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1、光纤通信基础光纤光缆ppt课件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望光纤通信基础一、引言一、引言电子和光子的特点：电子具有电荷和质量，而光子却没有；电子遵循费米狄拉克统计学规律，而光子则遵循波色爱因斯坦统计学规律；电子仅可通过串行方式处理，而光子则可以通过并行方式处理；运动的电子产生电磁场和波，而光子却不能；电子可以承受电磁干扰，而光子却不能。电子在自由空间不能自由传输且需要导线传输，而光子却可以在波导器件和自由空间传播00-10-102武汉大学 电子信
2、息学院光纤通信基础一、引言一、引言固态电子学，微电子学信息技术革命计算机科学技术、通信技术、自动控制、电子技术等的关键基础光电子技术的迅速发展，已渗入到信息技术领域的各个方面，如超大容量信息流传超大容量信息流传输；多媒体宽带综合服务的信息交换互连输；多媒体宽带综合服务的信息交换互连网络；高密度信息量存储；信息的超快实网络；高密度信息量存储；信息的超快实时处理；信息的获取读出和显示时处理；信息的获取读出和显示等00-10-103武汉大学 电子信息学院光纤通信基础二、超大容量信息传输领域的光电子技术以电磁波(或电子)作为信息载体的技术已走到极限，价格昂贵的同轴电缆的传输容量为500MHz，容量有限
3、，难以达到Tb/s级超大容量传输的需要光波的本征带宽高达200THz，低损耗石英光纤在1.55um波长处的窗口带宽也可达到25THz目前光纤通信系统单通道传输容量已达到40Gb/s00-10-104武汉大学 电子信息学院光纤通信基础二、超大容量信息传输领域的光电子技术要达到Tb/s级超大容量传输的需要，必须应用光电子技术：高速率响应（100GHz)、窄线宽(100KHz)集成化半导体激光器,全光中继的半导体激光泵浦掺铒光纤放大器(EDFA)，波导光栅阵列波分复用与解复用器等光源：DFB半导体激光器与量子阱EA电光调制器单片集成器件，最高调制带宽：40GHz00-10-105武汉大学 电子信息学
4、院光纤通信基础问题：石英光纤在波长1.55um处的色散率为2ps/nmKM，而10Gb/s的传输码率相应的码宽为100ps，即使激光器的线宽能做到0.01nm；当传输100KM距离时的色散延迟也有2ps问题：存在光纤的非线性效应，如四波混频等突破50Gb/s单信道传输容量十分困难二、超大容量信息传输领域的光电子技术00-10-106武汉大学 电子信息学院光纤通信基础二、超大容量信息传输领域的光电子技术光孤子技术：光纤非线性（16mW）自相位调制自洽补偿1.55um窗口波长光纤的反常色散（10ps）实现无延迟的光孤子传输DFB半导体激光器与量子阱EA电光调制器单片集成器件可使光孤子的传输码率达到
5、40Gb/s更高重复率（100GHz）的光孤子激发，必须利用锁模技术实现，量子阱半导体锁模激光器是最可实用化的一类00-10-107武汉大学 电子信息学院光纤通信基础二、超大容量信息传输领域的光电子技术Tb/s级传输容量是信息化社会的标志，复用技术是关键，主要有时分复用（TDM）和波分复用（WDM）TDM的问题：Tb/s级超大容量的传输光脉冲宽度要压窄到100fs以下WDM技术提供了重要的扩充传输容量的途径，关键有波长稳定精确可控的光源，量子阱结构DFB或DBR长波长（1.55um）半导体激光器的集成化要求较高00-10-108武汉大学 电子信息学院光纤通信基础二、超大容量信息传输领域的光电子
6、技术Tb/s级超大容量传输技术：输运能力由时间和光谱的测不准原理所限定。测不准原理(1/2)限制了同步采用高速和高密度信号处理。和分别代表光通信信号的时间和光谱宽度。与组合用于相对长的脉冲,不考虑光纤类型或长度,获得的最大比特率是2.3/00-10-109武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.1.1 光纤的优点带宽极大带宽极大；直径小、重量轻；直径小、重量轻；并行光纤之间没有串扰；并行光纤之间没有串扰；不受感应的干扰；不受感应的干扰；低价传输信号的潜力；低价传输信号的潜力；较大的安全性；较大的安全性；较大的保险性；较大的保险性；更长的使用寿命；更长的使用寿命；00-10-1010武汉大学 电子信
7、息学院光纤通信基础.1.1 光纤的优点（续）对温度腐蚀性液体及气体的高耐抗性；对温度腐蚀性液体及气体的高耐抗性；更高的可靠性及易维护性；更高的可靠性及易维护性；无信号辐射泄露；无信号辐射泄露；系统易于扩容；系统易于扩容；使用常见的天然资源；使用常见的天然资源；00-10-1011武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.2.2 光纤的类型光纤的结构光纤的结构00-10-1012武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.2.2 光纤的类型（续）阶跃折射率阶跃折射率(SI)(SI)光纤光纤：纤芯折射率恒定,芯-包层界面的折射率有阶梯性跃变；渐变折射率渐变折射率(GI)(GI)光纤光纤：纤芯折射率连续变化；多模
8、多模(MM)(MM)光纤光纤：多种模式传输，包层直径125m，芯径50100m；单模单模(SM)(SM)光纤光纤：一种模式传输，包层直径125m，芯径8m；00-10-1013武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.2.2 光纤的类型（续）00-10-1014武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.2.2 光纤的类型（续）光纤的归一化频率光纤的归一化频率(V)(V)：00-10-1015武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.3.3 光传播理论光线理论光线理论：00-10-1016武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.3.3 光传播理论（续）00-10-1017武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.3.3 光
9、传播理论（续）子午光线的数值孔径子午光线的数值孔径(NA)(NA)：NA表征光纤采集或接收光的能力，其典型值为0.10.2，对应的接收角为5.7 11.5，00-10-1018武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.4.4 模式理论对称平板波导中几种低阶导模的电场分布对称平板波导中几种低阶导模的电场分布：00-10-1019武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.4.4 模式理论（续）用柱坐标系分析光纤中电磁波的传播用柱坐标系分析光纤中电磁波的传播：00-10-1020武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.4.4 模式理论（续）低阶低阶LPLP模的组成模的组成：00-10-1021武汉大学 电子信息学院
10、光纤通信基础.4.4 模式理论（续）00-10-1022武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.5.5 光纤衰减吸收损耗吸收损耗：传输光与光纤材料相互作用，导致光子跃迁，这些光子跃迁到其他波长或以机械振动（热）的形式释放或吸收能量，传输光会损失能量。主要的吸收主要的吸收：过度金属杂质(Fe+，Cr+，Co+，Cu+等)引起可见光及近红外光吸收。OH根离子在1.4um，0.95um，0.725um波长处的光吸收。00-10-1023武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.5.5 光纤衰减（续）散射损耗散射损耗：00-10-1024武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.5.5 光纤衰减（续）辐射损耗辐射损耗
11、：00-10-1025武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.6.6 光纤色散色散色散：由于传输时间的延迟导致脉冲展宽带来的信号失真，被展宽的脉冲与其他相邻脉冲发生重叠，使得信号无法分辨。(ISI)色散种类色散种类：模间色散、材料色散、波导色散、偏振色散。群时延差群时延差：不同速度的信号传过同样的距离所需的时延不同。00-10-1026武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.6.6 光纤色散（续）模间色散模间色散：信号中不同模式成分传输速度不同。材料色散材料色散：光纤材料折射率是光频（波长）的函数，信号中不同频率成分传输速度不同。波导色散波导色散：模式的传播常数是光频（波长）的函数，信号中相同模式不同
12、传播常数的成分传输速度不同。00-10-1027武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.6.6 光纤色散（续）00-10-1028武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.6.6 光纤色散（续）00-10-1029武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.6.6 光纤色散（续）00-10-1030武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.6.6 光纤色散（续）00-10-1031武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.6.6 光纤色散（续）材料色散材料色散：00-10-1032武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.6.6 光纤色散（续）波导色散波导色散：00-10-1033武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.7.7 光纤
13、的设计与选择标准单模光纤标准单模光纤(G.652)(G.652)：零色散波长在1.3m窗口的单模光纤,系统的传输距离只受光纤衰减所限制,在1.3m波段的损耗较大，约为0.3dB/km0.4dB/km；在1.55m波段的损耗较小，约为0.2dB/km0.25dB/km。色散在1.3m波段为3.5ps/nmkm，在1.55m波段的损耗较大，约为20ps/nmkm。这种光纤可支持用于在1.55m波段的2.5Gb/s的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若传输10Gb/s的信号，传输距离超过50公里时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。00-10-1034武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.7.7 光
14、纤的设计与选择（续）色散位移光纤色散位移光纤(DSF G.653)(DSF G.653)：00-10-1035武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.7.7 光纤的设计与选择（续）00-10-1036武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.7.7 光纤的设计与选择（续）衰减最小光纤衰减最小光纤(G.654)(G.654)：为了满足海底缆长距离通信的需求，人们开发了一种应用于1.55m波长的纯石英芯单模光纤，它在该波长附近上的衰减最小，仅为0.185dB/km。G.654光纤在1.3m波长区域的色散为零，但在1.55m波长区域色散较大，约为（1720）ps/（nmkm）00-10-1037武汉大学 电子
15、信息学院光纤通信基础.7.7 光纤的设计与选择（续）非零色散光纤非零色散光纤(G.655)(G.655)：实质上是一种改进的色散位移光纤，其零色散波长不在1.55m，而是在1.525m或1.585m处。非零色散光纤削减了色散效应和四波混频效应，而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种，所以非零色散光纤综合了标准光纤和色散位移光纤最好的传输特性 00-10-1038武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.7.7 光纤的设计与选择（续）色散平坦光纤色散平坦光纤(DFF (DFF 全波光纤全波光纤)：00-10-1039武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.7.7 光纤的设计与选择（续）00-
16、10-1040武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.7.7 光纤的设计与选择（续）色散补偿光纤色散补偿光纤(DCF)(DCF)：光纤色散系数D为负数，纤芯搀杂比例比普通光纤高，因此光纤衰减系数增大。定义FOM为光纤色散系数与衰减系数之比00-10-1041武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.7.7 光纤的设计与选择（续）保偏光纤保偏光纤：光纤偏振状态不变。00-10-1042武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.8.8 光纤的制造00-10-1043武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.8.8光纤的制造（续）光纤预制棒光纤预制棒：00-10-1044武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.8.8光纤的制
17、造（续）改进的化学汽相沉积法（改进的化学汽相沉积法（MCVDMCVD）：00-10-1045武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.8.8光纤的制造（续）包层化学方程式包层化学方程式：SiCL4+O2 高温氧化 SiO2+2Cl2 2CF2Cl2+SiCL4+2O2 高温氧化 SiF4+2Cl2+2CO2 芯层玻璃化学方程式（芯层玻璃化学方程式（GeClGeCl4）：SiCL4+O2 高温氧化 SiO2+2Cl2 GeCL4+O2 高温氧化 GeO2+2Cl2 00-10-1046武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.8.8光纤的制造（续）00-10-1047武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.8.
18、8光纤的制造（续）管外汽相轴向沉积法（管外汽相轴向沉积法（VADVAD）：00-10-1048武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.8.8光纤的制造（续）棒外汽相沉积法（棒外汽相沉积法（OVPOOVPO）：00-10-1049武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.8.8光纤的制造（续）溶胶溶胶-凝胶法（凝胶法（Sol-GelSol-Gel）：00-10-1050武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.8.8光纤的制造（续）拉丝装置拉丝装置：00-10-1051武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.8.8光纤的制造（续）双坩埚拉丝装置双坩埚拉丝装置：00-10-1052武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.
19、8.8光纤的制造（续）光纤涂覆装置光纤涂覆装置：00-10-1053武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.8.8光纤的制造（续）光纤套塑装置光纤套塑装置：00-10-1054武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.8.8光纤的制造（续）00-10-1055武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光缆的结构00-10-1056武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光缆的结构（续）00-10-1057武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光缆的结构（续）00-10-1058武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光缆的结构（续）00-10-1059武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光
20、缆的结构（续）00-10-1060武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光缆的结构（续）00-10-1061武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光缆的结构（续）00-10-1062武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光缆的结构（续）00-10-1063武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光缆的结构（续）00-10-1064武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光缆的结构（续）00-10-1065武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光缆的结构（续）00-10-1066武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光缆的结构（续）00-10-1067武汉大学 电子信息学
21、院光纤通信基础.9.9光缆的结构（续）00-10-1068武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光缆的结构（续）00-10-1069武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光缆的结构（续）00-10-1070武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光缆的结构（续）00-10-1071武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光缆的结构（续）00-10-1072武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光缆的结构（续）00-10-1073武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光缆的结构（续）00-10-1074武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光缆的结构（续）00-10-1075武汉大学 电子信息学院光纤通信基础.9.9光缆的结构（续）00-10-1076武汉大学 电子信息学院谢谢！