第五章 光纤通信(32刘)

放大 器
检测 器
5.3 光纤通信系统
5.3.4 光中继器
随着传输线路的延长，会由于传输损耗而使脉冲
衰减，同时加上传输线路的失真特性（光纤中的 各种色散）产生脉冲波型的失真。
光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是
光-电-光转换形式的中继器，另一种是在光信号 上直接放大的光放大器。
35
5.3 光纤通信系统
通常把光信号间隔较大（几十个纳米）的复用称为
光波分复用（WDM）；而把在同一窗口中信道间隔较 小（纳米级、零点几个纳米级）的WDM称为密集波分
复用（DWDM）。
5.4 光波分复用（WDM）
5.4.2 波分复用系统的基本形式
1.双纤单向传输
单向WDM是指所有光波长同时在一根光纤上沿 同一方向传送（如图所示），在发送端将载有各种信 息的、具有不同波长的已调光信号λ1，λ2，λ3，λ4，…， λn通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传 输。 在接收端光解复用器将不同波长的信号分开，完 成多路光信号传输的任务。
5.1 概述
由于当时没有理想的光源和传输介质， 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。
5.1 概述
光源的发展
• 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，亮度极高的
良好特性。激光是一种高度相干光，它的特性和无线 电波相似，是一种理想的光载波。 激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信 进入一个崭新的阶段。
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现代移动通信网络技术
5.2 光纤
5.2.1 光纤的结构和分类
光纤由纤芯和包层两部分组成，纤芯完成光信
号的传输，包层是为了将光信号封闭在纤芯中并保
护纤芯。
纤芯和包层的折射率不同，设纤芯、包层的折 射率分别为n1、n2，则n1>n2。
纤芯
包层
保护套
5.2 光纤
（1）根据光纤横截面上折射率分布的不同，分为阶 跃型光纤和渐变型光纤。
等也是光纤传输损耗的因素。

吸收损耗：因为光波在传输中有一部分光能转变为
热能，造成光功率的损失；

散射损耗：因为材料折射率不均匀或有缺陷、光
纤表面畸形或粗糙等原因造成的。
5.1 概述
光纤通信的工作窗口
光纤的损耗随着波长而变化，为获得低损耗特性，
光纤通信选用的波长范围在 0.8～1.8μm，并称
0.8～1.0μm为短波长波段，1.0～1.8μm为长波长波
光通信——光纤通信的基础。
5.1 概述
当时石英纤维的损耗高达1000dB/km以上，高锟
等人指出：这样大的损耗不是石英纤维本身固有的
特性，而是由于材料中的杂质，例如过渡金属离子
的吸收产生的。材料本身固有的损耗基本上由瑞利
散射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。
因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离
其中：λ为电磁波的波长，其物理含义是电磁波在 时间上变化一周，其波前在空间变化一周所行进的长 度；c为光波在自由空间中传播的速度，其值为
3×108m/s；f 为电磁波的频率，其物理含义是交变电
磁波在单位时间（每秒）变化的周期数。 光波的频率一般可达到1013-1014 Hz，对应的波 长在10-100000 nm之间。
段。
第一代系统：波长0.85μm，最低损耗2.5dB/km；
第二代系统：波长1.31μm，最低损耗0.27dB/km；
第三代系统：波长1.55μm，最低损耗0.16dB/km。
6
5
4 3
第一窗口
2
0 。4 0 。2
1525~1565nm
第二窗口 第三窗口
1
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。
5.1 概述
5.1.2 光纤通信的概念
光纤通信是以光波为载波、光导纤维（简称光纤） 为传输媒质的一种通信方式。
光波实际上是一高频(1014
Hz)的电磁波。
在讨论高频电磁波时，我们习惯采用波长来代替频
率描述。波长与频率的关系为：

c f
5.1 概述
c f
5.1 概述
5.1.3 光纤通信的特点 ① 传输频带宽，通信容量大。 ② 传输损耗低，中继距离长。 ③ 抗电磁干扰。
④ 保密性强，无串话干扰。
⑤ 线径细（0.1mm），重量轻。
⑥ 资源丰富。
第五章 光纤通信
5.1 概述
5.2 光纤
5.2.1 光纤的结构和分类
5.2.2 光纤的传输特性
5.3 光纤通信系统 5.4 光波分复用（WDM）
接进行光频检测，以获得相应的电信号。
5.3 光纤通信系统
5.3.2 光发射机 光发射机是实现电/光转换的光端机。由光源、驱 动器和调制器组成。
驱动电路 电信号输入
光输出
光
源
调制器
通道耦合器
其功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。
5.1 概述
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。
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。
5.1 概述
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
37
第五章 光纤通信
5.1 概述
5.2 光纤
5.3 光纤通信系统的组成
5.4 光波分复用（WDM）
5.4.1 波分复用系统的概念 5.4.2 波分复用系统的基本形式 5.4.3 波分复用系统的特点
38 现代移动通信网络技术
5.4 光波分复用（WDM）
5.4.1 波分复用系统的概念 WDM的概念：在一芯光纤中同时传输多波长光
第五章 光纤通信
5.1 概述
5.2 光纤
5.3 光纤通信系统
5.3.1 光纤通信系统的组成
5.3.2 光发射机
5.3.3 数字光接收机
5.3.4 光中继器
5.4 光波分复用（WDM）
29 现代移动通信网络技术
5.3 光纤通信系统
5.3.1 光纤通信系统的组成 光纤通信系统由光发射端机、光纤、光中继器和光 接收端机组成，见下图所示。
19
现代移动通信网络技术
5.2 光纤 4.2
（2）根据光纤中传输模式（模式是指电磁场的分布
形式）数量的不同，分为单模光纤和多模光纤。
高次模
基模
低次模
横截面
折射率分布 r
输入脉冲 Ai 纤芯
光线传播路径 包层
输出脉冲 Ao
(a)
2b
2a n t r Ai Ao t
(b)
125m
50 m
n t r Ai Ao t
导致问题：信号波形畸变，表现为脉冲展宽，产生
码间干扰，增加误码率。限制带宽，影响通信容量
和传输速率。
光纤的色散主要有模式色散、材料色散和波导色散。 模式色散：不同模式的光传输途径不同，速度不同所
引起的色散。
材料色散：由于光纤材料本身的折射指数随波长而变
化引起的色散。
波导色散：光纤的几何结构不完善引起的色散。
• 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到 4 dB/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 0.47 dB/km 。
5.1 概述
光纤通信用光源的进展 • 1970 年，研制成功室温下连续振荡的半导体激光 器。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器 的发展奠定了基础。 • 1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。 • 1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达 到10万小时。 由于光纤和半导体激光器的技术进步，使1970
欧洲人用旗语传送信息。
• 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”。
5.1 概述
•
在发送端，利用太阳光或弧光灯作光源，通过透镜把光
束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的变化 而变化，实现话音对光强度的调制。
•
在接收端，用抛物面反射镜把从大气传来的光束反射到
硅光电池上，使光信号变换为电流，传送到受话器。
的距离和稳定性都受到极大的限制。
由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对 光通信的研究曾一度走入了低潮。
5.1 概述
传输介质--光纤的发展 1966年，英籍华裔学者高锟和霍克哈姆发表了关 于传输介质新概念的论文，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
(c)
125m
～ 10 m
n t t
(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤
5.2 光纤
5.2.2 1.损耗 光纤的传输特性
光波在光纤中传输，光功率随着传输距离的增
加而减小，这种现象称为光纤的传输损耗。
光纤的传输损耗是影响系统传输距离的重要因
素。
5.2 光纤
光纤自身的损耗主要有吸收损耗和散 普通单模光纤的衰减随波长变化示意图
25 现代移动通信网络技术
5.2 光纤
5.2.2 光纤的传输特性 2.色散 光脉冲信号经光纤传输，到达输出端会发生时间 上的展宽，这种现象称为色散。色散的大小用时延 差（Δτ）表示。