數(shù)字光纖通信

數(shù)字光纖通信第一頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日3.1

光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀

1．光纖通信發(fā)展的里程碑1966年高錕博士發(fā)表的論文《用于光頻的光纖表面波導(dǎo)》。2．光纖通信發(fā)展的實質(zhì)性突破1970年美國康寧公司制造出當時世界上第一根超低損耗光纖。

3．光纖通信爆炸性的發(fā)展（1）光纖損耗1970年：20dB/km；1972年：4dB/km；1974年：1.1dB/km；1976年：0.5dB/km；1979年：0.2dB/km；1990年：0.14dB/km。2第二頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

（2）光器件光發(fā)送器件：砷化鎵鋁半導(dǎo)體激光器→異質(zhì)結(jié)條形激光器→分布反饋式激光器（DFB-LD）和多量子阱（MQW）激光器。光接收器件：Si-PIN→APD。（3）光纖通信系統(tǒng)從小容量到大容量、從短距離到長距離、從PDH→SDH→DWDM。在智能光網(wǎng)絡(luò)（ION）、光分插復(fù)用器（OADM）、光交叉連接設(shè)備（OXC）等方面也取得巨大進展。3第三頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

高錕，華裔物理學(xué)家，1933年生于中國上海，祖籍江蘇金山（今上海市金山區(qū)），擁有英國、美國國籍并持中國香港居民身份，目前在香港和美國加州山景城兩地居住。高錕為光纖通訊、電機工程專家，華文媒體譽之為“光纖之父”、普世譽之為“光纖通訊之父”（FatherofFiberOpticCommunications），曾任香港中文大學(xué)校長。

2009年，與威拉德·博伊爾和喬治·埃爾伍德·史密斯共享諾貝爾物理學(xué)獎。4第四頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

3.1.1光纖通信系統(tǒng)的基本組成所謂光纖通信，就是利用光纖來傳輸攜帶信息的光波以達到通信的目的。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)方框圖如圖3-2所示。由光發(fā)射機、光纖和光接收機組成。圖3-2數(shù)字光纖通信系統(tǒng)方框圖5第五頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

光發(fā)射機：其作用就是進行電/光轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換成的光脈沖信號碼流輸入到光纖中進行傳輸。光源器件一般是LED和LD。光纖：完成光波的傳輸。光接收機：它的作用就是進行光/電轉(zhuǎn)換。光接收器件一般是PIN和APD。6第六頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

3.1.2光纖通信系統(tǒng)的分類1．按傳輸信號分類（1）數(shù)字光纖通信系統(tǒng)（2）模擬光纖通信系統(tǒng)2．按波長和光纖類型分類（1）短波長（0.85μm左右）多模光纖通信系統(tǒng)（2）長波長（1.31μm）多模光纖通信系統(tǒng)（3）長波長（1.31μm）單模光纖通信系統(tǒng)（4）長波長（1.55μm）單模光纖通信系統(tǒng)7第七頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日3.1.3發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

（1）向超高速系統(tǒng)發(fā)展（2）向超大容量WDM（波分復(fù)用）系統(tǒng)演進（3）向光傳送網(wǎng)方向發(fā)展（4）向G.655（非零色散）光纖發(fā)展（5）向?qū)拵Ч饫w接入網(wǎng)方向發(fā)展8第八頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日3.2光纖通信的特點與應(yīng)用3.2.1光纖通信的特點（1）通信容量大（2）中繼距離長（3）保密性能好（4）適應(yīng)能力強（5）體積小、重量輕、便于施工和維護（6）原材料來源豐富，潛在價格低廉（7）光纖通信同樣也存在著如下缺點：①需要光/電和電/光變換部分；②光直接放大難；③電力傳輸困難；④彎曲半徑不宜太小；⑤需要高級的切斷接續(xù)技術(shù)；⑥分路耦合不方便。9第九頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

3.2.2光纖通信的工作波長光波波長在微米級，包括紫外、可見、紅外。光纖通信使用的波段位于近紅外區(qū)，波長范圍為0.8~1.8μm。其中短波長波段：0.8~1.0μm；長波長波段：1.0~1.8μm。選取兩段內(nèi)低損耗點，得到光纖通信三個窗口：0.85μm、1.31μm和1.55μm。

10第十頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（1）光纖在公用電信網(wǎng)間作為傳輸線。（2）局域網(wǎng)中的應(yīng)用。（3）光纖寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)及光纖用戶線。（4）作為危險環(huán)境下的通信線。諸如發(fā)電廠、化工廠、石油庫等場所。（5）滿足不同網(wǎng)絡(luò)層面的應(yīng)用。核心網(wǎng)層面、城域網(wǎng)層面、局域網(wǎng)層面等。（6）應(yīng)用于專網(wǎng)。光纖通信主要應(yīng)用于電力、公路、鐵路、礦山等通信專網(wǎng)。3.2.3光纖通信的應(yīng)用11第十一頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日3.3光纖

3.3.1光纖的結(jié)構(gòu)1.光纖結(jié)構(gòu)光纖由纖芯、包層和涂覆層3部分組成，如圖3.1所示。圖3.1光纖的結(jié)構(gòu)12第十二頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日13第十三頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（1）纖芯：纖芯位于光纖的中心部位。直徑d1=4μm～50μm，單模光纖的纖芯為4μm～10μm，多模光纖的纖芯為50μm。纖芯的成分是高純度SiO2，摻有極少量的摻雜劑（如GeO2，P2O5），作用是提高纖芯對光的折射率（n1），以傳輸光信號。（2）包層：包層位于纖芯的周圍。直徑d2=125μm，其成分也是含有極少量摻雜劑的高純度SiO2。而摻雜劑（如B2O3）的作用則是適當降低包層對光的折射率（n2），使之略低于纖芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信號封閉在纖芯中傳輸。14第十四頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（3）涂覆層：光纖的最外層為涂覆層，包括一次涂覆層，緩沖層和二次涂覆層。一次涂覆層一般使用丙烯酸酯、有機硅或硅橡膠材料；緩沖層一般為性能良好的填充油膏；二次涂覆層一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物。涂覆的作用是保護光纖不受水汽侵蝕和機械擦傷，同時又增加了光纖的機械強度與可彎曲性，起著延長光纖壽命的作用。涂覆后的光纖其外徑約1.5mm。通常所說的光纖為此種光纖。15第十五頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

緊套光纖與松套光纖緊套光纖就是在一次涂覆的光纖上再緊緊地套上一層尼龍或聚乙烯等塑料套管，光纖在套管內(nèi)不能自由活動。松套光纖，就是在光纖涂覆層外面再套上一層塑料套管，光纖可以在套管中自由活動。圖3.2套塑光纖結(jié)構(gòu)16第十六頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

2．光纖的折射率分布與光線的傳播圖3.3所示為兩種典型光纖的折射率分布情況。一種稱為階躍折射率光纖SI；另一種稱為漸變折射率光纖GI。如圖3.3（a）、（b）所示：圖3.3光纖的折射率分布17第十七頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日光在階躍折射率光纖和漸變折射率光纖的傳播軌跡如圖所示。圖3.5光在各種光纖中的傳播18第十八頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日3.3.2光纖的分類

若按傳輸模的數(shù)量：多模光纖和單模光纖若按傳輸波長分類：短波長光纖和長波長光纖若按套塑結(jié)構(gòu)分類：緊套光纖和松套光纖19第十九頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

1．按傳輸模數(shù)分類按傳輸模的數(shù)量不同，光纖分為多模光纖和單模光纖。傳播模式概念：當光在光纖中傳播時，如果光纖纖芯的幾何尺寸遠大于光波波長時，光在光纖中會以幾十種乃至幾百種傳播模式進行傳播。如圖3.6所示。這些不同的光束稱為模式。圖3.6光在階躍折射率光纖中的傳播20第二十頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（1）多模光纖當光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d1）遠大于光波波長時（約1μm），光纖傳輸?shù)倪^程中會存在著幾十種乃至幾百種傳輸模式，這樣的光纖稱為多模光纖。如圖3.4和圖3.5所示。（2）單模光纖當光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d1）較小，與光波長在同一數(shù)量級，如芯徑d1在4μm～10μm范圍，這時，光纖只允許一種模式（基模）在其中傳播，其余的高次模全部截止，這樣的光纖稱為單模光纖。如圖3.7所示。21第二十一頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日圖3.7光在單模光纖中的傳播軌跡22第二十二頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

2．按傳輸波長分類光纖可分為短波長光纖和長波長光纖。短波長光纖的波長為0.85μm（0.8μm～0.9μm）長波長光纖的波長為1.3μm～1.6μm，主要有1.31μm和1.55μm兩個窗口。3．按套塑結(jié)構(gòu)分類按套塑結(jié)構(gòu)不同，光纖可分為緊套光纖和松套光纖。

23第二十三頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

4．單模光纖的分類ITU-T建議規(guī)范了G.652、G.653、G.654和G.655四種單模光纖。（1）G.652光纖G.652光纖，也稱標準單模光纖（SMF），是指色散零點（即色散為零的波長）在1310nm附近的光纖。它的折射率分布如圖3.8所示。圖（a）表示的階躍折射率設(shè)計稱為匹配包層型，圖（b）表示的階躍折射率設(shè)計被稱為凹陷包層型。

24第二十四頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日圖3.8G.652光纖的折射率25第二十五頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（2）G.653光纖

G.653光纖也稱色散位移光纖（DSF），是指色散零點在1550nm附近的光纖，它相對于G.652光纖，色散零點發(fā)生了移動，所以叫色散位移光纖。第二十六頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（3）G.654光纖G.654光纖是截止波長移位的單模光纖。其設(shè)計重點是降低1550nm的衰減，其零色散點仍然在1310nm附近，因而1550nm窗口的色散較高。G.654光纖主要應(yīng)用于海底光纖通信。（4）G.655光纖由于G.653光纖的色散零點在1550nm附近，DWDM系統(tǒng)在零色散波長處工作易引起四波混頻效應(yīng)。為了避免該效應(yīng)，將色散零點的位置從1550nm附近移開一定波長數(shù)，使色散零點不在1550nm附近的DWDM工作波長范圍內(nèi)。這種光纖就是非零色散位移光纖（NDSF）。27第二十七頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

這四種單模光纖的主要性能指標是衰減、色散、偏振模色散（PMD）和模場直徑。另：G.653光纖是為了優(yōu)化1550nm窗口的色散性能而設(shè)計的，但它也可以用于1310nm窗口的傳輸。由于G.654光纖和G.655光纖的截止波長都大于1310nm，所以G.654光纖和G.655光纖不能用于1310nm窗口。28第二十八頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日3.3.3光纖的導(dǎo)光原理

1．折射和折射率光線在不同的介質(zhì)中以不同的速度傳播，描述介質(zhì)的這一特征的參數(shù)就是折射率，或稱折射指數(shù)。折射率可由下式確定：n=c/v（3.1）其中ν是光在某種介質(zhì)中的速度，с是光在真空中的速度。在折射率為n的介質(zhì)中，光傳播速度變?yōu)閏/n，光波長變?yōu)?/n（0表示光在真空中的波長）。表3.1中給出了一些介質(zhì)的折射率。29第二十九頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日當一條光線照射到兩種介質(zhì)相接的邊界時，入射光線分成兩束：反射光線和折射光線。圖3.9光的折射圖3.10光的反射表3.1不同介質(zhì)的折射率材料空氣水玻璃石英鉆石折射率1.0031.331.52～1.891.432.4230第三十頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

2．光的偏振光波屬于橫波，即光的電磁場振動方向與傳播方向垂直。如果光波的振動方向始終不變，只是光波的振幅隨相位改變，這樣的光稱為線偏振光，如圖3.11（c）和圖3.11（d）所示。從普通光源發(fā)出的光不是偏振光，而是自然光，如圖3.11（a）所示。斯涅耳定律給出了定義這些光線方向的規(guī)則：

1=3

n1sin1=n2sin2（3.2）全反射是光信號在光纖中傳播的必要條件。31第三十一頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日圖3.11光的偏振自然光在傳播的過程中，由于外界的影響在各個振動方向的光強不相同，某一個振動方向的光強比其他方向占優(yōu)勢，這種光稱為部分偏振光，如圖3.11（b）所示。32第三十二頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日3．光的色散如圖3.12所示，當日光通過棱鏡或水霧時會呈現(xiàn)按紅橙黃綠青藍紫順序排列的彩色光譜。這是由于棱鏡材料（玻璃）或水對不同波長（對應(yīng)于不同的顏色）的光呈現(xiàn)的折射率n不同，從而使光的傳播速度不同和折射角度不同，最終使不同顏色的光在空間上散開。圖3.12自然光的色散33第三十三頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日3.3.4光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性主要是指光纖的損耗特性和色散特性，另有機械特性和溫度特性。1．光纖的損耗特性光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，而光功率強度逐漸減弱，光纖對光波產(chǎn)生衰減作用，稱為光纖的損耗（或衰減）。光纖的損耗限制了光信號的傳播距離。光纖的損耗主要取決于吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗3種損耗。

34第三十四頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（2）彎曲損耗光纖的彎曲會引起輻射損耗。實際中，有兩種情況的彎曲：一種是曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲；一種是微彎曲。決定光纖衰減常數(shù)的損耗主要是吸收損耗和散射損耗，彎曲損耗對光纖衰減常數(shù)的影響不大。（1）吸收損耗光纖吸收損耗是制造光纖的材料本身造成的損耗，包括紫外吸收、紅外吸收和雜質(zhì)吸收。35第三十五頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（4）衰減系數(shù)光纖的衰減系數(shù)是指光在單位長度光纖中傳輸時的衰耗量，單位一般用dB/km。它是描述光纖損耗的主要參數(shù)。在單模光纖中有兩個低損耗區(qū)域，分別在1310nm和1550nm附近，即通常說的1310nm窗口和1550nm窗口；1550nm窗口又可以分為C-band（1525nm～1562nm）和L-band（1565nm～1610nm）。如圖3.13所示。（3）散射損耗由于材料的不均勻使光信號向四面八方散射而引起的損耗稱為瑞利散射損耗，它與波長有關(guān)。光纖制造中，結(jié)構(gòu)上的缺陷會引起與波長無關(guān)的散射損耗。36第三十六頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日圖3.13光纖的特性37第三十七頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

2．光纖的色散特性光脈沖中的不同頻率或模式在光纖中的群速度不同，這些頻率成分和模式到達光纖終端有先有后，使得光脈沖發(fā)生展寬，這就是光纖的色散，如圖3.14所示。色散一般用時延差來表示，所謂時延差，是指不同頻率的信號成分傳輸同樣的距離所需要的時間之差。圖3.14色散引起的脈沖展寬示意圖38第三十八頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日光纖的色散可分為模式色散、色度色散、偏振模色散。（1）模式色散多模光纖中不同模式的光束有不同的群速度，在傳輸過程中，不同模式的光束的時間延遲不同而產(chǎn)生的色散，稱模式色散。（2）色度色散由于光源的不同頻率（或波長）成分具有不同的群速度，在傳輸過程中，不同頻率的光束的時間延遲不同而產(chǎn)生色散稱為色度色散。色度色散包括材料色散和波導(dǎo)色散。39第三十九頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日①材料色散由于材料折射率隨光信號頻率的變化而不同，光信號不同頻率成分所對應(yīng)的群速度不同，由此引起的色散稱為材料色散。②波導(dǎo)色散由于光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的色散稱為波導(dǎo)色散。其大小可以和材料色散相比擬，普通單模光纖在1.31μm處這兩個值基本相互抵消。注：模式色散主要存在于多模光纖。單模光纖無模式色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散。當波長在1.31μm附近，色散接近為零。色散系數(shù)就是單位波長間隔內(nèi)光波長信號通過單位長度光纖所產(chǎn)生的時延差，用D表示，單位是ps/（nm·km）。40第四十頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

（3）偏振模色散（PMD）由于光信號的兩個正交偏振態(tài)在光纖中有不同的傳播速度而引起的色散稱偏振模色散。圖3.15偏振模色散41第四十一頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（4）碼間干擾（ISI）色散將導(dǎo)致碼間干擾。由于各波長成分到達的時間先后不一致，因而使得光脈沖加長了（T+ΔT），這叫作脈沖展寬，如圖3.16。脈沖展寬將使前后光脈沖發(fā)生重疊，形成碼間干擾，碼間干擾將引起誤碼，因而限制了傳輸?shù)拇a速率和傳輸距離。圖3.16碼間干擾42第四十二頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

3．光纖的機械特性光纖的機械特性主要包括耐側(cè)壓力、抗拉強度、彎曲以及扭絞性能等，使用者最關(guān)心的是抗拉強度。（1）光纖的抗拉強度光纖的抗拉強度很大程度上反映了光纖的制造水平。影響光纖抗拉強度的主要因素是光纖制造材料和制造工藝。①預(yù)制棒的質(zhì)量。②拉絲爐的加溫質(zhì)量和環(huán)境污染。③涂覆技術(shù)對質(zhì)量的影響。④機械損傷。43第四十三頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（2）光纖斷裂分析存在氣泡、雜物的光纖，會在一定張力下斷裂，如圖3.17所示。圖3.17光纖斷裂和應(yīng)力關(guān)系示意圖44第四十四頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（3）光纖的壽命光纖的壽命，習(xí)慣稱使用壽命，當光纖損耗加大以致系統(tǒng)開通困難時，稱其已達到了使用壽命。從機械性能講，壽命指斷裂壽命。（4）光纖的機械可靠性一般來說，二氧化硅包層光纖的機械可靠性已經(jīng)得到廣泛的認可。為了提高光纖的機械可靠性，在光纖的外包層中摻入二氧化鈦，從而增加網(wǎng)絡(luò)的壽命。

45第四十五頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

4．光纖的溫度特性光纖的溫度特性，是指在高、低溫條件下對光纖損耗的影響，一般是損耗增大。如圖3.18所示。圖3.18光纖低溫特性曲線46第四十六頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日第四十七頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日第四十八頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日3.4光纜

3.4.1光纜的結(jié)構(gòu)1．光纜的基本結(jié)構(gòu)光纜由纜芯、護層和加強芯組成。（1）纜芯纜芯由光纖的芯數(shù)決定，可分為單芯型和多芯型兩種。（2）護層護層主要是對已成纜的光纖芯線起保護作用，避免受外界機械力和環(huán)境損壞。護層可分為內(nèi)護層（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外護層（多用鋁帶和聚乙烯組成的LAP外護套加鋼絲鎧裝等）。49第四十九頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日2．各種典型結(jié)構(gòu)的光纜（1）層絞式結(jié)構(gòu)光纜把經(jīng)過套塑的光纖繞在加強芯周圍絞合而構(gòu)成。層絞式結(jié)構(gòu)光纜類似傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)，故又稱之為古典光纜。圖3.19～圖3.23所示是目前在市話中繼和長途線路上采用的幾種層絞式結(jié)構(gòu)光纜的示意圖（截面）。（3）加強芯加強芯主要承受敷設(shè)安裝時所加的外力。50第五十頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

圖3.2012芯松套層絞式直埋光纜圖3.196芯緊套層絞式光纜51第五十一頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日圖3.2112芯松套+8芯×2線對層絞式直埋光纜52第五十二頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（2）骨架式結(jié)構(gòu)光纜骨架式結(jié)構(gòu)光纜是把緊套光纖或一次涂覆光纖放入加強芯周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構(gòu)成。骨架結(jié)構(gòu)有中心增加螺旋型、正反螺旋型、分散增強基本單元型，圖3-22（b）為螺旋型結(jié)構(gòu)，圖3-23為基本單元結(jié)構(gòu)。目前，我國采用的骨架式結(jié)構(gòu)光纜，都是采用如圖3-22所示的結(jié)構(gòu)。圖3-24所示是采用骨架式結(jié)構(gòu)的自承式架空光纜。53第五十三頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日圖3-2212芯骨架式光纜54第五十四頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

圖3-2370芯骨架式光纜圖3-24骨架式自承式架空光纜55第五十五頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（3）束管式結(jié)構(gòu)光纜把一次涂覆光纖或光纖束放入大套管中，加強芯配置在套管周圍而構(gòu)成。圖3-25所示的光纜結(jié)構(gòu)即屬護層增強構(gòu)件配制方式。圖3-26、3-27所示是屬于分散加強構(gòu)件配置方式的束管式結(jié)構(gòu)光纜。

56第五十六頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日圖3-2512芯束管式光纜（護層增強）57第五十七頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

圖3-266～48芯束管式光纜圖3-27LEX束管式光纜分散加強型58第五十八頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（4）帶狀結(jié)構(gòu)光纜把帶狀光纖單元放入大套管中，形成中心束管式結(jié)構(gòu)；也可把帶狀光纖單元放入凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)，形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。如圖3-28、3-29所示。圖3-28

中心束管式帶狀光纜圖3-29層絞式帶狀光纜59第五十九頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（6）特殊結(jié)構(gòu)光纜特殊結(jié)構(gòu)的光纜，主要有光/電力組合纜、光/架空地線組合纜和海底光纜和無金屬光纜。這里只介紹后兩種。①海底光纜有淺海光纜和深海光纜兩種，圖2-30所示為典型的淺海光纜，圖3-31所示是較為典型的深海光纜。②無金屬光纜無金屬光纜是指光纜除光纖、絕緣介質(zhì)外（包括增強構(gòu)件、護層）均是全塑結(jié)構(gòu)，適用于強電場合，如電站、電氣化鐵道及強電磁干擾地帶。60第六十頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

圖3-30

淺海光纜(雙層加鎧裝束管式光纜)圖3-31深海光纜61第六十一頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日3.4.2光纜的種類

1．按傳輸性能、距離和用途分可分為市話光纜、長途光纜、海底光纜和用戶光纜。

2．按光纖的種類分可分為多模光纜、單模光纜。3．按光纖套塑方法分可分為緊套光纜、松套光纜、束管式光纜和帶狀多芯單元光纜。

4．按光纖芯數(shù)多少分

可分為單芯光纜、雙芯光纜、四芯光纜、六芯光纜、八芯光纜、十二芯光纜和二十四芯光纜等。62第六十二頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

5．按加強件配置方法分光纜可分為中心加強構(gòu)件光纜（如層絞式光纜、骨架式光纜等）、分散加強構(gòu)件光纜（如束管兩側(cè)加強光纜和扁平光纜）、護層加強構(gòu)件光纜（如束管鋼絲鎧裝光纜）和PE外護層加一定數(shù)量的細鋼絲的PE細鋼絲綜合外護層光纜。6．按敷設(shè)方式分光纜可分為管道光纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜。

7．按護層材料性質(zhì)分光纜可分為聚乙烯護層普通光纜、聚氯乙烯護層阻燃光纜和尼龍防蟻防鼠光纜。63第六十三頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

8．按傳輸導(dǎo)體、介質(zhì)狀況分光纜可分為無金屬光纜、普通光纜和綜合光纜。9．按結(jié)構(gòu)方式分光纜可分為扁平結(jié)構(gòu)光纜、層絞式結(jié)構(gòu)光纜、骨架式結(jié)構(gòu)光纜、鎧裝結(jié)構(gòu)光纜（包括單、雙層鎧裝）和高密度用戶光纜等。10．目前通信用光纜可分為（1）室(野)外光纜——用于室外直埋、管道、槽道、隧道、架空及水下敷設(shè)的光纜。（2）軟光纜——具有優(yōu)良的曲撓性能的可移動光纜。（3）室（局）內(nèi)光纜——適用于室內(nèi)布放的光纜。（4）設(shè)備內(nèi)光纜——用于設(shè)備內(nèi)布放的光纜。（5）海底光纜——用于跨海洋敷設(shè)的光纜。（6）特種光纜——除上述幾類之外，作特殊用途的光纜。64第六十四頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日3.4.3光纜的敷設(shè)

常見的光纜敷設(shè)方式有：架空敷設(shè)管道敷設(shè)直埋敷設(shè)水底敷設(shè)65第六十五頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日第六十六頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日光纜型號由它的型式代號和規(guī)格代號構(gòu)成，中間用一短橫線分開。（1）光纜型式由五個部分組成，如圖3-32所示。圖3-32光纜型式的組成部分67第六十七頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日圖中：Ⅰ：分類代號及其意義為：GY——通信用室（野）外光纜；GR—通信用軟光纜；GJ——通信用室（局）內(nèi)光纜；GS—通信用設(shè)備內(nèi)光纜；GH——通信用海底光纜；GT——通信用特殊光纜。Ⅱ：加強構(gòu)件代號及其意義為：無符號——金屬加強構(gòu)件；F——非金屬加強構(gòu)件；G——金屬重型加強構(gòu)件；H——非金屬重型加強構(gòu)件。68第六十八頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日Ⅲ：派生特征代號及其意義為：D——光纖帶狀結(jié)構(gòu)；G——骨架槽結(jié)構(gòu)；B——扁平式結(jié)構(gòu)；Z——自承式結(jié)構(gòu)。T——填充式結(jié)構(gòu)。Ⅳ：護層代號及其意義為；Y——聚乙烯護層；V——聚氯乙烯護層；U——聚氨酯護層；A——鋁-聚乙烯粘結(jié)護層；L——鋁護套； G——鋼護套；Q——鉛護套； S——鋼-鋁-聚乙烯綜合護套。69第六十九頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日Ⅴ：外護層的代號及其意義為：外護層是指鎧裝層及其鎧裝外邊的外護層，外護層的代號及其意義如表3-2所示。表3-2 外護層代號及其意義代

號鎧裝層（方式）代

號外護層（材料）0無0無1——1纖維層2雙鋼帶2聚氯乙烯套3細圓鋼絲3聚乙烯套4粗圓鋼絲——5單鋼帶皺紋縱包——70第七十頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（2）光纜規(guī)格由五部分七項內(nèi)容組成，如圖3-33所示。圖3-33光纜規(guī)格的組成部分71第七十一頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日圖中：Ⅰ：光纖數(shù)目用1、2、……，表示光纜內(nèi)光纖的實際數(shù)目。Ⅱ：光纖類別的代號及其意義。J——二氧化硅系多模漸變型光纖； T——二氧化硅系多模突變型光纖；Z——二氧化硅系多模準突變型光纖； D——二氧化硅系單模光纖；X——二氧化硅纖芯塑料包層光纖； S——塑料光纖。Ⅲ：光纖主要尺寸參數(shù)用阿拉伯數(shù)（含小數(shù)點數(shù)）及以μm為單位表示多模光纖的芯徑及包層直徑，單模光纖的模場直徑及包層直徑。72第七十二頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日Ⅳ：帶寬、損耗、波長表示光纖傳輸特性的代號由a、bb及cc三組數(shù)字代號構(gòu)成。a——表示使用波長的代號，其數(shù)字代號規(guī)定如下：1——波長在0.85μm區(qū)域；2——波長在1.31μm區(qū)域；3——波長在1.55μm區(qū)域。注意，同一光纜適用于兩種及以上波長，并具有不同傳輸特性時，應(yīng)同時列出各波長上的規(guī)格代號，并用“/”劃開。bb——表示損耗常數(shù)的代號。兩位數(shù)字依次為光纜中光纖損耗常數(shù)值（dB/km）的個位和十位數(shù)字。cc——表示模式帶寬的代號。兩位數(shù)字依次為光纜中光纖模式帶寬分類數(shù)值（MHz·km）的千位和百位數(shù)字。單模光纖無此項。73第七十三頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

Ⅴ：適用溫度代號及其意義。A——適用于?40℃～+40℃B——適用于?30℃～+50℃C——適用于?20℃～+60℃

D——適用于?5℃～+60℃74第七十四頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日光纜中還附加金屬導(dǎo)線（對、組）編號，如圖3-34所示。其符合有關(guān)電纜標準中導(dǎo)電線芯規(guī)格構(gòu)成的規(guī)定。圖3-34光纜中附加金屬導(dǎo)線編號示意圖例如，2個線徑為0.5mm的銅導(dǎo)線單線可寫成2×1×0.5；；4個線徑為0.9mm的鋁導(dǎo)線四線組可寫成4×4×0.9L；4個內(nèi)導(dǎo)體直徑為2.6mm，外徑為9.5mm的同軸對，可寫成4×2.6/9.5。75第七十五頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（3）光纜型號例題設(shè)有金屬重型加強構(gòu)件、自承式、鋁護套和聚乙烯護層的通信用室外光纜，包括12根芯徑/包層直徑為50/125μm的二氧化硅系列多模突變型光纖和5根用于遠供及監(jiān)測的銅線徑為0.9mm的四線組，且在1.31μm波長上，光纖的損耗常數(shù)不大于1.0dB/km，模式帶寬不小于800MHz·km；光纜的適用溫度范圍為?20℃～+60℃。該光纜的型號應(yīng)表示為：

GYGZL03-12T50/125（21008）C+5×4×0.9。76第七十六頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日3.5 通信用光器件

3.5.1光源光源器件：光纖通信設(shè)備的核心，其作用是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號送入光纖。光纖通信中常用的光源器件有半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管兩種。半導(dǎo)體激光器（LD）：適用于長距離大容量的光纖通信系統(tǒng)。尤其是單縱模半導(dǎo)體激光器，在高速率、大容量的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。發(fā)光二極管（LED）：適用于短距離、低碼速的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，或者是模擬光纖通信系統(tǒng)。其制造工藝簡單、成本低、可靠性好。77第七十七頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

一.半導(dǎo)體激光器：是向半導(dǎo)體P-N結(jié)注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩輸出激光。

1．激光器的物理基礎(chǔ)----光子的概念光量子學(xué)說認為，光是由能量為hf的光量子組成的，其中h=6.628×10?34J·s（焦耳·秒），稱為普朗克常數(shù)，f是光波頻率，人們將這些光量子稱為光子。

當光與物質(zhì)相互作用時，光子的能量作為一個整體被吸收或發(fā)射。78第七十八頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

2．激光器的工作原理激光器包括以下3個部分：必須有產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)（激活物質(zhì)）；必須有能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激勵源（泵浦源）；必須有能夠完成頻率選擇及反饋作用的光學(xué)諧振腔。（1）產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)即處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)，稱為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)，它是產(chǎn)生激光的必要條件。79第七十九頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（2）泵浦源使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵源，稱為泵浦源。物質(zhì)在泵浦源的作用下，使得N2＞N1，從而受激輻射大于受激吸收，有光的放大作用。這時的工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。（3）光學(xué)諧振腔激活物質(zhì)只能使光放大，只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，以提供必要的反饋及對光的頻率和方向進行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。激活物質(zhì)和光學(xué)諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的必要條件。

80第八十頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

工作原理用半導(dǎo)體材料做成的激光器，當激光器的P-N結(jié)上外加的正向偏壓足夠大時，將使得P-N結(jié)的結(jié)區(qū)出現(xiàn)了高能級粒子多、低能級粒子少的分布狀態(tài)，這即是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，這種狀態(tài)將出現(xiàn)受激輻射大于受激吸收的情況，可產(chǎn)生光的放大作用。被放大的光在由P-N結(jié)構(gòu)成的F-P光學(xué)諧振腔（諧振腔的兩個反射鏡是由半導(dǎo)體材料的天然解理面形成的）中來回反射，不斷增強，當滿足閾值條件后，即可發(fā)出激光。81第八十一頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日3.半導(dǎo)體激光器種類（1）分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）DFB-LD是一種可以產(chǎn)生動態(tài)控制的單縱模激光器（稱為動態(tài)單縱模激光器），即在高速調(diào)制下仍然能單縱模工作的半導(dǎo)體激光器。它是在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻有波紋狀的周期光柵而構(gòu)成的，如圖3-35所示。圖3-35DFB-LD結(jié)構(gòu)示意圖82第八十二頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（2）量子阱半導(dǎo)體激光器量子阱半導(dǎo)體激光器與一般雙異質(zhì)激光器類似，只是有源區(qū)的厚度很?。◣资＃?，如圖3-36所示。當有源區(qū)的厚度非常小時，在有源區(qū)的異質(zhì)結(jié)將產(chǎn)生一個勢能阱，因此將產(chǎn)生這種量子效應(yīng)的激光器稱為量子阱半導(dǎo)體激光器。圖3-36量子阱半導(dǎo)體激光器83第八十三頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日二.發(fā)光二極管

LED的工作原理發(fā)光二極管（LED）是非相干光源，是無閾值器件，它的基本工作原理是自發(fā)輻射。發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器差別是：發(fā)光二極管沒有光學(xué)諧振腔，不能形成激光。僅限于自發(fā)輻射，所發(fā)出的是熒光，是非相干光。半導(dǎo)體激光器是受激輻射，發(fā)出的是相干光。84第八十四頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日LED通常和多模光纖耦合，用于1.31μm或0.85μm波長的小容量、短距離的光通信系統(tǒng)。LD通常和單模光纖耦合，用于1.31μm或1.55μm大容量、長距離光通信系統(tǒng)。分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）主要也和單模光纖或特殊設(shè)計的單模光纖耦合，用于1.55μm超大容量的新型光纖系統(tǒng)，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢。85第八十五頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

三、調(diào)制方式有直接調(diào)制（內(nèi)調(diào)制）和間接調(diào)制（外調(diào)制）。（1）直接調(diào)制①基本概念及調(diào)制原理直接調(diào)制就是將電信號直接注入光源，使其輸出的光載波信號的強度隨調(diào)制信號的變化而變化，又稱為內(nèi)調(diào)制。調(diào)制原理如圖3-37所示。②特點調(diào)制簡單、損耗小、成本低。但存在波長(頻率)的抖動。86第八十六頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（2）間接調(diào)制①基本概念及調(diào)制原理間接調(diào)制不直接調(diào)制光源，而是利用晶體的電光、磁光和聲光特性對LD所發(fā)出的光載波進行調(diào)制，即光輻射之后再加載調(diào)制電壓，使經(jīng)過調(diào)制器的光載波得到調(diào)制，這種調(diào)制方式又稱作外調(diào)制，如圖3-38所示。②特點調(diào)制系統(tǒng)比較復(fù)雜、損耗大、而且造價也高。但譜線寬度窄，可以應(yīng)用于≥2.5Gbit/s的高速大容量傳輸系統(tǒng)之中，而且傳輸距離也超過300km以上。87第八十七頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日圖3-37

直接光強度數(shù)字調(diào)制原理88第八十八頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日圖3-38

間接調(diào)制激光器的結(jié)構(gòu)第八十九頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日四、溫度特性及自動溫度控制

1．激光器的溫度特性溫度對激光器輸出光功率的影響主要通過閾值電流Ith和外微分量子效率ηd產(chǎn)生，如圖3-39（a）和（b）所示。當溫度升高，閾值電流增加，外微分量子效率減小，輸出光脈沖幅度下降。溫度對輸出光脈沖的另一個影響是“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”。即使環(huán)境溫度不變，由于調(diào)制電流的作用，引起激光器結(jié)區(qū)溫度的變化，因而使輸出光脈沖的形狀發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”，如圖3-40所示。

“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”將引起調(diào)制失真。90第九十頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日圖3-39

溫度引起的光功率輸出的變化圖3-40結(jié)發(fā)熱效應(yīng)91第九十一頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

2．光源的自動溫度控制（ATC）（1）溫度控制裝置的組成溫度控制裝置由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成，圖3-41示出了溫度控制裝置的方框圖。圖3-41自動溫度控制原理方框圖92第九十二頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（2）自動溫度控制（ATC）原理圖3-42示出ATC電路原理圖?？刂七^程可以表示如下：圖3-42ATC電路原理93第九十三頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

注：溫度控制只能控制溫度變化引起的輸出光功率的變化，不能控制由于器件老化而產(chǎn)生的輸出功率的變化。對于短波長激光器，一般只需加自動功率控制電路即可。對于長波長激光器，由于其閥值電流隨溫度的漂移較大，因此，一般還需加自動溫度控制電路，以使輸出光功率達到穩(wěn)定。94第九十四頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日3.5.2光電檢測器光電檢測器完成光/電信號的轉(zhuǎn)換。對光檢測器的基本要求是：①在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應(yīng)度，即對一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；②具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；③具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影響；④具有良好的線性關(guān)系，以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真；⑤具有較小的體積、較長的工作壽命等。目前常用的半導(dǎo)體光電檢測器有兩種，PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管。95第九十五頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日光電檢測器是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。當入射光子能量hf小于禁帶寬度（帶隙）Eg時，不論入射光有多強，光電效應(yīng)也不會發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足以下條件hf≥Eg。

可見，光頻fc＜Eg/h的入射光是不能產(chǎn)生光電效應(yīng)的，將fc轉(zhuǎn)換為波長，則λc=h?C/

Eg。即只有波長λ＜λc的入射光，才能使這種材料產(chǎn)生光生載流子，故λc為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長，又稱為截至波長，相應(yīng)的fc

稱為截至頻率。96第九十六頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日97圖3-43光電二極管工作原理(a)光電效應(yīng)(b)加反向偏壓后的能帶第九十七頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日98圖3-44PIN光電二極管工作原理第九十八頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日雪崩光電二極管，又稱APD（AvalanchePhotoDiode）。它不但具有光/電轉(zhuǎn)換作用，而且具有內(nèi)部放大作用，其放大作用是靠管子內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)完成的。APD的雪崩倍增效應(yīng)，是在二極管的P-N結(jié)上加高反向電壓，在結(jié)區(qū)形成一個強電場；在高場區(qū)內(nèi)光生載流子被強電場加速，獲得高的動能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價帶的電子得到了能量；越過禁帶到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了新的電子—空穴對；新產(chǎn)生的電子—空穴對在強電場中又被加速，再次碰撞，又激發(fā)出新的電子—空穴對……如此循環(huán)下去，形成雪崩效應(yīng)，使光電流在管子內(nèi)部獲得了倍增。99第九十九頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日圖3-45APD載流子雪崩式倍增示意圖100APD就是利用雪崩效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器。第一百頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日第一百零一頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日第一百零二頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日第一百零三頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日3.5.3 光端機光發(fā)送機與光接收機統(tǒng)稱為光端機。光端機位于電端機和光纖傳輸線路之間，如圖3-46所示。圖3-46光纖通信系統(tǒng)組成104第一百零四頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

光纖通信系統(tǒng)主要包括光纖（光纜）和光端機。每一部光端機又包含光發(fā)送機和光接收機兩部分，通信距離長時還要加光中繼器。光發(fā)送機完成E/O轉(zhuǎn)換，光接收機完成O/E轉(zhuǎn)換，光纖實現(xiàn)光信號的傳輸，光中繼器延長通信距離。

105第一百零五頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日光發(fā)送機的基本組成數(shù)字光發(fā)送機的基本組成包括均衡放大、碼型變換、復(fù)用、擾碼、時鐘提取、光源、光源的調(diào)制電路、光源的控制電路（ATC和APC）及光源的監(jiān)測和保護電路等。如圖3-47。圖3-47數(shù)字光發(fā)送機原理方框圖106第一百零六頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（1）均衡放大：補償由電纜傳輸所產(chǎn)生的衰減和畸變。（2）碼型變換：將HDB3碼或CMI碼變化為NRZ碼。（3）復(fù)用：用一個大傳輸信道同時傳送多個低速信號的過程。（4）擾碼：使信號達到“0”、“1”等概率出現(xiàn)，利于時鐘提取。（5）時鐘提?。禾崛CM中的時鐘信號，供給其它電路使用。（6）調(diào)制（驅(qū)動）電路：完成電/光變換任務(wù)。（7）光源：產(chǎn)生作為光載波的光信號。（8）溫度控制和功率控制：穩(wěn)定工作溫度和輸出的平均光功率。（9）其他保護、監(jiān)測電路：如光源過流保護電路、無光告警電路、LD偏流（壽命）告警等。107第一百零七頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日數(shù)字光接收機光接收機作用是將光纖傳輸后的幅度被衰減、波形產(chǎn)生畸變的、微弱的光信號變換為電信號，并對電信號進行放大、整形、再生后，再生成與發(fā)送端相同的電信號，輸入到電接收端機，并且用自動增益控制電路（AGC）保證穩(wěn)定的輸出。光接收機中的關(guān)鍵器件是半導(dǎo)體光檢測器，它和接收機中的前置放大器合稱光接收機前端。前端性能是決定光接收機的主要因素。108第一百零八頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日光接收機的基本組成強度調(diào)制—直接檢波（IM-DD）的光接收機方框圖如圖3-48所示，主要包括光電檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、時鐘恢復(fù)電路、取樣判決器以及自動增益控制（AGC）電路等。圖3-48數(shù)字光接收機方框圖109第一百零九頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日1．光電檢測器光電檢測器是把光信號變換為電信號的關(guān)鍵器件，對其要求是：①在系統(tǒng)的工作波長上要有足夠高的響應(yīng)度，即對一定的入射光功率，光電檢測器能輸出盡可能大的光電流。②波長響應(yīng)要和光纖的3個低損耗窗口兼容。③有足夠高的響應(yīng)速度和足夠的工作帶寬。④產(chǎn)生的附加噪聲要盡可能低，能夠接收極微弱的光信號。⑤光電轉(zhuǎn)換線性好，保真度高。⑥工作性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長。⑦功耗和體積小，使用簡便。110第一百一十頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

2．放大器光接收機的放大器包括前置放大器和主放大器兩部分。對前置放大器要求是較低的噪聲、較寬的帶寬和較高的增益。前置放大器的的類型目前有3種：低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器（或跨導(dǎo)前置放大器）。主放大器一般是多級放大器，它的功能主要是提供足夠高的增益，把來自前置放大器的輸出信號放大到判決電路所需的信號電平。并通過它實現(xiàn)自動增益控制（AGC），以使輸入光信號在一定范圍內(nèi)變化時，輸出電信號應(yīng)保持恒定輸出。主放大器和AGC決定著光接收機的動態(tài)范圍。111第一百一十一頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

3．均衡器均衡器的作用是對已畸變(失真)和有碼間干擾的電信號進行均衡補償，減小誤碼率。

4．再生電路再生電路的任務(wù)是把放大器輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號，由判決器和時鐘恢復(fù)電路組成。

5．自動增益控制（AGC）AGC就是用反饋環(huán)路來控制主放大器的增益。作用是增加了光接收機的動態(tài)范圍，使光接收機的輸出保持恒定。112第一百一十二頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日光接收機的噪聲特性光接收機的噪聲包括光電檢測器的噪聲和光接收機的電路噪聲。這些噪聲的分布如圖3-49所示。光電檢測器的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲和APD的倍增噪聲；電路噪聲主要是前置放大器的噪聲。前置放大器的噪聲包括電阻熱噪聲及晶體管組件內(nèi)部噪聲。113第一百一十三頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日圖3-49接收機的噪聲及其分布114第一百一十四頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（1）量子噪聲：是指當一個光電檢測器受到外界光照，其光子激勵而產(chǎn)生的光生載流子是隨機的，從而導(dǎo)致輸出電流的隨機起伏。這是檢測器固有的噪聲。（2）暗電流噪聲暗電流是指無光照射時光電檢測器中產(chǎn)生的電流。由于激勵出的暗電流是浮動的，就產(chǎn)生了噪聲，稱為暗電流噪聲。

115第一百一十五頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（3）雪崩管倍增噪聲由于雪崩光電二極管的雪崩倍增作用是隨機的，這種隨機性，必然要引起雪崩管輸出信號的浮動，從而引入噪聲。（4）光接收機的電路噪聲主要指前置放大器噪聲，其中包括電阻熱噪聲及晶體管組件內(nèi)部噪聲。116第一百一十六頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日光接收機的主要指標數(shù)字光接收機主要指標有光接收機的靈敏度和動態(tài)范圍。（1）光接收機的靈敏度光接收機的靈敏度是指在系統(tǒng)滿足給定誤碼率指標的條件下，光接收機所需的最小平均接收光功率Pmin（mW）。工程中常用毫瓦分貝（dBm）來表示，即117第一百一十七頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（2）光接收機的動態(tài)范圍光接收機的動態(tài)范圍是指在保證系統(tǒng)誤碼率指標的條件下，接收機的最低輸入光功率（dBm）和最大允許輸入光功率（dBm）之差（dB）。即118第一百一十八頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日（3）自動增益控制（AGC）AGC就是利用反饋環(huán)路來控制主放大器的增益。AGC的作用是增加了光接收機的動態(tài)范圍。自動增益控制（AGC）電路原理框圖如圖3-50所示。圖3-50自動增益控制電路原理框圖119第一百一十九頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日3.5.4光中繼器光信號在傳輸過程中會出現(xiàn)兩個問題：①光纖的損耗特性使光信號的幅度衰減，限制了光信號的傳輸距離；②光纖的色散特性使光信號波形失真，造成碼間干擾，使誤碼率增加。以上兩點不但限制了光信號的傳輸距離，也限制了光纖的傳輸容量。為增加光纖的通信距離和通信容量，必須設(shè)置光中繼器。

120第一百二十頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日光中繼器的功能是補償光能量損耗，恢復(fù)信號脈沖形狀：①補償衰減的光信號；②對畸變失真的信號波形進行整形。光中繼器主要有兩種：一種是傳統(tǒng)的光中繼器（即光電中繼器），另一種是全光中繼器。121第一百二十一頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日3.5.4.1光電中繼器1．光電中繼器的構(gòu)成傳統(tǒng)的光中繼器采用光—電—光（O-E-O）轉(zhuǎn)換形式的中繼器。如圖3-51所示。圖3-51典型的數(shù)字光中繼器原理方框圖122第一百二十二頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日WDM光-電-光轉(zhuǎn)換再生中繼器結(jié)構(gòu)通信設(shè)備復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不高，傳輸容量受到一定的限制。l1l2lN...光纖l1l2lN光解復(fù)用...O/EADME/O光復(fù)用l1l2lN...l1l2lN...光纖123第一百二十三頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日再生中繼器的缺點任何光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離都受光纖損耗或色散限制，因此，傳統(tǒng)的長途光纖傳輸系統(tǒng)，需要每隔一定的距離，就增加一個再生中繼器，以便保證信號的質(zhì)量。這種再生中繼器的基本功能是進行光-電-光轉(zhuǎn)換，并在光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枙r進行再生、整形和定時處理，恢復(fù)信號形狀和幅度，然后再轉(zhuǎn)換回光信號，沿光纖線路繼續(xù)傳輸。這種方式有許多缺點。首先，通信設(shè)備復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不高，特別是在多信道光纖通信系統(tǒng)中更為突出，因為每個信道均需要進行波分解復(fù)用，然后光-電-光變換，經(jīng)波分復(fù)用后，再送回光纖信道傳輸，所需設(shè)備更復(fù)雜，費用更昂貴。其次，傳輸容量受到一定的限制。124第一百二十四頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

2．光電中繼器的結(jié)構(gòu)形式

有的設(shè)在機房中，有的是箱式或罐式，有的是直埋在地下或架空光纜在電桿上。125第一百二十五頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日多年來，人們一直在探索能否去掉上述光-電-光轉(zhuǎn)換過程，直接在光路上對信號進行放大，然后再傳輸，即用一個全光傳輸中繼器代替目前的這種光-電-光再生中繼器。經(jīng)過多年的努力，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)明了幾種光放大器，其中摻鉺光纖放大器（EDFA）、分布光纖喇曼放大器（DRA）和半導(dǎo)體光放大器（SOA）技術(shù)已經(jīng)成熟，眾多公司已有商品出售。3.5.4.2全光中繼器126第一百二十六頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日摻鉺光纖放大器使用鉺離子作為增益介質(zhì)的光纖放大器，稱為摻鉺光纖放大器(EDFA)。這些離子在光纖制造過程中被摻入光纖芯中，使用泵浦光直接對光信號放大，提供光增益。雖然摻雜光纖放大器早在1964年就有研究，但是直到1985年才首次研制成功摻鉺光纖。1988年低損耗摻鉺光纖技術(shù)已相當成熟，其性能相當優(yōu)良，已可以提供實際使用。放大器的特性，如工作波長、帶寬由摻雜劑所決定。摻鉺光纖放大器因為工作波長在靠近光纖損耗最小的1.55m波長區(qū)，它比其它光放大器更引人注意。127第一百二十七頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日摻鉺光纖放大器（EDFA）結(jié)構(gòu)128第一百二十八頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日

摻鉺光纖：當一定的泵浦光注入到摻鉺光纖中時，Er3+從低能級被激發(fā)到高能級上，由于在高能級上的壽命很短，很快以非輻射躍遷形式到較低能級上，并在該能級和低能級間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。

半導(dǎo)體二極管泵浦：為信號放大提供足夠的能量，使物質(zhì)達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

波分復(fù)用器：將信號光和泵浦光合路進入摻鉺光纖中。

光隔離器：使光傳輸具有單向性，放大器不受發(fā)射光影響，保證穩(wěn)定工作。129第一百二十九頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日EDFA中的Er3+能級結(jié)構(gòu)泵浦波長可以是520、650、800、980、1480nm波長短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。鉺離子簡化能級示意圖吸收泵浦光快速非輻射躍遷光放大受激輻射產(chǎn)生噪聲自發(fā)輻射受激吸收基態(tài)能帶泵浦能帶980nm1480nm亞穩(wěn)態(tài)能帶1550nm130第一百三十頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日EDFA工作原理及其特性在摻鉺離子的能級圖中，E1是基態(tài)，E2是中間能級，E3代表激發(fā)態(tài)。若泵浦光的光子能量等于E3與E1之差，鉺離子吸收泵浦光后，從E1升至E3。但是激活態(tài)是不穩(wěn)定的，激發(fā)到E3的鉺離子很快返回到E2。若信號光的光子能量等于E2和E1之差，則當處于E2的鉺離子返回E1時則產(chǎn)生信號光子，這就是受激發(fā)射，結(jié)果使信號光得到放大。131第一百三十一頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日為了提高放大器的增益，應(yīng)盡可能使基態(tài)鉺離子激發(fā)到激發(fā)態(tài)能級E3。從以上分析可知，能級E2和E1之差必須是需要放大信號光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必須保證使鉺離子從基態(tài)E1躍遷到激活態(tài)E3。

EDFA的增益特性與泵浦方式及其光纖摻雜劑有關(guān)。可使用多種不同波長的光來泵浦EDFA，但是0.98m和1.48m的半導(dǎo)體激光泵浦最有效。使用這兩種波長的光泵浦EDFA時，只用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得高達30~40dB的放大器增益。泵浦光是如何將

能量轉(zhuǎn)移給信號的132第一百三十二頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日EDFA各部分作用(1)摻鉺光纖 光纖放大器的關(guān)鍵部件是具有增益放大特性的摻鉺光纖，因而使摻鉺光纖的設(shè)計最佳化是主要的技術(shù)關(guān)鍵。EDFA的增益與許多參數(shù)有關(guān)，如鉺離子濃度、放大器長度、芯徑以及泵浦光功率等。(2)泵浦源 對泵浦源的基本要求是高功率和長壽命。它是保證光纖放大器性能的基本因素。幾個波長可有效激勵摻鉺光纖。最先使用1480nm的InGaAs多量子阱(MQW)激光器，其輸出功率可達100mW，泵浦增益系數(shù)較高。隨后采用980nm波長泵浦，效率高,噪聲低，現(xiàn)已廣泛使用。133第一百三十三頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日(3)波分復(fù)用器

其作用是使泵浦光與信號光進行復(fù)合。對它的要求是插入損耗低，因而適用的WDM器件主要有熔融拉錐形光纖耦合器和干涉濾波器。(4)光隔離器

在輸入、輸出端插入光隔離器是為了抑制光路中的反射，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、降低噪聲。對隔離器的基本要求是插入損耗低、反向隔離度大。EDFA各部分作用134第一百三十四頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日1、同向泵浦泵浦光與信號光從同一端注入摻鉺光纖。輸出功率最小，噪聲性能好。2、反向泵浦泵浦光與信號光從不同的方向輸入摻雜光纖，兩者在摻鉺光纖中反向傳輸。輸出信號功率高，噪聲最大。3、雙向泵浦為了使摻鉺光纖中的鉺離子能夠得到充分的激勵，必須提高泵浦功率。輸出信號功率比單泵浦源高3dB，且放大特性與信號傳輸方向無關(guān)。泵浦源的分類第一百三十五頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日136第一百三十六頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日摻鉺光纖放大器的優(yōu)缺點

EDFA之所以得到迅速的發(fā)展，源于它的一系列優(yōu)點： (1)工作波長與光纖最小損耗窗口一致，可在光纖通信中獲得廣泛應(yīng)用。 (2)耦合效率高。因為是光纖型放大器，易于光纖耦合連接，也可用熔接技術(shù)與傳輸光纖熔接在一起，損耗可降至0.1dB，這樣的熔接反射損耗也很小，不易自激。137第一百三十七頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日(3)能量轉(zhuǎn)換效率高。激光工作物質(zhì)集中在光纖芯子，且集中在光纖芯子中的近軸部分，而信號光和泵浦光也是在近軸部分最強，這使得光與物質(zhì)作用很充分。(4)增益高，噪聲低。輸出功率大，增益可達40dB，輸出功率在單向泵浦時可達14dBm，雙向泵浦時可達17dBm，甚至可達20dBm，充分泵浦時，噪聲系數(shù)可低至3~4dB，串話也很小。138第一百三十八頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日(5)增益特性不敏感。首先是EDFA增益對溫度不敏感，在100°C內(nèi)增益特性保持穩(wěn)定，另外，增益也與偏振無關(guān)。(6)可實現(xiàn)信號的透明傳輸，即在波分復(fù)用系統(tǒng)中可同時傳輸模擬信號和數(shù)字信號，高速率信號和低速率信號，系統(tǒng)擴容時，可只改動端機而不改動線路。139第一百三十九頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日EDFA也有固有的缺點：(1)波長固定，只能放大1.55μm左右的光波，換用不同基質(zhì)的光纖時，鉺離子能級也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波長有限，只能換用其他元素；(2)增益帶寬不平坦，在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來進行增益譜補償。140第一百四十頁，共一百五十八頁，編輯于2023年，星期日光纖拉曼放大器拉曼現(xiàn)象在1928年被發(fā)現(xiàn)。90年代早期，EDFA取代它成為焦點，F(xiàn)RA受到冷遇。摻鉺光纖放大器（EDFA）是光纖通信系統(tǒng)中的重要組成部分，目前廣泛使用的EDFA，單泵浦增益典型值為17dB，雙泵浦的為35dB，噪聲系數(shù)一般為57dB，帶寬為30nm，在帶寬內(nèi)的增益偏差為1dB。但是EDFA只能工作在1530~1564nm之間的C波段，為了滿足全波光纖工作窗口寬的需要，科學(xué)家們在尋求一種能夠與全波光纖工作窗口相匹配的光放大器，這就是光纖拉曼放大器。隨著光纖通信網(wǎng)容量的增加，對放大器提出新的要求，傳統(tǒng)的EDFA已很難滿