光纤通信基础_第一章 绪论

Optical fiber communication 光纤通信基础 12021/2/19 Introduction to Optical fiber Communications 第一章绪论 Charper1 Introduction 中

1-1 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 光纤通信基础 Introduction to Optical fiber Communications 第一章 绪论 Charper1 Introduction

Optical fiber communication 第一章绪论 22021/2/19 Charperl Introduction >光波导 Optical Waveguides >光纤的损耗一— Attenuation of Optical Fiber 光波导vs同轴电缆—— Optical Waveguides vs Coaxial Cable >信道复用一— -Channel multiplexing >光纤通讯的发展— Fiber Optic Communication Milestones 光纤通讯的现状— State- of-the- art Fiber Optics 中

1-2 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 第一章 绪论 Charper1 Introduction ➢光波导— —Optical Waveguides ➢光纤的损耗— —Attenuation of Optical Fiber ➢光波导 vs 同轴电缆— — Optical Waveguides vs Coaxial Cable ➢信道复用— —Channel multiplexing ➢光纤通讯的发展— — Fiber Optic Communication Milestones ➢光纤通讯的现状— — State-of-the-art Fiber Optics

Optical fiber 光波导- Optical Waveguides communication 32021/2/19 在光波波段,经常利用透镜的汇聚作用、平行光以及光波导长距 离地对光束进行引导。 ●透镜和浪导并不仅仅用在光浪上,还可以用在声学以及物质波的传导上。 早期的光波导通讯主要是利用透镜的汇聚作用(由于光在玻璃中 的吸收损耗很大) 早期的光纤损耗约几百db/Km,现在的光纤损耗小于 0.2db/Km(波长为155m) 由于光的衍射,使得光通讯变得比较复杂。 中

1-3 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 光波导— — Optical Waveguides ❖在光波波段，经常利用透镜的汇聚作用、平行光以及光波导长距 离地对光束进行引导。 •透镜和波导并不仅仅用在光波上，还可以用在声学以及物质波的传导上。 ❖ 早期的光波导通讯主要是利用透镜的汇聚作用（由于光在玻璃中 的吸收损耗很大）。 ❖ 早期的光纤损耗约几百db/Km，现在的光纤损耗小于 0.2db/Km （波长为1.55μm）。 ❖由于光的衍射，使得光通讯变得比较复杂

Optical fiber communication 光浪导 optical Waveguides 42021/2/19 Lenses Periodically周期性 refocussed汇聚的 Cladding optical field光 包层 Core 芯子 (a) Lens waveguide (b)Optical fiber 光纤 中

1-4 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 光波导— —Optical Waveguides

Optical fiber communication 光纤的损耗 52021/2/19 Attenuation of Optical Fiber 在一般情况下,光纤内光功率的衰减可以表示为: dp/dz=-cP (1) 其中:P光功率;α,衰减系数,包括材料吸收以及其他各种功 率衰减因素。 Pn为在长度为L的光纤的输入端耦合进光纤的功率,则输出功率 Pou表示为 Pot= Pn exp(-aL) (2) 光纤的损耗O表示为以dB/Km为单位的形式 a(dB/Km) lo out (3) 中

1-5 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 光纤的损耗 Attenuation of Optical Fiber • 在一般情况下，光纤内光功率的衰减可以表示为： 其中：P,光功率；α，衰减系数，包括材料吸收以及其他各种功 率衰减因素。 （2） （3） （1） • Pin为在长度为L的光纤的输入端耦合进光纤的功率，则输出功率 Pout表示为 表示为以dB/Km为单位的形式 dP/ dZ = −P P P exp( L) out = i n − • 光纤的损耗          = − i n out P P L dB Km 1 0 log 10 ( / )

Optical fiber communication 光纤的吸收 -62021/2/19 Absorption in Optical Fiber 2nd window C-band 1525-1565nm 1st window S-band L-band~1568-1610nm Water 3.0 absorption §20 Water partially removed 3rd window Rayleigh 0.2 dB/km! 0.0 catering 8001,0001,2001,4001,6001,800 Wavelength [nm] 整个透明浪段:1280nm -50THZ (ITHZ=10 4Hzd 610

1-6 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 光纤的吸收 Absorption in Optical Fiber ▪整个透明波段：1280nm－ 1610nm ▪50THz （1THz＝1012Hz）

Optical fiber 1-7 2021/2/ Improvements in Fiber Attenuation Progress in optical fiber attenuation 帛天 Year Loss(dB/km) Organization 态 1970 20 C ornIng 1974 2.5 at&t bell labs 1976 0.47 Fujikura, NTT 1978 0.20 Fujikura, NTT 1986 0.154 Sumitomo 2002 0.1484 Sumitomo 通过降低杂质的含量(包括水份)和改进工艺,掺锗的单模光纤 损耗可小于019dB/Km。 纯硅纤心和掺氟包层的单模光纤,损耗小于015dB/Km 中

1-7 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 光纤损耗的改进 Improvements in Fiber Attenuation ▪通过降低杂质的含量（包括水份）和改进工艺，掺锗的单模光纤 损耗可小于0.19dB/Km。 ▪纯硅纤心和掺氟包层的单模光纤，损耗小于0.15dB/Km

Optical fiber communication 光浪导vs同轴电缆 8 2021/2/19 optical Waveguides vs Coaxial Cable s 光纤通讯的优点 1)频带宽,信息容量大 2)损耗低,传输距离长 3)体积小,重量轻,便于敷设 4)抗干扰性好,保密性强,使用安全 5)材料资源丰富 同轴电缆的优点 1)连接器和终端等硬件相对简单(超过10GHz,造价迅速上升) 2)成熟的技术 3)无需进行光电转换 中

1-8 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 光波导 vs 同轴电缆 Optical Waveguides vs Coaxial Cable ▪ 光纤通讯的优点： 1) 频带宽，信息容量大 2) 损耗低，传输距离长 3) 体积小，重量轻，便于敷设 4) 抗干扰性好，保密性强，使用安全 5) 材料资源丰富 ▪ 同轴电缆的优点： 1) 连接器和终端等硬件相对简单（超过10GHz，造价迅速上升） 2) 成熟的技术 3) 无需进行光电转换

Optical fiber communication 点对点的传输 92021/2/19 Point-to-point fiber link Signal Transmitter Receiver conditioning Optical fiber Electronic Amplifier Output input 利用光纤进行点对点的信息传输是光纤通讯系统最简单的一种结构 形式,传输距离可以是几公里直到成干上万公里的跨洋传输。 光纤只是传输介质,没有刻意地在光城( optical domain)对信 号进行放大、调制、转换及控制 在传输线路中,需要周期性地插入再生中继器( regenerator)以 补偿光纤的损耗和色散 中

1-9 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 点对点的传输 Point-to-point fiber link ▪利用光纤进行点对点的信息传输是光纤通讯系统最简单的一种结构 形式，传输距离可以是几公里直到成千上万公里的跨洋传输。 ▪光纤只是传输介质，没有刻意地在光域（optical domain）对信 号进行放大、调制、转换及控制。 ▪在传输线路中，需要周期性地插入再生中继器（regenerator）以 补偿光纤的损耗和色散

Optical fiber communication 信道复用- Channel multiplexing 102021/2/19 今比特时间( bit time):数字信号中,每一个码的持续时间TB 比特律( bit rate):每秒的比特数B。B=1/TB 例:一个数字音频的比特率为64Kb/s,大多数光纤通讯系统能够传送 100Mb/s以上的信号,为了充分利用光纤信道的容量,有必要采用复用的方法 同时传输多路信号。 心时分复用( Time Division Multiplexing,TDM)单信道复用 例:64Kb/s的单信道音频信号的比特时间为15μs,采用TDM方法可以将5个 这样的信号复合起来,相邻码之间仍有3μs的延迟 心频分复用( Frequence Division Multiplexing,FDM):多信 慧频城上分隔开来,每一个信道采用不同的载波频率,载波频 率的间隔应大于信道的带宽以避免信道频域的交迭。 ☆波分复用( wave division multiplexing):在FDM中,如果 信道间隔较大(>100GHz),则成为浪分复用。 ☆FDM对模拟和数字信号都适用,而TDM只适用于数字信号

1-10 Copyright Wang Yan 2021/2/19 Optical fiber communications 信道复用－Channel multiplexing ❖比特时间（bit time）： ❖比特律（bit rate）： ✓ 例：一个数字音频的比特率为64Kb/s，大多数光纤通讯系统能够传送 100Mb/s以上的信号，为了充分利用光纤信道的容量，有必要采用复用的方法 同时传输多路信号。 ❖时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）:单信道复用 ❖频分复用（Frequence Division Multiplexing，FDM）:多信 道复用 ❖波分复用（wave division multiplexing）：在FDM中，如果 信道间隔较大（>100GHz），则成为波分复用。 ❖FDM对模拟和数字信号都适用，而TDM只适用于数字信号。 数字信号中，每一个码的持续时间TB 每秒的比特数B。B＝1/TB ✓ 例：64Kb/s的单信道音频信号的比特时间为15μs，采用TDM方法可以将5个 这样的信号复合起来，相邻码之间仍有3 μs的延迟。 信道在频域上分隔开来，每一个信道采用不同的载波频率，载波频 率的间隔应大于信道的带宽以避免信道频域的交迭