現(xiàn)代通信新技術(shù)-課件光通信技術(shù)

光通信技術(shù)主要內(nèi)容：系統(tǒng)模型光器件、放大器多信道系統(tǒng)相干通信光孤子PDHSDH1.概述

1870年的一天，英國物理學(xué)家丁達(dá)爾到皇家學(xué)會(huì)的演講廳講光的全反射原理，他做了一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)：在裝滿水的木桶上鉆個(gè)孔，然后用燈從桶上邊把水照亮。結(jié)果使觀眾們大吃一驚。人們看到，放光的水從水桶的小孔里流了出來，水流彎曲，光線也跟著彎曲，光居然被彎彎曲曲的水俘獲了。

這是為什么呢？難道光線不再直進(jìn)了嗎？經(jīng)過他的研究，發(fā)現(xiàn)這是全反射的作用，即光從水中射向空氣，當(dāng)入射角大于某一角度時(shí)，折射光線消失，全部光線都反射回水中。表面上看，光好像在水流中彎曲前進(jìn)。實(shí)際上，在彎曲的水流里，光仍沿直線傳播，只不過在內(nèi)表面上發(fā)生了多次全反射，光經(jīng)過多次全反射向前傳播。1.1丁達(dá)爾實(shí)驗(yàn)后來人們造出一種透明度很高、粗細(xì)像蜘蛛絲一樣的玻璃絲──玻璃纖維，當(dāng)光線以合適的角度射入玻璃纖維時(shí)，光就沿著彎彎曲曲的玻璃纖維前進(jìn)。由于這種纖維能夠用來傳輸光線，所以稱它為光導(dǎo)纖維。1.2光的全反射全反射：光由光密（即光在此介質(zhì)中的折射率大的）媒質(zhì)射到光疏（即光在此介質(zhì)中折射率小的）媒質(zhì)的界面時(shí)，全部被反射回原媒質(zhì)內(nèi)的現(xiàn)象。n/n'=sin(a')/sin(a)====>1/sin(A)(A為臨界角）a'=90折射率的定義：n=c/v=λ0/λ=sin(a0)/sin(a)

1.3光與光纖概念：光通信,利用光作為載波的通信方式光：1014Hz(100THz),是常規(guī)電磁波以及微波的104~105倍。LEDlightemittingdiode，LDlaserdiode激光。光纖：玻璃纖維。一種傳輸光能的波導(dǎo)介質(zhì)，一般由纖芯和外部包層組成。

*光纖是光導(dǎo)纖維的簡寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達(dá)成的光傳導(dǎo)工具。前香港中文大學(xué)校長高錕和GeorgeA.Hockham首先提出光纖可以用于通訊傳輸?shù)脑O(shè)想，高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1.4發(fā)展歷史1966年，高錕，（華裔），光纖之父，提出1000dB/km-->20dB/km可用于通信。改年，發(fā)表文章《光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》，提出光纖長距離、大容量通信。4年之后：1970年，20dB/km光纖制成，被稱為光纖通信的元年。美國康寧公司花費(fèi)3000萬美元，得到30米光纖樣品。各國開始開始投入巨資研發(fā)。同時(shí)，貝爾實(shí)驗(yàn)室，制成常溫工作的鋁鎵砷（AlGaAs)半導(dǎo)體激光器。1976年亞特蘭大--華盛頓之間建立實(shí)用線路，45Mbps多模光纖，發(fā)光LED，波長為0.85um，紅外。70年代，單模光纖以及長壽命的半導(dǎo)體激光器，光纖通信的巨大優(yōu)越性顯出。1983年，發(fā)達(dá)國家先后宣布長途干線不再采用電纜。*dB(Decibel，分貝)是一個(gè)純計(jì)數(shù)單位，本意是表示兩個(gè)量的比值大小，沒有單位。對于功率，dB=10*lg(A/B)。對于電壓或電流，dB=20*lg(A/B)。1.5光纖的發(fā)展（1）第一代，0.85um,多模，鋁鎵砷半導(dǎo)體激光器（2）第二代，1.3um，多模（3）第三代，1984年，1.3um，單模，芯很細(xì)（7~9um）（4）第四代，80年代中后期，出現(xiàn)1.55um，單模光纖，波分復(fù)用，1.6光纖通信的優(yōu)勢大容量：與載波的頻率直接相關(guān)，長距離：損耗小，干擾小，抗干擾：低成本：輕質(zhì)：保密：微波1~10GHz，光波：100THz。1.3um~1.55um,至少有25000GHz，可達(dá)到10Tbps，甚至100多Tbps。信道間隔目前可做到0.01nm。1.55um窗口，寬度可用到120nm，120/0.01=12000,即可容納1萬多路信道。而單波長（1路載波）可做到10~40Gbps。一般認(rèn)為，光載波的信道間隔只需等于每個(gè)信道速率的6倍即可。即N=Δf/6B.例如：1550~1560nm，Δλ=10nm，Δf=1.24x1012Hz,劃分成B=2.5Gbps信道，則N≈82，82x2.5=205Gbps.2光通信系統(tǒng)由以下部分組成：（1）光發(fā)送機(jī)（2）光纖（3）光放大器、中繼器（4）光接收機(jī)E/O----O/E/O----

O/E--O-O—全光系統(tǒng)。發(fā)送端調(diào)制方式：直接調(diào)制和外調(diào)制接收端光檢測：直接檢測和超外差檢測*PIN:,APD:，EDFA:摻鉺光纖放大器3_1.光器件-光纖

光纖：石英拉制，三部分：芯，包層，涂層。從材料的折射率分布上可分為：階躍型漸變型。從傳輸模式上，可分為：單模光纖多模光纖。階躍多模漸變多模單模3_2光纖損耗與色散,單位：dB/km*參考：高倍望遠(yuǎn)鏡的損耗500dB/km,而光纖可以做到0.2dB/km.*最低損耗窗功率衰減，衰減系數(shù)

色散不同頻率成分有不同的傳輸速度。3_3光源Ith

閾值電流

LD和LED的P-I特性曲線進(jìn)行電-光轉(zhuǎn)換。LED低成本、短距離、低速率。沒有諧振腔。LD用于長距離、大容量通信。*DFB分布反饋激光器，線寬很窄，實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制。

利用光柵層實(shí)現(xiàn)波長選擇，實(shí)現(xiàn)單縱模工作。3_4光檢測器進(jìn)行光-電轉(zhuǎn)換。常用半導(dǎo)體光電二極管。光

電子-空穴PIN具有本征層的光電二極管。APD雪崩光電二極管。摻雜量增大，耗盡層上形成高場區(qū)，電子-空穴與晶格碰撞產(chǎn)生新的電子-空穴對，形成大電流。

靈敏度高，但是電路復(fù)雜（高的偏置電壓、溫度補(bǔ)償）。3_5無源器件連接器FC螺紋，主干線路多采用SC直接插拔ST卡口式直接插拔（1）.光纖連接器3_5無源器件衰減器

對信號能量進(jìn)行預(yù)期的衰減。分為固定衰減器和可變衰減器。*固定衰減器可采用金屬蒸發(fā)鍍膜濾光片，依據(jù)鍍膜的厚度來控制衰減量。（2）.衰減器固定衰減器3_5無源器件光隔離器

光隔離器可以消除反射光的影響。（連接界面的反射光再次回到激光器，會(huì)造成機(jī)關(guān)器不穩(wěn)定）（3）.光隔離器3_5無源器件光開關(guān)具備多個(gè)可選擇的傳輸端口，對光信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換或者邏輯操作。分為機(jī)械式和非機(jī)械式。機(jī)械式依靠器件的移動(dòng)非機(jī)械式依靠電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、熱光效應(yīng)等，改變介質(zhì)的折射率，使得光的傳播方向發(fā)生改變。研究熱點(diǎn)。（4）.光開關(guān)3_5無源器件光耦合器使得多路光信號進(jìn)行耦合，然后進(jìn)行再分配的器件。功率分配耦合器、波長分配耦合器兩分支型、多分支型多模耦合器、單模耦合器（5）.光耦合器光纖耦合器3_5無源器件波分復(fù)用器件對光波（波長）進(jìn)行分離與合成的無源器件。是一種特殊的耦合器。（6）.波分復(fù)用器件4-1.光放大器對光信號進(jìn)行能量放大。o-e-E-O

模式被電子速度瓶頸。故最好采用o-O全光模式。半導(dǎo)體光放大器利用能級間躍遷的受激現(xiàn)象進(jìn)行放大，與半導(dǎo)體激光器原理類似。頻率決定于材料。摻雜光纖放大器*在及輻射泵浦光激發(fā)下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在信號光誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)。

稀土金屬離子，作為激光工作物質(zhì)，摻雜在光纖中。

最常用的摻鉺光纖放大器EDFA工作于1.5um。EDFA4-1.光放大器_非線性放大器利用受激拉曼散射或者受激布里淵散射。較少使用。*頻寬小，泵浦閾值高4-2.光放大器的應(yīng)用中繼放大功率放大前置放大補(bǔ)償分配損耗*光放大器由于色散和噪聲積累，一定級數(shù)后需要采用電放大整形。5.多信道系統(tǒng)信道復(fù)用技術(shù)

時(shí)分頻分碼分空分等5.多信道系統(tǒng)_OTDM時(shí)分復(fù)用WDM(稀疏的)波分復(fù)用DWDM(密集的）FDM(致密的)頻分復(fù)用OCDM（光碼分復(fù)用）6.相干通信直接檢測用于調(diào)幅，不能用頻率和相位調(diào)制，靈敏度低超外差檢測是近代無線電和微波通信中廣泛采用的技術(shù)。*光波的相干性起到重要作用，故稱為相干光通信技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)：（1）劃分頻道（2）選擇性好，靈敏度高。1-10GHz的間隔，特別適用于頻分復(fù)用通信。6.外差和零差檢測無線電通信中的概念。濾波本地振蕩信號L接收的信號s根據(jù)是否為0，分為零差監(jiān)測和外差檢測。零差比較難以獲得。6.外差檢測有效信號：可見：本振放大了接收信號，提高了SNR但是相對于零差，平均功率降低了一半(零差時(shí)cos=1)可以使得接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)較為簡單?？梢詸z測調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相三種信號。約等于PL6.三種調(diào)制方式。。6.相干通信的關(guān)鍵技術(shù)（1）光源的相干性和頻率的穩(wěn)定性（2）偏振匹配信號光波和本振光波的偏振方向必須一致，才可以具備高的靈敏度。光纖界面的幾何不規(guī)則內(nèi)部應(yīng)力不均勻溫度、彎曲、扭動(dòng)、受壓等解決辦法：在接收機(jī)上加偏振控制器。*已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。有些技術(shù)還在試驗(yàn)階段。6.相干通信的應(yīng)用大容量無中繼干線。相干頻分復(fù)用CATV網(wǎng)。6.光孤子通信soliton1834年，羅素在河流中發(fā)現(xiàn)。20世紀(jì)，引起很多學(xué)者的興趣。1965年，命名之后，開始應(yīng)用于物理、電磁、生物、天文、光學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。

1973年光孤子得到理論證明。1980年，觀察到了光孤子現(xiàn)象。從此，從數(shù)學(xué)走向?qū)嵺`，成為光纖孤子通信的構(gòu)想。孤子：脈沖包絡(luò)在非線性色散介質(zhì)中，類似于粒子的特征。不僅無失真?zhèn)鞑?，甚至碰撞后依然保持原形?.光孤子通信_(tái)非線性：使高頻成分不斷積累。波形越來越陡峭，最后破裂。色散：會(huì)使得脈沖展寬。兩種有害因素，平衡時(shí)，呈現(xiàn)孤子現(xiàn)象：保形，穩(wěn)幅，損耗可由光纖放大器補(bǔ)償。6.

PDH數(shù)字復(fù)接時(shí)的頻率和相位同步要求。PDH準(zhǔn)同步數(shù)字體系。PlesiochronousDigitalHierarchy標(biāo)稱速率相同，實(shí)際上有一定偏差。6.

SDHSDH同步數(shù)字體系。美國貝爾研究所提出Sonet,1988年成為國際標(biāo)準(zhǔn)，改名SDH.適用于光纖、衛(wèi)星、微波、等環(huán)境的通用技術(shù)體制?？捎糜陂L距離、大容量數(shù)字網(wǎng)，以及B-ISDN?；鶞?zhǔn)速率為1