光纤通信1课件.ppt

第1章 绪论 光纤通信概念 光纤通信系统的基本单元 光纤通信的基本问题 光纤通信系统的主要性能指标 光纤通信技术的回顾和展望 1.1 光纤通信概念1.1.1 什么是光纤通信 通信是各种形式信息的有效传递，为了实现这一目的，需要相应的技术设备和传输介质。 我们以调幅广播为例，话音信号经过话筒后转变为电信号，然后借助于频率范围是526.5~1605.5kHz的载波，将信号“装载”到载波上通过发射天线发送出去，在接收端由接收天线再将其“卸载”下来，这个过程称为信号的调制和解调。调幅广播的传输介质是大气信道。 而光纤通信则是用光作为信息的载体，以光纤作为传输介质的一种通信方式。它首先要在发射端将需传送的电话、电报、图像和数据等信号进行光电转换，即将电信号变成光信号，再经光纤传输到接收端，接收端将接收到的光信号转变成电信号，最后还原成消息。图1.1.1为光纤通信系统示意图。 基本单元为三个部分：光发射机、光纤和光接收机。光发射机由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置组成，光源是其核心部件，由半导体发光二极管LED（Light Emission Diode）或者激光二极管LD（Laser Diode）构成；光纤在实用系统中一般以光缆的形式存在；光接收机由光检测器、放大电路和信号恢复电路组成。光发射机和光接收机也称为光端机。在光纤通信系统中还包括大量的有源、无源光器件，图1.1.4中示出的连接器起着各种设备与光纤之间的连接作用，光耦合器用于需要将传输的光分路或合路的场合，光放大器起着对光波放大的作用，用于弥补光信号传输一定距离后，因光纤衰减致使的光功率减弱。 高能带中的电子实际上处于不同的能级，不可能都恰好带有相同的能量，当它们自发辐射到低能带的不同能级上时，根据（1.1.2a）式可知，这些光波的频率并不完全一样。另外这些光波还具有不同的相位和偏振方向，因此自发辐射光是一种非相干光，即不是单一频率、相位和偏振方向相同的光。低能带高能带EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν低能带高能带EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν输入光Eg 光检测器的工作过程则与LED相反，如果把能量大于的光照射到半导体材料上，则处于低能带的电子吸收该能量后被激励而跃迁到高能带上，我们可以通过在半导体PN结上外加电场，将处于高能带的电子取出，从而使光能转变为电能，如图1.1.5（b）所示。 激光二极管LD的工作机理为受激发射，即在入射光的激发下，产生与入射光频率、相位、偏振方向及传播方向一样的发射光，当然，后者的强度远远大于前者，见图1.1.5（c）。要实现受激发射需要两个条件：一是高能带上的电子密度要大于低能带上的电子密度，这种状态称为粒子数反转，可采用通过向半导体激光二极管注入正向电流的方式来实现粒子数反转；二是半导体激光器中必须存在光子谐振腔，并在谐振腔里建立起确定的振荡，从而得到单色性和方向性好的激光输出。 1.1.3 光纤通信的优势 光纤通信与其它通信手段的主要区别有两点，一是载波频率很高；二是用光纤作为传输介质，其优势体现在以下几个方面：1. 信道带宽极宽，传输容量大随着社会信息化进程的发展，人们对通信的依赖程度越来越高，对通信系统运载信息能力的要求也日趋增强，有线通信从明线发展到电缆，无线通信从短波发展到微波和毫米波，都是试图通过提高载波频率来提高信道容量，而光纤中传输的光波是迄今为止使用频率最高的载波，其传输容量无疑是最高的。限于器件等技术因素的制约，目前光纤通信应有通信能力并没有完全发挥出来。例如，理论上一个光纤可以同时传输近100亿路电话和1000万路电视节目，而实用水平为每对光纤传输48万多路电话信号。 在实际使用中，常使用组合光纤数不等的光缆，加之一些新技术的应用，如密集波分复用技术，其传输容量可以满足任何条件下信息传输的需要。 2. 中继距离长所谓中继距离是指传输线路上不加放大器时信号所能传输的最大距离。当信号在传输线上传输时，由于传输线的损耗会使信号不断衰减，信号传输的距离越长，其衰减程度就越多，当信号衰减到一定程度后，对方就收不到信号。为了延长通信的距离往往要在传输线路上设置一些放大器，也称为中继器，将衰减了的信号放大后再继续传输，显然，中继器越多，传输线的成本就越高，通信的可靠性也会降低，若某一中继器出现故障，就会影响全线的通信。在通信系统设计中，传输线路的损耗是要考虑的基本因素，表1.1列出了电缆和光纤每千米传输损耗，可见，光纤的传输损耗较之电缆要小很多，所以能实现很长的中继距离，在1550nm波长区，光纤的衰减系统可低至0.2dB/km，它对降低通信成本，提高通信的可靠性及