yīng)力對光纖造成的變形、光纖密度的微小擾動(dòng)，或是接合的技術(shù)仍有待加強(qiáng)。二、瑞麗散射半徑比光或其他電磁輻射的波長小很多的微小顆粒

9、對入射光束的散射。顆?？梢允菃蝹€(gè)原子或分子。它可以發(fā)生在當(dāng)光通過透明的固體和液體，但在氣體中最顯著。目錄1光纖通信中的核心技術(shù)2光纖通信中的應(yīng)用極限31.1 發(fā)射器1.2 光纖1.3 光放大器1.4 接收器1.5 波分復(fù)用1.6 帶寬距離乘積2.1 信號(hào)色散2.2 信號(hào)衰減光纖入戶光纖入戶3.1 3.1 光纖入戶的架構(gòu)及設(shè)備光纖入戶的架構(gòu)及設(shè)備3.2 3.2 光纖光纖入戶的問題入戶的問題3.1 光纖入戶的架構(gòu)及設(shè)備一、光纖入戶的架構(gòu) 1、點(diǎn)對點(diǎn)形式拓?fù)?，從中心局到每個(gè)用戶都用一根光纖； 2、使用點(diǎn)對多點(diǎn)形式拓?fù)浞绞降臒o源光網(wǎng)絡(luò)，采用點(diǎn)到多點(diǎn)的方案可大大降低光收發(fā)器的數(shù)量和光纖用量，并降低中心局所需的機(jī)架空間，具有成本優(yōu)勢，目前已經(jīng)成為主流。二、光纖接入所用的設(shè)備 1、在電信運(yùn)營商機(jī)房的局端設(shè)備，叫光線路終端(OLT)； 2、靠近用戶端的設(shè)備，叫光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)。3.2 光纖入戶的問題一、光纖到戶要很好的實(shí)現(xiàn)普及，還有好多問題要解決，比如：1、發(fā)射以及接收