第5章 光纤传输网技术
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形，最后电接收机完成对这些电信号的处理，从中提取出信息并以可用 的形式（音频、视频或数据输出）来表示信息。
§5.1 光纤通信
邯郸学院
中国共产党党员常成
5.1.2 光纤的导光原理 光纤是利用光的全反射特性来导光的。 反射定律&折射定律 光密介质&光疏介质 全反射：折射角为0°（光可以保持在纤芯内） 全反射条件：入射角 1 c arcsin(n2 / n1) 光纤导光原理：阶跃型光纤 如图5-6所示
图5-19 数字交叉连接设备功能图
SDXC可将输入的m路STM-N信号交叉连接到输出的n路STM-N信 号上，图5-19表示有m条入光纤和n条出光纤。
§5.2 SDH光传输网
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5.2.1 SDH的基本概念和特点 1.SDH的基本概念
通常用SDXC m/n来表示一个SDXC的类型和性能（注 m≥n），m表示可接入SDXC的最高速率等级，n表示在交叉 矩阵中能够进行交叉连接的最低速率级别。m越大表示 SDXC的承载容量越大；n越小表示SDXC的交叉灵活性越大 。m和n的相应数值的含义见表5.2-1。
§5.1 光纤通信
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5.1.3 光纤的传输特性 损耗特性和色散特性是光纤的两个主要传输特性。
1.光纤的损耗 光纤自身的损耗大致包括两类：吸收损耗和散射损耗
。 吸收损耗：光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能 ，造成光功率的损失。 散射损耗：光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了 在光的传播方向以外，在其它方向也可以看到光。
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第5章 光纤传输网技术
机电学院共产党员：常成
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中国共产党党员常成
1
光纤通信
2
SDH光传输网
§5.1 百度文库纤通信
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中国共产党党员常成
5.1.1 基本概念 光纤通信：以光波为载波，以光导纤维为传输介质。
1.光纤通信的发展历程 光波三大性质：1）直线传播性；2）反射性；3）折
表5.2-1 m、n 数值与速率对应表
§5.2 SDH光传输网
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5.2.1 SDH的基本概念和特点 1.SDH的基本概念
由上述四种网络单元构成的SDH系统如图5-20所示。 图中示出了再生段、复用段和通道的划分。
图5-20 SDH系统
§5.2 SDH光传输网
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中国共产党党员常成
5.2.2 SDH的速率与帧结构 1.SDH的速率
SDH信号以同步传输模块（STM）的形式传送。SDH信 号最基本的同步传输模块是STM-1。更高等级的STM-N信号 是将STM-1经字节间插同步复接而成。其中，N是正整数。 目前SDH仅支持N=1，4，16，64。
ITU-T G.707建议规范的SDH标准速率如表5.2-2所示 。
表5.2-2 SDH标准速率
等级 STM-1 STM-4 STM-16 STM-64
速率 （Mbit/s） 155.520 622.080 2488.320 9953.280
§5.2 SDH光传输网
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中国共产党党员常成
5.2.2 SDH的速率与帧结构 2.帧结构
STM-N信号帧结构的安排应尽可能使支路低速信号在一帧内 均匀地、有规律的分布。
SDH信号帧传输的原则是：帧结构中的字节（8bit）从左到右 ，从上到下一个字节一个字节（一个比特一个比特）的传输，传完 一行再传下一行，传完一帧再传下一帧。
ITU-T规定对于任何级别的STM等级，帧频是8000帧/秒（即每 秒传送8000帧），也就是帧长或帧周期恒定为125μ s。
§5.2 SDH光传输网
§5.1 光纤通信
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5.1.1 基本概念 3.数字光纤通信系统的组成
数字光纤通信系统由发送设备、传输信道和接收设备 三大部分构成。
实用数字光纤通信系统都采用数字编码、强度调制— 直接检波方式（IM/DD）。强度调制是利用数字电脉冲信号 直接调制光源的光强度或光功率，使光强度与数字电脉冲信 号电流成线性变化。直接检波是把光脉冲信号通过光接收机 还原成数字电脉冲信号。
ADM是SDH最重要的一种网元，通过它可等效成其它网 元，即能完成其它网元的功能。
§5.2 SDH光传输网
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5.2.1 SDH的基本概念和特点 1.SDH的基本概念 （3）再生中继器（REG）
再生中继器（REG）是光中继器，它是双端口器件， 只有两个线路端口W和E，如图5-18所示。其作用是将光纤 长距离传输后受到较大衰减及色散畸变的光脉冲信号转变 成电信号后进行放大整形、再定时、再生为规划的电脉冲 信号，再调制光源变换为光脉冲信号送入光纤继续传输， 以延长传输距离。
ITU-T规定了STM-N的帧是以字节（Byte，1B=8bit）为单位的 矩形块状的帧结构，如图5-24所示。
图5-24 SDH帧结构
§5.2 SDH光传输网
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5.2.2 SDH的速率与帧结构 2.帧结构
从上图可以看出STM-N的信号是9行×270×N列的帧结构。此 处的N与STM-N的N相一致，取值范围为1，4，16，64……。表示此 信号由N个STM-1信号通过字节间插复用而成。由此可知，STM-1信 号的帧结构是9行×270列的块状帧，由上图可以看出，当N个STM-1 信号通过字节间插复用成STM-N信号时，仅仅是将STM-1信号的列按 字节间插复用，行数恒定为9行。
§5.2 SDH光传输网
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5.2.1 SDH的基本概念和特点 1.SDH的基本概念
终端复用器的作用是将支路端口的低速信号STM-M复 用到线路端口的高速信号STM-N中，或从STM-N的信号中分 出低速支路信号。 （2）分插复用器（ADM）
分插复用器用于SDH传输网络的转接站点处，如图517所示。
图5-17 分插复用器
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5.2.1 SDH的基本概念和特点 1.SDH的基本概念
ADM有两个线路端口和一个支路端口。两个线路端口 各接一侧的光缆（每侧收/发共两根光纤），为了描述方 便将其分为西向（W）、东向（E）两个线路端口。
ADM的作用是将低速支路信号交叉复用进东或西向线 路上去，或从东或西侧线路端口收到的线路信号中拆分出 低速支路信号。
§5.1 光纤通信
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5.1.4 光端机 2）半导体发光二极管（LED）的特性
LED与LD的差别是它没有光学谐振腔，不能产生激光，它 是无阈值器件，靠自发辐射发光，产生的是荧光。由于LED是 无阈值器件，其P—I曲线具有较好的线性特性，如图5-10所 示。这使它具有较好的温度特性，使用中可以不加温控电路。
§5.1 光纤通信
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5.1.4 光端机
①阈值特性 对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光
功。率当I将＜ 急剧I t增时加，，激这光时器将发产出生的激是光荧振光荡；，当该I电＞流值I t 称时为，阈激值光电器流才发I t
出激光。如图5-7所示曲线即是半导体激光器的输出特性曲线。为 了使光纤通信系统稳定可靠地工作，希望阈值电流越小越好。
图5-8 GaAs激光器的光谱
§5.1 光纤通信
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5.1.4 光端机
③温度特性 激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性称为温度
特性。由图5-9可以看出，温度对激光器的阈值电流影响很大，所 以，为了使光纤通信系统稳定、可靠地工作，一般都要采用各种自 动温度控制电路。
图5-9 激光器阈值电流随温度的变化
图5-18 再生中继器
§5.2 SDH光传输网
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5.2.1 SDH的基本概念和特点 1.SDH的基本概念 （4）SDH数字交叉连接设备（SDXC）
数字交叉连接设备主要完成STM-N信号的交叉连接功能，它是 一个多端口器件，它实际上相当于一个交叉矩阵，完成各个信号间 的交叉连接。
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5.2.2 SDH的速率与帧结构 2.帧结构
从图5-24可以看出，STM-N的帧结构由3部分组成：段开销（ SOH），包括再生段开销（RSOH）和复用段开销（MSOH）；管理单 元指针（AU-PTR）；信息净负荷（payload）区域。 （1）信息净负荷（payload）区域
色散的大小用时延差△τ 表示，时延差越大，色散越 严重。
§5.1 光纤通信
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5.1.4 光端机 光端机指光发射机和光接收机。
1.光发射机 （1）光源
光发射机的作用是将电信号转换成光信号。 光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器（LD）和 半导体发光二极管（LED）两种。 1）半导体激光器（LD）特性 半导体激光器属于半导体二极管的范畴，除具有二极 管的一般特性以外（如伏安特性），还应具有特殊的光频 特性。
§5.1 光纤通信
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5.1.3 光纤的传输特性 2.光纤的色散
光纤的色散就是由于光纤中光信号中的不同频率成分 或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度的不同而使得 传播时间不同，因此造成光信号中不同频率成分或不同模 式到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象 。
由于光纤中存在色散，使得输入脉冲在传输过程中展 宽，产生码间串扰，增加误码率，这样就限制了通信容量 和传输距离。
信息净负荷区域是帧结构中存放各种信息负载的地方。通道 开销（POH）作为净负荷的一部分与信息码块装载在STM-N上在SDH 网中传送，它负责对低速信号进行通道性能监视、管理和控制。需 要注意的是，信息净负荷并不等于有效负荷，因为信息净负荷中存 放的是经过打包的低速信号，即在低速信号中加上了相应的通道开 销（POH）。 （2）段开销（SOH）
图5-7 激光器输出特性曲线
§5.1 光纤通信
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5.1.4 光端机
②光谱特性
半导体激光器的光谱，随着激励电流变化而变化。当 I It
时，发出的是荧光，因此，光谱很宽，如图5-8(a)所示，其宽度常
达数百埃（
1nm
10埃=10
0
A）。当
I
It
后，发射光谱突然变窄，
谱线中心强度急剧增加，表明发出激光，如图5-8(b)所示。
射性。
图5-2 光通信系统组成框图（声音信号）
§5.1 光纤通信
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5.1.1 基本概念 2.光纤通信的特点
在光纤通信中起主导作用的是产生光波的激光器和传 输光波的光导纤维。
光纤通信的优点： （1）传输频带很宽，通信容量大； （2）中继距离长； （3）抗电磁干扰； （4）保密性好，无串话干扰； （5）节约有色金属和原材料； （6）线径细，重量轻。
SDH是由一些基本网络单元（NE）组成，在信道上进行同步信 息传输、复用和交叉连接的网络。目前实际应用的基本网络单元有 四种，即终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、再生中继器 （ REG）和SDH数字交叉连接设备（SDXC）。 （1）终端复用器（TM）
终端复用器用在网络的终端站上，例如一条链的两个端点上 ，它是一个双端口器件，如图5-16所示。
对于长距离的数字光纤通信系统，还需要中继器，其 作用是将经过长距离光纤衰减和畸变后的微弱光信号放大、 整形，再生成具有一定强度的光信号，继续送向前方以保证 良好的通信质量。
§5.1 光纤通信
5.1.1 基本概念 3.数字光纤通信系统的组成
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要传输的信息首先进入电发射机，电发射机的作用是对输入信息进 行处理以便用于发送——将信息转换为电信号的形式，并进行调制和多 路复用。然后，信号发送至光发射机，光发射机[包括激光器（LD）或发 光二极管（LED）]将电信号转换成光的形式并且这些光信号在光纤中传 输。在接收端，光接收机（包括光电检测器PIN）的作用是实现光/电转 换，即把来自光纤的光信号还原成电信号，经放大、整形、再生恢复原
图5-10 发光二极管的P-I特性
§5.1 光纤通信
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5.1.4 光端机 （2）光发射机的组成
光发射机主要包括两大部分：输入电路（输入盘）和 电光转换电路（发送盘）。
图5-12 光发射机的原理方框图
§5.1 光纤通信
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5.1.4 光端机 2.光接收机
光接收机中实现将光信号转换为电信号的器件称为光 电检测器。光电检测器是利用材料的光电效应来实现光电 转换的。
§5.2 SDH光传输网
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目前，传输网的技术体制主要有采用时分复用方式的准同步 数字系列（PDH）和同步数字系列（SDH）。 5.2.1 SDH的基本概念和特点 1.SDH的基本概念
§5.1 光纤通信
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5.1.2 光纤的导光原理 光纤是利用光的全反射特性来导光的。 反射定律&折射定律 光密介质&光疏介质 全反射：折射角为0°（光可以保持在纤芯内） 全反射条件：入射角 1 c arcsin(n2 / n1) 光纤导光原理：阶跃型光纤 如图5-6所示
图5-19 数字交叉连接设备功能图
SDXC可将输入的m路STM-N信号交叉连接到输出的n路STM-N信 号上，图5-19表示有m条入光纤和n条出光纤。
§5.2 SDH光传输网
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5.2.1 SDH的基本概念和特点 1.SDH的基本概念
通常用SDXC m/n来表示一个SDXC的类型和性能（注 m≥n），m表示可接入SDXC的最高速率等级，n表示在交叉 矩阵中能够进行交叉连接的最低速率级别。m越大表示 SDXC的承载容量越大；n越小表示SDXC的交叉灵活性越大 。m和n的相应数值的含义见表5.2-1。
§5.1 光纤通信
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5.1.3 光纤的传输特性 损耗特性和色散特性是光纤的两个主要传输特性。
1.光纤的损耗 光纤自身的损耗大致包括两类：吸收损耗和散射损耗
。 吸收损耗：光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能 ，造成光功率的损失。 散射损耗：光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了 在光的传播方向以外，在其它方向也可以看到光。
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第5章 光纤传输网技术
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光纤通信
2
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§5.1 百度文库纤通信
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5.1.1 基本概念 光纤通信：以光波为载波，以光导纤维为传输介质。
1.光纤通信的发展历程 光波三大性质：1）直线传播性；2）反射性；3）折
表5.2-1 m、n 数值与速率对应表
§5.2 SDH光传输网
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5.2.1 SDH的基本概念和特点 1.SDH的基本概念
由上述四种网络单元构成的SDH系统如图5-20所示。 图中示出了再生段、复用段和通道的划分。
图5-20 SDH系统
§5.2 SDH光传输网
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5.2.2 SDH的速率与帧结构 1.SDH的速率
SDH信号以同步传输模块（STM）的形式传送。SDH信 号最基本的同步传输模块是STM-1。更高等级的STM-N信号 是将STM-1经字节间插同步复接而成。其中，N是正整数。 目前SDH仅支持N=1，4，16，64。
ITU-T G.707建议规范的SDH标准速率如表5.2-2所示 。
表5.2-2 SDH标准速率
等级 STM-1 STM-4 STM-16 STM-64
速率 （Mbit/s） 155.520 622.080 2488.320 9953.280
§5.2 SDH光传输网
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5.2.2 SDH的速率与帧结构 2.帧结构
STM-N信号帧结构的安排应尽可能使支路低速信号在一帧内 均匀地、有规律的分布。
SDH信号帧传输的原则是：帧结构中的字节（8bit）从左到右 ，从上到下一个字节一个字节（一个比特一个比特）的传输，传完 一行再传下一行，传完一帧再传下一帧。
ITU-T规定对于任何级别的STM等级，帧频是8000帧/秒（即每 秒传送8000帧），也就是帧长或帧周期恒定为125μ s。
§5.2 SDH光传输网
§5.1 光纤通信
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5.1.1 基本概念 3.数字光纤通信系统的组成
数字光纤通信系统由发送设备、传输信道和接收设备 三大部分构成。
实用数字光纤通信系统都采用数字编码、强度调制— 直接检波方式（IM/DD）。强度调制是利用数字电脉冲信号 直接调制光源的光强度或光功率，使光强度与数字电脉冲信 号电流成线性变化。直接检波是把光脉冲信号通过光接收机 还原成数字电脉冲信号。
ADM是SDH最重要的一种网元，通过它可等效成其它网 元，即能完成其它网元的功能。
§5.2 SDH光传输网
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5.2.1 SDH的基本概念和特点 1.SDH的基本概念 （3）再生中继器（REG）
再生中继器（REG）是光中继器，它是双端口器件， 只有两个线路端口W和E，如图5-18所示。其作用是将光纤 长距离传输后受到较大衰减及色散畸变的光脉冲信号转变 成电信号后进行放大整形、再定时、再生为规划的电脉冲 信号，再调制光源变换为光脉冲信号送入光纤继续传输， 以延长传输距离。
ITU-T规定了STM-N的帧是以字节（Byte，1B=8bit）为单位的 矩形块状的帧结构，如图5-24所示。
图5-24 SDH帧结构
§5.2 SDH光传输网
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5.2.2 SDH的速率与帧结构 2.帧结构
从上图可以看出STM-N的信号是9行×270×N列的帧结构。此 处的N与STM-N的N相一致，取值范围为1，4，16，64……。表示此 信号由N个STM-1信号通过字节间插复用而成。由此可知，STM-1信 号的帧结构是9行×270列的块状帧，由上图可以看出，当N个STM-1 信号通过字节间插复用成STM-N信号时，仅仅是将STM-1信号的列按 字节间插复用，行数恒定为9行。
§5.2 SDH光传输网
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5.2.1 SDH的基本概念和特点 1.SDH的基本概念
终端复用器的作用是将支路端口的低速信号STM-M复 用到线路端口的高速信号STM-N中，或从STM-N的信号中分 出低速支路信号。 （2）分插复用器（ADM）
分插复用器用于SDH传输网络的转接站点处，如图517所示。
图5-17 分插复用器
§5.2 SDH光传输网
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5.2.1 SDH的基本概念和特点 1.SDH的基本概念
ADM有两个线路端口和一个支路端口。两个线路端口 各接一侧的光缆（每侧收/发共两根光纤），为了描述方 便将其分为西向（W）、东向（E）两个线路端口。
ADM的作用是将低速支路信号交叉复用进东或西向线 路上去，或从东或西侧线路端口收到的线路信号中拆分出 低速支路信号。
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5.1.4 光端机 2）半导体发光二极管（LED）的特性
LED与LD的差别是它没有光学谐振腔，不能产生激光，它 是无阈值器件，靠自发辐射发光，产生的是荧光。由于LED是 无阈值器件，其P—I曲线具有较好的线性特性，如图5-10所 示。这使它具有较好的温度特性，使用中可以不加温控电路。
§5.1 光纤通信
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5.1.4 光端机
①阈值特性 对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光
功。率当I将＜ 急剧I t增时加，，激这光时器将发产出生的激是光荧振光荡；，当该I电＞流值I t 称时为，阈激值光电器流才发I t
出激光。如图5-7所示曲线即是半导体激光器的输出特性曲线。为 了使光纤通信系统稳定可靠地工作，希望阈值电流越小越好。
图5-8 GaAs激光器的光谱
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5.1.4 光端机
③温度特性 激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性称为温度
特性。由图5-9可以看出，温度对激光器的阈值电流影响很大，所 以，为了使光纤通信系统稳定、可靠地工作，一般都要采用各种自 动温度控制电路。
图5-9 激光器阈值电流随温度的变化
图5-18 再生中继器
§5.2 SDH光传输网
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5.2.1 SDH的基本概念和特点 1.SDH的基本概念 （4）SDH数字交叉连接设备（SDXC）
数字交叉连接设备主要完成STM-N信号的交叉连接功能，它是 一个多端口器件，它实际上相当于一个交叉矩阵，完成各个信号间 的交叉连接。
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5.2.2 SDH的速率与帧结构 2.帧结构
从图5-24可以看出，STM-N的帧结构由3部分组成：段开销（ SOH），包括再生段开销（RSOH）和复用段开销（MSOH）；管理单 元指针（AU-PTR）；信息净负荷（payload）区域。 （1）信息净负荷（payload）区域
色散的大小用时延差△τ 表示，时延差越大，色散越 严重。
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5.1.4 光端机 光端机指光发射机和光接收机。
1.光发射机 （1）光源
光发射机的作用是将电信号转换成光信号。 光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器（LD）和 半导体发光二极管（LED）两种。 1）半导体激光器（LD）特性 半导体激光器属于半导体二极管的范畴，除具有二极 管的一般特性以外（如伏安特性），还应具有特殊的光频 特性。
§5.1 光纤通信
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5.1.3 光纤的传输特性 2.光纤的色散
光纤的色散就是由于光纤中光信号中的不同频率成分 或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度的不同而使得 传播时间不同，因此造成光信号中不同频率成分或不同模 式到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象 。
由于光纤中存在色散，使得输入脉冲在传输过程中展 宽，产生码间串扰，增加误码率，这样就限制了通信容量 和传输距离。
信息净负荷区域是帧结构中存放各种信息负载的地方。通道 开销（POH）作为净负荷的一部分与信息码块装载在STM-N上在SDH 网中传送，它负责对低速信号进行通道性能监视、管理和控制。需 要注意的是，信息净负荷并不等于有效负荷，因为信息净负荷中存 放的是经过打包的低速信号，即在低速信号中加上了相应的通道开 销（POH）。 （2）段开销（SOH）
图5-7 激光器输出特性曲线
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②光谱特性
半导体激光器的光谱，随着激励电流变化而变化。当 I It
时，发出的是荧光，因此，光谱很宽，如图5-8(a)所示，其宽度常
达数百埃（
1nm
10埃=10
0
A）。当
I
It
后，发射光谱突然变窄，
谱线中心强度急剧增加，表明发出激光，如图5-8(b)所示。
射性。
图5-2 光通信系统组成框图（声音信号）
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5.1.1 基本概念 2.光纤通信的特点
在光纤通信中起主导作用的是产生光波的激光器和传 输光波的光导纤维。
光纤通信的优点： （1）传输频带很宽，通信容量大； （2）中继距离长； （3）抗电磁干扰； （4）保密性好，无串话干扰； （5）节约有色金属和原材料； （6）线径细，重量轻。
SDH是由一些基本网络单元（NE）组成，在信道上进行同步信 息传输、复用和交叉连接的网络。目前实际应用的基本网络单元有 四种，即终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、再生中继器 （ REG）和SDH数字交叉连接设备（SDXC）。 （1）终端复用器（TM）
终端复用器用在网络的终端站上，例如一条链的两个端点上 ，它是一个双端口器件，如图5-16所示。
对于长距离的数字光纤通信系统，还需要中继器，其 作用是将经过长距离光纤衰减和畸变后的微弱光信号放大、 整形，再生成具有一定强度的光信号，继续送向前方以保证 良好的通信质量。
§5.1 光纤通信
5.1.1 基本概念 3.数字光纤通信系统的组成
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要传输的信息首先进入电发射机，电发射机的作用是对输入信息进 行处理以便用于发送——将信息转换为电信号的形式，并进行调制和多 路复用。然后，信号发送至光发射机，光发射机[包括激光器（LD）或发 光二极管（LED）]将电信号转换成光的形式并且这些光信号在光纤中传 输。在接收端，光接收机（包括光电检测器PIN）的作用是实现光/电转 换，即把来自光纤的光信号还原成电信号，经放大、整形、再生恢复原
图5-10 发光二极管的P-I特性
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5.1.4 光端机 （2）光发射机的组成
光发射机主要包括两大部分：输入电路（输入盘）和 电光转换电路（发送盘）。
图5-12 光发射机的原理方框图
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5.1.4 光端机 2.光接收机
光接收机中实现将光信号转换为电信号的器件称为光 电检测器。光电检测器是利用材料的光电效应来实现光电 转换的。
§5.2 SDH光传输网
邯郸学院
中国共产党党员常成
目前，传输网的技术体制主要有采用时分复用方式的准同步 数字系列（PDH）和同步数字系列（SDH）。 5.2.1 SDH的基本概念和特点 1.SDH的基本概念