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1、全光通信网全光通信网内容安排内容安排 光纤通信光纤通信光纤通信发展史；光纤通信发展史；光源光源光纤及其特点；光纤及其特点；光纤通信系统；光纤通信系统；光纤通信器件；光纤通信器件；全光通信网全光通信网全光通信网特点；全光通信网特点；全光通信网结构；全光通信网结构；全光通信网关键技术；全光通信网关键技术；全光通信网的发展。全光通信网的发展。光纤通信发展史光纤通信发展史 什么是通信什么是通信人们在日常生活中，常常需要将信息从一个地方传人们在日常生活中，常常需要将信息从一个地方传到另一个地方，这种信息的传递过程就称为到另一个地方，这种信息的传递过程就称为通信通信。通信技术通信技术：实现信息传递功能的技

2、术。：实现信息传递功能的技术。信息传递过程中将抑制掉无用的信息，无失真高效的将有用信息传递给对方，还包括采集、存储、处理和显示等。光纤通信发展史光纤通信发展史光通信发展史光通信发展史古代：烽火台古代：烽火台18801880年年 BellBell发明光电话（发明光电话（现代光通信的雏型）现代光通信的雏型）p问题：光源、传输介质光源光源 ：合适的发光波长；合适的发光波长；足够的输出功率；足够的输出功率；光谱单色性要好；光谱单色性要好；要高；要高；温度稳定性好，温度稳定性好，可靠性高，寿命长。可靠性高，寿命长。器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。激

3、光器的发展史激光器的发展史 1960 1960年，美国人梅曼年，美国人梅曼(Maiman)(Maiman)发明了第一台红宝石发明了第一台红宝石激光器，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。接着，氦接着，氦氖氖(He-Ne)(He-Ne)激光器、二氧化碳激光器、二氧化碳(CO2)(CO2)激光激光器先后出现，并投入实际应用。器先后出现，并投入实际应用。激光的产生激光的产生激光的产生激光的产生 图二 原子内电子的跃迁过程受激吸收受激吸收 自发辐射自发辐射 受激辐射受激辐射激光的产生激光的产生 受激吸收即粒子吸收一个光子由低能级跃迁即粒子吸收一个光子由低能级跃迁到高能级到高能级;自

4、发辐射即高能级粒子不稳定，会自发跃迁即高能级粒子不稳定，会自发跃迁到低能级，同时放出一个光子。到低能级，同时放出一个光子。受激辐射即高能级粒子在一个外来光子的诱即高能级粒子在一个外来光子的诱导下会跃迁到低能级，同时释放一个与诱导导下会跃迁到低能级，同时释放一个与诱导光子完全相同的光子，也就是实现了光放大。光子完全相同的光子，也就是实现了光放大。激光的产生激光的产生 受激辐射的发现表明，当一束光射向介质时，受激辐射的发现表明，当一束光射向介质时，有可能存在这样一种情况：它非但不会衰减，有可能存在这样一种情况：它非但不会衰减，反而能诱导引发出新的光子，而且新的光子反而能诱导引发出新的光子，而且新的

5、光子的频率、相位、偏振状态、传播方向等均与的频率、相位、偏振状态、传播方向等均与入射光束完全相同，也就是说入射光束完全相同，也就是说光通过某种介光通过某种介质可以实现受激辐射的光放大。质可以实现受激辐射的光放大。激光产生的基本条件激光产生的基本条件 粒子数反转粒子数反转是实现受激辐射，得到光放大的是实现受激辐射，得到光放大的必要条件。必要条件。可从外界输入能量，把低能级上的原子激发可从外界输入能量，把低能级上的原子激发到高能级上，这个过程称到高能级上，这个过程称“激励激励”或或“抽运抽运”或或“光泵光泵”。红宝石激光器一台激光器是由工作物质、谐振腔和激励源组成。一台激光器是由工作物质、谐振腔和

6、激励源组成。红宝石激光器激光的产生激光的产生 19701970年，美国贝尔实验室、日本电气公司年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)(NEC)和和前苏联先后研制成功镓铝砷前苏联先后研制成功镓铝砷(GaAlAs)(GaAlAs)双异质结半导双异质结半导体激光器体激光器(短波长短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。半导体激光器的发展奠定了基础。1973 1973 年，半导体激光器寿命达到年，半导体激光器寿命达到70007000小时。小时。19761976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3

7、 1.3 mm的铟镓砷磷的铟镓砷磷(InGaAsP)(InGaAsP)激光器。激光器。1977 1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到1010万小时。万小时。19791979年美国电报电话年美国电报电话(AT&T)(AT&T)公司和日本电报电话公公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为司研制成功发射波长为1.55 m1.55 m的连续振荡半导体激的连续振荡半导体激光器。光器。激光的产生激光的产生 激光的特性：单色性好单色性好 方向性好方向性好 相干性好相干性好 能量集中能量集中激光的产生激光的产生 中国第一台红宝石激光器于中国第一台红宝石激光

8、器于19611961年年8 8月在中月在中国科学院国科学院长春光学精密机械研究所长春光学精密机械研究所研制成功。研制成功。此后短短几年内，各种类型的固体、气体、此后短短几年内，各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功。半导体和化学激光器相继研制成功。表表1 1 我国各类激光器的我国各类激光器的“第一台第一台”名名 称称研制成功时间研制成功时间研研 制制 人人He-NeHe-Ne激光器激光器19631963年年7 7月月邓锡铭等邓锡铭等掺钕玻璃激光器掺钕玻璃激光器19631963年年6 6月月干福熹等干福熹等GaAsGaAs同质结半导体激同质结半导体激光器光器19631963年年12

9、12月月王守武等王守武等脉冲脉冲Ar+Ar+激光器激光器19641964年年1010月月万重怡等万重怡等COCO2 2分子激光器分子激光器19651965年年9 9月月王润文等王润文等CHCH3 3I I化学激光器化学激光器19661966年年3 3月月邓锡铭等邓锡铭等YAGYAG激光器激光器19661966年年7 7月月屈乾华等屈乾华等 问题：激光有哪些应用？激光有哪些应用？光纤的产生光纤的产生 19551955年，英国科学家卡帕尼，发明了玻璃光年，英国科学家卡帕尼，发明了玻璃光导纤维。导纤维。光纤的产生光纤的产生 19661966年，高锟博士发表了一篇具有重大历史年，高锟博士发表了一篇具有

10、重大历史意义论文，叫做意义论文，叫做光频率的介质纤维表面波光频率的介质纤维表面波导导，大胆地预言，只要能设法降低玻璃纤，大胆地预言，只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从每公里维的杂质，就有可能使光纤的损耗从每公里10001000分贝降低到分贝降低到2020分贝公里，从而有可能分贝公里，从而有可能用于通信。用于通信。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光纤的产生光纤的产生19701970年，美国康宁年，美国康宁(Corning)(Corning)公司研制成功损耗公司研制成功损耗20dB/km20dB/km的石英光纤

11、。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。19721972年，康宁公司将光纤损耗降低到年，康宁公司将光纤损耗降低到4 dB/km4 dB/km。1973 1973 年，美国贝尔年，美国贝尔(Bell)(Bell)实验室的光纤损耗降低到实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km2.5dB/km。1974 1974 年降低到年降低到1.1dB/km1.1dB/km。1976 1976 年，日本电报电话年，日本电报电话(NTT)(NTT)公司将光纤损耗降低到公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(0.47 dB/km(波长波长1.2m)1.2m)。在以后的在

12、以后的 10 10 年中，波长为年中，波长为1.55 m1.55 m的光纤损耗：的光纤损耗：1979 1979 年是年是0.20 dB/km0.20 dB/km，19841984年是年是0.157 dB/km0.157 dB/km，1986 1986 年是年是0.154 dB/km0.154 dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极接近了光纤最低损耗的理论极限。限。波长波长（m）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图普通单模光纤的衰减随波长变化示意图0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰减（衰减（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口6 5 4 3 2 10。

13、40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段光纤的特点光纤的特点光纤分类光纤分类 按光在光纤中的传输模式分为：单模光纤和多模光按光在光纤中的传输模式分为：单模光纤和多模光纤；纤；按折射率分布情况可分为：突变型和渐变型光纤；按折射率分布情况可分为：突变型和渐变型光纤；按最佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位按最佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤；移型单模光纤；按光纤的工作波长分：短波长光纤、长波长光纤和按光纤的工作波长分：短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。超长波长光纤。按照制造光纤所用的材料分：石英系光纤、多组分按照制造光纤

14、所用的材料分：石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤。化物光纤。光纤的发展光纤的发展 光纤从光纤从多模发展到单模多模发展到单模，工作波长，工作波长从从0.85 0.85 mm发展到发展到1.31 m1.31 m和和1.55 m1.55 m(短波长向长短波长向长波长），传输速率从波长），传输速率从几十几十Mb/sMb/s发展到几十发展到几十Gb/sGb/s。随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支

15、柱。光纤特点光纤特点频带极宽：拥有极宽的频带范围；频带极宽：拥有极宽的频带范围；损耗小，无中继距离长；损耗小，无中继距离长；保密性强：不会向外幅射信号，有效地防止了窃听；保密性强：不会向外幅射信号，有效地防止了窃听；重量轻，体积小；重量轻，体积小；抗干扰性强：不会受外界电磁干扰影响；抗干扰性强：不会受外界电磁干扰影响；光纤通信不带电，可用于易燃易爆场合；光纤通信不带电，可用于易燃易爆场合；使用环境温度范围宽；使用环境温度范围宽；抗化学腐蚀，使用寿命长。抗化学腐蚀，使用寿命长。图 1.1 部分电磁波频谱100 THz10 THz1 THz100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10 M

16、Hz1 MHz1 m可见光线10 m100 m1 m m10 m m100 m m1 m10 m100 m中波(MF)短波(HF)米波(VHF)分米波(UHF)厘米波(SHF)毫米波(EHF)亚毫米波远红外线近红外线(光纤通信用）频率波长名称紫外线项目 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光纤光纤 光纤是利用光的全反射特性来导光的。光纤是利用光的全反射特性来导光的。纤芯：纤芯：纤芯位于光纤的中心部位（直径纤芯位于光纤的中心部位（直径d1d1约约9 95050微米），其成微

17、米），其成份是高纯度的二氧化硅。份是高纯度的二氧化硅。包层：包层：包层位于纤芯的周围（其直径包层位于纤芯的周围（其直径d2d2约约125125微米），其成份微米），其成份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。涂敷层：涂敷层：光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂敷层，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。敷层，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。光缆光缆 为了使光纤能在工程中实用化，能承受工程中为了使光纤能在工程中实用化，能承受工程中拉伸、拉伸、侧压和各种外力作用侧压和各种外力作用,还要具有一定还要具

18、有一定的机械强度才能使性能稳定。的机械强度才能使性能稳定。因此因此,将光纤将光纤制成不同结构、不同形状和不同种类的光缆制成不同结构、不同形状和不同种类的光缆以适应光纤通信的需要。以适应光纤通信的需要。光缆主要由光缆主要由缆芯、护套和加强元件缆芯、护套和加强元件组成。组成。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)带状带状光缆光缆(1)(1)层绞式光缆。层绞式光缆。它是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞合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在

19、一起的一种结构,如图如图(a)(a)所示。特点是成本低所示。特点是成本低,芯芯线数不超过线数不超过1010根。根。(2)(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单位它是将几根至十几根光纤芯线集合成一个单位,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)(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。光缆光缆3)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旋槽这种结构是将单根或多根光纤放入骨架的螺旋槽内内,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 V型

20、、型、U U型或凹型型或凹型,如图如图(c)(c)所示。光纤具有耐侧压、抗弯曲、所示。光纤具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。抗拉的特点。(4)(4)带状式光缆。带状式光缆。它是将它是将4 41212根光纤芯线排列成行根光纤芯线排列成行,构成带状光构成带状光纤单元纤单元,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,如如图图(d)(d)所示。这种光缆的结构紧凑所示。这种光缆的结构紧凑,采用此种结构可采用此种结构可做成上千芯的高密度用户光缆。做成上千芯的高密度用户光缆。光缆光缆光通信发展史光通信发展史1976 1976 年，美国在亚特兰大年，美国在亚特兰大(Atlanta)(

21、Atlanta)进行了世界上第进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。一个实用光纤通信系统的现场试验。1980 1980 年，美国标准化年，美国标准化FT-3FT-3光纤通信系统投入商业光纤通信系统投入商业应用。应用。1976 1976 年和年和 1978 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/s34 Mb/s的突变型多模光纤通信系统，的突变型多模光纤通信系统，以及速率为以及速率为100 Mb/s100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。的渐变型多模光纤通信系统的试验。19831983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

22、干线。随后，由美、日、随后，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-8TAT-8海底光缆通信系统于海底光缆通信系统于19881988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 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系海底光缆通信系统于统于19891989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。光通信发展史光通信发展史 19791979年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验系统。系

23、统。19821982年，中国第一个实用化光纤通信系统工程由武年，中国第一个实用化光纤通信系统工程由武汉邮科院研制并在武汉电信投入使用汉邮科院研制并在武汉电信投入使用 。世界上最长的光缆通信干线是京沈哈光缆通信干世界上最长的光缆通信干线是京沈哈光缆通信干线线,1995,1995年建成年建成 ,全长全长47074707公里公里,首期开通首期开通6 6万条电路。万条电路。光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用 通信系统的传输容量传输容量取决于对载波调制的频带宽频带宽度度，载波频率越高，频带宽度越宽载波频率越高，频带宽度越宽。光通信的主要特点：光通信的主要特点：1.容许频带很宽，传输容量很大容许频带

24、很宽，传输容量很大2.2.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3.3.重量轻、重量轻、体积小体积小 4.4.抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好5.5.泄漏小，泄漏小，保密性能好保密性能好6.6.原材料资源丰富。原材料资源丰富。光纤通信的应用 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开

25、发应用的主要目标。是当前研究开发应用的主要目标。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：通信网通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视网的干线和分配网有线电视网的干线和分配网 综合业务光纤接入网综合业务光纤接入网光纤到户光纤到户日本光纤到户的用户发展情况光纤到户光纤到户美国光纤到户用户发展情况 ENDEND光纤通信发展史光纤通信发展史 第一阶段第一阶段(19661976(19661976年年)，这是从基础研究到商业应，这是从基础研究到商业应用的开发时期。用的开发时期。第二阶段第二阶段(19761986(19761986年年)，这是以

26、提高传输速率和增，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时加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。期。第三阶段第三阶段(19861996(19861996年年)，这是以超大容量超长距离，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。为目标、全面深入开展新技术研究的时期。波长波长（m）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图普通单模光纤的衰减随波长变化示意图0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰减（衰减（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251

27、565nm 1.57 1.62 L波段波段光纤的特点光纤的特点光纤的特点光纤的特点 光纤损耗；光纤损耗；吸收损耗、散射损耗和辐射损耗吸收损耗、散射损耗和辐射损耗 光纤色散；光纤色散；模式色散、波导色散和材料色散、偏振模色散模式色散、波导色散和材料色散、偏振模色散 光纤的非线性；光纤的非线性；受激拉曼散射、受激布里渊散射、自相位调制和四受激拉曼散射、受激布里渊散射、自相位调制和四波混频。波混频。光纤光纤 用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。号和信息之间的线性关系。用参数取值离散的信号用参数取值离散的信号(如脉

28、冲的有和无、电平的高和低等如脉冲的有和无、电平的高和低等)代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；光纤通信系统光纤通信系统n 数字通信系统的数字通信系统的：抗干扰能力强，传输质量好。抗干扰能力强，传输质量好。可以用再生中继，传输距离长。可以用再生中继，传输距离长。适用各种业务的传输，灵活性大。适用各种业务的传输，灵活性大。容易实现高强度的保密通信。容易实现高强度的保密通信。数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。小型化、微型化，增强设备

29、可靠性，有利于降低成本。n 模拟通信系统的模拟通信系统的 占用带宽较窄外，电路简单易于实现、价格便宜等。占用带宽较窄外，电路简单易于实现、价格便宜等。光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统信源电发射机光发射机光接收机电接收机信 宿光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成光纤通信系统光纤通信系统 电发射机电发射机 把基带信号转换为适合信道传输的信号，可进把基带信号转换为适合信道传输的信号，可进行模数转换和调制。行模数转换和调制。光发送机光发送机 电端机来的电信号经编码后调制光源，产生载电端机来的电信号经编码后调制光源，产生载有信息的光信号，完成电光转换。有信息的光信号，完成电光转换。传输光

30、纤或光缆传输光纤或光缆 光接收机光接收机 接收的光信号由光检测器检测转换成电信号。接收的光信号由光检测器检测转换成电信号。电接收机电接收机 与电发射机的功能相反。与电发射机的功能相反。光纤通信系统光纤通信系统 光纤通信系统可分为三部分：光纤通信系统可分为三部分：电端机（电发射机、电接收机）电端机（电发射机、电接收机）光端机（光发射机、光接收机）光端机（光发射机、光接收机）传输光纤传输光纤光发射机光发射机 光发射机光发射机的功能功能:电端机输出的电端机输出的信号转换为载有信息的信号转换为载有信息的信信号；号；用耦合技术用耦合技术光纤线路；光纤线路；组成：组成：主要有光源和电路两部分。主要有光源和

31、电路两部分。光源是实现电光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。定着光发射机的性能。电路的设计应以电路的设计应以为依据，使为依据，使准确反准确反映映n对光源的要求：对光源的要求：发射的光波长应和光纤低损耗发射的光波长应和光纤低损耗“窗口窗口”一致；一致；光谱单色性要好；光谱单色性要好；要高；要高；发射光束的发射光束的 光发射机光发射机调制电路、驱动电路和线路编码电路。调制电路、驱动电路和线路编码电路。调制方式：调制方式：直接调制和外调制。直接调制和外调制。激光源驱动器光纤光信号输出电信号输入(a)激光源调制器驱动和控制电信号输入光纤光信

32、号输出(b)(a)直接调制直接调制(内调制内调制)；(b)间接调制间接调制(外调制外调制)光发射机光发射机n直接调制:用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。受激光器的频率特性所限制。n外调制外调制:把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。输出光而实现的。外调制的优点是调制速率

33、高，缺点是技术复杂，成本较高，外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，一般应用于高速率通信中。一般应用于高速率通信中。光发射机光发射机(a)LED数字调制数字调制(b)LD数字调制数字调制直接调制原理直接调制原理IP输入电信号输出光信号IP输入电信号输出光信号Ith Ib光发射机光发射机n 线路编码电路线路编码电路 电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，性码，而光源不能发射负脉冲，要变换为适合于光要变换为适合于光纤传输的纤传输的 数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即

34、“有光脉冲有光脉冲”表示表示“”码，码，“无光脉冲无光脉冲”表示表示“0 0”码。码。光发射机光发射机光纤线路光纤线路n功能：功能：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的失真和衰减传输到光接收机。的失真和衰减传输到光接收机。光接收机光接收机n功能：功能：把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。前的电信号。指标：指标：1 1、误码率误码率（bit error ratiobit error ratio，BERBER）是指判决

35、再生电路输出码元出现错误的概率。是指判决再生电路输出码元出现错误的概率。2 2、灵敏度灵敏度 在保证一定误码率的条件下，光接收机所需接收的在保证一定误码率的条件下，光接收机所需接收的最小光功率。最小光功率。光接收机光接收机组成：组成：由光检测器、由光检测器、放大器和相关电路组成。放大器和相关电路组成。光检测器偏压控制前置放大器AGC电路均衡器判决器时钟提取再生码流主放大器光信号n光检测器光检测器 光检测器是光接收机实现光光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，电转换的关键器件，其性能直接影响光接收机的灵敏度。其性能直接影响光接收机的灵敏度。n 对光检测器的要求对光检测器的要求：光电转换效率

36、高；光电转换效率高；噪声要尽可能低，噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；能接收极微弱的光信号；性能稳定，性能稳定，可靠性高，可靠性高，寿命长，寿命长，功耗体积小。功耗体积小。目前，目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有适合于光纤通信系统应用的光检测器有 PINPIN光电二极管和雪崩光电二极管光电二极管和雪崩光电二极管(APD)(APD)。光接收机光接收机光检测器偏压控制前置放大器AGC电路均衡器判决器时钟提取再生码流主放大器光信号n放大器放大器n1 1、前置放大器：、前置放大器：它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。：提供足够的增益提供足够的增益 ；并通过

37、它实现自动增益控制并通过它实现自动增益控制(AGC)(AGC)，使输入光信号，使输入光信号在一定范围内变化时，在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。输出电信号保持恒定。主放大器和主放大器和AGCAGC决定着光接收机的动态范围。决定着光接收机的动态范围。光接收机光接收机光检测器偏压控制前置放大器AGC电路均衡器判决器时钟提取再生码流主放大器光信号光接收机光接收机 均衡器：均衡器：对经光纤传输、光对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸电转换和放大后已产生畸变变(失真失真)的电信号进行整形，的电信号进行整形，使输出信号的波形适使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减小误码率。合于判决，以消

38、除码间干扰，减小误码率。定时提取电路：定时提取电路：设定判决时刻。设定判决时刻。判决器：判决器：判决即是用一判决电平与均衡器输出信号进行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比较，以确定某时隙码元为“1 1”还是为还是为“0 0”。可在可在判决再生电路的输出端得到一个由矩形脉冲组成的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数字脉冲序列，它和发送端发出的数字脉冲信号基本是一致的。本是一致的。长途光纤通信系统长途光纤通信系统 光电光中继器光电光中继器 光放大器光放大器 （EDFAEDFA、RFARFA）光纤通信系统光纤通信系

39、统 发展：发展：第一代：工作波长第一代：工作波长0.85um，多模光纤；，多模光纤；第二代：工作波长第二代：工作波长1.31um，多模光纤；，多模光纤；第三代：工作波长第三代：工作波长1.31um，常规单模光纤；，常规单模光纤；第四代：工作波长第四代：工作波长1.55um，常规单模光纤；，常规单模光纤；第五代：工作波长第五代：工作波长1.55um，非零色散位移单模光纤；，非零色散位移单模光纤；无源光器件无源光器件 光纤连接器；光纤连接器；光纤分路器、耦合器；光纤分路器、耦合器；波分复用器；波分复用器；光隔离器；光隔离器；光开关；光开关；光滤波器；光滤波器；无源光器件无源光器件 光纤与光纤的连接

40、有两种光纤与光纤的连接有两种:永久性连接；（光纤熔接机）永久性连接；（光纤熔接机）活动性连接。（光纤连接器）活动性连接。（光纤连接器）无源光器件无源光器件 光纤分路器、耦合器光纤分路器、耦合器 把光信号从一个光纤分至多个光纤中把光信号从一个光纤分至多个光纤中无源光器件无源光器件 波分复用器波分复用器 把不同波长的光信号复合注入到一根光纤中，把不同波长的光信号复合注入到一根光纤中，或将复合的多个波长的信号分离出来。或将复合的多个波长的信号分离出来。12341 234光纤光纤透镜透镜闪烁光栅闪烁光栅闪烁光栅波分复用器无源光器件无源光器件 光纤衰减器光纤衰减器 使用的是掺有金属离子的衰减光纤制造而成

41、，能使用的是掺有金属离子的衰减光纤制造而成，能把光功率调整到所需要的水平。把光功率调整到所需要的水平。无源光器件无源光器件 光开关光开关 用于光纤通信系统中作光路切换之用。用于光纤通信系统中作光路切换之用。光开关光开关无源光器件无源光器件无源光器件无源光器件n光调制器光调制器 用电信号调变光波的相位或强度。用电信号调变光波的相位或强度。无源光器件无源光器件n光隔离器光隔离器 只允许单向光通过的无源光器件。只允许单向光通过的无源光器件。n光滤波器光滤波器 可用于波分复用系统中的波长选择、光放大器中可用于波分复用系统中的波长选择、光放大器中的噪声滤波。的噪声滤波。光纤通信新技术光纤通信新技术 光器

42、件；光器件；波分复用技术；波分复用技术；光放大技术；光放大技术；光孤子技术；光孤子技术；光接入技术光接入技术;全光网全光网WDMWDM系统系统 光通信的复用方式：光通信的复用方式：空分复用；空分复用；时分复用；时分复用；波分复用（频分复用）波分复用（频分复用）;空分复用空分复用 利用在空间分割构成不同的信道来实现光复利用在空间分割构成不同的信道来实现光复用的技术。用的技术。时分复用时分复用 时分复用：时分复用：各路信号在同一信道上占有不同各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信时间间隙进行通信。时分复用时分复用15 s3 st振振幅幅2314523145231455个个64kbit/s数字

43、音频信道的时分复用数字音频信道的时分复用时分复用时分复用光时分复用原理图0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰减（衰减（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段 （Wavelength Division Multiplexing，WDM）在一根光纤中同时传送不同波长的多个光载波在一根光纤中同时传送不同波长的多个光载波信号的技术。信号的技术。WDM系统原理框图系统原理框图 光发送机1光发送机2光发送机3光接收机3光接收机2光接收机1复用器解复用

44、器1 2 N单根光纤 粗波分复用（粗波分复用（CWDMCWDM）相邻波长间隔较大（相邻波长间隔较大（50100nm50100nm）；）；密集波分复用（密集波分复用（DWDMDWDM）相邻波长间隔为相邻波长间隔为110nm110nm；频分复用（频分复用（FDMFDM）相邻波长间隔小于相邻波长间隔小于1nm1nm。WDMWDM系统迅速发展的原因系统迅速发展的原因通信业务的迅速增长；通信业务的迅速增长；电子器件速率瓶颈；电子器件速率瓶颈；巨大的带宽资源；巨大的带宽资源；EDFAEDFA的商用化的商用化WDMWDM发展历史发展历史 2020世纪世纪8080年代：两波长的波分复用；年代：两波长的波分复用

45、；19951995年：年：1550nm1550nm窗口的多个波长的窗口的多个波长的WDMWDM系统商用。系统商用。19981998年：我国研制成功了四波长的年：我国研制成功了四波长的WDMWDM系统；系统；以后三年：以后三年：1616波、波、3232波、波、4040波，每波长速率可达波，每波长速率可达10Gbit/s10Gbit/s；20022002年：华为、中兴研制成功年：华为、中兴研制成功1.6Tbit/s1.6Tbit/s（160160*10Gbit/s10Gbit/s）的的WDMWDM系统。系统。20072007年年:阿尔卡特朗讯阿尔卡特朗讯 实现了实现了12.8Tbit/s12.8T

46、bit/s（160160*80Gbit/s80Gbit/s）的的2550km2550km的长途信息传输的长途信息传输。WDMWDM系统特点系统特点可充分利用光纤的巨大带宽资源；可充分利用光纤的巨大带宽资源；可以同时传输多种不同类型的信号；可以同时传输多种不同类型的信号；超大传输容量；超大传输容量；节省光纤资源、降低成本；节省光纤资源、降低成本；各通路透明传输、平滑升级扩容；各通路透明传输、平滑升级扩容；充分利用成熟的充分利用成熟的TDMTDM技术；技术；利用利用EDFAEDFA实现超长距离传输；实现超长距离传输；对光纤的色散无过高要求；对光纤的色散无过高要求；可组成可组成WDMWDM全光网络全

47、光网络WDMWDM系统基本构成方式系统基本构成方式双纤单向双纤单向WDMWDM系统系统WDMWDM系统基本构成方式系统基本构成方式单纤双向通信系统单纤双向通信系统WDMWDM系统的基本结构系统的基本结构光转发器1光转发器n光合波器BALAPA光分波器光接收器1光接收器n光监控信道光监控信道发送器光监控信道光监控信道接收/发送器光监控信道光监控信道接收器光发送机光发送机光接收机光接收机光中继放大光中继放大 光 纤 光 纤网络管理系统网络管理系统ssss1nn1n1n1WDMWDM系统的基本结构系统的基本结构 光发送机光发送机将来自不同终端的多路光信号分别由光转发器转换将来自不同终端的多路光信号分

48、别由光转发器转换为各自特定波长的光信号后，经光合波器合成组合光信号，再通为各自特定波长的光信号后，经光合波器合成组合光信号，再通过光功率放大器放大输出至光纤中传输。过光功率放大器放大输出至光纤中传输。光中继放大光中继放大用采用了增益平坦技术的用采用了增益平坦技术的EDFAEDFA实现对不同波长光实现对不同波长光信号的相同增益放大。信号的相同增益放大。光接收机光接收机先由前置光放大器放大经传输衰减的主信道光信号，先由前置光放大器放大经传输衰减的主信道光信号，再用分波器从主信道光信号中分出不同特定波长的光信号。再用分波器从主信道光信号中分出不同特定波长的光信号。光监控信道光监控信道监控系统内各信道

49、的传输情况。在发送端，插入监控系统内各信道的传输情况。在发送端，插入本节点产生的波长本节点产生的波长s s为的光监控信号（如帧同步、公务及各种为的光监控信号（如帧同步、公务及各种网管开销字节），与主信道的光信号合波输出；在接收端，将收网管开销字节），与主信道的光信号合波输出；在接收端，将收到的光信号进行分离，输出为到的光信号进行分离，输出为s s波长的光监控信号和业务信道波长的光监控信号和业务信道光信号。光信号。网络管理系统网络管理系统通过光监控信道物理层传送的开销字节到其他通过光监控信道物理层传送的开销字节到其他结点或接收来自其他结点的开销字节对结点或接收来自其他结点的开销字节对WDMWDM

50、进行管理，实现配置、进行管理，实现配置、故障、安全、性能管理等功能，并与上级管理系统通信。故障、安全、性能管理等功能，并与上级管理系统通信。光波长分配原则光波长分配原则 G.692规定在规定在1550nm频段上频率间隔是频段上频率间隔是100GHz（波长间隔约为（波长间隔约为0.8nm）的整数倍。）的整数倍。WDMWDM技术中的关键器件技术中的关键器件 光波长转换器；光波长转换器；光合波器光合波器/分波器；分波器；光放大器光放大器 光波长转换器光波长转换器:是把光信号从一个波长转换为另一是把光信号从一个波长转换为另一个波长的器件。个波长的器件。光光-电电-光型；光型；基于光混频原理的波长变换器