光纤通信光纤通信知识点归纳.doc

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1、光纤通信的基本概念:利用光导纤维传输光波信号的通信方式。
光纤通信工作波长在于近红外区:~,对应频率:167~375THz。
对于SiO2光纤,在上述波长区内的三个低损耗窗口,是目前光纤通信的实用工作波长,、。
2、光纤通信系统的基本组成:(P2图1-3)
目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波(IM/DD)的光纤数字通信系统。该系统主要由光发射机、光纤、光接收机以及长途干线上必须设置的光中继器组成。
1)在点对点的光纤通信系统中,信号的传输过程:由电发射机输出的脉码调制信号送入光接收机,光接收机将电信号转换成光信号耦合进光纤,光接收机将光纤送过来的光信号转换成电信号,然后经过对电信号的处理以后,使其恢复为原来的脉码调制信号送入电接收机,最后由信息宿恢复用户信息。
2)光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源,目前主要采用半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)。
3)光接收机中的重要部件是能够完成光-电转换的光电检测器,目前主要采用光电二极管(PIN)和雪崩光电二极管(APD)。特性参数:灵敏度
4)一般地,大容量、长距离光纤传输:单模光纤+半导体激光器LD
小容量、短距离光纤传输:多模光纤+半导体发光二极管LED
5)光纤线路系统:
功能:把来自光发射机的光信号,以尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。
组成:光纤、光纤接头和光纤连接器
要求:较小的损耗和色散参数
3、光纤通信的特点:
优点:(1),传输频带宽,通信容量大。(2)传输损耗小,中继距离长:,用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多。
(3)保密性能好:光波仅在光纤芯区传输,基本无泄露。
(4)抗电磁干扰能力强:光纤由电绝缘的石英材料制成,不受电磁场干扰。
(5)体积小、重量轻。(6)原材料来源丰富、价格低廉。
缺点:1)不能远距离传输;2)传输过程易发生色散。
4、(1)光纤通信在通信网中的未来发展趋势:GFP、ASON、全光网
(à波分复用技术(WDM)à相干光通信à超长波长光纤通信à光集成技术à光孤子通信)
(2)相应技术手段:时分复用TDM;波分复用WDM;光时分复用OTDM;光放大技术;色散补偿技术。
(3)技术现状:PDH、SDH、WDM、光电收发器、EPON
超高速度、超大容量以及超长距离传输的光纤通信一直是人们追求的目标,光纤到户和全光网是人们希望早日实现的梦想。,随着技术和业务的不断发展,WDM技术正从长途传输领域向城域网领域扩展。未来的高速通信网是全光网。它是以光节点代替电节点,节点之间也是全光化,具有良好的透明性、开放性、兼容性以及可靠性,并且能够提供巨大的带宽,网络结构简单,组网非常灵活。
要形成一个已WDM技术与光交换技术为主的光网络层,建立起真正的全光网络,必须要解决的问题是消除电光瓶颈,而光纤到户FTTH是解决从Internet主干网到用户的“最后一公里”瓶颈现象的最好方案。
第2章光导纤维
1、光纤的结构:目前,通信用的光纤绝大多数用石英材料做成的横截面积很小的双层同心圆柱体。光纤由涂覆层、纤芯、包层组成。
折射率高的中心部分叫做纤芯,其折射率为n1,直径为2a;
折射率低的外围部分称为包层,其折射率为n2,直径为2b。
纤芯:纤芯位于光纤的中心部位(直径d1=9~50μm)。
多模光纤的纤芯为50μm,单模光纤的纤芯为9~10μm。
成份:高纯度的二氧化硅。还掺有极少量的掺杂剂(如二氧化锗,五氧化二磷)。作用:适当提高纤芯对光的折射率(n1),用于传输光信号。
包层:位于纤芯的周围(直径d2=125μm),含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。作用:适当降低包层对光的折射率(n2),使之略低于纤芯的折射率,即n1>n2,这是光纤结构的关键,它是使光信号封闭在纤芯中传输。
涂敷层:由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成。
作用:增加光纤的机械强度与可弯曲性。
2、光纤的分类:
目前在通信中使用较为广泛的光纤有两种:紧套光纤与松套光纤。
1)、按照光纤横截面折射率分布不同来划分:
①阶跃型光纤:纤芯折射率n1沿半径方向保持一定,包层折射率n2沿半径方向也保持一定,而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤,称为:均匀光纤。
②渐变型光纤:如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小,而包层中折射率n2是均匀的,这种光纤称为渐变型光纤,又称为:非均匀光纤。
2)按照纤芯中传输模式的数量划分:
多模光纤:在一定的工作波下,多模光纤是能传输多种模式的介质波导。
多模光纤可以采用阶跃折射率分布,也可采用渐变折射率分布
多模光纤的纤芯直径约为50μm。
模式色散,仅适用于低速率、短距离通信
单模光纤:光纤中只传输一种模式时,叫做单模光纤
单模光纤的纤芯直径较小,约为4~10μm。适用于大容量、长距离的光纤通信。
3)按照传输波长分类:
(1)短波长光纤:(~)
作用:用于短距离市话中继线路或专用通信网等线路.
(2)长波长光纤:~()
作用:用于干线传输。
4)按照使用材料的不同来分:玻璃光纤、全塑光纤、石英系列光纤。
3、阶跃型光纤的导光原理
1)相对折射指数差:弱导波光纤:
2)导波:携带信息的光波在光纤的纤芯中,由纤芯和包层的界面引导前进,这种波称为导波。
形成导波的条件:能在纤芯界面上产生全反射的子午线才能在纤芯中形成导波,即子午射线只有满足:才能在纤芯中形成导波(即满足全反射条件)。
3)数值孔径NA:表示光纤捕捉入射光线的能力。
4)阶跃型光纤中的光射线种类
子午射线:子午线在端面上的投影是一条直线
斜射线:是不经过光纤轴线的空间折线。
4、渐变型光纤的导光原理
1)渐变型的子午线不是直线,而是曲线。在轴线处折射指数最大;在纤芯和包层的交界面处折射指数最小为n2,即n2=n(a).
2)得到最佳折射指数分布的前提条件:(1)均匀的激励;(2)恒定的光中心波长;(3)相同传输损耗的模式;
最佳折射指数分布:这种在最大程度上减少模式色散的n(r)分布,称为渐变型光纤的最佳折射指数分布。双曲正割型和平方律型
3)渐变型(平方律)光纤的最佳折射指数分布表达为:
4)渐变型光纤的本地数值孔径NA
渐变型光纤纤芯折射指数n1随半径r变化。因此,数值孔径NA是纤芯端面上位置的函数。故,渐变型光纤纤芯在某一点的数值孔径可表示为:
比较:阶跃型光纤的数值孔径
渐变型光纤的数值孔径NA表征的意义:
当折射指数越大时,本地数值孔径也越大,表示光纤捕捉射线的能力就越强。
轴线处的折射指数最大,捕捉射线的能力最强。
例题:已知:渐变型光纤的折射指数分布为:
试求:该光纤的本地数值孔径。
解:
5、用波动理论法分析光纤的导光原理
(1)阶跃型光纤的标量近似解法
归一化频率:P26
导波的数量:P32
单模传输条件:0<V<
(2)渐变型光纤的标量近似解法
归一化频率:P26
最大导波数量:P37
截止条件V<Vc;远离截止:V→∞
例题:已知:渐变光纤纤芯的折射指数为n1=,相对折射指数差△=、纤芯半径a=25μm。若λ0=1μm,求:该光纤的归一化频率值及其中传播的模数量。
解:
代入数据可得归一化频率为:
最大传播模式数量=261
例题:已知:阶跃型光纤,若n1=,λ0=,
(1)若△=,当保证单模传输时,纤芯半径a应取多大?
(2)若纤芯半径a=5μm,应怎样选择△才能保证单模传输?
解:(1)单模传输的条件0<V<
2)若纤芯半径a=5μm
0<√2△***5<
6、阶跃光纤的折射率主要由于以下两方面的原因使得折射指数呈渐变趋势:
——纤芯材料和包层材料各不同,在制造过程中,相互扩散渗透,使得在纤芯包层交界处折射率由n1逐渐过度到n2,呈“圆形”变化
——MCVD工艺制造过程中,在预制棒制作阶段,使得纤芯r=0处,折射指数下陷。
7、单模光纤的特征参数:(1)衰减系数(2)截止波长λc:当λ>λc时,光纤才能传输基模。(3)模场直径d:沿芯径方向上,相对该场强最大点功率下降了1/e的两点之间的距离,称为单模光纤的模场直径
四种新型单模光纤:
1).色散位移单模光纤(DSF)
常规石英单模光纤:;;
色散位移单模光纤(DSF):
单模光纤的色散=材料色散+波导色散。
实现方法:通过改变光纤的结构参数,加大波导色散值。
图示色散位移光纤的色散
2).非零色散光纤NZDF
存在问题:在色散位移光纤线路中采用光纤放大器会使得光纤中的光功率密度加大,引起非线性效应。当应用到WDM系统中造成光波间能量交换,引起信道间干扰。
解决方法:-,减小其色散值。~·nm。
3)、色散平坦光纤DFF
为了挖掘光纤的潜力,充分利用光纤的有效带宽,最好使光纤在整个光纤通信的长波段(~)都保持低损耗和低色散,即研制了一种新型光纤为了实现在一个比较宽的波段内得到平坦的低色散特性,采用的方法是利用光纤的不同折射率分布来达到目的。
4)色散补偿光纤DCF
色散补偿又称为光均衡,它主要是利用一段光纤来消除光纤中由于色散的存在使得光脉冲信号发生的展宽和畸变。
能够起这种均衡作用的光纤称为色散补偿光纤(DCF)。
,那么DCF应具有负的色散系数。使得光脉冲信号在此工作窗口波形不产生畸变。DCF的这一特性可以比较好地达到高速率长距离传输的目的。
适用光纤:
:常规单模光纤,色散最小值在1310nm处,衰减最小值在1550nm处。常见的结构有阶跃型和下凹型单模光纤。
:色散位移光纤,色散最小值在1550nm处,衰减最小值在1550nm处。难以克服FWM混频等非线性效应带来的影响。
:非零色散光纤,色散在1310nm处较小,不为0;衰减最小值在1550nm处。可以尽量克服FWM混频等非线性效应带来的影响。
综上所述,。
8、光纤的传输特性:
(1)光纤的损耗特性
分类:吸收损耗、散色损耗
——吸收损耗定义:光波通过光纤材料时,有一部分光能变成热能,从而造成光功率的损失。
原因1:本征吸收。即光纤基本材料(SiO2)固有吸收。吸收损耗的大小与波长有关,对于SiO2石英系光纤,本征吸收有两个吸收带,分别为紫外吸收带,和红外吸收带。
原因2:杂质吸收。材料的不纯净和工艺不完善造成的附加吸收损耗。尤为氢氧根离子的吸收。
——散射损耗定义:由于光纤的材料、形状及折射指数分布等的缺陷或不均匀,光纤中传导的光散射而产生的损耗。
分类:线性散射损耗、非线性散射损耗。
线性散射损耗主要包括:瑞利散射、材料不均匀引起的散射
非线性散射主要包括:受激喇曼散射、受激布里渊散射等。
①瑞利散射损耗
瑞利散射损耗也是光纤的本征散射损耗。
这种散射是由光纤材料的折射率随机性变化而引起的。
瑞利散射损耗与1/λ4成正比,它随波长的增加而急剧减小,所以在长波长工作时,瑞利散射会大大减小。
②材料不均匀所引起的散射损耗
结构的不均匀性以及在制作光纤的过程中产生的缺陷也可能使光线产生散射。
(2)光纤的色散特性
一般将光功率降到峰值一半时所对应的波长范围称为光源的谱线宽度,用Δλ表示。一个理想的光源发出的应是单色光,即谱线宽度应为零。
光纤中传送的信号是由不同的频率成分和不同的模式成分构成的。它们有不同的传播速度,将会引起脉冲波形的形状发生变化。如果从波形在时间上展宽的角度去理解,也就是光脉冲在光纤中传输,随着传输距离的加大,脉冲波形在时间上发生了展宽,这种现象称为光纤的色散。
结论:光源的谱线宽度越宽,信号的时延差就越大,起的色散也就越严重。
光纤中的色散
模式色散:光纤中的不同模式,在同一波长下传输,各自的相位常数βmn不同,它所引起的色散称为模式色散。
材料色散:由于光纤材料本身的折射指数n和波长λ呈非线性系,从而使光的传播速度随波长而变化,这样引起的色散称为材料色散。
波导色散:光纤中同一模式在不同的频率下传输时,其相位常数不同,这样引起的色散称为波导色散。
材料色散和波导色散都属于频率色散,在多模光纤中存在频率色散和模式色散;在单模光纤中只存在频率色散。
比较:多模阶跃型光纤和多模渐变型光纤,依照时延差公式,在相同的条件下,渐变型光纤的色散较小。
9、色散对中继距离的影响:
(1)码间干扰对中继距离的影响:“拖尾”现象引起。
(2)模分配噪声对中继距离的影响:高码速条件下,多纵模激光器产生的信号功率谱线随机分配,造成接收端判决困难。
(3)啁啾声对中继距离的影响:直接强度调制状态下,单纵模激光器在注入电流变化的时候,有源区的折射率指数发生变化使得振荡波长随时间偏移,即:频率啁啾。这种情况下,光脉冲经过光纤后,在色散作用下,光脉冲波形展宽,因此接收取样点所接收的信号就会存在随机成分,即:啁啾声。
10、衰减对中继距离的影响
11、最大中继距离的计算
(1)衰减受限系统:在衰减受限系统中,中继距离越长,则光纤通信系统的成本越低,获得的技术经济效益越高。在工程设计中,一般光纤通信系统的中继距离可以表示为:P112
(2)色散受限系统:
中继距离公式为:
P114【例题4-1】若一个622Mbit/s单模光缆通信系统,其系统总体要求如下:
系统中采用InGaAs隐埋异质结构多纵摸激光器,其阀值电流小于50mA,标称波长=1310mm,波长变化范围为=1295mm,=1325mm。光脉冲谱线宽度≤2nm.。发送光功率=2dBm。如用高性能的PIN-FET组件,可在BER=1×条件下得到接收灵敏度=-30dBm,动态范围D≥20dB。那么考虑采用直埋方式情况下,光缆工作环境温度范围为0℃~26℃时,计算最大中继距离。
解:(1)衰减的影响:
若考虑光通道功率代价=1dB,光连接器衰减Ac=1dB(发送和接收各一个),光纤接头损耗As=,光纤固有损耗=,取MC=,ME=,则:
(2)色散的影响:
取光纤色散系数D≤2ps/(km·nm),
由上述计算可以看出,中继距离只能小于46km,对于大于46km的线段,可采用加中继站或光放大器的方法解决。
12、光纤的非线性效应
定义:在强光场的作用下,光波信号和光纤介质相互作用的一种物理效应。
包括:由于散射作用而产生的非线性效应。如,受激喇曼散射、布里渊散射;
由于光纤的折射指数随光强度变化引起的非线性效应。如,自相位调制SPM、交叉相位调制XPM、四波混频FWM等。
13、光孤子通信:为了使光纤中所传输的光信号能够保持其脉冲波形的稳定,从而提高系统的传输距离。这种技术称为光孤子通信。
光纤的损耗和色散是制约传输系统中继距离的主要因素,而光孤子通信技术可以解决色散问题。
第3章光纤通信器件
1、半导体光源的种类:半导体激光器LD和半导体发光二极管LED。
光和物质的相互作用:
1)自发辐射的特点:
①在没有外界作用的条件下自发产生的过程
②辐射光子的频率亦不同,频率范围很宽。
③电子的发射方向和相位也是各不相同的,是非相干光。
2)受激吸收的特点:
①在外来光子的激发下发生跃迁过程
②外来光子的能量等于电子跃迁的能级之差
③受激跃迁是一个消耗外来光能的过程
3)受激辐射的特点:
①外来光子的能量等于跃迁的能级之差。
②受激过程中发射出来的光子与外来光子频率、相位、偏振方向、传播方向相同
③这是一个使光得到放大的过程。
2、1)激光器的工作原理:激光器是能够产生激光的自激振荡器。发出振荡光的前提是受激辐射作用大于受激吸收作用。受激辐射是产生激光的关键。在热平衡条件下,物质不可能有光放大作用。粒子数发转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。
2)激光器的基本组成:
——>能够产生激光的工作物质
——>泵浦源:使粒子数反转分布(N1<N2)的外界激励源。
——>能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。
工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数发转分布,成为激活物质,从而有光的放大作用。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。
3、半导体激光器的结构、工作原理及工作特性
1)光纤通信对半导体发光器件LD/LED的基本要求:
a、光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口
b、能长时间连续工作,并能提供足够的光输出功率。
c、与光纤的耦合效率高。
d、光源的谱线宽度窄。
e、寿命长,工作稳定。
2)LD的结构:从光振荡的形式上来看,激光器分为:布里-珀罗谐振腔(F-P腔)激光器和分布反馈型(DFB)激光器。常用的光纤通信激光器——铟镓砷磷(InGaAsP)双异质结条形激光器。它的特点:注入电流小,发光强度大。
3)比较LD、LE:
4、常用的半导体光电检测器:PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管
1)APD工作特性:具有光/电转换作用;
具有内部放大作用;(通过管子内部的雪崩倍增效应完成)
2)APD的雪崩倍增效应:
光生载流子在P-N结强电场处加速后与晶格的原子发生碰撞后使价带的电子得到了能量;越过禁带到达导带,产生新的电子—空穴对;电子—空穴对在强电场再次被加速,再次碰撞;循环过程,能量倍增。
5、光放大器分类:半导体光放大器和光纤放大器
光纤放大器:非线性光纤放大器(如:拉曼放大器)和掺铒光纤放大器(EDFA)。
1)EDFA的优点:①工作波长接近于光纤低损耗窗口:~②泵浦功率低,仅需几十毫瓦;③高增益:40dB④低噪声、噪声系数可低至3~4dB,大功率输出:14~20dBm。⑤连接损耗低:。
2)EDFA的基本结构:由掺铒光纤、泵浦光源(主体部件)、光耦合器、光滤波器等组成。
3)EDFA的工作原理:在泵浦源的作用下,在掺铒光纤中出现了粒子数发转分布,产生了受激辐射,从而使光信号得到放大。
6、无源光器件:光定向耦合器、光隔离器、光环行器、光滤波器、光开关、波长转换器、波分复用器。
7、WDM波分复用:在一根光纤中能同时传输多波长光信号的技术,称为光波分复用技术(WDM)。
1)光波分复用器是对光波波长进行合成与分离的光器件。有光波分复用器构成的光波分复用系统,从结构上来分,可分为单纤单向WDM系统和单纤双向WDM系统(基本应用方式)。单向的扩容效率高,具有升级效应,不要求对原有的光纤设施进行改动;双向具有简化传输网络等方面的优点。
2)优点:复用器结构简单、体积小、可靠性高;提高光纤的频带利用率;降低对器件的速率要求;提供透明的传送通道;可更灵活地进行光纤通信组网。
缺点:存在插入损耗和串光等问题。
3)WDM对光源和光电检测器的要求
对光源的要求:①激光器输出波长保持稳定②激光器应具有比较大的色散容纳值③采用外调制技术
对光检测器的要求:具备多波长检测能力
4)WDM监控和管理系统两个功能:对EDFA的监控与管理;对各波道工作状态的监控。
5)分类:WDM、DWDM密集波分复用、CWDM粗波分复用
根据波长间隔分类:WDM(约几十nm或者200nm);CWDM(10nm);DWDM(~2nm)。我国采用100GHz和200GHz作为通路间隔标准。
6)WDM系统结构
——光发射机输入:SDH的光信号;输出:WDM的光信号。
——光接收机输入:WDM的光信号;输出:SDH的光信号。
——光中继可以使用EDFA,也可以使用RFA。增益选取适当,不能过大避免光纤处于非线性状态
WDM网络的关键设备
①OADM(光分插复用器):与SDH的ADM功能类似:
波长上、下话路的功能;
具有波长转换功能;
具有光中继放大和功率平衡功能;
提供复用段和通道保护倒换功能,支持各种自愈环;
具有多业务接入功能,比如SDH、Gbit。
不同之处:OADM是在光域上完成;ADM是在电域上完成
②OXC(光数字交叉连接器):用于完成光域上光信号的交叉连接
OXC实现的三种方式:
——光纤交叉连接(FXC):以一根光纤所传输的总容量为基础进行交叉连接。
优点:交叉容量大。
缺点:缺乏灵活性。
——波长交叉连接(WSXC):能够转换从输入光纤到输出光纤的一个子集的波长信道。
优点:比FXC灵活,可提供波长业务等。
缺点:无波长转换,会遇到波长缺乏的情况。
——波长转换连接(WIXC):任意输入波长经转换到任意输出波长。
优点:任意波长转换,最灵活
采用光波分复用技术的高速光纤通信线路