第2章+光纤通信技术

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1、第2章光纤通信技术2.1光纤通信的发展与现状2.2光纤通信系统及其应用2.3光纤通信系统的主要光器件2.4光放大技术2.5多信道光波系统2.6相干光通信系统2.7光弧子通信系统2.8准同步数字体系(PDH)2.9光同步数字传送体系(SDH)思考与练习2.1光纤通信的发展与现状光纤通信技术的发展趋势可概括为以下5个方面。1.继续增大通信容量和传输距离继续改进常规的强度调制/直接检测（IM/DD）的光通信系统技术。2.光同步数字体系（SDH）得到了迅速应用和发展SDH统一了不同数字通信标准，采用同步数字体系网络节点接口（NNI）后有利于国内外通信互连和发展，从而增强了系统

2、效能。3.宽带业务本地用户光纤网和异步转移模式（ATM）引起了世界的重视通信网中本地用户系统的建设费用约占总费用的30%以上。4.光电集成技术迅速发展光纤通信技术的发展与光电集成技术息息相关，相辅相成。随着科技的发展，光通信不仅将在通信的传输部分而且将在交换部分起着主要作用，特别是光子技术的发展将使通信面貌发生巨大的变化。5.全光通信技术发展迅速为了充分发挥光纤通信网的高速大容量的通信能力，避免在传输节点上有大量的电子处理过程造成的电子瓶颈限制，近几年将在光节点交换技术(如光交叉连接器(OXC)、光分插复用器(OADM)、光包交换设备)上投入大量研究，并逐步实用化。2

3、.2光纤通信系统及其应用目前实用的光纤通信系统大多采用强度调制/直接检测（IM/DD-IntensityModulation/DirectDetection）方式。强度调制是指在发送端用所传的电信号去改变光信号的强度；直接检测是指在接收端用光检测器把调制的光波变为原来的电信号。光纤通信系统的原理方框图如图2-1（a）所示。图中仅表示了一个方向的传输，反方向的传输结构是相同的。图2-1光纤通信系统方框图（a）单信道O-E-O中继数字通信系统；（b）单信道O-O中继数字通信系统图2-1中，电发送机的作用是对来自信源的信号进行处理，例如模/数（A/D）变换，多路复用等处理，

4、它是一般的电通信设备。图2-2光发送机原理框图电信号对光的调制有两种方式：一是在光源(如激光器)上，直接加上电信号对光源进行调制，使其产生随电信号变化的光信号，这种方法称为直接调制，是一种最为简单的方法，也是最常用的方法；二是利用物质的电光、声光、磁光等效应对光波进行调制，这种调制方法的调制器在光源外部，当光从光源射出以后，在其传输通道上被一调制器调制。光检测器是光端机接收端的主要部件，其原理框图如图2-3所示。图2-3数字光接收机原理方框图正是这种巨大带宽潜力，推动光纤通信系统在全球的开发与应用。目前主要有以下三类应用：（1）电信应用：用于遍及全球的电信通信网中的数

5、字语言通信。（2）数据通信：早期主要用于局部区域网中的计算机数据和传真信息的传输，距离一般较短，速率较低。（3）视频图像通信：用于广播电视与共用天线（CATV）系统中，传送宽带高质量图像。2.3光纤通信系统的主要光器件2.3.1光纤光纤是光纤通信的传输媒质，由纯石英经复杂工艺拉制而成。它属于介质波导，从横截面上看基本由三部分组成，即折射率较高的芯区，折射率较低的包层和表面涂层，如图2-4所示。图2-4阶跃型光纤与渐变型光纤的横截面图和折射率分布（a）阶跃型光纤；（b）渐变型光纤根据芯区折射率径向分布的不同，可分为阶跃型光纤、渐变型光纤。另外，还有三角形折射率分布光纤和

6、W型折射率分布光纤等。目前通信上使用的光纤可分为阶跃型多模光纤（SIF）、渐变型多模光纤（GIF）、单模光纤（SMF）。三种光纤的主要区别见表2-1。表2-1三种光纤的主要区别损耗和色散是光纤的两个重要传输常数。光纤的损耗可以用衰减系数α表示，一般情况下，信号在光纤中传输时所受衰减可用下式定义：（2-1）式中，P为光功率，α不仅包括材料吸收，也包括其它功率衰减，并与光频率和波长有关，若设输入功率为Pi，则由上式可知,经过长为L的光纤传输后的输出功率为Po=Pie-αL(2-2）上式也可以写成（2-3）一般α以dB/km为单位，并称为光纤损耗系数。图2-5单模光纤的损耗

7、谱特性设频率为ω的一光谱分量经过长为L的单模光纤时，其时延为T=L/vg，vg为群速度，定义为vg-1=dβ/dω（2-4）利用传播常数β与有效折射率的关系：，可得vg=1/ng，ng为群折射率，（2-5）由于光脉冲包含许多频率分量，因而群速度的频率相关性导致了脉冲传播过程中展宽，不再同时到达光纤的输出端。设光脉冲的谱宽为Δω，则脉冲的展宽程度可由下式决定：（2-6）光波系统中，Δω决定光源发射的波长范围，常用Δλ代替Δω。利用ω=2πc/λ和Δω=(-2πc/λ2)Δλ，则式（2-6）可变为（2-7）（2-8）式中群速色散对比特率的影响可利用不产生