电信传输技术第四章精选文档.ppt

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1、电信传输技术第四章本讲稿第一页，共一百七十一页4.14.1光纤传输链路的基本单元光纤传输链路的基本单元光纤传输链路由图光纤传输链路由图4-14-1所示，其关键部所示，其关键部分是由光源和驱动电路组成的光发送机、分是由光源和驱动电路组成的光发送机、将光纤包在其中对光纤起到机械加固和将光纤包在其中对光纤起到机械加固和保护作用的光缆以及由光检测器、光放保护作用的光缆以及由光检测器、光放大电路、信号恢复电路组成的光接收机大电路、信号恢复电路组成的光接收机三大部分组成。三大部分组成。本讲稿第二页，共一百七十一页图4-1本讲稿第三页，共一百七十一页1.1.光纤和光缆光纤和光缆 在光纤链路中，成缆后的光纤是

2、最重要在光纤链路中，成缆后的光纤是最重要的元件之一，有关光纤的基本概念已在第的元件之一，有关光纤的基本概念已在第2 2章介绍。与铜缆类似，光缆可以架空铺设，章介绍。与铜缆类似，光缆可以架空铺设，也可以铺设在管道内、铺设于海底或直埋也可以铺设在管道内、铺设于海底或直埋于地下。于地下。2.2.发送机发送机 核心是光源。光源的主要功能就是将核心是光源。光源的主要功能就是将输入电信号转换为光信号。一般铺设好输入电信号转换为光信号。一般铺设好光缆以后，光源应有与光纤纤芯相匹配光缆以后，光源应有与光纤纤芯相匹配的尺寸，以便于将光功率注入光纤。的尺寸，以便于将光功率注入光纤。本讲稿第四页，共一百七十一页3.

3、3.接收机接收机 光接收器的关键设备是光电检测器。光光接收器的关键设备是光电检测器。光信号注入光纤以后，由于光纤材料的散射、信号注入光纤以后，由于光纤材料的散射、吸收和色散机理，会导致信号随传输距离吸收和色散机理，会导致信号随传输距离的增加而产生连续的衰减和失真。的增加而产生连续的衰减和失真。本讲稿第五页，共一百七十一页4.2 4.2 光纤的导光原理光纤的导光原理4.2.1 4.2.1 基本光学定律基本光学定律 1.1.光速和材料的折射率光速和材料的折射率光在不同的介质中以不同的速度传播，光在不同的介质中以不同的速度传播，看起来就好像不同的介质以不同的阻看起来就好像不同的介质以不同的阻力阻碍光

4、的传播。描述介质的这一特力阻碍光的传播。描述介质的这一特征的参数就是折射率，或者折射指数。征的参数就是折射率，或者折射指数。本讲稿第六页，共一百七十一页 如果如果v v是光在某种介质中的速度，是光在某种介质中的速度，c c是光在真空中的传播速度是光在真空中的传播速度 ，那么介质的折射率，那么介质的折射率n n为为本讲稿第七页，共一百七十一页例【例【4.14.1】已知光从空气照射玻璃并从其中穿过，已知光从空气照射玻璃并从其中穿过，问光在玻璃中的传播速度是多少？问光在玻璃中的传播速度是多少？解：取光对玻璃的折射率解：取光对玻璃的折射率n=1.5n=1.5，得到，得到光在玻璃中的传播速度为光在玻璃中

5、的传播速度为本讲稿第八页，共一百七十一页2.2.光线的反射定律和折射定律光线的反射定律和折射定律 光在传播过程中，若从一种介质传播到光在传播过程中，若从一种介质传播到另一种介质的交界面时，因两种介质的折另一种介质的交界面时，因两种介质的折射率不等，将会在交界面上发生反射和折射率不等，将会在交界面上发生反射和折射现象，如图射现象，如图4-54-5所示，图中是所示，图中是 入射角，入射角，是折射角。是折射角。是反射角是反射角本讲稿第九页，共一百七十一页（a a)光从空气进入玻璃光从空气进入玻璃 (b)(b)光从玻光从玻璃进入空气璃进入空气图图4-54-5入射光线、反射光线和折射光线入射光线、反射光

6、线和折射光线本讲稿第十页，共一百七十一页【例【例4.24.2】图图4-54-5中中,那么那么 和和 的值是多少？的值是多少？解：解：,由由 ，可求得可求得 本讲稿第十一页，共一百七十一页（a a）任意角度入射（）任意角度入射（b b）入射角度增加）入射角度增加本讲稿第十二页，共一百七十一页（c c）临界入射角）临界入射角发生全内反射发生全内反射 （d d）入射角度大于临界入射角）入射角度大于临界入射角所有的光全所有的光全 部被反射回部被反射回本讲稿第十三页，共一百七十一页4.2.2 4.2.2 光纤对光的传导光纤对光的传导1.1.纤芯和包层的折射率纤芯和包层的折射率 根据光纤横截面上折射率分布

7、的不同，根据光纤横截面上折射率分布的不同，可分为阶跃型光纤和渐变型光纤可分为阶跃型光纤和渐变型光纤 图图4-84-8给出了阶跃型光纤的结构示意图。给出了阶跃型光纤的结构示意图。本讲稿第十四页，共一百七十一页（a a）折射率图）折射率图 (b)(b)光纤的横截面光纤的横截面前前视图视图 (c c)光纤的横截面光纤的横截面右视图右视图本讲稿第十五页，共一百七十一页【例【例4.44.4】已知纤芯的折射率已知纤芯的折射率 ，包层，包层的折射率的折射率 ，在什么条件下光可以保持，在什么条件下光可以保持在纤芯中？在纤芯中？解：这个条件就是全反射。为了实现全解：这个条件就是全反射。为了实现全反射，至少要使光

8、纤以临界入射角入射反射，至少要使光纤以临界入射角入射到纤芯包层边界则到纤芯包层边界则本讲稿第十六页，共一百七十一页2.2.临界入射角临界入射角 和临界传播角和临界传播角临界传播角临界传播角 指光线与光纤中心线的角度指光线与光纤中心线的角度（在光纤术语中常称它为（在光纤术语中常称它为“临界角临界角”）；临）；临界入射角界入射角 是光线和与纤芯和包层间的光是光线和与纤芯和包层间的光边界垂直的直线间的角度边界垂直的直线间的角度本讲稿第十七页，共一百七十一页图图4-104-10临界入射角和临界传播角临界入射角和临界传播角本讲稿第十八页，共一百七十一页3.3.光纤接受角度光纤接受角度光当然要从像光当然要

9、从像LEDLED或或LDLD这样的某个源发出，这样的某个源发出，而这个源是在光纤之外的，所以我们必须而这个源是在光纤之外的，所以我们必须把它导向到光纤中。图把它导向到光纤中。图4-114-11示出了从一个示出了从一个光源辐射的光如何进入一根光纤的过程。光源辐射的光如何进入一根光纤的过程。本讲稿第十九页，共一百七十一页图图4-11 4-11 光从光源导向光纤的过程光从光源导向光纤的过程本讲稿第二十页，共一百七十一页【例【例4.54.5】已知光纤纤芯的折射率已知光纤纤芯的折射率 ，包层的折射率，包层的折射率 的光纤，问其的光纤，问其接受角是多少？接受角是多少？解：解：因为，因为，由由 ，对于空气，

10、对于空气，。则则 ，求得，求得所以接受角度所以接受角度 。本讲稿第二十一页，共一百七十一页4.4.数值孔径数值孔径NANA数值孔径表征光纤从光源接收光线的能力。数值孔径表征光纤从光源接收光线的能力。NANA值越大，光纤接收收集光的能力越强。值越大，光纤接收收集光的能力越强。数值孔径数值孔径NANA的定义是：的定义是：由于由于 ，则得到，则得到NANA的常用公式：的常用公式：本讲稿第二十二页，共一百七十一页 4.3 4.3 光纤的传输特性光纤的传输特性4.3.14.3.1光纤的损耗特性光纤的损耗特性一、弯曲损耗一、弯曲损耗 1.1.宏弯损耗宏弯损耗 宏弯损耗是指由整个光纤轴线的弯曲造宏弯损耗是指

11、由整个光纤轴线的弯曲造成的损耗，其原理如图成的损耗，其原理如图4-124-12所示。所示。本讲稿第二十三页，共一百七十一页 图图4-124-12弯曲损耗弯曲损耗本讲稿第二十四页，共一百七十一页2.2.微弯损耗微弯损耗 微弯损耗是指由光纤轴线微小的崎变造微弯损耗是指由光纤轴线微小的崎变造成的损耗。其原理如图成的损耗。其原理如图4-134-13所示。纤芯包所示。纤芯包层接口在几何上的不完善可能会造成在相层接口在几何上的不完善可能会造成在相应区域上微观的凸起或凹陷。光束最初以应区域上微观的凸起或凹陷。光束最初以临界传播角传输，经过在这些不完善点处临界传播角传输，经过在这些不完善点处的反射以后，传播角

12、会发生变化。结果就的反射以后，传播角会发生变化。结果就是不再满足全内反射条件，部分光束被折是不再满足全内反射条件，部分光束被折射掉，即它们泄露出纤芯，从而产生微弯射掉，即它们泄露出纤芯，从而产生微弯损耗。损耗。本讲稿第二十五页，共一百七十一页图图4-13 4-13 微弯损耗微弯损耗本讲稿第二十六页，共一百七十一页二、散射损耗二、散射损耗 光纤本身损耗的原因，大致包括两类：光纤本身损耗的原因，大致包括两类：散射损耗和吸收损耗。散射损耗和吸收损耗。所谓散射是指光通过密度或折射率等不所谓散射是指光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了在光的传播方向以外，均匀的物质时，除了在光的传播方向以外，在其它方

13、向也可以看到光，这种现象称为在其它方向也可以看到光，这种现象称为光的散射光的散射 散射损耗中瑞利散射和结构缺陷散射对散射损耗中瑞利散射和结构缺陷散射对光纤传输的影响较大。光纤传输的影响较大。本讲稿第二十七页，共一百七十一页1.1.瑞利散射瑞利散射 这种散射是由于光纤材料的这种散射是由于光纤材料的折射率随机性变化而引起的折射率随机性变化而引起的2.2.结构缺陷散射结构缺陷散射 在光纤制造过程中，在光纤制造过程中，由于结构缺陷（如光纤中的气泡、未发生由于结构缺陷（如光纤中的气泡、未发生反应的原材料以及纤芯和包层交界处粗糙反应的原材料以及纤芯和包层交界处粗糙等），将会产生结构缺陷散射损耗，这种等），

14、将会产生结构缺陷散射损耗，这种损耗与光波长无关损耗与光波长无关本讲稿第二十八页，共一百七十一页三、吸收损耗三、吸收损耗 吸收损耗是光波通过光纤材料时，吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，造成光功率的有一部分光能变成热能，造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，但都损失。造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，下面主要介绍本征吸与光纤材料有关，下面主要介绍本征吸收和杂质吸收。收和杂质吸收。（1 1）本征吸收）本征吸收 材料的固有吸收损耗与波长有关，对材料的固有吸收损耗与波长有关，对于石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，于石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，一个是紫外吸收带，另一

15、个是红外吸收带。一个是紫外吸收带，另一个是红外吸收带。本讲稿第二十九页，共一百七十一页（2 2）杂质吸收）杂质吸收 杂质吸收是由光纤材料的不纯净而造杂质吸收是由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗。影响最严重的是：金成的附加吸收损耗。影响最严重的是：金属过渡离子和水的氢氧根离子吸收电磁能属过渡离子和水的氢氧根离子吸收电磁能量而造成的损耗。量而造成的损耗。本讲稿第三十页，共一百七十一页四、对衰减的计算 光纤损耗（光纤损耗（LossLoss）是指光纤输出端的功）是指光纤输出端的功率率 与发射到光纤时的功率与发射到光纤时的功率 的比值。的比值。其中功率和以瓦（其中功率和以瓦（W W）为单位。）为单位

16、。本讲稿第三十一页，共一百七十一页 【例【例4.74.7】一个传输系统使用衰减一个传输系统使用衰减A A为为0.5 0.5 dB/kmdB/km的光纤。如果输入功率是的光纤。如果输入功率是1 mw1 mw，链路，链路长度为长度为15km15km，求出输出光功率。，求出输出光功率。解：由（解：由（4.3-34.3-3）式）式 得得 本讲稿第三十二页，共一百七十一页【例【例4.84.8】如果发射功率为】如果发射功率为1mW1mW，接收，接收器的敏感性为器的敏感性为50uw50uw，计算衰减为，计算衰减为0.5Db/km0.5Db/km的光纤链路的最大传输距离。的光纤链路的最大传输距离。解：由于解：

17、由于 的最小值是由接收器的敏感的最小值是由接收器的敏感性来决定的，则性来决定的，则 。由公式。由公式（4.3-44.3-4）得）得 本讲稿第三十三页，共一百七十一页4.3.2 4.3.2 光纤的色散特性光纤的色散特性 光纤色散是光纤的另一个重要特性，光纤色散是光纤的另一个重要特性，由于光纤中色散的存在，会使得输入脉由于光纤中色散的存在，会使得输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这就限制了传输容量和传增加误码率，这就限制了传输容量和传输距离。输距离。光纤的色散可归结为三类：模式色散、光纤的色散可归结为三类：模式色散、材料色散，波导色散。材料色散，

18、波导色散。本讲稿第三十四页，共一百七十一页一、模式及模式数量一、模式及模式数量1 1模式模式 光在光纤中是以一组独立的光束光在光纤中是以一组独立的光束或光线传播。如果我们能够看到光或光线传播。如果我们能够看到光纤内部的话，我们会看到一组光线纤内部的话，我们会看到一组光线以不同的传播角以不同的传播角 传播，传播角的传播，传播角的值从零到临界值值从零到临界值本讲稿第三十五页，共一百七十一页（a a）不同光束的模式）不同光束的模式本讲稿第三十六页，共一百七十一页(b)(b)不同的光束具有不同的相位变化不同的光束具有不同的相位变化本讲稿第三十七页，共一百七十一页光纤只支持那些在同一相位完成整个锯齿形的

19、光纤只支持那些在同一相位完成整个锯齿形的模式模式本讲稿第三十八页，共一百七十一页2.2.模式数量模式数量 光纤中的模式数量依赖于光纤的光特性和光纤中的模式数量依赖于光纤的光特性和几何特性。一根光纤的纤芯直径越大纤芯几何特性。一根光纤的纤芯直径越大纤芯所能容纳的光就越多，所具有的模式就越所能容纳的光就越多，所具有的模式就越多；同样，光的波长越短光纤所能容纳的多；同样，光的波长越短光纤所能容纳的模式也越多。模式也越多。本讲稿第三十九页，共一百七十一页 一根光纤中模式的数量由归一化频率一根光纤中模式的数量由归一化频率（normalized frequencynormalized frequency）

20、参数）参数V V来决来决定，这个参数常定，这个参数常被称为被称为V V参数。这个值等于参数。这个值等于 （4.3-54.3-5）其中其中,d,d为纤芯直径，为纤芯直径，为工作波长，为工作波长，n1 n1和和n2n2分别为纤芯和包层的折射率。分别为纤芯和包层的折射率。对于阶跃折射率光纤，当对于阶跃折射率光纤，当V V值较大值较大（V20V20）时，可以采用下公式计算模）时，可以采用下公式计算模式的数量式的数量N N 本讲稿第四十页，共一百七十一页 （4.3-64.3-6）对于渐变折射率光纤，模式的数量对于渐变折射率光纤，模式的数量N N为为本讲稿第四十一页，共一百七十一页 3 3模式的物理意义模

21、式的物理意义 在光纤中，总的光功率是由单个的模式在光纤中，总的光功率是由单个的模式携带的，所以在光纤输出端这些小部分携带的，所以在光纤输出端这些小部分结合起来就成了带一定功率的输出光束。结合起来就成了带一定功率的输出光束。本讲稿第四十二页，共一百七十一页二、模式色散二、模式色散1.1.色散的概念色散的概念 在光纤中，信号的不同模式或不同频在光纤中，信号的不同模式或不同频率在传输时具有不同的速度，因而信号率在传输时具有不同的速度，因而信号到达终端时会出现传输时延差，从而引到达终端时会出现传输时延差，从而引起信号畸变，这种现象统称色散。起信号畸变，这种现象统称色散。2.2.模式色散模式色散 由于光

22、束在光纤内部的模式结构所造成由于光束在光纤内部的模式结构所造成的脉冲展宽被称为模式色散的脉冲展宽被称为模式色散本讲稿第四十三页，共一百七十一页 3.3.模式色散的计算模式色散的计算 色散的大小用时延差色散的大小用时延差 表示。现以表示。现以阶跃型多模光纤为例，对其最大模式色阶跃型多模光纤为例，对其最大模式色散进行估算散进行估算 在多模阶跃光纤中，传输最快和最慢的在多模阶跃光纤中，传输最快和最慢的两条光线分别是沿轴心传播的光线两条光线分别是沿轴心传播的光线1 1和以和以临界角临界角 传播的光线传播的光线2 2，如图，如图4-184-18所示。所示。使用弱光纤可以表示为使用弱光纤可以表示为本讲稿第

23、四十四页，共一百七十一页【例【例4.104.10】对于一个】对于一个 ，阶阶跃折射率光纤，问一个光脉冲在此光跃折射率光纤，问一个光脉冲在此光纤中传输纤中传输5 km5 km之后光脉冲扩展（即模之后光脉冲扩展（即模式色散）为多少？式色散）为多少？解：由于弱光纤解：由于弱光纤 相差很小，相差很小，这里用代替。根据公式（这里用代替。根据公式（4.3-114.3-11）得）得 本讲稿第四十五页，共一百七十一页 4.4.模式色散对传输速率的影响模式色散对传输速率的影响 假设我们需要以假设我们需要以10 Mbps10 Mbps（兆比特每秒）（兆比特每秒）的速度传输信息的速度传输信息,也就是说每秒钟想要传也

24、就是说每秒钟想要传输个脉冲；换句话说，每个周期的持续输个脉冲；换句话说，每个周期的持续时间为时间为100 ns100 ns.模式色散会使这些脉冲产生扩展让我模式色散会使这些脉冲产生扩展让我们看【例们看【例4.104.10】中的数字】中的数字本讲稿第四十六页，共一百七十一页本讲稿第四十七页，共一百七十一页三、减少模式色散的措施三、减少模式色散的措施1.1.采用渐变折射率光纤采用渐变折射率光纤（1 1）渐变折射率光纤的结构）渐变折射率光纤的结构 由图由图4-184-18的分析已知，在阶跃型多模光纤的分析已知，在阶跃型多模光纤的纤芯中，零级模式沿中心轴线传播，较的纤芯中，零级模式沿中心轴线传播，较高

25、级的模式以等于或小于临界传播角传播。高级的模式以等于或小于临界传播角传播。这样，同样速度的光束传输不同的距离，这样，同样速度的光束传输不同的距离，它们以不同的时间到达接收器，从而形成它们以不同的时间到达接收器，从而形成脉冲扩展（模式色散）。脉冲扩展（模式色散）。本讲稿第四十八页，共一百七十一页（2 2）渐变折射率光纤如何减少模式色散）渐变折射率光纤如何减少模式色散 对于渐变折射率光纤，其模式色散（最对于渐变折射率光纤，其模式色散（最大脉冲扩展）大脉冲扩展）可由下公式给出可由下公式给出 （4.3-124.3-12）其中其中是相对折射率，是相对折射率，c c是光在真空中的速是光在真空中的速度，为纤

26、芯群折射率。度，为纤芯群折射率。本讲稿第四十九页，共一百七十一页 【例【例4.114.11】对于一个对于一个 ，的渐变折射率光纤，如果链路长的渐变折射率光纤，如果链路长5 km5 km，计算其由模式色散（脉冲扩展值）。，计算其由模式色散（脉冲扩展值）。解：由公式（解：由公式（4.3-124.3-12）得）得 本讲稿第五十页，共一百七十一页2.2.采用单模光纤采用单模光纤 单模光纤也由纤芯和包层构成，一般单模光纤也由纤芯和包层构成，一般纤芯直径纤芯直径2a2a4-104-10，包层直径，包层直径2b=1252b=125 单模光纤是在给定的工作波长上，只单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单一基模

27、的光纤传输单一基模的光纤.不会产生模式色散不会产生模式色散本讲稿第五十一页，共一百七十一页3.3.各种光纤模式色散的比较各种光纤模式色散的比较（a a）阶跃折射率多模光线）阶跃折射率多模光线本讲稿第五十二页，共一百七十一页 （b b）渐变折射率多模光纤）渐变折射率多模光纤本讲稿第五十三页，共一百七十一页（c c）阶跃折射率单模光纤）阶跃折射率单模光纤本讲稿第五十四页，共一百七十一页四、材料色散四、材料色散 材料色散是由光纤材料自身特性造成的。材料色散是由光纤材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率，严格来说，并不是一石英玻璃的折射率，严格来说，并不是一个固定的常数，而是对不同的传输波长有个固定的常

28、数，而是对不同的传输波长有不同的值。光纤传输实际上用的光源发出不同的值。光纤传输实际上用的光源发出的光，并不是只有理想的单一波长，而是的光，并不是只有理想的单一波长，而是有一定的波谱宽度。有一定的波谱宽度。本讲稿第五十五页，共一百七十一页 由材料色散造成的脉冲扩展可用以下公式由材料色散造成的脉冲扩展可用以下公式进行计算进行计算 （4.3-134.3-13）其中，其中，是材料色散系数，是材料色散系数，单位单位是；是；是光源光谱宽度。是光源光谱宽度。本讲稿第五十六页，共一百七十一页【例【例4.124.12】某光纤的材料色散系数】某光纤的材料色散系数 ，其谱线宽度，其谱线宽度 ，试求该光传，试求该光

29、传输输1km1km之后的材料色散。（注：之后的材料色散。（注：）解：由式（解：由式（4.3-134.3-13）得）得 本讲稿第五十七页，共一百七十一页五、波导色散五、波导色散 波导色散是由光纤中的光波导引起的，波导色散是由光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。这类色散在开路介质中是不存在的。波导这类色散在开路介质中是不存在的。波导色散主要存在单模光纤中。多模光纤中的色散主要存在单模光纤中。多模光纤中的波导色散可以忽略。波导色散可以忽略。本讲稿第五十八页，共一百七十一页4.44.4光源和光发射机光源和光发射机4.4.14.4.1半导体光源器

30、件半导体光源器件 为了提高光纤通信系统的传输性能，为了提高光纤通信系统的传输性能，要求光源在下面几个方面具有良好的质要求光源在下面几个方面具有良好的质量指标：量指标：(1)(1)光源的发射波长应该与光光源的发射波长应该与光纤的低损耗窗口一致，目前为纤的低损耗窗口一致，目前为0 08585、l l3 3和和1.551.55这三个低损耗窗口。这三个低损耗窗口。本讲稿第五十九页，共一百七十一页（2 2）光源的谱线宜窄，这样可以减小）光源的谱线宜窄，这样可以减小光纤色散对信号传输质量的影响。光源光纤色散对信号传输质量的影响。光源的谱线宽度直接影响到光纤的色散特性，的谱线宽度直接影响到光纤的色散特性，限

31、制了传输速率和传输距离。目前较好限制了传输速率和传输距离。目前较好的半导体激光器谱线宽度可达到的半导体激光器谱线宽度可达到0.1nm0.1nm。（3 3）光源与光纤的耦合效率要高，使更多）光源与光纤的耦合效率要高，使更多的光功率进入光纤传输。目前，半导体激的光功率进入光纤传输。目前，半导体激光器与尾纤的耦合效率为光器与尾纤的耦合效率为10102020，最，最好可达好可达5050。（4 4）调制方法简单。）调制方法简单。本讲稿第六十页，共一百七十一页（5 5）响应速度要快，以满足高速率传输的）响应速度要快，以满足高速率传输的需要。需要。（6 6）能够室温连续工作。并能提供足够）能够室温连续工作。

32、并能提供足够的光输出功率；目前，半导体激光器尾的光输出功率；目前，半导体激光器尾纤的输出功率可达纤的输出功率可达5005002mw2mw；半导体发；半导体发光二极管的尾纤输出功率可达光二极管的尾纤输出功率可达1010左右；左右；（7 7）体积小、重量轻。寿命长。其寿命）体积小、重量轻。寿命长。其寿命应在应在1010万小时以上。万小时以上。本讲稿第六十一页，共一百七十一页一、半导体激光器（一、半导体激光器（LDLD）的工作特性）的工作特性1.1.阈值特性阈值特性本讲稿第六十二页，共一百七十一页2.2.光谱特性光谱特性 当时当时 ，发出的是荧光，因此，光，发出的是荧光，因此，光谱很宽，如图谱很宽，

33、如图4-23(a)4-23(a)所示，其宽度常达所示，其宽度常达数百埃（数百埃（）。当）。当 后，发后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光，增加，表明发出激光，本讲稿第六十三页，共一百七十一页3.3.温度特性温度特性图图4-254-25激光器阈值电流随温度的变化激光器阈值电流随温度的变化本讲稿第六十四页，共一百七十一页二、半导体发光二极管（二、半导体发光二极管（LEDLED）的工作特性）的工作特性1.1.光谱较宽光谱较宽由于由于LEDLED是属于自发辐射发光，因此，其是属于自发辐射发光，因此，其谱线宽度要比谱线宽度要比LDLD宽的多，在这一点对

34、于高宽的多，在这一点对于高速率信号的传输是不利的。目前，国内一速率信号的传输是不利的。目前，国内一般边发光二极管的最高调制频率为般边发光二极管的最高调制频率为7070100MHz100MHz。本讲稿第六十五页，共一百七十一页2.P2.PI I曲线的线性较好曲线的线性较好 由于由于LEDLED是无阈值器件，它随着注入电是无阈值器件，它随着注入电流的增加，输出光功率近似呈线性地增流的增加，输出光功率近似呈线性地增加，其加，其P PI I曲线如图曲线如图4-274-27所示。因此，所示。因此，在进行调制时，其动态范围大，信号失在进行调制时，其动态范围大，信号失真小真小本讲稿第六十六页，共一百七十一页

35、图图4-274-27发光二极管的发光二极管的P-IP-I特性特性本讲稿第六十七页，共一百七十一页3.3.光纤的耦合效率较低光纤的耦合效率较低4.4.寿命长。发光二极管的寿命可以达到寿命长。发光二极管的寿命可以达到h h以上。以上。5.5.温度特性较好温度特性较好本讲稿第六十八页，共一百七十一页4.4.24.4.2光源的调制光源的调制在目前广泛使用的强度调制在目前广泛使用的强度调制直接检波直接检波光纤传输系统中，要将电信号调到光波上，光纤传输系统中，要将电信号调到光波上，这就要对光源进行调制。实现调制的方法这就要对光源进行调制。实现调制的方法有两类：一类是直接调制；另一类是间接有两类：一类是直接

36、调制；另一类是间接调制调制本讲稿第六十九页，共一百七十一页一、光源的直接调制一、光源的直接调制 光源的直接调制方式又称为内调制。常光源的直接调制方式又称为内调制。常用的直接调制方法有下列三种：用的直接调制方法有下列三种：（1 1）模拟强度调制（）模拟强度调制（AIMAIM），这种方），这种方式与基带传输相似。式与基带传输相似。（2 2）脉位调制（）脉位调制（PPMPPM），这种方式适），这种方式适应光源和检测管的特性，实际上仍属于应光源和检测管的特性，实际上仍属于模拟调制。模拟调制。（3 3）数字调制，如）数字调制，如 PCM-IM PCM-IM，这是光，这是光纤通信最常用的调制方式。纤通信最

37、常用的调制方式。本讲稿第七十页，共一百七十一页1.1.模拟信号的直接调制模拟信号的直接调制本讲稿第七十一页，共一百七十一页2.2.数字信号的直接调制数字信号的直接调制本讲稿第七十二页，共一百七十一页二、光源的间接调制二、光源的间接调制1.1.电光调制器电光调制器 电光调制器的基本工作原理是晶体的线电光调制器的基本工作原理是晶体的线性电光效应。电光效应是指电场引起晶体性电光效应。电光效应是指电场引起晶体折射率变化的现象，能够产生电光效应的折射率变化的现象，能够产生电光效应的晶体称为电光晶体。晶体称为电光晶体。2.2.声光调制器声光调制器 声光调制器是利用介质的声光效应制成。声光调制器是利用介质的

38、声光效应制成。本讲稿第七十三页，共一百七十一页4.4.34.4.3光发送机光发送机光发射机的原理方框图光发射机的原理方框图本讲稿第七十四页，共一百七十一页1.1.输入盘各部分功能输入盘各部分功能均衡器均衡器 对于使用不同速率的光端机，对于使用不同速率的光端机，CCITTCCITT规规定了系列数字接口的码型，以定了系列数字接口的码型，以2048kbit/s2048kbit/s为基群速率的数字系列各比特率所规定的为基群速率的数字系列各比特率所规定的接口码型接口码型本讲稿第七十五页，共一百七十一页表表4.4-1 4.4-1 数字复接等级对应的接口码型数字复接等级对应的接口码型本讲稿第七十六页，共一百

39、七十一页码型变换码型变换 由均衡器输出的由均衡器输出的 HDB3 HDB3码（又称三阶高码（又称三阶高密度双极性码）或密度双极性码）或 CMI CMI码（又称传号反码（又称传号反转码），前者是三值双极性码（即转码），前者是三值双极性码（即+l+l，0 0、-l-l），后者是归零码，在数字电路），后者是归零码，在数字电路中为了处理方便，需通过码型变换电路，中为了处理方便，需通过码型变换电路，将其变换为非归零码（即将其变换为非归零码（即NRZNRZ码）。码）。本讲稿第七十七页，共一百七十一页扰码扰码 若信码流中出现长连若信码流中出现长连“0”“0”或长连或长连“1”“1”的情况，将会给时钟信号的提

40、取的情况，将会给时钟信号的提取带来困难，为了避免出现这种情况，需带来困难，为了避免出现这种情况，需加一扰码电路，它可有规律地破坏长连加一扰码电路，它可有规律地破坏长连“0”“0”和长连和长连“1”“1”的码流。从而达到的码流。从而达到“0”“0”、“l”“l”等概出现。扰码以后的信等概出现。扰码以后的信号再进行线路编码。号再进行线路编码。本讲稿第七十八页，共一百七十一页时钟提取时钟提取由于码型变换和扰码过程都需要以时钟由于码型变换和扰码过程都需要以时钟信号作为依据，因此，在均衡电路之后，信号作为依据，因此，在均衡电路之后，由时钟提取电路提取出时钟信号，供码型由时钟提取电路提取出时钟信号，供码型

41、变换和扰码电路使用。变换和扰码电路使用。本讲稿第七十九页，共一百七十一页编码编码如上所述，经过扰码后的码流，尽量使如上所述，经过扰码后的码流，尽量使得得“l”“l”和和“0”“0”的个数均等，这样便于的个数均等，这样便于接收端提取时钟信号。另外从实用角度接收端提取时钟信号。另外从实用角度来看，为了便于不间断业务的误码监测、来看，为了便于不间断业务的误码监测、区间通信联络、监控及克服直流分量的区间通信联络、监控及克服直流分量的波动，在实际的光纤传输系统中，都要波动，在实际的光纤传输系统中，都要对经过扰码以后的信码流进行编码，以对经过扰码以后的信码流进行编码，以满足上述要求。经过编码以后，就变为满

42、足上述要求。经过编码以后，就变为适合在光纤线路中传送的线路码型。适合在光纤线路中传送的线路码型。本讲稿第八十页，共一百七十一页2.2.发送盘各部分的功能发送盘各部分的功能发送盘主要完成将电信号转换成光信号，并发送盘主要完成将电信号转换成光信号，并将光信号送入光纤的任务。将光信号送入光纤的任务。驱动驱动 光源驱动电路是光发送盘的核心光源驱动电路是光发送盘的核心 自动光功率控制（自动光功率控制（APCAPC）和自动温度控制）和自动温度控制（ATCATC）电路）电路对由对由LDLD管构成的光源，发送盘还有自动光管构成的光源，发送盘还有自动光功率控制（功率控制（APCAPC）和自动温度控制电路）和自动

43、温度控制电路（ATCATC）本讲稿第八十一页，共一百七十一页3.3.其他保护、监测电路其他保护、监测电路 发送盘除上述各部分电路外，还有如发送盘除上述各部分电路外，还有如下一些辅助电路：下一些辅助电路：光源过流保护电路。光源过流保护电路。以防止反向冲击电流过大；以防止反向冲击电流过大；无光告警无光告警电路。这时延迟告警电路将发出告警指电路。这时延迟告警电路将发出告警指示；示；LDLD偏流（寿命）告警。光发送盘偏流（寿命）告警。光发送盘中的中的LDLD管，随着使用时间的增长，其阈管，随着使用时间的增长，其阈值电流也将逐渐加大。值电流也将逐渐加大。本讲稿第八十二页，共一百七十一页4.54.5光接收

44、机光接收机一、光纤数字接收机的组成一、光纤数字接收机的组成本讲稿第八十三页，共一百七十一页1.1.光电检测器光电检测器 光接收机中实现将光信号转换为电信光接收机中实现将光信号转换为电信号的器件称为光电检测器。光电检测器号的器件称为光电检测器。光电检测器是利用材料的光电效应来实现光电转换是利用材料的光电效应来实现光电转换的。的。2.前置放大器前置放大器 前置放大器在将信号放大的过程中，放大前置放大器在将信号放大的过程中，放大器本身的电阻将引入热噪声；放大器中的器本身的电阻将引入热噪声；放大器中的晶体管将引入散弹噪声。晶体管将引入散弹噪声。本讲稿第八十四页，共一百七十一页3.3.主放大器主放大器

45、主放大器的作用有两个：一是将前置放大主放大器的作用有两个：一是将前置放大器输出的信号电平放大到判决电路所需要器输出的信号电平放大到判决电路所需要的信号电平；二是一个增益可调节的放大的信号电平；二是一个增益可调节的放大器。当光电检测器输出的信号出现起伏时，器。当光电检测器输出的信号出现起伏时，通过光接收机的自动增益控制电路对主放通过光接收机的自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整，以使主放大器的输大器的增益进行调整，以使主放大器的输出信号幅度在一定范围不受输入信号的影出信号幅度在一定范围不受输入信号的影响。响。本讲稿第八十五页，共一百七十一页二、光接收机的主要指标二、光接收机的主要指标1.1.

46、光接收机灵敏度光接收机灵敏度光接收机的灵敏度，就是在满足给定的光接收机的灵敏度，就是在满足给定的误码率指标条件下最低接收的平均光功误码率指标条件下最低接收的平均光功率率 。光接收机灵敏度中的光功率若用相对值光接收机灵敏度中的光功率若用相对值来描述，工程上常用来描述，工程上常用dBmdBm来表示，即来表示，即 本讲稿第八十六页，共一百七十一页 上式中，上式中，指在满足给定的误码率指标指在满足给定的误码率指标条件下最低接收光功率。条件下最低接收光功率。指指1mw1mw光功率。光功率。上述灵敏度的物理含义是：如果一部光上述灵敏度的物理含义是：如果一部光接收机在满足给定的误码率指标下所需接收机在满足给

47、定的误码率指标下所需的平均光功率低，说明这部接收机在微的平均光功率低，说明这部接收机在微弱的输入光条件下就能正常工作弱的输入光条件下就能正常工作本讲稿第八十七页，共一百七十一页2.2.光接收机的动态范围光接收机的动态范围光接收机的动态范围光接收机的动态范围D D，是在保证系统的误，是在保证系统的误码率指标要求下，接收机的最低输入光功码率指标要求下，接收机的最低输入光功率（用率（用dBmdBm来描述）和最大允许输入光功率来描述）和最大允许输入光功率（用（用dBmdBm来描述）之差（来描述）之差（dBdB）。即）。即 （dBdB）本讲稿第八十八页，共一百七十一页4.6 SDH4.6 SDH光传输网

48、光传输网4.6.1 SDH4.6.1 SDH的基本概念和特点的基本概念和特点 1.SDH1.SDH的基本概念的基本概念 SDHSDH是由一些基本网络单元（是由一些基本网络单元（NENE）组成，）组成，在信道上进行同步信息传输、复用和交在信道上进行同步信息传输、复用和交叉连接的网络。叉连接的网络。目前实际应用的基本网络单元有四种，目前实际应用的基本网络单元有四种，即终端复用器（即终端复用器（TMTM）、分插复用器）、分插复用器（ADMADM）、再生中继器）、再生中继器 （REGREG）和）和SDHSDH数数字交叉连接设备（字交叉连接设备（SDXCSDXC）。）。本讲稿第八十九页，共一百七十一页（

49、1 1）终端复用器（）终端复用器（TMTM）图图4-32 4-32 终端复用器终端复用器 本讲稿第九十页，共一百七十一页（2 2）分插复用器（）分插复用器（ADMADM）分插复用器用于分插复用器用于SDHSDH传输网络的转接传输网络的转接站点处，例如链的中间节点或环上节点，站点处，例如链的中间节点或环上节点，是是SDHSDH网上使用最多、最重要的一种网元，网上使用最多、最重要的一种网元，它是一个三端口的器件，如图它是一个三端口的器件，如图4-334-33所示。所示。本讲稿第九十一页，共一百七十一页图图4-33 4-33 分插复用器分插复用器本讲稿第九十二页，共一百七十一页（3 3）再生中继器）

50、再生中继器 （REGREG）再生中继器（再生中继器（REGREG）是光中继器，它）是光中继器，它是双端口器件，只有两个线路端口是双端口器件，只有两个线路端口W W和和E E，如图，如图4-344-34所示。其作用是将光纤长距所示。其作用是将光纤长距离传输后受到较大衰减及色散畸变的光离传输后受到较大衰减及色散畸变的光脉冲信号转变成电信号后进行放大整形、脉冲信号转变成电信号后进行放大整形、再定时、再生为规划的电脉冲信号，再再定时、再生为规划的电脉冲信号，再调制光源变换为光脉冲信号送入光纤继调制光源变换为光脉冲信号送入光纤继续传输，以延长传输距离。续传输，以延长传输距离。本讲稿第九十三页，共一百七十