通信运行部培训课件光纤通信基础0320.ppt
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1、光纤通信基础,通信运行部培训课件V1.0,课程内容,一、课程:光纤通信基础 1、概论 2、光纤与光缆 3、光源器件与光发送机 4、光检测器件与光接收机 5、实用化系统 6、展望,课程内容,课程内容,学完本课程你能够:1、了解并掌握光纤通信的一些基本概念及光纤通信原理、方式及组成 2、掌握光纤与光缆 3、掌握光通信关键光器件 4、掌握光纤通信系统应用 5、了解光纤通信系统发展,课程目标,光纤通信基础,1、概论 1.1、光纤通信概念 1.2、光纤通信发展简史 1.3、光纤通信优点,课程内容,1、概论,1.1、光纤通信概念,所谓光纤通信,就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。要使光波成为
2、携带信息的载体,必须对之进行调制,在接收端再把信息从光波中检测出来,然而由于目前技术水平所限,对光波进行频率与相位调制等仍局限在实验室内,尚未达到实用化水平,因此目前大都采用强度调制与直接检波方式(IM-DD)。又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性性比较严重,所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据方要位置。,课程内容,1、概论,1.1、光纤通信概念,课程内容,1、概论,1.1、光纤通信概念,从图中可以看出,数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接机组成。发送端的电端机把信息(如话音)进行模/数转换,用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件LD,则LD就会发出携带
3、信息的光波。即当数字信号为“1”时,光源器件发送一个“传号”光脉冲;当数字信号为“0”时,光光源器件发送一个“空号”(不发光)。光波经低衰耗光纤传输后到达接收端。在接收端,光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机,而电端机再进行数/模转换,恢复成原来的信息。,课程内容,1、概论,1.2、光纤发展简史,由于光波具有极高的频率(大约3亿兆赫兹),也就是说具有极高的带宽。从而可以容纳更大容量的通信信息。1.2.1、光纤通信的里程碑 1966年7月,英籍、华裔学者高锟博士(K.C.Kao)在PIEE杂志上发表了一篇十分著名的文章用于光频的光纤表面波导,该文从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现
4、光通信的可能性,并设计了通信用光纤的波导结(即阶跃光纤)。更重要的是科学地预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性,即加强原材料提纯,加入适当的掺杂剂,可以把光纤的衰耗系数降到20dB/km以下。而当时世界上只能制造用于工业、医学方面的光纤,其衰耗在1000dB/km以上。对于制造衰耗在20dB/km以下的光纤,被认为是可望不可及的。以后的事实发展证明了高锟博士文章的理论性和科学大胆预言的正确性,所以该文被誉为光纤通信的里程碑。,课程内容,1、概论,1.2、光纤发展简史,1.2.2、导火索 1970年美国康宁玻璃公司根据高锟文章的设想,用改进型化学相沉积法(MCVD法)制造出当时世界第一根超低耗光
5、纤,成为光纤通信爆炸性竞相发展的导火索。虽然当时康宁玻璃公司制造出的光纤只有几米长,衰耗约20dB/km,而且几个小时后便损坏了。但它毕竟证明了用当时的科学技术与工艺方法制造通信用的超低耗光纤是完全有可能的,也就是说找到了实现低衰耗传输光波的理想传输媒体,是光通信研究的重大实质性突破。,课程内容,1、概论,1.2、光纤发展简史,1.2.3、爆炸性发展 1970年以后,光纤通信取得了惊人的进展。从光纤的衰耗看:70年:20dB/km 72年:4dB/km 74年:1.1dB/km 76年:0.5dB/km 79年:0.2dB/km 90年:0.14dB/km 它已经接近石英光纤的理论衰耗极限值0
6、.1dB/km。,课程内容,1、概论,1.2、光纤发展简史,1.2.3、爆炸性发展 1970年以后,光纤通信取得了惊人的进展。从光器件看:1970年,美国贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下连续工作的砷化镓铝半导体激光器,为光纤通信找到了合适的光源器件。后来逐渐发展到性能更好、寿命达几万小时的异质结条形激光器和现在的分布反馈式单纵模激光器(DFB)以及多量子阱激光器(MQW)。光接收器件也从简单的硅PIN光二极管发展到量子效率达90%的III-V族雪崩光二极管APD。,课程内容,1、概论,1.2、光纤发展简史,1.2.3、爆炸性发展 1970年以后,光纤通信取得了惊人的进展。从光纤通信系统看:
7、76年,美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通信系统。码率为45Mb/s,中继距离为10km。80年,多模光纤通信系统商用化(140Mb/s),并着手单模光纤通信系统的现场试验工作。90年,单模光纤通信系统进入商用化阶段(565Mb/s),并着手进行零色散位移光纤和波分复用及相干通信的现场试验,而且陆续制定数字同步体系(SDH)技术标准。93年,SDH产品开始商用化(622Mb/s以下)。95年,2.5Gb/s的SDH产品进入商用化阶段。96年,10Gb/s的SDH产品进入商用化阶段。,课程内容,1、概论,1.2、光纤发展简史,1.2.3、爆炸性发展 1970年以后,光纤通信取得了惊人的
8、进展。从光纤通信系统看:97年,采用波分复用技术(WDM)的20Gb/s和40Gb/s的SDH产品试验取重大突破。此外,在光孤子通信、超长波长通信和相干光通信方面也正在取得巨大进展。,课程内容,1、概论,1.3、光纤通信优点,1.3.1、通信容量大 1.3.2、中继距离长 1.3.3、保密性能好 1.3.4、适应能力强(抗干扰能力强)1.3.5、体积小、重量轻、便于施工维护 1.3.6、原材料来源丰富、潜在价格低廉,光纤通信基础,2、光纤与光缆 2.1、光纤的构造 2.2、光纤的分类 2.3、光纤的导光原理 2.4、光纤的特性与参数 2.5、光缆简介,课程内容,2、光纤与光缆,2.1、光纤的构
9、造(找一段光缆剥开演示),课程内容,2、光纤与光缆,2.1、光纤的构造,2.1.1、纤芯 纤芯位于光纤的中心部位(直径d1约950um),其成份是高纯度的二氧化硅,此外还掺有极少量的掺杂剂如二氧化锗,五氧化二磷等,掺有少量掺杂剂的目的是适当提高纤芯的光折射率(n1)。2.2.2、包层 包层位于纤芯的周围(其直径d2约125um),其成份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。而掺杂剂(如三氧化二硼)的作用则是适当降低包层的光折射率(n2),使之略低于纤芯的折射率。2.2.3、涂敷层 光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂敷层,其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。一般涂敷后的光纤外径约1
10、.5cm。,课程内容,2、光纤与光缆,2.2、光纤的分类,目前光纤种类繁多,但按其分类方法而言,大致有四种,按光纤剖面折射率分布分类、按传播模式分类、按工作波长分类、按套塑类型分类。2.2.1、按光纤剖面折射率分类阶跃光纤与渐变光纤 阶跃光纤:在纤芯与包层区域内,其折射率分布分别是均匀的,其值分别为n1与n2,但在纤芯与包层的分界处,其折射率的变化是阶跃的,如图2.2所示。,课程内容,2、光纤与光缆,2.2、光纤的分类,阶跃光纤 阶跃光纤是早期光纤的结构方式,后来在多模光纤中逐渐被渐变光纤所取代(因渐变光纤能大大降低多模光纤所特有的模式色散),但用它来解释光波在光纤中的传播还是比较形象的。而现
11、在当单模光纤逐渐取代多模光纤成为当前光纤的主流产品时,阶跃光纤结构又作为单模光纤的结构形式之一。,课程内容,2、光纤与光缆,2.2、光纤的分类,渐变光纤:光纤轴心处的折射率最大(n1),而沿剖面径向的增加而逐渐变小,其变化规律一般符合抛物线规律,到了纤芯与包层的分界处,正好降到与包层区域的折射率n2 相等的数值:在包层区域中其折射率的分布是均匀的即为n2。如图2.3所示。至于渐变光纤的剖面折射率为何做如此分布,其主要原因是为了降低多模光纤的模式色散,增加光纤的传输容量。,课程内容,2、光纤与光缆,2.2、光纤的分类,渐变光纤,课程内容,2、光纤与光缆,2.2、光纤的分类,2.2.2、按传播模式
12、分类多模光纤与单模光纤 传播模式概念 光是一种频率极高(3*1014赫兹)的电磁波,当它在波导光纤中传播时,根据波动光学理论和电磁场理论,需要用麦克斯韦方程组来解决其传播方面的问题。而通过繁琐地求解麦氏方程组之后就会发现,当光纤纤芯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播模式进行传播,如TMmm模、TEmn模、HEmn模等等(其中m、n=0,1,2,3.)。其中HE11模被称为基模,其余的皆称为高次模。当光纤的几何尺寸(主要是纤芯直径d1)远无大于光波波长时(约1um),光纤中会存在几十种乃至几百种传播模式。不同的传播模式会具有不同的传播速度与相位,因此经过长距离传输后会产
13、生时延,导致光脉冲变宽。这种现象叫做光纤的模式色散(又叫模间色散)。计算多模光纤中传播模式数量的经典公式N=1/4V2,其中V为归一化频率。例如当V=38时,多模光纤中会存在三百多种传播模式。模式色散会使多模光纤的带宽变窄,降低了其传输容量,因此多模光纤仅适用于较小容量的光纤通信。多模光纤的折射率分布大都为抛物线分布即渐变折射率分布。其纤芯直径d1约为50um左右。,课程内容,2、光纤与光缆,2.2、光纤的分类,2.2.2、按传播模式分类多模光纤与单模光纤 根据电磁场理论与求解麦氏方程组发现,当光纤的几何尺寸(主要是芯径)可以与光波长相比拟时,如芯径d1在510um范围,光纤只允许一种模式(基
14、模HE11)在其中传播,其余的高次模全部截止,这样的光纤叫做单模光纤。由于它只允许一种模式在其中传播,从而避免了模式色散的问题,故单模光纤具有极宽的带宽,特别适用于大容量的光纤通信。其实,准确地讲要实现单模传输,必须使光纤的诸参量满足一定的条件,即归一化频率 V 2.4048。因为:V=(2a1/)*NA 所以可以解得光纤的纤芯半径应满足下式才能实现单模传输:a1(1.2024)/(NA)a1为纤芯半径;为光波波长;NA为数值孔径(能使光在光纤中以全反射进行传播的接收角之正弦值)。,课程内容,2、光纤与光缆,2.2、光纤的分类,2.2.3、按工作波长分类短波长光纤与长波长光纤 短波长光纤 在光
15、纤通信发展的初期,人们使用的光波波长在0.60.9um范围(典型值为0.85um),习惯上把在此波长范围内呈现低衰耗的光纤称作短波长光纤。短波长光纤属于早期产品,目前很少采用。长波长光纤 后来随着研究工作的不断深入,人们发现在波长1.31um和1.55um附近,石英光纤的衰耗急剧下降如图2.4所示。不仅如此,而且在此波长范围内石英光纤的材料色散也大大减小。因此人们在研究工作又迅速转移,并研制出在此波长范围内衰耗更低,带宽更宽的光纤,习惯上把工作在1.02.0um波长范围的光纤称之为长波长光纤。长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点,特别适用于长距离、大容量的光纤通信。,课程内容,2、光纤与光缆,
16、2.2、光纤的分类,2.2.3、按工作波长分类短波长光纤与长波长光纤,课程内容,2、光纤与光缆,2.2、光纤的分类,2.2.4、按套塑类型分类紧套光纤与松套光纤 紧套光纤 所谓紧套光纤是指二次、三次涂敷层与预涂敷层及光纤的纤芯,包层等紧密地结合在一起的光纤。目前此类光纤居多。未经套塑的光纤,其衰耗温度特性是十分优良的,但经过套塑之后其温度特性下降。这是因为套塑材料的膨胀系数比石英高得多,在低温时收缩的较厉害,压迫光纤发生向弯曲,增加光纤的衰耗。松套光纤 所谓松套光纤是指,经过预涂敷后的光纤松散地放置在一塑料管之内,不再进行二次、三次涂敷。松套光纤的制造工艺简单,其衰耗温度特性与机械性能也比紧套
17、光纤好,因此越来越受到人们的重视。,课程内容,2、光纤与光缆,2.3、光纤的导光原理,2.3.1、全反射原理 当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的,但在到达两种不同介质的分界面时,会发生反射与折射现象,如图2.5所示。,课程内容,2、光纤与光缆,2.3、光纤的导光原理,2.3.1、全反射原理 根据光的反射定律,反射角等于入射角。根据光的折射定律:n1Sin1=n2Sin2(2.2)其中n1为纤芯的折射率,n2为包层的折射率。显然,若n1n2,则会有21。如果n1与n2 的比值增大到一定程度,则会使折射角290o,此时的折射光不再进入包层,而会在纤芯与包层的分界面上掠过(2=90o),或者
18、重返回到纤芯中进行传播(290o)。这种现象叫做全反射现象,如图2.6所示。,课程内容,2、光纤与光缆,2.3、光纤的导光原理,人们把对应于折射角 2=90o的入射角叫做临界角。很容易可以得到临界角k=sin-1(n2/n1)。不难理解,当光在光纤中发生全反射现象时,由于光线基本上全部在纤芯区进行传播,没有光跑到包层中去,所以可以大大降低光纤的衰耗。早期的阶跃光纤就是按这种思路进行设计的。,课程内容,2、光纤与光缆,2.3、光纤的导光原理,2.3.2、光在阶跃光纤中的传播 传播轨迹 了解了光的全反射原理后,不能画出光在阶跃光纤中的传播轨迹,即以”之”字形传播,及沿纤芯与包层的分界面掠过,如图2
19、.7所示。数值孔径 通常人们希望利用入射光与光纤顶端面的夹角C 来衡量光纤接收光的能力,于是产生数值孔径的概念。其物理意义是:能使光在光纤内以全反射形式进行传播的接收角c 的正弦值。,课程内容,2、光纤与光缆,2.3、光纤的导光原理,2.3.3、光在渐变光纤中的传播 定性解释 由图2.3和(2.1)式知道,渐变光纤的折射率分布是在光纤的轴心处最大,而沿剖面径向的增加而折射率逐渐变小。假设光纤中由许多同轴的均匀层组成,且其折射率由轴心向外逐渐变小,如图2.8所示。,课程内容,2、光纤与光缆,2.3、光纤的导光原理,2.3.3、光在渐变光纤中的传播 传播轨迹 理论上可以证明,若渐变光纤的折射率,分
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