第8章现代通信系统介绍光纤通信系统.ppt

1 1 光纤通信系统的基本概念光纤通信系统的基本概念 2 2 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 3 3 光纤光纤 4 4 光缆光缆 5 5 波分复用波分复用第第8 8章章 现代数字通信系统介绍现代数字通信系统介绍 -光纤通信系统光纤通信系统研究内容：研究内容：1.1.光纤通信系统的基本概念光纤通信系统的基本概念1.电通信与光通信电通信与光通信 电通信：信息数据加载于一个正弦电磁波电通信：信息数据加载于一个正弦电磁波 光通信：信息的传输是通过改变光功率强度而实现光通信：信息的传输是通过改变光功率强度而实现 2.光波频段：光波频段：红外、可见光、紫外线红外、可见光、紫外线3.光纤的组成：光纤的组成：二氧化硅二氧化硅10101 110107 710102 210106 610103 310105 510104 410104 410105 510103 310106 610102 210107 710101 110108 810100 010109 91010-1-1101010101010-2-2101011111010-3-3101012121010-4-4101013131010-5-5101014141010-6-610101515ELFELFVFVFVLFVLFLFLFMFMFHFHFVHFVHFUHFUHFSHFSHFEHFEHF频率频率(Hz)(Hz)电力、电话电力、电话无线电、电视无线电、电视微波微波红外红外可见光可见光双铰线双铰线同轴电缆同轴电缆光纤光纤卫星卫星/微波微波AMAM无线电无线电FMFM无线电无线电通信波段划分及相应传输媒介通信波段划分及相应传输媒介频频段段划划分分传传输输介介质质1.1.光纤通信系统的基本概念光纤通信系统的基本概念光纤通信系统的特点：光纤通信系统的特点：1.频带宽，传输容量大频带宽，传输容量大 2.损耗小、中继距离长损耗小、中继距离长 3.重量轻、体积小重量轻、体积小 4.抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 5.泄露小、保密性好泄露小、保密性好 6.节约金属材料，有利于资源合理使用节约金属材料，有利于资源合理使用1.1.光纤通信系统的基本概念光纤通信系统的基本概念1.1.光纤通信系统的基本概念光纤通信系统的基本概念1.1.光纤通信系统的基本概念光纤通信系统的基本概念2.2.光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成光探光探测器测器光中继器或光中继器或光放大器光放大器解调解调器器光接收机光接收机光纤光纤光纤光纤调制调制器器光发射机光发射机光源光源信信息息复用复用器器信信息息解复解复用器用器 光发射机的作用是把电信号转变为光信号注入光光发射机的作用是把电信号转变为光信号注入光纤传输纤传输 光接收机的作用是把经光纤传输后的微弱光信号光接收机的作用是把经光纤传输后的微弱光信号转变为电信号，对其放大并解调出原基带信号转变为电信号，对其放大并解调出原基带信号 光中继器的作用是对经光纤传输衰减后的信号进光中继器的作用是对经光纤传输衰减后的信号进行放大。光中继器有光行放大。光中继器有光-电电-光中继器和全光中继器光中继器和全光中继器2.2.光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 光发射机的作用是把电信号转变为光信号注入光纤光发射机的作用是把电信号转变为光信号注入光纤传输，它通常由复用器、调制器和光源组成。传输，它通常由复用器、调制器和光源组成。复用器的作用是把多路信息信号复用为时分复用复用器的作用是把多路信息信号复用为时分复用（TDM）信号或频分复用（）信号或频分复用（FDM）信号。）信号。调制器的作用是用复用信号直接调制（调制器的作用是用复用信号直接调制（IM）激光器）激光器（LD）的光强，或通过外调制器调制）的光强，或通过外调制器调制 LD 的相位。的相位。光源是把电信号转换为光信号，以便在光纤中传输。光源是把电信号转换为光信号，以便在光纤中传输。2.2.光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成光源：光源：半导体二极管半导体二极管(LD)、发光二极管、发光二极管(LED)自发辐射：自发辐射：处于激发态的原子中，电子在激发态处于激发态的原子中，电子在激发态能量上只能停留一段很短的时间，就自发地跃迁能量上只能停留一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出一个光子。到较低能级中去，同时辐射出一个光子。受激辐射受激辐射:对于物质中处于高能级上的原子，如果对于物质中处于高能级上的原子，如果在它发生自发辐射以前，受到频率的外来光子的作在它发生自发辐射以前，受到频率的外来光子的作用，就有可能在外来光子的影响下，发射出一个同用，就有可能在外来光子的影响下，发射出一个同样的光子，而由高能级跃迁到低能级上。样的光子，而由高能级跃迁到低能级上。光的调制：光的调制：1.直接调制：直接调制：光载波信号的强度随调制信号的变化而变化光载波信号的强度随调制信号的变化而变化2.间接调制：间接调制：改变调制器的物理特性，当激光通过晶体改变调制器的物理特性，当激光通过晶体 时，光波的特性将随信号变化而变化时，光波的特性将随信号变化而变化2.2.光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成光探测器：光探测器：PIN光电二极管、光电二极管、APD光电二极管光电二极管受激吸收：受激吸收：处于低能级的原子（处于低能级的原子（El），受到外来光子的激），受到外来光子的激 励下，在满足能量恰好等于低、高两能级之差励下，在满足能量恰好等于低、高两能级之差 （E）时，该原子就吸收这部分能量，跃迁）时，该原子就吸收这部分能量，跃迁 到高能级（到高能级（Eh），即），即E=Eh-El。受激吸收与受激辐射是互逆的过程。受激吸收与受激辐射是互逆的过程。2.2.光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成3.3.光纤光纤光纤的导光原理光纤的导光原理全反射全反射纤芯折射率为纤芯折射率为n1，包层折射率为，包层折射率为n2，n1 n2n2n1包层包层纤芯纤芯光线光线光线将在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而光线将在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播。向前传播。3.3.光纤光纤光纤的分类：光纤的分类：1.按传输模式分类：单模光纤和多模光纤按传输模式分类：单模光纤和多模光纤 2.按纤芯介质的折射率的径向分布分类：按纤芯介质的折射率的径向分布分类：阶跃型折射率光纤阶跃型折射率光纤 渐变型折射率光纤渐变型折射率光纤3.3.光纤光纤阶跃光纤：阶跃光纤：在纤芯中折射率的分布是均匀的，在纤芯中折射率的分布是均匀的，在纤芯在纤芯和包层的界面上折射率发生突变。和包层的界面上折射率发生突变。渐变光纤渐变光纤:在纤芯中折射率的分布是变化的，在纤芯中折射率的分布是变化的，而包层而包层中的折射率通常是常数。中的折射率通常是常数。相对折射率差：相对折射率差：121nnn 3.3.光纤光纤n2n1包层包层纤芯纤芯光线光线 光纤中传输的光信号具有一定的频谱宽度，也就是光纤中传输的光信号具有一定的频谱宽度，也就是说光信号具有许多不同的频率成分。同时，在多模光纤说光信号具有许多不同的频率成分。同时，在多模光纤中，光信号还可能由若干个模式叠加而成，也就是说上中，光信号还可能由若干个模式叠加而成，也就是说上述每一个频率成份还可能由若干个模式分量来构成述每一个频率成份还可能由若干个模式分量来构成 光纤的色散：光纤的色散：在光纤中传输的光信号的不同频率成份或在光纤中传输的光信号的不同频率成份或不同的模式分量以不同的速度传播，到达一定距离后必不同的模式分量以不同的速度传播，到达一定距离后必然产生信号失真，通常用时延差表示然产生信号失真，通常用时延差表示 3.3.光纤光纤3.3.光纤光纤色散的种类：色散的种类：1.模式色散：传输的模式很多，不同的模式，其传输路模式色散：传输的模式很多，不同的模式，其传输路径不同，所经过的路程就不同，达终点的时间也就不同，径不同，所经过的路程就不同，达终点的时间也就不同，这就引起了脉冲的展宽这就引起了脉冲的展宽 2.材料色散：具有一定光谱宽度的光源发出的光脉冲射材料色散：具有一定光谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤内传输时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，入光纤内传输时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，到达终端时将产生时延差，从而引起脉冲波形展宽。到达终端时将产生时延差，从而引起脉冲波形展宽。3.波导色散：在交界面产生全反射时，就可能有一部分波导色散：在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大可能回到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异的不同而异 光纤的比特率与带宽光纤的比特率与带宽 1.光纤的比特率光纤的比特率 ：光纤能够传输的最大数据速率光纤能够传输的最大数据速率 2.最大比特率：最大比特率：2/1/5.0bR3.3.光纤光纤bR光纤的传输特性光纤的传输特性衰减：衰减：衰减系数：衰减系数：1.吸收损耗：吸收损耗：本征吸收：光纤材料二氧化硅本征吸收：光纤材料二氧化硅 杂质吸收：氢氧根离子与金属杂质杂质吸收：氢氧根离子与金属杂质 2.散射损耗：散射损耗：瑞利散射损耗、波导散射损耗等瑞利散射损耗、波导散射损耗等 3.辐射损耗：辐射损耗：由于光纤弯曲所产生的损耗由于光纤弯曲所产生的损耗 4.外套损耗：外套损耗：光纤的外保护套将包层内剩余的能量全部光纤的外保护套将包层内剩余的能量全部 吸收掉吸收掉outindBPPLlg103.3.光纤光纤为了构成实用的传输线路，为了构成实用的传输线路，同时便于工程上安装和敷同时便于工程上安装和敷设，设，常常将若干根光纤组合成光缆。常常将若干根光纤组合成光缆。光缆的结构可分为缆芯、加强元件和护层三大部分。光缆的结构可分为缆芯、加强元件和护层三大部分。缆芯是光缆结构中的主体，缆芯是光缆结构中的主体，其作用主要是妥善地安置其作用主要是妥善地安置光纤的位置，光纤的位置，使光纤在各种外力影响下仍能保持优良使光纤在各种外力影响下仍能保持优良的传输性能。的传输性能。加强件对缆芯起机械保护和环境保护作用加强件对缆芯起机械保护和环境保护作用被覆光纤：对光纤进行两次覆盖被覆光纤：对光纤进行两次覆盖4 4 光缆光缆4 4 光缆光缆聚乙烯聚脂薄膜带包带骨架中心加强芯光纤光纤钢芯(a)(b)钢棒聚乙烯带状光纤聚乙烯管光纤纤维凯夫拉尔纤维聚乙烯(c)(d)各类光缆的典型结构示意图各类光缆的典型结构示意图(a)层绞式；层绞式；(b)骨架式；骨架式；(c)带状式；带状式；(d)束管式束管式5 波分复用波分复用波分复用波分复用(WND)：是将两种或多种不同波长的光载波是将两种或多种不同波长的光载波信号信号(携带各种信息携带各种信息)在发送端经复用器汇合在一起，并在发送端经复用器汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器将各种波长的光载波分离，然后由光接端，经解复用器将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。复用。光频分复用指光频率的细分光频分复用指光频率的细分,光信道非常密集。光波分光信道非常密集。光波分复用指光频率的粗分复用指光频率的粗分,光倍道相隔较远光倍道相隔较远,甚至处于光纤不甚至处于光纤不同窗口。同窗口。5 波分复用波分复用光缆光缆光纤光纤空分复用空分复用波长波长再利用再利用OXCOXCDWDMOTDMTDMOTDM光信道OTDM光信道波长信道波长信道波长复用信道波长复用信道电信道电信道OCDM光码分信道光码分信道DWDMOTDMTDMOTDM光信道OTDM光信道波长信道波长信道波长