光纖通信通信入門技術

關于光纖通信通信入門技術第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1光纖通信的發(fā)展1880年，美國科學家貝爾發(fā)明光電話，標志著光通信的起源。1960年，美國人梅曼發(fā)明第一臺紅寶石激光器。1966年，“光纖之父”——高錕博士首次提出光纖通信的想法，這是光纖通信發(fā)展的里程碑。1970年，美國康寧公司研制出了損耗系數(shù)為20dB/km的光纖，光纖通信從此進入飛速發(fā)展。1977年，芝加哥第一條45Mbit/s的商用線路。1976年和1978年，日本先后進行了速率為34Mb/s以及速率為100Mbit/s的光纖通信系統(tǒng)的試驗。1980年，140Mbit/s光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應用。1983年敷設了縱貫日本南北的光纜長途干線。第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6.1.2光纖通信的工作波長光波是電磁波的一種，其波長在微米級，頻率為1014Hz～1015Hz數(shù)量級。目前光纖通信使用的波長范圍是在近紅外區(qū)，即波長為0.8~1.8μm。光纖通信使用的三個工作窗口0.85μm、1.31μm、1.55μm。第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6.1.3光纖通信的特點優(yōu)點（1）傳輸頻帶寬，通信容量大（2）傳輸衰減小，中繼距離長（3）抗電磁干擾，傳輸質(zhì)量好（4）體積小、重量輕、便于施工（5）原材料豐富，節(jié)約有色金屬，有利于環(huán)保缺點光纖質(zhì)地脆，機械強度低；光纖的切斷和接續(xù)需要一定的工具設備和技術，光纜的彎曲半徑不能過小等等。第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6.2光纖與光纜6.2.1光纖的結構與分類6.2.2光纖的導光原理6.2.3單模傳輸條件6.2.4光纖的傳輸特性6.2.5光纜第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

6.2.1光纖的結構與分類1．光纖的結構纖芯、包層、涂覆層。纖芯位于光纖中心，作用是傳輸光波。包層位于纖芯外層，作用是將光波限制在纖芯中，同時還起到一定的機械保護作用。n1n2第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三由于石英玻璃質(zhì)地脆、易斷裂，為保護光纖不受損害，提高抗拉度，一般需要在裸光纖外面指經(jīng)過兩次涂覆。裸光纖：由纖芯和包層組成。光纖芯線：經(jīng)過涂敷的裸光纖。第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三設纖芯和包層的折射率分別為n1和n2，光在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件是n1＞n2。相對折射指數(shù)差（Δ）當n１與n２的差別極小時，這種光纖稱為弱導波光纖。第8頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三2．光纖的分類（1）按照光纖的制造材料分類按照光纖的制造材料的不同，光纖可分為玻璃（石英）光纖和塑料光纖。（2）按照光纖的傳輸模式分類根據(jù)光纖傳輸模式的數(shù)量，光纖可分為多模光纖（MMF）和單模光纖（SMF）。（3）按照光纖的折射率分布分類按照光纖剖面折射率分布的不同，光纖可分為突變型光纖（SIF）和漸變型光纖（GIF）。第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三階躍型光纖（SIF）纖芯折射率呈均勻分布。漸變型光纖（GIF）纖芯折射率呈非均勻分布，在軸心處最大，而在光纖橫截面內(nèi)沿半徑方向逐漸減小，在纖芯與包層的界面上降至包層折射率n2。W型光纖（雙包層光纖）在纖芯與包層之間設有一折射率低于包層的緩沖層，使包層折射率介于纖芯和緩沖層之間。第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6.2.2光纖的導光原理分析光纖的導光原理，一般可采用兩種方法：一種是波動理論法，另一是射線法。波動理論法是根據(jù)電磁場理論，分析其傳輸特性。光可用一條表示光的傳播方向的幾何線來表示，這條幾何線就稱為光射線。用光射線來研究光波傳輸特性的方法，稱為射線法。第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三1．光的反射和折射當光射線射到兩種介質(zhì)交界面時，將發(fā)生反射和折射。n1＞n2n1n2θ1θ2θ3入射折射反射第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三光的全反射當光從光密物質(zhì)（折射率大的物質(zhì)）入射進光疏物質(zhì)（折射率小的物質(zhì)）時。當入射角大于臨界角。第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三光線在階躍型光纖中的傳播示意圖結論：1、階躍型光纖就是利用光波的全反射原理2、光波在纖芯中以“之”字形向前傳播。2．階躍型光纖的傳輸原理第15頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三數(shù)值孔徑表示光纖的捕捉光線能力的大小。NA是表示光纖特性的重要數(shù)，它反映光纖與光源等元件耦合時的耦合效率。若纖芯和包層的相對折射率差越大，NA值就越大，即光纖的集光能力就越強。θ接收錐第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三n14n13n12n11n11n12n13n14結論：漸變型光纖纖芯折射率呈連續(xù)變化利用光的反射和折射光線在其中以一條近似于正弦型的曲線向前傳播3．漸變型光纖的傳輸原理第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6.2.3單模傳輸條件單模光纖是在給定的工作波長上，只傳輸單一模式的光纖。單模光纖需要滿足什么條件？第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三1．歸一化頻率V歸一化頻率是為表征光纖中所能傳播的模式數(shù)目多少而引入的一個特征參數(shù)。其方程為：其中，α——是光纖的纖芯半徑；λ——是光纖的工作波長；

n1和n2——分別是光纖的纖芯和包層折射率；

k0——真空中的波數(shù)；Δ——光纖的相對折射率差。單模傳輸條件：0＜V＜2.405第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6.2.4光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性指的是光信號在光纖中傳輸所表現(xiàn)出來的特性，主要包括損耗特性和色散特性。第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三1．光纖的損耗特性定義光信號在光纖內(nèi)傳播，隨著距離的增大，能量會越來越弱，其中一部分能量在光纖內(nèi)部被吸收，一部分可能突破光纖纖芯的束縛，輻射到了光纖外部，這叫做光纖的傳輸損耗（或傳輸衰減）。損耗系數(shù)

(單位：dB/km)Pi和Po分別為入射光功率和出射光功率（mW或W）損耗系數(shù)是光纖傳輸系統(tǒng)中限制光信號中繼傳輸距離的重要因素之一。光纖損耗大致可以分為吸收損耗、散射損耗和其他損耗。第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三光纖的傳輸損耗影響光信號的中繼距離。光纖損耗可以分為吸收損耗、散射損耗和其他損耗。為什么光纖的工作窗口選擇0.85μm、1.31μm、1.55μm？歸納思考第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三2.光纖的色散特性光纖的色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，隨傳輸距離增加，由于不同成分的光傳輸時延不同引起的脈沖展寬的物理效應。模式色散模式色散是指即使同一波長的光，若其模式不同，則傳播速率也不同，從而引起色散，又稱為模間色散，只存在于多模光纖中。色度色散光源的光譜中不同波長成分的光在傳輸過程中發(fā)生群延時，引起光脈沖展寬，主要包括材料色散和波導色散。偏振模色散偏振模色散是由于光信號傳輸會產(chǎn)生兩個方向的偏振模，當光纖在光信號傳輸?shù)膬蓚€方向上的折射率不同而產(chǎn)生的色散叫做偏振模色散。第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三色散主要包括模式色散、色度色散和偏振模色散三種。正常色散：介質(zhì)的折射率n隨著波長的增加而減小。反常色散：介質(zhì)的折射率n隨著波長的增加而增加。歸納思考第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6.2.5光纜光纜的基本結構一般由纜芯、加強構件、填充物和護層等幾部分構成，除了這些基本結構之外，根據(jù)實際需要還要有防水層、緩沖層、絕緣金屬導線等構件。第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三（1）纜芯為了進一步保護光纜，增加光纖的強度，一般將帶有涂敷層的光纖再套上一層塑料層，通常稱為套塑。將套塑后且滿足機械強度要求的單根或者多根光纖芯線以不同的形式組合起來，就形成了纜芯。光纜纜芯的基本結構大體上有層絞式、骨架式、束管式和帶狀式四種。第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三（2）加強構件加強構件的作用事增加光纜的抗拉強度，提高光纜的機械性能。一般光纜的加強構件采用鍍鋅鋼絲、鋼絲繩、不銹鋼或者高強度塑料加強構件等。一般加強構件位于光纜的中心，也有位于護層的，叫做護層加強構件。（3）護層結構護層的主要作用是保護纜芯，提高機械性能和防護性能。不同的護層結構適合不同的敷設條件。光纜的護層分為外護層和護套兩部分，護套用來防止鋼帶、加強構件等金屬構件損傷光纖；外護層進一步增強光纜的保護作用。（4）填充結構填充結構用來提高光纜的防潮性能，在光纜纜間空隙中注入填充物，以防止水汽進入光纜。第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6.3光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)由光端機、光纜和中繼器組成。光發(fā)送機與光接收機統(tǒng)稱為光端機。光發(fā)送部分傳輸部分光接收部分電端機電端機光端機中繼器光纜光源光端機光纜光檢測器光源光檢測器第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三光發(fā)送機的主要作用將電端機送來的數(shù)字基帶電信號變換為光信號，并耦合進光纖線路中進行傳輸。光發(fā)送機中的光源是整個系統(tǒng)的核心器件。光接收機的主要作用將光纖傳輸后的幅度被衰減、波形產(chǎn)生畸變的、微弱的光信號變換為電信號，并對電信號進行放大、整形、再生成與發(fā)送端相同的電信號，輸入到電接收端機，光接收機中關鍵器件是半導體光檢測器。中繼器的主要作用可對微弱的光信號直接進行放大的器件，其主要功能是提供光信號的增益，以補償光信號在傳輸過程中的衰減，增加傳輸系統(tǒng)無中繼距離。第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6.3.1光源1．光源光纖通信中用到的光源有半導體激光器（LD）和發(fā)光二極管（LED）兩種，發(fā)光二極管用于短距離、低速光纖通信系統(tǒng)，光纖通信干線的光源均為半導體激光器。半導體激光器發(fā)出多種模式的光。第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6.3.2中繼器作用光脈沖信號從發(fā)送機輸出經(jīng)光纖傳輸若干距離后，由于光纖損耗和色散的影響，光脈沖信號的幅度受到衰減，波形出現(xiàn)失真，為此就要在光信號傳輸一定距離時，加設一個中繼器，以放大衰減信號，恢復失真的波形，使光脈沖得到再生。種類中繼器分為光-電-光中繼器和光中繼器兩種。第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三光信號通過光發(fā)射機送到光纜傳輸，中間經(jīng)過中繼器進行信號波形修整、再生、放大后，繼續(xù)傳輸，直到傳到接收機。歸納思考第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6.4SDH同步數(shù)字系列（SynchronousDigitalHierarchy，SDH）的研究工作始于1986年，其目的是建立光纖通信的通用標準。美國貝爾通信研究所最先提出了光同步傳輸網(wǎng)的概念，并稱之為同步光網(wǎng)絡（SONET）。國際電話電報咨詢委員會（CCITT），于1988年接受了SONET的概念，重新命名為同步數(shù)字系列（SDH），建立了世界性的統(tǒng)一標準。第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6.4.2SDH的幀格式和速率用于網(wǎng)絡的運行、管理、維護及指配指示凈負荷區(qū)域內(nèi)的信息首字節(jié)在STM-N幀內(nèi)的準確位置，以便接收時能正確分離凈負荷。真正用于電信業(yè)務的比特第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三SDH等級速率kbit/sSDH等級速率kbit/sSTM-1155520STM-162488320STM-4622080STM-649953280STM-25639813120第36頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6.5光波分復用的基本概念WDM技術基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端將組合波長的光信號分開，并作進一步處理，恢復出原信號后送入不同的終端。第37頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6.5.2光波分復用的特點（1）充分利用光纖的巨大帶寬資源（