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1、基本光缆结构简图,连接器,连接器是光纤通信中应用最广泛最基本的光无源器件 连接器是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件 对这种器件的基本要求是使发射光纤输出的光能量最大限度耦合到接收光纤 连接器“跳线”用于终端设备和光缆线路及各种光无源器件之间的互连,连接器的基本结构包括接口零件、光纤插针和对中三部分。 光纤插针的端面有平面、球面（PC）或斜面（APC, Angled Physical Contact） 。 对中可以采用套管结构、双锥结构、V形槽结构或透镜耦合结构。插针可以是微孔结构、三棒结构或多层结构。 因此, 连接器的结构也是多种多样的。采用套管结构对中和
2、微孔结构插针光纤固定效果最好，又适合大批量生产，得到了广泛的应用，如图3.1.2（b）所示。,活动连接器结构和特性,接头制作方法 -热熔连接,把端面切割良好的两根光纤放在V形槽内，用微调器使纤芯精确对中 用高压电弧加热把两个光纤端面熔合在一起 用热缩套管和钢丝加固形成接头。 接头的质量不仅受光纤公差而且受电弧电流和加热时间的影响。热熔连接方法在世界范围得到广泛应用。市场上有多种规格的自动控制熔接机，使用方便。,T形耦合器是一种 3 端耦合器或 22 耦合器，它的功能是把一根光纤输入的光功率分配给 2 根光纤。这种耦合器可以用作不同分路比的功率分路器或功率组合器，或局域网终端的光输入或光输出耦合
3、器。 星形耦合器是一种 NN 耦合器，它的功能是把N根光纤输入的光功率组合在一起，并均匀分配给 N 根输出光纤。这种耦合器可以用作多端功率分路器或功率组合器。,耦合器基本结构,NN 星形耦合器可以由几个 22 耦合器组合而成。这种组合星形耦合器的缺点是元件多体积大。 熔拉双锥星形耦合器是一种紧凑的单体星形耦合器。这种耦合器的制造技术是把许多光纤部分熔化在一起，并把熔化部分拉伸形成双锥形结构。锥形部分的作用是把每根光纤输入的信号混合在一起，并近似相等地分配给每个输出端。,用熔拉双锥方法制造的星形耦合器,光开关,光开关的功能是转换光路，以实现光信号的交换。 对光开关的要求是插入损耗小、串音低、重复
4、性高、开关速度快、回波损耗小、消光比大、寿命长、结构小型化和操作方便。,光开关分类,机械光开关包括微机械光开关 波导光开关利用电光、磁光、热光和声光效应,机械光开关,微机电系统,微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Michanical Systems)构成的微机电光开关已成为DWDM网中大容量光交换技术的主流。 它是一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体工艺制造出可以前倾后仰、上下移动或旋转的微反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信号可切换到不同输出光纤的微机电系统。 通常微反射镜的尺寸只有140m150m，驱动力可以利用热力效应、磁力效应和静电效应产生。 这种器件的特点是体积
5、小、消光比大(60dB左右)、对偏振不敏感、成本低，其开关速度适中(约5ms)，插入损耗小于1 dB。,可旋转微反射镜 MEMS 光开关,波分复用/解复用器件,波分复用器(WDM)的功能是把多个不同波长发射机输出的光信号复合在一起，并注入到一根光纤。解复用器的功能与波分复用器正好相反。 棱镜对不同波长的光有不同的折射角，当这些分开的光从棱镜进入空气时，又一次发生折射，从而进一步把复用光束分开，完成解复用,光 源,在光纤通信中，将电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。 光发射机的关键器件是光源：LEDLD,模拟信号对 LD 直接调制,直接调制光发射机,发光机理,我们知道，白炽灯是把被加热钨原子
6、的一部分热能转变成光能，发出宽度为1000 nm 以上的白色连续光谱。 发光二极管(LED)是通过电子在能带之间的跃迁，发出频谱宽度在几百 nm 以下的光。 在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带(导带)的电子跃迁到低能带(价带)上，就将其间的能量差(禁带能量)以光的形式放出。这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。,在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带 如果占据高能带(导带)的电子跃迁到低能带(价带)上，就将其间的能量差(禁带能量)以光的形式放出。 这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。,半导体发光原理,法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器,镀
7、有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。 它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，就保持振荡，形成和腔体端面平行的等相面驻波。此时的增益就是激光器的阈值增益，达到该增益所要求的注入电流称作阈值电流。,光在谐振腔里建立稳定振荡的条件,与电谐振一样，光也有谐振。要使光在谐振腔里建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和阈值条件。 相位条件-使谐振腔内的前向和后向光波发生相干； 阈值条件-使腔内获得的光功率正好与腔内损耗相抵消。 只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等，并且谐振腔内的前向和
8、后向光波发生相干时，才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相干光束。,LD的工作原理,激光器起振的阈值条件,受激发射使 腔体得到的 增益 = 腔体损耗,LD 外形图,直接调制光发射机,对 LD 直接调制,模拟信号对 LD 调制,数字信号对 LD 调制,光探测及光接收机,光电检测器原理、性能和分类 直接检测接收机的构成、信噪比、灵敏度和比特误码率,光探测器,光接收器件 原理,如果把光照射到占据低能带的电子上 则该电子吸收光子能量后被激励而跃迁到较高的能带上。 在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于高能带上的电子，使光能转变为电流。这就是光接收器件的工作原理。,在 PN 结施加反向电压的情况
9、下，受激吸收过程生成的电子空穴对在电场的作用下, 分别离开耗尽区，电子向 N 区漂移，空穴向 P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开 N 区进入正电极。从而在外电路形成光生电流。 当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。,PN 结光电检测原理,副载波调制(SCM),副载波调制是首先用信息信号调制一个比基带信号最高频率高几倍的载波 然后用该载波信号再去调制光波。 因为信号是用光波传输的，载波对光波而言只扮演着副载波的作用，所以这种技术就称为副载波调制(SCM，Subcarrier modulation)。,光调制,直接强度调制 (IM)模拟强度调制数字
10、强度调制,当调制信号是数字信号时，调制原理与模拟强度调制相同，只要用脉冲波取代正弦波即可。但是工作点的选择不同，模拟强度调制选在 P-I 特性的线性区；而数字调制选在阈值点。,模拟强度调制 数字强度调制,复 用,信道复用是为了便于光纤传输，把多个低容量信道以及开锁信息，复用到一个大容量传输信道的过程。 在电域内，信号复用可分为时分复用(TDM)、频分复用(FDM)和码分复用（CDM）； 在光域内，信号复用有光时分复用(OTDM)、光频(波)分复用(OFDM，WDM)和光码分复用。 光纤通信系统为了充分发挥其宽带的优点，允许复用多个信道到一根光纤上。因此，复用后的多个信道共享光源的光功率和光纤的
11、传输带宽。,时分复用工作原理,时分复用(TDM, Time-Division Multiplexing)是采用交错排列多路低速模拟或数字信道到一个高速信道上传输的技术。 时分复用系统的输入可以是模拟信号，也可以是数字信号。,图6.7.2 数字输入时分复用原理图,PCM 通信 SDH APON EPON 都使用 TDM 或 TDMA,数字 TDM 系统帧结构,同步数字制式-SDH,光同步传输网这一概念是由美国贝尔提出来的,称之为同步光网络(SONET),其主要目的是阻止互不兼容的光终端的大量滋生,在光路上实现标准化,便于不同厂家产品在光路上互通,从而增加网络的灵活性。 国际电报电话咨询委员会(C
12、CITT)，现已更名为国际电信联盟标准部(ITU-T)，根据世界各国光纤通信系统间联网的需要,在SONET概念的基础上,于1988 年制定了同步数字制式(SDH),使之成为适合光纤、微波和卫星通信系统同步传输的世界统一标准。 它规定了比特率的分级、信号格式、复用方式及网络节点接口参数等,到目前为止,ITU-T已通过了一系列建议,形成了一整套标准化的技术规范,为研制开发、规划设计和施工维护等工作提供了必要的技术依据。,传输网络组成,从原理上讲,一个传输网络主要由两种基本设备构成,即传输设备和网络节点设备。 传输设备既可以是光缆线路系统,也可以是微波或卫星系统。 网络节点既可以是只有复用功能的简单
13、节点,也可以是具有传输、复用、交叉连接和交换功能的复杂节点。 SDH 传输网由一些基本的 SDH 网络单元组成,在光纤上进行同步信息传输、复用和交叉连接。,SDH系统构成,SDH同步数字电话系统,光纤用于移动局到移动局 或市话局的传输,光复用技术,必要性光载波的频率很高，光通信系统的信号带宽可以超过1THz。然而，由于光纤色散或电子器件速度的限制，即使原则上比特速率可以超过 1Tb/s，但实际上，常常被限制到 40Gb/s 或者更低。 种类WDM OTDM OCDMA,波分复用,就像电频分复用一样，在发射端多个信道调制各自的光载波，在接收端使用光频选择器件对复用信道解复用，就可以取出所需的信道
14、。使用这种制式的光波系统就称作波分复用通信系统。,WDM光-电-光转换再生中继器结构,通信设备复杂，系统的稳定性和可靠性不高，传输容量受到一定的限制。,光放大器,掺铒光纤放大器 半导体光放大器 光纤喇曼放大器 光放大器应用,光放大器出现,多年来，人们一直在探索能否去掉上述光-电-光转换过程，直接在光路上对信号进行放大，然后再传输，即用一个全光传输中继器代替目前的这种光-电-光再生中继器。 经过多年的努力，科学家们已经发明了几种光放大器，其中掺铒光纤放大器（EDFA）、分布光纤喇曼放大器（DRA）和半导体光放大器（SOA）技术已经成熟，众多公司已有商品出售。下面对这几种放大器进行简要的介绍。,掺
15、铒光纤放大器（EDFA）结构,EDFA工作原理及其特性,在掺铒离子的能级图中，E1是基态， E2 是中间能级，E3代表激发态。 若泵浦光的光子能量等于 E3 与 E1之差，铒离子吸收泵浦光后，从E1升至 E3。但是激活态是不稳定的，激发到E3 的铒离子很快返回到 E2。 若信号光的光子能量等于 E2 和 E1 之差，则当处于 E 2的铒离子返回E1 时则产生信号光子，这就是受激发射，结果使信号光得到放大。,半导体光放大器外形,行波光放大器是一个没有反馈的激光器。 其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。,行波半导体光放大器,光纤喇曼放大器,掺铒光纤放大器（EDFA）是光纤通信系
16、统中的重要组成部分，目前广泛使用的EDFA，单泵浦增益典型值为17 dB，双泵浦的为 35 dB，噪声系数一般为 57 dB，带宽为 30nm，在带宽内的增益偏差为 1 dB。 但是EDFA只能工作在 15301564nm 之间的C波段，为了满足全波光纤工作窗口宽的需要，科学家们在寻求一种能够与全波光纤工作窗口相匹配的光放大器，这就是光纤喇曼放大器。,可以采用前向泵浦,也可以采用后向泵浦，因后向泵浦减小了泵浦光和信号光相互作用的长度，从而也就减小了泵浦噪声对信号的影响，所以通常采用后向泵浦。,光纤分布式喇曼放大器（DRA）构成 -后向泵浦,DRA 的工作原理,与EDFA利用掺铒光纤作为它的增益介质不同，分布式喇曼放大器利用系统中的传输光纤作为它的增益介质。 如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输，并且弱信号光的波长在泵浦光的喇曼增益带宽内(即信号光的波长处于比泵浦光的波长较长的适当范围内)，则强泵浦光的能量通过受激喇曼散射耦合到光纤硅材料的振荡模中，然后又以较长的波长发射，该波长就是信号光的波长，从而使弱信号光得到放大，获得喇曼增益。,
