第4章数字光纤通信系统

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若有两种不同介质, 其折 射率分别为n0, n1，而且n1＞n0, 设界面为XX′；
折射率小的称光疏媒质, 折 射率大的称光密媒质；
假定光线从光疏媒质射向光
密媒质, 其折射情况如图所示。 X′ 图中，入射角为θ0为入射光
线与法线YY′夹角, 折射角为θ1 为折射光线与YY′夹角；
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3、光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：
第一阶段(1966-1976年)，这是从基础研究到商
业应用的开发时期。实现了短波长(0.85μ m)低速率
(45或34Mb/s)多模光纤通信系统。
(1976-1986年)，这是以提高传输速率
和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展
所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的 重要指标。
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4.2 光纤和光器件
一、光纤
1、光纤 光纤就是导光的玻璃纤维的简称, 是石英玻璃丝,
它的直径只有0.1 mm，它和原来传送电话的明线、 电缆一样，是一种新型的信息传输介质，但它比以 上两种方式传送的信息量要高出成千上万倍， 可达 到上百千兆比特/秒,而且衰耗极低。
第4章 数字光纤通信系统
4.1 数字光纤通信系统概述 4.2 光纤和光器件 4.3 光端机 4.4 数字光纤系统的两种传输体制
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4.1 数字光纤通信系统概述
一、光纤通信发展史和现状
1、探索时期的光通信: 中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传
送信息， 这些都可以看作是原始形式的光通信。
由图可见，θ1＜θ0。
光疏媒质 Y
0 B B′
A
X
A′
1
光密媒质 Y′
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图 光的折射示意图
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若使光束从光密媒质 射向光疏媒质时, 则折射角 大于入射角，如图所示。
如果不断增大θ0可使折 射角θ1达到90°, 这时的θ1 称为临界角。
当光线从光密媒质射向 光疏媒质, 且入射角大于临 界角时, 就会产生全反射现 象。
图 2019/9/20 (a) 阶跃型多模光纤; (b) 梯度型多模光纤; (c) 单模光纤 30
二、光缆 为了使光纤能在工程中实用化，能承受工程
中拉伸、 侧压和各种外力作用, 还要具有一定的 机械强度才能使性能稳定。 因此, 将光纤制成不 同结构、不同形状和不同种类的光缆以适应光纤 通信的需要。
当选择一定的角度θ0时，射入纤芯的光束将会 全部返回纤芯中。
光纤芯线结构如图所示。 光纤的芯线由纤芯、包层、涂覆层、套塑四部 分组成。
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纤芯
包层
一次涂覆 (涂覆层) 二次涂覆 (套塑)
2a 2b
图 光纤芯线的剖面构造
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纤芯： 纤芯位于光纤的中心部位（直径d1 约9～50 微米），其 成份是高纯度的二氧化硅。 包层： 包层位于纤芯的周围（其直径d2 约125 微米），其成 份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。 涂敷层： 光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的 涂敷层，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。
1
直径/mm
21
47
21
截面积比
1
5
1
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11 26 65 9.6
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4. 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。 5. 泄漏小， 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。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。
发射
信 息 源
电 发 射 机
电信号
输入
基本光纤传输系统
光
发
光纤线路
射
机
光信号
光信号
输出
输入
接收
光 接 收 机
电 接 收 机
信 息 宿
电信号
输出
图 光纤通信系统的基本组成
2019/9/20 光纤通信系统组成演示
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信息源：把用户信息转换为原始电信号，这种信号称 为基带信号。 电发射机：把基带信号转换为适合信道传输的信号， 这个转换如果需要调制， 则其输出信号称为已调信号。 光发射机：输入到光发射机带有信息的电信号，通过 调制转换为光信号。 光接收机：光载波经过光纤线路传输到接收端，再由 光接收机把光信号转换为电信号。 电接收机：功能和电发射机的功能相反。
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光发射机的功能：把输入电信号转换为光信号， 并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。
光发射机组成：由光源、 驱动器和调制器组成。 光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上 取决于光源的特性。
光源种类：半导体发光二极管(LED)、半导体激 光二极管(或称激光器)(LD)， 单纵模分布反馈(DFB) 激光器。
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2) 单模光纤即只能传送单一基模的光纤, 如图。 这种光纤从时域看不存在时延差，从频域看, 传
输信号的带宽比多模光纤宽得多, 有利于高码率信息
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包层
D
C B
芯 (n 1)
A
包 层 (n2)
(a)
包层
C
B
芯
A
包层
(b)
2b
2a
折射率
折射率
芯
A
包层
(c) 折射率
1970 年，光纤研制取得了重大突破。美国康 宁(Corning)公司就研制成功损耗20 dB/km的石英 光纤。
1973 年，美国贝尔(Bell)实验室取得了更大 成绩，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(波长1.2μ m)。
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2. 光纤为什么能够导光， 能传送大量信息呢? 这里
我们用简单的比喻， 从物理概念上来说明，以加深 对光纤传输信息的理解。
光纤是利用光的全反射特性来导光的。在物理中 学习过光从一种介质向另一种介质传播，由于它们在 不同介质中传输速率不一样，因此，当通过两个不同 的介质交界面就会发生折射。
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3. 光纤的分类 根据波导传输波动理论分析，光纤的传播模式可 分为多模光纤和单模光纤。 1) 多模光纤 多模光纤即能承受多个模式的光纤。这种光纤结 构简单、易于实现, 接头连接要求不高, 用起来方便, 也较便宜。因而在早期的数字光纤通信系统(PDH系 列)中采用，但这种光纤传输带宽窄、衰耗大、时延 差大, 因而已逐步被单模光纤代替。
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3. 重量轻、 光纤重量很轻，直径很小。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。表给光缆和标准同轴电缆的重量和截
面积的比较。
表 光缆和电缆的重量和截面积比较
项目
8芯
18 芯
光缆
电缆
光缆
电缆
重量/(kg·m-1) 0.42
6.3
0.42
重量比
1
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是响应度高、 噪声低和响应速度快。
光检测器种类： 光电二极管(PIN - PD)、雪崩光
电二极管(APD)。
2019/9/20 光发射机与光接收机组成演示
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光接收机最重要的特性参数是灵敏度。 灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，它
反映接收机调整到最佳状态时， 接收微弱光信 号的能力。
灵敏度主要取决于组成光接收机的光电二极 管和放大器的噪声，并受传输速率、光发射机的 参数和光纤线路的色散的影响，还与系统要求的 误码率或信噪比有密切关系。
继红宝石激光器之后，氦—氖(He - Ne)激光器、 二氧化碳(CO2)激光器先后出现，并投入实际应用。 激光器的发明和应用， 使光通信进入一个崭新的阶 段。
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2、现代光纤通信 1966年，英籍华裔学者高锟指出了利用光纤
(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。
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二、光纤通信的优点和应用
在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电 波频率高得多，作为传输介质的光纤又比同轴电缆 或波导管的损耗低得多，因此相对于电缆通信或微 波通信，光纤通信具有许多独特的优点。 1. 容许频带很宽，传输容量很大
单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5 Gb/s和10 Gb/s。波分复用(WDM)和光时分复用 (TDM)更是极大地增加了传输容量， 见下表 。
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光纤线路：
光纤线路功能：是把来自光发射机的光信号，以 尽可能小的失真和衰减传输到光接收机。
光纤线路组成：由光纤、光纤接头和光纤连接器 组成。
光纤基本要求：损耗和色散这两个传输特性参数 都尽可能地小， 有足够好的机械特性和环境特性。
石英光纤分类：多模光纤和单模光纤。
单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模 光纤便宜，因而得到更广泛的应用。
④ 综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源 接入网， 可实现电话、数据、视频(会议电视、可视 电话等)及多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样 的社区服务。
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三、光纤通信系统的基本组成
1、发射和接收 下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、 接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。
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2. 损耗很小， 中继距离很长且误码率很小 石英光纤在1.31 μm和1.55 μm波长， 传输损耗分
别为0.50 dB/km和0.20 dB/km，甚至更低。因此，用 光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多，见表。