数据通信_3_1(光纤通信及SDH)

1、数据通信数据通信教师：孙国林Email：12 第三章第三章 光纤通信及光纤通信及SDHl 3.1 光纤通信的定义和历史光纤通信的定义和历史l 3.2 光纤通信的优点光纤通信的优点l 3.3 光纤的构造、分类和导光原理光纤的构造、分类和导光原理l 3.4 光纤通信的原理光纤通信的原理l 3.5 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成l 3.6 光纤通信系统的应用光纤通信系统的应用l 3.7 SDH光通信系统光通信系统3 3.1 光纤通信的定义光纤通信的定义l光纤通信光纤通信：利用光纤来传输携带信息的光波以达到：利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的通信之目的l要使光波成为携带信息的载体，必须

2、对之进行要使光波成为携带信息的载体，必须对之进行调制调制，在接收端再把信息从光波中在接收端再把信息从光波中检测检测出来。出来。4 3.1 光纤通信的定义光纤通信的定义l数字光纤通信系统基本上由数字光纤通信系统基本上由光发送机光发送机、光纤光纤与与光接光接收机收机组成。组成。5通信系统的基本模型l一个通信系统主要包括：一个通信系统主要包括：终端设备、传输系统终端设备、传输系统和和交换节点交换节点三大部分。三大部分。6一次通信的全过程：一次通信的全过程： 发送端的电端机把信息（如话音）进行模发送端的电端机把信息（如话音）进行模/数转换，数转换，用转换后的数字信号去用转换后的数字信号去调制调制发送机

3、中的光源器件发送机中的光源器件LD，则则LD 就会就会发出携带信息的光波发出携带信息的光波。 即当数字信号为即当数字信号为“1”时，光源器件时，光源器件发送一个发送一个“传号传号”光脉冲光脉冲；当数字信号为；当数字信号为“0”时，光源器件时，光源器件发发送一个送一个“空号空号”（不发光）（不发光）。 光波经低衰耗光纤传输后到达接收端。在接收端，光波经低衰耗光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机把数字信号从光波中光接收机把数字信号从光波中检测检测出来送给电端机，出来送给电端机，而电端机再进行数而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的信息。模转换，恢复成原来的信息。7 3.1 光纤通信的历史光纤通

4、信的历史l光纤通信的里程碑：光纤通信的里程碑：1966年年7月，英藉、华裔学者月，英藉、华裔学者高锟高锟博士（博士（K.C.Kao）在）在PIEE 杂志上发表了一篇文杂志上发表了一篇文章章用于光频的光纤表面波导用于光频的光纤表面波导l该文从该文从理论上理论上分析证明了用光纤作为传输媒体实现分析证明了用光纤作为传输媒体实现光通信的可能性。只要解决好玻璃纯度和成分等问光通信的可能性。只要解决好玻璃纯度和成分等问题，就能够题，就能够利用玻璃制作光学纤维利用玻璃制作光学纤维，从而高效传输，从而高效传输信息。信息。l更重要的是科学地予言了更重要的是科学地予言了制造通信用的超低耗光纤制造通信用的超低耗光纤

5、的可能性的可能性，即加强原材料提纯，加入适当的掺杂剂，即加强原材料提纯，加入适当的掺杂剂，可以把光纤的可以把光纤的衰耗系数衰耗系数降低到降低到20dB/km 以下（当时以下（当时世界上用于工业、医学方面的光纤，其衰耗在世界上用于工业、医学方面的光纤，其衰耗在1000dB/km 以上）以上）8光纤的衰减系数光纤的衰减系数l光纤的衰减系数光纤的衰减系数是指光在单位长度光纤中传输时是指光在单位长度光纤中传输时的衰耗量，单位一般用的衰耗量，单位一般用dB/km。l衰减系数衰减系数是光纤最重要的特性参数之一。因为在是光纤最重要的特性参数之一。因为在很大程度上它很大程度上它决定了光纤通信的传输距离决定了光

6、纤通信的传输距离。9高锟-光纤之父光纤之父 10高锟的重要论文lK. C. Kao, G. A. Hockham (1966), Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies （光频率介质纤维表面波导）（光频率介质纤维表面波导）, Proc. IEEE 113 (7): 11511158.lK. C. Kao, T. W. Davies (1968), Spectrophotometric Studies of Ultra Low Loss Optical Glasses - I: Single Beam Method,

7、 Journal of Scientific Instruments (Journal of Physics E) 2 (1): 10631068. DOI:10.1088/0022-3735/1/11/303lK. C. Kao (June 1986), 1012 bit/s Optoelectronics Technology, IEE Proceedings 133, Pt.J, No 3, 230236. DOI:10.1049/ip-j:1986003711 3.1 光纤通信的历史光纤通信的历史l1970年美国康宁玻璃公司根据高锟文章的设想，用年美国康宁玻璃公司根据高锟文章的设想，用

8、改进型化学相沉积法（改进型化学相沉积法（MCVD 法）制造出当时法）制造出当时世界世界上第一根超低耗光纤上第一根超低耗光纤，成为使光纤通信爆炸性竞相发，成为使光纤通信爆炸性竞相发展的导火索展的导火索l虽然当时康宁玻璃公司制造出的光纤只有几米长，衰虽然当时康宁玻璃公司制造出的光纤只有几米长，衰耗约耗约20dB/km，而且几个小时之后便损坏了。但它，而且几个小时之后便损坏了。但它找到了实现低衰耗传输光波的理想传输媒体，是找到了实现低衰耗传输光波的理想传输媒体，是光通光通信研究的重大实质性突破信研究的重大实质性突破12l 从光纤的从光纤的衰耗衰耗看：看： 七七O年：年：20 dB/km 七二年：七二

9、年：4 dB/km 七四年：七四年：1.1 dB/km 七六年：七六年：0.5 dB/km 七九年：七九年：0.2 dB/km 九九O年：年：0.14 dB/km 3.1 光纤通信的历史光纤通信的历史已经接近石英光已经接近石英光纤的理论衰耗极纤的理论衰耗极限值限值0.1dB/km0.1dB/km13l 从从光器件光器件看：看： 1970年，美国贝尔实验室研制出世界上年，美国贝尔实验室研制出世界上第一只第一只在室温下连续波工作的砷化镓铝在室温下连续波工作的砷化镓铝半导体激光器半导体激光器，为为光纤通信找到了合适的光源器件光纤通信找到了合适的光源器件。 光接收器件从简单的硅光接收器件从简单的硅PI

10、N 光二极管发展到量光二极管发展到量子效率达子效率达90的的-族雪崩光二极管族雪崩光二极管APD。 3.1 光纤通信的历史光纤通信的历史14l从从光纤通信系统光纤通信系统看：看： 小容量小容量大容量大容量 短距离短距离长距离长距离 低水平低水平高水平高水平 旧体制（旧体制（PDH） 新体制（新体制（SDH） 3.1 光纤通信的历史光纤通信的历史15 3.1 光纤通信的历史光纤通信的历史l1976年，美国在亚特兰大开通了年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化世界上第一个实用化光纤通信系统光纤通信系统。码率为。码率为45Mb/s，中继距离为，中继距离为10 km。l1990年，单模光纤通信系统

11、进入商用化阶段年，单模光纤通信系统进入商用化阶段（565Mb/s），并着手进行零色散移位光纤和波分复），并着手进行零色散移位光纤和波分复用及相干通信的现场试验，而且陆续制定数字同步体系用及相干通信的现场试验，而且陆续制定数字同步体系（SDH）的技术标准）的技术标准l1997年，采用年，采用波分复用技术波分复用技术（WDM）的）的20Gb/s 和和40Gb/s 的的SDH产品试验取得重大突破。产品试验取得重大突破。 波分复用技术波分复用技术是将一系列载有信息、但波是将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在接收端再用某种方法，将各个不

12、同波输；在接收端再用某种方法，将各个不同波长的光信号分开的通信技术。长的光信号分开的通信技术。 这种技术可以同时在一根光纤上传输多路这种技术可以同时在一根光纤上传输多路信号，每一路信号都由某种特定波长的光来信号，每一路信号都由某种特定波长的光来传送传送16 3.1 光纤通信的历史光纤通信的历史l用用带宽极宽的光波作为传送信息的载体以实现通带宽极宽的光波作为传送信息的载体以实现通信信，这一几百年来人们梦寐以求的幻想在今天已，这一几百年来人们梦寐以求的幻想在今天已成为活生生的现实。成为活生生的现实。l目前的光纤通信，其目前的光纤通信，其实际应用仅是其潜在能力的实际应用仅是其潜在能力的2左右左右，尚

13、有巨大的潜力等待人们去开发利用。，尚有巨大的潜力等待人们去开发利用。17 第三章 光纤通信及SDHl 3.1 光纤通信的定义和历史光纤通信的定义和历史l 3.2 光纤通信的优点光纤通信的优点l 3.3 光纤的构造、分类和导光原理光纤的构造、分类和导光原理l 3.4 光纤通信的原理光纤通信的原理l 3.5 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成l 3.6 光纤通信系统的应用光纤通信系统的应用l 3.7 SDH光通信系统光通信系统18 3.2 光纤通信的优点光纤通信的优点1. 通信容量大通信容量大：l从理论上讲，一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时从理论上讲，一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输传输10

14、00 亿个话路亿个话路。虽然目前远远未达到如此高。虽然目前远远未达到如此高的传输容量，但的传输容量，但用一根光纤同时传输用一根光纤同时传输24 万个话路万个话路的试验已经取得成功的试验已经取得成功 (比传统的明线、同轴电缆、比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍以上微波等要高出几十乃至上千倍以上)l一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光纤，如果一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光纤，如果再加上再加上波分复用技术波分复用技术把一根光纤当作几根、几十根把一根光纤当作几根、几十根光纤使用，其通信容量之大就更加惊人光纤使用，其通信容量之大就更加惊人l适合适合高速、宽带信息的传输高速、宽带信息

15、的传输，如，如高速通信干线高速通信干线、宽宽带综合业务通信网、长途一、二级干线通信带综合业务通信网、长途一、二级干线通信19 3.2 光纤通信的优点光纤通信的优点2. 传输损耗低，中继距离远传输损耗低，中继距离远l光纤具有极低的衰耗系数（目前商用化石英光纤已光纤具有极低的衰耗系数（目前商用化石英光纤已达达0.19dB/km 以下），若配以适当的光发送与光以下），若配以适当的光发送与光接收设备，可使其接收设备，可使其中继距离达数百公里以上中继距离达数百公里以上。 ( 传统的传统的电缆（电缆（1.5km）、微波（）、微波（50km）)l据报导，用一根光纤同时传输据报导，用一根光纤同时传输24 万个

16、话路、万个话路、100 公里无中继公里无中继的试验已经取得成功。的试验已经取得成功。l已在进行的光孤子通信试验，已达到传输已在进行的光孤子通信试验，已达到传输120 万个万个话路、话路、6000 公里无中继的水平。公里无中继的水平。l在不久的将来实现全球无中继的光纤通信是完全可在不久的将来实现全球无中继的光纤通信是完全可能的。能的。203.2 光纤通信的优点光纤通信的优点3. 3. 通信串话小，保密性强通信串话小，保密性强 光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光光“泄露泄露”出去，因此其保密性能极好。出去，因此其保密性能极好。4. 抗电磁干扰

17、抗电磁干扰l 不怕外界强电磁场的干扰不怕外界强电磁场的干扰 (光纤是用石英制成的光纤是用石英制成的)l 不受外界光的影响，强电、雷电等不会影响光纤传不受外界光的影响，强电、雷电等不会影响光纤传输性能输性能l 在核辐射环境，也能正常进行通信在核辐射环境，也能正常进行通信 213.2 光纤通信的优点l 线径小，重量轻，便于敷设线径小，重量轻，便于敷设 敷设方式方便灵活，可以直埋、管敷，又可水底敷设方式方便灵活，可以直埋、管敷，又可水底和架空和架空l 材料资源丰富材料资源丰富 光纤的最基本原材料是石英（二氧化硅）即砂子，光纤的最基本原材料是石英（二氧化硅）即砂子，因此其潜在价格是十分低廉的因此其潜在

18、价格是十分低廉的 而通信用电缆的主要材料为稀有金属铜，其资源而通信用电缆的主要材料为稀有金属铜，其资源严重紧缺。严重紧缺。 22光波在光纤中传输时只在其芯区进行，光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光基本上没有光“泄露泄露”出去，这是利出去，这是利用什么原理来做到的用什么原理来做到的？23 第三章第三章 光纤通信及光纤通信及SDHl 3.1 光纤通信的定义和历史光纤通信的定义和历史l 3.2 光纤通信的优点光纤通信的优点l 3.3 光纤的构造、分类和导光原理光纤的构造、分类和导光原理l 3.4 光纤通信的原理光纤通信的原理l 3.5 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成l 3.6 光纤

19、通信系统的应用光纤通信系统的应用l 3.7 SDH光通信系统光通信系统243.3 光纤的构造（光纤的构造（1）l光纤呈园柱形，它由光纤呈园柱形，它由纤芯纤芯、包层包层与与涂敷层涂敷层三大三大部分组成部分组成25l纤芯纤芯位于光纤的中心部位（直径位于光纤的中心部位（直径d1 约约950 微米），微米），其成份是高纯度的二氧化硅，还掺有极少量的掺杂剂如其成份是高纯度的二氧化硅，还掺有极少量的掺杂剂如二氧化锗，五氧化二磷等，掺有少量掺杂剂的二氧化锗，五氧化二磷等，掺有少量掺杂剂的目的是适目的是适当提高纤芯的光折射率当提高纤芯的光折射率 （n1）l包层包层位于纤芯的周围（其直径位于纤芯的周围（其直径d

20、2 约约125 微米），其成微米），其成份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。而掺杂剂份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。而掺杂剂（如三氧化二硼）的（如三氧化二硼）的作用则是适当降低包层的光折射率作用则是适当降低包层的光折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率），使之略低于纤芯的折射率。l光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂敷涂敷层层，其，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。一般涂。一般涂敷后的光纤外径约敷后的光纤外径约1.5 厘米。厘米。3.3 光纤的构造（光纤的构造（1）263.3 光纤的分类（光

21、纤的分类（2）五种分类方法：五种分类方法：l按按光纤剖面折射率分布光纤剖面折射率分布：阶跃光纤与渐变光纤：阶跃光纤与渐变光纤l按按传播模式传播模式：多模光纤与单模光纤：多模光纤与单模光纤l按按工作波长工作波长：短波长光纤与长波长光纤：短波长光纤与长波长光纤l按按套塑类型套塑类型：紧套光纤与松套光纤：紧套光纤与松套光纤l按光纤的按光纤的组成成份组成成份：石英光纤（最常应用）石英光纤（最常应用）、含氟、含氟光纤与塑料光纤光纤与塑料光纤273.3 光纤的导光原理（光纤的导光原理（3）l光是一种频率极高的电磁波，而光纤本身是一种介光是一种频率极高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导，因此光在光纤中的传输

22、理论是十分复杂的。质波导，因此光在光纤中的传输理论是十分复杂的。要想全面地了解它，需要应用要想全面地了解它，需要应用电磁场理论、波动光电磁场理论、波动光学理论、甚至量子场论学理论、甚至量子场论方面的知识。方面的知识。l为了直观、形象、易懂，为了直观、形象、易懂，从几何光学的角度来讨论从几何光学的角度来讨论光纤的导光原理光纤的导光原理。把。把光波看作成为一条光线来处理光波看作成为一条光线来处理，这正是几何光学的处理问题的基本出发点。这正是几何光学的处理问题的基本出发点。28光波在光纤中传输时只在其芯区进行，光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光基本上没有光“泄露泄露”出去，这是利出去，这

23、是利用什么原理来做到的用什么原理来做到的？291. 全反射原理全反射原理（降低光纤降低光纤的衰耗的衰耗） 当光线在均匀介质中传播当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的，但在时是以直线方向进行的，但在到达两种不同介质的分界面时，到达两种不同介质的分界面时，会发生会发生反射与折射现象反射与折射现象 根据根据光的折射定律光的折射定律： n1Sin1=n2Sin2 其中其中n1 为纤芯的折射率为纤芯的折射率n2 为包层的折射率。为包层的折射率。3.3 光纤的导光原理（光纤的导光原理（3）30l如果如果n1与与n2的比值增大到的比值增大到一定程度，则会使折射角一定程度，则会使折射角290，此时的折射

24、光，此时的折射光线不再进入包层，而会在线不再进入包层，而会在纤芯与包层的分界面上掠纤芯与包层的分界面上掠过（过（2=90时），或者时），或者重返回到纤芯中进行传播重返回到纤芯中进行传播（290时）这种现象时）这种现象叫做光的叫做光的全反射现象全反射现象l对应于折射角对应于折射角2 =90的的入射角叫做入射角叫做临界角临界角。1. 全反射原理全反射原理311. 全反射原理全反射原理l全反射是光信号在光纤中传播的必要条件全反射是光信号在光纤中传播的必要条件l当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层本上全部在纤芯区进行传

25、播，没有光跑到包层中去，可以大大中去，可以大大降低光纤的衰耗降低光纤的衰耗 l早期的阶跃光纤就是按这种思路进行设计的早期的阶跃光纤就是按这种思路进行设计的32 第三章第三章 光纤通信及光纤通信及SDHl 3.1 光纤通信的定义和历史光纤通信的定义和历史l 3.2 光纤通信的优点光纤通信的优点l 3.3 光纤的构造、分类和导光原理光纤的构造、分类和导光原理l 3.4 光纤通信的原理光纤通信的原理l 3.5 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成l 3.6 光纤通信系统的应用光纤通信系统的应用l 3.7 SDH光通信系统光通信系统33 3.4 光纤通信的原理光纤通信的原理l要实现光纤通信，首先必须在

26、信源对作为信息载体的要实现光纤通信，首先必须在信源对作为信息载体的光信号进行光信号进行调制调制。调制后的光波经过光纤信道传送到。调制后的光波经过光纤信道传送到信宿，由相关设备鉴别（信宿，由相关设备鉴别（检波检波）出它的变化，然后再）出它的变化，然后再现出原始信息现出原始信息（电（电-光光-电）电）343.4 光纤通信的原理光纤通信的原理l根据调制与光源的关系，根据调制与光源的关系，光调制光调制可分为两大类可分为两大类l直接调制直接调制 把要传送的信息转变为电流信号注入把要传送的信息转变为电流信号注入LD或或LED（光（光源器件），从而获得相应的光信号源器件），从而获得相应的光信号l间接调制间接

27、调制 利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制实现对激光辐射的调制 这种调制方式既适应于半导体激光器，也适应于其它这种调制方式既适应于半导体激光器，也适应于其它类型的激光器。类型的激光器。 间接调制中间接调制中最常用的是外调制的方法，即在激光形成最常用的是外调制的方法，即在激光形成以后加载调制信号以后加载调制信号35 第三章第三章 光纤通信及光纤通信及SDHl 3.1 光纤通信的定义和历史光纤通信的定义和历史l 3.2 光纤通信的优点光纤通信的优点l 3.3 光纤的构造、分类和导光原理光纤的构造、分类和导光原理l 3.4

28、光纤通信的原理光纤通信的原理l 3.5 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成l 3.6 光纤通信系统的应用光纤通信系统的应用l 3.7 SDH光通信系统光通信系统363.5 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成l一个基本光纤通信系统包括信源端的一个基本光纤通信系统包括信源端的光发送机光发送机（光调（光调制设备）、信宿端的制设备）、信宿端的光接收机光接收机（光解调设备）和连接（光解调设备）和连接的的光纤介质光纤介质实用的光纤通信系实用的光纤通信系统统一般都是双向的一般都是双向的，并且每一端的发，并且每一端的发信机和接收机做在信机和接收机做在一起，称为一起，称为光端机光端机，同样，同样，中继器中继

29、器也也有正反两个方向有正反两个方向373.5 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成 在实际应用中，作为一个完整的光纤通信系统，在实际应用中，作为一个完整的光纤通信系统，还应包括还应包括光中继器光中继器、监控系统监控系统、脉冲复接脉冲复接和和脉冲分离脉冲分离系统系统、告警系统告警系统以及以及电源系统电源系统等。如图等。如图381. 光端机光端机 光发送机和光接收机统称为光端机光发送机和光接收机统称为光端机。光端机是光纤。光端机是光纤通信系统中的光纤传输终端设备（位于电端机和光纤传通信系统中的光纤传输终端设备（位于电端机和光纤传输线路之间）输线路之间）3.5 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成3

30、91) 光发送机光发送机 作用作用是将电信号变成光信号，经耦合送入光纤中传是将电信号变成光信号，经耦合送入光纤中传输出去。光发送机主要由输出去。光发送机主要由光源光源、信道编码电路信道编码电路以及以及光光源的驱动与调制电路源的驱动与调制电路三部分组成，如图三部分组成，如图1. 光端机光端机401) 光发送机光发送机 光纤通信中的光纤通信中的光源器件（电信号变成光信号）光源器件（电信号变成光信号）分为二大类分为二大类:l发光二极管（发光二极管（LED）l激光二极管（激光二极管（LD）1. 光端机光端机41l 发光二极管（发光二极管（LED）l当它处于正向工作状态时（即当它处于正向工作状态时（即两

31、端加上正向电两端加上正向电压压），电流从），电流从LED阳极流向阴极，电子从高能级阳极流向阴极，电子从高能级范围的导带跃迁到低能级范围的价带（电能减范围的导带跃迁到低能级范围的价带（电能减少），从而少），从而释放出具有能量的光子，即发出莹光释放出具有能量的光子，即发出莹光l半导体晶体可以发出从紫外到红外不同颜色的光半导体晶体可以发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关线，光的强弱与电流有关1) 光发送机光发送机42l 发光二极管（发光二极管（LED）的）的优点优点：l使用简单、价格低廉，工作寿命长等优点，广泛使用简单、价格低廉，工作寿命长等优点，广泛地应用在地应用在较小容量，较短距离

32、较小容量，较短距离的光纤通信的光纤通信l由于其线性度（由于其线性度（P/I）甚佳，所以也常常用于）甚佳，所以也常常用于对对线性变化要求较高线性变化要求较高的模拟光纤通信之中的模拟光纤通信之中l 发光二极管（发光二极管（LED）的）的缺点缺点：l谱线较宽，所以谱线较宽，所以难以用于大容量难以用于大容量的光纤通信的光纤通信l与光纤的耦合效率较低，所以与光纤的耦合效率较低，所以难以用于长距离难以用于长距离的的光纤通信光纤通信1) 光发送机光发送机43l 激光二极管（激光二极管（LD） l其发光机理是其发光机理是受激发光受激发光，即利用，即利用LD 中的谐振腔发生中的谐振腔发生振荡而激发出许许多多的频

33、率相同的光子，从而形成振荡而激发出许许多多的频率相同的光子，从而形成激光激光l用半导体工艺技术在用半导体工艺技术在PN 结两侧加工出两个相互平行结两侧加工出两个相互平行的反射镜面，这两个反射镜面与晶体天然解理面一起的反射镜面，这两个反射镜面与晶体天然解理面一起构成了谐振腔结构构成了谐振腔结构l当在当在LD 两端两端加上正偏置电压时加上正偏置电压时，像，像LED 一样在一样在PN 结区域内因电子与空穴的复合而结区域内因电子与空穴的复合而释放光子释放光子1) 光发送机光发送机44l 激光二极管（激光二极管（LD）l其中的一部分光子沿着和反射镜面相垂直的方向运其中的一部分光子沿着和反射镜面相垂直的方

34、向运动时，会受到反射镜面的反射作用在谐振腔内动时，会受到反射镜面的反射作用在谐振腔内往复往复运动运动l只要外加正偏置电流足够大，光子的往复运动会激只要外加正偏置电流足够大，光子的往复运动会激射出更多的、与之频率相同的光子，即射出更多的、与之频率相同的光子，即发生振荡现发生振荡现象，从而发出激光（受激发光）象，从而发出激光（受激发光）。当光增益大于的。当光增益大于的损耗时，便有激光向外射出损耗时，便有激光向外射出1) 光发送机光发送机45l 激光二极管（激光二极管（LD）的）的优点优点：l发光谱线狭窄发光谱线狭窄l与光纤的耦合效率高与光纤的耦合效率高l被广泛应用在被广泛应用在大容量和长距离的数字

35、大容量和长距离的数字光纤通信之中光纤通信之中l 激光二极管（激光二极管（LD）的）的缺点缺点：l线性度与温度特性欠佳，但数字光纤通信对光源器线性度与温度特性欠佳，但数字光纤通信对光源器件的线性度并没有很严格的要求件的线性度并没有很严格的要求；而温度特性欠佳；而温度特性欠佳可以通过一些有效的措施来补偿可以通过一些有效的措施来补偿。lLD成为数字光纤通信最重要的光源器件成为数字光纤通信最重要的光源器件1) 光发送机光发送机462) 光接收机光接收机 作用作用是将经过光纤传输衰减后的十分微弱的光信号转是将经过光纤传输衰减后的十分微弱的光信号转换成电信号，从中检测出传送的信息，并放大、再生换成电信号，

36、从中检测出传送的信息，并放大、再生成原发射信号，供终端处理使用。主要由成原发射信号，供终端处理使用。主要由光检测器光检测器、光信号接收电路光信号接收电路和和信道解码电路信道解码电路三部分组成，如图三部分组成，如图1. 光端机光端机47 光转换为电的器件称为光二极管光转换为电的器件称为光二极管，常见的两种：，常见的两种：l PIN光二极管光二极管l APD光二极管光二极管2) 光接收机光接收机48l PIN光二极管原理：光二极管原理：l具有具有PN 结构的二极管由于内部载流子的扩散作用结构的二极管由于内部载流子的扩散作用会在会在P型与型与N型材料的交界处形成型材料的交界处形成势垒电场势垒电场（即

37、（即耗耗尽层）尽层）l在设计、制造光二极管时，在在设计、制造光二极管时，在P型材料与型材料与N 型材料型材料的中间插入一层掺杂浓度十分低的的中间插入一层掺杂浓度十分低的I型半导体材料型半导体材料（接近本征型）以形成（接近本征型）以形成较宽的耗尽层较宽的耗尽层，这就是，这就是PIN光二极管光二极管l降低半导体材料的掺杂浓度可以增加耗尽层的宽降低半导体材料的掺杂浓度可以增加耗尽层的宽度度 2) 光接收机光接收机49l APD光二极管原理光二极管原理 ：l空穴电子对在高电场作用下高速运动，在运动过空穴电子对在高电场作用下高速运动，在运动过程中通过碰撞电离效应产生二次、三次新的空穴程中通过碰撞电离效应

38、产生二次、三次新的空穴电子对，从而形成较大的光信号电流。电子对，从而形成较大的光信号电流。 2) 光接收机光接收机50512. 光中继器光中继器l在长途光纤通信系统中，为了延长通信距离，每在长途光纤通信系统中，为了延长通信距离，每隔一定距离（隔一定距离（5070km）必须设置一个光中继器，）必须设置一个光中继器，以以放大信号，补偿光能的衰减，恢复波形光放大信号，补偿光能的衰减，恢复波形光l为了使光中继机正常工作，便于监控、维护，必为了使光中继机正常工作，便于监控、维护，必须有须有电源、公务、告警、监控等设备电源、公务、告警、监控等设备。有的光中。有的光中继器还有继器还有区间通信接口区间通信接口

39、，以提供一定的区间通信，以提供一定的区间通信能力能力3.5 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成52l自自20世纪世纪80年代末年代末光纤放大器（光纤放大器（EDFA）问世以来，问世以来，在高速光纤通信系统中光放大器已经开始取代传统在高速光纤通信系统中光放大器已经开始取代传统的光中继器的光中继器。l光放大器能直接放大光信号，对信号的格式和速率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，使得整个系统更加简单灵活具有高度的透明性，使得整个系统更加简单灵活2. 光中继器光中继器533. 光纤和光缆光纤和光缆l光纤是截面很小的可绕透明长丝，它在长距离内具光纤是截面很小的可绕透明长丝，

40、它在长距离内具有束缚和传输光的作用有束缚和传输光的作用l光纤截面呈圆形，由光纤截面呈圆形，由纤芯纤芯、包层包层和和涂覆层涂覆层构成构成l纤芯由高度透明的材料构成纤芯由高度透明的材料构成l包层的折射率略小于纤芯，从而可以形成光波导效包层的折射率略小于纤芯，从而可以形成光波导效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输3.5 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成54l光缆是由光缆是由缆芯缆芯、加强件加强件和和护套护套组成组成l缆芯主要是光纤缆芯主要是光纤，它是光缆的核心部分，决定着光缆，它是光缆的核心部分，决定着光缆的传输特性作为缆芯的光纤，为提高光缆的机械强度，的传输特

41、性作为缆芯的光纤，为提高光缆的机械强度，抑制微弯损耗，通常抑制微弯损耗，通常需对光纤进行两次被覆需对光纤进行两次被覆l第一次用软塑料，第二次用塑套，塑套分紧套与松套第一次用软塑料，第二次用塑套，塑套分紧套与松套两种两种l缆芯的结构多种多样，基本有层绞式、骨架式、中心缆芯的结构多种多样，基本有层绞式、骨架式、中心套管式和带状式四种。套管式和带状式四种。l带状式结构由一层层单元光纤芯线叠加，再放入套管带状式结构由一层层单元光纤芯线叠加，再放入套管或骨架内，这种结构形式有利于制造可容纳数百根光或骨架内，这种结构形式有利于制造可容纳数百根光纤的高密度光缆，纤的高密度光缆，目前广泛应用于干线网和用户网目

42、前广泛应用于干线网和用户网3. 光纤和光缆光纤和光缆55 第三章第三章 光纤通信及光纤通信及SDHl 3.1 光纤通信的定义和历史光纤通信的定义和历史l 3.2 光纤通信的优点光纤通信的优点l 3.3 光纤的构造、分类和导光原理光纤的构造、分类和导光原理l 3.4 光纤通信的原理光纤通信的原理l 3.5 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成l 3.6 光纤通信系统的应用光纤通信系统的应用l 3.7 SDH光通信系统光通信系统56 3.6 光纤通信系统的应用光纤通信系统的应用l自从自从20世纪世纪70年代以来，光纤通信开始进入实用阶年代以来，光纤通信开始进入实用阶段，并逐渐成为电信传送网的主要手

43、段。段，并逐渐成为电信传送网的主要手段。l光传送网（光传送网（OTN）是一种以是一种以DWDM（密集波分复用）（密集波分复用）与光通道技术为核心的与光通道技术为核心的新型传送网结构新型传送网结构。57传送与传输（传送与传输（Transmission区别？区别？58 3.6 光纤通信系统的应用光纤通信系统的应用l传送与传输（传送与传输（Transmission）意义不同：）意义不同：l传送传送：从从信息传递的功能过程信息传递的功能过程来描述的来描述的 传送网传送网属于逻辑功能意义上的网络属于逻辑功能意义上的网络l传输传输：从信息信号从信息信号通过具体物理媒质传递通过具体物理媒质传递的物理过的物理

44、过程来描述的。程来描述的。 传输网传输网是具体到实际设备组成的网络。是具体到实际设备组成的网络。59传送网（分为传送网（分为3层）层）l电路层电路层：直接为用户提供电路交换业务、分组交换业：直接为用户提供电路交换业务、分组交换业务和租用线路等电信业务。务和租用线路等电信业务。 设备包括交换机、数字电路交叉设备和设备包括交换机、数字电路交叉设备和IP路由器路由器l通道层通道层：用来支持不同类型的电路层网络业务的传送，：用来支持不同类型的电路层网络业务的传送，为电路层网络节点提供透明的传送通道。为电路层网络节点提供透明的传送通道。 有准同步数字体系有准同步数字体系PDH通道、同步数字体系通道、同步

45、数字体系SDH的虚容器通道、异步传输模式的虚容器通道、异步传输模式ATM的信元虚通道等的信元虚通道等l传输介质层传输介质层：与具体的传输介质（如光纤、微波等）：与具体的传输介质（如光纤、微波等）有关，它支持一个或多个通道，为通道层网络节点提有关，它支持一个或多个通道，为通道层网络节点提供合适的通道容量供合适的通道容量 通道层和传输介质层合在一起称为通道层和传输介质层合在一起称为传送层传送层（提供（提供传送资源的下层平台）传送资源的下层平台）60lWDM（波分复用）：（波分复用）：利用多个激光器在单条光纤上利用多个激光器在单条光纤上同时发送多束不同波长激光同时发送多束不同波长激光的技术。的技术。

46、l基本原理基本原理是在发送端将不同波长的信号组合起来（是在发送端将不同波长的信号组合起来（复复用用），送入到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，），送入到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用解复用），并），并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。 WDM（波分复用）（波分复用）61WDM复用设备复用设备l发送端的发送端的复用器复用器(亦称亦称合波器合波器)：将多路光信号汇合在：将多路光信号汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传

47、输l接收端的接收端的解复用器解复用器(亦称亦称分波器分波器)：将各种波长的光载：将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号62lWDM系统按照工作波长的波段不同可以分为两类：系统按照工作波长的波段不同可以分为两类：l粗波分复用（粗波分复用（CWDM）：在整个长波长波段内在整个长波长波段内信道间隔较大信道间隔较大的复用；的复用；l在在1550nm波段的波段的密集波分复用（密集波分复用（DWDM）：）：在在同一窗口中同一窗口中信道间隔较小信道间隔较小的波分复用的波分复用l在现阶段，在现阶段，WDM所指的就是所指的就是DWDM技术。技

48、术。lDWDM可以支持可以支持150多束不同波长的光波同时传输，多束不同波长的光波同时传输，每束光波最高达到每束光波最高达到10Gb/s的数据传输率的数据传输率。能在一条。能在一条比头发丝还细的光缆上比头发丝还细的光缆上提供超过提供超过1Tb/s的数据传输率的数据传输率 3.6 光纤通信系统的应用光纤通信系统的应用63l自自70年代以来，光纤技术不仅年代以来，光纤技术不仅在电信等民用领域在电信等民用领域取取得了飞速的发展，而且因其抗电磁干扰、保密性好、得了飞速的发展，而且因其抗电磁干扰、保密性好、抗核辐射等能力，以及重量轻、尺寸小等优点，使抗核辐射等能力，以及重量轻、尺寸小等优点，使它也得到了

49、它也得到了各发达国家政府和军方的重视与青睐各发达国家政府和军方的重视与青睐l在在美国美国，早在，早在80年代中期年代中期，先后计划的，先后计划的光纤军事应光纤军事应用项目用项目就达就达400项左右，这些项目包括固定设施通项左右，这些项目包括固定设施通信网、战术通信系统、遥控侦察车辆和飞行器、光信网、战术通信系统、遥控侦察车辆和飞行器、光纤制导导弹、舰载光纤数据总线、反潜战网络、水纤制导导弹、舰载光纤数据总线、反潜战网络、水声拖曳阵列、遥控深潜器、传感器和核试验等。这声拖曳阵列、遥控深潜器、传感器和核试验等。这些项目陆续有报道取得了不同的进展。些项目陆续有报道取得了不同的进展。3.6光纤通信在军事领域的应用现状光纤通信在军事领域的应用现状64l进入进入90年代年代以来，光纤技术的军事应用继续受到以来，光纤技术的军事应用继续受到美、欧等国军方的重视。在美国，美、欧等国军方的重视。在美国，三军光纤技术开三军光纤技术开发活动的计划项目分成五大部分发活动的计划项目分成五大部分：有源和无源光元：有源和无源光元件、传感器、辐射效应、点对点系统和网络系统。件、传感器、辐射效应、点对点系统和网络系统。由三军光纤协调委员会进行组织，每年投资为由三军光纤协调委员会进行组织，每