第六章光纤通信精选文档.ppt

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1、第六章光纤通信第六章光纤通信本讲稿第一页，共六十三页6.1 光纤通信概述光纤通信概述 光信号可以用于传输信息吗？光信号可以用于传输信息吗？光通信具有什么样的特点？光通信具有什么样的特点？探 讨光纤通信是以光纤为传输媒质，光纤通信是以光纤为传输媒质，以光信号为信息载体的通信方以光信号为信息载体的通信方式。式。本讲稿第二页，共六十三页6.1.1光纤通信的发展光纤通信的发展 1880年，美国科学家贝尔发明年，美国科学家贝尔发明光电话光电话，标志着光通信的，标志着光通信的起源起源。1960年，美国人梅曼发明第一台红宝石激光器年，美国人梅曼发明第一台红宝石激光器。1966年，年，“光纤之父光纤之父”高锟

2、高锟博士首次提出光纤通信的想法，博士首次提出光纤通信的想法，这是光纤通信发展的这是光纤通信发展的里程碑里程碑。1970年，美国康宁公司研制出了损耗系数为年，美国康宁公司研制出了损耗系数为20dB/km的光纤，的光纤，光纤通信从此进入光纤通信从此进入飞速发展飞速发展。1977年，芝加哥第一条年，芝加哥第一条45Mbit/s的商用线路。的商用线路。1976 年和年和 1978 年，日本先后进行了速率为年，日本先后进行了速率为34 Mb/s以及速率为以及速率为100 Mbit/s的光纤通信系统的试验。的光纤通信系统的试验。1980 年，年，140Mbit/s光纤通信系统投入商业应用。光纤通信系统投入

3、商业应用。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。本讲稿第三页，共六十三页由美、日、由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系海底光缆通信系统于统于1988年建成。年建成。第一条横跨太平洋第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于海底光缆通信系统于1989年建成。年建成。1990年，年，565Mbit/s的光纤通信系统进入商用化阶段。的光纤通信系统进入商用化阶段。1993年，速率年，速率622Mbit/s以下以下SDH产品开始商用化。产品开始商用化。1995年，速率年，速率2.5G bi

4、t/s的的SDH产品开始商用化。产品开始商用化。1996年，年，10G bit/s的的SDH产品开始商用化。产品开始商用化。1997年，年，20G bit/s和和40G bit/s的产品试验取得巨大发展。的产品试验取得巨大发展。2005年年3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通，是至今超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通，是至今世界容量最大的实用线路。世界容量最大的实用线路。目前研究中的商用速率为目前研究中的商用速率为数十数十Tbit/s。本讲稿第四页，共六十三页光纤通信发明家光纤通信发明家高锟高锟(左左)1998年在英国接受年在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章本讲稿第五页，

5、共六十三页从光纤的损耗看光纤通信的发展从光纤的损耗看光纤通信的发展1970年是年是20dB/km1972年是年是4dB/km1974年是年是1.1dB/km1976年是年是0.5dB/km1979年是年是0.2dB/km1990年是年是0.14 dB/km，已经接近石英光纤的理，已经接近石英光纤的理论损耗极限值论损耗极限值0.1dB/km。本讲稿第六页，共六十三页6.1.2光纤通信的工作波长光纤通信的工作波长光波是电磁波的一种，其波长在微米级，频率为光波是电磁波的一种，其波长在微米级，频率为1014Hz1015Hz数量级。数量级。目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区，即波长为目前光纤通信使用

6、的波长范围是在近红外区，即波长为0.81.8m。光纤通信使用的三个工作窗口光纤通信使用的三个工作窗口0.85m、1.31m、1.55m。本讲稿第七页，共六十三页6.1.3 光纤通信的特点光纤通信的特点优点优点（1）传输频带宽，通信容量大）传输频带宽，通信容量大（2）传输衰减小，中继距离长）传输衰减小，中继距离长（3）抗电磁干扰，传输质量好）抗电磁干扰，传输质量好（4）体积小、重量轻、便于施工）体积小、重量轻、便于施工（5）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，有利于环保缺点缺点光纤质地脆，机械强度低；光纤的切断和接续需要一定的工光纤质地脆，机械强度低；光纤的切断和接续

7、需要一定的工具设备和技术，光缆的弯曲半径不能过小等等。具设备和技术，光缆的弯曲半径不能过小等等。本讲稿第八页，共六十三页6.2 光纤与光缆光纤与光缆6.2.1 光纤的结构与分类光纤的结构与分类6.2.2 光纤的导光原理光纤的导光原理6.2.3 单模传输条件单模传输条件6.2.4 光纤的传输特性光纤的传输特性6.2.5 光缆光缆本讲稿第九页，共六十三页 6.2.1 光纤的结构与分类光纤的结构与分类1光纤的结构光纤的结构光纤是由中心的纤芯和外面的包层构成的，一般为双层光纤是由中心的纤芯和外面的包层构成的，一般为双层或多层的同心圆柱体，为轴对称结构。或多层的同心圆柱体，为轴对称结构。纤芯位于光纤中心

8、，作用是传输光波。包层位于纤芯纤芯位于光纤中心，作用是传输光波。包层位于纤芯外层，作用是将光波限制在纤芯中，同时还起到一定外层，作用是将光波限制在纤芯中，同时还起到一定的机械保护作用。的机械保护作用。通信用的单模光纤纤芯为通信用的单模光纤纤芯为4-10m，多模光纤纤芯直径为，多模光纤纤芯直径为5085m，不管单模光纤还是多模光纤，包层的直径均，不管单模光纤还是多模光纤，包层的直径均为为125m。n1n2本讲稿第十页，共六十三页设纤芯和包层的折射率分别为设纤芯和包层的折射率分别为n1和和 n2，光，光在光纤中传输的必要条件是在光纤中传输的必要条件是n1n2。相对折射指数差（相对折射指数差（）当当

9、n与与n的差别极小时，这种光纤称为弱的差别极小时，这种光纤称为弱导波光纤。导波光纤。越大，光纤把光耦合入纤芯的能力越强。越大，光纤把光耦合入纤芯的能力越强。本讲稿第十一页，共六十三页由于石英玻璃质地脆、易断裂，为保护光纤不受损害，由于石英玻璃质地脆、易断裂，为保护光纤不受损害，提高抗拉度，一般需要在裸光纤外面指经过两次涂覆。提高抗拉度，一般需要在裸光纤外面指经过两次涂覆。裸光纤裸光纤：由纤芯和包层组成。：由纤芯和包层组成。光纤芯线光纤芯线：经过涂敷的裸光纤。：经过涂敷的裸光纤。本讲稿第十二页，共六十三页光纤的结构包括纤芯、包层和涂敷层。光纤的结构包括纤芯、包层和涂敷层。通常见到的光纤均为涂敷后

10、的光纤芯线。通常见到的光纤均为涂敷后的光纤芯线。归纳思考归纳思考本讲稿第十三页，共六十三页2光纤的分类光纤的分类（1）按照光纤的制造材料分类）按照光纤的制造材料分类按照光纤的制造材料的不同，光纤可分为玻璃（石英）光纤和塑料光纤。按照光纤的制造材料的不同，光纤可分为玻璃（石英）光纤和塑料光纤。（2）按照光纤的传输模式分类）按照光纤的传输模式分类根据光纤传输模式的数量，光纤可分为多模光纤（根据光纤传输模式的数量，光纤可分为多模光纤（MMF）和单模光纤）和单模光纤（SMF）。）。（3）按照光纤的折射率分布分类）按照光纤的折射率分布分类按照光纤剖面折射率分布的不同，光纤可分为突变型光纤（按照光纤剖面折

11、射率分布的不同，光纤可分为突变型光纤（SIF）和渐）和渐变型光纤（变型光纤（GIF）。）。（4）按照）按照ITU-T建议的分类建议的分类按照按照ITU-T关于光纤的建议，光纤分为关于光纤的建议，光纤分为G.651光纤（渐变多模光纤）、光纤（渐变多模光纤）、G.652光纤光纤（常规单模光纤）、（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（性能最佳单模光光纤（性能最佳单模光纤）、纤）、G.655光纤（非零色散位移单模光纤）。光纤（非零色散位移单模光纤）。本讲稿第十四页，共六十三页本讲稿第十五页，共六十三页阶跃型光纤（阶跃型光纤（SIF）纤芯折射率呈均匀分布

12、。纤芯折射率呈均匀分布。渐变型光纤（渐变型光纤（GIF）纤芯折射率呈非均匀分布，在轴心处最大，而在光纤纤芯折射率呈非均匀分布，在轴心处最大，而在光纤横截面内沿半径方向逐渐减小，在纤芯与包层的界面横截面内沿半径方向逐渐减小，在纤芯与包层的界面上降至包层折射率上降至包层折射率n2。W型光纤（双包层光纤）型光纤（双包层光纤）在纤芯与包层之间设有一折射率低于包层的缓冲层，使包层在纤芯与包层之间设有一折射率低于包层的缓冲层，使包层折射率介于纤芯和缓冲层之间。折射率介于纤芯和缓冲层之间。本讲稿第十六页，共六十三页6.2.2 光纤的导光原理光纤的导光原理分析光纤的导光原理，一般可采用两种方分析光纤的导光原理

13、，一般可采用两种方法：一种是波动理论法，另一是射线法。法：一种是波动理论法，另一是射线法。波动理论法是根据电磁场理论，分析其传输特波动理论法是根据电磁场理论，分析其传输特性。性。光可用一条表示光的传播方向的几何线来表示，光可用一条表示光的传播方向的几何线来表示，这条几何线就称为光射线。用光射线来研究光这条几何线就称为光射线。用光射线来研究光波传输特性的方法，称为射线法。波传输特性的方法，称为射线法。本讲稿第十七页，共六十三页1光的反射和折射光的反射和折射当光射线射到两种介质交界面时，将发生当光射线射到两种介质交界面时，将发生反射和折射。反射和折射。n1n2n1n2123入射折射反射本讲稿第十八

14、页，共六十三页光的全反射光的全反射 当光从光密物质（折射率大的物质）入射进当光从光密物质（折射率大的物质）入射进光疏物质（折射率小大的物质）时。光疏物质（折射率小大的物质）时。当入射角大于临界角。当入射角大于临界角。本讲稿第十九页，共六十三页光射到两种介质交界面时，将发生反射和折射。光射到两种介质交界面时，将发生反射和折射。当光从光密物质照射到光疏物质时，且入射角当光从光密物质照射到光疏物质时，且入射角满足满足 c90时，会发生全反射现象。时，会发生全反射现象。为什么需要纤芯的折射率大于包层的折射率？为什么需要纤芯的折射率大于包层的折射率？归纳思考归纳思考本讲稿第二十页，共六十三页光线在阶跃型

15、光纤中的传播示意图光线在阶跃型光纤中的传播示意图结论结论：1、阶跃型光纤就是利用光波的全反射原理、阶跃型光纤就是利用光波的全反射原理2、光波在纤芯中以、光波在纤芯中以“之之”字形向前传播。字形向前传播。2阶跃型光纤的传输原理阶跃型光纤的传输原理本讲稿第二十一页，共六十三页数值孔径数值孔径表示光纤的捕捉光线能力的大小。表示光纤的捕捉光线能力的大小。NA是表示光纤特性的重要数，它反映光纤与光源等元件耦合时的耦合是表示光纤特性的重要数，它反映光纤与光源等元件耦合时的耦合效率。若纤芯和包层的相对折射率差越大，效率。若纤芯和包层的相对折射率差越大，NA值就越大，即光纤的集值就越大，即光纤的集光能力就越强

16、。光能力就越强。接收锥接收锥NA=光纤的数值孔径与光纤的几何尺寸光纤的数值孔径与光纤的几何尺寸无关，只与纤芯和包层两者的折射无关，只与纤芯和包层两者的折射率差有关。率差有关。本讲稿第二十二页，共六十三页n14n13n12n11n11n12n13n14结论：结论：渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化利用光的反射和折射利用光的反射和折射光线在其中以一条近似于正弦型的曲线向前传播光线在其中以一条近似于正弦型的曲线向前传播3渐变型光纤的传输原理渐变型光纤的传输原理本讲稿第二十三页，共六十三页6.2.3 单模传输条件单模传输条件单模光纤是在给定的工作波长上，只传单模光纤是在给定的

17、工作波长上，只传输单一模式的光纤。输单一模式的光纤。单模光纤需要满足什么条件？单模光纤需要满足什么条件？本讲稿第二十四页，共六十三页1归一化频率归一化频率V归一化频率是为表征光纤中所能传播的模式数目多少归一化频率是为表征光纤中所能传播的模式数目多少而引入的一个特征参数。其方程为：而引入的一个特征参数。其方程为：其中，其中，是光纤的纤芯半径；是光纤的纤芯半径；是光纤的工作波长；是光纤的工作波长；n1和和n2 分别是光纤的纤芯和包层折射率；分别是光纤的纤芯和包层折射率；k0 真空中的波数；真空中的波数；光纤的相对折射率差。光纤的相对折射率差。单模传输条件：单模传输条件：0V2.405本讲稿第二十五

18、页，共六十三页2截止波长截止波长 当当V取取2.405时，叫归一化截止频率时，叫归一化截止频率Vc。当当V=Vc 时对应的波长时对应的波长c称为截止波长，它给出了保证单模传称为截止波长，它给出了保证单模传输的光波长范围，输的光波长范围，c。通过计算可算得单模光纤的截止波长大约在通过计算可算得单模光纤的截止波长大约在1.1m左右，要左右，要实现单模传输，光的波长要大于截止波长，所以光纤的三个实现单模传输，光的波长要大于截止波长，所以光纤的三个工作窗口中工作窗口中0.85m这个波长不能用于单模光纤。这个波长不能用于单模光纤。本讲稿第二十六页，共六十三页6.2.4 光纤的传输特性光纤的传输特性光纤的

19、传输特性指的是光信号在光纤中传光纤的传输特性指的是光信号在光纤中传输所表现出来的特性，主要包括损耗特性输所表现出来的特性，主要包括损耗特性和色散特性。和色散特性。本讲稿第二十七页，共六十三页1光纤的损耗特性光纤的损耗特性定义定义光信号在光纤内传播，随着距离的增大，能量会越来越弱，其中一部分光信号在光纤内传播，随着距离的增大，能量会越来越弱，其中一部分能量在光纤内部被吸收，一部分可能突破光纤纤芯的束缚，辐射到了光能量在光纤内部被吸收，一部分可能突破光纤纤芯的束缚，辐射到了光纤外部，这叫做光纤的传输损耗（或传输衰减）。纤外部，这叫做光纤的传输损耗（或传输衰减）。损耗系数损耗系数(单位：单位：dB/

20、km)Pi和和Po分别为入射光功率和出射光功率（分别为入射光功率和出射光功率（mW或或W）损耗系数是光纤传输系统中限制光信号中继传输距离的重要因损耗系数是光纤传输系统中限制光信号中继传输距离的重要因素之一。素之一。光纤损耗大致可以分为光纤损耗大致可以分为吸收损耗、散射损耗和其他损耗吸收损耗、散射损耗和其他损耗。本讲稿第二十八页，共六十三页光纤的传输损耗影响光信号的中继距离。光纤的传输损耗影响光信号的中继距离。光纤损耗可以分为吸收损耗、散射损耗和其他损光纤损耗可以分为吸收损耗、散射损耗和其他损耗。耗。为什么光纤的工作窗口选择为什么光纤的工作窗口选择0.85m、1.31m、1.55m？归纳思考归纳

21、思考本讲稿第三十页，共六十三页光纤损耗的大小与波长有密切的关系，损耗与波长的关系曲线叫光纤损耗的大小与波长有密切的关系，损耗与波长的关系曲线叫做光纤的损耗谱。做光纤的损耗谱。石英光纤的损耗谱石英光纤的损耗谱 本讲稿第三十一页，共六十三页2.光纤的色散特性光纤的色散特性光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。模式色散模式色散模式色散是指即使同一波长的光，若其模式不同，则传播速率也不同，从而引起色散，模式色散是指即使同一波长的光，若

22、其模式不同，则传播速率也不同，从而引起色散，又称为模间色散，只存在于多模光纤中。又称为模间色散，只存在于多模光纤中。色度色散色度色散光源的光谱中不同波长成分的光在传输过程中发生群延时，引起光脉冲光源的光谱中不同波长成分的光在传输过程中发生群延时，引起光脉冲展宽，主要包括材料色散和波导色散。展宽，主要包括材料色散和波导色散。偏振模色散偏振模色散偏振模色散是由于光信号传输会产生两个方向的偏振模，当光纤在光信号传输的偏振模色散是由于光信号传输会产生两个方向的偏振模，当光纤在光信号传输的两个方向上的折射率不同而产生的色散叫做偏振模色散。两个方向上的折射率不同而产生的色散叫做偏振模色散。本讲稿第三十二页

23、，共六十三页色散主要包括模式色散、色度色散和偏振模色散色散主要包括模式色散、色度色散和偏振模色散三种。三种。对于多模光纤，主要是模式色散。对于多模光纤，主要是模式色散。对于单模光纤，不存在模式色散，主要是材料色对于单模光纤，不存在模式色散，主要是材料色散。散。损耗和色散对于光脉冲传输中的影响有什么不损耗和色散对于光脉冲传输中的影响有什么不同？同？归纳思考归纳思考本讲稿第三十三页，共六十三页6.2.5 光缆光缆“光缆是为了满足光学、机光缆是为了满足光学、机械或环境的性能规范而制械或环境的性能规范而制造的，它是利用置于包覆造的，它是利用置于包覆护套中的一根或多根光纤护套中的一根或多根光纤作为传输媒

24、质并可以单独作为传输媒质并可以单独或成组使用的通信线缆组或成组使用的通信线缆组件件”。本讲稿第三十四页，共六十三页1.光缆的结构光缆的结构光缆的基本结构一般由缆芯、加强构件、光缆的基本结构一般由缆芯、加强构件、填充物和护层等几部分构成，除了这些基填充物和护层等几部分构成，除了这些基本结构之外，根据实际需要还要有防水层、本结构之外，根据实际需要还要有防水层、缓冲层、绝缘金属导线等构件。缓冲层、绝缘金属导线等构件。本讲稿第三十五页，共六十三页（1）缆芯）缆芯为了进一步保护光缆，增加光纤的强度，一般将带有涂敷层的光纤再套上一为了进一步保护光缆，增加光纤的强度，一般将带有涂敷层的光纤再套上一层塑料层，

25、通常称为套塑。将套塑后且满足机械强度要求的单根或者多根光纤层塑料层，通常称为套塑。将套塑后且满足机械强度要求的单根或者多根光纤芯线芯线 以不同的形式组合起来，就形成了缆芯。以不同的形式组合起来，就形成了缆芯。光缆缆芯的基本结构大体上有层绞式、骨架式、束管式和带状式四种。光缆缆芯的基本结构大体上有层绞式、骨架式、束管式和带状式四种。本讲稿第三十六页，共六十三页（2）加强构件）加强构件加强构件的作用事增加光缆的抗拉强度，提高光缆的机械性能。一般光缆的加强构加强构件的作用事增加光缆的抗拉强度，提高光缆的机械性能。一般光缆的加强构件采用镀锌钢丝、钢丝绳、不锈钢或者高强度塑料加强构件等。一般加强构件位于

26、件采用镀锌钢丝、钢丝绳、不锈钢或者高强度塑料加强构件等。一般加强构件位于光缆的中心，也有位于护层的，叫做护层加强构件。光缆的中心，也有位于护层的，叫做护层加强构件。（3）护层结构）护层结构护层的主要作用是保护缆芯，提高机械性能和防护性能。不同的护层结护层的主要作用是保护缆芯，提高机械性能和防护性能。不同的护层结构适合不同的敷设条件。构适合不同的敷设条件。光缆的护层分为外护层和护套两部分，护套用来防止钢带、加强构件等光缆的护层分为外护层和护套两部分，护套用来防止钢带、加强构件等金属构件损伤光纤；外护层进一步增强光缆的保护作用。金属构件损伤光纤；外护层进一步增强光缆的保护作用。（4）填充结构）填充

27、结构填充结构用来提高光缆的防潮性能，在光缆缆间空隙中注入填充物，以防止水汽进填充结构用来提高光缆的防潮性能，在光缆缆间空隙中注入填充物，以防止水汽进入光缆。入光缆。本讲稿第三十七页，共六十三页2光缆的种类光缆的种类（1）根据传输性能、距离和用途光缆可分为市话光缆、长途光缆、）根据传输性能、距离和用途光缆可分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆。海底光缆和用户光缆。（2）按光纤的种类可分为多模光缆和单模光缆。）按光纤的种类可分为多模光缆和单模光缆。（3）按光纤套塑方法可分为紧套光缆、松套光缆、束管式光缆和带）按光纤套塑方法可分为紧套光缆、松套光缆、束管式光缆和带状多芯单元光缆。状多芯单元光缆

28、。（4）按光纤芯数可分为单芯光缆、双芯光缆、四芯光缆、六芯光）按光纤芯数可分为单芯光缆、双芯光缆、四芯光缆、六芯光缆、八芯光缆、十二芯光缆、二十四芯光缆等。缆、八芯光缆、十二芯光缆、二十四芯光缆等。（5）按加强件配置方法可分为中心加强构件光缆、分散加强构件光）按加强件配置方法可分为中心加强构件光缆、分散加强构件光缆、护层加强构件光缆。缆、护层加强构件光缆。（6）按敷设方式可分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆。）按敷设方式可分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆。本讲稿第三十八页，共六十三页（7）按护层材料性质可分为聚乙烯护层普通光缆、聚氯乙烯护层阻燃光缆和尼龙）按护层材料性质可分为

29、聚乙烯护层普通光缆、聚氯乙烯护层阻燃光缆和尼龙防蚁防鼠光缆。防蚁防鼠光缆。（8）按传输导体、介质状况可分为无金属光缆、普通光缆和综合光缆。）按传输导体、介质状况可分为无金属光缆、普通光缆和综合光缆。（9）按结构方式可分为扁平结构光缆、层绞结构光缆、骨架式结构光缆、铠）按结构方式可分为扁平结构光缆、层绞结构光缆、骨架式结构光缆、铠装结构光缆和高密度用户光缆等。装结构光缆和高密度用户光缆等。（10）目前通信用光缆可分为）目前通信用光缆可分为室室(野野)外光缆外光缆用于室外直埋、管道、槽道、隧道、架空及水下敷设的光用于室外直埋、管道、槽道、隧道、架空及水下敷设的光缆。缆。软光缆软光缆具有优良的曲挠性

30、能的可移动的光缆。具有优良的曲挠性能的可移动的光缆。室室(局局)内光缆内光缆用于室用于室(局局)内布放的光缆。内布放的光缆。设备内光缆设备内光缆用于设备内布放的光缆。用于设备内布放的光缆。海底光缆海底光缆用于跨海洋敷设的光缆。用于跨海洋敷设的光缆。特种光缆特种光缆除上述几类之外，作特殊用途的光缆。除上述几类之外，作特殊用途的光缆。本讲稿第三十九页，共六十三页本讲稿第四十页，共六十三页光缆的基本结构包括缆芯、加强构件、填充物和护层等。光缆的基本结构包括缆芯、加强构件、填充物和护层等。不同敷设方式的光缆结构上应有什么不同？不同敷设方式的光缆结构上应有什么不同？为什么会有不同种类的光缆？为什么会有不

31、同种类的光缆？归纳思考归纳思考本讲稿第四十一页，共六十三页6.3 光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统由光端机、光缆和中继器组成。光纤通信系统由光端机、光缆和中继器组成。光发送机与光接收机统称为光端机。光发送机与光接收机统称为光端机。光发送部分传输部分光接收部分电端机电端机光端机中继器光缆光源光端机光缆光检测器光源光检测器本讲稿第四十二页，共六十三页光发送机的主要作用光发送机的主要作用将电端机送来的数字基带电信号变换为光信号，并耦合进光纤线路中进行传将电端机送来的数字基带电信号变换为光信号，并耦合进光纤线路中进行传输。光发送机中的光源是整个系统的核心器件。输。光发送机中的光源是整个系统的核心器

32、件。光接收机的主要作用光接收机的主要作用将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生成与发送端相同的电信号，输入到号，并对电信号进行放大、整形、再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端机，光接收机中关键器件是半导体光检测器。电接收端机，光接收机中关键器件是半导体光检测器。中继器的主要作用中继器的主要作用可对微弱的光信号直接进行放大的器件，其主要功能是提供光信号的增益，可对微弱的光信号直接进行放大的器件，其主要功能是提供光信号的增益，以补偿光信号在传输过程中的衰减，增加传输系统

33、无中继距离。以补偿光信号在传输过程中的衰减，增加传输系统无中继距离。本讲稿第四十三页，共六十三页6.3.1 光源与光发送机光源与光发送机1光源光源 光纤通信中用到的光源有半导体激光器（光纤通信中用到的光源有半导体激光器（LD）和发光二极管）和发光二极管（LED）两种，发光二极管用于短距离、低速光纤通信系统，）两种，发光二极管用于短距离、低速光纤通信系统，光纤通信干线的光源均为半导体激光器。光纤通信干线的光源均为半导体激光器。光纤通信系统对通信用光源的要求是光纤通信系统对通信用光源的要求是（1）发光波长与光纤的低损耗窗口相符）发光波长与光纤的低损耗窗口相符（2）有足够的光输出功率）有足够的光输出

34、功率（3）可靠性高、寿命长）可靠性高、寿命长（4）温度特性好；光谱宽度窄）温度特性好；光谱宽度窄（5）调制特性好）调制特性好（6）与光纤的耦合效率高，体积小、重量轻等。）与光纤的耦合效率高，体积小、重量轻等。本讲稿第四十四页，共六十三页2光发送机光发送机 线路编码电路将数字电信号编码转换为适合光信道传输的线路码型，线路编码电路将数字电信号编码转换为适合光信道传输的线路码型，调制电路将数字电信号通过光源调制转换为光信号，并送到光缆线调制电路将数字电信号通过光源调制转换为光信号，并送到光缆线路进行传输，控制电路实现由于器件老化或者温度变化时稳定激光路进行传输，控制电路实现由于器件老化或者温度变化时

35、稳定激光器的输出功率。器的输出功率。本讲稿第四十五页，共六十三页6.3.2 光电检测器与光纤数字接收机光电检测器与光纤数字接收机 1半导体光电检测器半导体光电检测器它的功能是实现光信号转换为电信号，常用的它的功能是实现光信号转换为电信号，常用的光电检测器分为光电检测器分为PIN光电检测器和光电检测器和APD雪崩光电雪崩光电二极管两种。二极管两种。光纤通信系统对光电检测器的基本要求是：光纤通信系统对光电检测器的基本要求是：（1）在系统的工作波长上具有足够高的响应度（对）在系统的工作波长上具有足够高的响应度（对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流）一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流）

36、（2）具有足够快的响应度）具有足够快的响应度（3）具有尽可能低的噪声）具有尽可能低的噪声（4）具有良好的线性关系）具有良好的线性关系（5）具有较小的体积、较长的工作寿命）具有较小的体积、较长的工作寿命 本讲稿第四十六页，共六十三页2光接收机光接收机光电光电检测器检测器前置前置放大器放大器主放大器主放大器均衡器均衡器判决器判决器线路线路解码解码解扰解扰接口接口码型码型变换变换时钟提取时钟提取自动增益自动增益控制电路控制电路AGCAGC光纤光纤输出码型变换电路输出码型变换电路光接收放大电路光接收放大电路本讲稿第四十七页，共六十三页本讲稿第四十八页，共六十三页6.3.3中继器中继器作用作用光脉冲信号

37、从发送机输出经光纤传输若干距离光脉冲信号从发送机输出经光纤传输若干距离后，由于光纤损耗和色散的影响，光脉冲信号后，由于光纤损耗和色散的影响，光脉冲信号的幅度受到衰减，波形出现失真，为此就要在的幅度受到衰减，波形出现失真，为此就要在光信号传输一定距离时，加设一个中继器，以光信号传输一定距离时，加设一个中继器，以放大衰减信号，恢复失真的波形，使光脉冲得放大衰减信号，恢复失真的波形，使光脉冲得到再生。到再生。种类种类中继器分为光中继器分为光-电电-光中继器和光中继器两种光中继器和光中继器两种。本讲稿第四十九页，共六十三页光信号通过光发射机送到光缆传输，中间经过中继器光信号通过光发射机送到光缆传输，中

38、间经过中继器进行信号波形修整、再生、放大后，继续传输，直到进行信号波形修整、再生、放大后，继续传输，直到传到接收机。传到接收机。光端机中为什么需要码型变换？光端机中为什么需要码型变换？归纳思考归纳思考本讲稿第五十页，共六十三页6.3.4 光纤通信系统的码型光纤通信系统的码型光纤线路编码的必要性光纤线路编码的必要性电端机码型一般为三元码，即以电端机码型一般为三元码，即以“1”和和“0”去分别对应正、去分别对应正、负和零电平。光源不可能发射负的光脉冲，因而，其负和零电平。光源不可能发射负的光脉冲，因而，其线路码型一般只考虑二电平码，即采用光脉冲的线路码型一般只考虑二电平码，即采用光脉冲的“有有”和

39、和“无无”来表示二进制码中的来表示二进制码中的“1”和和“0”。常用光纤线路码型常用光纤线路码型（1）分组码（）分组码（mBnB码）码）（2）插入码（）插入码（mB1X码）码）本讲稿第五十一页，共六十三页6.4 SDH6.4.1 SDH的产生的产生6.4.2 SDH的帧格式和速率的帧格式和速率6.4.3 SDH的基本网络单元的基本网络单元本讲稿第五十二页，共六十三页6.4.1 SDH的产生的产生同步数字系列（同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）的研究工作始于的研究工作始于1986年，其目的是建立光纤通信的通年，其目的是建立光纤通信的通用标准。用标准

40、。美国贝尔通信研究所最先提出了光同步传输网的概美国贝尔通信研究所最先提出了光同步传输网的概念，并称之为同步光网络（念，并称之为同步光网络（SONET）。）。国际电话电报咨询委员会（国际电话电报咨询委员会（CCITT），于），于1988年接年接受了受了SONET的概念，重新命名为同步数字系列的概念，重新命名为同步数字系列（SDH），建立了世界性的统一标准。），建立了世界性的统一标准。本讲稿第五十三页，共六十三页6.4.2 SDH的帧格式和速率的帧格式和速率用于网络的运行、管理、维护及指配指示净负荷区域内的信息首字节在STM-N帧内的准确位置，以便接收时能正确分离净负荷。真正用于电信业务的比特本讲

41、稿第五十四页，共六十三页SDH等级速率kbit/sSDH等级速率kbit/sSTM-1155 520STM-162 488 320STM-4622 080STM-649 953 280STM-25639813120STM-051840本讲稿第五十五页，共六十三页6.4.3 SDH的基本网络单元的基本网络单元SDH的基本网络单元有终端复用设备的基本网络单元有终端复用设备（TM）、分）、分/插复用设备（插复用设备（ADM）、再生）、再生中继设备（中继设备（REG）、同步数字交叉连接设）、同步数字交叉连接设备（备（SDXC）。）。本讲稿第五十六页，共六十三页部分部分SDH设备图片设备图片RSM-15

42、5SRSM-155S光传输系统光传输系统本讲稿第五十七页，共六十三页本讲稿第五十八页，共六十三页6.5 WDM光纤通信经过光纤通信经过30多年的发展，系统的传输速率提高，多年的发展，系统的传输速率提高，线路的利用率得到了很大提高，但与光纤巨大的带宽线路的利用率得到了很大提高，但与光纤巨大的带宽潜力相比这点带宽还微不足道。潜力相比这点带宽还微不足道。为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的要求，产生了各种复用技术。性、灵活性的要求，产生了各种复用技术。空分复用空分复用SDM 时分复用时分复用TDM 光波分复用光波分复用 WDM本讲稿

43、第五十九页，共六十三页6.5.1 光波分复用的基本概念光波分复用的基本概念WDM技术基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来，并耦合技术基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号分开，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。号分开，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。本讲稿第六十页，共六十三页6.5.2 光波分复用的特点光波分复用的特点（1）充分利用光纤的巨大带宽资源）充分利用光纤的巨大带宽资源（2）同时传输多种不同类型的信号）同时传输多种不同

44、类型的信号（3）节省线路投资）节省线路投资（4）降低器件的超高速要求）降低器件的超高速要求（5）高度的组网灵活性、）高度的组网灵活性、经济性和可靠性经济性和可靠性（6）IP的传送通道的传送通道本讲稿第六十一页，共六十三页6.6 全光网络全光网络全光网是指信息从源节点到目的节点的传输完全在全光网是指信息从源节点到目的节点的传输完全在光域上进行，即全部采用光波技术完成信息的传输光域上进行，即全部采用光波技术完成信息的传输和交换的宽带网络。它包括光传输、光放大、光再和交换的宽带网络。它包括光传输、光放大、光再生、光选路、光交换、光存储、光信息处理等先进生、光选路、光交换、光存储、光信息处理等先进的全光技术。的全光技术。本讲稿第六十二页，共六十三页6.7 实做项目及教学情境实做项目及教学情境实做项目一：认识光缆结构实做项目一：认识光缆结构实做项目二：考察光缆通信线路实做项目二：考察光缆通信线路实做项目三：利用熔接机进行光纤熔接实做项目三：利用熔接机进行光纤熔接实做项目四：利用实做项目四：利用OTDR进行光纤测量进行光纤测量本讲稿第六十三页，共六十三页