第六章光纖通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)概論授課講師：周曉天山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2016年5月5日第六章：光纖通信系統(tǒng)1.對(duì)本課件中所引部分素材（如來(lái)源自網(wǎng)絡(luò)）的原作者表示致謝

2.本課件為13級(jí)集成、通信專業(yè)同學(xué)課程學(xué)習(xí)使用所準(zhǔn)備，請(qǐng)同學(xué)們勿將其發(fā)布或上傳至網(wǎng)絡(luò)光通信概念與特點(diǎn)光纖與光纜光端機(jī)光檢測(cè)器光中繼波分復(fù)用技術(shù)2光纖通信的基本概念光纖通信的概念：光纖通信系統(tǒng)的組成3利用激光作為信息的載波信號(hào)，并通過(guò)光纖來(lái)傳送信息的通信系統(tǒng)發(fā)送：激光設(shè)備傳輸：光纖接收：半導(dǎo)體光檢測(cè)器光纖通信的基本概念光纖通信的工作區(qū)域4在電磁波譜中，光波范圍包括紅外線、可見(jiàn)光、紫外線，其波長(zhǎng)范圍為：300mm--6×10?3mm光纖通信使用光波工作在近紅外區(qū)，其波長(zhǎng)為0.8～1.8μm發(fā)送信號(hào)的頻率越高(波長(zhǎng)越短)，可載送的信息量就越多目前使用的光載波頻率~190THz光纖通信的基本概念光通信的發(fā)展史

烽火臺(tái)、旗語(yǔ)、燈光、交通燈。。。近代光通信雛形可追溯到1880年Bell發(fā)明的光電話，但通信光電話未能像其他通信方式一樣得到發(fā)展（link）1962年第一只半導(dǎo)體激光器誕生，隨后半導(dǎo)體光檢測(cè)器也研究成功1966年英（美）籍華人高錕博士提出光導(dǎo)纖維概念，開(kāi)啟了現(xiàn)代光纖通信(link)1978年工作于0.8um的第一代光波系統(tǒng)正式投入商業(yè)應(yīng)用1980年代，采用多模光纖（1.3um）的第二代光波通信系統(tǒng)問(wèn)世1990年，采用單模光纖、工作在1.55um，速率可達(dá)2.4Gbps的第三代光波系統(tǒng)已能夠提供通信商業(yè)業(yè)務(wù)5光纖通信的基本概念光通信的發(fā)展史1990年代，第四代光波系統(tǒng)以采用光放大系統(tǒng)(OA)增加中繼距離和采用頻分與波分復(fù)用(FDM與WDM)增加比特率為特征第五代光波通信系統(tǒng)的研究與發(fā)展也經(jīng)歷了20多年歷程，已取得突破性進(jìn)展。它基于光纖非線性壓縮抵消光纖色散展寬的新概念產(chǎn)生的光孤子*，實(shí)現(xiàn)光脈沖信號(hào)保形傳輸就目前的光纖通信而言，正逐漸淘汰著其他有線通信方式，但其實(shí)際應(yīng)用僅是其潛在能力的2％左右，尚有巨大的潛力等待人們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)利用可見(jiàn)光通信的可能性被提出6孤子（Soliton）：1.又稱孤立波，是一種特殊形式的超短脈沖，或者說(shuō)是一種在傳播過(guò)程中形狀、幅度和速度都維持不變的脈沖狀行波。2.首先在物理流體力學(xué)中提出。1834年美國(guó)科學(xué)家約翰·斯科特·羅素觀察到這樣的現(xiàn)象：在一條窄河道中，迅速拉一條船前進(jìn)，在船突然停下時(shí)，在船頭形成的一個(gè)孤立的水波迅速離開(kāi)船頭，以每小時(shí)14～15km的速度前進(jìn)，而波形不變，前進(jìn)了2～3km才消失。他稱這個(gè)波為孤立波光纖通信的基本概念(link)7貝爾的“光電話”被其認(rèn)為是他最重要的發(fā)明，沒(méi)有之一！（Photophone）OnJune3,1880,Bell'sassistanttransmittedawirelessvoicetelephonemessageofconsiderabledistance,fromtheroofofthe

FranklinSchool

tothewindowofBell'slaboratory,some213meters(about700

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"thegreatestinvention[Ihave]evermade,greaterthanthetelephone“Bellwantedtonamehisnewseconddaughter“Photophone”光纖通信的基本概念8高錕爵士（Sir

CharlesKuenKao，1933年11月4日－），大紫荊勛賢，華裔電機(jī)工程師及物理學(xué)家,普世譽(yù)之為“光纖通訊之父”（FatherofFiberOpticCommunications），曾任香港中文大學(xué)校長(zhǎng)。2009年，獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表?yè)P(yáng)他“在光傳輸于纖維的光學(xué)通信領(lǐng)域突破性成就”高錕在1966年發(fā)表的《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》論文中指出：用石英基玻璃纖維進(jìn)行長(zhǎng)距離信息傳遞，將帶來(lái)一場(chǎng)通訊事業(yè)的革命，并提出當(dāng)玻璃纖維衰減率（Attenuation）下降到每公里20分貝時(shí)，光纖通訊即可成功。他的研究為人類進(jìn)入光導(dǎo)新紀(jì)元打開(kāi)了大門(mén)。為此，獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以及愛(ài)迪生電信獎(jiǎng)、馬可尼國(guó)際獎(jiǎng)、貝爾獎(jiǎng)、巴倫坦獎(jiǎng)?wù)?、利布曼?jiǎng)等高錕2003年罹患阿茲海默癥，在諾貝爾典禮上獲特別安排，免除走到臺(tái)中領(lǐng)獎(jiǎng)、鞠躬三次的禮儀，瑞典國(guó)王卡爾十六世·古斯塔夫破例走到他面前頒獎(jiǎng)link光纖通信的基本概念從器件上看光纖通信的發(fā)展9激光器（發(fā)送源）1960年T.Maiman發(fā)明紅寶石激光器1962年半導(dǎo)體激光器誕生（GaAs870nm）70年代室溫工作的LD(GaAsAI850nm)1300、1500nm多模LD單模LD光纖（傳輸介質(zhì)）1951年醫(yī)用玻璃纖維(1000dB/km)1966年高錕的理論體系建立1970年康寧（CorningInc.）制造出低損耗光纖（20dB/km）1300(0.5dB/km)、1500nm(0.2dB/km)低損耗窗口光纖開(kāi)發(fā)單模光纖光纖通信的基本概念光纖通信系統(tǒng)的基本組成10由光發(fā)射機(jī)、光纖光纜、中繼器與光接收機(jī)等基本單元組成。此外還包括一些互連與光信號(hào)處理器件，如光纖連接器、隔離器、調(diào)制器、濾波器、光開(kāi)關(guān)及路由器、分插復(fù)用器等還包括電/光轉(zhuǎn)換器等發(fā)送單元傳輸單元接收單元光纖通信的基本概念光纖通信的主要特點(diǎn)11通信容量大頻率很高的光波作為載波，具有很寬的傳輸頻帶目前通信容量最大的通信方式商用光纖系統(tǒng)速率可達(dá)2.5Gb/s、10Gb/s、40Gb/s或更高中繼距離長(zhǎng)光纖傳輸損耗低，無(wú)中繼傳輸距離長(zhǎng)、比電纜中繼距離大得多石英玻璃制成的光纖在1.55um波長(zhǎng)的傳輸損耗為0.2dB/km這一優(yōu)點(diǎn)對(duì)于長(zhǎng)途干線、特別是跨洋通信來(lái)說(shuō)，具有重大意義抗電磁干擾光纖由玻璃制成、傳輸光信號(hào)，不存在電磁干擾工作可靠耐高溫、高壓抗腐蝕，使用壽命長(zhǎng)節(jié)約成本光纖材料來(lái)源豐富，可節(jié)約有色金屬(如銅、鋁)，直徑小、重量輕光在光纖中傳輸，不泄露光能，也不會(huì)串話光通信概念與特點(diǎn)光纖與光纜結(jié)構(gòu)、分類、導(dǎo)光原理、基本性能參數(shù)、光纜光端機(jī)光檢測(cè)器光中繼波分復(fù)用技術(shù)12光纖與光纜光纖的定義與作用13光導(dǎo)纖維，是一種圓柱形的介質(zhì)波導(dǎo)，由玻璃或塑料制成，利用全反射原理傳輸光的工具光纖將發(fā)射設(shè)備中發(fā)光二極管或激光產(chǎn)生的光脈沖傳送到接收端，由接收端的光敏材料檢測(cè)脈沖，達(dá)到通信目的包含光纖的線纜稱為光纜光纖與光纜光纖的結(jié)構(gòu)通信用的光纖是一種能夠到光的透明玻璃絲，外徑一般為125um一般可以分為三部分：折射率較高的纖芯、折射率較低的包層和外面的涂覆層纖芯、包層材料為不同折射率的摻雜石英材料14光纖與光纜光纖的結(jié)構(gòu)15纖芯和包層是高純度石英材料，包層折射率略低于纖芯，與纖芯一起形成光的全反射通道，使光波的傳輸局限于纖芯內(nèi)包層外面涂覆一層硅酮樹(shù)脂或聚氨基甲酸乙酯，然后增加保護(hù)套加以保護(hù)裸纖光纖與光纜光纖的導(dǎo)光原理----全反射*16當(dāng)移動(dòng)于密度較高的介質(zhì)的光線，以大角度入射于核心-包覆邊界時(shí)，假若入射角的角度大于臨界角的角度，則這光線會(huì)被完全地反射回去光纖就是應(yīng)用這種效應(yīng)來(lái)局限傳導(dǎo)光線于核心。在光纖內(nèi)部傳播的光線會(huì)被邊界反射過(guò)來(lái)，反射過(guò)去，向前移動(dòng)由于光線入射于邊界的角度必須大于臨界角的角度，只有在某一角度范圍內(nèi)射入光纖的光線，才能夠通過(guò)整個(gè)光纖，不會(huì)泄漏損失。該角度范圍稱為光纖的受光錐角，是光纖的核心折射率與包覆折射率的差值的函數(shù)*thenotesherearefromtheWikipedia光纖與光纜光纖的導(dǎo)光原理在光學(xué)理論中，當(dāng)傳輸媒介的幾何尺寸遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)時(shí)，可以把光表示成其傳播方向上的一條幾何線，稱為光射線。用光射線來(lái)分析光傳播特性的方法，稱為射線法。17當(dāng)折>90時(shí)，折射光線會(huì)反射回到纖芯進(jìn)行傳播，形成全反射。入=反光纖與光纜光纖的導(dǎo)光原理18調(diào)整入射角

，使得折2>90度而發(fā)生全反射光纖與光纜光纖的分類按照光纖剖面折射率分類19階躍型光纖：纖芯折射率與包底的折射率成階躍型分布漸變型光纖：纖芯折射率分布曲線近似為拋物線三角型光纖：纖芯折射率分布曲線為三角形，是一種新型單模光纖光纖的折射率變化可以用折射率沿半徑的分布函數(shù)n(r)來(lái)表示。光纖與光纜折射率20折射率可以用來(lái)計(jì)算在物質(zhì)里的光線速度。在真空里，及外太空，光線的傳播速度最快，大約為3億米／秒。一種物質(zhì)的折射率是真空光速除以光線在這物質(zhì)里傳播的速度。所以，根據(jù)定義，真空折射率是1。折射率越大，光線傳播的速度越慢。通常光纖的核心的折射率是1.48，包覆的折射率是1.46。所以，光纖傳導(dǎo)信號(hào)的速度粗算大約為2億米／秒光纖與光纜光纖的分類按傳導(dǎo)模的數(shù)目分類21多模光纖：傳輸光波的模式有多個(gè)，纖芯直徑為50um光纖剖面折射率為漸變型可用于中容量、中距離通信系統(tǒng)單模光纖：傳輸光波的模式只有一個(gè)，即只能傳輸基膜（最低階模）的光纖纖芯直徑近衛(wèi)幾微米（8um~10um），但外徑與多模光纖一樣，為125um適用于大容量、長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)光纖與光纜光纖的分類按光纖包層層數(shù)分類單包層光纖、雙包層光纖、四包層光纖按光纖材料分類全石英系列光纖、多組分玻璃纖維、塑料包層石英芯光纖、全塑料光纖按工作波長(zhǎng)分類短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖、超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖按ITU-T建議G.651漸變多模光纖、G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖、G.653色散位移單模光纖、G.654最佳性能單模光纖、G.655非零色散位移單模光纖、全波光纖22光纖與光纜ITU建議的光纖分類23G.651光纖：計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)或接入網(wǎng)G.652光纖：應(yīng)用最廣的單模光纖

G.653光纖：較少采用G.654光纖：彎曲性能好G.655光纖：適用于高速、大容量、高密集波分復(fù)用系統(tǒng)光纖與光纜光纖的尺寸2462.5mm125mm包層(Clad)多模Core8mm125mmClad單模85μm人的頭發(fā)光纖與光纜模25所有發(fā)射的光都沿直線傳播單模光纖的纖芯較細(xì)，使光線能夠直接發(fā)射到中心。建議距離較長(zhǎng)時(shí)采用單模光纖多模光纖允許多束光在光纖中同時(shí)傳播多模光纖中光信號(hào)通過(guò)多個(gè)通路傳播，距離較短多模光纖所謂“?！笔侵敢砸欢ń撬俣冗M(jìn)入光纖的一束光光纖與光纜多模光纖26多模光纖（MultimodeopticalfiberMMF）光信號(hào)可以從不同的角度進(jìn)入光纖的線芯進(jìn)行傳輸?？梢灾本€傳輸也可以使用折射和反射來(lái)向前發(fā)送信號(hào)纖芯直徑：50um（歐洲標(biāo)準(zhǔn)）、62.5um（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）外層直徑：125um可通過(guò)波長(zhǎng)：850nm，1300nm傳輸距離：300-600m通常以橘色外皮標(biāo)示多模光纖纖芯直徑較大，可以用幾何光學(xué)理論來(lái)分析其物理性質(zhì)光纖與光纜單模光纖27單模光纖（SingleModeFiber，SMF）只能有一道光信號(hào)傳輸，使用單獨(dú)模式的光信號(hào)，沒(méi)有光的信號(hào)色散，傳輸距離會(huì)更長(zhǎng)，傳輸數(shù)據(jù)量也更高纖芯直徑：8~10um外層直徑：125um可通過(guò)波長(zhǎng)：1310nm、1550nm典型傳輸距離：超過(guò)5英里通常以黃色外皮標(biāo)示典型用途：長(zhǎng)途電信長(zhǎng)途電視監(jiān)控共用天線電視系統(tǒng)單模SMF

核心直徑小于傳播光波波長(zhǎng)約十倍的光纖，不能用幾何光學(xué)理論來(lái)分析其物理性質(zhì)。替而代之，必須改用麥克斯韋方程組來(lái)分析，導(dǎo)出相關(guān)的電磁波方程光纖與光纜單模與多模的比較28簡(jiǎn)單的作個(gè)比喻：可以把多模光纖想成是一條很寬的公路（光纖模截面寬），在這條公路上，可以行駛轎車、路車和卡車（信號(hào)的模式），但是由于車型不同（信號(hào)模式不同），所以到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間也會(huì)不同。而單模光纖則可以想成是一條鐵路，雖然同時(shí)只能有一輛火車行駛，速度要高于公路項(xiàng)目單模光纖多模光纖距離長(zhǎng)短數(shù)據(jù)傳輸率高低光源激光發(fā)光二極管信號(hào)衰減小大端接較難較易造價(jià)高低光纖與光纜光纖的基本特性參數(shù)29傳輸損耗(dB/km)：隨著傳輸距離的增加，光束（或信號(hào)）強(qiáng)度會(huì)減低直接影響通信距離色散(ps/nm.km)單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)各波長(zhǎng)成分通過(guò)單位長(zhǎng)度光纖所產(chǎn)生的時(shí)延信號(hào)在光纖內(nèi)傳輸一段距離后逐漸擴(kuò)散重疊會(huì)引起光脈沖信號(hào)展寬和碼間串?dāng)_，影響通信的質(zhì)量為實(shí)現(xiàn)高速長(zhǎng)距離傳輸，要求光纖具有低損耗和低色散特性光纖的主要損耗損耗系數(shù)（單位：dB/km）：損耗類型：吸收損耗：是由1）SiO2材料引起的固有吸收和2）由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的散射損耗：主要有材料微觀密度不均勻引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的，是光纖的固有損耗，決定光纖損耗的最低理論極限其他損耗：輻射損耗、連接損耗、耦合損耗、非線性效應(yīng)損耗30光纖的長(zhǎng)度輸入光功率輸出光功率光纖的主要損耗單模光纖損耗譜示意圖31光纖的主要損耗實(shí)用光纖的損耗譜32瑞利散射系數(shù)光信號(hào)波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)缺陷散射損耗紫外吸收損耗雜質(zhì)吸收損耗紅外吸收損耗光纖的主要損耗其他損耗---輻射損耗又稱彎曲損耗，光纖彎曲到一定程度后，會(huì)使光的傳輸途徑改變。由傳輸模轉(zhuǎn)換為輻射模，使一部分光能滲透到包層中或穿過(guò)包層向外泄漏損失掉，從而產(chǎn)生損耗包括兩類：一是彎曲半徑遠(yuǎn)大于光纖直徑，二是光纖成纜時(shí)軸向產(chǎn)生的隨機(jī)性微彎，彎曲半徑大于5～10cm時(shí)，由彎曲造成的損耗可以忽略光纖損耗主要存在位置光纖本身：與長(zhǎng)度和類型有關(guān)1310nm：0.35~0.5dB/Km1550nm：0.2~0.3dB/Km850nm：2.3~3.4dB/Km光纖連接點(diǎn)：0.2dB/Km33光線的色散特性光的色散效應(yīng)34彩虹是怎么產(chǎn)生的?紅花綠草的顏色是由什么決定的?光線的色散特性結(jié)論：白光不是單色光，而是由各種色光混合成的太陽(yáng)光通過(guò)三棱鏡后被分解成七種色光,依次是紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫35

光的色散光線的色散特性光纖的色散效應(yīng)現(xiàn)實(shí)光源信號(hào)不純，含有不同的波長(zhǎng)成分光纖中：1）不同頻率（波長(zhǎng)）的成分傳播速度不同，2）不同傳播模式傳播速度不同，從而引起光脈沖產(chǎn)生時(shí)間彌散的現(xiàn)象色散效應(yīng)是限制光纖通信系統(tǒng)傳送容量和距離的關(guān)鍵因素之一光纖色散分類模式色散：光纖中不同傳送模式的傳送速度不同引起的色散模內(nèi)色散：同一模式中不同頻率成分傳輸速率不同引起的色散不同光纖的色散情況多模光纖的色散：以模式色散為主，模內(nèi)色散較輕單模光纖的色散：只有模內(nèi)色散36光纖的色散特性光纖的色散效應(yīng)---模式色散定義：

同一波長(zhǎng)光信號(hào)的不同模式成分之間的色散，稱為模間色散或模式色散。模間色散只在多模光纖中存在產(chǎn)生原因：

多模光纖中同一波長(zhǎng)分量在各個(gè)模式的光傳播的路徑、相位和速度不同，使得在光纖出射端各模式的到達(dá)時(shí)間不一致，產(chǎn)生時(shí)延差，引起光脈沖展寬37光纖的色散特性光纖的色散效應(yīng)---階躍式、漸變式光纖的模式色散38階躍型光纖中，傳播最快的和最慢的兩條光線分別是沿軸線方向傳播的光線①和以臨界角θc入射的光線②，如圖所示。因此，在階躍型光纖中最大色散是光線①和光線②到達(dá)終端的時(shí)延差漸變型光纖中合理地設(shè)計(jì)光纖折射率分布，使光線在光纖中傳播時(shí)速度得到補(bǔ)償，從而模式色散引起的光脈沖展寬將很小光纖的色散特性光的色散效應(yīng)---模內(nèi)色散定義：

同一個(gè)波導(dǎo)模式的不同光波長(zhǎng)之間的色散產(chǎn)生原因：39光纖石英材料的折射率不是一個(gè)常數(shù)，而是隨光波長(zhǎng)的增大而減小;（材料色散）光源光譜不純;（材料色散）波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與折射率分布等參量有關(guān)，使得不同路徑光線之間的速度差是一個(gè)隨傳輸路徑變化的復(fù)雜函數(shù)。（波導(dǎo)色散）這三方面原因?qū)е峦粋€(gè)導(dǎo)波模式的不同波長(zhǎng)光線之間產(chǎn)生時(shí)延差，引起光脈沖展寬光纖與光纜光纜：僅有纖芯和包層的光纖稱為裸光纖，強(qiáng)度和柔韌性無(wú)法達(dá)到使用的要求在實(shí)際制造中，裸纖要用環(huán)氧樹(shù)脂和硅橡膠分子材料進(jìn)行涂敷，增強(qiáng)物理強(qiáng)度，再加工成不同類型的光纜多根光纖和輔助聯(lián)絡(luò)信號(hào)線、加強(qiáng)構(gòu)建以及外護(hù)層等組成實(shí)用光纜40中心加強(qiáng)件抵御光纜在敷設(shè)和使用過(guò)程中可能產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，使光纜具有良好的抗拉伸功能。常用材料包括普通鋼絲、磷化鋼絲、不銹鋼絲和玻璃鋼圓棒松套管通過(guò)填充阻水油膏，防止水和潮氣產(chǎn)生的氫氧根對(duì)光纖產(chǎn)生破壞，同時(shí)對(duì)多芯光纖進(jìn)行分組雙面涂塑復(fù)合金屬帶將中心加強(qiáng)件和松套管保護(hù)住，使其免受機(jī)械損傷聚乙烯外護(hù)套又名PE外護(hù)套，良好的絕緣體，既可以起到絕緣作用，還可以提高光纜的抗沖擊、耐側(cè)壓等機(jī)械性能光纖與光纜光纜分類---室內(nèi)vs室外室內(nèi)光纜：用于室內(nèi)環(huán)境，多為緊套結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是柔軟、阻燃，滿足室內(nèi)布線的要求室外光纜：用于室外環(huán)境，能經(jīng)受氣候的變化，防止水滲透，抗陽(yáng)光紫外線輻射，在大風(fēng)及其他應(yīng)力作用下不會(huì)受到損傷特種光纜：電力光纜（ADSS）、阻燃光纜光纜分類---敷設(shè)方式架空光纜：借助鋼絞線等負(fù)重介質(zhì)懸掛在線桿等位置的光纜管道光纜：一般沿管道進(jìn)行敷設(shè)直埋光纜：一般用在長(zhǎng)途干線中，可以直接埋入到規(guī)定深度和寬度的纜溝中，有較好的抗拉伸性能41光纖與光纜光纜分類---纜芯結(jié)構(gòu)42束管光纜：一般小于12芯，直接放到一個(gè)松套管內(nèi),加強(qiáng)件在套管周圍,管內(nèi)填油膏，按藍(lán)橙綠棕灰白紅黑黃紫粉紅天藍(lán)進(jìn)行排序。多用于局域網(wǎng)層絞式光纜：一根束管一般最多容納12芯光纖，層絞式光纜采用多根束管構(gòu)成。最大可做到288芯。常用的有4、6、8、12、16、24、32、48、96、144芯光纖與光纜成纜對(duì)光纖特性的影響43拉力特性光纜能承受的最大拉力取決于加強(qiáng)構(gòu)件的材料和橫截面積，一般要求大于1km光纜的重量，多數(shù)光纜在100～400kg范圍壓力特性光纜能承受的最大側(cè)壓力取決于護(hù)套的材料和結(jié)構(gòu)，多數(shù)光纜能承受的最大側(cè)壓力在100～400kg/10cm彎曲特性彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對(duì)折射率差Δ以及光纜的材料和結(jié)構(gòu)成纜附加損耗不良的成纜工藝，把光纖制成光纜后，會(huì)帶來(lái)附加損耗，稱之為成纜損耗機(jī)械強(qiáng)度增加一般光纖的斷點(diǎn)強(qiáng)度約為1～5kg，光纜結(jié)構(gòu)中加入了加強(qiáng)構(gòu)件、護(hù)套、甚至鎧裝層等，因此其斷點(diǎn)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于上述值溫度特性成纜可以改善光纖的溫度特性光纖與光纜成纜對(duì)光纖溫度特性改善示意圖44套塑光纖損耗隨溫度變化情況光纜損耗隨溫度變化情況光纖與光纜其他常見(jiàn)的光纜結(jié)構(gòu)45光通信概念與特點(diǎn)光纖與光纜光端機(jī)光檢測(cè)器光中繼器波分復(fù)用技術(shù)46光端機(jī)光纖通信的發(fā)送設(shè)備47電端機(jī)：把信源消息轉(zhuǎn)換成電數(shù)字信號(hào)光端機(jī)：位于電端機(jī)與光纖傳輸線路之間將電數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)組成：光源驅(qū)動(dòng)：即光調(diào)制，利用待傳電信號(hào)控制發(fā)光強(qiáng)弱光源：產(chǎn)生光載波控制：自動(dòng)光功率、溫度控制光端機(jī)光源：自身正在發(fā)光，且能夠持續(xù)發(fā)光的物體稱為光源光纖通信使用光源的要求48發(fā)光波長(zhǎng)應(yīng)與光纖低損耗窗口相符0.85um，1.33um，1.55um輸出功率足夠大，且穩(wěn)定度要高一般要求要有數(shù)十微瓦到數(shù)毫瓦的功率可靠性高、壽命長(zhǎng)保證持續(xù)工作，壽命要在10萬(wàn)小時(shí)以上發(fā)光譜線寬度窄保證單色性，減少色散調(diào)制性能要好調(diào)制速率高，響應(yīng)變化速度要快，調(diào)制效率也要高，滿足高速傳輸目前使用的光源：發(fā)光二極管LED、半導(dǎo)體激光二極管LD光端機(jī)光源發(fā)光原理49原子是由原子核和圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成。圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子能量不能任意取值，只能取特定的離散值，這種現(xiàn)象稱為電子能量的量子化在大量原子相互靠近形成半導(dǎo)體晶體時(shí)，由于半導(dǎo)體晶體內(nèi)部電子的共有化運(yùn)動(dòng)，使孤立原子中離散能級(jí)變成能帶半導(dǎo)體內(nèi)部自由運(yùn)動(dòng)的電子(簡(jiǎn)稱自由電子)所填充的能帶稱為導(dǎo)帶；價(jià)電子所填充的能帶稱為價(jià)帶；導(dǎo)帶和價(jià)帶之間不允許電子填充，所以稱為禁帶，其寬度稱為禁帶寬度，用Eg表示，單位為電子伏特(eV)光端機(jī)光源發(fā)光原理50自發(fā)輻射：處于高能級(jí)的電子狀態(tài)是不穩(wěn)定的，它將自發(fā)地從高能級(jí)(在半導(dǎo)體晶體中更多是指導(dǎo)帶的一個(gè)能級(jí))運(yùn)動(dòng)(稱為躍遷)到低能級(jí)(在半導(dǎo)體晶體中更多是指價(jià)帶的一個(gè)能級(jí))與空穴復(fù)合，同時(shí)釋放出一個(gè)光子。由于不需要外部激勵(lì)，所以該過(guò)程稱為自發(fā)輻射根據(jù)能量守恒定律，自發(fā)輻射光子的能量為：

hν12=E2-E1h為普朗克常數(shù)，其值為6.626×10-34J·s；ν12為光子的頻率；E2為高能級(jí)能量；E1為低能級(jí)能量受激輻射：在外來(lái)光子的激勵(lì)下，電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)與空穴復(fù)合，同時(shí)釋放出一個(gè)與外來(lái)光子同頻、同相的光子。由于需要外部激勵(lì)，所以該過(guò)程稱為受激輻射受激吸收在外來(lái)光子激勵(lì)下，也有可能使得電子吸收外來(lái)光子能量而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，變成自由電子光端機(jī)光源發(fā)光原理51粒子數(shù)正常分布狀態(tài)：在熱平衡狀態(tài)下，高能級(jí)上的電子數(shù)要少于低能級(jí)上電子數(shù)，不利于產(chǎn)生受激輻射！粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)為了使物質(zhì)發(fā)光，就必須使其內(nèi)部的自發(fā)輻射和/或受激輻射幾率大于受激吸收的幾率實(shí)現(xiàn)能級(jí)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)：光激勵(lì)方法、電激勵(lì)方法等光端機(jī)發(fā)光二極管光源（LED，Light-emmittingDiode）利用外加電流使發(fā)光區(qū)呈現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，利用自輻射發(fā)光發(fā)出光譜線寬度較大按照器件輸出光的方式，可以將發(fā)光二極管分為三種類型結(jié)構(gòu)：表面發(fā)光二極管、邊發(fā)光二極管及超輻射發(fā)光二極管52LED的工作原理可以歸納如下：當(dāng)給LED外加合適的正向電壓時(shí)，Pp結(jié)之間的勢(shì)壘(相對(duì)于空穴)和Np結(jié)之間的勢(shì)壘(相對(duì)于電子)降低，大量的空穴和電子分別從P區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)和從N區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)(由于雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，p區(qū)中外來(lái)的電子和空穴不會(huì)分別擴(kuò)散到P區(qū)和N區(qū))，在有源區(qū)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，最終克服受激吸收及其他衰減而產(chǎn)生自發(fā)輻射的光輸出光端機(jī)半導(dǎo)體激光器光源（LD，LaserDiode）53工作原理：1.當(dāng)給LD外加適當(dāng)?shù)恼螂妷簳r(shí)，由于有源區(qū)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布而首先發(fā)生自發(fā)輻射現(xiàn)象2.傳播方向與諧振腔高反射率界面垂直的自發(fā)輻射光子會(huì)在有源層內(nèi)部邊傳播、邊發(fā)生受激輻射放大(其余自發(fā)輻射光子均被衰減掉)，直至傳播到高反射率界面又被反射回有源層，再次向另一個(gè)方向傳播受激輻射放大。如此反復(fù)，直到放大作用足以克服有源層和高反射率界面的損耗后，就會(huì)向高反射率界面外面輸出激光由三部分構(gòu)成：激勵(lì)源、工作物質(zhì)及諧振腔利用光學(xué)諧振腔選頻放大作用，產(chǎn)生同頻、同相、同方向的相干光LD與LED的主要區(qū)別：LD有諧振腔，而LED沒(méi)有諧振腔產(chǎn)生相干光（激光），譜線寬度極窄光端機(jī)光源的工作特性54P-I特性輸出光功率P與輸入電流I之間的關(guān)系曲線上圖為L(zhǎng)ED的P-I特性，就整體而言，由于沒(méi)有閾值而使LED具有非常優(yōu)良的線性LD的P-I特性如下圖所示。就曲線整體而言，由于存在閾值現(xiàn)象，整體線性不如LEDP-I特性還可以引出兩個(gè)基本參數(shù)：微分量子效率和功率轉(zhuǎn)換效率微分量子效率可以定義為輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，曲線越陡，微分量子效率越大功率轉(zhuǎn)換效率定義為輸出光功率與消耗的電功率之比光端機(jī)光源的工作特性55光譜特性反映了光源光譜單色性的參數(shù)LED的光譜特性如上圖所示。在圖中，λ0為L(zhǎng)ED的峰值工作波長(zhǎng)(典型值為0.85μm、1.31μm和1.55μm)；Δλ為譜線寬度，其定義為光強(qiáng)度下降到最大值一半時(shí)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)寬度（3dB）LD的光譜特性如下圖所示。在圖中，λ0為L(zhǎng)ED的峰值波長(zhǎng)(典型值如LED)；Δλ為譜線寬度，其定義為縱模包絡(luò)或主模光強(qiáng)度下降到最大值一半時(shí)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)寬度光譜曲線波峰約尖銳，則其單色性就越好光端機(jī)光源的工作特性56溫度特性反映了光源閾值電流、發(fā)光功率與溫度的關(guān)系溫度特性主要影響到光源的平均發(fā)送光功率、P-I特性的線性及工作波長(zhǎng)LED無(wú)閾值電流、譜線寬度大，溫度特性好，因此適合傳輸模擬信號(hào)，不需要自動(dòng)溫控，壽命長(zhǎng)、價(jià)格低。用于中低速、短距離通信系統(tǒng)LD的閾值電流、輸出光功率及峰值工作波長(zhǎng)受溫度影響較大。為了降低溫度對(duì)LD的影響，可以采用兩種方法：選擇溫度特性優(yōu)異的新型LD，或通過(guò)一個(gè)外加的自動(dòng)溫度控制電路，使LD的溫度特性能夠滿足系統(tǒng)的要求光端機(jī)光源與光纖的耦合從光源發(fā)射出來(lái)的光功率應(yīng)該盡可能多地送入光纖中傳輸，這就是光源與光纖的耦合問(wèn)題衡量光源與光纖耦合的質(zhì)量可以用耦合效率η，它定義為：LD與單模光纖的耦合效率較高，可以達(dá)到30～50%，而LED與單模光纖的耦合效率較低，可能小于1%57耦合進(jìn)入光纖的光功率光源發(fā)射的功率光端機(jī)光調(diào)制模擬調(diào)制與數(shù)字調(diào)制58要實(shí)現(xiàn)光纖通信，首先要解決的問(wèn)題是如何將電信號(hào)加載到光源的發(fā)射光束上，即需要進(jìn)行光調(diào)制根據(jù)調(diào)制與光源的關(guān)系，光調(diào)制可分為：直接調(diào)制和間接調(diào)制從調(diào)制信號(hào)的形式來(lái)說(shuō)，光源的直接調(diào)制又可分為模擬信號(hào)調(diào)制和數(shù)字信號(hào)調(diào)制模擬調(diào)制方式主要包括：強(qiáng)度調(diào)制(IM)、振幅調(diào)制(AM)、雙邊帶抑制載波(DSB/SC)調(diào)制、單邊帶(SSB)調(diào)制方式及殘余邊帶(VSB)調(diào)制方式數(shù)字調(diào)制方式主要包括：幅移鍵控(Amplitude-shiftedKeying，ASK)調(diào)制方式、頻移鍵控(Frequency-shiftedKeying，F(xiàn)SK)調(diào)制方式及相移鍵控(Phase-shiftedKeying，PSK)調(diào)制方式等光端機(jī)光直接調(diào)制59直接調(diào)制就是將調(diào)制信號(hào)直接作用在光源上，把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娫葱盘?hào)注入到LD或LED，獲得相應(yīng)的光信號(hào)。常用發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制(IM)用電場(chǎng)表示的、常用強(qiáng)度調(diào)制方式的已調(diào)制信號(hào)表達(dá)式： 式中：KT為與發(fā)送光功率有關(guān)的正常數(shù)；m為調(diào)制系數(shù)(0<m≤1)；x(t)為歸一化幅度的調(diào)制信號(hào)波形；ωc為光載波角頻率，φ0為初相位加載調(diào)制信號(hào)是在激光振蕩的過(guò)程中進(jìn)行的，以調(diào)制信號(hào)的規(guī)律去改變振蕩的參數(shù)，從而達(dá)到改變激光輸出特性實(shí)現(xiàn)調(diào)制的目的直接調(diào)制具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但存在波長(zhǎng)(頻率)的抖動(dòng)，是光纖通信系統(tǒng)中廣泛采用的調(diào)制方式光端機(jī)光直接調(diào)制60光端機(jī)光直接調(diào)制61光端機(jī)光外部調(diào)制62光源內(nèi)調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，但因?yàn)橐淖兗す馄鲀?nèi)部振蕩的參數(shù)，輸出光的頻率不能太高。因此不適合高碼速場(chǎng)景。外調(diào)制是指加載調(diào)制信號(hào)在激光形成以后進(jìn)行的，即調(diào)制器置于激光諧振腔外，在調(diào)制器上加調(diào)制信號(hào)電壓。外調(diào)制不是改變激光器參數(shù)，而是改變已經(jīng)輸出的激光的參數(shù)（強(qiáng)度、頻率等）外調(diào)制方式需要調(diào)制器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可獲得優(yōu)良的調(diào)制性能，特別適合高速率光通信系統(tǒng)目前使用的外調(diào)制方式有：電光調(diào)制聲光調(diào)制磁光調(diào)制光端機(jī)光外部調(diào)制--聲光調(diào)制聲光調(diào)制器利用介質(zhì)的聲光效應(yīng)工作原理：當(dāng)調(diào)制電信號(hào)變化時(shí)，由于壓電效應(yīng)，使壓電晶體產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)形成超聲波，這個(gè)聲波引起聲光介質(zhì)的密度發(fā)生變化，使介質(zhì)折射率跟著變化，從而形成一個(gè)變化的光柵，光柵的變化使得光強(qiáng)隨之發(fā)生變化，結(jié)果使光波受到調(diào)制光外部調(diào)制—電光調(diào)制電光調(diào)制的基本工作原理是晶體的線性電光效應(yīng)電光效應(yīng)是指電場(chǎng)引起晶體折射率變化的現(xiàn)象，能夠產(chǎn)生電光效應(yīng)的晶體稱為電光晶體63光端機(jī)光外部調(diào)制—磁光調(diào)制磁光調(diào)制是利用法拉第效應(yīng)得到的一種光外調(diào)制工作原理：入射光信號(hào)經(jīng)過(guò)起偏器，使入射光變?yōu)槠窆?，這束偏振光通過(guò)YIG（摻釔鐵石榴石）磁棒時(shí)，其偏振方向隨繞在上面線圈的調(diào)制信號(hào)而變化，當(dāng)偏振方向與后面的檢偏器相同時(shí)，輸出光強(qiáng)最大，當(dāng)偏振方向與檢偏器方向垂直時(shí)，輸出光強(qiáng)最小，從而使輸出光強(qiáng)隨調(diào)制信號(hào)變化，實(shí)現(xiàn)了光的外調(diào)制64光端機(jī)光端機(jī)的主要性能指標(biāo)65平均發(fā)送光功率及其穩(wěn)定度消光比定義為最大平均發(fā)送光功率與最小平均發(fā)送光功率之比，通常用符號(hào)EX表示:影響調(diào)制效率、傳輸距離等；對(duì)接收機(jī)的檢測(cè)靈敏度也有影響光端機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和輔助電路66驅(qū)動(dòng)電路作用：為光源提供驅(qū)動(dòng)電流條件：電流較大、穩(wěn)定；響應(yīng)速度足夠快，最好大于光源的驅(qū)動(dòng)速度；保證光源具有穩(wěn)定的輸出特性自動(dòng)溫度、功率控制電路作用：穩(wěn)定由于器件老化或者溫度變化時(shí)激光器的輸出功率光通信概念與特點(diǎn)光纖與光纜光端機(jī)光檢測(cè)器光中繼波分復(fù)用技術(shù)67光檢測(cè)器基本組成及作用68將通過(guò)光纖傳來(lái)的光信號(hào)通過(guò)光檢測(cè)器變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)過(guò)放大、均衡和定時(shí)再生恢復(fù)為原始數(shù)字信號(hào)電信號(hào)光檢測(cè)器光纖通信系統(tǒng)對(duì)光檢測(cè)器的主要要求在系統(tǒng)所用的波長(zhǎng)內(nèi)有足夠高的靈敏度，能把微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出有足夠高