第4章 光纤通信技术1

1、 第第 4 4 章章 光纤通信技术光纤通信技术 4.1光纤通信概述光纤通信概述 4.2光纤和光缆光纤和光缆 4.3光源与光检测器光源与光检测器 4.4光端机光端机 4.5数字光纤通信系统数字光纤通信系统 4.6同步数字系列同步数字系列(SDH) 4.7光纤通信新技术光纤通信新技术 第第4章章 光纤通信技术光纤通信技术 4.1光纤通信概述光纤通信概述 4.1.1光纤通信基本概念光纤通信基本概念 光纤通信是以光为载波，以光纤为传输介质的通信方式。 任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可 能的信息传输容量和传输距离。通信系统的传输容量取决于 对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度

2、越宽。光 纤通信的载波是光波。 虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。 目前，光纤通信用的近红外光波长范围约0.8m 1.8m。频率约300 THz。光纤通信用的频带宽度约 为200THz，在常用的1.31m和1.55m两个波长窗口 频带宽度也在20 THz以上。由于光源和光纤特性的限 制，目前，光强度调制的带宽一般只有20 GHz，因此 还有3个数量级以上的带宽潜力可以挖掘。 光纤是由绝缘的石英(SiO2)材料制成的，通过提高 材料纯度和改进制造工艺，可以在宽波长范围内获得 很小的损耗。 在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电 波频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电 缆或波导管

3、的损耗低得多，因此，相对于电缆通信 或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。 1. 容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大 目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5 Gb/s和10Gb/s。采用外调制技术，传输速率可以达 到40Gb/s。波分复用和光时分复用更是极大地增加 了传输容量。DWDM最高水平为132个信道，传输容 量为20Gb/s132=2640 Gb/s。 2. 损耗小，中继距离长损耗小，中继距离长 石英光纤在1.31m和1.55m波长，传输损耗分别为 0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。因此，中继距离长。目 前，采用外调制技术，波长为1.55m的

4、色散移位单模光纤通 信系统，若其传输速率为2.5 Gb/s，则中继距离可达150 km； 若其传输速率为10 Gb/s，则中继距离可达100 km。 传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点，使光纤 通信系统不仅适合于长途干线网而且适合于接入网的使用，这 也是降低每公里话路的系统造价的主要原因。 3. 重量轻、体积小重量轻、体积小 光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在芯数相同的 条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。 4. 抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电 磁场的干扰和闪电雷击的损坏。无金属光缆非常适合于存在强 电磁场干扰的高压

5、电力线周围和油田、煤矿等易燃易爆环境中 使用。光纤(复合)架空地线(OPGW)是光纤与电力输送系统的 地线组合而成的通信光缆，已在电力系统的通信中发挥重要作 用。 5. 泄漏小，保密性能好泄漏小，保密性能好 在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法 窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤 中传输非常安全。 6.节约金属材料，有利于资源合理使用节约金属材料，有利于资源合理使用 制造同轴电缆和波导管的铜、铝、铅等为金属材料；而制 造光纤的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不尽的材料。 总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，而且在 经济上具有巨大的竞争能力，因此其在

6、信息社会中将发挥越来 越重要的作用。 4.1.2光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 光纤通信系统是以光为载波，以光纤为传输介质的通信系 统，可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。用户要传输的 信息多种多样，一般有话音、图像、数据或多媒体信息。为叙 述方便，这里仅以数字电话和模拟电视为例。图4-1示出单向 传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本 光纤传输系统。 图 4-1 光纤通信系统的基本组成(单向传输) 信 息 源 电 发 射 机 光 发 射 机 光 接 收 机 电 接 收 机 信 息 宿 基本光纤传输系统 光纤线路 接 收发 射 电信号 输入 光信号 输出 光信号

7、 输入 电信号 输出 如图4-1所示，信息源把用户信息转换为原始电信号，这 种信号称为基带信号。电发射机把基带信号转换为适合信道传 输的信号，这个转换如果需要调制，则其输出信号称为已调信 号。例如，对于数字电话传输，电话机把话音转换为频率范围 为0.33.4 kHz的模拟基带信号，电发射机把这种模拟信号转 换为数字信号，并把多路数字信号组合在一起。模/数转换普遍 采用脉冲编码调制(PCM)方式实现。一路话音转换成传输速率 为64 kb/s的数字信号，然后用数字复接器把30路PCM信号组合 成2.048 Mb/s的一次群甚至高次群的数字系列，最后把这种已 调信号输入光发射机。还可以采用频分复用(

8、FDM)技术，用来 自 不同信息源的模拟基带信号(或数字基带信号)分别调制指定的 不同频率的射频(RF)电波，然后把多个这种带有信息的RF信号 组合成多路宽带信号，最后输入光发射机，由光载波进行传输。 在这个过程中，受调制的RF电波称为副载波，这种采用频分复 用的多路信号传输技术，称为副载波复用(SCM)。 不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机带有信 息的电信号，都通过调制转换为光信号。光载波经过光纤线路 传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。 电接收机的功能和电发射机的功能相反，它把接收的电信号转 换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。 在整个通信系统中，在光发射机之前和

9、光接收机之后的电 信号段，光纤通信所用的技术和设备与电缆通信相同，不同的 只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输 系统代替了电缆传输。 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤通信在 通信网、广播电视网、计算机局域网和广域网、综合业务光纤 接入网以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。 4.2.1 光纤结构和类型光纤结构和类型 1.光纤结构光纤结构 光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组 成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低， 光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔 离，并起一定的机械保护作用。光纤的外形如

10、图4-2所示。 设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输 的必要条件是n1n2。纤芯和包层的相对折射率差=（n1-n2） /n1的典型值，一般单模光纤为0.3%0.6%，多模光纤为 1%2%。 4.2光纤和光缆光纤和光缆 图4-2 光纤的外形 包层 n2 纤芯 n1 2.光纤类型光纤类型 光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯 度石英（SiO2）制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型， 图4-3示出其横截面的结构和折射率分布、光线在纤芯传播的 路径以及由于色散引起的输出脉冲相对于输入脉冲的畸变。 这些光纤的主要特征如下。 突变型多模光纤（Step-Index Fib

11、er, SIF）如图4-3(a)，纤 芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2。这种光纤一般 纤芯直径2a=5080 m，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方 向传播，特点是信号畸变大。 渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber, GIF）如图4-3(b)， 在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到 包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50m，光线以正弦 形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。 单模光纤（Single-Mode Fiber, SMF）如图4-3(c)，折射率分 布和突变型光纤相似，纤芯直径只有810m，光线以直线 形状沿纤芯中心轴线方向传播。

12、因为这种光纤只能传输一个 模式，所以称为单模光纤。 那么我们怎样理解光纤模式的概念呢？光也是电磁波，电 磁波是由交变的电场和磁场组成且满足一定的数学关系。光在 光纤中的传播就是电场和磁场相互交替地变换传播，电场和磁 场不同的分布形式（满足特定的方程）就构成不同的模式。所 谓单模光纤就是指只传输HE11一种矢量模式。多模光纤则指能 同时传输多种模式（例如HE11、TM01、TE01、HE12等矢量模 式）的光纤。 渐变型多模光纤和单模光纤，包层外径2b都选用125m。实 际上，根据应用的需要，可以设计折射率介于SIF和GIF之间 的各种准渐变型光纤。为调整工作波长或改善色散特 性，可以在图4-3

13、(c)常规单模光纤的基础上，设计许多 结构复杂的特种单模光纤。 有在1.31.6m之间色散变化很小的色散平坦光纤 （Dispersion Flattened Fiber, DFF）；有把零色散波 长移到1.55m的色散移位光纤（Dispersion Shifted Fiber, DSF）；有偏振保持光纤等。 图4-3 三种基本类型的光纤 (a)突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； (c) 单模光纤 横截面 2a 2b r n 折射率分布 纤芯包层 Ai t Ao t (a) 输入脉冲光线传播路径输出脉冲 50 m 125m r n Ai t Ao t (b) 10 m125m r n A

14、i t Ao t (c) 各种光纤，其用途也不同。突变型多模光纤信号 畸变大，相应的带宽只有1020 MHzkm，用于小容 量、短距离系统。渐变型多模光纤的带宽可达12 GHzkm，适用于中等容量、中等距离系统。大容量 （565 Mb/s2.5 Gb/s）长距离(30 km以上)系统要用 单模光纤。色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种 系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。外差接收方 式的相干光系统要用偏振保持光纤，这种系统最大优 点是提高接收灵敏度，增加传输距离。 4.2.2光纤传光原理光纤传光原理 要详细描述光纤传光原理，需要求解由麦克斯韦方程组导 出的波动方程。但在极限(波数k=2/非常大

15、，波长0)条件 下，可以用几何光学的射线方程作近似分析。几何光学的方法 比较直观，容易理解，但并不十分严格。 用几何光学方法分析光纤传输原理，我们关注的问题主要 是光束在光纤中传播的空间分布和时间分布，并由此得到数值 孔径和时间延迟的概念。 1. 突变型多模光纤突变型多模光纤 设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1， 纤芯中心轴线与z轴一致，如图4-4所示。 图4-4 突变型多模光纤的光线传播原理 3 2 1 y 1 l L x o c 2 3 纤芯n1 包层n2 z c 1 光线在光纤端面以小角度从空气入射到纤芯(n0n2)。改变角度，不同相应的 光线将在纤芯与包层交界面发

16、生反射或折射。根据全反射原理， 存在一个临界角c，当c时，相应的 光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。由此 可见，只有在半锥角为c的圆锥内入射的光束才能在光 纤中传播。根据这个传播条件，定义临界角c的正弦为数 值孔径(Numerical Aperture, NA)。根据定义和斯奈尔定律 （4-2） N0=1，由式（4-2）经简单计算得到 （4-3） 0 2110 90sinsin,cossinnnnnNA ccc 2 1 2 2 2 1 nnnNA 式中：=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。设 =0.01，n1=1.5，得到NA=0.21。 NA表示光纤接收和传输光的能

17、力，NA(或c)越大，光纤 接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。 对于无损耗光纤，在c内的入射光都能在光纤中传输。 NA越大， 纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能 越好。 现在我们来观察光线在光纤中的传播时间。根据图4-4， 入射角为的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所经 历的路程为l(oy)，在不大的条件下，得到最大入射角 (=c)和最小入射角(=0)的光线之间时间延迟差近似 为 （4-4） 式中：c为真空中的光速。这种时间延迟差在时域产生 脉冲展宽，或称为信号畸变。由此可见，突变型多模 光纤的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输 后，其时间延迟不同而产生的，其大小与成

18、正比。 可见，NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大， 因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合， 选择适当的NA。 c Ln n n c Ln c Ln c Ln c 1 2 1111 ) 1( sin 2. 渐变型多模光纤渐变型多模光纤 渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优 点。渐变型多模光纤的子午面(r - z)示于图4-5，一般 光纤相对折射率差都很小，光线和中心轴线z的夹角也 很小，即sin。 图4-5 渐变型多模光纤 的光线传播原理 o i dz ri rm p 纤芯n(r) r * z r 0 dr 由图可见，渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函 数，对

19、于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角0，其周期 =2a/，取决于光纤的结构参数(a, )，而与入射角0无关。 这说明不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最 终都会聚在P点上，见图4-5，这种现象称为自聚焦(Self- Focusing)效应。 渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应的光 线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。这 是因为光线传播速度v(r)=c/n(r)(c为光速)，入射角 的光线经历的路程较长，但大部分路程远离中心轴线， n(r)较小，传播速度较快，补偿了较长的路程。入射角 小的光线情况正相反，其路程较短，但速度较慢。所 以这些光线的时间延迟

20、近似相等。所以信号畸变比突 变型多模光纤的信号畸变要小。 4.2.3光纤传输特性光纤传输特性 光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变(失真)，因而 输出信号和输入信号不同。对于脉冲信号，不仅幅度 要减小，而且波形要展宽。产生信号畸变的主要原因 是光纤中存在色散。损耗和色散是光纤最重要的传输 特性。损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的 传输容量。本节讨论光纤的色散和损耗的机理和特性， 为光纤通信系统的设计提供依据。 （一）光纤色散（一）光纤色散 色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不 同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。 色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。

21、1）模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生的， 它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的 波长特性有关。 2）材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模 式内部不同波长成分的光(实际光源不是纯单色光)，其 时间延迟不同而产生的。这种色散取决于光纤材料折 射率的波长特性和光源的谱线宽度。 3）波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的， 它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。色 散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法 不同。如果信号是模拟调制的，色散限制带宽 (Bandwith)；如果信号是数字脉冲，色散产生脉冲展 宽。所以，色散通常用3 dB光带宽f3dB 或脉冲

22、展宽 表示。 光纤色散测量有相移法、脉冲时延法和干涉法等。 （二）光纤损耗（二）光纤损耗 由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管 是模拟信号还是数字脉冲，其幅度都要减小。光纤的 损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。损耗的大 小用损耗系数表示。 （ dB/km） （4-5） 式中：L为光纤的长度，km；Pi为输入光功率；Po为 输出光功率。 0 lg 10 P P L i 1. 损耗的机理损耗的机理 光纤损耗机理包括吸收损耗和散射损耗两部分。 吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质 引起的吸收产生的。主要是光波通过光纤时，有一部 分光能变成热能，从而造成光功率的损失。 散射损耗主要

23、由材料、形状、折射率分布等的缺 陷或不均匀，使光纤中传的光发生散射。 2. 损耗测量损耗测量 光纤损耗测量有两种基本方法：一种是测量通过 光纤的传输光功率，称剪断法和插入法；另一种是测 量光纤的后向散射光功率，称后向散射法。在工程上 最实用的是后向散射法。 由于瑞利散射光功率与传输光功率成比例。利用与传 输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数 的方法，称为后向散射法。 设在光纤中正向传输光功率为P，经过L1和L2点 (L1P2)，从这两点返回输入 端(L=0)。光检测器的后向散射光功率分别为Pd(L1)和 Pd(L2)，经分析推导得到，正向和反向平均损耗系数 （4-6） 式中：右边分母

24、中因子2是光经过正向和反向两次传输 产生的结果。后向散射法不仅可以测量损耗系数，还 可利用光在光纤中传输的时间来确定光纤的长度L。 （4-7） 式中：c为光速；n1为光纤的纤芯折射率；t为光脉冲 从发出到返回的时间。 )/( )( )( lg )(2 10 2 1 12 KmdB LPd Lpd LL 1 2n ct L 式中：c为光速；n1为光纤的纤芯折射率；t为光脉冲 从发出到返回的时间。 图4-6示出后向散射法光纤损耗测量系统的框图。 光源应采用特定波长、稳定的大功率激光器，调制的 脉冲宽度和重复频率应和所要求的长度分辨率相适应。 耦合器件把光脉冲注入被测光纤，又把后向散射光注 入光检测

25、器。光检测器应有很高的灵敏度。 图4-6 后向散射法光纤损耗测量系统 图4-7后向散射功率曲线的示例 光学系统耦合器件光学系统 光学系统 信号处理 放大器 示波器 数据处理系统 被测光纤 光源 光检测器 相对反向散射功率 光纤长度 E D C B A 图4-7是后向散射功率曲线的示例，图中A 输入端反射区； BC恒定斜率区，用以确定损耗系数；C连接器、接头或局部缺 陷引起的损耗；D介质缺陷(例如气泡)引起的反射；E输出端反 射区（光纤断点），用以确定光纤长度。 用后向散射法的原理设计的测量仪器称为光时域反射仪 (OTDR)。这种仪器采用单端输入和输出，不破坏光纤，使用 非常方便。OTDR不仅可

26、以测量光纤损耗系数和光纤长度，还 可以测量连接器和接头的损耗，观察光纤沿线的均匀性和确定 故障点的位置，确实是光纤通信系统工程现场测量不可缺少的 工具。 （三）光纤标准和应用（三）光纤标准和应用 制订光纤标准的国际组织主要有ITU-T和IEC(国际电工委员 会)。应用情况一般为： G.651 多模渐变型(GIF)光纤，这种光纤在光纤通信发展初 期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统。 G.652 常规单模光纤，是第一代单模光纤，其特点是在波 长1.31m色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。目前 世界上已敷设的光纤线路90%采用这种光纤。 G.653 色散移位光纤，是第二代单模光纤，其特点

27、是在波 长1.55m色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长 距离通信系统。 G.654 1.55m损耗最小的单模光纤，其特点是在 波长1.31m色散为零，在1.55m色散为1720 ps/(nmkm)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可 达0.20 dB/km以下。这种光纤实际上是一种用于 1.55m改进的常规单模光纤，目的是增加传输距离。 此外还有色散补偿光纤，其特点是在波长1.55m具有 大的负色散。这种光纤是针对波长1.31m常规单模光 纤通信系统的升级而设计的，因为当这种系统要使掺 铒光纤放大器(EDFA)以增加传输距离时，必须把工作 波长从1.31m移到1.55m。用色散补偿光

28、纤在波长 1.55m的负色散和常规单模光纤在1.55m的正色散相 互抵消，以获得线路总色散为零损耗又最小的效果。 G.655 非零色散光纤，是一种改进的色散移位光 纤。具有常规单模光纤和色散移位光纤的优点，是最 新一代的单模光纤。这种光纤在密集波分复用和孤子 传输系统中使用，实现了超大容量超长距离的通信。 4.2.4光缆及电力系统特种光缆光缆及电力系统特种光缆 在实际通信线路中，都是将光纤制成不同结构型式 的光缆。因为光纤本身脆弱易裂，直接和外界接触， 易产生接触伤痕，甚至被折断。保护光纤固有机械强 度的方法，通常是采用塑料被覆和应力筛选。光纤从 高温拉制出来后，要立即用软塑料(例如紫外固化的

29、丙 烯酸树脂)进行一次被覆和应力筛选，除去断裂光纤， 并对成品光纤用硬塑料(例如高强度聚酰胺塑料)进行二 次被覆。二次被覆光纤有紧套、松套、大套管和带状 线光纤四种。 把一次被覆光纤装入硬塑料套管内，使光纤与外力 隔离是保护光纤的有效方法。在工程应用中，光缆不 可避免要遭受一定的拉力而伸长，或者遭遇低温而收 缩。因此，松套管内的光纤要留有一定的余长，使光 纤受拉力或压力的作用。 （一）光缆结构和类型（一）光缆结构和类型 光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面 加有铠装。 1. 缆芯缆芯 缆芯通常包括被覆光纤(或称芯线)和加强件两部分。 被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。 光缆

30、类型多种多样，图4-8给出若干典型实例。根据 缆芯结构的特点，光缆可分为四种基本型式。 图4-8光缆类型的典型实例 (a) 6芯紧套层绞式光缆(架空、管道)；(b) 12芯松套层绞式光缆(直埋防蚁)；(c) 12 芯骨架式光缆(直埋)； (d) 648芯束管 式光缆(直埋)；(e) 108芯带状光缆；(f) LXE束管式光缆(架空、管道、直埋)； (g) 浅海光缆； (h) 架空地线复合光缆 (OPGW) （1）层绞式。）层绞式。把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而 构成。这种结构的缆芯制造设备简单，工艺相当成熟， 得到广泛应用。采用松套光纤的缆芯可以增强抗拉强 度，改善温度特性。 （2）骨架式

31、。）骨架式。把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加 强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。这种结构 的缆芯抗侧压力性能好，有利于对光纤的保护。 （3）中心束管式。）中心束管式。把一次被覆光纤或光纤束放入大套 管中，加强件配置在套管周围而构成。这种结构的加 强件同时起着护套的部分作用，有利于减轻光缆的重 量。 （4）带状式。）带状式。把带状光纤单元放入大套管内，形成中心 束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内 或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。带状式缆芯 有利于制造容纳几百根光纤的高密度光缆，这种光缆 已广泛应用于接入网。 2. 护套护套 护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具 有

32、良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。 护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带 构成。不同使用环境和敷设方式对护套的材料和结构 有不同的要求。 根据使用条件，光缆又可以分为许多类型。一般光缆 有室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆等。 （二）光缆特性（二）光缆特性 光缆的传输特性取决于被覆光纤。对光缆机械特性和 环境特性的要求由使用条件确定。光缆生产出来后， 对这些特性的主要项目：拉力、压力、扭转、弯曲、 冲击、振动和温度等，要根据国家标准的规定做例行 试验。成品光缆一般要求给出上述特性。 4.3光源与光检测器光源与光检测器 光源、光检测器是光发射机、光接收机和光中继器

33、 的关键器件，和光纤一起决定着基本光纤传输系统的 水平。 4.3.1光源光源 光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转 换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半 导体激光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发 光管(LED)。 （一）半导体激光器工作原理和基本结构（一）半导体激光器工作原理和基本结构 半导体激光器产生激光的基本原理是向半导体PN结 注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再 利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。 所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。 1. 受激辐射和粒子数反转分布受激辐射和粒子数反转分布 有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效

34、应。 在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基 态，能量比基态大的能级Ei(i=2, 3, 4 )称为激发态。 电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃 迁有三种基本方式(见图4-11)： hf12 初态E2 E1 终态E2 E1 (a)(b) hf12 (c) hf12 hf12 图4-11 能级和电子跃迁 (a) 受激吸收； (b) 自发辐 射； (c) 受激辐射 （1）在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作 用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃 迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目 的空穴，见图4-11(a)。 （2）在高能级E2的电子是

35、不稳定的，即使没有外界的 作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放 的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射， 见图4-11(b)。 （3）在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃 迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射， 这种跃迁称为受激辐射，见图4-11(c)。 受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能 级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满 足波尔条件，即 E2-E1=hf12 (4-8) 式中：h为普朗克常数，h=6.62810-34Js；f12为吸 收或辐射的光子频率。 受激辐射和自发辐射产生的光其特点很不相同。受激 辐射光的频率、相

36、位、偏振态和传播方向与入射光相同， 这种光称为相干光；自发辐射光是由大量不同激发态的 电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内， 相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相 干光。产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。 设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级 E2(E2E1)的原子数分别为N1和N2。如果N1N2，则 受激吸收大于受激辐射，当光通过这种物质时，光强 按指数衰减，这种物质称为吸收物质。如果N2N1， 则受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会 产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2N1的分 布，和正常状态的分布相反，所以称为粒子数反转分 布。如何得到粒子数反转分布

37、的状态呢? 2. PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布 在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多 数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形 成内部电场，见图4-12(a)。 4.4光端机光端机 4.4.1发射机发射机 光发射机的功能是把输入电信号转换 为光信号,并用耦合技术把光信号最大限度 地注入光纤线路。 光发射机完成把电信号转换为光信号 (常简称为电/光或E/O转换)，是通过电信号 对光的调制而实现的。 两种调制方式两种调制方式 目前调制分为直接调制和外调制两种方式。如图 4-20所示。 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

38、 电信号输入 光纤 光信号输出 (b) 图 4-20 两种调制方案 (a) 直接调制； (b) 间接调制(外调制) 1直接调制直接调制 直接调制是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。图 4-21示出激光器(LD)和发光二极管(LED)直接光强数字调 制原理，对LD施加了偏置电流Ib。由图4-21可见，当激 光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出光功率P和驱 动电流I基本上是线性关系，输出光功率和输入电流成正 比，所以输出光信号反映输入电信号。 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。 图4-21直接光强数字调

39、制原理 (a) LED数字调制原理； (b) LD的数字调制原 理 2. 外调制外调制 外调制是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。如图4-20（b）所示。目前有多种调 制器可供选择，最常用的是电光调制器。这种调制器是利用电 信号改变电光晶体的折射率，使通过调制器的光参数随电信号 变化而实现调制的。外调制方式虽然技术复杂，但是传输速率 和接收灵敏度很高，在大容量的波分复用和相干光通信系统中 使用，是很有发展前途的通信方式。 （二）光发射机基本组成（二）光发射机基本组成 目前技术上成熟并在实际光纤通信系统得到广泛应用的是直 接光强(功率)调制。直接调制 光发射机由

40、输入接口、编码电路、光源、驱动电路、公务及监 控电路、自动偏置控制电路、温控电路等组成(图4-22)，其核 心是光源及驱动电路。 电信号 光信号 输入电路驱动电路光源 保护、报警 自动偏置 编码电路 图4-22数字光发送机框图 工作过程是这样的：输入电路将输入的PCM脉冲信 号进行整形，变换成NRZ/RZ码后送给编码电路，编码 电路将简单的二电平码变换为适合于光纤传输的线路 码，因为在光纤通信系统中，从电端机输出的是适合 于电缆传输的双极性码。光源不可能发射负光脉冲， 因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤通信系统 传输的要求。在光发射机中有编码电路，在光接收机 中有对应的解码电路。 常用的光

41、纤线路码有扰码、mBnB码和插入码。线 路码通过驱动电路调制光源。驱动电路要给光源提供 一个合适的偏置电流和调制电流。为了稳定输出的平 均光功率和工作温度，通常设置一个自动功率控制电 路（APC）和自动温控电路（ATC）。此外，在光发射 机中还有监控、报警电路，对光源寿命及工作状态进 行监控与报警等。 数字光发射机最重要的性能指标为平均输出光功率 和消光比。 1. 平均发送光功率平均发送光功率 （1）平均发送光功率的定义。 光端机的平均发送光功率是指光端机在正常工作的情 况下，由电端机输出223-1或215-1的伪随机码时，在光 端机输出端测量到的平均光功率。平均发送光功率的功 率值用PT（W

42、）表示，电平值用LT（dBm）表示，光功 率值与电平值之间的关系是： （4-11） 3 10 lg10 T T P L 对于一个实际的光纤通信系统，平均发送光功率并不是 越大越好，虽然从理论上讲，发送光功率越大，通信距离越 长，但光功率越大会使光纤工作在非线性状态，这种非线性 状态会对光纤产生不良影响。 2消光比消光比 （1）消光比的定义。 消光比是指光端机的电接口输入为全“1”码和全“0”码时 的平均发送光功率之比，用EXT表示。 无输入信号时，光端机输出平均发送光功率P0，对接收机 来说是一种噪声，会降低接收机的灵敏度，因此希望消光比 越小越好。但是，对激光器LD来讲，要使消光比小就要减

43、小偏置电流，从而使光源输出功率降低，谱线宽度增加。所 以要全面考虑消光比与其它指标之间的矛盾。 4.4.2光接收机光接收机 （一）光接收机基本组成 直接检测方式的数字光接收机方框图示于图4-23， 主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、 时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电 路。 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 图4-23 数字光接收机方框图 1. 光检测器光检测器 光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性 能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。 2. 放大器放大器 前置放大器应是低噪

44、声放大器，它的噪声对光接收机 的灵敏度影响很大。 主放大器一般是多级放大器，它的作用是提供足够的 增益，并通过它实现自动增益控制(AGC)，以使输入光 信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放 大器和AGC决定着光接收机的动态范围。 3. 均衡和再生均衡和再生 均衡的目的是对经光纤传输、光/电转换和放大后已产 生畸变(失真)的电信号进行补偿，使输出信号的波形适 合于判决(一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形)，以消 除码间干扰，减小误码率。 再生电路包括判决电路和时钟提取电路，它的功能是 从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟， 并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码

45、流。 （二）光电集成接收机（二）光电集成接收机 为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发而 且已实现单片光接收机，即用“光电集成电路(OEIC)技术” 在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。 （三）噪声特性（三）噪声特性 光接收机的噪声有两部分：一部分是外部电磁干扰产 生的，这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤波加以消除； 另一部分是内部产生的，这部分噪声是在信号检测和放大 过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设 计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。下面讨论的 噪声是指内部产生的随机噪声。 光接收机噪声的主要来源是光检测器的噪声和前置放 大器的噪声。因为前置级输入的是微弱

46、信号，其噪声对输 出信噪比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的 信号，只要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可 以忽略。 （四）主要性能（四）主要性能 1. 灵敏度灵敏度 灵敏度Pr的定义是，在保证误码率的条件下，光接收 机所需的最小平均接收光功率Pmin，并以dBm为单位。 灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，它反映接收机调 整到最佳状态时，接收微弱光信号的能力。灵敏度主要 取决于组成光接收机的光电二极管和放大器的噪声，并受 传输速率、光发射机的参数和光纤线路的色散的影响，还 与系统要求的误码率或信噪比有密切关系。所以灵敏度也 是反映光纤通信系统质量的重要指标。 2. 动态范围动态

47、范围 光接收机应具有一定的动态范围。由于使用条件不同， 输入光接收机的光信号大小要发生变化，为实现宽动态范 围，采用AGC是十分有必要的。 动态范围(DR)的定义是：在限定的误码率条件下，光 接收机所能承受的最大平均接收光功率Pmin和所需最小平 均接收光功率Pmin的比值，用dB表示。 动态范围是光接收机性能的另一个重要指标，它表示光 接收机接收强光的能力，数字光接收机的动态范围一般应 大于15 dB。 4.5数字光纤通信系统数字光纤通信系统 4.5.1系统结构系统结构 光纤通信系统是通信网的一个组成部分。典型的光 纤通信系统结构如图4-24所示。从图中可以看出，该 系统是由发射端机(电/光

48、)、接收端机(光/电)、光中继 器、监控系统、备用系统等组成。由于在前面已经对 端机进行了讨论，下面仅就光中继器加以介绍。 光接收机 光发射机 光中继器 光接收机 光发射机 图4-24光纤通信系统示意图 光纤 光 纤 1. 光中继器光中继器 传统的光中继器采用光电光的转换形式，即先将 受到的微弱光信号用光检测器转换成电信号后进行放大、 整形和再生后，恢复出原来的数字信号，然后再对光源 进行调制，变换为光脉冲信号后送入光纤继续传输。 自光纤放大器实用化以来，光纤放大器开始代替传统 的光中继器，特别是在高速光纤通信系统中。光放大器 能直接放大光信号，对信号的格式和速率具有高度的透 明性，使得整个系

49、统更加简单、灵活。 4.5.2系统的主要性能指标系统的主要性能指标 （一）误码性能 1. 误码的定义 光纤数字传输系统的误码性能用误码率BER来衡量。即 在特定的一段时间内所接收的错误码元与同一时间内所接 收的总码元数之比。 2. 误码发生的形态和原因 误码发生的形态主要有两类：一类是随机形态的误码， 即误码主要是单个随机发生的，具有偶然性；另一类是突 发的、成群发生的误码，这种误码可能在某个瞬间集中发 生，而其它大部分时间无误码发生。误码发生的原因是多 方面的。如数字网中的热噪声，交换设备的脉冲噪声干扰， 雷电的电磁感应，电力线产生的干扰等。 3. 误码性能的评定方法误码性能的评定方法 评定

50、误码性能的参数包括平均误码率、劣化分、严重误 码秒和误码秒。 （二）抖动性能（二）抖动性能 1. 抖动的定义抖动的定义 抖动是数字信号传输中的一种瞬时不稳定现象。即数字信 号的各有效瞬间对其理想时间位置的短时间偏离，称为抖 动。图4-25为定时抖动的图解定义。 抖动可分为相位抖动和定时抖动。相位抖动是指传输过 程中所形成的周期性的相位变化。定时抖动是指脉码传输 系统中的同步误差。 发送信号 接收信号 图4-25 定时抖动的图解 抖动的大小或幅度通常可用时间、相位或数字周期来表 示。目前多用数字周期来表示，即“单位间隔”，用符号 UI（Unit Interval），也就是1比特信息所占有的时间间

51、隔。 例如码速率为34.368Mb/s的脉冲信号，1UI=1/34.368s。 2. 抖动产生的原因抖动产生的原因 （1）数字再生中继器引起的抖动。由于再生中继器中 的定时恢复电路的不完善及再生中继器的累计导致了抖动 的产生和累加。 （2）数字复接及分接器引起的抖动。在复接器的支路 输入口，各支路数字信号附加上码速调整控制比特和帧定 位信号形成群输出信号。而在分接器的输入口，要将附加 比特扣除，恢复原分支数字信号，这些将不可避免地引起 抖动。 （3）噪声引起的抖动。由于数字信号处理电路引起的各种 噪声。 （4）其它原因。由于环境温度的变化、传输线路的长短及 环境条件等也会引起抖动。 3. 抖动

52、的类型抖动的类型 （1）随机性抖动。在再生中继器内与传输信号关系不大 的抖动来源称为随机性抖动。这些抖动主要由于环境变化、 器件老化及定时调谐回路失调引起。 （2）系统性抖动。由于码间干扰，定时电路幅度相位 转换等因素引起的抖动。 4. 抖动的容限抖动的容限 （1）输入抖动容限。输入抖动容限是指数字段能够允许 的输入信号的最低抖动限值，即加大输入信号的抖动值， 直到设备由不误码到开始误码的这个分界点。此时的输 入信号上的误码即为最大允许输入抖动下限。 （2）输出抖动容限。 在数字段输入信号无抖动时，由于 数字段内的中继器产生抖动，并按一定规律进行累计， 于是在数字段输出端产生抖动。ITUT提出

53、了数字段无 输入抖动时的输出抖动上限，即为输出抖动容限。 （3）抖动转移特性。由于输入口数字信号的抖动 经设备或系统转移后到达输出口，从而构成了输出 抖动的另一个来源。为了保证数字网抖动的总质量 目标，ITUT建议抖动转移增益不大于1dB。 发 送 电端机光端机光纤光纤光端机电端机 A B S R B A 接 收 发 送 接 收 中继 中继 R S 发 送 接 收 发 送 接 收 图4-26 光纤通信系统的具体组成 （三）光纤通信系统接口指标（三）光纤通信系统接口指标 一个完整的光纤通信系统的具体组成如图4-26所示。 我们把光端机与光纤的连接点称为光接口。光接口 有两个，一个由S点向光纤发送

54、光信号；另一个由R点从 光纤接收信号。光中继器两侧均与光纤相连，所以它两 侧的接口均为光接口。光接口是光纤通信系统特有的接 口。在S点的主要指标有平均发送光功率和消光比，在R 点的主要指标有接收机灵敏度和动态范围。 图4-26中的A、B点为电接口。通常把A点称为输入口， B点称为输出口。在输入口和输出口都需要测试的指标 是：比特率及容差、反射损耗。在输入口测试的指标有 输入口允许衰减和抗干扰能力、输入抖动容限；在输出 口测试的指标有输出口脉冲波形、无输入抖动时的输出 抖动容限。 三、光纤传输系统的设计三、光纤传输系统的设计 根据前面所讨论的光纤传输系统的各种指标要求，光发 射机与光接收机之间有

55、最大传输距离的问题。因此如要 实现长距离通信，在设计一个光纤系统时，最大中继距 离的设计就是一个重要问题。从前面的性能讨论知道， 最大中继距离要受发射机耦合入光纤的功率PT、光接收 机灵敏度Pmin、光纤的衰减系数、光纤的色散4个因素 的影响。 下面我们分两种情况讨论： 1. 中继距离受光纤衰减限制的情况中继距离受光纤衰减限制的情况 如果在光纤通信系统中，信号的码速不是很高，带宽 足够宽，则光纤的色散对传输距离的影响不大，可认为光 纤传输系统的最大中继距离仅受光纤衰减的影响。则中继 距离的长度可按下式计算。 （4-12） msf ecT MPP L 2 min 式中：PT 为平均发射光功率(d

56、Bm)；Pmin为接收灵敏度 (dBm)；c 为连接器损耗（dB/对）； Me 为系统余量(dB)； f为光纤损耗系数(dB/km)；s为每km光纤平均接头损耗 (dB/km)；m为每km光纤线路损耗余量(dB/km)；L 为中继 距离(km)。 连接器损耗一般为0.31 dB/对。设备余量Me包括由于时间 和环境的变化而引起的发射光功率和接收灵敏度下降，以及 设备内光纤连接器性能劣化，Me一般不小于3 dB。 光纤损耗系数f取决于光纤类型和工作波长。光纤损耗余量 m一般为0.10.2 dB/km，但一个中继段总余量不超过5 dB。平均接头损耗可取0.05 dB/个，每千米光纤平均接头损 耗s

57、可根据光缆生产长度计算得到。 2. 色散对中继距离的影响色散对中继距离的影响 当光纤系统的码速大于140Mb/s时，如果中继距离过长， 由于色散的影响，会造成数字信号脉冲过大的展宽，引起码 间干扰，从而降低光接收机的灵敏度。就目前的速率系统而 言，仅考虑色散影响的中继距离的计算公式为 （4-13） Df L b D 6 10 式中：LD为传输距离，km；为线路码速率，Mb/s；D 为色散系数，ps/kmnm；为与色散代价有关的系数。 由系统中所选用的光源类型来决定，若采用多纵模激光器， 取为0.115；若采用单纵模激光器和半导体发光二极管， 则取为0.306。对于某一传输速率的系统而言，在考虑

58、上 述两个因素的同时，分别算出两个中继距离L和LD，然后 取距离短的为该传输速率的实际中继距离。 以140 Mb/s单模光纤通信系统为例计算中继距离。设系 统平均发射功率PT=-3 dBm, 接收灵敏度Pmin=-42 dBm， 设备余量Me=3 dB，连接器损耗c=0.3dB/对，光纤损耗 系数 f=0.35 dB/km, 光纤余量m=0.1 dB/km，每km光纤平均 接头损耗s=0.03 dB/km。把这些数据代入式(4-12)， 得 到中继距离74km。又设线路码型为5B6B, 线路码速率 fb=140(6/5)=168 Mb/s, |C0|=3.0 ps/(nmkm)， =2.5 n

59、m。把这些数据代入式(4-13)，得到中继距离 91km。因为，LDL，所以中继距离为74km。在工程设计 中，中继距离应取74 km。 在本例中中继距离主要受损耗 限制。 （三）功率预算（三）功率预算 功率预算是设计一个系统所必需的，正确的预算，才能选 择合适的功率匹配，使整个系统工作在良好状态。受损耗限制 的中继距离由第五节式（4-13）确定，也可采用预算损耗的方 法。 用S表示总损耗，表示每公里光纤损耗，dB/km ；L表示光缆长 度km，表示光缆接头损耗dB/个，n表示接头数量，表示光纤 连接器损耗，dB/个；m表示连接器数量，Mc表示光缆富余度 (常见0.050.1dB/km)，Me

60、表示光设备富余度。则 S=L+n+m+MC+Me。 （4-14） 现举一例说明，某电业局A变一B变，全长约30km(电力 线长度为接近29km)，1310nm波长光缆损耗为0.33dB/km， 取0.1dB/个，光缆盘长以标称3km计，接头11个，取1dB/个， 共2个，Mc取3dB，Me取1dB。这样： S=0.3330+0.111+12+3+1 =17dB 计算出该结果就要看光设备发送功率与该结果的差值在 光设备接收功率动态范围之内，否则就要提高发光功率或者 增加光衰减器，来达到功率平衡。 （四）色散预算（四）色散预算 由于色散的存在，光脉冲在传输过程中将被展宽，限制了 光纤的传输容量或者