《光通信技术与网络》PPT课件

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1、光与现光与现代科技代科技光与现代科技光与现代科技讲座讲座第八章第八章 光通信技术与网络光通信技术与网络2024/8/201光与现光与现代科技代科技光与现代科技讲座光与现代科技讲座 第一章第一章 绪绪论论 2 2第二章第二章 光源与激光器光源与激光器 2 2第三章第三章 光纤与光学传感技术光纤与光学传感技术 4 4第四章第四章 激光在现代医学中的应用激光在现代医学中的应用 4 4第五章第五章 激光在军事技术中的应用激光在军事技术中的应用 4 4第六章第六章 激光在现代工业和加工中的应用激光在现代工业和加工中的应用 4 4 第七章第七章 光与信息技术光与信息技术 4 4第八章第八章 光通信技术与网

2、络光通信技术与网络 6 6第九章第九章 光学成像、全息与显示技术光学成像、全息与显示技术 2 2第十章第十章 光电集成与纳米技术光电集成与纳米技术 2 22024/8/203光与现光与现代科技代科技第八章第八章 光通信技术与网络光通信技术与网络8.1 光通信原理光通信原理8.1.1 光通信的发展与现状光通信的发展与现状8.1.2 光通信的特点光通信的特点8.1.3 光通信系统的组成与光通信系统的组成与分类分类8.2 光通信的器件光通信的器件8.2.1 光源光源8.2.2 光检测器光检测器8.2.3 光无源器件光无源器件8.2.4 光放大器光放大器8.3 光纤通信系统与网络光纤通信系统与网络8.

3、3.1数字光通信系统数字光通信系统8.3.2光纤辅助系统光纤辅助系统8.3.3光光超长波长光通信系超长波长光通信系统统8.3.4多信道光波通信多信道光波通信系统系统8.3.5光纤孤子系统光纤孤子系统8.3.6光纤通信网络光纤通信网络8.4 无线激光通信无线激光通信8.4.1 微波通信与无线激光微波通信与无线激光通信通信8.4.2 无线激光通信的基本无线激光通信的基本原理原理8.4.3 空间无线激光通信进空间无线激光通信进展展8.4.4 激光水下通信激光水下通信2024/8/204光与现光与现代科技代科技8.1.1 光纤通信的发展与现状光纤通信的发展与现状一、光通信的发展史一、光通信的发展史二、

4、二、先进先进国家光纤通信的发展国家光纤通信的发展三、我国光纤通信事业的发展三、我国光纤通信事业的发展四、云南省光纤通信事业发展四、云南省光纤通信事业发展五、光纤通信的发展趋势五、光纤通信的发展趋势8.1 光纤通信的原理光纤通信的原理2024/8/205光与现光与现代科技代科技一、光通信的发展史一、光通信的发展史光通信光通信：利用光进行信息传输的一：利用光进行信息传输的一种通信方式。种通信方式。光通信的发展主要经历了三个发展光通信的发展主要经历了三个发展阶段阶段可视通信可视通信激光大气通信激光大气通信光纤通信光纤通信2024/8/206光与现光与现代科技代科技1、可视通信、可视通信古代的烽火台、

5、烟火传递单个信息古代的烽火台、烟火传递单个信息18世纪末信号灯、船舰使用的灯塔、旗世纪末信号灯、船舰使用的灯塔、旗语等语等近代战争中的信号弹，抗战时期的消息近代战争中的信号弹，抗战时期的消息树等树等1792年用中继器使机械代码信息传送年用中继器使机械代码信息传送100km，有效速率小于有效速率小于1b/s 之后很长一段时间之后很长一段时间电电取代了取代了光光2024/8/207光与现光与现代科技代科技电通信电通信19世纪世纪30年代：电报、莫尔斯代码，传输速率年代：电报、莫尔斯代码，传输速率310b/s，中中继可达继可达1000km1866年，第一条越洋电报电缆系统投入运营年，第一条越洋电报电

6、缆系统投入运营1876年，发明了电话，电信号通过连续变化电流的模拟形年，发明了电话，电信号通过连续变化电流的模拟形式传输式传输1940年，第一代同轴电缆系统投入使用，年，第一代同轴电缆系统投入使用，3MHz系统，可传系统，可传300路音频信号或路音频信号或1路视频信号，但当频率超过路视频信号，但当频率超过100MHz时，时，电缆损耗迅速增加电缆损耗迅速增加1948年，年，4GHz的微波系统投入运营，利用的微波系统投入运营，利用110GHz的电的电磁载波及相关调制技术传递信号，可工作于磁载波及相关调制技术传递信号，可工作于100Mb/s1975年最先进同轴系统投入运营年最先进同轴系统投入运营,速

7、率可达速率可达274 Mb/s，中继中继约约1km 到到70年代，电通信获得的最大年代，电通信获得的最大BL不超过不超过100 (Mb/s)km2024/8/208光与现光与现代科技代科技2、激光大气通信、激光大气通信60年代初，人们利用二氧化碳激光器进行激光大年代初，人们利用二氧化碳激光器进行激光大气通信实验气通信实验由于其传输介质是地球周围的大气层，而大气层由于其传输介质是地球周围的大气层，而大气层又存在着对光的严重吸收，散射作用和天气变化又存在着对光的严重吸收，散射作用和天气变化影响等缺点，使得激光大气通信在通信距离、稳影响等缺点，使得激光大气通信在通信距离、稳定性、可靠性方面受到严重影

8、响定性、可靠性方面受到严重影响60年代中期一度振兴的激光大气通信研究处于停年代中期一度振兴的激光大气通信研究处于停滞状态滞状态2024/8/209光与现光与现代科技代科技3、光纤通信、光纤通信光纤光纤(Fibre)光导纤维的简称光导纤维的简称光纤通信光纤通信以光波为载波，以光导以光波为载波，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。纤维为传输媒质的一种通信方式。 容量容量 频率频率f 光波光波 光波是人们最熟悉的电磁波，其光波是人们最熟悉的电磁波，其波长在微波长在微米级，频率为米级，频率为1014Hz，紫外光、可见光、紫外光、可见光、红外光属于光波的范畴红外光属于光波的范畴2024/8/2010光与

9、现光与现代科技代科技电磁波波段划分和常用传输媒质电磁波波段划分和常用传输媒质-1频段和波段频段和波段名称名称频率范围和频率范围和波长范围波长范围传输媒质传输媒质主要用途主要用途极低频极低频(ELF)极长波极长波303000Hz10000100km有线线对，极长有线线对，极长波无线电波无线电潜艇通信、矿井通信潜艇通信、矿井通信甚低频甚低频(TLF)超长波超长波330kHz10010km有线线对，超长有线线对，超长波无线电波无线电潜艇通信、远程导航、潜艇通信、远程导航、远程无线电通信远程无线电通信低频低频(LF)长波长波30kHz300kHz101km有线线对，长波有线线对，长波无线电无线电中远距

10、离通信、地下通中远距离通信、地下通信、无线电导航等信、无线电导航等中频中频(MF)中波中波0.33MHz1000100m同轴电缆，中波同轴电缆，中波无线电无线电调幅广播、导航、业余调幅广播、导航、业余无线电无线电高频高频(HF)短波短波330MHz10010m同轴电缆，短波同轴电缆，短波无线电无线电调幅广播、移动通信、调幅广播、移动通信、军用通信等军用通信等2024/8/2011光与现光与现代科技代科技电磁波波段划分和常用传输媒质电磁波波段划分和常用传输媒质-2频段和波段频段和波段名称名称频率范围和波长范频率范围和波长范围围传输媒质传输媒质主要用途主要用途甚高频甚高频(VHF)超短波超短波30

11、300MHz101m同轴电缆，超同轴电缆，超短波无线电短波无线电调幅广播、电视、移调幅广播、电视、移动通信、电离层散射动通信、电离层散射通信通信微微波波特高频特高频(UH F)分米波分米波0.33GHz101dm波导，分米波波导，分米波无线电无线电微波接力、移动通信、微波接力、移动通信、空间遥测雷达、电视空间遥测雷达、电视超高频超高频(SHF)厘米波厘米波330GHz101cm波导，厘米波波导，厘米波无线电无线电雷达、微波接力、卫雷达、微波接力、卫星和空间通信星和空间通信极高频极高频(EH F)毫米波毫米波30300GHz101mm波导，毫米波波导，毫米波无线电无线电雷达、微波接力、射雷达、微

12、波接力、射电天文电天文紫外、可见光、红紫外、可见光、红外外1035107GHz300 m 60光纤，激光空光纤，激光空间传播间传播光通信光通信2024/8/2012光与现光与现代科技代科技红外光：波长红外光：波长 0.75m紫外光：波长紫外光：波长 0.4m可见光：可见光： 0.4m 10GHz.km0.2350方便方便特殊特殊2024/8/2054光与现光与现代科技代科技光纤通信的应用光纤通信的应用11、通信网通信网，包括全球通信网，包括全球通信网(如横跨大西洋和太如横跨大西洋和太平洋的海底光缆和跨越欧亚大陆的洲际光缆干平洋的海底光缆和跨越欧亚大陆的洲际光缆干线线)、各国的公共电信网、各国的

13、公共电信网(如我国的国家一级干如我国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线线、各省二级干线和县以下的支线)、各种专用、各种专用通信网通信网(如电力、铁道、国防等部门的通信、指如电力、铁道、国防等部门的通信、指挥、调度、监控的光缆系统挥、调度、监控的光缆系统)、特殊通信手段、特殊通信手段(如石油、化工、煤矿等部门易燃易爆环境下使如石油、化工、煤矿等部门易燃易爆环境下使用的光缆，以及飞机、军舰、潜艇、导弹和宇用的光缆，以及飞机、军舰、潜艇、导弹和宇宙飞船的内部光缆系统宙飞船的内部光缆系统)。2024/8/2055光与现光与现代科技代科技光纤通信的应用光纤通信的应用22、构成因特网的计算机、构成

14、因特网的计算机局域网和广域网局域网和广域网，如光纤，如光纤以太网、路由器之间的光纤高速链路。以太网、路由器之间的光纤高速链路。3、有线电视的干线和分配网有线电视的干线和分配网；工业电视系统，如；工业电视系统，如工厂、银行、商场、交通和公安部门的监控；自工厂、银行、商场、交通和公安部门的监控；自动控制系统的数据传输。动控制系统的数据传输。4、综合业务、综合业务光纤接入网光纤接入网，分为有源接入网和无源，分为有源接入网和无源接入网，可实现电话、数据、视频接入网，可实现电话、数据、视频(会议电视、会议电视、可视电话等可视电话等)多媒体业务综合接入核心网，提供多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样的社

15、区服务。各种各样的社区服务。2024/8/2056光与现光与现代科技代科技8.1.3 光纤通信系统的组成及分类光纤通信系统的组成及分类一、组成一、组成信信息息源源电电发发射射机机电电接接收收机机光光接接收收机机光光发发射射机机信信息息宿宿基本光纤传输系统基本光纤传输系统电信号电信号输入输入光信号光信号输出输出光信号光信号输入输入电信号电信号输出输出光纤光纤线路线路光光中中继继器器光纤通信系统的基本组成（单向传输光纤通信系统的基本组成（单向传输 ）备用系统备用系统辅助系统辅助系统2024/8/2057光与现光与现代科技代科技组成光纤通信系统各部分的主要作用组成光纤通信系统各部分的主要作用1、电发

16、射机：电发射机：A/D，合并多个用户信号，进行复用。合并多个用户信号，进行复用。方法：脉冲编码调制方法：脉冲编码调制(PCM)方式，即进行抽样、量方式，即进行抽样、量化、编码，抽样频率化、编码，抽样频率2f(模拟信号的频带宽度模拟信号的频带宽度)。2、光发射机：光发射机：E/O, 将电发射机送来的电信号转变将电发射机送来的电信号转变成适合于光纤传输的光信号，并用耦合技术把光成适合于光纤传输的光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。信号最大限度地注入光纤线路。3、光纤线路：光纤线路：把来自光发射机的光信号，以尽可能把来自光发射机的光信号，以尽可能小的崎变（失真）和衰减传输到光接收机小

17、的崎变（失真）和衰减传输到光接收机.4、光中继器：光中继器：也称光放大器，对光纤传送的光信号也称光放大器，对光纤传送的光信号进行放大处理。进行放大处理。 2024/8/2058光与现光与现代科技代科技组成光纤通信系统各部分的主要作用组成光纤通信系统各部分的主要作用5、光接收机光接收机：O/E, 将光纤传送来的光信号转变成电将光纤传送来的光信号转变成电信号，送入电接收机进行信号处理。信号，送入电接收机进行信号处理。6、电接收机电接收机：D/A，将信号送给各用户。将信号送给各用户。 7、辅助系统：辅助系统：包括监控管理系统、告警处理系统、包括监控管理系统、告警处理系统、电源供给系统、公务通信系统、

18、区间通信系统、电源供给系统、公务通信系统、区间通信系统、自动倒换系统，即辅助信号的传输方式的考虑等。自动倒换系统，即辅助信号的传输方式的考虑等。8、备用系统：备用系统：包括光端机、光缆、光中继部分的备包括光端机、光缆、光中继部分的备用系统，电端机一般无备用系统。用系统，电端机一般无备用系统。2024/8/2059光与现光与现代科技代科技信号的数字化信号的数字化信号的数字化：信号的数字化：将连续变化的模拟信号转换成离散的将连续变化的模拟信号转换成离散的数字信号数字信号，一般需要完成采样、量化和编码三个步骤，一般需要完成采样、量化和编码三个步骤 采样采样是指用每隔一定时间间隔的信号样本值序列代替原

19、来是指用每隔一定时间间隔的信号样本值序列代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化量化量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量、有一定间隔的离散值。拟信号的连续幅度变为有限数量、有一定间隔的离散值。编码编码是按照一定的规律，把量化后的离散值用二进制数码是按照一定的规律，把量化后的离散值用二进制数码表示表示上述数字化的过程又称为上述数字化的过程又称为脉冲编码调制脉冲编码调制(Pulse Code Modulation，PCM)，通常由模拟数字，通常

20、由模拟数字(AD)转换器来转换器来实现实现fs=(2.1-2.5)fm2024/8/2060光与现光与现代科技代科技量化判决电平量化判决电平 量化输出电平量化输出电平 xk+1 yk xk图图2-7 量化示意图量化示意图2024/8/2061光与现光与现代科技代科技光纤通信系统的分类光纤通信系统的分类1类类 别别特特 点点按光按光波长波长划分划分短波长光纤通短波长光纤通信系统信系统系统工作波长为：系统工作波长为：0.80.9m，中继距中继距离短，离短，10km以内以内长波长光纤通长波长光纤通信系统信系统系统工作波长为：系统工作波长为：1.01.6m，中继距中继距离长，可达离长，可达100km以

21、上以上超长波长光纤超长波长光纤通信系统通信系统系统工作波长为：系统工作波长为：2m以上，中继距离以上，中继距离很长，可达很长，可达1000km以上，非石英系光纤以上，非石英系光纤按光按光纤特纤特点分点分多模光纤通信多模光纤通信系统系统石英多模光纤：传输容量较小，一般在石英多模光纤：传输容量较小，一般在140Mbit/s以下以下单模光纤通信单模光纤通信系统系统石英单模光纤：传输容量大，一般在石英单模光纤：传输容量大，一般在140Mbit/s以上以上二、分类二、分类2024/8/2062光与现光与现代科技代科技光纤通信系统的分类光纤通信系统的分类2类类 别别特特 点点按传按传输信输信号形号形式分式

22、分光纤数字光纤数字通信系统通信系统传输数字信号，抗干扰能力强传输数字信号，抗干扰能力强光纤模拟光纤模拟通信系统通信系统传输模拟信号，适于短距离传输和模拟电视传输模拟信号，适于短距离传输和模拟电视图像信号传输图像信号传输其它其它相干光通相干光通信系统信系统光接收机灵敏度高，中继距离长，通信容量光接收机灵敏度高，中继距离长，通信容量大，设备复杂大，设备复杂全光通信全光通信系统系统不需要光电转换，通信质量高不需要光电转换，通信质量高波分复用波分复用系统系统在一根光纤上可传输多个光载波信号。通信在一根光纤上可传输多个光载波信号。通信容量大，成本低容量大，成本低孤子系统孤子系统利用光纤非线性效应平衡色散

23、，增加中继，利用光纤非线性效应平衡色散，增加中继，可使光纤带宽增加可使光纤带宽增加10100倍倍2024/8/2063光与现光与现代科技代科技8.2 光通信的器件光通信的器件8.2.1 光源光源一、一、光纤通信对光源的基本要求光纤通信对光源的基本要求二、光通信用的激光光源二、光通信用的激光光源三、光源的调制三、光源的调制四、光源与光纤的耦合及组件四、光源与光纤的耦合及组件8.2.2 光检测器光检测器一、光纤通信对光检测器要求一、光纤通信对光检测器要求二二、光电检测器、光电检测器PD二、改进型光电检测器二、改进型光电检测器PIN三、雪崩光电二极管三、雪崩光电二极管APD8.2.3 光无源器件光无

24、源器件8.2.4 光放大器光放大器2024/8/2064光与现光与现代科技代科技一、一、光纤通信对光源的基本要求光纤通信对光源的基本要求光源光源发射的峰值波长发射的峰值波长，应在光纤的低损耗窗口之内，应在光纤的低损耗窗口之内，即与石英光纤三个低损耗窗口相适应。即与石英光纤三个低损耗窗口相适应。有有足够高的稳定的输出光功率足够高的稳定的输出光功率，以满足系统的光中，以满足系统的光中继段距离的要求。继段距离的要求。(入纤功率必须有数十微瓦至数入纤功率必须有数十微瓦至数毫瓦毫瓦)有有高的电光转换效率，低功率驱动，长寿命，高可高的电光转换效率，低功率驱动，长寿命，高可靠性靠性。单色性和方向性好单色性和

25、方向性好，以减少光纤的材料色散，提高，以减少光纤的材料色散，提高光缆和光纤的耦合效率。光缆和光纤的耦合效率。易于调制易于调制，响应速度快，以利于高速率大容量的数，响应速度快，以利于高速率大容量的数字信号的传输，温度特性好字信号的传输，温度特性好体积小，重量轻体积小，重量轻，便于安装和使用，也利于光源和，便于安装和使用，也利于光源和光纤的耦合。光纤的耦合。2024/8/2065光与现光与现代科技代科技二、光通信用的激光光源二、光通信用的激光光源1、半导体发光二极管、半导体发光二极管LED正面发光型正面发光型：驱动电流小，输出功率大；：驱动电流小，输出功率大；侧面发光型侧面发光型：驱动电流大，输出

26、光功率小，：驱动电流大，输出光功率小，但光束辐射角较小，与光纤耦合效率高，其但光束辐射角较小，与光纤耦合效率高，其入纤光功率比正面发光型入纤光功率比正面发光型LED大。大。图图1双异质结半导体面发光二极管的结构双异质结半导体面发光二极管的结构图图2边发光边发光LED的结构的结构LED输出光功率特性输出光功率特性 2024/8/2066光与现光与现代科技代科技LED性质性质发射荧光，属自发辐射，无需粒子数反转，不发射荧光，属自发辐射，无需粒子数反转，不是阈值器件是阈值器件发射谱线宽，无谐振腔，无发射谱线宽，无谐振腔，无“选频选频”作用作用响应速度低，方向性差，发散角大响应速度低，方向性差，发散角

27、大温度性能好，输出光功率线性范围宽温度性能好，输出光功率线性范围宽制造工艺简单，价格低廉制造工艺简单，价格低廉寿命长，可靠性高寿命长，可靠性高应用于小容量、短距离的系统中应用于小容量、短距离的系统中2024/8/2067光与现光与现代科技代科技光通信用的激光光源光通信用的激光光源LD2、单纵模半导体激光器、单纵模半导体激光器LD1)分布反馈激光器分布反馈激光器 (DFBLD) 2)分布布喇格反射激光器分布布喇格反射激光器 分布布喇格反射激光器分布布喇格反射激光器 分布反馈激光器分布反馈激光器 2024/8/2068光与现光与现代科技代科技2、新型激光器、新型激光器主要介绍三种激光器：主要介绍三

28、种激光器：单纵模单纵模(SLM)半导体激光器半导体激光器量子阱（量子阱（QW）激光器）激光器光纤激光器光纤激光器1、单纵模、单纵模(SLM)半导体激光器半导体激光器SLM的思想是使不同纵模具有不同的腔损耗，而的思想是使不同纵模具有不同的腔损耗，而FP腔激光腔激光器的损耗不随模式而变。具有最低光腔损耗电纵模最先达到器的损耗不随模式而变。具有最低光腔损耗电纵模最先达到阈值并成为支配模式。其它邻模由于其高损耗而被区分开，阈值并成为支配模式。其它邻模由于其高损耗而被区分开，并因高损耗而被阻止从自发辐射中建立。这些邻模携带的功并因高损耗而被阻止从自发辐射中建立。这些邻模携带的功率在总的辐射功率中一般只占

29、很小一部分率在总的辐射功率中一般只占很小一部分(Eg)价带中电子吸收光子能量，跃到导价带中电子吸收光子能量，跃到导带带(受激吸收受激吸收)成为自由电子成为自由电子过程：过程：在电场作用下，在电场作用下， 耗尽区内：耗尽区内： 电子电子(漂移漂移) N区区 N区区 空穴空穴(漂移漂移) P区区 P区区(光光 电流电流) 完成光完成光/电变换电变换条件：条件： hfEg 或或 hc/Eg，截止波长，截止波长c=1.24/Eg凡是凡是Eg (光照光照)受激吸收受激吸收电子漂移电子漂移扩散扩散形形成光生电流成光生电流好处好处：量子效率高，响应速度快：量子效率高，响应速度快SiPIN，响应波长响应波长0

30、.51m,响应时间几个响应时间几个nsGePIN，响应波长响应波长1.11.6m,响应时间响应时间20多个多个ns PIN光电二极管的结构光电二极管的结构2024/8/20102光与现光与现代科技代科技四、雪崩光电二极管四、雪崩光电二极管APD结构：结构：在在N、P区大量掺杂，使各自的多数载流子区大量掺杂，使各自的多数载流子浓度变大浓度变大特点：特点：可承受很高的反向偏压可承受很高的反向偏压 PIN：020V，APD：20150V原理：原理：加高反偏电压加高反偏电压耗尽区形成强电场耗尽区形成强电场光照光照(克服克服Eg) 形成初始载流子形成初始载流子有高能量有高能量(或运动速或运动速度很快度很

31、快) 运行中高速碰撞运行中高速碰撞产生新生载流子产生新生载流子(由由碰撞产生碰撞产生)新生载流子和原始载流子再撞击新生载流子和原始载流子再撞击电电子浓度瞬时猛增子浓度瞬时猛增电流急剧增长电流急剧增长 “雪崩雪崩”、“倍增倍增” 完成光完成光/转换转换2024/8/20103光与现光与现代科技代科技APD载流子雪崩式倍增示意图（只画出电子）载流子雪崩式倍增示意图（只画出电子）2024/8/20104光与现光与现代科技代科技APD结构图结构图 我国高速接收器件的研制相对落后，目前的通信结构我国高速接收器件的研制相对落后，目前的通信结构为为2.5Gb2.5Gbs s，但，但10Gb10GbS S的的

32、PINTIAPINTIA光接收器组件已达国际光接收器组件已达国际先进水平。先进水平。 国外国外10Gb10Gbs s的技术已很成熟，已经进人实用阶段，而的技术已很成熟，已经进人实用阶段，而单纤传输单纤传输40Gb40Gbs s光信号的技术还没有真正进入实用阶段。光信号的技术还没有真正进入实用阶段。 2024/8/20105光与现光与现代科技代科技8.2.3 光无源器件光无源器件光纤连接器光纤连接器光耦合器光耦合器波分复用波分复用/解复用器与光滤波器解复用器与光滤波器光隔离器与光环行器光隔离器与光环行器光衰减器光衰减器光开关光开关调制器调制器2024/8/20106光与现光与现代科技代科技一个完

33、整的光纤通信系统，除了光纤、光源和光一个完整的光纤通信系统，除了光纤、光源和光检测器外，还需要许多配套的功能部件，特别是检测器外，还需要许多配套的功能部件，特别是无源器件，它们对光纤通信系统的构成、功能的无源器件，它们对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少的。扩展或性能的提高，都是不可缺少的。光无源器件光无源器件：本身不发光，不放大，不产生光电：本身不发光，不放大，不产生光电转换的光学器件。转换的光学器件。作用作用：连接光波导和光路；控制光的传播方向；：连接光波导和光路；控制光的传播方向；控制光功率达分配；控制光波导之间、器件之间控制光功率达分配；控制光波导之间、器件之间和

34、光波导与器件之间的光耦合；合波、分波等。和光波导与器件之间的光耦合；合波、分波等。虽然对各种器件的特性有不同要求，但是普遍要虽然对各种器件的特性有不同要求，但是普遍要求插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、求插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜、便于集性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜、便于集成。成。2024/8/20107光与现光与现代科技代科技光发射机光发射机隔离器隔离器连接器连接器分分路路开开关关开开关关合合路路连连接接连连接接衰减器衰减器连接器连接器光接收机光接收机按器件在传输线路上所发挥的功能可分按器件在传输线路上所发挥的功能可分为：光纤连接器

35、、耦合器、合为：光纤连接器、耦合器、合/分路器、分路器、光开关、光衰减器、光隔离器、光环形光开关、光衰减器、光隔离器、光环形器等。器等。2024/8/20108光与现光与现代科技代科技一、光纤连接器一、光纤连接器连接器是实现光纤与光纤之间连接的器件连接器是实现光纤与光纤之间连接的器件。应满足的要求：应满足的要求：连接损耗要小连接损耗要小装拆方便（操作方便）；装拆方便（操作方便）；稳定性好；指连接后，插入损耗随时间、环境的变化不稳定性好；指连接后，插入损耗随时间、环境的变化不大大重复性好；一般要求重复使用次数大于重复性好；一般要求重复使用次数大于1000次次互换性好；要求同一种型号的活动连接器可

36、以互换互换性好；要求同一种型号的活动连接器可以互换体积小，重量轻，成本低体积小，重量轻，成本低光纤连接器分为两类：光纤连接器分为两类：活动连接器活动连接器“活接头活接头”，主要用于光纤线路两端与，主要用于光纤线路两端与端机的连接中端机的连接中固定连接器固定连接器不能拆卸，或只能进行破坏性拆卸的连不能拆卸，或只能进行破坏性拆卸的连接器，俗称接器，俗称“死接头死接头”2024/8/20109光与现光与现代科技代科技光纤固定接头的方法光纤固定接头的方法2024/8/20110光与现光与现代科技代科技带状阵列式连接器带状阵列式连接器2024/8/20111光与现光与现代科技代科技二、光纤耦合器二、光纤

37、耦合器作用：作用：耦合器的功能是把一个输入的光信号耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。合成一个输出。该器件对光纤线路的影响主要是附加插入损该器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声。耗，还有一定的反射和串扰噪声。耦合器耦合器大多大多与波长无关与波长无关，与波长有关与波长有关的耦合的耦合器专称为波分器专称为波分复用器复用器/ /解复用器解复用器。2024/8/20112光与现光与现代科技代科技1 1、耦合器的类型、耦合器的类型常用耦合器的四种类型：常用耦合器的四种类型：2024/8/20

38、113光与现光与现代科技代科技光纤型耦合器光纤型耦合器(a)定向耦合器定向耦合器 (b)88星形耦合器星形耦合器(c)由由12个个22耦合器组成的耦合器组成的88星形耦合器星形耦合器2024/8/20114光与现光与现代科技代科技光纤型波分解复用器原理光纤型波分解复用器原理定向耦合器可制成波定向耦合器可制成波分复用分复用/解复用器。解复用器。光纤光纤a(直通臂直通臂)传输的传输的输出光功率为输出光功率为Pa，光，光纤纤b(耦合臂耦合臂)的输出的输出光功率为光功率为Pb,则则Pa=Cos2(CL) ； Pb=Sin2(CL)；L耦合器有效作用耦合器有效作用长度；长度；C为取决于光为取决于光纤参数

39、和光波长的耦纤参数和光波长的耦合系数。合系数。设特定波长为设特定波长为1、2，选择参数，调整，选择参数，调整L，使得，使得Pa(1)最大时最大时Pb(1)=0； Pa(2)=0时，时， Pb(2)最大。最大。2024/8/20115光与现光与现代科技代科技微器件型：微器件型：用自聚焦透镜和分光片、滤光用自聚焦透镜和分光片、滤光片或光栅等微光学器件可以构成各种耦合片或光栅等微光学器件可以构成各种耦合器。器。分光片：光部分透射，部分反射分光片：光部分透射，部分反射滤光片：一个波长的光透射，另一个波长的滤光片：一个波长的光透射，另一个波长的光反射光反射光栅：不同波长的光有不同反射方向光栅：不同波长的

40、光有不同反射方向波导型：波导型：在一片平板衬底上制作所需形状在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，一般波导的材料根据器件的功能来选择，一般是是SiO2，横截面为矩形或半圆形。，横截面为矩形或半圆形。2024/8/20116光与现光与现代科技代科技微器件型耦合器微器件型耦合器(a)T形耦合器形耦合器 (b)定向耦合器定向耦合器 (c )滤光式解复用器滤光式解复用器 (d)光栅式解复用器光栅式解复用器2024/8/20117光与现光与现代科技代科技波导型耦合器波导型耦合器(a)T形耦合器形耦合器 (b

41、)定向耦合器定向耦合器 (c)波分解复用器波分解复用器2024/8/20118光与现光与现代科技代科技三、波分复用三、波分复用/解复用器与光滤波器解复用器与光滤波器熔锥光纤型熔锥光纤型WDM干涉滤波器形干涉滤波器形WDM光栅型光栅型WDM体型平面或曲面光栅体型平面或曲面光栅平面阵列波导光栅平面阵列波导光栅光纤光栅光纤光栅2024/8/20119光与现光与现代科技代科技熔融光纤型波分复用器结构和特性熔融光纤型波分复用器结构和特性2024/8/20120光与现光与现代科技代科技介质薄膜干涉滤波器型介质薄膜干涉滤波器型WDM器件的原器件的原理示意理示意2024/8/20121光与现光与现代科技代科技

42、介质薄膜干涉型介质薄膜干涉型WDM器件结构器件结构（a）二波分解复用器）二波分解复用器（b）六波分解复用器）六波分解复用器2024/8/20122光与现光与现代科技代科技基于基于MZ干涉仪的集成四通道干涉仪的集成四通道WDM2024/8/20123光与现光与现代科技代科技体型光栅体型光栅WDM（a）采用）采用普通透镜普通透镜的的WDM（b）采用）采用棒透镜的棒透镜的WDM2024/8/20124光与现光与现代科技代科技NN平面阵列波导光栅平面阵列波导光栅(AWG)WDM(a)AWG复用器复用器(b)平板波平板波导导2024/8/20125光与现光与现代科技代科技光纤光栅光纤光栅(FBG)的分类

43、的分类2024/8/20126光与现光与现代科技代科技采用相移采用相移FBG的全光纤的全光纤WDM2024/8/20127光与现光与现代科技代科技光纤布拉格光栅的分类及其光学特性光纤布拉格光栅的分类及其光学特性2024/8/20128光与现光与现代科技代科技波分复用器的一般性质波分复用器的一般性质波分复用器波分复用器2端端6端端工作波长工作波长/m1.31/1.551.31/1.55波长间隔波长间隔/nm2002030附加损耗附加损耗/dB0.5123隔离度隔离度/dB55(滤波滤波)252024/8/20129光与现光与现代科技代科技四、光隔离器与光环行器-11、光隔离器、光隔离器概念：概念

44、：光隔离器是光单向传输的一种非互易性光隔离器是光单向传输的一种非互易性器件，即光的单向器。其作用是消除光路中不器件，即光的单向器。其作用是消除光路中不连续处产生的反射光对光源、光放大器以及光连续处产生的反射光对光源、光放大器以及光路系统中产生的不良影响，使系统工作稳定。路系统中产生的不良影响，使系统工作稳定。作用：作用：它在光纤通信、光信息处理系统、光纤它在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感、及精密光学测量系统中有重要作用。传感、及精密光学测量系统中有重要作用。要求及主要指标要求及主要指标：插入损耗小：插入损耗小(12dB)、隔离度、隔离度大大(反向衰减反向衰减)(3040dB)、饱和磁场低、

45、价格便、饱和磁场低、价格便宜、体积小、便于集成宜、体积小、便于集成组成：组成：由起偏器、检偏器及法拉第转子材料所由起偏器、检偏器及法拉第转子材料所组成的法拉第旋光器等组成。组成的法拉第旋光器等组成。2024/8/20130光与现光与现代科技代科技隔离器的工作原理隔离器的工作原理2024/8/20131光与现光与现代科技代科技光环行器光环行器(a)三端口三端口 (b)四端口四端口2024/8/20132光与现光与现代科技代科技端口端口1端口端口2端口端口3端口端口2反射棱镜反射棱镜偏振分束立偏振分束立方体透镜方体透镜双折射分双折射分离元件离元件A双折射分双折射分离元件离元件B单向法拉单向法拉第旋

46、转器第旋转器相位旋相位旋转器转器光环行器原理图光环行器原理图2024/8/20133光与现光与现代科技代科技五、光衰减器五、光衰减器11、光衰减器在光纤通信、光信息处理、光学测、光衰减器在光纤通信、光信息处理、光学测量及计算中都是不可缺少的一种光无源器件量及计算中都是不可缺少的一种光无源器件功能：功能：在光信息传输过程中对光功率进行预定在光信息传输过程中对光功率进行预定量的光衰减。量的光衰减。2、光衰减器的、光衰减器的工作机理主要有三种工作机理主要有三种：(1)耦合型光衰减器耦合型光衰减器：它是通过输入、输出光束：它是通过输入、输出光束对准偏差的控制来改变光耦合量的大小，从而对准偏差的控制来改

47、变光耦合量的大小，从而达到改变衰减量的目的。达到改变衰减量的目的。2024/8/20134光与现光与现代科技代科技光衰减器光衰减器2(2)反射型光衰减器反射型光衰减器：它是在玻璃基片上镀反射膜作为衰：它是在玻璃基片上镀反射膜作为衰减片。光通过衰减片时主要是反射和透射，由膜层厚度减片。光通过衰减片时主要是反射和透射，由膜层厚度的不同来改变反射量的大小，从而达到改变衰减量的目的不同来改变反射量的大小，从而达到改变衰减量的目的。的。 为避免反射光的再入射影响衰减性能的稳定性，光线不为避免反射光的再入射影响衰减性能的稳定性，光线不能垂直入射到衰减片上，需将二块衰减片按一定倾斜角能垂直入射到衰减片上，需

48、将二块衰减片按一定倾斜角对称地排成八字形。（对称地排成八字形。（60252030开关时间开关时间/s40103302024/8/20141光与现光与现代科技代科技8.2.4 光光放大器放大器 一、光放大器分类一、光放大器分类 二、光放大器的主要功能二、光放大器的主要功能 三、三、掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器2024/8/20142光与现光与现代科技代科技一、光放大器分类一、光放大器分类半导体激光放大器半导体激光放大器(SLA)法布里珀罗型激光放大器法布里珀罗型激光放大器行波半导体激光放大器行波半导体激光放大器光纤型光放大器光纤型光放大器光纤喇曼放大器光纤喇曼放大器(FRA)光纤布里渊放大器光纤

49、布里渊放大器(FBA)光纤参量放大器光纤参量放大器(FPA)掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器(EDFA)2024/8/20143光与现光与现代科技代科技二、光放大器的主要功能二、光放大器的主要功能超长距离、超大容量的光纤通信系统，特别是适合于陆超长距离、超大容量的光纤通信系统，特别是适合于陆地长干线和海下系统地长干线和海下系统光孤子通信，以在线光放大器延伸通信距离，即作在线光孤子通信，以在线光放大器延伸通信距离，即作在线中继光放大器中继光放大器光纤用户系统中，主要用于补偿耦合所造成的光损耗，光纤用户系统中，主要用于补偿耦合所造成的光损耗，提高用户数目，起到功率放大作用，如宽带业务、提高用户数目，起

50、到功率放大作用，如宽带业务、CATV等等光波复用系统中提高复用密度光波复用系统中提高复用密度 如掺铒光纤放大器的增益带宽可达如掺铒光纤放大器的增益带宽可达1THz，若按，若按1GHz进进行频率分割，可达行频率分割，可达1000路的复用通信容量路的复用通信容量用于光电测量及其它信息处理系统中用于光电测量及其它信息处理系统中2024/8/20144光与现光与现代科技代科技光发光发射机射机光接光接收机收机光纤光纤光纤光纤EDFAEDFA在线放大器在线放大器光发光发射机射机光接光接收机收机光纤光纤EDFA功率放大器功率放大器光发光发射机射机光接光接收机收机光纤光纤EDFA前置放大器前置放大器光发光发射

51、机射机光接光接收机收机节点节点EDFA补偿损耗放大器补偿损耗放大器光纤总线光纤总线a、在线、在线放大器放大器b、光发、光发射机功射机功率增强率增强器器c、接收、接收机前置机前置放大器放大器d、局域、局域网中用于网中用于补偿分配补偿分配损耗损耗2024/8/20145光与现光与现代科技代科技光纤放大器构成方框图2024/8/20146光与现光与现代科技代科技三、掺杂光纤放大器三、掺杂光纤放大器 掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFA）是利用掺铒光纤这是利用掺铒光纤这一活性介质，当泵浦光输入到一活性介质，当泵浦光输入到EDF中时，就可中时，就可以将大部分处于基态的以将大部分处于基态的Er 3+抽

52、运到激发态上，抽运到激发态上，处于激发态的处于激发态的Er 3+又迅速无辐射地转移到亚稳又迅速无辐射地转移到亚稳态上，由于态上，由于Er 3+在亚稳态上的平均停留时间为在亚稳态上的平均停留时间为10ms，因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒，因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，此时，信号光子通过掺铒光纤，在子数反转，此时，信号光子通过掺铒光纤，在受激辐射效应作用下产生大量与自身完全相同受激辐射效应作用下产生大量与自身完全相同的光子，使信号光子迅速增多，这样在输出端的光子，使信号光子迅速增多，这样在输出端就可以得到被不断放大的光信号。就可以得到被不断放大的光信号。2024/8/20147光

53、与现光与现代科技代科技在泵浦光的作用下，能级在泵浦光的作用下，能级E2的铒离子返回的铒离子返回E1时产生信时产生信号光子，受激发射使信号光得到放大号光子，受激发射使信号光得到放大(a)硅光纤中铒离子硅光纤中铒离子Er3+的能级图的能级图(b)EDFA的吸收的吸收和增益频谱和增益频谱2024/8/20148光与现光与现代科技代科技掺镨光纤放大器掺镨光纤放大器 EDFA只能用于只能用于1.55m光纤通信系统，但是现在世界上有众光纤通信系统，但是现在世界上有众多工作在多工作在1.3m的光纤通信系统和的光纤通信系统和CATV网络。于是科学家网络。于是科学家们开发了工作在们开发了工作在1.3m波段的掺镨

54、光纤放大器，要求的泵浦波段的掺镨光纤放大器，要求的泵浦波长是波长是1.01m。这种放大器的增益可达。这种放大器的增益可达38dB，饱和输出功，饱和输出功率达率达20mw。但泵浦效率相当低，典型值。但泵浦效率相当低，典型值0.2dB/mW，而，而EDFA却高达却高达11dB/mw。所以，为了从掺镨光纤放大器中获。所以，为了从掺镨光纤放大器中获得得30dB增益，需要高达增益，需要高达1w的泵浦功率。的泵浦功率。2024/8/20149光与现光与现代科技代科技8.3.1 数字光通信系统数字光通信系统1. 光发射机光发射机光发射机的主要功能是将电端机送来的电信光发射机的主要功能是将电端机送来的电信号转

55、换为适合于光纤中传输的光信号，其原号转换为适合于光纤中传输的光信号，其原理框图如下：理框图如下：线路编码线路编码控制电路控制电路光纤光纤光源光源调制电路调制电路LED/LD电信号电信号光信号光信号8.3 光纤通信系统与网络光纤通信系统与网络2024/8/20150光与现光与现代科技代科技线路编码作用线路编码作用将电缆中传输的正负极性码变为光纤中可传输的单将电缆中传输的正负极性码变为光纤中可传输的单极性码极性码减少码流中长连减少码流中长连“0 0”或连或连“1 1”的数目，使的数目，使“0 0”码和码和“1 1”码分布均匀，便于时钟信号的提取码分布均匀，便于时钟信号的提取实现运行误码监测，利于长

56、途通信系统的维护实现运行误码监测，利于长途通信系统的维护提供一定的冗余码，用于平衡码流、传输监控、公提供一定的冗余码，用于平衡码流、传输监控、公务、区间等通信，但对高速光纤通信系统，应适当减务、区间等通信，但对高速光纤通信系统，应适当减少冗余码，以免占用过大带宽少冗余码，以免占用过大带宽减少码流中的直流基线的起伏和低频分量，提高输减少码流中的直流基线的起伏和低频分量，提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，有利于提高光接收出功率的稳定性和减小码间干扰，有利于提高光接收机的灵敏度机的灵敏度2024/8/20151光与现光与现代科技代科技(a)直接调制直接调制 (b)间接调制间接调制(外调制外调制)两

57、种调制方案两种调制方案2024/8/20152光与现光与现代科技代科技2、光接收机、光接收机 数字光接收机的数字光接收机的功能功能是：把经光纤传输是：把经光纤传输后幅度被衰减、波形被展宽的微弱光信后幅度被衰减、波形被展宽的微弱光信号转换为电信号，并放大处理，恢复为号转换为电信号，并放大处理，恢复为原发射机的数字序列原发射机的数字序列光信号经光纤传输到达接收端有两个问题：光信号经光纤传输到达接收端有两个问题：幅度衰减（有损耗）；幅度衰减（有损耗）；脉冲展宽（有色散）脉冲展宽（有色散）2024/8/20153光与现光与现代科技代科技光光电电检检测测器器前前置置放放大大器器主主放放大大器器均均衡衡滤

58、滤波波判判决决器器译译码码器器AGC电路电路时钟恢复时钟恢复光光信信号号电电信信号号输输出出光接收机的原理框图光接收机的原理框图接接口口电电路路2024/8/20154光与现光与现代科技代科技接收机各部分的作用接收机各部分的作用1光电检测器光电检测器：将光信号转换为电信号：将光信号转换为电信号前置放大器前置放大器：低噪声放大，其噪声直接影响：低噪声放大，其噪声直接影响到接收机灵敏度的高低到接收机灵敏度的高低主放大器主放大器：放大信号并具有增益调节功能，：放大信号并具有增益调节功能，使入射光功率在一定范围内变化时，输出幅使入射光功率在一定范围内变化时，输出幅度保持恒定度保持恒定均衡滤波均衡滤波：

59、对失真的波形进行补偿（均衡），：对失真的波形进行补偿（均衡），保证判决时无码间干扰，即将输出波形均衡保证判决时无码间干扰，即将输出波形均衡成具有升余弦频谱，判决时消除码间干扰成具有升余弦频谱，判决时消除码间干扰时钟恢复时钟恢复：从信号中提取同步时钟：从信号中提取同步时钟2024/8/20155光与现光与现代科技代科技接收机各部分的作用接收机各部分的作用-2判决器判决器：在时钟作用下再生出原信号：在时钟作用下再生出原信号译码器译码器：与光发射机中的线路编码（或：与光发射机中的线路编码（或扰码）相对应扰码）相对应AGC电路电路：自动增益控制，保证光接：自动增益控制，保证光接收机具有一定的输入动态范

60、围收机具有一定的输入动态范围接口电路接口电路：解决光接收机和电接收机之：解决光接收机和电接收机之间阻抗和电压的匹配问题，保证光接收间阻抗和电压的匹配问题，保证光接收机输出信号顺利地送入电接收机机输出信号顺利地送入电接收机 前三者解决问题前三者解决问题1，46解决问题解决问题22024/8/20156光与现光与现代科技代科技3、光缆通信系统的全程全网形式、光缆通信系统的全程全网形式 每一个光缆通信系统虽然只是解决某一个局部每一个光缆通信系统虽然只是解决某一个局部地区的通信问题，但同时它也属于国际和国内电地区的通信问题，但同时它也属于国际和国内电信网中的一部分。要清楚地知道一个新建的通信信网中的一

61、部分。要清楚地知道一个新建的通信系统在全国系统在全国(或国际或国际)电信网中的位置，对全程全电信网中的位置，对全程全网的运行起到的作用网的运行起到的作用长途电信网的构成长途电信网的构成我国目前长途电信网的结构采用四级辐射汇集制形式，我国目前长途电信网的结构采用四级辐射汇集制形式，即由一、二、三、四级长途交换中心构成，其中一级即由一、二、三、四级长途交换中心构成，其中一级交换中心之间相互连接成网状结构，以下各级交换中交换中心之间相互连接成网状结构，以下各级交换中心以辐射形逐级汇接为主，并辅以一定数量的直达路心以辐射形逐级汇接为主，并辅以一定数量的直达路由，以便必要时跨级连接，从而形成一个复合型的

62、网由，以便必要时跨级连接，从而形成一个复合型的网状结构。状结构。2024/8/20157光与现光与现代科技代科技国国际际长长途途网网本本地地网网国际局国际局一级交换中心一级交换中心C1二级交换中心二级交换中心C2三级交换中心三级交换中心C3四级交换中心四级交换中心C4端局端局C5汇接局汇接局Tm用户用户基干路由基干路由直达路由直达路由2024/8/20158光与现光与现代科技代科技一级交换中心一级交换中心(C1)类似于以往的大区交换中心，一般类似于以往的大区交换中心，一般设置在首都和几个重要的城市，国际局设置在北京，设置在首都和几个重要的城市，国际局设置在北京，它的职能是疏通其服务区域内的长途

63、电信业务，通信它的职能是疏通其服务区域内的长途电信业务，通信方式采用直达方式；方式采用直达方式；二级交换中心二级交换中心(C2)类似于以往的省交换中心，一般设类似于以往的省交换中心，一般设置在省会所在地，它是汇接省内各地区之间的通信中置在省会所在地，它是汇接省内各地区之间的通信中心；心；三级交换中心三级交换中心(C3)类似于以往的县间交换中心，一般类似于以往的县间交换中心，一般设置在省辖市或专区所在地，它是汇接几个县之间的设置在省辖市或专区所在地，它是汇接几个县之间的通信中心；通信中心；四级交换中心四级交换中心(C4)类似于以往的县交换中心，一般设类似于以往的县交换中心，一般设置在县政府所在地

64、，它是长途电信网的长途终端局，置在县政府所在地，它是长途电信网的长途终端局，其职能是疏通服务区域内的长途终端业务；其职能是疏通服务区域内的长途终端业务；C1至至C2的通信线路称之为一级干线；的通信线路称之为一级干线； C2至至C3的通信线的通信线路称之为二级干线；这些均为长途通信网。路称之为二级干线；这些均为长途通信网。2024/8/20159光与现光与现代科技代科技本地电信网的构成本地电信网的构成 本地电信网本地电信网是指在一个服务区域范围内，由是指在一个服务区域范围内，由若干个端局若干个端局(C3)或由若干个端局和汇接局或由若干个端局和汇接局(Tm)所组成的电信网，根据其服务可分为三种类所

65、组成的电信网，根据其服务可分为三种类型：型：当电信业务的服务范围仅限于市区，而不包当电信业务的服务范围仅限于市区，而不包括郊区或农村时，称为括郊区或农村时，称为市内电信网市内电信网；当电信业务的服务范围只包含县城及农村范当电信业务的服务范围只包含县城及农村范围时时，称之为围时时，称之为农村电信网农村电信网；当电信业务的服务范围包含大、中城市市区当电信业务的服务范围包含大、中城市市区及所管辖的卫星城镇、郊县和农村范围时，及所管辖的卫星城镇、郊县和农村范围时，称之为称之为大、中城市本地电信网大、中城市本地电信网；2024/8/20160光与现光与现代科技代科技市内电信网市内电信网市内电信网指的是一

66、个市内地区境内的通信市内电信网指的是一个市内地区境内的通信组织。市内光缆通信系统的建设即属于这个组织。市内光缆通信系统的建设即属于这个电信网内的一种实现手段，它既可作为一个电信网内的一种实现手段，它既可作为一个城市内的独立系统，也可作为长途光缆通信城市内的独立系统，也可作为长途光缆通信系统的首末环节。系统的首末环节。市内电信网中两个用户间的通话是经过用户市内电信网中两个用户间的通话是经过用户线和电话局交换设备来完成的，两个市话分线和电话局交换设备来完成的，两个市话分局之间是由居间中继线相连接，市话局与长局之间是由居间中继线相连接，市话局与长途局之间则由长市中继线相连接。途局之间则由长市中继线相

67、连接。2024/8/20161光与现光与现代科技代科技市话市话分局分局市话市话分局分局长话局长话局长途线路长途线路长途线路长途线路长市中继线长市中继线长市中继线长市中继线特种业务台特种业务台特种业务台特种业务台公安分局公安分局公安分局公安分局公用电话公用电话公用电话公用电话小交换机小交换机消防队消防队分机用户分机用户用户用户用户用户用户用户用户用户用户用户用户用户用户用户用户用户用户用户用户用户中继线中继线市内电信网市内电信网2024/8/20162光与现光与现代科技代科技8.3.2 光纤辅助系统光纤辅助系统监控管理系统监控管理系统公务通信系统公务通信系统区间通信系统区间通信系统自动倒换系统自

68、动倒换系统告警处理系统告警处理系统电源供给系统电源供给系统辅助信号的传输方式辅助信号的传输方式2024/8/20163光与现光与现代科技代科技（一）监控管理系统（一）监控管理系统作用：作用：对组成光缆通信系统的各种设对组成光缆通信系统的各种设备进行监视、控制和管理。备进行监视、控制和管理。由于不可能要求各种设备都不发生故由于不可能要求各种设备都不发生故障，所以，必须由值守人员及时了解障，所以，必须由值守人员及时了解光信号沿途所通过的各种设备的运行光信号沿途所通过的各种设备的运行情况，迅速而准确地确定出故障点的情况，迅速而准确地确定出故障点的位置，以便进行维修。位置，以便进行维修。2024/8/

69、20164光与现光与现代科技代科技监控管理系统基本组成与工作原理监控管理系统基本组成与工作原理目前监控管理系统的目前监控管理系统的工作方式主要是工作方式主要是“集中集中监控监控”型，即由少数值守人员，驻守在某一型，即由少数值守人员，驻守在某一端局，借助装在各中继站内的监控设备端局，借助装在各中继站内的监控设备（SV）和系统的监控信号，对沿途各个中）和系统的监控信号，对沿途各个中继站进行集中监控。有人值守的某一端局称继站进行集中监控。有人值守的某一端局称为主控站，另一端为副控站。为主控站，另一端为副控站。主控站主控站A局局中继站中继站-1副控站副控站B局局中继站中继站-2中继站中继站-N显示器显

70、示器主主SV显示器显示器SV-1#SV-2#SV-N#副副SV2024/8/20165光与现光与现代科技代科技监控管理系统基本组成与工作原理监控管理系统基本组成与工作原理监控系统的监控系统的工作方式一般采用令牌传送方式工作方式一般采用令牌传送方式。令牌是一种特殊的控制帧，它以循环的方式，从令牌是一种特殊的控制帧，它以循环的方式，从一个中继站到下一个中继站不断流动，只有获得一个中继站到下一个中继站不断流动，只有获得令牌的中继站，才有权进行数据的发送。令牌的中继站，才有权进行数据的发送。当系统启动后，主当系统启动后，主SV向向SV-1#站发出一个令牌，站发出一个令牌，（即某个询问指令），（即某个询

71、问指令）， SV-1#站获取令牌后，发站获取令牌后，发出数据信号，然后将令牌传送出数据信号，然后将令牌传送SV-2#站，站， SV-2#站站发出数据后，将令牌传送给发出数据后，将令牌传送给SV-3#站，站，直，直至至SV-N#站，站， SV-N#站发送数据后，将令牌送还站发送数据后，将令牌送还主主SV，或根据主，或根据主SV的程序设置，送往的程序设置，送往SV-1#站，站，以开始新一轮的循环，或送往副以开始新一轮的循环，或送往副SV。这就是自。这就是自动监测的过程。动监测的过程。2024/8/20166光与现光与现代科技代科技监控管理系统的主要功能监控管理系统的主要功能主要完成主要完成“三遥三

72、遥”的功能的功能，即，即遥控、遥信遥控、遥信和遥测。和遥测。遥控遥控是由主监控设备向各中继站发出控制是由主监控设备向各中继站发出控制指令，各中继站执行指令产生相应的开、指令，各中继站执行指令产生相应的开、关动作；关动作；遥信遥信是各中继站向主监控设备发出表示其是各中继站向主监控设备发出表示其工作状态工作状态“正常正常”或或“异常异常”的数字信号；的数字信号；遥测遥测是对各中继站的某些特殊参量进行监是对各中继站的某些特殊参量进行监测，如光源寿命监测等。测，如光源寿命监测等。2024/8/20167光与现光与现代科技代科技监控管理系统的功能表监控管理系统的功能表监控内容监控内容项项 目目 备备 注

73、注通信设备通信设备的监视的监视1.机内电源异常，机内电源异常，2.收无光，收无光，3.发无光，发无光，4.误码率，误码率，5.失步，失步，6.光源寿命告警光源寿命告警每个站每个站电源的监电源的监视视1.输出电压异常，输出电压异常，2.保险丝断，保险丝断，3.整流器整流器异常，异常，4.市内停电市内停电本市供电中本市供电中继器继器远供系统远供系统的监视的监视1.远供电流异常，远供电流异常，2. 输出电压异常，输出电压异常，3. 不平衡不平衡远供中继站远供中继站环境监视环境监视 1. 门告警，门告警，2.火灾，火灾，3. 温度湿度告警温度湿度告警无人中继站无人中继站遥测遥测1. LD偏置电流，偏置

74、电流，2. AGC电压电压每个站每个站遥控遥控1. 系统转换，系统转换，2. 电流通断，电流通断，3. 风扇式空风扇式空调启动或断开调启动或断开端站或无人端站或无人中继站中继站2024/8/20168光与现光与现代科技代科技（二）公务通信系统（二）公务通信系统公务通信公务通信是指维护人员对系统沿途各个局是指维护人员对系统沿途各个局站进行维护时所采用的业务联络方式。站进行维护时所采用的业务联络方式。利用公务通信可以很方便地了解各个局站利用公务通信可以很方便地了解各个局站的维修工作状态，联络商议测试方案，互的维修工作状态，联络商议测试方案，互相配合寻找故障等，以便统一指挥、统一相配合寻找故障等，以

75、便统一指挥、统一协调整个系统的管理和维护。协调整个系统的管理和维护。公务通信方式按其功能不同可分为公务通信方式按其功能不同可分为选址呼选址呼叫、同线呼叫、分组呼叫和插入呼叫。叫、同线呼叫、分组呼叫和插入呼叫。公务通信设备的呼叫信号采用双频呼叫信公务通信设备的呼叫信号采用双频呼叫信号。每个号码对于号。每个号码对于2个频率，收端收到信个频率，收端收到信号，经确认无误后，即可进行公务联络。号，经确认无误后，即可进行公务联络。2024/8/20169光与现光与现代科技代科技公务通信的呼叫方式示意图公务通信的呼叫方式示意图2024/8/20170光与现光与现代科技代科技双频呼叫法双频呼叫法2024/8/

76、20171光与现光与现代科技代科技端站型和中继站型设备端站型和中继站型设备2024/8/20172光与现光与现代科技代科技（三）区间通信系统（三）区间通信系统区间通信指在一条长途干线中间的某些局部区间通信指在一条长途干线中间的某些局部区域内相互之间所进行的通信。区域内相互之间所进行的通信。解决方案：解决方案：分别建设线路分别建设线路同缆空分复用同缆空分复用从主信道上分路从主信道上分路长途通信与区间通信复用叠加长途通信与区间通信复用叠加2024/8/20173光与现光与现代科技代科技（四）自动倒换系统（四）自动倒换系统作用作用：为确保通信系统的可靠性，必须装备：为确保通信系统的可靠性，必须装备有

77、备用系统，以便在适当的情况下进行转换有备用系统，以便在适当的情况下进行转换，保证整个系统畅通无阻。，保证整个系统畅通无阻。倒换规则倒换规则热备用方式热备用方式倒换条件：倒换条件：若出现下列情况之一时，将发送若出现下列情况之一时，将发送倒换控制指令进行倒换，启用备用系统替代倒换控制指令进行倒换，启用备用系统替代主用系统：主用系统： 1、确认收无光；、确认收无光；2、误码率、误码率10-310-3；3 3、帧、帧失步；失步；4 4、收到告警指示信号（、收到告警指示信号（AISAIS）2024/8/20174光与现光与现代科技代科技（五）告警处理系统（五）告警处理系统作用作用：当正常运行的系统突然发

78、生故障时，通知维修：当正常运行的系统突然发生故障时，通知维修人员故障的地点、性质、采取的相应措施。人员故障的地点、性质、采取的相应措施。告警种类告警种类：即时维护告警和延时维护告警：即时维护告警和延时维护告警即时维护告警属于紧急情况，以机架顶端即时维护告警属于紧急情况，以机架顶端红灯红灯显示；显示；而延时维护告警属于非紧急情况，以机架顶端而延时维护告警属于非紧急情况，以机架顶端黄灯黄灯显显示；系统正常工作时以机架顶端示；系统正常工作时以机架顶端白灯白灯显示。显示。另外系统的告警单元中还提供一个专门的告警输出，另外系统的告警单元中还提供一个专门的告警输出，即即告警指示信号告警指示信号(AIS)发

79、生器发生器，它具有自动发出告警指，它具有自动发出告警指示信号的功能（在端机发生即时告警时向下游设备发示信号的功能（在端机发生即时告警时向下游设备发出全出全“1”信号，速率为系统速率），给整个信号，速率为系统速率），给整个 系统提供系统提供一个时钟信号。当发生高误码率或信号丢失的情况时，一个时钟信号。当发生高误码率或信号丢失的情况时，主信号将被主信号将被AIS代替，以保证下游设备的正常运行。代替，以保证下游设备的正常运行。2024/8/20175光与现光与现代科技代科技两种告警对应的主要故障情况表两种告警对应的主要故障情况表即时维护告警即时维护告警1. 输入输出电信号丢失输入输出电信号丢失2.输

80、入输出光信号丢失输入输出光信号丢失3. 发送时钟或接收时钟信号丢失发送时钟或接收时钟信号丢失4. 主信号帧同步码丢失主信号帧同步码丢失5. 误码率超过误码率超过10-3 延时维护告警延时维护告警1. LD偏流值超过预先规定值偏流值超过预先规定值2. 误码率超过误码率超过10-6 3. 已倒换已倒换4. 业务数据失步业务数据失步2024/8/20176光与现光与现代科技代科技（六）电源供给系统（六）电源供给系统一个实用化的光缆通信系统是由电端一个实用化的光缆通信系统是由电端机、光端机、光中继器及光缆组成。机、光端机、光中继器及光缆组成。要想这些设备正常工作，必须配备相要想这些设备正常工作，必须配

81、备相应的电源供给系统。应的电源供给系统。光端机的供电方式光端机的供电方式 -24V、-48V、-60V光中继器的供电方式光中继器的供电方式远距离供电远距离供电本地供电本地供电2024/8/20177光与现光与现代科技代科技（七）辅助信号的传输方式（七）辅助信号的传输方式利用光缆中的铜线对利用光缆中的铜线对利用专用光纤利用专用光纤利用辅助信号与主信号复用叠加利用辅助信号与主信号复用叠加时分复用法时分复用法频分复用法频分复用法2024/8/20178光与现光与现代科技代科技8.3.3 超超长波波长光通信系光通信系统一、超长距离通信的设想一、超长距离通信的设想光纤作为一种传输媒介，有其自身的损耗特性

82、，现光纤作为一种传输媒介，有其自身的损耗特性，现已实用化的光纤主要是已实用化的光纤主要是SiO2石英材料光纤，它具有石英材料光纤，它具有三个低损耗的窗口，随着波长的增加，三个窗口的三个低损耗的窗口，随着波长的增加，三个窗口的损耗值也在下降，损耗值也在下降，1.55m处损耗最低，通耗最低，通过改善制改善制作条件，提高工作条件，提高工艺水平，其水平，其损耗已达耗已达0.154dB/km，它已非常接近石英光它已非常接近石英光纤的理的理论损耗极限。也就是耗极限。也就是说，由于光由于光纤本身存在有固有本身存在有固有损耗，不管人耗，不管人为地怎地怎样改改进石英光石英光纤的制作技的制作技术，其，其损耗耗值已

83、已难以再降低了，以再降低了，在在这种情况下，如果将工作波种情况下，如果将工作波长向向1.6 m以上移以上移动，其瑞利散射其瑞利散射损耗耗虽然有所减小，但然有所减小，但红外吸收外吸收损耗却耗却迅速增加，仍然无迅速增加，仍然无济于事。于事。2024/8/20179光与现光与现代科技代科技由此可由此可见，如果，如果为了提高了提高传输距离，要求制距离，要求制造更低造更低损耗的光耗的光纤，石英材料就无能，石英材料就无能为力，力，必必须寻找新的光找新的光纤材料。材料。把把在在2 m以上具有极低以上具有极低损耗的光耗的光纤材料称之材料称之为超低超低损耗光耗光纤材料材料，采用新型的超低，采用新型的超低损耗耗光

84、光纤作作为传输媒介的通信系媒介的通信系统称称为超超长波波长光光纤通信系通信系统。采用采用这种系种系统，可以，可以实现数万公里无中数万公里无中继的的超超长距离通信，从而大幅度降低系距离通信，从而大幅度降低系统成本，成本，提高系提高系统稳定性与可靠性，减小定性与可靠性，减小线路的路的劳动强强度，前景十分度，前景十分诱人。人。2024/8/20180光与现光与现代科技代科技二二、超低损耗光纤材料、超低损耗光纤材料考虑一种通信光纤用的新材料，不但要考虑考虑一种通信光纤用的新材料，不但要考虑其衰减特性，还要考虑其它有关因素。总的其衰减特性，还要考虑其它有关因素。总的考虑概括如下：考虑概括如下：衰减小衰减

85、小强度好强度好化学物理性能稳定，能长期在自然环境下化学物理性能稳定，能长期在自然环境下工作工作工艺比较简单，便于生产工艺比较简单，便于生产接续容易接续容易无剧毒无剧毒2024/8/20181光与现光与现代科技代科技超低损耗光纤材料超低损耗光纤材料-2目前考虑的新材料主要有三类目前考虑的新材料主要有三类重金属氧化物，如重金属氧化物，如GeOGeO2 2玻璃玻璃硫硒碲化合物，如硫硒碲化合物，如GeSGeS2 2玻璃玻璃卤化物，如：卤化物，如：T1Br(T1Br(溴化铊溴化铊) )在这三种材料中，第三种最有发展前在这三种材料中，第三种最有发展前途。途。卤化物光纤材料，可分成玻璃、多晶卤化物光纤材料，

86、可分成玻璃、多晶和单晶三种。和单晶三种。2024/8/20182光与现光与现代科技代科技超低损耗光纤材料超低损耗光纤材料-3从制造工艺看，玻璃材料比较优越，它可以从制造工艺看，玻璃材料比较优越，它可以采用比较成熟的石英玻璃制作技术和相应的采用比较成熟的石英玻璃制作技术和相应的设备，适于大量生产，成本较低。设备，适于大量生产，成本较低。多晶光纤采用挤压法生产，单晶光纤采用晶多晶光纤采用挤压法生产，单晶光纤采用晶体生长法生产，它们都要求特别的设备。玻体生长法生产，它们都要求特别的设备。玻璃光纤的制作速度可达每分钟几十米，而晶璃光纤的制作速度可达每分钟几十米，而晶型光纤只有每分钟几十厘米。型光纤只有

87、每分钟几十厘米。从性能上看，多晶或单晶的性能较好，如从性能上看，多晶或单晶的性能较好，如TlBrTlBrTlITlI( (溴化铊溴化铊碘化铊碘化铊) )，它的透光范，它的透光范围为围为2 23535m，在，在10.6 m波波长处的最低了的最低了理理论损耗可达耗可达10-210-5dB/km。2024/8/20183光与现光与现代科技代科技超低损耗光纤材料超低损耗光纤材料-4从色散特性来看，玻璃光从色散特性来看，玻璃光纤较好，它可好，它可实现零零色散。如：由色散。如：由锆、钡、铝和和镧组成的氟化物材成的氟化物材料光料光纤，在，在1.7 m处可可实现零色散；在零色散；在4 m处，色散色散值也很小，

88、只有也很小，只有45ps/km. nm。它在更。它在更宽的的波波长范范围内比石英光内比石英光纤有更低的色散。有更低的色散。目前，要目前，要实现超低超低损耗，需有耗，需有较大突破。不大突破。不过据英国据英国电信研究所信研究所试验室的室的P.W.Framce等人称，等人称，他他们采用氟采用氟锆酸酸盐玻璃，能玻璃，能够做成做成较低低损耗的耗的光光纤，在，在2.55 m处损耗耗值为0.020.04dB/km，这已是一个振已是一个振奋人心的人心的结果了。它比石英系果了。它比石英系列光列光纤的最低的最低损耗耗还低低约10倍。倍。2024/8/20184光与现光与现代科技代科技一、多信道光波通信系统一、多信

89、道光波通信系统多信道光通信系统：将多路信号分别调制，多信道光通信系统：将多路信号分别调制，各个不同的载波同时传输，各信道的载频间各个不同的载波同时传输，各信道的载频间有足够的间隔，使调制信道的光谱在频域分有足够的间隔，使调制信道的光谱在频域分开不重叠，多路复用信道在接收机处用带通开不重叠，多路复用信道在接收机处用带通滤波器作为频率选择元件或采用相干检测技滤波器作为频率选择元件或采用相干检测技术解复用。利用这种方案的光波系统称为多术解复用。利用这种方案的光波系统称为多信道光通信系统。信道光通信系统。光纤通信领域中，复用技术非常重要，目前光纤通信领域中，复用技术非常重要，目前有如下五类有如下五类.

90、8.3.4 多信道光波通信系统多信道光波通信系统2024/8/20185光与现光与现代科技代科技二、常见的多信道光波系统的复用方案二、常见的多信道光波系统的复用方案1、空分复用、空分复用(SDMSpace Division Multiplexing)2、时分复用、时分复用(TDMTime-Division Multiplexing)3、波分复用、波分复用(WDMWavelength Division Multiplexing)或频分复用或频分复用(FDM)4、副载波复用、副载波复用(SCMSubCarrier Multiplexed lightwave system)5、码分复用、码分复用(C

91、DMCode Division Multiplexing)2024/8/20186光与现光与现代科技代科技1、空分复用、空分复用(SDM)空分复用包括两个方面：一是光纤的复用，即将空分复用包括两个方面：一是光纤的复用，即将多根光纤组合起来，成束；二是在一根光纤中的多根光纤组合起来，成束；二是在一根光纤中的光光“束束”沿空间分割的一种多维通信方式。可以沿空间分割的一种多维通信方式。可以引入多维相干度调制与解调新概念来实现多路空引入多维相干度调制与解调新概念来实现多路空分复用通信。分复用通信。传象束是一种特殊的空分复用方式。它是将图像传象束是一种特殊的空分复用方式。它是将图像采用空分复用方式传输，

92、使其传输速度呈数量级采用空分复用方式传输，使其传输速度呈数量级提高。几十万个象数的多芯传光纤已相当成熟，提高。几十万个象数的多芯传光纤已相当成熟，其色保持特性和透光性已相当满意，是空分复用其色保持特性和透光性已相当满意，是空分复用的一个发展方向。的一个发展方向。2024/8/20187光与现光与现代科技代科技2、时分复用、时分复用(TDM)时分复用是数字通信中的一种有效多路方法。时分复用是数字通信中的一种有效多路方法。它是将通信的时间分成相等等间隔，每一间它是将通信的时间分成相等等间隔，每一间隔只传输固定信道。也就是说，各个信道按隔只传输固定信道。也就是说，各个信道按照一定的时间顺序进行传输。

93、照一定的时间顺序进行传输。为使收、发两端将传输线路分配给支路的时为使收、发两端将传输线路分配给支路的时间顺序同步，一般采用帧同步和取样同步两间顺序同步，一般采用帧同步和取样同步两种同步方式。种同步方式。帧同步有时称为字同步，而取样同步又称为帧同步有时称为字同步，而取样同步又称为码元同步或位同步。码元同步或位同步。2024/8/20188光与现光与现代科技代科技时分复用时分复用(TDM)-2TDM又分为两种：普通又分为两种：普通TDM和和OTDM (光时分复用光时分复用)。TDM在电域进行，以获得电信系统高等级群路信号在电域进行，以获得电信系统高等级群路信号(PDH)和高等级模块信号和高等级模块

94、信号(SDH)；OTDM在光域进行，以获得高比特光数字码流，如在光域进行，以获得高比特光数字码流，如10Gb/s2， 10Gb/s4， ,10Gb/sN等。其特点是绕过等。其特点是绕过了产生高比特流的电子学障碍。了产生高比特流的电子学障碍。TDM与与OTDM均以单个光载波承载整个均以单个光载波承载整个TDM比特流，比特流，仍属于单信道系统。尽管它逾越了电子学限制，能产生仍属于单信道系统。尽管它逾越了电子学限制，能产生很高很高(可达几十到几百可达几十到几百Gb/s)比特率，具有很强吸引力，比特率，具有很强吸引力，但光波系统中，单个高比特率信道传输受到了光纤色散但光波系统中，单个高比特率信道传输受

95、到了光纤色散的限制，的限制，BL并未提高。并未提高。近几年，利用光开光和掺铒光纤放大器近几年，利用光开光和掺铒光纤放大器(EDFA)实现了实现了200km无中继，速率高达无中继，速率高达160Gb/s的单信道通信。的单信道通信。2024/8/20189光与现光与现代科技代科技光时分复用光时分复用(OTDM)-3 传统的电传统的电TDM是利用复用器时钟的四分之是利用复用器时钟的四分之一分路时钟来分别读取各个支路信号进行合一分路时钟来分别读取各个支路信号进行合路的。路的。在复用信号中，各个支路脉冲位置由光学手在复用信号中，各个支路脉冲位置由光学手段段(例如光延迟线例如光延迟线)来调整，并由光纤耦合

96、器来调整，并由光纤耦合器来合路，因而复用和解复用设备中的电子电来合路，因而复用和解复用设备中的电子电路只工作在相对低的速率。路只工作在相对低的速率。以英国以英国BT公司的公司的20Gbit/s的的OTDM试验系试验系统为例：统为例：2024/8/20190光与现光与现代科技代科技光时分复用光时分复用(OTDM)-4锁锁摸摸激激光光器器AMZMZMZMZ光延时光延时光延时光延时光延时光延时A5GHz5GHz5GHz5GHz14分路分路41合路合路电信号电信号(NRZ)45Gbit/s光信号光信号(RZ)45Gbit/s光信号光信号(RZ)20Gbit/s脉冲脉冲3dB,宽度为宽度为14ps14分

97、路为熔锥式光纤耦合器件分路为熔锥式光纤耦合器件光纤光纤2024/8/20191光与现光与现代科技代科技光时分复用光时分复用(OTDM)-5根据改变电延时或调制器上所加激励信根据改变电延时或调制器上所加激励信号的直流偏置，可以选择不同的信道。号的直流偏置，可以选择不同的信道。时钟恢时钟恢复复5GHzAMZMZ宽带接宽带接收机收机电电延延时时电电延延时时2V5GHz正弦波正弦波5GHz时钟时钟光信号光信号(RZ)20Gbit/s光信号光信号(RZ)10Gbit/s光信号光信号(RZ)5Gbit/s光纤光纤V5GHz正弦波正弦波电信号电信号(NRZ)5Gbit/s电信号电信号(NRZ)5Gbit/s

98、2024/8/20192光与现光与现代科技代科技光时分复用光时分复用(OTDM)-6系统的线路长度分成系统的线路长度分成4段，每段长段，每段长51.2km，采用色，采用色散移位光纤，平均零色散波长散移位光纤，平均零色散波长1554.2nm，该波长，该波长平均损耗和色散分别为平均损耗和色散分别为11dB和和0.085ps/(nm.km),背背靠背接收机灵敏度为靠背接收机灵敏度为20.5dBm，经，经205km光纤传光纤传输后功率代价输后功率代价0.8dB，主要归于一串光纤放大器的，主要归于一串光纤放大器的自发辐射积累效应。自发辐射积累效应。整个整个20Gbit/s光时分复用系统所采用收发端机及元

99、光时分复用系统所采用收发端机及元器件只工作在器件只工作在5GHz的重复频率上，从而突破了电的重复频率上，从而突破了电时分复用的限制，实现了扩容。时分复用的限制，实现了扩容。2024/8/20193光与现光与现代科技代科技波分复用系统原理波分复用系统原理所谓技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的所谓技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率（或波长）不同可巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率（或波长）不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波；的载波；在发送端采用波分复用器（合波器）

100、将不同规定波长的信号在发送端采用波分复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承在接收端，再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。载不同信号的光载波分开的复用方式。2024/8/20194光与现光与现代科技代科技由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。输。双向传输的问题也很容

101、易解决，只需将两个方向的信号分别双向传输的问题也很容易解决，只需将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可。安排在不同波长传输即可。根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从2个至个至几十个不等，现在商用化的一般是波长和几十个不等，现在商用化的一般是波长和16波长系统，这波长系统，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小取决于所允许的光载波波长的间隔大小 。2024/8/20195光与现光与现代科技代科技双纤单向传输的双纤单向传输的WDM系统系统2024/8/20196光与现光与现代科技代科技单纤双向传输的单纤双向传输的WDM系统图系统图202

102、4/8/20197光与现光与现代科技代科技 16波长区的选择波长区的选择2024/8/20198光与现光与现代科技代科技 16波长区的选择波长区的选择16通路通路WDM系统的系统的16个光个光通路的中心频率应满足表的通路的中心频率应满足表的要求，要求，8通路通路WDM系统的系统的8个光通路的中心波长应选表个光通路的中心波长应选表中加的波长。中加的波长。WDM系统除了对各个通路系统除了对各个通路的信号波长有明确的规定外，的信号波长有明确的规定外，对中心频率偏移也有严格规对中心频率偏移也有严格规定。通路中心频率偏移定义定。通路中心频率偏移定义为通路实际的中心频率与通为通路实际的中心频率与通路中心频

103、率标称值的差值。路中心频率标称值的差值。对通路间隔选择对通路间隔选择100GHz的的162.5Gb/sWDM系统，到系统，到寿命终了时的波长偏移应不寿命终了时的波长偏移应不大于大于20GHz。 序号序号中心频率中心频率(THz)波长波长( nm)1192.1*1560.612192.21559.793192.3*1558.984192.41558.175192.5*1557.366192.61556.557192.7*1555.758192.81554.949192.9*1554.1310193.01553.3311193.1*1552.5212193.21551.7213193.3*1550

104、.9214193.41550.1215193.5*1549.3216193.61548.512024/8/20199光与现光与现代科技代科技4、副载波复用、副载波复用(SCM)副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图2024/8/20200光与现光与现代科技代科技副载波复用光纤传输系统副载波复用光纤传输系统副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图 原理：原理：N个频道的模拟基带电视信号分别调制频率为个频道的模拟基带电视信号分别调制频率为f1, f2, f3, fN的射频信号，把的射频信号，把N个带有电视信号的副载个带有电视信号的副

105、载波波f1s, f2s, f3s, fNs组合成多路宽带信号，再用这个宽组合成多路宽带信号，再用这个宽带信号对光源带信号对光源(一般为一般为LD)进行光强调制，实现电进行光强调制，实现电/光转光转换，光信号经光纤传输后，由光接收机实现光换，光信号经光纤传输后，由光接收机实现光/电转换，电转换，经分离和解调，最后输出经分离和解调，最后输出N个频道的电视信号。个频道的电视信号。模拟基带电视信号对射频的予调制，通常采用残留边模拟基带电视信号对射频的予调制，通常采用残留边带调幅（带调幅（VSB-AM）和调频（）和调频（FM）两种方式，各有）两种方式，各有不同的适用场合和优缺点。我们主要讨论残留边带调不

106、同的适用场合和优缺点。我们主要讨论残留边带调幅副载波复用（幅副载波复用（VSB-AM/SCM）模拟电视光纤传输）模拟电视光纤传输系统。系统。2024/8/20201光与现光与现代科技代科技5、码分复用、码分复用(CDM)前面讨论的前面讨论的WDM和和SCM技术都归结为预定技术都归结为预定的多路接入技术，不同用户根据固定安排使的多路接入技术，不同用户根据固定安排使用网络，其主要优点是简化了用户间的数据用网络，其主要优点是简化了用户间的数据路由，然而这种简化是以信道带宽的低效利路由，然而这种简化是以信道带宽的低效利用来达到的。用来达到的。采用随机多路接入技术可以克服这个缺点，采用随机多路接入技术可

107、以克服这个缺点，这种技术允许用户在任意时间随机接入任何这种技术允许用户在任意时间随机接入任何信道，码分复用信道，码分复用(CDM)就是这样一种技术。就是这样一种技术。2024/8/20202光与现光与现代科技代科技码分复用码分复用(CDM)1CDM是一种常用的扩频通信技术。其原理是将信是一种常用的扩频通信技术。其原理是将信息数据用伪随机编码（称扩频序列）调制，将原信息数据用伪随机编码（称扩频序列）调制，将原信号的频谱弥散到一个较宽度频谱范围内，实现频谱号的频谱弥散到一个较宽度频谱范围内，实现频谱扩展后的再传输。接收端接到信号后用同样的编码扩展后的再传输。接收端接到信号后用同样的编码进行解调进行

108、解调(或解扩或解扩)和相关处理，压缩信号频谱和相关处理，压缩信号频谱,恢复恢复原始信息数据，所以称之为扩频通信原始信息数据，所以称之为扩频通信这种通信方式具有一定的多址多接入能力，可在同这种通信方式具有一定的多址多接入能力，可在同一信道内容许不同扩频序列一信道内容许不同扩频序列(或特征序列或特征序列)调制的信调制的信息数据同时传输，因此又称码分复用技术。息数据同时传输，因此又称码分复用技术。2024/8/20203光与现光与现代科技代科技码分复用码分复用(CDM)2频谱扩展码称为特征序列，不同用户分配不同的特频谱扩展码称为特征序列，不同用户分配不同的特征序列，组成特征序列编码。所以用户共享同一

109、带征序列，组成特征序列编码。所以用户共享同一带宽，发送机可在任意时间发送信息，在接收端采用宽，发送机可在任意时间发送信息，在接收端采用预知的相同的信息编码特征序列，对接收机进行解预知的相同的信息编码特征序列，对接收机进行解码，以恢复原始信号。码，以恢复原始信号。这种复用技术利用随机多路接入技术，简化了信道这种复用技术利用随机多路接入技术，简化了信道线路，允许用户在任意时刻接入信道，克服了不同线路，允许用户在任意时刻接入信道，克服了不同用户必须根据固定安排使用信道的局限。在局域网用户必须根据固定安排使用信道的局限。在局域网多路接入时极为方便，具有吸引力。但这种简化和多路接入时极为方便，具有吸引力

110、。但这种简化和方便，是以信道带宽的低效利用为代价而取得的。方便，是以信道带宽的低效利用为代价而取得的。2024/8/20204光与现光与现代科技代科技码分复用码分复用(CDM)3CDM在微波、卫星和移动通信中早已开展研究，并在微波、卫星和移动通信中早已开展研究，并得到广泛应用。得到广泛应用。但在光纤通信系统中的研究在但在光纤通信系统中的研究在80年代中期才开始。年代中期才开始。在微波在微波CDM通信系统中，扩频调制和解调都在电域通信系统中，扩频调制和解调都在电域上进行，使线路速率大大提高，对电子器件的要求上进行，使线路速率大大提高，对电子器件的要求很高。很高。在光通信领域光纤带宽很宽，非常适合

111、作为在光通信领域光纤带宽很宽，非常适合作为CDM的的传输线路，光子器件的响应速度很快，可用光学处传输线路，光子器件的响应速度很快，可用光学处理的方法实现信息和数据的扩频调制和解调，使理的方法实现信息和数据的扩频调制和解调，使CDM技术具有更高的复用能力和通信容量。技术具有更高的复用能力和通信容量。2024/8/20205光与现光与现代科技代科技码分复用码分复用(CDM)4CDM优点与扩频序列或特征序列的选取有直接优点与扩频序列或特征序列的选取有直接关系，理想到扩频编码应具有尖锐的自相关特性，关系，理想到扩频编码应具有尖锐的自相关特性，处处为零的互相关特性和不同码元数平衡相等等处处为零的互相关特

112、性和不同码元数平衡相等等特性。在光特性。在光CDM中，还应有中，还应有“非负非负”特性，即特性，即只能在二值域只能在二值域(1 ,0)上取值。上取值。有几种方法可用于扩频编码：直接序列、时间跳有几种方法可用于扩频编码：直接序列、时间跳跃和频率跳跃。跃和频率跳跃。直接序列：如待传送的数据的每个比特用直接序列：如待传送的数据的每个比特用7个比个比特特(1001101)组成的特征序列编码，这种编码使有组成的特征序列编码，这种编码使有效的比特率增加了效的比特率增加了7倍，频谱扩散到很宽范围。倍，频谱扩散到很宽范围。2024/8/20206光与现光与现代科技代科技码分复用码分复用(CDM)5特征序列特征

113、序列(1,0,0,1,1,0,1)二进制数据二进制数据(1,0,1,1)不同用户分配不同的特征序列，所不同用户分配不同的特征序列，所用用户共享同一光带宽。用用户共享同一光带宽。2024/8/20207光与现光与现代科技代科技码分复用码分复用(CDM)6给不同用户分配不同的频率跳变图形给不同用户分配不同的频率跳变图形(或代码或代码)，以保，以保证两个用户不会在相同的时隙，以相同的频率传送证两个用户不会在相同的时隙，以相同的频率传送信息，满足这种性质的代码序列称为光正交，其设信息，满足这种性质的代码序列称为光正交，其设计和实现较复杂。计和实现较复杂。频率跳变：光载波频率根据确定的预先给定代码周频率

114、跳变：光载波频率根据确定的预先给定代码周期地变化。它与期地变化。它与WDM和和FDM不同，不同，CDM对给定的对给定的信道没有分配固定频率，所有信道根据代码在不同信道没有分配固定频率，所有信道根据代码在不同时间采用不同的载频，共用全部带宽。时间采用不同的载频，共用全部带宽。频率跳变信号可用矩阵表示，行代表分配的频率，频率跳变信号可用矩阵表示，行代表分配的频率，列代表时隙。当且仅当频率列代表时隙。当且仅当频率i在时隙在时隙tj内传输时，矩内传输时，矩阵元素阵元素mij才等于才等于1。2024/8/20208光与现光与现代科技代科技码分复用码分复用(CDM)7CDM的一个最具魅力的特点是具有异步发

115、的一个最具魅力的特点是具有异步发送和多路复用能力，但在异步传输时，很难送和多路复用能力，但在异步传输时，很难保证光正交序列完全正交，由此将引起误码。保证光正交序列完全正交，由此将引起误码。因此具有最大自相关和最小互相关的伪正交因此具有最大自相关和最小互相关的伪正交码使误码尽可能少。尽管如此，码使误码尽可能少。尽管如此，CDM系统系统的误码率仍较高，通常大于的误码率仍较高，通常大于10-6。光光CDM具有许多独特优点，但技术还不成具有许多独特优点，但技术还不成熟，正在发展之中。熟，正在发展之中。2024/8/20209光与现光与现代科技代科技1、光孤子光纤通信概念、光孤子光纤通信概念 随着光纤损

116、耗不断下降，光信号幅度的衰减越来越不成为限制通随着光纤损耗不断下降，光信号幅度的衰减越来越不成为限制通信系统中继距离的主要制约因素。相反地，在信系统中继距离的主要制约因素。相反地，在Gbs以上的高速以上的高速光纤通信系统中，由于各种色散，即群速度色散（光纤通信系统中，由于各种色散，即群速度色散（GVD）而造成）而造成的光脉冲在传播过程中的脉冲展宽却成为限制通信距离的关键制的光脉冲在传播过程中的脉冲展宽却成为限制通信距离的关键制的因素。的因素。弧子弧子（Soliton）是一种弧立波，它在传播过程中没有能量弥散，）是一种弧立波，它在传播过程中没有能量弥散，特别是超短光脉冲即脉冲宽度达到特别是超短光

117、脉冲即脉冲宽度达到Ps量级，它通过光纤传输时将量级，它通过光纤传输时将没有任何色散而保持脉冲形状不变，这在实现跨洋无中继等长距没有任何色散而保持脉冲形状不变，这在实现跨洋无中继等长距离光纤通信系统中，是非常有吸引力的新型通信方式。即：光孤离光纤通信系统中，是非常有吸引力的新型通信方式。即：光孤子子(Soliton)是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲光脉冲(ps数量级数量级)。光孤子的形成是。光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果效应相互平衡的结果。利用光孤立子波作为载波，利用色散位移光纤作

118、为传输介质的通利用光孤立子波作为载波，利用色散位移光纤作为传输介质的通信，称之为光孤子光纤通信。信，称之为光孤子光纤通信。 8.3.5 光光纤孤子通信系孤子通信系统2024/8/20210光与现光与现代科技代科技2、光孤子光纤通信的基本组成、光孤子光纤通信的基本组成光孤子通信系统的组成方框图光孤子通信系统的组成方框图2024/8/20211光与现光与现代科技代科技光源光源：由于光孤子光纤通信是一种非线性的全光通信，因而它主要：由于光孤子光纤通信是一种非线性的全光通信，因而它主要是采用光孤子源作为光源；光放大器代替光电中继器；由于传输速是采用光孤子源作为光源；光放大器代替光电中继器；由于传输速率

119、高达几十几百率高达几十几百Gb/s通常采用自相位调制（通常采用自相位调制（SPM）外调制技术，）外调制技术，同时要求光检测器的响应速度很快，即带宽要大；同时要求光检测器的响应速度很快，即带宽要大；传输介质传输介质主要采用常规的主要采用常规的1310nm和和1550nm的单模光纤或者的单模光纤或者1550nm的色散位移光纤。的色散位移光纤。原理：原理：当锁模激光器输出的光孤子脉冲通过调制器时，外信号经过当锁模激光器输出的光孤子脉冲通过调制器时，外信号经过脉冲发生器后变成调制信号加到了调制器上，经过脉冲发生器后变成调制信号加到了调制器上，经过SPM外调制后携外调制后携带信息的光孤了波被注入进光纤，

120、由于光功率较强，引起了带信息的光孤了波被注入进光纤，由于光功率较强，引起了光纤的光纤的非线性效应非线性效应，使得较高频率分量不断累积，造成光纤中传输的光波，使得较高频率分量不断累积，造成光纤中传输的光波波形被波形被压窄压窄（即光脉冲的后沿比前沿快），使波形变陡，脉冲宽度（即光脉冲的后沿比前沿快），使波形变陡，脉冲宽度可达零点几个可达零点几个Ps，正好与，正好与光纤的色散效应光纤的色散效应即光脉冲在传输过程中即光脉冲在传输过程中脉脉冲被展宽冲被展宽相抵消，结果使光脉冲信号在传输过程中保持波形不变。相抵消，结果使光脉冲信号在传输过程中保持波形不变。即无波形失真地传输。即无波形失真地传输。因此，使用

121、光孤子进行光纤通信可使光纤的带宽增加因此，使用光孤子进行光纤通信可使光纤的带宽增加10100倍，倍，使使Gb/s以上的脉冲信号可以无中继传输高达几百以上的脉冲信号可以无中继传输高达几百km。2024/8/20212光与现光与现代科技代科技脉冲在反常色散光纤中传输因啁啾效应可被压缩或展宽脉冲在反常色散光纤中传输因啁啾效应可被压缩或展宽 2024/8/20213光与现光与现代科技代科技 对对正正常常色色散散光光纤纤，结结论论正正相相反反。因因此此，具具有有正正啁啁啾啾的的光光脉脉冲冲通通过过反反常常色色散散光光纤纤时时，脉脉冲冲前前部部( (头头) )频频率率低，传播得慢，低，传播得慢， 而后部而

122、后部( (尾尾) )频率高，传播得快。频率高，传播得快。 这这种种脉脉冲冲形形象象地地被被称称为为“红红头头紫紫尾尾”光光脉脉冲冲。在在传传播播过过程程中中，“紫紫”尾尾逐逐渐渐接接近近“红红”头头，因因而而脉脉冲冲被被压压缩缩，如如图图a a。相相反反，具具有有负负啁啁啾啾的的光光脉脉冲冲通通过过反反常常色色散散光光纤纤时时，前前部部( (头头) )传传播播得得快快，后后部部( (尾尾) )传传播播得得慢慢，“紫紫”头头和和“红红”尾尾逐逐渐渐分分离离，结结果果脉脉冲冲被被展展宽宽，如如图图b b所所示示。由由此此可可见见，适适当当选选择择相相关关参参数数，可可以以使使光脉冲宽度保持不变。光

123、脉冲宽度保持不变。2024/8/20214光与现光与现代科技代科技光孤子通信系统和实验系统光孤子通信系统和实验系统(a) 光孤子通信系统构成方框图；光孤子通信系统构成方框图； (b) 循环光纤间接光孤子实验系统图循环光纤间接光孤子实验系统图 2024/8/20215光与现光与现代科技代科技 光光孤孤子子源源是是光光孤孤子子通通信信系系统统的的关关键键。要要求求光光孤孤子子源源提提供供的的脉脉冲冲宽宽度度为为psps数数量量级级，并并有有规规定定的的形形状状和和峰峰值值。光光孤孤子子源源有有很很多多种种类类，主主要要有有掺掺铒铒光光纤纤孤孤子子激激光光器器、 锁锁模半导体激光器等模半导体激光器等

124、 。 目目前前，光光孤孤子子通通信信系系统统已已经经有有许许多多实实验验结结果果。例例如如，对对光光纤纤线线路路直直接接实实验验系系统统，在在传传输输速速率率为为10 10 Gb/sGb/s时时，传传输输距距离离达达到到1000 1000 kmkm；在在传传输输速速率率为为20 20 Gb/sGb/s时时，传传输输距距离离达达到到350 350 kmkm。对对循循环环光光纤纤间间接接实实验验系系统统( (参参看看前前图图(b)(b)，传传输输速速率率为为2.4 2.4 Gb/sGb/s，传传输输距距离离达达12 12 000 000 kmkm；改改进进实实验系统，传输速率为验系统，传输速率为1

125、0 10 Gb/sGb/s，传输距离达传输距离达10106 6 km km。 2024/8/20216光与现光与现代科技代科技8.3.6 光光纤通信网通信网络概述概述光纤通信网的发展趋势光纤通信网的发展趋势三代通信网络三代通信网络全光通信网全光通信网光纤网络的容量光纤网络的容量千兆比特网络的应用千兆比特网络的应用光纤通信网络分类及拓扑结构光纤通信网络分类及拓扑结构2024/8/20217光与现光与现代科技代科技一、概述一、概述 1 1、通信网的发展趋势、通信网的发展趋势 通信网总的发展趋势是通信网总的发展趋势是数字化、综合化和宽带化数字化、综合化和宽带化。与光纤。与光纤通信关系最为密切的是宽带

126、化，这是人类社会发展到信息时代通信关系最为密切的是宽带化，这是人类社会发展到信息时代的迫切需求，的迫切需求， 也是科技进步的必然产物。也是科技进步的必然产物。 数字化数字化就是在通信网的各个部分就是在通信网的各个部分( (核心网和接入网核心网和接入网) )及各个及各个环节环节( (传输、交换、接入、终端等传输、交换、接入、终端等) )全面采用数字技术。目前核全面采用数字技术。目前核心网心网( (或称骨干网或称骨干网) )已实现了数字化，采用了数字传输和数字交已实现了数字化，采用了数字传输和数字交换技术，其优越性已十分明显。换技术，其优越性已十分明显。 接入网的情况比较复杂，模拟接入网的情况比较

127、复杂，模拟的东西还大量存在，如电话网从核心网边缘的端局交换机到用的东西还大量存在，如电话网从核心网边缘的端局交换机到用户终端的用户环路，大量使用的还是模拟二线；有线电视系统户终端的用户环路，大量使用的还是模拟二线；有线电视系统也基本上是模拟的；新近采用的非对称数字用户线也基本上是模拟的；新近采用的非对称数字用户线(ADSL)(ADSL)实际实际上是模数混合上是模数混合体制。体制。 2024/8/20218光与现光与现代科技代科技 综合化综合化，主要指业务的综合，即通信网要由原来的单一业，主要指业务的综合，即通信网要由原来的单一业务网务网( (如电话网、分组数据网如电话网、分组数据网) )发展为

128、能同时提供多种业务发展为能同时提供多种业务( (包包括话音、数据、图像等括话音、数据、图像等) )，特别是多媒体业务的网络。数字化，特别是多媒体业务的网络。数字化是综合化的前提。当各种类型的消息都用统一的数字符号表示是综合化的前提。当各种类型的消息都用统一的数字符号表示时，通过端到端的数字传输，便能实现综合业务。长期以来，时，通过端到端的数字传输，便能实现综合业务。长期以来， 通信网的主要业务是话音，所以电信网基本上等同通信网的主要业务是话音，所以电信网基本上等同于电话网；于电话网； 电信网中还有一种业务是电报，相当于原始的低速数据业务电信网中还有一种业务是电报，相当于原始的低速数据业务. .

129、 随着计算机网络的出现和发展，特别是因特网随着计算机网络的出现和发展，特别是因特网(Internet)(Internet)扩展到全世界，对数据业务量的需求不断增长，近十年来，几扩展到全世界，对数据业务量的需求不断增长，近十年来，几乎每半年翻一番。数据业务量猛增的主要推动力是因特网的乎每半年翻一番。数据业务量猛增的主要推动力是因特网的WWWWWW业务和高速多媒体业务。因此，用不了多少时间，数据业业务和高速多媒体业务。因此，用不了多少时间，数据业务的总量将超过电话业务。此外，电视会议、远程教育、电子务的总量将超过电话业务。此外，电视会议、远程教育、电子商务等应用都要求通信网提供高速数据和视频业务，

130、而这些业商务等应用都要求通信网提供高速数据和视频业务，而这些业务所需的带宽都远大于电话业务。因此务所需的带宽都远大于电话业务。因此业务综合化必将导致网业务综合化必将导致网络的宽带化络的宽带化。 2024/8/20219光与现光与现代科技代科技 通通信信网网络络从从电电话话业业务务为为主主演演进进到到多多媒媒体体业业务务为为主主，每每个个用用户户占占用用的的带带宽宽由由64 64 kb/skb/s要要提提高高到到6 6 Mb/sMb/s左左右右，由由此此估估计计总总业务量约增加业务量约增加100100倍。倍。 如如果果考考虑虑到到要要支支持持高高清清晰晰度度电电视视等等更更宽宽带带宽宽的的业业务

131、务，则则总总业业务务量量还还会会不不断断增增加加。所所以以网网络络宽宽带带化化首首先先是是人人们们的的迫迫切切需需求求。另另一一方方面面，由由于于光光纤纤通通信信技技术术的的成成就就，特特别别是是密密集集波波分分复复用用(DWDM)(DWDM)技技术术的的发发展展，使使得得网网络络的的传传输输带带宽宽大大大大增增加加。如如果果双双绞绞铜铜线线的的传传输输带带宽宽按按2 2 Mb/sMb/s估估计计，一一根根光光纤纤采采用用DWDMDWDM技技术术，传传输输容容量量可可达达到到2020200 200 Gb/sGb/s，也也就就是是说说，光光纤纤的的传传输输容容量量是是铜铜线线的的一一万万至至十十

132、万万倍倍。因因此此宽宽带带化化意意味味着着光光纤纤将将成成为主要的传输媒质。为主要的传输媒质。 今今天天，在在核核心心网网内内以以光光纤纤为为传传输输媒媒质质，采采用用DWDMDWDM技技术术实实现现宽宽带带传传输输，同同时时采采用用光光交交换换技技术术构构成成全全光光通通信信网网，已已成成为为现实现实。2024/8/20220光与现光与现代科技代科技 在在接接入入网网中中，光光纤纤正正在在伸伸向向用用户户，从从光光纤纤到到路路边边(FTTC)(FTTC)、光光纤纤到到大大楼楼(FTTB)(FTTB)发发展展到到光光纤纤到到交交接接箱箱( (FTTCabFTTCab) )，最最后后将将实实现现

133、光光纤纤到到家家(FTTH)(FTTH)。 当当然然， 从从带带宽宽需需求求和和经经济济性性考考虑虑，接接入入网网采采用用光光纤纤没没有有必必要要也也不不可可能能如如同同核核心心网网那那样样采采用用DWDMDWDM技技术术，而而是是采采用用比比较较简简单单和和廉廉价价的的光光纤纤通通信信设设备备。 因因此此接接入入网和核心网实现宽带化的技术途径是不同的。网和核心网实现宽带化的技术途径是不同的。2024/8/20221光与现光与现代科技代科技2、三代通信网络三代通信网络上图给出了上图给出了通信网络物理层所经历过的三个阶段通信网络物理层所经历过的三个阶段。(a)图表示第一代网络的结构，四个节点用铜

134、线互连在一起。铜图表示第一代网络的结构，四个节点用铜线互连在一起。铜线是一种窄带线路，它的容量有限。两个节点间的逻辑连接如线是一种窄带线路，它的容量有限。两个节点间的逻辑连接如点划线所示。点划线所示。(b)图表示用一段段光纤取代铜线后构成的网络，图表示用一段段光纤取代铜线后构成的网络，这是第二代网络。这是第二代网络。(c)图表示所有节点被不间断的光纤连接的第图表示所有节点被不间断的光纤连接的第三代网络。三代网络。设计网络时，关于线路的选择要考虑三点：它的带宽、误码率设计网络时，关于线路的选择要考虑三点：它的带宽、误码率和延迟。图中和延迟。图中(b)图和图和(c)图表示的线路要比图表示的线路要比

135、(a)图粗些，但长度相图粗些，但长度相等，这就是说第二、三代网络的带宽和误码率要比第一代的已等，这就是说第二、三代网络的带宽和误码率要比第一代的已有改进，但是传输延迟没有改变。有改进，但是传输延迟没有改变。 三代通信网络结三代通信网络结构构(a)第一代第一代(b)第二代第二代( c)第三代第三代2024/8/20222光与现光与现代科技代科技三代通信网络三代通信网络第一代网络的比特率可以是用于电话服务的旧商用网络的每第一代网络的比特率可以是用于电话服务的旧商用网络的每秒几千比特，也可以是用于同轴电缆局域网的每秒几兆比特秒几千比特，也可以是用于同轴电缆局域网的每秒几兆比特.特别有意思的是第一代系

136、统可以是一个用于交换的高性能平特别有意思的是第一代系统可以是一个用于交换的高性能平行接口行接口(HIPPI)，或者只有，或者只有25米长、米长、1Gbs的点对点的线路。的点对点的线路。第二代光纤传输网络具有较大的带宽和较少的误码，现已普第二代光纤传输网络具有较大的带宽和较少的误码，现已普遍推广应用。工作速率为遍推广应用。工作速率为100Mbs的光纤分布数据接口的光纤分布数据接口(FDDI)局域网，以及局域网，以及IEEE 802.6分布排队双总线分布排队双总线(DQDB)的城的城域网等就是这种网络的典型代表。域网等就是这种网络的典型代表。FDDI是一种改进的信令环是一种改进的信令环网，网，DQ

137、DB是一种总线网。这些网络都是用光缆取代同轴电是一种总线网。这些网络都是用光缆取代同轴电缆，传输速率均有提高，误码率均有下降，而通信协议也有缆，传输速率均有提高，误码率均有下降，而通信协议也有一些改变，但其它功能与同轴电缆网络相同一些改变，但其它功能与同轴电缆网络相同.事实上，宽带光缆和窄带电缆是两种截然不同的传输介质，事实上，宽带光缆和窄带电缆是两种截然不同的传输介质，由光缆构成的不同种类的网络其性能远比电缆网好。由光缆构成的不同种类的网络其性能远比电缆网好。 2024/8/20223光与现光与现代科技代科技3、全光网络、全光网络第三代网络介绍第三代网络介绍传输带宽大、误码率少及传传输带宽大

138、、误码率少及传输延迟小的第三代网络被称输延迟小的第三代网络被称为全光网络。为全光网络。该网络中，只有在接收机和该网络中，只有在接收机和发射机中才进行光发射机中才进行光/电或电电或电/光光转换，一个节点只包含本节转换，一个节点只包含本节点的电子信息，而与其它节点的电子信息，而与其它节点的信息无关。点的信息无关。全光网络是用一些中间不含全光网络是用一些中间不含有光电转换器的光纤，连有光电转换器的光纤，连接不同节点的网络。它能充接不同节点的网络。它能充分利用光纤的带宽和低差错分利用光纤的带宽和低差错率的特性。率的特性。左图表示三种基本的全光纤左图表示三种基本的全光纤网络。网络。(a)星形网(b)总线

139、网( c)树形网2024/8/20224光与现光与现代科技代科技星形耦合器是一种能将所有输入端口的输入信号合并在一起，星形耦合器是一种能将所有输入端口的输入信号合并在一起，并传输到每个输出端口的器件。跨接在总线上的每个站使用并传输到每个输出端口的器件。跨接在总线上的每个站使用两个两个T型耦合器，分别用于光发射机和接收机与总线的连接。型耦合器，分别用于光发射机和接收机与总线的连接。从上图可见，网络中的任一接收机均可以接收网络中的任一从上图可见，网络中的任一接收机均可以接收网络中的任一发射机发送的信息，也就是说任意一个光发射机的光功率都发射机发送的信息，也就是说任意一个光发射机的光功率都分配给所有

140、站的光接收机。原则上讲这是没有必要的，因为分配给所有站的光接收机。原则上讲这是没有必要的，因为并不是所有的用户都需要接收它，或许只有一个用户才需要并不是所有的用户都需要接收它，或许只有一个用户才需要与它建立联系。然而，设计制造一个不浪费光能量的器件是与它建立联系。然而，设计制造一个不浪费光能量的器件是相当困难的，通常分配损耗是不可避免的。相当困难的，通常分配损耗是不可避免的。每个节点只有一个光发射机和一个光接收机。但是为了充分每个节点只有一个光发射机和一个光接收机。但是为了充分利用光纤的带宽，我们可能想同时从给定的任意节点接收和利用光纤的带宽，我们可能想同时从给定的任意节点接收和发射信号。现有

141、的一些技术是可以使它实现的，这就是波分发射信号。现有的一些技术是可以使它实现的，这就是波分多址多址(WDMA)、时分多址、时分多址(TDMA)以及码分多址以及码分多址(CDMA)技技术。术。2024/8/20225光与现光与现代科技代科技4、光纤网络的容量、光纤网络的容量光纤通信网络总容量受到的限制光纤通信网络总容量受到的限制FDDI属于第二代光纤网络的光纤分配数据接口属于第二代光纤网络的光纤分配数据接口HIPPI同轴电缆并行千兆比特接口同轴电缆并行千兆比特接口2024/8/20226光与现光与现代科技代科技光纤网络的容量光纤网络的容量网络网络“容量容量”是网络的总传输量，即任一是网络的总传输

142、量，即任一时间所有连接到网络各用户的总比特率。时间所有连接到网络各用户的总比特率。若若1.51.5m m处光纤总带宽为处光纤总带宽为200nm 200nm (25000GHz)(25000GHz)，我们使用时分或波分复用技，我们使用时分或波分复用技术使信道以每比特每秒约术使信道以每比特每秒约2.5Hz2.5Hz的间隔复的间隔复用，则同时以用，则同时以1Gb/s1Gb/s速率传输的节点数为速率传输的节点数为10104 4。传输速率为传输速率为1Gb/s1Gb/s，实际限制的节点数为，实际限制的节点数为10104 4，如图中右上方斜线所示。若速率提，如图中右上方斜线所示。若速率提高，则允许的节点数

143、要减少。高，则允许的节点数要减少。2024/8/20227光与现光与现代科技代科技5.千兆比特应用对网络的要求千兆比特应用对网络的要求比特率比特率(Gb/s)可扩展可扩展性和延性和延迟性迟性对分组对分组交换的交换的要求要求对延迟对延迟的要求的要求误码率误码率超级计超级计算机算机1低低不要求不要求小小10-9医疗图医疗图像像1低低不要求不要求不要求不要求10-15多媒体多媒体会议会议1高高要求要求不要求不要求10-9CPU互互连连1低低要求要求小小10-152024/8/20228光与现光与现代科技代科技二、光纤通信网络分类二、光纤通信网络分类光纤通信网络的分类没有统一的标准，但通常可光纤通信网

144、络的分类没有统一的标准，但通常可以从网络的主要性能、技术特征和技术体制三方以从网络的主要性能、技术特征和技术体制三方面来分类。面来分类。(1)按主要性能分类：按主要性能分类：从网的最大覆盖范围（或网径）分类从网的最大覆盖范围（或网径）分类宽域网宽域网( (WAN,WideWAN,Wide Area Network) Area Network)：指在信道集中：指在信道集中点、电话交换局、交换中心或者上点、电话交换局、交换中心或者上/ /下话路之间的下话路之间的长距离传输，通常可达长距离传输，通常可达几千公里几千公里，可包括通信卫，可包括通信卫星以及长距离微波和光纤干线。星以及长距离微波和光纤干线

145、。2024/8/20229光与现光与现代科技代科技二、光纤通信网络分类二、光纤通信网络分类城域网城域网( (MAN,MetropolitanMAN,Metropolitan Area Network) Area Network)：指在信：指在信息量集中的区域内，例如在一个城市内，两个建筑物息量集中的区域内，例如在一个城市内，两个建筑物内，两个内，两个LANLAN之间传输信息的网络，或者用于之间传输信息的网络，或者用于WANWAN的本的本地分配网络。传输距离地分配网络。传输距离最远可达最远可达100km100km。它界于。它界于WANWAN、LANLAN之间，可认为是到之间，可认为是到WANWA

146、N的网关。它可包括电话本地的网关。它可包括电话本地网络、商业网络、网络、商业网络、CATVCATV用户和社区网络，以及在有限用户和社区网络，以及在有限的区域内连接建筑物的专用商业网络。的区域内连接建筑物的专用商业网络。局域网局域网( (LAN,LocalLAN,Local Area Network) Area Network)：是一种小范围内：是一种小范围内多用户传输网络，它可能仅仅是在一个办公室、一个多用户传输网络，它可能仅仅是在一个办公室、一个建筑物内、或者在一个建筑群内的网络，其传输距离建筑物内、或者在一个建筑群内的网络，其传输距离最多只有最多只有10km10km，它包括连接主机、存储设

147、备、数据终，它包括连接主机、存储设备、数据终端以及其它外围设备的专用计算机网络，例如可包括端以及其它外围设备的专用计算机网络，例如可包括以太网、以太网、IBMIBM信令环及光纤分布数据接口信令环及光纤分布数据接口(FDDI)(FDDI)。2024/8/20230光与现光与现代科技代科技WAN及其与及其与MAN和和LAN的互连的互连2024/8/20231光与现光与现代科技代科技主要性能分类主要性能分类通信业务种类分通信业务种类分计算机网（数据网）计算机网（数据网）综合业务数字网综合业务数字网按网的数据速率（或频带）分类按网的数据速率（或频带）分类低速：低速：低于或等于低于或等于10Mb/s10

148、Mb/s中速：中速：101050Mb/s50Mb/s高速（超高速）：高速（超高速）：高于高于1Gb/s1Gb/s也称超高速也称超高速网络网络2024/8/20232光与现光与现代科技代科技(2)按技术特征分类按技术特征分类按网的拓扑结构分按网的拓扑结构分有总线形、环形、树形、星形及它们的组合有总线形、环形、树形、星形及它们的组合按媒质接入控制（按媒质接入控制（MACMAC）子层的特征分类）子层的特征分类该分类较复杂，包括了不同的复接方式和交换方该分类较复杂，包括了不同的复接方式和交换方式式基本基本复接方式复接方式：时分、波分（频分）、空分、码分；：时分、波分（频分）、空分、码分；还可采用混合复

149、接方式：波分还可采用混合复接方式：波分/ /时分，波分时分，波分/ /空分，波空分，波分分/ /副载波等。副载波等。基本基本交换方式交换方式：电路交换、分组交换以及集两者之长：电路交换、分组交换以及集两者之长处的异步传送模式处的异步传送模式(ATM)(ATM)，也可采用混合交换方式。，也可采用混合交换方式。2024/8/20233光与现光与现代科技代科技(2)按技术特征分类按技术特征分类在通信网中，通常采用分布式交换技术，而在通信网中，通常采用分布式交换技术，而不像电话交换机采用集中式交换，而分布式不像电话交换机采用集中式交换，而分布式交换的控制协议又可分为随机型和控制型两交换的控制协议又可分

150、为随机型和控制型两大类，每一类又可细分。大类，每一类又可细分。以以802.3 CSMA/CD802.3 CSMA/CD总线网（以太网）为例，总线网（以太网）为例，它采用的是时分复接、分组交换方式，其媒它采用的是时分复接、分组交换方式，其媒质接入控制是随机的，只要总线空闲即可发质接入控制是随机的，只要总线空闲即可发送数据帧，无需等待发送控制信号。送数据帧，无需等待发送控制信号。2024/8/20234光与现光与现代科技代科技(3)按技术体制分类按技术体制分类准同步数字（准同步数字（PDHPDH）光传输网络）光传输网络可分为：基群可分为：基群(2.048(2.048Mb/sMb/s) )、（、（3

151、030路）路） 二次群二次群(8.448(8.448Mb/sMb/s) )、（、（120120路）路） 三次群三次群(34.368(34.368Mb/sMb/s) )、（、（480480路）路） 四次群四次群(139.264(139.264Mb/sMb/s) ) 、（、（19201920路）路） 五次群网络五次群网络(564.992(564.992Mb/sMb/s) )（76807680路）。路）。我国长途干线网络多使用四次群网络。我国长途干线网络多使用四次群网络。同步数字（同步数字（SDHSDH）光传输网络）光传输网络可分为可分为：STM-1(155.520Mb/s)STM-1(155.52

152、0Mb/s)、（19201920路）路） STM-4(622.080Mb/s) STM-4(622.080Mb/s)、 （76807680路）路） STM-16(2488.320Mb/s) STM-16(2488.320Mb/s)、（3072030720路）路） STM-64(9953.280Mb/s)STM-64(9953.280Mb/s)、（122880122880路）路） STM-N(155.520 STM-N(155.520N Mb/s)N Mb/s)。 2024/8/20235光与现光与现代科技代科技2、光纤通信网络的拓扑结构、光纤通信网络的拓扑结构光纤通信网络的基本拓扑结构如下：光

153、纤通信网络的基本拓扑结构如下：2024/8/20236光与现光与现代科技代科技8.4 无线激光通信无线激光通信无线激光通信是指利用激光束作载波在陆地或外太空直接进无线激光通信是指利用激光束作载波在陆地或外太空直接进行话音、数据、图像信息双向传送的一种技术，又称为行话音、数据、图像信息双向传送的一种技术，又称为“自自由空间激光通信由空间激光通信”(Free Space Optics，FSO)、“无纤激光通无纤激光通信信”或或“无线激光网络无线激光网络”。无线激光通信以大气为传输介质，。无线激光通信以大气为传输介质，或在大气层外的空间直接传输。激光具有高方向性，故直接或在大气层外的空间直接传输。激

154、光具有高方向性，故直接传输有优势，但在大气层传输时受大气干扰和地物遮挡严重，传输有优势，但在大气层传输时受大气干扰和地物遮挡严重，所以所以无线激光通信一般只能用于近距离通信或太空通信无线激光通信一般只能用于近距离通信或太空通信。目前，主要的通信传输手段有微波通信、光纤通信等。目前，主要的通信传输手段有微波通信、光纤通信等。微波微波通信通信可节省大量有色金属，并易于跨越复杂地形，可以较灵可节省大量有色金属，并易于跨越复杂地形，可以较灵活地组成点、线结合的通信网，使一些海岛、山区、农村等活地组成点、线结合的通信网，使一些海岛、山区、农村等偏远地区的用户较方便地利用干线进行信息交换。偏远地区的用户较

155、方便地利用干线进行信息交换。光纤通信光纤通信系统的线路容量大，不易受外界干扰，但必须安装系统的线路容量大，不易受外界干扰，但必须安装光缆，当遇到恶劣地形条件时，工程施工难度大，建设周期光缆，当遇到恶劣地形条件时，工程施工难度大，建设周期长，费用高。长，费用高。2024/8/20237光与现光与现代科技代科技8.4 无线激光通信无线激光通信无线光通信结合了光纤通信与微波通信的优点，通信容量大，又不无线光通信结合了光纤通信与微波通信的优点，通信容量大，又不需要敷设光纤，它以激光束作为信息载体，是不需要任何有线传输需要敷设光纤，它以激光束作为信息载体，是不需要任何有线传输媒介的通信方式；媒介的通信方

156、式；缺点是光束以直线传播，不能跨越复杂地形缺点是光束以直线传播，不能跨越复杂地形。目前，卫星间只能以微波进行通信，微波的物理特性决定了它不可目前，卫星间只能以微波进行通信，微波的物理特性决定了它不可能达到与光纤通信一样的带宽，这样就造成地面与卫星通信时出现能达到与光纤通信一样的带宽，这样就造成地面与卫星通信时出现了瓶颈。了瓶颈。拓宽星间链路的一种解决方法是多发射卫星，然而地球的外空间资拓宽星间链路的一种解决方法是多发射卫星，然而地球的外空间资源有限，发射卫星受到一定的限制。卫星间必须是无线通信，因此源有限，发射卫星受到一定的限制。卫星间必须是无线通信，因此卫星间大容量通信的矛盾只能是通过发展无

157、线光通信来解决。卫星间大容量通信的矛盾只能是通过发展无线光通信来解决。在地面大气激光通信领域，国内外已经有多家公司的设备投入实际在地面大气激光通信领域，国内外已经有多家公司的设备投入实际运行，标志着无线激光通信实用技术已经开始。运行，标志着无线激光通信实用技术已经开始。在数十千米范围以内使用无线激光通信具有很多优点：信息量大、在数十千米范围以内使用无线激光通信具有很多优点：信息量大、保密性好、抗干扰、抗摧毁保密性好、抗干扰、抗摧毁(相对于光缆而言相对于光缆而言)等，使它在战场条件等，使它在战场条件下使用，以及作为网络接人方式应用解决最后下使用，以及作为网络接人方式应用解决最后1km问题时具有很

158、大问题时具有很大优势。优势。 2024/8/20238光与现光与现代科技代科技表表8.1 常见宽带接入方式常见宽带接入方式 接入方式接入方式LMDSFTTB(光纤光纤)FSO接入方式接入方式LMDSFTTB (光纤光纤)FSO工作频段工作频段毫米波毫米波1310nm1500nm850nm或或1550nm频率资源频率资源占用费占用费有有无无无无初期投资初期投资中中高高低低传输带宽传输带宽10Mb/S 622Mb/S2.5Gb/S 安装速度安装速度慢慢极慢极慢快快传输距离传输距离2-3km20km6km天气影响天气影响有有无无有有自由空间自由空间激光通信激光通信LMDS是Local Multipo

159、int Distribution Services的缩写，中文译作区域多点传输服务。这是一种微波的宽带业务，工作在28GHz附近频段，在较近的距离双向传输话音、数据和图像等信息。 2024/8/20239光与现光与现代科技代科技8.4.1 微波通信与无线激光通信微波通信与无线激光通信微波通信与无线激光通信具有相同的应用领域，各具优缺微波通信与无线激光通信具有相同的应用领域，各具优缺点，二者的差别主要有以下几个方面：点，二者的差别主要有以下几个方面：(1)可利用的频带宽度的差别。可利用的频带宽度的差别。从表从表8.4可见，激光的频带宽度为可见，激光的频带宽度为1.47105GHz，是微波波，是微

160、波波段带宽总和段带宽总和(19GHz)的近的近1万倍。万倍。表表8.4 空间空间微波通信和光通信所用的频段微波通信和光通信所用的频段 波段波段S波段波段C波段波段Ku波段波段Ka波段波段LD激光激光DPL激光激光波长波长15cm7.5cm7.5cm5cm2.5cm2.16cm1.17cm0.75cm0.9mm 0.8mm1.55nm1nm频率频率24GHz46GHz12GHz14GHz27GHz40GHz3.341053.751051.9410531052024/8/20240光与现光与现代科技代科技8.4.1 微波通信与无线激光通信微波通信与无线激光通信目前，在卫星通信中已利用的微波带宽大约

161、为目前，在卫星通信中已利用的微波带宽大约为2GHz(Ku波波段和段和C波段波段)，已开发利用的微波频带已接近其可利用的极，已开发利用的微波频带已接近其可利用的极限，很难再进一步扩展。限，很难再进一步扩展。激光空间通信试验的设备，如美国航天局激光空间通信试验的设备，如美国航天局(NASA)的哥达德的哥达德宇航中心空间激光通信实验样机容量为宇航中心空间激光通信实验样机容量为1.2Gbs，和现今，和现今卫星通信所用微波频带相当。卫星通信所用微波频带相当。将微波频段成熟的技术将微波频段成熟的技术(如如WDM、TDM)拓展到激光通信后，拓展到激光通信后，可立即扩大利用频带。可立即扩大利用频带。(2)相关

162、器件、设备尺寸和重量的差别。相关器件、设备尺寸和重量的差别。 根据电磁理论，用于电磁波发射、传输和接收的器件和根据电磁理论，用于电磁波发射、传输和接收的器件和设备尺寸与波长成正比，这就使光通信设备的尺寸、重量设备尺寸与波长成正比，这就使光通信设备的尺寸、重量大大减轻。例如，上述大大减轻。例如，上述NASA准备在自由号空间站上搭载的准备在自由号空间站上搭载的1.2Gbs激光通信设备质量不到激光通信设备质量不到91kg(不含太阳能电池不含太阳能电池)，而，而同等通信容量的微波设备，质量为同等通信容量的微波设备，质量为It左右左右(含太阳能电池、含太阳能电池、天线天线)。2024/8/20241光与

163、现光与现代科技代科技微波通信与无线激光通信微波通信与无线激光通信(3)波束质量的差别。波束质量的差别。电磁波的远场发散角与衍射极限角电磁波的远场发散角与衍射极限角有关，有关，=1.22D，其中其中为电磁波波长，为电磁波波长，D为发射天线为发射天线(望远镜望远镜)的口径。例如，的口径。例如，NASA的空间激光通信系统，采用直径为的空间激光通信系统，采用直径为25cm的卡塞格伦望的卡塞格伦望远镜，衍射极限角为远镜，衍射极限角为4urad，其实际远场发射角为，其实际远场发射角为19urad。如要使如要使 =2cm的的Ka波段微波束质量达到同等水平，则其天波段微波束质量达到同等水平，则其天线口径至少要

164、线口径至少要1000m以上。实际卫星上的抛物面天线口径为以上。实际卫星上的抛物面天线口径为1m左右，对左右，对Ka波段，远场发散角大于波段，远场发散角大于10mrad。由于波束发散角的差别，使在接收端空间位置的电磁波能量由于波束发散角的差别，使在接收端空间位置的电磁波能量密度不同，所以要求不同的发射功率。密度不同，所以要求不同的发射功率。NASA的激光通信系的激光通信系统总的激光平均发射功率为统总的激光平均发射功率为200mW，峰值功率为，峰值功率为800mW，通信距离大于通信距离大于21000km(GEO-GEO)。如采用微波进行通信，。如采用微波进行通信，则要用几台转发器，发射微波功率至少

165、上百瓦。另一方面，则要用几台转发器，发射微波功率至少上百瓦。另一方面，由于波束发射角的差别，使激光通信中光束方向控制比微波由于波束发射角的差别，使激光通信中光束方向控制比微波系统困难。系统困难。2024/8/20242光与现光与现代科技代科技微波通信与无线激光通信微波通信与无线激光通信(4)抗干扰特性的差别。抗干扰特性的差别。微波和激光通信系统都受背景辐射的影响，主要是太阳辐射被微波和激光通信系统都受背景辐射的影响，主要是太阳辐射被地球表面和大气层散射的影响。太阳辐射处于近红外波段，对地球表面和大气层散射的影响。太阳辐射处于近红外波段，对空间激光通信的影响远比对微波通信的影响大。但是由于微波空

166、间激光通信的影响远比对微波通信的影响大。但是由于微波通信系统接收天线的视场比激光系统中的大很多，所接收到的通信系统接收天线的视场比激光系统中的大很多，所接收到的背景辐射也强许多，加之微波还要受大气闪烁和地球上其他人背景辐射也强许多，加之微波还要受大气闪烁和地球上其他人工电磁波的干扰，结果使微波噪声特性差很多工电磁波的干扰，结果使微波噪声特性差很多.(5)大气传输特性的差别。大气传输特性的差别。地球大气气象条件对微波和激光的传输都有影响，但对激光传地球大气气象条件对微波和激光的传输都有影响，但对激光传输的影响要严重得多。对微波传输影响最大的是雨、云、雾，输的影响要严重得多。对微波传输影响最大的是

167、雨、云、雾，而且频率越高，影响越大，如暴雨而且频率越高，影响越大，如暴雨(100mmh)对对6GHz的微波的微波损耗约损耗约0.5dBkm，对一般气象条件可忽略。而对，对一般气象条件可忽略。而对0.83um的激的激光，在中等晴天大气引起的衰减达光，在中等晴天大气引起的衰减达0.7dBkm，而一般阴霾天，而一般阴霾天气为气为3dBkm- 5dBkm，在浓雾、浓云中衰减可达，在浓雾、浓云中衰减可达100dBkm以上。以上。2024/8/20243光与现光与现代科技代科技微波通信与无线激光通信微波通信与无线激光通信单从传输特性看，单从传输特性看，在空间站之间激光通信最为合适在空间站之间激光通信最为合

168、适(因为没有大气层因为没有大气层)；在地面站之间或地面站与空间在地面站之间或地面站与空间站之间，微波通信更为合适站之间，微波通信更为合适(因为要穿过大气层因为要穿过大气层)。综上所述，空间光通信具有很大优势，而综上所述，空间光通信具有很大优势，而存在的主存在的主要技术问题要技术问题可以概括为：可以概括为：光信号远距离传输能量损失大，接收到的信号非常光信号远距离传输能量损失大，接收到的信号非常微弱；微弱；背景光背景光(太阳、月亮、星体等太阳、月亮、星体等)会产生很强的干扰，会产生很强的干扰，这就增加了光信号的接收难度；光束发散角小因这就增加了光信号的接收难度；光束发散角小因此信号的捕获、对准和跟

169、踪困难。此信号的捕获、对准和跟踪困难。2024/8/20244光与现光与现代科技代科技8.4.2 无线激光通信的基本原理无线激光通信的基本原理无线激光通信系统的结构如图无线激光通信系统的结构如图8.35所示。待传送的信号经过编码器编码所示。待传送的信号经过编码器编码后，加载到调制器的激励器上，调制器的激励电流随信号的变化而变化，后，加载到调制器的激励器上，调制器的激励电流随信号的变化而变化，激光器的输出光束经过调制器调制之后，相关的参数激光器的输出光束经过调制器调制之后，相关的参数(强度、相位、振强度、相位、振幅或偏振幅或偏振)就会按照相应的规律变化，最后经过光学天线变换为发散角就会按照相应的

170、规律变化，最后经过光学天线变换为发散角很小的已调光束向空间发射出去。很小的已调光束向空间发射出去。接收端接收到已调光束之后，首先经过光检测器转换成射频电流，然后接收端接收到已调光束之后，首先经过光检测器转换成射频电流，然后馈入射频检波器，最后由解码器解调出原来的信号。其中激光器相当于馈入射频检波器，最后由解码器解调出原来的信号。其中激光器相当于无线电通信中的射频发生器，发射机和接收机的光学天线相当于无线电无线电通信中的射频发生器，发射机和接收机的光学天线相当于无线电系统的天线。系统的天线。 图图8.35无线激光无线激光通信系统的结构通信系统的结构 2024/8/20245光与现光与现代科技代科

171、技1空间光通信系统的收发端机空间光通信系统的收发端机光发射机光发射机主要包括激光器、调制器、准直系统等，主要包括激光器、调制器、准直系统等，核心是激核心是激光器光器。激光器需要两只，一只是信标激光器，另一只是信号激光器激光器需要两只，一只是信标激光器，另一只是信号激光器.信标激光器用在自动跟瞄系统信标激光器用在自动跟瞄系统(APT)中，信号激光器具有较好中，信号激光器具有较好的光束质量和频率响应。的光束质量和频率响应。图图8.36是空间光通信系是空间光通信系统的收发端机框图统的收发端机框图 2024/8/20246光与现光与现代科技代科技空间光通信系统的收发端机空间光通信系统的收发端机发射端发

172、射端具有超前对准单元，利用接收到的对方的信号光进行预对准具有超前对准单元，利用接收到的对方的信号光进行预对准信号源信号源的信号可以是图像、数据或声音的信号可以是图像、数据或声音,经过编码后，调制为双方约经过编码后，调制为双方约定的格式，由天线发射出去。编码可以采用开关键控定的格式，由天线发射出去。编码可以采用开关键控(OOK)、相位、相位位置调制编码位置调制编码(PPM)等。等。光学天线光学天线接收到光信号后，经过光学分束，信标光由粗对准探测器接收到光信号后，经过光学分束，信标光由粗对准探测器接收，输出信号由粗对准控制器驱动粗对准机构，完成粗对准接收，输出信号由粗对准控制器驱动粗对准机构，完成

173、粗对准信号光信号光经精对准机构、分光片、分束片，一部分至精对准探测器，经精对准机构、分光片、分束片，一部分至精对准探测器，由精对准控制器控制精对准机构，完成双方的精确由精对准控制器控制精对准机构，完成双方的精确对准与跟踪对准与跟踪；另；另一部分信号光提供给超前对准单元进行一部分信号光提供给超前对准单元进行预对准预对准；还有一部分信号光；还有一部分信号光由通信探测器由通信探测器检测并进行处理检测并进行处理。光接收机光接收机主要包括光探测器、低噪声前置放大器和信号处理电路。主要包括光探测器、低噪声前置放大器和信号处理电路。光探测器主要功能是：探测对方发来的信标光确定信标光的位置，光探测器主要功能是

174、：探测对方发来的信标光确定信标光的位置，计算位置误差信号，驱动计算位置误差信号，驱动APT单元，校正接收天线方向，完成天线单元，校正接收天线方向，完成天线粗对准；在粗对准完成后，利用信号光在四象限探测器上的位置，粗对准；在粗对准完成后，利用信号光在四象限探测器上的位置，由由APT系统实现双方天线的精对准与跟踪；探测对方发来的信号光，系统实现双方天线的精对准与跟踪；探测对方发来的信号光，解调出有用的信息。解调出有用的信息。2024/8/20247光与现光与现代科技代科技2空间光通空间光通信的信道干扰信的信道干扰 大气中的各种自然现象大气中的各种自然现象(雨、雪、雾、云、霾、湍流雨、雪、雾、云、霾

175、、湍流)对光信对光信号的传输都有影响，但它们对不同波长的光信号的衰减是不号的传输都有影响，但它们对不同波长的光信号的衰减是不同的，因此，可以通过选择合适的波长来保证光信号传输足同的，因此，可以通过选择合适的波长来保证光信号传输足够远的距离。够远的距离。在水下激光通信中应当选用蓝绿激光器，因为蓝绿激光在水在水下激光通信中应当选用蓝绿激光器，因为蓝绿激光在水中的衰减比较小，可以传送比较远的距离。中的衰减比较小，可以传送比较远的距离。把适合某一频段激光传送的介质称为该波段的把适合某一频段激光传送的介质称为该波段的“窗口窗口”。图图8.37是电磁波在大气中的传输衰减，实际工程中，人们总是电磁波在大气中

176、的传输衰减，实际工程中，人们总是选择衰减比较小的激光波长，用相应的激光器发送信号。是选择衰减比较小的激光波长，用相应的激光器发送信号。图图8.37电磁波在大气中的传输衰减电磁波在大气中的传输衰减2024/8/20248光与现光与现代科技代科技3无线激光通信关键技术无线激光通信关键技术无线激光通信是涵盖多种学科领域的综合性技术，其无线激光通信是涵盖多种学科领域的综合性技术，其关键关键技术主要有两个方面技术主要有两个方面：一方面是一方面是远距离远距离激光信号的激光信号的发射与接收技术发射与接收技术，其发送和接，其发送和接收信号的距离从上万千米的空间激光通信，到几十千米的收信号的距离从上万千米的空间

177、激光通信，到几十千米的地面激光通信；地面激光通信；另一方面是激光信号的另一方面是激光信号的捕获和自动跟瞄技术捕获和自动跟瞄技术，当通信距离，当通信距离比较远，背景光比较强的情况下，信号的捕获和跟踪就比比较远，背景光比较强的情况下，信号的捕获和跟踪就比较困难，特别是在空间激光通信中，背景光产生很强的干较困难，特别是在空间激光通信中，背景光产生很强的干扰，大大增加了信号接收的难度。扰，大大增加了信号接收的难度。激光通信的关键技术具体激光通信的关键技术具体主要表现在以下五个方面。主要表现在以下五个方面。2024/8/20249光与现光与现代科技代科技3无线激光通信关键技术无线激光通信关键技术 (1)

178、光源及高码率调制技术。光源及高码率调制技术。在空间光通信系统中大多可采用半导体激光器或半导体泵在空间光通信系统中大多可采用半导体激光器或半导体泵浦的浦的YAG固体激光器作为信号光和信标光源，其工作波长固体激光器作为信号光和信标光源，其工作波长为为0.8um1.5um的近红外波段。的近红外波段。信标光源要求是几瓦量级的连续光或脉冲光，采用高功率信标光源要求是几瓦量级的连续光或脉冲光，采用高功率单管单管u)或阵列或使用或阵列或使用YAG固体激光器，以便在大视场、高固体激光器，以便在大视场、高背景光干扰下，快速、精确地捕获和跟踪目标。通常信标背景光干扰下，快速、精确地捕获和跟踪目标。通常信标光的调制

179、频率为几十赫至几千赫或几千赫至几万赫，以克光的调制频率为几十赫至几千赫或几千赫至几万赫，以克服背景光的干扰。服背景光的干扰。信号光源则选择输出功率为几十毫瓦的半导体激光器，要信号光源则选择输出功率为几十毫瓦的半导体激光器，要求输出光束质量好，工作频率高求输出光束质量好，工作频率高(可达到几十兆赫至几十可达到几十兆赫至几十吉赫吉赫)。据报道，贝尔实验室已研制出调制频率高达。据报道，贝尔实验室已研制出调制频率高达10GHz的光源。的光源。2024/8/20250光与现光与现代科技代科技3无线激光通信关键技术无线激光通信关键技术(2)高灵敏度抗干扰的光信号接收技术。高灵敏度抗干扰的光信号接收技术。空

180、间光通信系统中，光接收端机接收到的信号是空间光通信系统中，光接收端机接收到的信号是十分微弱的，又加之在高背景噪声场的干扰情况十分微弱的，又加之在高背景噪声场的干扰情况下，会导致接收端信噪比小于下，会导致接收端信噪比小于1。为快速、精确地捕获目标和接收信号，通常采取为快速、精确地捕获目标和接收信号，通常采取两个方面的措施：一方面是提高接收端机的灵敏两个方面的措施：一方面是提高接收端机的灵敏度，达到纳瓦至皮瓦量级；另一方面是对所接收度，达到纳瓦至皮瓦量级；另一方面是对所接收信号进行处理，在光信道上采用光窄带滤波器信号进行处理，在光信道上采用光窄带滤波器(干干涉滤光片或原子滤光器等涉滤光片或原子滤光

181、器等)，以抑制背景杂散光的，以抑制背景杂散光的干扰，干扰，在电信道上则采用微弱信号检测与处理技术。在电信道上则采用微弱信号检测与处理技术。2024/8/20251光与现光与现代科技代科技3无线激光通信关键技术无线激光通信关键技术 (3)精密、可靠、高增益的收发天线。精密、可靠、高增益的收发天线。为完成系统的双向互逆跟踪，光通信系统均采用为完成系统的双向互逆跟踪，光通信系统均采用收发合一天线，天线增益要高。收发合一天线，天线增益要高。天线因集中辐射而获得的功率密度增加，称为天天线因集中辐射而获得的功率密度增加，称为天线增益。天线增益是指在输人功率相等的条件下，线增益。天线增益是指在输人功率相等的

182、条件下，实际天线与无天线辐射单元在空间同一点处所产实际天线与无天线辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。生的信号的功率密度之比。另外，为适应空间系统，天线另外，为适应空间系统，天线(包括主、副镜，合包括主、副镜，合束、分束滤光片等光学元件束、分束滤光片等光学元件)总体结构要紧凑、轻总体结构要紧凑、轻巧、稳定可图靠。国际上现有系统的天线口径一巧、稳定可图靠。国际上现有系统的天线口径一般为几厘米至般为几厘米至25厘米。厘米。2024/8/20252光与现光与现代科技代科技无线激光通信关键技术无线激光通信关键技术图图8.38为透射式光学天线，这种天线尺寸小、结构紧凑，为透射式光学天线，这

183、种天线尺寸小、结构紧凑，适合于短距离通信系统使用。适合于短距离通信系统使用。图图8.39为反射式光学天线。为反射式光学天线。图图8.38透射式光学天线透射式光学天线(一般为伽俐略望远镜一般为伽俐略望远镜) 图图8.39反射式光学天线反射式光学天线 (a)卡塞格伦望远镜卡塞格伦望远镜(抛物面主镜、双曲面副镜抛物面主镜、双曲面副镜)； (b)格里高里望远镜格里高里望远镜(抛物面主镜、椭球面副镜抛物面主镜、椭球面副镜)；(c)牛顿望远镜牛顿望远镜(抛物面主镜抛物面主镜)。2024/8/20253光与现光与现代科技代科技3无线激光通信关键技术无线激光通信关键技术 (4)快速、精确的捕获、跟踪和瞄准技术

184、。快速、精确的捕获、跟踪和瞄准技术。这是保证实现这是保证实现空间远距离光通信的核心技术。空间远距离光通信的核心技术。APT系统通常由以下两部系统通常由以下两部分组成：分组成： 捕获捕获(粗跟踪粗跟踪)系统：系统：在较大视场范围内捕获目标，捕获在较大视场范围内捕获目标，捕获范围可达范围可达120或更大。通常采用阵列或更大。通常采用阵列CCD来实现，来实现，并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构完成粗并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构完成粗跟踪，即目标的捕获。粗跟踪的视场角为几毫弧度，灵敏跟踪，即目标的捕获。粗跟踪的视场角为几毫弧度，灵敏度约度约10pW，跟踪精度为几十毫弧度。，跟

185、踪精度为几十毫弧度。 跟踪、瞄准跟踪、瞄准(精跟踪精跟踪)系统：系统：在完成目标捕获后，对目标在完成目标捕获后，对目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器QD或或Q-APD高灵敏度位置传感器来实现，并配以相应的电子伺高灵敏度位置传感器来实现，并配以相应的电子伺服控制系统。精跟踪要求视场角为几百微弧度，跟踪精度服控制系统。精跟踪要求视场角为几百微弧度，跟踪精度为几微弧度，跟踪灵敏度大约为几纳瓦。为几微弧度，跟踪灵敏度大约为几纳瓦。2024/8/20254光与现光与现代科技代科技无线激光通信关键技术无线激光通信关键技术 (5)大气信道的抗干扰。大

186、气信道的抗干扰。在地地、地空激光通信系统的信号传输中，涉及的大气信在地地、地空激光通信系统的信号传输中，涉及的大气信道是随机的。大气中的气体分子、水雾、雪、霾、气溶胶道是随机的。大气中的气体分子、水雾、雪、霾、气溶胶等粒子，其几何尺寸与半导体激光波长相近，甚至更小，等粒子，其几何尺寸与半导体激光波长相近，甚至更小，这就会引起光的吸收、散射，特别是在强湍流的情况下，这就会引起光的吸收、散射，特别是在强湍流的情况下，光信号将受到严重干扰，甚至脱靶。自适应光学技术可以光信号将受到严重干扰，甚至脱靶。自适应光学技术可以较好地解决这一问题，并已逐渐走向实用化。较好地解决这一问题，并已逐渐走向实用化。自适

187、应光学技术自适应光学技术是一种能够实时校正光学系统随机误差，是一种能够实时校正光学系统随机误差，并使系统始终保持良好工作性能的新技术。天文望远镜存并使系统始终保持良好工作性能的新技术。天文望远镜存在热晕效应和因受大气湍流影响造成波前变形，导致成像在热晕效应和因受大气湍流影响造成波前变形，导致成像不清晰。自适应光学技术将望远镜物镜做成可以实时改变不清晰。自适应光学技术将望远镜物镜做成可以实时改变面形，对波前变形进行校正；或在物镜焦点附近设置可以面形，对波前变形进行校正；或在物镜焦点附近设置可以实时改变面形的校正板实时改变面形的校正板(滤波器滤波器)，提高成像的清晰度。，提高成像的清晰度。2024

188、/8/20255光与现光与现代科技代科技无线激光通信关键无线激光通信关键技术技术 空气会因温度、流动或密度不同而有不同的折射率，使穿越大空气会因温度、流动或密度不同而有不同的折射率，使穿越大气层的光波波面扭曲，而一般镜面无法修正，反射出的也是变气层的光波波面扭曲，而一般镜面无法修正，反射出的也是变形的波面形的波面(图图a)。使用自适应光学技术的镜面可以改变局部的面。使用自适应光学技术的镜面可以改变局部的面形，将光线变形修正回来形，将光线变形修正回来(图图b)。因入射光的变形是不断改变的。因入射光的变形是不断改变的,故自适应光学的可调镜面也要不断动作，为了实时改变面形，故自适应光学的可调镜面也要

189、不断动作，为了实时改变面形，一个大型望远镜物镜必须做成很多小的光学零件，每个光学零一个大型望远镜物镜必须做成很多小的光学零件，每个光学零件都有对应的波前传感器和控制系统，控制频率达纳秒级。件都有对应的波前传感器和控制系统，控制频率达纳秒级。 目前，自适应光学技术已向生物学成像目前，自适应光学技术已向生物学成像(视网膜成像视网膜成像)和空间通和空间通信等民用技术领域发展。信等民用技术领域发展。此外，完整的卫星间光通信系统还包括相应的机械支撑结构、此外，完整的卫星间光通信系统还包括相应的机械支撑结构、热控制、辅助电子学等部分及系统整体优化等技术。这些技术热控制、辅助电子学等部分及系统整体优化等技术

190、。这些技术的难度较大，也是十分重要的。的难度较大，也是十分重要的。图图8.40大气对波面的扭曲大气对波面的扭曲 2024/8/20256光与现光与现代科技代科技8.4.3 空间无线激光通信进展空间无线激光通信进展 由于无线电频谱资源日益紧缺以及军事领域的需求，西方发达国家都在由于无线电频谱资源日益紧缺以及军事领域的需求，西方发达国家都在开发新的通信频段。激光可以完成卫星对地面、卫星与卫星、飞机与飞机开发新的通信频段。激光可以完成卫星对地面、卫星与卫星、飞机与飞机以及飞机与卫星之间的通信，因此在军事上表现出远大的应用前景。以及飞机与卫星之间的通信，因此在军事上表现出远大的应用前景。1国外发展空间

191、无线激光通信现状国外发展空间无线激光通信现状 1)美国美国 美国是世界上开展空间光通信最早的国家之一，主要研究部门是美国航美国是世界上开展空间光通信最早的国家之一，主要研究部门是美国航空航天局空航天局(NASA)和美国空军。美国宇航局选择喷气推进实验室和美国空军。美国宇航局选择喷气推进实验室(Jet：Pulsion Lab，JPL)进行卫星激光通信系统的研制，进行卫星激光通信系统的研制，1995年完成了激光通年完成了激光通信演示系统信演示系统(Laser Communication Demonstration Sys-tem，LCDS)，数据，数据率为率为750Mbs,该实验室目前正在进行激光

192、通信演示系统该实验室目前正在进行激光通信演示系统(Optical Communication Demonstration，OCD)研究，主要进行航天飞机与地面研究，主要进行航天飞机与地面间通信链路的性能演示，传输速率为间通信链路的性能演示，传输速率为100MbS。在工业界的资助下，。在工业界的资助下，JPL还正在开发还正在开发500MbS激光通信设备，已完成分析和设计工作，一些激光通信设备，已完成分析和设计工作，一些关键子系统也已研制成功，并正在进行子系统的工程组装工作。关键子系统也已研制成功，并正在进行子系统的工程组装工作。 美国的战略导弹防御组织美国的战略导弹防御组织(BMDO)也正在积极

193、进行空间激光通信的研制也正在积极进行空间激光通信的研制开发工作，该工程由空军提供主要经费，由开发工作，该工程由空军提供主要经费，由MIT林肯实验室进行有关关键林肯实验室进行有关关键技术和系统技术的研究。现已研制出激光通信终端设备，并进行了作用距技术和系统技术的研究。现已研制出激光通信终端设备，并进行了作用距离离42kin、信息率、信息率1Gbs、误码率为、误码率为10-6的全天候跟瞄实验。的全天候跟瞄实验。 2024/8/20257光与现光与现代科技代科技1国外发展空间无线激光通信现状国外发展空间无线激光通信现状 2)欧洲欧洲 欧洲空间局欧洲空间局(ESA)于于20世纪世纪80年代后期开始确立

194、了一项宏伟计划年代后期开始确立了一项宏伟计划SILEX(Semiconductor Laser InterSatellite Link Experiment)系统系统研制计划，该计划的目的是在两颗卫星间建立实验性的激光通信链路，研制计划，该计划的目的是在两颗卫星间建立实验性的激光通信链路，其中高轨道其中高轨道(GEO)终端机置于终端机置于ESA的的ARTEMIS同步卫星上，低轨道同步卫星上，低轨道(LEO)终端载于法国的地球观测卫星终端载于法国的地球观测卫星SPOT 上。上。 SILEX计划重点是研究卫星光通信光发射和接收端机等关键技术。该计划重点是研究卫星光通信光发射和接收端机等关键技术。该

195、系统传输距离系统传输距离45000km。系统采用半导体激光器，波长范围为。系统采用半导体激光器，波长范围为797nm853nm，信号光激光器平均输出功率为，信号光激光器平均输出功率为60mW，光束发散角为，光束发散角为10urad16urad。作为捕获、跟踪和瞄准的信标光激光器平均输出功率为。作为捕获、跟踪和瞄准的信标光激光器平均输出功率为700mW，由，由19支支700mW的半导体激光器组成，发散角为的半导体激光器组成，发散角为750urad。 在接收端机中采用在接收端机中采用384288CCD阵列和阵列和1414CCl)阵列分别作为光束阵列分别作为光束的粗跟踪的粗跟踪(捕获捕获)和光束的精

196、跟踪和光束的精跟踪(跟踪、瞄准跟踪、瞄准)探测器，其搜索范围为探测器，其搜索范围为7urad，跟踪定位精度高于，跟踪定位精度高于2urad。系统所用天线的口径仅为。系统所用天线的口径仅为25cm。 整个整个SILEX系统从系统从SPOT(LEO)至至ARTEMIS(GEO)的通信码率和从的通信码率和从ARTEMIS(GEO)至至SPOT(LEO)的码率分别为的码率分别为50Mbs和和2Mbs.2024/8/20258光与现光与现代科技代科技1国外发展空间无线激光通信现状国外发展空间无线激光通信现状 3)德国德国 欧洲的空间光通信的发展基于欧洲各国欧洲的空间光通信的发展基于欧洲各国(包括德国、法

197、国、包括德国、法国、西班牙、奥地利等国西班牙、奥地利等国)的合作，而各国又有自身的特点，尤的合作，而各国又有自身的特点，尤其是德国。其是德国。 德国空间光通信研究致力于发展高码率激光卫星空间系德国空间光通信研究致力于发展高码率激光卫星空间系统，例如，统，例如，1989年开始的空间固体激光通信系统年开始的空间固体激光通信系统(Solid State Laser-Commtmication Space，SOLACOS)。该计划主要包。该计划主要包括两个方面的工作，即建立一套完整的计算机仿真设计系括两个方面的工作，即建立一套完整的计算机仿真设计系统和一套实验室模拟演示系统。统和一套实验室模拟演示系统

198、。 该系统的光源分别采用该系统的光源分别采用1064nm的的YAG固体激光器和固体激光器和810nm半导体激光器，两端机的通信码率分别为半导体激光器，两端机的通信码率分别为650Mbs和和10Mbs。系统采用的实验平台可以模拟卫星的相对运动。系统采用的实验平台可以模拟卫星的相对运动和抖动，并通过计算机仿真进行参数测试和系统的优化设和抖动，并通过计算机仿真进行参数测试和系统的优化设计。计。2024/8/20259光与现光与现代科技代科技1国外发展空间无线激光通信现状国外发展空间无线激光通信现状 4)日本日本 日本的空间光通信的研究单位主要是日本航天局日本的空间光通信的研究单位主要是日本航天局(N

199、ASDA)和邮电部通信研究和邮电部通信研究实验室实验室(Cbmmunication：Research Lab，CRL)。日本航天局的主要系统是始。日本航天局的主要系统是始于于1985年的年的LUCE(Laser Utilizing Communication Equipment)，它安装于，它安装于OICETS卫星上，其目的是建立卫星间光链路。卫星上，其目的是建立卫星间光链路。 日本邮电部的日本邮电部的CRL从从20世纪世纪70年代初就开始空间光通信相关技术的研究工作，年代初就开始空间光通信相关技术的研究工作，主要进行卫星间的空间光束跟踪技术研究，以及地一空激光通信技术的理论和主要进行卫星间的

200、空间光束跟踪技术研究，以及地一空激光通信技术的理论和实验研究，取得了满意的结果。实验研究，取得了满意的结果。CRL从从1987年开始空间光通信设备年开始空间光通信设备(Laser Communication Equipment，LCE)的研制。该系统于的研制。该系统于1990年开始制作工程飞行年开始制作工程飞行模型，模型，1993年全部完成，装载于年全部完成，装载于1994年发射的年发射的ETSVI技术实验卫星上，并在技术实验卫星上，并在1994年年12月和月和1996年年7月期间完成了卫星间光通信的演示和评定实验。月期间完成了卫星间光通信的演示和评定实验。 1995年年6月日本用月日本用“菊

201、花菊花”-6(ETS-VI)技术实验卫星与美国的大气观测卫星成技术实验卫星与美国的大气观测卫星成功地进行了双向激光数字通信，在相距功地进行了双向激光数字通信，在相距32000km距离上成功地通话距离上成功地通话8min。7月月ETS-VI实现了卫星与地面站的双向光通信。实现了卫星与地面站的双向光通信。11月至次年月至次年5月，月，ETS-VILCE还还与美国与美国JPL成功地进行了卫星与地面站间的光通信实验，在成功地进行了卫星与地面站间的光通信实验，在37800km距离上实距离上实现了传输码率为现了传输码率为1024Mbs、误码率达、误码率达10-6的通信。的通信。ETS-VILCE激光通信演

202、激光通信演示系统是自由空间激光通信技术的研究史上高度成功的范例之一，大大加快了示系统是自由空间激光通信技术的研究史上高度成功的范例之一，大大加快了空间光通信的实用化进程，并证明空间光通信计划的实现采用国际间有关技术空间光通信的实用化进程，并证明空间光通信计划的实现采用国际间有关技术的合作是十分重要和必要的。的合作是十分重要和必要的。2024/8/20260光与现光与现代科技代科技1国内发展空间无线激光通信现状国内发展空间无线激光通信现状 5)中国中国 中国科学院、中国科学院、(成都成都)电子科技大学、上海光机所、电子科技大学、上海光机所、北京大学、西安理工大学等单位开展无线激光通北京大学、西安

203、理工大学等单位开展无线激光通信方面的研究工作，在单元技术、实验系统等方信方面的研究工作，在单元技术、实验系统等方面已取得一定的成果并正在进行更加深入的工作。面已取得一定的成果并正在进行更加深入的工作。中国科学院研制的无线激光通信机，其传输距离中国科学院研制的无线激光通信机，其传输距离为为10km，如图，如图8.41所示。所示。图图8.41中国科学院研制的无线激光通信机中国科学院研制的无线激光通信机 2024/8/20261光与现光与现代科技代科技2国际上空间激光通信发展趋势和特点国际上空间激光通信发展趋势和特点 (1)空间激光通信技术的可行性问题已经解决。空间激光通信技术的可行性问题已经解决。

204、 虽然至今尚未真正实现星间或星地间正式通信，但是原先顾虑的虽然至今尚未真正实现星间或星地间正式通信，但是原先顾虑的发射功率小、接收灵敏度低、捕获跟瞄要求高、热和机械的稳定性要发射功率小、接收灵敏度低、捕获跟瞄要求高、热和机械的稳定性要求高等关键技术近几年已取得明显进展。求高等关键技术近几年已取得明显进展。 随着国家信息基础设施、全球信息基础设施的提出，公众对各种信随着国家信息基础设施、全球信息基础设施的提出，公众对各种信息的需求量将大幅度增加，对通信容量的要求将急剧上升。息的需求量将大幅度增加，对通信容量的要求将急剧上升。 卫星微波通信系统的体积重量和功耗随速率的提高而急剧上升，卫星微波通信系

205、统的体积重量和功耗随速率的提高而急剧上升，而激光通信在速率容量、体积重量和功耗等方面的优势已得到业内专而激光通信在速率容量、体积重量和功耗等方面的优势已得到业内专家的普遍认同。家的普遍认同。 近年来，各国纷纷把光纤通信的成熟技术和器件引入卫星激光通近年来，各国纷纷把光纤通信的成熟技术和器件引入卫星激光通信，相应的工作波段也向信，相应的工作波段也向1550nm波段发展，波分复用技术也已经应用波段发展，波分复用技术也已经应用于空间激光通信。于空间激光通信。 20世纪世纪90年代以来，国外的空间激光通信研究已从概念和单元技年代以来，国外的空间激光通信研究已从概念和单元技术研究转入系统研究阶段，目前将

206、进入应用性能测试阶段。在大气无术研究转入系统研究阶段，目前将进入应用性能测试阶段。在大气无线激光通信方面国内外已经有产品进入市场，部分国外公司的有关产线激光通信方面国内外已经有产品进入市场，部分国外公司的有关产品的性能如表品的性能如表8.5所列。可以预见，星间激光通信技术距实用阶段已不所列。可以预见，星间激光通信技术距实用阶段已不遥远。遥远。2024/8/20262光与现光与现代科技代科技表表8.5 部分国外公司的有关产品的性能部分国外公司的有关产品的性能 公司公司产品产品带宽带宽(Mbs)距离距离km波长波长/nmAirfiter0ptic Mesh Network6220.20.5780A

207、stor TerraTerra lirk101550.33.75780850CarorDT5C256222.0780CBLGmbhLaser Link21552.0ISonaSon Abeam1556224.01550JoitOWIN1552.0820Licht PoirteLight Stream206224.0820LSA Photonicscnum1553.0OracessWDMor Air6221310,1550Pav DataSke Series2736.0750950Plaintree SystemsFT Deries1002.5780SilcomFree Space Series

208、101550.37802024/8/20263光与现光与现代科技代科技 (2)空间激光通信已开始向民用方向发展空间激光通信已开始向民用方向发展，它的商业应用价值已被看好，有人甚至提出，它的商业应用价值已被看好，有人甚至提出，无线激光通信在性能价格比上可以同海底光无线激光通信在性能价格比上可以同海底光缆通信开展竞争。缆通信开展竞争。 (3)空间激光通信系统多采用空间激光通信系统多采用800nm波段波段的的LD光源光源，这是由于，这是由于LD体积小、重量轻、体积小、重量轻、效率高，比较成熟，有商品；同时该波段的效率高，比较成熟，有商品；同时该波段的线宽窄的滤波器也有比较成熟的产品线宽窄的滤波器也有

209、比较成熟的产品(铯原铯原子滤波器子滤波器)。2024/8/20264光与现光与现代科技代科技8.4.4 激光水下通信激光水下通信1激光水下通信发展现状激光水下通信发展现状在水中传播的各种波中，以纵波在水中传播的各种波中，以纵波(声波声波)的衰减最小，因而声的衰减最小，因而声呐技术被广泛采用。而横波呐技术被广泛采用。而横波(电磁波电磁波)的衰减一般都很严重，的衰减一般都很严重，以致在陆地上广为应用的无线电波和微波在水下几乎无法应以致在陆地上广为应用的无线电波和微波在水下几乎无法应用。电磁波在水中的衰减还与频率有关，低频电磁波衰减较用。电磁波在水中的衰减还与频率有关，低频电磁波衰减较小，因此，人们

210、采用甚低频电磁波进行对潜通信。小，因此，人们采用甚低频电磁波进行对潜通信。相对于微波而言，光波的衰减较小，特别是激光的出现，使相对于微波而言，光波的衰减较小，特别是激光的出现，使得在水下的有限距离之内测距、准直、照明、摄影、电视等得在水下的有限距离之内测距、准直、照明、摄影、电视等成为可行。水下激光通信是激光通信的一个重要应用领域。成为可行。水下激光通信是激光通信的一个重要应用领域。截至截至1995年，地球上现役潜艇大约年，地球上现役潜艇大约950艘，其中战略核潜艇约艘，其中战略核潜艇约110艘。随着现代高技术的发展，反潜能力不断提高和反潜兵艘。随着现代高技术的发展，反潜能力不断提高和反潜兵器

211、日益增强，潜艇受到的威胁也日益增大，航行于水下的安器日益增强，潜艇受到的威胁也日益增大，航行于水下的安全深度由全深度由15m增深到增深到30m，从而增加了对潜通信的技术难度，从而增加了对潜通信的技术难度，促使各国海军不断发展和研制新的通信系统，以提高潜艇在促使各国海军不断发展和研制新的通信系统，以提高潜艇在航行和潜于水下的隐蔽性。航行和潜于水下的隐蔽性。 2024/8/20265光与现光与现代科技代科技1激光水下通信发展现状激光水下通信发展现状超长波和极长波对潜通信系统是目前各国常用的超长波和极长波对潜通信系统是目前各国常用的主要通信手段，其共同点是将大型或特大型天线主要通信手段，其共同点是将

212、大型或特大型天线安装在陆地上，称为岸对潜通信系统。超长波通安装在陆地上，称为岸对潜通信系统。超长波通信是由岸上指挥所通过大功率超长波电台发射，信是由岸上指挥所通过大功率超长波电台发射，波长一般为波长一般为5103m1105m(频率为频率为3kHz60kHz)的无线电波，再经大气电离层和地球表面的无线电波，再经大气电离层和地球表面反射，对潜艇进行单向和多次重播通信。其优点反射，对潜艇进行单向和多次重播通信。其优点是：是： (1)电波沿地表面传播衰减小，通信距离远。电波沿地表面传播衰减小，通信距离远。 (2)受电离层干扰小，通信信息稳定、可靠。受电离层干扰小，通信信息稳定、可靠。 (3)在海水中传

213、输衰减一般，当采用工作频率为在海水中传输衰减一般，当采用工作频率为10kHz20kHz时可对水下时可对水下15m30m潜艇通信。潜艇通信。2024/8/20266光与现光与现代科技代科技1激光水下通信发展现状激光水下通信发展现状 不足主要表现在：不足主要表现在： (1)通信系统及设备庞大，天线占地广、建造困难。通信系统及设备庞大，天线占地广、建造困难。 (2)目标明显，生存能力差，在现代核战下极易被目标明显，生存能力差，在现代核战下极易被摧毁，于短期内难于修复。摧毁，于短期内难于修复。 (3)数据传输率和通信容量极低。数据传输率和通信容量极低。 (4)天线长达数十千米，防原子辐射能力差。天线长

214、达数十千米，防原子辐射能力差。 (5)对周围环境、生物和生态等有较大影响。对周围环境、生物和生态等有较大影响。 (6)对周围输电系统、通信传输以及对科学研究、对周围输电系统、通信传输以及对科学研究、航天电子工业等也有一定影响。航天电子工业等也有一定影响。2024/8/20267光与现光与现代科技代科技1激光水下通信发展现状激光水下通信发展现状使用极低频使用极低频(3Hz300Hz)电波有以下优点：电波有以下优点：在大气和海水中的衰减较低，比超长波约低在大气和海水中的衰减较低，比超长波约低1个数量级，个数量级，因而对潜通信深度为超长波的因而对潜通信深度为超长波的5倍倍10倍，使潜艇在水下倍，使潜

215、艇在水下80m120m以以30km速度航行时通信不受限制。速度航行时通信不受限制。电磁波几乎不受核爆炸电磁脉冲的干扰，但通信速率极低电磁波几乎不受核爆炸电磁脉冲的干扰，但通信速率极低(约为约为1bmin)，使通信的有效性受到极大的限制。，使通信的有效性受到极大的限制。利用蓝绿激光进行水下通信受到重视。利用蓝绿激光进行水下通信受到重视。480nm的激光在水下的衰减率为的激光在水下的衰减率为0.155dBm，蓝绿激光，蓝绿激光(470nm530nm)在水中衰减明显小于其他波长，有穿透在水中衰减明显小于其他波长，有穿透水下约水下约300m深度的能力；深度的能力；而且激光的特殊性能，使激光通信本身具有

216、高保密性、高而且激光的特殊性能，使激光通信本身具有高保密性、高数据传输率和高抗干扰能力，从而使激光水下通信系统有数据传输率和高抗干扰能力，从而使激光水下通信系统有可能成为水下通信的一个有效方式。可能成为水下通信的一个有效方式。2024/8/20268光与现光与现代科技代科技1激光水下通信发展现状激光水下通信发展现状美国美国近期发展的近期发展的“塔卡木塔卡木”移动式机载超长波对移动式机载超长波对潜通信系统，是用特制的专用飞机从大气层对某潜通信系统，是用特制的专用飞机从大气层对某一特定海域下的潜艇实施通信，此系统机动灵活，一特定海域下的潜艇实施通信，此系统机动灵活，使敌方难于发现和攻击，称使敌方难

217、于发现和攻击，称空对潜通信系统空对潜通信系统。但专用大型飞机在海域上空显得目标较大，易受但专用大型飞机在海域上空显得目标较大，易受地空导弹或舰空导弹的拦截和攻击。地空导弹或舰空导弹的拦截和攻击。随着弹道导弹战略核潜艇的发展，这类潜艇能在随着弹道导弹战略核潜艇的发展，这类潜艇能在水下水下300m400m深度活动数月，这种隐蔽性使其深度活动数月，这种隐蔽性使其具有极大的核威慑力，要使其不间断地接受指挥具有极大的核威慑力，要使其不间断地接受指挥中心的火力控制和通信信息，有效地对敌方实施中心的火力控制和通信信息，有效地对敌方实施攻击，或安全地潜于水下。攻击，或安全地潜于水下。 2024/8/20269

218、光与现光与现代科技代科技1激光水下通信发展现状激光水下通信发展现状 对潜光通信是指利用在海水低损耗窗口波长上的对潜光通信是指利用在海水低损耗窗口波长上的蓝绿激光，通过卫星或飞机与深水中潜行潜艇的蓝绿激光，通过卫星或飞机与深水中潜行潜艇的通信，也包括水面舰只与潜艇之间的通信。一般通信，也包括水面舰只与潜艇之间的通信。一般来讲，蓝绿激光对潜通信系统可分为陆基、天基来讲，蓝绿激光对潜通信系统可分为陆基、天基和空基三种方案和空基三种方案(图图8.42)。图图8.42激光对潜通信示意图激光对潜通信示意图2024/8/20270光与现光与现代科技代科技1激光水下通信发展现状激光水下通信发展现状 陆基系统陆

219、基系统由陆基发出强脉冲激光束，经卫星上的反射镜，将激光束反由陆基发出强脉冲激光束，经卫星上的反射镜，将激光束反射至所需照射的海域，实现与水下潜艇的通信。这种方式可通过星载射至所需照射的海域，实现与水下潜艇的通信。这种方式可通过星载反射镜扩束成宽光束，实现一个相当大范围内的通信；也可以控制成反射镜扩束成宽光束，实现一个相当大范围内的通信；也可以控制成窄光束，以扫描方式通信。这种方案灵活，通信距离远，可用于全球窄光束，以扫描方式通信。这种方案灵活，通信距离远，可用于全球范围内光束所能照射到的海域，通信速率也高，不容易被敌人截获，范围内光束所能照射到的海域，通信速率也高，不容易被敌人截获，安全、隐蔽

220、性好，但实现难度大安全、隐蔽性好，但实现难度大. 天基系统天基系统把大功率激光器置于卫星上，地面通过电通信系统对星上设把大功率激光器置于卫星上，地面通过电通信系统对星上设备实施控制和联络。还可以借助一颗卫星与另一颗卫星的星际之间的备实施控制和联络。还可以借助一颗卫星与另一颗卫星的星际之间的通信，让位置最佳的一颗卫星实现与指定海域的潜艇通信。其隐蔽性、通信，让位置最佳的一颗卫星实现与指定海域的潜艇通信。其隐蔽性、有效性都是不容置疑的，是激光对潜通信的最佳体制。有效性都是不容置疑的，是激光对潜通信的最佳体制。 空基系统空基系统是将大功率激光器置于飞机上，飞机飞越预定海域时，激光是将大功率激光器置于

221、飞机上，飞机飞越预定海域时，激光束以一定形状的波束束以一定形状的波束(15kin1km的矩形的矩形)扫过目标海域，完成对水下扫过目标海域，完成对水下潜艇的广播式通信。如果飞机高度为潜艇的广播式通信。如果飞机高度为10km，以，以300mS速度飞过潜艇速度飞过潜艇上空，激光束将在海面上扫过一条上空，激光束将在海面上扫过一条15km宽的照射带。在飞机一次飞过宽的照射带。在飞机一次飞过潜艇上空的约潜艇上空的约3s内，可完成内，可完成40个个80个汉字符号的信息量的通信。个汉字符号的信息量的通信。2024/8/20271光与现光与现代科技代科技2对激光器的基本要求对激光器的基本要求 (1)激光波长激光

222、波长：激光在海水中传播的：激光在海水中传播的“低损耗窗口低损耗窗口”是是0.47um0.54um，选用，选用Nd：YAG固体激光器，其输出波长为固体激光器，其输出波长为0.532um。 (2)脉冲峰值能量脉冲峰值能量：由系统总体要求确定，应能保证对潜通信系统中：由系统总体要求确定，应能保证对潜通信系统中的的16单元单元PIN光电检测器有响应，应大于光电检测器有响应，应大于200mJ。 (3)脉冲宽度脉冲宽度：使用最多的电光调：使用最多的电光调Q或染料调或染料调Q的激光器的脉宽为的激光器的脉宽为10ns20ns左右，应满足光电检测器的响应时间和带宽要求。左右，应满足光电检测器的响应时间和带宽要求

223、。 (4)重复频率重复频率：决定了对潜通信系统中通信的数据率。重复频率越高，：决定了对潜通信系统中通信的数据率。重复频率越高，可能达到的通信数据率也就越高。采用可能达到的通信数据率也就越高。采用PPM脉冲调制，其传输速率为脉冲调制，其传输速率为312bs(对对256个时隙的个时隙的PPM编码编码)和和351bs(对对512个时隙的个时隙的PPM编码编码)，因此脉冲重复频率为，因此脉冲重复频率为50Hz就可以。就可以。 (5)发散角发散角：应尽可能小，这样才能增大激光的传输距离，尽可能减：应尽可能小，这样才能增大激光的传输距离，尽可能减少在大气以及海水信道中的衰减。所采取的主要手段有非稳腔技术、

224、少在大气以及海水信道中的衰减。所采取的主要手段有非稳腔技术、利用准直和扩束光学系统来压缩发散角可达到低于利用准直和扩束光学系统来压缩发散角可达到低于0.1mrad。 (6)激光光斑的均匀性激光光斑的均匀性：关系到对潜通信系统的接收灵敏度，要求激：关系到对潜通信系统的接收灵敏度，要求激光光斑应尽可能均匀。主要是利用非稳腔技术及选模技术等来保证照光光斑应尽可能均匀。主要是利用非稳腔技术及选模技术等来保证照射光斑的均匀性。射光斑的均匀性。2024/8/20272光与现光与现代科技代科技第七章思考题与习题第七章思考题与习题1、光通信的发展经历了那三个阶段？、光通信的发展经历了那三个阶段？2、为什么说、

225、为什么说1970年是光纤通信的元年？高琨的主要年是光纤通信的元年？高琨的主要贡献是什么？贡献是什么？3、什么是光纤通信？光纤通信有哪些优缺点？、什么是光纤通信？光纤通信有哪些优缺点？4、光纤通信使用的波长和频率在什么范围？光纤通、光纤通信使用的波长和频率在什么范围？光纤通信采用的三个窗口是那三个？信采用的三个窗口是那三个？5、激光的特点是什么？、激光的特点是什么？6、光纤通信系统主要由哪几部分组成？简述各部分、光纤通信系统主要由哪几部分组成？简述各部分的主要作用。的主要作用。7、光源的作用是什么？通信用的光源有哪些？、光源的作用是什么？通信用的光源有哪些？8、光电检测器的作用是什么？常用的有哪

226、些？、光电检测器的作用是什么？常用的有哪些？2024/8/20273光与现光与现代科技代科技第七章习题与思考题第七章习题与思考题9. 常见的光无源器件有那些？其主要功能和作常见的光无源器件有那些？其主要功能和作用是什么？用是什么？ 10. 光纤连接器、光耦合器、光开光、光衰减器光纤连接器、光耦合器、光开光、光衰减器是怎样分类的？是怎样分类的？11. 光隔离器工作原理是什么？光隔离器工作原理是什么？12. 光纤活动连接器的结构有那两种？光纤活动连接器的结构有那两种？13. 耦合器的结构类型有那三种？耦合器的结构类型有那三种？14. 光衰减器的工作机理有那三种？光衰减器的工作机理有那三种？15.

227、光纤放大器的主要功能是什么？光纤放大器的主要功能是什么？16. 掺铒光纤放大器的工作原理及主要应用是什掺铒光纤放大器的工作原理及主要应用是什么？么？2024/8/20274光与现光与现代科技代科技第七章习题与思考题第七章习题与思考题17. 请给出数字光纤通信系统中光发射机的原理请给出数字光纤通信系统中光发射机的原理方框图方框图, 并简述各部分的主要作用。并简述各部分的主要作用。18. 一个光发射机中有哪些调制方式一个光发射机中有哪些调制方式? 目前光纤目前光纤通信中常用的调制方式是什么通信中常用的调制方式是什么?19. 请给出数字光纤通信系统中光接收机的原理请给出数字光纤通信系统中光接收机的原

228、理方框图方框图, 并简述各部分的主要作用。并简述各部分的主要作用。20. 我国光缆通信系统的辅助系统包括哪些我国光缆通信系统的辅助系统包括哪些? 其其主要作用是什么？主要作用是什么？21. 试简单说明光纤通信系统中监控系统的作用试简单说明光纤通信系统中监控系统的作用? 22.告警处理系统中告警信号分为哪两种？告警处理系统中告警信号分为哪两种？2024/8/20275光与现光与现代科技代科技第七章第七章 思考题与习题思考题与习题23.什么是超长波长光纤通信系统？其需要解决的主要什么是超长波长光纤通信系统？其需要解决的主要问题是什么问题是什么? 24. 相干光波通信系统中，对数字信号有哪些调制方式

229、相干光波通信系统中，对数字信号有哪些调制方式？解调方式又有哪几种？解调方式又有哪几种？25. 什么是多信道光通信系统？常见的多信道光通信系什么是多信道光通信系统？常见的多信道光通信系统的复用方式有哪些？统的复用方式有哪些？26. 请给出波分复用的基本原理，并画出其原理框图。请给出波分复用的基本原理，并画出其原理框图。27.请给出副载波复用的基本原理，并画出其原理框图。请给出副载波复用的基本原理，并画出其原理框图。28.什么是光孤子通信，其工作原理是什么？什么是光孤子通信，其工作原理是什么？29.通信网络物理层所经历过的三个阶段（即三代光纤通信网络物理层所经历过的三个阶段（即三代光纤网络）是什么？光纤通信网络是如何分类的？常用的网络）是什么？光纤通信网络是如何分类的？常用的拓扑拓扑 结构是什么？结构是什么？2024/8/20276光与现光与现代科技代科技第七章第七章 思考题与习题思考题与习题30. 什么是无线激光通信？其优缺点是什么？什么是无线激光通信？其优缺点是什么？31. 微波通信与无线激光通信的区别是什么？微波通信与无线激光通信的区别是什么？32. 激光水下通信的优缺点是什么？激光水下通信的优缺点是什么？2024/8/20277光与现光与现代科技代科技本章结束，本章结束，谢谢！谢谢！2024/8/20278