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1、光纤通信系统光纤通信系统第1页，本讲稿共42页2第第4章章 光纤通信系统光纤通信系统4.1 光纤通信概述光纤通信概述4.2 光纤与光缆光纤与光缆4.3 光纤通信系统光纤通信系统4.4 光纤通信新技术光纤通信新技术第2页，本讲稿共42页34.1 光纤通信概述光纤通信概述 光光纤纤通通信信是是以以光光波波作作为为载载体体，以以光光导导纤纤维维作作为为传传输输媒媒介介的的一一种种通通信信技技术术。光光纤纤通通信信以以其其宽宽带带、大大容容量量、低低损损耗耗、长长中中继继、抗抗电电磁磁干干扰扰、体体积积小小、重重量量轻轻、便便于于敷敷设设等等优优点点，成成为为当当代代长长途途通通信信最最主要手段。主要
2、手段。本本章章首首先先对对光光纤纤通通信信的的发发展展历历史史做做出出回回顾顾，然然后后对对光光纤纤通通信信的的特特点点进进行行说说明明，重重点点阐阐述述光光纤纤的的结结构构、分分类类、光光波波传传输输机机理理以以及及光光纤纤通通信信系系统统各各组组成成部部分分的的工工作作原原理理。最最后后，简简要要介介绍绍了了一一些些光光纤通信新技术。纤通信新技术。第3页，本讲稿共42页44.1.1 光纤通信发展简史光纤通信发展简史1960年，美国加州休斯实验室第一台固体红宝年，美国加州休斯实验室第一台固体红宝石激光器石激光器1961年，美国贝尔实验室氦年，美国贝尔实验室氦-氢气体激光器氢气体激光器1966
3、年，高锟提出带有包层材料的石英玻璃光年，高锟提出带有包层材料的石英玻璃光纤纤1970年，美国康宁玻璃公司首次制成了损耗仅年，美国康宁玻璃公司首次制成了损耗仅为为20dB/km的低损耗光纤的低损耗光纤1970年，美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光年，美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光器器第4页，本讲稿共42页5光纤通信发展简史（续）光纤通信发展简史（续）1974年，美国贝尔实验室制造出年，美国贝尔实验室制造出1dB/km损损耗的低损耗光纤。耗的低损耗光纤。至此制约光纤通信的两个关键问题，光源和传至此制约光纤通信的两个关键问题，光源和传输媒介问题完全得到解决。光纤通信的普及和推输媒介问题完全得到解决。
4、光纤通信的普及和推广获得了高速发展的基本条件。广获得了高速发展的基本条件。1977年美国芝加哥率先开通了第一条年美国芝加哥率先开通了第一条45Mb/s的商用光纤通信系统。的商用光纤通信系统。目前，国际国内长途通信传输网的光纤化比例目前，国际国内长途通信传输网的光纤化比例已经超过已经超过90%第5页，本讲稿共42页64.1.2 光纤通信的特点光纤通信的特点 传输损耗小，中继距离长：传输损耗小，中继距离长：1.55m波长附近波长附近约约0.2-0.3dB/km，中继跨度百公里。，中继跨度百公里。传输频带宽，通信容量大：单模光纤的潜在带传输频带宽，通信容量大：单模光纤的潜在带宽可达几十太赫兹（宽可达
5、几十太赫兹（1012Hz）抗电磁干扰，保密效果好抗电磁干扰，保密效果好 体积小、重量轻、便于运输和敷设体积小、重量轻、便于运输和敷设 原材料丰富、节约有色金属、有利于环保原材料丰富、节约有色金属、有利于环保 不足：光纤质地脆弱易断，敷设时的弯曲半径不足：光纤质地脆弱易断，敷设时的弯曲半径不宜太小不宜太小第6页，本讲稿共42页74.2 光纤与光缆光纤与光缆 光纤与光缆的结构、分类以及光纤的导光原理。光纤与光缆的结构、分类以及光纤的导光原理。第7页，本讲稿共42页84.2.1 光纤的结构与分类光纤的结构与分类 光纤是多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯、光纤是多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯、包层、涂覆层
6、，称为裸纤。包层外面涂覆一层包层、涂覆层，称为裸纤。包层外面涂覆一层硅酮树脂或聚氨基甲酸乙酯（硅酮树脂或聚氨基甲酸乙酯（30150m），），然后增加保护套加以保护。然后增加保护套加以保护。纤芯和包层是高纯度石英材料，包层折射率纤芯和包层是高纯度石英材料，包层折射率略低于纤芯，与纤芯一起形成光的全反射通道，略低于纤芯，与纤芯一起形成光的全反射通道，使光波的传输局限于纤芯内。使光波的传输局限于纤芯内。第8页，本讲稿共42页91.光纤的结构光纤的结构第9页，本讲稿共42页102.光纤的分类（表光纤的分类（表4.1）分分类类方法方法具体名称具体名称说说明明用途与特点用途与特点按照材料的成分按照材料的成
7、分全石英系列光全石英系列光纤纤以以SiO2为为主要材料主要材料长长途大容量通信。途大容量通信。损损耗小，耗小，传输传输距离距离长长，成本高，成本高多多组组分玻璃分玻璃纤维纤维多种材料多种材料组组合成分合成分短距离光信号短距离光信号传输传输、容易制造、价格便宜、容易制造、价格便宜塑料包塑料包层层石英芯光石英芯光纤纤线线芯是芯是SiO2材料，包材料，包层层是硅是硅树树脂脂全塑料光全塑料光纤纤纤纤芯芯和和包包层层均均由由塑塑料料制制成成挠挠曲性好、易加工、易耦合、成本很低、曲性好、易加工、易耦合、成本很低、传输传输距距离很短。多用于家离很短。多用于家电电、音响及短距、音响及短距图图像像传输传输按照折
8、射率的分布按照折射率的分布阶跃阶跃型光型光纤纤纤纤芯和包芯和包层层折射率均匀，但包折射率均匀，但包层层的折射率低于的折射率低于纤纤芯，交界芯，交界处产处产生生跃变跃变。带宽较带宽较窄，适于小容量短距离通信窄，适于小容量短距离通信渐变渐变型光型光纤纤从从纤纤芯到包芯到包层层的折射率呈抛物的折射率呈抛物线规线规律逐律逐渐变渐变小小带宽较宽带宽较宽，适于中容量中距离通信，适于中容量中距离通信按照按照传输传输模式模式单单模光模光纤纤仅仅允允许许与光与光纤轴纤轴平行的光波平行的光波传输传输，即只有一个基，即只有一个基膜膜传输传输宽带宽带、大容量、大容量、长长途通信途通信多模光多模光纤纤光波可以以多个特定
9、的角度射入光光波可以以多个特定的角度射入光纤纤的端面的端面传传播播多多为渐变为渐变型。型。渐变渐变型多模光型多模光纤纤主要用于局域网主要用于局域网按照工作波按照工作波长长短波短波长长光光纤纤0.80.9m长长波波长长光光纤纤1.01.7m超超长长波波长长光光纤纤2.0m以上以上按照按照ITU-T建建议议G.651渐变渐变多模光多模光纤纤工作波工作波长为长为1.31m和和1.55m，主要用于主要用于计计算机局域网或接入网。算机局域网或接入网。G.652标标准准单单模光模光纤纤是目前是目前应应用最广的光用最广的光纤纤当工作波当工作波长长在在1.3m时时，光，光纤纤色散很小，系色散很小，系统统的的传
10、输传输距离只受光距离只受光纤纤衰减所限制衰减所限制G.653色散位移色散位移单单模光模光纤纤在在1.55m处实现处实现最低最低损损耗与零色散波耗与零色散波长长一致。一致。用于超高速率、用于超高速率、单单信道、信道、长长中中继继距离通信。不利距离通信。不利于多信道的于多信道的WDM传输传输，易，易发发生四波混生四波混频导频导致信致信道道间发间发生串生串扰扰G.654最佳性能最佳性能单单模光模光纤纤在在1.55m处处具有极低具有极低损损耗（大耗（大约约0.15dB/km）G.655非零色散位移非零色散位移单单模光模光纤纤这这种光种光纤综纤综合了合了标标准光准光纤纤和色散位移光和色散位移光纤纤最好的
11、最好的传输传输特性，特性，特特别别适合于密集波分复用适合于密集波分复用传输传输，所以非零色散光，所以非零色散光纤纤是新一代光是新一代光纤纤通信系通信系统统的最佳的最佳传输传输介介质质。全波光全波光纤纤消除了常消除了常规规光光纤纤在在1385nm附近由于附近由于OH-造成的造成的损损耗峰，使光耗峰，使光纤纤可利用的波可利用的波长长增加增加100nm左右左右处处于推广于推广实实用用阶阶段段第10页，本讲稿共42页113.光纤的折射率径向分布图光纤的折射率径向分布图第11页，本讲稿共42页124.2.2 光纤的导光原理光纤的导光原理 在光学理在光学理论论中，当中，当传输传输媒介的几何尺寸媒介的几何尺
12、寸远远大于大于光波波光波波长时长时，可以把光表示成其，可以把光表示成其传传播方向上的一播方向上的一条几何条几何线线，称，称为为光射光射线线。用光射。用光射线线来分析光来分析光传传播播特性的方法，称特性的方法，称为为射射线线法。下面通法。下面通过过射射线线法来分法来分析光在析光在阶跃阶跃型光型光纤纤中的中的导导光原理。光原理。第12页，本讲稿共42页131.光的反射与折射定律光的反射与折射定律 入=反当当折折900时，折射光线会反射回到纤芯进行传播，时，折射光线会反射回到纤芯进行传播，这种现象称为全反射。这种现象称为全反射。第13页，本讲稿共42页142.光纤中的全反射传输光纤中的全反射传输调调
13、整入射角整入射角，使得，使得折折290度而度而发发生全反射：生全反射：第14页，本讲稿共42页154.2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性 光光纤纤的的传传输输特特性性描描述述的的是是光光纤纤的的传传输输损损耗耗、色色散散和非线性效应。和非线性效应。第15页，本讲稿共42页161.传输损耗传输损耗 光光纤纤传传输输损损耗耗表表现现为为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，主主要要原原因因是是吸吸收收和和散散射射造造成成再再加加光光纤结构不完善导致。纤结构不完善导致。式中式中是光波波是光波波长长，L是光是光纤长纤长度（度（km），），Po与与Pi分分别别是光是光纤输纤
14、输出和出和输输入端的光功率入端的光功率.第16页，本讲稿共42页172.色散色散 理想光源应是频率单一的单色光，但现实光源理想光源应是频率单一的单色光，但现实光源信号不纯，含有不同的波长成分，在折射率为信号不纯，含有不同的波长成分，在折射率为n1的光纤介质中传输速度不同，从而导致光信号分的光纤介质中传输速度不同，从而导致光信号分量产生不同延迟，这种现象称为光纤的色散。量产生不同延迟，这种现象称为光纤的色散。具体表现为当光脉冲沿着光纤传输一定距离后具体表现为当光脉冲沿着光纤传输一定距离后脉冲宽度展宽，严重时前后脉冲相互重叠，难以脉冲宽度展宽，严重时前后脉冲相互重叠，难以分辨。分辨。有三个参数色散
15、系数、最大有三个参数色散系数、最大时时延差延差、光、光纤带纤带宽宽系数可以分系数可以分别别从不同的角度来描述光从不同的角度来描述光纤纤色散的色散的程度。程度。第17页，本讲稿共42页18光纤色散的类型光纤色散的类型 模式色散：在多模光纤中，因同一波长分量的模式色散：在多模光纤中，因同一波长分量的各种传导模式的相位不同、群速度不同而导致光各种传导模式的相位不同、群速度不同而导致光脉冲展宽的现象，称为模式色散（或模间色散）。脉冲展宽的现象，称为模式色散（或模间色散）。材料色散：由光纤材料自身特性造成的。材料色散：由光纤材料自身特性造成的。波导色散：由光纤中的光波导结构引起的。波导色散：由光纤中的光
16、波导结构引起的。多模光纤主要考虑模式色散，单模光纤主要考多模光纤主要考虑模式色散，单模光纤主要考虑材料色散和波导色散。虑材料色散和波导色散。第18页，本讲稿共42页19单模光纤中的色散系数与波长关系单模光纤中的色散系数与波长关系第19页，本讲稿共42页203.非线性效应非线性效应 非线性效应在波分复用信道间产生串话和功率非线性效应在波分复用信道间产生串话和功率降低代价，限制光纤通信的传输容量和最大传输降低代价，限制光纤通信的传输容量和最大传输距离，影响系统的设计参数。距离，影响系统的设计参数。光纤中的非线性效应分为两类光纤中的非线性效应分为两类:非弹性过程和弹非弹性过程和弹性过程。性过程。第2
17、0页，本讲稿共42页214.2.4 光缆光缆分类方法分类方法 光缆种类光缆种类按用途按用途长途光缆、短途中继光缆、室内光缆、混合光缆长途光缆、短途中继光缆、室内光缆、混合光缆按敷设方式按敷设方式直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆 按传输模式按传输模式单模光缆、多模光缆（阶跃型、渐变型）单模光缆、多模光缆（阶跃型、渐变型）按结构按结构层绞式、骨架式、大束管式、带式、单元式层绞式、骨架式、大束管式、带式、单元式 按外护套结构按外护套结构 无铠装、钢带铠装、钢丝铠装无铠装、钢带铠装、钢丝铠装 按光缆中有无金属按光缆中有无金属 有金属光缆、无金属光缆有金属光缆
18、、无金属光缆 按维护方式按维护方式 充油光缆、充气光缆充油光缆、充气光缆 光缆的分类光缆的分类第21页，本讲稿共42页22几种光缆的结构几种光缆的结构第22页，本讲稿共42页234.3光纤通信系统光纤通信系统 光纤通信系统是以光为载波，以光导纤维为传光纤通信系统是以光为载波，以光导纤维为传输媒介来传输消息的通信系统。光纤通信系统主输媒介来传输消息的通信系统。光纤通信系统主要由电端机、光端机、光中继器和光缆组成。要由电端机、光端机、光中继器和光缆组成。第23页，本讲稿共42页241.电发送端机电发送端机 把信源消息转换成电数字信号。把信源消息转换成电数字信号。第24页，本讲稿共42页252.光发
19、送端机光发送端机光源的调制有直接调制或外调制两种方式：光源的调制有直接调制或外调制两种方式：第25页，本讲稿共42页263.光端机的调制方式光端机的调制方式 直接调制（强直接调制（强-直调制）：利用电信号调制光波直调制）：利用电信号调制光波的幅度，驱动电路输出的幅度，驱动电路输出“0”、“1”脉冲信号直脉冲信号直接控制光源的发光强度。适用于低速的半导体发接控制光源的发光强度。适用于低速的半导体发光二极管（光二极管（LED）。）。外腔调制（相干光调制）：把激光送入到外腔外腔调制（相干光调制）：把激光送入到外腔调制器，然后用电数字信号控制调制器，适用于调制器，然后用电数字信号控制调制器，适用于高速
20、激光器（高速激光器（LD）调制。外调制可选择调制光波）调制。外调制可选择调制光波的频率或相位。的频率或相位。第26页，本讲稿共42页27例子：一种直接调制的共发射极驱动电路例子：一种直接调制的共发射极驱动电路第27页，本讲稿共42页284.光中继器光中继器 光光-电电-光光中中继继方方式式正正在在被被光光放放大大器器取取代代，例例如如，掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器（EDFA:Erbium-Doped Fiber Amplifier）可可以以放放大大1.55m波波长长附附近近的光信号，适用于长途越洋光通信系统。的光信号，适用于长途越洋光通信系统。第28页，本讲稿共42页295.光接收端机光接收端
21、机 将将光光纤纤传传输输过过来来的的微微弱弱光光信信号号，经经光光检检测测器器转转变变为为电电信信号号，然然后后再再经经放放大大电电路路放放大大到到足足够够的的电电平，送到平，送到电电接收端机去。接收端机去。电电信号信号第29页，本讲稿共42页306.电接收端机电接收端机 电接收端机接收判决器输出的再生码元数据流，电接收端机接收判决器输出的再生码元数据流，并还原为信宿可接收的形式。并还原为信宿可接收的形式。第30页，本讲稿共42页314.4 光纤通信新技术光纤通信新技术 超大容量、超超大容量、超长长距离、超高速距离、超高速传输传输一直光一直光纤纤通信通信新技新技术术的的发发展目展目标标。拓展光
22、拓展光纤纤可用可用“窗口窗口”的波的波长长范范围围可以提高光可以提高光纤带宽纤带宽；降低降低损损耗系数耗系数()可以增加光可以增加光纤纤中中继继距离；距离；光波分复用或光光波分复用或光时时分复用可以增大系分复用可以增大系统统容量；容量；相干光通信和光孤子通信也是研相干光通信和光孤子通信也是研发热发热点。点。本节将对其中的一些内容进行概要介绍。本节将对其中的一些内容进行概要介绍。第31页，本讲稿共42页324.4.1 光波分复用与光时分复用光波分复用与光时分复用 采用光波分复用（采用光波分复用（WDM）或光时分复用）或光时分复用（OTDM）技术可以在不增加线路投资的情况下，）技术可以在不增加线路
23、投资的情况下，扩大系统容量。扩大系统容量。第32页，本讲稿共42页331.光波分复用光波分复用光波分复用：利用不同波长的光信号作为载波来光波分复用：利用不同波长的光信号作为载波来传输多路光信号。传输多路光信号。第33页，本讲稿共42页342.光波分复用的类型光波分复用的类型 根据光波分复用时波长间隔的大小可以将波分复根据光波分复用时波长间隔的大小可以将波分复用系统分为三种类型：用系统分为三种类型：密集波分复用（DWDM）：波长间隔 110nm 稀疏波分复用（CWDM）：波长间隔 10100nm 光频分复用（OFDM）：波长间隔1nm （未获实用）第34页，本讲稿共42页353.光时分复用光时分
24、复用 类似电脉冲信号的时分复用，光时分复用是把类似电脉冲信号的时分复用，光时分复用是把低速的光脉冲信号复合在一起，形成超高速光脉低速的光脉冲信号复合在一起，形成超高速光脉冲信号的一种技术。实现冲信号的一种技术。实现OTDM的基本技术主要的基本技术主要包括超短光脉冲（包括超短光脉冲（10ps以下）发生技术、全光以下）发生技术、全光时分复用时分复用/去复用技术、超高速光定时提取技术去复用技术、超高速光定时提取技术等。等。第35页，本讲稿共42页364.4.2 相干光通信相干光通信 本振光源的频率与相位与发送光源要严格匹配，本振光源的频率与相位与发送光源要严格匹配，否则会产生中频误差，导致判断出错。
25、否则会产生中频误差，导致判断出错。第36页，本讲稿共42页374.4.3 光孤子通信光孤子通信 光孤子是一种能在光光孤子是一种能在光纤纤中中传输传输，并且，并且长时间长时间保保持形持形态态、幅度和速度不、幅度和速度不变变的光脉冲。因的光脉冲。因为为它很窄，它很窄，所以可使所以可使邻邻近光脉冲近光脉冲间间隔很小而不至于隔很小而不至于发发生重叠生重叠干干扰扰，从而，从而实现实现超超长长距离、超大容量光通信。距离、超大容量光通信。第37页，本讲稿共42页384.4.4 光交换技术光交换技术 光交换是指不经过任何光光交换是指不经过任何光/电转换，把输入端光电转换，把输入端光信号直接交换到不同输出端。信
26、号直接交换到不同输出端。采用光交换技术不但可以克服电子交换的容量采用光交换技术不但可以克服电子交换的容量瓶颈问题，实现网络的高速率和协议透明性，而瓶颈问题，实现网络的高速率和协议透明性，而且可以提高网络的重构灵活性和生存性，大量节且可以提高网络的重构灵活性和生存性，大量节省建网和网络升级成本。省建网和网络升级成本。第38页，本讲稿共42页391.光交换系统的组成光交换系统的组成类似电交换，但交换的是光信号。类似电交换，但交换的是光信号。第39页，本讲稿共42页402.光交换的基本功能器件光交换的基本功能器件光开关光开关 把光开关组成阵列，构成一个多级互联受控网把光开关组成阵列，构成一个多级互联
27、受控网络，就可以实现光信号交换。络，就可以实现光信号交换。把输入把输入/输出的光路接通或断开输出的光路接通或断开把波长把波长转换为波长转换为波长第40页，本讲稿共42页414.4.5 全光通信网全光通信网 全光通信网简称全光网，是指信号在网络传输全光通信网简称全光网，是指信号在网络传输和交换的过程中始终以光的形式出现的一种通信和交换的过程中始终以光的形式出现的一种通信网，消除网，消除“电光瓶颈电光瓶颈”现象。现象。全光网络具有良好的透明性、开放性、兼容性、全光网络具有良好的透明性、开放性、兼容性、可靠性和可扩展性，并能提供巨大的带宽、超大可靠性和可扩展性，并能提供巨大的带宽、超大容量、极高的处理速度、较低的误码率，网络结容量、极高的处理速度、较低的误码率，网络结构简单，组网非常灵活，可以随时增加新节点而构简单，组网非常灵活，可以随时增加新节点而不需要电交换和处理设备。不需要电交换和处理设备。第41页，本讲稿共42页42本章小结和知识点本章小结和知识点u光纤通信的特点光纤通信的特点u光纤光缆的结构与分类光纤光缆的结构与分类u光在光纤中传输机理光在光纤中传输机理u光纤的传输特性光纤的传输特性u光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成u光光纤纤通通信信新新技技术术：光光波波分分复复用用、相相干干光光通通信信、光光孤子通信、全光通信系统孤子通信、全光通信系统第42页，本讲稿共42页