光纤通信系统PPT课件

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1、1、 光 纤 通 信 的 概 念1、 光 通 信 光 通 信 是 利 用 光 波 来 传 送 信 息 的 。2、 光 纤 通 信 光 纤 通 信 是 以 光 波 作 为 信 息 载 体 ， 以 光 纤 作 为 传 输 媒 介 的通 信 方 式 。 光 通 信 光 纤 通 信人们通常把应用石英光纤的有线光通信简称为光纤通信（optical fiber communication） 电磁频谱：电磁波的波长范围 发送信号的频率越高（波长越短），可载送的信息量就越多光波是电磁波，光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300m6103m。 光纤通信的光波波谱 光纤通信的波谱在1.671014

2、Hz3.751014Hz之间，即波长在0.8m1.8m之间，属于红外波段，将0.8m0.9m称为短波长，1.0m1.8m称为长波长，2.0m以上称为超长波长。 表1-1各种单位的换算公式c 3 10 8m/s 1MHz（ 兆 赫 ） 106 Hz c/f 1GHz（ 吉 赫 ） 109 Hz1m（ 微 米 ） 10-6m 1THz（ 太 赫 ） 1012Hz1nm（ 纳 米 ） 10 9 m 1PHz（ 拍 赫 ） 1015 Hz1（ 埃 ） 10 10 m 光 电 话 机 红 宝 石 激 光 器 光 导 纤 维2、 光 纤 通 信 的 发 展 历 程 1880年 ， 美 国 人 贝 尔 (B

3、ell)发 明 了 用 光 波 作 载 波 传 送 话音 的 “ 光 电 话 ” 。 这 种 光 电 话 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 。 由 于 当 时 没 有 理 想 的 光 源 和 传 输 介 质 ， 这

4、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 。 然 而 ， 光 电 话 仍 是 一 项 伟 大 的 发 明 ， 它 证 明 了 用光 波 作 为 载 波 传 送 信 息 的 可 行 性 。 因 此 ， 可 以 说 贝 尔 光 电 话 是 现 代 光 通 信 的 雏 型 。 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 。 1960年 ， 美 国 人 梅

5、 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 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 。 红 宝 石 激 光 器 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 。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

6、研 究 。 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 30 dB/km的 衰 减 ， 浓 雾 衰 减 高 达 120 dB/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 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 。 1966年

7、 ， 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 用 于 光 频 的 光 纤 表 面 波 导 , 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 光 通 信光 纤 通 信 的 基 础 。光 导 纤 维 高锟(K.C.Kao)博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀，他还发现

8、一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。光 纤 之 父 ：英 籍 华 人 高 锟 (K.C.Kao)博 士工 作 地 点 ： 英 国 标 准 电 信 研 究 所 光 纤 通 信 发 明 家 高 锟 (左 )1998年 在 英 国 接 受 IEE 授 予 的 奖 章 1970年 ， 美 国 康 宁 (Corning)公 司 研 制 成 功 损 耗 20dB/km 的 石 英 光 纤 。 把 光 纤 通 信 的 研 究 开 发 推 向 一 个新 阶 段 。 1970年 ， 光 纤 研 制 取 得 了 重 大 突 破 1972年 ， 康 宁 公 司 高 纯 石 英 多 模 光 纤 损 耗 降 低 到 4

9、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 。 在 以 后 的 10 年 中 ， 波 长 为 1.55m 的 光 纤 损 耗 ： 1979年 是 0.20 dB/km； 1984年 是 0.157 dB/km； 1986年 是 0.154 dB/km， 接 近 了 光 纤 最 低 损 耗 的 理论 极 限 。 1、 频 带 很 宽 ， 传 输 容 量 很 大光纤的容量大“超高速公路” 马 路 越 宽 ， 容

10、许 通 过 的 车 辆 越 多 ， 交 通运 输 能 力 也 越 大 。如 果 把 通 信 线 路 比 作 马 路 ， 那 么 应 该 说是 通 信 线 路 的 频 带 越 宽 ， 容 许 传 输 的 信息 越 多 ， 通 信 容 量 就 越 大 。3、 光 纤 通 信 的 特 点 与 应 用 光 纤 通 信 与 电 缆 或 微 波 通 信 传 输 能 力 的 比 较 通 信 手 段 传 输 容 量 (话 路 )/条 中 继 距 离 /km 1000 km内 中 继 器 个 数 微 波 无 线 电 960 50 20小 同 轴 960 4 250中 同 轴 1800 6 1600光 缆 192

11、0 30 33光 缆 14000(1Gb/s) 84 11 光 缆 6000(445MB/S) 134 7 2. 损 耗 很 小 ， 中 继 距 离 很 长 且 误 码 率 很 小 。 目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在1.55m波长区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低得多，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得多。 例如，同轴电缆通信的中继距离只有几千米，最长的微波通信是 50 千米左右，而光纤通信系统的最长中继距离已达 300千米。 3. 重 量 轻 、 体 积 小 光 纤 重 量 很 轻 ， 直 径 很 小 。

12、 即 使 做 成 光 缆 ， 在 芯 数 相 同 的 条 件下 ， 其 重 量 还 是 比 电 缆 轻 得 多 ， 体 积 也 小 得 多 。 4. 抗 电 磁 干 扰 性 能 好 光 纤 由 电 绝 缘 的 石 英 材 料 制 成 ， 光 纤 通 信 线 路 不 受 各 种 电 磁 场 的 干扰 和 闪 电 雷 击 的 损 坏 。 无 金 属 光 缆 非 常 适 合 于 存 在 强 电 磁 场 干 扰 的 高压 电 力 线 路 周 围 和 油 田 、 煤 矿 等 易 燃 易 爆 环 境 中 使 用 。 光 纤 (复 合 )架 空地 线 (Optical Fiber Overhead Grou

13、nd Wire， OPGW)是 光 纤 与 电 力 输送 系 统 的 地 线 组 合 而 成 的 通 信 光 缆 ， 已 在 电 力 系 统 的 通 信 中 发 挥 重 要作 用 。 5. 泄 漏 小 ， 保 密 性 能 好 在 光 纤 中 传 输 的 光 泄 漏 非 常 微 弱 ， 即 使 在 弯 曲 地 段 也 无 法 窃 听 。 没 有 专 用 的 特殊 工 具 ， 光 纤 不 能 分 接 ， 因 此 信 息 在 光 纤 中 传 输 非 常 安 全 。 6. 节 约 金 属 材 料 ， 有 利 于 资 源 合 理 使 用 制 造 同 轴 电 缆 和 波 导 管 的 铜 、 铝 、 铅 等

14、 金 属 材 料 ， 在 地 球 上 的 储 存 量 是 有 限 的 ；而 制 造 光 纤 的 石 英 (SiO2)在 地 球 上 基 本 上 是 取 之 不 尽 的 材 料 。 制 造 8 km管 中 同 轴 电缆 ， 1 km需 要 120 kg铜 和 500 kg铝 ； 而 制 造 8 km光 纤 只 需 320 g石 英 。 所 以 ， 推 广 光纤 通 信 ， 有 利 于 地 球 资 源 的 合 理 使 用 。 光 纤 还 有 其 他 一 些 优 良 特 性 ， 也 为 普通 金 属 导 线 所 不 及 。 它 不 怕 潮 湿 和 腐蚀 ， 可 以 架 在 空 中 ， 也 可 埋 入

15、 地 下 ；它 有 较 高 的 抗 拉 强 度 ， 与 铁 接 近 ， 比铜 还 高 得 多 ； 它 有 较 强 的 耐 高 低 温 能力 ， 从 - 65 200 C， 在 一 般 的 飞 机 、舰 艇 和 车 辆 上 都 可 使 用 ； 它 可 实 现 多功 能 传 输 ， 同 时 传 递 话 音 、 数 据 、 传真 、 图 像 等 各 种 信 息 。 7.其它 光 纤 通 信 的 缺 点 质 地 脆 、 机 械 强 度 低 ； 切 断 、 连 接 技 术 要 求 高 ； 分 路 、 耦 合 比 较 麻 烦 ； 光 纤 通 信 的 应 用1. 光纤通信网n光纤公用电信网：核心网、城域网

16、我国市内电话光缆传输试验从 1978 年开始。目前，公用电信网的传输线基本上均是采用光纤光缆连接。n光纤局域网n光纤宽带网n光纤接入网n无线通信网n海底光缆及洲际通信网 2. 能源、交通和其他n电力系统的监视、控制和管理：由 于 使 用 了 光 纤 ， 不 受 强 电 磁 干 扰 ， 不 仅信 息 传 输 量 增 大 ， 而 且 工 作 更 加 可 靠 。 传 输 信 息 用 的 光 纤 ， 可 以 放 在 输 电 线 、地 线 的 中 心 ， 不 受 干 扰 ， 施 工 方 便 。 用 电 设 备 观 测 雷 击 很 困 难 ， 因 为 雷 击 对 电设 备 也 可 能 造 成 破 坏 。

17、而 用 光 纤 却 可 以 直 接 观 测 雷 击 现 象 ， 观 测 装 置 由 检 测 器 、光 纤 和 观 测 记 录 仪 等 组 成 。雷 击 时 位 于 铁 塔 上 的 检 测 器 产 生瞬 间 高 电 压 ， 由 于 是 光 纤 传 输 ，对 观 测 记 录 仪 不 会 造 成 影 响 。 n 煤 炭 系 统 的 监 视 、 控 制 和 管 理 ： 电 监 控 系 统 信 号 均 为 电 信 号 ， 在 含 瓦斯 高 的 矿 井 中 容 易 引 起 爆 炸 。 因 此 ， 如 果 考 虑 安 全 因 素 ， 电 信 号 功 率 不 能 太 大 ，这 又 导 致 传 输 距 离 受

18、限 。 而 如 果 采 用 光 纤 系 统 ， 很 多 设 备 可 以 无 源 化 ， 即 保 证了 安 全 ， 又 能 实 现 远 距 离 监 控 。 3. 军事n 战术通信主要有两种系统：一种是本地分配系统，包括战地指挥所的布线，兵器之间的连接，野战计算机的互连，以及基地信息传输系统等；一种是长距离战术通信系统，一般通信距离超过 1千米。n 水下通信系统是扫雷舰与浮游载体之间的数据传输线路。扫雷舰的主要任务是清扫航道上的水雷，而利用浮游载体扫雷最为安全而可靠。扫雷舰与浮游载体之间连着 3根光纤：一根光纤把水下浮游载体探测到的声纳信号和遥测信号（都是视频信号）传给舰船；另一根光纤用来传输舰船

19、给水下浮游载体的控制信息；第三根光纤备用。光纤反潜战网络，也就是把光纤传输线路与水听器相连，把监测到的敌潜声音信号通过光纤传输到舰上或岸上信息处理中心，以便确定作战方案。光纤用于水下通信，探测的灵敏度高，传输的信息量大，抗各种干扰的能力强，而且重量轻、浮力大。 n 航空母舰：机载通信、舰载通信。n 雷达：在雷达室与作战情报中心之间传输信息，不仅改善了抗干扰能力和保密性能，而且还能更好保证作战情报中心的安全。n 光纤制导武器主要包括光纤制导导弹和光纤制导鱼雷。它用光纤传输目标图像，制导精度高，导弹射程远，而且更安全可靠，是一种由射击手控制的人工智能武器。 4、 光 纤 通 信 的 基 本 组 成

20、光 纤 通 信 系 统 的 基 本 组 成光 纤 光 纤电端机 调制 光检测 判决再生 光源光源 光检测 放大 电端机光 发 信 机 光 收 信 机中 继 器 (1) 光 发 信 机 光 发 信 机 是 实 现 电 /光 转 换 的 光 端 机 。 它 由 光 源 、驱 动 器 和 调 制 器 组 成 。 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 。 (2) 光 收 信 机 光 收 信 机 是 实 现 光 /电 转 换

21、 的 光 端 机 。 它 由 光 检 测器 和 光 放 大 器 组 成 。 其 功 能 是 将 光 纤 或 光 缆 传 输 来 的 光 信 号 ， 经 光 检 测器 转 变 为 电 信 号 ， 然 后 ， 再 将 这 微 弱 的 电 信 号 经 放 大 电路 放 大 到 足 够 的 电 平 ， 送 到 接 收 端 的 电 端 汲 去 。 (3) 光 纤 或 光 缆 光 纤 或 光 缆 构 成 光 的 传 输 通 路 。 其 功 能 是 将 发 信 端 发 出 的 已 调 光 信 号 ， 经 过 光 纤 或光 缆 的 远 距 离 传 输 后 ， 耦 合 到 收 信 端 的 光 检 测 器 上 去

22、 ，完 成 传 送 信 息 任 务 。 (4) 中 继 器 中 继 器 由 光 检 测 器 、 光 源 和 判 决 再 生 电 路 组 成 。 它 的 作 用 有 两 个 ： 一 个 是 补 偿 光 信 号 在 光 纤 中 传 输时 受 到 的 衰 减 ； 另 一 个 是 对 波 形 失 真 的 脉 冲 进 行 整 形 。 光 纤 的 结 构 光纤通信中采用的传输媒介是光纤，光纤与加强元件、外护层等组合而成光缆。 光纤的结构纤芯 包层 涂敷层 主要成分是高纯度的二氧化硅，掺有少量的掺杂剂，其作用是适当提高纤芯的折射率。 主要成分也是高纯度的二氧化硅，掺有少量的掺杂剂，其作用是适当降低包层的折射

23、率。 由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。 光纤导光的原理 包层(n2) 芯线(n1) 入射 出射 光纤是一种介质波导，具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的波导结构，其直径大约只有0.1mm，它是由两种折射率不同的玻璃构成的。 n1、n2的大小关系是什么？ 光 纤 的 折 射 率 分 布阶 跃 型 多 模 光 纤 渐 变 型 多 模 光 纤光 纤 的 折 射 率 分 布 光在阶跃折射率多模光纤中的传播光在渐变折射率多模光纤中的传播 光 纤 的 模 式 光 在 光 纤 中 只 能 以 一 组 独 立 的 光 线 传 播 。 一 般 来 说 ，在 纤 芯 内 一 组

24、 光 束 是 以 不 同 的 角 度 传 播 ， 传 播 的 角 度 范 围 从零 到 临 界 角 。 大 于 临 界 角 的 光 线 不 满 足 全 反 射 的 条 件 ， 穿 过纤 芯 进 入 包 层 。 这 此 不 同 的 光 束 称 为 模 式 。 把 严 格 按 照 光 纤 中 心 轴 线 传 播 的 模 式 称 为 零 级 模 式 ，或 基 模 ； 其 他 与 光 纤 中 心 轴 线 成 一 定 角 度 的 光 束 称 为 高 次 模 。 光 纤 的 类 型 按传导光波的模数不同，光纤可分为多模光纤和单模光纤。 当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长时，光纤传输的过程中会

25、存在着多种传输模式，这样的光纤称为多模光纤。 (2) 单模光纤 当光纤的几何尺寸(主要是芯径d1)较小，与光波长在同一数量级(如在 810m范围)，这时，光纤只允许一种模式(基模)在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。此时不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输非常重要。 三 种 基 本 类 型 光 纤 的 结 构 横 截 面 2a2b r n 折 射 率 分 布 纤 芯 包 层A i t A o t (a) 输 入 脉 冲 光 线 传 播 路 径 输 出 脉 冲 50 m125 m r n A i t A o t (b) 10 m125 m r n

26、A i t A o t (c) (a) 突 变 型 多 模 光 纤 ； (b) 渐 变 型 多 模 光 纤 ； (c)单 模 光 纤 纤芯和包层的折射率呈突变分布。纤芯和包层的折射率不发生突然变化。 多 模 光 纤 的 优 点 与 单 模 比 较1. 由于多模光纤的纤芯较粗，容易将光功率注入光纤2. 易于将相同的光纤连接在一起3. 可以使用发光二极管LED作为光源，因为LED价格便宜，使用寿命长，电路简单 多模光纤的主要缺点：因为每个模的传播速度略微不同，所以其存在模间色散 。 单 模 光 纤 的 优 点 它的带宽很宽 它的缺点是：1. 必须使用半导体激光器作为光源，所以价格较贵，电路复杂2.

27、 操作不如多模方便，因为纤芯较细 光 纤 的 损 耗1.吸收损耗 本征吸收 杂质吸收 2.散射损耗 当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。 oiPPL lg10 (单位：dB/km)损 耗 的 表 示 ： 光 纤 的 传 输 损 耗 是 光 纤 通 信 系 统 中 一 个 非 常 重 要 的 问 题 ， 低损 耗 是 实 现 远 距 离 光 纤 通 信 的 前 提 。形 成 光 纤 损 耗 的 原 因 很 复 杂 ， 归 结 起 来 主 要 包 括 两 大 类 ： 吸收 损 耗 和 散 射 损 耗 损 耗 特 征 曲 线 吸收作用是光波通过光纤材料时

28、，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，下面主要有本征吸收和杂质吸收。1.吸收损耗 光 纤 吸 收 损 耗 （1）本征吸收它 是 光 纤 基 本 材 料 （ 例 如 ： 纯 SiO2） 固 有 的 吸 收 ， 并 不 是 有杂 质 或 缺 陷 所 引 起 的 。 因 此 ， 本 征 吸 收 基 本 上 确 定 了 任 何 特定 材 料 的 吸 收 的 下 限 。吸 收 损 耗 的 大 小 与 波 长 有 关 ， 对 于 SiO2石 英 系 光 纤 ， 本 征 吸收 有 两 个 吸 收 带 ， 一 个 是 紫 外 吸 收 带 ； 一 个 是 红

29、外 吸 收 带 。 （2）杂质吸收光纤制造过程引入的有 害 杂 质带来较强的非本征吸收解 决 方 法 ：(1) 光纤材料化学提纯，比 如达到 99.9999999%的 纯度OH 和 过 渡 金 属 离 子 ， 如 铁 、 钴 、 镍 、 铜 、 锰 、 铬 等(2) 制造工艺上改进 2.散射损耗由 于 光 纤 的 材 料 、 形 状 、 折 射 指 数 分 布 等 的 缺 陷 或 不 均匀 （ 这 些 缺 陷 可 能 是 光 纤 中 的 气 泡 、 裂 痕 ， 纤 芯 和 包 层 交 界处 粗 糙 等 ） ， 使 光 纤 中 传 导 的 光 散 射 而 产 生 的 损 耗 称 为 散 射损 耗

30、 。 3.辐射损耗主要是指弯曲损耗宏 弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲微 弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲q q c qRq q CladdingCore 弯 曲 曲 率 半 径 减 小宏 弯 损 耗 指 数 增 加 微弯损耗微弯的原因： 光纤的生产过程中的带来的不均成缆时受到压力不均使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导致的后果：造成能量辐射损耗 高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模 当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料(玻璃)或水对不同波长(对应于不同的颜色)的光呈现的折射率 n 不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色

31、的光在空间上散开。 自然光的色散自然光 红 橙 黄绿青蓝 紫 光 纤 的 色 散 (Dispersion)：光纤所传信号的不同频率成分有不同的传输速度，当它们到达终端时会产生信号脉冲展宽，从而引起信号失真。 色 散 的 种 类 模 式 色 散 材 料 色 散 波 导 色 散 单模光纤中传播模80%能量在纤芯， 20%能量在包层 光 纤 的 种 类 按 材 料 来 分这 种 光 纤 的 纤 芯 和 包 层 是 由 SiO2掺 有 适 当 的 杂 质 制 成 。 这 种 光 纤 的损 耗 低 ， 强 度 和 可 靠 性 较 高 ， 目 前 应 用 做 广 泛 。（1）石英系光纤（2）石英芯、塑料包

32、层光纤这种光纤的芯子是用石英制成，包层采用硅树脂。 石 英 光 纤 （3）塑料光纤这 种 光 纤 的 芯 子 和 包 层 都 由 塑 料 制 成 。目 前 ， 在 光 纤 通 信 中 主 要 使 用 石 英 系 光 纤 。 塑 料 光 纤 光 缆 的 结 构 和 种 类 光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。 缆芯：由单根或多根光纤芯线组成，有紧套和松套两 种结构。紧套光纤有二层和三层结构。 加强元件：用于增强光缆敷设时可承受的负荷。一般 是金属丝或非金属纤维。 护层：具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性，主要 是对已成缆的光纤芯线进行保护。根据敷设条 件可由铝带/聚乙烯综合纵包带粘界外护层

33、（ LAP），钢带（或钢丝）铠装和聚乙烯护层等组 成。 为什么需要光缆呢？ 光缆的基本结构按缆芯组件的不同一般可以分为层绞式、骨架式、束管式和带状式四种。 (1) 层 绞 式 结 构 层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆。 光 缆 的 典 型 结 构 示 意 图 (1) (2) 骨 架 式 结 构 骨架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是V形、U形或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置510根一次涂覆光纤。 光 缆 的 典 型 结 构 示 意 图 (2) (3) 束 管 式 结 构 束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松

34、套管扩大为整个纤芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其中。 光 缆 的 典 型 结 构 示 意 图 (3) (4) 带 状 式 结 构 带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，然后将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。 光 缆 的 典 型 结 构 示 意 图 (4) 光 缆 的 型 号 和 规 格光缆型号由它的型式代号和规格代号构成，中间用一短横线分开。（1）光缆型式由五个部分组成，如图所示。 ：外护层的代号及其意义为：外护层是指铠装层及其铠装外边的外护层，外护层的代号及其意义如表所示。 （2）光缆规格由五部分七项内容组成，如图所示。 ：适用温度代号及其意义。A适用于40 +40

35、B适用于30 +50C适用于20 +60D适用于5 +60 通 信 用 光 器 件分 类 有 源 光 器 件 ：无 源 光 器 件 ： 光 源光 电 检 测 器光 纤 连 接 器光 耦 合 器光 衰 减 器光 放 大 器有 源 和 无 源 光 器 件 的 区 别 在 于 其 内 部 是 否 发 生 光 电 能量 转 换 。 有 源 光 器 件 激 光 器1 激光器的组成和常见激光器常 用 激 光 器 由 三 部 分 组 成 ： 工 作 物 质 泵 浦 源 光 学 谐 振 腔激 光工 作 物 质激 励 能 源谐 振 腔1M 2M 激 光 器 结 构 示 意 图 光子与感应光子是相干的，为全同光子

36、；光得到放大。 光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。如图所示。 （2）泵浦源使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。物质在泵浦源的作用下，使得N2N1，从而受激辐射大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。（3）光学谐振腔激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。 半 导 体 激 光 器 LD 谐 振 腔 产 生 振 荡 受 激 发 光 。1、 L

37、D的 优 点 1). 谱 线 窄 ： 15nm 2). 与 光 纤 的 耦 合 效 率 高 ： 20%-90% 3). 阈 值 器 件 ： I Ith时 ， 发 激 光 。 预 偏 置 。2、 LD缺 点 1). 线 性 度 差 2). 温 度 特 性 不 如 LED3、 LD应 用 大 容 量 、 长 距 离 Ith 电 流P 发 光 二 极 管 LED 是 由 砷 化 钾 类 的 P、 N型 材 料 构 成 的 二 极 管 （ 正 偏 置 ） 。1、 LED的 优 点 1). 线 性 度 好 2). 温 度 特 性 好 （ 100度 ， 50%） 3). 使 用 简 单 、 价 格 低 、

38、 寿 命 长2、 LED缺 点 1). 谱 线 宽 ： 30100nm 2). 与 光 纤 的 耦 合 效 率 低 ： 12%， 图 像 ， 对 准 ， 距 离 。3、 LED应 用 小 容 量 、 短 距 离 P 电 流 无 源 光 器 件 光 纤 连 接 器 连接器俗称活动接头，是用于设备（光端机、光测试仪表等）与光纤之间的连接或光纤与其他光无源器件之间的连接。 （4）部分常见光纤连接器 无 源 光 器 件 光 耦 合 器光耦合器的功能是把一个输入光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。 光耦合器主要特性 1） 耦合比CR是一个指定输出端的光功率Poc和全部输出端的光功率

39、总和Pot的比值。 2） 附加损耗Le是全部输入端光功率总和Pit和全部输出端光功率总和P ot的比值。 Nn onocotoc PPPPCR 1 Nn onNn inotite PPPPL 11lg10lg10 无 源 光 器 件 光 衰 减 器光衰减器主要用于光纤通信系统的特性测试和其他测试中，是对光功率有一定衰减量的器件。根据衰减量是否变化，可以分为固定衰减器和可变衰减器。 光衰减器的基本原理在玻璃基片上蒸镀透射系数（或反射系数）变化很小的金属膜，使通过镀膜玻璃片的光功率被膜层材料吸收一部分，光强度受到衰减。金属膜可以是镍铬等化合物材料，光的衰减量有膜的厚度进行控制。 由于光纤通信系统一

40、般都是双向的，所以我们将光发射机和接收机做在一起，称为光端机。 光 纤 通 信 系 统 的 组 成光 发 射 机 、 光 接 收 机 、 中 继器 和 光 纤 光发射机 光发射机的作用是将电信号变成光信号，然后送入光纤中传输出去。光发射机主要是由光源、光源驱动、调制以及信道编码电路三部分组成。 光发射机原理图 ATC驱动APC 光源光监测均衡 码型变换 扰码 编码时钟数字基带信号 信道编码电路 光源驱动与调制电路 光接收机 光接收机的作用是接收经光纤传输衰减后的十分微弱的光信号，从中检测出传送的信息，放大到足够大后，供终端处理使用。它包括光电检测器、光信号接收电路和信道解码电路三部分。 光接收

41、机原理图 光电检测器 放大器 均衡器 判决器 解码 解扰 码型反变换时钟恢复电路AGC电信号 光信号接收电路 信道解码电路光信号 光 纤 的 结 构 光纤通信中采用的传输媒介是光纤，光纤与加强元件、外护层等组合而成光缆。 光纤导光的原理 包层(n2) 芯线(n1) 入射 出射 光纤是一种介质波导，具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的波导结构，其直径大约只有0.1mm，它是由两种折射率不同的玻璃构成的。 n1、n2的大小关系是什么？ 当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长时，光纤传输的过程中会存在着多种传输模式，这样的光纤称为多模光纤。 (2) 单模光纤 当光纤的几何尺寸(主要是芯径d

42、1)较小，与光波长在同一数量级(如在 810m范围)，这时，光纤只允许一种模式(基模)在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。此时不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输非常重要。 三 种 基 本 类 型 光 纤 的 结 构 横 截 面 2a2b r n 折 射 率 分 布 纤 芯 包 层A i t A o t (a) 输 入 脉 冲 光 线 传 播 路 径 输 出 脉 冲 50 m125 m r n A i t A o t (b) 10 m125 m r n A i t A o t (c) (a) 突 变 型 多 模 光 纤 ； (b) 渐 变 型 多

43、 模 光 纤 ； (c)单 模 光 纤 纤芯和包层的折射率呈突变分布。纤芯和包层的折射率不发生突然变化。 多 模 光 纤 的 优 点 与 单 模 比 较1. 由于多模光纤的纤芯较粗，容易将光功率注入光纤2. 易于将相同的光纤连接在一起3. 可以使用发光二极管LED作为光源，因为LED价格便宜，使用寿命长，电路简单 多模光纤的主要缺点：因为每个模的传播速度略微不同，所以其存在模间色散 。 模 式 色 散 光 缆 的 结 构 和 种 类 光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。 缆芯：由单根或多根光纤芯线组成，有紧套和松套两 种结构。紧套光纤有二层和三层结构。 加强元件：用于增强光缆敷设时可承受的负荷。一般 是金属丝或非金属纤维。 护层：具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性，主要 是对已成缆的光纤芯线进行保护。根据敷设条 件可由铝带/聚乙烯综合纵包带粘界外护层（ LAP），钢带（或钢丝）铠装和聚乙烯护层等组 成。 为什么需要光缆呢？ ：外护层的代号及其意义为：外护层是指铠装层及其铠装外边的外护层，外护层的代号及其意义如表所示。