光网络技术基础胶片(绵阳职业技术学院)

1、光纤通信工程概述,一、概述 光纤通信概念： 光纤通信以光作为信息载体，利用光纤传输携带信息的光波，以达到通信之目的。 1、发展简史 1). 里程碑 1966年高锟著名文章（PIEE）； 1966年高锟博士发表的论文用于光频的光纤表面波导,2). 导火线 1970年康宁公司的第一根低耗光纤； 3). 爆炸性发展 A）.光纤衰减： 1970年 ：20dB/km； 72年 ：4dB/km； 76年 ：0.5dB/km； 79年 ：0.2dB/km； 90年 ：0.14dB/km。 B）.系统： 76年 - 45Mb/s ； 85年 - 多模系统； 90年 - 单模系统； 93年 - SDH； 98年

2、 - WDM（40G）； 2000年 - 320G。,（2）光器件 光发送器件： 砷化镓铝半导体激光器异质结条形激光器分布反馈式激光器（DFB-LD）和多量子阱（MQW）激光器。 光接收器件： Si-PIN APD。 （3）光纤通信系统 从小容量到大容量、从短距离到长距离、从PDH SDH DWDM。在智能光网络（ION）、光分插复用器（OADM）、光交叉连接设备（OXC）等方面也取得巨大进展。,携带信息的光波： 数字信号为1时，光源器件发送一个传号光脉冲； 当数字信号为0时，光源器件发送一个空号（不发光）,光纤通信的光波波谱,光波波谱 光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长

3、范围为：300m6103m。 可见光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的连续光波组成，其中红光的波长最长，紫光的波长最短。波长再短就是X射线、射线。 电磁波波谱图如图1-1所示。,2光纤通信的光波波谱 光纤通信的波谱在1.671014Hz3.751014Hz之间，即波长在0.8m1.8m之间，属于红外波段，将0.8m0.9m称为短波长，1.0m1.8m称为长波长，2.0m以上称为超长波长。 各种单位的换算公式如表1-1所示。 表1-1 各种单位的换算公式,3.典型的数字光纤通信系统方框图,电端机（模/数）,光发送机,光纤,中继器,光接收机,电端机（模/数）,模拟信号,发送端的电端机把信息（如

4、话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件LD，输出发出携带信息的光波。光波经光纤传输后到达接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的信息。,光纤,模拟信号,1.3.2 光纤通信系统的分类 1按传输信号分类 （1）数字光纤通信系统 （2）模拟光纤通信系统 2按波长和光纤类型分类 （1）短波长（0.85m左右）多模光纤通信系统 （2）长波长（1.31m）多模光纤通信系统 （3）长波长（1.31m）单模光纤通信系统 （4）长波长（1.55m）单模光纤通信系统,2 、优点,1). 容量巨大 理论上一根光纤：100亿个话路。现在实

5、验室已实现50万个话路。 一根光纤同时传输24万个话路，比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍。 波分复用技术的采用，把一根光纤当作几根、几十根光纤使用，通信容量近乎无限。 2). 中继距离长 现已实现100公里无中继；若使用光放大器可实现640公里无中继传输。 3). 保密性能好 光在纤芯中传输，无泄露。 4). 适用能力强 不怕外界电磁干扰、耐腐蚀、可弯曲性好。 5). 体积小、重量轻、便于施工与维护 直埋、架空、水下。,（7）光纤通信同样也存在着如下缺点： 需要光/电和电/光变换部分； 光直接放大难； 电力传输困难； 弯曲半径不宜太小； 需要高级的切断接续技术； 分路耦合不方

6、便。,12,1.4 光纤通信的特点与应用,1.4.2 光纤通信的应用 （1）光纤在公用电信网间作为传输线。 （2）局域网中的应用。 （3）光纤宽带综合业务数字网及光纤用户线。 （4）作为危险环境下的通信线。诸如发电厂、化工厂、石油库等场所。 （5）满足不同网络层面的应用。核心网层面、城域网层面、局域网层面等。 （6）应用于专网。光纤通信主要应用于电力、公路、铁路、矿山等通信专网。,13,1.5 光纤通信的发展趋势,1目前的进展情况 （1）光纤通信的基础研究方面 （2）光纤研制方面 （3）无源光器件研制方面 （4）光传输设备和系统的研究方面 （5）光接入网的研究方面 （6）理论研究方面,14,1

7、.5 光纤通信的发展趋势,2发展趋势 （1）向超高速系统发展 （2）向超大容量WDM系统演进 （3）向光传送网方向发展 （4）向G.655光纤发展 （5）向宽带光纤接入网方向发展,二.光纤,光纤简介 1、光纤的构造 光纤呈圆柱形，由纤芯、包层与涂层三大部分组成,n1n2,纤芯主要采用高纯度的SiO2二氧化硅，并掺有少量的掺杂剂，提高纤芯的光折射率n1； 包层也是高纯度的二氧化硅，也掺杂一些掺杂剂，主要是降低包层的光折射率n2； 涂层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机械强度和可弯曲性。光缆是多根光纤放在放在一个松套管内，内冲石油膏和钢丝形成的。海底光缆内还有电源线，主要为中继站的放大器等提供电源

8、。,光纤的分类：阶跃型 渐变型,光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别,图2-5 光在阶跃折射率多模光纤中的传播,图2-6 光在渐变折射率多模光纤中的传播,多模光纤：其芯径50 m；多种模式的存在，产生模式色散，使传输容量减小。 单模光纤：其芯径8 10 m；只允许一种传播模式，不存在模式色散，传输容量大。 单模光纤还可以再分为：G.652、 G.653、 G.655等 光纤的工作波长（工作窗口）： 光线路信号在光纤上传送的波长： 850nm、1310nm、1550nm。 注意：850nm窗口 只用于多模传输 1310nm和1550nm窗口 用于单模传输。,ITU-T建议规范了G.6

9、52、G.653、G.654和G.655四种单模光纤。 （1）G.652光纤 G.652光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色散为零的波长）在1 310nm附近的光纤。 在1310nm波长窗口色散性能最佳，是目前应用最广泛的光纤。 在1310nm处，色散小，衰耗大； 在1550nm处，色散大，衰耗小； （2）G.653光纤 G.653光纤也称色散位移光纤（DSF），是指色散零点在1 550nm附近的光纤，它相对于G.652光纤，色散零点发生了移动，所以叫色散位移光纤。 在1550nm波长，衰耗和色散皆为最小 值，可实现大容量长距离传输。因出现四波混频效应(FWM),限制了它在WD

10、M（波分复用）方面的应用,（3）G.654光纤 G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低1 550nm的衰减，其零色散点仍然在1 310nm附近，因而1 550nm窗口的色散较高。G.654光纤主要应用于海底光纤通信。 （4）G.655光纤 由于G.653光纤的色散零点在1 550nm附近，DWDM系统在零色散波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零点的位置从1 550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1 550nm附近的DWDM工作波长范围内。这种光纤就是非零色散位移光纤（NDSF）。适用于WDM系统。,这四种单模光纤的主要性能指标是衰减、色散、偏振模色散（

11、 PMD）和模场直径 。 另：G.653光纤是为了优化1 550nm窗口的色散性能而设计的，但它也可以用于1 310nm窗口的传输。由于G.654光纤和G.655光纤的截止波长都大于1 310nm，所以G.654光纤和G.655光纤不能用于1 310nm窗口。,光纤的导光原理,光是一种频率很高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导。 我们从几何光学的角度来简单讨论光纤的导光原理。 光线在均匀介质中是以直线传播的，但在两种不同介质的分界面会产生反射和折射现象，如图所示：,包层,纤芯,折射光,反射光,入射光,光的反射与折射,n2,n1,1,2,3,当n2/n1的比值增大到一定程度，则会使折射角90度，

12、此时的折射光线不再进入包层，而会在纤芯与包层的分界面上掠过，或者重返回到纤芯中进行传播，这种现象叫做光的全反射现象。 不难理解，当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。,光在光纤中的传播,光在光纤中以“Z”形轨迹传播及沿纤芯与包层的分界面掠过,n2,n1,光纤的特性参数,1、损耗系数 f 每公里光纤对光功率信号的衰减值（dB/km）。 1310nm窗口每公里衰减：0.4dB/km 1550nm窗口每公里衰减：0.25dB/km 衰减系数的算法 后向散射法 OPTR 2、色度色散系数 D（） 1). 色度色散的概念 导致带

13、宽变窄，传输容量下降 A）.模式色散 不同的模式具有不同的传播速度。 仅对多模光纤有效。 B）.材料色散 不同波长的光在光纤中具有不同的传播速度。 C）.波导色散 光在不同结构的光纤中具有不同的传播速度。 单模光纤无模式色散，仅有材料色散与波导色散。 2). 色度色散系数 每公里长度的光纤传输单位光源谱宽时所产生的脉冲展宽值（ps/ nm.km）。 仅对单模光纤有效,在单模光纤中有两个低损耗区域，分别在1 310nm和1 550nm附近，即通常说的1 310nm窗口和1 550nm窗口；1 550nm窗口又可以分为C-band（1 525nm1 562nm）和L-band（1 565nm1 6

14、10nm）。,光纤的机械特性,光纤的机械特性主要包括耐侧压力、抗拉强度、弯曲以及扭绞性能等，使用者最关心的是抗拉强度。 （1）光纤的抗拉强度 光纤的抗拉强度很大程度上反映了光纤的制造水平。 影响光纤抗拉强度的主要因素是光纤制造材料和制造工艺。 预制棒的质量。 拉丝炉的加温质量和环境污染。 涂覆技术对质量的影响。 机械损伤。 （2）光纤断裂分析 存在气泡、杂物的光纤，会在一定张力下断裂，如图2-18所示。,（3）光纤的寿命 光纤的寿命，习惯称使用寿命，当光纤损耗加大以致系统开通困难时，称其已达到了使用寿命。从机械性能讲，寿命指断裂寿命。 （4）光纤的机械可靠性 一般来说，二氧化硅包层光纤的机械可

15、靠性已经得到广泛的认可。为了提高光纤的机械可靠性，在光纤的外包层中掺入二氧化钛，从而增加网络的寿命。,三.光缆,光缆的结构 光缆由缆芯、护层和加强芯组成。 （1）缆芯 缆芯由光纤的芯数决定，可分为单芯型和多芯型两种。 （2）护层 护层主要是对已成缆的光纤芯线起保护作用，避免受外界机械力和环境损坏。护层可分为内护层（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外护层（多用铝带和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等）。 （3）加强芯 加强芯主要承受敷设安装时所加的外力。 光缆的种类,各种典型结构的光缆,（1）层绞式结构光缆 把经过套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成。层绞式结构光缆类似传统的电缆结构，故又称之为古典光

16、缆。,图2-21 12芯松套层绞式直埋光缆,图2-20 6芯紧套层绞式光缆,图2-22 12芯松套层绞式直埋防蚁光缆,图2-23 648芯松套层绞式水底光缆,图2-24 12芯松套+8芯2线对层绞式直埋光缆,（2）骨架式结构光缆 骨架式结构光缆是把紧套光纤或一次涂覆光纤放入加强芯周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。,图2-25 12芯骨架式光缆,图2-26 70芯骨架式光缆,图2-27 骨架式自承式架空光缆,（3）束管式结构光缆 把一次涂覆光纤或光纤束放入大套管中，加强芯配置在套管周围而构成。,图2-28 12芯束管式光缆,图2-29 648芯束管式光缆,图2-30 LEX束管式光缆,4）带状结

17、构光缆 把带状光纤单元放入大套管中，形成中心束管式结构；也可把带状光纤单元放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。,图2-31 中心束管式带状光缆,图2-32 层绞式带状光缆,单芯结构光缆 单芯结构光缆简称单芯软光缆,图2-33 单芯软光缆,海底光缆 有浅海光缆和深海光缆两种,图2-34 浅海光缆,图2-35 深海光缆,光缆型号,光缆型号由它的型式代号和规格代号构成，中间用一短横线分开。 （1）光缆型式由五个部分组成，如图2-36所示。,：分类代号及其意义为： GY通信用室（野）外光缆； GR通信用软光缆； GJ通信用室（局）内光缆； GS通信用设备内光缆； GH通信用海底光缆； GT通

18、信用特殊光缆。 ：加强构件代号及其意义为： 无符号金属加强构件； F非金属加强构件； G金属重型加强构件； H非金属重型加强构件。,：派生特征代号及其意义为： D光纤带状结构； G骨架槽结构； B扁平式结构； Z自承式结构。 T填充式结构。 ： 护层代号及其意义为； Y聚乙烯护层； V聚氯乙烯护层； U聚氨酯护层； A铝-聚乙烯粘结护层； L铝护套； G钢护套； Q铅护套； S钢-铝-聚乙烯综合护套。,：外护层的代号及其意义为： 外护层是指铠装层及其铠装外边的外护层，外护层的代号及其意义如表2-2所示。,（2）光缆规格由五部分七项内容组成，如图2-37所示。,： 光纤数目用1、2、，表示光缆内

19、光纤的实际数目。 ： 光纤类别的代号及其意义。 J二氧化硅系多模渐变型光纤； T二氧化硅系多模突变型光纤； Z二氧化硅系多模准突变型光纤； D二氧化硅系单模光纤； X二氧化硅纤芯塑料包层光纤； S塑料光纤。 ： 光纤主要尺寸参数 用阿拉伯数（含小数点数）及以m为单位表示多模光纤的芯径及包层直径，单模光纤的模场直径及包层直径。,：带宽、损耗、波长表示光纤传输特性的代号由a、bb及cc三组数字代号构成。 a表示使用波长的代号，其数字代号规定如下： 1波长在0.85m区域； 2波长在1.31m区域； 3波长在1.55m区域。 注意，同一光缆适用于两种及以上波长，并具有不同传输特性时，应同时列出各波长

20、上的规格代号，并用“/”划开。 bb表示损耗常数的代号。两位数字依次为光缆中光纤损耗常数值（dB/km）的个位和十位数字。 cc表示模式带宽的代号。两位数字依次为光缆中光纤模式带宽分类数值（MHzkm）的千位和百位数字。单模光纤无此项。 ：适用温度代号及其意义。 A适用于40+40 B适用于30+50 C适用于20+60 D适用于5+60,光缆中还附加金属导线（对、组）编号，如图2-38所示。其符合有关电缆标准中导电线芯规格构成的规定。,例如，2个线径为0.5mm的铜导线单线可写成210.5；4个线径为0.9mm的铝导线四线组可写成440.9L；4个内导体直径为2.6mm，外径为9.5mm的同

21、轴对，可写成42.6/9.5。,有金属重型加强构件、自承式、铝护套和聚乙烯护层的通信用室外光缆，包括12根芯径/包层直径为50/125m的二氧化硅系列多模突变型光纤和5根用于远供及监测的铜线径为0.9mm的四线组，且在1.31m波长上，光纤的损耗常数不大于1.0dB/km，模式带宽不小于800MHzkm；光缆的适用温度范围为20+60。,光缆的型号应表示为： GYGZL03-12T50/125（21008）C+540.9,四.光源与光发送机,光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电 信号转换成光信号送入光纤 对光源的要求 1).发射波长适中：850nm、1310nm和1550nm附近 2).

22、发射光功率足够大（指入纤光功率）：一般大于几毫瓦 3).谱线窄：谱线宽度应小于2nm。谱线过宽，会增大光纤色散，减少光纤的传输容量与传输距离。 4).温度特性好：光源器件的发光波长与发射光功率易随温度变化，在较高温度下其性能容易劣化。 5).工作寿命长：光源器件寿命的终结是指其发光功率降低到初始值的一半或者其阈值电流增大到其初始值的二倍以上。一般要求10万小时以上,光源,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。 半导体激光器（LD）：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，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。 发光二极管（LED）：适用于

23、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。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。,半导体激光器,1激光器的物理基础 （1）光子的概念 光量子学说认为，光是由能量为hf 的光量子组成的，其中h=6.6281034 Js（焦耳秒），称为普朗克常数，f 是光波频率，人们将这些光量子称为光子。 当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。,2）原子能级 物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原子有不同稳定状态的能级。 最低的能级E1 称为基态，能量比基态大的所有其他能级E i（i=2，3，4，）都称为激发态。当电子从较高能级E2跃迁至较低能级E1时，其能级间的能量

24、差为E =E2E1，并以光子的形式释放出来，这个能量差与辐射光的频率f 12之间有以下关系式,式中，h为普朗克常数，f 12 为吸收或辐射的光子频率。 当处于低能级E1 的电子受到一个光子能量E =hf12的光照射时，该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级E2 上去。 光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。,（3）光与物质的三种作用形式 光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。如图3-1所示。, 在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1，在入射光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级（即激发态）E2，产生光

25、电流，这种跃迁称为受激吸收光电检测器。, 处于高能级E2 上的电子是不稳定 的，即使没有外界的作用，也会自发地 跃迁到低能级E1 上与空穴复合，释放 的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁 称为自发辐射发光二极管。, 在高能级E2上的电子，受到能量为hf12的外来光子激发时，使电子被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合，同时释放出一个与激光发光同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光子）。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，所以这种跃迁称为受激辐射激光器。 注：受激辐射光为相干光，自发辐射光是非相干光。,（4）粒子数反转分布与光的放大 受激辐射是产生激光的关键。 如设低能级上的粒子密度为N1，高能

26、级上的粒子密度为N2，在正常状态下， N1 N2，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。 要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使N2 N1 （高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。,2激光器的工作原理,激光器包括以下3个部分： 必须有产生激光的工作物质（激活物质）； 必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）； 必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 （1）产生激光的工作物质 即处于粒子数反转分布状态的工作物质，

27、称为激活物质或增益物质，它是产生激光的必要条件。 （2）泵浦源 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。 物质在泵浦源的作用下，使得N2N1，从而受激辐射大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。,（3）光学谐振腔 激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。 激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。 光学谐振腔的结构 在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分别为r1和r2的平行反射镜M1和M2，就构成了最简单的光学谐振腔。 如果反射镜是平面镜

28、，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔，如图3-2所示。对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，另一个为部分反射。, 谐振腔产生激光振荡过程 如图3-3所示，当工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数反转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向不与光学谐振腔轴线平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐射才能存在，继续前进。 当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激跃迁，在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为受激辐射。 当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是2的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就从部分

29、反射镜M2透射出来，形成一束笔直的激光。 当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量时，激光器即保持稳定的输出。, 光学谐振腔的谐振条件与谐振频率 设谐振腔的长度为L，则谐振腔的谐振条件为 （3-2） 或 （3-3） 式中，c为光在真空中的速度，为激光波长，n为激活物质的折射率，L为光学谐振腔的腔长，q=1，2，3称为纵模模数。 谐振腔只对满足式（3-2）的光波波长或式（3-3）的光波频率提供正反馈，使之在腔中互相加强产生谐振形成激光。, 起振的阈值条件 激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件。如以G th表示阈值增益系数，则起振的阈值条件是

30、 （3-4） 为光学谐振腔内激活物质的损耗系数，L为光学谐振腔的腔长，r1，r2为光学谐振腔两个反射镜的反射系数。,3.半导体激光器 LD,三、半导体激光器 LD 谐振腔产生振荡 受激发光。 1、LD的优点 1). 谱线窄： 12nm 2). 与光纤的耦合效率高：90% 3). 阈值电流：I Ith时，发激光 阈值电流越小越好。 2、LD缺点 1). 线性度差 LD的发光功率随其工作电流的变化，并非是一种良好的线性对应关系，但数字光纤通信对光源器件的线性度并没有过高的要求，并不影响使用。,Ith,电流,P,2). 温度特性不如LED 主要表现在其阈值电流随温度的上升而增加 3).工作寿命短，目

31、前可达到数十万小时 3、LD应用 大容量、长距离数字光纤通信,分布反馈半导体激光器（DFB-LD）,分布反馈半导体激光器（DFB-LD） DFB-LD是一种可以产生动态控制的单纵模激光器（称为动态单纵模激光器），即在高速调制下仍然能单纵模工作的半导体激光器。它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻有波纹状的周期光栅而构成的: 谐振频率 振荡模式 纵模,4.发光二极管LED,二、发光二极管 LED 是由砷化钾类的P、N型材料构成的二极管（正偏置）。 LED的工作原理: 发光二极管（LED）是非相干光源，是无阈值器件，它的基本工作原理是自发辐射。 发光二极管与半导体激光器差别是：发光二极管

32、没有光学谐振腔，不能形成激光。仅限于自发辐射，所发出的是荧光，是非相干光。半导体激光器是受激辐射，发出的是相干光。 1、LED的优点 1). 线性度好 无阈值器件 2). 温度特性好 3). 使用简单、价格低、寿命长,2、LED缺点 1). 谱线宽： 510nm 2). 与光纤的耦合效率低： 12% 3). 调制频率较低。在一般工作条件下，面发光型LED截止频率为20MHz30MHz，边发光型LED截止频率为100MHz150MHz。 3、LED应用: 小容量、短距离 LED通常和多模光纤耦合，用于1.31m或0.85m波长的小容量、短距离的光通信系统。 LD通常和单模光纤耦合，用于1.31m

33、或1.55m大容量、长距离光通信系统。 分布反馈半导体激光器（DFB-LD）主要也和单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于1.55m超大容量的新型光纤系统，这是目前光纤通信发展的主要趋势。,5.光发送机,1、框图,APC:自动光功率稳定电路 ATC：自动温度控制电路,6.调制方式,1). 直接调制： 用电信号直接改变光源的工作电流。只使用于2.5Gb/s以下的光信号调制。会引起激光谱线宽展宽，产生严重色散。,2). 外调制： 为克服在高速率时（10Gb/s及以上时）采用直接调制出现的啁啾现象 光源的发射波长发生偏移。 让激光器连续发光，在紧靠光输出端安置光调制器，使通过其的连续光转变为具有正确

34、调制格式的数据编码脉冲串，从而达到间接调制的目的。 啁啾：通信技术有关编码脉冲技术中的一种术语，是指对脉冲进行编码时，其载频在脉冲持续时间内线性地增加，当将脉冲变到音频时，会发出一种声音，听起来像鸟叫的啁啾声，故名“啁啾”。后来就将脉冲传输时中心波长发生偏移的现象叫做“啁啾”。例如在光纤通信中由于激光二极管本身不稳定而使传输单个脉冲时中心波长瞬时偏移的现象，也叫“啁啾”。,光发送机的主要技术指标,1.平均发送光功率： 指在发送“0”、“1”码等概率调制的情况下，光发送机输出的光功率值，单位为dBm。 dBm是一个考征功率绝对值的值，计算公式为：10lg（功率值/1mw）。 例1 如果发射功率P

35、为1mw，折算为dBm后为0dBm。 例2 对于40W的功率，按dBm单位进行折算后的值应为： 10lg（40W/1mw)=10lg（40000）=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。,2. -20dB谱宽： 光发送机中光源器件的谱线宽度 一般用-20dB谱宽衡量，即指从中心波长的最大幅度下降到百分之 ？（-20dB）时两点间的宽度,3.光源器件的寿命 4.消光比EX： “1”码光脉冲功率与“0”码光脉冲功率之比 光发送机的消光比一般要求大于8.2dB，但并非越大越好，否则会引起啁啾声。,光接收器件与光接收机,光电检测器完成光/电信号的转换。对光检 测器的基本要求是： 在系

36、统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流； 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； 具有较小的体积、较长的工作寿命等。,PIN光二极管,目前常用的半导体光电检测器有两种，PIN光电二极管和 APD雪崩光电二极管。 PIN光电二极管在由硅、锗或-族化合物组成的PN结 之间插入一层 I 型材料而构成。 PIN的特性参数 1). 响应度（量子效率）R: 单位光功率信号入射时产生的光电流 （A/W）。 Is(t) = RP(t) 2). 结电容Cd 一

37、般仅几个PF。 它对PIN的响应时间及光接收机灵敏度都有影响。 3).响应速度,响应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。一般用响应时间（上升时间 和下降时间）来表示。显然响应时间越短越好。 4).暗电流 在理想条件下，当没有光照时，光电检测器应无光电 流输出。但是实际上由于热激励等，在无光情况下，光 电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。 严格地 说，暗电流还应包括器件表面的漏电流。暗电流会引起 接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越小越好。,PIN的特点与应用 1). 优点 附加噪声低； 使用方便，工作电压低； 寿命长、价格便宜。 2). 缺点 响应度低（因

38、无放大作用）；所制接收机的灵敏度不高。 3). PIN的应用 适用于短距离的光纤通信系统。,APD光二极管,雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche Photo Diode）。 它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其 放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。 1APD的雪崩效应 APD的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加高反向电压，在结 区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高 的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了能量；越过 禁带到导带，产生了新的电子空穴对；新产生的电子空穴对在 强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子空穴对如 此循环

39、下去，形成雪崩效应，使光电流在管子内部获得了倍增。 APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。,2、APD的特性参数 1). 增益G 经APD放大后的光电流与首次光电流之比 G=I0/Ip I0为有雪崩倍增时光电流平均值，Ip为无倍增效应 时光电流平均值。PIN管由于无雪崩倍增作用， 所以G=1。 Is(t) = G RP(t) 2). 倍增噪声指数因子X F（G）= Gx 3). 最佳增益Gopt 产生的光电流最大，倍增噪声最小。 通过调节其偏压实现。 4).温度特性 随着温度的升高，倍增增益将下降。,光接收机,1.框图,5).噪声特性 PIN管的噪声，主要为量子噪声和暗电流

40、噪声，APD管 还有倍增噪声。 3、APD的特点与应用 1). 优点 APD光二极管的最大优点是倍增效应，即输入同样大小的 光功率信号能获得比PIN光二极管多几十倍的光电流，大 大提高了光接收机的灵敏度（比PIN光接收机提高约10dB 以上）约10 20dB。 2). 缺点 产生倍增噪声。 3). APD的应用 适用于大容量、长距离的光纤通信系统,前置放大器： 把光检测器产生的微弱光电流进行预放大。 主放大器： 把信号进一步放大，其增益一般在50dB以上。 均衡器： 把主放大器输出的脉冲进行均衡，以形成码间干扰最小、最有利于进行判决的波形。 判决再生电路： 对均衡器输出的脉冲流逐个进行判决，并

41、再生成波形整齐的脉冲码流。 时钟提取电路： 提取时钟，以保证收发同步。 自动增益控制（AGC）： 控制前置放大器与主放大器的增益，使光接收机有一个规定的动态范围。 偏压电路： 向APD光二极管提供反向偏。,光接收机的主要技术指标,(1)光接收机的灵敏度 光接收机的灵敏度是指在系统满足给定误码率指标的条件 下(如BER=110 -10)，光接收机所需的最小平均接收光功率 Pmin（mW）。工程中常用毫瓦分贝（dBm）来表示，即 (2)光接收机过载光功率： 在保证规定的误码率条件下(如BER110-10)，光接收机所允许的最大光功率值，以dBm为单位。 (3)动态范围： 过载光功率与灵敏度之差，动

42、态范围一般在20dB以上。,无源光器件,无源光器件是除光源器件、光检波器件之外不需要电源的光通路部件。 无源光器件可分为连接用的部件和功能性部件两大类。 连接用的部件有各种光连接器，用做光纤和光纤、部件（ 设备）和光纤、或部件（设备）和部件（设备）的连接。 功能性部件有分路器、耦合器、光合波分波器、光衰减器 、光开关和光隔离器等，用于光的分路、耦合、复用、衰 减等方面。,1.光纤连接器,光纤连接器，俗称活接头，ITU-T建议将其定义为“用以稳定地，但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源组件”。 光纤连接器主要用于实现系统中设备与设备、设备与仪表、设备与光纤及光纤与光纤的非永久性固定连接等。 （

43、1）光纤连接器的基本构成 由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。如图3-19所示。,图3-19 光纤活动连接器(套筒)基本结构,2）光纤连接器的分类 光纤连接器按光纤数量、光耦合系统、机械耦合系统、套管结构和紧固方式进行分类，如表3-1所示。,（3）光纤连接器的性能 插入损耗（介入损耗），该值越小越好。平均损耗值应不大于0.5dB。 回波损耗（或称反射损耗、回损、回程损耗），是衡量从连接器反射回来并沿输入通道返回的输入功率分量的一个度量值，是光纤连接器对线路光功率反射的抑制能力，该值越大越好。其典型值应不小于25dB，可达6065dB。

44、互换性，每次互换后，其连接损耗变化量越小越好，小于0.2dB。 重复性，即每次插拔时连接损耗变化量要小。 插拔寿命（最大可插拔次数），光纤连接器的插拔寿命一般由元件的机械磨损情况决定。一般在1000次以上,连接损耗的机理,光纤活动连接器结构对中结构,（4）部分常见光纤连接器 FC型。其接头的对接方式为平面对接。,FC/ST 光纤连接器 FC/SC光纤连接器 FC/FC光纤连接器 PC型。是FC型的改进型。其对接面由平面变为拱型凸面。是我国最通用的规格, SC型-卡接式方形。插针与耦合套筒其结构尺寸与FC型相同，端面处理采用拱型凸面或PC研磨方式。,SC尾纤 FC/SC光纤连接器 SC/SC光纤

45、连接器, LC型光纤连接器-模块化插孔（RJ）闩锁机理制成。插 针套筒尺寸为SC、FC的一半。,LC/LC光纤连接器,ST型光纤连接器-圆形，插针耦合套筒结构尺寸与FC型完全相同。,ST尾纤 ST/SC连接器, DIN47256型。由德国开发。 双锥型连接器。由美国贝尔实验室开发研制。 （5）固定连接 光纤与光纤的连接有两种，活动连接和永久性连接。以上介绍了活动连接。永久性连接有粘接法和熔接法，目前多用熔接法。,SC光纤连接器 FC连接器 MT-RJ型,2.光衰减器,光衰减器是用来稳定地、准确地减小信号光功率的无源光器件。 系统的灵敏度及校正光功率计 光衰减器主要用于调整中继段的线路衰减，测量

46、光等。 光衰减器分固定衰减器和可变衰减器两种。 （1）固定衰减器，其造成的功率衰减值是固定不变的，一般用于调节传输线路中某一区间的损耗。 （2）可变衰减器，它所造成的功率衰减值可在一定范围内调节。可变衰减器又分为连续可变和分挡可变两种。 PS：光衰减器的回波损耗指，入射到光衰减器的光功率与衰减器中沿入射光路反射出的光功率之比。高质量的光衰减器 可大于50dB,FC型0.5dB30dB可调光衰减器 插头式光衰减器,15dB SC型光衰减器 10dB FC型光衰减器 适用于12601650nm宽频,SGT-9A数字可调衰减器 SGT-9A数字可调光衰减器系列产品主要用于连续光信号功率的衰减 。采用

47、国外先进高性能核心器件进行控制，功能齐全， 使得它具有 快速调节衰减值，线性度好、精度高、低插入损耗、高分辨率，衰减定位等 功能。广泛适用于光缆施工与维护、光纤通信、光纤传感器、光纤CATV等 领域。,3.光分路耦合器,光分路耦合器是分路和耦合光信号的器件。 功能是把一 个输入的光信号分配给多个输出（分路），或把多个输 入的光信号组合成一个输出（耦合）。 1耦合器类型 （1）T形耦合器 （2）星形耦合器 （3）定向耦合器 （4）波分复用器/解复用器（也称合波器/分波器） 如图3-20所示。,2主要性能指标 表示光纤耦合器性能指标的参数有：隔离度、插入损耗和分光比等。下面以22定向耦合器为例来说

48、明。 （1）隔离度A 如图3-20（c）所示，由端1输入的光功率P1应从端2和端3输出，端4理论上应无光功率输出。但实际上端4还是有少量光功率输出（P4），其大小就表示了1、4两个端口的隔离程度。隔离度A表示为 一般情况下，要求 。,2）插入损耗L 它表示了定向耦合器损耗的大小。插入损耗等于输出光功率之和与输入光功率之比的分贝值，用L表示为 一般情况下，要求L0.5dB （3）分光比T 分光比等于两个输出端口的光功率之比，如从端1输入光功率，则端2和端3分光比 一般情况下，定向耦合器的分光比为11110。,4.光隔离器,1.光隔离器是保证光波只能正向传输，避免线路中由于各种因素而产生的反射光再

49、次进入激光器而影响激光器的工作稳定性。 2.光隔离器主要用在激光器或光放大器的后面。 通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离。光 隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。 3.光隔离器的特性是：正向插入损耗低，反向隔离度高， 回波损耗高。,4.光隔离器的工作原理： 光隔离器主要利用磁光晶体的 法拉第效应。法拉第效应是法拉第在1845年首先观察到 不具有旋光性的材料在磁场作用下使通过该物质的光的 偏振方向发生旋转，也称磁致旋光效应。沿磁场方向传 输的偏振光，其偏振方向旋转角度和磁场强度B与材料 长度L的乘积成比例。,对于正向入射的信号光，通过起偏器后成为线偏振光，法拉弟旋磁介质与外磁场一起使信

50、号光的偏振方向右旋45度，并恰好使低损耗通过与起偏器成45度放置的检偏器。对于反向光，出检偏器的线偏振光经过放置介质时，偏转方向也右旋转45度，从而使反向光的偏振方向与起偏器方向正交，完全阻断了反射光的传输。 法拉弟磁介质在1m2m波长范围内通常采用光损耗低的钇铁石榴石(YIG)单晶。新型尾纤输入输出的光隔离器有相当好的性能，最低插入损耗约0.5dB、隔离度达3560dB，最高可达70dB。,然而在实际应用中，入射光的偏振态(偏振方向)是任意的，并且随时间变化，因此必须要求隔离器的工作与入射光的偏振态无关，于是隔离器的结构就变复杂了。 一种小型的与入射光的偏振态无关的隔离器结构如图所示。,光隔

51、离器的性能指标： 1.插入损耗：输出光功率与输入光功率的分贝值，一般小于1dB: 2.反向隔离度：用来表征光隔离器对反向传输光的衰减能力，可做到3560dB： 式中，PRi 为反射到起偏器的反射光功率， PRO 为透过起偏 器的反射光功率。 3.回波损耗： 回波损耗是指由于构成光隔离器的各元件、光纤以及空 气折射率失配引起的反射造成的对入射光信号的衰减。,回波损耗RL为 其中，Pi为正向输入光隔离器的光信号功率，Pr为返回输入端口的光功率。 RL值越大越好。 （4）偏振相关损耗（PDL） 是指输入光偏振态发生变化而其他参数不变时，器件插入损耗的最大变化量。它是衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的

52、指标。 （5）偏振模色散（PMD） 是指通过器件的信号光不同偏振态之间的相位延迟。 注：一般情况下，光通信系统对光隔离器的主要技术指标要求为：插入损耗1.0dB；隔离度35dB；回波损耗50dB；PDL0.2dB；PMD0.2ps。,光纤型光隔离器,5.光环形器,光环形器与光隔离起工作原理基本相同，也是利用偏振原理工作的，只是光隔离器一般为两端口器件，而光环形器则为多端口器件。如图所示。 光环形器为双向通信中的重要器件，它可以完成正反向传输光的分离任务。右上所示为光环形器用于单纤双向通信的例子。,光环形器主要有3端口和4端口两大类，性能指标主要有：插入损耗，隔离度，回波损耗，偏振相关损耗，波长

53、相关损耗，偏振模色散，温度损耗等。,光环行器原理图,6.波分复用器,WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分复用）波分复用是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术,称为波分复用。,WDM本质上是光域上的频分复用FDM技术。每个波长通路通过频域的分割

54、实现，每个波长通路占用一段光纤的带宽。WDM系统采用的波长都是不同的，也就是特定标准波长，为了区别于SDH系统普通波长，有时又称为彩色光接口，而称普通光系统的光接口为白色光口或白光口。 通信系统的设计不同，每个波长之间的间隔宽度也有不同。按照通道间隔的不同，WDM可以细分为CWDM(稀疏波分复用)和DWDM(密集波分复用)。CWDM的信道间隔为20nm，而DWDM的信道间隔从0.2nm 到1.2nm，所以相对于DWDM，CWDM称为稀疏波分复用技术。 光波分复用器的主要类型有熔融拉锥型,介质膜型,光栅型和平面型四种。其主要特性指标为插入损耗和隔离度。通常,由于光链路中使用波分复用设备后,光链路

55、损耗的增加量称为波分复用的插入损耗。当波长11,l2通过同一光纤传送时,在与分波器中输入端l2的功率与11输出端光纤中混入的功率之间的差值称为隔离度。光波分复用的技术特点与优势如下:,(1)充分利用光纤的低损耗波段,增加光纤的传输容量,使一根光纤传 送信息的物理限度增加一倍至数倍。目前我们只是利用了光纤低损耗谱 (1310nm-1550nm)极少一部分,波分复用可以充分利用单模光纤的巨大带 宽约25THz,传输带宽充足。 (2)具有在同一根光纤中,传送2个或数个非同步信号的能力,有利于数字 信号和模拟信号的兼容,与数据速率和调制方式无关,在线路中间可以灵 活取出或加入信道。 (3)对已建光纤系

56、统,尤其早期铺设的芯数不多的光缆,只要原系统有功率 余量,可进一步增容,实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系 统作大改动,具有较强的灵活性。 (4)由于大量减少了光纤的使用量,大大降低了建设成本、由于光纤数量 少,当出现故障时,恢复起来也迅速方便。 (5)有源光设备的共享性,对多个信号的传送或新业务的增加降低了成本 (6)系统中有源设备得到大幅减少,这样就提高了系统的可靠性。目前,由 于多路载波的光波分复用对光发射机、光接收机等设备要求较高,技术实 施有一定难度,同时多纤芯光缆的应用对于传统广播电视传输业务未出现 特别紧缺的局面,因而WDM的实际应用还不多。但是,随着有线电视综合业 务

57、的开展,对网络带宽需求的日益增长,各类选择性服务的实施、网络升 级改造经济费用的考虑等等,WDM的特点和优势在CATV传输系统中逐渐显 现出来,表现出广阔的应用前景,甚至将影响CATV网络的发展格局。,7.光开关,光开关：能够控制传输通路中光信号通或断或进行光路切换作用的器件。 光开关一般包括两种：机械式光开关和电子式光开关。 机械式光开关的开关功能是通过机械方法实现的。利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路切换。 优点是插入损耗小，隔离度高，串扰小，适合各种光纤，技术成熟；缺点是开关速度较慢，体积较大。 电子式光开关利用磁光效应、电光效应或声光效应实现光路切换的器件。 优点是开关速度快，易于集成化；缺点是插入损耗大，串扰大，只适合单模光纤。,8.波长转换器,