教学活动 光通信器件功能和工作原理及其性能指标。 单元二 话音在光纤通信系统中的传输 任务3 认识光通信器件 教学活动 光通信器件功能和工作原理及其性能指标。 2019/4/6

第4章 数字光纤通信系统 本章重点内容是： 1. 光纤通信的特点； 2．光纤通信系统的基本组成； 第4章 数字光纤通信系统 本章重点内容是： 1. 光纤通信的特点； 2．光纤通信系统的基本组成； 3．光纤的结构和分类、光纤的导光原理及主要工作特性； 4．光源、光检测器、光无源器件的工作原理和工作特性 5．光端机的基本组成及各部分的主要作用； 6．SDH的基本特点； 7．SDH的标准速率与帧结构； 8．我国SDH的复用结构； 9．SDH网中的复用设备和数字交叉连接器； 10．SDH网络结构。 2019/4/6

4.1 数字光纤通信系统概述 4.1.1光纤通信发展史和现状 1、探索时期的光通信: 4.1 数字光纤通信系统概述 4.1.1光纤通信发展史和现状 1、探索时期的光通信: 中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息， 这些都可以看作是原始形式的光通信。 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”。光电话证明了用光波作为载波传送信息的可行性。贝尔光电话是现代光通信的雏型。 2019/4/6

1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器， 给光通信带来了新的希望。 激光具有波谱宽度窄，方向性极好， 亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性。 继红宝石激光器之后，氦—氖(He - Ne)激光器、二氧化碳(CO2)激光器先后出现，并投入实际应用。 激光器的发明和应用， 使光通信进入一个崭新的阶段。 2019/4/6

1966年，英籍华裔学者高锟指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。 2、现代光纤通信 1966年，英籍华裔学者高锟指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。 1970 年，光纤研制取得了重大突破。美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。 1973 年，美国贝尔(Bell)实验室取得了更大成绩，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0.47 dB/km(波长1.2μm)。 2019/4/6

3、光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：  第一阶段(1966-1976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。实现了短波长(0.85μm)低速率(45或34Mb/s)多模光纤通信系统。 第二阶段(1976-1986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。 光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长(0.85μm)发展到长波长(1.31μm和1.55μm)。 第三阶段(1986-1996年)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。在这个时期，实现了1.55μm色散移位单模光纤通信系统。实验室可以达到更高水平。 2019/4/6

4.1.2 光纤通信的特点和应用 1. 容许频带很宽，传输容量很大 4.1.2 光纤通信的特点和应用 在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多，因此相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。 1. 容许频带很宽，传输容量很大  单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5 Gb/s和10 Gb/s。波分复用(WDM)和光时分复用(TDM)更是极大地增加了传输容量， 见下表 。 2019/4/6

表 光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较 表 光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较 通信手段 传输容量(话路)/条 中继距离/km 1000 km内中继器个数 微波无线电 960 50 20 小同轴 4 250 中同轴 1800 6 1600 光缆 1920 30 33 14000(1Gb/s) 84 11 6000(445MB/S) 134 7 2019/4/6

2. 损耗很小， 中继距离很长且误码率很小 石英光纤在1.31 μm和1.55 μm波长， 传输损耗分别为0.50 dB/km和0.20 dB/km，甚至更低。因此，用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多，见表。 传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点，使光纤通信系统不仅适合于长途干线网而且适合于接入网的使用， 这也是降低每公里话路的系统造价的主要原因。 2019/4/6

光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。表给光缆和标准同轴电缆的重量和截面积的比较。  3. 重量轻、 体积小 光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。表给光缆和标准同轴电缆的重量和截面积的比较。 表 光缆和电缆的重量和截面积比较 项目 8 芯 18 芯 光缆 电缆 重量/(kg·m-1) 重量比 0.42 1 6.3 15 11 26 直径/mm 截面积比 21 47 5 65 9.6 2019/4/6

光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。 4. 抗电磁干扰性能好 光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。 5. 泄漏小， 保密性能好 在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。因此信息在光纤中传输非常安全。 6. 节约金属材料， 有利于资源合理使用。   2019/4/6

总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，由图可见，随着传输容量的增加，由于采用了新的传输媒质， 使得相对造价直线下降。 图 各种通信系统相对造价与传输容量的比较 2019/4/6

光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤通信的各种应用可概括如下：  ① 通信网，包括全球通信网、各国的公共电信网、各种专用通信网、特殊通信手段。 ② 构成因特网的计算机局域网和广域网，如光纤以太网、 路由器之间的光纤高速传输链路。  ③ 有线电视网的干线和分配网；工业电视系统，如工厂、 银行、商场、交通和公安部的监控。  ④ 综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源接入网， 可实现电话、数据、视频(会议电视、可视电话等)及多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样的社区服务。 2019/4/6

4.1.3 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、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。  1、发射和接收 下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。  图 光纤通信系统的基本组成 光纤通信系统组成演示 2019/4/6

信息源：把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。 电发射机：把基带信号转换为适合信道传输的信号，这个转换如果需要调制， 则其输出信号称为已调信号。 光发射机：输入到光发射机带有信息的电信号，通过调制转换为光信号。 光接收机：光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。 电接收机：功能和电发射机的功能相反。 2019/4/6

2、基本光纤传输系统 基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元。 有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间 加入光发射机、光纤线路和光接收机，再配置适当的 光器件， 可以组成传输能力更强、功能更完善的光 纤通信系统。 下面简要介绍基本光纤传输系统的三个组成部分。 2019/4/6

光源种类：半导体发光二极管(LED)、半导体激光二极管(或称激光器)(LD)， 单纵模分布反馈(DFB)激光器。 光发射机： 光发射机的功能：把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。 光发射机组成：由光源、 驱动器和调制器组成。 光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上取决于光源的特性。 光源种类：半导体发光二极管(LED)、半导体激光二极管(或称激光器)(LD)， 单纵模分布反馈(DFB)激光器。 2019/4/6

光纤线路功能：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的失真和衰减传输到光接收机。 光纤线路组成：由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。 光纤线路： 光纤线路功能：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的失真和衰减传输到光接收机。 光纤线路组成：由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。 光纤基本要求：损耗和色散这两个传输特性参数都尽可能地小， 有足够好的机械特性和环境特性。 石英光纤分类：多模光纤和单模光纤。 单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。 单模光纤适合大容量长距离光纤传输系统，小容量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更加合适。 2019/4/6

光接收机的功能：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，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。 光接收机： 光接收机的功能：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，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。 光接收机组成：由光检测器、 放大器和相关电路组成 光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、 噪声低和响应速度快。 光检测器种类： 光电二极管(PIN - PD)、雪崩光电二极管(APD)。  光发射机与光接收机组成演示 2019/4/6

灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，它反映接收机调整到最佳状态时， 接收微弱光信号的能力。 光接收机最重要的特性参数是灵敏度。 灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，它反映接收机调整到最佳状态时， 接收微弱光信号的能力。 灵敏度主要取决于组成光接收机的光电二极管和放大器的噪声，并受传输速率、光发射机的参数和光纤线路的色散的影响，还与系统要求的误码率或信噪比有密切关系。 所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的重要指标。  2019/4/6

4.2 光缆 为了使光纤能在工程中实用化，能承受工程中拉伸、 侧压和各种外力作用, 还要具有一定的机械强度才能使性能稳定。 因此, 将光纤制成不同结构、不同形状和不同种类的光缆以适应光纤通信的需要。  光缆主要由缆芯、护套和加强元件组成。   2019/4/6

缆芯是由光纤芯组成的, 它可分为单芯和多芯两种。单芯型缆芯和多芯型缆芯结构的比例如表 。 缆芯 缆芯是由光纤芯组成的, 它可分为单芯和多芯两种。单芯型缆芯和多芯型缆芯结构的比例如表 。 单芯型由单根二次涂覆处理后的光纤组成。    多芯型由多根经二次涂覆处理后的光纤组成, 它又分为带状结构和单位式结构。 强度元件 由于光纤的材料比较脆, 容易断裂, 在光缆内中心或四周要加一根或多根加强元件。 护层 光缆的护层主要是对已形成的光纤芯线起保护作用, 避免受外部机械力和环境损坏。 2019/4/6

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光缆的种类 在公用通信网中用的光缆结构如表所示。 2019/4/6

它是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞合在一起的一种结构, 如图(a)所示。特点是成本低, 芯线数不超过10根。 下面介绍几种有代表性的光缆结构形式。 (1) 层绞式光缆。 它是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞合在一起的一种结构, 如图(a)所示。特点是成本低, 芯线数不超过10根。 (2) 单位式光缆。 它是将几根至十几根光纤芯线集合成一个单位, 再由数个单位以强度元件为中心绞合成缆, 如图(b)所示, 其芯线数一般适用于几十芯。  2019/4/6

(3) 骨架式光缆。 这种结构是将单根或多根光纤放入骨架的螺旋槽内, 骨架中心是强度元件, 骨架上的沟槽可以是V型、U型或凹型, 如图(c)所示。光纤具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。  (4) 带状式光缆。 它是将4～12根光纤芯线排列成行, 构成带状光纤单元, 再将多个带状单元按一定方式排列成缆, 如图(d)所示。这种光缆的结构紧凑, 采用此种结构可做成上千芯的高密度用户光缆。  2019/4/6

(a) 层绞式； (b) 单位式； (c) 骨架式； (d) 带状 图  (a) 层绞式； (b) 单位式； (c) 骨架式； (d) 带状 2019/4/6

1.光源：光源器件是光纤通信设备的核心，它的作用是将电信号转换成光信号送入光纤。 4.2.3 通信用光器件 1.光源：光源器件是光纤通信设备的核心，它的作用是将电信号转换成光信号送入光纤。 光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和 半导体发光二极管两种。 半导体激光器（LD）主要适用于长距离大容量 的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高 速、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。 发光二极管（LED）其制造工艺简单、成本低、 可靠性好，适用于短距离、低码速的数字光纤通信系 统，或者是模拟光纤通信系统。 2019/4/6

1）激光器的P-I特性：激光器输出光功率（P）和注入电流（I）的关系，即激光器的P-I曲线上。 激光器的工作原理： 半导体激光器是向半导体P-N结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡输出激光。那么如何实现粒子数反转分布及如何构成具有正反馈的谐振腔。 激光器的特性 ： 1）激光器的P-I特性：激光器输出光功率（P）和注入电流（I）的关系，即激光器的P-I曲线上。 2）光谱特性：是指激光器输出的光功率随波长的变化情况，一般用光源谱线宽度来表示。 2019/4/6

激光器的的输出光功率与器件消耗的电功率之 比 。半导体激光器的功率转换效率约为40％~50%。 4）温度特性 3）功率转换效率 激光器的的输出光功率与器件消耗的电功率之 比 。半导体激光器的功率转换效率约为40％~50%。 4）温度特性 激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特 性为温度特性。激光器的阈值电流和使用时间也有关 系。随着激光器使用时间的增加，阈值电流也会逐渐 加大。 2019/4/6

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件，主要完成光信号到电信号的转换功能，要具有 灵敏度高、响应时间短、噪声小、功耗低、可靠性 高等优点。 2．光电检测器 光电检测器是光纤通信系统的另一个核心器 件，主要完成光信号到电信号的转换功能，要具有 灵敏度高、响应时间短、噪声小、功耗低、可靠性 高等优点。 光电检测器有两种类型，一种是PIN光电二极 管（PIN-PD)；另一种是雪崩光电二极管（APD）。 PIN 光电二极管主要应用于短距离、小容量的光纤 通信系统中；APD主要应用于长距离、大容量的光 纤通信系统中。 2019/4/6

光电二极管PD由半导体P-N结组成，利用光电效 应原理完成光电转换。 光电检测器特性： 响应度：在一定波长的光照射下，光电检测器的 光电检测器的工作原理： 光电二极管PD由半导体P-N结组成，利用光电效 应原理完成光电转换。 光电检测器特性： 响应度：在一定波长的光照射下，光电检测器的 平均输出电流与入射的平均光功率之比称为响应度。 量子效率：响应度是器件在外部电路中呈现的宏 观灵敏特性，量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏 度特性。 2019/4/6

响应时间：速度是指半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态。 APD的倍增因子：APD的倍增因子实际上是电流增 益系数，定义为有倍增时光电流的平均值与无倍增时光 电流的平均值之比。 2019/4/6

在光纤通信的传输系统中，在传输线路中还需要 各种辅助器件以实现光纤与光纤之间或光纤与光端机 之间的连接、耦合、合分路、线路倒换以及保护等多 3、无源光器件 在光纤通信的传输系统中，在传输线路中还需要 各种辅助器件以实现光纤与光纤之间或光纤与光端机 之间的连接、耦合、合分路、线路倒换以及保护等多 种功能。 主要的无源器件有光纤连接器、光缆连接器、光纤 耦合器、光开关、光复用器(合波器和分波器)、光分路 器、光隔离器、光衰耗器、光滤波器等等 2019/4/6

光纤连接器又叫光纤活动连接器。这是用于连接 （1）光纤连接器 光纤连接器又叫光纤活动连接器。这是用于连接 两根光纤或光缆形成连续光通路的可以可拆卸重复使 用的光“无源器件”，被广泛应用在光纤传输线路、光 纤配线架和光纤测试仪器、仪表中，也是目前使用数 量最多的光无源器件。 2019/4/6

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光纤连接器特性的参数主要是：插入损耗、回波损耗、重复性和互换性等。 插入损耗：即连接损耗，是指光纤中的光信号通过光纤连接器，其输出光功率与输入光功率的比的分贝数 。 回波损耗：指在光纤连接处，后向反射光功率与输入光功率的比的分贝数。回波损耗越大越好 重复性和互换性 ：重复性是指光纤连接器多次插拨后插入损耗的变化，用分贝(dB)表示。互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变化，也用分贝(dB)表示。 2019/4/6

光耦合器是一种用于传送和分配光信号的无源器 （2）耦合器件 光耦合器是一种用于传送和分配光信号的无源器 件。通常，光耦合器在光纤局域网、光纤有线电视 网、干涉型光纤传感器和某些测量仪表中有广泛的应 用。 2019/4/6

耦合器特性的主要参数是：插入损耗、功率耦合系数、 分光比和隔离度。 插入损耗：是指某一输出端口的光功率与全部输入光功 率的比的分贝数 。 隔离度：是指光耦合器的某一光路对其他光路中的光信 号的隔离能力。 分光比：为耦合器各输出端口输出功率与总输出功率的 比值，. 功率耦合系数：为耦合器输出功率与输入光功率之比 . 2019/4/6

光波分复用器（WDM）是对光波波长进行分离与合成 的光无源器件。 复用器用在光纤通信系统的发送端，其作用是将不同频 率的光信号组合起来，送入一根光纤。 解复用器用在接收端，其作用是将光纤送来的多路信号 按频率一一分开。 2019/4/6

光开关是使传输通路中的光路控制器件，起着控制光信号通、断或转换光路的作用。 （3）光衰减器 能够使传输线路中的光信号产生定量衰减的器件称 为光衰减器。 （4）光开关 光开关是使传输通路中的光路控制器件，起着控制光信号通、断或转换光路的作用。 2019/4/6