光傳輸通信基本原理

1、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)中繼器電端機(jī)（數(shù)字）模擬信息數(shù)字光纖通信系統(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)字信號去調(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)字信號為1”時，光源器件發(fā)送一個“傳號”光脈沖；當(dāng)數(shù)字信號為0”時，光源器件發(fā)送一個“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

2、數(shù)字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）；間接調(diào)制也稱外調(diào)制（一般速率大于2.5GB/S時）。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)中傳播時是以直線方向進(jìn)行的，但在到達(dá)兩種不同介質(zhì)的分界面時，會發(fā)生反射與折射現(xiàn)象，如圖2.5所示。包層折射光n2纖芯n111入射光反射光圖2.5光的

3、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:n1sin=n2Sin%其中ni為纖芯的折射率，n2為包層的折射率。顯然，若ni>n2,則會有02>Oi。,此時的折射光線不再進(jìn)入包層,者重返回到纖芯中進(jìn)行傳播（02>90(2.2)如果ni與n2的比值增大到一定程度，則會使折射角0而會在纖芯與包層的分界面上掠過（22=90。時）或時）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。2等于90°的入射角叫做臨界角。很容易可以得到臨界角.jn2Bk=Sin。ni不難理解，當(dāng)光在光纖中發(fā)生全反射現(xiàn)象時，由于光線基本上全部在纖

4、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)計的。第三節(jié)、光纖與光纜基本概念-、光纖的結(jié)構(gòu)光纖呈圓柱形，由纖芯（直徑約9-50um）、包層（直徑約125um）與涂敷層（直徑約1.5cm）三大部分組成，如下圖：did2涂層包層n2<4n1包層n2涂層纖芯主要采用高純度的SiO2（二氧化硅），并摻有少量的摻雜劑，提高纖芯的光折射率ni;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n2;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。:、光纖的分類方式光纖有以下的分類方式：1、按折射率分布分類A、階躍光纖SI

5、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，具值分別是n1與n2,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：yn1r小于等于al時n(r)=n2r式中：n1為光纖纖芯區(qū)的折射率n2為包層區(qū)的折射率a1為纖芯半徑a2為包層半經(jīng)B、漸變光纖GI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)大于光波波長，一般在50um左右，光信號是以多個模式方

6、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，即纖芯的幾何尺寸與光信號波長相差不大時，一般為510um,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

7、。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600-900nm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1000-2000nm范圍內(nèi)的光纖稱做短波長光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.652光纖1310nm性能最佳光纖（色散未移位光纖）。它有二個波長工作區(qū)：1310nm與1550

8、nm。在1310nm波長：色散最?。ㄎ匆莆唬?，小于3.5ps/nm.km；但損耗較大，為0.30.4dB/km。在1550nm波長：色散較大，為20ps/nm.km;但損耗很小，為0.150.25dB/km。在我國占99%以上。雖稱1310nm性能最佳光纖，但絕大部分卻用于1550nm,其原因是在1310nm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10G,面臨色散受限的難題（色度色散與PMD）。、G.653光纖1550nm性能最佳光纖（色散移位光纖）。它主要用于1550nm波長工作區(qū)。在1550nm波長，色散較?。ㄉ⒁莆唬?，為3.5ps/nm.km；

9、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)（FWM）0、G.654光纖1550nm損耗最小光纖。它主要用于1550nm波長工作區(qū)，具損耗為0.150.19dB/km;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10G。理想情況：A）、低色散：210ps/nm.km；B）、色散斜率小于0.05ps/nm2.km,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。一大的有效面積，會有效地避免非線性效應(yīng)，

10、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)、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)a衰耗系數(shù)是光纖最重要的特性參數(shù)之一。因為在很大程度上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：Pi一，、a=10lg(dB/km)(2.6)Po其中Pi為輸入光功率值(瓦特)Po為輸出光功率值(瓦特)如某光纖的衰耗系數(shù)為a=3dB/km,則=10。3-2Po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公里的光纖白衰耗值為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：本征吸收吸收衰耗:雜質(zhì)吸收線性散射衰耗：散射衰耗：非線性散射結(jié)構(gòu)不完整散射其它衰耗（微彎曲衰耗）4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1dB/km,而在1000-1800波長范圍，幾乎為零。事雜質(zhì)吸收：光纖中的雜質(zhì)對光的吸收作用，是造成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