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1、现代通信技术下章光纤通信现代通信技术下章光纤通信第1页，共48页，编辑于2022年，星期日4.1 概述 光波属于光波属于电磁波的范畴电磁波的范畴。属于光波范畴之内的电磁波包括属于光波范畴之内的电磁波包括紫外线、可见光和红外紫外线、可见光和红外线。线。光纤通信波长范围光纤通信波长范围使用近红外区使用近红外区即即0.81.8m的波长区，对应的波长区，对应的频率为的频率为167375THz 第2页，共48页，编辑于2022年，星期日4.1 光纤通信的基本概念图 电磁波波谱图第3页，共48页，编辑于2022年，星期日4.1.1 光纤通信发展历史光纤通信发展历史1880年 A.G.贝尔利用可见光做光电话
2、机，证实光波可以携带信息1960年 发明了新光源激光器后，极大的促进了光波通信的研究激光器特性：单色性、强方向性、高亮度发展过程：60年 固体红宝石激光器61年 氦-氖 气体激光器70年 半导体激光器（体积小、耗电少、调制速度高、使用方便）第4页，共48页，编辑于2022年，星期日1966年 华裔科学家高锟博士等人提出从玻璃材料中去除杂质可以制成衰减为20dB/km的光导纤维。今天今天 单波长光纤通信系统的传输速率已达单波长光纤通信系统的传输速率已达40Gb/s,采用采用DWDM技术速率已技术速率已达达10.9Tb/s光纤通信无争议地成为通信网络中最为重要的基础设施光纤通信无争议地成为通信网络
3、中最为重要的基础设施,已成为已成为全全球信息基础设施球信息基础设施GII和和国家高速信息公路国家高速信息公路NII的重要组成部分的重要组成部分4.1.1 光纤通信发展历史光纤通信发展历史1970年 美国康宁玻璃公司根据高氏理论首先制造出衰减为20dB/km的光导纤维，使光导纤维的发展得到突破。1973年 美国贝尔研究所生产出衰减为1dB/km的低损耗光纤1976年 日本电报电话公司（NTT）制造出0.5dB/km 的低损耗光纤1976年 在美国亚特兰大成功进行了码速率为44.7Mb/s的光通信系统性能试验,从此光通信技术进入实用化阶段第5页，共48页，编辑于2022年，星期日4.1.2.光通信
4、特点频带宽,通信容量大理论上讲一根单模光纤可利用的带宽达20THz(1THz=1012Hz)以上,现在最先进的光纤通信系统达400GHz,而一路电话带宽约占4KHz频带,一路彩色电视约占6MHz频带损耗低,中继距离长铜缆的损耗特性与缆的结构尺寸及所传输信号的频率有关,光缆的损耗特性仅与玻璃的纯度(或者说透明度)有关,高质量望远镜的镜头其损耗超过500dB/km,目前通信用光纤的最低损耗达0.2 dB/km第6页，共48页，编辑于2022年，星期日具有抗电磁干扰能力光导纤维是绝缘体材料,不受输电线,电气化铁路及高压设备等电器干扰,可以与高压电线平行架设,还可制成复合光缆无串话,保密性好通信质量高
5、线径细,重量轻,柔软可制成大芯数高密度光缆单芯光缆可安装在飞机,火箭,潜艇及航天飞机上节约有色金属,原材料资源丰富可节约大量铜金属第7页，共48页，编辑于2022年，星期日4.1.2 光纤通信的特点传输频带宽，通信容量大传输损耗,无中继距离长 抗电磁干扰的能力强 保密性强,使用安全另外，光纤线径细、重量轻，而且制作光纤的资源丰富。抗腐蚀、不怕潮湿。第8页，共48页，编辑于2022年，星期日缺点质地脆,机械强度低光纤切断和接续需要一定的工具,设备和技术分路,耦合不灵活光纤,光缆弯曲半径不能过小(20CM)在偏僻地区存在有供电困难问题第9页，共48页，编辑于2022年，星期日4.1.3 光纤通信的
6、发展趋势、光纤向保偏光纤方向发展、光纤向保偏光纤方向发展、光纤通信系统的中继距离越来越长、光纤通信系统的中继距离越来越长、光纤通信系统向波分复用系统方向发展、光纤通信系统向波分复用系统方向发展、光纤通信系统向相干光纤通信方向发展、光纤通信系统向相干光纤通信方向发展、光孤子传输、光孤子传输、光纤通信系统向全光通信方向发展、光纤通信系统向全光通信方向发展、量子光通信系统、量子光通信系统第10页，共48页，编辑于2022年，星期日4.1.3 光纤通信的发展趋势普通的点到点的波分复用系统虽然有巨大的通信容量，但普通的点到点的波分复用系统虽然有巨大的通信容量，但只提供了原始的传输带宽，必须要有灵活的节点
7、才能实现只提供了原始的传输带宽，必须要有灵活的节点才能实现高效灵活的组网能力。高效灵活的组网能力。光分叉复用器（光分叉复用器（OADMOADM）和和光交叉连接器（光交叉连接器（OXCOXC）是靠光层面上是靠光层面上的波长连接来解决节点的容量扩展问题的，单个节点容量的波长连接来解决节点的容量扩展问题的，单个节点容量可从可从160Gbit/s160Gbit/s增加到增加到10Tbit/s10Tbit/s。光传送联网的一个最新发展趋势是光传送联网的一个最新发展趋势是自动交换光网络（自动交换光网络（ASONASON），），使光联网从静态光联网发展到自动交换光网络，使传统的使光联网从静态光联网发展到自动
8、交换光网络，使传统的传传送网送网向向业务网业务网方向发展。方向发展。第11页，共48页，编辑于2022年，星期日4.2.1 光纤的结构通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心圆柱体，外层的折射率比内层低。折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n1，直径为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为n2，直径为2b。n2n1 第12页，共48页，编辑于2022年，星期日按照光纤组成材料划分有按照光纤组成材料划分有:石英系光纤石英系光纤 多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤 氟化物光纤氟化物光纤 塑料光纤液芯光纤塑料光纤液芯光纤4.2.2 光纤的分类按照光纤的工作波长可分有按照光纤的工作
9、波长可分有:短波长短波长(0.80.9um)(0.80.9um)光纤光纤长波长长波长(.um)um)光纤光纤超长波长（超长波长（umum）光纤）光纤按照套塑层的不同，光纤可分为可分有按照套塑层的不同，光纤可分为可分有:紧套光纤松套光纤紧套光纤松套光纤第13页，共48页，编辑于2022年，星期日4.2 光纤的分类按照纤芯中传输模式的多少来划分 单模光纤光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，约为单模光纤的纤芯直径较小，约为4 410m10m。适用于大容量、长距离的光纤通信。适用于大容量、长距离的光纤通信。多模光纤在一定的工作波长下，多模
10、光纤是能传输多种模式的介质波导。在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布。分布。多模光纤的纤芯直径约为多模光纤的纤芯直径约为50m50m。第14页，共48页，编辑于2022年，星期日4.2.2 光纤的分类按照光纤横截面折射率分布不同来划分按照光纤横截面折射率分布不同来划分 阶跃型光纤阶跃型光纤纤芯折射率纤芯折射率n n1 1沿半径方向保持一定，包层折沿半径方向保持一定，包层折射率射率n n2 2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率
11、在边界处呈阶梯型变化的光纤称为层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤阶跃型光纤，又称为，又称为均匀光纤均匀光纤。适合。适合带宽窄，带宽窄，小容量短距离小容量短距离 渐变型光纤渐变型光纤如果纤芯折射率如果纤芯折射率n n1 1随着半径加大而逐渐减小，而随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率包层中折射率n n2 2是均匀的，这种光纤称为是均匀的，这种光纤称为渐渐变型光纤变型光纤，又称为，又称为非均匀光纤非均匀光纤。适合适合中容量，中距离通信中容量，中距离通信 第15页，共48页，编辑于2022年，星期日4.2.2 光纤的分类按照ITU-T建议分类(1)渐变型多模光纤(G.651光纤)工
12、作波长两种工作波长两种1310(1310(具有最小色散值具有最小色散值)和和1550(1550(具有最小的衰减系数具有最小的衰减系数)目前数据通信局域网目前数据通信局域网,接入网的引入光接入网的引入光缆和室内软光缆大量使用多模光纤缆和室内软光缆大量使用多模光纤第16页，共48页，编辑于2022年，星期日按照按照ITU-TITU-T建议分类建议分类:(2)(2)常规单模光纤常规单模光纤(G.652(G.652光纤光纤):):也称也称非色散位移光纤非色散位移光纤,其零色其零色散波长在散波长在1310,1310,在波长为在波长为15501550处衰减最小处衰减最小,但有较大的正色散但有较大的正色散.
13、波长可选波长可选13101310或或1550.1550.是使用最为广泛的光纤是使用最为广泛的光纤(3(3）色散位移光纤色散位移光纤(G.653).(G.653).此光纤零色散从此光纤零色散从1310 nm1310 nm移至移至1530 nm1530 nm工作波长工作波长,实现实现15501550处最低衰减和零色散波长一致处最低衰减和零色散波长一致.非常适合于长距离、单信道高速光纤通信系统。但由于进行非常适合于长距离、单信道高速光纤通信系统。但由于进行WDMWDM在在15501550处低色散存在有害的四波混频等光纤非线性效应处低色散存在有害的四波混频等光纤非线性效应，其正在由非零色散位移光纤所替
14、代其正在由非零色散位移光纤所替代4.2.2 光纤的分类第17页，共48页，编辑于2022年，星期日按照按照ITU-TITU-T建议分类建议分类:(4)(4)15501550性能最佳单模光纤性能最佳单模光纤(G.654(G.654光纤光纤):):特点在特点在15501550处衰减极小，处衰减极小，弯曲性能好，工作在弯曲性能好，工作在13101310系统处于多模工作状态。主要用于传输系统处于多模工作状态。主要用于传输距离很长，且不能插入有源器件的无中继海底光纤通信系统。距离很长，且不能插入有源器件的无中继海底光纤通信系统。缺点造价昂贵，很少使用缺点造价昂贵，很少使用（5 5）非零色散位移单模光纤非
15、零色散位移单模光纤(G.655(G.655光纤光纤):):专门为新一代光放专门为新一代光放大密集波分复用传输系统设计和制造的新型光纤大密集波分复用传输系统设计和制造的新型光纤,属于色散属于色散位移光纤位移光纤,不过在不过在15501550处色散值不是零值处色散值不是零值,用以平衡四波混频用以平衡四波混频等非线性效应等非线性效应.使其能用于高速率、大容量、密集波分复用的使其能用于高速率、大容量、密集波分复用的长距离光纤通信系统中长距离光纤通信系统中.第18页，共48页，编辑于2022年，星期日4.2.3 光纤的传输特性光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。
16、光纤每单位长度的损耗，直接关系到光纤通信系统传输距离的长短。光纤本身损耗的原因大致包括两类：吸收损耗和散射损耗。第19页，共48页，编辑于2022年，星期日1光纤的损耗特性（1 1）吸收损耗）吸收损耗 吸收作用是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热吸收作用是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。能，从而造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，下面主要介造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，下面主要介绍本征吸收和杂质吸收。绍本征吸收和杂质吸收。本征吸收本征吸收是光纤基本材料（例如纯是光纤基本材料（例如纯SiOSiO2 2）固有的吸收，并不）
17、固有的吸收，并不是由杂质或者缺陷所引起的。因此，本征吸收基本上确定了是由杂质或者缺陷所引起的。因此，本征吸收基本上确定了任何特定材料的吸收的下限。任何特定材料的吸收的下限。杂质吸收杂质吸收。是由于光纤材料的不纯净所造成的附加吸收。是由于光纤材料的不纯净所造成的附加吸收损耗。影响最大的是金属过渡离子和水的氢氧根离子吸损耗。影响最大的是金属过渡离子和水的氢氧根离子吸收电磁波而造成的损耗收电磁波而造成的损耗吸收损耗的大小与波长有关吸收损耗的大小与波长有关，对于，对于SiO2SiO2石英系光纤，本征吸收有两个吸石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，一个是收带，一个是紫外吸收带紫外吸收带，一个是，一个是红外
18、吸收带红外吸收带。第20页，共48页，编辑于2022年，星期日1光纤的损耗特性（2 2）散射损耗）散射损耗 由于光纤的材料、形状及折射指数分布等的缺陷或不均匀，光纤中传导的光由于光纤的材料、形状及折射指数分布等的缺陷或不均匀，光纤中传导的光散射而产生的损耗称为散射而产生的损耗称为散射损耗。散射损耗。散射损耗包括散射损耗包括线性散射损耗线性散射损耗和和非线性散射损耗非线性散射损耗。线性散射线性散射损耗主要包括损耗主要包括瑞利散射瑞利散射和和材料不均匀引起的散射材料不均匀引起的散射非线性散射非线性散射主要包括：主要包括：受激喇曼散射受激喇曼散射和和受激布里渊散射受激布里渊散射等。等。第21页，共4
19、8页，编辑于2022年，星期日1光纤的损耗特性 瑞利散射损耗瑞利散射损耗 瑞利散射损耗也是光纤的本征散射损耗。瑞利散射损耗也是光纤的本征散射损耗。这种散射是由光纤材料的折射率随机性变化而引起的。瑞这种散射是由光纤材料的折射率随机性变化而引起的。瑞利散射损耗与利散射损耗与1/1/4 4成正比，它随波长的增加而急剧减小，所成正比，它随波长的增加而急剧减小，所以在长波长工作时，瑞利散射会大大减小。以在长波长工作时，瑞利散射会大大减小。材料不均匀所引起的散射损耗材料不均匀所引起的散射损耗 结构的不均匀性以及在制作光纤的过程中产生的缺陷也可能使结构的不均匀性以及在制作光纤的过程中产生的缺陷也可能使光线产
20、生散射。光线产生散射。第22页，共48页，编辑于2022年，星期日2光纤的色散特性（1 1）什么是光纤的色散）什么是光纤的色散 一般将光功率降到峰值一半时所对应的波长范围称为一般将光功率降到峰值一半时所对应的波长范围称为光源的谱光源的谱线宽度线宽度，用，用表示。表示。一个理想的光源发出的应是单色光，即谱线宽度应为一个理想的光源发出的应是单色光，即谱线宽度应为零零。光纤中传送的信号是由不同的频率成分和不同的模式成分构成光纤中传送的信号是由不同的频率成分和不同的模式成分构成的，它们有不同的传播速度，将会引起脉冲波形的形状发生变的，它们有不同的传播速度，将会引起脉冲波形的形状发生变化。也可以从波形在
21、时间上展宽的角度去理解，也就是化。也可以从波形在时间上展宽的角度去理解，也就是光脉冲光脉冲在光纤中传输，随着传输距离的加大，脉冲波形在时间在光纤中传输，随着传输距离的加大，脉冲波形在时间上发生了展宽，这种现象称为上发生了展宽，这种现象称为光纤的色散光纤的色散。第23页，共48页，编辑于2022年，星期日2光纤的色散特性图 光源的谱线宽度 第24页，共48页，编辑于2022年，星期日2光纤的色散特性（3）光纤中的色散模式色散：光纤中的不同模式，在同一波长下传输，各自的相位常数mn不同，它所引起的色散称为模式色散。材料色散：由于光纤材料本身的折射指数n和波长呈非线性关系，从而使光的传播速度随波长而
22、变化，这样引起的色散称为材料色散。波导色散：光纤中同一模式在不同的频率下传输时，其相位常数不同，这样引起的色散称为波导色散。第25页，共48页，编辑于2022年，星期日4.2.4 光缆第26页，共48页，编辑于2022年，星期日光缆的型号光缆的型号光缆的种类较多，同其他产品一样，具有具体的型式和规格。光缆的种类较多，同其他产品一样，具有具体的型式和规格。(1)(1)光缆的型式代号光缆的型式代号第27页，共48页，编辑于2022年，星期日 光缆分类代号及其意义光缆分类代号及其意义 GYGY：通信用室：通信用室(野野)外光缆；外光缆；GRGR：通信用软光缆；：通信用软光缆；GJGJ：通信用室：通信
23、用室(局局)内光缆；内光缆；GSGS：通信用设备内光缆；：通信用设备内光缆；GHGH：通信用海底光缆；：通信用海底光缆；GTGT：通信用特殊光缆；：通信用特殊光缆；GWGW：通信用无金属光缆。：通信用无金属光缆。加强构件的代号及其意义加强构件的代号及其意义 无符号：金属加强构件；无符号：金属加强构件；F F：非金属加强构件；：非金属加强构件；G G：金属重型加强构件；：金属重型加强构件；H H：非金属重型加强构件。：非金属重型加强构件。第28页，共48页，编辑于2022年，星期日 派生特征的代号及其意义派生特征的代号及其意义 B B：扁平式结构；：扁平式结构；Z Z：自承式结构；：自承式结构；
24、T T：填充式结构；：填充式结构；S S：松套结构。：松套结构。注：当光缆型式兼有不同派生特征时，其代号字母顺序并列注：当光缆型式兼有不同派生特征时，其代号字母顺序并列。护套的代号及其意义护套的代号及其意义 Y Y：聚乙烯护套；：聚乙烯护套；V V：聚氯乙烯护套；：聚氯乙烯护套；U U：聚氨酯护套；：聚氨酯护套；A A：铝、聚乙烯护套；：铝、聚乙烯护套；L L：铝护套；：铝护套；Q Q：铅护套；：铅护套；G G：钢护套；：钢护套；S S：钢、铝、聚乙烯综合护套。：钢、铝、聚乙烯综合护套。第29页，共48页，编辑于2022年，星期日 外护层的代号及其意义外护层的代号及其意义 外护层是指铠装层及铠
25、装层外面的外被层，参照国标外护层是指铠装层及铠装层外面的外被层，参照国标GBGB2952-822952-82的的规定，外护层采用两位数字表示，各代号的意义如表所示规定，外护层采用两位数字表示，各代号的意义如表所示第30页，共48页，编辑于2022年，星期日(2)(2)光纤的规格代号光纤的规格代号 光光纤纤的的规规格格代代号号是是由由光光纤纤数数目目、光光纤纤类类别别、光光纤纤主主要要尺尺寸寸参参数数、传传输输性能性能和和适用温度适用温度五部分组成，各部分均用代号或数字表示五部分组成，各部分均用代号或数字表示。光纤数目光纤数目：用光缆中同类别光纤的实际有效数目的阿拉伯数字表示用光缆中同类别光纤的
26、实际有效数目的阿拉伯数字表示 光纤类别的代号及其意义光纤类别的代号及其意义 J J：二氧化硅系多模渐变型光纤；：二氧化硅系多模渐变型光纤；T T：二氧化硅系多模阶跃型：二氧化硅系多模阶跃型(突变型突变型)光纤；光纤；Z Z：二氧化硅系多模准突变型光纤；：二氧化硅系多模准突变型光纤；D D：二氧化硅系单模光纤；：二氧化硅系单模光纤；X X：二氧化硅纤芯塑料包层光纤；：二氧化硅纤芯塑料包层光纤；S S：塑料光纤。：塑料光纤。第31页，共48页，编辑于2022年，星期日 光纤的主要尺寸参数代号及其意义光纤的主要尺寸参数代号及其意义 用用阿阿拉拉伯伯数数字字(含含小小数数点点)以以mm为为单单位位表表
27、示示多多模模光光纤纤的的芯芯径径/包包层层直直径径或单模光纤的模场直径或单模光纤的模场直径/包层直径。包层直径。传输性能代号及其意义传输性能代号及其意义 光光纤纤的的传传输输特特性性代代号号是是由由使使用用波波长长、损损耗耗系系数数、模模式式带带宽宽的的代代号号(分分别别为为a a、bbbb、cccc)构成。构成。其中其中a a表示使用波长的代号，其数字代号规定如下：表示使用波长的代号，其数字代号规定如下：1 1：使用波长在：使用波长在0.850.85mm区域；区域；2 2：使用波长在：使用波长在1.311.31mm区域；区域；3 3：使用波长在：使用波长在1.551.55mm区域。区域。bb
28、bb表示损耗系数的代号，其数字依次为光缆中光纤损耗系数值表示损耗系数的代号，其数字依次为光缆中光纤损耗系数值(dBdB/kmkm)的个的个位和十分位。位和十分位。cccc表示模式带宽的代号，其数字依次是光缆中光纤模式带宽数值表示模式带宽的代号，其数字依次是光缆中光纤模式带宽数值(MHzMHzkmkm)的千位和的千位和百位数字。单模光纤无此项。百位数字。单模光纤无此项。第32页，共48页，编辑于2022年，星期日 适用温度代号及其意义适用温度代号及其意义 A A：适用于：适用于-40 +40-40 +40；B B：适用于：适用于-30 +50-30 +50；C C：适用于：适用于-20 +60-
29、20 +60；D D：适用于：适用于-5+60-5+60。第33页，共48页，编辑于2022年，星期日4.3 光纤通信系统图、光纤数字通信系统示意图 第34页，共48页，编辑于2022年，星期日半导体激光器半导体激光器（LD）或半导体发光二或半导体发光二极管（极管（LED光电二极管（光电二极管（PIN）和）和雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）完整的光纤通信原理框图完整的光纤通信原理框图信道编码电路信道编码电路光源驱动与控制电路光源驱动与控制电路信道解码电路信道解码电路光信号接收电路光信号接收电路第35页，共48页，编辑于2022年，星期日2.2.光发射机的主要指标光发射机的主要指标 光发
30、送机的指标很多，我们仅从应用的角度介绍其主要指标。光发送机的指标很多，我们仅从应用的角度介绍其主要指标。(1)(1)平均发送光功率平均发送光功率 平均发送光功率平均发送光功率又称为又称为平均输出光功率平均输出光功率，通常是指光源尾巴光纤的平均输出光，通常是指光源尾巴光纤的平均输出光功率。入纤功率越大通信距离越远功率。入纤功率越大通信距离越远,但太大会使系统工作在非线性状态但太大会使系统工作在非线性状态.一般在一般在0.010.01mWmW(2)(2)消光比消光比 消消光光比比定定义义为为最最小小平平均均发发送送光光功功率率与与最最大大平平均均发发送送光光功功率率之之比比，通通常常用用符符号号E
31、 EX X表表示示即即是是指指全全码码时时的的平平均均光光功功率率与与全全码码时时的的平平均均光光功功率率之之比比 一般要求一般要求E EX X（）光谱特性（）光谱特性对于高速光纤通信系统，光源的光谱特性成为制约系统性能的至关对于高速光纤通信系统，光源的光谱特性成为制约系统性能的至关重要的参数指标，它影响系统的重要的参数指标，它影响系统的色散性能色散性能，需要仔细考虑，需要仔细考虑第36页，共48页，编辑于2022年，星期日.光接收机的主要指标光接收机的主要指标(1)(1)光接收机灵敏度光接收机灵敏度 所所谓谓光光接接收收机机灵灵敏敏度度，就就是是指指在在一一定定误误码码率率或或信信噪噪比比(
32、有有时时还还要要加加上上信信号号波波形形失失真真量量)条条件件下下光光接接收收机机需需要要接接收收的的最最小小平平均均光光功功率率(有有时时也也称称为为平平均均最最小小输输入入光功率光功率)。S Sr r=10lgP=10lgPminmin(2)光接收机动态范围光接收机动态范围 所谓所谓光接收机动态范围光接收机动态范围，就是指在一定误码率或信噪比，就是指在一定误码率或信噪比(有时还要加上有时还要加上信号波形失真量信号波形失真量)条件下光接收机允许的光信号平均光功率的变化范围。条件下光接收机允许的光信号平均光功率的变化范围。D=10lg(Pmax/Pmin)第37页，共48页，编辑于2022年，
33、星期日中继器中继器在点对点的光纤通信系统中，为了保证通信质量，在收发端在点对点的光纤通信系统中，为了保证通信质量，在收发端机之间适当距离上必须设有光中继器。机之间适当距离上必须设有光中继器。光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是光光-电电-光转换形式的中继器光转换形式的中继器，另一种是在光信号上另一种是在光信号上直接放大的光放大器直接放大的光放大器由一个没有码型变换的由一个没有码型变换的光接收机光接收机和没有功放和码型变换的的和没有功放和码型变换的的光发射机光发射机组成组成第38页，共48页，编辑于2022年，星期日4.3.5 光纤通信系统的主要性
34、能指标1.1.误码特性误码特性 误码特性是衡量数字光纤通信系统性能的重要指标之一误码特性是衡量数字光纤通信系统性能的重要指标之一,它反映了数字信息在传它反映了数字信息在传输过程中受损害的程度输过程中受损害的程度误码类别误码类别定义定义指标指标劣化分劣化分(DM)(DM)1min1min时间内的误码率劣于时间内的误码率劣于，扣除，扣除“不可用不可用”时间和严重误码秒总劣化分与总评时间和严重误码秒总劣化分与总评价时间之比的百分数价时间之比的百分数少于少于严重误码秒严重误码秒(SES)(SES)1 1时间间隔内的误码率劣于时间间隔内的误码率劣于，总，总严重误码秒与总评价时间之比的百分数严重误码秒与总
35、评价时间之比的百分数少于少于误码秒误码秒(ES)(ES)有误码的秒与有误码的秒与TLTL之比的百分数之比的百分数少于少于第39页，共48页，编辑于2022年，星期日抖动特性抖动特性抖动是数字信号传输过程中的一种瞬时不稳定现象，包括输入信号脉冲在某一抖动是数字信号传输过程中的一种瞬时不稳定现象，包括输入信号脉冲在某一平均位置左右变化和提取时钟在中心位置上左右变化平均位置左右变化和提取时钟在中心位置上左右变化信号的有效瞬间信号的有效瞬间(例如最佳抽样瞬间例如最佳抽样瞬间)相对于理想位置的短期变化相对于理想位置的短期变化,其变化频率大于其变化频率大于或等于或等于10HZ称为称为抖动抖动变化频率小于变
36、化频率小于10HZ称为称为漂移漂移产生抖动的主要原因是随机噪声，时钟提取电路中的调谐频率偏移，接收机的产生抖动的主要原因是随机噪声，时钟提取电路中的调谐频率偏移，接收机的码间干扰码间干扰控制和抑制抖动的方法采用合适的线路编码和采用控制和抑制抖动的方法采用合适的线路编码和采用“缓冲存储器缓冲存储器”及再定及再定时技术时技术可靠性与可用性可靠性与可用性可靠性与可用性是反映数字光纤通信系统发生故障的时间间隔以及可靠性与可用性是反映数字光纤通信系统发生故障的时间间隔以及每次故障的维修时间的指标每次故障的维修时间的指标包括包括（）平均故障间隔时间（）平均故障修复时间）平均故障间隔时间（）平均故障修复时间
37、（）可靠性（）可用性（）可靠性（）可用性第40页，共48页，编辑于2022年，星期日4光纤通信新技术4光放大器由于光纤存在损耗和色散，每个隔一定距离就需一个由于光纤存在损耗和色散，每个隔一定距离就需一个光电光中光电光中继器继器，对信号进行放大和再生，对信号进行放大和再生 为了能够适应光纤通信不断提高的传输速率要求，希望采用光放大方为了能够适应光纤通信不断提高的传输速率要求，希望采用光放大方法来替代传统的中继方式法来替代传统的中继方式光放大器光放大器能直接放大光信号，无需转换成电信号，能直接放大光信号，无需转换成电信号，对信号的格式和速率具有高度的透明性，使系统更加简单灵活对信号的格式和速率具有
38、高度的透明性，使系统更加简单灵活光放大器运用的原因光放大器运用的原因:(1)WDM (2)FTTH、FTTO、FTTC的终端分支太多的终端分支太多第41页，共48页，编辑于2022年，星期日表光放大器的工作机理分类光放大器类型品种品种半导体光半导体光放大器放大器谐振式谐振式 如如FPA（法布里（法布里-泊罗半导体光放大器泊罗半导体光放大器)行波式行波式 如如TWLA(半导体行波光放大器半导体行波光放大器)光纤光纤放大器放大器掺稀土元素光纤放大器1550nm掺铒光纤放大器(EDFA)1310nm掺镨光纤放大器(PDFA)非线性光学放大器拉曼光纤放大器(FRA)布里渊光纤放大器(FBA)光纤参量放
39、大器(FPA)第42页，共48页，编辑于2022年，星期日1、半导体光放大器 半导体光放大器半导体光放大器与半导体激光器的基本原理相同，与半导体激光器的基本原理相同，当给器件加偏置电当给器件加偏置电流时，电流可以使半导体增益物质产生粒子数反转，使电子从价带跃迁流时，电流可以使半导体增益物质产生粒子数反转，使电子从价带跃迁到导带，从而产生自发辐射，当外光场射入时会发生受激辐射，受激辐到导带，从而产生自发辐射，当外光场射入时会发生受激辐射，受激辐射产生信号增益。射产生信号增益。半导体放大器半导体放大器的的缺点缺点：与光纤藕合困难，耦合损失大；对光的偏振特性：与光纤藕合困难，耦合损失大；对光的偏振特
40、性较为敏感，故稳定性差；噪声及串扰较大。较为敏感，故稳定性差；噪声及串扰较大。优点：优点：体积小，可充分利用现有的半导体激光器技术，制作工艺成熟，且体积小，可充分利用现有的半导体激光器技术，制作工艺成熟，且便于与其他光器件进行集成。可覆盖便于与其他光器件进行集成。可覆盖13101310和和15501550波段。波段。第43页，共48页，编辑于2022年，星期日2、光纤放大器（1）稀土掺杂光纤放大器 稀土掺杂光纤放大器是利用稀土掺杂物质引起的增益机制实现光稀土掺杂光纤放大器是利用稀土掺杂物质引起的增益机制实现光放大的。其中放大的。其中掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFAEDFA的工作波长的工作波
41、长15501550波段；波段；掺镨光纤放掺镨光纤放大器大器PDFAPDFA的工作波长的工作波长13101310波段波段光藕光藕合器合器光藕光藕合器合器光藕光藕合器合器光隔光隔离器离器功率监测功率监测泵浦源泵浦源功率监测功率监测辅助电路辅助电路掺铒光纤掺铒光纤图、图、EDFAEDFA的典型结构的典型结构第44页，共48页，编辑于2022年，星期日 掺铒光纤掺铒光纤是是EDFAEDFA的核心，以石英光纤作基础材料，在光纤芯子中掺入一的核心，以石英光纤作基础材料，在光纤芯子中掺入一定比例的稀土铒离子，这样形成一种特殊光纤。这种光纤在一定泵浦光机理定比例的稀土铒离子，这样形成一种特殊光纤。这种光纤在一
42、定泵浦光机理下，处于低能级的下，处于低能级的Er3+Er3+可以吸收泵浦光的能量可以吸收泵浦光的能量,向高能级跃迁向高能级跃迁,很快以无辐很快以无辐射的形式跃迁到亚稳态射的形式跃迁到亚稳态,从而在亚稳态和基态之间形成粒子数反转分布从而在亚稳态和基态之间形成粒子数反转分布.当当15501550波段的光信号通过这段掺铒光纤时波段的光信号通过这段掺铒光纤时,亚稳态的亚稳态的Er3+Er3+以受激辐射的形式以受激辐射的形式跃迁到基态跃迁到基态,并产生和入射光信号中的光子一模一样的光子并产生和入射光信号中的光子一模一样的光子,大大增加了信号光大大增加了信号光中的光子数量中的光子数量,实现了信号光在掺铒光
43、纤中的放大实现了信号光在掺铒光纤中的放大.第45页，共48页，编辑于2022年，星期日(2)(2)利用非线性效应制作的常规光纤放大器利用非线性效应制作的常规光纤放大器这种光纤是利用光纤的这种光纤是利用光纤的三阶非线性光学效应三阶非线性光学效应产生的增益机制对光信产生的增益机制对光信号进行放大号进行放大,其传输线路和放大线路同为光纤其传输线路和放大线路同为光纤,是一种是一种分布参数式的光放大分布参数式的光放大器器.如如:拉曼放大器拉曼放大器FRAFRA:其原理基于光纤中的非线性效应其原理基于光纤中的非线性效应受激拉曼受激拉曼散射散射SRS.SRS.受激拉曼散射受激拉曼散射:高能量的泵浦光散射高能
44、量的泵浦光散射,将将 一部分能量转移到另一频一部分能量转移到另一频率的光束上率的光束上.频率的下移量是由分子的振动模式决定的频率的下移量是由分子的振动模式决定的,此过程称为拉此过程称为拉曼效应曼效应.拉曼光纤放大器的特点拉曼光纤放大器的特点:(1)(1)可以全波放大可以全波放大.其增益谱由泵浦光的波长决定其增益谱由泵浦光的波长决定(2)(2)放大介质是传输光纤本身放大介质是传输光纤本身,降低了成本降低了成本.(3)(3)可以实现分布式在线放大可以实现分布式在线放大,实现长距离的无中继传输实现长距离的无中继传输.(4)增益频谱宽增益频谱宽.第46页，共48页，编辑于2022年，星期日4.4.2
45、光波分复用 由于光纤具有很宽的带宽由于光纤具有很宽的带宽,因此可在一根光纤中传因此可在一根光纤中传输多个波长的光载波输多个波长的光载波,这就是这就是波分复用波分复用WDMWDM,采用这种采用这种技术技术,可实现大容量的光纤通信系统可实现大容量的光纤通信系统合合波波器器分分波波器器单根光纤单根光纤单向传输的波分复用系统示意图单向传输的波分复用系统示意图第47页，共48页，编辑于2022年，星期日4.4.3 光纤孤子通信技术 当使用大功率、窄脉冲的光源耦合进光纤时，光纤的折射率将随当使用大功率、窄脉冲的光源耦合进光纤时，光纤的折射率将随光强的增加而变化，产生非线性效应使脉冲压缩。而由非线性所产光强的增加而变化，产生非线性效应使脉冲压缩。而由非线性所产生的相干光脉冲称为生的相干光脉冲称为光孤子光孤子。光孤子可以抵消光纤色散的作用，从而。光孤子可以抵消光纤色散的作用，从而实现超大容量、超长距离通信的重要技术之一。实现超大容量、超长距离通信的重要技术之一。光孤光孤子源子源外调外调制器制器光放光放大器大器GHz综合器综合器脉冲信号脉冲信号发生器发生器光放光放大器大器光检光检测器测器误码误码检测检测原电原电信号信号外信号外信号误码误码光纤孤子通信系统组成框图光纤孤子通信系统组成框图第48页，共48页，编辑于2022年，星期日