光纤通信教案(1)

1、第1章概 述1.1光纤通信的基本概念1.2光纤通信的优越性1.3光纤通信系统的基本组成1.4光纤通信的发展趋势1.1光纤通信的基本概念利用光导纤维传输光波信号的通信方式称为光纤通信。光波属于电磁波的范畴。属于光波范畴之内的电磁波包括紫外线、可见光和红外线。目前光纤通信的实用工作波长在近红外区，即0 81 8um的波长区，对 应的频率为167375THz光导纤维（简称为光纤）本身是一种介质，目前实用通信光纤的基础材料是 SiO2,因此它是属于介质光波导的范畴。对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实 用工作波长，即0.85 um、1.31 P m及1.55 Um。1.

2、2光纤通信的优越性传输频带宽，通信容量大传输损耗抗电磁干扰的能力强另外，光纤线径细、重量轻，而且制作光纤的资源丰富。1.3光纤通信系统的基本组成目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD）的光纤数字通信 系统。该系统主要由光发射机、光纤、光接收机以及长途干线上必须设置的光中继 器组成。在点对点的光纤通信系统中，信号的传输过程：（1）由电发射机输出的脉码调制信号送入光发射机，光发射机的主要作用是将 电信号转换成光信号耦合进光纤。光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要釆用半导 体激光器（LD）或半导体发光二极管（LED）。（2）在通信系统的线路上，目前主要釆用

3、由单模光纤制成的不同结构形式的光缆, 这是由于它具有较好的传输特性。光器（LD）的结构和工作原理 F-P腔激光器从结构上可分为同质结半导体激光器、单异质结半导体激光器 和双异质结半导体激光器。在点对点的光纤通信系统中，信号的传输过程：（3）光接收机的主要作用是将光纤送过来的光信号转换成电信号，然后经过对电信 号的处理以后，使其恢复为原来的脉码调制信号送入电接收机。光接收机中的重要部件是能够完成光/电转换任务的光电检测器，目前主要采用 光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。先进的光纤通信技术必须建设和开发基于同步数字体系（SDH）和波分复用 （WDM）的大容量超高速光纤传输网，并积极开

4、展在光层上直接组网的光 联网技术。同步数字体系（SDH）是当前电信网的主要传输体制。波分复用（WDM）系统由于可以在一根光纤上同时传送多个波长的信号， 因而通信容量将有很大程度的提高。1.4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。光分叉复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC）是靠光层面上的波长连接 来解决节点的容量扩展问题的，单个节点容量可从160Gbit/s增加到10Tbit/So光传送联网的一个最新发展趋势是自动交换光网络（ASON）,使光联网从静 态光联网发展到自动交换光网络，使传统的传

5、送网向业务网方向发展。第2章光导纤维2.1光纤的结构和分类2.2用射线理论分析光纤的导光原理2.3用波动理论法分析光纤的导光原理2.4单模光纤2.5光纤的传输特性2.6光纤的非线性效应2.1光纤的结构和分类2.1.1光纤的结构2.1.2光纤的分类2.1.1光纤的结构光纤有不同的结构形式。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1,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。2.1.2光纤的分类按照光纤横截面折射率分布不同来划分阶跃型光纤纤芯折射率nl沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半

6、径方向也保 持一定，而且纤芯和包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，又称为均匀光纤。渐变型光纤如果纤芯折射率nl随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是 均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。2.1.2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。单模光纤的纤芯直径较小，约为410um。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分布。 多模光纤的纤芯直径约为50umo2.2用射线理论分析光纤的导光原理分析光纤导光原

7、理有两种基本的研究方法射线理论法（简称为射线法，又称几何光学法）波动理论法（又称波动光学法）2.2用射线理论分析光纤的导光原理2.2.1平面波在两介质交界面的反射与折射2.2.2阶跃型光纤的导光原理2.2.3渐变型光纤的导光原理2.2.1平面波在两介质交界面的反射与折射1. 均匀平面波的一般概念2. 平面波在两介质交界面上的折射与反射3. 平面波的全反射1. 均匀平面波的一般概念均匀平面波的一般概念平面波是指在与传播方向垂直的无限大平面的每个点上，电场强度E 的幅度相等、相位相同，磁场强度H的幅度也相等、相位也相同。或者说，这种波的等幅、等相位面是无限大的平面。1. 均匀平面波的一般概念均匀平

8、面波在均匀理想介质中的传播特性可通过以下3个参量来描述。(1) 传播速度p(2) 波阻抗Z(3) 相位常数k1. 均匀平面波的一般概念传播速度v定义：平面波的传播速度是指在平面波的传播方向上等相位面的传播速度， 故又称为相速。表达式：1. 均匀平面波的一般概念波阻抗Z定义：电场强度仅有x分量，而磁场强度仅有y分量，电场Er和磁场Hy之 比所得到的Z具有阻抗的量纲，称为波阻抗。表达式：说明：自由空间波阻抗Z0是指平面波在自由空间传播时的波阻抗。1. 均匀平面波的一般概念相位常数k定义：斤代表了在单位长度上相位变化了多少，称之为相位常数，也称为波 数。当平面波在介质中传播时，2. 平面波在两介质交

9、界面上的折射与反射平面波沿kl方向由介质1射到两介质的分界面上，这时将产生反射和折射。 一部分能量沿好方向反射回原来的介质，这称为反射波； 一部分能量沿总方向进入第二种介质，称为折射波。入射线、反射线和折射线各在kl. kl和竝方向，01 , 01 ,为入射线、反 射线、折射线与法线之间的夹角，分别称为入射角、反射角和折射角。反射和折射的基本规律是由斯奈耳定律和菲涅尔公式表示的。2. 平面波在两介质交界面上的折射与反射(1)斯奈耳定律斯奈耳定律说明反射波、折射波与入射波方向之间的关系。反射定律：01= 01 折射定律：/ilsin 01= n2sin 922. 平面波在两介质交界面上的折射与反

10、射 n代表介质的折射指数。物理概念：光在真空中的传播速度与在介质中的传播速度之比被定义为介质 的折射指数(或称折射率)，用符号表示。越大的介质，光波在其中传播的速度越慢。2. 平面波在两介质交界面上的折射与反射(2)菲涅尔公式菲涅尔公式表明反射波、折射波与入射波的复数振幅之间的关系。2. 平面波在两介质交界面上的折射与反射式中7?和T都是复数，包括大小及相位。図和10是反射系数和折射系数的模值，分别表示反射波、折射波与入射波的 大小之比； 2O1和2(Z2是反射系数和折射系数的相角，分别表示在界面上反射波、折 射波比入射波超前的相位。2. 平面波在两介质交界面上的折射与反射平面波可分成水平极化

11、波和垂直极化波。电场矢量与分界面平行的平面波叫做水平极化波，磁场矢量与分界面平行的平面波叫做垂直极化波。2. 平面波在两介质交界面上的折射与反射结论：平面波入射到两介质分界面时，将产生反射和折射现象，它们的基本 规律是由斯奈耳定律及菲涅尔公式决定的。水平极化波与垂直极化波的反射系数和折射系数不同，但是它们都是 由介质参数1、2及入射角决定的。3. 平面波的全反射全反射是一个重要的物理现象。当光射线由折射率大的物质(M1)射向折射率小的物质(m2)时，射线将离 开法线而折射，即折射光线靠近两种物质的界面传播。若入射角01再增大，光就不再进入第二种介质了，入射光全部被反射回来, 这种现象称为全反射

12、。3. 平面波的全反射 &C：折射角刚好达到90时的入射角称为临界角。全反射条件：阶跃光纤所取的结构就是使入射光在光纤中反复地通过上述全反射形式，闭 锁在其中向前传播。2.2.2阶跃型光纤的导光原理1. 相对折射指数差2. 阶跃型光纤中的光射线种类3. 子午线的分析4. 数值孔径的概念1. 相对折射指数差光纤的纤芯和包层釆用相同的基础材料SiO2,然后各掺入不同的杂质，使得 纤芯中的折射指数m略高于包层中的折射指数2,它们的差极小。相对折射指数（A）： 1和2的相差程度弱导波光纤：1与2差别极小2. 阶跃型光纤中的光射线种类（1）子午射线子午面。子午面上的光射线在一个周期内和该中心轴相交两次，

13、成为锯齿形波前进。 这种射线称为子午射线，简称为子午线。子午线是平面折线，它在端面上的投影是一条直线O2. 阶跃型光纤中的光射线种类（2）斜射线斜射线不在一个平面里，是不经过光纤轴线的射线。斜射线是限制在一定范围内传输的，这个范围称为焦散面。斜射线是不经过光纤轴线的空间折线。在阶跃型光纤中，不论是子午线还是斜射线，都是根据全反射原理，使光波 在芯子和包层的界面上全反射，而把光波限制在芯子中向前传播的。3. 子午线的分析导波：携带信息的光波在光纤的纤芯中，由纤芯和包层的界面引导前进，这 种波称为导波。3. 子午线的分析只有能满足式的射线，才可以在纤芯中形成导波（即满足了全反射条件）。4. 数值孔

14、径的概念数值孔径：表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为光纤的数值孔径，用 NA表示。数值孔径越大，就表示光纤捕捉射线的能力就越强。由于弱导波光纤的相对 折射指数差很小，因此其数值孔径也不大。第3章光纤通信器件3.1半导体光源3.2半导体光电检测器3.3光放大器3.4无源光器件3.1半导体光器件光源是光纤通信系统中光发射机的重要组成部件，其主要作用是将电信号转 换为光信号送入光纤。目前用于光纤通信的光源包括半导体激光器(LaserDiode, LD)和半导体发 光二极管(Light Emitting Diode, LED)。3.1半导体光器件3.1.1激光器的物理基础3.1.2激光器的工作原理

15、3.1.3半导体激光器的结构、工作原理及工作特性3.1.4分布反馈半导体激光器3.1.5量子阱半导体激光器3.1.1激光器的物理基础1. 光子的概念2. 费米能级3. 光和物质的相互作用1. 光子的概念光是由能量为hf的光量子组成的，其中/z=6.626X 10-34J-S,称为普朗克常 数；/是光波频率。人们将这些光量子称为光子。不同频率的光子具有不同的能量。光具有波、粒两重性。2. 费米能级(1) 原子能级的概念物质是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子构成的。当物质中原子的内部能量变化时，可能产生光波。电子在原子中围绕原子核按一定轨道运动，而且只能有某些允许的轨道。由 于在每一个轨道

16、内运动，就相应具有一定的电子能量，因此，电子运动的能 量只能有某些允许的数值。这些所允许的能量值因轨道不同，都是一个个地分开的，即是不连续的。我 们把这些分立的能量值称为原子的不同能级。(2) 费米能级电子按能量大小的分布确有一定的规律。电子占据能级的概率遵循费米能级统计规律：在热平衡条件下，能量为E的 能级被一个电子占据的概率为费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律，它反映了物质中的电子按一 定规律占据能级。3. 光和物质的相互作用光可以被物质吸收，也可以从物质中发射。在研究光与物质的相互作用时，爱因斯坦指出，这里存在着三种不同的基本 过程，即自发辐射、受激吸收以及受激辐射。(1) 自发辐

17、射发射光子的频率自发辐射的特点如下： 这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，是自发跃迁。 辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。 电子的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。(2) 受激吸收物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁 到高能级上，这个过程叫做受激吸收。受激吸收的特点如下。 这个过程必须在外来光子的激发下才会产生，因此是受激跃迁。 外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之差。 受激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外来光能。(3) 受激辐射处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级E1时，放出 一个能量为hf的光子。由于这个过程是在外来光子

18、的激发下产生的，因此叫 做受激辐射。受激辐射的特点如下。 外来光子的能量等于跃迁的能级之差。 受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和 传播方向都相同，因此称它们是全同光子。 这个过程可以使光得到放大。3.1.2激光器的工作原理激光器是指能够产生激光的自激振荡器。要使得光产生振荡，必须先使光得到放大，而产生光放大的前提，由前面的 讨论可知，是物质中的受激辐射必须大于受激吸收。受激辐射是产生激光的关键。1. 粒子数反转分布与光放大之间的关系2. 激光器的基本组成3. 光学谐振腔4. 激光器的参量1. 粒子数反转分布与光放大之间的关系在热平衡条件下，物质不可能有光放大作

19、用要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也 就是必须使N2N1。这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。将处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质或激活物质。2. 激光器的基本组成激光振荡器必须包括以下三个部分：能够产生激光的工作物质，能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源， 能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。3. 光学谐振腔光学谐振腔的结构。在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜Ml和M2互相平行，就构 成了最简单的光学谐振腔。如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔。对于

20、两个反射镜，要求其中一个能全反射，如Ml的反射系数r=l；另一个 为部分反射，如M2的反射系数rl,产生的激光由此射出。谐振腔如何产生激光振荡。3. 光学谐振腔综合上述分析可知，要构成一个激光器，必须具备以下三个组成部分：工作 物质、泵浦源和光学谐振腔。工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数反转分布，成为激活物质，从而有光 的放大作用。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。4. 激光器的参量(1) 平均衰减系数a在光学谐振腔内产生振荡的先决条件是放大的光能要足以抵消腔内的损耗。谐振腔内损耗的大小用平均衰减系数a表示为(2) 增益系数激活物质的放大作用用增益系数G来表示。 G表示光通过单位长

21、度的激活物质之后，光强增长的百分比。(3) 阈值条件将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阈值条件为其中Gt称为阈值增益系数。激光器的阈值条件只决定于光学谐振腔的固有损耗。损耗越小，阈值条件越 低，激光器就越容易起振。（4）谐振频率谐振频率是光学谐振腔的重要参数。光学谐振腔的谐振条件或称驻波条件3.1.3半导体激光器的结构、工作原理及工作特性1. 半导体激光器（LD）的结构和工作原理2. 半导体激光器的工作特性1. 半导体激光器（LD）的结构和工作原理用半导体材料作为激活物质的激光器，称为半导体激光器。在半导体激光器中，从光振荡的形式上来看，主要有两种方式构成的激光器, 一种是用

22、天然解理面形成的F-P腔（法布里-珀罗谐振腔），这种激光 器称为F-P腔激光器；另一种是分布反馈型（DFB）激光器。1. 半导体激光器（LD）的结构和工作原理 F-P腔激光器从结构上可分为同质结半导体激光器、单异质结半导体激光器 和双异质结半导体激光器。1. 半导体激光器（LD）的结构和工作原理半导体的能带分布。 本征半导体的能带分布。 P型半导体和N型半导体的形成。 在重掺杂情况下，N型半导体和P型半导体的能带分布。 P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。1. 半导体激光器（LD）的结构和工作原理 P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。I P-N结空间电荷区的形成。II P-

23、N结形成后的能带分析。III P-N结外加正偏压后的能带分布。IV激光的产生。2. 半导体激光器的工作特性（1）阈值特性对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加， 这时将产生激光振荡，这个电流值称为阈值电流，用It表示。（2）光谱特性半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。激光器产生的激光有多。2. 半导体激光器的工作特性(2) 光谱特性半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。激光器产生的激光有多模和单模。2. 半导体激光器的工作特性(3) 温度特性激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性为温度特性。(4) 转换效率半导体激光器是把电功率直接转换成光功率的

24、器件，衡量转换效率的高低常 用功率转换效率来表示。激光器的功率转换效率定义为输出光功率与消耗的电功率之比，用几P表示。3.1.4分布反馈半导体激光器分布反馈半导体激光器是一种可以产生动态控制的单纵模激光器，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。这种激光器又可分为分布反馈激光器(DFB)及分布布拉格反射激光器两种, 这两种激光器的工作原理都是基于布拉格反射原理。布拉格反射是指当光波入射到两种不同介质的交界面时，能够产生周期性的 反射，把这种反射称为布拉格反射。3.1.4分布反馈半导体激光器1. DFB激光器在

25、普通的半导体激光器中，利用在激活物质两端的反射镜来实现光反馈。而 在DFB激光器中，是通过腔体内的周期光栅来实现的。3.1.4分布反馈半导体激光器2. DBR激光器 DBR激光器是将光栅刻在有源区的外面。它相当于在有源区的一侧或两侧加了一段分布式布拉格反射器，起着衍射光 栅的作用，因此可以将它看成是端面反射率随波长变化而变化的特殊激光器。 DBR激光器的特点和工作特性与DFB激光器类似。但其阈值电流要比DFB 激光器的阈值电流高。3.1.5量子阱半导体激光器量子阱激光器与一般双异质结激光器类似，只是有源区的厚度很薄，属于双异质结器件。理论分析表明，当有源区的厚度非常小时，则在有源层与两边相邻层

26、的能带 将出现不连续现象，在有源区的异质结将产生一个势能阱，因此将产生这种 量子效应的激光器称为量子阱半导体激光器。结构中这种“阱”的作用使得电子和空穴被限制在极薄的有源区内，因此有源 区内粒子数反转分布的浓度很高。量子阱半导体激光器还可分为单量子阱和多量子阱激光器。3.2半导体光电检测器光电检3.2.1半导体的光电效应 3.2.2光纤通信中常用的半导体光电检测器 3.2.3光电检测器的特性3.2半导体光电检测器测器是光纤通信系统中接收端机中的第一个部件，由光纤传输来的光信号通 过它转换为电信号。它是利用材料的光电效应实现光电转换的。目前在光纤通信系统中，常用的半导体光电检测器有两种，一种是P

27、IN光电 二极管，另一种是APD雪崩光电二极管。3.2.1半导体的光电效应半导体材料的光电效应是指如下这种情况：光照射到半导体的P-N结上，若 光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过 禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电子一空 穴对，又称光生载流子。3.2.1半导体的光电效应当光照射在某种材料制成的半导体光电二极管上时，若有光电子一空穴对产 生，显然必须满足如下关系，即人c称为截止波长，/c称为截止频率。3.2.2光纤通信中常用的半导体光电检测器1. PIN光电二极管2. APD雪崩光电二极管2. APD雪崩光电二极管如果能使电信号进入放大器

28、之前，先在光电二极管内部进行放大，这就引出 了一种另外类型的光电二极管，即雪崩光电二极管，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，其内部放大作用是靠管 子内部的雪崩倍增效应而完成的。2. APD雪崩光电二极管（1）雪崩光电二极管的雪崩倍增效应（2）雪崩光电二极管的结构及其工作原理目前光纤通信系统中，使用的雪崩光电二极管结构型式，有保护环型和拉通 （又称通达）型。雪崩光电二极管随使用的材料不同有几种：Si-APD （工作在短波长区）； GeAPD, InGaAsAPD等（工作在长波长区）。3.2.3光电检测器的特性1. 响应度R

29、0和量子效率n2. 响应时间3. 暗电流7D4. 雪崩倍增因子G5. 倍增噪声和过剩噪声系数F （G）1. 响应度R0和量子效率几响应度和量子效率都是描述这种器件光电转换能力的一种物理量。光电二极管的响应度和量子效率与入射光波频率有关。2. 响应时间响应时间是指半导体光电二极管产生的光电流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。 一个快速响应的光电检测器，它的响应时间一定是短的。上面讨论的响应时间是从时域角度来看的，若从频域角度看，短的响应时间 即意味这个器件的带宽宽。3. 暗电流ZD理想条件下，当没有光照射时，光电检测器应无光电流输出。但是实际上由 于热激

30、励、宇宙射线或放射性物质的激励，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。由理论研究可知，暗电流将引起光接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越 小越好。4. 雪崩倍增因子G雪崩光电二极管还有一个与雪崩倍增效应对应的参量一雪崩倍增因子。在忽略暗电流影响条件下，它定义为一般APD的倍增因子G在40100之间。PIN光电管因无雪崩倍增作用， 所以G=lo5. 倍增噪声和过剩噪声系数F （G）从物理概念上容易理解，雪崩光电二极管的倍增是具有随机性的。这种随机性的电流起伏将带来附加噪声，一般称为倍增噪声。倍增噪声可以用过剩噪声系数F (G)来描述

31、为3.3光放大器3.3.1光放大器的分类3.3.2 EDFA的结构与工作原理3.3.3 EDFA的主要特性参数3.3.1光放大器的分类从大的方面来分，光放大器主要包括半导体光放大器和光纤放大器两种。半导体光放大器(SOA)是由半导体材料制成的，如果将半导体激光器两端 的反射去除，即变成没有反馈的半导体行波光放大器，它能适合不同波长的 光放大。光纤放大器又包括两种。非线性光纤放大器掺餌光纤放大器(EDFA)3.3.1光放大器的分类掺餌光纤放大器的主要优点如下。(1) 工作波长处在1.53-1.56 um范围，与光纤最小损耗窗口一致。(2) 对掺钮光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦；而拉曼放大

32、器需0.5-1 W 的泵浦源进行激励。(3) 增益高、噪声低、输出功率大，它的增益可达40dB,噪声系数可低至34dB, 输出功率可达1420dBmo(4) 连接损耗低，因为是光纤型放大器，因此与光纤连接比较容易，连接损耗可 低至O.ldBo3.3.2 EDFA的结构与工作原理1. EDFA的基本结构2. EDFA的工作原理第4章 光纤通信系统4.1 IM-DD光纤通信系统4.2衰减和色散队中继距离的影响4.3噪声及灵敏度分析4.1 IM-DD光纤通信系统4.1.1光纤通信中的线路码型4.1.2 IM-DD光纤通信系统的结构4.1.1光纤通信中的线路码型在数字光纤通信系统中所传输的信号是数字信

33、号，而由交换机送来的电信号 符合ITU-T所规定的脉冲编码调制(PCM)通信系统中的接口码速率和码型。HDB3 (三阶高密度双极性码)CMI (反转码) PCM系统中的这些码型并不都适于在数字光纤通信系统中传输4.1.2 IM-DD光纤通信系统的结构1. 光发射机2. 光接收机3. 光纤通信系统1. 光发射机(1) 光源的调制特性光源所釆用的调制方式包括内调制和外调制(也称为直接调制或间接调制)。在IM-DD光纤通信系统中，采用的是内调制。通常内调制适用于半导体光源。据调制信号的性质不同，内调制又可分为模拟信号的调制和数字信号的调制。1. 光发射机(2) 对光发射机的要求 光源的发光波长要合适

34、 合适的输出光功率 较好的消光比 调制特性好此外还希望光发射机的稳定性好，光源的寿命长等。(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 均衡放大 码型变换 复用复用是指利用一个大的传输信道来同时传送多个低容量的信息以及开销信息 的过程。1. 光发射机(3)光发射机的组成方框图和各部分功能 扰码为了保证所提取时钟的频率以及相位与光发射机中的时钟信号一致，必须避 免所传信号码流中出现长“0”或长“1”的现象。解决这一问题的方法就是扰码，即在发送端加入一个扰码电路，而在接收端 则要加一个与扰码相反的解扰电路，以恢经过扰码后的数字信号通过调制电 路对光源进行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号码流的变化，

35、形成相应的光脉冲送入光纤。复信号码流原来的状态。 时钟1. 光发射机(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 调制(驱动)经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进行调制，让光源发出的光信号 强度跟随信号码流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。1. 光发射机(3)光发射机的组成方框图和各部分功能 自动功率控制由于老化等因素的影响，使得光发射机的光源在使用一段时间之后，出现输 出光功率降低的现象。为了保持光源输出功率的稳定，在光发射机中常使用自动功率控制(APC)电 路。1-光发射机(3)光发射机的组成方框图和各部分功能 自动温度控制特性曲线对环境温度的变化反映很灵敏，使输岀光功率的大小随温度出现变

36、 化。在环境温度发生变化时，为了能使激光器的输出特性保持稳定，在发射机盘 上需安装自动温度控制(ATC)电路。2. 光接收机(3)光发射机的组成方框图和各部分功能 其他保护、监测电路 LD保护电路无光告警电路2. 光接收机 光电检测器光电检测器的作用是将由发送光端机经光纤传过来的光信号转变为电信号， 即具有光/电转换功能。目前广泛使用的光电检波管是PIN管和雪崩光电二极管，前者称为半导体光 电二极管后者又称为APD管。后者具有信号放大的作用。2. 光接收机 前置放大器由于这个放大器与光电检测器紧紧相连，故称前置放大器。对多数放大器的前级提出特别的要求是非常必要的，它应具有低噪声、高增益的特性，

37、这样才能得到较大的信噪比。由于跨阻型前置放大器不仅具有宽频带、低噪声的优点，而且其动态范围也 比高阻型前置放大器改善很多，因此在光纤通信中得到广泛的使用。2. 光接收机 放大器主放大器的作用有下述两个方面。将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平。 它还是一个增益可调节的放大器。 一般主放大器的峰一峰值输出是几伏数量级。第5章光同步网5.1同步数字体系的概念5.2 SDH设备5.3 SDH传送网及其网络安全5.4 SDH网络性能分析5.5 SDH光接口、电接口技术指标第6章波分复用6.1波分复用的基本概念6.2波分复用技术6.3波分复用系统6.4基于WDM的光传送网6.1波分复用的

38、基本概念光纤通信复用技术主要分为：光波复用和光信号复用两大类。光波复用包括波分复用(WDM)和空分复用(SDM),光信号复用包括光时分复用(OTDM)和光频分复用(OFDM),此外还有光码分 复用(OCDMA)o1. 光波复用(1) 波分复用(WDM)光波分复用是指将两种或多种各自携带有大量信息的不同波长的光载波信 号，在发射端经复用器汇合，并将其耦合到同一根光纤中进行传输，在接收 端通过解复用器对各种波长的光载波信号进行分离，然后由光接收机做进一 步的处理，使原信号复原，这种复用技术不仅适用于单模或多模光纤通信系 统，同时也适用于单向或双向传输。(2) 空分复用(SDM)空分复用就是利用空间

39、分割，根据需要构成不同的信道进行光复用的一种复用技术。2. 光信号复用(1) 光频分复用(OFDM)当光载波之间的间隔较小时，用波长来衡量其间隔就很不方便，所以对于波 长间隔小于lnm的系统习惯称为OFDM系统。(2) 光时分复用(OTDM) OTDM是指可以将多个高速电调制信号分别转换为等速率的光信号，然后在 光层上利用超窄光脉冲进行时域复用。(3) OCDMA在OCDMA通信系统中，每个用户都拥有一个惟一的地址码，该码是一组光 正交码中的一个。6.2光波分复用技术6.2.1 WDM、DWDM 和 CWDM6.2.2 WDM的特点6.2.3 WDM与光纤6.2.4 WDM对光源和光电检测器的

40、要求6.2.1 WDM、DWDM 和 CWDM DWDM和CWDM技术实际上它们是同一种技术，只是通道间隔不同。 WDM系统的通道间隔为几十纳米以上，例如最早的1310/1550nm两波长系 统，它们之间的波长间隔达两百多纳米，这是在当时技术条件下所能实现的 WDM系统。随着技术的发展，特别是EDFA (掺餌光纤放大器)的商用化，使WDM系 统的应用进入了一个新的时期。6.2.1 WDM、DWDM 和 CWDM DWDM是密集波分复用的英文缩写。 DWDM系统是一种波长间隔更紧密的WDM系统。所谓密集是针对波长间隔而言的，而且DWDM技术其实是WDM技术的一 种具体表现形式。为了满足接入网应用

41、的要求，因而近来流行一种称为粗波分复用的技术，即 CWDM技术。6.2.1 WDM、DWDM 和 CWDM 图6-2 1550nm DWDM系统的结构图6.2.1 WDM、DWDM 和 CWDM CWDM系统是在1 5301 560nm的频谱范围内每隔10nm分配一个波长。无论是DWDM,还是CWDM,它们的本质都是相同的，即都是建立在频谱分割基础之上的不同表述形式。 WDM系统中光波长区的分配问题。6.2.2 WDM的特点(1) 光波分复用器结构简单、体积小、可靠性高(2) 提高光纤的频带利用率(3) 降低对器件的速率要求(4) 提供透明的传送通道(5) 可更灵活地进行光纤通信组网(6) 存

42、在插入损耗和串光问题6.2.4 WDM对光源和光电检测器的要求1. 对光源的要求(1) 激光器的输出波长保持稳定(2) 激光器应具有比较大的色散容纳值(3) 采用外调制技术2. 对光检测器的要求光检测器应具有多波长检测能力。6.3波分复用系统6.3.1波分复用系统结构6.3.2 WDM系统的基本应用形式6.3.3 WDM系统中的光监控信道6.3.2 WDM系统的基本应用形式1. 单向结构2. 双向结构6.3.3 WDM系统中的光监控信道随着EDFA的商用化进程的发展，在WDM系统中通常使用EDFA作为中继 器，这样使无电中继距离大大提高，因而在WDM系统中的监控内容增加了对EDFA的监控与管理

43、 的内容。在WDM系统中是通过增加一个新的波长来对EDFA的工作状态进行监控。除监控线路中的EDFA之外，WDM系统中的监控系统还应完成对各波道工 作状态的监控。监控信号所传信息包括帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等。6.3. WDM系统中的光监控信道随着EDFA的商用化进程的发展，在WDM系统中通常使用EDFA作为中继 器，这样使无电中继距离大大提高，因而在WDM系统中的监控内容增加了对EDFA的监控与管理 的内容。在WDM系统中是通过增加一个新的波长来对EDFA的工作状态进行监控。除监控线路中的EDFA之外，WDM系统中的监控系统还应完成对各波道工 作状态的监控。监控信号所传信息包

44、括帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等。6.4基于WDM的光传送网6.4.1 WDM光传送网分层结构6.4.2 WDM网络的交换形式和波长路由机制6.4.3 WDM网络的关键设备OADM和OXC6.4.4采用光波分复用技术的高速光纤通信线路6.4.5 WDM网络的生存性6.4.1 WDM光传送网分层结构1. 光传送网与通信网之间的关系2. WDM光传送网分层结构2. WDM光传送网分层结构(1)分层结构光通道网络 光通道层的逻辑功能模型 光复用段层的逻辑功能块模型(3) WDM光传送网的网络单元连接模型6.4.2 WDM网络的交换形式和波长路由机制1. WDM网络的交换形式2. 波长路由

45、机制1. WDM网络的交换形式(1) 光路交换(2) 分组交换(3) 光突发交换(4) 光分组流交换6.4.3 WDM网络的关键设备OADM和OXC WDM已经成为光纤通信的主要发展方向，因而光分插复用器(OADM)和光 数字交叉连接器OXC将成为光传送网中的关键器件，其性能直接对通信网 络的性能构成影响。1. OADM(1) OADM的功能波长上、下话路的功能。具有波长转换功能。具有光中继放大和功率平衡功能。提供复用段和通道保护倒换功能，支持各种自愈环。具有多业务接入功能。1. OADM(2) OADM的基本结构 由分波器、空间交换单元和合波器组成的OADM 由耦合单元、滤波单元和合波器构成

46、的OADM 电声光可调滤波器构成的OADM 由波长光栅路由器(WGR)构成的OADM2. OXC(1) OXC的功能 与SDH网络中的DXC设备的功能相比，它们在网络中的地位和作用相同， 但功能上存在下列区别。 OXC是在光域完成交叉连接功能的，而DXC是在电层上进行交叉连接。 OXC可以对不同速率和采用任何传输格式的信号进行交叉连接操作；DXC 设备针对不同传输格式和不同传输速率的信号的处理方式不同。 DXC受电子速率的限制，交叉连接速率较低；OXC无论在交叉连接速率、 接入速率以及总容量等方面，都优于DXC。 OXC中无需进行时钟信号同步与开销处理，便于网络升级(无需更换设备)， 而DXC

47、必须进行时钟信号同步与开销处理，在网络升级时必须更换设备。2. OXC(1) OXC的功能 OXC的实现方式 OXC共有三种实现方式：光纤交叉连接、波长交叉连接和波长转换交叉连接。2. OXC(1) OXC的功能 OXC的主要功能 OXC可以在光纤和波长两个层面上为网络提供带宽管理，如动态重构光网 络、提供光信道的交叉连接以及本地上、下话路操作、动态调节各个光纤中 的流量分布等。同时在出现继纤故障时，OXC还能提供1+1光复用段保护。2. OXC(2) OXC结构 基于WDM技术和空分复用技术的OXC 基于空分技术和可调光滤波器技术的OXC 基于分送耦合开关的第一类和第二类OXC 基于平行波长

48、的开关的OXC 完全基于波长交换的OXC结构6.4.4采用光波分复用技术的高速光纤通信线路1. 影响波分复用系统性能的因素2. 与WDM系统设计有关的几个问题1. 影响波分复用系统性能的因素(1) 制作技术和成本限制(2) 串扰影响稳频(4)阻塞特性2. 与WDM系统设计有关的几个问题(1) WDM系统中的最小和最大光功率 最小光功率 最大光功率(2) 信噪比、通道间隔、总通道数传输距离的影响(3) 最大中继距离的计算2.与WDM系统设计有关的几个问题图6-31典型WDM系统的结构框图6.4.5 WDM网络的生存性1. 网络生存性的概念2. 网络生存性策略保护和恢复3. WDM网络保护1. 网

49、络生存性的概念网络的生存性是指网络在经受各种故障(网络失效和设备失效)后能够维持可 接受业务质量的能力。经常出现的网络故障包括以下几种。设备故障链路故障软件故障2. 网络生存性策略_保护和恢复为了保证网络的正常工作，必须建立一个具有快速、可靠的交叉连接机制和 重选路由技术的保护倒换方案。就网络生存性而言，它包含两个方面的内容：保护和恢复。(1) 保护恢复技术分类(2) 网络生存性性能指标2.网络生存性策略一一护和恢复(1) 保护恢复技术分类按网络中所使用的协议层次进行划分：IP层恢复技术ATM层恢复技术SDH层恢复技术 光层恢复技术 WDM网络的恢复方案又可分为保护倒换和利用OXC重新选路进行

50、业务恢 复两种。2. 网络生存性策略一一护和恢复网络生存性性能指标冗余度是指网络中总的空闲容量与总工作容量之比。恢复率是指已恢复的通道数占原来失效的总通道数的比例。恢复时间是与恢复率有关的指标，它是指在以一定恢复率为目标的情况下， 恢复网络所需要的时间。3. WDM网络保护(1) WDM系统线路保护方式 基于单个波长的、在SDH层上实现的1+1或1 : n保护 光复用段保护(OMSP)(2) WDM环网的保护 WDM环形网络的分类 两纤环(3) 网状网的OXC保护第7章光网络7.1光网络的概念7.2光局域网和光城域网7.3宽带光接入网7.4光互联网7.5智能光网络7.6全光网7.1光网络的概念

51、光网络是指以光纤为基础传输链路所组成的一种通信体系网络结构。光网络就是一种基于光纤的电信网。目前的光网络不是一种纯光的光网络，它的控制、管理以及处理仍是由电层来完成的。在光网络上所釆用的组网设备大致分为两类：光网络节点 网络接入设备7.2光局域网和光城域网7.2.1光局域网结构7.2.2光城域网7.2.1光局域网结构光纤局域网是指利用光纤将较为靠近的许多用户连接起来的网络，这样网上 的所有用户都可以通过该网络进行相互数据交流，因此在光纤局域网中要求 用户都具有发送儀收数据的功能，并且在一个网络协议的规定下操作。不同的网络协议适合于不同的网络柘朴结构，不同的拓朴结构，适用于不同 的场合。7.2.

52、1光局域网结构1. 光纤局域网的类型2. 网络协议3. 体系结构1. 光纤局域网的类型(1) 总线形结构总线形结构网络是一种非常典型的网络结构，它可以将多台计算机和终端设 备进行连接。(2) 星形结构星形网络拓朴结构具有交叉连接的功能，使之有别于总线形网络结构。1. 光纤局域网的类型(3) 环形结构 拓朴结构 转发器I转发器的功能将所接收的所有数据向下传输；提供接收和发送数据的能力。II转发器的工作状态监听状态接收状态发送状态2. 网络协议(1) 载波监听多路访问/冲突检测载波监听多路访问/冲突检测方式，多数应用于总线形和星形拓朴网络中，称 为 DEEE802-3 标准。2. 网络协议(2)

53、令牌总线令牌总线方式又称为IEEE 802-4标准，它不仅是为办公环境而设计的，而且 还适用于工厂和其他军事环境之中，该标准通常运用于总线和星形的拓朴结 构中间。 令牌总线中的逻辑位置 令牌传输及数据传送 令牌总线的维护功能2. 网络协议CSMA/CD、令牌总线和令牌环网的比较在总线、星形网络中，媒体访问技术可以采用CSMA/CD方式，也可以采用 令牌总线方式，而在环形网中主要采用令牌环网的媒体访问技术方式，当然 不同的访问方式，各有优缺点。 CSMA/CD 令牌总线 令牌环网3. 体系结构从网络的体系结构来讲，目前使用的局域网大致相同，它们都对应于OSI参 考模型的最下面两层：物理层和数据链路层。(1) CSMA/CD光纤总线网(2) 光纤分布式数据接口 FDDI7.2.2光城域网1. 光城域网的结构2. 城域网网络连接技术3. 高速交换技术1. 光城域网的结构宽带城域网是在互联网业务迅速发展和市场竞争的条件下，建立起的城市范 围内的宽带多媒体通信网络，它是宽带IP骨干网在城市范围内的延伸，并作 为本地公共信息服务网络的重要组成部分，负责承载各种多媒体业务以满足 用户的需求。宽带城域网也采用分层结构，共分三层。(1) 核心层(2) 汇聚层(3) 接入层2. 城域网网络连接技术(1)城域WDM环网城域DWDM光纤环路网具