现代通信第05章-光纤

第五章光纤通信5.1概述5.2光纤5.3光发射机,光接收机5.4光纤通信系统5.5光纤通信新技术

光纤通信作为现代通信的主要支柱，是信息社会中各种信息网的主要传输工具。对于光纤通信技术，本章重点介绍以下几个问题：光纤通信的基本概念、光纤通信系统的基本组成，光纤和光缆、光纤通信中的光源和光电检测器、光端机以及光纤通信系统，对光放大器作一简单介绍。5.1.1光纤通信发展的历史和现状探索时期的光通信

•1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。•原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。

•1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。•在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验。由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。

5.1.2现代光纤通信

1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(OpticalFiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。

指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向1970年，光纤研制取得了重大突破

•1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。

•1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。

•1973年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。

•1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47dB/km(波长1.2μm)。

•在以后的10年中，波长为1.55μm的光纤损耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：

•第一阶段(1966~1976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。•第二阶段(1976~1986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。

•第三阶段(1986~1996年)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。光纤通信是以光波为载频、光导纤维（简称光纤）为传输媒质的一种通信方式。光纤通信的优点和应用光通信与电通信

通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度。光通信的主要特点

载波频率高；频带宽度宽光通信利用的传输媒质-光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。图各种传输线路的损耗特性

光纤通信的优点

•容许频带很宽，传输容量很大

•损耗很小，中继距离很长且误码率很小

•重量轻、体积小

•抗电磁干扰性能好

•泄漏小，保密性能好

•节约金属材料，有利于资源合理使用光纤通信的应用

光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。光纤通信的各种应用可概括如下：

①通信网②构成因特网的计算机局域网和广域网③有线电视网的干线和分配网④综合业务光纤接入网

SDH骨干网

SDH汇聚网

PDH网络国际长途传输国内长途传输

本地传输海底光缆通信国内长途传输节点国际长途传输节点本地传输骨干节点

本地传输汇聚节点陆地光缆通信中国电信光缆、微波和卫星的立体传送网卫星通信微波通信光纤通信系统的基本组成

下图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。p83

光端机的发送端：有光源，如激光器，把电信号变成光信号，输入光纤传输；*光端机的接收端：有光检测器，把光纤过来的光信号还原成电信号；*光中继器：光－电（电信号放大）－光变换；把电－光转换：叫做电信号对光的调制强度是指单位面积上的光功率。强度调制就是在发送端用电信号通过调制器控制光源的发光强度，使光强随着信号电流线性变化，从而将电信号转变成相应的已调光信号送入光纤进行传输。－常用的电信号对光的调制方法光纤通信的工作窗口

光纤的损耗系数随着波长而变化，为获得低损耗特性，光纤通信选用的波长范围在0.8～1.8μm，并称0.8～1.0μm为短波长波段，1.0～1.8μm为长波长波段。目前光纤通信实用的波长即短波长段的0.85μm、长波长波段的1.31μm和1.55μm，通常称其为是目前光纤通信的三个实用窗口。0.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰减（dB/km）第一窗口第二窗口波长——λ（μm）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm1.571.62L波段5.2光纤光纤的结构和分类 光纤由纤芯和包层两部分组成，纤芯完成光信号的传输，包层是为了将光信号封闭在纤芯中并保护纤芯。纤芯和包层的折射率不同，设纤芯、包层的折射率分别为n1、n2,则n1>n2。一、光纤的结构

目前通信用的光纤大多采用石英玻璃(SiO２)制成的横截面很小的双层同心圆柱体，未经涂覆和套塑时称为裸光纤，如图所示。光纤与光缆

1.光纤的结构石英玻璃、塑料或晶体纤芯(折射率大)和包层全反射光纤的分类按工作波长：短波长(850nm)和长波长(1310nm、1550nm)按传输模式(根据光纤中传输模式数量的不同)：多模光纤和单模光纤按折射率分布：阶跃(突变)型(SI)、渐变(梯度)型(GI)和W型按材料：石英光纤、塑料光纤等光纤的分类1.按照光纤横截面上折射率分布不同来分(1)阶跃型光纤（突变型多模光纤）(2)

渐变型光纤

图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

2.按照传输的总模数来分所谓模式，实质上是电磁场的一种分布形式。模式不同，其分布不同，根据光纤中传输模式数量来分，可分为单模光纤和多模光纤。(1)单模光纤(SM-Singlemodefiber)(2)多模光纤(MM-Multimodefiber)

多模光纤62.5/125μm的光纤典型距离达5英里用于：CCTV门禁控制系统内部通讯多模MMF

单模光纤无限带宽8~10μm典型距离超过5英里用于：长途电信长途电视监控及多路切换共用天线电视系统单模SMF

光传播的基本知识n1n2n1>n2n1n2临界角900临界角n1n2全反射入射角=反射角θ1θ2产生全反射的条件：n1>n290º>θ>临界角

图突变型多模光纤的光线传播原理1.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，如下图。光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯(n0<n1)，折射角为θ1，折射后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯与包层交界面以角度ψ1入射到包层(n1>n2)。

改变角度θ，不同θ相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。根据全反射原理，存在一个临界角θc。

•当θ<θc时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线1。根据斯奈尔(Snell)定律得到n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(4.1)

•当θ=θc时，相应的光线将以ψc入射到交界面，并沿交界面向前传播(折射角为90°)，如光线2，

•当θ>θc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θ≤θc的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。光纤的传输特性1.损耗

光纤的传输损耗是影响系统传输距离的重要因素，光纤自身的损耗主要有吸收损耗和散射损耗。

吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，造成光功率的损失。

散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射，由此产生的损耗为散射损耗。光纤色散(Dispersion)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，产生码间干扰，增加误码率。它是限制传输速率的主要因素。散射由于光线的基本结构不完美，引起的光能量损失，此时光的传输不再具有很好的方向性。简单地说，光纤的色散就是由于光纤中光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度的不同而使得传播时间不同，因此造成光信号中的不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。

光线缺陷3.非线性效应 光纤通信中，激光器输出的高功率导致光纤的非线性极为显著。非线性效应：在输出端可以产生输入端所没有的新的频率分量。光纤的传输性能1.衰减(Loss)(1)衰减(dB)

衰减是光纤的一个重要传输参数。它表明了光纤对光能量的传输损耗，对光纤质量的评定和对光纤通信系统的中继距离的确定都起着十分重要的作用，其评定量纲为dB。

(2)衰减系数(dB/km)衰减系数定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，其评定量纲为dB/Km。光缆按芯数分为单芯、双芯、多芯按敷设场合分为架空、直埋、管道、移动、室内、水下、海底等按用途分为通信用光缆和非通信用光缆加强元件加强元件加强元件加强元件加强元件光纤光缆分类根据使用条件光缆可以分为：

室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆等。特种光缆常见的有：电力网使用的架空地线复合光缆(OPGW)，跨越海洋的海底光缆，易燃易爆环境使用的阻燃光缆以及各种不同条件下使用的军用光缆等。5.3光发射机和接收机光源

在光纤通信系统中光源的作用是将被传输的电信号转换为光信号送入光纤，即完成电/光转换任务。1.LD的特性 半导体激光器在注入电流达到一定数值（I>It）时，才发出激光；而I<It时发出的是荧光，即LD具有阈值性。2.LED的特性 LED与LD的差别是它没有光学谐振腔，不能产生激光，靠自发辐射发光，产生的是荧光。光发射机

•数字光发射机的功能:•电端机输出的数字基带电信号转换为光信号•用耦合技术注入光纤线路

•用数字电信号对光源进行调制

•调制分为直接调制和外调制两种方式

受调制的光源特性参数有：功率、幅度、频率和相位

光发射机的组成

直接强度调制的数字光发射机组成方框图如图4-8所示，其作用是将PCM设备送来的电信号进行电/光变换，并处理成为满足一定要求的光信号后送入光纤传输。光发送机光发送机的组成原理方框图：码型变换光源驱动发送光源温控电路光检测器自动增益控制

1.光源:光源是光发射机的关键器件，它产生光纤通信系统所需要的载波。

对通信用光源的要求如下

(1)发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。

光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。

(2)电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发射光束的方向性要好，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之间的耦合效率。2输入接口:在电发射机与光发射机之间解决阻抗、功率及电位的匹配问题。3线路编码。4调制电路:将电信号转变为调制电流，实现对光源输出功率的调制。5控制电路包括自动温度控制（ATC）和自动光功率控制（APC）电路，防止环境温度变化和器件老化，影响输出光功率的稳定而采取的措施。数字光接收机光接收机的组成 光接收机：把经过光纤传输后，脉冲幅度被衰减、宽度被展宽的微弱光信号转变为电信号，并放大、再生，恢复出原来的信号。 光信号传送到接收端，通过光电检测器的光/电转换作用变成电信号，再送入前置放大器放大。光接收机基本组成直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于图。

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光电检测器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。半导体光电检测器是利用半导体材料的光电效应来实现光电转换的。一般采用半导体光电二极管或雪崩光电二极管。组成光纤传输系统光源的发光波长必须与传输光纤呈现低损耗窗口的波段、光电检测器件的峰值响应波段匹配。光电检测器是影响光接收机性能的主要器件，对它的要求是：（1）响应波长：每种材料制造的光电检测器对光波有固定的峰值响应波长，不同材料的光电检测器峰值响应波长不同。（2）光电转换效率：工程上用响应度和量子效率两个物理量来衡量光电转换效率。（3）响应速度：是描述光电检测器生成的光电流随着入射光信号变化快慢的物理量，用上升时间和下降时间（统称响应时间）表示。（4）暗电流I：是指无光照射时，光电检测器的输出电流（反向电流）。（5）要求光电检测器的主要特性随外界环境和温度的变化尽可能小，以提高系统的稳定性和可靠性。5.4光纤通信系统光中继器光检测器脉冲分离电路判决器解编码ATC电源监控系统时钟恢复电路自动增益控制光源均衡放大器解码扰码编码输入脉冲调制光监测告警电路APC脉冲复接时钟提取倒换系统光纤自动温度控制前置放大器主放大器均衡器脉冲分接监控公务区间通信其它输出至电端机光纤自动功率控制PCM点脉冲信号监控公务区间通信其它光中继器光中继器有两种类型。一种是光—光中继器，这种光中继器直接对光信号进行放大处理。另一种是光—电—光中继器，这种光中继器对光信号进行间接放大。数字光纤通信的线路码型电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，要变换为适合于光纤传输的单极性码;线路码型的要求：能够提供定时信息，误码性能检测，功率谱中低高频分量少；适用于光纤通信系统的线路码型主要有mBnB码、插入比特码和加扰码。1.mBnB码(n>m) mBnB码又叫分组码，是把输入的信息码流以m比特（mB）分为一组，再按一定规则（变换表）变换成n比特（nB）一组的码组输出。常用码型：5B6B码01111111111011011101100101110110101001100100001110110110010101001000011001001000010000004B3B3B和4B的码字

2.插入比特码 这种码型是把输入的信息码流按m比特分为一组，再在每组的m位之后插入一个比特（根据每组中奇偶校验结果，插入奇偶校正位），组成线路码。3.加扰码 扰码是把已知的二进制序列按一定方法加入到信息码流中，在接收端，用同样方法再恢复出原来的信息码流。在系统光发射机的调制器前，需要附加一个扰码器，将原始的二进制码序列加以变换，使其接近于随机序列。5.5光纤通信新技术光放大器光波分复用技术光弧子通信技术掺铒光纤放大器(EDFA)光纤放大器包括稀土掺杂光纤放大器和利用非线性效应的常规光纤放大器。损耗是限制无中继传输距离的主要原因。掺铒光纤放大器如图4-6-1所示，20世纪80年代末期，波长为1.55μm的掺铒(Er)光纤放大器(EDFA：ErbiumDopedFiberAmplifier)研制成功并投入实用，把光纤通信技术水平推向一个新高度，成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。掺铒光纤放大器示意图当泵浦(Pump)光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态(1→3)。这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果。掺铒光纤放大器的优点：它工作在1.55μm，正好是波分复用系统工作波段；它的增益带宽很宽，达30nm或更高，可以实现各路光信号的同时放大，尤其实用于密集波分（DWDM)系统；它的增益高，约为20~40dB，且有较高的饱和输出功率，可用于功率放大；它能做到低噪声工作；它便于与光纤通信系统连接，耦合损耗小，可达0.1dB；最后，它所需泵浦光功率低，约数十毫瓦，泵浦效率较高。光波分复用技术

随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。发展迅速的各种新型业务(特别是高速数据和视频业务)对通信网的带宽(或容量)提出了更高的要求。为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的要求，产生了各种复用技术。

光波分复用（WDM）波分复用技术：利用单模光纤在低损耗区的巨大带宽，在发端将多路处在不同光波长上的信道合波后送进同一芯光纤进行传输，每一个光波长传输一个TDM信号，只要各波长间有足够的间隔，就不会相互干扰，在收端又将这些合在一起的波长分开，称为“波分复用（WDM）”系统。DWDM:各路光载波波长间隔减小，同一根光纤可以容许更多路光载波同时传输；

90年代中期以前，WDM系统发展速度并不快，主要原因在于时分复用（TDM）技术比较成熟，而波分复用则受