[互联网]信息传播技术第五章简略版光纤通信.ppt

第5章 光纤通信,变化：电信道变为光信道；电信号变为光信号,本章学习重点 光纤通信的概念与特点 光纤传输光信号的原理 光纤通信的主要技术,概述,光纤可以导光； 光可以传输信息,光纤灯光纤的非通信用途：照明,现代通信方式示意图,光纤通信经过30年的技术发展目前正在替代 其他的有线通信方式,电磁波的波段,光通信的起源,贝尔的光电话 光通信的出现比无线电通信还早。 1896年，波波夫发送与接收了第一封无线电报，是无线通信的标志; 1880年，电话发明家贝尔利用太阳光作光源，大气为传输媒质，用硒晶体作为光接收器件，成功地进行了光电话的实验，通话距离最远达到了213米。,光在大气中的传递会受到气象条件限制， 所以光通信必须要解决两个最根本的问题： 1.必须有稳定的、低损耗的传输媒质。 2.必须要找到高强度的、可靠的光源。,光源问题： 从通信技术角度看，太阳光、灯光等普通的可见光源， 都不适合作为通信的光源， 这些光都带有“噪声” ， 光的频率不稳定、不单一， 光的性质也很复杂。,光传输介质问题： 一是要导光， 二是传输性能即衰减率要达到通信要求。 在此后的几十年中，由于这两项关键技术没有得到解决，因此贝尔的光电话始终没有走上实用化的阶段。,1955年，英国的卡帕尼博士， 发明了用极细的玻璃制做的光导纤维。 光纤应用在医学上， 用光纤束组成内窥镜， 可以观察人体肠胃内的疾病， 协助医生及时作出确切的判断。,胃镜 短距离的光通信,目镜,光纤,探头,光源的问题解决了,但以上的光纤由于衰减率太高，还不能用于通信。 1960年7月8日，美国科学家梅曼发明了红宝石激光器， 从此人们便可获得性质和电磁波相似而频率稳定的光源。 研究现代化光通信的时代也从此开始。,激光产生原理,光传输介质的问题解决了,1966年英国标准电信研究所的高锟和Hockham 提出 用玻璃纤维可以进行通信的设想。 1970年美国康宁公司的马瑞尔、卡普隆、凯克成功地制成了衰减水平为20db/km的光纤， 标志着光纤用于通信有了现实的可能性。,1986年,1977年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用，速率为45Mbs。 1991年起，我国开始大力发展光纤通信。,第一节 光纤通信的概念,主要讨论光学特性,一.光纤通信的概念,1.光纤通信： 以光波为载波携带信号，以光导纤维为传输介质的通信方式。 数字光纤通信： 以光波为载波携带数字信号，以光导纤维为传输介质的通信方式。,微波的频率范围300MHZ-300GHZ,（1）频带宽，通信容量大。 光纤可利用的带宽约为50000GHz， 2.4Gb/s系统，能同时传输30000多路电话。,2.特点,以传输图书为例： 45MB的数据相当于45本小说的信息量。 一个信道每秒可以输出40GB的数据， 一根有200个信道的光纤 一秒可以传输上百万本小说。 这意味着，地球上每一个读者 可在一秒钟内把美国国会图书馆的藏书下载到自己的计算机上。,宽带宽意味着高传输速率,（2）低损耗，中继距离长 一根火柴划亮后的微弱光芒， 经过200公里的光缆输出， 火柴光依然清晰可见。,所谓损耗是指光纤每单位长度上信号的衰减,单位为dB/km。 衰减率越低，传输距离越长。 光纤损耗的高低直接影响传输距离或中继站间隔距离的远近。,目前，光纤的最低损耗已达0.2dB/km， 这样单模光纤的最大中继距离可达上百公里， 比同轴电缆大几十倍， 比铜线大上百倍， 如果再使用光纤放大器的话， 不需要再生中继，可以直通上万公里。,（3）抗干扰能力强，保密性好。 抗干扰能力强主要有两个原因： 第一,光纤由石英材料构成的， 它是非金属绝缘体， 不怕雷电和高压， 不受电磁干扰见图示；,第二,光纤中传输的是频率很高的光波， 而各种干扰的频率一般都比较低， 不能干扰频率比它高的多的光波。,保密性好是因为光纤表面的涂层具有隔离辐射的作用， 加上涂层中的消光剂，即使光缆内光纤总数很多，也可实现无串音干扰； 光缆外也无法窃听到光纤中传输的信息。 另外在光缆弯曲半径很小时，辐射出的光波也十分微弱。,（4）缺点 光纤质地脆、机械强度低、 需要比较好的切割及连接技术， 光纤弯曲半径不宜过小， 分路、耦合比较复杂。 但这些问题比起光纤众多的优点来说都是小问题。,二.光纤通信所使用的光,（一）光波的划分及光纤所用的光,频率 Hz,近红外区域的光,光纤使用的光是在近红外区内， 其波长为0.8-1.8微米 频率为 Hz左右。,科学家经过长期的研究发现， 光以0.85微米、1.31微米和1.55微米三种波长通过光纤时， 所受的“阻力” 比其它波长阻力小得多， 所以光纤通信所用的波长以这几种为主， 并将这三个点的光波称作光纤通信的三个实用窗口。,半导体激光器产生的激光与 半导体二极管产生的荧光 都可以作为光信通信使用的光源。,光纤三个窗口与损耗特性,注：1m（微米）=1000nm（纳米）,三.光纤通信的介质光纤 （一）光纤的结构,通信光纤是由纤芯、包层、保护套三部分组成。 纤芯：折射率较高，用来传送光； 包层：折射率较低，保护纤芯，隔离辐射，将光波限制在纤芯中形成全反射； 保护套：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。,实物图,光纤的结构与折射率,（二）光纤的分类 1.按照折射率可以分为： 均匀光纤 非均匀光纤,折射率： 影响的是轨迹,均匀光纤： 指光线的折射率n1和包层的折射率n2 都为一常数，且n1n2， 在纤芯和包层交界处折射率呈阶梯型变化。,非均匀光纤： 指光纤纤芯的折射率n1 是随半径变化的函数， 半径增加折射率按一定规律减小， 在纤芯与包层的交界处n1等于 n2。如图示,不是常数,不同的折射率分布，传输特性完全不同,轨迹为直线光反射前进,轨迹为曲线光折射前进,轨迹为直线沿轴线前进,均匀光纤的传输特性（单模）,非均匀光纤的传输特性（多模）,非均匀光纤的传输特性 （多模）,2.按照传输的模数可以分为： 单模光纤 多模光纤 模式概念： 光在光介质中传输，其电磁场的分布形式。 用几何光学解释，模式指光传输的角度。 单模是用一种角度的光传输， 多模式多种角度的光。,影响的是光路的个数,光纤的传输模式和纤芯的几何尺寸有关。 如果纤芯的几何尺寸远大于光波波长时， 光在光纤中会以几十种乃至几百种传输模式进行传输。如图所示。,目前技术支持两种在光纤中传输光线的模式,多模,单模,阶跃 （均匀光纤）,渐变 （非均匀光纤）,单模光纤： 单模光纤的纤芯径d1在4m10m范围（1mm=1000m）， 当纤芯的几何尺寸（纤芯直径d1）较小， 与光波长在同一数量级时， 理论上光纤只传输一种模式， 即纤芯中只有一路光线通过不同的光路传输。,光在均匀介质单模光纤中的传输轨迹,轴线的平行线,多模光纤： 多模光纤的纤芯直径一般为50-75m， 当光纤的几何尺寸（纤芯直径d1）大于光波波长时（约1m）， 光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式， 即多路光线通过不同的光路传输。 这样的光纤称为多模光纤。,光在均匀光纤多模光纤中的传输,光在非均匀光纤多模光纤中的传输,三种主要类型光纤的比较,单模光纤,多模光纤,均匀光纤的折射率,非均匀光纤的折射率,均匀光纤光传输路径,非均匀光纤光传输路径,多模光纤的纤芯,多模光纤的纤芯,单模光纤的纤芯,单模光纤光传输路径,以上说明： （1）光学特性对光传输特性有影响。 均匀光纤（阶跃式）与非均匀光纤（渐变式）的光传输路径不同。 （2）纤芯的直径对光传输特性的影响： 单模与多模光传输路径不同。,第二节 光纤的传输特性,一.光纤的导光原理,1.光的自然特性,光的折射 反射,空气折射率=n1 玻璃折射率= n2 n2 n1 折射率由高到低偏离法线；反之亦然。,光纤的反射与折射,光的全反射现象,当n2n1 c为临界角 90 1 c 时发生全反射,介质从高密到低密偏离法线产生折射,当入射角大于临界角小于90度时产生反射,2. 光纤的光学特性导光原理,折射角,入射角,包层 （低折射率的媒体）,包层 （低折射率的媒体）,纤芯 （高折射率的媒体）,包层,纤芯,单模导光路径,当纤芯的直径在4-10微米左右， 采用均匀光纤和高度集中的光源， 使得发出的光线限制在非常接近水平的很小范围内, 从而使得传输的光线基本与轴线水平。,单模光纤中不同光线的传输几乎是相同的， 从而可以忽略传输延迟， 所以光线几乎同时到达目的地， 可以无扭曲地重组为完整的信号。,信源信号,信宿信号,多模均匀光纤的导光路径,均匀光纤纤心的折射率为一常数， 在均匀光纤中传输 相当于在均匀介质中传输。 当纤芯的折射率满足全反射定律时， 依照光全反射原理 以锯齿形轨迹向前传输。,多模均匀光纤的导光原理,在边界，光线反射回来的反射角等于入射角， 入射角越大，反射角越大，传输的距离越远。,多模非均匀光纤的导光路径,非均匀光纤纤芯折射率n1是半径r的函数， n1随r的增加而按一定规律减小， 到达与包层的交界面为n2， 而包层的折射率为n2， 由于n1随r的增加按一定规律减小， 因此可根据n1（r）的不同，将纤芯n1分成若干层，设n11n12n13,光密到光疏偏离法线,光密到光疏偏离法线,光疏到光密靠近法线,光疏到光密靠近法线,光密到光疏偏离法线,半径,根据折射定律，当光密进入光疏时偏离法线，当光疏进入光密时靠近法线。 光线进入时， “每一层” 向远离法线方向折射； 在半径最大值处反射； 之后光线射出时， “每一层”向靠近法线方向折射； 从而形成和轴线相交的正弦曲线。,多模非均匀光纤导光原理： 依照光的折射原理传输， 光的轨迹是一条多次折射形成的曲线（类似于正弦曲线）向前传输。,多模非均匀光纤中光线传输路径,多模光纤中的传输问题： 不同光线的折射、反射角度不同， 路径也是不相同的， 所以光线到达目的地的时间也是不同， 从而出现传输延迟的现象， 使信号出现畸变。,从信号角度观察光纤的三种传输路径的影响,输入信号,信号传输路径,信号传输路径,信号传输路径,输出信号,二.光纤的传输特性,光纤的传输特性是指 光纤的损耗特性和色散特性。,1.光纤的损耗特性 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加， 而光功率强度逐渐减弱， 光纤对光波产生衰减作用， 称为光纤的损耗（或衰减）。,光纤的损耗限制了光信号的传输距离。 光纤的损耗主要取决于 吸收损耗、 散射损耗、 弯曲损耗。,（1）吸收损耗 由于光纤材料的成分造成的 紫外吸收、红外吸收， 以及杂质吸收造成的损耗。,（2）散射损耗 由于光纤材料的不均匀使光信号向四面八方散射引起的损耗称为散射损耗。 光纤制造中，结构上的缺陷会引起与波长无关的散射损耗。,（3）弯曲损耗 光纤的弯曲会引起辐射损耗。 实际中，光纤有两种情况的弯曲： 一种是曲率半径比光纤直径大得多的弯曲； 一种是微弯曲。 决定光纤衰减常数的损耗主要是吸收损耗和散射损耗， 弯曲损耗对光纤衰减常数的影响不大 。,2.光纤的色散特性 色散是指复色光分解为单色光而形成的光谱现象。,光纤的色散是在光纤中的光信号， 随传输距离增加， 由于不同成份（频率、波长不同）的光传输时延不同 引起的脉冲展宽的物理效应。,光纤色散将引起光脉冲展宽和码间串扰， 最终影响通信距离和容量，如图示。 色散的大小常用时延差表示， 时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成份传输同样距离而产生的时间差。,色散引起的脉冲展宽示意图,脉冲展宽,纤芯,纤芯的包层,纤芯的包层,码间干扰,色散将导致码间干扰。 由于各波长成分到达的时间先后不一致， 因而使得光脉冲展宽，如图。 脉冲展宽将使前后光脉冲发生重叠， 形成码间干扰引起误码， 因而限制了传输的码速率和传输距离。,损耗特性和色散特性限制了光纤通信。 为克服这些限制， 需要进一步提高光纤传输光信号的相对稳定性， 还需要采用色散管理、宽带掺铒光纤放大器（EDFA ）、拉曼（Raman）放大、前向纠错（FEC）等新技术。,第三节 数字光纤通信系统,一.数字光纤系统的系统组成,如何完成电信号与光信号的转换,（一）数字光纤通信系统框图1,电话机,电视摄像机,电 端 机,光 端 机,电话机,电视 接收机,电 端 机,光 端 机,光缆,信息发送端,信息接收端,（一）数字光纤通信系统框图2,（一）数字光纤通信系统框图3,（一）数字光纤通信系统框图4,光信号,传输 线路,电信号,驱,动,光,源,中,继,器,光,检,测,光,大,光,电路,放,光,传输 线路,（二）数字光纤通信的主要设备,光发送端机 光接收端机 光中继器,1.光发送端机,发送端机的核心是一个光源， 其主要功能就是将电信号转换为光信号。 可采用发光二极管(LED)或半导体激光器 (LD)作为光源。,1.光发送端机框图,完成码型转换,完成电信号到光信号的转换,光发送机的功能 光发射机是电光转换的光端机。 它的主要部件是：驱动电路和光源。 功能是将电信号（数字信号）转化为光信号， 经编码后调制光源， 产生载有信息的光信号， 完成电光转换， 然后将光信号耦合到光纤中传输。,光接收机的关键设备是光检测器， 主要功能是把光信号转换为电信号。 当今光纤通信系统中的光检测器是半导体光电二极管(PD),2.光接收端机,2.光接收端机框图,完成光信号到电信号的转换,完成码型转换,光接收端机的功能 光接收机是光电转换的光端机。 它也由两部分组成：,光检测电路和放大电路。 它的功能是将光纤传输来的光信号， 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， 送入电接收机。,3. 光中继器,光中继器的功能 一是补偿光的衰减； 二是对波形的失真脉冲进行整形。,光中继器通过再放大、再整形、再定时， 让光脉冲再生。 但这种过程相对复杂， 不利于光纤的高速传输。 自从掺铒光纤放大器问世以后， 光中继实现了全光中继， 直接对光信号放大。,3. 光中继器,最简单的光中继器,3.最简单的光中继器,实用的中继器方框图,二.光纤通信工作原理,光纤通信的原理 在发送端 首先把传输的信息(如话音)变成数字电信号， 送入激光器， 调制激光器发出的激光束， 使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化， 将电信号转换成相应的光信号， 由光纤发送出去。,光中继器接收到衰弱的光信号， 对变形的光信号进行放大、 恢复处理，再送入光纤继续传输。 在接收端， 检测器收到光信号后 将光信号变换成数字电信号， 放大处理后，送入PCM多路复用设备。,第四节 光纤通信复用技术,光纤通信复用技术是指 在同一光链路上传输多路复用光信号， 到接收端后进行分路。 光纤传输复用技术有三种基本形式： 波分复用、时分复用、码分复用。,一.波分复用,波分复用(WDM)技术： 是在一根光纤中 同时传输多波长光信号的一项技术， 即各光源具有独立波段的复用方式。,波分复用系统,其基本原理是 在发送端将不同波长的光信号组合起来， 并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输。 在接收端将组合波长的光信号分开， 并恢复出原信号后送人不同的终端。 这是目前研究最多、发展最快、应用最为广泛的光复用技术。,二.时分复用,光时分复用(OTDM)技术 指利用高速光开关把多路光信号在时域里复用到一路上的技术， 即各光源具有独立时间间隔的复用技术。,时分复用系统,其基本原理是 在发送端的同一载波波长上， 把时间分割成周期性的帧， 每一帧再分割成若干个时隙， 然后根据一定的时隙分配原则， 使每个信源在每帧内只能按指定的时隙向信道发送信号， 接收端在同步的条件下， 分别在各个时隙中取回各自的信号而不混扰。,三.码分复用,码分复用(OCDM)技术指 各光源发送一列独立的具有接收端可以识别的脉冲码复用方式。,时分复用系统,基本原理是， 在发送端， 数字脉冲激光器用自身编码调制电信号， 通过光耦合器将多路光信号耦合到一根光纤上传输。 在接收端，根据与对应的的脉码序列对信号进行恢复并解码。,第5章思考题 1.什么是光纤通信？ 2.什么是均匀光纤？均匀光纤的导光原理是什么？什么是非均匀光纤？非均匀光纤的导光原理是什么？ 4.引起光信号在传播中衰落的主要原因是什么？ 5.光发送端机、光接收端机、光中继器的主要功能是什么？ 6.什么是光纤通信的三个主要窗口？,