光纤通信技术课件稻香书屋

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1、光纤通信技术光纤通信技术1学习幻灯主要参考书目及网址 光通信原理与应用光通信原理与应用朱宗玖等朱宗玖等 编著编著 清华大学出版社清华大学出版社光纤通信技术光纤通信技术孙学康等著孙学康等著 人民邮电出版社人民邮电出版社 www.foc- 中国光纤通信 www.c- 光纤在线 光电新闻网2学习幻灯学习意义学习意义 光纤通信技术在近30多年里得到了极大的发展，目前它和移动通信、卫星通信已经成为电信领域发展的基石。 掌握一些光纤通信技术有助于学习现代通信技术和拓宽知识面,为以后的学习深造和工作做好知识储备。 从事管理、销售工作； 从事技术开发、设备制造、科研、网络运营及维护、工程施工及安装等工作或考

2、研。 3学习幻灯先修课程先修课程 通信系统原理模拟电路电磁场与微波技术 4学习幻灯目录目录第一章第一章 通信基础知识通信基础知识1第二章第二章 光纤光纤2第三章第三章 光缆光缆3第四章第四章 光器件光器件4第五章第五章 光纤传输系统光纤传输系统5第六章光网络第六章光网络65学习幻灯第一章第一章 通信基础知识通信基础知识学习目标学习目标1.了解通信技术发展简史。2.掌握通信基本概念3.掌握业务传输技术特点。4.理解通信系统组成、分类和系统性能。5.掌握光纤通信系统及其组成的光网络演进6学习幻灯1.1 1.1 通信技术简史通信技术简史1.1.1 科学技术发展科学技术发展 科学技术科学技术是利用“有

3、关研究客观事物存在及其相关规律的学说”能为自己所用，为大家所用的知识。 人类的科学技术发展史经历了古代、近代和现代古代、近代和现代三个阶段。 古代科学技术古代科学技术的代表是材料科学技术 它的本质是利用物质资源制造质料工具，如锄头、镰刀、弓箭、棍棒等，扩展人类的体质能力。 近代科学技术近代科学技术的代表是能量（源）科学技术 它的本质是使用能源或者动力为资源创造动力工具，如机车、汽车、轮船、飞机等，扩展人类的体力能力。 现代科学技术现代科学技术是建立在材料科学技术和能源科学技术基础上的信息科学技术 它的本质是利用信息资源创造智能工具，如人工智能专家系统、智能机器人等，拓展人类的智能能力。 7学习

4、幻灯 表1-1给出了人类科学技术发展历程和本质使命的简要总结。8学习幻灯1.1.2 通信技术简史通信技术简史 按时代划分，通信技按时代划分，通信技术经历了三大飞跃术经历了三大飞跃光纤通信光纤通信电通信电通信光通信光通信9学习幻灯 光通信光通信可以上溯西周时期建立的烽火台作为军事报警设施，下及当今指挥城市交通的信号灯和航海中使用的灯塔。 10学习幻灯 光通信光通信可以上溯西周时期建立的烽火台作为军事报警设施，下及当今指挥城市交通的信号灯和航海中使用的灯塔。 11学习幻灯 传输距离短光通信的缺点光通信的缺点传递信息量少12学习幻灯 为了使光通信光通信延长传输距离和增加传递信息内容，1792年，法国

5、工程师Claude Chappe（却柏）发明了采用机械臂编码来传输信息的光电报，利用中间接续站（现在通信术语称为中继站）可以实现超过100km的通信。 13学习幻灯 1794年，世界上第一个光电报在法国的两个城市巴黎和里尔投入商用，从而实现了相距200km的通信。图1-1给出了Claude Chappe及其发明的光电报的示意图。从中可以看到这个光电报通过转动机械臂角度发出了一条由CH 、A、 P、 P 、E 5个字母组成的消息。这个非常有趣的消息恰好就是光电报发明人的名字 Chappe。自1794年到1830年为止，法国光电报系统从巴黎延伸到意大利、德国、比利时的边界。光电报系统是一种视距通信

6、，其系统十分简单、传输距离和传递信息量少，而其系统十分简单、传输距离和传递信息量少，而且保密性差。且保密性差。14学习幻灯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”,通话距离达到213米。15学习幻灯光电话原理图光电话原理图光源透镜送话器反射镜震动片光敏电池 贝尔用弧光灯或者太阳光作为光源，光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上。当人对着话筒讲话时，震动片随着话音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化，从而使话音信息“承载”在光波上（这个过程叫调制调制）。 在接收端，装有一个抛物面接收镜，它把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上，硅光电池将光能转

7、换成电流（这个过程叫解调解调）。电流送到听筒，就可以听到从发送端送过来的声音了。 接收镜贝尔光电话是现代光通信的雏型贝尔光电话是现代光通信的雏型16学习幻灯1、为什么光通信传输的距离非常有限，这主要是因为，这种传输方式里面的传输介质传输介质是“大气”，损耗大，如果碰上雨、雪甚至雾霾天气，信号甚至可能会中断。 更深层次的原因，我们现代人都已经知道了，是因为光是一种“波”，且波长很短（0.40.7 m ），它很容易被大气中的“尘埃粒子”所阻挡。2、另外，Bell的光电话是利用自然光（光源光源）作为载波，这种光的频率和相位杂乱无章，不能用于大容量的通信。3、能否建立“光通道”如“波导管”式的东西以减

8、少损失（损耗）呢？是否可以找到新型的光源呢？17学习幻灯 研究人员曾经将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验，但由于造价太高而出现了夭折，致使光通信发展一度出现长期的低迷状态。18学习幻灯 受英国物理学家John Tyndall（约翰）在1870年做的”光可以在水流柱里传输”的影响，在1920-1950期间,人们发现在纤细的、有柔韧性的玻璃中和塑料光纤可以用于导光。 终于在1950年，有人采用“玻璃纤维”传输光，但损耗达到了1000dB/Km，即在1Km的长度上传输，损耗达到10100倍，这个数值显然是太大了。 真正的奇迹是在1966年才出现。19学

9、习幻灯 1966年，英籍华裔学者高锟高锟(C.K.Kao)(C.K.Kao)及其同事霍克哈姆(C.A.Hockham)在其发表的研究论文中指出，“玻璃纤维”的严重损耗是由其里面所含杂质（如铜、铁、铬等金属离子）太多及石英玻璃拉制工艺的不均匀性产生的。论文介质纤维表面光频波导明确提出：1、如果能将光纤中过渡金属离子减少到最低限度，并改进制造工艺，有可能使光纤损耗降到最低（预见可减小到20dB/km以下）；2、光纤可以实现高速通信；3、给出了光纤原始结构。 高锟(C.K.Kao)博士上述发现的重要意义在于：指出了光纤高损耗的真正来源以及研制通信光纤的正确方向。这一发现直接导致了在其后数年内通信光纤

10、制造领域所发生的质的飞跃，以及光纤通信产业的迅速兴起。20学习幻灯光纤通信发明家高锟(左)1998年在英国接受IEE授予的奖章；并于2009年，获得诺贝尔物理学奖。获得诺贝尔物理学奖。21学习幻灯19701970年，光纤研制取得了重大突破年，光纤研制取得了重大突破 美国康宁玻璃公司1970年首先研制出衰耗20dB/km的光纤。光纤通信正式开始！ 据说康宁公司花费3000万美元，得到30米光纤样品，认为非常值得。这一突破，引起整个通信界的震动，世界发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信。22学习幻灯23学习幻灯1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km4dB/km。1973年，美国

11、贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km1.1dB/km。1976年，日本电报电话（NTT）公司将光纤损耗降低到0.47dB/Km0.47dB/Km（波长1.2 m ）。在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗： 1979 年是0.20 dB/km0.20 dB/km， 1984年是0.157 dB/km0.157 dB/km， 1986 年是0.154 dB/km0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限光纤最低损耗的理论极限。 19701970年开始，光纤研制取得了重大突破年开始，光纤研制取得了重大突破

12、24学习幻灯 1960年，美国人梅曼(T. H. Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光。 1965年，第一台可产生大功率激光的器件-二氧化碳激光器诞生。 1967年，第一台射线激光器研制成功。 激光器的发明和应用，使沉睡了激光器的发明和应用，使沉睡了8080年的年的光通信进入到了一个崭新的阶段。光通信进入到了一个崭新的阶段。 在光纤突飞猛进的同时，光源光源的研究工作也有了起色25学习幻灯1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs

13、)双异质结半导体激光器(短波长0.850m)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。 1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。 1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。1977 年，贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达100万小时（实用中10年左右）的半导体激光器。1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55m的连续振荡半导体激光器。 由于光纤和半导体激光器的技术进步，使由于光纤和半导体激光器的技术进步，使19701970年成年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。为光

14、纤通信发展的一个重要里程碑。1970年，光纤通信用光源光源取得了实质性的进展26学习幻灯实用实用光纤通信系统光纤通信系统的前期发展的前期发展 1976年，美国在亚特兰大（Atlanta）进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验（GaALAs LD、多模光纤、10Km、44.7Mbps）。 1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。 1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mbps的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100Mbps的渐变型多模光纤通信系统的试验。 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。 随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆

15、通信系统于1988年建成。 第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。 因此，全球通信界业一直公认，因此，全球通信界业一直公认，1976年是光纤通信的元年。年是光纤通信的元年。27学习幻灯1978年，模拟蜂窝移动通信系统投入使用（未商用）。 1980年，有线电视和综合业务数字业务。1988年，宽带综合业务数字网。1991年，全球移动通信系统进入商用。1995年，美籍华裔科学家历鼎毅倡导利用波分复用技术，即利用简单的光器件就可以在单根光纤中实现了大容量的传输，进而大大地降低了传输系统的成本。1998

16、年，美国开通了数字电视业务，进一步提高电视业务清晰度和服务质量。1999年，具有宽带综合业务能力的第三代移动通信系统投入应用。 28学习幻灯 2010年1月13日，在国务院常务会议上提出了电信网电信网、电视网电视网和因特网三网融合因特网三网融合。 统一通信统一通信概念： 使任何人在任何时间、任何地点都可以通过任何设备、任何网络，与任何人进行语音、数据和图像的自由通信。 29学习幻灯个人化个人化数字化数字化综合化综合化移动化移动化宽带化宽带化统一通信统一通信未来通信发展趋势未来通信发展趋势30学习幻灯1.2 1.2 通信基本概念通信基本概念1.2.1 通信通信 什么是“通信通信”? “通”就是传

17、输和交换； “信”就是信息（话音、图像、数据） 通信通信就是信息的传输和交换，通过电信号或者光信号形式将信息由一方传输到另一方。31学习幻灯 图1-2给出了一个最简单的通信系统的模型。 在这个过程中，通话的内容是由图中的“处理层”完成的。 信息的传输是由图中的“物理层”完成的。 在现代通信中，通信一般包括：信号的产生、传输和接收信号的产生、传输和接收三个过程。 32学习幻灯什么是“电信电信”？ 电信电信是利用有线、无线、光或者其它电磁系统电磁系统传输、发送或者接收代表符号、书写、影像和声音或者其他任何性质情报的信号。 33学习幻灯 通信和电信的区别：通信和电信的区别： 通信通信是按照约定传递信

18、息； 电信电信是利用电磁系统（广义泛指）传递代表媒体的信号，电磁系统完成信号传递功能。 通信通信是一个广义的概念，而电信电信则是一个狭义的概念。 图1-3揭示了通信涵盖了电信之间的关系。34学习幻灯1.2.2 信号信号 1. 信号及其分类信号及其分类 信号信号是消息的物理载体。 消息则是信息的物理表现形式，如语音、文字、符号、数据和图像等。 信息、消息和信号信息、消息和信号三者存在着十分紧密的关系。 信息信息是通过消息消息来表达，消息消息通过信号信号来传输。 在科学研究中，通常是将“信号信号”做为研究对象。 35学习幻灯 信号具有强度、频率、相位、能量等基本特征，信号可以表示为时间的函数。 按

19、照信号在时间坐标呈现连续变化或者阶跃变化，信号可以分为模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号。 模拟信号模拟信号是幅度连续时变的信号。模拟信号又称为连续信号连续信号，如图1-4（a）所示连续信号的取值可用连续的时间函数表示。 36学习幻灯 数字信号数字信号是幅度阶跃时变信号。数字信号又称为离散信号离散信号， 如图1-4（b）所示离散信号可用取值有限个离散值连续的时间函数表示。 需要强调的是，判断信号是模拟信号还是数字信号的准则为，看信号取值是连续的还是离散的，而不是看时间是连续的还是离散的。37学习幻灯2. 模模/数变换数变换 将模拟信号调制变换为数字信号，叫“模/数”变换。它包括三个基本步骤：

20、抽样、量化和编码。抽样、量化和编码。抽样定理：抽样定理： 只要抽样频率fs 满足奈奎特判据fs2f（模拟信号的带宽），就可以用抽样值来表示一个带宽有限的模拟信号，而抽样值不会引起任何信息损失。量化：量化： 是利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程。量化过程是对信号幅度进行离散处理。 38学习幻灯编码：编码： 是将量化后的信号电平数值变换成二进制码组的过程。编码的逆过程称为解码或译码。编码的目的是提高信号的传输可靠性。 在光纤通信中，最常用的编/解码是模/数变换方法脉冲脉冲编码调制编码调制（Pulse Code Modulation，PCMPCM）方法。PCM以二进制编码为基础，将模

21、拟信号的量化后的每个抽样值变换为0和1比特数字串。39学习幻灯3. 信号特性信号特性 通信中的信号基本特性可以用它们的时间特性时间特性和频率频率特性特性来表示。 时间特性时间特性表示信号电压或电流随时间的变化关系。 频率特性频率特性指信号可以表示为许多不同频率正弦信号的线性组合。 40学习幻灯 通信系统中最常用的信号有正弦信号正弦信号、方波信号方波信号和周期冲周期冲激串信号激串信号。 正弦信号正弦信号作为无线通信的载波； 方波信号方波信号是数字通信所用的信号波形； 周期冲激串信号周期冲激串信号则可以用作抽样信号。 41学习幻灯 信号频域特性主要包括频谱、能量谱密度和功率谱密度频谱、能量谱密度和

22、功率谱密度。 信号频域特性信号频域特性与信号的占用频率带宽、信号抗干扰能力等存在密切的关系。 信号时域特性信号时域特性与信号的相关特性有关系。42学习幻灯1.2.3 光信号光信号 1. 光的波光的波/粒特性粒特性43学习幻灯2.波长波长 44学习幻灯 3.频率频率在光纤通信中，常用的频率单位有： 千赫（1KHz=103Hz） 兆赫（1MHz=106Hz） 吉赫（1GHz=109Hz） 太赫（1THz=1012Hz） 45学习幻灯46学习幻灯 传输的频率越高，可传信号的频带宽度就越大，其携带业务（信息）就越多。 对于甚高频，频率为48.5MHz300MHz,其带宽约为250MHz,只能传输27套

23、电视节目 。 可见光的频率100000GHz（1014Hz），比甚高频高出一百多万倍。 47学习幻灯48学习幻灯1.2.4 信号调制信号调制1.调制作用调制作用 为什么要进行调制？ 调制的作用就是要将传输的信号变换成适合信道传输的信号（调制信号）。 49学习幻灯 如何进行调制？ 载波载波是一种用来承载输入信号的高频周期信号，它本身不包含任何有用信息。在编码之前，载波可以用式（1-4）所示的形式： 式中，E 为电磁场矢量， e 是单位矢量极化， A 为载波振幅， 是载波频率，为载波相位。50学习幻灯2.调制方法调制方法 由式（1-4）得知，可以选择的调制方法有： 调制幅度调制幅度A A、调制载波

24、频率、调制载波频率、调制相位、调制相位。 按照调制的信号形式可以分为模拟调制模拟调制和数字调制数字调制。 模拟调制对应的三种调制方法分别被称为： 幅度调制幅度调制（Amplitude Modulation，AMAM） 频率调制频率调制（Frequency Modulation，FMFM，） 相位调制相位调制（Phase Modulation，PMPM，）51学习幻灯 在数字调制中，对应三种调制方法分别为： 幅移键控幅移键控（Amplitude Shift Keying ，ASK） 频移键控频移键控（Frequency Shift Keying，FSK） 相移键控相移键控（Phase Shift

25、 Keying ，PSK）52学习幻灯3.调制格式调制格式 图1-7所示的是可供产生光比特流选择的调制格式：主要分为归零格式和非归零格式。 53学习幻灯1.2.5 信号复用信号复用 1.信道信道 什么是“信道”？ 信道信道就是信号传输的通道。 按照所用的传输介质不同，信道可以分为有线信道和无线有线信道和无线信道信道。 有线信道有线信道需要利用具体的传输介质，如铜对绞线、光纤等传输信号。 无线信道无线信道则是利用电磁波在空中传播的方式传输信号。 54学习幻灯 通信质量的好坏，主要取决于信道信道（传输介质）的特性。 表1-2比较了五种不同传输介质的特点。55学习幻灯 2.信号复用信号复用 所谓复用

26、复用就是将若干路彼此独立的信号在同一信道中传输的技术。 复用的目的复用的目的是使同一站点的多个用户共用一个信道传输信息，以提高信道的传输效率，进而降低通信系统的成本。常用的复用方法有： 频分复用频分复用、时分复用时分复用、波分复用波分复用和时分复用时分复用+波分复用波分复用等。 56学习幻灯 （1）频分复用）频分复用（Frequency Division Multiplexing ，FDM） 频分复用频分复用是指将在频域上划分的多个信道进行复用的技术。 57学习幻灯（2）时分复用）时分复用（Time Division Multiplexing ，TDM） 时分复用时分复用就是在时域上对不同传输

27、信道的信号进行间插组合处理，即利用几个低速比特流来构建一个高速比特流，以实现在一个信道传输多路信号。 58学习幻灯59学习幻灯（3）波分复用）波分复用（Wave Division Multiplexing， WDM） 波分复用波分复用就是在一根光纤中实现同时传输几十乃至上百个波长光信号的复用技术。波分复用技术的原理，如图1-10 所示。 60学习幻灯（4）时分复用）时分复用+波分复用波分复用 更能满足光网络的扩容和灵活组网的要求。 当前光纤通信系统中常用时分复用+波分复用双重复用的扩容原理。 61学习幻灯1.3 1.3 通信及其业务通信及其业务1.3.1 通信任务通信任务 通信的任务通信的任务

28、是及时准确安全地完成信息在空间的传递。 通信系统通信系统是由用户终端、传输介质、传输设备组成的。 基本通信系统只能完成点到点通信，只有通信网上才能实现多点到多点的通信。 通信网通信网则是由用户终端、传输介质、传输和交换设备组成的拓扑结构。62学习幻灯 根据通信网的功能不同，通信网可以分为：业务网、传送网和业务网、传送网和支撑网。支撑网。 业务网业务网是指面向公众提供电信业务的网络。例如，固定电话网、移动电话网、电视网、因特网等。 传送网传送网是完成各种通信业务的数字信号传送的网络。例如，由长途干线光网络、城域光网络和接入网。 支撑网支撑网则是承担确保通信网正常工作支持作用的网络。 63学习幻灯

29、1.3.2 通信业务通信业务 1. 电话业务电话业务 （1 1）固定电话）固定电话 电话网电话网是由一定数量的节点（终端节点、交换节点）构建的网络，其可以通过“电路交换”实现任意用户之间进行语音交流语音交流。 64学习幻灯（2）移动电话）移动电话 移动电话业务移动电话业务是通信的一方或者双方可以在移动状态中进行电话通信。 第一代模拟移动通信（第一代模拟移动通信（1G1G） 第二代数字移动通信（第二代数字移动通信（2G2G） 第三代多媒体移动通信（第三代多媒体移动通信（3G3G） 3G 有 CDMACDMA（中国电信）（中国电信） WCDMAWCDMA（中国联通）（中国联通） TD-SCDMAT

30、D-SCDMA（中国移动）（中国移动）三种制式。（书中有个小错误） 65学习幻灯 4G4G运营牌照有望于今年下半年发放。运营牌照有望于今年下半年发放。 4G的主要特点体现在：1、高速宽带 20-100Mbit/s20-100Mbit/s；2、良好的兼容性，可以与3G的三种制式实现互连互通。3、业务多样化 66学习幻灯2. 2. 数据业务数据业务 ISDNISDN （ Integrated Service Digital Network ）是由数字传输、数字复接和数字交换结合而成的数字化电信网。 ISDNISDN可以分为窄带综合业务数字网（Narrowband-Integrated Servic

31、e Digital Network , N-ISDNN-ISDN）和宽带综合业务数字网（Broadband-Integrated Service Digital Network , B-ISDNB-ISDN）。 N-ISDNN-ISDN有两种标准接口： 1、基本速率接口 2B+D，B的速率是64kbit/s，而D的速率16kbit/s，2B+D可以提供的总带宽为144 kbit/s。 2、基群速率接口 30B+D，B的速率是64kbit/s，D的的速率为64kbit/s，30B+D可以提供的总带宽为2048 kbit/s。 B-ISDNB-ISDN可以提供2048 kbit/s、155Mbit

32、/s、 622Mbit/s速率的传输通道，能够支持从窄带遥控遥测到宽带高清晰数字电视等所有的业务。因此，B-ISDN是一种“全能”电信网络。 67学习幻灯3. 广播电视业务广播电视业务 有线电视网普遍采用光纤和同轴电缆混合（Hybrid Fiber Coax，HFCHFC）网络。 光纤主要被用在（干线）传输， 同轴电缆主要被用在接入网。 HFC是一种能够支持电话、ISDN 、广播模拟电视、数字电视、互动视频和高速全双工数据等业务的传输技术。 68学习幻灯图1-15所示的是一个典型的采用HFC技术的有线电视网的网络结构。一般从端局（前端）到配线网的光节点采用光纤传输，其网络拓扑结构可以采用环形、

33、星形和树形。69学习幻灯4. 宽带接入业务宽带接入业务 传统铜线技术受到了哪些挑战？传统铜线技术受到了哪些挑战？ 速率受限。满足不了日益增长的需求。 驱动宽带接入业务不断发展的动力是用户日益增长的需求用户日益增长的需求。 城市企业事业单位未来需求的带宽为100M 1000M； 家庭未来需求的带宽为50 M100 M。 宽带接入方案宽带接入方案光纤接入技术光纤接入技术 PONPON（Passive Optical Network）技术具有点到多点、能够提供巨巨大带宽大带宽、传输质量好传输质量好、接入可靠性高接入可靠性高、建设和维护成本低建设和维护成本低等一系列优点，已经成为世界各国城市接入网发展

34、的首选技术。是真正的FTTHFTTH（Fiber To The Home）。 70学习幻灯 图1-16所表示的是一个典型的光纤接入技术方案。一个家庭用户可以通过无源光网络将电话、电视和数据业务接入家庭，实现宽带综合接入。 71学习幻灯举例：盈通培训资料P1172学习幻灯5. 多媒体通信业务多媒体通信业务 什么是媒体媒体？ 媒体媒体是指信息传递和存取的基本技术和手段。 分类：感觉媒体、表示媒体、显示媒体、存储媒体和传输媒体。 多媒体多媒体可以就是上述多种媒体的组合。 随着三网融合的步伐加快，多媒体通信会越来越被人们所重视。 73学习幻灯1.4 1.4 通信系统通信系统1.4.1 系统组成系统组成

35、 通信系统通信系统是由实现消息传输所需要的一切设备和传输介质构成。传统的点到点通信系统一般模型，可用图1-17的框图表示。 74学习幻灯 信源信源作用是将声音、文字、数据、图像等消息转变成原始电信号，即完成非电量到电量的变换。 发送设备发送设备的功能一是放大，二是变换。 信道信道就是传输信号的通道。 它可以分为有线信道和无线信道。有线信道包括铜线电缆、光纤等。无线信道可以是自由空间、真空等。 75学习幻灯 噪声源噪声源是通信系统中各个设备、信道中的噪声与干扰的集中表示。 接收设备接收设备的功能主要是恢复出原始信号。 信宿信宿是信息传输的终点。其作用与信源作用完成相反，完成电量到非电量的变换。

36、76学习幻灯1.4.2 系统分类系统分类 1.分类分类 通信系统分类方法很多，但是最常用的分类方法是按照信道中所传输的信号的特征不同，将通信系统分为模拟通信系统模拟通信系统和数字通信系统数字通信系统。（1）模拟通信系统）模拟通信系统 模拟通信系统是指信道中传输的是模拟信号的通信系统。模拟信号的通信系统的模型，如图1-18所示。 77学习幻灯 经过调制后的信号被称为已调信号已调信号。 已调信号具有三个基本特征： 一是携带有信息； 二是适合在信道中传输； 三是信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零率。78学习幻灯（2）数字通信系统）数字通信系统 数字通信系统数字通信系统则指的是信道中传输的是数字信

37、号的通信系统。数字通信系统可以概括为图1-19所示的数字通信系统的模型。 79学习幻灯 信源编码信源编码的两个功能：一是数/模转换，二是数据压缩。 信道编码信道编码是在经过信源编码的信号中增加一些多余的字符，以求自动发现或纠正传输中发生的错误。 因此，信道编码的目的就是提高信号传输的可靠性。 80学习幻灯 解调、信道解码、信源解码解调、信道解码、信源解码是调制、信道编码、信源编码的逆过程。81学习幻灯 2.对比对比 与模拟通信系统相比，数字通信系统具有下述的一些显著的优点显著的优点： 数字信号本身具有较强的抗干扰能力较强的抗干扰能力，采用再生中继器、纠错编码等措施，可以进行长距离传输； 采用信

38、道编码技术，可以降低传输错误码率； 数字信号的复用和压缩容易； 适应的业务种类多，如可实现语音、数据和图像等综合传输； 便于与计算机相连，实现系统和网络的智能化； 数字硬件实现灵活、集成度高、设备体积小、系统成本低； 系统升级扩容方便，便于保护运营商的投资等。 同时，数字通信系统也存在两个缺点两个缺点： 在相同的容量下，数字通信系统传输所需要的带宽需要的带宽比模拟通信系统要大大； 同步要求高同步要求高（需要位同步、帧同步等），从而需要复杂的同步系统。 82学习幻灯1.4.3 系统性能系统性能 1.通信系统通信系统 如何评价一个通信系统的优劣？ 通过性能指标来评价，包括有效性有效性、可靠性可靠性

39、、经济性和运维的方便性等。 人们最关心的通信系统性能是有效性和可靠性。 有效性有效性描述的是通信系统的消息传输速度传输速度问题； 可靠性可靠性反映的是通信系统的消息传输质量传输质量问题。 83学习幻灯 2.主要性能主要性能 有效性有效性通常用传输速率、带宽、频带利用率传输速率、带宽、频带利用率来描述。 可靠性可靠性通常用误码率误码率来表示。 84学习幻灯（1）传输速率）传输速率 传输速率传输速率B被定义为每秒传输的比特数，可用bit/s来表示。 B的简单的数学表达公式，如式（1-6）所示。同时，图1-20给出了数字信号中的传输速率与比特周期呈反比关系。85学习幻灯（2）带宽）带宽 信号带宽信号

40、带宽W指的是传送信号的频率宽度，即传送信号的最高频率与最低频率之差。 信道带宽越大，其允许的传输容量和传输速率就越大。 86学习幻灯 （3）频带利用率）频带利用率 频带利用率（带宽效率）频带利用率（带宽效率）的定义是单位频率带W内的传输速率B，其数学公式如式（1-7）所示。其单位是每赫兹每秒的比特数，常用（b/s.Hz）表示。 87学习幻灯（4）误码率）误码率 误码率误码率的定义如式（1-8）所示： 88学习幻灯1.5 1.5 光纤通信网络光纤通信网络1.5.1 光纤通信系统光纤通信系统 1.基本组成基本组成 图1-21所示的是最简单的光纤通信系统组成的框图。 89学习幻灯2.各个组件作用各个

41、组件作用 光发射机光发射机包括光源和光调制器。 它主要是提供沿着光纤传输信息所需要的光能量。 它的光源既可以是发光管也可以是激光器。 光调制器的功能是调制带有串行序列数据的光。 90学习幻灯 光接收机光接收机里一个非常重要的器件是光电检测器光电检测器 它的作用就是将调制的光信号转变成电信号。 91学习幻灯1.5.2 光纤通信网络结构光纤通信网络结构 1. 作用作用 光网络光网络是由宿端设备、光纤和组网光电元件等组成。 它的作用有两个： 一是利用传输介质光纤实现大容量、长距离大容量、长距离、高可靠高可靠性性链路传输； 二是利用相关光电元件，引入了控制和管理机制控制和管理机制，实现了多节点之间的联

42、网，以及针对资源与业务的灵活配置。 92学习幻灯 2. 结构演进结构演进 光网络结构光网络结构经历了一个由简单的点到点点到点、链形链形结构、环形环形结构向复杂的网状网网状网结构的发展过程。它充分反映了通信容量大、网络可靠性增强、系统成本降低的通信技术进步。 93学习幻灯盈通DWDM省骨干网络图茂名粤西环粤东环珠三角环广州东莞 深圳珠海中山顺德惠州梅州湛江阳江江门DWDM容量珠三角环：40通道粤西环：16通道粤东环：16通道粤北环：16通道DWDM 网络覆盖广东所有地市河源汕尾韶关清远汕头潮州揭阳佛山肇庆云浮粤北环94学习幻灯光传送网光传送网（Optical Transport Network,

43、OTNOTN）是指在中间节点具有交叉连接能力交叉连接能力的WDM光网络。 OTN主要是针对干线向着Tbit/sTbit/s方向发展的需求而研制出的光传送网。 OTN主要应用不仅适合DWDM长途核心网长途核心网，而且可以应用于WDM城域光网络城域光网络和光纤接入网光纤接入网。 95学习幻灯 从光网络的管理角度看，光网络经历了由SDHSDH、 DWDMDWDM和OTNOTN。 目前正在向着自动光交换网络自动光交换网络（Automatically Switched Optical Network,ASON）发展。 96学习幻灯第2章 光纤学习目标学习目标1.了解光纤基本结构。2.掌握光波导理论研究意

44、义。3.了解光纤制造方法特点。4.掌握研究光纤传输特性实际意义。5.掌握各种通信光纤性能特点和适用场所97学习幻灯2.1 2.1 光纤的基本结构及特点光纤的基本结构及特点2.1.1 2.1.1 光纤基本结构光纤基本结构 通信光纤通信光纤是由石英玻石英玻璃璃或塑料塑料或其它导光材料其它导光材料组成的圆柱形线性的导光纤维（简称光纤）。 光纤的剖面结构，如图2-1所示。 通常，光纤是由两个同心均匀介质所组成（纤纤芯和包层芯和包层）。98学习幻灯99学习幻灯纤芯纤芯1)位置：光纤的中心部位2)尺寸：直径2a=8（10）m mm 50（62.5） m mm（欧洲（欧洲/美国标美国标准）准）3)材料：纤芯

45、的主要成分是石英（二氧化硅石英（二氧化硅SiO2 ），），掺有极少量的掺杂剂(二氧化锗GeO2，五氧化二磷P2O5)，作用是提高纤芯对光的折射率(n1)，以传输光信号纤芯100学习幻灯包层包层包层1)位置：位于纤芯的周围2)尺寸：直径2b = 125 m mm3)材料：其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅SiO2。而掺杂剂五氧化二硼B2O3的作用则是适当降低包层对光的折射率(n2)，使之略低于纤芯的折射率，即即n1 n2，它使得光信号能约束在纤芯中传输，它使得光信号能约束在纤芯中传输101学习幻灯涂覆层涂覆层1)位置：位于光纤的最外层2)尺寸：涂覆后的光纤外径约为1.5 mm1.5 mm

46、3)结构和材料：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层a)一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料b)缓冲层一般为性能良好的填充油膏(防水)c)二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物4)作用：保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用102学习幻灯 引入一个物理量相对折射率差相对折射率差。 它的表达式如（2-1）式 在实际应用中，纤芯与包层的折射率数值相差无几。 单模光纤单模光纤的相对折射率差大约为0.2%； 多模光纤多模光纤的相对折射率差大约是1%。 103学习幻灯2.1.2 2.1.2

47、 光纤的特点光纤的特点 在光纤通信中，光纤光纤的作用是传输介质，真正的载波是激光载波是激光。 1、巨大的工作带宽 光纤通信使用的电磁波频率范围是1014Hz。 2、优异的传输性能 光纤的损耗可以达到0.15dB/Km，具有极好的传输质量。 104学习幻灯3、杰出的使用性能抗电磁干扰能力。 光缆的使用寿命长（一般为20-30年）。 4、丰富的原料来源目前，国际期货市场铜、铝等金属材料价格不断上涨。而石英的储藏量非常丰富，取之不尽、用之不竭。5、独特的接继技术常用的单模光纤的纤芯直径仅为8-10m左右，为光缆线路的施工中的光纤对准和熔接操作带来了极大的困难。需要专用的仪器。 105学习幻灯2.2

48、2.2 光波导理论光波导理论2.2.1 2.2.1 几何光学几何光学 1.1.全内反射全内反射 光（线）传输理论： 当光线射到两种介质之间的界面上时，一部分光线被反射，形成反射光线反射光线，而一部分被折射，而形成折射光折射光线线，如图2-2所示。 106学习幻灯 反射定律：反射定律： 1. 反射光线保持在由入射光线与法线所构成的入射平面中；2. 相对于入射光线来说，反射光线位于法线的相反侧；3. 反射光线和入射光线分别与法线形成的夹角1=2。 107学习幻灯 折射定律：折射定律： 如果是在各向同性的介质（如玻璃）中，则由式菲涅尔折射定律可得出： 光的入射角正弦sin与折射角正弦sin之比与其各

49、自入射介质的折射率n1与折射介质的折射率n2成反比。即有如下关系式：108学习幻灯当光线由光密介质光密介质n1n1入射到光光疏介质疏介质n2n2的界面时，折射角大于入射角。 当= 900 时，光纤会沿着平行于两介质的界面传播，如图2-3所示的光线。这时的入射角写成0 ，我们 称它为两种介质的临界角临界角，如式（2-3）所示。 即临界角临界角由两种介质的折射率n1和n2的比值决定的。 109学习幻灯 对于入射角大于临界角0的所有光线，在光疏介质中没有对应的折射光线存在，这些光线在界面上全部被反射回光密介质中，这种现象称为全内全内反射反射，如图2-3所示的光线。 110学习幻灯 由此可知，全内反射

50、全内反射只能发生在光由光密介质光密介质入射到与光疏介质光疏介质的界面上，对于圆柱形光波导（纤），如果使纤芯纤芯中心部分的折射率高于外包层包层的折射率，就有可能在纤芯纤芯和包层包层之间满足全内反射，从而使光线“限制限制”在芯层内并以锯齿形连续反射光纤形式在光纤中向前传输，直至传播到信息终端。111学习幻灯单模光纤和多模光纤单模光纤和多模光纤单模光纤单模光纤SMF(SignalModeFiber)：仅允许一个模式传播的光纤多模光纤多模光纤MMF(MultipleModeFiber)：同时允许多个模式进行传播在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤纤芯纤芯- -包层包层交界面上产生全反射

51、的传播光线，就可以称为入射光的一个传播模式传播模式112学习幻灯2. 2. 折射率分布折射率分布 为了设计出不同的光纤，可以使光纤剖面任意一点的折射率分布折射率分布n n 是其半径r的函数n (r)。n随着r的变化而变化。n (r)可以决定光纤的光传输性能光传输性能。 可用数学公式（2-4）来表示： 113学习幻灯式中，n1 为纤芯折射率； 是光纤相对折射率差相对折射率差； r 为离开纤轴心的距离； a是纤芯半径； g为折射率分布指数折射率分布指数； n2是包层折射率。 114学习幻灯 公式（2-4）可以用图2-4来反映，它直观且形象地描述了不同光纤的折射率分布几何形状。 115学习幻灯 折射

52、率分布指数折射率分布指数g的取值范围在1-之间，通过改变g的取值大小就可以获得不同的光纤折射率分布形状。 例如，g=1纤芯折射率分布为三角形， g=2光纤芯折射率分布呈梯度（渐变）形梯度（渐变）形， g= 纤芯折射率分布是阶跃（突变）形阶跃（突变）形。116学习幻灯 表2-1列出了g取值、纤芯折射率形状与折射率变化特点的关系。117学习幻灯 从上图中可以看出： 1.只有阶跃光纤阶跃光纤的纤芯和包层折射率是常数，而其他光纤的纤芯折射率分布是r 的函数n (r)变化形式 。 2.光纤设计就是选择合理的纤纤/包折射率分布包折射率分布结构，即通过调整调整g的数值，可以获得不同传输性能的光纤。118学习

53、幻灯3. 3. 相对折射率差相对折射率差 举例：P36 例2-1单模玻璃光纤的相对折射率差是0.2%；多模玻璃光纤的相对折射率差是1%；熟料光纤的相对折射率差是0.2212% 119学习幻灯 但要注意：但要注意： 与数值孔径和光纤的接受角也存在着一定与数值孔径和光纤的接受角也存在着一定的数量关系。的数量关系。 120学习幻灯 表2-2列出了几种不同光纤纤芯的折射率是1.50时，与数值孔与数值孔径和光纤的接收角的关系。径和光纤的接收角的关系。121学习幻灯4. 4. 数值孔径数值孔径 光在纤芯和包层之间纤芯和包层之间发生全反射的条件是，在他们之间的入射角必在他们之间的入射角必须大于临界角须大于临

54、界角 0，就是说，只有小于（90-0）所有光线才会沿着纤芯中传输。122学习幻灯在输入端端面上，根据折射定律，有下面关系式（空气折射率为1）：123学习幻灯 引入一个物理量数值孔直径（数值孔直径（NA ，Numerical Aperture）： 为临界角 0对应的最大入射角最大入射角max的正弦值的正弦值。 NA表示光纤的集光能力。表示光纤的集光能力。 只有小于只有小于max的光纤才能在纤芯中传输。的光纤才能在纤芯中传输。 124学习幻灯 下面通过两个计算实例来说明折射率分布不同的光纤，它们的NA就不同，集光能力各有差异。 P37、例2-2和例2-3 多模光纤比单模光纤的集光能力要好的多。多模

55、光纤比单模光纤的集光能力要好的多。 125学习幻灯2.2.2 2.2.2 研究目的研究目的 研究光纤导光理论的目的：研究光纤导光理论的目的： 在于了解光波在光纤中的传输机理传输机理、传输条件传输条件，建立传输特性与光纤折射率分布结构参数之间的关系，以便于设计出能够满足通信系统所需要的传输特性的理想光纤。 光具有波粒二像性：光具有波粒二像性： 光既可以看成是光波，又可以看作是由光子组成的粒子流，在科学研究中对应的方法分别是射线理论射线理论和波动理波动理论论。 126学习幻灯光射线理论光射线理论光波动理论光波动理论适用条件l a（物体的几何尺寸）l a研究对象光线模式基本方程射线方程波导场方程研究

56、方法折射/反射定理边值问题主要特点约束光线模式127学习幻灯2.2.3 2.2.3 光射线理论光射线理论 按照折射率分布，多模光纤又可以分为两大类型： 阶跃折射率分布的多模光纤（简称阶跃多模光纤阶跃多模光纤） 梯度折射率分布的多模光纤（简称梯度多模光纤梯度多模光纤）。 128学习幻灯1 1、阶跃多模光纤、阶跃多模光纤 描述阶跃多模光纤的折射率分布的数学公式，可用式（2-9）表示。129学习幻灯 由前所述可知： 式中：=（n1-n2）/n1的是纤芯-包层界面之间的相对折射率。 显然，为了耦合更多的光进入光纤，应该尽可能将做大； 但是大光纤不适合用作光纤通信。 其原因是，大光纤中会产生大的时延时延

57、。130学习幻灯时延时延 不同光线沿着不同路径到达输出端的时间是不一样的。在光纤通信中，这种时间上的先后就称作“时延时延”。 131学习幻灯光信号在阶跃多模光纤中的传输光信号在阶跃多模光纤中的传输 由动画可以直观地看出：由动画可以直观地看出：在阶跃多模光纤中，在阶跃多模光纤中，不同模式的光信号到达终点所需的时间不同模式的光信号到达终点所需的时间不不相等相等。 132学习幻灯时延时延 时延时延产生的后果会使输入脉冲信号发生“脉冲展宽脉冲展宽”，产生多路径色散多路径色散或模间色散模间色散，在接收端信号会产生码间码间干扰干扰。 133学习幻灯134学习幻灯 由于时延（模间色散）的原因，阶跃多模光纤的

58、工作阶跃多模光纤的工作带宽带宽会受到严重影响。 举例：P39 最大时延公式 135学习幻灯2.2.梯度多模光纤梯度多模光纤 梯度多模光纤的设计思想是利用光传输速率与光光传输速率与光纤材料折射率成反比纤材料折射率成反比的原理，来解决多模光纤中所存在的严重时延时延（模间色散）问题。 136学习幻灯光信号在梯度多模折射率光纤中的传输光信号在梯度多模折射率光纤中的传输 由动画可以直观地看出：由动画可以直观地看出：在梯度多模光纤中，不同模式的光信号到达终点所需的时间基本相等。 137学习幻灯原理分析： V=C/n1、沿中心轴的传播的路径最短，但该位置的折射率n也是最大的，所以V也是最慢的；2、越靠近轴心

59、，折射率n越小，V会越快。138学习幻灯结论：结论： 在梯度多模光纤梯度多模光纤中，各个光纤均是以同样的时间到达光纤的输出端，不会出现时延不会出现时延。 139学习幻灯 举例：P41 经计算（P41，公式2-17），梯度多模光纤的工作梯度多模光纤的工作带宽带宽比阶跃多模光纤的工作带宽能提高3个数量级。140学习幻灯利用该方程组，求解，得出E（r,）、H(r,)在纤纤芯芯中的表达式理论依据：MaxwellMaxwell方方程组程组利用边界条件，找出其中的规律（传输特性传输特性）一一二二三三2.2.4 2.2.4 波动理论波动理论141学习幻灯2.2.4 2.2.4 波动理论波动理论 1、麦克斯韦

60、方程 在电磁场理论中，一般认为，光纤是一种介质光波导。这种光波导的特点是： 1.无传导电流； 2.无职业电荷； 3.线性各向同性。 描述在光波导（光纤）中传播的电磁波所有的现象的麦克斯韦方程的具体形式如下： 式中：E和和H分别是电场矢量电场矢量和磁场矢量磁场矢量， 而D和和B则分别是电通量密度电通量密度和磁通量密度磁通量密度。142学习幻灯电通量密度和磁通量密度与场矢量的关系： 式中：为材料磁导率磁导率，在真空中为0，对于非磁性材料的光纤=0，它是一个常数； 是材料的介电系数介电系数，在真空中为0，一般物体的是空间坐标的函数，即（x,y,z），（r,z）。 与n的关系如式（2-22）所示。14

61、3学习幻灯2 2、波动方程、波动方程 利用数学的矢量关系式：144学习幻灯3 3、亥姆霍兹方程、亥姆霍兹方程 空坐标分离：亥姆霍兹方程。如果光纤中传播的是单色光波，即电磁波具有确定的振荡频率f，角频率=2f，我们可令： =(x,y,z)=(x,y,z)exp（ jt） (2-27) 式中，表示E 或者H的某一场分量。如果将公式（2-27）代入标量波动方程，那么我们就可以得到亥姆霍兹方程。 145学习幻灯 式中，k是光纤中光波的波数光波的波数 式中，是光纤中的工作波长， Vp为光波相速， k0 = 2/ 是真空中的光波的波数光波的波数。 146学习幻灯4. 4. 模式分布模式分布 （1 1）模式

62、的概念）模式的概念 1.数学上可以理解为满足边界条件的波动方程的一个特解特解。2.物理上一个模代表的是一种场图场图。3.模式是离散离散的。4.多个模式的线性组合构成了光波导中的总的场分布总的场分布。5.一个模式在光波导中传输依赖传播常数传播常数。 147学习幻灯 （2 2）传导模特性）传导模特性 光在光纤中远距离传播， 纤芯区域纤芯区域的导波场应该为振荡场振荡场； 包层区域包层区域的导波场则是衰减场衰减场。 148学习幻灯 几个物理量U U、W W、V V和和b b 纤芯导波的归一化相位常数纤芯导波的归一化相位常数U U: 描述在纤芯中，导波沿径向场的分布规律。 包层导波的归一化衰减常数包层导

63、波的归一化衰减常数W W： 描述在包层中，场的衰减规律。 U和W的定义，如式（2-30）和式（2-31）所示。149学习幻灯 k0 = 2/：真空中光波的波数。 叫传播常数传播常数，它满足以下关系：150学习幻灯V是一个能够描述光纤结构和性能结构和性能的综合参数。在单模光纤中，在单模光纤中，V V2.4052.405151学习幻灯举例：P45，例2-4利用V的定义，可以设计和制造出不同性能的光纤。152学习幻灯非色散位移单模光纤（简称G.652光纤）（1310nm）非零色散位移单模光纤(简称G.655光纤)（1550nm）弯曲不敏感的单模光纤(简称G.657光纤)（1260-1625nm） 1

64、53学习幻灯 传导模的概念传导模的概念 传导模传导模是光纤输入端激起的模式中，能够传输到另一端的传输模式。 射线理论射线理论中，一组光线以不同的入射角进入光纤，通常认为一个传播方向的光线对应一种模式，有时也称之为射线射线模式模式，所以可以按入射角来区分模式，并且也以入射角划分模式等级，角度越小则模式等级越低。 因此，严格按中心轴线传输的模式称为基模基模，而其它的分别为低阶模、高阶模低阶模、高阶模。154学习幻灯 在波动理论波动理论中，讨论的不是光射线光射线，而是模模式式，光纤模式光纤模式是光波在光纤中传播的稳定样式，一种电磁场分布（麦克斯韦方程的解麦克斯韦方程的解）称之为一一个模式个模式。 两

65、种理论中，讨论的模式没有绝对的对应关两种理论中，讨论的模式没有绝对的对应关系。系。 155学习幻灯 波动理论中，在阶跃多模光纤中，通过计算，可以求得很多光纤模式光纤模式（方程解方程解），它的数量N由V来决定。 渐变型多模光纤：N=V2/4 156学习幻灯归一化传播常数归一化传播常数b bb = W2 / V2它满足：0b1157学习幻灯图2.10几个低阶光纤模的b和V的函数曲线158学习幻灯 HEHE1111模式模式是任何光纤中都可以存在的，因此HE11模称作主主模或基模模或基模。102345n1n2/k1 0 HE11TE01HE21TM01EH11HE12HE31b2.4053.832V1

66、59学习幻灯 若光纤的归一化频率V2.405以后， TE01开始出现，紧接着TM01，HE21模也开始出现，也就是说，光纤中传输模式的数量完全由归一化频率V决定，而这个结构参数V又由纤芯和包层的折射率差折射率差、纤芯半径纤芯半径以及传输的光信号波长光信号波长决定。102345n1n2/k1 0 HE11TE01HE21TM01EH11HE12HE31b2.4053.832V161学习幻灯 由动画可以很直观地看出：阶跃光纤的传输条件随着光光纤结构参数纤结构参数的变化而变化，在光纤纤芯可以传输的模式数量传输的模式数量也发生变化。162学习幻灯例题假设一阶跃折射率光纤，其参数a6m，0.002，n1

67、1.5，当光波长分别为1.55m、1.3m和0.85m时，求光纤中可以传输哪些导模？ 163学习幻灯补充作业题164学习幻灯2.2.5 2.2.5 单模光纤单模光纤 1 1、单模传输条件、单模传输条件 165学习幻灯2.2.截止波长截止波长 当光纤折射率分布结构参数确定后，只有工作波长大于某一特定波长特定波长时，才能实现单模传输。 我们称这个特定波长为理论截止波长截止波长cc。 166学习幻灯 此动画为光信号在单模阶跃折射率光纤中的传输，由动画可以直观地看出：单模光纤中只有一个模式的光信号可以传输，不存在模式之间的时间差，即没有“时延”产生。 167学习幻灯 在电磁场理论研究中，有时还要用线性

68、偏振模线性偏振模LPmnLPmn表示对应的模式的场在光纤剖面的上的分布规律。 表2-4列出了LP模与矢量模之间的对应关系。168学习幻灯3. 3. 模场直径模场直径 模场直径（模场直径（Mode Field Diameter, MFD）是单模光纤剖面中基模电磁场强横向分量分布集中程度的度量。 E0/e，e=2.71828E0或者说MFD是指基模的光功率下降至中心(光纤轴r=0)最大光功率1/e2时，对应的直径，即对应基模大部分光对应基模大部分光功率的直径。功率的直径。169学习幻灯2.3 2.3 光纤制造光纤制造2.3.1 2.3.1 光纤设计光纤设计光纤设计光纤设计设计原则设计原则最小的衰减

69、最小的衰减最小的衰减最小的衰减合理的色散合理的色散合理的色散合理的色散宽宽宽宽工作波长工作波长工作波长工作波长合适的折射率合适的折射率合适的折射率合适的折射率170学习幻灯2.3.2 2.3.2 光纤材料光纤材料成纤方便成纤方便1透明材料透明材料2性能兼容性能兼容3材料成本材料成本4171学习幻灯2.3.3 2.3.3 光纤制造光纤制造光纤光纤成品测试成品测试预制棒拉丝和涂覆预制棒拉丝和涂覆预制棒熔炼预制棒熔炼原材料提取原材料提取172学习幻灯173学习幻灯174学习幻灯光纤成品的测试内容光纤成品的测试内容1、拉伸强度：必须至少能承受690MPa的压力；2、折射率剖面；3、光纤几何特征：纤芯直

70、径、覆层规格及涂层直径应一致；4、衰减性：各种波长的光信号随距离变化的衰减程度；5、信息传输能力（带宽）；6、色散；7、操作温度/湿度范围；8、衰减性和温度的相关性。175学习幻灯2.4 2.4 光纤传输性能光纤传输性能 损耗（衰减）损耗（衰减）损耗（衰减）损耗（衰减）和和色散色散色散色散是光纤最重要的传输特性：是光纤最重要的传输特性： 损耗损耗损耗损耗限制系统的限制系统的传输距离传输距离传输距离传输距离 色散色散色散色散则限制系统的则限制系统的传输容量传输容量传输容量传输容量 176学习幻灯 （1 1）衰减）衰减 衰减衰减是表示光在光纤中传播时，平均光功率光功率沿光纤长度方向呈指数规律减少，

71、即： 其中： P（0）大为在L=0处注入光纤的光功率； P（L）是传输到轴向距离L处的光功率； 是衰减系数177学习幻灯光纤损耗特性中使用的单位光纤损耗特性中使用的单位dB(分贝)：描述功率相对比值的单位。 dB=10log10(Pout/Pin )其中Pout：输出功率；Pin：输入功率。dBm(分贝毫瓦)：描述功率绝对值的单位。 dBm=10 log10(P/1mw)1mw=0dBm；20mw=13dBm；40mw=16dBm。 178学习幻灯 （2 2）衰减系数）衰减系数 衰减系数衰减系数定义为单位长度光纤引起的光功率衰减。 当长度为L时，可以表示为： 式中： ()()是在波长为处的衰减

72、系数与波长的函数关系，其数值与选择的光纤长度无关。179学习幻灯3 3 衰减谱衰减谱 衰减谱衰减谱是描述衰减系数与波长的函数关系，如图2-15所示。它具有三个主要特征是： （1）衰减随波长的增大而呈降低趋势。 （2）衰减吸收峰与OH-离子有关。 （3）在波长大于1600nm衰减的增大的原因是由微（或宏）观弯曲微（或宏）观弯曲损耗损耗和石英玻璃吸收损耗吸收损耗引起的。180学习幻灯石英玻璃光纤最常用的工作波带为：O波带（1260-1360nm）C波带（1530-1565nm）L波带（1565-1625nm）最广泛应用的是最广泛应用的是1550nm1550nm附近的附近的C C波带波带 181学习

73、幻灯光纤通信中的三个光纤通信中的三个”工作窗口工作窗口”0.85m0.85m 20dB / km （现在为3dB / km）短波长窗口 （第一窗口） 1.31m 1.31m 0.35dBkm以下 长波长窗口 （第二窗口）1.55m1.55m 0.15dB / dB 左右 长波长窗口 （第三窗口） 光纤材料中的水气（主要是 OH -）对光纤损耗影响很大，特别是在1.38m1.38m波长的地方有一个强烈的吸收峰。 182学习幻灯4 4 衰减机理衰减机理 什么原因造成的衰减？ 衰减的机理是材料本身、制造缺陷、弯曲、接续等对光能的吸收、散射损耗吸收、散射损耗。 183学习幻灯本征吸收：紫外、红外吸收吸

74、收损耗衰减机理杂质吸收：过渡金属离子吸收、 OH-离子吸收散射损耗线性散射：瑞利散射：材料不均匀；制作缺陷：气泡、分界面不理想等。非线性散射：受激拉曼和受激布里渊散射弯曲损耗光纤的弯曲引起辐射损耗光纤中传输的光波与晶格相互作用时，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起损耗。 2m时特强烈。光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起损耗。 0.4m 时特强烈。受激拉曼和受激布里渊散射使输入光信号的部分能量转移到其他频率分量上。184学习幻灯 由图2-16，我们可以清晰地看出，光纤衰减的机理主要是由材料吸收材料吸收、瑞利散射瑞利散射和

75、波导结构不完善波导结构不完善。185学习幻灯晶格186学习幻灯 187学习幻灯弯曲损耗弯曲损耗光纤的弯曲有两种形式：1、一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，称为弯曲或宏弯弯曲或宏弯；2、另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯微弯。 光缆的生产、接续和施工过程中，不可避免出现弯曲弯曲。 188学习幻灯宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲消逝场cR CladdingCore场分布弯曲曲率半径减小宏弯损耗指数增加189学习幻灯微弯：微米级的高频弯曲微弯：微米级的高频弯曲微弯的原因微弯的原因： 光纤的生产过程中的带来的不均成缆时受到压力不

76、均使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导致的后果导致的后果：造成能量辐射损耗高阶模功率损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模低阶模功率耦合到高阶模190学习幻灯宏弯带来的应用局限：宏弯带来的应用局限：VerizonVerizon的烦恼的烦恼VerizonVerizon钟爱光纤钟爱光纤：花费230亿美元配置了12.9万公里长的光纤，直接连到180万用户家中，提供高速因特网和电视服务。光纤到户使光纤到户使VerizonVerizon遇到困境：遇到困境：宏弯引起信号衰减宏弯引起信号衰减。191学习幻灯新技术：抗宏弯的柔性光纤新技术：抗宏弯的柔性光纤PhotonicCrystalFiberPho

77、tonicBandgapFiber康宁公司帮组Verison解决了问题：可弯曲、折返、打结可弯曲、折返、打结，已在2500万户家庭中安装。日本NTT也完成了这种光纤的研制。192学习幻灯2.4.2 2.4.2 色散色散 在光纤中，光信号由很多不同的成分不同的成分（如不同模式、不同频率）组成的，由于信号的各频率成分各频率成分或各模式成分各模式成分的传输速速度不同度不同，经过光纤传输一段距离后，不同成分之间出现时延差出现时延差，从而引起信号畸变、光脉冲展宽，此现象称为色散色散。 色散色散一般用时延差来表示时延差来表示，所谓时延差时延差，是指不同频率或不同模式的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差

78、时间之差。 193学习幻灯2.4.2 2.4.2 色散色散 1 1 作用作用 色散严重时，会导致前后光脉冲互相重叠，形成码间干扰码间干扰，增加增加误码率误码率，使通信质量下降（传输容量变小）通信质量下降（传输容量变小）。 194学习幻灯195学习幻灯 2 2 分类分类 光纤色散可以分为两类：模式色散（模间色散）模式色散（模间色散）模内色散（色度色散）模内色散（色度色散） 196学习幻灯模式色散（模间色散）模式色散（模间色散） 所谓模式色散模式色散，用光的射线理论射线理论来说，就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的传播速度不同所造成的时延差时延差； 对于波动理论波动理论，多模光纤中，不同模式在同一频率

79、下传输，各自的传输常数m不同，传播速度不同，模式之间存在时延差时延差。 偏振模色散偏振模色散也属于模间色散，10Gbps的系统才考虑。 197学习幻灯 在阶跃型光纤阶跃型光纤中最大色散最大色散是传输最快的光线和最慢的光线到达终端的时延差； 198学习幻灯199学习幻灯 在渐变型光纤渐变型光纤中合理地设计光纤折射率分布，使光线在光纤中传播时速度得到补偿，从而可以使模式色散引起的光脉冲展宽变得很小。200学习幻灯201学习幻灯模内色散/色度色散 所谓模内色散模内色散，是由于光源的不同频率不同频率（或波长波长）成分具有不同的传播速度，在传输过程中，不同频率的光束的时间延迟不同而产生色散。 模内色散包

80、括材料色散材料色散和波导色散波导色散。材料色散材料色散是由于材料折射率材料折射率随光信号频率的变化而不同，光信号不同频率成分所对应的传播速度不同。波导色散波导色散是由于光纤波导结构光纤波导结构引起的色散。202学习幻灯 多模光纤多模光纤中，模式色散占主要地位，模内色散很少，实际应用中可以不考虑，因此多模光纤的色散用时延差表示。 单模光纤单模光纤中只传输基模，不存在模式色散，此时模内色散地位就凸显出来了。 203学习幻灯 单模光纤单模光纤在波长在1.31m附近，材料色散材料色散和波导色散波导色散为“一正一负”，大小也相等（P57 图2-19），也就是说，光纤在1.31m处，单模光纤的总色散为零。

81、 因此，该波长区就成了光纤通信系统的主要工作波段。 它的主要参数是由国际电信联盟（ITU）在G652号建议中确定的，因此这种光纤就叫做“G.652G.652光纤光纤”。204学习幻灯描述光纤“色散特性色散特性”的三个参数：色散系数色散系数D（ ）（单位长度引起的时延差）零色散波长零色散波长 0色散斜率色散斜率S （色散系数随波长变化曲线的斜率）l ll l205学习幻灯3. 3. 机理机理 研究光纤色散产生的机理产生的机理，对于设计合理的剖面结构，优化光纤的传输性能和实现高速度光通信都具有极为重要的意义。 常用最大时延差表示光纤色散程度。206学习幻灯3. 机理 研究光纤的色散产生机理，对于设

82、计合理的剖面结构，优化光纤的传输性能和实现高速度光通信都具有极为重要的意义。在光纤中，不同频率成分的信号传过同样的距离所产生不同的时延（时延差）。时延差越大，色散越严重，信号畸变就越严重。常用最大时延差表示光纤色散程度。207学习幻灯208学习幻灯 单模光纤中只有基模传输，没有模式色散，总色散由材料色散、波导色散和折射率色散组成总色散由材料色散、波导色散和折射率色散组成。 因为这三种色散都跟波长有关，所以，单模光纤的总色散有时也叫“波长色散波长色散”。209学习幻灯4. 4. 色散系数色散系数210学习幻灯211学习幻灯2.4.3偏振模色散偏振模色散 1 1 作用作用 偏振模色散偏振模色散会引

83、起脉冲展宽和畸变，导致码间干扰，使误码率增大，进而降低高速光纤通信系统的传输容量和传输距离。 212学习幻灯2 2 偏振模色散系数偏振模色散系数 （1 1）定义）定义 偏振模色散偏振模色散是基模的两个正交偏振模的时延差时延差。 一般，我们将单位长度光纤上的传播时延差定义为偏振模色散系偏振模色散系数数Polarization Mode Dispersion，(PMD)。 213学习幻灯 偏振模色散偏振模色散非常小，与材料色散和波导色散相比小得多，在目前的单模光纤通信中可以忽略不计，但在某些光纤通信器件中，以及未来的超高速超高速(10Gbit/s)(10Gbit/s)、超大容量的光纤通信中，偏振模

84、色散必须考虑。214学习幻灯最大传输距离：L=10000/(PMD*B)2215学习幻灯2.4.4 2.4.4 光纤的非线性效应光纤的非线性效应 在常规光纤系统中，光纤一般呈现线性传输的特性，但当入射到光纤中的光功率较大时，光纤对光的响应将呈现非线性，光纤的各种特征参数不再是恒定的，而是依赖于发光光纤的各种特征参数不再是恒定的，而是依赖于发光强度的大小强度的大小。 深层次的原因是，当介质受到强光作用时，组成介质的原子或分子内的电子相对于原子核发生了微小的“位移位移”或“振动振动”，此时我们称介质被极化了。也就是说，强光的作用使介质的固有特性固有特性发生了变化。216学习幻灯受激光散射 受激拉曼

85、散射(SRS)受激布里渊散射(SBS) 自相位调制(SPM)交叉相位调制(XPM)四波混合(FWM)折射率扰动光光纤纤非非线线性性效效应应 217学习幻灯 受激布里渊散射受激布里渊散射SBS：强光入射到光纤中时引起介质中的粒子（声子）振动，散射光方向与光传输方向相反。当发光强度达到某一数值时，将产生大量后向传输的光波，对光通信造成不良的影响。减小减小SRS措施：措施：使光源的谱宽比布里渊带宽大很多； 或信号功率低于SBS的阈值门限。218学习幻灯 受激拉曼散射受激拉曼散射SRS是指当较强功率的光入射到光纤中时，会引起光纤材料中的分子振动分子振动，对入射光产生散射作用，它可以造成波分复用系统中的

86、短波长信道产生过大的信号衰减，从而限制了系统的信道数目。减小减小SRS的措施的措施：降低信道功率，一般小于10mW，SRS影响就可忽略。 219学习幻灯 自相位调制自相位调制SPMSPM是指当输入光信号的发光强度变化时，光纤的折射率折射率随之改变，从而引起光波的相位产生变化，与光纤的色散相位结合后，将导致光波频谱展宽，并随光纤长度的增加而积累。 自相位调制对高速窄脉冲的传输影响较大。 减小减小SPMSPM的措施的措施：增大光纤有效面积和减小光纤色散。220学习幻灯有效面积有效面积Aeff 非线性效应随光纤中光强的增大而增大。对于一条给定的光纤，光强反比于光纤纤芯的横截面积。由于光功率在光纤纤芯

87、内不是均匀分布的，为简单起见，采用有效面积Aeff表示。模场分布为高斯分布时,Aeff=Wg2普通单模光纤的Aeff80m2；色散位移光纤的Aeff55m2；色散补偿光纤的Aeff20m2。A Aeffeff221学习幻灯 交叉相位调制交叉相位调制XPMXPM是指当两个或多个不同波长的光波在光纤中同时传输时，它们会因为光纤的非线性而相互影响，导致某个波长光信号的相位受到其他波长光信号功率的调制，引起信道间的串音。 减小减小XPMXPM的措施的措施：增加信道间隔，较少信道数量。222学习幻灯 四波混频四波混频FWMFWM是指当多个具有较强功率的光波信号在光纤中混合传输时，将导致产生新的波长成分。

88、 四波混频不仅导致信道的光能损耗光能损耗，信噪比下降信噪比下降，而且还会产生信道干扰信道干扰，限制光纤通信系统的容量。223学习幻灯 FWM 公式： 式中：n2为光纤非线性折射率； P是信道输入功率； 为信道间隔。 减小减小FWM的措施的措施：增大光纤Aeff或D。 例如，康宁公司和朗讯公司借助于两种设计思想，他们分别研制出了WDM系统适用的大有效面积G.655光纤和真波G.655光纤。224学习幻灯2.5 2.5 常用光纤及其性能特点常用光纤及其性能特点2.5.1 2.5.1 多模光纤多模光纤 1.1.结构结构 225学习幻灯2.2.分类分类 226学习幻灯多模光纤：带宽小、衰减大，一般用在

89、短距离系统中。带宽小、衰减大，一般用在短距离系统中。227学习幻灯2.5.2 2.5.2 单模光纤单模光纤 1. 1. 结构结构 228学习幻灯 目前ITUT建议定义了6种单模光纤： G.652G.652 G.653 G.653 G.654 G.654 G.655 G.655 G.656 G.656 G.657 G.657 其中G.652G.652和G.655G.655是目前光纤通信工程中最广泛使用的单模光纤。 229学习幻灯2. 2. 分类分类 G.652（非色散位移单模光纤）G.653（色散位移单模光纤）G.654（工作波长扩展的非零色散位移单模光纤）G.655（非零色散位移单模光纤）G.

90、656（宽带光传输用非零色散位移单模光纤）G.657（抗弯曲单模光纤) 230学习幻灯 单模光纤： 衰减小衰减小、频带宽频带宽、容量大容量大、成本低成本低、易易扩容，用在中、长距离的系统中扩容，用在中、长距离的系统中。 231学习幻灯 （1）非色散位移单模光纤非色散位移单模光纤G.652G.652 G.652光纤，也称常规单模光纤，是指色散零点（即色散零点（即色散为零的波长）在色散为零的波长）在1310nm附近的光纤附近的光纤。 232学习幻灯 （1 1）G.652G.652的分类的分类G.652AG.652AG.652BG.652BG.652CG.652CG.652DG.652D 233学习

91、幻灯 标准单模光纤标准单模光纤G.652A、G.652B 于1983年开始商用。 需要注意的是，它们即可用于1310 nm波长区域，又可用于1550 nm ，通常被称为“标准标准” （Standard Single Mode Fiber ,SSMF）或“常规”单模光纤。 234学习幻灯A和B的区别：1.G.652.AG.652.A支持10Gbit/s系统，传输距离可达400km，40Gbit/s系统的距离为2km。2.G.652.BG.652.B支持10Gbit/s系统，传输距离可达3000km以上，40Gbit/s系统的传输距离为80km。 235学习幻灯 波长扩展单模光纤波长扩展单模光纤G

92、.652CG.652C、G.652DG.652D 是为解决城域光网络需要更宽的波长需要更宽的波长而研制出来的，由原来的15301565nm扩展到12601670nm。所以称其为波长扩展单模光纤波长扩展单模光纤（全谱光纤）。 236学习幻灯C和D的区别：1.G.652.CG.652.C的属性与G. .652A相同，但在1550nm的衰减系数更低，而且消除了1380nm附近的水吸收峰。2.G.652DG.652D的属性与G.652B基本相同，而衰减系数与G. .652C光纤相同。 G.652.DG.652.D是所有G.652级别中指标最严格的并且完全向下兼容的，是目前最先进的城域网用非色散位移光纤

93、。是目前最先进的城域网用非色散位移光纤。 237学习幻灯（2 2）非零色散位移单模光纤）非零色散位移单模光纤G.655G.655（NDSFNDSF） 是在G.653光纤的基础上发展起来的，即色散零点在1550nm附近，但DWDM系统在零色散波长处工作容易引起四波混频效应。 为了避免四波混频效应，将色散零点的位置从1550nm附近移开一定波长数，使系统在1550nm附近的DWDM工作波长范围内色散不为零，故称非零色散位移光纤（非零色散位移光纤（NDSFNDSF）。 238学习幻灯 G.655家族：G.655AG.655A主要用于带光放大器的单信道SDH传输系统； G.655BG.655B和G.6

94、55CG.655C主要用于DWDM传输系统。 G.655DG.655D用于1470nm区域支持CWDM应用。 G.655EG.655E光纤色散系数较大，用于在工作波长1460nm以上是正的非零色散系统。 239学习幻灯（3）宽带光传输非零色散位移单模光纤宽带光传输非零色散位移单模光纤G.656G.656 2002年7月，由日本NTT提出的标准。与G.655比较，G.656具有如下特点：1、支持更宽的工作波长：14501625nm；2、支持更小的色散系数：215ps/（km.nm）；3、能够有效提高现有DWDM系统的容量，由现有的C+L波段扩展为S+C+L波段； 240学习幻灯241学习幻灯（4

95、 4）弯曲不敏感的单模光纤）弯曲不敏感的单模光纤G.657G.657 具有极好的抗弯曲性能抗弯曲性能，使得其更适用于光纤接入网，包括位于光纤接入网终端的建筑物内的各种布线。 242学习幻灯 G.657光纤可分为：G.657A1G.657A1G.657A2G.657A2G.657BG1G.657BG1G.657B2 G.657B2 243学习幻灯 G.657AG.657A（A1A1、A2A2）的传输和互连性能与G.652DG.652D相同。与G.652D光纤不同是，G.657A光纤具有更好的弯曲性能弯曲性能和几何尺寸技术要求更精确。 G.657A1G.657A1、G.657A2G.657A2光纤

96、可用在D、E、S、C和L五个波带，其可以在12601625nm整个工作波长范围进行工作。 244学习幻灯 G.657B2G.657B2用于建筑物内建筑物内的信号传输，但熔接和连接特性与G.652光纤完全不同。 G.657B3G.657B3适用于弯曲半径更小弯曲半径更小的接入网工程使用，即其允许的正常工作的最小弯曲半径可以达到5mm。 245学习幻灯 246学习幻灯 G.653光纤光纤 G.653光纤也称色散位移光纤（色散位移光纤（DSF），是指色散零点在1550nm附近的光纤，它相对于G.652光纤，色散零点发生了移动，所以叫色散位移光纤色散位移光纤。247学习幻灯G.654光纤光纤 G.65

97、4光纤是截止波长大于1310nm的单模光纤。其设计重点是降低1550nm的衰减，其零色散点仍然在1310nm附近，因而1550nm窗口的色散较高，为1720ps/nmkm。G.654光纤主要应用于海底光纤通信。 248学习幻灯G.651光纤光纤 G.651光纤称为渐变型多模光纤渐变型多模光纤，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中。249学习幻灯小结小结 光纤的基本结构是由纤芯和包层纤芯和包层组成的。 纤芯和包层分别由高度透明材料组成。 为了在纤芯和包层之间的界面形成光波导，纤芯材料的折纤芯材料的折射率略高于包层材料的折射率射率略高于包层材料的折射率。 对于光波长远

98、远小于光波导光波长远远小于光波导的多模光纤，可以使用射线理射线理论论来分析光在多模光纤中的传输原理。 250学习幻灯小结小结 阶跃折射率多模光纤阶跃折射率多模光纤导光原理是全内反射全内反射； 梯度折射率多模光纤梯度折射率多模光纤导光原理是自聚焦自聚焦，即利用从光纤端面入射的光线经过适当距离会重新汇聚到一点的作用，使光纤中传输的光线具有相同的时延，以减小减小梯度折射率多模光纤的模间色散模间色散，提高光纤的传输带宽。 射线理论射线理论只能给出一个既简单又直观的分析。 251学习幻灯小结小结 单模光纤单模光纤中的光传输服从麦克斯韦方程组服从麦克斯韦方程组。从波动方程和电磁场边界条件出发，通过简化处理

99、得到亥姆霍兹方程。求解亥姆霍兹方程可以给出光纤中光场的结构形式（解的表达式、传输模式）。结构形式（解的表达式、传输模式）。 在单模光纤中完善的光场描述是，纤芯区域光场为振荡场，包层是区域纤芯区域光场为振荡场，包层是区域光场为衰减场光场为衰减场。 波动理论波动理论可以全面、精确地阐述光纤的传输特性。 例如，波动理论可以揭示光纤的传输性能与光纤折射率结构分布密切相关。 252学习幻灯小结小结 光纤制造工艺一般采用气相沉积方法气相沉积方法。 使用气相沉积方法理由是： 1.可以实现原料的提纯； 2.能够获得精确的折射率分布结构。 253学习幻灯小结小结 评价光纤性能优劣优劣有：几何参数几何参数传输性能

100、传输性能机械性能机械性能环境性能环境性能 几何参数反映光纤的制造水平和传输质量。 传输性能包括：衰减衰减、色散色散、偏振模色散偏振模色散和非线性效应非线性效应等。 254学习幻灯小结小结 光纤衰减光纤衰减是光信号在光纤中传输产生的光功率损耗光功率损耗，它决定着传输系统的中继距离中继距离。 光纤色散光纤色散引起传输的光信号畸变（展宽）光信号畸变（展宽），使通信质量下降，从而限制了通信容量和中继距离通信容量和中继距离。 偏振模色散和非线性效应偏振模色散和非线性效应是通过信号的畸变来影响光纤通信系统的传输速率传输速率、传输距离传输距离和传输质量传输质量。 机械性能和环境性能机械性能和环境性能主要影响

101、光纤的使用寿命使用寿命。 255学习幻灯第第3 3章章 光缆光缆学习目标学习目标1.了解光纤存在的缺陷。2.掌握光缆的设计原则。3.理解光缆的分类意义和方法。4.掌握各种光缆的结构特点5.掌握性能是评判光缆质量准则256学习幻灯3.1 3.1 光缆设计原则光缆设计原则3.1.1 3.1.1 保护光纤保护光纤 1. 1. 保护作用保护作用 光缆光缆是光纤的实际应用形式。 玻璃光纤的缺陷： 石英玻璃是脆性材料脆性材料，其表面会存在一定的微裂纹微裂纹，这些微裂纹本身对外界的机械应力机械应力和水水的作用非常敏感。 光缆的设计的使命光缆的设计的使命就是要确实做到使光缆中的光纤免遭机械应力和水的作用。 2

102、57学习幻灯 2.2.考虑因素考虑因素 （1 1）抗拉强度）抗拉强度 在光缆的安装中，例如，将光缆拉过管道时，光缆应该具有大的抗拉强度。当光缆吊在一个垂直的管道中，或者在光缆被悬挂在电线杆之间，或者当光缆被安装在海底时，光缆中的抗拉加强件应能够承受光缆的自重。悬挂在电线杆之间的光缆也会受到严重的覆冰和风载的作用。 （2 2）耐压）耐压 光缆使用中经常会受到大的径向压力作用。过大的径向压力可能会压断玻璃光纤。一些直埋光缆中的光纤要能够经受住大型交通工具（如汽车、拖拉机等）正好停在或驶过其上的压力作用。258学习幻灯（3 3）防止过小弯曲）防止过小弯曲 在光缆敷设期间，急剧的小弯曲会出现两个问题：

103、1、在弯曲处产生光的辐射损耗，2、光纤可能发生断裂。 为了防止光缆出现过小弯曲，国家通信行业标准YD/T 901-2009层绞式通信用室外光缆规定了光缆的最小弯曲半径。 259学习幻灯 （4 4）防止摩损）防止摩损 如果玻璃光纤受到摩损，它们会发生严重的损伤。摩损引起的小缺陷可以通过玻璃进行传输，从而显著地增加了光损耗。（5 5）隔离震动）隔离震动 震动将会引起光纤的损耗变大。设计的光缆要保证光纤对震动能够进行缓冲，衰减过多的运动。（6 6）防潮气和防化学侵蚀）防潮气和防化学侵蚀 长期暴露在潮气和化学侵蚀中，玻璃光纤性能会发生劣化。光缆设计要保证光纤避免与这些污染物接触。260学习幻灯3.1.

104、2 3.1.2 设计原则设计原则 1. 1. 基本原则基本原则 （1 1）极好的机械保护）极好的机械保护 具有抵抗外界的拉、弯、压等机械应力 适应环境温度变化的性能。 光缆中要设置加强件 抗冲击的外护层或金属铠装层。 261学习幻灯 （2 2） 良好的阻水防潮良好的阻水防潮 填充有阻水、防潮的油膏或阻水带（纱）。（3 3）合理的光纤余长）合理的光纤余长 262学习幻灯3.2 3.2 光缆分类光缆分类 3.2.1 3.2.1 光缆分类光缆分类 按照光缆的： 网络层次 光纤状态 光纤形态 缆芯结构 敷设方式 使用环境 等可以将光缆细分为类型。263学习幻灯3.3 3.3 结构特点结构特点 3.3.

105、1 3.3.1 结构类型结构类型光缆的基本结构一般由缆心、加强件、护套缆心、加强件、护套三部分组成。缆心缆心缆心缆心是光缆的核心，决定着光缆的传输特性光缆的传输特性。加强件加强件加强件加强件起着承受光缆拉力的作用，通常在缆芯中心，有时配置在护套中。护套护套护套护套起着对缆芯的机械保护机械保护和环境保护环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀防潮和耐腐蚀的能力。护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带铝带或钢带构成。 264学习幻灯 光缆结构类型可分为： 室外光缆 室外/内光缆 室内光缆 特殊光缆 265学习幻灯 3.3.2 3.3.2 室

106、外光缆室外光缆1 1中心管式光缆中心管式光缆 中心管式光缆是光纤松套管位于光缆中心的光缆。 可分为： 分离光纤分离光纤中心管式光缆 光纤束光纤束中心管式光缆 光纤带光纤带中心管式光缆。 266学习幻灯分离光纤是利用分离光纤制成的纤芯数12芯的小光缆。 光纤束的特点是：1.采用纱线将若干根分离光纤（最多12根光纤）扎成光纤束，每个光纤束中的每根光纤通过全色谱光纤和扎纱的颜色进行识别；2.光缆外径小，例如120芯光缆外径仅为18mm。 光纤带的最大特点是，可以容纳的纤芯多为216芯（12芯/带18带 。267学习幻灯2. 2. 层绞式光缆层绞式光缆分离光纤分离光纤层绞式光缆、光纤带光纤带层绞式光缆

107、。 268学习幻灯 分离光纤分离光纤层绞式光缆与光纤带光纤带层绞式光缆的1、相同处：几何结构、制造方法基本相同，2、不同之处：光纤形状、光纤识别、纤芯数等。 分离光纤层绞式光缆最大纤芯数 Eg实现粒子数反转粒子数反转（泵浦激励泵浦激励）的方法：使用一个正向偏压的使用一个正向偏压的PN结结 315学习幻灯4 PN4 PN结结 PN结结是由P型半导体和N型半导体共同组成的结。 P型半导体和N型半导体是通过掺以过多电子或缺少电子的杂质方法而得到的。 根据PN结的性质不同，可以分为：同质结同质结单异质结单异质结双异质结双异质结量子阱量子阱 316学习幻灯 半导体光源的核心，即发光区（有源区有源区）就是

108、由一个或多个垂直方向的PN结组成的。 半导体光源通常采用异质结结构作为有源有源发光区发光区。 317学习幻灯 采用异质结结构有如下好处：1.两种半导体之间的带隙差有助于电子电子- -空穴复合空穴复合，在有源层中就会不断有光产生光产生；2.由于有源层具有更小的带隙，所以其折射率比其周围的P型和N型包层折射率略大。这样，有源层可以看成是一个介质波导。通过改变有源层厚度可以达到控制有源层所支持的光波波长。 318学习幻灯319学习幻灯4.2.3 4.2.3 发光二极管发光二极管 1.1.工作原理工作原理 发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是利用电子-空穴对复合而产生自发辐

109、射自发辐射的发光器件。 LED的发光原理：当在PN结上加正向偏置电压时，P型中的空穴和N型中的电子向着PN结流动，受激电子会从高能级跃迁到低能级，电子损失的能量以光子形式辐射出去，即自发辐射发光自发辐射发光。 320学习幻灯 LED的发光波长： （mm）= 1.24 / Eg(eV) = 1.24 / Eg(eV) 式中，Eg是带隙。 321学习幻灯2. 2. 类型类型 （1）面发发光二极管）面发发光二极管SLED（Surface Light Emitting Diode）。 SLED的光是从与有源层垂直的平面发出的。 SLED的发光区发光区被限制在径向尺寸与光纤芯径相当小的有源区有源区。 3

110、22学习幻灯（2 2）边发光二极管）边发光二极管ELEDELED（Edge Light Emitting Diode） ELED的光是从有源层有源层边发出的。图4-5（a）和（b）分别所示的是AlGaAs/GaAs ELED和InGaAsP/InP ELED的基本结构。323学习幻灯3.3.工作特性工作特性 （1 1）输出光功率）输出光功率 LED的输出功率跟驱动电流和电子密度有关。 P = (hc / e) I 式中，I为驱动电流, 是量子效率， h为普朗克常数， c 是光速， e为电荷， 是光波长。 324学习幻灯输出功率和驱动电流之间的函数关系也叫“P-IP-I曲线曲线” 325学习幻灯

111、 P-I曲线曲线会随温度的变化而变化。 326学习幻灯（2 2）光谱特性）光谱特性 LEDLED光谱特性光谱特性主要是指发光强度、光谱峰值波长和光谱的半高全宽（最大光强一半处的光谱全宽）等。 327学习幻灯 LED的谱线宽度谱线宽度与波长（有源层材料的带隙决定）和结的温度有关： = 3.3 = 3.3（kT / hkT / h）(2/c) (2/c) 式中，T为结的绝对温度驱动电流, c是光速， k为波尔兹曼常数， h为普朗克常数。328学习幻灯 329学习幻灯（3 3）调制带宽）调制带宽 就是功率谱降低到最大值一半时，对应03dB的频率范围。 LED的调制带宽为： f = 1/ (2)f =

112、 1/ (2) 其中是载流子的复合寿命。 调制带宽跟PN结的掺杂浓度和有源区的厚度有关。330学习幻灯（4 4）温度特性）温度特性 LED的温度特性 式中，P0是LED的起始输出光功率， T为绝对温度。 一般来说，LED对温度的敏感性比较差，在设计电路时，不需要考虑温控电路。331学习幻灯4.2.4 4.2.4 激光器激光器 1.1.基本结构基本结构 激光二极管（Laser DiodeLaser Diode，LDLD，）是一种借助于受激辐射受激辐射发光的半导体器件（简称为激光器激光器）。Light Amplification by Stimulated Emission of Radiatio

113、nLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation受激辐射的放大受激辐射的放大 332学习幻灯LD的基本结构：有源区（增益区）有源区（增益区）：是实现粒子数反转分布、产生光的区域。光反馈装置光反馈装置：光学谐振腔，光产生振荡的区域。频率选择元件频率选择元件：选择光模式的地方。光波导光波导：在激光器内用来引导光波。 333学习幻灯 LD结构的发展历程及方向：1、有源区有源区一般采用异质结结构，其经历了由同质结、单异质结、双异质结到量子阱。 目的是以较小的注入电流来获得较大的光输出。2、谐振腔谐振腔经历了法布里-珀罗腔、分布反馈腔、分布

114、布拉格反射器到到垂直腔、短耦合腔。 目的是获得窄的光谱线宽、低噪声和波长稳定的激光。3、条形结构条形结构经历了宽接触到条形结构的过程。 目的是减小电流发热对器件的影响。334学习幻灯 2. 2. 有源区典型结构有源区典型结构 同质结 PN结的P型和N型为同一材料，但是掺杂类型不同, 或掺杂类型相同，但是掺杂浓度不同的材料组成的结构。 异质结 是指由带隙不同的材料构成的PN结。 异质结又可以分为：单异质结和双异质结。 335学习幻灯336学习幻灯3.工作原理工作原理 向半导体PN结注入电流注入电流； 实现粒子数反转分布粒子数反转分布； 产生受激辐射受激辐射； 利用谐振腔的正反馈，正反馈，实现光放

115、大光放大而产生激光振荡激光振荡。337学习幻灯P侧(+)N侧(-)前镜面后镜面L热沉（铜）338学习幻灯“纵模纵模”的概念：在谐振腔里，用来表示电磁场特性的模称“纵模纵模”，有如下特点：1、方向方向和光辐射方向是一致的；2、反映的是“光谱特性光谱特性”，对应的是激光器的“单色性单色性”；3、不同的纵模，其辐射的强度也是不一样的；4、纵模的数量纵模的数量随驱动电流的增大而减少；5、只有一个主模，叫“单纵模激光器单纵模激光器”。 多纵模多纵模LD单纵模单纵模LD339学习幻灯 通常用模抑制比模抑制比（Mode-Suppression Ratio，MSR）来反映单纵模激光器的好坏。 MSR = Pm

116、m / Psm 式中，Pmm 是主模功率主模功率，Psm为边模功率边模功率。 一个好的单纵模激光器好的单纵模激光器的模抑制比应该超过1000。340学习幻灯4.4.分类分类（1）边沿发光激光器 法布里法布里- -珀罗珀罗激光器 分布反馈分布反馈激光器 多量子阱多量子阱激光器（2）垂直发光激光器 垂直腔面发射垂直腔面发射激光器（3）按照工作波长，LD可以分为： 短波长850nm LD 长波长1310nm LD 1550nm LD341学习幻灯（1）法布里）法布里-珀罗激光器珀罗激光器 F-P LDF-P LD （Fary-Perot Laser Diode）是由一个厚度大约为0.1m薄的有源层，

117、有源层，夹在P层和N层之间最简单的半导体激光器。 工作原理：1、实现粒子数反转粒子数反转和电子-空穴复合发光；2、光在谐振腔内自激振荡，自激振荡，且往复传输，最后激光束从谐振腔的两端或者一端输出。342学习幻灯F-P LDF-P LD的特点：优点优点：1、制作工艺简单、成本低； 2、光谱宽光谱宽，容易和光纤耦合。缺点缺点：1、发射功率小（小于100mW）； 2、单色性单色性比较差。 适用于0.85、微米1.31微米中、短距离系统。 343学习幻灯（2 2）布拉格光栅激光器）布拉格光栅激光器 布拉格光栅激光器的优点：1.可以获得非常好的单色激光，单色激光，理想的“单纵模激光器单纵模激光器”；2.

118、采用光栅格作反射面光栅格作反射面，容易实现器件的集成化； 344学习幻灯 基本结构基本结构 分布反馈激光器分布反馈激光器 DFB LDDFB LD （Distributed Feedback Laser Diode）分布布拉格发射器激光器分布布拉格发射器激光器 DBR LDDBR LD （Distributed Bragg Reflector Laser Diode）。 345学习幻灯 工作原理工作原理 1、谐振腔中不同纵模的损耗是不同的；2、损耗最小的纵模首先超过阈值并成为主模主模；3、使边模边模携带的功率小于总发射功率的1%。 346学习幻灯产生激光输出的布拉格条件为： 式中，是波纹光栅周

119、期； n为平均模折射率（材料的有效折射率）； m表示布拉格衍射的级数。 通过改变光栅周期通过改变光栅周期，可获得不同的发射波长。，可获得不同的发射波长。347学习幻灯工作特性工作特性 348学习幻灯 F-PLD、 DFB LD和DBR LD都是边发射激光器边发射激光器，它们的激光发射方向均与PN结平面平行。 边发射激光器的缺点缺点： 光束呈现椭圆形状椭圆形状（高宽比为1：3），与光纤圆对称光纤圆对称剖面剖面显然是不匹配的，激光器与光纤之间的耦合效率耦合效率会比较低。 349学习幻灯（3 3）垂直腔表面发射激）垂直腔表面发射激光器光器 VCSELVCSEL （Vertical Cavity Su

120、rface Emitting Laser Diode，）。 基本结构基本结构 是一种发射光束方向与芯片表面垂直的激光器。 350学习幻灯工作原理工作原理 光是在顶部p-DBR和底部n-DBR镜面层镜面层之间进行反射，形成一个垂直腔体垂直腔体。 光纵模间隔公式： 式中，L为激光器的谐振腔长度； n是折射率； 为波长。 L L短，短，很大，容易实现单纵模工作很大，容易实现单纵模工作。351学习幻灯 工作特性工作特性 1、需要的阈值驱动电流小（1mA）；2、发光效率高（可达50%）；3、光束呈圆对称圆对称形状，跟光纤耦合耦合变得容易；4、体积小，使其制造工艺简单、焊接、封装容易； 352学习幻灯（4

121、 4）量子阱激光器）量子阱激光器 MQW LDMQW LD （Multi Quantum Well Laser Diode） 有源层的厚度非常薄（约为510nm），出现了“量量子效应子效应”，发生粒子数反转的速度非常快。353学习幻灯 基本结构基本结构 单量子阱激光器（Single Quantum Well Laser Diode，SQW LD） 多量子阱激光器（Multi Quantum Well Laser Diode，MQW LDMQW LD） 354学习幻灯量子阱激光器的特点特点：1、小的注入电流，可以获得很大的功率输出功率输出； 2、发光波长发光波长只跟材料能带结构和势阱的物理尺寸有

122、关； 3、光谱线宽窄光谱线宽窄，比F-P激光器的窄1/2；4、受色散影响更小，非常适合于高速高速光纤通信系统使用。 355学习幻灯（5 5）可调谐激光器）可调谐激光器 为了适应DWDM发展设计出的产品，除了单模单模、光谱线宽窄光谱线宽窄外，还要求激光器的波长保持稳定不变，且具有可调性可调性。 DBR LD是由有源段有源段、相位控制段相位控制段和布拉格段布拉格段三段组成。 356学习幻灯5. 5. 激光器的基本性能激光器的基本性能 （1 1）工作波长）工作波长 （m）= 1.24/ Eg(eV) 式中，Eg是禁带宽度（带隙）。 不同的材料对应不同的带隙，因而会有不同的发射波长不同的材料对应不同的

123、带隙，因而会有不同的发射波长。 GaAlAs-GaAs适用于波长为0.85m的LD， nGaAsP-InP适用于波长为1.3-1.55m的LD。357学习幻灯（2 2）光谱特性）光谱特性 就是用LD的发射波长的范围。 短距离、低速率、小容量选宽度为30-50nm的LED； 中距离、中速率、中容量选1-3nm的LD； 长距离、高速率、大容量1nm的单纵模激光器单纵模激光器。358学习幻灯 （3 3）光束空间分布）光束空间分布 LD光束的空间分布用近场分布和远场分布来描述。 近场分布是指LD输出反射镜面上的光强分布； 远场分布则指的是离开反射镜面一定距离的光强分布。 359学习幻灯 LD光束空间分

124、布呈椭圆形呈椭圆形。 光强的分布光强的分布随着离开光束中心而逐渐减小。 /OP层N层有源层水平发散角和垂直发散角 1.00.500-5050发 散角（度）垂直方向水平方向 远场光强分布曲线相对光强360学习幻灯（4 4） 输出光功率输出光功率 LD的输出光功率的表达式（4-32）： 式中，P和I分别为激光器的输出光功率输出光功率和驱动电流驱动电流， Pth和Ith 分别是相应的阈值， hf和e 则为光子能量和电子电荷。 361学习幻灯LD的输出光功率通常用P-I曲线表示，当I Ith时，发出的是受激辐射光受激辐射光。 362学习幻灯（5）温度特性）温度特性 光功率随温度变化，原因是：1. 激光

125、器的阈值电流Ith随温度升高而增大，2. 光/电转换效率随温度升高而减小。 3. 升高超过一定数值时，LD就不产生激射。 363学习幻灯LDLD和和LEDLED小结小结1、均是“电子电子空穴复合空穴复合”产生光的原理；2、在复合过程中，都是以“光子光子”的形式发出的；3、LD是受激辐射（Stimulated emission） LED是自发辐射（Spontaneous emission）4、谱宽度：LD窄、LED宽。364学习幻灯LED通常和G.651多多模模光光纤纤耦合，用于1.3m(或0.85m)波长的小容量、短距离、低速率系统。LD通常和G.652或或G.655单单模模光光纤纤耦合，用于

126、1.3m或1.55m大容量、长距离、高速率系统。 365学习幻灯4.2.5 4.2.5 光源的调制光源的调制1.1.调制调制 可以分为： 直接调制直接调制 间接调制间接调制 366学习幻灯 直接调制直接调制是将信息转换为驱动电流后直接控制发光过程。 优点优点：调制原理简单、容易实现：缺点缺点：容易产生光谱展宽，使单模光纤的色散增加，限制传输容量。367学习幻灯 间接调制间接调制是先用信号控制元件，然后再和激光合成。 优点优点：能消除光谱展宽影响。368学习幻灯LD LD 外形图外形图369学习幻灯普通普通LDLD370学习幻灯LD+LD+电吸收调制器电吸收调制器+ +隔离器结构隔离器结构371

127、学习幻灯4.3 4.3 波分复用器波分复用器4.3.1 4.3.1 波分波分复用器的作用复用器的作用 波分复用技术波分复用技术是在一根光纤上同时传输几十甚至是几百个波长的技术。 波分复用器波分复用器（Wavelength Division Multiplexer，WDMWDM）是实现光波长的复用和解复用的器件，也可以称为合/分波。 12n 12n复用器光放大器解复用器 372学习幻灯373学习幻灯 1. 1.光栅型波分复用器光栅型波分复用器 光栅光栅是指在一块能够透射或反射的平面上蚀刻出一系列平行且等距的槽，以形成许多相同间隔的周期性狭缝（10 000线/厘米）。 光栅分波器的工作原理：布拉格

128、衍射现象。 光栅型波分复用器可以分为： 透射光栅型透射光栅型波分复用器（效率低、损耗大） 反射光栅型反射光栅型波分复用器 374学习幻灯输出光纤输出光纤光栅自聚焦透镜输入光纤输入光纤1 , 2 , 3以不同角度衍射321375学习幻灯2. 2. 多层介质膜型波分复用器多层介质膜型波分复用器 多层介质膜波多层介质膜波WDMWDM是利用镀在玻璃衬到底上的多层介质薄膜实现几十个波长的合/分波的器件。 多层介质膜WDM可以分为： 干涉滤波器型干涉滤波器型WDM 吸收滤波器型吸收滤波器型WDM。 376学习幻灯 多层介质膜干涉滤波器多层介质膜干涉滤波器的工作原理： 不同材料、不同折射率、不同厚度的介质膜

129、会对特定波长进行选择干涉滤波选择干涉滤波，只允许特定波长的光通过，而其它波长被反射。 输入输入 16135642377学习幻灯解复用解复用2532140解复用解复用18116解复用解复用916916解复用解复用17241740解复用解复用32402540 40波的波分复用系统的工作原理378学习幻灯3. 3. 阵列波导光栅型波分复用器阵列波导光栅型波分复用器 是利用波导光栅的原理实现合合/ /分波分波的器件。 在实际的高速、密集波分复用系统中使用最多的是阵列阵列波导光栅波导光栅（Array Waveguide Grating，AWGAWG）型WDM。 379学习幻灯18波导阵列输出耦合器输入耦

130、合器18阵列波导光栅型波分复用器工作原理图380学习幻灯4. 4. 梳形波分复用器梳形波分复用器 是一种将密集信道间隔变换为稀疏。 利用光梳形发波器可以将一列频率间隔为v的信号分成两列频率间隔为2v的信号，分别从两个信道交错输出。 381学习幻灯4.4 4.4 光放大器光放大器传统传统O/E/OO/E/O中继和光放大技术中继和光放大技术 光纤通信中的最大中继距离最大中继距离受光纤的损耗和色散损耗和色散影响，随着距离的增加，信号会逐渐减小。 光放大器光放大器出现之前，中继器采用光电光（光电光（O-E-OO-E-O）变换方式。 382学习幻灯l1l2lN.光纤l1l2lN光解复用.O/EADME/

131、O光复用l1l2lN.l1l2lN.光纤 传统的O-E-OO-E-O放大方式：首先解复用出单根光纤中的多个信道，然后对每一个信道进行放大，最后再复用在一起在往下传输。 配置复杂、耗能多、成本倍增。383学习幻灯问题问题：能否对光直接进行放大呢？答案答案： 经过人们的不断探索，最终实现了对光直接对光直接放大放大。 光放大器光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的又一个重要里程碑重要里程碑。384学习幻灯4.4.1 4.4.1 作用作用 光放大器光放大器就是为解决光纤和光器件衰减问题衰减问题而诞生出来的器件。 光放大器光放大器的优点： 能够直接放大光信号； 对信号格式和速率完全透明完全透明，使系统

132、更加简单、灵活。 385学习幻灯4.4.2 4.4.2 分类分类 目前，使用最多的是掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFAEDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）和光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器RFARFA（Raman Fiber Amplifier）。386学习幻灯4.4.3 4.4.3 工作波段工作波段 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器（EDFA）仅适用于放大C波带和波带和L波波带带光信号 拉曼放大器拉曼放大器(RFA)的应用范围比较宽，是实现宽带光放大宽带光放大的主要产品。 387学习幻灯例题： 给定一个信道间隔信道间隔，如何计算一个工作波段里含有的多少个工作波长工作

133、波长？388学习幻灯4.4.4 4.4.4 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 EDFAEDFA出现的时间背景 60年代就已经开始研究掺杂光纤放大器，把稀土金属离子掺入到纤芯中，可以提高光增益。但是一直没有重大的技术突破。 直到1987年，EDFAEDFA才取得突破性进展，英国南安普顿大学和美国AT&T Bell实验室同时报道了将稀土元素铒稀土元素铒掺入到光纤中可提供1.551.55 m m波段波段的光增益，随后才开始进入商用。389学习幻灯1.1. 工作原理工作原理 EDFA EDFA是以光纤中的Er+3离子的受激辐射受激辐射原理实现光放大的光放大器。 EDFA的核心部分是增益介质掺铒光纤增益介质

134、掺铒光纤隔离器隔离器用于抑制反射光进入光纤耦合器耦合器将弱光和泵浦光合并送进掺铒光纤从泵浦发出的980nm或1480nm等波长的激光进入光纤后激励铒离子产生受激辐射受激辐射，放大通过光纤的1550nm波长的光信号390学习幻灯 铒粒子的3个能级： 基态、亚稳态、泵浦态基态、亚稳态、泵浦态。 在亚稳态上粒子的平均寿命时间可以达到10ms10ms；在泵浦态，粒子在泵浦态上的寿命仅为1s1s。在光泵浦作用下，Er+3从基态跃迁至激发态，然后粒子又以非辐射方式由激发态至亚稳态，在亚稳态上积累，实现粒子数反转粒子数反转在光信号的感应下，亚稳态上的粒子以受激辐受激辐射射的方式跃迁到基态，产生一个与感应光子

135、完全一样的光子，从而实现光信号在掺铒光纤的光放大光放大在光放大过程中，亚稳态的粒子也会以自发辐射的方式跃迁到基态，自发辐射释放出的1520-1620nm范围的光子也会被放大。这种放大的自发辐射(ASE )会消耗泵浦功率并引入噪声噪声391学习幻灯 此动画为实现粒子数反转粒子数反转分布的动画：基态的电子在泵浦光的作用下被源源不断的抽运到泵浦态，泵浦态的电子以非辐射的形式跃迁到亚稳态。392学习幻灯 此动画为实现光放大实现光放大过程的动画：亚稳态上的反转分布粒子在信号光的感应下跃迁到基态上，释放出一模一样的大量光子，从而实现光放大。393学习幻灯 此动画是直接光放大工作原理的动画：无需转换为电信号

136、、通过一段特种光纤直接进行光放大、可以同时放大多个信道、装置简单（只需几个无源器件和低速电子元件）。394学习幻灯2 2 工作特性工作特性 （1 1）增益与输出功率）增益与输出功率 增益增益表示光放大器的放大能力。定义为输出功率与输入功率之比。 输出功率输出功率等于输入功率加增益增益。395学习幻灯输出功率随着输入功率的增加而增加，但在高功率下，输出功率增加的数量比在低的功率下要小得多。增益增益随着输入功率的增加而降低。 一个典型的光纤放大器的小信号增益大约为30dB，但是在高的功率下，小信号增益就减小到大约是10 dB。 396学习幻灯（2 2）工作波长）工作波长 EDFA是工作在15201

137、560nm的波长范围内对于小输入功率小输入功率，在15301535 nm处会出现一个增益峰值，比15401560 nm平稳段高约10dB对于高输入功率高输入功率，增益在整个波长范围都是均匀的397学习幻灯 由于 C波带和L波带放大器的工作范围分别是15301565 nm和15701610nm，实际应用中在整个波长范围内往往采用并联方式使用。398学习幻灯（3 3）增益均衡）增益均衡 小信号的EDFA在其整个工作波长范围的增益是不均衡（平坦）不均衡（平坦）的。 为了达到宽范围的增益平坦，需要采用增益均衡技术增益均衡技术，具体方法是： 利用不同类型的放大器，如光纤拉曼放大器来均衡EDFA的增益。

138、399学习幻灯（4 4）噪声系数）噪声系数EDFA的噪声主要包括：信号光的散粒噪声散粒噪声；自发辐射光的散粒噪声自发辐射光的散粒噪声；自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声差拍噪声；自发辐射光谱间的差拍噪声自发辐射光谱间的差拍噪声。 自发辐射光噪声会使信噪比减小自发辐射光噪声会使信噪比减小。 400学习幻灯 （5 5）放大器间距）放大器间距 放大器间距放大器间距就是两放大器之间的距离，它是由增益和噪声增益和噪声共同决定的。 放大器间距越长间距越长，需要的增益就越大需要的增益就越大。增益越大，与信号一起被放大的噪声越大噪声越大。 401学习幻灯3. 3. 应用应用 （1 1） 泵浦方式泵浦方式 ED

139、FA的泵浦源的泵浦波长有：820nm、980nm和1480nm。 其中980 nm和1480nm激光二极管具有噪声低、泵浦效率高、驱动电流小、增益平坦等优点，在实际中应用最多。 根据EDFA的泵浦源发出的光与信号光的方向相同与否，可分为：前向（同向）泵浦反向（后向）泵浦双向泵浦式EDFA 402学习幻灯反向泵浦（后向泵浦）型：输出输出信号功率高。信号功率高。正向泵浦（同向泵浦）型：具有好的具有好的噪声性能。噪声性能。输出信号功率比单输出信号功率比单泵浦源大约高泵浦源大约高3dB3dB，且放大特性与信号传输方向无关403学习幻灯（2 2） 基本应用基本应用 光放大器具体的应用形式有四种：后置放大

140、器在线放大器前置放大器补偿耦合器损耗放大器 后置放大器后置放大器：直接配置在发射机之后。信号可以放大到10dBm以上。能完成光信号的线性放大。容易增强光发射机输出功率。404学习幻灯 在线放大器在线放大器：插在线路中间，主要用于补偿光纤本身光纤本身的损耗。 目的是将一个弱信号放大，以便能传输到下一个跨距段。补偿耦合器损耗放大器补偿耦合器损耗放大器： 安放在耦合器前后，补偿器件器件耦合耦合所产生的损耗。前置放大器前置放大器：安放在接收机之前，放大进入接收机之前的弱信号弱信号，达到提高接收机灵敏度的目的。 405学习幻灯4.4.6 4.4.6 拉曼光纤放大器拉曼光纤放大器 1. 1. 工作原理工作

141、原理 当一个强泵浦光泵浦光通过光纤时，会引起光纤材料的分子振动，一部分泵浦光被分子振动散射散射，某些散射会发生频移频移。频移的量频移的量恰好等于分子振动的频率量频率量，其中高频段高频段的能量能量转移到低频段低频段，在低频上形成放大增益放大增益。 406学习幻灯波长分别为1550nm弱信号弱信号光和1450nm强强泵浦光泵浦光通过一个耦合器由左端注入光纤两束光在光纤中传输时，强泵浦光通过受激拉曼受激拉曼散射散射作用，将泵浦光的能量转换给光纤中的信号光从右端输出的是1550nm强光信号强光信号和减弱的1450nm泵浦光。407学习幻灯2 2 工作特性工作特性 （1 1）增益）增益 拉曼增益效率=

142、gR/ap 其中gR ：为拉曼增益系数增益系数； ap ：为光纤中的泵浦光束剖面面积泵浦光束剖面面积。 拉曼放大器拉曼放大器受到青睐的原因是其具有大的工作带宽大的工作带宽。 408学习幻灯（2 2）FRAFRA的噪声的噪声1自发拉曼散射噪声自发拉曼散射噪声是由自发自发拉曼散射经泵浦光的拉曼放大而产生的的背景噪声。泵浦光功率越大，自发拉曼散射噪声就越大。2瑞利散射噪声瑞利散射噪声是由光纤的瑞利散瑞利散射射引起的噪声。放大器增益越大，传输线路越长，瑞利散射噪声越大。3串扰噪声：串扰噪声：分为泵浦-信号之间的串扰噪声和泵浦介入信号串扰噪声。 409学习幻灯3.3.应用应用集中式集中式FRA是指采用1

143、0km 的高增益光纤作为增益介质增益介质，光功率为几瓦甚至十几瓦泵浦光源对信号光进行集中放大集中放大。主要用于EDFA不能放大的波段。拉曼放大器可拉曼放大器可以分为以分为分布式分布式FRA是利用几十公里的输光纤作为增益介增益介质质，使泵浦光源的光功率沿着光纤长度方向，对信号光进行分布放大分布放大。410学习幻灯拉曼放大器（拉曼放大器（FRAFRA）的优点）的优点1 1 1可以提供整个波段12701670nm的任一波长的光放大。2 2 2增益介质增益介质就是光纤本身，可以制成低噪声的分布式放大器分布式放大器。3 3 3自身固有噪声低；可以作为EDFA的补充。为实现2000km以上以上的超长距离D

144、WDM系统提供了一种有效解决方案。411学习幻灯（2 2）混合应用）混合应用 采用EDFA+FRAEDFA+FRA的混合放大的混合放大获得的性能要比单独采用EDFA或FRA的要好得多。 如单独使用EDFA的最长跨距是80 km，而采用混合放大，跨距可以延长到140 km。 412学习幻灯 长距离传输采用EDFAEDFA与与FRAFRA混合放大混合放大的好处： 增益增益可以互补互补； 总增益总增益得到提高提高； 放大频带放大频带得以拓宽拓宽； 链路配置配置更加灵活灵活。 最终使传输系统获得最佳增益。413学习幻灯4.5 4.5 色散补偿器色散补偿器4.5.1 4.5.1 色散补偿色散补偿1. 1

145、. 作用作用 光纤色散光纤色散会影响传输容量传输容量（速率和距离）。色散色散引起的脉冲展宽脉冲展宽会互相重叠，产生码间干扰码间干扰。414学习幻灯描述光纤“色散特性色散特性”的三个参数：色散系数色散系数（单位长度引起的时延差时延差）色散斜率色散斜率（色散系数随波长变化的关系）零色散波长零色散波长（总色散为零对应的波长） 415学习幻灯 举例：色散对距离的影响 当采用DFB LD直接调制时，最大传输距离可用下式表示： 式中，B是系统传输速率； D 为光纤色散系数色散系数； 是脉冲的均方根频谱宽度。 416学习幻灯色散补偿器色散补偿器： 就是一种用于补偿补偿光纤中色散色散的设备或装置。417学习幻

146、灯2. 2. 补偿方法补偿方法 色散补偿光纤色散补偿光纤 啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅 高阶模光纤法 虚像相位阵列 电子补偿电路418学习幻灯4.5.2 4.5.2 色散补偿光纤色散补偿光纤 色散补偿光纤色散补偿光纤DCFDCF（Dispersion Compensating Fiber）：是指具有负色散系数负色散系数的光纤。 419学习幻灯 普通DCF：适用于G.652光纤的C波段窄带补偿；宽带DCF：适用于G.652光纤的全C波段或全L波段补偿；高色散斜率DCF：适用于G.655光纤的全L-Band补偿；特高色散斜率DCF：适用于G.655光纤的全C波段或全L波段补偿。 420学习幻灯从中可以

147、看出，DCF的色散系数和色散斜率全是“负值负值”421学习幻灯的工作原理：的工作原理：就是将正色散系数光纤与负色散系数补偿光纤交叉连接，达到减小总色散的目的。422学习幻灯举例：P143 图4-49、P144 图4-50光纤色散补偿器的光纤色散补偿器的优点：优点：1、是无源器件；2、结构简单、实施容易、维护方便。缺点：缺点：1、每个色散段都要做补偿，增加了损耗；2、非线性效应大。423学习幻灯4.5.3 4.5.3 啁啾光栅色散补偿模块啁啾光栅色散补偿模块1.1.工作原理工作原理 光纤光栅光纤光栅就是用强光照射光纤，会导致光纤内部的折射率折射率沿轴向形成周期性或非周期性的变化，有些光会继续透射

148、向前传输，有些光会被反射回来，从而把光纤做成具有控制波长的光栅。424学习幻灯光纤光栅的布拉格反射条件： 式中，为光栅间隔， neff 是有效折射率，B 为布拉格中心波长。如果波长B 满足上面定义，光波就会从光栅中反射出来，利用这个特点可以实现色散补偿色散补偿。425学习幻灯 啁啾光栅色散补偿模块啁啾光栅色散补偿模块是利用啁啾光纤光栅而制成的色散补偿器色散补偿器件件（周期是不均匀的） 。 如图所示，短波长和长波长之间的时延差为： 式中，vg为光信号在光栅中的传播速度，Lg为啁啾光纤光栅的长度。 426学习幻灯2. 2. 模块性能模块性能 啁啾光栅色散补偿模块啁啾光栅色散补偿模块的优点优点： 无

149、源器件 长度短（1-25cm）、体积小； 受非线性效应影响小、对偏振模色散不敏感； 与光纤兼容性好、容易集成； 使用简单、维护方便； 系统可靠性高； 多用于40Gbps40Gbps及其以上的及其以上的DWDMDWDM系统 。 427学习幻灯 3. 3. 工程应用工程应用 通常和掺铒光纤放大器联合使用； EDFA补偿损耗损耗，啁啾光栅补偿色散色散。 由于啁啾光栅的带宽比较小，有时会当带通滤波器带通滤波器使用。 428学习幻灯4.6.5 4.6.5 色散补偿器性能比较色散补偿器性能比较 429学习幻灯4.6 4.6 偏振模色散补偿器偏振模色散补偿器4.6.1 4.6.1 补偿意义补偿意义 偏振模色

150、散偏振模色散PMD （Polarization Mode Dispersion）是指由一个光信号被分成两个偏振面相互垂直的光信号，各自以不同的速度和相位传播，在达到输出端会产生时延差时延差，引起光信号的脉冲展宽现象。 在高速系统中（大于10Gbps），这种PMD脉冲展宽和畸变，会引起码间干扰码间干扰、误码率增大误码率增大、限制传输速率和传输距离限制传输速率和传输距离。 430学习幻灯举例：PMD对距离的影响 最大传输距离最大传输距离公式： 式中，PMD是PMD系数系数（单位长度时延差）； B为传输速率。431学习幻灯 与其它色散相比，PMD对于10Gbps以上以上高速系统的传输距离的影响非常大

151、432学习幻灯4.6.2 4.6.2 补偿方法补偿方法 PMD补偿比较困难，主要是因为PMD系数系数很难预测，因此不能直接补偿。1、选择PMD系数小的光纤；2、选择不同的码型码型或调制技术调制技术，使PMD的影响降到最低；3、采用合适的补偿技术（如光域和电域补偿光域和电域补偿技术）。 433学习幻灯 （1 1）光域补偿）光域补偿 光域补偿光域补偿的工作原理：就是利用时间补偿器时间补偿器抵消两个主偏振模之间的时延差，使传输快的光速度放慢，以达到快光与慢光同步。434学习幻灯 光域补偿器光域补偿器一般由性能监控性能监控、反馈控制反馈控制和补偿单元补偿单元三个模块组成。 性能监控模块性能监控模块的作

152、用是提取光信号特光信号特征征，并传送到反馈控制模块反馈控制模块通过一定的计算方法产生调调整补偿单元整补偿单元，使其工作在最佳状态435学习幻灯 常用的常用的PMDPMD的光域补偿方案的光域补偿方案 主偏振态主偏振态PMDPMD补偿器补偿器 利用耦合器获得的部分光信号，在检测后作为反馈反馈控制控制信息，控制偏振控制偏振控制器器，使输入光信号的偏振态与光纤主偏振态一致。这种补偿方法对于长途通信长途通信而言，缺乏可行性。为了避免反馈控制信息长距离传输，又研究出了在接收机端前面的补偿，即后补后补偿技术方案偿技术方案436学习幻灯 固定固定PMDPMD补偿器补偿器 由偏振控制器、保偏光纤、反馈信号控制和

153、性能监控四部分组成。 保偏光纤保偏光纤具有很高的双折射率，能够使线性偏振光在其中传播时保持偏振态不变偏振态不变利用性能监控性能监控和反馈控制模块反馈控制模块调整偏振控制器偏振控制器，使得整个线路的主偏振态与输入信号的偏振态一致固定固定PMD补偿器补偿器特别适用于40Gbps系统的PMD补偿437学习幻灯 动态动态PMD补偿器补偿器 由偏振模色散补偿器、偏振模色散监测和逻辑控制三部分组成。偏振模色散监测偏振模色散监测用来监测PMD，将检测信息检测信息传递给逻辑控制单元逻辑控制单元逻辑控制单元调节PMD色散补偿光，实现对系统PMD的补偿。438学习幻灯 与光域光域PMDPMD补偿技术补偿技术相比，

154、电域补偿技术电域补偿技术具有价格便宜、设备紧凑、与光接收机集成容易等优点。439学习幻灯（2 2）电域补偿）电域补偿 电域补偿电域补偿又被称为电均衡。可分为线性均衡线性均衡和非线性均衡非线性均衡。 线性均衡线性均衡的原理：是将电信号分成若干路，对不同时延不同时延进行合成，调整每路信号乘以不同的权值，使延时减小。 非线性均衡非线性均衡的原理：是利用判决反馈平衡器判决反馈平衡器来减小延时的技术。 440学习幻灯回顾回顾441学习幻灯4.7 4.7 光电检测器光电检测器 光接收机的作用光接收机的作用：探测经光纤传输后幅度被衰减、波形被展宽的微弱光信号，并进行放大、再生，恢复原始信号。 光电检测器光电

155、检测器是光接收机的核心部件，是利用光电效应光电效应完成光信号转光信号转换为电信号换为电信号的器件。处理电路电信号放大4.7.1 4.7.1 作用作用442学习幻灯光接收机的主要组成光接收机的主要组成 前端线性通道判决再生（数据恢复）光检测器在接收机中的位置光检测器在接收机中的位置：完成光光电转换电转换后，将光电流（非常小nAA量级）送入前置放大器进行放大。443学习幻灯 对光电检测器光电检测器的要求：1、光光电转换电转换效率要高；2、响应速度快响应速度快，或带宽宽，这样接收信号就不容易失真； （对于10Gbps以上的高速系统，一般要求小于10ps）3、灵敏度要高灵敏度要高；4、功率消耗要低功率

156、消耗要低；5、为了便于耦合 与光纤尺寸匹配与光纤尺寸匹配；6、稳定、可靠、便宜稳定、可靠、便宜。 444学习幻灯4.7.2 4.7.2 性能性能 光检测器的内在机制是受激吸收受激吸收，当入射光进入PN结后会被吸收，产生一个电子电子- -空穴对，空穴对，在反向电压的作用下，这些电子-空穴分别向左右两侧运动，形成光生电流光生电流。引入一个物理量量子效率量子效率 445学习幻灯1.1.响应度响应度 R = Ip / Pin = /1.24 量子效率量子效率和响应度响应度R R 反映了光转换为电流能力的大小，它们均跟PNPN结的材料结的材料有关。 值一般为30%90% ； R 取值参考P152 表4-

157、12 446学习幻灯2.2.带宽带宽 响应速度响应速度是光电管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的物理量，用响应时间响应时间或响应带宽响应带宽表示。 10%高度90%高度定义： 响应时间响应时间是光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%所用的时间，用Tr 表示。447学习幻灯 Tr 既与电子和空穴穿越电极所花费的时间有关（穿越时间），又跟产生光电流的电路的响应时间有关，具体为： Tr =（Ln9）（ RC + tr ） 其中： RC 是RC电路的时间常数； tr是穿越时间。 448学习幻灯光电检测器带宽带宽的定义： f f = 1 / 2 = 1 / 2 （ RC RC + + tr t

158、r ） 其中： 在实际应用中， f 越大越好，要求RC 、 tr越小越好。对于1Gbps以下的系统来说， RC 和 tr大约为100ps。但对于10Gbps以上的系统来说， 要求RC 和 tr要小于10ps。449学习幻灯4.7.3 4.7.3 常用光电检测器常用光电检测器 PINPIN光电二极管光电二极管（简称光电管光电管）（Positive Intrinsic Negative Photodiode ）APDAPD光电二极管光电二极管（简称雪崩光电管雪崩光电管）（Avalanche Photo Diode）说明： 了解光电转换，必须研究好光电检测器使用的材料材料和结构结构。 材料主要有Si

159、、Ge、GaAs、InGaAs、InGaAsP。 产生光电流的条件是光子的能量应该等于或者超过带隙能量光子的能量应该等于或者超过带隙能量。 450学习幻灯Si和GaAs主要用在650 nm的塑料光纤的和850nm的短短距离通信距离通信；Ge的波长范围非常宽，但其在1550nm的灵敏度很低，而且其啁啾噪声比其它材料高得多；InGaAs和InGaAsP的波长为1250-1700 nm，是长波长通信长波长通信最常用的光电检测器。451学习幻灯4.7.4 PIN4.7.4 PIN光电二极管光电二极管1.1.结构结构普通光电二极管的工作原理普通光电二极管的工作原理 在耗尽区 形成漂移电流漂移电流。 内部

160、电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动电子和空穴的扩散运动 PN结合区 自建电场 称耗尽区耗尽区 452学习幻灯如果光子的能量大于或等于带隙(hf Eg) 当入射光作用在PN结时 发生受激吸收受激吸收在 PN 结施加反向电压（N接正、P接负）的情况下，受激吸收过程产生的电子电子 空穴对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，从而在外电路形成光生电流光生电流。当入射功率变化时，光生电光生电流流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。453学习幻灯在耗尽区两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部部分分光光生生电电子子和和空空穴穴通过扩散运动也会进入耗耗

161、尽尽层层，然后在电场作用下，形成和漂漂移电流移电流相同方向相同方向的扩散电流扩散电流。 由于扩扩散散比漂漂移移慢得多，为了提高响响应应速速度度，就要减减小小扩扩散散运运动动，增加漂移电流，解决方案就是要对PN结结构加以改进。454学习幻灯 改进方案改进方案 就是减小p区与n区的宽度和增加耗尽区增加耗尽区的宽度，使耗尽区可以充分吸收入射光。 增加耗尽区的宽度的最简单方法是在PN结之间插入一层未掺杂（或轻微掺杂）的本征半导体材料本征半导体材料（Intrinsic material），形成p-i-np-i-n结构。结构。 455学习幻灯这种结构就叫PINPIN光电二极管光电二极管（简称为PIN）。这

162、种改进的好处是：1 1、提高系统的灵敏度；、提高系统的灵敏度； 2 2、提高阈值电流。、提高阈值电流。 456学习幻灯 耗尽区宽度及材料选取耗尽区宽度及材料选取 Si和Ge材料：一般在2050m； InGaAsInGaAs材料：约在35m之间。 实际应用中，多采用双异质结结构，中间层选InGaAs，p层和n层选InP，量子效率可达100%。 这种结构常用在622Mbps以下波长为1.3-1.6m的系统中。457学习幻灯2.2.工作原理工作原理 PN结施加反向偏置使之形成一定范围的耗尽区； 当光射入PN结时，光子能量h大于或者等于带隙能量Eg时，光子会释放它的能量，将电子由价带激发到导带而产生光

163、生载流子光生载流子，即电子电子- -空穴对空穴对。 在电场的作用下，电子将向N区漂移，而空穴将向P区漂移，从而形成光生电流光生电流。 当入射光功率变化时，光电流也随之产生线性变化，从而将光信号光信号转换成电流信号电流信号。 458学习幻灯 此动画为PINPIN光电二极管工作原理光电二极管工作原理动画。459学习幻灯3. 3. 工作特性工作特性 量子效率量子效率跟前面描述一样。最小可检测功率最小可检测功率是描述光电二极管灵敏度的基本参数。 响应时间响应时间表示光电二极管对瞬时变化光信号的响应能力。暗电流暗电流是主要噪声来源（无入射光的电流）。460学习幻灯4.7.54.7.5APDAPD雪崩光电

164、二极管雪崩光电二极管 1.1.结构结构 APD是一个光电二极管光电二极管和一个电电信号放大器信号放大器的集成器件。 在PIN增加了一个层（层（i i区）区），组成了n+pp+多层结构。其中，n+表示重掺杂的N N型型； p+表示外延的重掺杂的P P型型。 区区是i本征材料（耗尽区），吸收光子产生一次电子电子空穴对空穴对；p层层位于n+和之间，称倍增层倍增层，通过碰撞电离在倍增层产生二次电子二次电子空穴对空穴对。461学习幻灯APDAPD可分为：1、Si APDSi APD（适合波长为0.8m，速率100Mbps的系统）；2、Ge APDGe APD（暗电流和附加噪声大，在实际中很少用）；3、I

165、nGaAs APDInGaAs APD （适合波长为1.31.60m，高速系统增益可以达到100倍）。 InGaAs的带隙相当窄，在1105V/cm的电场下，容易出现隧道击穿。采用异质结异质结APDAPD解决隧道击穿问题。 462学习幻灯具体做法： 是在增益区使用一个InP层，这样做的目的，即便有大于5105V/cm的高电场都不会发生隧道击穿。 这种结构的APD称为吸收区和倍增区分开的APD（SAM-APDSAM-APD，Separate Absorption and Multiplication）。 这种结构得到了20-30倍稳定增益，被广泛应用在高速系统中。463学习幻灯2.2.工作原理工

166、作原理 当APD加上足够高的反向偏置电压时，在耗尽区内的光光生载流子生载流子从耗尽区强电场中会获得高于带隙高于带隙的能量，通过与晶格原子晶格原子的碰撞，会将一个束缚价电子束缚价电子激发为自由电子，产生新的电子新的电子- -空穴对空穴对。 这些二次激发的载流子又可以不断产生新的碰撞，造成载流子在耗尽区内的雪崩式倍增雪崩式倍增，从而在外电路中产生光电流的增益。 464学习幻灯 此动画为APD的场分布动画：由于高电场区的雪崩电离，外电路形成倍增的光生电流倍增的光生电流。465学习幻灯 PINPIN与APDAPD的差别是：1、PIN不能使原信号电流发生倍增，而APD能使原信号光电流发生倍增倍增，从而使

167、接收机的灵敏度增加灵敏度增加。2、遗憾的是在雪崩倍增效应的同时，噪声电流亦有放大，带来新的噪声成份新的噪声成份。 466学习幻灯 3. 3. 工作特性工作特性 雪崩电压雪崩电压是当APD产生自持雪崩时的电压，其数值的大小与材料、器件结构不同而不同。倍增因子倍增因子定义为总的输出电流与一次光电流的比值。暗电流暗电流为无光照射时反向偏压下的电流。467学习幻灯 468学习幻灯4.8 光分插复用器4.8.1 作用 光分插复用器可以实现光波长上下的器件。光分插复用器（Optical Add and Drop Multiplexer，OADM）的作用是在波分复用干线和城域光网络中，在保持其他信号作为一个

168、整体传输信道中传输时，可以上下一个或多个信道，而其他信号不会受到任何影响。OADM是WDM全光网的核心器件之一。OADM对全光网的传输能力、组网方式、性能监控、网络传输特性等具有重要的影响。如图4-62所示光分/插合波器是一个上下波长的光器件，其可以从复用在光纤的波长1，2，iN中有选择地分出所需要的波长，直通其它所有的波长，同时也能够插入相同方向的数据内容不同的同一波长到传输光纤上。光网络的构筑演进过程既标志光器件的进步又促进了网络功能日益完善。光网络由点到点的波分复用链路到分插复用的总线网络，再到具有复杂的光交叉功能的网形网发展，恰好是利用了OADM具有的光信号的上下和光交叉连接（Opti

169、cal Cross Connect Equipment，OXC）设备具有的光信号的交叉连接赋予网络的可靠性业务管理等功能。由此可见，OADM和OXC是构建光网络的关键组件。469学习幻灯 OADM作为构建光传送网最重要的器件，它的主要功能是从传输设备中选择出下路通往本地的光信号，同时上路本地用户发往另一节点的光信号，而不影响传输设备中的其他波长信道的直通传输，这就是相当于在光域内实现了传统SDH设备中的电分插复用在时域内的功能，但是与电分插复用器（ADM，Add and Drop Multiplexer）相比，OADM比ADM更具有对业务的透明性，它可以处理任何格式和速率的信号，从而使整个光纤

170、通信网的灵活性大为提高。因此，OADM的主要功能可以简单地概括为：光信号直通能力；光通道的上路和下路能力；指配功能：端口对不同通道的选接能力；组网的自愈保护倒换能力；对光信号的不平坦进行功率均衡；对光信号进行放大。 按照是否具有重构功能，OADM结构可分为：非重构型OADM和可重构型OADM两种类型。 非重构型OADM主要是采用光复用/解合波器以及固定的滤波器等无源器件组成，主要完成在一个节点上下固定的一个或多个波长，其节点的路由固定。可重构型OADM主要采用光开关、可调谐滤波器等光器件构成，能动态调整OADM节点上下话路的波长，或者可变换波长，从而达到光网络动态互连的功能。470学习幻灯4.

171、8.2 工作原理 1. 非重构型OADM的结构（1）合波器+滤波器+分波器 图4-63所示的是由合波器+滤波器+分波器组成的非重构型OADM的结构方案。在这种方案中合波器及解合波器可以是普通的复用/解合波器，如：多层介质膜或阵列波导光栅（AWG）型等。 这种方案的波分复用光信号的波长具体上/下路过程是，来自干线的 复用光信号先通过解合波器分解成单个波长，由滤波器选择出干线下路到本地的波长，本地上路到干线的波长也是通过滤波器选择出从本地上路到干线的波长，经过复用后再重新构成输出的干线光信号。这种方案的优点在于结构简单、时延小、插入损耗低。采用滤波器，选择需要上下的波道，可直接上下预先固定的一个或

172、多个波长，但不提供光交叉能力，为固定式上下波长的OADM系统。471学习幻灯（2）分波器+空间交换单元+合波器 图4-64所示的是分波器+空间交换单元+合波器组成的方案。在这种方案所采用合/分波器可以与上述方案一样的普通的合/分波器，如：多层介质膜或阵列波导光栅型等；空间交换单元则可以是简单的光开关或光开关阵列，使波长具有无阻塞交叉能力。由于采用了波长转发器，可以插入任何波长的业务，对于通过和插入方式的光信号不存在输入损耗问题。尽管这种OADM方案具有结构简单，对上下话路的控制比较方便；但是所用的器件本身损耗比较大，这样就使得OADM节点的损耗很大。除此之外，光开关的响应速率较慢，其时延会造成

173、实时数据的丢失。472学习幻灯2. 可重构型OADM的结构（1）声光可调谐滤波器的OADM结构 可重构型OADM是具有快速选择上下波长能力，可以根据网络需求动态建立和取消光通道的OADM。目前，国内光纤通信设备制造商都可提供固定波长上下的非重构型OADM，对于波长可选择或波长可变换的OADM已经达到商用水平。特别是具有超长距离传输和可重构的光分插复用（Reconfigurable Optical Add and Drop Multiplexer，ROADM）功能的波分复用系统在光网络上的应用的增加，ROADM的使用正在逐渐普及。究其理由是ROADM具有方便的配置、可以改变波长的资源分配，可以满

174、足动态的业务需要等功能。为此，读者有必要了解OADM的具体类型和结构组成。 声光可调协滤波器（Accousto Optic Tunable Filter，AOTF ）具有很宽的调谐带宽、快速调谐速度和高隔离度等优点。图4-65所示的是由AOTF组成的OADM结构，其中AOTF则由换能器和声光晶体构成。AOTF组成的OADM工作原理是，来自干线的输入WDM信号进入AOTF后经偏振分束器（PBS）分成TM模和TE模后进入声光波段选频f控制的模式转换单元，选频f针对不同的干线下路波长进行调谐，当选频f调到一个下路波长1的相应频率时，当WDM信号经过模式转换单元时，波长1光的TE模和TM模发生转换，T

175、E模变为TM模，TM模变为TE模，经下一个PBS后从下路端口输出下路到本地，其他波长信号和上路波长经模式转换单元后没有发生模式变换，而直接从输出端口输出到干线。同样，上路波长经模式转换单元后也复用进入输出光纤进入干线。473学习幻灯 在AOTF中无可移动的部分，只靠施加信号变可有序或无序地实现高速波长调谐，具有调谐范围宽、调谐速度快以及隔离度高等特性。但是由于AOTF器件插入损耗大、边模抑制特性差、偏振敏感等问题，使其实用化受到一定程度的限制。但是近年来，上述特性得到了较大的改进，使其得以在建设高性能全光网络中大显身手。 无论采用哪种光分/插复用的原理，OADM都应该具备共同的性能要求。这些性

176、能要求包括下列内容：1. 低插入损耗；2. 高隔离度；3. 偏振不敏感；4. 光信号波长稳定；5. 操作简单；6. 高性能价格比等。OADM可以用于CWDM的光环路中的上下话路的分/插复用，光交叉系统、有线电视以及其它网络的升级扩容。474学习幻灯4.9 光开关4.9.1 作用 光开关是实现光通路转换的功能器件。它可以将其具有多个输入、输出端口任意输入端口的光信号转换到任意输出端口的。光开关在光网络中的的作用是，实现不同光通路上的快速倒换。光开关不仅可以用作简单的光信号倒换开关，而且可以构成光分插复用器和光交叉连接器内部的核心开关矩阵，灵活调配波长通路。光开关所具有的光通路快速倒换功能，使其在

177、光网络的灵活组网和保护恢复中扮演着非常重要的作用。 从影响业务动态配置和线路故障保护倒换角度分析，光网络需要光开关的动作越快好越。光环形自愈网的倒换要求在50ms完成。50ms时间包括故障定位时间、信令处理和传输时间和光开关动作时间。这样光开关的开关时间就应该10 ms。在高速光分组交换网络中，光开关的开关时间必须小于数据包的持续时间，这时所要求的光开关的开关时间为1ns 。在光信号的外调制的应用中，光开关动作时间一定要小于1比特的时间带宽。如果要调制一个10Gbit/s（1比特持续的时间为100 ps）的光信号，光开关的动作时间应该小于10 ps 。 如上所述，在光网络的不同位置，应该选用不

178、同的光开关。因此，我们所要关心的问题就是光开关的分类方法和工作原理。尽管商用的光开关品种繁忙多、结构各异，但是按照工作原理的不同，光开关可以分为：机械光开关、固体波导光开关和其他原理（例如。气泡和液晶等）光开关。475学习幻灯4.9.2 工作原理1. 机械光开关 机械光开关的开关的工作原理是借助于机械活动机构进行开关动作。机械光开关的工作原理是利用步进电动机、压电变化元件或伺服电动机等机械机构移动光纤，自由空间棱镜或反射镜等来改变光信号的传播方向实现光信号的通路倒换。机械光开关的特点表现在，开关技术成熟、动作结构简单和价格便宜等。因此，在实际工程中广泛使用的是机械光开关。（1）机械光开关 机械

179、光开关工作原理利用机械运动机构移动光纤或光学器件完成光信号的开关功能。按照移动的对象不同，机械光开关可以仔细分为：光纤光开关和光学器件光开关。 光纤光开关的工作过程是，利用步进电动机带动和平移一组带有输入光信号的光波导，变换其与一组输出光波导的位置，完成输入光信号到设计的输出光纤的光通路的开关。利用1N的光开关可以构成NN的光纤开关。如果N的数字为256，那么就可以构成256256的大型光开关。 光学器件光开关的工作过程是，通过移动反射镜或透镜，使输入的光信号聚焦到不同的输出光纤中。利用精密的光学器件（反射镜或透镜）光开关可以制作光交叉连接器，以完成光网络交叉节点的光通路的交叉连接。有关光学器

180、件光开关的详细内容，请读者参阅毒有关光交叉连接器内容。476学习幻灯（2）微电子机械系统光开关 微电子机械系统光开关是利用非常小的可移动微反射镜改变光的方向的光开关。微电子机械系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）是一种将微机械机构、光学器件和电子器件集成在一个硅基片上的微小电子机械系统。这个微小电子机械系统可以一个独立是器件形式用作光开关。 MEMS光开关的工作原理是，利用静电驱动力（反向充电的机械元件的吸引力），使微小反射镜的发生上下、左右或旋转等细微移动实现光开关的开关功能。图4-66所示的是3维（3D）MEMS光开关的具体的工作原理，输入的光

181、信号首先通过输入光纤阵列，经过微小透镜变换成平行光束射向可以移动的阵列微小反射镜，经过微小反射镜反射的输出光信号再由输出透镜聚焦到输出光纤阵列上到希望到达输出光纤，完成光信号的路由选路过程。477学习幻灯2. 固体波导光开关（1）热光开关 热光开关是依靠温度对热光材料的折射率的改变光路的开关的功能器件。在热光开关中，以向加热器通电方式，通过温度变化引起折射率变化，使光波产生相对相位移，实现光信号的开关功能。按照基本结构不同，热光开关可以分为：最简单的12的Y形分支器结构和22的马赫-曾德尔干涉仪结构。 图4-67绘制出了马赫-曾德尔干涉仪结构的热光开关的开关工作原理。入射的输入光信号在第一个3

182、dB耦合器分成两路，各自沿着不同的光波导体传输，然后经过第二个3dB耦合器汇合并再次分离至不同的输出端口。如图9-12所示，光信号由左侧输入，当加薄膜加热器断开时，马赫-曾德尔干涉仪的相位移为0，考虑到3dB耦合器沿着耦合输出方向与沿着直通输出方向存在/2的相位延迟， 在光信号输出端1处，来自输入端的两束光信号一路经过耦合器的两次耦合，另一路则经过耦合器的两次直通，累积相位差为，从而满足相干相消条件，输出光信号被大大削弱甚至断开；而光信号输出端2处，两束光信号分别经过2次直通，一次耦合，总的相位保持同步，从而发生相干相长条件，使得输入光信号主要从光信号输出端2输出。478学习幻灯（2）半导体放

183、大器电光开关 半导体光开关的工作原理是利用SOA的放大和吸收（截止）状态实现光信号的开关。半导体放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）是是一种广泛使用的全光放大器件。半导体光开关是由SOA门阵列和合/分波器共同组成的。半导体光开关利用的是，在不同泵浦状态下，SOA对入射光信号的吸收或放大特性而构成基本门型光开关单元。 半导体光开关的工作原理是利用SOA的放大和吸收（截止）状态实现光信号的开关。半导体光开关处在断开状态时，SOA对入射光信号不透明，即光信号在SOA被吸收；半导体光开关处在闭合状态时，允许入射光信号通过SOA且同时得到放大。图4-68所示的

184、是利用SOA构成的 22光开关。22光开关是由4个SOA组成的光门阵列。彼此通过波导连接，通过控制各路SOA的开关状态，可以实现光信号由任意输入端到任意输出端的定向连接。479学习幻灯3. 气泡光开关 气泡光开关是通过液体波导中移动的气泡能通过全内反射实现光通路开关的光开关。气泡光开关是在成熟的SiO2平面光波技术基础上，结合喷墨打印机驱动原理开发出的一种新型光开关。气泡光开关是由硅材料构成热喷墨元件和在SiO2基底上制作了两束彼此交错1200平面波导和在平面波导交叉点蚀刻的液体通道（波导）组成。每束波导包括若干个平行波导，平行波导的折射率高于SiO2基底折射率，液体通道中注有的匹配液体（折射

185、率与平行波导的折射率相同）。热喷墨元件（加热电极）安装在每个交叉点的上方的SiO2基底内部。 图4-69所示的是气泡光开关的工作原理，其是利用液体通道（波导）中移动的气泡能够使入射平面波导的光信号发生全反射来实现光信号的开关。具体地讲，通过控制微小的生成或者消除，实现光传输通道中的各个交叉点光信号的直通或反射，从而达到光信号的空间选路交换的目的。气泡光开关的光信号开关过程：在加热电极断开的情况下，平行波导交叉点充满匹配液体，以形成连续光波导，入射平面波导的光信号可以直接通过交叉点，保持同一方向传输。当需要改变入射平面波导的光信号传播路由时，利用加热电极加热匹配液体产生一个微小气泡，微小气泡移动

186、到平面波导交叉位置，气泡的折射率小于匹配液体（1 1.45），平面波导的交角是锐角大于全内反射角，借助微小气泡的全内反射作用，将入射平面波导的光信号转换到其他的输出波导。鉴于气泡光开关的存在与否直接决定着开关工作质量，为此气泡光开关的研究重点是，1. 微小气泡的产生的位置；2. 微小气泡的产生或消除机理；3. 微小气泡能否持续工作20年时间等问题。480学习幻灯4.10 光交叉连接器4.10.1 作用 光交叉连接器是能够将光信道的信号或某个波长的光信号从一根光纤直接转接到另一根光纤的器件。光交叉连接器（Optical Cross Connector ，OXC）的作用是，按照网络恢复或业务变化的

187、需要，在光纤或波长上，完成网络的动态重构，在光域上实现多个输入和多个输出光信号之间的光交叉连接。OXC主要用于网状网中的环或不同节点的互连。OXC和OADM赋予光网络的灵活组网和控制管理功能。从而引起了光网络技术革命。 OXC的主要功能是从传输设备中有选择地下光信号，同时上路本地用户发往另一节点用户的光信号，而不影响其他波长信道的传输。OXC不仅具有很大的交叉容量，而且可以透明的处理任何格式和2.5Gbit/s以上高速率的光信号。OXC具有：光通路配置、故障恢复和信号监视三大功能。OXC满足光网络管理可靠性、组网灵活性和提高网络效率的关键设备之一。 OXC主要由光交叉连接矩阵、输入接口、输出接

188、口、管理控制单元等模块组成。如图4-70所示。为增加OXC的可靠性，每个模块都具有主用和备用的冗余结构，OXC自动进行主备倒换。输入接口、输出接口直接与光纤链路相连，分别对输入输出信号进行适配、放大。管理控制单元通过编程对光交叉连接矩阵、输入接口、输出接口模块进行监测和控制。监测的内容包括：输入输出信号丢失，输出信号劣化，激光器恶化，激光器失效（温度超出范围或失控），OXC内部运行状态等。控制内容包括：交叉连接控制，主备保护倒换等。光交叉连接矩阵为0XC的核心，其是技术的关键，要求无阻塞、低延迟、宽带和高可靠，并且要具有单向、双向和广播形式的连接功能。481学习幻灯4.10.2 工作原理 1.

189、 工作原理 在DWDM系统中，光交叉连接可以在不同层面进行。例如，光交叉连接既可以在光纤上进行又可以在波长上进行。图4-71所示的是光纤交叉连接（Fiber Cross Connect，FXC）工作原理图。FXC可以将任意一根输入光纤中的所有波长一次性地交叉连接到任意一根输出光纤，即以一根光纤上所有波长的总容量为基础实现交叉连接，其角色实质上就是自动光纤配线架，结构简单，交叉连接的容量粒度最大，可以提供最简单的配置和网络恢复能力。对于某些经常发生像光纤切断之类大故障的地区，FXC是一种可行的解决方案。然而，在多数网络应用及其交换的容量粒度太大，不够灵活有效，无法提供端到端的波长业务。 在波长上

190、进行交叉连接可以进一步细分为：波长选择交叉连接和波长变换交叉连接两个子类。所谓波长选择交叉连接（Wavelength Selective Cross Connect，WSXC）是，在不变化波长的前提下，在任何光纤之间实现同一波长的交叉连接，如波长1、2、3和4从输入端1号光纤输入，波长选择交叉连接可以将这4个波长选路到输出端口的1、2、3和4号光纤上去。 从功能上看，WSXC首先需要将所有输入光纤中的波长复用信号分别解复用成一个个的单个波长，然后由内部开关矩阵完成波长间的选择交叉连接功能，即波长选路功能，最后再将经过WSXC后的波长重新组合复用给相应光纤输出。482学习幻灯 2. 结构类型（1

191、）空间交换的OXC结构 空分交换与合/分波器结合的OXC 图4-72所示的是具有光交叉连接矩阵OXC结构。空分交换技术与波分复用的合/分波器结合的OXC的具体工作过程是，首先利用波分复用的分波器将链道路中的波分复用信号在空间上分开，其次利用空分交换技术 (主要是空间交换矩阵) 在空间上实现交换，然后使完成交换后的各个波长信号直接经过合波器复用输出到传输链路中。同时，还可在输出端增加波长转换器，可支持波长变换。图4-81所示的就是具有波分复用的合/分波器和光交叉连接矩阵的OXC结构。 光交叉连接矩阵为M条光纤入，M条光纤出。一条光纤中的N个波长光信号通过1N分波器分解为个单波长光信号，M条光纤中

192、的光信号分解为MN个单波长光信号，在光空分交叉连接矩阵内进行交叉连接。交叉后的光信号经过波长转换器，由合波器复用进M条光纤，每条光纤包含N个波长的光信号，因此要求光空分交叉连接矩阵大小为（MN）（MN）。 当传输网络使用单一波长（N=1）传输信号时，图4-81所示的结构中可以省略1N分波器，波长转换器，N1合波器。单一波长光信号直接在光空分交叉连接矩阵内进行交叉。如果0XC设计最大光纤入出为M，则光空分交叉连接矩阵大小为MN。483学习幻灯（2）全光波长变换的OXC 阵列波导光栅复用器的多级波长的OXC 阵列波导光栅复用器的多级波长的OXC结构巧妙地利用了阵列波导光栅复用器的特性，通过级联多级

193、波长复用器，实现在波长域光通道的交换。一个阵列波导光栅复用器可以同时实现波分复用和解复用功能，并且可以将自由光谱区域的整数倍的多个波长复用到一个输出端。如图4-73所示，11波长变换器是由一个解复用器、M个波长变换器和一个耦合器构成。它的主要功能是完成M个输入波长转换为 R 个内部波长中某个波长的功能。当R(2M-1)/N N时，这种多级波长的OXC结构可以绝对无阻塞的虚波长通道交叉连接。 由图4-82可知，这种OXC结构具有波长模块性，但是不具有链路模块性。如果波长变换器中使用的是解复用器，它不具有广播发送能力；如果波长变换器中使用的是可调滤波器，它则具有广播发送能力。这种结构需要2个阵列波

194、导光栅复用器和3N 个11波长变换器，后者相当于3N 个解复用器和3MN个波长变换器，。 通过增加波长变换器数或空间光开关数改进措施，可以减少所需要的内部波长数，从而达到降低了对波长变换器的性能要求的目的。在两种改进的结构中，当R(M/N N时，这种多级波长的OXC结构就可以绝对无阻塞的虚波长通道交叉连接。484学习幻灯 完全波长交换的OXC 完全波长交换的OXC结构是利用输入端和输出端的波长交换器实现波长域的光通道交换。这种完全波长交换的OXC结构是由波长交换器、星形耦合器和可调谐滤波器构成，如图4-74所示。485学习幻灯小结 最简单的光纤通信系统是由光源、光纤和光电检测器三大功能器件组成

195、的。光源是光纤通信系统的核心器件。光源的研究经历了由发光管、FP LD到DFB LD 、多量子阱激光器DFB LD发展过程。发光管的工作原理是自发辐射，而激光器的工作原理则是受激辐射放大。激光器利用光反馈装置、选频元件和变化有源结构来改善激光器的光谱线宽、阈值电流、温度稳定性能等。同时，人们利用间接调制技术获得了高质量的输出光信号。 光放大器是实现全光传输的技术保障。EDFA是利用掺杂的铒离子受受激辐射释放光子对传输的光信号进行放大。EDFA需要借助增益介质、其放大波长范围和噪声，使得它的应用受到一定的制约。FRA是利用高功率泵浦激光器使传输光纤产生非线性效应拉曼散射，通过频移方式实现传输光信号的放大。FRA以其具有低噪声和可以实现任意波长光放大，受到用户的青睐。FRA+FRA是实现高速度效率、大容量和永远距离传输系统的光放大最佳方案。 波分复用器既解决电子器件速度限制问题，又可以实现一根光纤同时传输几十乃至数百个波长信号，波分复用器产品结构的演进经历了一个由熔锥、多层介质薄膜、阵列波导到梳形波分复用器研制过程，使得合/分波的信道间隔由地变小，大大地提高了复用信道数量，。从而为光网络的扩容升级别和灵活组网创造了良好的工作氛围。 486学习幻灯487学习幻灯