光纤通信复习武汉理工大学葛老师
一、发展 60年代:(1)高胃指出了光纤进行信息传输的可能性和技术途径; (2)红宝石激光器; 70年代:(1)研制成功损耗20dB/km的石英光纤(实用化); (2)碑化镣半导体激光器可以在室温下稳定工作; 90年代:光放大器提出/波分复用思想提出。 二、光纤制造、几何结构、传输特性 1、光纤制造 C1)材料为SiO2,纤芯比包层折射率大; (2)采用方法:气相沉积方法。 2、光纤基本结构&导光原理 C1)圆柱型波导一采用纤芯-包层结构 ① 较好地约束光波在纤芯中让它能够近似的直线传输; (几何光学:产生全反射;波动光学:会有一个导膜产生) ② 保护纤芯受到外界电磁干扰; ③ 保护纤芯受到污染,保持纤芯纯净度; ④ 增强纤芯的机械强度。 (2)光纤分类 ① 按照纤芯折射率分布不同分为:阶跃折射率光纤(SIOF) &渐变折射率光纤(GIOF) 阶跃折射率光纤:纤芯折射率为常数,光线直线传输; 渐变折射率光纤:纤芯折射率是一个函数,随着纤芯半径r变化的函数,光线曲线传输。 —结合色散,由于折射率不同,SIOF比GIOF色散大。 ② 根据光在光纤中传播模式分为:单模光纤&多模光纤。 公式:归一化频率v =—」忒-n; =— %△一模式M =— AA2 2 _ 2_ (入:光波长;a:纤芯半径;国、n2:纤芯与包层的折射率;△=色二*R冬二鱼) 2〃i% 单模光纤半径比多模光纤半径小,当v<2.405时多模光纤能实现单模输出(P25) 3、光纤传输特性 C1)损耗:限制传输距离; C2)色散:限制通信容量; C3)非线性:增加额外的频率成分,对系统频率引起误码 (一)光纤损耗 (1)单位:a,定义公式:P(z) = P(0W 其中为损耗系数; 其单位一般用dB/km用a表示; a = — log];;。;] = 4.343% (km ) 光功率的计算:转换关系(3《=》dBm) 例:一根30km长的光纤,在波长1300nm处衰减为0.8dB/km,如果一端注入功率为20uw 光信号。求输出功率Pouto 解:首先将输入功率单位转化为dBm PJdBm) = 101gp|^] == _7.0dBm |_ Imw J1x10 w 求z=30km时输出功率 =—7.0dBni-(-0.8dB/km)x(30km) =-3 IdBm :.P0llt = 10 x (l〃zw) = 0.7911 w (2)损耗分类 ① 吸收损耗:是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生; ② 散射损耗:主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射&由光线结构缺陷(如气泡)引起的散 射产生。 (二)光纤色散 (1)概念:是在光纤中传输的光信号,由于不同成分的光的传播时间不同而产生的一种物理效应。 色散对光纤传输系统的影响 (从频域看:色散限制了传输信号的带宽;从时域看:色散引起信号脉冲展宽) C2)分类 1模内色散 1.1色度色散 1.1.1材料色散:速度的变化是由材料的某些性质引起的; 1.1.2波导色散:对于光纤盒其他波导色散可能由其自身结构引起的; 1.2偏振膜色散:两个偏振方向,相互垂直的HE”模可以同时在单模光纤中传播,由于存 在双折射,这两个模式的传播速度可能不同,这种效应能够导致脉冲宽度,即偏振膜色散。 2模间色散 (三)光纤非线性 C1)受激辐射SRS (受激拉曼散射) C2)相位调制SBS (受激布里渊散射) (3)四波混频FWM 三、光放大器:通过受激辐射或光功率转移过程来实现入射光放大,其可以放大输入光信号,但本身不产 生想干的光输出。 1半导体光放大器(SOA) 2光纤放大器 2.1掺杂光纤放大器(掺钳光纤放大器EDFA) 激活物质 泵浦源 工作方式 EDFA 钳离子 光泵 钳离子在能级间跳变 RFA / 光泵 一段光纤上激发非线性效应(拉曼效应),散射光 SOA 半导体材料 电泵 在有源层中,载流子漂移 2.2受激辐射光纤放大器(拉曼放大器RFA) 适用范围: EDFA:工作波长的典型值为1550nm,在其周围40nm的比较窄的频带范围内其增益系数近似保 持一个常数,能够在波分复用中得到很好的应用; RFA:工作波长的范围相对比较宽,在长距离传输时有较好的应用; SOA:易于集成,在做光纤器件集成块方面比较有优势;缺点:偏振比较敏感,在增益控制方面相 对有所不足,在干线网中应用较小。 四、光源 1、单纵模激光器:将激光器的辐射光限制成单纵模状态,即只有一个纵模落在器件的增益谱内,通常 这样的辐射光具有很窄的谱线宽度,这样的激光器即~~~ 典型的单纵模激光器:(1)法布里-波罗激光器(2)可调制激光器,垂直腔表面发射激光器 (3)内建选频光栅结构激光器 2、双异质结激光器:在有源区的两边有两个不同材料的合金层,将各种材料的合金层夹在一起,所有 的载流子(相邻层间的带隙层)和辐射光(相邻间的折射率差导致)都被限制在中心有源层,这样的激光 器就为 五、WDM波分复用:把多个独立传送信息的波长复合送进同一根光纤传输的技术。 (DWDM密集波分复用:利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性,采用多个波长作载波允许各载波信 道在光纤内同时传输。) 典型光波长:0.8nm、对应频率间隔:100GHz; 1.6nm一200GHz; 0.4nm—50GHz。 典型波分复用器件; 光纤布拉格光栅:应用:色散补偿、滤波; 光纤光栅是通过光写入过程制成的窄带反射滤波器。 色散补偿:光栅间距在沿其长度线性变化,这种结构导致一系列波长满足其反射条件,在途中沿光 栅方向间距减小,结果较短波长在被反射前会传播更长时间,这样就可以压缩脉冲实现色散补偿。 滤波:当多波长信号进入光栅时,只有与布拉格反射条件相位匹配的波长被反射,其他波长则通过 以实现滤波。 复用器&解复用器-AWG:阵列波导光栅 六、光端机 …-光发送机的主要作用 将电端机送来的数字基带电信号变换为光信号,并耦合进光纤线路中进行传输。光发送机中的光源是整 个系统的核心器件。 …光接收机的主要作用 将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号,并对电信号进行放大、整 形、再生成与发送端相同的电信号,输入到电接收端机,光接收机中关键器件是半导体光检测器。 -中继器的主要作用 可对微弱的光信号直接进行放大的器件,其主要功能是提供光信号的增益,以补偿光信号在传输过程中 光检测器 光检测器 业涌 >电端机 的衰减,增加传输系统无中继距离。 七、SONET (同步传输网) 1、帧结构 270列x9行 2、工作流程(复用、映射、定位) SDH传输网最基本的同步传送模块是STM—1,其信号速率为155520Kbit/So STM同步传输模块的主要作用:同步复用,映射,定位 …数字光纤通信系统目前都采用的是同步时分复用技术,先后有两种传输体制