1、第4章 光纤通信系统p 4.1 4.1 光纤通信概述光纤通信概述p 4.2 4.2 光纤与光缆光纤与光缆p 4.3 4.3 光纤通信系统光纤通信系统p 4.4 4.4 光纤通信新技术光纤通信新技术124.1.1 光纤通信发展简史4.1 光纤通信概述BellBell的光电话的光电话近代光通信的开始近代光通信的开始BellBell的光电话没能得到普及使用的光电话没能得到普及使用1880年，贝尔发明光电话结构：发送端有一台弧光灯作为光源，发出的光投射到话筒的音膜上，再反射回来。接收端有一个抛物面反射镜，其焦点上放着一个硅光电池，能将光信号转变为电信号，末端是听筒。原理：让声音改变音膜反射光的强弱Be
2、ll光电话的弱点：光信号是在大气中直接传递光电话的弱点：光信号是在大气中直接传递的，敏感、易受干扰、传输距离近（几百米）的，敏感、易受干扰、传输距离近（几百米）光纤通信的瓶颈：光波在大气中被吸收、反射、光纤通信的瓶颈：光波在大气中被吸收、反射、折射、干扰，严重限制了传输距离折射、干扰，严重限制了传输距离解决方法：解决方法：挖地下管道来传输挖地下管道来传输地下通道在几何上必须严格，且要放置许多反射地下通道在几何上必须严格，且要放置许多反射镜或透镜镜或透镜4.1.1 光纤通信发展简史4.1 光纤通信概述相比之下，由于金属中的电子可以自由移动，所以电通信中的电缆不需要精密的几何结构光波也是电磁波，是
3、否能找到一种光导线，能够方便高效地传输光波呢？4.1.1 光纤通信发展简史4.1 光纤通信概述光的全反射：光从水（或玻璃）中射到空气中时，在两者的交界面上，一部分光线发生反射，另一部分发生折射。反射角=入射角，折射角入射角当入射角较大时，在交界面上，全部入射光都被反射回水中，这就是全反射。4.1.1 光纤通信发展简史4.1 光纤通信概述光纤的诞生可以制造透明的光导体，使得入射的光波信号在其中不断地全反向，最终传到接收端。这种导体叫做光导纤维1950年研制出了用玻璃制成的光纤，然而损耗较大，信号每传输10米，能量损耗达90%1966年，英籍华人高锟发现，玻璃光纤的损耗，主要是因为其中含有铜、铁、
4、锰等金属粒子和杂质，只要减少杂质，提高制造水平，就能大大减小光纤的损耗1970年，美国康宁公司拉出了第一根有实用意义的光纤，损耗仅为损耗仅为 20dB/km的低损耗光纤，传输的低损耗光纤，传输1000米，米，损耗掉能量的损耗掉能量的99%，揭开光纤通信序幕。1974年，美国贝尔实验室制造出年，美国贝尔实验室制造出1dB/km损耗的低损耗损耗的低损耗光纤。光纤。4.1.1 光纤通信发展简史4.1 光纤通信概述两个关键问题：两个关键问题：一是必须有稳定的、低损耗的传输媒质一是必须有稳定的、低损耗的传输媒质；二二是必须要找到高强度的、可靠的光源。是必须要找到高强度的、可靠的光源。94.1.1 光纤通
5、信发展简史4.1 光纤通信概述我们今天所说的光通信已不再是用可见光进行的我们今天所说的光通信已不再是用可见光进行的视觉通信，而是采用光波作为视觉通信，而是采用光波作为载波载波来传递信息的来传递信息的通信方式。通信方式。对光源的要求波长与低损耗“窗口”一致：0.85微米，1.31微米或1.55微米左右光谱单色性要好，减少色散对带宽的限制电/光转换效率要高发射光束的稳定性要好调制速率高，响应速度快温度稳定性好，可靠性高，寿命长体积小、重量轻，安装方便，价格便宜4.1.1 光纤通信发展简史4.1 光纤通信概述激光物质（红宝石、砷化镓等）受激跃迁辐射所发出的一种特殊光。具有良好的相干性、单色性、方向性
6、和极高的亮度。4.1.1 光纤通信发展简史4.1 光纤通信概述4.1.1 光纤通信发展简史12u19601960年，美国加州休斯实验室第一台固体红宝石年，美国加州休斯实验室第一台固体红宝石 激光器激光器u19611961年，美国贝尔实验室氦年，美国贝尔实验室氦-氢气体激光器氢气体激光器u19701970年，美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光器年，美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光器4.1 光纤通信概述至此制约光纤通信的两个关键问题，光源和至此制约光纤通信的两个关键问题，光源和传输媒介问题完全得到解决。光纤通信的普传输媒介问题完全得到解决。光纤通信的普及和推广获得了高速发展的基本条件。及和推广获得了
7、高速发展的基本条件。光纤通信发展简史（续）4.1 光纤通信概述19771977年美国芝加哥率先开通了第一条年美国芝加哥率先开通了第一条45Mb/s45Mb/s的的商用光纤通信系统。商用光纤通信系统。目前，国际国内长途通信传输网目前，国际国内长途通信传输网 的光纤化比例已经超过的光纤化比例已经超过90%90%144.1 光纤通信概述光纤通信发展简史（续）上世纪上世纪3030年代，有人提年代，有人提出这样的观点：出这样的观点：“总有总有一天光通信会取代有线一天光通信会取代有线和微波通信而成为通信和微波通信而成为通信主流主流”。154.1 光纤通信概述金砖国家光缆计划 光纤通信是以光波作为光纤通信是
8、以光波作为载体，以光导纤维作为传载体，以光导纤维作为传输媒介的一种通信技术。输媒介的一种通信技术。载波：波长载波：波长0.8-20.8-2微米的微米的近红外光波近红外光波特点：特点：宽带、大容量、低宽带、大容量、低损耗、长中继、抗电磁干损耗、长中继、抗电磁干扰、体积小、重量轻、便扰、体积小、重量轻、便于敷设等优点于敷设等优点，成为当代，成为当代长途通信最主要的手段长途通信最主要的手段。164.1 光纤通信概述光纤通信系统框图如何让光波携带信息？数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”（不发光）光纤通信的优点光纤通信的优点引言21公里 每秒比
9、特一个半世纪以来人类通信能力增长示意图一个半世纪以来人类通信能力增长示意图 不足：光纤质地脆弱不足：光纤质地脆弱易断，敷设时的弯曲易断，敷设时的弯曲半径不宜太小半径不宜太小224.1 光纤通信概述4.1.2 光纤通信的特点4.2 光纤与光缆23光纤与光缆的结构光纤与光缆的结构 光纤的导光原理光纤的导光原理4.2.1 光纤的结构与分类24 光纤是多层同轴圆柱体，自内向外为光纤是多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯纤芯、包包层层、涂覆层涂覆层，纤芯与包层称为裸纤。包层外面，纤芯与包层称为裸纤。包层外面涂覆一层硅酮树脂或聚氨基甲酸乙酯涂覆一层硅酮树脂或聚氨基甲酸乙酯（30150m30150m），然后增加保
10、护套加以保护。），然后增加保护套加以保护。纤芯和包层是高纯度石英材料，纤芯和包层是高纯度石英材料，4.2 光纤与光缆包层折射率略低于纤芯，与纤芯一起形成光的全反射通道，使光波的传输局限于纤芯内。光纤的构造1.光纤的结构264.2 光纤与光缆按材料分：全石英光纤多组分玻璃光纤塑料包层石英芯光纤全塑料光纤2.光纤的分类4.2 光纤与光缆按模式分：多模光纤，单模光纤模式电磁场分布从几何学角度看，每根以不同角度入射到光纤中的光射线都有不同于其它光射线的模式。当光纤纤芯的几何尺寸大于光波波长时，光可以以多种模式传输，形成多模光纤，纤芯直径约50-70m单模光纤纤芯直径只有5-10 m2.光纤的分类4.2
11、 光纤与光缆多模光纤中的模间色散：不同模式的光信号走过的距离不同，入射角越小，传播路径越长，而在纤芯中传输速度又是一样的，所以到达接收端的时间不同，这使得不同模式的信号出现了时间上的差距，称为模间色散。解决方法：改变各种光的传播速度，让距离远的光，速度加快，距离近的光，速度放慢。传播速度由折射率决定，折射率越大，速度越低。靠近中心的地方，传输速度较慢，让纤芯折射率较大2.光纤的分类4.2 光纤与光缆多模光纤按照折射率分布，又分为：阶跃型和渐变型2.光纤的分类4.2 光纤与光缆4.2.2 光纤的导光原理31 在光学理论中，当传输媒介的几何尺寸远大于光波波长时，可以把光表示成其传播方向上的一条几何
12、线，称为光射线。用光射线来分析光传播特性的方法，称为射线法。下面通过射线法来分析光在阶跃型光纤中的导光原理。4.2 光纤与光缆1.光的反射与折射定律 入=反3221sinsinnn入折当当折折900时，折射光线会反射回到纤时，折射光线会反射回到纤芯进行传播，这种现象称为全反射芯进行传播，这种现象称为全反射4.2 光纤与光缆2.光纤中的全反射传输调整入射角调整入射角，使得，使得折折290度而发生全反射：度而发生全反射：33NAsin4.2 光纤与光缆4.2 光纤与光缆4.2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性光纤的传输特性描述的是光纤描述的是光纤的的传输损耗传输损耗、色散色散和和非线性非线性效应效
13、应。354.2 光纤与光缆1.传输损耗 光纤传输损耗表现为随着传输距离的增加光功率逐光纤传输损耗表现为随着传输距离的增加光功率逐渐下降，主要原因是吸收和散射造成再加光纤结构不渐下降，主要原因是吸收和散射造成再加光纤结构不完善导致完善导致。3610()log()dB/kmoiPLP 式中式中是光波波长，是光波波长，L是光纤长度（是光纤长度（km），），Po与与Pi分别是光纤输出和输入端的光功率分别是光纤输出和输入端的光功率.4.2 光纤与光缆2.色散37 理想光源应是频率单一的单色光，但现实光源信号不纯，含有不同的波长成分，在折射率为n1的光纤介质中传输速度不同，从而导致光信号分量产生不同延迟，
14、这种现象称为光纤的色散。具体表现为当光脉冲沿着光纤传输一定距离后脉冲宽度展宽，严重时前后脉冲相互重叠，难以分辨。4.2 光纤与光缆38光纤色散的类型 模式色散：在多模光纤中，因同一波长分量的模式色散：在多模光纤中，因同一波长分量的各种传导模式的相位不同、群速度不同而导致光各种传导模式的相位不同、群速度不同而导致光脉冲展宽的现象，称为模式色散（或模间色散）。脉冲展宽的现象，称为模式色散（或模间色散）。材料色散：由光纤材料自身特性造成的。材料色散：由光纤材料自身特性造成的。波导色散：由光纤中的光波导结构引起的。波导色散：由光纤中的光波导结构引起的。多模光纤主要考虑模式色散，单模光纤主要考多模光纤主
15、要考虑模式色散，单模光纤主要考虑材料色散和波导色散。虑材料色散和波导色散。4.2 光纤与光缆单模光纤中的色散系数与波长关系3.非线性效应40 非线性效应在波分复用信道间产生串话和功非线性效应在波分复用信道间产生串话和功率降低代价，限制光纤通信的传输容量和最大传率降低代价，限制光纤通信的传输容量和最大传输距离，影响系统的设计参数。输距离，影响系统的设计参数。光纤中的非线性效应分为两类光纤中的非线性效应分为两类:非弹性过程和非弹性过程和弹性过程。弹性过程。4.2 光纤与光缆4.2.4 光缆41分类方法分类方法 光缆种类光缆种类按用途按用途长途光缆、短途中继光缆、室内光缆、混合光缆长途光缆、短途中继
16、光缆、室内光缆、混合光缆按敷设方式按敷设方式直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆 按传输模式按传输模式单模光缆、多模光缆（阶跃型、渐变型）单模光缆、多模光缆（阶跃型、渐变型）按结构按结构层绞式、骨架式、大束管式、带式、单元式层绞式、骨架式、大束管式、带式、单元式 按外护套结构按外护套结构 无铠装、钢带铠装、钢丝铠装无铠装、钢带铠装、钢丝铠装 按光缆中有无金属按光缆中有无金属 有金属光缆、无金属光缆有金属光缆、无金属光缆 按维护方式按维护方式 充油光缆、充气光缆充油光缆、充气光缆 光缆的分类光缆的分类几种光缆的结构434.2 光纤与光缆4.3光纤通信系统4
17、4 光纤通信系统是以光为载波，以光导纤维为传光纤通信系统是以光为载波，以光导纤维为传输媒介来传输消息的通信系统。光纤通信系统主输媒介来传输消息的通信系统。光纤通信系统主要由电端机、光端机、光中继器和光缆组成。要由电端机、光端机、光中继器和光缆组成。1.电发送端机45 把信源消息转换成电数字信号。把信源消息转换成电数字信号。4.3光纤通信系统2.光发送端机46光源的调制有直接调制或外调制两种方式：光源的调制有直接调制或外调制两种方式：4.3光纤通信系统思考：思考：为什么不直接把原始信号变成光信号，并在光纤中传输？尽管电信号从远距离传输的效果上不如光纤中的光信号，但就整个领域来看，电信号依然是信息
18、时代的主力。对于电信号的存储、处理、分析、转换已经形成了相当完善的一套机制。3.光端机的调制方式48 直接调制（强直接调制（强-直调制）：利用电信号调制光直调制）：利用电信号调制光波的幅度，驱动电路输出波的幅度，驱动电路输出“0”、“1”脉冲信号脉冲信号直接控制光源的发光强度。适用于光源为低速的直接控制光源的发光强度。适用于光源为低速的半导体发光二极管（半导体发光二极管（LED）的情况。）的情况。外腔调制（相干光调制）：把激光送入到外腔外腔调制（相干光调制）：把激光送入到外腔调制器，然后用电数字信号控制调制器，适用于调制器，然后用电数字信号控制调制器，适用于高速激光器（高速激光器（LD）调制。
19、外调制可选择调制光波）调制。外调制可选择调制光波的频率或相位。的频率或相位。4.3光纤通信系统例子：一种直接调制的共发射极驱动电路494.3光纤通信系统4.光中继器 光-电-光中继方式 光放大器直接对光信号进行放大504.3光纤通信系统5.光接收端机 将光纤传输过来的微弱光信号，经光检测器转变为将光纤传输过来的微弱光信号，经光检测器转变为电信号，然后再经放大电路放大到足够的电平，送到电信号，然后再经放大电路放大到足够的电平，送到电接收端机去。电接收端机去。51电信号电信号4.3光纤通信系统6.电接收端机52 电接收端机接收判决器输出的再生码元数据流，电接收端机接收判决器输出的再生码元数据流，并
20、还原为信宿可接收的形式。并还原为信宿可接收的形式。4.3光纤通信系统4.4 光纤通信新技术53 超大容量、超长距离、超高速传输一直是光纤通超大容量、超长距离、超高速传输一直是光纤通信新技术的发展目标。信新技术的发展目标。拓展光纤可用拓展光纤可用“窗口窗口”的波长范围可以提高的波长范围可以提高 光纤带宽；光纤带宽；降低损耗系数可以增加光纤中继距离；降低损耗系数可以增加光纤中继距离；光波分复用或光时分复用可以增大系统容量；光波分复用或光时分复用可以增大系统容量；相干光通信和光孤子通信也是研发热点。相干光通信和光孤子通信也是研发热点。4.4.1 光波分复用与光时分复用54 采用光波分复用（采用光波分
21、复用（WDM）或光时分复用）或光时分复用（OTDM）技术可以在不增加线路投资的情况下，）技术可以在不增加线路投资的情况下，扩大系统容量。扩大系统容量。4.4 光纤通信新技术1.光波分复用55光波分复用：把多路信号变换成不同波长的光波，光波分复用：把多路信号变换成不同波长的光波，用一根光纤传输。用一根光纤传输。4.4 光纤通信新技术2.光波分复用的类型56 根据光波分复用时波长间隔的大小可以将波分复根据光波分复用时波长间隔的大小可以将波分复用系统分为三种类型：用系统分为三种类型：密集波分复用（密集波分复用（DWDM）：波长间隔）：波长间隔 110nm 稀疏波分复用（稀疏波分复用（CWDM）：波长
22、间隔）：波长间隔 10100nm 光频分复用（光频分复用（OFDM）：波长间隔）：波长间隔1nm （未获实用）（未获实用）4.4 光纤通信新技术3.光时分复用57 Optical Time Division Multiplexing:类似于电信号的时分复用，把低速的光脉冲信号复合在一起，形成超高速光脉冲信号。实现OTDM的基本技术主要包括超短光脉冲（10ps以下）发生技术、全光时分复用/去复用技术、超高速光定时提取技术等。4.4 光纤通信新技术常规光纤通信：光强度调制+直接检测优点：原理简单，成本低弱点：频带利用率低，接收机灵敏度差，中继距离短相干光通信：接收端有一个与发送端同频同相的本振光源
23、，采用相干检测4.4.2 相干光通信4.4 光纤通信新技术4.4.2 相干光通信59 本振光源的频率与相位与发送光源要严格匹配，本振光源的频率与相位与发送光源要严格匹配，否则会产生中频误差，导致判断出错。否则会产生中频误差，导致判断出错。4.4 光纤通信新技术4.4.3 光孤子通信60 光孤子是一种能在光纤中传输，并且长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。因为它很窄，所以可使邻近光脉冲间隔很小而不至于发生重叠干扰，从而实现超长距离、超大容量光通信。4.4 光纤通信新技术4.4.4 光交换技术61 光交换是指不经过任何光/电转换，把输入端光信号直接交换到不同输出端。采用光交换技术不但可以克服电
24、子交换的容量瓶颈问题，实现网络的高速率和协议透明性，而且可以提高网络的重构灵活性和生存性，大量节省建网和网络升级成本。4.4 光纤通信新技术1.光交换系统的组成62类似电交换，但交换的是光信号。类似电交换，但交换的是光信号。4.4 光纤通信新技术2.光交换的基本功能器件光开关63 把光开关组成阵列，构成一个多级互联受控网把光开关组成阵列，构成一个多级互联受控网络，就可以实现光信号交换。络，就可以实现光信号交换。把输入把输入/输出的光路接通或断开输出的光路接通或断开把波长把波长转换为波长转换为波长4.4 光纤通信新技术4.4.5 全光通信网64 全光通信网简称全光网，是指信号在网络传输和交换的过
25、程中始终以光的形式出现的一种通信网，消除“电光瓶颈”现象。全光网络具有良好的透明性、开放性、兼容性、可靠性和可扩展性，并能提供巨大的带宽、超大容量、极高的处理速度、较低的误码率，网络结构简单，组网非常灵活，可以随时增加新节点而不需要电交换和处理设备。4.4 光纤通信新技术本章小结和知识点u光纤通信的特点光纤通信的特点u光纤光缆的结构与分类光纤光缆的结构与分类u光在光纤中传输机理光在光纤中传输机理u光纤的传输特性光纤的传输特性u光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成u光纤通信新技术：光波分复用、相干光通信、光孤子光纤通信新技术：光波分复用、相干光通信、光孤子通信、全光通信系统通信、全光通信系统65
