光傳輸通信基本原理

./第一部分光傳輸通信基本原理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： 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(hào)去調(diào)制發(fā)送機(jī)中的光源器件LD,則LD就會(huì)發(fā)出攜帶信息的光波。即當(dāng)數(shù)字信號(hào)為"1"時(shí),光源器件發(fā)送一個(gè)"傳號(hào)"光脈沖；當(dāng)數(shù)字信號(hào)為"0"時(shí),光源器件發(fā)送一個(gè)"空號(hào)"〔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)字信號(hào)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)的分界面時(shí),會(huì)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： 〔2.2其中n1為纖芯的折射率,n2為包層的折射率。顯然,若n1>n2,則會(huì)有θ2>θ1。如果n1與n2的比值增大到一定程度,則會(huì)使折射角θ2≥90°,此時(shí)的折射光線不再進(jìn)入包層,而會(huì)在纖芯與包層的分界面上掠過〔θ2=90°時(shí),或者重返回到纖芯中進(jìn)行傳播〔θ2>90°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(duì)應(yīng)于折射角θ2等于90°的入射角叫做臨界角。很容易可以得到臨界角。不難理解,當(dāng)光在光纖中發(fā)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9-50um、包層〔直徑約125um與涂敷層〔直徑約1.5cm三大部分組成,如下圖：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n1；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。二、光纖的分類方式光纖有以下的分類方式：按折射率分布分類A、階躍光纖SI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： n1r小于等于a1時(shí)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。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(hào)是以多個(gè)模式方式進(jìn)行傳播的,光信號(hào)的波長以主縱模為準(zhǔn)。不同的傳播模式會(huì)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(huì)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?！材壳爸饔卯?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(hào)波長相差不大時(shí),一般為5~10um,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。對(duì)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。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①、G.652光纖1310nm性能最佳光纖<色散未移位光纖>。它有二個(gè)波長工作區(qū)：1310nm與1550nm。在1310nm波長：色散最小<未移位>,小于3.5ps/nm.km；但損耗較大,為0.3~0.4dB/km。在1550nm波長：色散較大,為20ps/nm.km；但損耗很小,為0.15~0.25dB/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(huì)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>。②

、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,色散較小<色散移位>,為3.5ps/nm.km；損耗也很小,為0.15~0.25dB/km。但它不能用于WDM方式,因會(huì)出現(xiàn)四波混頻效應(yīng)<FWM>。③

、G.654光纖1550nm損耗最小光纖。它主要用于1550nm波長工作區(qū),其損耗為0.15~0.19dB/km；主要用于海纜通信。④

、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10G。理想情況：A、低色散：2~10ps/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。大的有效面積,會(huì)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(huì)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① 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?yàn)樵诤艽蟪潭壬蠜Q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(duì)光功率信號(hào)的衰減值。其表達(dá)式為： <dB/km> 〔2.6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,則這就意味著,經(jīng)過一公里的光纖傳輸之后,其光功率信號(hào)減少了一半。長度為L公里的光纖的衰耗值為A=aL。②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(duì)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。雜質(zhì)吸收:光纖中的雜質(zhì)對(duì)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,即過渡金屬離子與氫氧根離子。過渡金屬離子包括銅、鐵、鉻、鈷、錳、鎳離子等,這些離子在光的作用下會(huì)發(fā)生震動(dòng)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600~1800nm波長范圍。氫氧根離子對(duì)光的吸收峰波長落在1000~1800nm波長范圍；因此在此波長范圍氫氧根離子的含量多少對(duì)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。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(huì)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(huì)造成其折射率會(huì)布不均勻,易產(chǎn)生瑞利散射。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(huì)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(hào)過大,如不超過+25dBm。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?在影響光纖衰耗的諸多因素中,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(duì)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(duì)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(huì)變寬,甚至有了明顯的失真。這說明光纖對(duì)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(huì)限制光纖的傳輸容量。對(duì)于多模光纖引起色散的原因主要有三種：模式間色散、材料色散與波導(dǎo)色散。對(duì)于單模光纖,因只有一種傳輸模式〔HE11,LP01,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(huì)存在著許多種傳播模式,而每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(hào),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Δτλ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Δτw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(duì)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(hào)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),此時(shí)光功率信號(hào)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(hào)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(hào)衰減3dB時(shí)意味著輸出光功率信號(hào)減少一半。而一般的電纜之帶寬稱為6dB電帶寬,因?yàn)檩敵鲭娦盘?hào)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(duì)模式色散的影響。CCITT建議多模光纖的數(shù)值孔徑取值范圍為0.18～0.23,其對(duì)應(yīng)的光纖端面接收角θc=10°～13°。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λc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λ≥λc,這個(gè)數(shù)值就叫做單模光纖的截止波長。因此,截止波長λc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(duì)光器件的要求一、光纖通信對(duì)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0.85μm、1.31μm和1.55μm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)橹挥羞M(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10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(duì)半導(dǎo)體激光器加致冷器和自動(dòng)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)槿羝渥V線過寬,會(huì)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(duì)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2nm。5、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100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-zdBm=10lg<ymW/zmW>dB是以dBm為單位的兩個(gè)光信號(hào)功率的差值。xdBm=10lg<ymW/1mW>dBm是以mW為單位光信號(hào)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~+2dBm。二、光接收機(jī)1、接收靈敏度定義為R點(diǎn)處為達(dá)到1×10-10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—2dB。一般情況下,對(duì)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。