光纤通信.pptx
《光纤通信.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《光纤通信.pptx(167页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第第三三章章光光纤纤通通信信3.1 光纤通信概述 我我们们知知道道,对对于于载载波波通通信信而而言言,载载波波频频率率(简简称称载载频频)越越高高,意意味味着着可可以以用用于于通通信信的的频频带带就就越越宽宽,则则通通信信容容量量就就越越大大。有有线线通通信信从从明明线线发发展展到到电电缆缆,无无线线通通信信从从短短波波发发展展到到微微波波和和毫毫米米波波,它它们们的的目目的的都都是是通过提高载波频率来扩大通信容量。通过提高载波频率来扩大通信容量。第第三三章章光光纤纤通通信信光光纤纤即即为为光光导导纤纤维维的的简简称称,它它是是一一种种能能够够通通过过光光的的直直径径很很细细的的透透明明玻玻璃
2、璃丝丝。光光纤纤通通信信是是以以光光波波作作为为载载波波,以以光光纤纤作作为为传传输输媒媒质质所所进进行行的的通信。通信。光光波波也也是是一一种种电电磁磁波波,频频率率在在1014Hz 数数量量级级,比比微微波波(1010Hz)高高104105倍倍,因因此此具具有有比比微微波波大大得得多多的的通通信信容容量量。所所以以光光纤纤通通信信一一经经问问世世,就就以以极极快快的的速速度度发发展展,它它将将是是未未来来信信息社会中各种通信网的主要传输方式。息社会中各种通信网的主要传输方式。第第三三章章光光纤纤通通信信3.1.1 光纤通信的发展历史 一九六六年七月,英藉、华裔学者高锟博一九六六年七月,英藉
3、、华裔学者高锟博士(士(K.C.KaoK.C.Kao)发表了一篇十分著名的文章)发表了一篇十分著名的文章用于光频的光纤表面波导用于光频的光纤表面波导,该文从理论上,该文从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性,并设计了通信用光纤的波导结(即的可能性,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纯,加入适当的掺杂剂,可以把光纤的衰耗系数降低到数降低到20dB
4、/km20dB/km以下。以下。第第三三章章光光纤纤通通信信1970年年,美美国国康康宁宁公公司司首首先先研研制制出出损损耗耗为为20 dB/km的的光光纤纤,与与此此同同时时GaAlAs-GaAs双双异异质质结结半半导导体体激激光光器器实实现现了了室室温温下下连连续续运运转转,从从而而光光通通信信进进入入了了光光纤纤通通信信的的新新时时代代。国国际际上上一一般般都都把把1970年年看看做做是是光光纤纤通通信信的的开开元元之之年年。此此后后世世界界各各国国纷纷纷纷开开展展研研究究,光光纤纤的的发发展展十十分分迅迅速速。在在这这短短短短的的30多多年年的的时时间间里里,光纤通信已发展了四代:光纤
5、通信已发展了四代:第第三三章章光光纤纤通通信信第一代为短波长(第一代为短波长(0.85 m)多模光纤通信;)多模光纤通信;第二代为长波长(第二代为长波长(1.3 m)多模光纤通信;)多模光纤通信;第三代为长波长(第三代为长波长(1.3 m)单模光纤通信;)单模光纤通信;第四代为长波长(第四代为长波长(1.55 m)单模光纤通信。)单模光纤通信。随着光电集成、光纤放大器、光波复用等随着光电集成、光纤放大器、光波复用等新技术的开新技术的开 发、使用,光纤通信将成为通信发、使用,光纤通信将成为通信领域的主力军。领域的主力军。第第三三章章光光纤纤通通信信3.1.2 光纤通信的工作波长 光光波波的的波波
6、长长在在微微米米级级,通通常常将将紫紫外外线线、可可见见光光、红红外线都归入光波范畴,如图外线都归入光波范畴,如图3.1所示为光的波谱图。所示为光的波谱图。阴影部分为光纤通信波段图3.1 光的波谱图 第第三三章章光光纤纤通通信信光光纤纤通通信信使使用用的的波波段段位位于于近近红红外外区区,波波长长范范围围为为0.8 m1.8,其其中中0.8 m1.0称称为为短短波波长长波波段段区区,1.0 m1.8 m称称为为长长波波长长波波段段区区。目目前前光光纤纤通通信信使使用用的的波波长长选选择择在在两两个个波波段段区区的的低低损损耗耗点点,即即0.85 m、1.31 m、1.55 m,通通常常称称它它
7、们们为为当当前前光光纤纤通通信信的的三个窗口三个窗口。第第三三章章光光纤纤通通信信3.1.3 光纤通信的特点 光光纤纤通通信信与与电电通通信信的的主主要要差差异异:一一是是以以很很高高频频率率的的光光波波作作为为载载波波传传输输信信号号;二二是是用用光光导导纤纤维维构构成成的的光光缆缆作作为为传传输输线线路路。因因此此,在在光光纤纤通通信信中中起起主主导导作作用用的的是是产生光波的激光器和传输光波的光导纤维。产生光波的激光器和传输光波的光导纤维。光光纤纤通通信信之之所所以以能能够够飞飞速速发发展展,是是由由于于它它具具有有以以下下的突出优点所决定:的突出优点所决定:(1)传输频带宽,通信容量大
8、)传输频带宽,通信容量大由由信信息息理理论论知知道道,载载波波频频率率越越高高通通信信容容量量越越大大,因因目目前前使使用用的的光光波波频频率率比比微微波波频频率率高高104105倍倍,所所以以通信容量约可增加通信容量约可增加104105倍。倍。第第三三章章光光纤纤通通信信 (2)损耗低,中继距离远)损耗低,中继距离远 目目前前使使用用的的光光纤纤均均为为SiO2(石石英英)光光纤纤,要要减减少少光光纤纤损损耗耗,主主要要是是靠靠提提高高玻玻璃璃纤纤维维的的纯纯度度来来达达到到。由由于于目目前前制制成成的的SiO2玻玻璃璃介介质质的的纯纯度度极极高高,所所以以光光纤纤的的损损耗耗极极低低,在在
9、光光波波长长=1.55 m附附近近,损损耗耗有有最最低低点点,为为0.2 dB/km,已接近理论极限值。,已接近理论极限值。由由于于光光纤纤的的损损耗耗低低,因因此此中中继继距距离离可可以以很很长长,在在通通信信线线路路中中可可以以减减少少中中继继站站的的数数量量,降降低低成成本本并并且且提提高高了了通通信信质质量量。例例如如,对对于于400Mbit/s速速率率的的信信号号,光光纤纤通通信信系系统统无无中中继继传传输输距距离离达达到到70km以以上上,而而同同样样速速率率的的同同轴轴电电缆缆通通信信系系统统,无无中中继继距距离离仅仅为为几几千千米米(中中同同轴电缆为轴电缆为4.5km,小同轴电
10、缆为,小同轴电缆为2km)。)。第第三三章章光光纤纤通通信信第第三三章章光光纤纤通通信信 (3)不受电磁干扰)不受电磁干扰因为光纤是非金属材料,因此它不受电磁干扰。因为光纤是非金属材料,因此它不受电磁干扰。(4)保密性强)保密性强光光纤纤内内传传播播的的光光几几乎乎不不辐辐射射,因因此此很很难难窃窃听听,也也不不会造成同一光缆中各光纤之间的串扰。会造成同一光缆中各光纤之间的串扰。(5)线径细、质量轻)线径细、质量轻 由由于于光光纤纤的的直直径径很很小小,只只有有0.1mm左左右右,因因此此制制成成光光缆缆后后,直直径径要要比比电电缆缆的的直直径径细细,而而且且质质量量轻轻,这这样样在在长长途途
11、干干线线或或市市内内干干线线上上空空间间利利用用率率高高,而而且且便便于于制造多芯光缆与敷设。制造多芯光缆与敷设。第第三三章章光光纤纤通通信信(6 6)资源丰富)资源丰富由由于于光光纤纤的的原原材材料料是是石石英英,地地球球上上是是取取之之不不尽尽、用用之之不不竭竭的的,而而且且很很少少的的原原材材料料就就可可以以拉拉制很长的光纤。制很长的光纤。虽然光纤通信具备上述一系列优点,但光纤虽然光纤通信具备上述一系列优点,但光纤本身也有缺点,如光纤质地脆、机械强度低;本身也有缺点,如光纤质地脆、机械强度低;要求用比较好的切断、连接技术;分路、耦合要求用比较好的切断、连接技术;分路、耦合比较麻烦等。但这
12、些问题随着技术的不断发展,比较麻烦等。但这些问题随着技术的不断发展,都是可以克服的。都是可以克服的。第第三三章章光光纤纤通通信信3.1.4 光纤通信的基本组成 光纤通信系统的基本组成框图如图光纤通信系统的基本组成框图如图3.2(a)所示,它主要由所示,它主要由光发射机光发射机、光纤光纤、光接收机光接收机三三个基本部分组成,如果进行远距离传输,则还个基本部分组成,如果进行远距离传输,则还应在线路中间插入光中继器。实用光纤通信系应在线路中间插入光中继器。实用光纤通信系统一般都是双向的,因此其系统的组成包含了统一般都是双向的,因此其系统的组成包含了正反两个方向的基本组成,并且每一端的发射正反两个方向
13、的基本组成,并且每一端的发射机和接收机做在一起,称为光端机。同样,光机和接收机做在一起,称为光端机。同样,光中继器也有正反两个方向,如图中继器也有正反两个方向,如图3.2(b)所示。)所示。第第三三章章光光纤纤通通信信图3.2 光纤通信系统的基本组成 第第三三章章光光纤纤通通信信光发射机将电信号变换成光信号,是通过发光器件光发射机将电信号变换成光信号,是通过发光器件来实现的。调制的方式原则上可以使用振幅、频率和来实现的。调制的方式原则上可以使用振幅、频率和相位调制,但由于目前激光器等光源的频谱不纯,频相位调制,但由于目前激光器等光源的频谱不纯,频率也不稳定,使调频或调相方式难以实现。因此,现率
14、也不稳定,使调频或调相方式难以实现。因此,现有实用系统采取控制光功率的调幅方法,通常又称为有实用系统采取控制光功率的调幅方法,通常又称为直接强度调制(直接强度调制(IM)。经调制后的光功率信号耦合入)。经调制后的光功率信号耦合入光纤,经光纤传输后,光接收机的光电检测器采用直光纤,经光纤传输后,光接收机的光电检测器采用直接检测方式(接检测方式(DD)将光信号变换成电信号,再经放)将光信号变换成电信号,再经放大、解调(或解码)后还原为原信号输出。这种光纤大、解调(或解码)后还原为原信号输出。这种光纤通信系统称为强度调制通信系统称为强度调制/直接检测(直接检测(ID/DD)光纤通信)光纤通信系统。系
15、统。第第三三章章光光纤纤通通信信光光纤纤通通信信既既可可用用于于数数字字通通信信,也也可可用用于于模模拟拟通通信信。光光纤纤通通信信系系统统中中的的模模拟拟信信号号或或数数字字信信号号是是指指将将信信息息变变换换成成电电信信号号时时所所采采取取的的调调制制方方式式,用用这这种种经经过过调调制制的的电电信信号号再再去去改改变变光光的的强强度度以以获获得得光光信信号号。因因此此,如如果果电电信信号号连连续续变变化化(模模拟拟调调制制),光光信信号号的的强强度度也也连连续续变变化化;如如果果电电信信号号是是脉脉冲冲信信号号(数数字字调调制制),相相应应的的光光信信号号的的强强度度也也以以脉脉冲冲形形
16、式式变变化化(有有光光无无光光)。但但最最终光信号还是强度调制。终光信号还是强度调制。第第三三章章光光纤纤通通信信3.2光纤与光缆光纤与光缆第第三三章章光光纤纤通通信信3.2.1 光纤的结构及其分类 1光纤的结构光纤一般由纤芯和包层组成。内层为纤芯,直径为2a,折射率为n1,作用是传输光信号;外层为包层,直径为2b,折射率为n2,作用是使光信号封闭在纤芯中传输。目前光纤的包层外径2b一般为125m。第第三三章章光光纤纤通通信信为了保证光信号在纤芯中传播,要求纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。介质的折射率表示光在空气中的传播速度与光在某一介质中的传播速度之比,一般用n表示,即第第三三章章光
17、光纤纤通通信信上图所示的光纤实际上是我们平时说的裸光纤,它的强度较差。为了提高它的抗拉强度,在包层外面还要附加两层涂覆层。一次涂覆层(预涂覆)大多采用环氧树脂、聚氨基甲酸乙酯或丙烯酸树脂等材料,缓冲层一般采用硅树脂,二次涂覆层大多采用尼龙、聚乙烯或聚丙烯等套塑层。通常所说的光纤是指涂覆后的光纤,称光纤芯线光纤芯线。如图3.4所示是目前使用最为广泛的两种光纤结构,图3.4(a)为紧套光纤(光纤不能在套管中活动),图3.4(b)为松套光纤(光纤能在套管中活动)。第第三三章章光光纤纤通通信信图3.4 光纤芯线结构 第第三三章章光光纤纤通通信信第第三三章章光光纤纤通通信信 2光纤的分类光纤可以根据不同
18、的方法进行分类。(1)按光纤的材料来分,通常有石英玻璃光纤和全塑光纤 石英玻璃光纤主要材料是SiO2,并添加GeO2、B2O2、P2O3等。这种光纤有很低的损耗和中等程度的色散,目前通信用光纤绝大多数是石英玻璃光纤。全塑光纤具有损耗大、纤芯直径大及制造成本低等特点,目前全塑光纤适合于较短距离的应用,如室内计算机连网等。第第三三章章光光纤纤通通信信 (2)按折射率分布来分,通常可分为阶跃型光纤和渐变型光纤阶跃型光纤(SI)又称突变型光纤。它的纤芯和包层的折射率是均匀的,纤芯和包层的折射率呈阶跃形状,如图3.5(a)所示。渐变型光纤(GI)的纤芯折射率随着半径的增加而按一定的规律减少,到纤芯与包层
19、的交界处为包层的折射率,即纤芯中折射率的变化呈抛物线型,如图3.5(b)所示。第第三三章章光光纤纤通通信信图3.5 光纤的折射率分布 第第三三章章光光纤纤通通信信 (3)按传输光波的模式来分。所谓模式,实质上是电磁波的一种分布形式。模式不同,其分布不同。根据光纤中传播模式数量来分,可分为单模光纤和多模光纤。多模光纤是一种传输多个光波模式的光纤。按多模光纤截面折射率的分布可分为阶跃型多模光纤和渐变型多模光纤。其光射线轨迹如图3.6(a)和(b)所示。阶跃型多模光纤的纤芯直径一般为50m,包层直径多为125m,由于其纤芯直径较大,所以传输模式较多。这种光纤的传输性能较差,带宽较窄,传输容量也较小。
20、第第三三章章光光纤纤通通信信图3.6 光纤中的光射线轨迹 第第三三章章光光纤纤通通信信 渐变型多模光纤的纤芯直径一般也为50m,这种光纤频带较宽,容量较大,是20世纪80年代采用较多的一种光纤形式。所以一般多模光纤指的是这种渐变型多模光纤。单模光纤是只能传输一种光波模式的光纤。单模光纤只能传输主模,不存在模间时延差,具有比多模光纤大得多的带宽。单模光纤的直径很小,约为4m10m,其带宽一般比渐变型多模光纤的带宽高一两个数量级,因此,它适合于大容量、长距离通信,其光射线轨迹如图3.6(c)。第第三三章章光光纤纤通通信信3.2.2 光纤的导光原理 当光在远大于光波长的介质中传播时,光可用一条表示光
21、传播方向的几何直线来表示,这条几何直线就称为光射线。用光射线理论来研究光波传输特性的方法称为射线法。1光波在两介质交界面的反射和折射如图3.7所示,有两个半无限大的均匀介质,其折射率分别为n1、n2,x=0的平面为两介质的交界面,x轴为界面的法线。第第三三章章光光纤纤通通信信图3.7 光波在两介质交界面的反射和折射 第第三三章章光光纤纤通通信信光射线 方向由介质投射到界面上,这时将发生反射和折射,一部分光波沿方向 返回介质,称为反射波;另一部分光波沿方向 进入到介质,称为折射波。图中 、分别表示入射线、反射线和折射线的传输方向,它们和法线之间的夹角分别为入射角、反射角和折射角,用 、和 表示。
22、由斯涅尔定律可知第第三三章章光光纤纤通通信信 2光波的全反射由图3.7可以看出,当光射线由介质射向介质时,若n1大于n2,则介质中的折射线将离开法线而折射,此时的 必大于 。如果入射角增加到某一值而正好使得 90时,折射线将沿界面传输,我们将此时的入射角称为临界角,用 表示。根据折射定律 将 90,代入上式,则 第第三三章章光光纤纤通通信信这时如果再继续增大入射角,即 ,则折射角 必大于90,此时光射线不再进入介质,而由界面全部反射回介质,这种现象称为全反射。由此可见,产生全反射的条件是:(1)光纤纤芯的折射率n1一定要大于光纤包层的折射率n2,即 (2)进入光纤的光线向纤芯-包层界面射入时,
23、入射角应大于临界角,即 90 第第三三章章光光纤纤通通信信 3用射线法分析光纤的导光原理以阶跃型光纤为例来说明光纤的导光原理。由前面分析可知,要使光信号能够在光纤中长距离传输,必须使光线在纤芯和包层交界面上形成全反射,即入射角必须大于临界角。第第三三章章光光纤纤通通信信如图3.8所示表示出光线从空气中以入射角射入光纤端面的情况(空气折射率 ,而纤芯石英折射率 )。此时,光从低折射率介质向高折射率介质传播,根据折射定律,入射角大于折射角。图3.8(a)是一种特殊的情况,即进入光纤纤芯中的光射入纤芯与包层界面的入射角等于临界角,由图可知,折射角可以表示为根据折射定律可得第第三三章章光光纤纤通通信信
24、图3.8 光纤的最大入射角 第第三三章章光光纤纤通通信信 因 ,并对上式进行简单的代数变换可得称为纤芯与包层相对折射率差相对折射率差。式中它反映了光纤将光束缚在纤芯的能力第第三三章章光光纤纤通通信信 当光从空气中射入光纤端面的入射角大于 ,折射光线射向纤芯与包层界面的入射角应小于临界角,不能满足全反射条件,这种光将很快在光纤中衰减,不能远距离传输。如图3.8(b)所示。当光从空气中射入光纤端面的入射角小于 ,折射光线射向纤芯与包层界面的入射角应大于临界角,满足全反射条件,这种光就能以全反射的形式在光纤中进行远距离传输。如图3.8(c)所示。第第三三章章光光纤纤通通信信由此可见,只有端面入射角小
25、于 角的光线才在光纤中以全反射的形式向前传播。此 角称为光纤波导的孔径角孔径角。通常用 表示,而把其正弦函数定义为光纤的数值孔径,用NA表示,即光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。NA越越大,光纤接收光的能力也越强。大,光纤接收光的能力也越强。作为通信使用的多作为通信使用的多模光纤波导的模光纤波导的值通常约为值通常约为1%,如果,如果n1为为1.5,则,则NA=0.2。第第三三章章光光纤纤通通信信以以上上分分析析的的是是光光波波在在阶阶跃跃型型光光纤纤中中的的传传播播情情况况,对对于于渐渐变变型型光光纤纤,我我们们可可以以将将纤纤芯芯分分割割成成无无
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 光纤通信
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【快乐****生活】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【快乐****生活】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。