1、4.14.1光纤传输链路的基本单元光纤传输链路的基本单元 光纤传输链路由图光纤传输链路由图4-14-1所示，其关键部所示，其关键部分是由光源和驱动电路组成的光发送分是由光源和驱动电路组成的光发送机、将光纤包在其中对光纤起到机械机、将光纤包在其中对光纤起到机械加固和保护作用的光缆以及由光检测加固和保护作用的光缆以及由光检测器、光放大电路、信号恢复电路组成器、光放大电路、信号恢复电路组成的光接收机三大部分组成。的光接收机三大部分组成。图4-11.1.光纤和光缆光纤和光缆 在光纤链路中，成缆后的光纤是最在光纤链路中，成缆后的光纤是最重要的元件之一，有关光纤的基本概重要的元件之一，有关光纤的基本概念已
2、在第念已在第2 2章介绍。与铜缆类似，光缆章介绍。与铜缆类似，光缆可以架空铺设，也可以铺设在管道内、可以架空铺设，也可以铺设在管道内、铺设于海底或直埋于地下。铺设于海底或直埋于地下。2.2.发送机发送机 核心是光源。光源的主要功能就是核心是光源。光源的主要功能就是将输入电信号转换为光信号。一般铺将输入电信号转换为光信号。一般铺设好光缆以后，光源应有与光纤纤芯设好光缆以后，光源应有与光纤纤芯相匹配的尺寸，以便于将光功率注入相匹配的尺寸，以便于将光功率注入光纤。光纤。3.3.接收机接收机 光接收器的关键设备是光电检测器。光接收器的关键设备是光电检测器。光信号注入光纤以后，由于光纤材料光信号注入光纤
3、以后，由于光纤材料的散射、吸收和色散机理，会导致信的散射、吸收和色散机理，会导致信号随传输距离的增加而产生连续的衰号随传输距离的增加而产生连续的衰减和失真。减和失真。4.2 4.2 光纤的导光原理光纤的导光原理4.2.1 4.2.1 基本光学定律基本光学定律 1.1.光速和材料的折射率光速和材料的折射率光在不同的介质中以不同的速度传光在不同的介质中以不同的速度传播，看起来就好像不同的介质以不播，看起来就好像不同的介质以不同的阻力阻碍光的传播。描述介质同的阻力阻碍光的传播。描述介质的这一特征的参数就是折射率，或的这一特征的参数就是折射率，或者折射指数。者折射指数。如果如果v v是光在某种介质中的
4、速是光在某种介质中的速度，度，c c是光在真空中的传播速是光在真空中的传播速度度 ，那么介质的折射率那么介质的折射率n n为为smc/1038vcn/例例【4.14.1】已知光从空气照射玻璃并从其中已知光从空气照射玻璃并从其中穿过，问光在玻璃中的传播速度是多少？穿过，问光在玻璃中的传播速度是多少？解：取光对玻璃的折射率解：取光对玻璃的折射率n=1.5n=1.5，得，得到光在玻璃中的传播速度为到光在玻璃中的传播速度为)/(100.25.1/103/88smncv2.2.光线的反射定律和折射定律光线的反射定律和折射定律 光在传播过程中，若从一种介质传光在传播过程中，若从一种介质传播到另一种介质的交
5、界面时，因两种播到另一种介质的交界面时，因两种介质的折射率不等，将会在交界面上介质的折射率不等，将会在交界面上发生反射和折射现象，如图发生反射和折射现象，如图4-54-5所示，所示，图中是图中是 入射角，入射角，是折射角。是折射角。是是反射角反射角123（a a)光从空气进入玻璃光从空气进入玻璃 (b)(b)光从玻光从玻璃进入空气璃进入空气图图4-54-5入射光线、反射光线和折射光线入射光线、反射光线和折射光线【例【例4.24.2】图图4-54-5中中,那么那么 和和 的值是多少？的值是多少？解：解：,由由 ，可求得可求得 5.1,30,0.12011nn23013301122sinsinnn
6、01125.19)333.0(sin)5.1/5.0(sin（a a）任意角度入射（）任意角度入射（b b）入射角度增加）入射角度增加（c c）临界入射角）临界入射角发生全内反射发生全内反射 （d d）入射角度大于临界入射角）入射角度大于临界入射角所有的光全所有的光全 部被反射回部被反射回4.2.2 4.2.2 光纤对光的传导光纤对光的传导1.1.纤芯和包层的折射率纤芯和包层的折射率 根据光纤横截面上折射率分布的不根据光纤横截面上折射率分布的不同，可分为阶跃型光纤和渐变型光纤同，可分为阶跃型光纤和渐变型光纤 图图4-84-8给出了阶跃型光纤的结构示意给出了阶跃型光纤的结构示意图。图。（a a）
7、折射率图）折射率图 (b)(b)光纤的横截面光纤的横截面前视图前视图 (c c)光纤的横截面光纤的横截面右视图右视图【例【例4.44.4】已知纤芯的折射率已知纤芯的折射率 ，包层的折射率包层的折射率 ，在什么条件下光，在什么条件下光可以保持在纤芯中？可以保持在纤芯中？解：这个条件就是全反射。为了实现解：这个条件就是全反射。为了实现全反射，至少要使光纤以临界入射角全反射，至少要使光纤以临界入射角入射到纤芯包层边界则入射到纤芯包层边界则11.48n 21.46n 01157.80)48.1/46.1(sinc2.2.临界入射角临界入射角 和临界传播角和临界传播角临界传播角临界传播角 指光线与光纤中
8、心线的角指光线与光纤中心线的角度（在光纤术语中常称它为度（在光纤术语中常称它为“临界临界角角”）；临界入射角）；临界入射角 是光线和与纤是光线和与纤芯和包层间的光边界垂直的直线间的芯和包层间的光边界垂直的直线间的角度角度c1ccc1图图4-104-10临界入射角和临界传播角临界入射角和临界传播角c3.3.光纤接受角度光纤接受角度 光当然要从像光当然要从像LEDLED或或LDLD这样的某个源发这样的某个源发出，而这个源是在光纤之外的，所以出，而这个源是在光纤之外的，所以我们必须把它导向到光纤中。图我们必须把它导向到光纤中。图4-114-11示出了从一个光源辐射的光如何进入示出了从一个光源辐射的光
9、如何进入一根光纤的过程。一根光纤的过程。图图4-11 4-11 光从光源导向光纤的过程光从光源导向光纤的过程【例【例4.54.5】已知光纤纤芯的折射已知光纤纤芯的折射率率 ，包层的折射率，包层的折射率 的光纤，问其接受角是多少？的光纤，问其接受角是多少？解：解：因为，因为，由由 ，对于空气，对于空气，。则则 ，求得，求得所以接受角度所以接受角度 。11.48n 21.46n 02143.9)48.146.1(1sinccaannsinsin11an043.9sin48.1sina01033.142425.0sina007.282a4.4.数值孔径数值孔径NANA数值孔径表征光纤从光源接收光线的
10、数值孔径表征光纤从光源接收光线的能力。能力。NANA值越大，光纤接收收集光的值越大，光纤接收收集光的能力越强。能力越强。数值孔径数值孔径NANA的定义是：的定义是：由于由于 ，则得，则得到到NANA的常用公式：的常用公式：aNAsincansinsin1212)(1sinnnc2221nnNA 4.3 4.3 光纤的传输特性光纤的传输特性4.3.14.3.1光纤的损耗特性光纤的损耗特性一、弯曲损耗一、弯曲损耗 1.1.宏弯损耗宏弯损耗 宏弯损耗是指由整个光纤轴线的弯宏弯损耗是指由整个光纤轴线的弯曲造成的损耗，其原理如图曲造成的损耗，其原理如图4-124-12所示。所示。图图4-124-12弯曲
11、损耗弯曲损耗2.2.微弯损耗微弯损耗 微弯损耗是指由光纤轴线微小的崎微弯损耗是指由光纤轴线微小的崎变造成的损耗。其原理如图变造成的损耗。其原理如图4-134-13所示。所示。纤芯包层接口在几何上的不完善可能纤芯包层接口在几何上的不完善可能会造成在相应区域上微观的凸起或凹会造成在相应区域上微观的凸起或凹陷。光束最初以临界传播角传输，经陷。光束最初以临界传播角传输，经过在这些不完善点处的反射以后，传过在这些不完善点处的反射以后，传播角会发生变化。结果就是不再满足播角会发生变化。结果就是不再满足全内反射条件，部分光束被折射掉，全内反射条件，部分光束被折射掉，即它们泄露出纤芯，从而产生微弯损即它们泄露
12、出纤芯，从而产生微弯损耗。耗。图图4-13 4-13 微弯损耗微弯损耗二、散射损耗二、散射损耗 光纤本身损耗的原因，大致包括两光纤本身损耗的原因，大致包括两类：散射损耗和吸收损耗。类：散射损耗和吸收损耗。所谓散射是指光通过密度或折射率所谓散射是指光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了在光的传播方等不均匀的物质时，除了在光的传播方向以外，在其它方向也可以看到光，这向以外，在其它方向也可以看到光，这种现象称为光的散射种现象称为光的散射 散射损耗中瑞利散射和结构缺陷散散射损耗中瑞利散射和结构缺陷散射对光纤传输的影响较大。射对光纤传输的影响较大。1.1.瑞利散射瑞利散射 这种散射是由于光纤材这种散射
13、是由于光纤材料的折射率随机性变化而引起的料的折射率随机性变化而引起的 2.2.结构缺陷散射结构缺陷散射 在光纤制造过程在光纤制造过程中，由于结构缺陷（如光纤中的气泡、中，由于结构缺陷（如光纤中的气泡、未发生反应的原材料以及纤芯和包层未发生反应的原材料以及纤芯和包层交界处粗糙等），将会产生结构缺陷交界处粗糙等），将会产生结构缺陷散射损耗，这种损耗与光波长无关散射损耗，这种损耗与光波长无关三、吸收损耗三、吸收损耗 吸收损耗是光波通过光纤材料时，吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，造成光功率有一部分光能变成热能，造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，的损失。造成吸收损耗的原因很多
14、，但都与光纤材料有关，下面主要介绍但都与光纤材料有关，下面主要介绍本征吸收和杂质吸收。本征吸收和杂质吸收。（1 1）本征吸收）本征吸收 材料的固有吸收损耗与波长有关，材料的固有吸收损耗与波长有关，对于石英系光纤，本征吸收有两个吸对于石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，一个是紫外吸收带，另一个是收带，一个是紫外吸收带，另一个是红外吸收带。红外吸收带。（2 2）杂质吸收）杂质吸收 杂质吸收是由光纤材料的不纯净而杂质吸收是由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗。影响最严重的造成的附加吸收损耗。影响最严重的是：金属过渡离子和水的氢氧根离子是：金属过渡离子和水的氢氧根离子吸收电磁能量而造成的损耗。吸收电磁
15、能量而造成的损耗。四、对衰减的计算 光纤损耗（光纤损耗（LossLoss）是指光纤输出端的）是指光纤输出端的功率功率 与发射到光纤时的功率与发射到光纤时的功率 的比值。的比值。其中功率和以瓦（其中功率和以瓦（W W）为单位。）为单位。outPinPinoutPPLoss/【例例4.74.7】一个传输系统使用衰减一个传输系统使用衰减A A为为0.5 dB/km0.5 dB/km的光纤。如果输入功率是的光纤。如果输入功率是1 1 mwmw，链路长度为，链路长度为15km15km，求出输出光功，求出输出光功率。率。解：由（解：由（4.3-34.3-3）式）式得得 15/101lg105.03outP
16、mWPout178.01010110/155.03【例【例4.84.8】如果发射功率为】如果发射功率为1mW1mW，接收，接收器的敏感性为器的敏感性为50uw50uw，计算衰减为，计算衰减为0.5Db/km0.5Db/km的光纤链路的最大传输距离。的光纤链路的最大传输距离。解：由于解：由于 的最小值是由接收器的的最小值是由接收器的敏感性来决定的，则敏感性来决定的，则 。由公式（由公式（4.3-44.3-4）得）得 outPuWPout50kmPPAkmLoutin2620lg5.010)/lg()/10()(4.3.2 4.3.2 光纤的色散特性光纤的色散特性 光纤色散是光纤的另一个重要特性，
17、光纤色散是光纤的另一个重要特性，由于光纤中色散的存在，会使得输入由于光纤中色散的存在，会使得输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这就限制了传输容扰，增加误码率，这就限制了传输容量和传输距离。量和传输距离。光纤的色散可归结为三类：模式色光纤的色散可归结为三类：模式色散、材料色散，波导色散。散、材料色散，波导色散。一、模式及模式数量一、模式及模式数量1 1模式模式 光在光纤中是以一组独立的光光在光纤中是以一组独立的光束或光线传播。如果我们能够看束或光线传播。如果我们能够看到光纤内部的话，我们会看到一到光纤内部的话，我们会看到一组光线以不同的传播角组光
18、线以不同的传播角 传播，传播，传播角的值从零到临界值传播角的值从零到临界值c（a a）不同光束的模式）不同光束的模式(b)(b)不同的光束具有不同的相位变化不同的光束具有不同的相位变化光纤只支持那些在同一相位完成整个锯齿光纤只支持那些在同一相位完成整个锯齿形的模式形的模式2.2.模式数量模式数量 光纤中的模式数量依赖于光纤的光特光纤中的模式数量依赖于光纤的光特性和几何特性。一根光纤的纤芯直径性和几何特性。一根光纤的纤芯直径越大纤芯所能容纳的光就越多，所具越大纤芯所能容纳的光就越多，所具有的模式就越多；同样，光的波长越有的模式就越多；同样，光的波长越短光纤所能容纳的模式也越多。短光纤所能容纳的模
19、式也越多。一根光纤中模式的数量由归一化频率一根光纤中模式的数量由归一化频率（normalized frequencynormalized frequency）参数）参数V V来来决定，这个参数常决定，这个参数常被称为被称为V V参数。这个值等于参数。这个值等于 （4.3-54.3-5）其中其中,d,d为纤芯直径，为纤芯直径，为工作波长，为工作波长，n1n1和和n2n2分别为纤芯和包层的折射率。分别为纤芯和包层的折射率。对于阶跃折射率光纤，当对于阶跃折射率光纤，当V V值较大值较大（V20V20）时，可以采用下公式计算模）时，可以采用下公式计算模式的数量式的数量N N 22221dnNAdnnd
20、V1 1 1n （4.3-64.3-6）对于渐变折射率光纤，模式的数量对于渐变折射率光纤，模式的数量N N为为4/2VN2/2VN 3 3模式的物理意义模式的物理意义 在光纤中，总的光功率是由单个的在光纤中，总的光功率是由单个的模式携带的，所以在光纤输出端这些模式携带的，所以在光纤输出端这些小部分结合起来就成了带一定功率的小部分结合起来就成了带一定功率的输出光束。输出光束。二、模式色散二、模式色散1.1.色散的概念色散的概念 在光纤中，信号的不同模式或不同在光纤中，信号的不同模式或不同频率在传输时具有不同的速度，因而频率在传输时具有不同的速度，因而信号到达终端时会出现传输时延差，信号到达终端时
21、会出现传输时延差，从而引起信号畸变，这种现象统称色从而引起信号畸变，这种现象统称色散。散。2.2.模式色散模式色散 由于光束在光纤内部的模式结构所由于光束在光纤内部的模式结构所造成的脉冲展宽被称为模式色散造成的脉冲展宽被称为模式色散 3.3.模式色散的计算模式色散的计算 色散的大小用时延差色散的大小用时延差 表示。现表示。现以阶跃型多模光纤为例，对其最大模以阶跃型多模光纤为例，对其最大模式色散进行估算式色散进行估算 在多模阶跃光纤中，传输最快和最在多模阶跃光纤中，传输最快和最慢的两条光线分别是沿轴心传播的光慢的两条光线分别是沿轴心传播的光线线1 1和以临界角和以临界角 传播的光线传播的光线2
22、2，如图，如图4-184-18所示。所示。使用弱光纤可以表示为使用弱光纤可以表示为tc22minmax)(2NAcnLttt【例【例4.104.10】对于一个】对于一个 ，阶跃折射率光纤，问一个光脉冲在阶跃折射率光纤，问一个光脉冲在此光纤中传输此光纤中传输5 km5 km之后光脉冲扩展之后光脉冲扩展（即模式色散）为多少？（即模式色散）为多少？解：由于弱光纤解：由于弱光纤 相差很小，相差很小，这里用代替。根据公式（这里用代替。根据公式（4.3-114.3-11）得得275.0NA487.11n21nn 和nsNAcnLt8.423487.11032275.0105)(282322 4.4.模式色
23、散对传输速率的影响模式色散对传输速率的影响 假设我们需要以假设我们需要以10 Mbps10 Mbps（兆比特每（兆比特每秒）的速度传输信息秒）的速度传输信息,也就是说每秒钟也就是说每秒钟想要传输个脉冲；换句话说，每个周想要传输个脉冲；换句话说，每个周期的持续时间为期的持续时间为100 ns100 ns.模式色散会使这些脉冲产生扩展让模式色散会使这些脉冲产生扩展让我们看【例我们看【例4.104.10】中的数字】中的数字三、减少模式色散的措施三、减少模式色散的措施1.1.采用渐变折射率光纤采用渐变折射率光纤（1 1）渐变折射率光纤的结构）渐变折射率光纤的结构 由图由图4-184-18的分析已知，在
24、阶跃型多模的分析已知，在阶跃型多模光纤的纤芯中，零级模式沿中心轴线光纤的纤芯中，零级模式沿中心轴线传播，较高级的模式以等于或小于临传播，较高级的模式以等于或小于临界传播角传播。这样，同样速度的光界传播角传播。这样，同样速度的光束传输不同的距离，它们以不同的时束传输不同的距离，它们以不同的时间到达接收器，从而形成脉冲扩展间到达接收器，从而形成脉冲扩展（模式色散）。（模式色散）。（2 2）渐变折射率光纤如何减少模式色散）渐变折射率光纤如何减少模式色散 对于渐变折射率光纤，其模式色散对于渐变折射率光纤，其模式色散（最大脉冲扩展）（最大脉冲扩展）可由下公式给出可由下公式给出 （4.3-124.3-12
25、）其中是相对折射率，其中是相对折射率，c c是光在真空中是光在真空中的速度，为纤芯群折射率。的速度，为纤芯群折射率。tcLNt821 【例【例4.114.11】对于一个对于一个 ，的渐变折射率光纤，如果链路长的渐变折射率光纤，如果链路长5 5 kmkm，计算其由模式色散（脉冲扩展，计算其由模式色散（脉冲扩展值）。值）。解：由公式（解：由公式（4.3-124.3-12）得）得 487.11N%71.1nscLNt9.010380171.0487.11058823212.2.采用单模光纤采用单模光纤 单模光纤也由纤芯和包层构成，单模光纤也由纤芯和包层构成，一般纤芯直径一般纤芯直径2a2a4-104
26、-10，包层直径，包层直径2b=2b=125125 单模光纤是在给定的工作波长上，单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单一基模的光纤只传输单一基模的光纤.不会产生模式不会产生模式色散色散m3.3.各种光纤模式色散的比较各种光纤模式色散的比较（a a）阶跃折射率多模光线）阶跃折射率多模光线 （b b）渐变折射率多模光纤）渐变折射率多模光纤（c c）阶跃折射率单模光纤）阶跃折射率单模光纤四、材料色散四、材料色散 材料色散是由光纤材料自身特性造材料色散是由光纤材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率，严格来说，成的。石英玻璃的折射率，严格来说，并不是一个固定的常数，而是对不同并不是一个固定的常数，而是对
27、不同的传输波长有不同的值。光纤传输实的传输波长有不同的值。光纤传输实际上用的光源发出的光，并不是只有际上用的光源发出的光，并不是只有理想的单一波长，而是有一定的波谱理想的单一波长，而是有一定的波谱宽度。宽度。由材料色散造成的脉冲扩展可用以下公由材料色散造成的脉冲扩展可用以下公式进行计算式进行计算 （4.3-134.3-13）其中，其中，是材料色散系数，是材料色散系数，单位是；单位是；是光源光谱宽度。是光源光谱宽度。LDt)()(D)/(kmnmps【例【例4.124.12】某光纤的材料色散系】某光纤的材料色散系数数 ，其谱线，其谱线宽度宽度 ，试求该光传输，试求该光传输1km1km之之后的材料
28、色散。（注：后的材料色散。（注：）解：由式（解：由式（4.3-134.3-13）得）得 nm4sps12101)/(kmnmps5.3)(D五、波导色散五、波导色散 波导色散是由光纤中的光波导引起波导色散是由光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。这类色散在开路介质中是不导色散。这类色散在开路介质中是不存在的。波导色散主要存在单模光纤存在的。波导色散主要存在单模光纤中。多模光纤中的波导色散可以忽略。中。多模光纤中的波导色散可以忽略。4.44.4光源和光发射机光源和光发射机4.4.14.4.1半导体光源器件半导体光源器件 为了提高光纤通信系统的传
29、输性能，为了提高光纤通信系统的传输性能，要求光源在下面几个方面具有良好的要求光源在下面几个方面具有良好的质量指标：质量指标：(1)(1)光源的发射波长应该光源的发射波长应该与光纤的低损耗窗口一致，目前为与光纤的低损耗窗口一致，目前为0 08585、l l3 3和和1.551.55这三个低损耗窗口。这三个低损耗窗口。（2 2）光源的谱线宜窄，这样可以减小）光源的谱线宜窄，这样可以减小光纤色散对信号传输质量的影响。光光纤色散对信号传输质量的影响。光源的谱线宽度直接影响到光纤的色散源的谱线宽度直接影响到光纤的色散特性，限制了传输速率和传输距离。特性，限制了传输速率和传输距离。目前较好的半导体激光器谱
30、线宽度可目前较好的半导体激光器谱线宽度可达到达到0.1nm0.1nm。（3 3）光源与光纤的耦合效率要高，使）光源与光纤的耦合效率要高，使更多的光功率进入光纤传输。目前，更多的光功率进入光纤传输。目前，半导体激光器与尾纤的耦合效率为半导体激光器与尾纤的耦合效率为10102020，最好可达，最好可达5050。（4 4）调制方法简单。）调制方法简单。（5 5）响应速度要快，以满足高速率传）响应速度要快，以满足高速率传输的需要。输的需要。（6 6）能够室温连续工作。并能提供足）能够室温连续工作。并能提供足够的光输出功率；目前，半导体激光够的光输出功率；目前，半导体激光器尾纤的输出功率可达器尾纤的输出
31、功率可达5005002mw2mw；半；半导体发光二极管的尾纤输出功率可达导体发光二极管的尾纤输出功率可达1010左右；左右；（7 7）体积小、重量轻。寿命长。其寿命）体积小、重量轻。寿命长。其寿命应在应在1010万小时以上。万小时以上。一、半导体激光器（一、半导体激光器（LDLD）的工作特性）的工作特性1.1.阈值特性阈值特性2.2.光谱特性光谱特性 当时当时 ，发出的是荧光，因此，发出的是荧光，因此，光谱很宽，如图光谱很宽，如图4-23(a)4-23(a)所示，其宽所示，其宽度常达数百埃（度常达数百埃（）。当）。当 后，发射光谱突然变窄，谱线中心强后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，
32、表明发出激光，度急剧增加，表明发出激光，tIItII110nm 0埃=10 A3.3.温度特性温度特性图图4-254-25激光器阈值电流随温度的变化激光器阈值电流随温度的变化二、半导体发光二极管（二、半导体发光二极管（LEDLED）的工作特性）的工作特性1.1.光谱较宽光谱较宽由于由于LEDLED是属于自发辐射发光，因此，是属于自发辐射发光，因此，其谱线宽度要比其谱线宽度要比LDLD宽的多，在这一点宽的多，在这一点对于高速率信号的传输是不利的。目对于高速率信号的传输是不利的。目前，国内一般边发光二极管的最高调前，国内一般边发光二极管的最高调制频率为制频率为7070100MHz100MHz。2.
33、P2.PI I曲线的线性较好曲线的线性较好 由于由于LEDLED是无阈值器件，它随着注入电是无阈值器件，它随着注入电流的增加，输出光功率近似呈线性地流的增加，输出光功率近似呈线性地增加，其增加，其P PI I曲线如图曲线如图4-274-27所示。因所示。因此，在进行调制时，其动态范围大，此，在进行调制时，其动态范围大，信号失真小信号失真小图图4-274-27发光二极管的发光二极管的P-IP-I特性特性 3.3.光纤的耦合效率较低光纤的耦合效率较低 4.4.寿命长。发光二极管的寿命可以达寿命长。发光二极管的寿命可以达到到h h以上。以上。5.5.温度特性较好温度特性较好4.4.24.4.2光源的
34、调制光源的调制在目前广泛使用的强度调制在目前广泛使用的强度调制直接直接检波光纤传输系统中，要将电信号调检波光纤传输系统中，要将电信号调到光波上，这就要对光源进行调制。到光波上，这就要对光源进行调制。实现调制的方法有两类：一类是直接实现调制的方法有两类：一类是直接调制；另一类是间接调制调制；另一类是间接调制一、光源的直接调制一、光源的直接调制 光源的直接调制方式又称为内调制。光源的直接调制方式又称为内调制。常用的直接调制方法有下列三种：常用的直接调制方法有下列三种：（1 1）模拟强度调制（）模拟强度调制（AIMAIM），这种），这种方式与基带传输相似。方式与基带传输相似。（2 2）脉位调制（）脉
35、位调制（PPMPPM），这种方式），这种方式适应光源和检测管的特性，实际上仍适应光源和检测管的特性，实际上仍属于模拟调制。属于模拟调制。（3 3）数字调制，如）数字调制，如 PCM-IM PCM-IM，这是，这是光纤通信最常用的调制方式。光纤通信最常用的调制方式。1.1.模拟信号的直接调制模拟信号的直接调制2.2.数字信号的直接调制数字信号的直接调制二、光源的间接调制二、光源的间接调制 1.1.电光调制器电光调制器 电光调制器的基本工作原理是晶体电光调制器的基本工作原理是晶体的线性电光效应。电光效应是指电场的线性电光效应。电光效应是指电场引起晶体折射率变化的现象，能够产引起晶体折射率变化的现象
36、，能够产生电光效应的晶体称为电光晶体。生电光效应的晶体称为电光晶体。2.2.声光调制器声光调制器 声光调制器是利用介质的声光效应声光调制器是利用介质的声光效应制成。制成。4.4.34.4.3光发送机光发送机光发射机的原理方框图光发射机的原理方框图1.1.输入盘各部分功能输入盘各部分功能均衡器均衡器 对于使用不同速率的光端机，对于使用不同速率的光端机，CCITTCCITT规定了系列数字接口的码型，以规定了系列数字接口的码型，以2048kbit/s2048kbit/s为基群速率的数字系列各为基群速率的数字系列各比特率所规定的接口码型比特率所规定的接口码型表表4.4-1 4.4-1 数字复接等级对应
37、的接口码型数字复接等级对应的接口码型码型变换码型变换 由均衡器输出的由均衡器输出的 HDB3HDB3码（又称三阶码（又称三阶高密度双极性码）或高密度双极性码）或 CMICMI码（又称传码（又称传号反转码），前者是三值双极性码号反转码），前者是三值双极性码（即（即+l+l，0 0、-l-l），后者是归零码，在），后者是归零码，在数字电路中为了处理方便，需通过码数字电路中为了处理方便，需通过码型变换电路，将其变换为非归零码型变换电路，将其变换为非归零码（即（即NRZNRZ码）。码）。扰码扰码 若信码流中出现长连若信码流中出现长连“0”0”或长连或长连“1”1”的情况，将会给时钟信号的提取的情况，将
38、会给时钟信号的提取带来困难，为了避免出现这种情况，带来困难，为了避免出现这种情况，需加一扰码电路，它可有规律地破坏需加一扰码电路，它可有规律地破坏长连长连“0”0”和长连和长连“1”1”的码流。从而的码流。从而达到达到“0”0”、“l”l”等概出现。扰码以等概出现。扰码以后的信号再进行线路编码。后的信号再进行线路编码。时钟提取时钟提取由于码型变换和扰码过程都需要以由于码型变换和扰码过程都需要以时钟信号作为依据，因此，在均衡电时钟信号作为依据，因此，在均衡电路之后，由时钟提取电路提取出时钟路之后，由时钟提取电路提取出时钟信号，供码型变换和扰码电路使用。信号，供码型变换和扰码电路使用。编码编码如上
39、所述，经过扰码后的码流，尽量如上所述，经过扰码后的码流，尽量使得使得“l”l”和和“0”0”的个数均等，这样的个数均等，这样便于接收端提取时钟信号。另外从实便于接收端提取时钟信号。另外从实用角度来看，为了便于不间断业务的用角度来看，为了便于不间断业务的误码监测、区间通信联络、监控及克误码监测、区间通信联络、监控及克服直流分量的波动，在实际的光纤传服直流分量的波动，在实际的光纤传输系统中，都要对经过扰码以后的信输系统中，都要对经过扰码以后的信码流进行编码，以满足上述要求。经码流进行编码，以满足上述要求。经过编码以后，就变为适合在光纤线路过编码以后，就变为适合在光纤线路中传送的线路码型。中传送的线
40、路码型。2.2.发送盘各部分的功能发送盘各部分的功能发送盘主要完成将电信号转换成光信号，发送盘主要完成将电信号转换成光信号，并将光信号送入光纤的任务。并将光信号送入光纤的任务。驱动驱动 光源驱动电路是光发送盘的核心光源驱动电路是光发送盘的核心 自动光功率控制（自动光功率控制（APCAPC）和自动温度）和自动温度控制（控制（ATCATC）电路）电路对由对由LDLD管构成的光源，发送盘还有自动管构成的光源，发送盘还有自动光功率控制（光功率控制（APCAPC）和自动温度控制电）和自动温度控制电路（路（ATCATC）3.3.其他保护、监测电路其他保护、监测电路 发送盘除上述各部分电路外，还有发送盘除上
41、述各部分电路外，还有如下一些辅助电路：光源过流保护如下一些辅助电路：光源过流保护电路。以防止反向冲击电流过大；电路。以防止反向冲击电流过大；无光告警电路。这时延迟告警电路将无光告警电路。这时延迟告警电路将发出告警指示；发出告警指示；LDLD偏流（寿命）告偏流（寿命）告警。光发送盘中的警。光发送盘中的LDLD管，随着使用时管，随着使用时间的增长，其阈值电流也将逐渐加大。间的增长，其阈值电流也将逐渐加大。4.54.5光接收机光接收机 一、光纤数字接收机的组成一、光纤数字接收机的组成1.1.光电检测器光电检测器 光接收机中实现将光信号转换为电信光接收机中实现将光信号转换为电信号的器件称为光电检测器。
42、光电检测号的器件称为光电检测器。光电检测器是利用材料的光电效应来实现光电器是利用材料的光电效应来实现光电转换的。转换的。2.前置放大器前置放大器 前置放大器在将信号放大的过程中，前置放大器在将信号放大的过程中，放大器本身的电阻将引入热噪声；放放大器本身的电阻将引入热噪声；放大器中的晶体管将引入散弹噪声。大器中的晶体管将引入散弹噪声。3.3.主放大器主放大器 主放大器的作用有两个：一是将前主放大器的作用有两个：一是将前置放大器输出的信号电平放大到判决置放大器输出的信号电平放大到判决电路所需要的信号电平；二是一个增电路所需要的信号电平；二是一个增益可调节的放大器。当光电检测器输益可调节的放大器。当
43、光电检测器输出的信号出现起伏时，通过光接收机出的信号出现起伏时，通过光接收机的自动增益控制电路对主放大器的增的自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整，以使主放大器的输出信益进行调整，以使主放大器的输出信号幅度在一定范围不受输入信号的影号幅度在一定范围不受输入信号的影响。响。二、光接收机的主要指标二、光接收机的主要指标1.1.光接收机灵敏度光接收机灵敏度光接收机的灵敏度，就是在满足给定光接收机的灵敏度，就是在满足给定的误码率指标条件下最低接收的平均的误码率指标条件下最低接收的平均光功率光功率 。光接收机灵敏度中的光功率若用相光接收机灵敏度中的光功率若用相对值来描述，工程上常用对值来描述，工程上
44、常用dBmdBm来表示，来表示，即即 minP)(10lg103mindBmPSr 上式中，上式中，指在满足给定的误码率指指在满足给定的误码率指标条件下最低接收光功率。标条件下最低接收光功率。指指1mw1mw光光功率。功率。上述灵敏度的物理含义是：如果一部上述灵敏度的物理含义是：如果一部光接收机在满足给定的误码率指标下光接收机在满足给定的误码率指标下所需的平均光功率低，说明这部接收所需的平均光功率低，说明这部接收机在微弱的输入光条件下就能正常工机在微弱的输入光条件下就能正常工作作310minP2.2.光接收机的动态范围光接收机的动态范围光接收机的动态范围光接收机的动态范围D D，是在保证系统，
45、是在保证系统的误码率指标要求下，接收机的最低的误码率指标要求下，接收机的最低输入光功率（用输入光功率（用dBmdBm来描述）和最大允来描述）和最大允许输入光功率（用许输入光功率（用dBmdBm来描述）之差来描述）之差（dBdB）。即）。即 （dBdB）minmaxlg10PPD 4.6 SDH4.6 SDH光传输网光传输网4.6.1 SDH4.6.1 SDH的基本概念和特点的基本概念和特点 1.SDH1.SDH的基本概念的基本概念 SDHSDH是由一些基本网络单元（是由一些基本网络单元（NENE）组）组成，在信道上进行同步信息传输、复成，在信道上进行同步信息传输、复用和交叉连接的网络。用和交叉
46、连接的网络。目前实际应用的基本网络单元有四种，目前实际应用的基本网络单元有四种，即终端复用器（即终端复用器（TMTM）、分插复用器）、分插复用器（ADMADM）、再生中继器）、再生中继器 （REGREG）和）和SDHSDH数字交叉连接设备（数字交叉连接设备（SDXCSDXC）。）。（1 1）终端复用器（）终端复用器（TMTM）图图4-32 4-32 终端复用器终端复用器 （2 2）分插复用器（）分插复用器（ADMADM）分插复用器用于分插复用器用于SDHSDH传输网络的转传输网络的转接站点处，例如链的中间节点或环上接站点处，例如链的中间节点或环上节点，是节点，是SDHSDH网上使用最多、最重要
47、的网上使用最多、最重要的一种网元，它是一个三端口的器件，一种网元，它是一个三端口的器件，如图如图4-334-33所示。所示。图图4-33 4-33 分插复用器分插复用器（3 3）再生中继器）再生中继器 （REGREG）再生中继器（再生中继器（REGREG）是光中继器，它）是光中继器，它是双端口器件，只有两个线路端口是双端口器件，只有两个线路端口W W和和E E，如图，如图4-344-34所示。其作用是将光纤长所示。其作用是将光纤长距离传输后受到较大衰减及色散畸变距离传输后受到较大衰减及色散畸变的光脉冲信号转变成电信号后进行放的光脉冲信号转变成电信号后进行放大整形、再定时、再生为规划的电脉大整形
48、、再定时、再生为规划的电脉冲信号，再调制光源变换为光脉冲信冲信号，再调制光源变换为光脉冲信号送入光纤继续传输，以延长传输距号送入光纤继续传输，以延长传输距离。离。图图4-34 4-34 再生中继器再生中继器（4 4）SDHSDH数字交叉连接设备（数字交叉连接设备（SDXCSDXC）数字交叉连接设备主要完成数字交叉连接设备主要完成STM-NSTM-N信号的交叉连接功能，它是一个信号的交叉连接功能，它是一个多端口器件，它实际上相当于一个交多端口器件，它实际上相当于一个交叉矩阵，完成各个信号间的交叉连接，叉矩阵，完成各个信号间的交叉连接，如图如图4-354-35所示。所示。图图4-354-35数字交
49、叉连接设备功能图数字交叉连接设备功能图 通常用通常用SDXC m/nSDXC m/n来表示一个来表示一个SDXCSDXC的的类型和性能（注类型和性能（注mnmn），），m m表示可接入表示可接入SDXCSDXC的最高速率等级，的最高速率等级，n n表示在交叉矩表示在交叉矩阵中能够进行交叉连接的最低速率级阵中能够进行交叉连接的最低速率级别。别。m m越大表示越大表示SDXCSDXC的承载容量越大；的承载容量越大；n n越小表示越小表示SDXCSDXC的交叉灵活性越大的交叉灵活性越大表4.6-1 m、n 数值与速率对应表 由上述四种网络单元构成的由上述四种网络单元构成的SDHSDH系统系统如图如图
50、4-364-36所示。图中示出了再生段、复所示。图中示出了再生段、复用段和通道的划分。图用段和通道的划分。图4-374-37为为SDHSDH设备设备实例图。图实例图。图4-384-38为为SDHSDH机房实例图。机房实例图。2.SDH2.SDH的特点的特点SDHSDH的特点主要体现在以下几个方面：的特点主要体现在以下几个方面：（1 1）有全世界统一的网络节点接口）有全世界统一的网络节点接口（NNI)NNI)，包括统一的数字速率等级、，包括统一的数字速率等级、帧结构、复接方法、线路接口、监控帧结构、复接方法、线路接口、监控管理等等。实现了数字传输体制上的管理等等。实现了数字传输体制上的世界标准及
