第4章光电信息技术应用-3

1、4.2 光电控制光电控制4.2.1 光电继电器光电继电器4.2.2 光电遥控光电遥控 4.2.3 光纤开关光纤开关 由光电信息转换器件控制通与断开的继电器由光电信息转换器件控制通与断开的继电器称为称为光电继电器光电继电器。 4.2.1 光电继电器 一继电器原理 继电器是低压电路控制高压电器通与不通的联接器件。继电器是低压电路控制高压电器通与不通的联接器件。 继电器结构及工作原理如图继电器结构及工作原理如图4.2.11所示。所示。 继电器的电路符号如图继电器的电路符号如图4.2.12所示。所示。 光电继电器是用光控制继电器工作，从原理上讲，可光电继电器是用光控制继电器工作，从原理上讲，可归纳为归

2、纳为亮通亮通和和暗通暗通电路两类。电路两类。 1亮通光电控制电路亮通光电控制电路 当有光线照射于光当有光线照射于光电器件上时，使继电器电器件上时，使继电器有足够的电流而动作，有足够的电流而动作，这种电路称为这种电路称为亮通亮通光电光电控制电路，也叫控制电路，也叫明通明通控控制电路。最简单的亮通制电路。最简单的亮通电路如图电路如图4.2.13所示。所示。 如果光电继电器不受如果光电继电器不受光照时能使继电器动作，光照时能使继电器动作，而受光照时继电器释放，而受光照时继电器释放，则称它为则称它为暗通暗通控制电路。控制电路。 另一种方法是在亮通电路的基础上加一级倒相器，另一种方法是在亮通电路的基础上

3、加一级倒相器，也可完成暗通电路的作用。也可完成暗通电路的作用。 要说明的是，亮通和暗通是相对而言的，以上分要说明的是，亮通和暗通是相对而言的，以上分析都是假定继电器高压开关工作在常开状态，如工作析都是假定继电器高压开关工作在常开状态，如工作在常闭状态，则亮通和暗通也就反过来了。在常闭状态，则亮通和暗通也就反过来了。2暗通光电控制电路暗通光电控制电路 电子开关的种类很多，但一般的电子开关都适电子开关的种类很多，但一般的电子开关都适合在低压区工作，如晶体三极管、场效应管、合在低压区工作，如晶体三极管、场效应管、光电耦合器和门电路等；光电耦合器和门电路等； 适合高压区工作的电子开关有单向可控硅、双适

4、合高压区工作的电子开关有单向可控硅、双向可控硅和高压场效应管等。向可控硅和高压场效应管等。 二二 用电子开关替代继电器用电子开关替代继电器 电子开关不能完全隔断高压区，为了隔断高压区和低电子开关不能完全隔断高压区，为了隔断高压区和低压区，可以使用光电耦合双向可控硅或联合使用光电耦合压区，可以使用光电耦合双向可控硅或联合使用光电耦合器和双向可控硅。器和双向可控硅。 二二 用电子开关替代继电器用电子开关替代继电器 二二 用电子开关替代继电器用电子开关替代继电器1 双向可控硅基本结构双向可控硅基本结构三三 双向可控硅触发电路双向可控硅触发电路 双向可控硅基本结构如图所示。有两个主电极双向可控硅基本结

5、构如图所示。有两个主电极T T1 1、T T2 2（T T2 2是电位参考电极）和一个门极。它可以看成是一对反并联的普是电位参考电极）和一个门极。它可以看成是一对反并联的普通可控硅晶体管。图中通可控硅晶体管。图中 (a)(a)为基本结构，为基本结构，(b)(b)为双向可控硅的符为双向可控硅的符号，号，(c)(c)为双向可控硅型号的部颁标准。为双向可控硅型号的部颁标准。2. 双向可控硅特性曲线双向可控硅特性曲线工作在第一象工作在第一象限有二种触发限有二种触发方式方式1和和1；工作在第三象工作在第三象限有二种触发限有二种触发方式方式3和和3。双向可控硅特性曲线如图所双向可控硅特性曲线如图所示。从图

6、中可知，高压的正示。从图中可知，高压的正电压和反电压都能使可控硅电压和反电压都能使可控硅导通，只要导通，只要GG对对T T2 2加触发电加触发电压，正向触发电压和反向触压，正向触发电压和反向触发电压都能使可控硅导通，发电压都能使可控硅导通，但导通时可控硅两端有压降但导通时可控硅两端有压降存在，导通电流越大，压降存在，导通电流越大，压降越大，显然，消耗的功率也越大，显然，消耗的功率也大，这时，一定要采取散热大，这时，一定要采取散热措施。措施。 11332. 双向可控硅特性曲线双向可控硅特性曲线 双向可控硅有四种触发方式，双向可控硅有四种触发方式， 1触发形式：触发形式：T1对对T2加正加正电压，

7、电压，G对对T2加正电压；加正电压； 1触发形式：触发形式：T1对对T2加正加正电压，电压，G对对T2加负电压；加负电压； 3触发形式：触发形式：T1对对T2加负加负电压，电压，G对对T2加正电压；加正电压； 3触发形式：触发形式：T1对对T2加负加负电压，电压，G对对T2加负电压；加负电压；3双向可控硅的触发方式双向可控硅的触发方式 双向可控硅使用时，一般采用第一和第三象限的双向可控硅使用时，一般采用第一和第三象限的组合。组合。4 双向可控硅触发电路双向可控硅触发电路说明：说明：(a) S合上时，可控硅导通，触发方式是合上时，可控硅导通，触发方式是1+-3-(b) S打向打向1，电路关断；，

8、电路关断； S打向打向2，R2上得半波电压；上得半波电压；S打向打向3，可控硅全波导通。触发方式是，可控硅全波导通。触发方式是1+-3-(c) 直流电触发，触发方式是直流电触发，触发方式是1-3-(d) P1.1=1时，可控硅导通；触发方式是时，可控硅导通；触发方式是1-3-(e) P1.1=1时，可控硅导通；触发方式是是时，可控硅导通；触发方式是是1+-3+ 1 路灯、霓虹灯的自动控制路灯、霓虹灯的自动控制电路电路(a) 光照光照光敏电阻阻值变小光敏电阻阻值变小继电器继电器J动作动作常闭点常闭点J1断开断开灯灯GY熄灭；熄灭； 如要求路灯控制灵敏，可如要求路灯控制灵敏，可采用图采用图4.2.

9、18 (b)的电路。的电路。 (b) 光照光照光敏三极管阻值变小光敏三极管阻值变小晶体管晶体管BG1基极电位升高基极电位升高BG1截止截止BG2导通导通继继电器电器J动作动作常闭点常闭点J1断开断开接触器线圈接触器线圈JC无电无电常开触常开触点点JC1断开断开灯灯GY熄灭；熄灭；四四. 光电继电器应用光电继电器应用 防止闪电等短时干扰的路灯控制电路防止闪电等短时干扰的路灯控制电路 光 照 硒 光 电 池光 照 硒 光 电 池G G B G 1 饱 和饱 和BG2截止截止BG3导导通通BG4导通导通继电继电器器J动作动作常闭点常闭点J1断开断开接触器线圈接触器线圈JC无电无电常开触点常开触点JC

10、1断开断开灯灯GY熄熄灭；灭；反之，路灯反之，路灯GY亮。亮。 印刷机纸张监控器可以自动监测每次印刷的纸张是否印刷机纸张监控器可以自动监测每次印刷的纸张是否为一张，如果不是一张则发出报警讯响，停止印刷，为一张，如果不是一张则发出报警讯响，停止印刷，待整理好纸张后，再开始工作。待整理好纸张后，再开始工作。 2 印刷机纸张监控器印刷机纸张监控器 光电管透过纸张感受灯泡光电管透过纸张感受灯泡D发出的光发出的光光电管在强光光电管在强光下电阻为数千欧，弱光下为数兆欧下电阻为数千欧，弱光下为数兆欧 单、双张纸透光率为单、双张纸透光率为1：2。 单张纸时，调整电位器单张纸时，调整电位器W，使，使a点电位高于

11、转换电压点电位高于转换电压F1输出为低电位、输出为低电位、F2输出为高电位输出为高电位三极管饱和导三极管饱和导通通继电器继电器J0吸合、常闭点吸合、常闭点J0-1断开断开不报警。不报警。 双张纸时，双张纸时，a点电位低于转换电压点电位低于转换电压F1输出为高电位、输出为高电位、F2输出为低电位输出为低电位三极管截止三极管截止继电器继电器J0不吸合、常不吸合、常闭点闭点J0-1闭合闭合产生报警。产生报警。工作原理要点工作原理要点3 光控电焊眼罩光控电焊眼罩 液晶屏液晶屏P代替防护玻璃，提高工作效率。代替防护玻璃，提高工作效率。 光敏电阻光敏电阻RD1、RD2。 当没有光照射到当没有光照射到RD2

12、时时 RD2电压高于基准电压电压高于基准电压 比较器输出低电平比较器输出低电平 三极管三极管BG截止截止 液晶屏液晶屏P是透是透明的；明的； 当有光照射到当有光照射到RD2时时 RD2电压低于基准电压电压低于基准电压 比比较器输出高电平较器输出高电平 三极管三极管BG饱和导通饱和导通 液晶屏液晶屏P在在电压作用下液晶发生偏转电压作用下液晶发生偏转透光度大大减小透光度大大减小保护眼保护眼睛。睛。 RD1的作用是在不同的光强下稳定的作用是在不同的光强下稳定RD2两端的电压值。两端的电压值。工作原理要点工作原理要点4. 汽车车灯全自动控制器汽车车灯全自动控制器 强、弱光等自动控制。强、弱光等自动控制

13、。 根据检测到的光强度，自动完成车灯开启或关闭、车根据检测到的光强度，自动完成车灯开启或关闭、车灯的强弱档控制、远近光控制等。灯的强弱档控制、远近光控制等。 一个手握的光电遥控发射机可发射一束较宽的光束，这一个手握的光电遥控发射机可发射一束较宽的光束，这光束里含有控制功能的编码信号；光束里含有控制功能的编码信号； 此编码信号被远置的光电遥控接收机检测并被译码，从此编码信号被远置的光电遥控接收机检测并被译码，从而实现光电遥控的目的。而实现光电遥控的目的。 键盘编码器产生指令信号；键盘编码器产生指令信号； 编码波形发生器的载波约为编码波形发生器的载波约为30kHz。 输出级驱动输出级驱动LED完成

14、电完成电-光转换。光转换。 光敏二极管完成光光敏二极管完成光-电转换；电转换； 译码器完成指令译码。译码器完成指令译码。 此图描绘了一个基本的六比特多通道系统。此图描绘了一个基本的六比特多通道系统。 信号波形是由一个宽度为信号波形是由一个宽度为8ms的重复性的数据帧组成；的重复性的数据帧组成； 每个比特调制在大约每个比特调制在大约30kHz的频率上。的频率上。3光电遥控中的编码波形光电遥控中的编码波形 490/922光电遥控系统。采用光电遥控系统。采用SL490集成芯片的光电发射机集成芯片的光电发射机电路如图电路如图4.2.25所示所示 采用采用SL486集成芯片的光电接收机电路如图集成芯片的

15、光电接收机电路如图4.2.26所示所示 采用采用ML922集成芯片的接收机译码电路如图集成芯片的接收机译码电路如图4.2.27所示。所示。 是光学纤维的简称。光学纤维是一种带涂料的透是光学纤维的简称。光学纤维是一种带涂料的透明细丝，通常由芯料（玻璃）加涂层（玻璃）组成。明细丝，通常由芯料（玻璃）加涂层（玻璃）组成。 在光纤中间设置障碍或破坏光纤的全反射条在光纤中间设置障碍或破坏光纤的全反射条件，使光纤出射端输出的光能量衰减。从而控制电子开关，件，使光纤出射端输出的光能量衰减。从而控制电子开关，实现对各类电器的控制。实现对各类电器的控制。 在光纤中间设置障碍或破坏光纤的全在光纤中间设置障碍或破坏

16、光纤的全反射条件，使光纤出射端输出的光能量衰减。从而反射条件，使光纤出射端输出的光能量衰减。从而控制电子开关，实现对各类电器的控制。控制电子开关，实现对各类电器的控制。 图（图（a）中，当手按下开关按钮时，光路被阻断，光线不）中，当手按下开关按钮时，光路被阻断，光线不通，当手离开按钮时，光路又接通，这样，输出端就可检通，当手离开按钮时，光路又接通，这样，输出端就可检测到信号的变化，从而发出控制信号。测到信号的变化，从而发出控制信号。 图（图（b）中是光纤双向拨动开关，当开关拨向）中是光纤双向拨动开关，当开关拨向A时，光纤就时，光纤就与与1号光纤接通，当开关拨向号光纤接通，当开关拨向B时，光纤就

17、与时，光纤就与2号线接通。号线接通。 1 直接型光纤开关直接型光纤开关 这种开关的光纤是连续的，只是改变其光在传播途中这种开关的光纤是连续的，只是改变其光在传播途中的全反射条件，使光纤输出端的输出能量有所改变；的全反射条件，使光纤输出端的输出能量有所改变； 输出端的光电接收装置只要测出所接收能量的变化，输出端的光电接收装置只要测出所接收能量的变化，并加以比较判别，最后送出控制信号。并加以比较判别，最后送出控制信号。 光纤开关寿命长，安全可靠，抗干扰强，尤其适合于光纤开关寿命长，安全可靠，抗干扰强，尤其适合于潮湿、高温、强电磁干扰等应用场合；潮湿、高温、强电磁干扰等应用场合； 开关可以完全浸在液

18、体中也能工作，也可安装到远离开关可以完全浸在液体中也能工作，也可安装到远离控制系统的地方。控制系统的地方。 开关成本较高。开关成本较高。 4.3光纤通信光纤通信 光纤通信系统的基本组成如图光纤通信系统的基本组成如图4.3.1-1所示，主要由所示，主要由3部分构成：光发送机，光纤传输线及光接收机。部分构成：光发送机，光纤传输线及光接收机。 光发送机光发送机电发送机电发送机电接收机电接收机光接收机光接收机中继器中继器4.3.1 光纤通信原理及构成光纤通信原理及构成 图图4.3.1-1光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 （Optical fiber）是由纯石英拉制而成的高度是由纯石英拉制而

19、成的高度透明的玻璃丝。透明的玻璃丝。 光纤基本由光纤基本由3部分组成：部分组成：1、折射率略高的纤芯；、折射率略高的纤芯；2、折射率略低的包层；折射率略低的包层；3、表面涂层。、表面涂层。 ab纤芯纤芯包层包层涂层涂层图4.3.1-2光纤的横截面示意图 根据纤芯折射率径向分布的不同，光纤可分为根据纤芯折射率径向分布的不同，光纤可分为折射折射率分布光纤和率分布光纤和折射率分布光纤，如图折射率分布光纤，如图4.3.1-3所示。所示。 (a) 阶跃折射率分布光纤阶跃折射率分布光纤 (b) 渐变折射率分布光纤渐变折射率分布光纤 图图4.3.1-3纤芯折射率径向分布纤芯折射率径向分布2a2bn1n2n0

20、r2a2bn1n2n0r 光纤的导光原理可用射线理论与导波理论两种方法进行光纤的导光原理可用射线理论与导波理论两种方法进行分析。这里，仅对阶跃折射率分布光纤的射线理论分析方分析。这里，仅对阶跃折射率分布光纤的射线理论分析方法进行介绍。法进行介绍。 图图4.3.1-4表示光波在阶跃折射率分布光纤中的传播路径。表示光波在阶跃折射率分布光纤中的传播路径。 图图4.3.1-4光波在阶跃折射率分布光纤中的传播路径光波在阶跃折射率分布光纤中的传播路径 n2n1n0ir 一束光线以与光纤轴线成的角度入射到芯区中心，在一束光线以与光纤轴线成的角度入射到芯区中心，在光纤光纤空气界面发生折射，折射光与光纤轴线的夹

21、角空气界面发生折射，折射光与光纤轴线的夹角由斯涅耳定律决定由斯涅耳定律决定 4.3.1-1 折射光到达纤芯折射光到达纤芯包层界面时，若入射角大于包层界面时，若入射角大于临界角时，将发生全反射，若包层折射率为，则定义临界角时，将发生全反射，若包层折射率为，则定义为为 4.3.1-2式中，和分别为空气和纤芯的折射率。式中，和分别为空气和纤芯的折射率。 rinnsinsin1012/sinnnc 所有的光线都将被限制在光纤芯中，这就是光纤导所有的光线都将被限制在光纤芯中，这就是光纤导光的基本原理。光的基本原理。 光纤有两个重要的特性，一个是损耗特性，一个是色光纤有两个重要的特性，一个是损耗特性，一个

22、是色散特性，决定了光纤通信系统的容量。散特性，决定了光纤通信系统的容量。 用衰减系数表示光纤的衰减特性，定义为用衰减系数表示光纤的衰减特性，定义为 4.3.1-5dB/km )/lg(inoutPPL10图图4.3.1-5单模光纤的损耗谱特性单模光纤的损耗谱特性 色散对通信容量（比特率色散对通信容量（比特率距离积）的限制。设发送信号距离积）的限制。设发送信号的比特率为的比特率为B，相应比特间隔为，相应比特间隔为 在多模光纤中，由不同模式携带的光的传播常数不同，即在多模光纤中，由不同模式携带的光的传播常数不同，即在光纤中的传播速度不同。这样，一个窄的脉冲经过一段在光纤中的传播速度不同。这样，一个

23、窄的脉冲经过一段光纤传输后，将被展宽，产生码间干扰，这种现象称为光光纤传输后，将被展宽，产生码间干扰，这种现象称为光纤的纤的。 对于单模光纤，用色散参数来描述色散的程度，代表两个对于单模光纤，用色散参数来描述色散的程度，代表两个波长间隔波长间隔1nm的光波在光纤中传输的光波在光纤中传输1km距离后的时迟差。距离后的时迟差。 ，光纤长度为，光纤长度为 如果光源发射波长范围为如果光源发射波长范围为 则时迟差则时迟差 为为 LTDLT ，则应有，则应有 对容量的限制为对容量的限制为 BTB/ 1BTT1BLD 光发送机的功能是将来自电发送机的电脉冲信号变换光发送机的功能是将来自电发送机的电脉冲信号变

24、换成光脉冲信号，并以数字光纤通信系统传输性能所要成光脉冲信号，并以数字光纤通信系统传输性能所要求的光脉冲信号波形耦合到光源组件的尾纤中。求的光脉冲信号波形耦合到光源组件的尾纤中。 二、光发送机二、光发送机输入接口线路编码调制电路控制电路光源电信号输入光信号输出在数字光纤通信系统中，普遍采用二进制二电平在数字光纤通信系统中，普遍采用二进制二电平码，有光脉冲表示码，有光脉冲表示“1”码，无光脉冲表示码，无光脉冲表示“0”码。码。对来自电端机的信号进行线路编码，主要目的是：对来自电端机的信号进行线路编码，主要目的是： (1) 限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。限制信号带宽，减小功率谱中的高低频

25、分量。 (2) 尽可能减少连尽可能减少连“1” 码和码和“0”码的数目，使码的数目，使“1” 码码和和“0”码均匀分布，保证定时提取。码均匀分布，保证定时提取。(3) 具有检错及纠错能力，则需要在编码中加入冗余码，具有检错及纠错能力，则需要在编码中加入冗余码，但要占用一定的频带。但要占用一定的频带。数字光纤通信系统常用的线路码型有扰码、数字光纤通信系统常用的线路码型有扰码、mBnB码、插入码等。码、插入码等。 1、线路编码、线路编码 目前的光纤通信系统采用半导体激光器（目前的光纤通信系统采用半导体激光器（LD）作为光）作为光源，在低通信容量系统中，也可选用源，在低通信容量系统中，也可选用LED

26、做光源。做光源。 电信号转换为光信号的调制方式有电信号转换为光信号的调制方式有调制与调制与调制。调制。 在低速率系统中，可以采取在低速率系统中，可以采取直接调制方式直接调制方式，即用电信，即用电信号直接调制半导体光源的驱动电流，如图号直接调制半导体光源的驱动电流，如图4.3.1-7所示，所示，输出光功率随驱动电流而变化。输出光功率随驱动电流而变化。 在高速系统中，要采用专用的外调制器。在高速系统中，要采用专用的外调制器。2、光源与调制电路、光源与调制电路 (a) LED数字调制数字调制 (b) LD数字调制数字调制图图4.3.1-7直接光强数字调制原理直接光强数字调制原理IP输入电信号输出光信

27、号IP输入电信号输出光信号Ith Ib 光接收机作用：将来自光纤的光信号转换成电信号，光接收机作用：将来自光纤的光信号转换成电信号，恢复光载波所携带的原信号。恢复光载波所携带的原信号。 1 0 1 0 1 1主放大器峰值检波均衡器判决再生高压直流变换器前置放大AGC定时提取APD光信号电信号1、光电检测器、光电检测器 作用：光信号转换成电信号。作用：光信号转换成电信号。 类型：类型：PIN光电二极管和光电二极管和APD雪崩光电二极管；雪崩光电二极管； PIN管没有增益，管没有增益，APD有有10-200倍增益；倍增益； 2、前置放大器、前置放大器 作用：信号预放大。作用：信号预放大。 类型：低

28、噪声、宽带放大器；类型：低噪声、宽带放大器； 3、主放大器、主放大器 作用：信号放大到判决器所需要的电平，一般作用：信号放大到判决器所需要的电平，一般1-3V。 均衡器的作用：对主放大器输出的失真的数字脉冲信均衡器的作用：对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使之成为最有利于判决、码间干扰最小号进行整形，使之成为最有利于判决、码间干扰最小的波形，通常为升余弦波，其表达式为：的波形，通常为升余弦波，其表达式为：为滚降因子。为滚降因子。式中，式中，t为时间变量，为时间变量，为一个码元所占的时间为一个码元所占的时间 时隙，时隙， 2o21cossin)(BBBBTtTttTtTthBT4、均衡

29、器、均衡器图图4.3.1-9波峰处码间干扰为零波峰处码间干扰为零TBt 当均衡器输出为升余弦波形时，发送机发送的基带数字当均衡器输出为升余弦波形时，发送机发送的基带数字脉冲信号，只要是按时隙脉冲信号，只要是按时隙 发送码元，则在均衡器输发送码元，则在均衡器输出信号的波峰处不会发生前后码元的干扰。出信号的波峰处不会发生前后码元的干扰。BT 均衡器输出的由升余弦波所组成的数字脉冲信号送到均衡器输出的由升余弦波所组成的数字脉冲信号送到判决再生电路进行判决再生电路进行“”和和“”。 判决即是用一判决电平与均衡器输出信号进行比较，判决即是用一判决电平与均衡器输出信号进行比较，以确定某时隙码元为以确定某时

30、隙码元为“1”还是为还是为“0” 。 如判断为如判断为“1”码，则由再生电路重新产生一个矩形码，则由再生电路重新产生一个矩形“1”脉冲，若判断为脉冲，若判断为“0”码，则输出一个码，则输出一个“0”。 判决再生电路的输出端得到一个由矩形脉冲组成的数判决再生电路的输出端得到一个由矩形脉冲组成的数字脉冲序列，它和发送端发出的数字脉冲信号基本是字脉冲序列，它和发送端发出的数字脉冲信号基本是一致的。一致的。 5、判决再生与定时提取、判决再生与定时提取 AGC放大器是自动增益控制电路的一个组成部分。放大器是自动增益控制电路的一个组成部分。 作用：控制主放大器的增益，从而使均衡器输出幅度作用：控制主放大器

31、的增益，从而使均衡器输出幅度稳定的升余弦波，保证码元判决的正确性。稳定的升余弦波，保证码元判决的正确性。6、峰值检波器与、峰值检波器与AGC放大器放大器1、 误码率误码率 （bit error ratio，BER）是数字光接收机的）是数字光接收机的性能标准，是指判决再生电路输出码元出现错误的概率。性能标准，是指判决再生电路输出码元出现错误的概率。 TB1TB2TB3V0sVdV1sV(t)V1(t)V0(t)V0(t)t数字光接收机的指标：数字光接收机的指标：2、 灵敏度灵敏度 数字光接收机的数字光接收机的灵敏度灵敏度定义为：在保证一定误码率的定义为：在保证一定误码率的条件下，光接收机所需接收

32、的最小光功率。条件下，光接收机所需接收的最小光功率。 通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统。数字通信采通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统。数字通信采用再生的方法，可以消除噪声累积，传输距离比较长。用再生的方法，可以消除噪声累积，传输距离比较长。 取样、量化、编码的过程称为取样、量化、编码的过程称为，简称，简称PCM，由脉冲编码进行通信称为脉冲编码通信，这是目前数字通信由脉冲编码进行通信称为脉冲编码通信，这是目前数字通信的主要方式。的主要方式。 光纤具有很宽的频带资源，可传送高速大容量信息，但传送光纤具有很宽的频带资源，可传送高速大容量信息，但传送音频信号仅需音频信号仅需64kbit/

33、s的速率，很不经济。可以通过复用的的速率，很不经济。可以通过复用的方法同时传送多路信号。在单根光纤中可以用方法同时传送多路信号。在单根光纤中可以用3种复用方法种复用方法方法提高通信容量，即时分复用、波分复用及频分复用。方法提高通信容量，即时分复用、波分复用及频分复用。 （Time Division Multiplexing，TDM），是将不同信），是将不同信道的信号在时间上交替排列组合成复合比特流。道的信号在时间上交替排列组合成复合比特流。4.3.2光纤通信系统光纤通信系统 例如，对于例如，对于64kbit/s的单音频信道，比特间隔约为的单音频信道，比特间隔约为15 s（=125 s/8），若

34、将其他），若将其他64kbit/s比特流延迟比特流延迟3 s插入，就可插入插入，就可插入5个这样的信道个这样的信道 图图4.3.2-1显示了显示了320 kbit/s的复合比特流。的复合比特流。 图图4.3.2-1 5个个64kbit/s数字音频信道的时分复用数字音频信道的时分复用 15 s3 st振振幅幅231452314523145 表表4.3.2-1即为按此复合方法合成的群路等级体系中即为按此复合方法合成的群路等级体系中4个不同群路的比特率。个不同群路的比特率。表表4.3.2-1数字通信系统群路等级及其标准比特率数字通信系统群路等级及其标准比特率 群路等级标准话路数比特率/Mbit/s

35、北美欧洲日本北美欧洲日本基群2430241.5442.0481.544二次群96120966.3128.4486.312三次群67248048044.73634.36832.046四次群13341920144090139.24697.728 如图如图4.3.1-5所示，单模光纤具有非常宽的带宽。在所示，单模光纤具有非常宽的带宽。在1.3m （1.251.35m）波段和）波段和1.55m（1.501.60m）波段，都具有高达）波段，都具有高达100nm的低损耗的低损耗传输范围。传输范围。 另一方面，作为光源的半导体激光器的线宽已小于另一方面，作为光源的半导体激光器的线宽已小于0.1nm，因此，在

36、一根单模光纤中，可同时传输多个，因此，在一根单模光纤中，可同时传输多个不同波长的信号。不同波长的信号。 （Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术正是基于这种思想，通过在一根单模光）技术正是基于这种思想，通过在一根单模光纤中传输多个信道信号，来大幅度增加通信容量的。纤中传输多个信道信号，来大幅度增加通信容量的。 图图4.3.2-2为一单向传输的为一单向传输的WDM系统原理框图。系统原理框图。 复复用用器器解解复复用用器器光放光放大器大器光接收光接收机机1 1光接收光接收机机2 2光接收光接收机机n n光发送光发送机机1 1光发送光发送机机2 2光发送光发送

37、机机n n122nn11122nn1 1 2n2n光纤光纤 波分复用系统的核心部件是波分复用器件，即复用器波分复用系统的核心部件是波分复用器件，即复用器和解复用器（也称合波器与分波器）。和解复用器（也称合波器与分波器）。 这里介绍闪烁光栅波分复用器。这里介绍闪烁光栅波分复用器。图图4.3.2-3 闪烁光栅波分复用器闪烁光栅波分复用器12341 234光纤光纤透镜透镜闪烁光栅闪烁光栅 1、 复用器复用器/解复用器解复用器说明：说明： 当不同波长的入射光从同一角度照射到光栅上后，由当不同波长的入射光从同一角度照射到光栅上后，由于光栅的色散作用，不同波长的光将以不同的角度反于光栅的色散作用，不同波长

38、的光将以不同的角度反射，然后经透镜会聚到不同的输出光纤，实现解复用射，然后经透镜会聚到不同的输出光纤，实现解复用的功能；的功能； 反过来，可以完成光波的复用功能。反过来，可以完成光波的复用功能。 闪烁光栅波分复用器具有优良的波长选择性，波长的闪烁光栅波分复用器具有优良的波长选择性，波长的间隔可以小于间隔可以小于1nm，复用信道数已达，复用信道数已达120路。其隔离路。其隔离度也较好，当波长间隔为度也较好，当波长间隔为 1nm时可以达到时可以达到 55dB。缺。缺点是插入损耗较大，通常为点是插入损耗较大，通常为38dB。 宽带宽的光放大器可以对多信道信号同时放大，而不需宽带宽的光放大器可以对多信

39、道信号同时放大，而不需要进行解复用；要进行解复用； 光放大器的问世推动了光放大器的问世推动了DWDM技术的快速发展。技术的快速发展。 目前应用最广泛的光放大器是掺铒光纤放大器目前应用最广泛的光放大器是掺铒光纤放大器(Er Doped Fiber Amplifier，EDFA)，其特点是高增益、低，其特点是高增益、低噪声、能放大不同速率和调制方式的信号，而且带宽很噪声、能放大不同速率和调制方式的信号，而且带宽很宽，能在几十纳米范围内同时放大多波长信号。宽，能在几十纳米范围内同时放大多波长信号。 2、 光放大器光放大器 EDFA 主要由掺铒光纤主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、光、泵浦光

40、源、耦合器、光隔离器及光滤波器组成，结构如图隔离器及光滤波器组成，结构如图4.3.2-4所示。所示。 图图4.3.2-4 掺铒光纤放大器结构掺铒光纤放大器结构 信号光耦合器光隔离器掺铒光纤光隔离器光滤波器输出光泵浦光说明：说明： 光耦合器的作用是将信号光和泵浦光复合在一起，注入光耦合器的作用是将信号光和泵浦光复合在一起，注入到掺铒光纤中，一般采用波分复用器来实现。到掺铒光纤中，一般采用波分复用器来实现。 光隔离器是用来抑制光反射，防止光放大器自激，确保光隔离器是用来抑制光反射，防止光放大器自激，确保工作稳定。工作稳定。 当较弱的信号光与较强的泵浦光一起输入当较弱的信号光与较强的泵浦光一起输入E

41、DF时，泵浦时，泵浦光激活光激活EDF中的铒离子，跃迁到高能级态；在信号光的中的铒离子，跃迁到高能级态；在信号光的诱导下，铒离子受激辐射，跃迁到基态，产生与信号光诱导下，铒离子受激辐射，跃迁到基态，产生与信号光相同的光子，实现光放大。相同的光子，实现光放大。 须在输出端设置光滤波器，以降低自发辐射噪声。须在输出端设置光滤波器，以降低自发辐射噪声。 在在 EDFA的应用中，需要解决两个问题。的应用中，需要解决两个问题。 增益的平坦化。增益的平坦化。 增益的自动控制。当光纤中信道数由于故障等原因突增益的自动控制。当光纤中信道数由于故障等原因突然减少时，光放大器的增益会突然增加，形成然减少时，光放大

42、器的增益会突然增加，形成“浪浪涌涌”，使信号强度突然提高，接收机码元判决时会出，使信号强度突然提高，接收机码元判决时会出现错误。现错误。 EDFA可以提供可以提供1030dB的增益，输出光功率可的增益，输出光功率可达达10mW100mW，带宽超过，带宽超过40nm，是，是DWDM系统理想的光放大器。系统理想的光放大器。 从拓扑结构看，通信网可分为三类，即点到点、从拓扑结构看，通信网可分为三类，即点到点、点到多点及网络，如图点到多点及网络，如图4.3.3-1所示，分别将结点连接所示，分别将结点连接起来传送信息。起来传送信息。 (a) 点到点点到点 (b) 点到多点点到多点 (c) 网络网络图图4

43、.3.3-1 通信网的三种基本拓扑结构通信网的三种基本拓扑结构 12123N123454.3.3光纤网络系统光纤网络系统 根据网络的规模，可将网络分为三类：根据网络的规模，可将网络分为三类： 1、，是在一个局部地理范围（如一所学校、一，是在一个局部地理范围（如一所学校、一个机关）内将计算机、外部设备数据库等连接起来组个机关）内将计算机、外部设备数据库等连接起来组成的网络，简称成的网络，简称LAN . 2、，是在一个城市范围内所建立的计算机通信，是在一个城市范围内所建立的计算机通信网，简称网，简称MAN。 MAN的一个重要用途是作骨干网的一个重要用途是作骨干网 . 3、，是在一个广泛的地理范围内

44、所建立的计算，是在一个广泛的地理范围内所建立的计算机通信网，简称机通信网，简称WAN。WAN用于通信的传输装置，一用于通信的传输装置，一般由公司或电信部门提供。互连主要采用公用网络和般由公司或电信部门提供。互连主要采用公用网络和专用网络两种。专用网络两种。 1、总线形网络、总线形网络图图4.3.3-2 总线形网络拓扑结构总线形网络拓扑结构 所有参加联网的通信结点，都通过光纤定向耦合器接所有参加联网的通信结点，都通过光纤定向耦合器接在一条光纤数据总线上，构成总线形网络。在一条光纤数据总线上，构成总线形网络。 发送信息时，由发送端（发送信息时，由发送端（T）将光信号通过耦合器耦）将光信号通过耦合器

45、耦合到光纤总线中；合到光纤总线中； 在各接收端（在各接收端（R），通过耦合器将总线中的光信号功），通过耦合器将总线中的光信号功率耦合出一部分。率耦合出一部分。 T RAEC数据总线FDB光传播方向定向耦合器 说明：说明： 如果结点如果结点A想将信息传送给结点想将信息传送给结点B，它只须将信息输送到各，它只须将信息输送到各通信结点共享的数据总线上，此时包括结点通信结点共享的数据总线上，此时包括结点B在内的其他各在内的其他各结点均处于结点均处于“监听监听”状态，监听总线上是否正在传送信息；状态，监听总线上是否正在传送信息； 如果如果B结点发现信息是传送给自己的，就将它接收下来，其结点发现信息是传送

46、给自己的，就将它接收下来，其他结点对该信息不予理睬。他结点对该信息不予理睬。 如果结点如果结点A向结点向结点B传送信息的同时，结点传送信息的同时，结点C也将信息送到也将信息送到共享的数据总线上，欲传送给结点共享的数据总线上，欲传送给结点D，于是在总线上这两个，于是在总线上这两个信息将发生碰撞。信息将发生碰撞。 为了避免发生碰撞，各结点在发送信息之前必须监听一下为了避免发生碰撞，各结点在发送信息之前必须监听一下总线上是否有信息在传送。如果没有，则可以将信息送到总线上是否有信息在传送。如果没有，则可以将信息送到总线上；如果总线上有信息正在传送，则必须等正在传送总线上；如果总线上有信息正在传送，则必

47、须等正在传送的信息传送完之后，方可传送，这个过程称为的信息传送完之后，方可传送，这个过程称为“（Carrier sense）”。 还有一种可能出现的情形是，当结点还有一种可能出现的情形是，当结点A正在向结点正在向结点B传传送信息，此时结点送信息，此时结点C与结点与结点E分别想将信息传送给结点分别想将信息传送给结点D与结点与结点F，根据，根据“载波监听载波监听”法，此时结点法，此时结点C与结点与结点E都不能传送信息。一旦结点都不能传送信息。一旦结点A信息传送完毕，结点信息传送完毕，结点C与结点与结点E都可将信息输送到总线上，显然结点都可将信息输送到总线上，显然结点C与结点与结点E的信息将发生碰撞

48、。因此，结点的信息将发生碰撞。因此，结点C与结点与结点E都必须一都必须一边传送，一边监听总线上有没有发生信息碰撞，这个边传送，一边监听总线上有没有发生信息碰撞，这个方法称为方法称为“（Collision detection）”。 总线形网络的优点是：网络的控制设备简单，无须设总线形网络的优点是：网络的控制设备简单，无须设置全网的控制中心系统；网络中任一通信结点发生故置全网的控制中心系统；网络中任一通信结点发生故障，都不会影响整个网络的正常运行。障，都不会影响整个网络的正常运行。 环形网络的拓扑结构如环形网络的拓扑结构如图图4.3.3-3所示，它是目所示，它是目前用得较多的一种网络前用得较多的一

49、种网络形式。形式。 其特点是网络中每个通其特点是网络中每个通信结点都有两个相邻的信结点都有两个相邻的结点，每个结点都具有结点，每个结点都具有再生中继的功能，都要再生中继的功能，都要执行路由的任务。执行路由的任务。 各结点用光纤各结点用光纤线路连成线路连成环状，可以相互通信环状，可以相互通信。 终端机ABCDEF间接中继器光纤环路光纤图图4.3.3-3 环形网络拓扑结构环形网络拓扑结构 2、环形网络、环形网络 说明：说明： 在环形网络中，信息是按照一个指定方向传输的，信息由在环形网络中，信息是按照一个指定方向传输的，信息由一个结点传给下一个相邻的结点。当信息传送到某个结点一个结点传给下一个相邻的

50、结点。当信息传送到某个结点时，该结点首先要判断一下，该信息是不是传送给本结点时，该结点首先要判断一下，该信息是不是传送给本结点的。如果是，就将信息接收下来；如果不是，就将它再生的。如果是，就将信息接收下来；如果不是，就将它再生后，由中继器传送给下一个结点。后，由中继器传送给下一个结点。 为避免环路上发生碰撞，采用了为避免环路上发生碰撞，采用了(token)传送方法。令传送方法。令牌按一个已定的方向沿环形网传送，由一个结点传送到下牌按一个已定的方向沿环形网传送，由一个结点传送到下一个结点。只有当某一个结点有信息要传送时，该结点才一个结点。只有当某一个结点有信息要传送时，该结点才接受令牌；令牌到达

51、某一个结点时，才允许该结点发送信接受令牌；令牌到达某一个结点时，才允许该结点发送信息。否则，不改变访问控制域内容而往下一个结点传送。息。否则，不改变访问控制域内容而往下一个结点传送。 总之，在环形网络中的各结点上，首先传送令牌，而后传总之，在环形网络中的各结点上，首先传送令牌，而后传送信息，而后再传送令牌，以避免发生信息碰撞。送信息，而后再传送令牌，以避免发生信息碰撞。其特点是有一个中心结点。其特点是有一个中心结点。全网的监控系统就设在中心全网的监控系统就设在中心结点，用来调整整个网络中结点，用来调整整个网络中的信息传输和管理网络的运的信息传输和管理网络的运行情况。行情况。网络中任何一个通信结

52、点必网络中任何一个通信结点必须经过中心结点，才可以将须经过中心结点，才可以将信息传输给其他结点。信息传输给其他结点。各结点通过一根双向传输的各结点通过一根双向传输的光纤线路或两根单向传输的光纤线路或两根单向传输的光纤线路与中心结点相连。光纤线路与中心结点相连。星形网络可采用星形网络可采用“载波监听载波监听多次访问多次访问/ 碰撞检测碰撞检测”方法，方法，避免信号发生碰撞。避免信号发生碰撞。 图图4.3.3-4 星形网络拓扑结构星形网络拓扑结构 终端机ABCDEF结点中心结点光纤3、星形网络、星形网络 4.4 光纤传感器光纤传感器 基于微弯损耗机理的强度调制型传感器的结构如图基于微弯损耗机理的强

53、度调制型传感器的结构如图4.4.1-1所示所示 。由光纤中光功率的数值可得到诸如压力、。由光纤中光功率的数值可得到诸如压力、位移等被测量的大小。位移等被测量的大小。图图4.4.1-1 微弯损耗光纤传感器原理微弯损耗光纤传感器原理光输入光输入光输出光输出变形器变形器多模光纤多模光纤L 设光纤的微弯变形函数为正弦型设光纤的微弯变形函数为正弦型 根据光纤模式理论，可得到根据光纤模式理论，可得到 式中式中D(t) 外界信号导致的弯曲幅度；外界信号导致的弯曲幅度； q 空间频率；空间频率； z 变形点到光纤入射端的距离；变形点到光纤入射端的距离；设光纤微弯变形函数的微弯周期为，则有设光纤微弯变形函数的微

54、弯周期为，则有 的近似表达式的近似表达式: qztDzfsin)()(q/2222/)(2/)(sin)(41LqLqLtKD4.4.1-2 式中式中 比例系数；比例系数； 光纤中光波传播常数差；光纤中光波传播常数差； 光纤中产生微弯变形的长光纤中产生微弯变形的长 度；度；说明：说明： a与光纤弯曲幅度与光纤弯曲幅度D(t)的平方成正比，弯曲幅度越大，模式耦的平方成正比，弯曲幅度越大，模式耦合越严重，损耗就越高。合越严重，损耗就越高。 a还与光纤弯曲变形的长度成正比，作用长度越长，损耗也还与光纤弯曲变形的长度成正比，作用长度越长，损耗也越大。越大。 a与光纤微弯周期有关，当与光纤微弯周期有关，

55、当 时产生谐振，微弯损耗时产生谐振，微弯损耗最大。最大。 因此，从获得最高灵敏度的角度考虑，需要选择合适的微弯因此，从获得最高灵敏度的角度考虑，需要选择合适的微弯周期。周期。KLq光波通过长度为的光纤，其相位延迟为光波通过长度为的光纤，其相位延迟为微分得：微分得： 式中第一项表示光纤长度变化引起的相位差（应式中第一项表示光纤长度变化引起的相位差（应变效应或热胀效应），第二项为光纤折射率变化引起变效应或热胀效应），第二项为光纤折射率变化引起的相位差（光弹效应或热光效应），第三项为光纤芯的相位差（光弹效应或热光效应），第三项为光纤芯径变化引起的相位差（泊松效应）。径变化引起的相位差（泊松效应）。l

56、aalnnlll)( 用于光相位解调的干涉结构有多种，如双光束干涉法、用于光相位解调的干涉结构有多种，如双光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法及环形干涉法等，此处三光束干涉法、多光束干涉法及环形干涉法等，此处主要介绍双光束干涉法。主要介绍双光束干涉法。 双光束光纤干涉仪有迈克尔逊双光束光纤干涉仪有迈克尔逊(Michlson)干涉仪、马干涉仪、马赫赫-陈德尔陈德尔(Mach-Zehnder)干涉仪及斐索干涉仪及斐索(Fizeau)干干涉仪，基本结构如图涉仪，基本结构如图4.4.1-2所示。所示。 光源光源探测器探测器信号臂信号臂参考臂参考臂3dB(a) 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 说明：说明

57、： 光源发射光经光源发射光经3dB光纤耦合器，分成两路分别进入信号臂和光纤耦合器，分成两路分别进入信号臂和参考臂，然后分别被反射回各自的光纤中。参考臂，然后分别被反射回各自的光纤中。 信号臂光纤中传输的光波相位被调制，参考臂光纤中传输信号臂光纤中传输的光波相位被调制，参考臂光纤中传输的光波相位与外界无关；的光波相位与外界无关； 被反射回来的光波在被反射回来的光波在3dB光纤耦合器另一端汇合，产生干涉光纤耦合器另一端汇合，产生干涉条纹，被探测器接收。条纹，被探测器接收。(b) 马赫马赫-陈德尔干涉仪陈德尔干涉仪 说明：说明： 光源发出的相干光由第一个光源发出的相干光由第一个3dB耦合器进入信号臂

58、和参考臂，耦合器进入信号臂和参考臂，在经第二个在经第二个3dB耦合器后在探测器端汇合，产生干涉条纹耦合器后在探测器端汇合，产生干涉条纹 。 优点：克服了反馈光波对光源的影响。优点：克服了反馈光波对光源的影响。光源光源信号臂信号臂3dB探测器探测器3dB参考臂参考臂(c) 斐索干涉仪斐索干涉仪 说明：说明： 光源发出的相干光经光源发出的相干光经3dB耦合器进入传输光纤，在光纤出射耦合器进入传输光纤，在光纤出射端一部分被光纤端面反射回光纤中，一部分被光纤输出后端一部分被光纤端面反射回光纤中，一部分被光纤输出后又被一个外部的反射镜反馈回光纤中。这两部分反馈光在又被一个外部的反射镜反馈回光纤中。这两部

59、分反馈光在耦合器的另一端汇合产生干涉条纹耦合器的另一端汇合产生干涉条纹 。 优点：结构简单。优点：结构简单。光源光源探测器探测器传输光纤传输光纤3dBM1 M2自聚焦透镜自聚焦透镜 现以双光束干涉仪为例来分析干涉场。设信号光现以双光束干涉仪为例来分析干涉场。设信号光与参考光的场强分别为：与参考光的场强分别为： 两光束相干产生的干涉场分布为两光束相干产生的干涉场分布为 相应的光强分布为相应的光强分布为 ststiEE)(exp101rtiEEexp202)exp()exp()(exp2010tiiEtsiEErs)(cos10rstskII 这样，可将相位变化转换为强度变化，可以获得被这样，可将

60、相位变化转换为强度变化，可以获得被测信号的大小。测信号的大小。 干涉场分析干涉场分析 光纤光栅是利用光纤的光折变效应，使纤芯折射率沿轴光纤光栅是利用光纤的光折变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。 光纤光纤Bragg光栅（光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）是一种）是一种反射型滤波器件，其机理是后向传播的反射型滤波器件，其机理是后向传播的LP01模与前向传模与前向传播的播的LP01模之间发生耦合，根据相位匹配条件，要求光模之间发生耦合，根据相位匹配条件，要求光栅周期很小，一般小于栅周期很小，一般小于1m