光纤通信系统课件.pptx

1、光纤通信的概念1 1、光通信、光通信 光通信光通信是利用光波来传送信息的是利用光波来传送信息的。2 2、光纤通信、光纤通信 光光纤纤通通信信是是以以光光波波作作为为信信息息载载体体，以以光光纤纤作为传输媒介的通信方式。作为传输媒介的通信方式。光通信光纤通信人们通常把应用石英光纤的有线光通信人们通常把应用石英光纤的有线光通信简称为简称为光纤通信（光纤通信（optical fiber communication）电磁频谱：电磁波的波长范围电磁频谱：电磁波的波长范围发送信号的频率越高（波长越短），发送信号的频率越高（波长越短），可载送的信息量就越多可载送的信息量就越多光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300m6103m。光纤通信的光波波谱光纤通信的光波波谱 光纤通信的波谱在光纤通信的波谱在1.671014Hz3.751014Hz之间，之间，即波长在即波长在0.8m1.8m之间，属于红外波段，将之间，属于红外波段，将0.8m0.9m称为短波长，称为短波长，1.0m1.8m称为长波长，称为长波长，2.0m以上称为超长波长。以上称为超长波长。表表1-1 各种单位的换算公式各种单位的换算公式c3108m/s1MHz（兆赫）106Hzc/f1GHz（吉赫）109Hz1m（微米）10-6m1THz（太赫）1012Hz1nm（纳米）109m1PHz（拍赫）1015Hz1（埃）1010m光电话机光电话机红宝石激光器红宝石激光器光导纤维光导纤维2、光纤通信的发展历程 1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话光电话”。这这种种光光电电话话利利用用太太阳阳光光或或弧弧光光灯灯作作光光源源，通通过过透透镜镜把把光光束束聚聚焦焦在在送送话话器器前前的的振振动动镜镜片片上上，使使光光强强度度随随话话音音的的变变化化而而变变化化，实实现现话话音对光强度的调制。音对光强度的调制。在在接接收收端端，用用抛抛物物面面反反射射镜镜把把从从大大气气传传来来的的光光束束反反射射到到硅硅光光电电池池上上，使使光光信信号号变变换换为电流，传送到受话器。为电流，传送到受话器。由于当时没有理想的光光源源和传传输输介介质质，这种光电话的传输距离很短，并没有实际应用价值，因而进展很慢。然而，光电话仍是一项伟大的发明，它证明了用光波作为载波传送信息的可行性。因此，可以说贝贝尔尔光光电电话话是现代光通信的雏型雏型。激激光光具有波波谱谱宽宽度度窄窄，方方向向性性极极好好，亮亮度度极极高高的良好特性。激光是一种高度相相干干光光，它的特性和无线电波电波相似，是一种理想的光载波光载波。1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器宝石激光器，给光通信带来了新的希望。激激光光器器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。红宝石激光器红宝石激光器实验证明：用承载信息的光波，通过大气的传播，实现点对点的通信是可行的，但是通信能力和质量受气候影响十分严重。大气光通信大气光通信 激光器一问世，人们就模拟无线电通信进行了大气激光通信的研究。由于雨、雾、雪和大气灰尘的吸收和散射，光波能量衰减很大。例如，雨能造成 30dB/km的衰减，浓雾衰减高达 120dB/km。另一方面，大气的密度和温度不均匀，造成折射率的变化，使光束位置发生偏移。因而通信的距离和稳定性都受到极大的限制。由于没有找到稳稳定定可可靠靠和和低低损损耗耗的的传传输输介介质质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。1966年，英籍华裔学者高锟高锟和霍克哈姆霍克哈姆发表了关于传输介质新概念的论文用于光频的光纤表面波导,指出了利用光纤(OpticalFiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信光纤通信的基础。光导纤维光导纤维高高锟锟(K.C.Kao)博博士士深深入入研研究究了了光光在在石石英英玻玻璃璃纤纤维维中中的的严严重重损损耗耗问问题题，发发现现这这种种玻玻璃璃纤纤维维引引起起光光损损耗耗的的主主要要原原因因是是其其中中含含有有过过量量的的铬铬、铜铜、铁铁与与锰锰等等金金属属离离子子和和其其他他杂杂质质，其其次次是是拉拉制制光光纤纤时时工工艺艺技技术术造造成成了了芯芯、包包层层分分界界面面不不均均匀匀及及其其所所引引起起的的折折射射率率不均匀，他还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。不均匀，他还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。光纤之父：光纤之父：英籍华人高锟英籍华人高锟(K.C.Kao)(K.C.Kao)博士博士工作地点：英国标准电信研究所工作地点：英国标准电信研究所光纤通信发明家光纤通信发明家高锟高锟(左左)1998年在英国接受年在英国接受 IEE 授予的奖章授予的奖章 1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗 20dB/km的石英光纤。把把光光纤纤通通信的研究开发推向一个新阶段信的研究开发推向一个新阶段。19701970年，年，光纤研制光纤研制取得了重大突破取得了重大突破 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。1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到 0.47dB/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，接近了光光纤纤最低损耗的理论极限最低损耗的理论极限。1、频带很宽，传输容量很大光纤的容量大“超高速公路”马路越宽，容许通过的车辆越多，交通运输能力也越大。如果把通信线路比作马路，那么应该说是通信线路的频带越宽，容许传输的信息越多，通信容量就越大。3、光纤通信的特点与应用光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较通信手段通信手段 传输容量传输容量(话话路路)/)/条条 中继距离中继距离/km/km 1000 km1000 km内中继器个内中继器个数数 微波无线电微波无线电 960 960 50502020小同轴小同轴 9609604 4250250中同轴中同轴 180018006 616001600光缆光缆 1920192030303333光缆光缆 14000(1Gb/s)14000(1Gb/s)84841111光缆光缆 6000(445MB/S6000(445MB/S)1341347 7 2.损耗很小，中继距离很长且误码率很小损耗很小，中继距离很长且误码率很小。目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在1.55m波长区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低得多，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得多。例如，同轴电缆通信的中继距离只有几千米，最长的微波通信是50千米左右，而光纤通信系统的最长中继距离已达300千米。3.重量轻、重量轻、体积小体积小光光纤纤重重量量很很轻轻，直直径径很很小小。即即使使做做成成光光缆缆，在在芯芯数数相相同同的的条条件件下下，其其重重量量还还是是比比电电缆缆轻轻得得多多，体体积也小得多。积也小得多。4.抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好光光纤纤由由电电绝绝缘缘的的石石英英材材料料制制成成，光光纤纤通通信信线线路路不不受受各各种种电电磁磁场场的的干干扰扰和和闪闪电电雷雷击击的的损损坏坏。无无金金属属光光缆缆非非常常适适合合于于存存在在强强电电磁磁场场干干扰扰的的高高压压电电力力线线路路周周围围和和油油田田、煤煤矿矿等等易易燃燃易易爆爆环环境境中中使使用用。光光纤纤(复复合合)架架空空地地线线(Optical Fiber Overhead Ground Wire，OPGW)是是光光纤纤与与电电力力输输送送系系统统的的地地线线组组合合而而成成的的通通信信光光缆缆，已在电力系统的通信中发挥重要作用。已在电力系统的通信中发挥重要作用。5.泄漏小，保密性能好泄漏小，保密性能好在在光光纤纤中中传传输输的的光光泄泄漏漏非非常常微微弱弱，即即使使在在弯弯曲曲地地段段也也无无法法窃窃听听。没没有有专专用用的的特特殊殊工工具具，光光纤纤不不能能分分接接，因因此此信信息息在在光光纤纤中传输非常安全。中传输非常安全。6.节约金属材料，有利于资源合理使用节约金属材料，有利于资源合理使用制制造造同同轴轴电电缆缆和和波波导导管管的的铜铜、铝铝、铅铅等等金金属属材材料料，在在地地球球上上的的储储存存量量是是有有限限的的；而而制制造造光光纤纤的的石石英英(SiO2)在在地地球球上上基基本本上上是是取取之之不不尽尽的的材材料料。制制造造8 km管管中中同同轴轴电电缆缆，1 km需需要要120 kg铜铜和和500 kg铝铝；而而制制造造8 km光光纤纤只只需需320 g石石英英。所所以以，推推广光纤通信，有利于地球资源的合理使用。广光纤通信，有利于地球资源的合理使用。光纤还有其他一些优良特性，也为普通金属导线所不及。它不怕潮湿和腐蚀，可以架在空中，也可埋入地下；它有较高的抗拉强度，与铁接近，比铜还高得多；它有较强的耐高低温能力，从-65 200C，在一般的飞机、舰艇和车辆上都可使用；它可实现多功能传输，同时传递话音、数据、传真、图像等各种信息。7.其它光纤通信的缺点光纤通信的缺点 质地脆、机械强度低；切断、连接技术要求高；分路、耦合比较麻烦；光纤通信的应用光纤通信的应用1.光纤通信网n光纤公用电信网：核心网、城域网我国市内电话光缆传输试验从1978年开始。目前，公用电信网的传输线基本上均是采用光纤光缆连接。n光纤局域网n光纤宽带网n光纤接入网n无线通信网n海底光缆及洲际通信网2.能源、交通和其他n电力系统的监视、控制和管理电力系统的监视、控制和管理：由于使用了光纤，不受强电磁干扰，不仅信息传输量增大，而且工作更加可靠。传输信息用的光纤，可以放在输电线、地线的中心，不受干扰，施工方便。用电设备观测雷击很困难，因为雷击对电设备也可能造成破坏。而用光纤却可以直接观测雷击现象，观测装置由检测器、光纤和观测记录仪等组成。雷击时位于铁塔上的检测器产生瞬间高电压，由于是光纤传输，对观测记录仪不会造成影响。n 煤炭系统的监视、控制和管理：煤炭系统的监视、控制和管理：电监控系统信号均为电信号，在含瓦斯高的矿井中容易引起爆炸。因此，如果考虑安全因素，电信号功率不能太大，这又导致传输距离受限。而如果采用光纤系统，很多设备可以无源化，即保证了安全，又能实现远距离监控。3.军事n战术通信主要有两种系统：一种是本地分配系统，包括战地指挥所的布线，兵器之间的连接，野战计算机的互连，以及基地信息传输系统等；一种是长距离战术通信系统，一般通信距离超过1千米。n水下通信系统是扫雷舰与浮游载体之间的数据传输线路。扫雷舰的主要任务是清扫航道上的水雷，而利用浮游载体扫雷最为安全而可靠。扫雷舰与浮游载体之间连着3根光纤：一根光纤把水下浮游载体探测到的声纳信号和遥测信号（都是视频信号）传给舰船；另一根光纤用来传输舰船给水下浮游载体的控制信息；第三根光纤备用。光纤反潜战网络，也就是把光纤传输线路与水听器相连，把监测到的敌潜声音信号通过光纤传输到舰上或岸上信息处理中心，以便确定作战方案。光纤用于水下通信，探测的灵敏度高，传输的信息量大，抗各种干扰的能力强，而且重量轻、浮力大。n航空母舰：机载通信、舰载通信。n雷达：在雷达室与作战情报中心之间传输信息，不仅改善了抗干扰能力和保密性能，而且还能更好保证作战情报中心的安全。n光纤制导武器主要包括光纤制导导弹和光纤制导鱼雷。它用光纤传输目标图像，制导精度高，导弹射程远，而且更安全可靠，是一种由射击手控制的人工智能武器。4、光纤通信的基本组成光纤通信系统的基本组成(1)(1)光发信机光发信机光光发发信信机机是实现电电/光光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其其功功能能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。(2)(2)光收信机光收信机 光光收收信信机机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其其功功能能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。(3)(3)光纤或光缆光纤或光缆光纤或光缆光纤或光缆构成光的传输通路。其其功功能能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。(4)(4)中继器中继器 中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰衰减减；另一个是对波形失真的脉冲进行整形整形。光纤的结构光纤的结构 光光纤纤通通信信中中采采用用的的传传输输媒媒介介是是光光纤纤，光光纤纤与与加加强强元元件件、外外护护层层等等组组合合而成光缆。而成光缆。光纤的结构纤芯纤芯 包层包层 涂敷层涂敷层 主要成分是高纯度主要成分是高纯度的二氧化硅，掺有的二氧化硅，掺有少量的掺杂剂，其少量的掺杂剂，其作用是适当提高纤作用是适当提高纤芯的折射率。芯的折射率。主要成分也是高纯度主要成分也是高纯度的二氧化硅，掺有少的二氧化硅，掺有少量的掺杂剂，其作用量的掺杂剂，其作用是适当降低包层的折是适当降低包层的折射率。射率。由丙烯酸酯、硅橡胶由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成，其作用和尼龙组成，其作用是增加光纤的机械强是增加光纤的机械强度与可弯曲性。度与可弯曲性。光纤导光的原理 包层包层(n(n2 2)芯线芯线(n(n1 1)入射入射 出射出射 光光纤纤是是一一种种介介质质波波导导，具具有有把把光光封封闭闭在在其其中中并并沿沿轴轴向向进进行行传传播播的的波波导导结结构构，其其直直径径大大约约只只有有0.1mm0.1mm，它它是是由由两两种种折折射射率率不不同的玻璃构成的。同的玻璃构成的。n n1 1、n n2 2的的大小关系大小关系是什么？是什么？光纤的折射率分布光纤的折射率分布阶跃型多模光纤阶跃型多模光纤渐变型多模光纤渐变型多模光纤光纤的折射率分布光纤的折射率分布光在阶跃折射率多模光纤中的传播光在阶跃折射率多模光纤中的传播光在渐变折射率多模光纤中的传播光在渐变折射率多模光纤中的传播光纤的模式光纤的模式 光在光纤中只能以一组独立的光线传播。一般来说，在纤芯内一组光束是以不同的角度传播，传播的角度范围从零到临界角。大于临界角的光线不满足全反射的条件，穿过纤芯进入包层。这此不同的光束称为模式。把严格按照光纤中心轴线传播的模式称为零级模式，或基模；其他与光纤中心轴线成一定角度的光束称为高次模。光纤的类型光纤的类型 按按传传导导光光波波的的模模数数不不同同，光光纤纤可可分分为为多模光纤多模光纤和和单模光纤单模光纤。(1)(1)多模光纤多模光纤多模光纤多模光纤 当光纤的几何尺寸（主要是芯径当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大）远大于光波波长时，光纤传输的过程中会存在着多种于光波波长时，光纤传输的过程中会存在着多种传输模式，这样的光纤称为多模光纤。传输模式，这样的光纤称为多模光纤。(2)单模光纤单模光纤 当光纤的几何尺寸当光纤的几何尺寸(主要是芯径主要是芯径d1)较小，与光较小，与光波长在同一数量级波长在同一数量级(如在如在 810m范围范围)，这时，光，这时，光纤只允许一种模式纤只允许一种模式(基模基模)在其中传播，其余的高次在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。此时模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。此时不不存在模间时延差存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输非常重要。这对于高码速传输非常重要。三种基本类型光纤的结构(a)突变型多模光纤；突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；渐变型多模光纤；(c)单模光纤单模光纤 纤芯和包层纤芯和包层的折射率呈的折射率呈突变分布。突变分布。纤芯和包层的纤芯和包层的折射率不发生折射率不发生突然变化。突然变化。多模光纤的优点与单模比较1.由于多模光纤的纤芯较粗，容易将光功率注由于多模光纤的纤芯较粗，容易将光功率注入光纤入光纤2.易于将相同的光纤连接在一起易于将相同的光纤连接在一起3.可以使用发光二极管可以使用发光二极管LED作为光源，因为作为光源，因为LED价格便宜，使用寿命长，电路简单价格便宜，使用寿命长，电路简单 多模光纤的主要缺点：多模光纤的主要缺点：因为每个模的传播因为每个模的传播速度略微不同，所以其存在模间色散速度略微不同，所以其存在模间色散。单模光纤的优点它的带宽很宽它的带宽很宽它的它的缺点缺点是：是：1.必须使用半导体激光器作为光源，所以价必须使用半导体激光器作为光源，所以价格较贵，电路复杂格较贵，电路复杂2.操作不如多模方便，因为纤芯较细操作不如多模方便，因为纤芯较细光纤的损耗光纤的损耗1.1.吸收损耗吸收损耗 本征吸收本征吸收 杂质吸收杂质吸收2.2.散射损耗散射损耗 当光在光纤中传输时，随着当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。小，这种现象即称为光纤的损耗。(单位：dB/km)损耗的表示：损耗的表示：光纤的传输损耗是光纤通信系统中一个非常光纤的传输损耗是光纤通信系统中一个非常重要的问题，低损耗是实现远距离光纤通信的重要的问题，低损耗是实现远距离光纤通信的前提。前提。形成光纤损耗的原因很复杂，归结起来主要形成光纤损耗的原因很复杂，归结起来主要包括两大类：包括两大类：吸收损耗和散射损耗吸收损耗和散射损耗 损耗特征曲线吸收作用是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，下面主要有本征吸收和杂质吸收。1.吸收损耗吸收损耗光纤吸收损耗光纤吸收损耗（1）本征吸收）本征吸收它它是是光光纤纤基基本本材材料料（例例如如：纯纯SiOSiO2 2）固固有有的的吸吸收收，并并不不是是有有杂杂质质或或缺缺陷陷所所引引起起的的。因因此此，本本征征吸吸收收基基本本上上确确定定了了任任何何特特定定材材料料的的吸吸收收的下限。的下限。吸吸收收损损耗耗的的大大小小与与波波长长有有关关，对对于于SiOSiO2 2石石英英系系光光纤纤，本本征征吸吸收收有有两两个个吸吸收收带带，一一个个是是紫紫外吸收带；一个是红外吸收带。外吸收带；一个是红外吸收带。（2）杂质吸收）杂质吸收光纤制造过程引入的光纤制造过程引入的有害杂质有害杂质带来较强的非本征吸收带来较强的非本征吸收解决方法：解决方法：(1)光纤材料化学提纯，比光纤材料化学提纯，比 如达到如达到 99.9999999%的的 纯度纯度OH和过渡金属离子和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等(2)制造工艺上改进制造工艺上改进2.散射损耗散射损耗由于光纤的材料、形状、折射指数分布等由于光纤的材料、形状、折射指数分布等的缺陷或不均匀（这些缺陷可能是光纤中的的缺陷或不均匀（这些缺陷可能是光纤中的气泡、裂痕，纤芯和包层交界处粗糙等），气泡、裂痕，纤芯和包层交界处粗糙等），使光纤中传导的光散射而产生的损耗称为散使光纤中传导的光散射而产生的损耗称为散射损耗射损耗。3.辐射损耗主要是指弯曲损耗辐射损耗主要是指弯曲损耗宏弯宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲微弯微弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲：光纤轴线产生微米级的高频弯曲q qcqRq qCladdingCore弯曲曲率半径减小宏弯损耗指数增加微弯损耗微弯损耗微弯的原因：微弯的原因：光纤的生产过程中的带来的不均光纤的生产过程中的带来的不均成缆时受到压力不均成缆时受到压力不均使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导致的后果：导致的后果：造成能量辐射损耗造成能量辐射损耗高阶模功率损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模低阶模功率耦合到高阶模 当日光通过棱镜或水雾时会呈现按当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红红橙橙黄黄绿绿青青蓝蓝紫紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料(玻璃玻璃)或水对或水对不同波长不同波长(对应于不同的颜色对应于不同的颜色)的光呈现的折射率的光呈现的折射率 n 不同，不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。颜色的光在空间上散开。自然光的色散自然光的色散自自然然光光红红橙橙黄黄绿绿青青蓝蓝紫紫光纤的色散光纤的色散 色散色散色散色散(Dispersion)：光纤：光纤所传信号的不同频率所传信号的不同频率成分有不同的传输速成分有不同的传输速度，当它们到达终端度，当它们到达终端时会产生信号脉冲展时会产生信号脉冲展宽，从而引起信号失宽，从而引起信号失真。真。色散的种类 模式色散模式色散 材料色散材料色散 波导色散波导色散模式色散同一种波长的光，由不同的传输模式同一种波长的光，由不同的传输模式时间延迟不同而引起，造成了脉冲的时间延迟不同而引起，造成了脉冲的展宽，只在多模光纤中存在。展宽，只在多模光纤中存在。材料色散 由于光纤的折射率随波长而改变，模式内部不由于光纤的折射率随波长而改变，模式内部不由于光纤的折射率随波长而改变，模式内部不由于光纤的折射率随波长而改变，模式内部不同波长成分的光（实际光源不是纯单色光）的同波长成分的光（实际光源不是纯单色光）的同波长成分的光（实际光源不是纯单色光）的同波长成分的光（实际光源不是纯单色光）的时间延迟不同而产生。时间延迟不同而产生。时间延迟不同而产生。时间延迟不同而产生。取决于光纤材料折射率的波长特性；取决于光纤材料折射率的波长特性；取决于光纤材料折射率的波长特性；取决于光纤材料折射率的波长特性；取决于光源的谱线宽度。取决于光源的谱线宽度。取决于光源的谱线宽度。取决于光源的谱线宽度。波导色散 由于光纤的几何结构、纤芯尺寸、几何形状等原因，由于光纤的几何结构、纤芯尺寸、几何形状等原因，由于光纤的几何结构、纤芯尺寸、几何形状等原因，由于光纤的几何结构、纤芯尺寸、几何形状等原因，使一部分光在光纤中传播，另一部分在包层中传播。使一部分光在光纤中传播，另一部分在包层中传播。使一部分光在光纤中传播，另一部分在包层中传播。使一部分光在光纤中传播，另一部分在包层中传播。由于在纤芯中和包层中传播速度的不同而由于在纤芯中和包层中传播速度的不同而造成光脉冲展宽，称之为造成光脉冲展宽，称之为波导色散波导色散。单模光纤中传播模80%能量在纤芯，20%能量在包层光纤的种类按材料来分光纤的种类按材料来分这种光纤的纤芯和包层是由这种光纤的纤芯和包层是由SiOSiO2 2掺有适当的杂质掺有适当的杂质制成。这种光纤的损耗低，强度和可靠性较高，目前制成。这种光纤的损耗低，强度和可靠性较高，目前应用做广泛。应用做广泛。（1）石英系光纤）石英系光纤（2）石英芯、塑料包层光纤）石英芯、塑料包层光纤这种光纤的芯子是用石英制成，包层采用硅树脂。这种光纤的芯子是用石英制成，包层采用硅树脂。石英光纤石英光纤（3）塑料光纤）塑料光纤这种这种光纤的芯子和包层都由塑料制成光纤的芯子和包层都由塑料制成。目前，在光纤通信中主要使用石英系光纤。目前，在光纤通信中主要使用石英系光纤。塑料光纤光缆的结构和种类光缆的结构和种类 光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。缆芯：由单根或多根光纤芯线组成，有紧套和松套两 种结构。紧套光纤有二层和三层结构。加强元件：用于增强光缆敷设时可承受的负荷。一般 是金属丝或非金属纤维。护层：具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性，主要 是对已成缆的光纤芯线进行保护。根据敷设条 件可由铝带/聚乙烯综合纵包带粘界外护层（LAP），钢带（或钢丝）铠装和聚乙烯护层等组 成。为什么需要为什么需要光缆呢？光缆呢？光缆的基本结构按缆芯组件的不同一般可以光缆的基本结构按缆芯组件的不同一般可以分为层绞式、骨架式、束管式和带状式四种。分为层绞式、骨架式、束管式和带状式四种。(1)层绞式结构层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆。光缆的典型结构示意图光缆的典型结构示意图(1)(2)骨架式结构骨架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是V形、U形或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置510根一次涂覆光纤。光缆的典型结构示意图光缆的典型结构示意图(2)(3)束管式结构束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松套管扩大为整个纤芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其中。光缆的典型结构示意图光缆的典型结构示意图(3)(4)带状式结构带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，然后将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。光缆的典型结构示意图光缆的典型结构示意图(4)光缆的型号和规格光缆的型号和规格光缆型号由它的光缆型号由它的型式代号型式代号和和规格代号规格代号构成，中间构成，中间用一短横线分开。用一短横线分开。（1）光缆型式由五个部分组成，如图所示。）光缆型式由五个部分组成，如图所示。：外护层的代号及其意义为：外护层的代号及其意义为：外护层是指铠装层及其铠装外边的外护层，外护层是指铠装层及其铠装外边的外护层，外护层的代号及其意义如表所示。外护层的代号及其意义如表所示。（2）光缆规格由五部分七项内容组成，如图所示。）光缆规格由五部分七项内容组成，如图所示。：适用温度代号及其意义。A适用于40+40B适用于30+50C适用于20+60D适用于5+60通信用光器件通信用光器件分类分类有源光器件：有源光器件：无源光器件：无源光器件：光源光源光电检测器光电检测器光纤连接器光纤连接器光耦合器光耦合器光衰减器光衰减器光放大器光放大器有源和无源光器件的区别在于其内部是有源和无源光器件的区别在于其内部是否发生光电能量转换。否发生光电能量转换。有源光器件激光器有源光器件激光器1 1 1 1 激光器的组成和常见激光器激光器的组成和常见激光器激光器的组成和常见激光器激光器的组成和常见激光器常用激光器由三部分组成：常用激光器由三部分组成：工作物质工作物质 泵浦源泵浦源 光学谐振腔光学谐振腔激光激光工作物质工作物质激励能源激励能源谐振腔谐振腔激光器结构示意图激光器结构示意图1、光的吸收和放大、光的吸收和放大（1 1）原子能级和晶体的能带）原子能级和晶体的能带）原子能级和晶体的能带）原子能级和晶体的能带 电子绕核运动的能量是不连续的、分立的量子态，电子绕核运动的能量是不连续的、分立的量子态，电子绕核运动的能量是不连续的、分立的量子态，电子绕核运动的能量是不连续的、分立的量子态，称之为原子的不同能级。称之为原子的不同能级。称之为原子的不同能级。称之为原子的不同能级。E E1 1E E2 2E E3 3E E4 4能能能能量量量量 E E（2 2）能级的光跃迁：）能级的光跃迁：）能级的光跃迁：）能级的光跃迁：电子在原子能级间的跃迁过程中以光子形式交换能量。电子在原子能级间的跃迁过程中以光子形式交换能量。电子在原子能级间的跃迁过程中以光子形式交换能量。电子在原子能级间的跃迁过程中以光子形式交换能量。E E2 2E E1 1E E2 2E E1 1h h =E E2 2-E E1 1 自发发射自发发射自发发射自发发射 典型应用：典型应用：典型应用：典型应用：发光二极管发光二极管发光二极管发光二极管E E2 2E E1 1E E2 2E E1 1h h =E E2 2-E E1 1 受激辐射受激辐射受激辐射受激辐射 感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差，产生的感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差，产生的感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差，产生的感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差，产生的光子光子与感应光子是相干的，为全同光子；光得到放大。与感应光子是相干的，为全同光子；光得到放大。h h =E E2 2-E E1 1典型应用：典型应用：典型应用：典型应用：半导体激光器半导体激光器半导体激光器半导体激光器E E2 2E E1 1E E2 2E E1 1h h =E E2 2-E E1 1受激吸收受激吸收受激吸收受激吸收 感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差；感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差；感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差；感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差；消耗外来光能，产生电子空穴对。消耗外来光能，产生电子空穴对。消耗外来光能，产生电子空穴对。消耗外来光能，产生电子空穴对。典型应用：典型应用：典型应用：典型应用：光电二极管光电二极管光电二极管光电二极管光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。如图所示。（2）泵浦源）泵浦源使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。为泵浦源。物质在泵浦源的作用下，使得物质在泵浦源的作用下，使得N2N1，从而受激，从而受激辐射大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作辐射大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。物质已被激活，成为激活物质或增益物质。（3）光学谐振腔）光学谐振腔激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向谐振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。半导体激光器的受激辐射条件半导体激光器的受激辐射条件半导体激光器半导体激光器 LD 谐振腔产生振荡 受激发光。1、LD的优点的优点 1).谱线窄：谱线窄：15nm 2).与光纤的耦合效率高：与光纤的耦合效率高：20%-90%3).阈值器件：阈值器件：I Ith时，发激光。预偏置。2、LD缺点缺点 1).线性度差线性度差 2).温度特性不如温度特性不如LED3、LD应用应用 大容量、长距离大容量、长距离 Ith电流P发光二极管发光二极管 LED 是由砷化钾类的P、N型材料构成的二极管（正偏置）。1、LED的优点的优点 1).线性度好线性度好 2).温度特性好（温度特性好（100度，度，50%）3).使用简单、价格低、寿命长使用简单、价格低、寿命长2、LED缺点缺点 1).谱线宽：谱线宽：30100nm 2).与光纤的耦合效率低：与光纤的耦合效率低：12%，图像，对准，距离。3、LED应用应用 小容量、短距离小容量、短距离P电流无源光器件光纤连接器无源光器件光纤连接器 连接器俗称活动接头，是用于设备（光端机、光测试仪表等）与光纤之间的连接或光纤与其他光无源器件之间的连接。（4）部分常见光纤连接器）部分常见光纤连接器无源光器件光耦合器无源光器件光耦合器光耦合器的功能是把一个输入光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。光耦合器主要特性光耦合器主要特性1）耦合比CR是一个指定输出端的光功率Poc和全部输出端的光功率总和Pot的比值。2）附加损耗Le是全部输入端光功率总和Pit和全部输出端光功率总和Pot的比值。无源光器件光衰减器无源光器件光衰减器光衰减器主要用于光纤通信系统的特性测试和其他测试中，是对光功率有一定衰减量的器件。根据衰减量是否变化，可以分为固定衰减器和可变衰减器。光衰减器的基本原理光衰减器的基本原理在玻璃基片上蒸镀透射系数（或反射系数）变化很小的金属膜，使通过镀膜玻璃片的光功率被膜层材料吸收一部分，光强度受到衰减。金属膜可以是镍铬等化合物材料，光的衰减量有膜的厚度进行控制。由由于于光光纤纤通通信信系系统统一一般般都都是是双双向向的的，所所以以我我们们将将光光发发射射机机和和接接收收机机做做在在一一起起，称为称为光端机光端机。光纤通信系统的组成光发射机、光接收光发射机、光接收机、中继器和光纤机、中继器和光纤光发射机 光光发发射射机机的的作作用用是是将将电电信信号号变变成成光光信信号号，然然后后送送入入光光纤纤中中传传输输出出去去。光光发发射射机机主主要要是是由由光光源源、光光源源驱驱动动、调调制制以以及及信道编码电路信道编码电路三部分组成。三部分组成。光发射机原理图 ATCATC驱驱动动APCAPC光光源源光监测光监测均均衡衡码型码型变换变换扰扰码码编编码码时时钟钟数字基数字基带信号带信号信道编码电路信道编码电路光源驱动与调制电路光源驱动与调制电路光接收机 光光接接收收机机的的作作用用是是接接收收经经光光纤纤传传输输衰衰减减后后的的十十分分微微弱弱的的光光信信号号，从从中中检检测测出出传传送送的的信信息息，放放大大到到足足够够大大后后，供供终终端端处处理理使使用用。它它包包括括光光电电检检测测器器、光光信信号接收电路和信道解码电路号接收电路和信道解码电路三部分。三部分。光接收机原理图 光光电电检检测测器器放放大大器器均均衡衡器器判判决决器器解解码码解解扰扰码码型型反反变变换换时钟时钟恢复恢复电路电路AGCAGC电电信信号号光信号接收电路光信号接收电路信道解码电路信道解码电路光光信信号号