光纖通信和系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)ppt課件

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光纖通信與系統(tǒng)設(shè)計(jì),教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn),1,第一章 概述,光纖通信系統(tǒng)的光波波譜 光纖通信的波譜在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之間，即波長(zhǎng)在0.8μm～1.8μm之間，屬于紅外波段， 光纖通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 容量大、損耗低、抗電磁干擾、保密性能好、體積小，重量輕、原材料豐富 光纖通信系統(tǒng)組成 以光纖為傳輸媒介、光波為載波的通信系統(tǒng)。主要由光發(fā)送機(jī)、光纖光纜、中繼器和光接收機(jī)組成,2,第二章 光纖的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)波特性,基本光學(xué)定義和定律： 傳播速度，反射現(xiàn)象（反射定律），折射現(xiàn)象（折射(Shell)定律），全反射條件 光纖的結(jié)構(gòu)和類型 結(jié)構(gòu)：折射率較高的纖芯、折射率較低的包層和外面的涂覆層 類型： 按模式分：多模、單模 ITU-T. G.652/G.653/G.655…,3,光纖中光的傳播理論－光線理論,階躍多模光纖： 數(shù)值孔徑: 模間色散: 傳輸容量限制：,梯度多模光纖：…,4,光纖中光的傳播理論－波導(dǎo)理論,光波導(dǎo)理論邏輯過(guò)程,Maxwell方程,波動(dòng)方程,,場(chǎng)的解,,,邊界條件,特征方程,,,場(chǎng)的解,波導(dǎo)方程式,導(dǎo)模條件,,貝塞爾函數(shù),,V參數(shù),5,單模光纖,單模條件和截止波長(zhǎng),最低階高次模（LP11, TE01, TM01,HE21）的截止條件,光纖只傳輸基模(HE11 或 LP01),單模工作波長(zhǎng)范圍,截止波長(zhǎng),?c,,,單模條件,,,6,,高斯型場(chǎng)分布的1/e全寬度,場(chǎng)分布向芯區(qū)集中,模場(chǎng)直徑(MFD),模場(chǎng)半徑與光纖芯徑,,模場(chǎng)直徑,有效面積：,誤差 0.02 !!!,7,第三章 光纖中的信號(hào)劣化,,光纖的損耗 吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗 損耗系數(shù)：,8,色散,類型：模式色散、波長(zhǎng)色散（材料色散、波導(dǎo)色散）、偏振模色散（極化色散） 色散描述：,相速與群速 相速（等相面）： 群速度（包絡(luò)）：,群延遲：,光脈沖展寬：,群速度色散（ps2/km),,色散（ps/nm.km):單位長(zhǎng)度群延遲差,,9,色散設(shè)計(jì)：,波導(dǎo)色散特性取決于光纖的特性，如：芯徑a，相對(duì)折射率差以及折射率分布等，可以通過(guò)改變光纖特性來(lái)改變其色散特性,,10,色散影響比較,Polarization Mode Differential (disp. slope) Waveguide Material Graded index, intermodal Step Index, intermodal,,,,,,,,,Dispersive Fiber,Output Pulse,DT,,,,11,色散限制,脈沖在光纖中傳輸距離z之后：,12,高斯輸入脈沖,啁啾的高斯光脈沖,啁啾(chirp):,上啁啾或負(fù)啁啾,,?ω,高斯脈沖功率:,,,,,,t,,脈沖寬度:,脈沖功率1/e強(qiáng)度點(diǎn)半寬: T0 脈沖功率半極大值全寬度或半高全寬(FWHM):,慢變包絡(luò)：,啁啾（chirp）參量C： C0，從脈沖前沿到后沿瞬時(shí)頻率線性增加上(負(fù)）啁啾），C0，下（正）啁啾,脈沖的不同部位對(duì)其中心頻率產(chǎn)生了不同的偏離量,13,上式表明：高斯脈沖經(jīng)光纖傳輸后，仍保持為高斯脈沖，輸出脈寬（1/e強(qiáng)度半寬度）為T1：,式中：,--色散長(zhǎng)度: 是距離z的歸一化量度，在分析色散效應(yīng)隨距離變化時(shí)極為方便,經(jīng)光纖傳輸距離Z后的輸出脈沖寬度T1,14,結(jié)論：,對(duì)于無(wú)啁啾脈沖C=0，無(wú)論?2符號(hào)如何，色散將導(dǎo)致脈沖展寬 對(duì)于啁啾脈沖，脈沖的展寬依賴于?2和C的相對(duì)符號(hào)?2C0，高斯脈沖單調(diào)展寬；?2C0，脈沖初始窄化，而后迅速展寬。在距離Zmin時(shí)達(dá)到最小寬度T1min,15,色散對(duì)系統(tǒng)的限制,判據(jù)：系統(tǒng)對(duì)脈沖寬度的限制,B--傳輸碼率,研究表明，對(duì)于典型系統(tǒng)，當(dāng)?=0.491時(shí)，系統(tǒng)性能惡化量（功率代價(jià)）為2dB,1、窄光源譜寬（忽略??），高斯脈沖輸入,無(wú)啁啾脈沖（C=0），忽略高階色散, 利用前式，有,脈沖展寬與初始脈寬有關(guān)，存在優(yōu)化的初始脈寬使輸出脈寬最小，由 有：,根據(jù)上述判據(jù)，有：,16,色散對(duì)系統(tǒng)的限制,2、寬光源譜寬系統(tǒng)（??不可忽略） …. 3、 超高斯輸入脈沖 ….,17,光纖的非線性特性,基本概念 受激光散射 受激布里淵散射(SBS) 受激喇曼散射(SRS) 非線性折射率 自相位調(diào)制(SPM) 互相位調(diào)制(XPM) 四波混頻(FWM),18,基本概念,有效長(zhǎng)度：,L--實(shí)際傳輸距離,?－衰減系數(shù)（neper）,有效面積:,高斯近似下, Aeff=?W2,19,受激布里淵散射（SBS）,功率閾值:,特點(diǎn)、影響、抑制措施：,20,受激喇曼散射（SRS）,功率閾值,特點(diǎn)、影響、抑制措施：,21,非線性折射率,克爾（kerr)效應(yīng)（三階極化效應(yīng)）,非線性系數(shù)：,22,自相位調(diào)制（SPM）,SPM導(dǎo)致的頻率啁啾：,色散將SPM誘導(dǎo)的相位調(diào)制轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度畸變,23,脈沖的不同部位頻率偏移量不同，且頻率偏移量隨著傳輸距離的增加而加大，即不斷產(chǎn)生新的頻率成分，在高斯脈沖的中心區(qū)域產(chǎn)生線性上（負(fù)）啁啾。,脈沖中所含頻率成分在脈沖不同部位的重新分配，并不產(chǎn)生新的頻率成分。,SPM與色散的啁啾效應(yīng),SPM,色散,,24,互相位調(diào)制（XPM）,XPM導(dǎo)致的頻率調(diào)制：,信道走離與XPM：,25,四波混頻(FWM),新生的頻率分量造成信道之間的串?dāng)_(同頻串?dāng)_)：,在n信道的WDM系統(tǒng)中，可能的組合有,種,FWM與相位匹配（或色散） 小的色散光纖，相位匹配易于滿足，F(xiàn)WM越加嚴(yán)重，應(yīng)在色散與FWM之間取折衷,26,第四章 光 源,激光形成的基本條件： 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)、光學(xué)諧振腔 半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)： 異質(zhì)結(jié)（作用：形成勢(shì)阱限制載流子，形成折射率差限制光子）,相位條件?光譜選擇 振幅條件?閾值器件,相位條件,振幅條件,27,激光模式：,縱模選擇： FP腔 DFB(DBR)-LD,諧振頻率（正入射）:,相鄰縱模的頻率間隔:,28,工作特性,工作特性: P-I特性，光譜特性，調(diào)制特性，溫度特性 LED與LD 比較,29,第五章 光發(fā)送機(jī),光發(fā)送機(jī)的基本組成 光調(diào)制方式 直接調(diào)制，特點(diǎn)： 簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn) 響應(yīng)帶寬有限 引入調(diào)制啁啾（正啁啾） 間接調(diào)制（外調(diào)制） 特點(diǎn)： 基本原理：普科爾（Pocket）效應(yīng) 馬赫－曾德鈮酸鋰（LN）強(qiáng)度調(diào)制器原理 光發(fā)送機(jī)的指標(biāo) 平均發(fā)送光功率 消光比 …,30,第六章 光檢測(cè)器,PIN和APD的結(jié)構(gòu)、原理 PIN的工作特性（量子效率、響應(yīng)度的計(jì)算） APD的工作特性 （量子效率、響應(yīng)度和倍增因子） 檢測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間；,31,第七章 光接收機(jī),光接收機(jī)作用 光接收機(jī)基本組成（光檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、均衡器、時(shí)鐘提取電路、取樣判決器以及自動(dòng)增益控制(AGC)電路） 光接收機(jī)的噪聲來(lái)源與高斯近似分析； 數(shù)字接收機(jī)誤碼率與噪聲 光接收機(jī)的靈敏度,32,第8A章 常用光器件,光纖連接器的結(jié)構(gòu)、種類、特性（插損） 光纖耦合器的結(jié)構(gòu)、種類、原理、特性（插損、附加損耗） 光衰減器 光隔離器 光環(huán)行器,33,第八章 數(shù)字傳輸系統(tǒng),光纖鏈路的設(shè)計(jì)要求和方法 系統(tǒng)的功率預(yù)算；,34,第9A章 波分復(fù)用通信技術(shù),基本概念 關(guān)鍵器件 解復(fù)用器（光濾波器）,35,第9B章 光放大器,光放大器的類型：SOA,EDFA,FRA 半導(dǎo)體光放大器（SOA）：原理、特點(diǎn) EDFA工作原理、基本結(jié)構(gòu)、應(yīng)用方式、特點(diǎn),36,第9C章 WDM傳輸技術(shù),損耗限制與光放大 級(jí)聯(lián)EDFA系統(tǒng)OSNR 色散限制與色散補(bǔ)償 色散補(bǔ)償技術(shù) 非線性限制與色散管理 預(yù)補(bǔ)償、欠補(bǔ)償、分段補(bǔ)償,37,