現(xiàn)代通信新技術(shù)-課件光通信技術(shù)

光通信技術(shù)主要內(nèi)容：系統(tǒng)模型光器件、放大器多信道系統(tǒng)相干通信光孤子PDHSDH1.概述

1870年的一天，英國物理學(xué)家丁達爾到皇家學(xué)會的演講廳講光的全反射原理，他做了一個簡單的實驗：在裝滿水的木桶上鉆個孔，然后用燈從桶上邊把水照亮。結(jié)果使觀眾們大吃一驚。人們看到，放光的水從水桶的小孔里流了出來，水流彎曲，光線也跟著彎曲，光居然被彎彎曲曲的水俘獲了。

這是為什么呢？難道光線不再直進了嗎？經(jīng)過他的研究，發(fā)現(xiàn)這是全反射的作用，即光從水中射向空氣，當入射角大于某一角度時，折射光線消失，全部光線都反射回水中。表面上看，光好像在水流中彎曲前進。實際上，在彎曲的水流里，光仍沿直線傳播，只不過在內(nèi)表面上發(fā)生了多次全反射，光經(jīng)過多次全反射向前傳播。1.1丁達爾實驗后來人們造出一種透明度很高、粗細像蜘蛛絲一樣的玻璃絲──玻璃纖維，當光線以合適的角度射入玻璃纖維時，光就沿著彎彎曲曲的玻璃纖維前進。由于這種纖維能夠用來傳輸光線，所以稱它為光導(dǎo)纖維。1.2光的全反射全反射：光由光密（即光在此介質(zhì)中的折射率大的）媒質(zhì)射到光疏（即光在此介質(zhì)中折射率小的）媒質(zhì)的界面時，全部被反射回原媒質(zhì)內(nèi)的現(xiàn)象。n/n'=sin(a')/sin(a)====>1/sin(A)(A為臨界角）a'=90折射率的定義：n=c/v=λ0/λ=sin(a0)/sin(a)

1.3光與光纖概念：光通信,利用光作為載波的通信方式光：1014Hz(100THz),是常規(guī)電磁波以及微波的104~105倍。LEDlightemittingdiode，LDlaserdiode激光。光纖：玻璃纖維。一種傳輸光能的波導(dǎo)介質(zhì)，一般由纖芯和外部包層組成。

*光纖是光導(dǎo)纖維的簡寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達成的光傳導(dǎo)工具。前香港中文大學(xué)校長高錕和GeorgeA.Hockham首先提出光纖可以用于通訊傳輸?shù)脑O(shè)想，高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎。1.4發(fā)展歷史1966年，高錕，（華裔），光纖之父，提出1000dB/km-->20dB/km可用于通信。改年，發(fā)表文章《光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》，提出光纖長距離、大容量通信。4年之后：1970年，20dB/km光纖制成，被稱為光纖通信的元年。美國康寧公司花費3000萬美元，得到30米光纖樣品。各國開始開始投入巨資研發(fā)。同時，貝爾實驗室，制成常溫工作的鋁鎵砷（AlGaAs)半導(dǎo)體激光器。1976年亞特蘭大--華盛頓之間建立實用線路，45Mbps多模光纖，發(fā)光LED，波長為0.85um，紅外。70年代，單模光纖以及長壽命的半導(dǎo)體激光器，光纖通信的巨大優(yōu)越性顯出。1983年，發(fā)達國家先后宣布長途干線不再采用電纜。*dB(Decibel，分貝)是一個純計數(shù)單位，本意是表示兩個量的比值大小，沒有單位。對于功率，dB=10*lg(A/B)。對于電壓或電流，dB=20*lg(A/B)。1.5光纖的發(fā)展（1）第一代，0.85um,多模，鋁鎵砷半導(dǎo)體激光器（2）第二代，1.3um，多模（3）第三代，1984年，1.3um，單模，芯很細（7~9um）（4）第四代，80年代中后期，出現(xiàn)1.55um，單模光纖，波分復(fù)用，1.6光纖通信的優(yōu)勢大容量：與載波的頻率直接相關(guān)，長距離：損耗小，干擾小，抗干擾：低成本：輕質(zhì)：保密：微波1~10GHz，光波：100THz。1.3um~1.55um,至少有25000GHz，可達到10Tbps，甚至100多Tbps。信道間隔目前可做到0.01nm。1.55um窗口，寬度可用到120nm，120/0.01=12000,即可容納1萬多路信道。而單波長（1路載波）可做到10~40Gbps。一般認為，光載波的信道間隔只需等于每個信道速率的6倍即可。即N=Δf/6B.例如：1550~1560nm，Δλ=10nm，Δf=1.24x1012Hz,劃分成B=2.5Gbps信道，則N≈82，82x2.5=205Gbps.2光通信系統(tǒng)由以下部分組成：（1）光發(fā)送機（2）光纖（3）光放大器、中繼器（4）光接收機E/O----O/E/O----

O/E--O-O—全光系統(tǒng)。發(fā)送端調(diào)制方式：直接調(diào)制和外調(diào)制接收端光檢測：直接檢測和超外差檢測*PIN:,APD:，EDFA:摻鉺光纖放大器3_1.光器件-光纖

光纖：石英拉制，三部分：芯，包層，涂層。從材料的折射率分布上可分為：階躍型漸變型。從傳輸模式上，可分為：單模光纖多模光纖。階躍多模漸變多模單模3_2光纖損耗與色散,單位：dB/km*參考：高倍望遠鏡的損耗500dB/km,而光纖可以做到0.2dB/km.*最低損耗窗功率衰減，衰減系數(shù)

色散不同頻率成分有不同的傳輸速度。3_3光源Ith

閾值電流

LD和LED的P-I特性曲線進行電-光轉(zhuǎn)換。LED低成本、短距離、低速率。沒有諧振腔。LD用于長距離、大容量通信。*DFB分布反饋激光器，線寬很窄，實現(xiàn)高速調(diào)制。

利用光柵層實現(xiàn)波長選擇，實現(xiàn)單縱模工作。3_4光檢測器進行光-電轉(zhuǎn)換。常用半導(dǎo)體光電二極管。光

電子-空穴PIN具有本征層的光電二極管。APD雪崩光電二極管。摻雜量增大，耗盡層上形成高場區(qū)，電子-空穴與晶格碰撞產(chǎn)生新的電子-空穴對，形成大電流。

靈敏度高，但是電路復(fù)雜（高的偏置電壓、溫度補償）。3_5無源器件連接器FC螺紋，主干線路多采用SC直接插拔ST卡口式直接插拔（1）.光纖連接器3_5無源器件衰減器

對信號能量進行預(yù)期的衰減。分為固定衰減器和可變衰減器。*固定衰減器可采用金屬蒸發(fā)鍍膜濾光片，依據(jù)鍍膜的厚度來控制衰減量。（2）.衰減器固定衰減器3_5無源器件光隔離器

光隔離器可以消除反射光的影響。（連接界面的反射光再次回到激光器，會造成機關(guān)器不穩(wěn)定）（3）.光隔離器3_5無源器件光開關(guān)具備多個可選擇的傳輸端口，對光信號進行轉(zhuǎn)換或者邏輯操作。分為機械式和非機械式。機械式依靠器件的移動非機械式依靠電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、熱光效應(yīng)等，改變介質(zhì)的折射率，使得光的傳播方向發(fā)生改變。研究熱點。（4）.光開關(guān)3_5無源器件光耦合器使得多路光信號進行耦合，然后進行再分配的器件。功率分配耦合器、波長分配耦合器兩分支型、多分支型多模耦合器、單模耦合器（5）.光耦合器光纖耦合器3_5無源器件波分復(fù)用器件對光波（波長）進行分離與合成的無源器件。是一種特殊的耦合器。（6）.波分復(fù)用器件4-1.光放大器對光信號進行能量放大。o-e-E-O

模式被電子速度瓶頸。故最好采用o-O全光模式。半導(dǎo)體光放大器利用能級間躍遷的受激現(xiàn)象進行放大，與半導(dǎo)體激光器原理類似。頻率決定于材料。摻雜光纖放大器*在及輻射泵浦光激發(fā)下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在信號光誘導(dǎo)下實現(xiàn)。

稀土金屬離子，作為激光工作物質(zhì)，摻雜在光纖中。

最常用的摻鉺光纖放大器EDFA工作于1.5um。EDFA4-1.光放大器_非線性放大器利用受激拉曼散射或者受激布里淵散射。較少使用。*頻寬小，泵浦閾值高4-2.光放大器的應(yīng)用中繼放大功率放大前置放大補償分配損耗*光放大器由于色散和噪聲積累，一定級數(shù)后需要采用電放大整形。5.多信道系統(tǒng)信道復(fù)用技術(shù)

時分頻分碼分空分等5.多信道系統(tǒng)_OTDM時分復(fù)用WDM(稀疏的)波分復(fù)用DWDM(密集的）FDM(致密的)頻分復(fù)用OCDM（光碼分復(fù)用）6.相干通信直接檢測用于調(diào)幅，不能用頻率和相位調(diào)制，靈敏度低超外差檢測是近代無線電和微波通信中廣泛采用的技術(shù)。*光波的相干性起到重要作用，故稱為相干光通信技術(shù)。優(yōu)點：（1）劃分頻道（2）選擇性好，靈敏度高。1-10GHz的間隔，特別適用于頻分復(fù)用通信。6.外差和零差檢測無線電通信中的概念。濾波本地振蕩信號L接收的信號s根據(jù)是否為0，分為零差監(jiān)測和外差檢測。零差比較難以獲得。6.外差檢測有效信號：可見：本振放大了接收信號，提高了SNR但是相對于零差，平均功率降低了一半(零差時cos=1)可以使得接收機的實現(xiàn)較為簡單?？梢詸z測調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相三種信號。約等于PL6.三種調(diào)制方式。。6.相干通信的關(guān)鍵技術(shù)（1）光源的相干性和頻率的穩(wěn)定性（2）偏振匹配信號光波和本振光波的偏振方向必須一致，才可以具備高的靈敏度。光纖界面的幾何不規(guī)則內(nèi)部應(yīng)力不均勻溫度、彎曲、扭動、受壓等解決辦法：在接收機上加偏振控制器。*已經(jīng)進入實用階段。有些技術(shù)還在試驗階段。6.相干通信的應(yīng)用大容量無中繼干線。相干頻分復(fù)用CATV網(wǎng)。6.光孤子通信soliton1834年，羅素在河流中發(fā)現(xiàn)。20世紀，引起很多學(xué)者的興趣。1965年，命名之后，開始應(yīng)用于物理、電磁、生物、天文、光學(xué)等各個領(lǐng)域。

1973年光孤子得到理論證明。1980年，觀察到了光孤子現(xiàn)象。從此，從數(shù)學(xué)走向?qū)嵺`，成為光纖孤子通信的構(gòu)想。孤子：脈沖包絡(luò)在非線性色散介質(zhì)中，類似于粒子的特征。不僅無失真?zhèn)鞑?，甚至碰撞后依然保持原形?.光孤子通信_非線性：使高頻成分不斷積累。波形越來越陡峭，最后破裂。色散：會使得脈沖展寬。兩種有害因素，平衡時，呈現(xiàn)孤子現(xiàn)象：保形，穩(wěn)幅，損耗可由光纖放大器補償。6.

PDH數(shù)字復(fù)接時的頻率和相位同步要求。PDH準同步數(shù)字體系。PlesiochronousDigitalHierarchy標稱速率相同，實際上有一定偏差。6.

SDHSDH同步數(shù)字體系。美國貝爾研究所提出Sonet,1988年成為國際標準，改名SDH.適用于光纖、衛(wèi)星、微波、等環(huán)境的通用技術(shù)體制?？捎糜陂L距離、大容量數(shù)字網(wǎng)，以及B-ISDN?；鶞仕俾蕿?