第九章 光纤通信.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,6,章 数字光纤通信系统,主要内容,1.,概述,2.,光纤与光缆,3.,数字光纤通信系统,4.,光波分复用系统,5.,全光通信网展望,1.,概述,光纤通信是指以光波为载波，用光导纤维作为传输媒介的一种通信方式。,由于主要传输和处理的是数字信号，因此又称为数字光纤通信系统。,光纤通信与电通信的区别主要有两点：一是,传输信号,的区别，二是,传输媒介,的区别。,表,1,光纤通信与电通信的区别,通信形式,光纤通信,电 通 信,传输信号,光信号,电信号,传输媒介,光导纤维,金属线、无线,10,1,10,7,10,2,10,6,10,3,10,5,10,4,10,4,10,5,10,3,10,6,10,2,10,7,10,1,10,8,10,0,10,9,10,-1,10,10,10,-2,10,11,10,-3,10,12,10,-4,10,13,10,-5,10,14,10,-6,10,15,Wave length,（,m,）,Electric phone,Radio TV,microwave,infrared,Visible light,双铰线,同轴电缆,光纤,卫星,/,微波,AM,无线电,FM,无线电,光是一种电磁波,可见光,350nm,750nm,光纤通信所用的波长,800,1600nm,1450 1490 1530 1570 1610 1650,S,+,S,C,L,L,+,波长,(nm),光功率衰减的单位,dB(,分贝,),：描述功率相对比值的单位,dB=10,log,10,(P,out,/P,in,),P,out,：输出功率；,P,in,：输入功率,dBm(,分贝毫瓦,),：描述功率绝对值的单位,dBm=10,log,10,(P/1mw),1mw=0 dBm,10mw=10 dBm,40mw=16 dBm,字首,字首 符号 倍数因数,太，,tera T10,12,吉，,giga G10,9,兆，,mega M10,6,千，,kilo k10,3,分，,centi c10,-2,毫，,milli m10,-3,微，,micro,10,-6,纳，,nano n10,-9,皮，,pico p10,-12,飞，,femto f10,-15,光纤通信发展史,发展史,光电话,：,1880,年,贝尔,(,通信距离,213,m,),光源,：激光器,梅曼,(1960),美国贝尔公司,(1970),半导体激光器,传光介质,：光纤,高锟,(1966),美国康宁公司,(1970),低损耗光纤,工作波长,0.85,m,、,1.31,m,和,1.55,m,1880,年，美国人贝尔,(Bell),发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。这种光电话利用太阳光或弧光灯作光源，通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的变化而变化，实现话音对光强度的调制。在接收端，用抛物面反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上，使光信号变换为电流，传送到受话器。,1966,年：光纤损耗为,1000dB/km,；,高锟,“,光纤之父,”,1966,年,：,高锟博士,发表他的著名论文,“,光频介质纤维表面波导,”,首次明确提出，通过改进制备工艺，减少原材料杂质，可使石英光纤的损耗大大下降，并有可能拉制出损耗低于,20dB/km,的光纤，从而使光纤可用于通信之中。,商用的光纤通信系统,1977,年在美国芝加哥和圣塔摩尼卡之间首次建成商用的光纤通信系统。,两根,(,直径,0.1mm,左右,),光纤，同时开通,8000,路电话！,到,1990,年，光纤系统发展了几代,(,通信业务,40%),由多模光纤,(70,年代,),过渡到单模光纤,(80,年代,),由短波长,(0.85,m,),过渡到长波长,(1.31,m,),信息传输的容量和速率大大提高。,90,年代：传输速率,10000Mbit/s,，同时开通,1250000,路电话。,光纤通信特点和应用,与电缆相比，,光纤,具有如下的显著特点：,1.,线径细，重量轻,。有利于长途和市话干线布放，而且便于制造多芯光缆。,2.,损耗极低,(1.55,m,窗口的衰耗低于,0.18 dB,km),传输的距离可以很长。,3.,传输的频带宽、信息容量大,现在已经发展到几十千兆比特秒的光纤通信系统，它可传输几十万路电话和几千路彩色电视节目。,4.,不受电磁干扰、防腐和不会锈蚀。,5.,不怕高温、防爆、防火性能强。,6.,保密性好。,2.,光纤与光缆,（,1,）,光纤的结构,石英玻璃、塑料光纤和卤化物玻璃,纤芯,(,折射率大,),和包层,全反射,2.,光纤与光缆,光纤,：,光导纤维的简称，是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的,(,玻璃,),纤维。,光纤的基本结构一般是双层或多层的同心圆柱体，如右图所示。其中心部分是纤芯，纤芯外面的部分是包层，纤芯的折射率高于包层的折射率，从而形成一种光波导效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输，实现光信号的长距离传输。,光纤的基本结构,光纤结构和类型,光纤的几何尺寸很小，纤芯直径一般在,5,50,微米,之间，包层的外径为,125,微米,，包括防护层，整个光纤的外径也只有,250,微米,左右。,光纤直径,纤芯,(Core),62.5,5 m,m,125,m,m,包层,(Clad),Core,8,m,m,125,m,m,Clad,85,m,多模,单模,人的头发,（,2,）,光纤的分类,按工作波长：,短波长,(850nm),和,长波长,(1310nm,、,1550nm),按传输模式：,多模光纤,和,单模光纤,按折射率分布：,阶跃,(,突变,),型,(SI),、,渐变,(,梯度,),型,(GI),和,W,型,按材料：,石英光纤,、,塑料光纤、卤化物光纤,等,几种新型光纤：,色散位移光纤,(DSF),、非零色散光纤,(NZDF),、色散平坦光纤,(DFF),、色散补偿光纤,(DCF),等,光纤材料,1.,玻璃光纤,：用于制作光纤的光学透明的绝大多数玻璃都是氧化物玻璃，其中最常用的是二氧化硅，这种材料在,850nm,波长上折射率为,1.458,。为了制作两种具有相似特性、而折射率只有一个很小差异的材料以便形成纤芯和包层，可以在二氧化硅中掺入氟，或者掺入各种氧化物（通常称为掺杂），例如,B,2,O,3,、,GeO,2,或,P,2,O,5,等。,2.,卤化物玻璃纤维,：氯化物玻璃在光波频谱的中段直到红外波段（,0.28 m,）有极低的传输损耗，其最低损耗窗口在,2.55m,附近。氯化物玻璃是卤化物玻璃家族中的一员，卤化物中的负离子来自于元素周期表中的第,组元素，例如氟、氯、溴、碘。,3.,塑料光纤,：直接在近距离提供高速业务的需求日益增长，开发了带宽宽的用于用户接入的梯度折射率聚合物光纤（,POF,）。这类光纤的纤芯，既可以是有机玻璃，也可以是加氯的聚合物。尽管塑料光纤与玻璃光纤相比有更大的光信号衰减，但它们具有更好的韧性、更为耐用。,光纤类型,-,按传播,“,路径,”,分类,1),在光纤技术中，如果只有一条光径沿光缆传播，则称为,单模,；如果多于一条，则称为,多模,。,“,模,”,的概念简单,说,就是,“,路径,”,。,2),如果一种光纤的,纤芯折射率是均匀,的，在纤芯与包层的界,面有一个折射率突变（或阶跃），此类光纤称,阶跃折射率,光,纤,;,3),如果纤芯折射率作为从光纤中心向外的径向距离的函数而渐变，这类光纤称为,梯度折射率光纤,（或渐变型光纤）。,4),光纤,的几个典型,：,a.,单模阶跃型光纤,b.,多模阶跃型光纤,c.,多模渐变型光纤,ITU-T,建议的光纤分类,G.651,光纤：计算机局域网或接入网,G.652,光纤：应用最广的单模光纤,G.653,光纤：较少采用,G.654,光纤：弯曲性能好,G.655,光纤：适用于高速、大容量、高密集波分复用系统,（,3,）,光缆,按芯数分为,单芯,、,双芯,、,多芯,按结构分为,层绞式,、,骨架式,、,带状,等,按敷设场合分为架空、直埋、管道、移动、室内、水下、海底等,按用途分为,通信用光缆,和,非通信用光缆,加强,元件,加强,元件,加强,元件,加强,元件,加强,元件,光纤,（,4,）光传播的基本知识,光在均匀介质中沿直线传播。光从,光密介质,到,光疏介质,传播，电磁波速度提高，光线偏离法线方向折射。,光在两种可透射，且具有不同折射率的介质界面发生折射的情况可用斯涅尔定律（,Snells law,）的关系式表示：,当,2=90,，,c=1=sin,-1,n2/,n1,其中,n,是,折射率，,c,就是临界角，临界角是指当光由光密介质到光疏介质传播时，使折射光与界面重合，即折射角等于,90,或者更大的最小入射角。当折射角大于或等于,90,，光线就不会进入光疏介质，而在界面上发生全反射，反射角等于入射角。,（,4,）光传播的基本知识,n,1,n,2,n,1,n,2,n,1,n,2,临界角,90,0,临界角,n,1,n,2,全反射,入射角,=,反射角,1,2,产生全反射的条件：,n,1,n,2,90,临界角,光纤：,全反射条件,2,1,当,2=90,，,c=1=sin,-1,n2/,n1,c,就是临界角,光纤的传光原理,(,全反射,),阶越型光纤性能参数,相对折射指数差：,数值孔径,(NA),：,接收锥,（,5,）多模光纤,62.5/125,m,的光纤在保安行业中应用最普遍,典型距离达,5,英里,用于：,CCTV,门禁控制系统,内部通讯,多模,MMF,（,6,）单模光纤,无限带宽,810,m,典型距离超过,5,英里,用于：,长途电信,长途电视监控及多路切换,共用天线电视系统,单模,SMF,单模光纤和多模光纤比较,项目,单模光纤,多模光纤,距离,长,短,数据传输率,高,低,光源,激光,发光二极管,信号衰减,小,大,端接,较难,较易,造价,高,低,（,7,）光纤的主要损耗,传输损耗是光纤的另一个重要性能指标，它会造成光能的减弱，引起系统带宽、传输速率、有效性以及整个系统通信能力的下降。主要损耗有以下几种：,1.,吸收损耗,：,OH,-,和金属离子,2.,瑞利散射,3.,辐射损耗,4.,连接器损耗,光纤损耗与波长的关系,m,散射,由于光线的基本结构不完美，引起的光能量损失，此时光的传输不再具有很好的方向性。,光线,缺陷,光纤的,耦合损耗,光纤损耗主要存在的地点,光纤本身,：与长度和类型有关,1310 nm,：,0.35 0.5 dB/Km,1550 nm,：,0.2 0.3dB/Km,850 nm,：,2.3 3.4 dB/Km,光纤连接点,：,0.2dB/,点,2Km,设备处,：,3dB,光损耗与波长,光损耗单位：,dB/km,与波长有关,单模损耗小,波长又称为窗口,光纤的衰减,光纤的衰减图,0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 nm,OH-,OH-,OH-,第一窗口,第二窗口,第三窗口,衰减,(dB/km),水峰值,6,5,4,3,2,1,近端,远端,信号传播,（,8,）光纤色散,(Dispersion),光,折射率与波长有关，因此不同波长的光及不同折射率都会导致不同的光速。因此，光源同时发出的光谱，经光纤传输后不会同时到达接收端，接收到的信号会发生畸变，使光脉冲展宽，这种畸变就称为,光纤,色散畸变。,它是,限制传输速率,的主要因素。,光纤的色散可以分为,材料色散,、,波导色散,、,模间色散,、,偏振色散,。,光纤,概念,小结,光纤材料：,玻璃光纤，,卤化物玻璃纤维，,塑料光纤。,斯涅尔定律，,全反射条件,。,“,模,”,的概念,：,单模,，,多模,。,光纤的损耗：损耗与波长的关系,。,光纤色散：,使光脉冲发生展宽,。,信息源,载波源,耦合器,调制器,耦合器,检测器,处理器,信宿,光信号域,电信号域,发送机,接收机,信道,3.,数字光纤通信系统,数字光纤通信系统的组成,现在普遍采用的数字光纤通信系统，是采用数字编码信号经,光强度（单位面积上的光功率）调制,/,直接检波,的数字通信系统。光强度调制是利用数字信号直接调制光源的光强度，使之与信号电流成线性变化。直接检波，是指信号在光接收机的光频上检测出数字脉冲信号。,在发送设备中，有源器件把数字脉冲电信号转换为光信号（,E/O,变换）送到光纤中进行传输。在接收设备中，光检测器件将接收到的光信号转换为数字脉冲信号（,O/E,变换）。,当传输距离较远时，需采用,光中继设备,，把信号经过中继再生处理后传输。,数字光纤系统方框图,信号,光发,射机,光源,中继器,检测器,光接,收机,信号,E/O,转换,光纤,O/E,转换,发送单元,传输单元,接收单元,连接器件,光纤通信系统功能部件,发送单元,：把电信号转换成光信号,传输单元,：载送光信号的介质,接收单元,：接收光信号并转换成电信号,连接器件,：连接光纤到光源、光检测以及其它光纤,器件,有源光器件,光源、光电检测器、光纤放大器和调制器。,无源光器件,光分路器,/,耦合器、波分复用器、光纤连接器、光开关、光衰减器、光隔离器和极化器。,光源,为什么用激光作为光源？,（,1,）激光频率纯，相干性好；,（,2,）色散小；,（,3,）激光方向性好，能量能够高度集中。,(1),激光器,(,光发送机,),半导体激光器和发光二极管,半导体激光器,阈值特性,光谱特性,温度特性,转换效率,(2),常用连接器类型,SC LC MT-RJ DSC VF-45 Opti-Jack,常用连接器类型,FC Type,SC Type,SC,2,Type,FDD Type,(3),光纤熔接机,(4),光电检测器,(,光接收机,),PIN,和,APD,响应时间,暗电流,（,5,）光中继器,作用,：,放大衰减了的光信号,光,-,电,-,光转换,光纤数字通信系统组成原理方框图,光纤数字通信系统工作原理,数字电端机,主要是把用户各种数字信号，包括数字程控交换机和数字接口，通过复用设备（,PDH,或,SDH,）组成一定的数字传输结构（帧结构），不同速率等级的数字信号流送至光端机。,光端机,把数字电端机送来的数字信号进行处理，变成光脉冲送入光纤进行传输，接收端进行相反的变换。,光端机主要由光发送、光接收、信号处理及辅助电路组成。在光发送部分完成电光变换，在光接收部分主要完成光电变换。信号处理，主要指把数字电端机送来的数字脉冲信号再处理，以及各种码型变换，使之适应光传输及其他目的。辅助电路主要包括告警、公务、监控及区间通信等等。,PDH,数字光纤传输系统,SDH,光同步数字传输系统,SDH,网性能卓越被公认为新一代理想的宽带传输网。,SDH,基本群信号,STM-1,其速率为,155.52Mbit/s,。更高等级的,STM-n,群信号可以看成是将,STM-1,基本群信号字节间插同步复用的结果。,STM-n,中的,n,目前可取,1,、,4,、,16,、,64,。下表列出了,ITU-T,建议,G.707,所规范的标准速率。从中可以看出，因,SDH,采用同步复用，在低次群合成高次群时无需插入比特，故,SDH,多次群速保持乘,4,的整数倍关系。,等级,速率（,Mbit/s,）,STM-1,155.520,STM-4,622.080,STM-16,2488.320,STM-64,9953.280,SDH,终端复用（,TM,）,设备,SDH,分插复用（,ADM,）设备,SDH ADM,设备串接在,SDH,链路中，可从过路的,SDH,信号中，分插沿途局所需的支路信号。因为,ADM,插入,SDH,链路工作，故,ADM,设备具有两个线路侧，每一线路侧接有一对光纤；一个支路侧用于沿途上下,PDH,和,/,或,SDH,支路信号。,STM-n,的帧结构,SDH,的帧结构,STM-n,帧由,270n,列和,9,行字组成。与,PDH,帧长一样，,STM-n,帧长度为,125s,，即,1,秒传递,8000,帧。对,STM-1,而言，,1,帧包含,270,9=243Byte;270,9,8=19440bit,，,SDH 1,秒传输,8000,帧，故,STM-1,的速率为,19440,8000=155.52Mbit/s,。,在,STM-n,的帧结构中包括信息净负荷区域、段开销区域和管理单元指针区域。,（,1,）信息净负荷（,Payload,）区域：,Payload,区域为帧结构中存放各种信息的区域。图中，,261,9,n,个字节都属于净负荷区。在净负荷区除了包含各支路信息外，还包含少量用于通道性能监视、管理和控制的通道开销字节（,POH,，,Path OverHead,）。,SDH,的帧结构（续）,（,2,）段开销（,SOH,，,Section OverHead,）区域：,SOH,是为了保证信息正常灵活的传输所需的附加字节。,SOH,供网络运行、维护、管理使用。,（,3,）管理单元指针（,AUPTR,，,Adminstrative unit pointer,）区域：,所谓指针，是一组地址码，用来指示信息净负荷中第一字节在,STM-n,帧内的准确位置，以便正确提取与分解净负荷中的信息。,调整指针就是调节净负荷和,STM-n,帧之间频率与相位关系。采用指针方式是,SDH,的重要创新，这使得它可以在准同步环境中完成同步复用,。,SDH,系统特点,优点,：有标准光接口；同步字节复用；,强大的网络管理功能。,不足之处,：由于增加了大量的维护管理比特 因此,频带利用率不如,PDH,系统；,由于在复接中采用了指针调整技术,使技术设备复杂。,由于大量采用了软件技术进行控制、管理与维护，,如果出现人为和设备、软件故障,及计算机病毒侵入，,会导致系统发生重大故障,甚至造成系统瘫痪,。,SDH,系统还有很多内容：,SDH,再生（,REG,Regenerator,）设备、数字交叉连接设备（,DXC,）、,SDH,设备的组网与保护、,SDH,自愈环形网、,SDH,网络管理、,SDH,系统网同步与定时,等。,光通信技术发展,延长中继距离,光放大器,(EDFA),外调制器,(,电光晶体,LiNbO3),色散补偿,(DCF,、,Bragg,光纤光栅,),提高通信容量,时分复用技术,(TDM),波分复用技术,(WDM),光频分复用,(OFDM),：载波间隔,1nm,4.,光波分复用系统,光波分复用,（,WDM,：,Wavelength Division Multiplexing,）,技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术,。,在同一窗口中信道间隔较小的波分复用称为,密集波分复用,（,DWDM,：,Dense Wavelength Division Multiplexing,）。目前,DWDM,是在,1550nm,波长区段内，同时用,8,，,16,或更多个波长,其中每个波长之间的间隔为,1.6nm,，,0.8nm,或更低，对应约,200GHz,，,100GHz,或更窄的带宽。其中,1525,1565nm,一般称为,C,波段 这是目前系统所用的波段。目前一般系统应用时所采用的信道波长是等间隔的，即,k,0.8nm,，,k,取正整数。,波分复用,WDM,波分复用就是光的频分复用。,8,2.5 Gb/s,1310 nm,1550 nm 0,1551 nm 1,1552 nm 2,1553 nm 3,1554 nm 4,1555 nm 5,1556 nm 6,1557 nm 7,0 1550 nm,1 1551 nm,2 1552 nm,3 1553 nm,4 1554 nm,5 1555 nm,6 1556 nm,7 1557 nm,20 Gb/s,复,用,器,分,用,器,EDFA,120 km,波分复用（,WDM,）,光发射机,1,光发射机,2,光发射机,N,合 波 器,光发射机,1,光发射机,2,光发射机,N,光功率,放大,（,BA,）,光线路放大,（,OA,）,光线路放大,（,OA,）,分 波 器,光前置放大,（,PA,）,1,2,N,1,2,N,1,2,N,.,.,.,发送端,接收端,WDM,技术的主要特点,1,使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍，从而,增加光纤的传输容量，降低成本,，具有很大的应用价值和经济价值。,2,同时传输多种不同类型的信号,，,由于,WDM,技术中使用的各波长相互独立,，实现多媒体信号（如音频、视频、数据、文字、图像等）混合传输。,3,可实现单根光纤双向传输,，由于许多通信（如：电话）都采用全双工方式，因此采用,WDM,技术可节省大量的线路投资。,4,降低器件的超高速要求,。,现在,DWDM,系统已达到,402.5Gb/s,-,1002.5Gb/s,水平。,5.,全光通信网展望,光纤通信的速率不断提高带来了一个新的问题：在这种超高速的传输网络中，如果网络节点仍以电信号处理信息进行交换或调配线路，就会受到所谓“电子瓶颈”的限制，出现带宽限制、时钟偏移、串话、高功耗等缺陷，而超高速传输所带来的经济效益可能会被光,/,电、电,/,光转换费用所抵消。为了解决在超高速光通信传输中所带来的带宽、容量和费用等问题，人们提出了全光网的概念。,所谓,全光网是指从源节点到目的节点的数据传输与交换整个过程均在光域内进行，即端到端为全光路，中间没有光,/,电转换器,。,全光网的结构示意图,作业,P222,1 2 3 4 12,