单元二 话音在光纤通信系统中的传输任务3 认识光通信器件教

1、2022-4-201单元二单元二 话音在光纤通信系统中的传输话音在光纤通信系统中的传输任务任务3 认识光通信器件认识光通信器件教学活动教学活动 光通信器件功能和工作原理及其性能指标。光通信器件功能和工作原理及其性能指标。2022-4-202第第4章章 数字光纤通信系统数字光纤通信系统 本章重点内容是：本章重点内容是：1. 光纤通信的特点；光纤通信的特点；2光纤通信系统的基本组成；光纤通信系统的基本组成；3光纤的结构和分类、光纤的导光原理及主要工作特性；光纤的结构和分类、光纤的导光原理及主要工作特性；4光源、光检测器、光无源器件的工作原理和工作特性光源、光检测器、光无源器件的工作原理和工作特性5

2、光端机的基本组成及各部分的主要作用；光端机的基本组成及各部分的主要作用；6SDH的基本特点；的基本特点；7SDH的标准速率与帧结构；的标准速率与帧结构；8我国我国SDH的复用结构；的复用结构；9SDH网中的复用设备和数字交叉连接器；网中的复用设备和数字交叉连接器；10SDH网络结构。网络结构。2022-4-2034.1 数字光纤通信系统概述数字光纤通信系统概述4.1.1光纤通信发展史和现状光纤通信发展史和现状1、探索时期的光通信、探索时期的光通信: 中国古代用中国古代用“烽火台烽火台”报警，欧洲人用旗语传报警，欧洲人用旗语传送信息，送信息， 这些都可以看作是原始形式的光通信。这些都可以看作是原

3、始形式的光通信。 1880年，美国人贝尔年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载发明了用光波作载波传送话音的波传送话音的“光电话光电话”。光电话证明了用光波作。光电话证明了用光波作为载波传送信息的可行性。贝尔光电话是现代光通为载波传送信息的可行性。贝尔光电话是现代光通信的雏型。信的雏型。 2022-4-204 1960年，美国人梅曼年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红发明了第一台红宝石激光器，宝石激光器， 给光通信带来了新的希望。给光通信带来了新的希望。 激光具有激光具有波谱宽度窄，方向性极好，波谱宽度窄，方向性极好， 亮度极高，亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性以及频率和相位

4、较一致的良好特性。 继红宝石激光器之后，氦继红宝石激光器之后，氦氖氖(He - Ne)激光器、激光器、二氧化碳二氧化碳(CO2)激光器先后出现，并投入实际应用。激光器先后出现，并投入实际应用。 激光器的发明和应用，激光器的发明和应用， 使光通信进入一个崭新的阶使光通信进入一个崭新的阶段。段。 2022-4-2052 2、现代光纤通信、现代光纤通信 19661966年，英籍华裔学者高锟指出了利用光纤年，英籍华裔学者高锟指出了利用光纤(Optical Fiber)(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信径，奠定了现代光通信光纤通信的

5、基础。光纤通信的基础。 1970 1970 年，光纤研制取得了重大突破。美国康年，光纤研制取得了重大突破。美国康宁宁(Corning)(Corning)公司就研制成功损耗公司就研制成功损耗20 dB/km20 dB/km的石英的石英光纤。光纤。 1973 1973 年，美国贝尔年，美国贝尔(Bell)(Bell)实验室取得了更大实验室取得了更大成绩，光纤损耗降低到成绩，光纤损耗降低到2.5dB/km2.5dB/km。 1976 1976 年，日本电报电话年，日本电报电话(NTT)(NTT)公司将光纤损耗公司将光纤损耗降低到降低到0.47 dB/km(0.47 dB/km(波长波长1.2m)1.

6、2m)。2022-4-2063 3、光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：、光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段： 第一阶段第一阶段(1966-1976(1966-1976年年) )，这是从基础研究到商，这是从基础研究到商业应用的开发时期。实现了短波长业应用的开发时期。实现了短波长(0.85m)(0.85m)低速率低速率(45(45或或34Mb/s)34Mb/s)多模光纤通信系统。多模光纤通信系统。 第二阶段第二阶段(1976-1986(1976-1986年年) )，这是以提高传输速率，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发

7、展时期。时期。 光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长(0.85m)(0.85m)发展到长波长发展到长波长(1.31m(1.31m和和1.55m)1.55m)。 第三阶段第三阶段(1986-1996(1986-1996年年) )，这是以超大容量超长，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，实现了个时期，实现了1.55m1.55m色散移位单模光纤通信系统。色散移位单模光纤通信系统。实验室可以达到更高水平。实验室可以达到更高水平。2022-4-2074.1.2 光纤通信的特点和应用光

8、纤通信的特点和应用 在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，作为传输介质的光纤又比同轴电缆波频率高得多，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。波通信，光纤通信具有许多独特的优点。 1. 容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大 单波长光纤通信系统的传输速率一般为单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5 Gb/s和和10 Gb/s。波分复用。波分复用(WDM)和光时分复用和光时分复用(TDM)更是极大地增加了传输容量

9、，更是极大地增加了传输容量， 见下表见下表 。2022-4-208通信手段 传输容量(话路)/条 中继距离/km 1000 km内中继器个数 微波无线电 960 5020小同轴 9604250中同轴 180061600光缆 19203033光缆 14000(1Gb/s)8411光缆 6000(445MB/S)1347表表 光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较 2022-4-209 2. 损耗很小，损耗很小， 中继距离很长且误码率很小中继距离很长且误码率很小 石英光纤在石英光纤在1.31 m和和1.55 m波长，波长， 传输损耗分传输损耗分别为别为0.50

10、 dB/km和和0.20 dB/km，甚至更低。因此，用，甚至更低。因此，用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多，见表。光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多，见表。 传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点，传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点，使光纤通信系统不仅适合于长途干线网而且适合于接使光纤通信系统不仅适合于长途干线网而且适合于接入网的使用，入网的使用， 这也是降低每公里话路的系统造价的这也是降低每公里话路的系统造价的主要原因。主要原因。2022-4-2010 3. 重量轻、重量轻、 体积小体积小 光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在光纤重量很轻，直径很小。即使做成光

11、缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。表给光缆和标准同轴电缆的重量和截积也小得多。表给光缆和标准同轴电缆的重量和截面积的比较。面积的比较。 项目 8 芯 18 芯 光缆 电缆 光缆 电缆 重量/(kgm-1) 重量比 0.42 16.3150.4211126直径/mm 截面积比 211475211659.6表表 光缆和电缆的重量和截面积比较光缆和电缆的重量和截面积比较 2022-4-2011 4. 抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的

12、干扰和闪电雷击的损坏。不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。 5. 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好 在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。因此信息在光纤中传输非常安全。地段也无法窃听。因此信息在光纤中传输非常安全。 6. 节约金属材料，节约金属材料， 有利于资源合理使用。有利于资源合理使用。 2022-4-2012 总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，由图可见，随着传输容量的增加，由于采用了性，由图可见，随着传输容量的增加，由于采用了新的传输媒质，新的传输媒质， 使得相对造价直线下

13、降。使得相对造价直线下降。平行双绞线电缆同轴电缆微波10210103104105106101102103104105系统/话路公里相对造价话路数/条光缆图图 各种通信系统相对造价与传输容量的比较各种通信系统相对造价与传输容量的比较 2022-4-2013 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤通信的各种应用可概括如下：光纤通信的各种应用可概括如下： 通信网，包括全球通信网、各国的公共电信网、通信网，包括全球通信网、各国的公共电信网、各种专用通信网、特殊通信手段。各种专用通信网、特殊通信手段。 构成因特网的计算机局域网和广域网，如光纤构成因特网的

14、计算机局域网和广域网，如光纤以太网、以太网、 路由器之间的光纤高速传输链路。路由器之间的光纤高速传输链路。 有线电视网的干线和分配网；工业电视系统，有线电视网的干线和分配网；工业电视系统，如工厂、如工厂、 银行、商场、交通和公安部的监控。银行、商场、交通和公安部的监控。 综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源接入网，接入网， 可实现电话、数据、视频可实现电话、数据、视频(会议电视、可视会议电视、可视电话等电话等)及多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样及多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样的社区服务。的社区服务。 2022-4-20144.1.3 光

15、纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 1、发射和接收发射和接收 下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。 信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本光纤传输系统光纤线路接 收发 射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出图图 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成光纤通信系统组成演示光纤通信系统组成演示2022-4-2015信息源：信息源：把用户信息转换为原始电信号，这种信号称把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。为基带信号。电发射机：电发射机：

16、把基带信号转换为适合信道传输的信号，把基带信号转换为适合信道传输的信号，这个转换如果需要调制，这个转换如果需要调制， 则其输出信号称为已调信号。则其输出信号称为已调信号。光发射机：光发射机：输入到光发射机带有信息的电信号，通过输入到光发射机带有信息的电信号，通过调制转换为光信号。调制转换为光信号。光接收机：光接收机：光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。光接收机把光信号转换为电信号。 电接收机：电接收机：功能和电发射机的功能相反。功能和电发射机的功能相反。2022-4-2016 2 2、基本光纤传输系统、基本光纤传输系统 基本光纤

17、传输系统作为独立的基本光纤传输系统作为独立的“光信道光信道”单元。单元。 有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间 加入光发射机、光纤线路和光接收机，再配置适当的加入光发射机、光纤线路和光接收机，再配置适当的 光器件，光器件， 可以组成传输能力更强、功能更完善的光可以组成传输能力更强、功能更完善的光 纤通信系统。纤通信系统。 下面简要介绍基本光纤传输系统的三个组成部分。下面简要介绍基本光纤传输系统的三个组成部分。2022-4-2017光发射机：光发射机： 光发射机的功能：光发射机的功能：把输入电信号转换为光信号，把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术

18、把光信号最大限度地注入光纤线路。并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。 光发射机组成：光发射机组成：由光源、由光源、 驱动器和调制器组成。驱动器和调制器组成。 光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上取决于光源的特性。取决于光源的特性。 光源种类：光源种类：半导体发光二极管半导体发光二极管(LED)、半导体激、半导体激光二极管光二极管(或称激光器或称激光器)(LD)， 单纵模分布反馈单纵模分布反馈(DFB)激光器。激光器。2022-4-2018光纤线路：光纤线路： 光纤线路功能光纤线路功能：是把来自光发射机的光信号，以：是把来自光发射机的光信号

19、，以尽可能小的失真和衰减传输到光接收机。尽可能小的失真和衰减传输到光接收机。 光纤线路组成光纤线路组成：由光纤、光纤接头和光纤连接器：由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。组成。 光纤基本要求光纤基本要求：损耗和色散这两个传输特性参数：损耗和色散这两个传输特性参数都尽可能地小，都尽可能地小， 有足够好的机械特性和环境特性。有足够好的机械特性和环境特性。 石英光纤分类石英光纤分类：多模光纤和单模光纤。：多模光纤和单模光纤。 单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。光纤便宜，因而得到更广泛的应用。 单模光纤适合大容量长距离光纤

20、传输系统，小容单模光纤适合大容量长距离光纤传输系统，小容量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更加量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更加合适。合适。2022-4-2019光接收机：光接收机： 光接收机的功能光接收机的功能：是把从光纤线路输出、产生：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。和处理后恢复成发射前的电信号。 光接收机组成光接收机组成：由光检测器、：由光检测器、 放大器和相关电放大器和相关电路组成路组成 光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求光检测器是光接收机的核心。对

21、光检测器的要求是响应度高、是响应度高、 噪声低和响应速度快。噪声低和响应速度快。 光检测器种类光检测器种类： 光电二极管光电二极管(PIN - PD)、雪崩光、雪崩光电二极管电二极管(APD)。 光发射机与光接收机组成演示光发射机与光接收机组成演示 2022-4-2020光接收机最重要的特性参数是光接收机最重要的特性参数是灵敏度灵敏度。 灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，它灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，它反映接收机调整到最佳状态时，反映接收机调整到最佳状态时， 接收微弱光信接收微弱光信号的能力。号的能力。 灵敏度主要取决于组成光接收机的光电二极灵敏度主要取决于组成光接收机的光电二极管和

22、放大器的噪声，并受传输速率、光发射机的管和放大器的噪声，并受传输速率、光发射机的参数和光纤线路的色散的影响，还与系统要求的参数和光纤线路的色散的影响，还与系统要求的误码率或信噪比有密切关系。误码率或信噪比有密切关系。 所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的重要指标。重要指标。 2022-4-20214.2 光缆光缆 为了使光纤能在工程中实用化，能承受工程为了使光纤能在工程中实用化，能承受工程中拉伸、中拉伸、 侧压和各种外力作用侧压和各种外力作用, 还要具有一定的还要具有一定的机械强度才能使性能稳定。机械强度才能使性能稳定。 因此因此, 将光纤制成不将光纤制成不

23、同结构、不同形状和不同种类的光缆以适应光纤同结构、不同形状和不同种类的光缆以适应光纤通信的需要。通信的需要。 光缆主要由缆芯、护套和加强元件组成。光缆主要由缆芯、护套和加强元件组成。 2022-4-2022 缆芯缆芯 缆芯是由光纤芯组成的缆芯是由光纤芯组成的, 它可分为单芯和多芯两种。单它可分为单芯和多芯两种。单芯型缆芯和多芯型缆芯结构的比例如表芯型缆芯和多芯型缆芯结构的比例如表 。 单芯型由单根二次涂覆处理后的光纤组成。单芯型由单根二次涂覆处理后的光纤组成。 多芯型由多根经二次涂覆处理后的光纤组成多芯型由多根经二次涂覆处理后的光纤组成, 它又分为它又分为带状结构和单位式结构。带状结构和单位式

24、结构。 强度元件强度元件 由于光纤的材料比较脆由于光纤的材料比较脆, 容易断裂容易断裂, 在光缆内中心或四周在光缆内中心或四周要加一根或多根加强元件。要加一根或多根加强元件。 护层护层 光缆的护层主要是对已形成的光纤芯线起保护作用光缆的护层主要是对已形成的光纤芯线起保护作用, 避避免受外部机械力和环境损坏。免受外部机械力和环境损坏。2022-4-2023 2022-4-2024 光缆的种类光缆的种类 在公用通信网中用的光缆结构如表所示。在公用通信网中用的光缆结构如表所示。 2022-4-2025下面介绍几种有代表性的光缆结构形式。下面介绍几种有代表性的光缆结构形式。 (1) 层绞式光缆。层绞式

25、光缆。 它是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞它是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞合在一起的一种结构合在一起的一种结构, 如图如图(a)所示。特点是成本所示。特点是成本低低, 芯线数不超过芯线数不超过10根。根。 (2) 单位式光缆。单位式光缆。 它是将几根至十几根光纤芯线集合成一个它是将几根至十几根光纤芯线集合成一个单位单位, 再由数个单位以强度元件为中心绞合成缆再由数个单位以强度元件为中心绞合成缆, 如图如图(b)所示所示, 其芯线数一般适用于几十芯。其芯线数一般适用于几十芯。 2022-4-2026(3) 骨架式光缆。骨架式光缆。 这种结构是将单根或多根光纤放入骨架的螺这种结构是将单根

26、或多根光纤放入骨架的螺旋槽内旋槽内, 骨架中心是强度元件骨架中心是强度元件, 骨架上的沟槽可以是骨架上的沟槽可以是V型、型、U型或凹型型或凹型, 如图如图(c)所示。光纤具有耐侧压、抗所示。光纤具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。弯曲、抗拉的特点。 (4) 带状式光缆。带状式光缆。 它是将它是将412根光纤芯线排列成行根光纤芯线排列成行, 构成带状光纤构成带状光纤单元单元, 再将多个带状单元按一定方式排列成缆再将多个带状单元按一定方式排列成缆, 如图如图(d)所示。这种光缆的结构紧凑所示。这种光缆的结构紧凑, 采用此种结构可做成采用此种结构可做成上千芯的高密度用户光缆。上千芯的高密度用户光缆。 2

27、022-4-2027光纤加强构件光纤单位加强构件加强构件塑料骨架光纤防热层综合护套光纤带加强构件(a)(b)(c)(d) 图图 (a) 层绞式；层绞式； (b) 单位式；单位式； (c) 骨架式；骨架式； (d) 带状带状2022-4-20284.2.3 通信用光器件通信用光器件1.光源：光源：光源器件是光纤通信设备的核心，它的作用是光源器件是光纤通信设备的核心，它的作用是将电信号转换成光信号送入光纤。将电信号转换成光信号送入光纤。 光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和半导体发光二极管两种。半导体发光二极管两种。 半导体激光器（半导体激光器（LD）主

28、要适用于长距离大容量主要适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。速、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。 发光二极管（发光二极管（LED）其制造工艺简单、成本低、其制造工艺简单、成本低、可靠性好，适用于短距离、低码速的数字光纤通信系可靠性好，适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统。统，或者是模拟光纤通信系统。2022-4-2029激光器的工作原理：激光器的工作原理： 半导体激光器是向半导体P-N结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的

29、正反馈，实现光放大而产生激光振荡输出激光。那么如何实现粒子数反转分布及如何构成具有正反馈的谐振腔。激光器的特性激光器的特性 ：1）激光器的P-I特性：激光器输出光功率（P）和注入电流（I）的关系，即激光器的P-I曲线上。2）光谱特性：是指激光器输出的光功率随波长的变化情况，一般用光源谱线宽度来表示。 2022-4-20303）功率转换效率）功率转换效率 激光器的的输出光功率与器件消耗的电功率之比 。半导体激光器的功率转换效率约为4050%。4）温度特性）温度特性 激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性为温度特性。激光器的阈值电流和使用时间也有关系。随着激光器使用时间的增加，阈值电流也会逐

30、渐加大。2022-4-20312022-4-20322光电检测器光电检测器 光电检测器是光纤通信系统的另一个核心器件，主要完成光信号到电信号的转换功能，要具有灵敏度高、响应时间短、噪声小、功耗低、可靠性高等优点。 光电检测器有两种类型，一种是PIN光电二极管（PIN-PD)；另一种是雪崩光电二极管（APD）。PIN 光电二极管主要应用于短距离、小容量的光纤通信系统中；APD主要应用于长距离、大容量的光纤通信系统中。 2022-4-2033光电检测器的工作原理：光电检测器的工作原理： 光电二极管PD由半导体P-N结组成，利用光电效应原理完成光电转换。光电检测器特性：光电检测器特性： 响应度：响应

31、度：在一定波长的光照射下，光电检测器的平均输出电流与入射的平均光功率之比称为响应度。量子效率：量子效率：响应度是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性，量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏度特性。 2022-4-2034响应时间：响应时间：速度是指半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态。APD的倍增因子：的倍增因子：APD的倍增因子实际上是电流增益系数，定义为有倍增时光电流的平均值与无倍增时光电流的平均值之比。 2022-4-20353、无源光器件、无源光器件 在光纤通信的传输系统中，在传输线路中还需要在光纤通信的传输系统中，在传输线路中还需要各种辅助器件以实现光纤与光纤之间或光纤与光端机各种辅助器件以实现光纤与光纤之间或光纤与光端机之间的连接、耦合、合分路、线路倒换以及保护等多之间的连接、耦合、合分路、线路倒换以及保护等多种功能。种功能。 主要的无源器件有光纤连接器、光缆连接器、光纤主要的无源器件有光纤连接器、光缆连接器、光纤耦合器、光开关、光复用器耦合器、光开关、光复用器(合波器和分波器合波器和分波器)、光分路、光分路器、光隔离器、光衰耗器、光滤波器等等器、光隔离器、光衰耗器、光滤波器等等 2022-4-2036（1）光纤连接器