光纤通信实验讲义
光纤通信实验讲义
目 录 1.光纤通信实验基础知识简介 2 1.1光纤通信简介 2 1.2无源器件简介。 5 1.3光纤通信系统常用仪表简介 8 2.实验要求 17 3.光纤通信实验注意$项18 4.实验内容 19 实验一光纤与光源耦合方法实验。 19 实验二多模光纤数值孔径(A)测量实验 .2 实验三光纤传输损耗性质及测量实验… 24 实验四一Z光纤干涉实验 26
1 目 录 1．光纤通信实验基础知识简介.....................................................................................................2 1.1 光纤通信简介............................................................................................................................2 1.2 无源器件简介...........................................................................................................................5 1.3 光纤通信系统常用仪表简介...................................................................................................8 2．实验要求...................................................................................................................................17 3．光纤通信实验注意事项...........................................................................................................18 4．实验内容...................................................................................................................................19 实验一 光纤与光源耦合方法实验.............................................................................19 实验二 多模光纤数值孔径（NA）测量实验.............................................................22 实验三 光纤传输损耗性质及测量实验.....................................................................24 实验四 M－Z 光纤干涉实验........................................................................................26
1光纤通信实验基础知识简介 1.1光纤通信简介 一、光纤通信的发展 光纤即光导纤维，光纤通信即以光波为载烦，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式， 1966年，C.K.Kao和C.A.Hockham发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤 进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了光纤通信的基础。20世纪70年代，光纤、光源、 半导体激光器研制取得了重大突破。光纤通信由起步到逐渐成熟，传输质量大人提高，传输 损耗逐年下降。19721973年，在850m波段，光纤的 传输损耗已下降到2B/km左右 此同时，光纤的带宽不断增加。光纤的生产从带宽较窄的阶跃型折射率光纤转向带宽较大的 渐变型折射率光纤：另外，光源的寿命不断增加，光源和光检测器件的性能也不断得以改善。 1976年，第一条速率为44.7B/s,传输距离约10km的光纤通信系统在美国亚特兰大的 地下管道中诞生。80年代，光线通信迅速由850m波段转向1310m波段，由多模光纤传输 系统转向单模光纤传输系统，并在1310m和1550m波段分别实现了损耗为Q.5dB/m利 0.2B/km的极低损耗的光纤传输。同时，石英光纤在1310nm波段时色度色散为零，这就促 使1310m波段单模光纤通信系统的迅速发展。 光纤通信技术的发展，可以粗略分为三个阶段： 第一阶段(196~1976年)：这是从基础研究到商业应用的开发时期。在这个时期，实 现了短波长(850m)低速率(34或45b/s)多模光纤通信系统，无中继传输距离约为10km。 第二阶段(1976 986 ):这是以提高传输率和增加传输距离为研究目标和大力推 应用的大发展时期。在这个时期，光纤从多模光纤转向单模光纤，由短波长（⑧50m)向长波 长转移(1310m,1550nm)。实现了工作波长为1310nm,传输速率为140~565b/s的单模光 纤通信系统，无中继传输距离约为50~100km。 第三阶段(10861996年)：这县以招人穷量超长离为日标，全面深入开据新转术研 究的时期。在这个时期，实现了1550m色散移位单模光纤通信系统。采用了外调制技术 传输速率可达2.5~10Gb/s,无中继传输距离约为100~150km 目前，“掺铒光纤放大器(EDFA)密集波分复用(DWDM)+非零色散光纤(NZDSF)+光 子集成(PIC)”正成为长途高速光纤通信线路的主要技术方向。同时，光交义连接(OXC) 设备、光分插复用(OD)设备、基于波长选路的DDM全光网正在研究和试验。此外，新 型的光器件，新兴的技术和新型的系统也都层出不穷，可以展望：光纤通信作为一高新技术 产业，将以更快的速度发展，光纤通信技术将逐步普及，光纤通信的应用领域将更加广阔。 二、光纤通信的优点 由于作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波 导管的损耗低得多，因此相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点： 1、光波频率很高，光纤传输频带很觉，故传输容量很大，理论上可通过上亿门话路或 上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制、打印等多种业务： 2、不受电磁干扰，保密性好，且不怕雷击，可利用高压电缆架空激设，可用于国防、 铁路、防悍等；
2 1 光纤通信实验基础知识简介 1.1 光纤通信简介 一、光纤通信的发展 光纤通信的发展 光纤即光导纤维，光纤通信即以光波为载频，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。 1966 年，C.K.Kao 和 C.A.Hockham 发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤 进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了光纤通信的基础。20 世纪 70 年代，光纤、光源、 半导体激光器研制取得了重大突破。光纤通信由起步到逐渐成熟，传输质量大大提高，传输 损耗逐年下降。1972～1973 年，在 850nm 波段，光纤的传输损耗已下降到 2dB/km 左右；与 此同时，光纤的带宽不断增加。光纤的生产从带宽较窄的阶跃型折射率光纤转向带宽较大的 渐变型折射率光纤；另外，光源的寿命不断增加，光源和光检测器件的性能也不断得以改善。 1976 年，第一条速率为 44.7MB/s，传输距离约 10km 的光纤通信系统在美国亚特兰大的 地下管道中诞生。80 年代，光线通信迅速由 850nm 波段转向 1310nm 波段，由多模光纤传输 系统转向单模光纤传输系统，并在 1310nm 和 1550nm 波段分别实现了损耗为 0.5dB/km 和 0.2dB/km 的极低损耗的光纤传输。同时，石英光纤在 1310nm 波段时色度色散为零，这就促 使 1310nm 波段单模光纤通信系统的迅速发展。 光纤通信技术的发展，可以粗略分为三个阶段： 第一阶段（1966～1976 年）：这是从基础研究到商业应用的开发时期。在这个时期，实 现了短波长（850nm）低速率(34 或 45Mb/s)多模光纤通信系统，无中继传输距离约为 10km。 第二阶段（1976～1986 年）：这是以提高传输率和增加传输距离为研究目标和大力推广 应用的大发展时期。在这个时期，光纤从多模光纤转向单模光纤，由短波长(850nm)向长波 长转移(1310nm,1550nm)。实现了工作波长为 1310nm，传输速率为 140～565Mb/s 的单模光 纤通信系统，无中继传输距离约为 50～100km。 第三阶段（1986～1996 年）：这是以超大容量超长距离为目标，全面深入开展新技术研 究的时期。在这个时期，实现了 1550nm 色散移位单模光纤通信系统。采用了外调制技术， 传输速率可达 2.5～10Gb/s，无中继传输距离约为 100～150km。 目前，“掺铒光纤放大器（EDFA）+密集波分复用（DWDM）+非零色散光纤（NZDSF）+光 子集成（PIC）”正成为长途高速光纤通信线路的主要技术方向。同时，光交叉连接（OXC） 设备、光分插复用（OADM）设备、基于波长选路的 DWDM 全光网正在研究和试验。此外，新 型的光器件，新兴的技术和新型的系统也都层出不穷，可以展望：光纤通信作为一高新技术 产业，将以更快的速度发展，光纤通信技术将逐步普及，光纤通信的应用领域将更加广阔。 二、光纤通信的优点 光纤通信的优点 由于作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波 导管的损耗低得多，因此相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点： 1、光波频率很高，光纤传输频带很宽，故传输容量很大，理论上可通过上亿门话路或 上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制、打印等多种业务； 2、不受电磁干扰，保密性好，且不怕雷击，可利用高压电缆架空敷设，可用于国防、 铁路、防爆等；
3、耐高温、高压、抗腐蚀，不受潮，工作可猛： 4、光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属（如铜、铝），且直径小、重量轻、可挠性 好。 三、光纤通信系统的结构 一个实用的光纤通信系统，要配置客种功能的电路、设名和捕助设施才能特入松行。如 接口电路、复用设备、管理系统以及供电设施等等。根据用户需求、要传送的业务种类和所 采用传送体制的术水平等来确定具体的系统结构。因此，光纤通信系统结构的形式是多种 多样的，但其基本结构仍然是确定的，如图 光发端机 光收端机 光级 光中继器 光缆 输入接口 输出接口 备用系统 电发射端机 电接收端机 用户接口 辅助系统 用户接口 图1.1-1光纤通信系统型 光纤通信系统主要由三部分组成：光发射机、传输光纤和光接收机。其电/光和光/电 变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。 实现过程如下：输入电信号既可以是模拟信号 (如视频信号、电话语音信号)，也可以是数字信号（如计算机数据、C编码信号）：调制 器将输入的电信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进 行直接强度调制，完成电/光变换的功能：光源输出的光信号直接耦合到传输光纤中，经一 定长度的光纤传输后送达接收提：在接收端，光由拾训器对输入的光信号排行直接检波，将 光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复 电处理过程，以弥补线路传输过程中带来的 信号损伤（如损耗、波形畸变），最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整 传送过程。 四、光纤通信系统的分类 根据所使用的光波长、传输信号形式、传输光纤类型和光接收方式的不同，光纤通信系 统可分成： (1)按光波长划分可以分为短波长和波长光纤通信系统 类别 特点 短波长光纤通信系统 工作波长：800m~900m:中继距离：≤10km 长波长光纤通信系 工作波长：1000nm一1600nm:中继距离：>100k 超长波长光纤通信系统工作波长：22000mm;中继距离：21000km:采用非石英光纤 (2)按光纤特点划分 类别 特点 多模光纤通信系织 传输容量：≤100Mbit/s:传输损耗：较高
3 3、耐高温、高压、抗腐蚀，不受潮，工作可靠； 4、光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属（如铜、铝），且直径小、重量轻、可挠性 好。 三、光纤通信系统的结构 光纤通信系统的结构 一个实用的光纤通信系统，要配置各种功能的电路、设备和辅助设施才能投入运行。如 接口电路、复用设备、管理系统以及供电设施等等。根据用户需求、要传送的业务种类和所 采用传送体制的技术水平等来确定具体的系统结构。因此，光纤通信系统结构的形式是多种 多样的，但其基本结构仍然是确定的，如图 1.1-1。 光纤通信系统主要由三部分组成：光发射机、传输光纤和光接收机。其电/光和光/电 变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。实现过程如下：输入电信号既可以是模拟信号 （如视频信号、电话语音信号），也可以是数字信号（如计算机数据、PCM 编码信号）；调制 器将输入的电信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进 行直接强度调制，完成电/光变换的功能；光源输出的光信号直接耦合到传输光纤中，经一 定长度的光纤传输后送达接收端；在接收端，光电检测器对输入的光信号进行直接检波，将 光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等电处理过程，以弥补线路传输过程中带来的 信号损伤（如损耗、波形畸变），最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整个 传送过程。 四、光纤通信系统的分类 光纤通信系统的分类 根据所使用的光波长、传输信号形式、传输光纤类型和光接收方式的不同，光纤通信系 统可分成： （1）按光波长划分可以分为短波长和长波长光纤通信系统 类别 特点 短波长光纤通信系统 工作波长：800nm～900nm；中继距离：≤10km 长波长光纤通信系统 工作波长：1000nm～1600nm；中继距离：>100km 超长波长光纤通信系统 工作波长：≥2000nm；中继距离：≥1000km；采用非石英光纤 （2）按光纤特点划分 类别 特点 多模光纤通信系统 传输容量：≤100Mbit/s；传输损耗：较高 图 1.1-1 光纤通信系统模型 用户接口 电发射端机 输入接口 光发端机 用户接口 电接收端机 输出接口 光收端机 光缆 光中继器 光缆 备用系统 辅助系统
单模作超通信系复放门 传输容量：21闭it精本传输损电：拟低放☐ 3)按传输信号形话划分 类别放 )点放 数字作超通信系复放 传给信县，数字木抗干扰木温中继放 模拟作超通信系复放 传输信号本模拟本短原始本运本低放 (,按作调直的设话划分放 类别放 >占放 强度调直直接端测系复放 简单金经济金但通信容量受施限直放 完差作超通信系复放 腐蚀难度配，传输容量配放 (小其它放 类微 》占波 相干作超通信系复放 作接收灵敏度根本作频码迭择而好本设备复杂放 作波分复非通信系复城 根作超中传送多个单双驱波长本超配容量，经济效益好放 作-分复非酒信系复放 温实现超根伤传输本焫蚀先进放 全作调信系复放 传关过程无作电动换本且有作交换功抗本酒信质量 副截波复非作超通信系复 数模混传本部组，运本低本对作源线而度P求根 作弧子通信系复放 传输伤码根，中继原始长本设计复杂放 量子作通信系复放 量子信时压类作通信中的应非放
4 单模光纤通信系统 传输容量：≥140Mbit/s；传输损耗：较低 （3）按传输信号形式划分 类别 特点 数字光纤通信系统 传输信号：数字；抗干扰；可中继 模拟光纤通信系统 传输信号；模拟；短距离；成本低 (4) 按光调制的方式划分 类别 特点 强度调制直接检测系统 简单、经济、但通信容量受到限制 外差光纤通信系统 技术难度大，传输容量大 （5）其它 类别 特点 相干光纤通信系统 光接收灵敏度高；光频率选择性好；设备复杂 光波分复用通信系统 一根光纤中传送多个单/双向波长；超大容量，经济效益好 光时分复用通信系统 可实现超高速传输；技术先进 全光通信系统 传送过程无光电变换；具有光交换功能；通信质量高 副截波复用光纤通信系统 数模混传；频带宽，成本低；对光源线性度要求高 光孤子通信系统 传输速率高，中继距离长；设计复杂 量子光通信系统 量子信息论在光通信中的应用