光纤通信系统.pptx
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1、1第第4章章 光纤通信系统光纤通信系统4.1 光纤通信概述光纤通信概述4.2 光纤与光缆光纤与光缆4.3 光纤通信系统光纤通信系统4.4 光纤通信新技术光纤通信新技术24.1 光纤通信概述光纤通信概述 光光纤纤通通信信是是以以光光波波作作为为载载体体,以以光光导导纤纤维维作作为为传传输输媒媒介介的的一一种种通通信信技技术术。光光纤纤通通信信以以其其宽宽带带、大大容容量量、低低损损耗耗、长长中中继继、抗抗电电磁磁干干扰扰、体体积积小小、重重量量轻轻、便便于于敷敷设设等等优优点点,成成为为当当代代长长途途通通信信最最主要手段。主要手段。本本章章首首先先对对光光纤纤通通信信的的发发展展历历史史做做出
2、出回回顾顾,然然后后对对光光纤纤通通信信的的特特点点进进行行说说明明,重重点点阐阐述述光光纤纤的的结结构构、分分类类、光光波波传传输输机机理理以以及及光光纤纤通通信信系系统统各各组组成成部部分分的的工工作作原原理理。最最后后,简简要要介介绍绍了了一一些些光光纤通信新技术。纤通信新技术。34.1.1 光纤通信发展简史光纤通信发展简史1960年,美国加州休斯实验室第一台固体红宝年,美国加州休斯实验室第一台固体红宝石激光器石激光器1961年,美国贝尔实验室氦年,美国贝尔实验室氦-氢气体激光器氢气体激光器1966年,高锟提出带有包层材料的石英玻璃光年,高锟提出带有包层材料的石英玻璃光纤纤1970年,美
3、国康宁玻璃公司首次制成了损耗仅年,美国康宁玻璃公司首次制成了损耗仅为为20dB/km的低损耗光纤的低损耗光纤1970年,美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光年,美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光器器4光纤通信发展简史(续)光纤通信发展简史(续)1974年,美国贝尔实验室制造出年,美国贝尔实验室制造出1dB/km损损耗的低损耗光纤。耗的低损耗光纤。至此制约光纤通信的两个关键问题,光源和传至此制约光纤通信的两个关键问题,光源和传输媒介问题完全得到解决。光纤通信的普及和推输媒介问题完全得到解决。光纤通信的普及和推广获得了高速发展的基本条件。广获得了高速发展的基本条件。1977年美国芝加哥率先开通了第一条年
4、美国芝加哥率先开通了第一条45Mb/s的商用光纤通信系统。的商用光纤通信系统。目前,国际国内长途通信传输网的光纤化比例目前,国际国内长途通信传输网的光纤化比例已经超过已经超过90%54.1.2 光纤通信的特点光纤通信的特点 传输损耗小,中继距离长:传输损耗小,中继距离长:1.55m波长附近波长附近约约0.2-0.3dB/km,中继跨度百公里。,中继跨度百公里。传输频带宽,通信容量大:单模光纤的潜在带传输频带宽,通信容量大:单模光纤的潜在带宽可达几十太赫兹(宽可达几十太赫兹(1012Hz)抗电磁干扰,保密效果好抗电磁干扰,保密效果好 体积小、重量轻、便于运输和敷设体积小、重量轻、便于运输和敷设
5、原材料丰富、节约有色金属、有利于环保原材料丰富、节约有色金属、有利于环保 不足:光纤质地脆弱易断,敷设时的弯曲半径不足:光纤质地脆弱易断,敷设时的弯曲半径不宜太小不宜太小64.2 光纤与光缆光纤与光缆 光纤与光缆的结构、分类以及光纤的导光原理。光纤与光缆的结构、分类以及光纤的导光原理。74.2.1 光纤的结构与分类光纤的结构与分类 光纤是多层同轴圆柱体,自内向外为纤芯、光纤是多层同轴圆柱体,自内向外为纤芯、包层、涂覆层,称为裸纤。包层外面涂覆一层包层、涂覆层,称为裸纤。包层外面涂覆一层硅酮树脂或聚氨基甲酸乙酯(硅酮树脂或聚氨基甲酸乙酯(30150m),),然后增加保护套加以保护。然后增加保护套
6、加以保护。纤芯和包层是高纯度石英材料,包层折射率纤芯和包层是高纯度石英材料,包层折射率略低于纤芯,与纤芯一起形成光的全反射通道,略低于纤芯,与纤芯一起形成光的全反射通道,使光波的传输局限于纤芯内。使光波的传输局限于纤芯内。81.光纤的结构光纤的结构92.光纤的分类(表光纤的分类(表4.1)分类方法分类方法具体名称具体名称说明说明用途与特点用途与特点按照材料的成分按照材料的成分全石英系列光纤全石英系列光纤以以SiO2为主要材料为主要材料长途大容量通信。损耗小,传输距离长,成本高长途大容量通信。损耗小,传输距离长,成本高多组分玻璃纤维多组分玻璃纤维多种材料组合成分多种材料组合成分短距离光信号传输、
7、容易制造、价格便宜短距离光信号传输、容易制造、价格便宜塑料包层石英芯光纤塑料包层石英芯光纤线芯是线芯是SiO2材料,包层是硅树脂材料,包层是硅树脂易耦合,特性同全石英系列光纤相近但成本较低,易耦合,特性同全石英系列光纤相近但成本较低,短距离高速数据传输,如短距离高速数据传输,如IEEE1394。全塑料光纤全塑料光纤纤芯和包层均由塑料制成纤芯和包层均由塑料制成挠曲性好、易加工、易耦合、成本很低、传输距挠曲性好、易加工、易耦合、成本很低、传输距离很短。多用于家电、音响及短距图像传输离很短。多用于家电、音响及短距图像传输按照折射率的分布按照折射率的分布阶跃型光纤阶跃型光纤纤芯和包层折射率均匀,但包层
8、的折射率低于纤纤芯和包层折射率均匀,但包层的折射率低于纤芯,交界处产生跃变。芯,交界处产生跃变。带宽较窄,适于小容量短距离通信带宽较窄,适于小容量短距离通信渐变型光纤渐变型光纤从纤芯到包层的折射率呈抛物线规律逐渐变小从纤芯到包层的折射率呈抛物线规律逐渐变小带宽较宽,适于中容量中距离通信带宽较宽,适于中容量中距离通信按照传输模式按照传输模式单模光纤单模光纤仅允许与光纤轴平行的光波传输,即只有一个基仅允许与光纤轴平行的光波传输,即只有一个基膜传输膜传输宽带、大容量、长途通信宽带、大容量、长途通信多模光纤多模光纤光波可以以多个特定的角度射入光纤的端面传播光波可以以多个特定的角度射入光纤的端面传播多为
9、渐变型。渐变型多模光纤主要用于局域网多为渐变型。渐变型多模光纤主要用于局域网按照工作波长按照工作波长短波长光纤短波长光纤0.80.9m长波长光纤长波长光纤1.01.7m超长波长光纤超长波长光纤2.0m以上以上按照按照ITU-T建议建议G.651渐变多模光纤渐变多模光纤工作波长为工作波长为1.31m和和1.55m,主要用于计算机局域网或接入网。主要用于计算机局域网或接入网。G.652标准单模光纤标准单模光纤是目前应用最广的光纤是目前应用最广的光纤当工作波长在当工作波长在1.3m时,光纤色散很小,系统的时,光纤色散很小,系统的传输距离只受光纤衰减所限制传输距离只受光纤衰减所限制G.653色散位移单
10、模光纤色散位移单模光纤在在1.55m处实现最低损耗与零色散波长一致。处实现最低损耗与零色散波长一致。用于超高速率、单信道、长中继距离通信。不利用于超高速率、单信道、长中继距离通信。不利于多信道的于多信道的WDM传输,易发生四波混频导致信传输,易发生四波混频导致信道间发生串扰道间发生串扰G.654最佳性能单模光纤最佳性能单模光纤在在1.55m处具有极低损耗(大约处具有极低损耗(大约0.15dB/km)G.655非零色散位移单模光纤非零色散位移单模光纤这种光纤综合了标准光纤和色散位移光纤最好的这种光纤综合了标准光纤和色散位移光纤最好的传输特性,传输特性,特别适合于密集波分复用传输,所以非零色散光特
11、别适合于密集波分复用传输,所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。全波光纤全波光纤消除了常规光纤在消除了常规光纤在1385nm附近由于附近由于OH-造成的损造成的损耗峰,使光纤可利用的波长增加耗峰,使光纤可利用的波长增加100nm左右左右处于推广实用阶段处于推广实用阶段103.光纤的折射率径向分布图光纤的折射率径向分布图114.2.2 光纤的导光原理光纤的导光原理 在光学理论中,当传输媒介的几何尺寸远大于在光学理论中,当传输媒介的几何尺寸远大于光波波长时,可以把光表示成其传播方向上的一光波波长时,可以把光表示成其传播方向上的一条几何线,称为光射
12、线。用光射线来分析光传播条几何线,称为光射线。用光射线来分析光传播特性的方法,称为射线法。下面通过射线法来分特性的方法,称为射线法。下面通过射线法来分析光在阶跃型光纤中的导光原理。析光在阶跃型光纤中的导光原理。121.光的反射与折射定律光的反射与折射定律 入=反当当折折900时,折射光线会反射回到纤芯进行时,折射光线会反射回到纤芯进行传播,这种现象称为全反射。传播,这种现象称为全反射。132.光纤中的全反射传输光纤中的全反射传输调整入射角调整入射角,使得,使得折折290度而发生全反射:度而发生全反射:144.2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性 光光纤纤的的传传输输特特性性描描述述的的是是光光
13、纤纤的的传传输输损损耗耗、色色散散和非线性效应和非线性效应。151.传输损耗传输损耗 光光纤纤传传输输损损耗耗表表现现为为随随着着传传输输距距离离的的增增加加光光功功率率逐逐渐渐下下降降,主主要要原原因因是是吸吸收收和和散散射射造造成成再再加加光光纤结构不完善导致纤结构不完善导致。式中式中是光波波长,是光波波长,L是光纤长度(是光纤长度(km),),Po与与Pi分别是光纤输出和输入端的光功率分别是光纤输出和输入端的光功率.162.色散色散 理想光源应是频率单一的单色光,但现实光源理想光源应是频率单一的单色光,但现实光源信号不纯,含有不同的波长成分,在折射率为信号不纯,含有不同的波长成分,在折射
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