單元二 話音在光纖通信系統(tǒng)中的傳輸任務(wù)3 認(rèn)識(shí)光通信器件教

單元二話音在光纖通信系統(tǒng)中的傳輸任務(wù)3認(rèn)識(shí)光通信器件教學(xué)活動(dòng)光通信器件功能和工作原理及其性能指標(biāo)。2/3/20231第4章

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)

本章重點(diǎn)內(nèi)容是：1.光纖通信的特點(diǎn)；2．光纖通信系統(tǒng)的基本組成；3．光纖的結(jié)構(gòu)和分類、光纖的導(dǎo)光原理及主要工作特性；4．光源、光檢測(cè)器、光無(wú)源器件的工作原理和工作特性5．光端機(jī)的基本組成及各部分的主要作用；6．SDH的基本特點(diǎn)；7．SDH的標(biāo)準(zhǔn)速率與幀結(jié)構(gòu)；8．我國(guó)SDH的復(fù)用結(jié)構(gòu)；9．SDH網(wǎng)中的復(fù)用設(shè)備和數(shù)字交叉連接器；10．SDH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。2/3/202324.1

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)概述4.1.1光纖通信發(fā)展史和現(xiàn)狀1、探索時(shí)期的光通信:

中國(guó)古代用“烽火臺(tái)”報(bào)警，歐洲人用旗語(yǔ)傳送信息，這些都可以看作是原始形式的光通信。

1880年，美國(guó)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(xiàn)代光通信的雛型。2/3/20233

1960年，美國(guó)人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器，給光通信帶來(lái)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(xiàn)，并投入實(shí)際應(yīng)用。激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。2/3/202342、現(xiàn)代光纖通信

1966年，英籍華裔學(xué)者高錕指出了利用光纖(OpticalFiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。

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

1973年，美國(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室取得了更大成績(jī)，光纖損耗降低到2.5dB/km。

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

第一階段(1966-1976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期。實(shí)現(xiàn)了短波長(zhǎng)(0.85μm)低速率(45或34Mb/s)多模光纖通信系統(tǒng)。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(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長(zhǎng)從短波長(zhǎng)(0.85μm)發(fā)展到長(zhǎng)波長(zhǎng)(1.31μm和1.55μm)。

第三階段(1986-1996年)，這是以超大容量超長(zhǎng)距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，實(shí)現(xiàn)了1.55μm色散移位單模光纖通信系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室可以達(dá)到更高水平。2/3/202364.1.2光纖通信的特點(diǎn)和應(yīng)用

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

1.容許頻帶很寬，傳輸容量很大單波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般為2.5Gb/s和10Gb/s。波分復(fù)用(WDM)和光時(shí)分復(fù)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(nèi)中繼器個(gè)數(shù)微波無(wú)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

2/3/20238

2.損耗很小，中繼距離很長(zhǎng)且誤碼率很小

石英光纖在1.31μm和1.55μm波長(zhǎng)，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(dǎo)管的中繼距離長(zhǎng)得多，見表。傳輸容量大、傳輸誤碼率低、中繼距離長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，使光纖通信系統(tǒng)不僅適合于長(zhǎng)途干線網(wǎng)而且適合于接入網(wǎng)的使用，這也是降低每公里話路的系統(tǒng)造價(jià)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)同軸電纜的重量和截面積的比較。

項(xiàng)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

2/3/202310

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(chǎng)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?shù)墓庑孤┓浅Ｎ⑷?，即使在彎曲地段也無(wú)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(shù)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(zhì)，使得相對(duì)造價(jià)直線下降。圖

各種通信系統(tǒng)相對(duì)造價(jià)與傳輸容量的比較

2/3/202312光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下：①通信網(wǎng)，包括全球通信網(wǎng)、各國(guó)的公共電信網(wǎng)、各種專用通信網(wǎng)、特殊通信手段。②構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，如光纖以太網(wǎng)、路由器之間的光纖高速傳輸鏈路。③有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)；工業(yè)電視系統(tǒng)，如工廠、銀行、商場(chǎng)、交通和公安部的監(jiān)控。④綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)，分為有源接入網(wǎng)和無(wú)源接入網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)電話、數(shù)據(jù)、視頻(會(huì)議電視、可視電話等)及多媒體業(yè)務(wù)綜合接入核心網(wǎng)，提供各種各樣的社區(qū)服務(wù)。2/3/2023134.1.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成

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

圖

光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)組成演示2/3/202314信息源：把用戶信息轉(zhuǎn)換為原始電信號(hào)，這種信號(hào)稱為基帶信號(hào)。電發(fā)射機(jī)：把基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合信道傳輸?shù)男盘?hào)，這個(gè)轉(zhuǎn)換如果需要調(diào)制，則其輸出信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)。光發(fā)射機(jī)：輸入到光發(fā)射機(jī)帶有信息的電信號(hào)，通過(guò)調(diào)制轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。光接收機(jī)：光載波經(jīng)過(guò)光纖線路傳輸?shù)浇邮斩?，再由光接收機(jī)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

電接收機(jī)：功能和電發(fā)射機(jī)的功能相反。2/3/202315

2、基本光纖傳輸系統(tǒng)

基本光纖傳輸系統(tǒng)作為獨(dú)立的“光信道”單元。有線通信系統(tǒng)或無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)射與接收之間加入光發(fā)射機(jī)、光纖線路和光接收機(jī)，再配置適當(dāng)?shù)墓馄骷?，可以組成傳輸能力更強(qiáng)、功能更完善的光纖通信系統(tǒng)。下面簡(jiǎn)要介紹基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個(gè)組成部分。2/3/202316光發(fā)射機(jī)：

光發(fā)射機(jī)的功能：把輸入電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并用耦合技術(shù)把光信號(hào)最大限度地注入光纖線路。

光發(fā)射機(jī)組成：由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。

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

光源種類：半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)、半導(dǎo)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(lái)自光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)，以盡可能小的失真和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)。

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(gè)傳輸特性參數(shù)都盡可能地小，有足夠好的機(jī)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(jià)格比多模光纖便宜，因而得到更廣泛的應(yīng)用。單模光纖適合大容量長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)，小容量短距離系統(tǒng)用多模光纖配合半導(dǎo)體發(fā)光二極管更加合適。2/3/202318光接收機(jī)：

光接收機(jī)的功能：是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號(hào)。

光接收機(jī)組成：由光檢測(cè)器、放大器和相關(guān)電路組成光檢測(cè)器是光接收機(jī)的核心。對(duì)光檢測(cè)器的要求是響應(yīng)度高、噪聲低和響應(yīng)速度快。

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

2/3/202319光接收機(jī)最重要的特性參數(shù)是靈敏度。靈敏度是衡量光接收機(jī)質(zhì)量的綜合指標(biāo)，它反映接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，接收微弱光信號(hào)的能力。

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

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

光纜主要由纜芯、護(hù)套和加強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(jīng)二次涂覆處理后的光纖組成,它又分為帶狀結(jié)構(gòu)和單位式結(jié)構(gòu)。強(qiáng)度元件由于光纖的材料比較脆,容易斷裂,在光纜內(nèi)中心或四周要加一根或多根加強(qiáng)元件。護(hù)層光纜的護(hù)層主要是對(duì)已形成的光纖芯線起保護(hù)作用,避免受外部機(jī)械力和環(huán)境損壞。2/3/202322

2/3/202323

光纜的種類在公用通信網(wǎng)中用的光纜結(jié)構(gòu)如表所示。

2/3/202324下面介紹幾種有代表性的光纜結(jié)構(gòu)形式。

(1)層絞式光纜。它是將若干根光纖芯線以強(qiáng)度元件為中心絞合在一起的一種結(jié)構(gòu),如圖(a)所示。特點(diǎn)是成本低,芯線數(shù)不超過(guò)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(gè)單位,再由數(shù)個(gè)單位以強(qiáng)度元件為中心絞合成纜,如圖(b)所示,其芯線數(shù)一般適用于幾十芯。2/3/202325(3)骨架式光纜。這種結(jié)構(gòu)是將單根或多根光纖放入骨架的螺旋槽內(nèi),骨架中心是強(qiáng)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(cè)壓、抗彎曲、抗拉的特點(diǎn)。

(4)帶狀式光纜。它是將4～12根光纖芯線排列成行,構(gòu)成帶狀光纖單元,再將多個(gè)帶狀單元按一定方式排列成纜,如圖(d)所示。這種光纜的結(jié)構(gòu)緊湊,采用此種結(jié)構(gòu)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(shè)備的核心，它的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)送入光纖。光纖通信中常用的光源器件有半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管兩種。

半導(dǎo)體激光器（LD）主要適用于長(zhǎng)距離大容量的光纖通信系統(tǒng)。尤其是單縱模半導(dǎo)體激光器，在高速、大容量的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)光二極管（LED）其制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、可靠性好，適用于短距離、低碼速的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，或者是模擬光纖通信系統(tǒng)。2/3/202328激光器的工作原理：半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體P-N結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩輸出激光。那么如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布及如何構(gòu)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(guān)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(zhǎng)的變化情況，一般用光源譜線寬度來(lái)表示。2/3/2023293）功率轉(zhuǎn)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(dǎo)體激光器的功率轉(zhuǎn)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(shí)間也有關(guān)系。隨著激光器使用時(shí)間的增加，閾值電流也會(huì)逐漸加大。2/3/2023302/3/2023312．光電檢測(cè)器

光電檢測(cè)器是光纖通信系統(tǒng)的另一個(gè)核心器件，主要完成光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能，要具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、噪聲小、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。光電檢測(cè)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(yīng)用于短距離、小容量的光纖通信系統(tǒng)中；APD主要應(yīng)用于長(zhǎng)距離、大容量的光纖通信系統(tǒng)中。2/3/202332光電檢測(cè)器的工作原理：光電二極管PD由半導(dǎo)體P-N結(jié)組成，利用光電效應(yīng)原理完成光電轉(zhuǎn)換。光電檢測(cè)器特性：

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

2/3/2023343、無(wú)源光器件在光纖通信的傳輸系統(tǒng)中，在傳輸線路中還需要各種輔助器件以實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間或光纖與光端機(jī)之間的連接、耦合、合分路、線路倒換以及保護(hù)等多種功能。主要的無(wú)源器件有光纖連接器、光纜連接器、光纖耦合器、光開關(guān)、光復(fù)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(dòng)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(fù)使用的光“無(wú)源器件”，被廣泛應(yīng)用在光纖傳輸線路、光纖配線架和光纖測(cè)試儀器、儀表中，也是目前使用數(shù)量最多的光無(wú)源器件。2/3/202336