现代通信概论第五章

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1.光的反射与折射定律
当 折 >90时，折射光线会反射回到纤芯进行传 播，这种现象称为全反射。
入=反
sin 入 n2 sin 折 n1
包层 n2 纤芯 n1 入射光
θ折
折射光
θ入
θ反
反射光
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2.光纤中的全反射传输
调整入射角 ，使得折2>90度而发生全反射：
空气n0 θ折1
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5.4.1 光波分复用与光时分复用
• 在不增加线路投资的情况下，扩大系统容量 • 光波分复用（WDM） • 光时分复用（OTDM）
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1. 光波分复用
光波分复用：利用不同波长的光信号作为载波来 传输多路光信号。
λ1 λ2 λ1+λ2…+λn 合波器 光纤 分波器
λ1 λ2
……
λn
λn
……
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外腔调制（相干光调制）：把激光送入到外腔 调制器，然后用电数字信号控制调制器，适用于 高速激光器（LD）调制。外腔调制可选择调制光 波的频率或相位。
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4. 光中继器
光-电-光中继方式正在被光放大器取代，例如，
掺 铒 光 纤 放 大 器 （ EDFA: Erbium-Doped Fiber
Amplifier）可以放大1.55m波长附近的光信号，
θ折2 θ入 θ反
包层n2 纤芯n1
光 锥
θ θ
θ1
纤芯n1 包层n2
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5.2.3 光纤的传输特性
光纤的传输特性
传输损耗
色散
非线性效应
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1. 传输损耗
光纤传输损耗表现为随着传输距离的增加光功率 逐渐下降，主要原因是吸收和散射造成再加光纤 结构不完善导致。
Po 10 ( ) log( ) L Pi dB/km
按光缆中有无金属 有金属光缆、无金属光缆
按维护方式
充油光缆、充气光缆
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几种光缆的结构
裸光纤 裸光纤 套管填充 缆芯填充 涂敷层 紧套被覆层 芳纶纱加强元件 外护套 聚乙烯内护套 阻水材料 涂塑钢带 聚乙烯外护套 中心加强芯 填充绳 (a)室内单芯软光缆 被覆光纤 中心加强芯 薄膜绕包防水层 外护层 外护层 (b) 多芯地下直埋光缆 光缆缆芯 钢丝铠甲抗拉件 耐压层
(c) 中心强度结构无金属光缆
(d) 深海专用光缆
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5.3光纤通信系统
• 光纤通信系统是以光为载波，以光导纤维为传 输媒介来传输消息的通信系统。光纤通信系统 主要由电端机、光端机、光中继器和光缆组成。
光缆 光发送端 机 光 源 中继器 光缆 中继器 光 检 测 电接收端 机 信宿 光缆 光接收端 机
本章首先对光纤通信的发展历史做出回顾，然后对光纤 通信的特点进行说明，重点阐述光纤的结构、分类、光 波传输机理以及光纤通信系统各组成部分的工作原理。 最后，简要介绍了一些光纤通信新技术。
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5.1.1 光纤通信发展简史
•
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• •
1955年英国的卡帕尼博士，发明了用玻璃制做的光导纤维，应用 在医学上。 1960年，美国加州休斯实验室第一台固体红宝石激光器 1961年，美国贝尔实验室氦-氢气体激光器 1966年，高锟提出带有包层材料的石英玻璃光纤 1970年，美国康宁玻璃公司首次制成了损耗仅为20dB/km的低损 耗光纤 1970年，美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光器 1974年，美国贝尔实验室制造出1dB/km损耗的低损耗光纤。至 此制约光纤通信的两个关键问题，光源和传输媒介问题完全得到 解决。光纤通信的普及和推广获得了高速发展的基本条件。 1977年美国芝加哥率先开通了第一条45Mb/s的商用光纤通信系统。 目前，国际国内长途通信传输网的光纤化比例已经超过90%。
输入模块 交换矩阵 输出模块
╳
...
控制单元
...
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2. 光交换的基本功能器件—光开关
• 把光开关组成阵列，构成一个多级互联受控网 络，就可以实现光信号交换。
光放大器 控制电极 光信号通道 外调制器 输入光 输入 输出 λ 光探 测器 λ’ 输出光
激光器 (a ) 耦合波导开关 (b ) 波长转换器
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5.4.2 相干光通信
• 本振光源的频率与相位与发送光源要严格匹配， 否则会产生中频误差，导致判断出错。
数字信号 调制器 单模光 纤 fs 光混频 器 fL 发送端 光源 本振光 源 接收端 光电检 测 中放滤 波 数字信号 解调
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5.4.3 光孤子通信
• 光孤子是一种能在光纤中传输，并且长时间保 持形态、幅度和速度不变的光脉冲。因为它很 窄，所以可使邻近光脉冲间隔很小而不至于发 生重叠干扰，从而实现超长距离、超大容量光 通信。
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5.4.4 光交换技术
• 光交换是指不经过任何光/电转换，把输入端光 信号直接交换到不同输出端。 • 采用光交换技术不但可以克服电子交换的容量 瓶颈问题，实现网络的高速率和协议透明性， 而且可以提高网络的重构灵活性和生存性，大 量节省建网和网络升级成本。
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1. 光交换系统的组成
类似电交换，但交换的是光信号。
1. 光波分复用
ZXWM-32光传输系统双向传输示意图
OTM 光终端
OLA 光线路
OADM 光分插
OTM 光终端
三种机架
•光终端机架OTM •光线路放大机架（OLA） •光分插复用（OADM）机架
两种子架 •OTU子架 •OA子架
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2. 光波分复用的类型
• 根据光波分复用时波长间隔的大小可以将波分复用系统 分为三种类型：
现代通信概论
电子信息工程学院
霍炎 yhuo@bjtu.edu.cn
第5章 光纤通信系统
5.1 光纤通信概述 5.2 光纤与光缆 5.3 光纤通信系统 5.4 光纤通信新技术
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5.1 光纤通信概述
光纤通信是以光波作为载体，以光导纤维作为传输媒介 的一种通信技术。光纤通信以其宽带、大容量、低损耗、 长中继、抗电磁干扰、体积小、重量轻、便于敷设等优 点，成为当代长途通信最主要手段。
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本章小结和知识点
光纤通信的特点
光纤光缆的结构与分类 光在光纤中传输机理 光纤的传输特性 光纤通信系统的组成 光纤通信新技术：光波分复用、相干光通信、 光孤子通信、全光通信系统
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5.4 光纤通信新技术
• 超大容量、超长距离、超高速传输一直光纤通信新技术 的发展目标。
• 拓展光纤可用“窗口”的波长范围可以提高光纤带宽；
• 降低损耗系数() 可以增加光纤中继距离； • 光波分复用或光时分复用可以增大系统容量； • 相干光通信和光孤子通信也是研发热点。
本节将对其中的一些内容进行概要介绍。
信源
电发送端 机
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1. 电发送端机
• 把信源消息转换成电数字信号。
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2. 光发送端机
光源的调制有直接调制或外腔调制两种方式：
电信号
线路编 码
驱动电 路
LED
光信号
电信号
线路编 码
驱动电 路
外腔调制 器
光信号
控制电路 LD
控制电 路
(a) 直接调制
(b) 外腔调制
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3. 光端机的调制方式
直接调制（强-直调制）：利用电信号调制光波 的幅度，驱动电路输出“0”、“1”脉冲信号直接 控制光源的发光强度。适用于低速的半导体发光 二极管（LED）。
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5.1.2 光纤通信的特点
传输损耗小，中继距离长：1.55μm波长附近约 0.2-0.3dB/km，中继跨度百公里。 传输频带宽，通信容量大：单模光纤的潜在带 宽可达几十太赫兹（1012Hz） 抗电磁干扰，保密效果好 体积小、重量轻、便于运输和敷设 原材料丰富、节约有色金属、有利于环保 不足：光纤质地脆弱易断，敷设时的弯曲半径 不宜太小
式中是光波波长，L是光纤长度（km），Po 与Pi分别是光纤输出和输入端的光功率.
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2.色散
• 理想光源应是频率单一的单色光，但现实光源信号不 纯，含有不同的波长成分，在折射率为n1的光纤介质
中传输速度不同，从而导致光信号分量产生不同延迟，
这种现象称为光纤的色散。 • 具体表现为当光脉冲沿着光纤传输一定距离后脉冲宽 度展宽，严重时前后脉冲相互重叠，难以分辨。 • 有三个参数色散系数、最大时延差、光纤带宽系数
n(r)
n1 n1 n2 包层 2a 2b (a) 阶跃型光纤折射率分布图 n2 包层 n2
n(r)
n1 n2 包层
纤芯
纤芯
纤芯
包层
纤芯
r
2a 2b (b) 渐变型光纤折射率分布图
r
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5.2.2 光纤的导光原理
在光学理论中，当传输媒介的几何尺寸远大于 光波波长时，可以把光表示成其传播方向上的一 条几何线，称为光射线。用光射线来分析光传播 特性的方法，称为射线法。下面通过射线法来分 析光在阶跃型光纤中的导光原理。
可以分别从不同的角度来描述光纤色散的程度。
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光纤色散的类型
• 模式色散：在多模光纤中，因同一波长分量的各种传 导模式的相位不同、群速度不同而导致光脉冲展宽的 现象，称为模式色散（或模间色散）。 材料色散：由光纤材料自身特性造成的。 波导色散：由光纤中的光波导结构引起的。 多模光纤主要考虑模式色散，单模光纤主要考虑材料 色散和波导色散。
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5.2 光纤与光缆
• • • 光纤的结构 光纤的分类 光纤的折射率径向分布图
•
光纤的导光原理
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5.2.1 光纤的结构
光纤是多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯、包层、涂覆层，称为裸纤。 包层外面涂覆一层硅酮树脂或聚氨基甲酸乙酯，然后增加保护套加以保 护。 纤芯和包层是高纯度石英材料，包层折射率略低于纤芯，与纤芯一起 形成光的全反射通道，使光波的传输局限于纤芯内。
把输入/输出的光路接通或断开
把波长转换为波长’
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5.4.5 全光通信网
• 全光通信网简称全光网，是指信号在网络传输 和交换的过程中始终以光的形式出现的一种通 信网，消除“电光瓶颈”现象。 • 全光网络具有良好的透明性、开放性、兼容性、 可靠性和可扩展性，并能提供巨大的带宽、超 大容量、极高的处理速度、较低的误码率，网 络结构简单，组网非常灵活，可以随时增加新 节点而不需要电交换和处理设备。
• • •
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3.非线性效应
• 非线性效应在波分复用信道间产生串话和功率 降低代价，限制光纤通信的传输容量和最大传 输距离，影响系统的设计参数。 • 光纤中的非线性效应分为两类 • 非弹性过程 • 弹性过程
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5.2.4 光缆
分类方法 按用途 按敷设方式 按传输模式 按结构 按外护套结构 光缆种类 长途光缆、短途中继光缆、室内光缆、混合光缆 直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆 单模光缆、多模光缆（阶跃型、渐变型） 层绞式、骨架式、大束管式、带式、单元式 无铠装、钢带铠装、钢丝铠装
阶跃型光纤、渐变型光纤
按照传输模式
单模光纤、多模光纤
按照工作波长
短波长光纤、长波长光纤、超长波长光纤
按照ITU-T建议
G.651渐变多模光纤、G.652标准单模光纤、G.653色散位移单模光纤 、G.654最佳性能单模光纤、G.655非零色散位移单模光纤、全波光纤
5.2.3 光纤的折射率径向分布图
适用于长途越洋光通信系统。
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5. 光接收端机
将光纤传输过来的微弱光信号，经光检测器转变为电信 号，然后再经放大电路放大到足够的电平，送到电接收 端机去。
前置放大 光信号 光检测器 均衡器 判决器 主放大 再生 码流
AGC 电路 时钟提 取
Байду номын сангаас电信号
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6.电接收端机
• 电接收端机接收判决器输出的再生码元数据流， 并还原为信宿可接收的形式。
• 密集波分复用（DWDM）：波长间隔1~10nm
• 稀疏波分复用（CWDM）：波长间隔10~100nm • 光频分复用（OFDM）：波长间隔<1nm（未获实用）
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3. 光时分复用
• 类似电脉冲信号的时分复用，光时分复用是把 低速的光脉冲信号复合在一起，形成超高速光 脉冲信号的一种技术。实现OTDM的基本技术 主要包括超短光脉冲（10ps以下）发生技术、 全光时分复用/去复用技术、超高速光定时提取 技术等。
涂敷层 包层直径2b 包层 125μm 纤芯 5~10μm 包层 125μm 纤芯 50~70μm
2b
纤芯直径2a
2b
(a) 裸纤的结构
单模光纤 多模光纤 (b)光纤的尺寸
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2a
2a
5.2.2 光纤的结构
按照材料的成分
全石英系列光纤、多组分玻璃纤维、塑料包层石英芯光纤、全塑料光 纤
按照折射率的分布