光纤通信教案.docx
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光纤通信教案
第1章概论（2课时）4
第1章概论（2课时）
教学目标：
1．了解光纤通信的概念和发展历史。
2．掌握光纤通信的优点及其应用。
3．掌握光纤通信系统的基本组成及各部分的作用。
教学重点：
光纤通信的优点及其应用。
光纤通信系统的基本组成及各部分的作用。
教学难点：
光纤通信系统的基本组成及各部分的作用。
教学方法：
课堂讲授法
教学参考书：
1、《光纤通信》刘增基，周洋溢，胡辽林，周绮丽编著西安电子科技大学出版社，2008年
2、《光纤通信系统》杨祥林编，国防工业出版社，2000年
3、《光纤通信导论》邱昆编，电子科技大学出版社，1995年
作业：
教材13页：
习题1-2，1-3
1.1光纤通信发展的历史和现状
1.1.1探索时期的光通信
中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息，这些都可以看作是原始形式的光通信。
望远镜的出现，又极大地延长了这种目视光通信的距离。
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。
由于当时没有理想的光源和传输介质，这种光电话的传输距离很短，并没有实际应用价值，因而进展很慢。
然而，光电话仍是一项伟大的发明，它证明了用光波作为载波传送信息的可行性。
因此，可以说贝尔光电话是现代光通信的雏型。
1960年，美国人梅曼（Maiman）发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望，和普通光相比，激光具有波谱宽度窄，方向性极好，亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性。
激光是一种高度相干光，它的特性和无线电波相似，是一种理想的光载波。
继红宝石激光器之后，氦—氖（He-Ne）激光器、二氧化碳（CO2）激光器先后出现，并投入实际应用。
激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。
在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验。
实验证明：
用承载信息的光波，通过大气的传播，实现点对点的通信是可行的，但是通信能力和质量受气候影响十分严重。
由于雨、雾、雪和大气灰尘的吸收和散射，光波能量衰减很大。
例如，雨能造成30dB/km的衰减，浓雾衰减高达120dB/km。
另一方面，大气的密度和温度不均匀，造成折射率的变化，使光束位置发生偏移。
因而通信的距离和稳定性都受到极大的限制，不能实现“全天候”通信。
虽然，固体激光器（例如掺钕钇铝石榴石（Nd:
YAG）激光器）的发明大大提高了发射光功率，延长了传输距离，使大气激光通信可以在江河两岸、海岛之间和某些特定场合使用，但是大气激光通信的稳定性和可靠性仍然没有解决。
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°角的二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导的影响，必须把波导深埋或选择在人车稀少的地区使用。
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潮。
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（OpticalFiber）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1000dB/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。
1970年，光纤研制取得了重大突破。
1970年，作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。
当年，美国贝尔实验室、日本电气公司（NEC）和前苏联先后突破了半导体激光器在低温（-200℃）或脉冲激励条件下工作的限制，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷（GaAlAs）双异质结半导体激光器（短波长）。
1976年，美国在亚特兰大（Atlanta）进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验，系统采用GaAlAs激光器作光源，多模光纤作传输介质，速率为44.7Mb/s，传输距离约10km。
1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用，系统采用渐变型多模光纤，速率为44.7Mb/s。
自从1966年高锟提出光纤作为传输介质的概念以来，光纤通信从研究到应用，发展非常迅速：
技术上不断更新换代，通信能力（传输速率和中继距离）不断提高，应用范围不断扩大。
光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：
第一阶段（1966~1976年），这是从基础研究到商业应用的开发时期。
第二阶段（1976~1986年），这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。
第三阶段（1986~1996年），这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。
1.1.3国内外光纤通信发展的现状
1976年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。
目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。
在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。
表1.1世界成缆光纤市场销售量
表1.2世界市场单模光纤平均价格
表1.3世界成缆单模光纤市场销售量
1.2光纤通信的优点和应用
1.2.1光通信与电通信
任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。
通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。
通信技术发展的历史，实际上是一个不断提高载波频率和增加传输容量的历史。
20世纪60年代，微波通信技术已经成熟，因此开拓频率更高的光波应用，就成为通信技术发展的必然。
电缆通信和微波通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。
虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。
光纤通信用的近红外光（波长约1μm）的频率（约300THz）比微波（波长为0.1m~1µmm）的频率（3~300GHz）高3个数量级以上。
图1.1部分电磁波频谱
图1.2各种传说线路的损耗特性
1.2.2光纤通信的优点
在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多，因此相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。
1.容许频带很宽，传输容量很大
表1.4光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较
2.损耗很小，中继距离很长且误码率很小
3.重量轻、体积小
表1.6光缆和电缆的重量和截面积比较
4.抗电磁干扰性能好
5.泄漏小，保密性能好
图1.3各种通信系统相对造价与传输容量的比较
1.2.3光纤通信的应用
光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。
光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。
光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。
光纤通信的各种应用可概括如下：
①通信网
②构成因特网的计算机局域网和广域网，如光纤以太网、路由器之间的光纤高速传输链路。
③有线电视网的干线和分配网；工业电视系统，如工厂、银行、商场、交通和公安部门的监控；自动控制系统的数据传输。
④综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源接入网，可实现电话、数据、视频（会议电视、可视电话等）及多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样的社区服务。
1.3光纤通信系统的基本组成
光纤通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。
用户要传输的信息多种多样，一般有话音、图像、数据或多媒体信息。
图1.4光纤通信系统的基本组成（单向传输）
1.3.1发射和接收
信息源把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。
电发射机把基带信号转换为适合信道传输的信号，这个转换如果需要调制，则其输出信号称为已调信号。
为提高传输质量，通常把这种模拟基带信号转换为频率调制（FM）、脉冲频率调制（PFM）或脉冲宽度调制（PWM）信号，最后把这种已调信号输入光发射机。
还可以采用频分复用（FDM）技术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号（或数字基带信号）分别调制指定的不同频率的射频（RF）电波，然后把多个这种带有信息的RF信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机，由光载波进行传输。
在这个过程中，受调制的RF电波称为副载波，这种采用频分复用的多路电视传输技术，称为副载波复用（SCM）。
不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号。
光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。
在整个通信系统中，在光发射机之前和光接收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备与电缆通信相同，不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输。
1.3.2基本光纤传输系统
基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元，若配置适当的接口设备，则可以插入现有的数字通信系统或模拟通信系统，或者有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间光发射机、光纤线路和光接收机，若配置适当的光器件，可以组成传输能力更强、功能更完善的光纤通信系统。
例如，在光纤线路中插入光纤放大器组成光中继长途系统，配置波分复用器和解复用器，组成大容量波分复用系统，使用耦合器或光开关组成无源光网络，等等。
1.光发射机
光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。
光发射机由光源、驱动器和调制器组成，光源是光发射机的核心。
光发射机的性能基本上取决于光源的特性，对光源的要求是输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。
光发射机把电信号转换为光信号的过程（常简称为电/光或E/O转换），是通过电信号对光的调制而实现的。
目前有直接调制和间接调制（或称外调制）两种调制方案。
图1.5两种调制方案（a）直接调制；（b）间接调制（外调制）
2.光纤线路
光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变（失真）和衰减传输到光接收机。
光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。
光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。
实际工程中使用的是容纳许多根光纤的光缆。
光纤线路的性能主要由缆内光纤的传输特性决定。
目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤，单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。
3.光接收机
光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。
光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成光检测器是光接收机的核心。
对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。
目前广泛使用的光检测器有两种类型：
在半导体PN结中加入本征层的PIN光电二极管（PIN-PD）和雪崩光电二极管（APD）。
光接收机把光信号转换为电信号的过程（常简称为光/电或O/E转换），是通过光检测器的检测实现的。
检测方式有直接检测和外差检测两种。
直接检测是用检测器直接把光信号转换为电信号。
外差检测要设置一个本地振荡器和一个光混频器，使本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输出中频光信号，再由光检测器把中频光信号转换为电信号。
1.3.3数字通信系统和模拟通信系统
数字光纤通信系统比模拟光纤通信系统具有更多的优点，也更能适应社会对通信能力和通信质量越来越高的要求。
数字通信系统用参数取值离散的信号（如脉冲的有和无、电平的高和低等）代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；而模拟通信系统则用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。
这种基本特征决定着两种通信方式的优缺点和不同时期的发展趋势。
20世纪70年代光纤通信的应用和80年代计算机的普及，为数字通信的发展创造了极其有利的条件。
目前虽有数字通信几乎完全代替模拟通信的趋势，但是模拟通信仍然有着重要的应用。
数字通信系统的优点如下：
①抗干扰能力强，传输质量好。
②可以用再生中继，传输距离长。
③适用各种业务的传输，灵活性大。
④容易实现高强度的保密通信。
⑤数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。
模拟通信系统除占用带宽较窄外，还有电路简单、价格便宜等优点。
第2章光纤和光缆（5课时）
教学目标：
1．了解光纤的结构和类型。
2．了解光缆的分类和特性。
3．掌握光纤传输的原理和特性。
4．掌握光纤特性的测量方法。
教学重点：
光纤传输的原理和特性。
光纤特性的测量方法。
教学难点：
光纤传输的原理和特性。
光纤特性的测量方法。
教学方法：
课堂讲授法
教学参考书：
1、《光纤通信》刘增基，周洋溢，胡辽林，周绮丽编著西安电子科技大学出版社，2008年
2、《光纤通信系统》杨祥林编，国防工业出版社，2000年
3、《光纤通信导论》邱昆编，电子科技大学出版社，1995年
作业：
教材45页：
习题2-1，2-3，2-9，2-16，2-19，2-24
2.1光纤结构和类型
2.1.1光纤结构
光纤（OpticalFiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。
纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。
包层为光的传输
提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。
图2.1光纤的外形
2.1.2光纤类型
光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英（SiO2）制成的光纤。
实用光纤主要有三种基本类型，图2.2示出其横截面的结构和折射率分布，光线在纤芯传播的路径，以及由于色散引起的输出脉冲相对于输入脉冲的畸变。
图2.2三种基本类型的光纤（a）突变型多模光纤；（b）渐变型多模光纤；（c）单模光纤
图2.3典型特种单模光纤（a）双包层；（b）三角芯；（c）椭圆芯
各种特征不同的光纤，其用途也不同。
突变型多模光纤信号畸变大，相应的带宽只有10~20MHz·km，只能用于小容量（8Mb/s以下）短距离（几km以内）系统。
渐变型多模光纤的带宽可达1~2GHz·km，适用于中等容量（34~140Mb/s）中等距离（10~20km）系统。
大容量（565Mb/s~2.5Gb/s）长距离（30km以上）系统要用单模光纤。
2.2光纤传输原理
2.2.1几何光学方法
1.突变型多模光纤
数值孔径为简便起见，以突变型多模光纤的交轴（子午）光线为例，进一步讨论光纤的传输条件。
图2.4突变型多模光纤的光线传输原理
设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致，如图2.4。
光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯（n0n2）。
根据斯奈尔（Snell）定律得到
n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1（2.1）
根据这个传播条件，定义临界角θc的正弦为数值孔径（NumericalAperture,NA）。
根据定义和斯奈尔定律
。
NA表示光纤接收和传输光的能力，NA（或θc）越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。
对于无损耗光纤，在θc内的入射光都能在光纤中传输。
NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。
2.渐变型多模光纤
渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点。
渐变型光纤折射率分布的普遍公式为
具有这种分布的光纤，不同入射角的光线会聚在中心轴线的一点上，因而脉冲展宽减小。
由于渐变型多模光纤折射率分布是径向坐标r的函数，纤芯各点数值孔径不同，所以要定义局部数值孔径NA（r）和最大数值孔径NAmax
，
射线方程的解用几何光学方法分析渐变型多模光纤要求解射线方程，射线方程一般形式为
。
图2.5渐变型多模光纤的光线传输原理
经过一系列的推导变换后可得到光线轨迹的普遍公式：
由此可见，渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数。
自然聚焦效应。
渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。
2.2.2光纤传输的波动理论
1.波动方程和电磁场表达式
设光纤没有损耗，折射率n变化很小，在光纤中传播的是角频率为ω的单色光，电磁场与时间t的关系为exp（jωt），则标量波动方程为
，
。
电场的z分量Ez的波动方程为
图2.6光纤中的圆柱光纤
经过分解和推导最终可以求得在纤芯和包层的电场Ez（r,φ,z）和磁场Hz（r,φ,z）表达式为
，
，
，
。
2.特征方程和传输模式
由式（2.24）确定光纤传输模式的电磁场分布和传输性质，必须求得u,w和β的值。
图2.7（a）贝塞尔函数；（b）修正的贝塞尔函数
图2.8若干低阶模式归一化传输常数随归一化频率变化的曲线
模式截止
3.多模渐变型光纤的模式特性
渐变型光纤折射率分布的普遍公式用式（2.6）中的n（r）表示。
由于折射率是径向坐标r的函数，波动方程式（2.21）没有解析解。
求解式（2.21）的近似方法很多，其中由Wentzel、Kramers和Brillouin提出的WKB法是常用的一种近似方法。
我们不准备讨论这种方法的推导过程，只给出用这种方法得到的一些有用的结果。
传输常数多模渐变型光纤传输常数的普遍公式为
4.单模光纤的模式特性
单模条件和截止波长从图2.8和表2.2可以看到，传输模式数目随V值的增加而增多。
当V值减小时，不断发生模式截止，模式数目逐渐减少。
特别值得注意的是当V<2.405时，只有HE11（LP01）一个模式存在，其余模式全部截止。
HE11称为基模，由两个偏振态简并而成。
由此得到单模传输条件为
对单模传输条件进行推导论证。
2.3光纤传输特性
光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变（失真），因而输出信号和输入信号不同。
对于脉冲信号，不仅幅度要减小，而且波形要展宽。
产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。
损耗和色散是光纤最重要的传输特性。
损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输容量。
2.3.1光纤色散
1.色散、带宽和脉冲展宽
色散（Dispersion）是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。
色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。
模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光（实际光源不是纯单色光），其时间延迟不同而产生的。
这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。
波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。
色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不同。
如果信号是模拟调制的，色散限制带宽（Bandwith）；如果信号是数字脉冲，色散产生脉冲展宽（Pulsebroadening）。
用脉冲展宽表示时，光纤色散可以写成
如果光纤可以按线性系统处理，其输入光脉冲功率Pi（t）和输出光脉冲功率Po（t）的一般关系为
。
一般，光纤不能按线性系统处理，但如果系统光源的频谱宽度Δωλ比信号的频谱宽度Δωs大得多，光纤就可以近似为线性系统。
图2.11光纤带宽和脉冲展宽的定义
2.多模光纤的色散
对多模光纤色散中的相关参量进行推导分析。
3.单模光纤的色散
色度色散理想单模光纤没有模式色散，只有材料色散和波导色散。
材料色散和[CM）]波导色散总称为色度色散（ChromaticDispersion），常简称为色散，它是时间延迟随波长变化产生的结果。
图2.12三种不同光源的均方根脉冲展宽与折射率分布指数的关系
对单模光纤色散中涉及到的各个特征参量进行具体的推导分析。
光源的影响：
存在色散［C（λ）≠0］的条件下，光源对光纤脉冲展宽的影响可以分为三种情况。
1.多色光源
图2.13不同结构单模光纤的色散特性
2.单色光源
图2.14常规单模光纤带宽和波长的关系
3.偏振模色散
具体分析三种色散的特征以及相应参量的推导计算过程。
2.3.2光纤损耗
由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字脉冲，其幅度都要减小。
光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。
在最一般的条件下，在光纤内传输的光功率P随距离z的变化，可以用下式表示
。
输出光功率为：
1.损耗的机理
图2.15单模光纤损耗谱
散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利（Rayleigh）散射和由光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射产生的。
结构缺陷散射产生的损耗与波长无关。
2.实用光纤的损耗谱
根据以上分析和经验，光纤总损耗α与波长λ的关系可以表示为
。
图2.16光纤损耗谱（a）三种实用光纤；（b）优质单模光纤
2.3.3光纤标准和应用
制订光纤标准的国际组织主要有ITU-T（国际电信联盟电信标准化机构），即原CCITT（国际电报电话咨询委员会）和IEC（国际电工委员会）。
表2.3列出ITU-T已公布的光纤特性的标准。
G.651多模渐变型（GIF）光纤，这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统。
G.652常规单模光纤，是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31μm色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。
目前世界上已敷设的光纤线路90%采用这种光纤。
G.653色散移位光纤，是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55μm色散为零，损耗又最小。
这种光纤适用于大容量长距离通信系统，特别是20世纪80年代末期1.55μm分布反馈激光器（DFB-LD）研制成功，90年代初期1.55μm掺铒光纤放大器（EDFA）投入应用，突破通信距离受损耗的限制，进一步提高了大容量长距离通信系统的水平。
G.6541.55μm损耗最小的单模光纤，其特点是在波长1.31μm色散为零，在1.55μm色散为17~20ps/（nm·km），和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20dB/km以下。
G.
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