第七章_光纤通信

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Company Logo,*,单击此处编辑母版标题样式,Introduction to Computer Systems,64,光纤,通,通信,张,昀,昀,(wumeijialian),1,光纤,通,通信,系,系统,光纤,全,全称,为,为光,导,导纤,维,维，,它,它是,一,一种,能,能够,通,通光,的,的、,直,直径,很,很细,的,的透,明,明玻,璃,璃丝,，,，是,一,一种,新,新的,传,传输,介,介质,。,。光,纤,纤通,信,信是,以,以光,波,波为,载,载波,以,光,光导,纤,纤维,为,为传,输,输媒,质,质的,激,激光,通,通信,，,，,就是,运,运用,光,光反,射,射原,理,理，,把,把光,的,的全,反,反射,限,限制,在,在光,纤,纤内,部,部，,用,用光,信,信号,取,取代,传,传统,通,通信,方,方式,中,中的,电,电信,号,号，,从,从而,实,实现,信,信息,的,的传,递,递的,，,，,亦即,将,将要,传,传的,电,电话,、,、电,报,报、,图,图象,和,和数,据,据等,信,信号,先,先变,成,成光,信,信号,，,，再,经,经由,光,光纤,进,进行,传,传输,或,或在,本,本地,进,进行,光,光交,换,换的,一,一种,通,通信,方,方式,。,。,2,CompanyLogo,概述,利用,光,光导,纤,纤维,作,作为,光,光的,传,传输,介,介质,的,的光,纤,纤通,信,信,其,其发,展,展只,有,有几,十,十年,的,的历,史,史，,它,它的,发,发展,是,是以1960,年,年美,国,国人Maiman,发,发明,的,的红,宝,宝石,激,激光,器,器，,和,和1966年,英,英籍,华,华人,高,高锟,博,博士,提,提出,利,利用,二,二氧,化,化硅,石,石英,玻,玻璃,可,可制,成,成低,损,损耗,光,光纤,的,的设,想,想为,基,基础,的,的，,这,这种,设,设想,直,直到1970,年,年美,国,国康,宁,宁公,司,司研,制,制出,损,损耗,为,为20dB/Km,的,的光,纤,纤，,才,才使,光,光纤,进,进行,远,远距,离,离传,输,输成,为,为可,能,能。,3,CompanyLogo,光纤,通,通信,发,发展,简,简史,自1970,年,以后,，,，光,纤,纤通,信,信的,研,研究,在,在世,界,界范,围,围内,展,展开,并,并得,到,到迅,猛,猛发,展,展，,在,在短,短,短的,一,一、,二,二十,年,年中,，,，已,从,从0.85um短,波,波长,多,多模,光,光纤,发,发展,到,到1.31um1.55um,的,的长,波,波长,单,单模,光,光纤,，,，同,时,时开,发,发出,许,许多,新,新型,光,光电,器,器件,，,，激,光,光器,寿,寿命,已,已达,数,数十,万,万小,时,时甚,至,至百,万,万小,时,时，,一,一些,国,国家,相,相继,建,建成,了,了长,距,距离,光,光纤,通,通信,系,系统,。,。,4,CompanyLogo,频带,宽,宽,通,通信,容,容量,大,大,理论,上,上讲,一,一根,单,单模,光,光纤,可,可利,用,用的,带,带宽,达,达20THz(1THz=10,12,Hz)以,上,上,现,现在,最,最先,进,进的,光,光纤,通,通信,系,系统,达,达400GHz,而,而一,路,路电,话,话带,宽,宽约,占,占4KHz频,带,带,一,一路,彩,彩色,电,电视,约,约占6MHz,频,频带,损,耗,耗,低,低,无,无,中,中,继,继,距,距,离,离,长,长,铜,缆,缆,的,的,损,损,耗,耗,特,特,性,性,与,与,铜,铜,缆,缆,的,的,结,结,构,构,尺,尺,寸,寸,及,及,所,所,传,传,输,输,信,信,号,号,的,的,频,频,率,率,有,有,关,关,光,光,缆,缆,的,的,损,损,耗,耗,特,特,性,性,仅,仅,与,与,玻,玻,璃,璃,的,的,纯,纯,度,度(,或,或,者,者,说,说,透,透,明,明,度,度),有,有,关,关,高,高,质,质,量,量,望,望,远,远,镜,镜,的,的,镜,镜,头,头,损,损,耗,耗,超,超,过,过500dB/km,目,目,前,前,通,通,信,信,用,用,光,光,纤,纤,的,的,最,最,低,低,损,损,耗,耗,达,达0.2dB/km,光,纤,纤,通,通,信,信,的,的,优,优,点,点,5,CompanyLogo,具,有,有,抗,抗,电,电,磁,磁,干,干,扰,扰,能,能,力,力,光,导,导,纤,纤,维,维,是,是,绝,绝,缘,缘,体,体,材,材,料,料,不,不,受,受,输,输,电,电,线,线,电,电,气,气,化,化,铁,铁,路,路,及,及,高,高,压,压,设,设,备,备,等,等,电,电,器,器,干,干,扰,扰,可,可,以,以,与,与,高,高,压,压,电,电,线,线,平,平,行,行,架,架,设,设,还,还,可,可,制,制,成,成,复,复,合,合,光,光,缆,缆,光,纤,纤,不,不,受,受,强,强,电,电,干,干,扰,扰,、,、,电,电,气,气,化,化,铁,铁,道,道,干,干,扰,扰,和,和,雷,雷,电,电,干,干,扰,扰,，,，,抗,抗,电,电,磁,磁,脉,脉,冲,冲,能,能,力,力,也,也,很,很,强,强,。,。,保,密,密,性,性,好,好,通,信,信,质,质,量,量,高,高,光,纤,纤,通,通,信,信,的,的,优,优,点,点,6,CompanyLogo,节,约,约,有,有,色,色,金,金,属,属,，,，,原,原,材,材,料,料,资,资,源,源,丰,丰,富,富,光,纤,纤,的,的,主,主,要,要,成,成,分,分,是,是SiO2,资,资,源,源,十,十,分,分,丰,丰,富,富,。,。,电,缆,缆,的,的,主,主,要,要,成,成,分,分,是,是Cu,Al,等,等,有,有,色,色,金,金,属,属,，,，,资,资,源,源,有,有,限,限,，,，,可,可,节,节,约,约,大,大,量,量,金,金,属,属,。,。,线径细,，,，重量,轻,轻，柔,软,软,可制成,大,大芯数,高,高密度,光,光缆,单芯光,缆,缆可安,装,装在飞,机,机,火,箭,箭,潜,艇,艇及航,天,天飞机,上,上,光纤通,信,信的优,点,点,7,Company Logo,缺点,质地脆,机械,强,强度低,光纤切,断,断和接,续,续需要,一,一定的,工,工具,设,设备和,技,技术,分路,耦,耦合不,灵,灵活,光纤,光,光缆弯,曲,曲半径,不,不能过,小,小,8,Company Logo,1977年，,第,第一根,短,短波长(085um)阶,跃,跃型石,英,英光纤,问,问世，,长,长度为17m,，,，衰减,系,系数为300dB/km。,1978年，,研,研制出,短,短波长,多,多模梯,度,度光纤,，,，即G.651光纤,。,。,1979年，,研,研制出,多,多模长,波,波长光,纤,纤，衰,减,减为1dB/km。,建成5.7km、8Mb/s光通,信,信系统,试,试验段,。,。,1980年，1300nm,窗,窗口衰,减,减降至0.48dB/km,，,，1550nm窗口,衰,衰减为0.29dB/km,。,。,我国光,纤,纤通信,的,的开发,里,里程,9,Company Logo,1984年，,武,武汉、,天,天津34Mb/s市,话,话中继,光,光传输,系,系统工,程,程建成(多模)。,1988年，,全,全长245km的武,汉,汉长,沙,沙市34Mb/s多,模,模光缆,通,通信系,统,统工程,通,通过邮,电,电部鉴,定,定验收,。,。,1989年，,汉,汉阳,汉南40Mb/s,单,单模光,传,传输系,统,统工程,通,通过邮,电,电部鉴,定,定验收,。,。,1991年，,研,研制出G.653色,散,散位移,光,光纤。,最,最小衰,减,减达0.22dB/km。,合,合肥,芜湖40Mb/s,单,单模光,传,传输系,统,统工程,通,通过国,家,家鉴定,验,验收。,我国光,纤,纤通信,的,的开发,里,里程,10,Company Logo,1993年，,在,在掺铒,光,光纤放,大,大器的,研,研究上,取,取得突,破,破性进,展,展，小,信,信号增,益,益达25dB,。,。上海,无,锡,锡65Mb/s单模,光,光传输,系,系统工,程,程通过,邮,邮电部,鉴,鉴定验,收,收。,1997年，,研,研制出G.655非,零,零色散,位,位移光,纤,纤。成,都,都,攀,攀枝花22Mb/sSDH光传,输,输工程,通,通过邮,电,电部鉴,定,定验收,。,。,1998年，,海,海口,三亚5Gb/s光,传,传输系,统,统工程,通,通过邮,电,电部鉴,定,定验收,，,，该工,程,程全长322km，,仅,仅在万,宁,宁设一,个,个中继,站,站，海,口,口,万,万宁的,中,中继距,离,离为172km 。,1999年，82.5Gb/sDWDM系,统,统通过,国,国家验,收,收。,我国光,纤,纤通信,的,的开发,里,里程,11,Company Logo,光的传,播,播,光是一,种,种电磁,波,波,可见光,部,部分波,长,长范围,是,是：0.390.76m。大,于,于0.76m部分,是,是红外,光,光，小,于,于0.39m部分,是,是紫外,光,光。光,纤,纤中应,用,用的是,：,：0.85，1.31，1.55,m三,种,种。,12,Company Logo,频率（Hz）,10,2,10,4,10,6,10,8,10,12,10,14,10,16,10,18,10,20,10,22,10,6,10,4,10,2,1,10,10,10,-2,10,-4,10,-6,10,-8,10,-10,10,-12,10,-14,波长,名称,长波,中波,短波,超短波,微波,毫米波,红外线,可见光,紫外线,X射线,10mm,1mm,100m,10m,1m,100nm,10nm,1nm,红外线,可见光,紫外线,光,电磁波,谱,谱,13,Company Logo,光纤通,信,信,系统的,基,基本组,成,成,光纤通,信,信系统,可,可归结,为,为电,-,光,-,电的简,单,单模型,。,。即需,传,传输的,信,信号必,须,须先变,成,成电信,号,号，然,后,后转换,成,成光信,号,号在光,纤,纤内传,输,输，对,端,端又将,光,光信号,变,变成电,信,信号。,整,整个过,程,程中，,光,光纤部,分,分只起,传,传输作,用,用，对,于,于信号,的,的生成,和,和处理,，,，仍由,电,电系统,来,来完成,。,。,光端机,光纤,光纤,数据,数据,中继器,光端机,14,Company Logo,光纤与光缆,光纤通信中,采,采用的传输,媒,媒介是光纤,，,，光纤与加,强,强元件、外,护,护层等组合,而,而成光缆。,15,Company Logo,光纤导光的,原,原理,包层(n,2,),芯线(n,1,),入射,出射,光纤是一种,介,介质波导，,具,具有把光封,闭,闭在其中并,沿,沿轴向进行,传,传播的波导,结,结构，其直,径,径大约只有0.1mm,，,，它是由两,种,种折射率不,同,同的玻璃构,成,成的。,16,Company Logo,通信用光纤,、,、光缆,光纤种类与,尺,尺寸,包层,纤芯,包层与纤芯,的,的主要材料,均,均为玻璃，,但,但它们掺杂,不,不同的杂质,，,，使包层与,纤,纤芯具有不,同,同的折射率,。,。包层的外,面,面还有一层,保,保护层保护,光,光纤。,简单说模式,就,就是指电磁,场,场的“波形,”,”,17,Company Logo,光纤的结构,纤芯,包层,塑,套,18,Company Logo,光缆中的光,纤,纤一般是指,经,经过两次涂,覆,覆后的光纤,芯,芯线，它的,剖,剖面结构如,图,图所示。,19,Company Logo,光纤的种类,光纤是一种,新,新型的光波,导,导，其种类,很,很多，按光,纤,纤材料不同,，,，常见的有,以,以下几种：,石英光纤,多组分玻璃,光,光纤,全塑光纤,20,Company Logo,按照折射率,分,分布不同来,分,分:,通常采用的,是,是阶跃型光,纤,纤和渐变型,光,光纤两种。,(1),阶,阶跃型光纤,(2),渐,渐变型光纤,光纤的分类,21,Company Logo,按照传输,的,的总模数,来,来分:,所谓模式,，,，实质上,是,是电磁场,的,的一种分,布,布形式。,模,模式不同,，,，其分布,不,不同，根,据,据光纤中,传,传输模式,数,数量来分,，,，可分为,单,单模光纤,(SM- Singlemode fiber),和多模光,纤,纤,(MM, Multi-modefiber),。,光纤的分,类,类,22,CompanyLogo,光波在光,纤,纤中传输,，,，随着传,输,输距离的,增,增加而光,功,功率逐渐,下,下降，这,就,就是光纤,的,的传输损,耗,耗。,光纤本身,损,损耗的原,因,因，大致,包,包括两类,：,：吸收损,耗,耗和散射,损,损耗。,光纤的损,耗,耗特性,23,CompanyLogo,吸收损耗,是,是光波通,过,过光纤材,料,料时，有,一,一部分光,能,能变成热,能,能，造成,光,光功率的,损,损失。,散射损耗,是,是由于光,纤,纤的材料,、,、形状、,折,折射率分,布,布等的缺,陷,陷或不均,匀,匀，使光,纤,纤中传导,的,的光发生,散,散射，由,此,此产生的,损,损耗为散,射,射损耗。,光纤的损,耗,耗特性,吸收损耗:,本征吸,收,收,杂质吸,收,收,散射损耗:,瑞利散,射,射,结构缺,陷,陷散射,24,CompanyLogo,由于光纤,中,中色散的,存,存在，会,使,使得输入,脉,脉冲在传,输,输过程中,展,展宽，产,生,生码间干,扰,扰，增加,误,误码率，,这,这样就限,制,制了通信,容,容量和传,输,输距离。,光纤的色,散,散特性,25,CompanyLogo,光纤色散,的,的概念,简单地说,，,，光纤的,色,色散就是,由,由于光纤,中,中光信号,中,中的不同,频,频率成分,或,或不同的,模,模式，在,光,光纤中传,输,输时，由,于,于速度的,不,不同而使,得,得传播时,间,间不同，,因,因此造成,光,光信号中,的,的不同频,率,率成分或,不,不同模式,到,到达光纤,终,终端有先,有,有后，从,而,而产生波,形,形畸变的,一,一种现象,。,。,从光纤色,散,散产生的,机,机理来看,，,，它包括,模式色散,、,材料色散,和,波导色散,三种。在,单,单模光纤,中,中只有基,模,模传输，,因,因此不存,在,在模式色,散,散，只有,材,材料色散,和,和波导色,散,散。,光纤的色,散,散特性,26,CompanyLogo,在多模光,纤,纤中，不,同,同模式在,同,同一频率,下,下传输，,各,各自的相,位,位常数,mn,不同，群,速,速不同，,模,模式之间,存,存在时延,差,差，这种,色,色散称为,模式色散,。,材料色散,是,是由于光,纤,纤材料本,身,身的折射,率,率随频率,而,而变化，,使,使得信号,各,各频率成,分,分的群速,不,不同，引,起,起的色散,称,称为,材料色散,。,由于光纤,的,的几何结,构,构、形状,等,等方面的,不,不完善，,使,使得光波,一,一部分在,纤,纤芯中传,输,输，而另,一,一部分在,包,包层中传,输,输，由于,纤,纤芯和包,层,层的折射,率,率不同，,这,这样造成,脉,脉冲展宽,的,的现象，,称,称为,波导色散,，或称,结构色散,。,光纤的色,散,散特性,27,CompanyLogo,在实际通,信,信线路中,，,，光纤通,信,信用的光,纤,纤都经过,了,了一次涂,覆,覆和二次,涂,涂覆的处,理,理，经过,涂,涂覆后的,光,光纤虽然,已,已具有,了,了一定的,抗,抗张强度,，,，但还是,经,经不起施,工,工中的弯,折,折、扭曲,和,和侧压等,外,外力作用,，,，为了使,光,光纤能在,各,各种环境,中,中使用，,必,必须把光,纤,纤与其他,元,元件组合,起,起来构成,光,光缆，使,其,其具有良,好,好的传输,性,性能以及,抗,抗拉、抗,冲,冲击、抗,弯,弯、抗扭,曲,曲等机械,性,性能。,光缆,28,CompanyLogo,光缆的结,构,构,要求：,保证光纤,传,传输特性,的,的优良、,稳,稳定、可,靠,靠；,保证光缆,具,具有足够,的,的机械强,度,度和环境,温,温度性能,；,；,确保光,缆,缆的防,潮,潮能力,，,，使光,缆,缆具有,足,足够的,使,使用寿,命,命；,有利于,降,降低生,产,产成本,，,，使光,缆,缆的价,格,格低廉,。,。,29,Company Logo,光缆的,基,基本结,构,构,不论光,缆,缆的具,体,体结构,形,形式如,何,何，都,是,是由缆,芯,芯、护,套,套和加,强,强元件,构,构成。,缆芯,：,：由单,根,根或多,根,根光纤,芯,芯线组,成,成，其,作,作用是,传,传输光,波,波。,加强元,件,件：加,强,强元件,一,一般有,金,金属丝,和,和非金,属,属纤维,，,，其作,用,用是增,强,强光缆,敷,敷设时,可,可承受,的,的拉伸,负,负荷。,护层：,光,光缆的,护,护层主,要,要是对,已,已形成,缆,缆的光,纤,纤芯线,器,器保护,作,作用，,避,避免受,外,外界的,损,损伤。,30,Company Logo,缆芯是,由,由光纤,芯,芯线组,成,成，可,分,分为单,芯,芯和多,芯,芯：,单芯型,：,：由单,根,根经二,次,次涂敷,处,处理后,的,的光纤,组,组成,多芯型,：,：由多,根,根经二,次,次涂敷,处,处理后,的,的光纤,组,组成,二次涂,覆,覆主要,采,采用两,种,种保护,结,结构：,紧套结,构,构,松套结,构,构,光缆的,基,基本结,构,构,31,Company Logo,光缆的,种,种类,层绞式,光,光缆结,构,构,32,Company Logo,光缆的,种,种类,单位式,光,光缆结,构,构,33,Company Logo,光缆的,种,种类,骨架式,光,光缆结,构,构,34,Company Logo,光缆的,种,种类,带状式,光,光缆结,构,构,35,Company Logo,公用通,信,信网中,的,的光缆,结,结构,36,Company Logo,光纤通,信,信系统,的,的组成,信,源,电发,射机,光发,射机,光中继,光接,收机,电接,收机,信,宿,37,Company Logo,光端机,的,的组成,由于光,纤,纤通信,系,系统一,般,般都是,双,双向的,，,，所以,我,我们将,光,光发射,机,机和接,收,收机做,在,在一起,，,，称为,光,光端机,。,。,38,Company Logo,光发射,机,机,光发射,机,机的作,用,用是将,电,电信号,变,变成光,信,信号，,然,然后送,入,入光纤,中,中传输,出,出去。,光,光发射,机,机主要,是,是由光源、,光,光源驱,动,动、调,制,制以及,信,信道编,码,码电路三部分,组,组成。,39,Company Logo,光发射,机,机原理,图,图,ATC,驱动,APC,光源,光监测,均衡,码型变换,扰码,编码,时钟,数字基带信号,信道编码电路,光源驱动与调制电路,40,CompanyLogo,光发,射,射机,输入,接,接口,其作,用,用是,进,进行,电,电平,转,转换,。,。因,为,为PCM,电,电,信,信号,通,通常,是,是三,电,电平,码,码即+12V,、,、0V、-12V,，,，输,入,入接,口,口把,它,它们,转,转换,成,成二,电,电平,的,的非,归,归零,码,码（NRZ）,或,或者,归,归零,码,码（RZ,）,）。,码型,变,变换,为了,在,在不,中,中断,通,通信,业,业务,的,的条,件,件下,对,对光,纤,纤通,信,信进,行,行误,码,码监,测,测、,实,实现,公,公务,联,联络,和,和减,少,少长,连,连“0”,与,与长,连,连“1”,的,的个,数,数，,通,通常,要,要在,发,发送,端,端进,行,行码,型,型变,换,换，,而,而在,接,接收,端,端进,行,行码,型,型反,变,变换,。,。,码型,变,变换,的,的方,法,法是,在,在原,来,来标,准,准码,率,率的,基,基础,上,上适,当,当增,加,加一,些,些码,率,率，,利,利用,增,增加,码,码率,的,的一,部,部分,来,来实,现,现误,码,码监,视,视、,公,公务,联,联络,及,及平,衡,衡码,流,流等,。,。,41,CompanyLogo,光发,射,射机,驱动,电,电路,与,与光,源,源组,件,件,实际,上,上就,是,是光,源,源及,其,其调,制,制电,路,路。,其,其作,用,用是,把,把电,信,信号,变,变成,光,光脉,冲,冲信,号,号发,送,送到,光,光纤,当,当中,。,。该,部,部分,是,是光,发,发送,机,机的,核,核心,，,，许,多,多重,要,要技,术,术指,标,标皆,由,由该,部,部分,决,决定,。,。,自动,功,功率,控,控制,（,（APC,）,）,为了,使,使光,发,发送,机,机能,输,输出,稳,稳定,的,的的,光,光功,率,率信,号,号，,必,必须,采,采用,相,相应,的,的负,反,反馈,措,措施,来,来控,制,制光,源,源器,件,件的,发,发光,功,功率,。,。,42,CompanyLogo,光纤,通,通信,对,对光,源,源器,件,件的,要,要求,光纤,通,通信,就,就是,用,用低,衰,衰耗,光,光纤,来,来传,输,输携,带,带通,信,信信,息,息的,光,光波,，,，但,并,并非,所,所有,的,的光,都,都能,用,用于,光,光纤,通,通信,。,。人,们,们希,望,望用,相,相干,性,性好,的,的激,光,光作,为,为携,带,带通,信,信信,息,息的,载,载体,，,，因,为,为它,具,具有,频,频率,一,一致,性,性好,，,，相,位,位差,恒,恒定,，,，方,向,向性,强,强等,优,优点,。,。,自从1960,年,年梅,曼,曼发,明,明了,世,世界,上,上第,一,一只,激,激光,器,器（,红,红宝,石,石）,以,以来,，,，激,光,光技,术,术取,得,得了,突,突飞,猛,猛进,的,的发,展,展，,并,并在,各,各个,领,领域,尤,尤其,是,是工,业,业领,域,域取,得,得了,广,广泛,的,的应,用,用。,但,但截,止,止到1970,年,年以,前,前，,世,世界,上,上生,产,产的,激,激光,器,器都,不,不能,用,用于,光,光纤,通,通信,，,，这,是,是因,为,为大,多,多数,激,激光,器,器体,积,积庞,大,大，,而,而且,不,不能,连,连续,波,波工,作,作。,而,而通,信,信是,要,要求,长,长期,连,连续,不,不间,断,断地,工,工作,。,。只,有,有在1970,年,年美,国,国贝,尔,尔实,验,验室,研,研制,出,出能,在,在室,温,温下,连,连续,波,波工,作,作的,世,世界,上,上第,一,一只GaAsAl,激,激,光,光器,，,，才,为,为光,纤,纤通,信,信找,到,到了,合,合适,的,的光,源,源。,43,CompanyLogo,光纤,通,通信,对,对光,源,源器,件,件的,要,要求,发射,光,光波,长,长适,中,中,光源,器,器件,发,发射,光,光波,的,的波,长,长，,必,必须,落,落在,光,光纤,呈,呈现,低,低衰,耗,耗的0.85,m,、,、1.31m和1.55,m,附,附,近,近。,发射,光,光功,率,率足,够,够大,光源,器,器件,一,一定,要,要能,在,在室,温,温下,连,连续,工,工作,，,，而,且,且其,入,入纤,光,光功,率,率足,够,够大,，,，最,少,少也,应,应有,数,数百,微,微瓦,，,，当,然,然达,到,到一,毫,毫瓦,以,以上,更,更好,。,。在,这,这里,我,我们,强,强调,的,的是,入,入纤,光,光功,率,率而,不,不指,单,单纯,的,的发,光,光功,率,率。,因,因为,只,只有,进,进入,光,光纤,后,后的,光,光功,率,率才,有,有实,际,际意,义,义，,由,由于,光,光纤,的,的几,何,何尺,寸,寸极,小,小（,单,单模,光,光纤,的,的芯,径,径不,足,足10,微,微米,）,），,所,所以,要,要求,光,光源,器,器件,要,要具,有,有与,光,光纤,较,较高,的,的耦,合,合效,率,率。,44,CompanyLogo,光纤,通,通信,对,对光,源,源器,件,件的,要,要求,温度,特,特性,好,好,光源,器,器件,的,的输,出,出特,性,性如,发,发光,波,波长,与,与发,射,射光,功,功率,大,大小,等,等，,一,一般,来,来讲,随,随温,度,度变,化,化而,变,变化,，,，尤,其,其是,在,在较,高,高温,度,度下,其,其性,能,能容,易,易劣,化,化。,在,在光,纤,纤通,信,信的,初,初期,与,与中,期,期，,经,经常,需,需要,对,对半,导,导体,激,激光,器,器加,致,致冷,器,器和,自,自动,温,温控,电,电路,，,，而,目,目前,一,一些,性,性能,优,优良,的,的激,光,光器,可,可以,不,不需,要,要任,何,何温,度,度保,护,护措,施,施。,发光谱宽,窄,窄,光源器件,发,发射出来,的,的光的谱,线,线宽度应,该,该越窄越,好,好。因为,若,若其谱线,过,过宽，会,增,增大光纤,的,的色散，,减,减少了光,纤,纤的传输,容,容量与传,输,输距离（,色,色散受限,制,制时）。,例,例如对于,长,长距离、,大,大容量的,光,光纤通信,系,系统，其,光,光源的谱,线,线宽度,应,应该小于2nm。,45,CompanyLogo,光纤通信,对,对光源器,件,件的要求,工作寿命,长,长,光纤通信,要,要求其光,源,源器件长,期,期连续工,作,作，因此,光,光源器件,的,的工作寿,命,命越长越,好,好。目前,工,工作寿命,近,近百万小,时,时（约100 年,）,）的半导,体,体激光器,已,已经商用,化,化。,体积小重,量,量轻,光源器件,要,要安装在,光,光发送机,或,或光中继,器,器内，为,使,使这些设,备,备小型化,，,，光源器,件,件必须体,积,积小、重,量,量轻。,46,CompanyLogo,光源器件,半导体发,光,光二极管LED：,发激光，,谱,谱线宽度,较,较宽，调,制,制速度较,低,低，与光,纤,纤的耦合,效,效率较低,，,，输出曲,线,线线性好,，,，使用寿,命,命长，成,本,本低，适,用,用于短距,离,离、小容,量,量的传输,系,系统。,半导体激,光,光器LD,：,：,长距离、,大,大容量的,传,传输系统,47,CompanyLogo,中继器,光发送机,输,输出的经,过,过强度调,制,制的光脉,冲,冲信号通,过,过光纤传,输,输到接收,端,端。由于,受,受发送光,功,功率、接,收,收机灵敏,度,度、光纤,线,线路损耗,、,、甚至色,散,散等因素,的,的影响及,限,限制，光,端,端机之间,的,的最大传,输,输距离是,有,有限的。,例如，在1.31,m工作,区,区34Mbs光,端,端机的最,大,大传输距,离,离一般在5070km。,如,如果要超,过,过这个最,大,大传输距,离,离，通常,考,考虑增加,光,光中继器,，,，以放大,和,和处理经,衰,衰减和变,形,形了的光,脉,脉冲。,48,CompanyLogo,中继器,传统的光,中,中继器采,用,用的是光,电光(O-E-O)的,模,模式，光,电,电检测器,先,先将光纤,送,送来的非,常,常微弱的,并,并失真了,的,的光信号,转,转换成电,信,信号，再,通,通过放大,、,、整形、,再,再定时，,还,还原成与,原,原来的信,号,号一样的,电,电脉冲信,号,号。然后,用,用这一电,脉,脉冲信号,驱,驱动激光,器,器发光，,又,又将电信,号,号变换成,光,光信号，,向,向下一段,光,光纤发送,出,出光脉冲,信,信号。通,常,常把有再,放,放大(re-amplifying)、再整,形,形（re-shaping,）,）、再定,时,时（re-timing）,这,这三种功,能,能的中继,器,器称为“3R”中,继,继器。这,种,种方式过,程,程繁琐，,很,很不利于,光,光纤的高,速,速传输。,自从掺铒,光,光纤放大,器,器问世以,后,后，光中,继,继实现了,全,全光中继,，,，通常又,称,称为1R,（,（re-amplifying）再,生,生。此技,术,术目前仍,然,然是通信,领,领域的研,究,究热点。,49,CompanyLogo,中继器,前置,放大器,主放大,均衡,判决,调制电路,光源,时钟提取,自动功率控制,光电,检测器,自动功率控制,50,CompanyLogo,光接收机,光接收,机,机的作,用,用是接,收,收经光,纤,纤传输,衰,衰减后,的,的十分,微,微弱的,光,光信号,，,，从中,检,检测出,传,传送的,信,信息，,放,放大到,足,足够大,后,后，供,终,终端处,理,理使用,。,。它包,括,括光电检,测,测器、,光,光信号,接,接收电,路,路和信,道,道解码,电,电路三部分,。,。,51,Company Logo,光接收,机,机原理,图,图,光电,检测器,放,大,器,均衡器,判决器,解码,解扰,码型反变换,时钟恢复电路,AGC,电信号,光信号接收电路,信道解码电路,光信号,52,Company Logo,光电检,测,测器,光电检,测,测器：,光接收,机,机中实,现,现将光,信,信号转,换,换为电,信,信号的,器,器件称,为,为光电,检,检测器,。,。其作,用,用是把,信,信号（,通,通信信,息,息）从,光,光波中,分,分离（,检,检测）,出,出来，,即,即进行,光,光/电,转,转换。,半,半导体,光,光电检,测,测器是,利,利用半,导,导体材,料,料的光,电,电效应,来,来实现,光,光电转,换,换的。,光,光检测,器,器件质,量,量的优,劣,劣在很,大,大程度,上,上决定,了,了光接,收,收机灵,敏,敏度的,高,高低。,而,而光接,收,收机的,灵,灵敏度,和,和光源,器,器件的,发,发光功,率,率、光,纤,纤的衰,耗,耗三者,一,一起便,决,决定了,光,光纤通,信,信的中,继,继距离,（,（在系,统,统受衰,耗,耗限制,而,而不是,受,受色散,限,限制时,）,）。,PIN光电,二,二极管,APD,雪,雪崩二,极,极管,53,Company Logo,光接收,机,机,主放大,器,器：,其作用,是,是把信,号,号进一,步,步放大,，,，其增,益,益一般,在,在50dB,以,以上。,主,主放大,器,器的输,出,出脉冲,幅,幅度一,般,般在1,3,伏,伏（峰,一,一峰值,）,），以,满,满足判,决,决再生,电,电路的,要,要求。,均衡器,：,：,把主放,大,大器输,出,出的脉,冲,冲进行,均,均衡，,以,以形成,码,码间干,扰,扰最小,、,、能量,集,集中即,最,最有利,于,于进行,判,判决的,升,升余弦,波,波形。,54,Company Logo,光接收,机,机,判决再,生,生电路,：,：,对均衡,器,器输出,的,的脉冲,流,流逐个,进,进行判,决,决，并,再,再生成,波,波形整,齐,齐的脉,冲,冲码流,。,。,自动增,益,益控制,（,（AGC）：,其作用,是,是控制,前,前置放,大,大器与,主,主放大,器,器的增,益,益，并,使,使光接,收,收机有,一,一个规,定,定的动,态,态范围,。,。,55,Company Logo,光纤通,信,信中的,高,高新技,术,术,相干光,通,通信技,术,术,光复用,技,技术,动态单,频,频激光,器,器,光孤子,通,通信技,术,术,56,Company Logo,光波分,复,复用,1,（光源）,2,（光源）,n,（光源）,合波器,1,(检测器),分波器,2,(检测器),n,(检测器),单根光纤,由于光,纤,纤具有,很,很宽的,带,带宽，,因,因此可,以,以在一,根,根光纤,中,中传输,多,多个波,长,长的光,载,载波，,这,这就是,波,波分复,用,用(,WDM),，它类,似,似于无,线,线电信,道,道的频,分,分复用,。,。,57,Company Logo,波分复,用,用系统,光波分,复,复用（WDM,：,：WavelengthDivisionMultiplexing)技术,是,是在一,根,根光纤,中,中同时,传,传输多,波,波长光,信,信号的,一,一项技,术,术。,其基本,原,原理是,在,在发送,端,端将不,同,同波长,的,的光信,号,号组合,起,起来（,复,复用）,，,，并耦,合,合到光,缆,缆线路,上,上的同,一,一根光,纤,纤中进,行,行传输,，,，在接,收,收端又,将,将组合,波,波长的,光,光信号,分,分开（,解,解复用,）,），并,作,作进一,步,步处理,。,。,58,Company Logo,光,合,波,分,波,器,光,合,波,分,波,器,1,2,2,1,n,n,波分复,用,用示意,图,图,59,Company Logo,DWDM,DWDM：Dense WavelengthDivisionMultiplexing 密,集,集波分,复,复用系,统,统,过去WDM系,统,统是几,十,十nm,的,的波长,间,间隔，,现,现在的,波,波长间,隔,隔小多,了,了，只,有,有（0.82）nm（nanometer,十,十亿分,之,之一,米,米），,甚,甚至0.8nm。,密集波,分,分复用,技,技术其,实,实是波,分,分复用,的,的一种,具,具体表,现,现形式,。,。由于DWDM光载,波,波的间,隔,隔很密,，,，因而,必,必须采,用,用高分,辨,辨率波,分,分复用,器,器件来,选,选取。,60,Company Logo,光孤子,通,通信,孤子（Soliton）又,称,称孤立,波,波，是,一,一种特,殊,殊形式,的,的超短,脉,脉冲，,或,或者说,是,是一种,在,在传播,过,过程中,形,形状、,幅,幅度和,速,速度都,维,维持不,变,变的脉,冲,冲状行,波,波。有,人,人把孤,子,子定义,为,为：孤,子,子与其,他,他同类,孤,孤立波,相,相遇后,，,，能维,持,持其幅,度,度、形,状,状和速,度,度不变,。,。,1973年，,孤,孤立波,的,的观点,开,开始引,入,入到光,纤,纤传输,中,中。在,频,频移时,，,，由于,折,折射率,的,的非线,性,性变化,与,与群色,散,散效应,相,相平衡,，,，光脉,冲,冲会形,成,成一种,基,基本孤,子,子，在,反,反常色,散,散区稳,定,定传输,。,。由此,，,，逐渐,产,产生了,新,新的电,磁,磁理论,光,孤,孤子理,论,论，从,而,而把通,信,信引向,非,非线性,光,光纤孤,子,子传输,系,系统这,一,一新领,域,域。光,孤,孤子（soliton）就,是,是这种,能,能在光,纤,纤中传,播,播的长,时,时间保,持,持形态,、,、幅度,和,和速度,不,不变的,光,光脉冲,。,。利用,光,光孤子,特,特性可,以,以实现,超,超长距,离,离、超,大,大容量,的,的光通,信,信。,61,Company Logo,光孤子,通,通信,光纤通,信,信中，,限,限制传,输,输距离,和,和传输,容,容量的,主,主要原,因,因是“,损,损耗”,和,和“色,散,散”。,“,“损耗,”,”使光,信,信号在,传,传输时,能,能量不,断,断减弱,；,；而“,色,色散”,则,则是使,光,光脉冲,在,在传输,中,中逐渐,展,展宽。,所,所谓光,脉,脉冲，,其,其实是,一,一系列,不,不同频,率,率的光,波,波振荡,组,组成的,电,电磁波,的,的集合,。,。光纤,的,的色散,使,使得不,同,同频率,的,的光波,以,以不同,的,的速度,传,传播，,这,这样，,同,同时出,发,发的光,脉,脉冲，,由,由于频,率,率不同,，,，传输,速,速度就,不,不同，,到,到达终,点,点的时,间,间也就,不,不同，,这,这便形,成,成脉冲,展,展宽，,使,使得信,号,号畸变,失,失真。,现,现在随,着,着光纤,制,制造技,术,术的发,展,展，光,纤,纤的损,耗,耗已经,降,降低到,接,接近理,论,论极限,值,值的程,度,度，色,散,散问题,就,就成为,实,实现超,长,长距离,和,和超大,容,容量光,纤,纤通信,的,的主要,问,问题。,62,CompanyLogo,光孤子通,信,信,光纤的色,散,散是使光,信,信号的脉,冲,冲展宽，,而,而光纤中,还,还有一种,非,非线性的,特,特性，这,种,种特性会,使,使光信号,的,的脉冲产,生,生压缩效,应,应。光纤,的,的非线性,特,特性在光,的,的强度变,化,化时使频,率,率发生变,化,化，从而,使,使传播速,度,度变化。,在,在光纤中,这,这种变化,使,使光脉冲,后,后沿的频,率,率变高、,传,传播速度,变,变快；而,前,前沿的频,率,率变低、,传,传播速度,变,变慢。这,就,就造成脉,冲,冲后沿比,前,前沿运动,快,快，从而,使,使脉冲受,到,到压缩变,窄,窄。,如果有办,法,法使光脉,冲,冲变宽和,变,变窄这两,种,种效应正,好,好互相抵,消,消，光脉,冲,冲就会像,一,一个一个,孤,孤立的粒,子,子那样形,成,成光孤子,，,，能在光,纤,纤传输中,保,保持不变,，,，实现超,长,长距离、,超,超大容量,的,的通信。,63,CompanyLogo,光孤子通,信,信,光孤子通,信,信是一种,全,全光非线,性,性通信方,案,案，其基,本,本原理是,光,光纤折射,率,率的非线,性,性（自相,位,位调制）,效,效应导致,对,对光脉冲,的,的压缩可,以,以与群速,色,色散引起,的,的光脉冲,展,展宽相平,衡,衡，在一,定,定条件（,光,光纤的反,常,常色散区,及,及脉冲光,功,功率密度,足,足够大）,下,下，光孤,子,子能够长,距,距离不变,形,形地在光,纤,纤中传输,。,。它完全,摆,摆脱了光,纤,纤色散对,传,传输速率,和,和通信容,量,量的限制,，,，其传输,容,容量比当,今,今最好的,通,通信系统,高,高出12个数量,级,级，中继,距,距离可达,几,几百km,。,。它被认,为,为是下一,代,代最有发,展,展前途的,传,传输方式,之,之一。,64,CompanyLogo,