光傳輸通信基本原理(完整資料).doc

1、【最新整理，下載后即可編借】第一部分光傳輸通信基本原理第一章、光纖通信原理 第一節(jié)、光纖通信的概念一、光纖通信的概念光纖通信概念：利用光纖來傳輸攜帶信息的光波以達(dá)到通 信的目的。典型的光纖通信系統(tǒng)方框圖如下：光發(fā)送機(jī)-ILD光接收機(jī)1中繼器1r電端機(jī)電端機(jī)（數(shù)字）（數(shù)字）i1模擬信息模擬信息數(shù)宇光纖通信系統(tǒng)方框圖從圖中可以看出，數(shù)字光纖通信系統(tǒng)基本上由光發(fā)送機(jī)、光 纖與光接收機(jī)組成。發(fā)送端的電端機(jī)把信息（如話音）進(jìn)行模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換，用轉(zhuǎn)換后的數(shù)宇信號去調(diào)制發(fā)送機(jī)中的光源器件LD, 則LD就會發(fā)出攜帶信息的光波。即當(dāng)數(shù)宇信號為“1”時(shí)，光 源器件發(fā)送一個(gè)“傳號”光脈沖；當(dāng)數(shù)宇信號為“（）”時(shí)，光源

2、 器件發(fā)送一個(gè)“空號”（不發(fā)光）。光波經(jīng)低衰耗光纖傳輸后到達(dá) 接收端。在接收端，光接收機(jī)把數(shù)宇信號從光波中檢測出來送給 電端機(jī)，而電端機(jī)再進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，恢復(fù)成原來的信息。就這 樣完成了一次通信的全過程。其中光發(fā)送機(jī)的調(diào)制方式有兩種： 直接調(diào)制也稱內(nèi)調(diào)制（一般速率小于等于2.5GB/S時(shí)）；間接調(diào) 制也稱外調(diào)制（一般速率大于2.5GB/S時(shí)）。二、光纖通信的特點(diǎn)1、通信容量大2、中繼距離長3、保密性能好2、適應(yīng)能力強(qiáng)5、體積小、重量輕、便于施工和維護(hù)6、原材料來源豐富，潛在的價(jià)格低廉第二節(jié)、光纖的導(dǎo)光原理一、全反射原理我們知道，當(dāng)光線在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)是以直線方向進(jìn)行的, 但在到達(dá)兩種不同介質(zhì)

3、的分界面時(shí)，會發(fā)生反射與折射現(xiàn)象，如 圖2.5所示。圖2.5光的反射與折射根據(jù)光的反射定律，反射角等于入射角。根據(jù)光的折射定律：nxSin2 = n2Sin2（2.2）其中口為纖芯的折射率，址為包層的折射率。顯然,若n 1n2,則會有2o如果ri與的比值增大到一 定程度，則會使折射角29（） ,此時(shí)的折射光線不再進(jìn)入包層, 而會在纖芯與包層的分界面上掠過（2=90時(shí)），或者重返回到 纖芯中進(jìn)行傳播（A290o時(shí)）。這種現(xiàn)象叫做光的全反射現(xiàn)象， 如圖2.6所示。圖：光的全反射現(xiàn)象人們把對應(yīng)于折射角陽等于90的入射角叫做臨界角。很容 易可以得到臨界角 = Sin-I竺onI不難理解，當(dāng)光在光纖中發(fā)

4、生全反射現(xiàn)象時(shí)，由于光線基本 上全部在纖芯區(qū)進(jìn)行傳播，沒有光跑到包層中去，所以可以大大 降低光纖的衰耗。早期的階躍光纖就是按這種思路進(jìn)行設(shè)計(jì)的。第三節(jié)、光纖與光纜基本概念一、光纖的結(jié)構(gòu)光纖呈圓柱形，由纖芯（直徑約9-5（）Um）、包層（直徑約 125Um）與涂敷層（直徑約1.5Cm）三大部分組成，如下圖：涂層包層n2廠纟千芯 mI包層n2涂層Td1 d2_纖芯主要采用高純度的Si()2 (二氧化硅)，并摻有少量的摻 雜劑，提高纖芯的光折射率說；包層也是高純度的二氧化硅， 也摻雜一些摻雜劑，主要是降低包層的光折射率邊；涂敷層采 用丙烯酸酯、硅橡膠、尼龍，增加機(jī)械強(qiáng)度和可彎曲性。二、光纖的分類方式

5、光纖有以下的分類方式：1、按折射率分布分類A、階躍光纖Sl定義：在纖芯與包層區(qū)域內(nèi)，折射率的分布分別是 均勻的，其值分別是門與邊，但在纖芯與包層的分界處， 其折射率的變化是階躍的。其折射率分布的表達(dá)式為：J nlr小于等于時(shí)2r式中：m為光纖纖芯區(qū)的折射率n2為包層區(qū)的折射率al為纖芯半徑a2為包層半經(jīng)B、漸變光纖Gl定義：光纖蛛心處的折射率最大，但隨橫截面的增加而 逐漸變小，其變化規(guī)律一般符合拋物線規(guī)律，到了纖芯與包層的 分界處，正好降到與包層區(qū)域的折射率相等的數(shù)值；在包層區(qū)域 中其折射率的分布是均勻的。2、按傳輸?shù)哪Ｊ椒诸惗嗄９饫w定義：傳輸光波的模式不止一種。多模光纖纖芯的幾何尺寸遠(yuǎn)大于光

6、波波長，一般在5()Um左 右，光信號是以多個(gè)模式方式進(jìn)行傳播的，光信號的波長以 主縱模為準(zhǔn)。不同的傳播模式會具有不同的傳播速度和相位, 因此經(jīng)過長距離的傳播之后會產(chǎn)生時(shí)延，導(dǎo)致光脈沖變寬， 叫做光纖的模式色散或模間色散。由于模式色散影響較嚴(yán)重, 降低了多模光纖的傳輸容量和距離，多模光纖僅用于較小容 量、短距離的光纖傳輸通信。單模光纖定義：傳輸光波的模式只有一種。(目前主用)當(dāng)光纖的幾何尺寸可以于光波長相比擬時(shí)，即纖芯的幾 何尺寸與光信號波長相差不大時(shí)，一般為51()Urn,光纖只 允許一種模式在其中傳播，其余的高次模全部截止，這樣的 光纖叫做單模光纖。單模光纖只允許一種模式在其中傳播， 從而

7、避免了模式色散的問題，故單模光纖具有極寬的帶寬， 特別適用于大容量的光纖通信。對于單模光纖，由于光纖的 幾何尺寸小，使V的值小于2.2028,這樣N的值就為1,只 有一種模式3、按工作波長分類短波長光纖定義：習(xí)慣上把波長在600-90Onm范圍內(nèi)呈現(xiàn)低衰耗光 纖稱做短波長光纖。長波長光纖定義：習(xí)慣上把波長在10()0-20()Onm范圍內(nèi)的光纖 稱 做短波長光纖。2、套塑類型分類A、緊套光纖定義：指二次、三次涂敷層與予涂敷層及光纖的纖芯、 包層等緊密的結(jié)合在一起的光纖。目前居多。B、松套光纖定義：指經(jīng)過予涂敷層的光纖松散的放在一塑料管 中，不再進(jìn)行二次、三次涂敷。三、光纖的種類以及應(yīng)用狀況、G

8、.652光纖131 Onm性能最佳光纖(色散未移位光纖)。它有二個(gè)波長工作區(qū):131 Onm與155OnmO在131Onm波長:色散最小(未移位),小于3.5psnm.km;但損耗 較大，為 0.30.4dBkm在155Onm波長：色散較大，為20psnm.km；但損耗很小，為 ().15().25dB/km。在我國占99%以上。雖稱131 Onm性能最佳光纖，但絕大部分卻 用于155()Ilrn,其原因是在131()nm無實(shí)用化光放大器。它可會傳輸2.5G或以2.5G為基群的WDM系統(tǒng)；但傳輸TDM 的IOG ,面臨色散受限的難題(色度色散與PMD)O 、G.653光纖155Onm性能最佳光

9、纖(色散移位光纖)。它主要用于155()波長工作區(qū)。在155Onrn波長，色散較小(色散移位)，為3.5psnm.km;損耗也 很小,為 0.150.25dB/km。但它不能用于WDM方式，因會出現(xiàn)四波混頻效應(yīng)(FvCM)。 、G654光纖155Onm損耗最小光纖。它主要用于155()nm波長工作區(qū)，其損耗 為0.150.19dBkm;主要用于海纜通信。 、G.655光纖它是為克服G.653光纖的FWM效應(yīng)而設(shè)計(jì)的新型光纖。其性能 與G.653光纖類似，但既能用于WDM,又能傳輸TDM方式的 IoGO理想情況：A)、低色散：2l()psnm.km;B) 、色散斜率小于().()5snm2.km

10、,便于色散補(bǔ)償；C) 、大的有效面積，可避免出現(xiàn)非線性效應(yīng)。 目前，G.655光纖尚無國際統(tǒng)一規(guī)范。大的有效面積，會有效地避免非線性效應(yīng)，但將導(dǎo)致色散斜的 增加。小的色散斜率將會便于色散的補(bǔ)償；但其有效面積卻減小。四、光纜結(jié)構(gòu)層絞式、骨架式、束管式、帶狀式第四節(jié)、光纖的特性與參數(shù)一、光纖的三大特性光纖的特性參數(shù)可以分為三大類即幾何特性參數(shù)、光學(xué)特 性參數(shù)與傳輸特性參數(shù)。二、光纖的衰耗衰耗系數(shù)2衰耗系數(shù)是光纖最重要的特性參數(shù)之一。因?yàn)樵诤艽蟪潭壬?決定了光纖通信的中繼距離。衰耗系數(shù)的定義為：每公里光纖對光功率信號的衰減值。其 表達(dá)式為：a = IOlg-L(dBkm)PO(2.6)其中匕為輸入光

11、功率值(瓦特)p()為輸出光功率值(瓦特)如某光纖的衰耗系數(shù)為a=3dBkm,則 = IO03 = 2這就意味著，經(jīng)過一公里的光纖傳輸之后，其光功率信號減 少了一半。長度為L公里的光纖的衰耗值為A = aL。光纖的衰耗機(jī)理使光纖產(chǎn)生衰耗的原因很多，但可歸納如下:衰耗：吸收衰耗散射衰耗:本征吸收雜質(zhì)吸收線性散射非線性散射結(jié)構(gòu)不完整散射其它衰耗(微彎曲衰耗)*本征吸收：定義：構(gòu)成光纖材料本身所固有的吸收作用。純二氧化硅對光的吸收作用所引起的光纖衰耗是 比較小,在600-900NM波長范圍稍大，但小于ldBkn而在 IOOO-1800波長范圍，幾乎為零。*雜質(zhì)吸收：光纖中的雜質(zhì)對光的吸收作用，是造成

12、光纖衰耗的主要原 因。光纖中的雜質(zhì)大致可以分為二大類，即過渡金屬離子與氫 氧根離子。過渡金屬離子包括銅、鐵、絡(luò)、鉆、鐳、篠離子等，這些 離子在光的作用下會發(fā)生震動而吸收光能量；每種離子都有自己 的吸收峰波長，上述過渡金屬離子的吸收峰波長都落在 60()18()()Im波長范圍。氫氧根離子對光的吸收峰波長落在10()()18()()IIm波長范 圍；因此在此波長范圍氫氧根離子的含量多少對光纖的衰耗具有 重大影響。*散射衰耗：定義：所謂散射衰耗是指光在光纖中發(fā)生散射時(shí)所引起的衰 耗。光的散射現(xiàn)象可分為線性散射與非線性散射。A.線性散射衰耗-瑞利散射所謂線性散射，是指光波的某種模式的功率線性地（與

13、其功率成正比）轉(zhuǎn)換成另一種模式的功率，但光的波長不變。線 性散射會把光功率輻射到光纖外部而引起衰耗。瑞利散射是典型的線性散射，它與波長的2次方成反比, 即光波長越長，瑞利散射衰耗越小。光纖材料不均勻，會造成其折射率會布不均勻，易產(chǎn)生 瑞利散射。B-非線性散射衰耗所謂非線性散射，是指某光波長模式的部分功率非線性地 轉(zhuǎn)換到其它的波長中。布里淵散射與拉曼散射是典型的非線性散射。如果光纖中的光功率過大，就會出現(xiàn)非線性散射現(xiàn)象。因 此防止發(fā)生非線性散射的根本方法，就是不要使光纖中的 光功率信號過大，如不超過+25dBmo*其它衰耗其它衰耗包括微彎曲衰耗與連接衰耗等；它們占的比例很 小?？傊谟绊懝饫w衰

14、耗的諸多因素中，最主要的是雜質(zhì)吸收 所引起的衰耗。光纖材料中的雜質(zhì)如氫氧根離子與過渡金屬離子 對光的吸收能力極強(qiáng)，它們是產(chǎn)生光纖衰耗的主要因素。因此要 想獲得低衰耗光纖，必須對制造光纖用的原材料二氧化硅等進(jìn)行 非常嚴(yán)格的化學(xué)提純，使其雜質(zhì)的含量降到幾個(gè)PPb以下。三、光纖的色散：當(dāng)一個(gè)光脈沖從光纖輸入，經(jīng)過一段長度的光纖傳輸之后， 其輸出端的光脈沖會變寬，甚至有了明顯的失真。這說明光纖對 光脈沖有展寬作用，即光纖存在著色散（色散是沿用了光學(xué)中的 名詞）。光纖的色散是引起光纖帶寬變窄的主要原因，而光纖帶寬變 窄則會限制光纖的傳輸容量。對于多模光纖引起色散的原因主要有三種：模式間色散、材 料色散與

15、波導(dǎo)色散。對于單模光纖，因只有一種傳輸模式（HEll, LPol）,所以 沒有模式間色散，而只有材料色散與波導(dǎo)色散。模式間色散因?yàn)楣庠诙嗄９饫w中傳輸時(shí)會存在著許多種傳播模式，而毎 種傳播模式具有不同的傳播速度與相位，因此雖然在輸入端同時(shí) 輸入光脈沖信號，但到達(dá)到接收端的時(shí)間卻不同，于是產(chǎn)生了脈 沖展寬現(xiàn)象。材料色散厶認(rèn)所謂材料色散是指組成光纖的材料即二氧化硅本身所產(chǎn)生的 色散。波導(dǎo)色散Aw所謂波導(dǎo)色散是指由光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所引起的色散。對多模 光纖而言，其波導(dǎo)色散的影響甚小。四、光纖的帶寬帶寬系數(shù)的定義為：一公里長的光纖，其輸出光功率信號下 降到其最大值（直流光輸入時(shí)的輸出光功率值）的一半時(shí)，此

16、時(shí) 光功率信號的調(diào)制頻率就叫做光纖的帶寬系數(shù)。如下圖所示：需要注意的是，由于光信號是以光功率來度量的，所以其帶 寬又稱為3dB光帶寬。即光功率信號衰減3dB時(shí)意味著輸出光功 率信號減少一半。而一般的電纜之帶寬稱為6dB電帶寬，因?yàn)檩?出電信號是以電壓或電流來度量的。引起光纖帶寬變窄的主要原因是光纖的色散。注意，單模光 纖沒有帶寬系數(shù)的概念，僅有色散系數(shù)的概念。五、光纖的數(shù)值孔徑（NA）數(shù)值孔徑是多模光纖的重要參數(shù)，它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。CaTT建議多模光纖的數(shù)值孔徑取值范圍為（）.18（）.23,其 對應(yīng)的光纖端面接收角AC=K）

17、O13。六、模場直徑d模場直徑表征單模光纖集中光能量的程度。由于單模光纖中只有基模在進(jìn)行傳輸，因此粗略地講，模場 直徑就是在單模光纖的接收端面上基模光斑的直徑（實(shí)際上基模 光斑并沒有明顯的邊界）。七、截止波長人要實(shí)現(xiàn)單模傳輸還必須使光波波長大于某個(gè)數(shù)值，即c, 這個(gè)數(shù)值就叫做單模光纖的截止波長。因此，截止波長c的含義 是，能使光纖實(shí)現(xiàn)單模傳輸?shù)淖钚」ぷ鞴獠úㄩL。也就是說，盡 管其它條件皆滿足，但如果光波波長不大于單模光纖的截止波 長，仍不可能實(shí)現(xiàn)單模傳輸。第五節(jié)、光源對光器件的要求一、光纖通信對光源器件的要求1、發(fā)射光波長適中光源器件發(fā)射光波的波長，必須落在光纖呈現(xiàn)低衰耗的0.85 IArn、

18、1.31m和1.55m附近。2、發(fā)射光功率足夠大光源器件一定要能在室溫下連續(xù)工作，而且其入纖光功率足 夠大，最少也應(yīng)有數(shù)百微瓦，當(dāng)然達(dá)到一毫瓦以上(OdBm)更好。 在這里我們強(qiáng)調(diào)的是入纖光功率而不指單純的發(fā)光功率。因?yàn)橹?有進(jìn)入光纖后的光功率才有實(shí)際意義，由于光纖的幾何尺寸極小 (單模光纖的芯徑不足1()微米)，所以要求光源器件要具有與光 纖較高的耦合效率。3、溫度特性好光源器件的輸出特性如發(fā)光波長與發(fā)射光功率大小等，一般 來講隨溫度變化而變化，尤其是在較高溫度下其性能容易劣化。 在光纖通信的初期與中期，經(jīng)常需要對半導(dǎo)體激光器加致冷器和 自動溫控電路，而目前一些性能優(yōu)良的激光器可以不需要任何

19、溫 度保護(hù)措施。2、發(fā)光譜寬窄光源器件發(fā)射出來的光的譜線寬度應(yīng)該越窄越好。因?yàn)槿羝?譜線過寬，會增大光纖的色散，減少了光纖的傳輸容量與傳輸距 離(色散受限制時(shí))。例如對于長距離、大容量的光纖通信系統(tǒng), 其光源的譜線寬度應(yīng)該小于2nmo5、工作壽命長光纖通信要求其光源器件長期連續(xù)工作，因此光源器件的工 作壽命越長越好。光源器件壽命的終結(jié)并不是我們所想象的完全 損壞，而是其發(fā)光功率降低到初始值的一半或者其閾值電流增大 到其初始值的二倍以上。目前工作壽命近百萬小時(shí)(約1()()年)的半導(dǎo)體激光器已經(jīng) 商用化。6、體積小重量輕光源器件要安裝在光發(fā)送機(jī)或光中繼器內(nèi)，為使這些設(shè)備小 型化，光源器件必須體積

20、小、重量輕。目前，光纖通信中經(jīng)常使用的光源器件可以分為二大類，即 發(fā)光二極管（LED）和激光二極管（LD）。當(dāng)然LD又可以包括 異質(zhì)結(jié)激光二極管、分布反饋型激光二極管和多量子阱式激光二 極管等（就結(jié)構(gòu)而言）。第六節(jié)、光發(fā)送機(jī)與光接收機(jī)的性能指標(biāo)一、光發(fā)送機(jī)1、光功率單位順便介紹一下3個(gè)單位之間換算關(guān)系。XdB=ydBm-zclBm=1 （）lg（ymW/ZrnVC）CiB 是以 dBm 為單位的兩個(gè)光信號功率的差值。XdBm=Iolg（ymWImv（OCIBm是以mW為單位光信號功率的一種換算單位2、發(fā)送光功率PS在規(guī)定偽隨機(jī)碼序列的調(diào)制下，光發(fā)送機(jī)在參考點(diǎn)S的平均發(fā)光 功率。如-3+2dBmo二、光接收機(jī)1、接收靈敏度定義為R點(diǎn)處為達(dá)到1 10-1的BER值所需要的平均接收功率的 最小值。一般開始使用時(shí)、正常溫度條件下的接收機(jī)與壽命終了 時(shí)、處于最惡劣溫度條件下的接收機(jī)相比，靈敏度余度大約為2 -2dBo 一般情況下，對設(shè)備靈敏度的實(shí)測值要比指標(biāo)最小要求 值（最壞值）大3dB左右（靈敏度余度）。2、過載光功率定義為在R點(diǎn)處為達(dá)到