《光纖通信》ppt課件清華版第一章

善教者， 使人繼其事。,請關(guān)掉手機,1 光纖通信概述 1.1 光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀 1.2光纖通信系統(tǒng)概述 2 光信號的傳輸特性 2.1 光纖概述 2.2 光纖的損耗特性 2.3 光纖的色散特性及色散限制 2.4 光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng) 3 光器件 3.1 光器件概述 3.2 光連接器Connector 3.3 光衰減器Attenuator,3.4 光耦合器Coupler 3.5 復(fù)用器與濾波器 Multiplexer and Filter 3.6 光隔離器與環(huán)行器 3.7 光調(diào)制器Modulators 3.8 光開關(guān)Switches 3.9 光波長轉(zhuǎn)換器 3.10 光交叉互連器 4 激光器及光發(fā)射機 4.1 半導(dǎo)體激光二極管LD 4.2 半導(dǎo)體激光器的工作特性 4.3 光發(fā)射機,講授內(nèi)容(1),5 光檢測器及光接收機 5.1 光檢測器 5.2 光檢測器的工作特性和參數(shù) 5.3 光接收機 5.4光接收機的噪聲特性 5.5光接收機的靈敏度 5.6光接收機的性能評估 6 光放大器 6.1 概述 6.2 光放大器的原理與一般特性 6.3 摻鉺光纖放大器EDFA 6.4 半導(dǎo)體光放大器SOA 6.5光纖拉曼放大器FRA,講授內(nèi)容(2),7 光纖通信系統(tǒng)的性能與設(shè)計 7.1光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 7.2光纖損耗對系統(tǒng)的限制 7.3光纖色散對系統(tǒng)的限制 7.4光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng) 對系統(tǒng)的影響 7.5信道串?dāng)_ 7.6光纖通信系統(tǒng)設(shè)計中的功率預(yù)算 8 光網(wǎng)絡(luò)及其它光纖通信技術(shù) 復(fù) 習(xí),共計32學(xué)時 考試課,光纖通信系統(tǒng)楊祥林 編著 國防工業(yè)出版社 光纖通信系統(tǒng)顧畹儀 編著 北京郵電大學(xué)出版社 光纖通信導(dǎo)論邱 昆 編著 電子科技大學(xué)出版社 光纖通信系統(tǒng)L.G.卡佐夫斯基等著 張肇儀等譯 人民郵電出版社,參考書目,第一章 光纖通信概述,1.1 光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀 1.2 光纖通信系統(tǒng)概述,1.1光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀,什么是通信？ “通”傳送，“信”信息；信息的傳送 基本組成：發(fā)送、傳輸、接收,什么是光纖通信？ 利用激光作為信息的載波信號，并通過 光纖來傳送信息的通信系統(tǒng)。,1.1光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀,什么是通信？ “通”傳送，“信”信息；信息的傳送 基本組成：發(fā)送、傳輸、接收,什么是光纖通信？ 利用激光作為信息的載波信號，并通過 光纖來傳送信息的通信系統(tǒng)。,光纖通信是人類歷史上 的重大突破，現(xiàn)今的光纖通信 已成為信息社會的神經(jīng)系統(tǒng),現(xiàn)代通信方式示意圖,現(xiàn)代通信方式示意圖,信息指用戶要求傳送的語音、圖像、數(shù)據(jù)以及它們的各種組合,現(xiàn)代通信方式示意圖,現(xiàn)代通信方式示意圖,光纖通信經(jīng)過30年的技術(shù)發(fā)展目前正在淘汰著 其他的有線通信方式,光纖通信技術(shù)的主要優(yōu)點,光波頻率很高，光纖傳輸?shù)念l帶很寬，故傳輸容量很大，理論上可通上億門話路或上萬套電視，可進(jìn)行圖像、數(shù)據(jù)、傳真、控制等多種業(yè)務(wù)； 不受電磁干擾，保密性好； 耐高溫、高壓、抗腐蝕，工作可靠； 光纖材料來源豐富，可節(jié)約大量有色金屬(如銅、鋁)，且直徑小、重量輕。,光纖通信器件的發(fā)展過程,光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程,光纖通信追求目標(biāo): 大容量、長距離 技術(shù)發(fā)展：短波長-長波長、多模光纖-單模光纖、多模激光器-單模激光器,通信系統(tǒng)容量：比特率-距離積BL，B 比特率， L 中繼距離,每秒鐘傳輸?shù)谋忍財?shù)目。,光纖通信技術(shù)的發(fā)展大體上可分為：,光纖通信技術(shù)的發(fā)展大體上可分為:（續(xù)）,光纖通信技術(shù)的三次飛躍(1),20世紀(jì)60年代。1962年第一只半導(dǎo)體激光器誕生，隨后半導(dǎo)體光檢測器也研究成功。特別是1966年英籍華人科學(xué)家高錕與Hockham提出用玻璃可以制成衰減為20dB/km的通信光導(dǎo)纖維，1970年美國康寧公司首先制出了20dB/km的光纖，這標(biāo)志著光纖通信系統(tǒng)的實際研究條件得以具備。,20世紀(jì)70年代。1970年發(fā)明了LD的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使得光源與光檢測器的壽命都達(dá)到了10萬小時的實用化水平。1979年發(fā)現(xiàn)了光纖1310nm和1550nm新的低損耗窗口，緊接著單模光纖問世。光纖的衰減系數(shù)一下降到0.5dB/km。這使得光纖通信邁進(jìn)了實用化階段，從80年代初開始光纖通信便大步地邁向了市場。,光纖通信技術(shù)的三次飛躍(2),20世紀(jì)90年代初。1989年摻鉺光纖放大器EDFA的研制成功是光纖通信新一輪突破的開始。EDFA的應(yīng)用不僅解決了光纖傳輸衰減的補償問題，而且為一批光網(wǎng)絡(luò)器件的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。使得光纖通信的數(shù)字傳輸速率迅速提高，促成了波分復(fù)用技術(shù)的實用化。,光纖通信技術(shù)的三次飛躍(3),光纖通信,一根光纖中可同時傳輸一百 多路信號，采用特殊技術(shù) 甚至可以同時傳輸1022路,單路速率不斷提升， 已達(dá)到10、20、40Gb/s 采用OTDM技術(shù)甚至 可達(dá)640Gb/s,各種通信技術(shù)的快速 發(fā)展使上千甚至上萬公 里的長距離傳輸成為可能,全光網(wǎng)成為目前光通信 領(lǐng)域最熱門的話題之一,Education,Telephone,Travel,Entertainment,Health,Shopping,Banking,21世紀(jì)的通信業(yè)務(wù),全球通信業(yè)務(wù)需求估計,用戶增加； 每個用戶的業(yè)務(wù)量增加； 服務(wù)質(zhì)量的提高；,通信容量 需求急增,光纖通信最具代表性技術(shù) 波分復(fù)用WDM和光纖放大器EDFA,光纖通信系統(tǒng)的新波段,1450 1490 1530 1570 1610 1650,S+ S C L L+,波 長 (nm),范崇澄 FS-08,光纖傳輸技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展,新的傳輸技術(shù)層出不窮 色散管理技術(shù) L波EDFA，RA FEC技術(shù) 色散與色散斜率的補償 PMD補償技術(shù) OTDM技術(shù)與光孤子技術(shù),網(wǎng)絡(luò)容量演進(jìn)戰(zhàn)略,40G 器件,關(guān)鍵原材料,光纖預(yù)制棒,光纖通信的產(chǎn)業(yè)鏈,全球光纖通信主要供應(yīng)商,光纖網(wǎng)絡(luò)的分類,三種網(wǎng)絡(luò)的不同要求,三種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有著不同的性質(zhì)決定了這三種網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備開發(fā)的不同考慮： Long-haul: Capacity Metro: Smart Access: Cost,國內(nèi)現(xiàn)狀,1963年 開始光通信的研究 1974年 研究光纖通信 “六五”、“七五”、“八五”鋪設(shè)“八縱八橫”光纖線路總長約七萬公里 傳輸碼率：從140Mb/s2.5Gb/s，10Gb/s，40Gb/s已開始研究。 DFB（量子阱）激光器和EDFA研制成功，可供應(yīng)用 高速電子器件、波導(dǎo)器件尚有差距,NSFCnet 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),說明：NSFCnet由六個節(jié)點組成，以清華為匯接點構(gòu)成兩個環(huán)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，清華、北大和中科院三點構(gòu)成二纖雙向自愈環(huán)采用WDM傳輸技術(shù)，在清華和北大之間通過在實驗室中加光纖進(jìn)行400公里廣域網(wǎng)模擬試驗；在其它節(jié)點構(gòu)成的環(huán)中采用單路SDH/SONET傳輸技術(shù)。,DWDM Experiment system at THU,帶來的科學(xué)問題,光纖性能是有限制的，隨著信道數(shù)據(jù)率和傳輸距離的增加，系統(tǒng)容量日益趨近極限，光纖不再是一個透明管道。 2.5Gb/s per channel: forget the fiber; 160Gb/s per channel: forget WDM!,為克服這些限制，除新型光纖(相對穩(wěn)定)外，綜合采用了色散管理、寬帶EDFA、Raman 放大、前向糾錯（FEC）等行之有效的新技術(shù)；但新技術(shù)不一定都是好技術(shù)。 系統(tǒng)總成本增加； 靈活性、擴(kuò)展性、生存性降低，特別不利于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計,怎樣才是好技術(shù)？,帶來的科學(xué)問題,持續(xù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)功能多、適應(yīng)能力強、成本低的光子學(xué)器件與技術(shù)； 革命性變革有待于基礎(chǔ)研究如何使光子變得聰明？ 所有的智能都在電層 - 只能是“低能”； 光層變?yōu)?big fat pipe 使運營商無利可圖，限制了光通信的發(fā)展； 電子也曾經(jīng) stupid，有存儲、信號處理等功能后才變?yōu)?SMART； 基本問題：由材料開始！ 1015年解決，將引發(fā)通信事業(yè)的另一次革命！,第一章 光纖通信概述,1.1 光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及現(xiàn)狀 1.2 光纖通信系統(tǒng)概述,數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的組成,由光發(fā)射機、光纖光纜、中繼器與光接收機等基本單元組成。 此外還包括一些互連與光信號處理器件，如光纖連接器、隔離器、調(diào)制器、濾波器、光開關(guān)及路由器、分插復(fù)用器ADM等。,1.2 光纖通信系統(tǒng)概述,一、光纖的研究,光纖：將光信號從光發(fā)射機無失真地傳送到光接收機。 基本特性參數(shù)： 損耗（dB/km）：直接影響通信距離。 色散（ps/nm.km）：將引起光脈沖信號展寬和碼間串?dāng)_，影響通信距離和容量。 為實現(xiàn)高速長距離傳輸，要求光纖具有低損耗和低色散特性。,近四十年的努力 尋找合適的光纖，實用化的光損耗為20dB/km (99.5%/m)；60年代研究，70年代突破，2000年0.2dB/km (99.995%/m);新的實用化光纖不斷涌現(xiàn),突破色散限制,傳輸光纖的改進(jìn)（1） ：G.653色散位移光纖,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,衰減 (dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波長(nm),傳輸光纖的改進(jìn)（2） ： G.655非零色散位移光纖,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,衰減 (dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波長(nm),二、光發(fā)射機,光發(fā)射機由光源、調(diào)制器和信道耦合器組成。光信號是用電信號調(diào)制光載波產(chǎn)生的。 直接調(diào)制：通過改變注入電流直接調(diào)制半導(dǎo)體光源的輸出。帶有啁啾，影響通信系統(tǒng)性能。 外調(diào)制：增加一調(diào)制器，適于高速系統(tǒng)應(yīng)用。,光源,驅(qū)動電路,調(diào)制器,信號輸入,通道耦合器,光發(fā)射機結(jié)構(gòu)框圖,調(diào)制格式,歸零碼RZ：代表比特1的光脈沖寬度比比特間隔窄，其振幅在比特周期結(jié)束前歸零。 非歸零碼NRZ：光脈沖在整個時隙內(nèi)保持不變，其振幅在兩個連續(xù)的比特1之間不會降到零。 當(dāng)前，數(shù)字光纖通信以采用NRZ碼為主。有關(guān)各種調(diào)制碼型的研究很多。,調(diào)制前光載波的形式為： E(t)=Acos(0t+),調(diào)制方式,模擬通信可采用調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等多種調(diào)制方式。采用數(shù)字調(diào)制時，相應(yīng)地稱為幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）；信號只有兩種狀態(tài)的ASK稱為通斷鍵控（OOK），這是當(dāng)前的數(shù)字通信系統(tǒng)通常使用的格式，屬于強度調(diào)制-直接檢測（IM-DD）通信方式，是通信方式中最簡單、最初級的方式。,電場,振幅,載頻,相位,光發(fā)射機的參數(shù)(1),發(fā)送光功率（dBm） P=10 lg P(mW) / 1(mW) 以1mW為基準(zhǔn)的、用分貝表示的功率。表示功率的絕對值。,分貝的定義,把信號功率與某個絕對值或某個噪聲功率進(jìn)行比較。 分貝：功率比值，用相當(dāng)簡單的方式表示很大比值。 dB=10 lg P2 / P1 P2 、 P1 -光功率,如：功率增加一倍，表明增益是3dB；功率減小到一半，表明損耗是3dB。分貝是一比值或相對單位。 光纖損耗6dB通過光纖后，功率減小到 連接器損耗1dB通過連接器后，功率減小到,25,80,光譜特性 最大均方根RMS寬度 對于多縱模激光器和發(fā)光二極管 這樣的光能量比較分散的光源,采 用來衡量光脈沖能量在頻域的集 中程度. 單縱模的激光器,能量主要集中 在主模中. 半高全寬FWHM(3dB)寬度 最大20dB跌落寬度,光發(fā)射機的參數(shù)(2),最小邊模抑制比(SMSR)：主縱模(M1)的平均光功率與最顯著的邊模(M2)的平均光功率之比的最低值。 SMSR=10lg（M1/M2）,光發(fā)射機的參數(shù)(3),一般規(guī)定單縱模激光器的最小邊模抑制比為30dB，即主縱模功率至少要比邊模大1000倍以上。,三、光接收機,光接收機：將光信號變換為電信號，再進(jìn)行放大、再生。 數(shù)字通信系統(tǒng)的性能用誤碼率BER來衡量。BER定義為錯誤識別比特的平均幾率。 接收機性能的重要參數(shù)是接收機靈敏度：在接收機BER10-9的條件下，所要求的最小平均接收光功率。 接收靈敏度取決于信噪比，亦即取決于干擾接收信號的各種噪聲源，是所有可能的噪聲機制影響的累加，當(dāng)然也與比特率有關(guān)。,四、中繼器,隨著傳輸線路的延長，會由于傳輸損耗而使脈沖衰減，同時加上傳輸線路的失真特性（光纖中的各種色散）產(chǎn)生脈沖波型的失真。因此，需要中繼器來進(jìn)行修復(fù)。,3R： re-amplifying 再放大（光放大器的功能） re-timing 再定時 （消