光纖通信和系統(tǒng)設計總結ppt課件

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光纖通信與系統(tǒng)設計,教學內容重點,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，即波長在0.8μm～1.8μm之間，屬于紅外波段， 光纖通信系統(tǒng)的優(yōu)點 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、光纖光纜、中繼器和光接收機組成,2,第二章 光纖的結構與導波特性,基本光學定義和定律： 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 光纖的結構和類型 結構：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－波導理論,光波導理論邏輯過程,Maxwell方程,波動方程,,場的解,,,邊界條件,特征方程,,,場的解,波導方程式,導模條件,,貝塞爾函數(shù),,V參數(shù),5,單模光纖,單模條件和截止波長,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),單模工作波長范圍,截止波長,?c,,,單模條件,,,6,,高斯型場分布的1/e全寬度,場分布向芯區(qū)集中,模場直徑(MFD),模場半徑與光纖芯徑,,模場直徑,有效面積：,誤差 0.02 !!!,7,第三章 光纖中的信號劣化,,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、波長色散（材料色散、波導色散）、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）：,群延遲：,光脈沖展寬：,群速度色散（ps2/km),,色散（ps/nm.km):單位長度群延遲差,,9,色散設計：,波導色散特性取決于光纖的特性，如：芯徑a，相對折射率差以及折射率分布等，可以通過改變光纖特性來改變其色散特性,,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):,上啁啾或負啁啾,,?ω,高斯脈沖功率:,,,,,,t,,脈沖寬度:,脈沖功率1/e強度點半寬: T0 脈沖功率半極大值全寬度或半高全寬(FWHM):,慢變包絡：,啁啾（chirp）參量C： C0，從脈沖前沿到后沿瞬時頻率線性增加上(負）啁啾），C0，下（正）啁啾,脈沖的不同部位對其中心頻率產生了不同的偏離量,13,上式表明：高斯脈沖經光纖傳輸后，仍保持為高斯脈沖，輸出脈寬（1/e強度半寬度）為T1：,式中：,--色散長度: 是距離z的歸一化量度，在分析色散效應隨距離變化時極為方便,經光纖傳輸距離Z后的輸出脈沖寬度T1,14,結論：,對于無啁啾脈沖C=0，無論?2符號如何，色散將導致脈沖展寬 對于啁啾脈沖，脈沖的展寬依賴于?2和C的相對符號?2C0，高斯脈沖單調展寬；?2C0，脈沖初始窄化，而后迅速展寬。在距離Zmin時達到最小寬度T1min,15,色散對系統(tǒng)的限制,判據(jù)：系統(tǒng)對脈沖寬度的限制,B--傳輸碼率,研究表明，對于典型系統(tǒng)，當?=0.491時，系統(tǒng)性能惡化量（功率代價）為2dB,1、窄光源譜寬（忽略??），高斯脈沖輸入,無啁啾脈沖（C=0），忽略高階色散, 利用前式，有,脈沖展寬與初始脈寬有關，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 自相位調制(SPM) 互相位調制(XPM) 四波混頻(FWM),18,基本概念,有效長度：,L--實際傳輸距離,?－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、影響、抑制措施：,20,受激喇曼散射（SRS）,功率閾值,特點、影響、抑制措施：,21,非線性折射率,克爾（kerr)效應（三階極化效應）,非線性系數(shù)：,22,自相位調制（SPM）,SPM導致的頻率啁啾：,色散將SPM誘導的相位調制轉化為強度畸變,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，即不斷產生新的頻率成分，在高斯脈沖的中心區(qū)域產生線性上（負）啁啾。,脈沖中所含頻率成分在脈沖不同部位的重新分配，并不產生新的頻率成分。,SPM與色散的啁啾效應,SPM,色散,,24,互相位調制（XPM）,XPM導致的頻率調制：,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擾(同頻串擾)：,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越加嚴重，應在色散與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)反轉分布狀態(tài)、光學諧振腔 半導體激光器結構： 異質結（作用：形成勢阱限制載流子，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，調制特性，溫度特性 LED與LD 比較,29,第五章 光發(fā)送機,光發(fā)送機的基本組成 光調制方式 直接調制，特點： 簡單、經濟、容易實現(xiàn) 響應帶寬有限 引入調制啁啾（正啁啾） 間接調制（外調制） 特點： 基本原理：普科爾（Pocket）效應 馬赫－曾德鈮酸鋰（LN）強度調制器原理 光發(fā)送機的指標 平均發(fā)送光功率 消光比 …,30,第六章 光檢測器,PIN和APD的結構、原理 PIN的工作特性（量子效率、響應度的計算） APD的工作特性 （量子效率、響應度和倍增因子） 檢測器的響應時間；,31,第七章 光接收機,光接收機作用 光接收機基本組成（光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、時鐘提取電路、取樣判決器以及自動增益控制(AGC)電路） 光接收機的噪聲來源與高斯近似分析； 數(shù)字接收機誤碼率與噪聲 光接收機的靈敏度,32,第8A章 常用光器件,光纖連接器的結構、種類、特性（插損） 光纖耦合器的結構、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),光纖鏈路的設計要求和方法 系統(tǒng)的功率預算；,34,第9A章 波分復用通信技術,基本概念 關鍵器件 解復用器（光濾波器）,35,第9B章 光放大器,光放大器的類型：SOA,EDFA,FRA 半導體光放大器（SOA）：原理、特點 EDFA工作原理、基本結構、應用方式、特點,36,第9C章 WDM傳輸技術,損耗限制與光放大 級聯(lián)EDFA系統(tǒng)OSNR 色散限制與色散補償 色散補償技術 非線性限制與色散管理 預補償、欠補償、分段補償,37,