光纤通信概论第一章.ppt

光纤通信概论光纤通信概论.LOGO主要参考书目主要参考书目v光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统杨祥林杨祥林杨祥林杨祥林 编著编著编著编著 国防工业出版国防工业出版国防工业出版国防工业出版社社社社v光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统顾畹仪顾畹仪顾畹仪顾畹仪 编著编著编著编著 北京邮电大学北京邮电大学北京邮电大学北京邮电大学出版社出版社出版社出版社v光通信原理与技术光通信原理与技术光通信原理与技术光通信原理与技术李玉权等李玉权等李玉权等李玉权等 编著编著编著编著 电子科技电子科技电子科技电子科技大学出版社大学出版社大学出版社大学出版社v光纤通信技术光纤通信技术光纤通信技术光纤通信技术Djafar K.MynbaevDjafar K.MynbaevDjafar K.MynbaevDjafar K.Mynbaev等著等著等著等著v 科学出版社科学出版社科学出版社科学出版社v光纤光学光纤光学廖延彪编著廖延彪编著 清华大学出版社清华大学出版社.LOGO学习意义学习意义 光纤通信技术在近30、40年里得到了极大的发展，目前它和移动通信、数据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。.LOGO主要内容主要内容v第1 章 引言v第2章 光纤制造技术与光缆v第3章 光纤的基本特性v第4章 有源光器件v第5章 无源光器件v第6章 数字光纤通信系统v第7章 光纤通信新技术v第8章 光纤通信网络.LOGO第1章 引言.LOGO第一章第一章 引言引言1.1 1.1 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信 1.1.2 1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信 1.1.3 1.1.3 国内外光纤通信的发展国内外光纤通信的发展1.2 1.2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用 1.2.1 1.2.1 光通信和电通信光通信和电通信 1.2.2 1.2.2 光纤通信的优点光纤通信的优点 1.2.3 1.2.3 光纤通信的应用光纤通信的应用 1.3 1.3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 1.3.1 1.3.1 光发射机与接收机光发射机与接收机 1.3.2 1.3.2 光纤线路光纤线路 1.3.3 1.3.3 模拟和数字通信系统模拟和数字通信系统1.4 1.4 光纤通信技术的展望光纤通信技术的展望 .LOGO1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信原始形式的光通信原始形式的光通信:中国古代用中国古代用“烽火台烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。报警，欧洲人用旗语传送信息。.LOGO旗语旗语目视光通信目视光通信白色旗表示跑道上有缓慢移动的车辆红色旗表示比赛已停止黑色旗表示指定的赛车下次通过修理站时要停车黄底红道旗意思是告诉车手跑道较滑F1赛车.LOGO 18801880年，美国人贝尔年，美国人贝尔(Bell)(Bell)发明了用光波作载波传送话音的发明了用光波作载波传送话音的“光光电话电话”,通话距离达到通话距离达到213213米。米。贝尔光电话是现代光通信的雏型。.LOGO光电话原理图光电话原理图光源ABMNL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）。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，硅光电池将光能转换成电流（这个过程叫解调）。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.LOGO光电话实用的制约因素光电话实用的制约因素v信道：Bell的光电话利用大气作为传输介质，损耗非常大，同时自然界气象条件变化万千，对光信号的干扰很大v光源：Bell的光电话利用自然光作为载波，这种光的频率和相位杂乱无章，不能用于大容量的通信.LOGO困难在哪里？v没有合适的没有合适的光源，光源，一般光源相干性太差，类似一般光源相干性太差，类似于噪声，无法调制。于噪声，无法调制。v没有合适的没有合适的传输介质，传输介质，由于光频极高，透过障由于光频极高，透过障碍的能力很差，必须通过波导介质传播。碍的能力很差，必须通过波导介质传播。v没有合适的检测设备。没有合适的检测设备。v没有没有.长路漫漫，谁能打开光纤通信的大门？长路漫漫，谁能打开光纤通信的大门？.LOGO 1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。1958年美国科学家肖洛和汤斯发现了一种奇怪的现象：当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。由此他们提出了“激光原理”，受激辐射可以得到一种单色性很好、亮度又很高的新型光源。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。1997年，美国麻省理工学院的研究人员研制出第一台原子激光器。曙光出现了！.LOGO 1960 1960年梅曼发明了红宝石激光器，光源问题得到解决。相关年梅曼发明了红宝石激光器，光源问题得到解决。相关的半导体技术：激光器，检测器，的半导体技术：激光器，检测器，.相继问世。相继问世。激光单色性和方向性良好，是人类所能获得的最理想的光载波。激光单色性和方向性良好，是人类所能获得的最理想的光载波。半导体激光器采用注入电流的方式进行泵浦，体积小，可用电流信号直接进半导体激光器采用注入电流的方式进行泵浦，体积小，可用电流信号直接进行高频调制，成为最理想的光通信光源。行高频调制，成为最理想的光通信光源。对光信号的检测可用基于光电效应的真空光电管或半导体光电二极管将光对光信号的检测可用基于光电效应的真空光电管或半导体光电二极管将光信号转变为电信号进行处理。信号转变为电信号进行处理。激光器的发明使人们认识到一个以光波为基础的新的通信时代激光器的发明使人们认识到一个以光波为基础的新的通信时代已经到来。接下来所面临的最重要的问题就是需要寻找适当的已经到来。接下来所面临的最重要的问题就是需要寻找适当的光传输介质，实现光信号的低损耗远距离传输。光传输介质，实现光信号的低损耗远距离传输。.LOGO1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信大气作为光传输介质的可行性大气作为光传输介质的可行性大气和自由空间是天然的光学信道。在无障碍情况下，光大气和自由空间是天然的光学信道。在无障碍情况下，光信号可以通过大气进行传输，构成所谓空间光通信系统。信号可以通过大气进行传输，构成所谓空间光通信系统。空间光通信系统所面临的困难：空间光通信系统所面临的困难：4 稳定性问题：尘埃、雨雪、大雾稳定性问题：尘埃、雨雪、大雾 可致通信中断可致通信中断4 背景噪声问题：太阳、月亮、星系、民用光源等背景噪声问题：太阳、月亮、星系、民用光源等4 激光光束的发散问题激光光束的发散问题4 光源与探测器之间的对准问题光源与探测器之间的对准问题4 建筑物与地球弧形表面对光的直线传播的影响建筑物与地球弧形表面对光的直线传播的影响依靠大气介质无法建立商用化大容量光通信系统。依靠大气介质无法建立商用化大容量光通信系统。近年来，空间光通信在航空航天器之间、航空航天器与地面基站之间以及野近年来，空间光通信在航空航天器之间、航空航天器与地面基站之间以及野战条件下的军事通信等特殊领域的应用方面所具有的优势开始显现，正逐渐受战条件下的军事通信等特殊领域的应用方面所具有的优势开始显现，正逐渐受到通信研究领域重视并得到初步应用。到通信研究领域重视并得到初步应用。.LOGO介质光波导介质光波导v光沿水流传输并且能随之弯曲v此现象首次由英国物学家JohnTyndall 于1870年证明v在 1920-1950期间,纤细的有柔韧性的玻璃和塑料光纤可以用于导光v这个时期的光纤称为“裸”光纤,因为光纤表面直接暴露在空气中用介质光波导可以实现对光的空间约束与定向导引用介质光波导可以实现对光的空间约束与定向导引为实现光信号的长距离传输，需要研制出具有极低损耗的光导为实现光信号的长距离传输，需要研制出具有极低损耗的光导纤维纤维市场前景巨大，大量人力与资金被用于通信光纤研制市场前景巨大，大量人力与资金被用于通信光纤研制.LOGO石英光纤石英光纤于1954年由荷兰人van Heel提出的光纤结构石英是已知的具有最低光学损耗的介质材料石英是已知的具有最低光学损耗的介质材料芯子通常为掺锗石英（芯子通常为掺锗石英（SiOSiO2 2:Ge:Ge），包层通常为纯石英（），包层通常为纯石英（SiOSiO2 2），），涂覆层为树脂材料涂覆层为树脂材料在芯包界面上满足全反射条件的光将被约束在芯子内沿光纤传输在芯包界面上满足全反射条件的光将被约束在芯子内沿光纤传输.LOGOOpticalFiberin1966光纤损耗分贝表示：光纤损耗分贝表示：LkmPinPout20dB20dB的衰减表示输出功率仅剩的衰减表示输出功率仅剩1 1，1000dB/km1000dB/km的损耗意味着的损耗意味着这种光纤根本无法用于信号传输这种光纤根本无法用于信号传输!衰减为 1000 dB/km,远远达不到实用的水平,如何降低衰减,从而达到实用的水平?.LOGO传输介质问题由一位华人解决！传输介质问题由一位华人解决！19661966年，英籍华裔学者高锟年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)(C.K.Kao)及其同事霍克哈姆及其同事霍克哈姆(C.A.Hockham)(C.A.Hockham)在其在其发表的研究论文中指出，光纤的高损耗发表的研究论文中指出，光纤的高损耗来自石英中的杂质，通过对原材料的提来自石英中的杂质，通过对原材料的提纯可以制作出适合长距离通信的低损耗纯可以制作出适合长距离通信的低损耗光纤光纤,预见玻璃可制成衰耗预见玻璃可制成衰耗20dB/km20dB/km以下以下的光导纤维，即光纤。的光导纤维，即光纤。高锟高锟(C.K.Kao)(C.K.Kao)上述发现的重要意义在于指出了光纤高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制造领域所发发现直接导致了在其后数年内通信光纤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。生的质的飞跃，以及光纤通信产业的迅速兴起。.LOGO由于在光纤领域的杰出贡献高锟由于在光纤领域的杰出贡献高锟(左左)在英国接受在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章(1998年年).LOGO1970年，光纤诞生！v康宁玻璃公司康宁玻璃公司1970年首先研制年首先研制出衰耗出衰耗20dB/km的光纤。光纤的光纤。光纤通信正式开始！通信正式开始！v据说康宁公司花费据说康宁公司花费30003000万美元，万美元，得到得到3030米光纤样品，认为非常值米光纤样品，认为非常值得。这一突破，引起整个通信界得。这一突破，引起整个通信界的震动，世界发达国家开始投入的震动，世界发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信。巨大力量研究光纤通信。.LOGO.LOGO1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把把光纤通信的研究开发推向一个新阶段光纤通信的研究开发推向一个新阶段。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。1973年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。在以后的10年中，波长为1.55m的光纤损耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限光纤最低损耗的理论极限。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.LOGO光光 纤纤.LOGO.LOGO1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研研制成功室温下连续振荡的镓铝砷制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器双异质结半导体激光器(短波短波长长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。里程碑里程碑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。真正实用真正实用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 1970 1970 年成为光年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。纤通信发展的一个重要里程碑。1970 年，光纤通信用光源取得了实质性的进展年，光纤通信用光源取得了实质性的进展.LOGO自2020世纪7070年代，各种各样的光纤通信系统大体经过了这样几个阶段：1 1、第一代光纤通信系统在2020世纪7070年代末大量投入运营。由0.850.85微米的光源和多模光纤构成。光纤损耗大，多模光纤的传输带宽有限。应用在低速率、短距离条件。7676年亚特兰大安装的商用系统，传输码速率44Mbit/s44Mbit/s，传输距离1010公里。1.1.3 国内外光纤通信的发展国内外光纤通信的发展.LOGO2 2、2020世纪8080年代初，采用1.31.3微米的半导体发光二极管或激光二极管作为光源，再加上多模光纤构成了早期的第二代光纤传输系统。无中继距离2020公里。传输速率140 Mbit/s 140 Mbit/s。2020世纪8080年中期，投入运营的第二代光纤通信系统由1.31.3微米的半导体激光器和单模光纤构成。传输损耗低，色散小。.LOGO3、第三代光纤通信系统采用了1.551.55微米作为工作波长，以色散位移光纤作为传输媒介。适宜于超高速、长距离无中继传输。典型传输速率为565 Mbit/s565 Mbit/s、622bit/s622bit/s、2.488GMbit/s2.488GMbit/s。中继距离超过100100公里。自8080年代后期已经大量投入商用。.LOGO4、第四代光纤通信系统采用波分复用（WDMWDM）技术，即在同一根光纤中传输多个光载波，获得了更高的传输速率，同时采用光纤放大器（EDFAEDFA）直接放大光信号以代替传统的光-电-光中继方式。9090年代中期投入商用。160*10Gbit/s160*10Gbit/s。.LOGO5、第五代，即下一代它主要具有以下特征：超宽带单根光纤传输容量达到Tbit/s。超长距离光放大传输距离达到100010000Km。光交换克服电交换的瓶颈。智能化智能光网络技术。.LOGO相关核心器件的演进相关核心器件的演进激光器：LED半导体发光二极管半导体激光器LD同质结半导体LD双异质结LD分布反馈LD量子阱LD速率：MHz Gb/s10Gb/s 40Gb/s光电探测器：PIN光电二极管APD雪崩光电二极管SiGaAsGeInGaAs 速率：MHz Gb/s 10Gb/s 40Gb/s.LOGO近几十年光纤通信已经取得了突飞猛进的进展传输容量上：2.5Gbit/s、10Gbit/s、40Gbit/s大量采用WDM系统。提高中继距离，上千公里的无电中继距离技术上已经可行。.LOGO光纤通信在中国光纤通信在中国19741974年开始了低损耗光纤和光通信的研究工作。7070年代中期研制出低损耗光纤和室温下可连续发光的半导体激光器。19791979年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验系统。.LOGO光纤通信在中国光纤通信在中国邮电部于1988年开始了八纵八横通信干线光纤工程的建设，我国开始建设包含22条光缆干线、总长达33000公里的“八横八纵”大容量光纤通信干线传输网。至1998年兰西拉(兰州西宁拉萨)工程建成，标志着八纵八横格状形光缆骨干网提前两年建成，兰西拉光缆干线穿越平均海拔3000多米的高寒冻土区，全长2700公里，是我国通信建设史上施工难度最大的工程，由邮电部与解放军官兵联合建设。由此我国网络覆盖全国省会以上城市和90%地市，全国长途光缆达到20万公里，形成以光缆为主，卫星和数字微波为辅的长途骨干网络。.LOGO“八横八纵八横八纵”大容量光纤通信网大容量光纤通信网八纵是：（）哈尔滨沈阳大连上海广州；（）齐齐哈尔北京郑州广州海口三亚；（）北京上海；（）北京广州；（）呼和浩特广西北海；工程总长4000公里，投资8亿多元，98年3月全线贯通（）呼和浩特昆明；（）西宁拉萨；工程总长2454公里，投资6亿多元，98年7月全线贯通（）成都南宁。八横是：（）北京兰州；工程总长2052公里，投资亿多元，96年全线贯通（）青岛银川；()上海西安；()连云港新疆伊宁；()上海重庆；()杭州成都；()广州南宁昆明；()广州北海昆明。.LOGO中国光纤发展史摘要中国光纤发展史摘要1991年，我国停止对建长途电缆通信系统的建设，做出大力发展光纤通信系统的决定。1993年，我国第一条国际光缆中日海底光缆建成投产，从上海南汇至日本宫崎，全长1252公里，可供15120对人同时通电话，或开通其他非话音业务。1996年，全长2100余公里，穿越14个国家的亚欧光缆投入运营。1997年，中美海底光缆开工，北线于1999年12月初全部建成，并于2000年1月19日正式投入使用，是亚洲各国连通美国的主要电信线路。1999年，连接30多个国家和地区的亚欧海底光缆(全长4万公里)正式投入商用。1999年，我国第一条最高传输速率的国家一级干线(济南青岛)82.5Gb/s密集波分复用(DWDM)系统建成，使一对光纤的通信容量又扩大了8倍。2000年，中国电信与韩国电信、日本电信、美国MFN公司等7家世界领先的电信运营商签署了高速率跨太平洋海底光缆亚美海底光缆的建设协议。2006年，中国、美国、韩国六大运营商在北京签署协议，共同出资5亿美元修建中国和美国之间首个兆兆级、10G波长的海底光缆系统跨太平洋直达光缆系统，预计在北京奥运会召开前夕完工。2006年，东亚环球光缆(EAC)青岛登陆工程海底部分(WDM)投入试运行，其肩负着北京2008年奥运通信和保障任务的东亚环球光缆，亦称奥运海缆(EAC)，是国家重大通信基础设施工程之一，是接替中韩海缆的又一条环亚洲太平洋地区光缆。该海缆在原有EAC网络的基础上，新建一条350公里长海底光缆。.LOGO光纤通信与广播电视光纤通信与广播电视目前全世界已有15亿以上有线电视用户，覆盖全世界一半以上人口。其中我国就有2亿庞大用户群，且仍以每年500万户的速度增长；入户率达到17，超过电话入户率（9）和计算机入户率（12），城市覆盖率86，全国覆盖率50，已成为我国覆盖率最高的用户信息网。广电总局批准的1300家有线电视网覆盖400多个城市和2000多个县（其中400个县已经光缆到乡镇或村），网络线路总长300多万公里，其中光纤网长度超过30万公里，是全世界最大的有线电视网。.LOGO1.2 光纤通信的优点及应用光纤通信的优点及应用1.2.1 光通信与电通信光通信与电通信 通信系统的传传输输容容量量取取决决于于对对载载波波调调制制的的频频带带宽宽度度，载载波波频频率越高，频带宽度越宽率越高，频带宽度越宽。相同点:光波与电波都是电磁波.（图 1.1）不同点:光通信相对于电通信光通信相对于电通信1.1.载波频率高载波频率高,频带宽度宽频带宽度宽2.2.光光通通信信利利用用的的传传输输媒媒质质-光光纤纤，可可以以在在宽宽波波长长范范围围 内获得很小的损耗。内获得很小的损耗。（图 1.2）.LOGO图1.1部分电磁波频谱.LOGO.LOGO图1.2各种传输线路的损耗特性.LOGO1 1、允许频带很宽，传输容量大 为了扩大通信容量，有线通信从明线发展到电缆，无线通信从短波发展到微波和毫米波，它们都是通过提高载波频率来扩容的。光纤通信所使用的频率要比以上使用的频率高得多，可使用的带宽巨大。1.2.2 1.2.2 光纤通信的优点光纤通信的优点.LOGO通信中，信道的带宽和信道的容量遵循所谓的香农公式：其中，B是信道频带宽度（简称带宽）；S是信号功率谱密度；N是信道噪声功率谱密度；C是信道容量由于任何信道都无法避免地会有各种噪声，而信号的功率也不可能太高，所以信道的容量不可能达到无穷。.LOGO典型的语音、视频和数据业务的信息速率业务类型业务类型数据速率数据速率高清电视、电影20Mb/s视频点播/交互式TV1.56Mb/s视频游戏12Mb/s远程教育1.53Mb/s电子购物1.56Mb/s数据传送或远程支付13Mb/s视频会议0.3842Mb/s语言（单信道）64Kb/s.LOGO理论上光纤通信可容纳：理论上光纤通信可容纳：电话：电话：7 7.5 5亿路亿路电视：电视：3030万路万路目前，在全波光纤上传输，传输速率可达50Tb/s.LOGO2 2、损耗很小，中继距离很长，误码率小、损耗很小，中继距离很长，误码率小中继站 将衰减了的信号进行放大，然后接着往下传。微波接力通信 我国目前市内局间中继长度小于15公里的占92.9%。.LOGO3 3、重量轻、体积小通信设备的体积和重量对于许多领域具有非常重要的意义4 4、泄露小，保密性能好5 5、节约有色金属，有利于资源合理使用石英（主要成分是二氧化硅），砂子6 6、抗电磁干扰性能好任何的通信系统都应具有一定的抗干扰能力主要有两个原因：第一是光纤是绝缘体，不怕雷电和高压，不受电磁干扰；第二是光纤中传输的是频率很高的光波，而各种干扰的频率一般都比较低，所以它不能干扰频率比它高的多的光波。缺点缺点:光纤质地脆、机械强度低、需要比较好的切割及连接技光纤质地脆、机械强度低、需要比较好的切割及连接技术，分路、耦合比较麻烦。术，分路、耦合比较麻烦。.LOGO1.2.3 1.2.3 光纤通信的应用光纤通信的应用用于市话中继线用于长途干线通信用于高质量彩色电视传输CATV用于工业生产现场监视和调度用于交通监视控制指挥光纤局域网基带模拟信号的传输（雷达信号；音频信号）.LOGO ATMInternet骨干网骨干网DDN/FRPSTN/ISDNTV业务分配节点业务分配节点(COT)(COT)业务接入节点（业务接入节点（RTRT）网管网管SNMP与电信网管中心相连Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622MSDH典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统拓扑结构.LOGO典型应用之二：作为校园网的骨干传输网.LOGO1.3 光纤通信系统的基本组成下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射发射、接收接收和光纤光纤传输系统传输系统。.LOGO光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的三要素光纤通信系统的三要素:光发射机光发射机;光接收机和光纤线路光接收机和光纤线路.LOGO1.3.1 光发送和接收机光发送和接收机1 1 1 1、光发送机、光发送机、光发送机、光发送机组成框图：组成框图：组成框图：组成框图：光光源源调制器调制器通道耦合器通道耦合器电信号输入电信号输入光输出光输出驱动电路驱动电路结构参数：结构参数：结构参数：结构参数：发送功率，发送功率，dbmdbm概念概念光源光谱特性光源光谱特性光源光谱特性光源光谱特性：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长器件寿命长器件寿命长器件寿命长.LOGO光发射机光发射机v光发射端机的功能:电/光或E/O转换v光发射端机由光源、驱动器和调制器组成。v对光源的要求？输出功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。v半导体发光二极管（LEDLED）v半导体激光二极管（或称激光器）（LDLD）.LOGO半导体激光器半导体激光器垂直表面发射半导体激光器边发射半导体激光器.LOGO两种调制方式两种调制方式1、直接调制：电信号调制器件的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现。特点：技术简单，成本较低，容易实现，但是调制速率受激光器的频率特性所限制，带宽可达几亿赫兹。2、间接调制：激光的产生和调制分开。目前有多种调制器可供选择，最常用的是电光调制器（还有磁光效应和声光效应）。它是利用电信号改变电光晶体的折射率，使通过调制器的光参数随电信号变化而实现调制的。特点：高速率、大消光比、大光功率和消除半导体激光器内调制产生的光频率跳变的“啁啾”现象，缺点是技术复杂，成本较高。.LOGO图1.5两种调制方案(a)直接调制；(b)间接调制(外调制).LOGO光发射机的参数(1)v发送光功率（发送光功率（发送光功率（发送光功率（dBmdBm）v P=10 lg P(mW)/1(mW)P=10 lg P(mW)/1(mW)v v以以以以1mW1mW为基准的、用分贝表示的功率。表示为基准的、用分贝表示的功率。表示为基准的、用分贝表示的功率。表示为基准的、用分贝表示的功率。表示功率的绝对值。功率的绝对值。功率的绝对值。功率的绝对值。功率功率功率功率(mW)(mW)10010010102 21 10.50.50.10.10.010.010.0010.001功率功率功率功率(dBm)(dBm)+20+20+10+10+3+30 0-3-3-10-10-20-20-30-30.LOGOv光谱特性光谱特性光谱特性光谱特性最大均方根最大均方根最大均方根最大均方根RMSRMSRMSRMS宽度宽度宽度宽度 对于多纵模激光器和发光二极管对于多纵模激光器和发光二极管对于多纵模激光器和发光二极管对于多纵模激光器和发光二极管这样的光能量比较分散的光源这样的光能量比较分散的光源这样的光能量比较分散的光源这样的光能量比较分散的光源,采采采采用用用用 来衡量光脉冲能量在频域的集来衡量光脉冲能量在频域的集来衡量光脉冲能量在频域的集来衡量光脉冲能量在频域的集中程度中程度中程度中程度.单纵模的激光器单纵模的激光器单纵模的激光器单纵模的激光器,能量主要集中能量主要集中能量主要集中能量主要集中在主模中在主模中在主模中在主模中.半高全宽半高全宽半高全宽半高全宽FWHM(3dB)FWHM(3dB)FWHM(3dB)FWHM(3dB)宽度宽度宽度宽度最大最大最大最大20dB20dB20dB20dB跌落宽度跌落宽度跌落宽度跌落宽度光发射机的参数(2).LOGOv最小边模抑制比最小边模抑制比最小边模抑制比最小边模抑制比(SMSR)(SMSR)：主纵模：主纵模：主纵模：主纵模(M1)(M1)的平均光的平均光的平均光的平均光功率与最显著的边模功率与最显著的边模功率与最显著的边模功率与最显著的边模(M2)(M2)的平均光功率之比的最的平均光功率之比的最的平均光功率之比的最的平均光功率之比的最低值。低值。低值。低值。SMSR=10lgSMSR=10lg（M1/M2M1/M2）光发射机的参数(3)一般规定单纵模激光器的最小边模抑制比为一般规定单纵模激光器的最小边模抑制比为一般规定单纵模激光器的最小边模抑制比为一般规定单纵模激光器的最小边模抑制比为30dB30dB，即主纵模功率至少要比边模大即主纵模功率至少要比边模大即主纵模功率至少要比边模大即主纵模功率至少要比边模大10001000倍以上。倍以上。倍以上。倍以上。.LOGO2 2 2 2、光接收机、光接收机、光接收机、光接收机功能：功能：功能：功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号并经放大和处理后恢复成发射前的电信号组成部分：组成部分：组成部分：组成部分：耦合器，光电检测器，解调器耦合器，光电检测器，解调器组成框图：组成框图：组成框图：组成框图：电子电路电子电路光输入光输入耦合器耦合器光电检测器光电检测器解调器解调器电信号输出电信号输出结构参数：结构参数：结构参数：结构参数：接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度，定为，定为BER10BER10-9-9条件下，所要求条件下，所要求的最小平均接收功率。的最小平均接收功率。检测方式：检测方式：检测方式：检测方式：直接检测直接检测直接检测直接检测和和外差检测外差检测外差检测外差检测.LOGO 广泛使用的光探测器有两种类型：在半导体PNPN结中加入本征层的PINPIN光电二极管（PIN-PDPIN-PD）雪崩光电二极管（APDAPD）.LOGO光/电或O/EO/E转换 通过光探测器实现两种方式：直接检测和相干检测（外差检测）直接检测直接检测 探测器直接把光信号转化为电信号。简单、经济。是目前光纤通信系统普遍使用的方法。相干检测相干检测（外差检测）要设置一个本地振荡器和一个光混频器，使本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输出中频信号，再由光探测器把中频信号转化为电信号。难度大。高灵敏度。.LOGO 接收机的灵敏度是表征光接收机调整到最佳工作状态时，光接收机接收微弱光信号的能力。光接收机灵敏度定义为：特定条件下(数字系统:误码率,模拟系统:信噪比)，接收机所需要的最小输入光功率。接收灵敏度一般用dBm来表示，它是以lmW光功率为基础的绝对功率，或写为Pr=10Log(Pmin/10-3)其中，Pmin指在给定误比特率的条件下，接收机能接收的最小平均光功率。例如，在给定的误比特率为10-9时，接收机能接收的最小平均光功率为1nW（即10-9W），光接收机灵敏度为-60dBm。.LOGO1.3.2 1.3.2 光纤线路光纤线路功能：功能：功能：功能：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失失 真真)和衰减传输到光接收机和衰减传输到光接收机组成组成组成组成:光纤光纤、光纤接头光纤接头和光纤连接器光纤连接器低损耗低损耗低损耗低损耗 “窗口窗口窗口窗口”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收 峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85 m、1.31 m和1.55 m有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。光源光源光源光源 激光器的发射波长激光器的发射波长和光检测器光检测器光检测器光检测器光电二极管的波长响应光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口窗口相一致。目前在实验室条件下，1.55 m的损耗已达到0.154 dB/km0.154 dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。.LOGO0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰减（衰减（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波长波长（m）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图普通单模光纤的衰减随波长变化示意图6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段.LOGO中继器v随着传输线路的延长，会由于传输损耗而使脉冲随着传输线路的延长，会由于传输损耗而使脉冲随着传输线路的延长，会由于传输损耗而使脉冲随着传输线路的延长，会由于传输损耗而使脉冲衰减，同时加上传输线路的失真特性（光纤中的衰减，同时加上传输线路的失真特性（光纤中的衰减，同时加上传输线路的失真特性（光纤中的衰减，同时加上传输线路的失真特性（光纤中的各种色散）产生脉冲波型的失真。因此，需要中各种色散）产生脉冲波型的失真。因此，需要中各种色散）产生脉冲波型的失真。因此，需要中各种色散）产生脉冲波型的失真。因此，需要中继器来进行修复。继器来进行修复。继器来进行修复。继器来进行修复。3R3R：re-amplifyingre-amplifying 再放大（光放大器的功能）再放大（光放大器的功能）再放大（光放大器的功能）再放大（光放大器的功能）re-timing re-timing 再定时再定时再定时再定时 （消除时间抖动）（消除时间抖动）（消除时间抖动）（消除时间抖动）re-shaping re-shaping 再整形再整形再整形再整形 （消除波形畸变）（消除波形畸变）（消除波形畸变）（消除波形畸变）通过这通过这通过这通过这3 3个个个个RR，得到接近于发射端的光信号的，得到接近于发射端的光信号的，得到接近于发射端的光信号的，得到接近于发射端的光信号的 copycopy，从而延长传输距离，提高信号质量。从而延长传输距离，提高信号质量。从而延长传输距离，提高信号质量。从而延长传输距离，提高信号质量。3R组合组合.LOGO光纤通信系统的分类v光纤通信系统可以根据系统所使用的激光光波的波长、携带信息的形式、传输光纤、信号的调制方式、光接收方式的不同和光纤中传送的是单波长通道还是多波长通道的信号分成多种光纤通信系统。v根据电端机送入光端机信号性质的不同，可分为模拟和数字光纤通信系统。1.3.3 1.3.3 模拟和数字通信系统模拟和数字通信系统.LOGO1 1、有效性，指信息的传输速度；2 2、可靠性，指信息的传输质量；3 3、适应性，指环境使用条件；4 4、标准性，指元件的标准性、互换性；5 5、经济性，指成本是否低；6 6、保密性，指是否便于加密；7 7、使用维修是否方便。光纤通信系统的评价光纤通信系统的评价:.LOGO数字信号和模拟信号数字信号和模拟信号.LOGO数字通信系统和模拟通信系统通信的目的是传递和交换信息模拟信号：连续数字信号：离散模拟通信系统用连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。数字通信系统则用离散的信号来代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系。.LOGO调制方式调制方式.LOGOn n调制前光载波的形式为：调制前光载波的形式为：调制前光载波的形式为：调制前光载波的形式为：E(t)=Acos(0t+)v模拟通信可采用调幅、调频、调相等多种调制方式。模拟通信可采用调幅、调频、调相等多种调制方式。采用数字调制时，相应地称为幅移键控（采用数字调制时，相应地称为幅移键控（ASKASK）、频）、频移键控（移键控（FSKFSK）、相移键控（）、相移键控（PSKPSK）；信号只有两种状）；信号只有两种状态的态的ASKASK称为通断键控（称为通断键控（OOKOOK），这是当前的数字通信），这是当前的数字通信系统通常使用的格式，属于强度调制系统通常使用的格式，属于强度调制-直接检测（直接检测（IM-IM-DDDD）通信方式，是通信方式中最简单、最初级的方式。）通信方式，是通信方式中最简单、最初级的方式。电场电场电场电场振幅振幅振幅振幅载频载频载频载频相位相位相位相位.LOGO常见线路码：RZ（归零码）：光脉冲“1”宽度较窄，在比特周期结束前归零。NRZ（非归零码）：光脉冲“1”在比特周期内不变，在两个连续比特“1”间不为零。.LOGO数字通信系统的优点1 1、抗干扰能力强，传输质量好。2 2、可以用再生中继，传输距离长。3 3、适用各种业务的传输，灵活性大。4 4、容易实现高强度的保密通信。5 5、数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。.LOGO数字通信的缺点数字通信的缺点是占用频带较宽，系统的频带利用率不高。例如，一路模拟电话只占用4kHz4kHz的带宽，而一路数字电话要占用64 kHz64 kHz的带宽。数字通信的很多优点是以牺牲频带为代价得到的。.LOGO模拟通信系统模拟通信系统占用带宽较窄外，还有电路简单、价格便宜等优点。主要应用在广播电视短程线传输、工业与交通监控管理系统、共用天线系统、