光纤通信系统
导论
光通信:光纤通信和大气光通信/空间光通信
光通信系统的组成
通信系统的系统容量用 \(B\bullet L\) 比特率*中继距离来表示。
1、光纤
石英系单模光纤,有三个主要的低传输损耗的波长窗口,850nm、1310nm、1550nm.最初使用的光纤工作在850nm的波段,但是波长短衰减高,后来逐渐使用1310nm和1550nm波段。典型的损耗系数在2dB/km、0.4dB/km、0.25dB/km以下。
未来的发展方向应该是由多模光纤向着单模光纤发展,单模、长波长下可以获得更高的无中继传输距离,也就可以获得更高的系统容量
2、光源
光源广泛使用的有半导体激光器(激光二极管,LD)与低速率小容量系统使用的发光二极管(LED);调制使用强度调制(低速系统),或者使用外调制,将激光的产生和调制分开,可以应用在高速系统中。
3、光检测器
光接收机将光信号检测并放大、再生恢复出电信号。光接收机由光检测器、各级放大器和相关电路组成,光检测器主要有光敏二极管(PIN)和雪崩二极管(APD)两种。光检测器主要有直接检测和相干检测两种检测方式,目前的通信容量非常高,所以主要采用相干检测的方式。
4、无源器件
光纤连接器、调制器、耦合器、滤波器、光开关、环形器。
5、光放大器
可以将光信号不通过电信号转化就直接放大。
光纤通信的特点
优点
1、传输容量大,业务适配性好。
2、传输损耗小,中继距离长
典型中继距离在100km到数千千米
3、信号泄漏小,保密性好
光纤能量泄露非常微小,很难被窃听或者截取,但是如果包封被破坏,则能够被窃听。能量泄露小同时保证了单根光缆中部署多根光纤时,不会出现串扰。
4、节约金属材料,保护环境
5、抗电磁干扰
在核爆等极端环境下,光纤通信依然能够进行。
6、重量轻、可挠性好、铺设方便
7、耐高低温、(包封好的)不怕潮湿腐蚀、有较高的抗拉强度
缺点
1、抗拉强度低,容易被折断
2、光纤连接困难(焊接)
3、光纤通信中怕水、怕冰($OH^-$会吸收增大损耗)
4、光纤怕弯曲,弯曲会导致损耗增加
光纤系统分类
1、按照调制信号区分,分为模拟和数字
2、直接调制(强度调制,利用电信号直接控制光信号强弱)和间接调制(外调制)
3、传输特性:单模、多模
4、工作波长:短波长(850nm,一般用于局域网)、长波长(1310nm、1550nm,城域网、核心网)、超长波长(1000km无中继传输)
光纤通信系统应用
1、光纤通信网:核心网、光纤局域网、光纤宽带、海底光缆
2、电力系统、煤炭系统的监视、控制、管理。铁路通信网、地铁控制、高速公路监控。要求抗电磁干扰、安全、通信容量大。
3、军事:战术通信,水下通信(反潜、扫雷、制导),雷达(抗干扰、保密)
4、医学:照明器、测氧计、内窥镜、激光手术刀
5、机车电子
6、宽带应用
光纤
光纤结构
纤芯、包层、表面涂覆层
纤芯的折射率$n_1>n_2$包层的折射率,纤芯掺杂微量的$GeO_2、P_2O_5$,能够提高折射率,包层掺杂微量的$B_2O_3$能够降低折射率,二者的主要成分均为$SiO_2$。一般单模光纤的直径为$4-10\mu m$(单模传输要求光纤的直径与光的波长相近),多模光纤为$50-80\mu m$,包层直径均为$125\mu m$。
光纤分类
1、按照纤芯折射率分,可以分为阶跃折射率(SI)光纤和渐变折射率(GI)光纤,阶跃型光纤的纤芯折射率为一固定值,渐变折射率光纤的纤芯内部折射率沿中心到包层处逐渐降低。还有梯度形光纤、双包层、三角分布-色散位移光纤等。
2、按照光纤的传输模式分,可以分为单模光纤和多模光纤
阶跃光纤:
数值孔径 NA
表征了光纤接受光的能力。
光纤基本特性:损耗与色散
一、损耗
损耗定义: \(P_T=P_0e^{-\alpha L}\) $\alpha $表示损耗系数,用dB表示 \(\alpha(dB/km)=-\frac{10}{L} \lg (\frac{P_{out}}{P_{in}})\approx 4.343\alpha\)
损耗来源
材料吸收:
1、红外、紫外,本征吸收
2、$OH^-$、金属离子吸收,杂质引起的吸收。$OH^-$的吸收峰在$0.95\mu m, 1.24\mu m, 1.39\mu m$————无水光纤
散射损耗:
3、瑞利散射损耗,由光纤内部密度不均匀导致,使折射率沿纵向产生不均匀分布,使光沿着各个方向散射。 \(\alpha_R=C/\lambda^4\) 主要作用在短波长区,这种损耗是光纤本身固有的特性,他决定了光纤的最终极限,是1550nm处光纤损耗的主要原因。
4、辐射损耗或者弯曲损耗,分为两类,弯曲半径远大于光纤直径、光纤成缆时的随机微弯。远离圆心的能量行进慢,导致能量的丢失。
二、色散:不同频率或者不同模式的光脉冲在光纤中传输速度不同,引起时延差和光脉冲的展宽。
分为模间色散(多模传输的各模式传播常数不同)、波长色散(传播常数-波导色散、折射率-材料色散随波长变化)、偏振模色散
与模间色散相对应的是模内色散,称为GVD群速色散、光纤色散,不同频率分量以不同的速度传播。包括材料色散$D_M$(折射率随波长变化)与波导色散$D_W$(包层中传播的光功率速率大,大小取决于光纤设计)。$D=D_W+D_M$
相速度和群速度: \(E(t,z)=Aexp[j(\omega t-\beta z)]\) 相速度$v_p=\omega / \beta$,群速度$v_g=\frac{d\omega}{d\beta}$,表征的是光信号包络的传输速度——$\beta-\omega$曲线
群时延 \(\tau(\omega)=\frac{L}{v_g}=L\frac{d\beta}{\omega}\)
光脉冲展宽:导致脉冲的不同频率分量不再同时到达输出端。 \(\Delta \tau=\frac{d\tau }{d\omega}\bullet \Delta \omega=\frac{d^2\beta}{d\omega^2}\bullet L\Delta \omega=\beta_2L\Delta \omega\) $\beta_2={d^2\beta}/{d\omega^2}$群速色散,决定了脉冲展宽的程度。表示为色散参数$D$: \(D=\frac{1}{L}\frac{\partial\tau}{\partial\lambda}=\frac{1}{L}\frac{\partial\tau}{\partial\omega}\frac{\partial\omega}{\partial\lambda}=-\frac{2\pi c}{\lambda^2}\beta_2\)
$\lambda_D$是零色散波长,对于$\lambda<\lambda_D$,正常色散区,$D<0,\beta_2>0$,红快蓝慢,反之为反常色散区。
可以通过控制光纤的设计来调整零色散波长,在零色散波长处,会发生严重的四波混频FWM
高阶色散
在$\lambda_D$处色散不完全消失,存在高阶色散,取决于色散斜率$S=dD/d\lambda$(仅当在零色散附近几个纳米时考虑)
模式双折射
实际状态下的光纤因为微小起伏和材料各向异性破坏了模式简并,导致偏振态混合,传播常数$\beta$对X、Y方向稍有不同,这种性质被称为模式双折射。 \(B=|\beta_x-\beta_y|/k_0=|n_x-n_y|\)
偏振模色散PMD
理想的单模光纤,基模是两个互相垂直的简并模,如果XY两个方向有不同的群速度,就会出现偏振模出纤叠加后,导致脉冲展宽。(双折射)
色散对系统的限制