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1、第八章第八章光纤通信系统光纤通信系统 教学重点教学重点1数字光纤通信系统的组成和各部分的原理数字光纤通信系统的组成和各部分的原理;2波分复用（波分复用（WDM）工作原理）工作原理;3光光纤纤通通信信的的优优点点和和应应用用，光光纤纤的的结结构构和和分分类类，光光纤纤的连接技术。的连接技术。掌握波分复用（掌握波分复用（WDM）原理。）原理。序号序号 内内 容容学时学时18.1概述概述228.2光纤和光缆光纤和光缆238.3光纤通信终端设备光纤通信终端设备24 习题和小结习题和小结 5 本章讲授学时本章讲授学时6学时分配学时分配教学难点教学难点第八章第八章 光纤通信系统光纤通信系统 8.18.1概
2、述概述8.28.2光纤和光缆光纤和光缆8.38.3光纤通信终端设备光纤通信终端设备本章小结本章小结8.18.1概述概述一、光纤通信的特点和发展趋势一、光纤通信的特点和发展趋势二、光纤通信系统的组成二、光纤通信系统的组成 从从1970年年美美国国康康宁宁公公司司研研制制出出损损耗耗为为20dB/km的的光光纤纤开开始始，光光纤纤通通信信的的历历史史也也才才只只有有30多多年年的的时时间间，它它所所以以能能够够得得到飞速的发展应用，与电通信相比，它有如下的突出优点：到飞速的发展应用，与电通信相比，它有如下的突出优点：一、光纤通信的特点和发展趋势一、光纤通信的特点和发展趋势 光光纤纤通通信信是是以以
3、光光波波为为载载频频，以以光光导导纤纤维维为为传传输输介介质质的的一一种种通通信信方方式式。用用光光代代替替电电进进行行通通信信不不仅仅是是传传输输手手段段和和形形式式上上的的变变化化，而而是是电电信信史史上上一一场场深深刻刻的的革革命命。它它不不仅仅为为电电信信网网提提供供了了几几乎乎无无限限的的带带宽宽资资源源，而而且且触触发发了了一一系系列列观观念念上上的的重重大大转转变变。尽尽管管光光纤纤通通信信已已经经为为世世界界电电信信的的面面貌貌带带来来了了巨巨大大的的变变化化，但但仅仅是是拉拉开开了了一一个个序序幕幕，它它将将对对未未来来世世界界产产生生更更加加深深刻刻而长远的影响。而长远的影
4、响。1传输频带宽、通信容量大传输频带宽、通信容量大 我我们们知知道道，载载波波频频率率越越高高通通信信容容量量越越大大。目目前前使使用用的的光光波波频频率率比比微微波波频频率率高高103104倍倍，所所以以通通信信容容量量约约可可增增加加103104倍。倍。2损耗低损耗低 目目前前实实用用的的光光纤纤均均为为SiO2（石石英英）系系光光纤纤，要要减减小小光光纤纤损损耗耗，主主要要是是靠靠提提高高玻玻璃璃纤纤维维的的纯纯度度来来达达到到，由由于于目目前前制制成成的的SiO2玻玻璃璃介介质质的的纯纯度度极极高高，所所以以光光纤纤的的损损耗耗极极低低。在在光光波波长长1.55m附附近近，衰衰减减有有
5、最最低低点点，可可低低至至0.2dB/km，已已接接近理论极限值。近理论极限值。由由于于光光纤纤的的损损耗耗低低，因因此此，中中继继距距离离可可以以很很长长，在在通通信信线线路路中中可可减减少少中中继继站站的的数数量量，降降低低成成本本并并且且提提高高了了通通信信质质量量。例例如如：对对于于400Mb/s速速率率的的光光纤纤通通信信，可可以以实实现现100km以以上上的的无无中中继继传传输输，而而同同样样速速率率的的电电缆缆传传输输，无无中中继继传传输输仅仅为为1.6km左右。左右。3不受电磁干扰不受电磁干扰 因因为为光光纤纤是是非非金金属属的的介介质质材材料料，因因此此，它它不不受受电电磁磁
6、干干扰扰。电缆通信中的干扰、串话现象在光纤通信中不复存在。电缆通信中的干扰、串话现象在光纤通信中不复存在。4线径细、重量轻线径细、重量轻 由由于于光光纤纤的的直直径径很很小小，只只有有0.1mm左左右右，因因此此制制成成光光缆缆后后，直直径径要要比比电电缆缆细细，而而且且重重量量也也轻轻。这这样样在在长长途途干干线线或或市市干线上，空间利用率高，而且便于制造多芯光缆。干线上，空间利用率高，而且便于制造多芯光缆。光光纤纤通通信信除除上上述述主主要要优优点点之之外外，还还有有抗抗化化学学腐腐蚀蚀等等特特点点。当当然然，光光纤纤本本身身也也有有缺缺点点，如如光光纤纤质质地地脆脆、机机械械强强度度低低
7、；要要求求比比较较好好的的切切断断、连连接接技技术术；分分路路、耦耦合合比比较较麻麻烦烦等等。但但随随着技术的不断发展，这些问题都是可以克服的。着技术的不断发展，这些问题都是可以克服的。光光纤纤通通信信的的出出现现和和发发展展已已经经深深刻刻地地改改变变了了电电信信网网的的面面貌貌，然然而而从从整整体体看看，光光纤纤通通信信的的巨巨大大潜潜力力尚尚未未开开发发，光光纤纤通通信信技技术术仍仍处处于于方方兴兴未未艾艾的的发发展展阶阶段段，各各种种新新技技术术、新新器器件件和和新新构构思思仍仍在在不不断断涌涌现现。目目前前在在中中国国沿沿海海地地区区城城市市兴兴起起的的“数数字字城城市市”、“信信息
8、息化化城城市市”的的基基本本核核心心就就是是光光纤纤到到户户，建建立立宽宽带带业业务务通通信信网网。可可以以设设想想，当当每每个个家家庭庭都都有有一一对对光光纤纤与与电电信信网网相相连连时时，电电信信网网为为用用户户提提供供的的服服务务将将不不仅仅仅仅是是一一路路电电话话，也也不不仅仅仅仅是是数数据据和和传传真真业业务务，而而是是带带宽宽扩扩展展几几万万倍倍的的巨巨大大信信息息资源。资源。二、光纤通信系统的组成二、光纤通信系统的组成 光光纤纤通通信信属属于于有有线线通通信信的的范范畴畴，它它仍仍然然分分成成数数字字光光纤纤通通信信和和模拟光纤通信模拟光纤通信两类。两类。数数字字光光纤纤通通信信
9、系系统统一一般般是是指指以以传传送送数数字字话话音音为为主主的的光光纤纤通通信信系系统统，它它主主要要由由PCM终终端端设设备备、数数字字复复用用设设备备、光光端机端机、光缆光缆和和光中继设备光中继设备组成，如图组成，如图8.1所示。所示。话话音音的的数数字字比比特特率率规规定定为为64kbit/s。PCM终终端端设设备备都都带带有有复复接接功功能能，其其输输出出口口的的数数字字比比特特率率为为2048kbit/s，即即包包含含30路路话话音音信信号号。PCM终终端端设设备备采采用用时时分分复复用用的的方方法法将将各各路路话话音音信信号号一一一一排排序序，在在2048kb/s的的数数字字码码流
10、流中中包包含含了了帧帧定定位位信信号号、30路路话话音音以以及及它它们们的的信信令令信信号号三三部部分分信信息息。数数字字复复用用设设备备把把基基群群或或低低次次群群的的数数字字信信号号复复接接成成高高次次群群的的数数字字信信号号，同同时包括了它的逆过程。时包括了它的逆过程。图图8.1数字光纤通信系统数字光纤通信系统光光端端机机的的主主要要任任务务是是实实现现电电光光变变换换和和光光电电变变换换。用用于于光光电电变变换换的的主主要要器器件件是是LED电电光光二二极极管管和和LD激激光光二二极极管管；光光电电变变换换的的主主要要器器件件为为PIN光光电电二二极极管管和和APD雪雪崩崩光光电电二二
11、极极管管。在在对对光光进进行行直直接接强强度度调调制制的的光光纤纤通通信信系系统统里里，除除了了这这些些光光电电子子器器件件外外，还还必必须须有有驱驱动动电电路路、自自动动功功率率控控制制电电路路（APC）、自自动动温温度度控控制制电电路路（ATC）、自自动动增增益益控控制制电电路路（AGC）、放放大大电电路路、偏偏置置控控制制电电路路、均均衡衡电电路路、判决电路和其它保护电路等。判决电路和其它保护电路等。在在数数字字光光纤纤通通信信系系统统里里，被被传传输输的的光光信信号号必必须须克克服服长长连连“0”或或长长连连“1”带带来来的的问问题题，因因为为这这时时，接接收收机机从从输输入入信信号号
12、码码中中提提取取定定时时信信息息会会变变得得困困难难。因因此此，在在光光端端机机内内必须设置码型变换电路，以便将适宜于必须设置码型变换电路，以便将适宜于在在电电缆缆上上传传输输的的数数字字信信号号或或者者是是适适宜宜在在电电路路内内部部处处理理的的数数字字信信号号变变成成适适宜宜在在光光纤纤上上传传输输的的数数字字信信号号，在在接收端，则需做相应的逆变换。接收端，则需做相应的逆变换。光光中中继继器器则则较较为为简简单单，它它只只实实现现来来自自两两个个方方向向的的光光电电变变换换和和电电光光变变换换。目目前前已已有有直直接接对对光光进进行行放放大大的的器器件件（掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器），
13、实实现现整整个个系系统统的的光光传传输输。在在长长距距离离光光纤纤通通信信系系统统中中，必必须须每每隔隔一一个个中中继继段段设设置置一一个个中中继继器器，适适时时地地将将信号检测后重新整形判决。信号检测后重新整形判决。光光纤纤是是信信息息传传输输的的媒媒介介，目目前前一一般般采采用用1.3m的的长长波波长长单单模光纤，组成光缆的光纤芯线一般在模光纤，组成光缆的光纤芯线一般在8芯到芯到48芯之间。芯之间。二、光纤的损耗二、光纤的损耗 一、结构与分类一、结构与分类 8.28.2光纤和光缆光纤和光缆 三、光纤的连接三、光纤的连接 光光缆缆由由多多根根光光纤纤芯芯组组成成，每每条条光光纤纤由由纤纤心心
14、和和包包层层组组成成。纤纤芯芯所所采采用用的的材材料料为为石石英英（SiO2），衰衰减减量量为为0.26dB/km，它的结构如图，它的结构如图8.2所示。所示。一、结构与分类一、结构与分类 1光缆和光纤的结构光缆和光纤的结构图图8.2光纤光纤和光和光缆缆 光光纤纤包包层层的的直直径径为为125m，纤纤芯芯的的直直径径根根据据用用途途不不同同在在10m（单单模模光光纤纤，高高速速长长距距离离通通信信用用）50m（多多模模光光纤纤，区区内内通通信信、设设备备间间通通信信用用）。光光纤纤对对拉拉力力的的承承受受能能力力强强。不不容容易易折折断断，但但在在弯弯折折时时容容易易折折断断，所所以以在在外外
15、面面包包了了两两层层保保护层。护层。第第一一层层的的外外径径为为400m，采采用用紫紫外外线线硬硬化化树树脂脂材材料料，外外层层用用尼尼龙龙包包裹裹构构成成第第二二层层，外外径径为为900m，为为了了便便于于识识别别，将将尼尼龙龙着着上上颜颜色色。包包有有两两层层保保护护层层的的光光纤纤称称为为芯芯线线。芯芯线线由由一一条条或或多多条条基基准准线线整整齐齐地地排排列列成成带带状状结结构构，将将芯芯线线或或者者带带状状芯芯线线放放在在聚聚乙乙烯烯上上切切开开的的空空槽槽中中，并并在在外外边边包包上上坚坚固固的的外外皮皮称称为为光光缆缆。在在聚聚乙乙烯烯的的中中心心部部分分使使用用了了类类似似钢钢
16、琴琴线线一一样样的的加加强强构构件件，防防止止光光缆缆被被拉拉伸伸。外外皮皮是是根根据据用用于于陆陆地地或或海海底底的的需需要要采采用用了了不不同同的的材材料料，所所以以外外径径也也有有所所不不同。同。2光纤的分类光纤的分类 光光纤纤的的分分类类方方法法很很多多，对对于于目目前前通通信信上上用用的的石石英英系系列列光光纤，常从以下两个方面来分类：纤，常从以下两个方面来分类：(1)按按照照光光纤纤导导光光的的折折射射率率不不同同分分成成阶阶跃跃光光纤纤和和渐渐变变光光纤两类。这两种导光折射率变化如图纤两类。这两种导光折射率变化如图8.3(a)、(b)所示。所示。图图8.3光纤的传输模式光纤的传输
17、模式 阶阶跃跃光光纤纤纤纤芯芯和和包包层层导导光光的的折折射射率率是是突突变变分分布布的的形形式式，这这种种光光纤纤带带宽宽较较窄窄，适适合合小小容容量量短短距距离离通通信信。渐渐变变光光纤纤的的纤纤芯芯导导光光的的折折射射率率分分布布近近似似抛抛物物线线型型，此此类类光光纤纤频频带带较较宽宽，适适合于中容量、中距离通信。合于中容量、中距离通信。（2）按按照照传传输输光光波波的的模模式式不不同同，又又可可分分成成单单模模光光纤纤和和多多模光纤，如图模光纤，如图8.3所示。所示。图图8.3光纤的传输模式光纤的传输模式 所所谓谓模模式式，实实质质上上是是电电磁磁场场的的一一种种分分布布形形式式。模
18、模式式不不同，其电磁场的分布形式不同。同，其电磁场的分布形式不同。单单模模光光纤纤（SM）单单模模光光纤纤的的纤纤芯芯直直径径很很小小，约约为为410m，理理论论上上只只传传输输一一种种模模式式。由由于于单单模模光光纤纤只只传传输输主主模模，从从而而完完全全避避免免了了模模式式色色散散，使使得得这这种种光光纤纤的的传传输输频频带带很很宽宽，传传输输容容量量很很大大，适适用用于于大大容容量量、长长距距离离的的光光纤纤通通信信。单单模模光光纤纤是是当当前前研研究究和和应应用用的的重重点点，也也是是光光纤纤通通信信与与光光波波技技术术发发展展的必然趋势。的必然趋势。多多模模光光纤纤（MM）在在一一定
19、定的的工工作作波波长长下下，当当有有多多个个模模式式在在光光纤纤中中传传输输时时，称称这这种种光光纤纤为为多多模模光光纤纤。多多模模光光纤纤的的纤纤芯芯直直径径一一般般为为5075m，包包层层直直径径为为100200m。这这种种光光纤纤的的传传输输性性能能较较差差，带带宽宽比比较较窄窄，传传输输容容量量也也比比较小。渐变型多模光纤的带较小。渐变型多模光纤的带宽宽虽虽然然比比不不上上单单模模光光纤纤，但但它它的的芯芯线线直直径径大大，对对接接头头和和活活动动联联接接器器的的要要求求不不高高，使使用用起起来来比比单单模模光光纤纤方方便便，所所以在局域网中大量使用。以在局域网中大量使用。二、光纤的损
20、耗二、光纤的损耗 光光在在光光纤纤中中传传输输会会有有损损耗耗，这这个个损损耗耗包包括括两两个个方方面面。一一是是因因材材料料、结结构构引引起起光光的的吸吸收收和和散散射射造造成成的的损损耗耗；二二是是组组成成系统时产生的损耗，例如插接件连接损耗、接头弯曲损耗等。系统时产生的损耗，例如插接件连接损耗、接头弯曲损耗等。1光纤的损耗特性光纤的损耗特性 光光波波在在光光纤纤中中传传输输，随随着着传传输输距距离离的的增增加加，光光功功率率逐逐渐渐下下降降，这这就就是是光光纤纤的的传传输输损损耗耗。光光纤纤每每单单位位长长度度的的损损耗耗，直直接接关关系系到到光光纤纤通通信信系系统统传传输输距距离离的的
21、长长短短。形形成成光光纤纤损损耗耗的的原原因因很很多多，有有来来自自光光纤纤本本身身的的损损耗耗，也也有有光光纤纤与与光光源源的的耦合损耗以及光纤之间的连接损耗。耦合损耗以及光纤之间的连接损耗。光纤本身损耗的原因主要有光纤本身损耗的原因主要有吸收损耗吸收损耗和和散射损耗散射损耗两类。两类。造造成成吸吸收收损损耗耗的的原原因因很很多多，但但都都与与光光纤纤材材料料有有关关。对对于于超高纯度的石英光纤来说，在超高纯度的石英光纤来说，在1.55m附近，有损耗的最低点。附近，有损耗的最低点。(1)吸吸收收损损耗耗是是光光波波通通过过光光纤纤的的材材料料时时，有有一一部部分分能能量量变成热能，从而造成光
22、功率的损失。变成热能，从而造成光功率的损失。(2)散散射射损损耗耗是是由由于于光光纤纤的的材材料料、形形状状、折折射射率率分分布布等等的的缺缺陷陷或或不不均均匀匀，使使光光纤纤中中传传导导的的光光发发生生散散射射，由由此此产产生生的损耗为散射损耗。的损耗为散射损耗。综合以上两种损耗发现，在综合以上两种损耗发现，在0.80.9m波段内，损耗约波段内，损耗约为为2dB/km左右；在左右；在1.31m损耗为损耗为0.5dB/km，而在，而在1.55m处，处，损耗可降至损耗可降至0.2dB/km，这已接近了，这已接近了SiO2光纤的理论极限值。光纤的理论极限值。2组成系统时产生的损耗组成系统时产生的损
23、耗 在在光光发发射射机机和和光光接接收收机机之之间间用用光光纤纤连连接接时时，通通常常有有插插接件连接接件连接和和光纤熔接连接光纤熔接连接两种方式。两种方式。光光插插接接件件是是用用精精度度高高的的机机械械结结构构使使光光纤纤纤纤芯芯紧紧密密接接触触，接接触触得得越越紧紧，则则插插接接件件损损失失越越小小。单单模模光光纤纤使使用用光光插插接接件件时时，连连接接损损耗耗可可以以在在0.5dB以以下下，但但在在实实际际中中会会因因插插接接件件端端面面不不干干净净，或或有有损损伤伤而而使使损损耗耗大大大大增增加加。所所以以使使用用时时应应注注意清洁光插接件的表面，不使用时应用罩子套上光插接件。意清洁
24、光插接件的表面，不使用时应用罩子套上光插接件。光光纤纤熔熔接接连连接接是是将将光光纤纤的的纤纤芯芯对对齐齐后后用用电电弧弧将将纤纤芯芯熔熔化化接接在在一一起起，接接头头损损耗耗对对单单模模光光纤纤来来说说可可以以做做到到0.1dB以以下下。施施工工时时应应注注意意，不不要要让让光光纤纤过过度度弯弯曲曲，否否则则光光纤纤的的损损耗耗会会大大大增加。大增加。三、光纤的连接三、光纤的连接 光光纤纤有有两两种种连连接接，一一种种是是永永久久性性连连接接，类类似似于于电电线线电电缆缆中中的的焊焊接接；另另一一种种是是活活动动连连接接，类类似似于于交交流流电电源源插插头头和和插插座座的连接。光纤的连接应满
25、足如下要求：的连接。光纤的连接应满足如下要求：连连接接损损耗耗要要小小。接接头头的的插插入入损损耗耗大大小小直直接接影影响响光光纤纤系统的无中继距离，一般要求连接损耗要小于系统的无中继距离，一般要求连接损耗要小于0.3dB。连连接接点点要要有有一一定定的的机机械械强强度度，保保证证连连接接可可靠靠，并并能能承受一定的拉力。承受一定的拉力。操操作作应应简简便便，以以便便在在条条件件较较差差的的施施工工现现场场快快捷捷地地完完成连接。成连接。图图8.4光纤连接不当的原因光纤连接不当的原因 图图8.4示示出出了了由由于于光光纤纤连连接接不不当当而而造造成成损损耗耗增增加加的的情情况况。光光纤纤端端面
26、面之之间间有有空空隙隙造造成成折折射射，见见图图8.4（a）；光光纤纤端端面面之之间间的的角角偏偏差差见见图图8.4（b）；接接驳驳的的两两条条芯芯线线的的直直径径不不等等，见见图图8.4（c）；两两根根光光纤纤的的轴轴线线不不重重合合，见见图图8.4（d）；以以及及端面不平整或受到污染等。端面不平整或受到污染等。1活动光纤连接器活动光纤连接器 图图8.5（a）示示出出了了单单芯芯、双双芯芯、装装卸卸式式四四连连活活动动光光纤纤器器结结构构图图。这这些些连连接接器器可可以以进进行行平平均均损损耗耗为为0.1dB的的单单模模光光纤连接。纤连接。图图8.5连连接接技技术术(光光连连接接器器、熔熔接
27、接)活动光纤连接器通常由下述三部分组成：活动光纤连接器通常由下述三部分组成：光纤端接元件：保护和定位光纤端面；光纤端接元件：保护和定位光纤端面；对准规：定位光纤端接元件对，使其耦合最佳；对准规：定位光纤端接元件对，使其耦合最佳；连连接接器器外外壳壳：保保护护光光学学接接触触元元件件不不受受环环境境的的影影响响，将将对对准准规规和和光光纤纤端端接接元元件件固固定定在在相相应应位位置置，并并端端接接光光缆缆护护套套和和应变元件。应变元件。2 2光纤的连接方法光纤的连接方法下面介绍几种光纤的连接方法。下面介绍几种光纤的连接方法。这这种种方方法法需需用用一一根根具具有有比比被被接接光光纤纤的的软软化化
28、点点温温度度低低的的玻玻璃璃套套管管，其其内内孔孔径径略略大大于于光光纤纤芯芯的的外外径径。当当将将玻玻璃璃管管加加热热到到它它的的软软化化点点时时，表表面面张张力力产产生生作作用用，使使它它可可以以缩缩成成一一根根实实心心棒棒。连连接接过过程程如如下下：将将一一根根裸裸光光纤纤的的一一端端插插入入套套管管中中；对对玻玻璃璃棒棒的的中中心心部部分分加加热热，使使其其塌塌陷陷，卡卡住住这这根根光光纤纤的的一一端端，形形成成一一个个精精密密适适配配的的管管座座；将将第第二二条条光光纤纤插插入入管管中中和和光光黏黏合合剂剂结结合合固固定定在在合合适适的的位位置置上上，并并使使光光纤纤端端面面间间指数
29、匹配。指数匹配。(1)坍陷套管连接法坍陷套管连接法 V型型槽槽拼拼接接头头主主要要部部分分有有V型型槽槽、压压条条和和套套管管三三部部分分。裸裸光光纤纤的的两两头头紧紧密密接接触触，一一起起被被压压入入V型型槽槽中中，再再由由套套管管将将V型型槽和压条一起套住。槽和压条一起套住。(2)V型槽拼接法型槽拼接法 电电弧弧熔熔接接法法是是将将两两个个端端头头的的芯芯线线紧紧密密接接触触，然然后后用用高高压压电电弧弧对对其其加加热热，使使两两端端头头表表面面熔熔化化而而连连接接。如如图图8.5（b）照照片片所所示示。照照片片的的上上下下所所看看到到的的端端子子是是电电弧弧用用电电极极端端子子，由由电电
30、弧弧的的放放电电能能量量进进行行熔熔接接。市市售售的的光光纤纤熔熔接接机机都都是是采采用用电电弧弧熔熔接法，这种连接方法广泛用于现场施工中。接法，这种连接方法广泛用于现场施工中。(3)电弧熔解法电弧熔解法8.38.3光纤通信终端设备光纤通信终端设备 一、光发射机一、光发射机 三、波分复用技术三、波分复用技术(WDM)(WDM)二、光接收机二、光接收机 四、光中继器四、光中继器 一、光发射机一、光发射机光光纤纤通通信信系系统统由由光光发发射射机机、光光中中继继器器和和光光接接收收机机组组成成。本本节节主主要要介介绍绍构构成成光光纤纤通通信信终终端端的的光光发发射射机机和和光光接接收收机机。同时介
31、绍光中继器和波分复用的一些基本概念。同时介绍光中继器和波分复用的一些基本概念。在在光光纤纤通通信信系系统统中中，光光发发射射机机的的作作用用是是把把从从PCM多多路路复复用用设设备备送送来来的的电电信信号号，转转变变为为光光信信号号，送送入入光光纤纤线线路路进进行传输。行传输。1对光发射机的要求对光发射机的要求(1)合适的输出光功率合适的输出光功率 光发射机的输出光功率，通常是指耦合进光纤的功光发射机的输出光功率，通常是指耦合进光纤的功率，亦称入纤光功率。入纤功率越大，可通信的距离就率，亦称入纤光功率。入纤功率越大，可通信的距离就越长。但光功率太大也会使系统工作在非线性状态，对越长。但光功率太
32、大也会使系统工作在非线性状态，对通信产生不良影响。因此，要求光源应有合适的光功率通信产生不良影响。因此，要求光源应有合适的光功率输出，一般在输出，一般在0.015mW之间。同时还要求输出光功率之间。同时还要求输出光功率保持恒定，在环境温度变化或器件老化的过程中，稳定保持恒定，在环境温度变化或器件老化的过程中，稳定度要求在度要求在510之间。之间。(2)较好的消光比较好的消光比Ext消光比的定义为：消光比的定义为：Ext全全“”码码的的平平均均光光功功率率P0全全“1”码码的的平平均均光光功功率率P1 (8.1)一一个个被被调调制制的的好好光光源源，应应该该在在“0”码码时时没没有有光光功功率率
33、输输出出，否否则则它它将将使使光光纤纤系系统统产产生生噪噪声声，从从而而使使接接收收机机灵灵敏敏度度降降低低。要求消光比越小越好，一般要求要求消光比越小越好，一般要求Ext10。(3)调制特性好调制特性好 所所谓谓调调制制特特性性好好，即即要要求求调调制制效效率率和和调调制制频频率率要要高高，以以满满足足大大容容量量、高高速速率率光光纤纤通通信信系系统统的的需需要要。目目前前，半半导导体体激激光光器器可可以以实实现现的的最最高高调调制制频频率率为为10GHz。实实际际上上已已有有调制速率达调制速率达20Gb/s的报道。的报道。除除此此之之外外，还还要要求求电电路路尽尽量量简简单单、成成本本低低
34、、光光源源寿寿命命长长等。等。2光发射机组成框图光发射机组成框图 光光发发射射机机组组成成框框图图如如图图8.6所所示示，它它由由光光源源、光光源源驱驱动动与与控控制制电电路路、信信道道编编码码电电路路三三部部分分组组成成。可可见见除除了了光光源源和和光光源源驱驱动动电电路路外外，信信道道编编码码电电路路与与普普通通数数字字通通信信机机发发送送电电路路基基本本相同。相同。图图8.6光发光发射机射机组成组成框图框图 (1)光源光源 光光发发送送部部分分的的核核心心是是产产生生激激光光或或荧荧光光的的光光源源，它它是是组组成成光光纤纤通通信信系系统统的的重重要要器器件件。目目前前，用用于于光光纤纤
35、通通信信的的光光源源，有有半半导导体体激激光光器器（LD）和和半半导导体体发发光光二二极极管管（LED），均均属属于于半半导体器件。它们的共同特点是体积小、重量轻、耗电量小。导体器件。它们的共同特点是体积小、重量轻、耗电量小。LD和和LED相相比比，其其主主要要区区别别表表现现在在于于，前前者者发发出出的的是是激激光光，后后者者发发出出的的是是荧荧光光。因因此此，LED的的谱谱线线宽宽度度较较宽宽，调调制制速速率率较较低低；与与光光纤纤的的耦耦合合效效率率也也较较低低；但但是是，LED也也有有许许多多优优点点：它它的的输输出出特特性性曲曲线线线线性性较较好好，使使用用寿寿命命长长，成成本本低低
36、，适适用用于于短短距距离离、小小容容量量的的传传输输系系统统。而而LD一一般般适适用用于于长长距距离离、大容量的传输系统。大容量的传输系统。(2)信道编码电路信道编码电路信信道道编编码码电电路路对对基基带带信信号号的的波波型型和和码码型型进进行行变变换换，使使其其适合在光纤中传输。适合在光纤中传输。均均衡衡器器由由PCM端端机机送送来来的的HDB3或或CMI码码流流，首首先先需需要要均均衡衡，用用于于补补偿偿由由电电缆缆传传输输产产生生的的衰衰减减和和畸畸变变，以以便便正正确译码。确译码。码码型型变变换换由由均均衡衡器器输输出出的的HDB3或或CMI码码，在在数数字字电电路路中中为为了了处处理
37、理方方便便，需需要要通通过过码码型型变变换换电电路路，将将其其变变换换为为非归零码（即非归零码（即NRZ码）。码）。扰扰码码若若信信码码流流中中出出现现长长连连“0”或或长长连连“1”的的情情况况，将将会会给给时时钟钟信信号号的的提提取取带带来来困困难难；为为了了避避免免出出现现这这种种情情况况，加加一一扰扰码码电电路路，它它可可有有规规律律地地破破坏坏长长连连“0”和和连连“1”的的码码流流，达达到到0、1等等概概率率出出现现。经经扰扰码码以以后后的的信信号号再再进进行行线线路路编编码。码。时时钟钟提提取取由由于于码码型型变变换换和和时时钟钟提提取取过过程程都都需需要要以以时时钟钟信信号号作
38、作为为依依据据，因因此此，在在均均衡衡电电路路之之后后，由由时时钟钟提提取取电路提取时钟信号，供码型变换和扰码电路使用。电路提取时钟信号，供码型变换和扰码电路使用。编编码码如如上上所所述述，经经过过扰扰码码以以后后的的码码流流，尽尽量量使使得得1、0的的个个数数均均等等，便便于于接接收收端端提提取取时时钟钟信信号号。另另外外，为为了了便便于于不不间间断断业业务务的的误误码码监监测测、区区间间通通信信联联络络、监监控控及及克克服服直流分量的波动，在实际的光纤通信系直流分量的波动，在实际的光纤通信系统统中中，都都对对经经过过扰扰码码以以后后的的信信码码流流重重新新进进行行编编码码，以以满满足足上上
39、述述要要求求。经经过过编编码码以以后后，变变为为适适合合光光纤纤线线路路传传送送的的线线路路码码型。型。(3)光源驱动与控制电路光源驱动与控制电路 光光源源驱驱动动电电路路它它用用已已编编码码的的数数字字信信号号来来调调制制发发光光器器件的发光强度，完成电件的发光强度，完成电/光变换任务。光变换任务。APC（自自动动光光输输出出功功率率控控制制电电路路）它它有有三三个个作作用用，一一是是使使光光输输出出信信号号电电平平保保持持稳稳定定；二二是是防防止止光光源源因因电电流流过过大大而而损损坏坏；三三是是防防止止输输出出功功率率过过大大，致致使使光光源源的的输输出出噪噪声声增增加加，系统的性能变差
40、。系统的性能变差。ATC（自自动动温温度度控控制制电电路路）对对激激光光二二极极管管而而言言，结结温温高高的的时时候候光光输输出出功功率率会会下下降降，在在APC的的作作用用下下控控制制电电流流就就会会自自动动增增加加，使使结结温温进进一一步步升升高高，造造成成恶恶性性循循环环而而导导致致激激光光二极管损坏。二极管损坏。ATC电路能对温度进行自动控制。电路能对温度进行自动控制。光光监监测测电电路路用用于于监监测测激激光光器器发发出出的的功功率率，经经放放大大器器放放大大后后控控制制激激光光器器的的偏偏置置电电流流，使使其其输输出出的的平平均均功功率率保保持恒定。持恒定。二、光接收机二、光接收机
41、 光光接接收收机机的的任任务务是是将将光光纤纤传传输输后后的的光光信信号号，还还原原成成电电的的数数字字信信号号。对对光光接接收收机机的的要要求求主主要要有有接接收收机机灵灵敏敏度度、动动态范围和频率响应。态范围和频率响应。1主要技术指标主要技术指标 (1)光接收机灵敏度光接收机灵敏度 光光接接收收机机灵灵敏敏度度是是接接收收机机被被调调整整到到最最佳佳状状态态时时，在在满满足足给给定定的的误误码码率率指指标标条条件件下下，接接收收机机接接收收微微弱弱信信号号的的能能力力。通通常常用用最最低低平平均均光光功功率率 Pmin 来来描描述述。光光接接收收机机灵灵敏敏度度中中的的光功率采用相对值，工
42、程上常用光功率采用相对值，工程上常用 dBm 来表示，即来表示，即Sr10lg（Pmin/103）(8.2)式式中中Pmin为为在在满满足足给给定定的的误误码码率率指指标标条条件件下下最最低低接接收收光光功功率率；103指指1mW光光功功率率。如如果果一一部部光光接接收收机机，在在满满足足给给定定的的误误码码率率指指标标下下所所需需的的平平均均光光功功率率低低，说说明明这这部部光光接接收收机机在微弱的输入光条件下，就能正常工作。在微弱的输入光条件下，就能正常工作。目目前前，140Mbit/s光光端端机机的的接接收收灵灵敏敏度度，在在保保证证系系统统误误码码指指标标为为1011条条件件下下，我我
43、国国邮邮电电部部的的技技术术指指标标为为3640dBm。(2)接收机的动态范围接收机的动态范围 光光接接收收机机的的动动态态范范围围D，是是在在保保证证系系统统的的误误码码率率指指标标要要求求下下，接接收收机机的的最最低低光光功功率率和和最最大大允允许许光光功功率率之之比比，单单位位为为dB，即，即D10lg（Pmax/Pmin）(8.3)光光接接收收机机要要求求有有一一个个动动态态范范围围，是是因因为为当当环环境境温温度度变变化化时时，光光纤纤的的损损耗耗将将产产生生变变化化；随随着着时时间间的的增增长长，光光源源输输出出光光功功率率亦亦将将变变化化。这这样样，原原来来按按标标准准化化设设计
44、计的的光光接接收收机机便便可可能能失失效效。因因此此，要要求求光光接接收收机机有有一一个个动动态态范范围围，低低于于这这个个动动态态范范围围的的下下限限（即即灵灵敏敏度度），将将会会产产生生过过大大的的误误码码；高高于于这这个个动动态态范范围围的的上上限限，在在判判决决时时亦亦造造成成过过大大的的误误码码。显然，一台质量好的接收机应有较宽的动态范围。显然，一台质量好的接收机应有较宽的动态范围。目目前前，140Mbit/s光光接接收收机机的的动动态态范范围围，我我国国邮邮电电部部的的技术指标为技术指标为12dB。2光接收机组成框图光接收机组成框图 光光接接收收机机组组成成框框图图如如图图8.7所
45、所示示，它它由由光光电电检检测测器器、光光信信号号接接收收电电路路、信信道道解解码码电电路路三三部部分分组组成成。除除了了光光电电检检测测器器、光光信信号号接接收收电电路路外外，信信道道解解码码电电路路部部分分与与数数字字通通信信机机的接收电路基本相同。的接收电路基本相同。图图8.7光光接接收收机机组组成成框图框图 光光电电检检测测器器的的作作用用，是是利利用用光光电电二二极极管管将将光光信信号号转转变变为为电电信信号号。目目前前在在光光纤纤通通信信中中广广泛泛使使用用的的光光电电检检波波管管是是半半导导体体光光电电二二极极管管，它它具具有有尺尺寸寸小小、灵灵敏敏度度高高、响响应应速速度度快快
46、以以及及工工作作寿寿命命长长等等优优点点。光光电电检检测测器器件件一一般般有有光光电电二二极极管管（PIN）和和雪雪崩崩二二极极管管（APD）。与与PIN相相比比较较，APD是是一一种种具具有有增增益的光电检测器，响应度较高，效果较好。益的光电检测器，响应度较高，效果较好。(1)光电检测器光电检测器 在在0.85m波波段段，目目前前主主要要是是用用硅硅半半导导体体材材料料做做光光电电二二极极管，而在管，而在1.35m波段是用锗半导体材料做光电二极管。波段是用锗半导体材料做光电二极管。(2)光信号接收电路光信号接收电路光信号接收电路主要有以下三个作用：光信号接收电路主要有以下三个作用：低低噪噪声
47、声放放大大。由由于于从从光光电电检检测测器器出出来来的的电电信信号号非非常常微微弱弱，在在对对其其进进行行放放大大时时首首先先必必须须考考虑虑的的是是抑抑制制放放大大器器的的内内部部噪噪声声。我我们们知知道道，制制作作高高灵灵敏敏度度光光接接收收机机时时，必必须须使使热噪声最小，因此光接收电路首先应该是低噪声电路。热噪声最小，因此光接收电路首先应该是低噪声电路。给给光光电电二二极极管管提提供供稳稳定定的的反反向向偏偏压压。光光电电二二极极管管只只需需58V的的非非临临界界电电压压，雪雪崩崩二二极极管管一一般般情情况况下下要要求求偏偏压压为为100400V，需要反复调试。，需要反复调试。自自动动
48、增增益益控控制制。虽虽然然光光纤纤信信道道是是恒恒参参信信道道，但但仍仍有有可可能能因因为为系系统统内内的的光光电电器器件件性性能能变变化化、控控制制电电路路的的不不稳稳定定以以及及器器件件的的更更换换等等原原因因，使使光光接接收收电电路路所所接接收收到到的的信信号号电电平发生波动，因此光接收机必须有自动增益控制的功能。平发生波动，因此光接收机必须有自动增益控制的功能。(3)信道解码电路信道解码电路 信信道道解解码码电电路路是是与与发发端端的的信信道道编编码码电电路路完完全全对对应应的的电电路路，即即包包含含解解码码电电路路、解解扰扰电电路路和和码码型型反反变变换换电电路路。此此处处不再重复叙
49、述它的原理功能。不再重复叙述它的原理功能。三、波分复用技术三、波分复用技术(WDM)(WDM)由由于于光光纤纤具具有有很很宽宽的的带带宽宽，因因此此可可在在一一根根光光纤纤中中传传输输多多个个波波长长的的光光载载波波，这这就就是是波波分分复复用用。它它类类似似于于无无线线电电信信道道的的频分复用。采用这种技术可以扩大光纤通信的容量。频分复用。采用这种技术可以扩大光纤通信的容量。在在长长距距离离光光纤纤通通信信中中，波波分分复复用用具具有有很很好好的的经经济济性性。因因为为线线路路的的投投资资很很大大，占占总总投投资资的的7080，采采用用波波分分复复用用，成成倍倍地地增增加加光光纤纤线线路路的
50、的传传输输总总量量，提提高高了了线线路路的的利利用用率率。许许多多国国家家大大力力研研究究波波分分复复用用光光纤纤通通信信技技术术，且且已已研研制制出出实实用用的的波波分分复复用用系系统统。图图8.8所所示示的的方方框框图图就就是是在在一一根根光光纤纤上上单单向向传输传输N个光波波长的波分复用系统。个光波波长的波分复用系统。图图8.8单向传输的波分复用系统单向传输的波分复用系统这这N个个系系统统在在发发端端有有N台台光光发发射射机机（即即有有N个个不不同同波波长长的的光光源源）。这这N个个光光信信号号通通过过复复用用器器合合波波器器，将将来来自自N台台光光发发射射机机的的光光信信号号合合并并起