單元二 話音在光纖通信系統中的傳輸任務3 認識光通信器件教

單元二話音在光纖通信系統中的傳輸任務3認識光通信器件教學活動光通信器件功能和工作原理及其性能指標。2/3/20231第4章

數字光纖通信系統

本章重點內容是：1.光纖通信的特點；2．光纖通信系統的基本組成；3．光纖的結構和分類、光纖的導光原理及主要工作特性；4．光源、光檢測器、光無源器件的工作原理和工作特性5．光端機的基本組成及各部分的主要作用；6．SDH的基本特點；7．SDH的標準速率與幀結構；8．我國SDH的復用結構；9．SDH網中的復用設備和數字交叉連接器；10．SDH網絡結構。2/3/202324.1

數字光纖通信系統概述4.1.1光纖通信發(fā)展史和現狀1、探索時期的光通信:

中國古代用“烽火臺”報警，歐洲人用旗語傳送信息，這些都可以看作是原始形式的光通信。

1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。光電話證明了用光波作為載波傳送信息的可行性。貝爾光電話是現代光通信的雛型。2/3/20233

1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器，給光通信帶來了新的希望。激光具有波譜寬度窄，方向性極好，亮度極高，以及頻率和相位較一致的良好特性。繼紅寶石激光器之后，氦—氖(He-Ne)激光器、二氧化碳(CO2)激光器先后出現，并投入實際應用。激光器的發(fā)明和應用，使光通信進入一個嶄新的階段。2/3/202342、現代光纖通信

1966年，英籍華裔學者高錕指出了利用光纖(OpticalFiber)進行信息傳輸的可能性和技術途徑，奠定了現代光通信——光纖通信的基礎。

1970年，光纖研制取得了重大突破。美國康寧(Corning)公司就研制成功損耗20dB/km的石英光纖。

1973年，美國貝爾(Bell)實驗室取得了更大成績，光纖損耗降低到2.5dB/km。

1976年，日本電報電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2μm)。2/3/202353、光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個階段：

第一階段(1966-1976年)，這是從基礎研究到商業(yè)應用的開發(fā)時期。實現了短波長(0.85μm)低速率(45或34Mb/s)多模光纖通信系統。第二階段(1976-1986年)，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標和大力推廣應用的大發(fā)展時期。光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從短波長(0.85μm)發(fā)展到長波長(1.31μm和1.55μm)。

第三階段(1986-1996年)，這是以超大容量超長距離為目標、全面深入開展新技術研究的時期。在這個時期，實現了1.55μm色散移位單模光纖通信系統。實驗室可以達到更高水平。2/3/202364.1.2光纖通信的特點和應用

在光纖通信系統中，作為載波的光波頻率比電波頻率高得多，作為傳輸介質的光纖又比同軸電纜或波導管的損耗低得多，因此相對于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨特的優(yōu)點。

1.容許頻帶很寬，傳輸容量很大單波長光纖通信系統的傳輸速率一般為2.5Gb/s和10Gb/s。波分復用(WDM)和光時分復用(TDM)更是極大地增加了傳輸容量，見下表。2/3/20237通信手段傳輸容量(話路)/條中繼距離/km1000km內中繼器個數微波無線電9605020小同軸9604250中同軸180061600光纜19203033光纜14000(1Gb/s)8411光纜6000(445MB/S)1347表

光纖通信與電纜或微波通信傳輸能力的比較

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2.損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小

石英光纖在1.31μm和1.55μm波長，傳輸損耗分別為0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。因此，用光纖比用同軸電纜或波導管的中繼距離長得多，見表。傳輸容量大、傳輸誤碼率低、中繼距離長的優(yōu)點，使光纖通信系統不僅適合于長途干線網而且適合于接入網的使用，這也是降低每公里話路的系統造價的主要原因。2/3/20239

3.重量輕、體積小光纖重量很輕，直徑很小。即使做成光纜，在芯數相同的條件下，其重量還是比電纜輕得多，體積也小得多。表給光纜和標準同軸電纜的重量和截面積的比較。

項目

8芯

18芯光纜電纜光纜電纜重量/(kg·m-1)重量比0.4216.3150.4211126直徑/mm截面積比211475211659.6表

光纜和電纜的重量和截面積比較

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4.抗電磁干擾性能好光纖由電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不受各種電磁場的干擾和閃電雷擊的損壞。

5.泄漏小，保密性能好在光纖中傳輸的光泄漏非常微弱，即使在彎曲地段也無法竊聽。因此信息在光纖中傳輸非常安全。

6.節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用。

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總之，光纖通信不僅在技術上具有很大的優(yōu)越性，由圖可見，隨著傳輸容量的增加，由于采用了新的傳輸媒質，使得相對造價直線下降。圖

各種通信系統相對造價與傳輸容量的比較

2/3/202312光纖可以傳輸數字信號，也可以傳輸模擬信號。光纖通信的各種應用可概括如下：①通信網，包括全球通信網、各國的公共電信網、各種專用通信網、特殊通信手段。②構成因特網的計算機局域網和廣域網，如光纖以太網、路由器之間的光纖高速傳輸鏈路。③有線電視網的干線和分配網；工業(yè)電視系統，如工廠、銀行、商場、交通和公安部的監(jiān)控。④綜合業(yè)務光纖接入網，分為有源接入網和無源接入網，可實現電話、數據、視頻(會議電視、可視電話等)及多媒體業(yè)務綜合接入核心網，提供各種各樣的社區(qū)服務。2/3/2023134.1.3光纖通信系統的基本組成

1、發(fā)射和接收下圖示出單向傳輸的光纖通信系統，包括發(fā)射、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統。

圖

光纖通信系統的基本組成光纖通信系統組成演示2/3/202314信息源：把用戶信息轉換為原始電信號，這種信號稱為基帶信號。電發(fā)射機：把基帶信號轉換為適合信道傳輸的信號，這個轉換如果需要調制，則其輸出信號稱為已調信號。光發(fā)射機：輸入到光發(fā)射機帶有信息的電信號，通過調制轉換為光信號。光接收機：光載波經過光纖線路傳輸到接收端，再由光接收機把光信號轉換為電信號。

電接收機：功能和電發(fā)射機的功能相反。2/3/202315

2、基本光纖傳輸系統

基本光纖傳輸系統作為獨立的“光信道”單元。有線通信系統或無線通信系統的發(fā)射與接收之間加入光發(fā)射機、光纖線路和光接收機，再配置適當的光器件，可以組成傳輸能力更強、功能更完善的光纖通信系統。下面簡要介紹基本光纖傳輸系統的三個組成部分。2/3/202316光發(fā)射機：

光發(fā)射機的功能：把輸入電信號轉換為光信號，并用耦合技術把光信號最大限度地注入光纖線路。

光發(fā)射機組成：由光源、驅動器和調制器組成。

光源是光發(fā)射機的核心。光發(fā)射機的性能基本上取決于光源的特性。

光源種類：半導體發(fā)光二極管(LED)、半導體激光二極管(或稱激光器)(LD)，單縱模分布反饋(DFB)激光器。2/3/202317光纖線路：

光纖線路功能：是把來自光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的失真和衰減傳輸到光接收機。

光纖線路組成：由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。

光纖基本要求：損耗和色散這兩個傳輸特性參數都盡可能地小，有足夠好的機械特性和環(huán)境特性。

石英光纖分類：多模光纖和單模光纖。單模光纖的傳輸特性比多模光纖好，價格比多模光纖便宜，因而得到更廣泛的應用。單模光纖適合大容量長距離光纖傳輸系統，小容量短距離系統用多模光纖配合半導體發(fā)光二極管更加合適。2/3/202318光接收機：

光接收機的功能：是把從光纖線路輸出、產生畸變和衰減的微弱光信號轉換為電信號，并經放大和處理后恢復成發(fā)射前的電信號。

光接收機組成：由光檢測器、放大器和相關電路組成光檢測器是光接收機的核心。對光檢測器的要求是響應度高、噪聲低和響應速度快。

光檢測器種類：光電二極管(PIN-PD)、雪崩光電二極管(APD)。光發(fā)射機與光接收機組成演示

2/3/202319光接收機最重要的特性參數是靈敏度。靈敏度是衡量光接收機質量的綜合指標，它反映接收機調整到最佳狀態(tài)時，接收微弱光信號的能力。

靈敏度主要取決于組成光接收機的光電二極管和放大器的噪聲，并受傳輸速率、光發(fā)射機的參數和光纖線路的色散的影響，還與系統要求的誤碼率或信噪比有密切關系。所以靈敏度也是反映光纖通信系統質量的重要指標。2/3/2023204.2光纜

為了使光纖能在工程中實用化，能承受工程中拉伸、側壓和各種外力作用,還要具有一定的機械強度才能使性能穩(wěn)定。因此,將光纖制成不同結構、不同形狀和不同種類的光纜以適應光纖通信的需要。

光纜主要由纜芯、護套和加強元件組成。

2/3/202321纜芯纜芯是由光纖芯組成的,它可分為單芯和多芯兩種。單芯型纜芯和多芯型纜芯結構的比例如表。單芯型由單根二次涂覆處理后的光纖組成。

多芯型由多根經二次涂覆處理后的光纖組成,它又分為帶狀結構和單位式結構。強度元件由于光纖的材料比較脆,容易斷裂,在光纜內中心或四周要加一根或多根加強元件。護層光纜的護層主要是對已形成的光纖芯線起保護作用,避免受外部機械力和環(huán)境損壞。2/3/202322

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光纜的種類在公用通信網中用的光纜結構如表所示。

2/3/202324下面介紹幾種有代表性的光纜結構形式。

(1)層絞式光纜。它是將若干根光纖芯線以強度元件為中心絞合在一起的一種結構,如圖(a)所示。特點是成本低,芯線數不超過10根。

(2)單位式光纜。它是將幾根至十幾根光纖芯線集合成一個單位,再由數個單位以強度元件為中心絞合成纜,如圖(b)所示,其芯線數一般適用于幾十芯。2/3/202325(3)骨架式光纜。這種結構是將單根或多根光纖放入骨架的螺旋槽內,骨架中心是強度元件,骨架上的溝槽可以是V型、U型或凹型,如圖(c)所示。光纖具有耐側壓、抗彎曲、抗拉的特點。

(4)帶狀式光纜。它是將4～12根光纖芯線排列成行,構成帶狀光纖單元,再將多個帶狀單元按一定方式排列成纜,如圖(d)所示。這種光纜的結構緊湊,采用此種結構可做成上千芯的高密度用戶光纜。2/3/202326

圖(a)層絞式；(b)單位式；(c)骨架式；(d)帶狀2/3/2023274.2.3通信用光器件1.光源：光源器件是光纖通信設備的核心，它的作用是將電信號轉換成光信號送入光纖。光纖通信中常用的光源器件有半導體激光器和半導體發(fā)光二極管兩種。

半導體激光器（LD）主要適用于長距離大容量的光纖通信系統。尤其是單縱模半導體激光器，在高速、大容量的數字光纖通信系統中得到廣泛應用。

發(fā)光二極管（LED）其制造工藝簡單、成本低、可靠性好，適用于短距離、低碼速的數字光纖通信系統，或者是模擬光纖通信系統。2/3/202328激光器的工作原理：半導體激光器是向半導體P-N結注入電流，實現粒子數反轉分布，產生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現光放大而產生激光振蕩輸出激光。那么如何實現粒子數反轉分布及如何構成具有正反饋的諧振腔。激光器的特性：1）激光器的P-I特性：激光器輸出光功率（P）和注入電流（I）的關系，即激光器的P-I曲線上。2）光譜特性：是指激光器輸出的光功率隨波長的變化情況，一般用光源譜線寬度來表示。2/3/2023293）功率轉換效率激光器的的輸出光功率與器件消耗的電功率之比。半導體激光器的功率轉換效率約為40％~50%。4）溫度特性激光器的閾值電流和輸出光功率隨溫度變化的特性為溫度特性。激光器的閾值電流和使用時間也有關系。隨著激光器使用時間的增加，閾值電流也會逐漸加大。2/3/2023302/3/2023312．光電檢測器

光電檢測器是光纖通信系統的另一個核心器件，主要完成光信號到電信號的轉換功能，要具有靈敏度高、響應時間短、噪聲小、功耗低、可靠性高等優(yōu)點。光電檢測器有兩種類型，一種是PIN光電二極管（PIN-PD)；另一種是雪崩光電二極管（APD）。PIN光電二極管主要應用于短距離、小容量的光纖通信系統中；APD主要應用于長距離、大容量的光纖通信系統中。2/3/202332光電檢測器的工作原理：光電二極管PD由半導體P-N結組成，利用光電效應原理完成光電轉換。光電檢測器特性：

響應度：在一定波長的光照射下，光電檢測器的平均輸出電流與入射的平均光功率之比稱為響應度。量子效率：響應度是器件在外部電路中呈現的宏觀靈敏特性，量子效率是器件在內部呈現的微觀靈敏度特性。2/3/202333響應時間：速度是指半導體光電二極管產生的光電流跟隨入射光信號變化快慢的狀態(tài)。APD的倍增因子：APD的倍增因子實際上是電流增益系數，定義為有倍增時光電流的平均值與無倍增時光電流的平均值之比。

2/3/2023343、無源光器件在光纖通信的傳輸系統中，在傳輸線路中還需要各種輔助器件以實現光纖與光纖之間或光纖與光端機之間的連接、耦合、合分路、線路倒換以及保護等多種功能。主要的無源器件有光纖連接器、光纜連接器、光纖耦合器、光開關、光復用器(合波器和分波器)、光分路器、光隔離器、光衰耗器、光濾波器等等

2/3/202335（1）光纖連接器

光纖連接器又叫光纖活動連接器。這是用于連接兩根光纖或光纜形成連續(xù)光通路的可以可拆卸重復使用的光“無源器件”，被廣泛應用在光纖傳輸線路、光纖配線架和光纖測試儀器、儀表中，也是目前使用數量最多的光無源器件。2/3/202336