光纤通信第一章课件.ppt

1、教材：教材：光纤通信（第二版）光纤通信（第二版）顾婉仪顾婉仪 人民邮电出版社人民邮电出版社参考书：参考书：1.1.光纤通信及网络技术光纤通信及网络技术 徐宝强徐宝强 北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社2.2.光纤通信（第四版光纤通信（第四版 ）Gerd Keiser Gerd Keiser 电子工业出版社电子工业出版社光光 纤纤 通通 信信绪论绪论通信（通信（Communication）光通信（光通信（Optical Communication）光纤通信（光纤通信（Optical fiber Communication）部分电磁波频谱部分电磁波频谱100 THz10 THz1 THz

2、100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10 MHz1 MHz1 m可见光线10 m100 m1 mm10 mm100 mm1 m10 m100 m中波(MF)短波(HF)米波(VHF)分米波(UHF)厘米波(SHF)毫米波(EHF)亚毫米波远红外线近红外线(光纤通信用）频率波长名称紫外线光纤光发射机电端机电端机电端机电端机光接收机光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成光源光源放大器放大器光电二光电二极管极管判决器判决器光纤-传输通道功率降低脉冲展宽畸变损耗（Loss）色散（Dispersion）非线性效应（Nonlinearity）有三种危害有三种危害光发射机-PCM加载到光源上驱动

3、电路驱动电路光光 源源调制器调制器通道耦合器通道耦合器电信号输入 光输出LED、LD、DFB光接收机-接收光信号光检测器偏压控制前置放大器AGC电路均衡器判决器时钟提取再生码流主放大器光信号PIN APD中继器恢复原来的信号放大（Reamplifying）重定时（Retiming）整形（Reshaping）3R:Fire beacons 狼烟狼烟 1880年，贝尔年，贝尔(Bell)发明了发明了“光电话光电话”。光1962 半导体激光器1960 梅曼 红宝石激光器动态单纵模DFB-LD1975年 1310、1550nm MM-LD静态单纵模DFB-LD1970 双异质结半导体激光器双异质结半导

4、体激光器 850nmDSF色散位移光纤MMF to SMFSMF1966 高锟 论文预言波长1310、1550 nm低损耗窗口1970 康宁、损耗康宁、损耗20dB/km商用：大有效面积NZDSFNZDSF商用：DFB-MQW-LD多量子阱激光器1962 半导体激光器1960 梅曼 红宝石激光器动态单纵模DFB-LD1975年 1310、1550nm MM-LD静态单纵模DFB-LD1970 双异质结半导体激光器双异质结半导体激光器 850nmDSF色散位移光纤MMF to SMFSMF1966 高锟 论文预言波长1310、1550 nm低损耗窗口1970 康宁、损耗康宁、损耗20dB/km商

5、用：大有效面积NZDSFNZDSF商用：DFB-MQW-LD多量子阱激光器第一阶段：第一阶段：70s 70s 波长：波长：850nm850nm 光纤：多模光纤光纤：多模光纤 MMFMMF 速率：速率：10-100Mb/s10-100Mb/s 距离：距离：10km10km第二阶段：第二阶段：80s 80s 波长：波长：13101310nm 激光器：激光器：MM-LD 光纤：光纤：MMF：100Mb/s，10km SMF:1.7Gb/s,50km 第三阶段：第三阶段：80-90s80-90s 波长：波长：1550nm 激光器：激光器：SM-LD 光纤：光纤：SMF 2.5GBb/s，100km 第

6、四阶段：第四阶段：90s,波长：波长：1550nm OA：光放大器（：光放大器（EDFA）DWDM：密集波分复用：密集波分复用 1.光波作为载波，速率高、信息量大；光波作为载波，速率高、信息量大；2.光纤，损耗小、中继距离大；光纤，损耗小、中继距离大；3.抗电磁干扰；抗电磁干扰；4.保密性好；保密性好；5.尺寸小、重量轻；尺寸小、重量轻；6.资源丰富。资源丰富。各种传输线路的损耗特性光纤通信的缺点光纤通信的缺点1 1、光纤的弯曲半径不易过小。、光纤的弯曲半径不易过小。2 2、切断和连接操作复杂。、切断和连接操作复杂。3 3、分路、耦合麻烦、分路、耦合麻烦。28第一章第一章 光纤的基本理论光纤的

7、基本理论结构特性：几何尺寸、分类结构特性：几何尺寸、分类光学特性：折射率、数值孔径光学特性：折射率、数值孔径 传输特性：传输特性：损耗损耗和和色散色散 光纤的特性：光纤的特性：教学重点及难点教学重点及难点重点重点:一、分析光纤的导光原理；一、分析光纤的导光原理；二、理解二、理解光纤损耗和色散的概念光纤损耗和色散的概念；三、掌握光纤单模传输条件的计算。三、掌握光纤单模传输条件的计算。难点：难点：核心核心结构：结构：纤芯、包层纤芯、包层一、结构一、结构 1.1.纤芯纤芯：光波传输的主要通道。光波传输的主要通道。直径直径2a一般在一般在450m。折射率用折射率用n1表示。表示。2.包层：包层：2b=

8、125 m。折射率用折射率用 n2表示。表示。3.涂覆层涂覆层：保护光纤不受水气侵蚀和机械擦伤。：保护光纤不受水气侵蚀和机械擦伤。注：注：n1 n2。这是光在光纤中传输的必要条件。这是光在光纤中传输的必要条件。阶跃光纤的折射率分布渐变光纤的折射率分布 根据电磁场理论：光波存在许多不同的模式根据电磁场理论：光波存在许多不同的模式 石英系光纤石英系光纤 多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤 塑料包层石英芯光纤塑料包层石英芯光纤 全塑料光纤全塑料光纤 m55.1；m85.0；m31.1（Step Index Fiber,SIFStep Index Fiber,SIF），），一般一般2a=50m2a=50m，

9、特点是信号畸变大。，特点是信号畸变大。：相应的带宽只有：相应的带宽只有10-20 MHz10-20 MHzkmkm，只能用，只能用于小容量（于小容量（8 Mb/s8 Mb/s以下）短距离（几以下）短距离（几kmkm以内）系统。以内）系统。（Graded Index Fiber,Graded Index Fiber,GIFGIF），），2a2a为为50m50m，特点是信号畸变小。，特点是信号畸变小。作用作用：带宽可达：带宽可达1-2 GHz1-2 GHzkmkm，适用于中等容，适用于中等容量（量（34-140 Mb/s34-140 Mb/s）中等距离（）中等距离（10-20 km10-20 km

10、）系统。）系统。（Single Mode Fiber,SMF），），2a=4-10 m，其信号畸变很小。，其信号畸变很小。作用作用：大容量：大容量（565 Mb/s2.5 Gb/s）长距离）长距离(30 km以上以上)系统要用单模光纤系统要用单模光纤(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯 2a2an1n2n3(a)(b)(b)色散平坦光纤色散平坦光纤（Dispersion Flattened Fiber,DFF）色散移位光纤色散移位光纤（Dispersion Shifted Fiber,DSF）双折射光纤双折射光纤或偏振保持光纤偏振保持光纤。特种单模光纤特种单模光纤国际电联国际电联ITU-T

11、 的光纤标准的光纤标准nG.651：多模光纤nG.652：第一代单模光纤（用量最大的）nG.653：1550nm 零色散单模光纤nG.654：1550nm 波长衰减最小光纤nG.655：非零色散位移光纤nG.656：光学传输原理光学传输原理分析光纤传输原理的常用方法：分析光纤传输原理的常用方法：分析问题的两个出发点分析问题的两个出发点 数值孔径数值孔径 时间延迟时间延迟 通过分析光束在光纤中传播的空间分布空间分布和时间分布时间分布 射线光学法分析问题的两个角度射线光学法分析问题的两个角度 多模阶跃光纤多模阶跃光纤 多模渐变光纤多模渐变光纤1.1.2 多模阶跃折射率光线的射线光学理论分析多模阶跃

12、折射率光线的射线光学理论分析光纤通信课程 第一章45 (1)(1)反射与折射反射与折射(2)(2)全反射临界全反射临界 临界角临界角 (3)(3)全反射全反射1122sinsinnn29021sincnarcn1c 全反射条件：全反射条件：光线由光密介质光线由光密介质 光疏介质光疏介质 入射角入射角全发射临界角全发射临界角是基于光线在是基于光线在纤芯纤芯和和包层包层交界面上交界面上的的全反射全反射。把光线限制在纤芯中传输。把光线限制在纤芯中传输。光纤光纤种类：子午线光纤光纤种类：子午线 斜射线斜射线n n0 0：空气折射率：空气折射率n n1 1：纤芯折射率：纤芯折射率n n2 2 ：包层折射

13、率：包层折射率 且且n n1 1nn2 2nn0 0（1 1）临界入射（）临界入射（空气中的入射临界角空气中的入射临界角）与入射角的临界角 相对应，光纤入射光的入射入射光的入射角角 有一个称为（简称）imaxc190c011max1sinsinsincosicnnn maxi (2)(2)全反射传输全反射传输 当当 时，时，临界角，临界角，光线在纤芯和包层交界光线在纤芯和包层交界面发生全反射。将光线束缚在纤芯内传输。面发生全反射。将光线束缚在纤芯内传输。maximaxic(3)不能全反射不能全反射 ，则，则 临界角，不能发生全反射。有临界角，不能发生全反射。有折射发生，光线有损失。折射发生，光

14、线有损失。maximaxic半锥角 由此可见，只有在半锥角为 的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。maxi maxsinNAmaxsinNAcnNAcos11cossinsinsin222221cccnnn12221cosnnnc22max12sinNAnnmax1sincoscn 光纤的数值孔径光纤的数值孔径n1n2直径直径 光纤的数值孔径光纤的数值孔径NA越大，纤芯对光能量纤芯对光能量的束缚束缚越强越强，光纤抗弯曲性能越好；()公式可知，NA越大，n1，n2的差值越大；经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而。选择适当的NA，通常用于通信的光纤NA的取值范围为0.10.3之间。2221nnNA

15、 2122212nnn 光纤的数值孔径可表示为：光纤的数值孔径可表示为：221212NAnnn1212122212nnnnnnn1 max01.02500.121nNA)21.0(sin)(sin11maxNA500.1485.1500.1121nnnmax 斜射线在光纤中传输为一条空间折线。斜射线在光纤中传输为一条空间折线。焦散面：焦散面：传输轨迹限定在一定的范围内，并与一圆面传输轨迹限定在一定的范围内，并与一圆面相切，该元柱面称为焦散面，半径为相切，该元柱面称为焦散面，半径为a a0 0图图A 光纤端面投影图光纤端面投影图图图B 光线传输的路径光线传输的路径a0=a 折线变为螺旋线折线变为

16、螺旋线a0=0 斜射线变为子午线斜射线变为子午线；LLmin；LnnLLLBCAB21maxABBCLLvLvLTTminmaxminmaxmax时间延迟差在时域产生，或称为。1ncv 纤芯中速度为211max2nLnLc nc 7.NA 与与 21max2nLc nNA 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；但NA 越大，模间色散越严重。常用于通信的光纤的常用于通信的光纤的NA 取值范围为取值范围为:0.10.10.30.3max2max1()2LNAnc21nNAmax212nncBLBTBTB/1 例：多模阶跃光纤，纤芯折射率n1=1.5，包层折射率n2，求其传输容量B

17、L。km(Mbit/s)001km(bit/s)10107212nncBL002.0121nnn21nn 1.1.3 渐变折射率光纤渐变折射率光纤nn1n2rabr 和和 a 分别为径向坐标和纤芯半径；分别为径向坐标和纤芯半径；为相对折射率为相对折射率差；差；g为折射率分布指数折射率分布指数122(0)0()(0)1 2()gnrrn rnraanra 1.渐变折射率光纤折射率渐变折射率光纤折射率702222n(0)2(0)nn其中其中n(0)n(0)、n n2 2分别是分别是r r0 0处和包层的折射率处和包层的折射率 71222NAnrnr)()(22max2(0)NAnnr i=00=0

18、 不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在一点上，这种现象称为。2max(0)8nLc28(0)cBLn例：一根多模的长度L=1km，纤芯的折射率n(0)=1.5，相对折射率差=0.01，求其模式色散传输容量BL。2816(Gbit/s)km(0)cBLn 22212221nannaV cVV V-Vc-传输条件传输条件当时，只有 一个模式存在，其余模式全部截止。称为。基模以外的模式统称高次模。11HE11HE 1222.40483aVn 122ccanV 截止波长：截止波长：该模式可传输，该模式截止。cc 对于，g，；对于，g=2，。22VM 24VM 光纤最重要的传输特性

19、：光纤最重要的传输特性：01 0()lg(/)iPd Bk mLP 1.损耗系数损耗系数 的存在的存在 光信号光信号减小减小 限制系统的限制系统的。损耗系数：单位长度光纤引起的光功率衰减损耗系数：单位长度光纤引起的光功率衰减1.4 光纤的损耗光纤的损耗01()()()(/)iPd B mPd B md Bk mL包括包括、三部分。三部分。是由是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。引起的吸收产生的。主要由材料微观密度不均匀引起的主要由材料微观密度不均匀引起的和由光纤和由光纤(如气泡如气泡)引起的散射引起的散射产生的。产生的。2.损耗的因素损耗的因素n归

20、纳为：本征损耗、制造损耗、附加损耗归纳为：本征损耗、制造损耗、附加损耗本本征征损损耗耗本征吸收本征吸收红外吸收红外吸收紫外吸收紫外吸收电子越迁电子越迁分子震动分子震动瑞利散射瑞利散射折射率不均匀折射率不均匀瑞利散射损耗与瑞利散射损耗与 成正比成正比 4制制造造损损耗耗结构缺陷结构缺陷散射损耗散射损耗附加损耗：光纤成缆以后出现的损耗。附加损耗：光纤成缆以后出现的损耗。杂质吸收杂质吸收过渡金属离子过渡金属离子 OH0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6实 验波 导 缺 陷紫 外 吸 收瑞 利 散 射红 外吸 收波 长 /m损 耗 /(dBkm 1)1.5 光纤

21、色散 光纤的色散概念光纤的色散概念在物理光学中，色散是指由于某种物理原因使具有不同波长的光不同波长的光经过透明介质后被散开被散开的现象。88 模式色散模式色散是由于是由于不同模式不同模式的时间延迟不同而产的时间延迟不同而产生生模式不同，传输的群速度不同。模式不同，传输的群速度不同。nnn()Vg时延差时延差91()Vg材料色散和波导色散总称为色度色散材料色散和波导色散总称为色度色散0,0,DD为正色散，短波长速度快为负色散，长波长速度快单模光纤色散特性单模光纤色散特性 由于 HE11y 和 HE11x 模的传播常数y 和x 小不同，因此引起这两个模式传输的不同步，从而形成色散。这种色散叫做极化

22、色散。光纤通信课程 第一章99n色散系数色散系数D D（）n最大时延差最大时延差n光纤的带宽光纤的带宽B B光纤通信课程 第一章100定义：单位光谱线宽光源在单位长度光定义：单位光谱线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差。纤上所引起的时延差。()(/),/;.ggDps km nmps km为单位长度光纤上的时延差 单位是是光源的的光谱宽度101 描述光纤中速度最快和最慢的光波成分描述光纤中速度最快和最慢的光波成分的时延之差。时延差越大，色散越严重。的时延之差。时延差越大，色散越严重。222wmnnmw模式色散材料色散波导色散多模光纤的色散多模光纤的色散22mM单模光纤的色散单模光纤的色散22

23、Wm 定义：定义：调制信号调制信号经过光波运载后，光功率经过光波运载后，光功率降低降低一半一半的的频率频率，相应于，相应于光功率光功率的的3dB带宽。或带宽。或电功率电功率的的6dB带宽。带宽。dBgPfPdB32110lg103）（）（光光光纤的带宽光纤的带宽 441()BMHz km1ns/kmkm 光脉冲传输的时延差，带宽与长度的关系带宽与长度的关系B 为光纤为光纤每千米每千米带宽；带宽；B 为光纤长度为为光纤长度为L km时带宽；时带宽；E 为带宽长度系数，单模光纤E=1。ELBB 105n高光功率高光功率n细的纤芯细的纤芯受激散射效应受激散射效应：受激布里渊散射受激布里渊散射 受激拉曼散射受激拉曼散射折射率扰动折射率扰动（Kerr效应）效应）非线性效应非线性效应单模：材料色散为主单模：材料色散为主多模：模式色散和材料色散共有多模：模式色散和材料色散共有 色散除了与材料和光纤结构有关，还和光源频率有关色散除了与材料和光纤结构有关，还和光源频率有关重点：重点：1.光纤的结构，分类光纤的结构，分类 2.数值孔径，折射率分布数值孔径，折射率分布 3.损耗，色散损耗，色散 4.时延、时延差、归一化频率、单模传输条件时延、时延差、归一化频率、单模传输条件