1、Fiber Optic Communications 光纖通信,吉馭嬪 西華大學(xué)物理與化學(xué)學(xué)院 E-mail: 手機(jī)Fiber Optic Communication,content：介紹了光纖通信的概念，光纖的傳輸特性、光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)的工作原理及工作特性、有源和無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)器件的工作原理及應(yīng)用、光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、光纖網(wǎng)絡(luò)等。,assignment：光纖通信是光信息科學(xué)學(xué)生的一門(mén)專業(yè)技術(shù)選修課，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握光纖通信的基本原理和光纖通信系統(tǒng)的組成，了解光纖通信的未來(lái)與發(fā)展，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)光纖通信技術(shù)和設(shè)備打下基礎(chǔ)。本課程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用以前所掌握的通

2、信系統(tǒng)基本知識(shí)、波動(dòng)光學(xué)等基本知識(shí)等有良好的促進(jìn)作用。,光纖通信系統(tǒng)概述 光纖 光源和光發(fā)射機(jī) 光檢測(cè)器和光接收機(jī) 光網(wǎng)絡(luò)器件 光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì),要求：做好課堂筆記，按時(shí)完成作業(yè)，每章交一次作業(yè)，做好每次實(shí)驗(yàn)，寫(xiě)好實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 考核方式：平時(shí)成績(jī)（考勤、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)）：30% 期中考試+ 期末考試：70%,1.1 Historical Perspective 1.2 Main Characteristics 1.3 Composition and Classification,Chapter 1 Fiber Optic communications System,1.1 Historical P

3、erspective,Smoke signals Blinker lights,1.1.1 Early optic communications,到了1880年，貝爾發(fā)明了第一個(gè)光電話，這一大膽的嘗試，可以說(shuō)是現(xiàn)代光通信的開(kāi)端。 貝爾用弧光燈或者太陽(yáng)光作為光源，光束通過(guò)透鏡聚焦在話筒的震動(dòng)片上。當(dāng)人對(duì)著話筒講話時(shí)，震動(dòng)片隨著話音震動(dòng)而使反射光的強(qiáng)弱隨著話音的強(qiáng)弱作相應(yīng)的變化，從而使話音信息“承載”在光波上（這個(gè)過(guò)程叫調(diào)制）。在接收端，裝有一個(gè)拋物面接收鏡，它把經(jīng)過(guò)大氣傳送過(guò)來(lái)的載有話音信息的光波反射到硅光電池上，硅光電池將光能轉(zhuǎn)換成電流（這個(gè)過(guò)程叫解調(diào)）。電流送到聽(tīng)筒，就可以聽(tīng)到從發(fā)送端送過(guò)來(lái)

4、的聲音了。,The beginning of modern optic communication,-Bells Photophone,Bells Photophone,1880 - Photophone Transmitter,1880 - Photophone Receiver,Bell photophone,Three elements of optic communications,Optical Sources（transmitter） Transmission medium（information channel） Receiver,貝爾光電話和烽火報(bào)警一樣，都是利用大氣作為光通道

5、。 大氣光通信優(yōu)點(diǎn)：有一定的容量、傳輸距離，方便靈活 缺點(diǎn)：1 光波傳播易受氣候的影響，在大霧天氣，它的可見(jiàn)度距離很短，遇到下雨下雪天也有影響。 2. 距離有限 3.通信兩點(diǎn)必須直線可見(jiàn),在大氣光通信受阻之后，人們將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)入到地下光波通信的實(shí)驗(yàn)，先后出現(xiàn)過(guò)反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)等地下通信的實(shí)驗(yàn)。,1.1.2 Fiber Optic communications ,Reflection waveguide and lens waveguide,1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(K.C.Kao，當(dāng)時(shí)工作于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信研究所) 發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途

6、徑，奠定了現(xiàn)代光通信光纖通信的基礎(chǔ)。,高錕深入研究了光在石英玻璃纖維中的嚴(yán)重?fù)p耗問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)這種玻璃纖維引起光損耗的主要原因是其中含有過(guò)量的鉻、銅、鐵與錳等金屬離子和其他雜質(zhì)，其次是拉制光纖時(shí)工藝技術(shù)造成了芯、包層分界面不均勻及其所引起的折射率不均勻。,1966年：光纖損耗為1000dB/km,高錕在論文光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)提出：通過(guò)改進(jìn)制備工藝，減少原材料雜質(zhì) ，可使石英光纖的損耗大大下降 ，并有可能拉制出損耗低于20dB/km的光纖，從而使光纖可用于通信之中。稱為“光纖之父”。,1970年，光纖研制取得了重大突破。美國(guó)康寧(Corning)公司就研制成功損耗20 dB/km的石英光纖。,19

7、72年，康寧公司將高純石英多模光纖損耗降低到4 dB/km。,1973 年，美國(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室取得了更大成績(jī)，光纖損耗降低到2.5dB/km。,1974 年降低到1.1dB/km。,1976 年，日本電報(bào)電話(NTT)公司等單位將光纖損耗降低到0.47 dB/km(波長(zhǎng)1.2m)。,在以后的 10 年中，波長(zhǎng)為1.55 m的光纖損耗：1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纖最低損耗的理論極限。,1970 年，作為光纖通信用的光源也取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。 當(dāng)年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先

8、后突破了半導(dǎo)體激光器在低溫(-200 )或脈沖激勵(lì)條件下工作的限制，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長(zhǎng))。,1973 年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時(shí)。,1977 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)(約11.4年)，外推壽命達(dá)到100萬(wàn)小時(shí)，完全滿足實(shí)用化的要求。,1979年, 美國(guó)電報(bào)電話(AT&T)公司和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.55 m的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。,由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使 1970 年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。,1.2 . Main characteristics 1.2.1 Wha

9、t is the optic fiber communications?,Electric communications 廣義的電通信指的是一切運(yùn)用電波作為載體而傳送信息的所有通信方式的總稱。 電通信又可分為有線電通信和無(wú)線電通信。,Communication:從廣義的角度來(lái)說(shuō)，就是彼此之間傳遞信息。,optic communications 廣義的光通信指的是一切運(yùn)用光波作為載體而傳送信息的所有通信方式的總稱。 光通信也可以分為利用大氣進(jìn)行通信的無(wú)線光通信和利用石英光纖或塑料光纖進(jìn)行通信的有線光通信。,人們通常把應(yīng)用石英光纖的有線光通信簡(jiǎn)稱為光纖通信（optic fiber communic

10、ations）,optic fiber communications 用光作為信息的載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。,1.2.2 The advantages of Fiber Optic Communictions,1. The capacity of Optic Fiber is very large,信號(hào)進(jìn)行傳輸且沒(méi)有明顯衰減的頻率范圍。,Shannon-Hartley：,C為信道容量（單位為比特/秒，b/s），B為信道帶寬（單位為赫茲，Hz），SNR是信號(hào)功率與噪聲功率的比值，稱之為信噪比。,增加信道帶寬可以有效地提高信道容量,Bandwidth（帶寬）,大多數(shù)光通信系統(tǒng)使用紅

11、外區(qū)域的波長(zhǎng),0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1.0 1.5 2.0 Wavelength (m),Ultraviolet,Visible,Infrared,Optical Spectrum (Partial),Blue,Red,Wave Nature of Light,載波頻率越高,信道的帶寬就越大,The electromagnetic spectrum of Communication system,2. Low loss, and long Relay distance,Relay distance(中繼距離),傳輸線路上不加放大器時(shí)信號(hào)所能傳輸?shù)淖畲缶嚯x。,3. St

12、rong anti-interference ability,4. Good secrecy,5. Save non-ferrous metal,6.Others： thin Line diameter, light weight and long life,1. 抗拉強(qiáng)度低 2. 光纖維護(hù)檢修困難 3. 連接不方便,1.2.3 The disadvantages of Fiber Optic Communications,1.3 Composition and Classification,1.3.1 The Composition of Fiber Optic communications

13、 system,光纖通信系統(tǒng)由光發(fā)射機(jī)(Light Transmitter)、光纖線路(Optic Fiber Links)和光接收機(jī)(Light Receiver)三部分組成。它首先要在發(fā)射機(jī)將需傳送的電話、電報(bào)、圖像和數(shù)據(jù)等信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，即將電信號(hào)變成光信號(hào)，再經(jīng)光纖傳輸?shù)浇邮諜C(jī)，接收機(jī)將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，最后還原成消息。,The basic component of the generalized optical fiber communication system,光發(fā)送機(jī)的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并將生成的光信號(hào)注入光纖。光發(fā)送機(jī)一般由驅(qū)動(dòng)電路、光源和調(diào)制器構(gòu)成。,

14、光接收機(jī)的作用是將光纖送來(lái)的光信號(hào)還原成原始的電信號(hào)。它一般由光檢測(cè)器、放大電路和恢復(fù)電路組成。,光纖的作用是為光信號(hào)的傳送提供傳送媒介(信道)，將光信號(hào)由一處送到另一處。,中繼器的主要作用就是延長(zhǎng)光信號(hào)的傳輸距離。,Three component parts of the Basic Fiber Optic communications system,1、 Light Transmitter,Composition diagram ：,如果導(dǎo)帶EC上的電子躍遷到價(jià)帶EV上，就會(huì)將其間的能量差（也稱能帶差）以光的形式放出，光子的頻率與能帶差的關(guān)系為,我們可以通過(guò)控制半導(dǎo)體材料的成份來(lái)改變能帶差

15、，從而改變其發(fā)光波長(zhǎng)。,Radiation of Light,Wave Nature of Light,半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED的工作正是基于電子從高能帶躍遷到低能帶將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿臋C(jī)理。把電流注入到半導(dǎo)體上，則原子中占據(jù)低能帶的電子被激勵(lì)到高能帶后，再躍遷到低能帶上，它們將自發(fā)輻射出光子。,光的自發(fā)輻射（發(fā)光二極管）,激光二極管LD的工作機(jī)理為受激輻射，即在入射光的激發(fā)下，產(chǎn)生與入射光頻率、相位、偏振方向及傳播方向一樣的發(fā)射光。,光的受激發(fā)射（激光二極管）,Structural parameters： 發(fā)送功率，單位：dBm,輸出光功率足夠大，調(diào)制頻率足夠高，譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸

16、出功率和波長(zhǎng)穩(wěn)定， 器件壽命長(zhǎng),在光通信系統(tǒng)中，經(jīng)常用dBm表示發(fā)射光功率，接收光功率，它是在1mW為基準(zhǔn)的光功率相對(duì)量的單位，用下式計(jì)算：,spectral characteristics of Light source,Light Source,LED,LD,(a) Analog modulation (b) Digital modulation,Modulator(調(diào)制器),A . Two distinct categories of modulation formation,Direct Intensity modulation 用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流，使輸

17、出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)的。 Outer Intensity modulation (Indirect Intensity modulation) 把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開(kāi)，用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實(shí)現(xiàn)的。,B. Two distinct categories of modulation method,Direct Intensity modulation,Outer Intensity modulation,Auxiliary circuit,a. 驅(qū)動(dòng)電路:對(duì)于直接強(qiáng)度調(diào)制的光源，必須給它提供恒定偏置電流和已調(diào)制的信號(hào)，它才能正常工作。,b.自動(dòng)功率控制電路:對(duì)輸出光的強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

18、,c. 自動(dòng)溫度控制電路:控制激光二極管的結(jié)溫變化。,d. 光隔離器:保護(hù)光源的激活區(qū)免受回射光的影響。,將激光二極管、監(jiān)視光電二極管、光隔離器、熱電制冷器、溫度傳感器、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、自動(dòng)溫度控制電路、自動(dòng)功率控制電路、尾纖等制成為光發(fā)射模塊，集成在一個(gè)管殼內(nèi)并組成光發(fā)射功能的器件。,2. Optic Fiber Links Composition : 光纖、光纖接頭和光纖連接器,Optic Fiber,光纖是由兩種不同折射率的石英玻璃（SiO2）在高溫下拉制而成的。內(nèi)層為纖芯，作用是傳輸光信號(hào)，外層為包層，作用是使光信號(hào)盡可能封閉在纖芯中傳輸。,按照傳送光的模式的不同，光纖分為單模光纖

19、和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑大約幾個(gè)微米，多模光纖的纖芯直徑為一般為幾十微米。單模光纖和多模光纖的包層直徑一般都為125m。,包層n2,Optic-Fiber Cables,僅有纖芯和包層的光纖稱為裸光纖。,在光纖制造過(guò)程中，裸纖從高溫爐拉出后，立即要經(jīng)過(guò)涂覆層流水線進(jìn)行涂覆。涂覆層的主要成分是環(huán)氧樹(shù)脂和硅橡膠分子材料。然后再制成光纜。,Optic-Fiber Cables,2. Optic Fiber Links Composition : 光纖、光纖接頭和光纖連接器 Low loss “Widow”,Fiber optic systems must have low loss. For

20、glass low loss occurs at several wavelengths. The major operation regions (windows) are:,WavelengthWindow 0.8-0.9 m First Window 1.300 m Second Window 1.550 m Third Window,0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5,衰減（dB/km）,波長(zhǎng)（m）,普通單模光纖的衰減隨波長(zhǎng)變化示意圖,2. Optic Fiber Links Composition : 光纖、光纖接頭和光纖連接器 Low loss

21、“Widow”：普通石英光纖在近紅外波段，除雜質(zhì)吸收峰外，其損耗隨波長(zhǎng)的變化差異很大，在0.85 m、1.31 m和1.55 m有三個(gè)損耗很小的波長(zhǎng)“窗口” 。 光源激光器的發(fā)射波長(zhǎng)和光檢測(cè)器光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)，都要和光纖這三個(gè)波長(zhǎng)窗口相一致。 目前在實(shí)驗(yàn)室條件下，1.55 m的損耗已達(dá)到0.154 dB/km， 接近石英光纖損耗的理論極限。,3、 Light Receiver Composition :光檢測(cè)器(Light Detectors)、光放大器(Optical Amplifiers)和相關(guān)電路組成。,Composition diagram,數(shù)字信號(hào)在光纖鏈路上的傳輸,如果把能量大

22、于Eg的光照射到半導(dǎo)體材料上，則處于低能帶的電子吸收該能量后被激勵(lì)而躍遷到高能帶上，我們可以通過(guò)在半導(dǎo)體上外加電場(chǎng)，將處于高能帶的電子取出，從而使光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?Absorption of Light,Wave Nature of Light,Absorption of Light,將PD管、前置放大器、阻抗匹配和電路狀態(tài)監(jiān)視/警示電路以及若干光學(xué)元件集成在一個(gè)管殼內(nèi)可制成光接收模塊。,Sensitivity(靈敏度) 光接收機(jī)主要指標(biāo)，它是指在滿足給定誤碼率或信噪比條件下，接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力，工程上常用最低平均光功率 來(lái)描述:,式中， 的單位為 ， 的單位為mW。,Dynamic r

23、ange(動(dòng)態(tài)范圍) 光接收機(jī)另一指標(biāo)，它是指在保證系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)要求下，接收機(jī)的最低光功率和最大允許光功率之比：,D的單位為dB。,Structural parameters,Optical Amplifiers,Principle: Stimulated radiation,摻鉺光纖放大器,dBm and dB (P17),1、dBmdBm是一個(gè)表征功率絕對(duì)值的量 計(jì)算公式為：10lgP（功率值/1mw）。例1 如果發(fā)射功率P為1mw，折算為dBm后為0dBm。例2 對(duì)于40W的功率，按dBm單位進(jìn)行折算后的值應(yīng)為：10lg（40W/1mw)=10lg（40000）=46dBm。,2、dB

24、dB是一個(gè)表征相對(duì)值的量 當(dāng)考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少個(gè)dB時(shí)，按下面計(jì)算公式：10lg（甲功率/乙功率）例3 甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。也就是說(shuō)，甲的功率比乙的功率大3 dB，則功率大一倍。,總的功率是單個(gè)級(jí)聯(lián)部分的功率之和。,例1.3 假設(shè)一個(gè)發(fā)光管二極管的輻射功率為2mW，計(jì)算與此功率相對(duì)應(yīng)的dBm值。此功率通過(guò)一組元件后有23dB的損耗，計(jì)算輸出功率。,例1.1 三個(gè)級(jí)聯(lián)部分的損耗分別為-1dB，-6dB，-3dB，計(jì)算此系統(tǒng)的總損耗。如果輸出功率為5mW，試計(jì)算輸出功率。,根據(jù)調(diào)制信號(hào)的類型，光纖通信系統(tǒng)可以分為模擬光纖通信系統(tǒng)

25、和數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。 根據(jù)光源的調(diào)制方式，光纖通信系統(tǒng)可以分為直接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)和間接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)。,1.3.2 The Classification of Fiber Optic communications system,根據(jù)光纖的傳導(dǎo)模數(shù)量，光纖通信系統(tǒng)可以分為多模光纖通信系統(tǒng)和單模光纖通信系統(tǒng)。 根據(jù)系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)，光纖通信系統(tǒng)可分為短波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)。,The first generation of optic fiber communications era : 850nm波段的多模光纖。,The second generation

26、of optic fiber communications era ：1980年，1310nm波段的多模光纖，石英光纖的第二個(gè)低損耗窗口。,The third generation of optic fiber communications era ：1983年，1310nm波段的單模光纖，這一代光纖通信廣泛地應(yīng)用于長(zhǎng)途干線和跨洋通信中。,The forth generation of optic fiber communications era ：80年代后期，1550nm波段單模光纖在上傳輸?shù)碾A段。石英光纖的最低損耗窗口，為在這個(gè)時(shí)期，摻鉺光纖放大器的出現(xiàn)成為光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。

27、,The fifth generation of optic fiber communications era ：1995年。主要特征是采用了密集波分復(fù)用DWDM對(duì)光纖系統(tǒng)傳輸容量進(jìn)行擴(kuò)容。,1.4. some problem, Attenuation(損耗) 光信號(hào)功率在光纖傳輸過(guò)程中的損耗。,光纖衰減的特性用衰減系數(shù)表示，光信號(hào)在光纖中傳播時(shí)，其功率P隨著傳輸距離的增加按指數(shù)形式衰減,設(shè)起始處（z=0）的信號(hào)光功率為P(0)，則在光纖,中經(jīng)過(guò)距離z的傳播后，其值為,衰減系數(shù),單位為km-1,工程用dB/km作為光纖損耗的單位，有:,例 一根光纖長(zhǎng)20km，衰減為0.5dB/km，一端注入功

28、率為600W的光信號(hào)，求其輸出光功率。,解：在光通信系統(tǒng)中，經(jīng)常用dBm表示發(fā)射光功率：,利用上式將輸入光功率單位轉(zhuǎn)換為dBm，有,可得到在z=20km時(shí)的輸出功率（用dBm表示）,P0單位為毫瓦（mW）。,換回到以瓦表示的單位,Factor of Attenuation,a. Scattering 散射損耗是由于光纖材料密度的微觀變化、成分的起伏、結(jié)構(gòu)上的不完善以及制造過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷造成的。,b. Absorption OH離子引起的損耗稱為雜質(zhì)吸收損耗，光纖石英材料（SiO2）固有的吸收，稱之為內(nèi)部吸收。,c. Geometric effects,光纖彎曲是光信息傳輸所受損耗的主要原因之

29、一。,最小彎曲半徑：光纖的一項(xiàng)參數(shù)。,光纖傳輸系統(tǒng)的損耗, Dispersion（色散）：由于光波中的不同頻率分量以不同速度傳輸而產(chǎn)生不同的時(shí)間延遲的一種物理效應(yīng)。（P65）,a. Multimode Distortion（多模失真）,不同入射角的光線代表不同的模式,脈沖因多個(gè)模式而起的展寬-多模失真,Multimode Distortion：多個(gè)不同模式的存在而引起脈沖展寬。,設(shè)光纖的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，最低模式（也稱為零級(jí)模式）沿中心軸線到達(dá)光纖輸出端所需時(shí)間為：,最高模式（以臨界角傳播的光線）所需時(shí)間：,脈沖展寬時(shí)間,相對(duì)折射率,脈沖展寬時(shí)間,控制多模失真,減少模式數(shù)量,減小纖芯直徑的尺寸,減小相對(duì)折射率,例 一階躍折射率光纖，已知n11.486，n21.472，僅考慮模式色散，計(jì)算每1km長(zhǎng)度的脈沖展寬。,b. Waveguide Dispersion（波導(dǎo)色散）,波導(dǎo)色散引起的單位長(zhǎng)度脈沖展寬,式中 是波導(dǎo)色散系數(shù)，單位 ,它與光纖的設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)， 為光源的線寬，