第五章 光纤通信(48刘)

通信概论第五章光纤通信通信工程系第五章光纤通信5.1概述5.1.1光纤通信的发展历史5.1.2光纤通信的概念5.1.3光纤通信的特点5.2光纤5.3光纤通信系统5.4光波分复用（WDM）现代移动通信网络技术25.1•原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。•1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。5.1.1光纤通信的发展历史•在发送端，利用太阳光或弧光灯作光源，通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的变化而变化，实现话音对光强度的调制。•在接收端，用抛物面反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上，使光信号变换为电流，传送到受话器。5.15.1由于当时没有理想的光源和传输介质，这种光电话的传输距离很短，并没有实际应用价值，因而进展很慢。激光具有波谱宽度窄，方向性极好，亮度极高的良好特性。激光是一种高度相干光，它的特性和无线电波相似，是一种理想的光载波。•1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。5.1光源的发展传输介质--光纤的发展1966年，英籍华裔学者高锟和霍克哈姆发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(OpticalFiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。5.18高锟(左)因发明光纤、提出光纤通信理论获得2009年诺贝尔物理学奖。瑞典国王(右)向高锟颁奖5.15.1概述5.1.2光纤通信的概念光纤通信是以光波为载波、光导纤维（简称光纤）为传输媒质的一种通信方式。光波实际上是一高频(1014Hz)的电磁波。在讨论高频电磁波时，我们习惯采用波长来代替频率描述。波长与频率的关系为：fc5.1.3光纤通信的特点①传输频带宽，通信容量大。②传输损耗低，中继距离长。③抗电磁干扰。④保密性强，无串话干扰。⑤线径细（0.1mm），重量轻。⑥资源丰富。5.1概述5.2光纤5.2.1光纤的结构和分类光纤由纤芯和包层两部分组成，纤芯完成光信号的传输，包层是为了将光信号封闭在纤芯中并保护纤芯。纤芯和包层的折射率不同，设纤芯、包层的折射率分别为n1、n2，则n1n2。纤芯包层保护套现代移动通信网络技术125.2光纤（1）根据光纤横截面上折射率分布的不同，分为阶跃型光纤和渐变型光纤。（2）根据光纤中传输模式（模式是指电磁场的分布形式）数量的不同，分为单模光纤和多模光纤。5.2光纤高次模基模低次模数值孔径设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯(n0n1)，折射角为θ1，折射后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯与包层交界面以角度ψ1入射到包层(n1n2)。5.2光纤1c1c1n2nxyzlLo33221根据全反射原理，存在一个临界角θc当θθc时，全反射，如光线1。当θ=θc时，沿交界面传播(折射角为90°)，如光线2。当θθc时，进入包层并逐渐消失，如光线3。5.2光纤1c1c1n2nxyzlLo33221现代移动通信网络技术16由此可见，只有在半锥角为θ≤θc的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。根据这个传播条件，定义临界角θc的正弦为数值孔径（NA，NumericalAperture）。经计算得到：2221nnNA5.2光纤数值孔径NA表示光纤接收和传输光的能力。NA越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。5.2.3光纤的传输特性1.损耗光波在光纤中传输，光功率随着传输距离的增加而减小，这种现象称为光纤的传输损耗。光纤的传输损耗是影响系统传输距离的重要因素。5.2光纤光纤自身的损耗主要有吸收损耗和散射损耗。此外，光源与光纤的耦合损耗、光纤之间的连接损耗等也是光纤传输损耗的因素。吸收损耗：因为光波在传输中有一部分光能转变为热能，造成光功率的损失；散射损耗：因为材料折射率不均匀或有缺陷、光纤表面畸形或粗糙等原因造成的。5.2光纤光纤通信的工作窗口光纤的损耗随着波长而变化，为获得低损耗特性，光纤通信选用的波长范围在0.8～1.8μm，并称0.8～1.0μm为短波长波段，1.0～1.8μm为长波长波段。第一代系统：波长0.85μm，最低损耗2.5dB/km；第二代系统：波长1.31μm，最低损耗0.27dB/km；第三代系统：波长1.55μm，最低损耗0.16dB/km。5.2光纤现代移动通信网络技术200.70.80.91.01.11.21.31.41.5第一窗口第二窗口波长λ（μm）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图6543210。40。2第三窗口1525~1565nm5.2光纤5.2.2光纤的传输特性2.色散光脉冲信号经光纤传输，到达输出端会发生时间上的展宽，这种现象称为色散。色散的大小用时延差（Δτ）表示。5.2光纤产生原因：光脉冲信号的不同频率成分、不同模式，在光纤中传输时途径不同，速度不同，到达终点所用时间不同，即群时延差引入了色散。导致问题：信号波形畸变，表现为脉冲展宽，产生码间干扰，增加误码率。限制带宽，影响通信容量和传输速率。5.2光纤光纤的色散主要有模式色散、材料色散和波导色散。模式色散：不同模式的光传输途径不同，速度不同所引起的色散。材料色散：由于光纤材料本身的折射指数随波长而变化引起的色散。波导色散：光纤的几何结构不完善引起的色散。5.2光纤第五章光纤通信5.1概述5.2光纤5.3光纤通信系统5.3.1光纤通信系统的组成5.3.2光发射机5.3.3光接收机5.3.4光中继器5.4光波分复用（WDM）现代移动通信网络技术245.3光纤通信系统5.3.1光纤通信系统的组成光纤通信系统由光发射端机、光纤、光中继器和光接收端机组成，见下图所示。图光纤通信系统组成框图光纤通信系统一般采用数字编码、强度调制-直接检波（IM/DD）方式。强度：指单位面积上的光功率。强度调制：在发送端用电信号通过调制器控制光源的发光强度，使光强随着信号电流线性变化，从而将电信号转变成相应的已调光信号送入光纤进行传输。直接检波：是指在接收端通过“光电检测器”对已调光信号直接进行光频检测，以获得相应的电信号。5.3光纤通信系统光发射机是实现电/光转换的光端机。由光源、驱动器、调制器和控制电路组成。5.3光纤通信系统5.3.2光发射机光输出光源调制器通道耦合器电信号输入驱动电路控制电路其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。图光发射机组成简图光发射机中的重要器件是能够完成电光转换的半导体光源.目前光纤通信中常用的光源有：半导体激光二极管（LD）半导体发光二级管（LED）5.3光纤通信系统光接收机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端。检测器放大器输出电路5.3光纤通信系统5.3.3光接收机光接收机中的重要器件是能够完成光电转换的光检测器.目前光纤通信中常用的光检测器有：光电二极管（PIN）雪崩光电二极管（APD）5.3光纤通信系统现代移动通信网络技术31动态范围光接收机的动态范围D是在保证系统的误码率指标要求下，光接收机的最低输入光功率（用dBm来描述）和最大允许输入光功率（用dBm描述）之差。其单位为dB，即minmax3min3maxlg1010lg1010lg10PPPPD(dB)5.3光纤通信系统现代移动通信网络技术32光接收机灵敏度动态范围表示光接收机正常工作时，光信号应有一个范围，这个范围就是光接收机的动态范围。在保证系统的误码率指标要求下，光接收机的最低输入光功率就是光接收机灵敏度。5.3光纤通信系统33随着传输线路的延长，会由于传输损耗而使脉冲衰减，同时加上传输线路的失真特性（光纤中的各种色散）产生脉冲波型的失真。光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是光-电-光转换形式的中继器，另一种是在光信号上直接放大的光放大器。5.3光纤通信系统5.3.4光中继器34re-amplifying再放大（光放大器的功能）re-timing再定时（消除时间抖动）re-shaping再整形（消除波形畸变）通过这3个R，得到接近于发射端的光信号的copy，从而延长传输距离，提高信号质量。3R组合5.3光纤通信系统光中继器的功能35掺铒光纤放大器（EDFA）铒（Er）是一种稀土元素，将它注入到纤芯中，即形成了一种特殊光纤，它在泵浦光的作用下可直接对某一波长的光信号进行放大，因此称为掺铒光纤放大器。在掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有三个能级：其中能级1代表基态，能量最低；能级2是亚稳态，处于中间能级；能级3代表激发态，能量最高。5.3光纤通信系统36EDFA中的Er3+能级结构5.3光纤通信系统吸收泵浦光快速非辐射跃迁光放大受激辐射1基态能带3激发态能带2亚稳态能带输入信号光37掺铒光纤放大器（EDFA）Er3+在未受任何光激励的情况下，处在基态上，当用泵浦光激发掺铒光纤时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态(1→3)。但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态(2→1)，产生受激辐射光，受激辐射光和输入光信号中的光子一样的全同光子，因而信号光得到放大。这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光能量的结果。5.3光纤通信系统现代移动通信网络技术38EDFA的应用形式LDPD中继放大器(a)LDPD后置放大器(b)前置放大器光纤(1)中继放大器置于光纤线路中，用于延长传输距离。(2)前置放大器置于光接收机前，用于放大微弱光信号。(3)后置放大器置于光发射机后，用于提高发射光功率。5.3光纤通信系统第五章光纤通信5.1概述5.2光纤5.3光纤通信系统的组成5.4光波分复用（WDM）5.4.1波分复用系统的概念5.4.2波分复用系统的基本形式5.4.3波分复用系统的特点现代移动通信网络技术395.4光波分复用（WDM）5.4.1波分复用系统的概念WDM的概念：在一芯光纤中同时传输多波长光信号。利用单模光纤在低损耗区的巨大带宽，在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输；在接收端又将这些合在一起的波长分开（解复用），并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。5.4光波分复用（WDM）波分复用：光纤通信中特有的传输技术，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，将光纤的低损耗窗口划分为若干个波段，每个波段用一个独立的信道传输一种预定波长的光信号。通常把光信号间隔较大（几十个纳米）的复用称为粗波分复用（CWDM）；而把在同一窗口中信道间隔较小（纳米级、零点几个纳米级）的WDM称为密集波分复用（DWDM）。5.4.2波分复用系统的基本形式1.双纤单向传输单向WDM是指所有光波长同时在一根光纤上沿同一方向传送（如图所示），在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已调光信号λ1，λ2，λ3，λ4，…，λn通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。在接收端光解复用器将不同波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。5.4光波分复用（WDM）图双纤单向传输的WDM系统5.4光波分复用（WDM）2.单纤双向传输单纤双向传输如图所示。双向是指不同光波长在一根光纤上同时向两个不同的方向传输，但是两个方向所用的波长相互分开，以实现两个方向的全双工通信。单向WDM系统在开发和应用方面都比较广泛。双向WDM系统的优点是只使用一根光纤和较少的光纤放大器，但同时对系统的要求也高，例如要抑制多通道干扰（MPI），并需要双向光纤放大器。5.4光波分复用（WDM）图单纤双向传输的WDM系统5.4光波分复用（WDM）5.4.3波分复