《光通信原理与技术》课程论文样本40077.pdf
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1、 1 光通信原理与技术课程论文样本 本文试图总结自己在课程学习中的一些认识和感悟,并对课程脉络进行简单的梳理。只是方便自己思路的建立,并不完善严谨。并且只强调光通信中的光纤通信部分。一、光通信与网络的介绍 1、光通信的优势 射频、微波通信已经发展得很完善了,为什么还会发展光通信呢?这是缘于人们对高速高质通信的要求。也就是对“带宽长度积”的要求,既要求带宽尽可能大,有效传输距离也尽可能大。根据摩尔定律,人类对通信带宽的需求每 5 年翻 10 倍。而微波通信(频率为 1100GHz)似乎已经到了瓶颈极限。因此,光通信(频率为 200THz 左右)应运而生。光通信是以光波作为载波,然后将不同速率不同
2、形式的信号加至载波上,即调制。理论研究表明,载波频率越高,能够获得的传输带宽越大,因此信息容量也就越大。那么,为什么会选择光纤来作为光信号传输的载体呢?而不选择自由空间。这主要基于现代光纤的以下几个特点:(1)光纤损耗小,可实现长距离传输;(2)光纤的工作带宽(即能够响应的频率范围)比铜线要多得大,因此能够携带更多的信息;(3)光纤小而轻,这在工程和实际应用上有很重要的意义;(4)光纤一般使用绝缘体作为材料,可抗电磁波干扰;(5)光纤不会像铜线那样发热大,也不会有火花、高压等不安全因素存在;(6)光信号在光纤中能很好地限制于纤芯中,泄漏较少,可实现信息保密。光纤在一开始制作的时候,损耗也是非常
3、大的。只是随着人们的研究和努力,才逐渐形成现在的低损耗光纤。2、促成光通信的关键技术 光通信事业之所以能够蓬勃发展,取决于以下几项里程碑式的成就。(1)光源:现代光通信使用的光源有 LED 和 LD 两类,其中,LD 性能更佳,使用更广。激光的发明,为光通信提供了单色性好、亮度高、方向性好的光源。通常来说,LED 的频带宽度为100nm,而FP式的LD频带宽度为10nm,分布式反馈DFB的LD更是可以达到0.0001nm。2(2)低损光纤:目前常用的三种光纤分别是阶跃折射率多模光纤、梯度折射率多模光纤、阶跃折射率单模光纤。这三种光纤对于现代通信常用的 1310nm 和 1550nm 的光,损耗
4、小至 0.2dB/km。而普通的光纤更是能对 1310nm 的光实现零色散。当然,现在发展起来的色散位移光纤和色散补偿光纤能够实现 1550nm 光的小色散。(3)WDM:WDM 分为 CWDM 和 DWDM 两种。在一开始是实现 1310nm 和 1550nm 的双波长复用,现在已经发展到在 Cband 内实现密集波分复用。信道间隔为 50GHz(0.4nm)。3、现代光通信的一些基本参数 现代光通信使用的是 1260nm 到 1675nm 的近红外的光。常用的两个波段是以 1310 为中心的 1260 到 1360 的 O-band 和以 1550 为中心的 1530 到 1565 的 C
5、-band。而之所以使用这两个波段是因为光纤对这两个波段的光的吸收损耗最小。对 1550 的损耗更小些。而两个波段之间会有一个由于水分子的存在而引起的吸收峰,大致在 1400 左右。在光通信的初始阶段以及现在的短程传输中,人们也使用 850 的光。二氧化硅光纤折射率一般为 1.48。现阶段光通信,比特速率能够达到单个信道 10Gbit/s(有的能达 40),而整个 WDM 系统能达到 1Tb/s 的量级。通常 80km 也需要一次放大中继。而数据的传输方式有 SONET 和 SDH两种标准。4、如何评价一个光通信系统 有三个标准:分别为主要标准(primary standards)、器件测试标
6、准(component testing standards)、系统标准(system standards)。分别是对系统中的物理参数(如衰减、带宽等)、器件性能和校准、系统性能三个方面的评价。二、光纤及光在光纤中的传输情况 要了解光在光纤中是如何传输的,就得先了解光的特性。经过历史上非常激烈的争论,现在科学界普遍接受的观点是光具有波粒二象性。因此,这就衍生出从波动和粒子两个角度来考虑光的特性的分支学科:波动光学和量子光学。但在系统所使用器件的尺寸远大于光纤的波长的情况下,波动光学可以退化为古老的几何光线,也称射线光学。3 射线光学常把光纤中传播的光纤分为子午光线(meridional rays
7、)和斜交光线(skew rays)两种,斜交光线在光纤内螺旋式地传播,泄漏较多。因此,射线光学在一定程度上有助于我们理解光纤中光的传输情况,但从不是非常完善和正确。因为我们知道,光纤纤芯的直径为10 微米左右,而光纤通信常用光波长为 1.55 微米,光纤纤芯尺寸虽大于光波长,但还达不到远远大于的要求。几何光学其实并没有考虑光作为一种波所存在的干涉现象。研究发现,为了使光在光纤中能够稳定传输,必须满足谐振条件。谐振条件使得光的传输方向具有离散性,并不是所有方向决满足谐振条件。这就导致了光纤中只能传输一定数量的离散的导波模式。在更小尺寸的光纤中,甚至可以做到只支持一个模式,这就是常说的单模光纤了。
8、(一)光纤中光的几何理论 1、光纤捕获光的能力 光纤的几何光学解释中涉及到几个重要的概念:数值孔径(numerical aperture)、全内反射临界角(critical angle)、可接受的入射角(acceptance angle)。结合上图可以很容易地理解临界全内反射角和临界入射角的概念。至于数值孔径,则是一个表征光纤捕获光的能力的物理量。定义为:那么,从表面上看,好像是 NA 越大,则光纤捕获光的能力越强,则光纤性能越好。其实并不是这样的。就像前边提到,光作为一种波,会存在干涉现象。对于大数值孔径的光纤,则常为多模光纤,模间色散效应将变得明显,使得光脉冲在时域上展宽了,从而限制了数据
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