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1、光纤通信及其在电力系统中的应用,徐刚 2009.10.1 成都,1,主要内容,光纤通信基础知识 电力系统中光纤通信的应用 光纤通信常见问题分析和排查方法,2,光纤通信基础知识,光纤传光的基本原理 光纤衰耗产生的基本原理 光纤通信系统的组成 电力系统常用光纤 电力系统常用光缆 电力系统常用光纤通信的部件,3,光纤通信发展简史光波,光波是波长极短的电磁波。因此,科学家早已断定利用光波进行通讯在理论上是可行的,也是人们长期以来梦寐以求的。光波的频率在31014以上,用这样高频率的波作为载波,可获得比现有通讯方式大万倍的通讯容量,又不受一般的电磁干扰,因而是一种理想的传输介质。但是如何使光波沿着预定的
2、通道长距离传输却是一个极难的问题。只有当激光和光导纤维问世之后,才使这一难题的解决成为可能,4,光纤通信发展简史光纤,利用光纤作为光的传输介质的研究工作经历了30年的时间。 1950年国外就有人开始了光在光纤中传输的理论研究。 1951年出现了用于医疗的光导纤维。但由于那时的光纤中光的传输衰耗太大,故不能用于一定距离的光通讯。 1966年,英籍华人高锟博士揭示了制成衰耗低于20dB/km光纤的可能性。而当时世界上最优良的光学玻璃衰耗在1000dB/km左右。因而这个预见未被普遍相信和重视。只有美国贝尔实验室主席Iam Ross和英国电信研究所(BTRL,BPO)的领导人对此极感兴趣,遂与美国康
3、宁玻璃公司合作研制。 1970年该公司的Maurer等人首先制成了衰耗为20dB/km的光纤,取得了重大突破。高锟博士指出,降低玻璃内的过渡金属杂质离子是降低光纤衰耗的主要途径。 沿此途径,在1974年光纤衰耗已降低到2dB/km。另外,玻璃内的OH离子也是造成衰耗的重要因素。解决此问题后,1980年用于1.55m波长的光纤衰耗值已降低到0.2dB/km,5,光纤通信发展简史光源,实现光纤通讯的另一重要问题是光源。 60年代,光纤通讯中光源的研究主要应用波长为0.85m附近的近红外区。因此,当时主要研究GaAlAs(镓铝砷)半导体激光器。当时制成的这种激光器不能在室温下运用,寿命很短。 197
4、0年Hayashi等人终于制成了能在室温下连续运行的GaAlAs激光器(LD)。 1971年Burrus等人制成了GsAlAs发光二极管(LED),其寿命长、价格低廉,但频谱宽、速率低、功率小。 80年代制成了适用于1.3m、1.55m的InGaAsP(铟镓砷磷)长波长激光器和发光管,现已得到广泛应用。,6,光纤通信发展简史光接收器,光接收器件也是光纤通讯必不可少的重要组成部分。 随着光纤的发展,及时地研制成功适用于短波长的Si-PIN管和Si-APD雪崩光电二极管及适用长波长的InGaAs或InP的PIN管和APD管,还有Ge-APD管等。,7,光纤通信的发展,1976年后,美国建成传输速率
5、为44Mbit/s(每秒传送44M位数字信号)、传输距离达到10km的商用光纤通讯线路。 80年代,光纤通讯进入大规模发展阶段。目前世界上光纤通讯已被广泛应用,全世界光纤用量每年约60007000万km 。国际上565Mbit/s的高速光纤通讯系统(可传送7680路双向电话)已广泛应用,2.4Gbit/s超高速系统也将投入运行。 我国早在70年代初就开展了光纤通讯的研究,70年代末已经能制造用于1.3 m波长、衰耗为4dB/km的多模光纤,并能制造0.85 m波长的发光二极管和激光器。80年代初,研制成长波长多模光纤、长波长激光器和PIN-FET光电检测组件,在武汉建立了市内光纤线路。1991
6、年,建成合肥至芜湖的150km光纤线路。由此可见,我国光纤通讯的发展非常迅速,在电力系统中也得到广泛应用。 最新资料表明,全球的光纤使用量已经是10亿公里。,8,电力系统光纤通信的发展,光纤通道 站内复接 站间直连 监控网络 过程层数字化变电站 智能电网数据通信智能变电站,9,光纤通信系统的构成,10,光端机(发),光端机(发),电端机(发),电端机(发),光纤通信的特点,光纤通讯与其他通讯方式比较有很多优点,对应用于电力系统而言,主要有以下几点。 通讯容量大: 随着电力系统保护、控制、远动技术的发展,需要愈来愈大的通讯容量。微波通道的通讯容量一般只有960路,而用光缆构成的光纤通道当用0.8
7、5m短波长时通讯容量可达1920路,当用1.55m长波长时通讯容量可达7680路。 工作可靠: 载波通道受雷电和电力系统操作产生的电磁干扰很大,信号衰耗受天气变化的影响很大,有时甚至不能工作。微波通道受电磁干扰较小,但在恶劣天气条件下信号衰落很大。光纤通道不受电磁干扰,基本上不受天气变化的影响,因此工作可靠性远高于载波和微波通道。这对于电力系统特别重要。,11,光纤的传光原理,光纤与光缆 光纤的构造 光缆的构造 光在光纤中的传播 光的反射和折射 光的全反射 光在光纤中的传播,12,光纤的构造,光纤横截面示意图。光纤由纤芯、包层、涂敷层和套塑四部分组成。纤芯位于光纤的中心,是光传输的主要途径,其
8、主要成分是高纯度的二氧化硅,其纯度要达到99.9999%,其余成分为掺入的杂质。,13,光纤的构造,常用的杂质有五氧化二磷(P2O5)和二氧化锗(GeO2)。掺加此杂质的作用是提高纤芯的电介强度和折射率。纤芯的直径2a一般在550m之间。包层也是掺加有少量杂质的高纯度二氧化硅。包层所用的杂质为氟或硼,其作用是降低包层的电介强度和折射率。包层的直径2b一般为125m。包层的外面涂敷一层很薄的环氧树脂或硅橡胶,其作用是增加光纤的机械强度。涂敷层之外是用尼龙或聚乙烯作成的套塑,其作用也是加强光纤的机械强度。,14,光纤按折射率分布分,根据杂质在纤芯材料中的分布,光纤分阶跃型和渐变型两种。所谓阶跃型光
9、纤是指纤芯材料中杂质的分布是均匀的,因而在纤芯中各处电介常数和折射率也是均匀的、相同的,是一常数。但在纤芯与包层分界处,电介常数和折射率阶跃式地突然减少。所谓渐变型光纤是指纤芯中杂质从轴线开始沿着半径方向逐渐变化,因而纤芯材料中电介常数和折射率也沿着半径方向逐渐变化。,15,光缆,在实际应用中,将多根光纤集中在一起做成类似于电缆的光缆进行敷设,以保证不受外界的影响而损坏。 图4表示一六芯光缆的横截面。光纤围绕一多股钢丝绳排列。多股钢丝绳的作用是增强光缆的机械强度。此外,为了保证中继站之间的电信号联系,有些情况下也为了给中继站供电,在光缆中通常还敷设一对塑料包皮的铜导线。除了六芯光缆外,还有四芯
10、,八芯的光缆等。,16,光在光纤中的传播,光的反射和折射 光的全反射,17,光的反射和折射,当光从一种介质入射到另一种介质时,由于光在两种介质中传播的速度不同,在两种介质的分界面上要反射和折射。如果两种介质材料成份都是均匀的,则其物理常数如导磁率和电介常数也必然是均匀的。 设用下标1和下标2分别表示两种介质,其导磁率都等于空气的导磁率,即 其电介常数分别为1和2,光在两种介质中传播速度各为 其对于光的折射率分别为:,18,光的反射和折射,设光的入射角为1,反射角为1,折射角为2,则根据斯奈尔(Snell)定律:,19,光的全反射,如果上面所举的两种介质的折射率之间的关系为n1n2,则由式(1)
11、知, 如果 则可以发生 这是没有意义的,这说明折射角大于90, 亦即光不会进入介质2 ,而是全部反射回介质1。 这种现象就是光的全反射。从式(1)可见,产生全反射与否不但与n2/n1 有关,也与入射角1 有关。设产生全反射的临界入射角为 c ,则应有,20,光在光纤中的传播,21,光在光纤中的传播,所谓阶跃式是指在纤芯中和包层中光的折射率都是均匀分布的。包层的折射率n小于纤芯的折射率n。从纤芯到包层,在分界面上折射率突然减小。光通过光纤轴线斜射入光纤。当入射角大于等于临界入射角时,产生全反射,光线不进入包层,完全在纤芯中沿着轴线方向曲折前进。实线和虚线代表不同的入射角时的传播情况。 所谓渐变式
12、是指在纤芯中从轴线沿着径向方向折射率逐渐减小。由于在渐变型光纤中,纤芯中的折射率沿半径方向逐渐变化,故光在行进中连续地产生折射,行进路径呈曲线形状。,22,光纤的类型,光纤传输的模式 多模是指可传送多束光线 单模则指沿轴线传送一束光线 光纤有三种基本型式: (1)多模(折射率)阶跃式,简称多模阶跃式; (2)多模(折射率)渐变式,简称多模渐变式; (3)单模(折射率)阶跃式,简称单模阶跃式。,23,光纤通信基础知识,光纤传光的基本原理 光纤衰耗产生的基本原理 光纤通信系统的组成 电力系统常用光纤 电力系统常用光缆 电力系统常用光纤通信的部件,24,光纤的损耗和色散,光在光纤中的吸收损耗 光纤材
13、料本身引起的吸收损耗 红外吸收损耗 紫外吸收损耗 杂质引起的吸收损耗 金属离子引起的吸收损耗 氢氧根例子引起的吸收损耗 原子缺陷引起的吸收损耗 光在光纤中的散射损耗 光纤的色散,25,红外吸收和紫外吸收损耗,均属于光纤材料本身引起的吸收损耗 石英玻璃(SiO2)是光纤的基础材料。在波长9um、12.5um和21um处,其Si-O键发生振动而吸收一部分光能,从而造成损耗。这几个波长都在红外区域,故称红外吸收损耗。由于目前光纤的工作波长与这几个振动波长的距离较远,故红外吸收损耗对光纤通讯影响不大; 在光纤材料SiO2的原子中,一些处于低能级的电子会吸收紫光的一些能量而跃迁到高能级状态,因而造成光能
14、的损失。这种由于电子跃迁造成的损耗发生在波长为0.16um附近的紫外区域。因此,对常用的0.85um波长的光纤通讯有一定的影响。,26,金属离子、氢氧根离子、源自缺陷造成的损耗,均属于光纤材料中杂质造成的吸收损耗 在光纤材料杂质中可能有铁、铜、钒、镍、和钴等金属离子。这些金属离子要吸收一些光能造成损耗,但是现代提纯技术水平大大提高,使得金属离子的吸收损耗已不重要; 在光纤加工过程中,不可避免的要有一些OH-根离子残留于其中,OH-根离子的振动要产生光能损耗。OH-根振动的基波位于2.73um处,在此处吸收损耗量最大。这距离常用的波长较远,无大影响。但其二次和三次谐波分别出现在1.38um和0.
15、95um。距常用的波长较近,有一定的影响。三次以上谐波的振动形成的吸收损耗很小,可以忽略不计。 原子缺陷造成的吸收损耗是在光纤材料受到某种激励,例如热激励或强幅射激励时,造成原子缺陷而吸收光能,称为原子缺陷吸收损耗。目前在光纤制作时,已选用这种损耗最小的石英玻璃,因而原子缺陷吸收损耗的影响已经很小,27,散射损耗,太阳光穿过大气时,遇到大气的分子或微粒会发生散射而使天空变成蔚蓝色。同样,光在光纤中传输时遇到光纤微观结构的不均匀性也会产生散射。 制作光纤时,其玻璃材料在冷却过程中,内部会出现分子级的密度不均匀性,这种不均匀微粒的尺寸比光波波长还要小,光遇到这些不均匀的微粒就要发生散射,造成散射损
16、耗,称之为瑞利散射损耗。波长增大时,瑞利散射损耗急剧减小。此外,在入射光很强时,还会发生受激散射,即布里渊受激散射和喇曼受激散射。因为这样产生的散射光与入射光的波长不一样,故称为非线性散射。受激散射是一种受激现象,与其他受激现象一样,它的产生有一定的阈值。研究表明,只有当入射到光纤中的光功率达到80 mW时,才会引起严重的非线性散射而造成非线性散射损耗。但光纤通讯中使用的半导体光源能注入光纤的功率远小于此数值,因此可以不考虑这种散射损耗。,28,光纤的辐射损耗,以上所讲的吸收损耗和散射损耗都是由于光纤材料本身的固有性质所引起的,故称为本征损耗。除此而外,在光纤生产和敷设过程中还会产生一些附加的
17、缺陷而造成损耗。例如纤芯的直径和包层的尺寸的不均匀性,玻璃中残留的气泡、敷设时过大的弯曲等都会产生光的辐射。辐射光的一部分进入包层而引起辐射损耗。随着现代光纤制作水平工艺的提高,辐射损耗已可减到最低水平。,29,光纤中光能总损耗的谱特性与工作窗口,上述各种损耗都与入射光的波长有关。总损耗对波长的关系称为总损耗的谱特性。如图8所示。可以看到,在短波长范围和长波长范围有三个损耗相对较低的范围:0.8 0.9um,1.21.3um,1.441.52um。这三个波长范围一般用于光纤通讯,称为三个工作窗口。,30,光纤的色散,所谓色散是指利用光纤进行数字通讯时光脉冲被展宽的现象。,31,光纤的色散,由于
18、色散现象存在,使得用在数字通讯时脉冲之间的间隔不能太小,亦即传送速率不能太高,这限制了通讯容量的提高。此外,因色散造成的脉冲展宽程度与传送距离有关,因此色散也限制了光纤通讯的距离。 多模阶跃式光纤的数据传输速率较低,只能用于短距离数据传输,也常用于图像传输。这种光纤的优点是直径较大,机械强度较大,光源和光纤的对准比较容易。 多模渐变式光纤中,纤芯的折射率从轴线沿着径向方向逐渐减小。光束沿着轴线传输的距离虽短,但速度较慢,距中心线越远处光束的传输距离虽长但速度较快,这就部分地补偿了由于路程不同而产生的时间差异,使光脉冲的变形减小。这种光纤用于中等距离、中等信号速率的数据传输。 单模阶跃式光纤的纤
19、芯半径较小,只传输沿中心线射入的一种光束,消除了色散现象,可用于远距离高数据速率的传输。其缺点是光纤太细,机械强度较小,需要非常精密的光源与光纤的对准工具,这些问题目前都已圆满解决。,32,光纤的色散,33,光纤通信基础知识,光纤传光的基本原理 光纤衰耗产生的基本原理 光纤通信系统的组成 电力系统常用光纤 电力系统常用光缆 电力系统常用光纤通信的部件,34,光纤通信系统,光发信机 光收信机 数字通信的原理 多路复用技术,35,光发信机概述,与高频通道和微波通道相似,光纤通道是要将代表话音、控制命令、遥测数据或信息的音频信号或脉冲调制在一种光源上,通过光纤传送到远端。这就需要有光源、调制或编码电
20、路和相应的控制电路。这些电路构成光发信机,其主要器件是光源。,36,光源的基本要求,由于光纤芯径很小,要求光源要有较小的发光面积,并且与光纤之间能够很好耦合。 光源发光的波长应在光纤通讯的三个低耗的工作窗口内,即0.80.9、1.21.3、1.451.55um。 由于光纤通道要传送许多路高速脉冲信号,因此要求光源有足够大的功率和很快的响应速度 作为电力系统的主要通讯系统,要求光源具有很高的可靠性,对温度等外界条件的变化不敏感,37,激光发生的原理,光纤通道的光源主要是半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)。为了解释这种光源的工作原理,首先要了解半导体发光的机理,亦即光的受激吸收、自发辐射和
21、受激辐射的过程。,38,能级和能带,物质中的原子由原子核和围绕其旋转的很多电子组成。每个电子都沿着一定的轨道旋转,每个轨道代表着沿其旋转的电子所具有的一定能量。根据量子力学的理论,电子的轨道不能是连续的,任意的,因此每个电子只能具有对应于所在轨道的能量,其值也是不连续的,任意的,故称为能级(级别),39,能级和能带,一个电子要从一个轨道跃迁到另一轨道,必须吸收或释放两个轨道能级之差的能量。其放出的能量常以光的形式辐射出来。图中(a)(b)表示一个孤立原子中电子的轨道和能级。最外层的电子称为价电子,其数目决定了物质的原子价。 半导体中的原子按一定的规则排列,构成晶体。原子的最外层电子常为多个原子
22、所共有,成为共价电子。由于各原子的互相影响。共价电子不可能只具有一个能级,而是可具有相差很小的许多能级,称为能带(在各个原子中兼职,而在所兼职的各原子中,所处能级不同)。价电子所具有的能带称为价带,其最高能级用E1表示(电子带负电荷其能量是负的, E1是的最大),价带中的电子受到外界能源,例如光或热的激发,可以吸收一定的能量而脱离原子核的束缚而自由移动,亦即从价带跃迁到导电带,简称导带。导带中的电子在外加电场的作用下移动形成电流。 导带的最小能级用E2或E表示,价带的最高能级用E1或E表示.电子不能具有E1到E2之间的能级。此区域代表的能带称为禁带。(受刺激大了,吸收的能量多了才有可能从价带到
23、导带) 禁带的能量用EF表示,因此,要使电子从价带跃迁到导带必须吸收等于EF的能量。 在稳定状态下,能级较低的电子有一定的概率跃迁到较高的能级。能级较高的电子也有一定的概率跃迁到较低的能级。在某个能级之下,被电子占据的概率大于1/2,此能级称为“费米能级” Ef如图中(c)中虚线所示。,40,受激吸收和自发辐射,当低能级E1上的一个电子受到一个具有 能量e=E1-E2的光子照射时,可能吸收此能量而跃迁到高能级E2上去。这个过程称为光的受激吸收。光的受激吸收有一定的概率。同时与温度和照射光的频率等因素有关。 电子总是力图占据较低的能级(越低越稳定),因而在高能级E2上的电子是不稳定的,总是力图向
24、低能级E1跃迁。这种跃迁是自发的(非受激的)。电子在自发跃迁时以光的形式释放出其多余的能量E2-E1,称为自发辐射。自发幅射也有一定的概率。,41,受激辐射,除了自发跃迁外,处于高能级E2上的电子受到光子照射时,也可以从E2跃迁到低能 级E1,同时辐射出频率为f12的光子。这种辐射称为受激辐射。受激辐射也有一定的概率。 受激辐射与自发辐射不同之处在于:自发辐射是电子独立的从高能级E2向低能级E1跃迁时辐射的光。各电子自发辐射发出的光虽然频率相同,但彼此无关,可以有不同的相位,并且可向所有方向传播。而受激辐射的光子和激励源的光子不仅频率相同,而且相位和传播方向也相同,亦即受激辐射的光是一种和入射
25、光相干的光。 在受激辐射过程中,如果激励源光子的频率 f与正好满足 hf=E2-E1 则处于高能级E2电子发生受激辐射,由E2跃迁到E1,又激励E1上的电子发生受激吸收,由E1跃迁到E2。亦即受激吸收和受激辐射两个过程同时发生,而且发生的概率相同。,42,光的放大,对于一般的物质,在热平衡状态下处于低能级E1的电子数N1总是大于处于高能级E2的电子数N2,因而受激吸收占主导地位,称为吸收媒质。光经过吸收媒质时,其能量逐渐被吸收而光强减弱。 在一定的条件下,可使某些物质的高能级E2上的电子数N2大于低能级E1上的电子数N1。在这种情况下,光的受激辐射将占主导地位。在一个光子的激发下可使E2上的一
26、个电子受激辐射,产生另一个与入射光子的频率、相位、传播方向完全相同的光子。一个光子变成两个光子。亦即光被放大。如果E2的电子数能从外界能源不断供给,则这种放大可继续维持下去。产生光放大的条件是使高能级上的电子数N2大于低能级上的电子数N1,这称为电子数的反转分布。,43,光的谐振,与电子学中的振荡器一样,如果将被放大光的一部分作为正反馈来进行进一步放大,则可产生光的振荡。图13为光振荡器示意图,是由光的放大媒质与两个反射镜构成。后面的反射镜对光进行全部反射,反射率为100%。前面的反射镜有一小孔,可使被放大光的一部分通过小孔射出,形成激光光束。其余被反射回去的部分光因而产生光的振荡。从图中可看
27、出能够被放大和产生振荡的光只能是与谐振腔轴线平行的光。不平行的光将穿过谐振腔两侧面而逸出。因此经过放大和振荡而输出的激光具有很强的方向性,能量非常集中,这是激光最大的特点。,44,半导体激光器,在N型半导体中,多数载流子电子的数目极多;而在P型半导体中,多数载流子空穴的数目极多。当将这两种不同的半导体结合在一起时,N型半导体中的电子向P型半导体中扩散,P型半导体中的空穴向N 型半导体中扩散,因而在两种半导体结合处形成 了一个只有空间电荷没有自由电荷的区域,叫做P-N结,两种空间电荷之间出现一个静电场,称为自建电场。自建电场阻止了电子和空穴的进一步扩散,而达到了一种平衡状态。在平衡状态下,由于自
28、建电场的存在,PN两种半导体之间出现了一个电位差VD,称为势垒,因而P型半导体中电子的能带都比相应的N型半导体中电子的能带高一个eVD值,如图所示。 e为电子的电荷。,45,半导体激光器,势垒的大小与半导体材料中所掺的杂质的浓度有关。在杂质浓度很大的情况下,势垒很大,使得N型半导体中导带最低能级EC甚至于低于P型材料价带的最高能级EV。在杂质浓度足够大时,N材料的EC低于费米能级EF。而P材料中的 EV高于EF,低于费米能级的区域容易被电子占据,故N材料中EC到 EF之间聚集着很多电子,而在P材料之中 EF到EV 之间容易被空穴占据,故聚集着很多空穴。 当给PN结加以正向电压(正加在P,负加压
29、N)时,此电压抵消了一部分自建电场,使势垒减小,如图15所示。这样就造成了P-N结区域的电子数反转分布,即导带EC上的电子数多于价带EV 上的电子数。因此在外加电压的激发下,电子产生受激辐射,发生激光。只要外加电源产生的电流足够大,足以补充导带中的电子,激光将会连续发射出去。,46,半导体激光器,砷化镓激光器采用砷化镓(GaAs)作为激活媒质,掺杂的浓度很大。GaAs是III-V族化合物,当掺入IV族元素如Te(锑,音:Ti)时,就形成N型半导体,其载流子浓度可达(13)1018/cm3;当掺入II族元素如Zn(锌)时,就形成P型半导体,其载流子浓度约为(24)1019 / cm3;。用这种半
30、导体构成的P-N结就是激光器的的发光源区,称为有源区。在PN结两端,按照晶体的天然晶面切成相互平行并且光滑的平面,称为解理面。这两个解理面就构成两个反射镜,其间形成激光器的谐振腔。其侧面不要磨光,使不与谐振腔轴线平行的光发散出去,不要反射回来进行放大。在P-N结上下底面上,接上电极,与外电源相连,N接负极,P接正极。,47,半导体激光器,在发光源区内,产生电子数的反转分布,在接通外电源,而且电流超过一定的门坎值时,就会在自发辐射的激发下,使受激辐射大于受激吸收。一个光子就会激发出很多频率、相位、传播方向完全相同的光子,产生光的放大。此外,由于谐振腔的存在,放大的光被进一步放大因而产生振荡,从一
31、端反射镜的小孔向外发射激光。为了使激光能连续的稳定的发射,必须由外电源供给一定的电流,维持有源区粒子数的反转分布。使激光器刚开始产生激光 的注入电流称为激光器的阈值电流。其值愈小时激光器效率就愈高。阈值电流密度一般在(10100)kA/cm2范围内。,48,半导体激光器输出特性,半导体激光器的输出光功率P与注入电流I之间的函数关系曲线称为激光器的输出特性,半导体激光器的输出光功率与有源区的电子密度、光子密度、注入电流、有源区厚度以及材料的杂质密度等因素有关,可以通过理论计算得到,也可用实验方法得到。,49,输出特性曲线,a是理论计算得到的输出特性,b是用实验方法得到的输出特性。可见两者非常接近
32、。图中Ith代表阈值电流。IIth区称为激光区,是电子受激辐射而产生激光的区域,在此区域所发的光不但强度很大,而且频率、相位、传播方向都相同,是相干激光。,50,半导体激光器的温度特性,向半导体激光器P-N 结注入的电功率大部分变成光能发射出去,但也有一部分电功率转化为热消耗掉,P-N结的温度升高。 这将引起阈值电流的变化,从而引起输出光功率的变化。右图是镓铝砷一镓砷激光器输出光功率随温度变化的关系。,51,半导体发光二极管,半导体发光二极管(LED)所用的材料和半导体激光器(LD)所用的材料一样,主要是用镓铝砷(GaAlAs)和铟镓砷磷(InGaAsP)。其发光原理也和激光器一样,但是利用自
33、发辐射,而不是受激辐射,没有谐振腔,不经过放大。因此所发的光是荧光而不是激光。它不需要太大的电流注入PN结、不需要形成电子数的反转分布。因此,就没有阈值电流问题。 由于发光二极管发光输出特性线性度较好,使用简单、成本低廉、寿命长,因而在对性能要求不高的场合使用的很多,故也是光纤通讯中的重要光源。 按照光的输出方向,半导体发光二极管可分为表面发光型和侧面发光型两种。,52,驱动和调制电路,为了使激光器或发光二极管发光都需要注入电流,即进行驱动。为了用光信号传送信息需要对光信号进行调制。通常可将此二任务合并,用驱动调制电路来完成。 与电信号相同,对光信号也可用调幅、调频、调相的方法进行调制。但由于
34、目前采用的光源的频谱不纯,中心频率不稳定,因而用调频和调相的方法进行调制比较困难。故在当前实用的光纤通讯系统中几乎都采用调幅的方法,即使光源输出的光强度跟随调制信号按线性关系变化。一般采用改变半导体光源器件的激励电流而得到光调幅的方法。,53,驱动电路例子,54,调制,数字信号一般采用脉冲编码(PCM)方式传送信息。通过通道传送的是脉冲。因此光源P-I特性的非线性不再是考虑的主要问题,而电路的开关工作速度,即调制速度将成为首要问题(开关速度的大小直接营销通信带宽、通信容量等)。LED光源的调制速度较慢(荧光区),只能用于较低速度的数字光发讯机中。在较高速度的数字发讯机中,多采用LD(激光区)作
35、光源。,55,调制电路,右图表示一种共发射极单管数字式驱动调制电路。三极管导通时工作于饱和状态。由于三极管工作于饱和工作状态,在饱和期间集电极-集极PN结中贮存了大量的少数载流子,在截止时需要一定的时间来消除这些载流子,因此导通关断的频率不能太高,56,光接收机,光电检测器:能够将光功率转变成电功率的器件称为光电检测器。凡是能够产生光电效应的物质都可作成光电检测器。过去曾用光电效应物质作成阴极的光电管作为光检测器。现代的光电检测器一般用半导体材料作成,光纤通讯中最常用的光电检测器是PIN光电二极管和APD雪崩二极管。,57,PIN光电二极管,首先介绍PN结的光电效应。如果给半导体PN结加上与自
36、建电场方向相同电压,使势垒加强、PN结的耗尽区将变宽,其能带结构如下图所示。,58,PIN光电二极管,PN结区内已无自由载流子。如果用光照射此PN结,并且当光子的能量大于或等于半导体材料的禁带宽度,那么价带的电子可以吸收一个光子的能量而跃迁到导带,产生一对光生电子和空穴,则在外加电场作用下,电子将向N区漂移,而空穴向P区漂移,形成光生电流。这样,光信号就变成了电信号。但是光生电子和空穴在PN结区向两极漂移途中也会发生复合而失去电荷,造成光的吸收,降低了光电转换效率。 为了解决这个问题,一方面选择对光的吸收较少的物质作光电二极管。另一方面,延长光生电子-空穴对在PN结区的寿命,即减小复合的概率,
37、应使PN结较宽、杂质浓度较低。PN结宽可产生较多的光生电子空穴对,杂质浓度低可减少复合的概率。由此出发作成了PIN光电二极管,如图26所示。将PN 结改变成PIN三层结构。P层和N层都很薄,中间为掺杂较轻的N型半导体,称为I 层。I 层很宽。因而使整个PN结区变宽。提高光电转换效率。,59,光纤通信系统,光发信机 光收信机 数字通信的原理 多路复用技术,60,数字通信原理,模拟采样:信号的数字化 编码的基本规则 传递码型的选择 HDB3编码,61,模拟采样:信号的数字化,世界是模拟的。 数字通信是将电话语音,电视图像或电流电压等连续的模拟量经过采样变成离散的模拟量如图29所示,(a)表示连续的
38、模拟量。(b)为采样脉冲,(c)是经采样后得到的离散模拟量,称为PAM,其包络线与原连续的模拟量一致,62,编码规则,将离散化的模拟量用相对应的二进制码表示,变成PCM信号称为编码。 编码有几种规则,比如折叠二进制编码。以八位二进制码为例,这种码的最高位即第7位为符号位,或符号码,以“0”表示正数,以“1”表示负数。其余7位从最低位(第0位)到第6位代表数的绝对值。称为幅度码。例如二进制数 01111111代表+127,11111111代表-127,即8位二进制数代表的数字范围为-127+127。,63,折叠二进制编码,因为这种码以零为界,正、负数的码是对称的,故称为折叠二进制码,这种码编码比
39、较方便,因为幅值相同时幅度码相同。,64,传送码型的选择,(1)线路码流不应含有直流分量。码流在传输过程中要经过多次电流电压变换,亦即要通过多个小电压变换器,直流分量难以通过这些变换器,折迭二进制码的脉冲都是同一极性,平均值不为零,亦即有直流分量,因此必须进行码型变换。,65,不归零码和归零码,不归零码:如图所示,码元“1”用正脉冲表示,码元“0”用空隙表示,称为不归零码,用NRZ表示。显然这种码的直流分量很大。 归零码。如果将码元“1”的脉冲宽度减小一半,亦即变成“10”,并且将代表“1”的脉冲交替变号(某个“1”变成“10”,其后面再出现“1”则变成“-10”,继续下去,在某个特定的时间段
40、,直流分量基本等于0),(这称为AMI码),如图(b)所示也就是归零码,用RZ表示。这种码由正、负脉冲和零实现,是一种双极性(+1,-1,0)码。显然这种码的直流分量很小。,66,归零码和不归零码,归零码和不归零码,67,传送码型的选择,2)在线路码流中要易于提取发送端的时钟信号 由发送端送出的双极性归零码,经过线路传输,码的幅度不断减小和失真如图(b)所示。因此经过一般传输距离要进行再生中继。一般规律是脉冲上升沿和下降沿处衰减最大,脉冲的中央衰减最小,因此在中继站必须知道发送端发送的码中央的时刻,亦即要从码流中提发送端的时钟信号如图33C图所示。在此时刻读取脉冲值,如果其值大于正的门栏值即为
41、正脉冲,将其形状于以恢复,低于负的门限值即为负脉冲,将其恢复或负脉冲,如图d图所示。为此所用码型必须有利于时钟信号的提取,为了正确提取时钟信号,码流中就不能有多个连续的“0”。 比如为此所采取措施使连续的“0”不多于3个的方法,这种码就叫HDB3码。,68,再生中继,69,传递码型的选择,(3)在线路码流中应尽量使高频分量少。电缆中分布电容较大,因而高频信号在电缆线路中的衰耗较大,失真也较大,对同一电缆中其他导线的互感串音也较大,因此应该使高频分量尽量少。 (4)抗干扰能力强。 (5)具有一定的检测误码的能力 (6)编码设备简单易于实现,70,例子:HDB3编码,目前应用最广的满足上述要求的是
42、HDB3码,其含义是高密度双极性连续的“0”码个数不超过3的码。 国际电报电话咨询委员会ITU-T规定了HDB3的编码规则为: (1)HDB3码型信号是一种伪三进制信号,对应三种状态,B+、B-、0。B表示二进制“1”; (2)二进制码流信号中的空号“0”在HDB3中的仍编为“0”(无脉冲),但对4个及以上的连续“0”,采取特殊处理; (3)信号中的码元“1”在HDB3中被编码为正、负交替的脉冲。当4个连续的“0”码出现时,引入打乱“1”正、负交替反相规则的代换码;而按下述规则编码: 1)凡出现4个及以上的连续“0”码时,从第1个“0”码起,每4个连“0”码为一组,称为4连“0”组; 2)将每
43、个4连“0”组的第4个“0”用代换码V=+1或-1代换,与前一个V极性相反,即成为000V; 3)要保证两个相邻V码之间脉冲(+1和-1)为奇数,当为奇数时,4连“0”组用000V代换,当两个V码之间的脉冲(+1和-1)为偶数时,4连“0”组用00V代换。人为加入脉冲(+1或-1)可保证相邻两个V码之间的脉冲数为奇数。 4)V码的极性与相邻的前一个码元“1”(包括)的极性相同。相邻两个V码的极性正、负交替,相邻两个码的极性也正、负交替,71,编码,设有一单极性码0110011101,变成正、负交替的AMI码为00、+10、-10、00、00、+10、-10、+10、00、-10。当连“0”的个
44、数达到4以上时,就将0000码的第四个“0”用代换码V代换,变成000V。V=+1或-1,也按正、负交替进行。如果码流中两个V之间的二进制“1”和“1”为偶数时,需要将0000变成000V,也是代换码,=+1或-1。为了便于区别代换码的极性,用+、-、V+、V-表示。,72,编码,73,HDB3编码,按以上规则 1)和2)可保证连续“0”的个数不会超过3,便于提取时钟。第3)和4)规则可保证正脉冲的总个数与负脉冲的总个数相等,从而保证无直流分量。同时4连“0”的相邻两个脉冲极性相同,打乱了正、负交替的规则。因而在译码时遇到相邻两个脉冲极性相同,则知道是四连“0,可将其从第二个脉冲V起向前恢复为
45、4个连“0”,即“0000”。,74,光纤通信系统,光发信机 光收信机 数字通信的原理 多路复用技术,75,多路复用技术,概述:原因 频分制多路复用通道 时分制多路复用通道 30/32路PCM基群帧结构,76,概述,除了市内电话线之外,各种远程通道都有很大的通信容量,可同时供给多个用户独立地进行通信且互不干扰,但需要有一定的技术和设备的支持,这种技术和设备就是多路复用技术和“数据传输设备”,这种通信通道就是“多路复用通道”。多路复用有两种基本的模式;一是“频分制”多路复用,另一种是“时分制”多路复用。,77,频分制多路复用,频分制多路复用是以划分频带为基础,使不同的话路(用户)在载波频率的范围
46、内占据不同的频带而实现的。例如输电线载波通道的载波频率范围为40400kHz,给每一用户(通信、保护、远动等)规定为04kHz的频率,并将其相继安排(调制)到载波频率范围内的不同位置,如果各用户的带通滤波的频带边缘有足够的防卫度,则各用户可同时通信,互不干扰。对输电线载波和微波通道都可用频分制多路通信,已在前面提到。,78,时分制多路复用,时分制多路复用是以给不同用户划分不同的使用时间为基础实现的。因为用户的数据传输速率远低于“数据传输设备”的数据传输速率,因而“数据传输设备”可依次快速采集各用户的数据,统一编码传送。在接收端同步地依次接收和分离各用户的数据,发送给不同的用户。在这里发送端发送
47、和接收端读取的同步是极为重要的。因而需要能够从接收到的数据码流中提取发送端的时钟信号,按此时钟信号读取数据。,79,时分制多路复用原理,后图示时分制多路复用原理框图。设该通信通道能同时传 送n个用户的话路(电话、数据或保护信息),在发送时钟的控制下依次使各路的采样开关闭合进行采样,每路的采样时刻相互错开。,80,时分制多路采样原理,如图所示。所有n个话路都采完一遍后,再重新从第1路开始进行采样。把n路的采样值合在一起进行编码和传输。在接收端,反过来在码流中提取发端的时钟信号,在此同步的时钟控制下依次读取各路的采样值,再分送给各路的接收机。这就要求数据传输设备的数据传输速率(每秒钟传输的二进制位
48、数)至少是各话路传输速率的n倍。由于硬件水平的提高,目前已能作到各路自行采样和编码,而依次将自己对每个采样值所编的码送到,亦即调制到数据传输设备进行传送。,81,30/32路PCM基群帧结构,多路复用系统中,习惯将多路复用中最小容量的话路的集合称为基群。在时分复用的PCM通信系统中,可组成数千路的复用。国际电报电话咨询委员会(ITU-T)建议以24路或30/32路两种制式为基础, 我国推广采用的是30/32路制式作为基础群,简称基群或一次群。 PCM30/32路制式是指一帧内有32个信道“时隙”,时隙用TS(Time Slot的缩写)表示,但只有30个信道时隙(TS1TS15和TS17TS31
49、)传送30个话路信号,而空余的两个信道时隙,一个作为传送各话路信令信号的“信令时隙”(TS16),一个用于传送“帧同步码”的“同步时隙”。因此称为30/32路PCM。在这里,每个时隙宽为12532=3.91s。,82,30/32路PCM基群的帧、复帧结构图,83,信道时隙,每个话路的每个采样值都用8位(bit)码编制,即每个时隙8bit。而每个位码(即bit)的宽度为(12532)8=0.488s=488ns。而每个话路的第一位码X1定为极性码,其余7位码X2X8分别为幅度码。如果每个话路占16位(如微机保护),则所能传送的话路减少一倍,原理相同。 TS31时隙可作为话路时隙也可供数据传输用。,84,信令时隙,在完成通话的过程中,除了传递话音外,还要传递各种信令信号(如摘机、拨号、应答、挂机、空闲等),以保证局间交换设备正常接续或用户呼叫。30/32路PCM系统中,TS16作为信令时隙,就是完成上述信令信息码的传递工作。因每个话路信令规定为4位(4bit),用abcd表示,而每个T16时隙有8位码(8bit),所以一个TS16可同时传送两个话路的信令,这样30个话路信令就需要15个TS16来传输。考虑到同步等问题,ITU-T规定16个连续
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