光纤通信的一些基础知识

•引起光纤损耗的主要机理： 引起光纤损耗的主要机理： 引起光纤损耗的主要机理
•光能量的吸收损耗、散射损耗、辐射损耗 光能量的吸收损耗、散射损耗、 光能量的吸收损耗
2.5
第一传输窗口
OH离子吸收峰 OH离子吸收峰
光纤带宽： 光纤带宽： 1300nm窗口约 窗口约100nm， 窗口约 ， 1550nm窗口约 窗口约100nm， 窗口约 ， 共200nm，约30THz ，
光源： MLM多纵模激光器
F-P腔的作用 •方向选择 •光谱相位条件 相位条件
2kL = 2mπ 1 1 ln g = α int + RR 2L 1 2
主要参数： •工作波长 •最大rms谱宽 •出纤功率
振幅条件
光源： SLM单纵模激光器
分布反馈（ 分布反馈（DFB）激光器 ） 分布布拉格反射（ 分布布拉格反射（DBR）激光器 ） •分布反馈，不同的纵模具有不同的损耗，某一纵模 分布反馈，不同的纵模具有不同的损耗， 分布反馈 的损耗最小（净增益最大）而达到选模振荡条件。 的损耗最小（净增益最大）而达到选模振荡条件。 特点： 特点： •单纵模 单纵模 •窄谱线 窄谱线 •波长稳定好 波长稳定好 •线性度好 线性度好 主要参数： 主要参数： •工作波长 工作波长 •-20dB谱宽 谱宽 •边模抑制比 〉30dB 边模抑制比 •出纤功率 出纤功率
• 1966 高锟 理论预言 • 70年代，室内光纤通信实验 年代， 年代 • 76年后，实用光纤通信系统出现 年后， 年后 • 80年美国 年美国AT&T公司 公司45Mb/s光纤通信系统商用 年美国 公司 光纤通信系统商用 • 光纤通信的发展经历了短波长-长波长、多模光纤光纤通信的发展经历了短波长 长波长、多模光纤 长波长 单模光纤、低速率-高速率 高速率： 单模光纤、低速率 高速率：~10Gb/s，甚至 ， 40Gb/s 、单波长 单波长-DWDM、OEO网络 全光网络 网络-全光网络 、 网络 全光网络... • 随着光纤和光器件的降价，光纤传输在向超大容 随着光纤和光器件的降价， 超长距离发展的同时， 量、超长距离发展的同时，也越来越多地用于小 容量、 容量、短距离的接入网中
光探测器
光电转换器件 要求：高效率，低噪声， 要求：高效率，低噪声，宽带 类型：光电导型—响应速度太慢 响应速度太慢， 类型：光电导型 响应速度太慢，不能用于通信 光电压型—采用反偏 采用反偏PN结 光电压型 采用反偏 结 • PN光电二极管 光电二极管 • PIN光电二极管 光电二极管 • APD雪崩光电二极管 雪崩光电二极管
光探测器：PIN光电二极管
光探测器：APD光电二极管
•利用电离碰撞 1个光子产生多对电子 空穴对 有增益 利用电离碰撞, 个光子产生多对电子 空穴对,有增益 利用电离碰撞 个光子产生多对电子-空穴对
入射光-------一对电子-空穴对 一次光生电流 一对电子 空穴对 一次光生电流)-------------入射光 一对电子 空穴对(一次光生电流 与晶格碰撞电离---------多对电子 空穴对 二次光生电流） 空穴对(二次光生电流 与晶格碰撞电离 多 电子-空穴对 二次光生电流）
光纤：多模、单模光纤比较
光纤：主要参数
传输特性 −损耗 损耗(dB/km)、色散 损耗 、色散(ps/nm.km) 等 •损耗 直接影响中继距离； 损耗 直接影响中继距离； •色散 引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响 色散 引起光脉冲展宽和码间串扰， 通信距离和容量。 通信距离和容量。
光纤：损耗
光纤数字传输系统：光接收机
时钟提取与数据再生（ 时钟提取与数据再生（CDR） ） 将均衡器输出的升余弦信号恢复成数字信号，包括： 将均衡器输出的升余弦信号恢复成数字信号，包括：时 钟提取电路、 钟提取电路、判决电路 要求： 要求： •抗连“0”和连“1” 抗连“ ”和连“ ” 抗连 •时钟抖动小 时钟抖动小
概述： 概述：光纤通信分类 按信息表达方式： 按信息表达方式：模拟与数字 模拟传输：有线电视 模拟传输：
— 线性度，信躁比 线性度，
数字传输： 数字传输：PDH, SDH, GE
— 速率，误码率，灵敏度 速率，误码率，
光纤：构造
• 结构特性
– 纤芯、包层、涂覆层 纤芯、包层、 – 外径：125µm、内径：50 µm（多模）4~10 外径： µ 、内径： （多模） µm（单模） （单模） – 材料：SiO2，高折射纤芯区通过掺 e和P形 材料： 高折射纤芯区通过掺G 形 成
– 以光波载运信息，用光纤作传输媒体，实现通信
概述： 概述：光纤通信的优点
• • • • • • • 频带宽、 频带宽、信息容量大 传输损耗低、 传输损耗低、无中继距离远 材料丰富 抗电磁干扰 光纤间串话小， 光纤间串话小，保密性好 耐腐蚀、 耐腐蚀、耐高压 体积小、 体积小、质量轻
概述： 概述：光纤通信系统的发展历程
光纤数字传输系统：光接收机
光信号 光电 变换 前置 放大 主放 大器 均衡 滤波 电信号 判 决 器 时钟信号 时钟恢复 时钟提取与数据再生 （CDR）
AGC电路 电路 前端 线性通道
基本参数: 基本参数 工作波长、码速率、接收灵敏度（误码率）、 ）、过载点 工作波长、码速率、接收灵敏度（误码率）、过载点
光纤数字传输系统：光接收机
• 光学特性
– 折射率分布
√ 阶跃型光纤、梯度型光纤、三角分布、双包层 阶跃型光纤、梯度型光纤、三角分布、 （W型） 型Βιβλιοθήκη 光纤：构造光纤：分类
按照光纤传输模式的多少分： 按照光纤传输模式的多少分：
√ 单模光纤 √ 多模光纤
按照光纤截面折射率分布分： 按照光纤截面折射率分布分：
√ 阶跃型光纤 √ 梯度型光纤 多模光纤 梯度型光纤(多模光纤 多模光纤) √三角分布 色散位移光纤 三角分布--色散位移光纤 三角分布 色散位移光纤(DSF G.653),非零色散位 非零色散位 移光纤(NZ-DSF G.655) 移光纤
• 拓扑结构
1 2 1 2 3 5 4 1 2 3
点对点系统
线形网络
环形网络
•系统组成 系统组成
电信号 光发射机
光纤
光接收机 无中继系统
电信号
光纤 电信号 光发射机 中继器 中继系统 光接收机 电信号
光纤数字传输系统：光发射机
数字信号
线路编码
调制电路 光信号 光源
•线路编码： 线路编码： 线路编码 消除或减少数字电信号中的直流和低频分量，以便于接收及监测。 消除或减少数字电信号中的直流和低频分量，以便于接收及监测。 大体可归纳为三类：扰码二进制、字变换码、 大体可归纳为三类：扰码二进制、字变换码、插入型码 •调制格式： 调制格式： 调制格式 归零码(RZ)、非归零码 归零码 、非归零码(NRZ)，当前数字光纤通信以 ，当前数字光纤通信以NRZ为主 为主 •调制方式： 调制方式： 调制方式 强度调制-直接检测 直接检测(IM-DD)，是最简单、最初级的方式。 强度调制 直接检测 ，是最简单、最初级的方式。
光纤：分类
ITU-T标准光纤 标准光纤 √G.652：普通单模光纤（SSMF） ：普通单模光纤（ ） √G.653：色散位移光纤 ：色散位移光纤(DSF) √G.654: 截止波长位移光纤（CSF），多用于海缆 截止波长位移光纤（ ） √G.655：非零色散位移光纤 ：非零色散位移光纤(NZ-DSF) 特种光纤: 特种光纤: 保偏光纤（ 保偏光纤（PM） ） 色散补偿光纤（ 色散补偿光纤（DCF） ） 掺铒光纤（ 掺铒光纤（EDF）等 ）
光纤：色散
G.652: 零色散波长:1300nm 零色散波长 1550色散 色散:~16~17ps/nm.km 色散 G.653: 零色散波长:1550nm 零色散波长 G.655: 1550nm色散 色散:2~6ps/nm.km 色散
光纤：色散
0.6 0.5 衰减 (dB/km) dB/km) 0.4 0.3 0.2 0.1 1100
G.655 G.652 & G.654 EDFA 频带
20
G.653
10 0 -10 -20 色散 ps/nm.km) 色散(ps/nm.km)
1200
1300 波长(nm) 波长 输入脉冲
1400
1500
1600
1700
输出脉冲
+ Disp
光纤：色散
光源
• LED发光二极管 发光二极管 光谱宽，耦合功率小， 光谱宽，耦合功率小，稳定度低 适合于多模、短距离传输。 适合于多模、短距离传输。价格低 • LD激光二极管 激光二极管 光谱窄，功率大，稳定度高， 光谱窄，功率大，稳定度高，适合于 单模、长距离传输。 单模、长距离传输。价格高
光纤数字传输系统：光发射机
•基本参数 基本参数 •码速率 码速率 •平均发送光功率 平均发送光功率(dBm) P=10 lg P(mW) 平均发送光功率 -10dBm相当于 毫瓦 相当于0.1毫瓦 相当于 •眼图（模板） 眼图（ 眼图 模板） •消光比 •消光比(dB) EX=10 lg (P1/P0) 消光比(dB) •光谱特性 光谱特性 •波长 波长 •最大均方根宽度 最大均方根宽度(MLM) 最大均方根宽度 •最大 最大20dB跌落宽度 跌落宽度(SLM) 最大 跌落宽度 •最小边模抑制比 最小边模抑制比(SMSR) SMSR=10lg(M1/M2) 最小边模抑制比
吸收 外电场加速
光探测器：材料与波长
Si：λC=1.06µm，使用范围：0.5~1.0 µm ： µ ，使用范围： Ge： λC=1.6µm，使用范围：1.1~1.6 µm ： µ ，使用范围： InGaAs： λC=1.6µm，使用范围：1.1~1.6 µm ： µ ，使用范围：
光纤数字传输系统：结构
光纤数字传输系统：光接收机
误码率（ 误码率（BER）： ）： 接收机判决电路错误确定一个比特的概率。 接收机判决电路错误确定一个比特的概率。 接收灵敏度： 接收灵敏度： 接收机工作于某一误码率（例如10 接收机工作于某一误码率（例如 -10）所要求 的最小平均接收光功率（ 的最小平均接收光功率（dBm)。 。