光纤通信 Optical Sources and Amplifiers-PPT精选文档88页

第1章 概 论
为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光束 限制在特定的空间内传输, 因而提出了透镜波导和反射镜波导的 光波传输系统。透镜波导是在金属管内每隔一定距离安装一个 透镜，每个透镜把经传输的光束会聚到下一个透镜而实现的。 反射镜波导和透镜波导相似，是用与光束传输方向成45°角的 两个平行反射镜代替透镜而构成的。这两种波导，从理论上讲 是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服的困难。首先，现 场施工中校准和安装十分复杂；其次，为了防止地面活动对波
由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的 研究曾一度走入了低谷。
第1章 概 论
1.1.2 现代光纤通信 1966 年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆
(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用 光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了 现代光通信——光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高达 1000 dB/km以上，高锟等人指出：这样大的损耗不是石英纤维 本身固有的特性，而是由于材料中的杂质，例如过渡金属(Fe、 Cu等)离子的吸收产生的。材料本身固有的损耗基本上由瑞利 (Rayleigh)散射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。 因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的 低损耗光纤。如果把材料中金属离子含量的比重降低到10－6以 下，就可以使光纤损耗减小到10 dB/km。再通过改进制造工艺 的热处理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几 dB/km。这个思想和预测受到世界各国极大的重视。
十一五 普通高等教育“十一五”国家级规划教材
光 纤 通 信(第二版)
刘增基 周洋溢 胡辽林 编著
任光亮 周绮丽
西 安 电 子西科 技 大 学 出 版 社

n2
θ2
•
n1
θ1
•
θ
•
θ0
NA n12 n22 n1 2
定义光纤的数值孔径为入射临界角θ0 的正弦,即:
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27
• △ 越大,NA越大，光纤第2聚7页光/共能52页力越强，可得到越高的
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临界光锥 c
非全反射光
全反射光
纤 芯 n( ＞n ) 12 包 层 n( 2)
•
n0
n2
θ2
•
n1
θ1
•
θ
•
θ0
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第二种情况:
光线以大于θ0的角度入射光纤端面,它产生的界 面入射角将小于θc ，光线在包层中的折射角小于 900 ，该光线将射入包层（24 散失掉）。
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阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分 析(续)
•
n0
n2
θ2
•
n1
θ1
•
θ
•
θ0
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第三种情况:
光线以小于θ0的角度入射光纤端面,它产生的界面 入射角将大于θc ，光线在包层中的折射角大于900 , 该 光 线 将 在 界 面 产 生 全 反25射 ( 从 而 向 前 传 播 ) 。
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阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分 析(续)
τ= (n1l)/c = (n1Lsecθ1 )/c ≌ (n1L)/c*(1+ θ12/2)
式中C为真空中第的30光页3/0共速52页。
阶跃光纤(step-index fiber)时间延迟
由上式得到最大入射角(θ= θ0)和最小入射角 (θ=0)的光线之间时间延迟差近似为:

光纤通信技术的发展十分迅速，已经起
到了举足轻重的地位，发展前景十分广阔。
1.2光纤通信的发展史
我国古代使用的烽火台就是大气光通信的 最好例子。后来的手旗、灯光甚至交通红 绿灯等均可划入光通信的范畴。 近代光通信的雏形可追朔到1880年Bell发明 的光电话。 但通信光电话未能像其它电通信方式那样 得到发展。
1.什么是光纤色散 信号在光纤中是由不同的频率成分和不同
模式成分携带的，这些不同的频率成分和 模式成分有不同的传播速度，从而引起色 散。
也可以从波形在时间上展宽的角度去理解
，即光脉冲在通过光纤传播期间，其波形 在时间上发生了展宽，这种观象就称为色 散。
光纤色散是光纤通信的另一个重要特性，
光纤的色散会使输入脉冲在传输过程中展 宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就 限制了通信容量。因此制造优质的、色散 小的光纤，对增加通信系统容量和加大传 输距离是非常重要的。
3.1光纤的结构与类型
3.1.1
光纤(Optical Fiber，OF)就是用来导光的透明介质 纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质构成 的，一般可以分为三部分：折射率较高的纤芯、 折射率较低的包层和外面的涂覆层
光纤结构示意图
3.1.2
光纤的分类方法很多，既可以按照
1. 光纤截面折射率分布来分类， 2. 光纤中传输模式数的多少 3. 光纤使用的材料 4. 传输的工作波长来分类。
（2）G.653光纤。G.653光纤特点是零色散 波长由G.652光纤的1.31μm位移到1.55μm制 得的光纤，故其称为色散位移光纤。G.653 光纤同时实现了1.55μm窗口的低衰减系数 和小色散系数。但是当其用于带有掺铒光
纤放大器的波分复用系统中时，由于光纤

FOH FOH FOH FOH
123 … N 1 … N 1 … N 1 … 时隙
一帧
图7.11 数字信号的时分复用
PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy）是指准同 步数字体系。根据国际电报电话咨询委员会CCITT （现改为国际电联标准化组织ITU-T）G.702建议， PDH的基群速率有两种， 即PCM30/32路系统和PCM24 路系统。 我国和欧洲各国采用PCM30/32路系统， 其 中每一帧的帧长是125μs，共有32个时隙（TS0～ TS31），其中30个为话路（TS1～TS15和TS17～ TS31），时隙TS0被用作帧同步信号的传输，而时隙 TS16用作信令及复帧同步信号的传输。
每个时隙包含8 bit， 所以每帧有8×32=256 bit， 码速 率为256 bit×（1/125 μs）=2.048 Mb/s。 日本和北美使 用的PCM24路系统， 基群速率为1.544 Mb/s。 几个基 群信号（一次群）又可以复用到二次群， 几个二次群 又可复用到三次群……。 表7.1是PDH各次群的标准比 特率。
模拟信号
输出信号
6
6
抽 样4
4
滤波
2
2
0
0
量化 3
67
5 12
6 3
7
5
1
2
解码
编码
011 110 111 101 001 010 (3) (6) (7) (5) (1) (2)
011 110 111 101 001 010 (3) (6) (7) (5) (1) (2)
图7.10 PCM编码和解码过程
PCM编码包括抽样、 量化、 编码三个步骤， 如 图7.10左半部分所示。 把连续的模拟信号以一定的抽 样频率f或时间间隔T抽出瞬时的幅度值， 再把这些幅 度值分成有限的等级， 四舍五入进行量化。 如图中把 幅度值分为8种， 所以每个范围内的幅度值对应一个量 化值， 这8个值可以用3位二进制数表示， 比如0对应 000， 1对应001， 2对应010， 3对应011， 4对应100， 5对应101， 6对应110， 7对应111。