現(xiàn)代通信系統(tǒng) 第三章 數(shù)字光纖通信

第三章數(shù)字光纖通信

3.1光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀

3.2光纖通信的特點(diǎn)與應(yīng)用

3.3光纖

3.4光纜

3.5通信用光器件

3.6光的波分復(fù)用3.1

光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀

1．光纖通信發(fā)展的里程碑

1966年高錕博士發(fā)表的論文《用于光頻的光纖表面波導(dǎo)》。

2．光纖通信發(fā)展的實(shí)質(zhì)性突破

1970年美國(guó)康寧公司制造出當(dāng)時(shí)世界上第一根超低損耗光纖。

3．光纖通信爆炸性的發(fā)展（1）光纖損耗

1970年：20dB/km；1972年：4dB/km；

1974年：1.1dB/km；1976年：0.5dB/km；

1979年：0.2dB/km；1990年：0.14dB/km。2

高錕，華裔物理學(xué)家，1933年生于中國(guó)上海，祖籍江蘇金山（今上海市金山區(qū)），擁有英國(guó)、美國(guó)國(guó)籍并持中國(guó)香港居民身份，目前在香港和美國(guó)加州山景城兩地居住。高錕為光纖通訊、電機(jī)工程專家，華文媒體譽(yù)之為“光纖之父”、普世譽(yù)之為“光纖通訊之父”（FatherofFiberOpticCommunications），曾任香港中文大學(xué)校長(zhǎng)。2009年，與威拉德·博伊爾和喬治·埃爾伍德·史密斯共享諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。3

（2）光器件光發(fā)送器件：砷化鎵鋁半導(dǎo)體激光器→異質(zhì)結(jié)條形激光器→分布反饋式激光器（DFB-LD）和多量子阱（MQW）激光器。光接收器件：Si-PIN→APD。（3）光纖通信系統(tǒng)從小容量到大容量、從短距離到長(zhǎng)距離、從PDH→SDH→DWDM。在智能光網(wǎng)絡(luò)（ION）、光分插復(fù)用器（OADM）、光交叉連接設(shè)備（OXC）等方面也取得巨大進(jìn)展。4

3.1.1光纖通信系統(tǒng)的基本組成所謂光纖通信，就是利用光纖來(lái)傳輸攜帶信息的光波以達(dá)到通信的目的。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)方框圖如圖3-2所示。由光發(fā)射機(jī)、光纖和光接收機(jī)組成。圖3.1數(shù)字光纖通信系統(tǒng)方框圖5

光發(fā)射機(jī)：其作用就是進(jìn)行電/光轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換成的光脈沖信號(hào)碼流輸入到光纖中進(jìn)行傳輸。光源器件一般是LED和LD。光纖：完成光波的傳輸。光接收機(jī)：它的作用就是進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換。光接收器件一般是PIN和APD。6

3.1.2光纖通信系統(tǒng)的分類

1．按傳輸信號(hào)分類（1）數(shù)字光纖通信系統(tǒng)（2）模擬光纖通信系統(tǒng)

2．按波長(zhǎng)和光纖類型分類（1）短波長(zhǎng)（0.85μm左右）多模光纖通信系統(tǒng)（2）長(zhǎng)波長(zhǎng)（1.31μm）多模光纖通信系統(tǒng)（3）長(zhǎng)波長(zhǎng)（1.31μm）單模光纖通信系統(tǒng)（4）長(zhǎng)波長(zhǎng)（1.55μm）單模光纖通信系統(tǒng)73.1.3發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

（1）向超高速系統(tǒng)發(fā)展（2）向超大容量WDM（波分復(fù)用）系統(tǒng)演進(jìn)（3）向光傳送網(wǎng)方向發(fā)展（4）向G.655（非零色散）光纖發(fā)展（5）向?qū)拵Ч饫w接入網(wǎng)方向發(fā)展83.2光纖通信的特點(diǎn)與應(yīng)用

3.2.1光纖通信的特點(diǎn)（1）通信容量大（2）中繼距離長(zhǎng)（3）保密性能好（4）適應(yīng)能力強(qiáng)（5）體積小、重量輕、便于施工和維護(hù)（6）原材料來(lái)源豐富，潛在價(jià)格低廉（7）光纖通信同樣也存在著如下缺點(diǎn)：①需要光/電和電/光變換部分；②光直接放大難；③電力傳輸困難；④彎曲半徑不宜太小；⑤需要高級(jí)的切斷接續(xù)技術(shù)；⑥分路耦合不方便。9

3.2.2光纖通信的工作波長(zhǎng)光波波長(zhǎng)在微米級(jí)，包括紫外、可見、紅外。光纖通信使用的波段位于近紅外區(qū)，波長(zhǎng)范圍為0.8~1.8μm。其中短波長(zhǎng)波段：0.8~1.0μm；長(zhǎng)波長(zhǎng)波段：1.0~1.8μm。選取兩段內(nèi)低損耗點(diǎn)，得到光纖通信三個(gè)窗口：0.85μm、1.31μm和1.55μm。

10

（1）光纖在公用電信網(wǎng)間作為傳輸線。（2）局域網(wǎng)中的應(yīng)用。（3）光纖寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)及光纖用戶線。（4）作為危險(xiǎn)環(huán)境下的通信線。諸如發(fā)電廠、化工廠、石油庫(kù)等場(chǎng)所。（5）滿足不同網(wǎng)絡(luò)層面的應(yīng)用。核心網(wǎng)層面、城域網(wǎng)層面、局域網(wǎng)層面等。（6）應(yīng)用于專網(wǎng)。光纖通信主要應(yīng)用于電力、公路、鐵路、礦山等通信專網(wǎng)。3.2.3光纖通信的應(yīng)用113.3光纖

3.3.1光纖的結(jié)構(gòu)

1.光纖結(jié)構(gòu)光纖由纖芯、包層和涂覆層3部分組成，如圖3.2所示。圖3.2光纖的結(jié)構(gòu)123000芯15

（1）纖芯：纖芯位于光纖的中心部位。直徑d1=4μm～50μm，單模光纖的纖芯為4μm～10μm，多模光纖的纖芯為50μm。纖芯的成分是高純度SiO2，摻有極少量的摻雜劑（如GeO2，P2O5），作用是提高纖芯對(duì)光的折射率（n1），以傳輸光信號(hào)。（2）包層：包層位于纖芯的周圍。直徑d2=125μm，其成分也是含有極少量摻雜劑的高純度SiO2。而摻雜劑（如B2O3）的作用則是適當(dāng)降低包層對(duì)光的折射率（n2），使之略低于纖芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信號(hào)封閉在纖芯中傳輸。17

（3）涂覆層：光纖的最外層為涂覆層，包括一次涂覆層，緩沖層和二次涂覆層。一次涂覆層一般使用丙烯酸酯、有機(jī)硅或硅橡膠材料；緩沖層一般為性能良好的填充油膏；二次涂覆層一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物。涂覆的作用是保護(hù)光纖不受水汽侵蝕和機(jī)械擦傷，同時(shí)又增加了光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性，起著延長(zhǎng)光纖壽命的作用。涂覆后的光纖其外徑約1.5mm。通常所說(shuō)的光纖為此種光纖。18

緊套光纖與松套光纖緊套光纖就是在一次涂覆的光纖上再緊緊地套上一層尼龍或聚乙烯等塑料套管，光纖在套管內(nèi)不能自由活動(dòng)。松套光纖，就是在光纖涂覆層外面再套上一層塑料套管，光纖可以在套管中自由活動(dòng)。圖3.3塑光纖結(jié)構(gòu)19

2．光纖的折射率分布與光線的傳播圖3.4所示為兩種典型光纖的折射率分布情況。一種稱為階躍折射率光纖SI(stepindexfiber)；另一種稱為漸變折射率光纖GI(gradedindexfiber)。如圖3.4（a）、（b）所示：圖3.4光纖的折射率分布20

光在階躍折射率光纖和漸變折射率光纖的傳播軌跡如圖所示。圖3.5光在各種光纖中的傳播213.3.2光纖的分類

若按傳輸模的數(shù)量：多模光纖和單模光纖若按傳輸波長(zhǎng)分類：短波長(zhǎng)光纖和長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖若按套塑結(jié)構(gòu)分類：緊套光纖和松套光纖22

1．按傳輸模數(shù)分類按傳輸模的數(shù)量不同，光纖分為多模光纖和單模光纖。傳播模式概念：當(dāng)光在光纖中傳播時(shí)，如果光纖纖芯的幾何尺寸遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)時(shí)，光在光纖中會(huì)以幾十種乃至幾百種傳播模式進(jìn)行傳播。如圖3.6所示。這些不同的光束稱為模式。圖3.6

光在階躍折射率光纖中的傳播23

（1）多模光纖當(dāng)光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d1）遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)時(shí)（約1μm），光纖傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)存在著幾十種乃至幾百種傳輸模式，這樣的光纖稱為多模光纖。如圖3.4和圖3.5所示。（2）單模光纖當(dāng)光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d1

）較小，與光波長(zhǎng)在同一數(shù)量級(jí)，如芯徑d1

在4μm～10μm范圍，這時(shí)，光纖只允許一種模式（基模）在其中傳播，其余的高次模全部截止，這樣的光纖稱為單模光纖。如圖3.7所示。24圖3.7光在單模光纖中的傳播軌跡252．按傳輸波長(zhǎng)分類光纖可分為短波長(zhǎng)光纖和長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。短波長(zhǎng)光纖的波長(zhǎng)為0.85μm（0.8μm～0.9μm）長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖的波長(zhǎng)為1.3μm～1.6μm，主要有1.31μm和1.55μm兩個(gè)窗口。

3．按套塑結(jié)構(gòu)分類按套塑結(jié)構(gòu)不同，光纖可分為緊套光纖和松套光纖。

264．單模光纖的分類

ITU-T建議規(guī)范了G.652、G.653、G.654和G.655四種單模光纖。（1）G.652光纖

G.652光纖，也稱標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SMF），是指色散零點(diǎn)（即色散為零的波長(zhǎng)）在1310nm附近的光纖。它的折射率分布如圖3.8所示。圖（a）表示的階躍折射率設(shè)計(jì)稱為匹配包層型，圖（b）表示的階躍折射率設(shè)計(jì)被稱為凹陷包層型。

27圖3.8G.652光纖的折射率28（2）G.653光纖

G.653光纖也稱色散位移光纖（DSF），是指色散零點(diǎn)在1550nm附近的光纖，它相對(duì)于G.652光纖，色散零點(diǎn)發(fā)生了移動(dòng)，所以叫色散位移光纖。

（3）G.654光纖

G.654光纖是截止波長(zhǎng)移位的單模光纖。其設(shè)計(jì)重點(diǎn)是降低1550nm的衰減，其零色散點(diǎn)仍然在1310nm附近，因而1550nm窗口的色散較高。G.654光纖主要應(yīng)用于海底光纖通信。（4）G.655光纖由于G.653光纖的色散零點(diǎn)在1550nm附近，DWDM系統(tǒng)在零色散波長(zhǎng)處工作易引起四波混頻效應(yīng)。為了避免該效應(yīng)，將色散零點(diǎn)的位置從1550nm附近移開一定波長(zhǎng)數(shù)，使色散零點(diǎn)不在1550nm附近的DWDM工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)。這種光纖就是非零色散位移光纖（NDSF）。30

這四種單模光纖的主要性能指標(biāo)是衰減、色散、偏振模色散（PMD）和模場(chǎng)直徑。另：G.653光纖是為了優(yōu)化1550nm窗口的色散性能而設(shè)計(jì)的，但它也可以用于1310nm窗口的傳輸。由于G.654光纖和G.655光纖的截止波長(zhǎng)都大于1310nm，所以G.654光纖和G.655光纖不能用于1310nm窗口。313.3.3光纖的導(dǎo)光原理1．折射和折射率光線在不同的介質(zhì)中以不同的速度傳播，描述介質(zhì)的這一特征的參數(shù)就是折射率，或稱折射指數(shù)。折射率可由下式確定：

n=c/v（3.1）其中ν是光在某種介質(zhì)中的速度，с是光在真空中的速度。在折射率為n的介質(zhì)中，光傳播速度變?yōu)閏/n，光波長(zhǎng)變?yōu)?/n（0表示光在真空中的波長(zhǎng)）。表3.1中給出了一些介質(zhì)的折射率。32

當(dāng)一條光線照射到兩種介質(zhì)相接的邊界時(shí)，入射光線分成兩束：反射光線和折射光線。圖3.9光的折射圖3.10光的反射表3.1不同介質(zhì)的折射率材料空氣水玻璃石英鉆石折射率1.0031.331.52～1.891.432.4233

2．光的偏振光波屬于橫波，即光的電磁場(chǎng)振動(dòng)方向與傳播方向垂直。如果光波的振動(dòng)方向始終不變，只是光波的振幅隨相位改變，這樣的光稱為線偏振光，如圖3.11（c）和圖3.11（d）所示。從普通光源發(fā)出的光不是偏振光，而是自然光，如圖3.11（a）所示。

斯涅耳定律給出了定義這些光線方向的規(guī)則：

1=3

n1sin1=n2sin2

（3.2）全反射是光信號(hào)在光纖中傳播的必要條件。34圖3.11

光的偏振

自然光在傳播的過(guò)程中，由于外界的影響在各個(gè)振動(dòng)方向的光強(qiáng)不相同，某一個(gè)振動(dòng)方向的光強(qiáng)比其他方向占優(yōu)勢(shì)，這種光稱為部分偏振光，如圖3.11（b）所示。35作業(yè)：5.3光纖的導(dǎo)光原理是什么？3.3.4光纖的傳輸特性

光纖的傳輸特性主要是指光纖的損耗特性和色散特性，另有機(jī)械特性和溫度特性。

1．光纖的損耗特性光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，而光功率強(qiáng)度逐漸減弱，光纖對(duì)光波產(chǎn)生衰減作用，稱為光纖的損耗（或衰減）。光纖的損耗限制了光信號(hào)的傳播距離。光纖的損耗主要取決于吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗3種損耗。

37（2）彎曲損耗光纖的彎曲會(huì)引起輻射損耗。實(shí)際中，有兩種情況的彎曲：一種是曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲；一種是微彎曲。決定光纖衰減常數(shù)的損耗主要是吸收損耗和散射損耗，彎曲損耗對(duì)光纖衰減常數(shù)的影響不大。

（1）吸收損耗光纖吸收損耗是制造光纖的材料本身造成的損耗，包括紫外吸收、紅外吸收和雜質(zhì)吸收。38

（4）衰減系數(shù)光纖的衰減系數(shù)是指光在單位長(zhǎng)度光纖中傳輸時(shí)的衰耗量，單位一般用dB/km。它是描述光纖損耗的主要參數(shù)。在單模光纖中有兩個(gè)低損耗區(qū)域，分別在1310nm和1550nm附近，即通常說(shuō)的1310nm窗口和1550nm窗口；1550nm窗口又可以分為C-band（1525nm～1562nm）和L-band（1565nm～1610nm）。如圖3.13所示。

（3）散射損耗由于材料的不均勻使光信號(hào)向四面八方散射而引起的損耗稱為瑞利散射損耗，它與波長(zhǎng)有關(guān)。光纖制造中，結(jié)構(gòu)上的缺陷會(huì)引起與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的散射損耗。39圖3.13

光纖的特性40

2．光纖的色散特性光脈沖中的不同頻率或模式在光纖中的群速度不同，這些頻率成分和模式到達(dá)光纖終端有先有后，使得光脈沖發(fā)生展寬，這就是光纖的色散，如圖3.14所示。色散一般用時(shí)延差來(lái)表示，所謂時(shí)延差，是指不同頻率的信號(hào)成分傳輸同樣的距離所需要的時(shí)間之差。圖3.14色散引起的脈沖展寬示意圖41

光纖的色散可分為模式色散、色度色散、偏振模色散。（1）模式色散多模光纖中不同模式的光束有不同的群速度，在傳輸過(guò)程中，不同模式的光束的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的色散，稱模式色散。（2）色度色散由于光源的不同頻率（或波長(zhǎng)）成分具有不同的群速度，在傳輸過(guò)程中，不同頻率的光束的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生色散稱為色度色散。色度色散包括材料色散和波導(dǎo)色散。42①材料色散由于材料折射率隨光信號(hào)頻率的變化而不同，光信號(hào)不同頻率成分所對(duì)應(yīng)的群速度不同，由此引起的色散稱為材料色散。②波導(dǎo)色散由于光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的色散稱為波導(dǎo)色散。其大小可以和材料色散相比擬，普通單模光纖在1.31μm處這兩個(gè)值基本相互抵消。

注：模式色散主要存在于多模光纖。單模光纖無(wú)模式色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散。當(dāng)波長(zhǎng)在1.31μm附近，色散接近為零。色散系數(shù)就是單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)光波長(zhǎng)信號(hào)通過(guò)單位長(zhǎng)度光纖所產(chǎn)生的時(shí)延差，用D表示，單位是ps/(nm·km)。43

（3）偏振模色散（PMD）由于光信號(hào)的兩個(gè)正交偏振態(tài)在光纖中有不同的傳播速度而引起的色散稱偏振模色散。圖3.15偏振模色散44

（4）碼間干擾（ISI）色散將導(dǎo)致碼間干擾。由于各波長(zhǎng)成分到達(dá)的時(shí)間先后不一致，因而使得光脈沖加長(zhǎng)了（T+ΔT），這叫作脈沖展寬，如圖3.16。脈沖展寬將使前后光脈沖發(fā)生重疊，形成碼間干擾，碼間干擾將引起誤碼，因而限制了傳輸?shù)拇a速率和傳輸距離。圖3.16碼間干擾45

3．光纖的機(jī)械特性光纖的機(jī)械特性主要包括耐側(cè)壓力、抗拉強(qiáng)度、彎曲以及扭絞性能等，使用者最關(guān)心的是抗拉強(qiáng)度。（1）光纖的抗拉強(qiáng)度光纖的抗拉強(qiáng)度很大程度上反映了光纖的制造水平。影響光纖抗拉強(qiáng)度的主要因素是光纖制造材料和制造工藝。①預(yù)制棒的質(zhì)量。②拉絲爐的加溫質(zhì)量和環(huán)境污染。③涂覆技術(shù)對(duì)質(zhì)量的影響。④機(jī)械損傷。46

（2）光纖斷裂分析存在氣泡、雜物的光纖，會(huì)在一定張力下斷裂，如圖3.17所示。圖3.17光纖斷裂和應(yīng)力關(guān)系示意圖47

（3）光纖的壽命光纖的壽命，習(xí)慣稱使用壽命，當(dāng)光纖損耗加大以致系統(tǒng)開通困難時(shí)，稱其已達(dá)到了使用壽命。從機(jī)械性能講，壽命指斷裂壽命。（4）光纖的機(jī)械可靠性一般來(lái)說(shuō)，二氧化硅包層光纖的機(jī)械可靠性已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可。為了提高光纖的機(jī)械可靠性，在光纖的外包層中摻入二氧化鈦，從而增加網(wǎng)絡(luò)的壽命。

48

4．光纖的溫度特性光纖的溫度特性，是指在高、低溫條件下對(duì)光纖損耗的影響，一般是損耗增大。如圖3.18所示。圖3.18光纖低溫特性曲線493.4光纜

3.4.1光纜的結(jié)構(gòu)

1．光纜的基本結(jié)構(gòu)光纜由纜芯、護(hù)層和加強(qiáng)芯組成。（1）纜芯纜芯由光纖的芯數(shù)決定，可分為單芯型和多芯型兩種。（2）護(hù)層護(hù)層主要是對(duì)已成纜的光纖芯線起保護(hù)作用，避免受外界機(jī)械力和環(huán)境損壞。護(hù)層可分為內(nèi)護(hù)層（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外護(hù)層（多用鋁帶和聚乙烯組成的LAP外護(hù)套加鋼絲鎧裝等）。502．各種典型結(jié)構(gòu)的光纜（1）層絞式結(jié)構(gòu)光纜把經(jīng)過(guò)套塑的光纖繞在加強(qiáng)芯周圍絞合而構(gòu)成。層絞式結(jié)構(gòu)光纜類似傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)，故又稱之為古典光纜。圖3.19～圖3.21所示是目前在市話中繼和長(zhǎng)途線路上采用的幾種層絞式結(jié)構(gòu)光纜的示意圖（截面）。（3）加強(qiáng)芯加強(qiáng)芯主要承受敷設(shè)安裝時(shí)所加的外力。51

圖3.2012芯松套層絞式直埋光纜圖3.196芯緊套層絞式光纜52圖3.2112芯松套+8芯×2線對(duì)層絞式直埋光纜53

（2）骨架式結(jié)構(gòu)光纜骨架式結(jié)構(gòu)光纜是把緊套光纖或一次涂覆光纖放入加強(qiáng)芯周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構(gòu)成。骨架結(jié)構(gòu)有中心增加螺旋型、正反螺旋型、分散增強(qiáng)基本單元型，圖3-22（b）為螺旋型結(jié)構(gòu)，圖3-23為基本單元結(jié)構(gòu)。目前，我國(guó)采用的骨架式結(jié)構(gòu)光纜，都是采用如圖3-22所示的結(jié)構(gòu)。圖3-24所示是采用骨架式結(jié)構(gòu)的自承式架空光纜。54圖3-2212芯骨架式光纜55

圖3-2370芯骨架式光纜圖3-24骨架式自承式架空光纜56

（3）束管式結(jié)構(gòu)光纜把一次涂覆光纖或光纖束放入大套管中，加強(qiáng)芯配置在套管周圍而構(gòu)成。圖3-25所示的光纜結(jié)構(gòu)即屬護(hù)層增強(qiáng)構(gòu)件配制方式。圖3-26、3-27所示是屬于分散加強(qiáng)構(gòu)件配置方式的束管式結(jié)構(gòu)光纜。

57圖3-2512芯束管式光纜（護(hù)層增強(qiáng)）58

圖3-266～48芯束管式光纜圖3-27LEX束管式光纜分散加強(qiáng)型59

（4）帶狀結(jié)構(gòu)光纜把帶狀光纖單元放入大套管中，形成中心束管式結(jié)構(gòu)；也可把帶狀光纖單元放入凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)，形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。如圖3-28、3-29所示。圖3-28

中心束管式帶狀光纜圖3-29層絞式帶狀光纜60

（6）特殊結(jié)構(gòu)光纜特殊結(jié)構(gòu)的光纜，主要有光/電力組合纜、光/架空地線組合纜和海底光纜和無(wú)金屬光纜。這里只介紹后兩種。①海底光纜有淺海光纜和深海光纜兩種，圖3-30所示為典型的淺海光纜，圖3-31所示是較為典型的深海光纜。②無(wú)金屬光纜無(wú)金屬光纜是指光纜除光纖、絕緣介質(zhì)外（包括增強(qiáng)構(gòu)件、護(hù)層）均是全塑結(jié)構(gòu)，適用于強(qiáng)電場(chǎng)合，如電站、電氣化鐵道及強(qiáng)電磁干擾地帶。61

圖3-30

淺海光纜(雙層加鎧裝束管式光纜)圖3-31深海光纜623.4.2光纜的種類

1．按傳輸性能、距離和用途分可分為市話光纜、長(zhǎng)途光纜、海底光纜和用戶光纜。

2．按光纖的種類分可分為多模光纜、單模光纜。

3．按光纖套塑方法分可分為緊套光纜、松套光纜、束管式光纜和帶狀多芯單元光纜。

4．按光纖芯數(shù)多少分

可分為單芯光纜、雙芯光纜、四芯光纜、六芯光纜、八芯光纜、十二芯光纜和二十四芯光纜等。63

5．按加強(qiáng)件配置方法分光纜可分為中心加強(qiáng)構(gòu)件光纜（如層絞式光纜、骨架式光纜等）、分散加強(qiáng)構(gòu)件光纜（如束管兩側(cè)加強(qiáng)光纜和扁平光纜）、護(hù)層加強(qiáng)構(gòu)件光纜（如束管鋼絲鎧裝光纜）和PE外護(hù)層加一定數(shù)量的細(xì)鋼絲的PE細(xì)鋼絲綜合外護(hù)層光纜。

6．按敷設(shè)方式分光纜可分為管道光纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜。

7．按護(hù)層材料性質(zhì)分光纜可分為聚乙烯護(hù)層普通光纜、聚氯乙烯護(hù)層阻燃光纜和尼龍防蟻防鼠光纜。64

8．按傳輸導(dǎo)體、介質(zhì)狀況分光纜可分為無(wú)金屬光纜、普通光纜和綜合光纜。

9．按結(jié)構(gòu)方式分光纜可分為扁平結(jié)構(gòu)光纜、層絞式結(jié)構(gòu)光纜、骨架式結(jié)構(gòu)光纜、鎧裝結(jié)構(gòu)光纜（包括單、雙層鎧裝）和高密度用戶光纜等。

10．目前通信用光纜可分為（1）室(野)外光纜——用于室外直埋、管道、槽道、隧道、架空及水下敷設(shè)的光纜。（2）軟光纜——具有優(yōu)良的曲撓性能的可移動(dòng)光纜。（3）室（局）內(nèi)光纜——適用于室內(nèi)布放的光纜。（4）設(shè)備內(nèi)光纜——用于設(shè)備內(nèi)布放的光纜。（5）海底光纜——用于跨海洋敷設(shè)的光纜。（6）特種光纜——除上述幾類之外，作特殊用途的光纜。653.5 通信用光器件

3.5.1光源光源器件：光纖通信設(shè)備的核心，其作用是將電信號(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）：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，在高速率、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）：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)。其制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、可靠性好。66

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。

1．激光器的物理基礎(chǔ)----光子的概念光量子學(xué)說(shuō)認(rèn)為，光是由能量為hf的光量子組成的，其中h=6.628×10?34J·s（焦耳·秒），稱為普朗克常數(shù)，f是光波頻率，人們將這些光量子稱為光子。

當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光子的能量作為一個(gè)整體被吸收或發(fā)射。67

2．激光器的工作原理激光器包括以下3個(gè)部分：必須有產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)（激活物質(zhì)）；必須有能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激勵(lì)源（泵浦源）；必須有能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫墓鈱W(xué)諧振腔。（1）產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)即處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)，稱為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)，它是產(chǎn)生激光的必要條件。68

（2）泵浦源使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵(lì)源，稱為泵浦源。物質(zhì)在泵浦源的作用下，使得N2＞N1，從而受激輻射大于受激吸收，有光的放大作用。這時(shí)的工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。（3）光學(xué)諧振腔激活物質(zhì)只能使光放大，只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，以提供必要的反饋及對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。激活物質(zhì)和光學(xué)諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的必要條件。

69

工作原理用半導(dǎo)體材料做成的激光器，當(dāng)激光器的P-N結(jié)上外加的正向偏壓足夠大時(shí)，將使得P-N結(jié)的結(jié)區(qū)出現(xiàn)了高能級(jí)粒子多、低能級(jí)粒子少的分布狀態(tài)，這即是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，這種狀態(tài)將出現(xiàn)受激輻射大于受激吸收的情況，可產(chǎn)生光的放大作用。被放大的光在由P-N結(jié)構(gòu)成的F-P光學(xué)諧振腔（諧振腔的兩個(gè)反射鏡是由半導(dǎo)體材料的天然解理面形成的）中來(lái)回反射，不斷增強(qiáng)，當(dāng)滿足閾值條件后，即可發(fā)出激光。703.半導(dǎo)體激光器種類（1）分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）

DFB-LD是一種可以產(chǎn)生動(dòng)態(tài)控制的單縱模激光器（稱為動(dòng)態(tài)單縱模激光器），即在高速調(diào)制下仍然能單縱模工作的半導(dǎo)體激光器。它是在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻有波紋狀的周期光柵而構(gòu)成的，如圖3-35所示。圖3-35DFB-LD結(jié)構(gòu)示意圖71

（2）量子阱半導(dǎo)體激光器量子阱半導(dǎo)體激光器與一般雙異質(zhì)激光器類似，只是有源區(qū)的厚度很?。◣资＃?，如圖3-36所示。當(dāng)有源區(qū)的厚度非常小時(shí)，在有源區(qū)的異質(zhì)結(jié)將產(chǎn)生一個(gè)勢(shì)能阱，因此將產(chǎn)生這種量子效應(yīng)的激光器稱為量子阱半導(dǎo)體激光器。圖3-36量子阱半導(dǎo)體激光器72作業(yè)：二.發(fā)光二極管

LED的工作原理發(fā)光二極管（LED）是非相干光源，是無(wú)閾值器件，它的基本工作原理是自發(fā)輻射。發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器差別是：發(fā)光二極管沒有光學(xué)諧振腔，不能形成激光。僅限于自發(fā)輻射，所發(fā)出的是熒光，是非相干光。半導(dǎo)體激光器是受激輻射，發(fā)出的是相干光。74LED通常和多模光纖耦合，用于1.31μm或0.85μm波長(zhǎng)的小容量、短距離的光通信系統(tǒng)。

LD通常和單模光纖耦合，用于1.31μm或1.55μm大容量、長(zhǎng)距離光通信系統(tǒng)。分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）主要也和單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于1.55μm超大容量的新型光纖系統(tǒng)，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢(shì)。75

三、調(diào)制方式有直接調(diào)制（內(nèi)調(diào)制）和間接調(diào)制（外調(diào)制）。（1）直接調(diào)制①基本概念及調(diào)制原理直接調(diào)制就是將電信號(hào)直接注入光源，使其輸出的光載波信號(hào)的強(qiáng)度隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化，又稱為內(nèi)調(diào)制。調(diào)制原理如圖3-37所示。②特點(diǎn)調(diào)制簡(jiǎn)單、損耗小、成本低。但存在波長(zhǎng)(頻率)的抖動(dòng)。76

（2）間接調(diào)制①基本概念及調(diào)制原理間接調(diào)制不直接調(diào)制光源，而是利用晶體的電光、磁光和聲光特性對(duì)LD所發(fā)出的光載波進(jìn)行調(diào)制，即光輻射之后再加載調(diào)制電壓，使經(jīng)過(guò)調(diào)制器的光載波得到調(diào)制，這種調(diào)制方式又稱作外調(diào)制，如圖3-38所示。②特點(diǎn)調(diào)制系統(tǒng)比較復(fù)雜、損耗大、而且造價(jià)也高。但譜線寬度窄，可以應(yīng)用于≥2.5Gbit/s的高速大容量傳輸系統(tǒng)之中，而且傳輸距離也超過(guò)300km以上。77圖3-37直接光強(qiáng)度數(shù)字調(diào)制原理78圖3-38

間接調(diào)制激光器的結(jié)構(gòu)四、溫度特性及自動(dòng)溫度控制

1．激光器的溫度特性溫度對(duì)激光器輸出光功率的影響主要通過(guò)閾值電流Ith和外微分量子效率ηd產(chǎn)生，如圖3-39（a）和（b）所示。當(dāng)溫度升高，閾值電流增加，外微分量子效率減小，輸出光脈沖幅度下降。溫度對(duì)輸出光脈沖的另一個(gè)影響是“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”。即使環(huán)境溫度不變，由于調(diào)制電流的作用，引起激光器結(jié)區(qū)溫度的變化，因而使輸出光脈沖的形狀發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”，如圖3-40所示。

“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”將引起調(diào)制失真。80圖3-39

溫度引起的光功率輸出的變化圖3-40

結(jié)發(fā)熱效應(yīng)81

2．光源的自動(dòng)溫度控制（ATC）（1）溫度控制裝置的組成溫度控制裝置由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成，圖3-41示出了溫度控制裝置的方框圖。圖3-41

自動(dòng)溫度控制原理方框圖82

（2）自動(dòng)溫度控制（ATC）原理圖3-42示出ATC電路原理圖。控制過(guò)程可以表示如下：圖3-42ATC電路原理83

注：溫度控制只能控制溫度變化引起的輸出光功率的變化，不能控制由于器件老化而產(chǎn)生的輸出功率的變化。對(duì)于短波長(zhǎng)激光器，一般只需加自動(dòng)功率控制電路即可。對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器，由于其閥值電流隨溫度的漂移較大，因此，一般還需加自動(dòng)溫度控制電路，以使輸出光功率達(dá)到穩(wěn)定。843.5.2光電檢測(cè)器

光電檢測(cè)器完成光/電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是：①在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上具有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；②具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；③具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對(duì)信號(hào)的影響；④具有良好的線性關(guān)系，以保證信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的不失真；⑤具有較小的體積、較長(zhǎng)的工作壽命等。目前常用的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器有兩種，PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管。85

光電檢測(cè)器是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。當(dāng)入射光子能量hf

小于禁帶寬度（帶隙）Eg時(shí)，不論入射光有多強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會(huì)發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足以下條件hf≥Eg。

可見，光頻fc＜Eg/h

的入射光是不能產(chǎn)生光電效應(yīng)的，將fc轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)，則λc=h?C/

Eg。即只有波長(zhǎng)λ＜λc的入射光，才能使這種材料產(chǎn)生光生載流子，故λc為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長(zhǎng)，又稱為截止波長(zhǎng)，相應(yīng)的fc

稱為截至頻率。8687

圖3-43光電二極管工作原理(a)光電效應(yīng)(b)加反向偏壓后的能帶88圖3-44PIN光電二極管工作原理

雪崩光電二極管，又稱APD（AvalanchePhotoDiode）。它不但具有光/電轉(zhuǎn)換作用，而且具有內(nèi)部放大作用，其放大作用是靠管子內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)完成的。

APD的雪崩倍增效應(yīng)，是在二極管的P-N結(jié)上加高反向電壓，在結(jié)區(qū)形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)；在高場(chǎng)區(qū)內(nèi)光生載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，獲得高的動(dòng)能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價(jià)帶的電子得到了能量；越過(guò)禁帶到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了新的電子—空穴對(duì)；新產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)中又被加速，再次碰撞，又激發(fā)出新的電子—空穴對(duì)……如此循環(huán)下去，形成雪崩效應(yīng)，使光電流在管子內(nèi)部獲得了倍增。89圖3-45APD載流子雪崩式倍增示意圖90APD就是利用雪崩效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測(cè)器。3.5.3 光端機(jī)

光發(fā)送機(jī)與光接收機(jī)統(tǒng)稱為光端機(jī)。光端機(jī)位于電端機(jī)和光纖傳輸線路之間，如圖3-46所示。圖3-46光纖通信系統(tǒng)組成91

光纖通信系統(tǒng)主要包括光纖（光纜）和光端機(jī)。每一部光端機(jī)又包含光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)兩部分，通信距離長(zhǎng)時(shí)還要加光中繼器。光發(fā)送機(jī)完成E/O轉(zhuǎn)換，光接收機(jī)完成O/E轉(zhuǎn)換，光纖實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳輸，光中繼器延長(zhǎng)通信距離。

92光發(fā)送機(jī)的基本組成

數(shù)字光發(fā)送機(jī)的基本組成包括均衡放大、碼型變換、復(fù)用、擾碼、時(shí)鐘提取、光源、光源的調(diào)制電路、光源的控制電路（ATC和APC）及光源的監(jiān)測(cè)和保護(hù)電路等。如圖3-47。圖3-47數(shù)字光發(fā)送機(jī)原理方框圖93

（1）均衡放大：補(bǔ)償由電纜傳輸所產(chǎn)生的衰減和畸變。（2）碼型變換：將HDB3碼或CMI碼變化為NRZ碼。（3）復(fù)用：用一個(gè)大傳輸信道同時(shí)傳送多個(gè)低速信號(hào)的過(guò)程。（4）擾碼：使信號(hào)達(dá)到“0”、“1”等概率出現(xiàn)，利于時(shí)鐘提取。（5）時(shí)鐘提?。禾崛CM中的時(shí)鐘信號(hào)，供給其它電路使用。（6）調(diào)制（驅(qū)動(dòng)）電路：完成電/光變換任務(wù)。（7）光源：產(chǎn)生作為光載波的光信號(hào)。（8）溫度控制和功率控制：穩(wěn)定工作溫度和輸出的平均光功率。（9）其他保護(hù)、監(jiān)測(cè)電路：如光源過(guò)流保護(hù)電路、無(wú)光告警電路、LD偏流（壽命）告警等。94數(shù)字光接收機(jī)

光接收機(jī)作用是將光纖傳輸后的幅度被衰減、波形產(chǎn)生畸變的、微弱的光信號(hào)變換為電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、整形、再生后，再生成與發(fā)送端相同的電信號(hào)，輸入到電接收端機(jī)，并且用自動(dòng)增益控制電路（AGC）保證穩(wěn)定的輸出。光接收機(jī)中的關(guān)鍵器件是半導(dǎo)體光檢測(cè)器，它和接收機(jī)中的前置放大器合稱光接收機(jī)前端。前端性能是決定光接收機(jī)的主要因素。95光接收機(jī)的基本組成

強(qiáng)度調(diào)制—直接檢波（IM-DD）的光接收機(jī)方框圖如圖3-48所示，主要包括光電檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、均衡器、時(shí)鐘恢復(fù)電路、取樣判決器以及自動(dòng)增益控制（AGC）電路等。圖3-48數(shù)字光接收機(jī)方框圖96

1．光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器是把光信號(hào)變換為電信號(hào)的關(guān)鍵器件，對(duì)其要求是：①在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上要有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，光電檢測(cè)器能輸出盡可能大的光電流。②波長(zhǎng)響應(yīng)要和光纖的3個(gè)低損耗窗口兼容。③有足夠高的響應(yīng)速度和足夠的工作帶寬。④產(chǎn)生的附加噪聲要盡可能低，能夠接收極微弱的光信號(hào)。⑤光電轉(zhuǎn)換線性好，保真度高。⑥工作性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長(zhǎng)。⑦功耗和體積小，使用簡(jiǎn)便。97

2．放大器光接收機(jī)的放大器包括前置放大器和主放大器兩部分。對(duì)前置放大器要求是較低的噪聲、較寬的帶寬和較高的增益。前置放大器的的類型目前有3種：低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器（或跨導(dǎo)前置放大器）。主放大器一般是多級(jí)放大器，它的功能主要是提供足夠高的增益，把來(lái)自前置放大器的輸出信號(hào)放大到判決電路所需的信號(hào)電平。并通過(guò)它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制（AGC），以使輸入光信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電信號(hào)應(yīng)保持恒定輸出。主放大器和AGC決定著光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。98

3．均衡器均衡器的作用是對(duì)已畸變(失真)和有碼間干擾的電信號(hào)進(jìn)行均衡補(bǔ)償，減小誤碼率。

4．再生電路再生電路的任務(wù)是把放大器輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)，由判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路組成。

5．自動(dòng)增益控制（AGC）

AGC就是用反饋環(huán)路來(lái)控制主放大器的增益。作用是增加了光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，使光接收機(jī)的輸出保持恒定。99

光接收機(jī)的噪聲特性

光接收機(jī)的噪聲包括光電檢測(cè)器的噪聲和光接收機(jī)的電路噪聲。這些噪聲的分布如圖3-49所示。光電檢測(cè)器的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲和APD的倍增噪聲；電路噪聲主要是前置放大器的噪聲。前置放大器的噪聲包括電阻熱噪聲及晶體管組件內(nèi)部噪聲。100圖3-49

接收機(jī)的噪聲及其分布101

（1）量子噪聲：是指當(dāng)一個(gè)光電檢測(cè)器受到外界光照，其光子激勵(lì)而產(chǎn)生的光生載流子是隨機(jī)的，從而導(dǎo)致輸出電流的隨機(jī)起伏。這是檢測(cè)器固有的噪聲。（2）暗電流噪聲暗電流是指無(wú)光照射時(shí)光電檢測(cè)器中產(chǎn)生的電流。由于激勵(lì)出的暗電流是浮動(dòng)的，就產(chǎn)生了噪聲，稱為暗電流噪聲。

102（3）雪崩管倍增噪聲由于雪崩光電二極管的雪崩倍增作用是隨機(jī)的，這種隨機(jī)性，必然要引起雪崩管輸出信號(hào)的浮動(dòng)，從而引入噪聲。（4）光接收機(jī)的電路噪聲主要指前置放大器噪聲，其中包括電阻熱噪聲及晶體管組件內(nèi)部噪聲。103光接收機(jī)的主要指標(biāo)

數(shù)字光接收機(jī)主要指標(biāo)有光接收機(jī)的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。（1）光接收機(jī)的靈敏度光接收機(jī)的靈敏度是指在系統(tǒng)滿足給定誤碼率指標(biāo)的條件下，光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率Pmin（mW）。工程中常用毫瓦分貝（dBm）來(lái)表示，即104（2）光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍是指在保證系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)的條件下，接收機(jī)的最低輸入光功率（dBm）和最大允許輸入光功率（dBm）之差（dB）。即105

（3）自動(dòng)增益控制（AGC）

AGC就是利用反饋環(huán)路來(lái)控制主放大器的增益。AGC的作用是增加了光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。自動(dòng)增益控制（AGC）電路原理框圖如圖3-50所示。圖3-50自動(dòng)增益控制電路原理框圖106作業(yè)：3.5.4光中繼器

光信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問題：①光纖的損耗特性使光信號(hào)的幅度衰減，限制了光信號(hào)的傳輸距離；②光纖的色散特性使光信號(hào)波形失真，造成碼間干擾，使誤碼率增加。以上兩點(diǎn)不但限制了光信號(hào)的傳輸距離，也限制了光纖的傳輸容量。為增加光纖的通信距離和通信容量，必須設(shè)置光中繼器。

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光中繼器的功能是補(bǔ)償光能量損耗，恢復(fù)信號(hào)脈沖形狀：①補(bǔ)償衰減的光信號(hào)；②對(duì)畸變失真的信號(hào)波形進(jìn)行整形。光中繼器主要有兩種：一種是傳統(tǒng)的光中繼器（即光電中繼器），另一種是全光中繼器。1093.5.4.1光電中繼器1．光電中繼器的構(gòu)成傳統(tǒng)的光中繼器采用光—電—光（O-E-O）轉(zhuǎn)換形式的中繼器。如圖3-51所示。圖3-51

典型的數(shù)字光中繼器原理方框圖110光-電-光轉(zhuǎn)換再生中繼器結(jié)構(gòu)通信設(shè)備復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不高，傳輸容量受到一定的限制。l1l2lN...光纖l1l2lN光解復(fù)用...O/EADME/O光復(fù)用l1l2lN...l1l2lN...光纖再生中繼器的缺點(diǎn)

任何光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離都受光纖損耗或色散限制因此，傳統(tǒng)的長(zhǎng)途光纖傳輸系統(tǒng)，需要每隔一定的距離，就增加一個(gè)再生中繼器，以便保證信號(hào)的質(zhì)量。這種再生中繼器的基本功能是進(jìn)行光-電-光轉(zhuǎn)換，并在光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)時(shí)進(jìn)行再生、整形和定時(shí)處理，恢復(fù)信號(hào)形狀和幅度，然后再轉(zhuǎn)換回光信號(hào)，沿光纖線路繼續(xù)傳輸。

2．光電中繼器的結(jié)構(gòu)形式有的設(shè)在機(jī)房中，有的是箱式或罐式，有的是直埋在地下或架空光纜在電桿上。113這種方式有許多缺點(diǎn)。首先，通信設(shè)備復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不高，特別是在多信道光纖通信系統(tǒng)中更為突出，因?yàn)槊總€(gè)信道均需要進(jìn)行波分解復(fù)用，然后光-電-光變換，經(jīng)波分復(fù)用后，再送回光纖信道傳輸，所需設(shè)備更復(fù)雜，費(fèi)用更昂貴。其次，傳輸容量受到一定的限制。

多年來(lái)，人們一直在探索能否去掉上述光-電-光轉(zhuǎn)換過(guò)程，直接在光路上對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，然后再傳輸，即用一個(gè)全光傳輸中繼器代替目前的這種光-電-光再生中繼器。經(jīng)過(guò)多年的努力，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)明了幾種光放大器，其中摻鉺光纖放大器（EDFA）、分布光纖喇曼放大器（DRA）和半導(dǎo)體光放大器（SOA）技術(shù)已經(jīng)成熟，眾多公司已有商品出售。3.5.4.2全光中繼器摻鉺光纖放大器

使用鉺離子作為增益介質(zhì)的光纖放大器，稱為摻鉺光纖放大器(EDFA)。這些離子在光纖制造過(guò)程中被摻入光纖芯中，使用泵浦光直接對(duì)光信號(hào)放大，提供光增益。雖然摻雜光纖放大器早在1964年就有研究，但是直到1985年才首次研制成功摻鉺光纖。1988年低損耗摻鉺光纖技術(shù)已相當(dāng)成熟，其性能相當(dāng)優(yōu)良，已可以提供實(shí)際使用。放大器的特性，如工作波長(zhǎng)、帶寬由摻雜劑所決定。摻鉺光纖放大器因?yàn)楣ぷ鞑ㄩL(zhǎng)在靠近光纖損耗最小的1.55m波長(zhǎng)區(qū)，它比其它光放大器更引人注意。摻鉺光纖放大器（EDFA）結(jié)構(gòu)

摻鉺光纖：當(dāng)一定的泵浦光注入到摻鉺光纖中時(shí)，Er3+從低能級(jí)被激發(fā)到高能級(jí)上，由于在高能級(jí)上的壽命很短，很快以非輻射躍遷形式到較低能級(jí)上，并在該能級(jí)和低能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。

半導(dǎo)體泵浦二極管：為信號(hào)放大提供足夠的能量，使物質(zhì)達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

波分復(fù)用器：將信號(hào)光和泵浦光合路進(jìn)入摻鉺光纖中。

光隔離器：使光傳輸具有單向性，放大器不受發(fā)射光影響，保證穩(wěn)定工作。EDFA工作原理及其特性在摻鉺離子的能級(jí)圖中，E1是基態(tài)，E2是中間能級(jí)，E3代表激發(fā)態(tài)。若泵浦光的光子能量等于E3與E1之差，鉺離子吸收泵浦光后，從E1升至E3。但是激活態(tài)是不穩(wěn)定的，激發(fā)到E3的鉺離子很快返回到E2。若信號(hào)光的光子能量等于E2和E1之差，則當(dāng)處于E2的鉺離子返回E1時(shí)則產(chǎn)生信號(hào)光子，這就是受激發(fā)射，結(jié)果使信號(hào)光得到放大。EDFA中的Er3+能級(jí)結(jié)構(gòu)

泵浦波長(zhǎng)可以是520、650、800、980、1480nm波長(zhǎng)短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。鉺離子簡(jiǎn)化能級(jí)示意圖吸收泵浦光快速非輻射躍遷光放大受激輻射產(chǎn)生噪聲自發(fā)輻射受激吸收基態(tài)能帶泵浦能帶980nm1480nm亞穩(wěn)態(tài)能帶1550nm

為了提高放大器的增益，應(yīng)盡可能使基態(tài)鉺離子激發(fā)到激發(fā)態(tài)能級(jí)E3。從以上分析可知，能級(jí)E2和E1之差必須是需要放大信號(hào)光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必須保證使鉺離子從基態(tài)E1躍遷到激活態(tài)E3。

EDFA的增益特性與泵浦方式及其光纖摻雜劑有關(guān)?？墒褂枚喾N不同波長(zhǎng)的光來(lái)泵浦EDFA，但是0.98m和1.48m的半導(dǎo)體激光泵浦最有效。使用這兩種波長(zhǎng)的光泵浦EDFA時(shí)，只用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得高達(dá)30~40dB的放大器增益。泵浦光是如何將

能量轉(zhuǎn)移給信號(hào)的EDFA各部分作用(1)摻鉺光纖 光纖放大器的關(guān)鍵部件是具有增益放大特性的摻鉺光纖，因而使摻鉺光纖的設(shè)計(jì)最佳化是主要的技術(shù)關(guān)鍵。EDFA的增益與許多參數(shù)有關(guān)，如鉺離子濃度、放大器長(zhǎng)度、芯徑以及泵浦光功率等。(2)泵浦源 對(duì)泵浦源的基本要求是高功率和長(zhǎng)壽命。它是保證光纖放大器性能的基本因素。幾個(gè)波長(zhǎng)可有效激勵(lì)摻鉺光纖。最先使用1480nm的InGaAs多量子阱(MQW)激光器，其輸出功率可達(dá)100mW，泵浦增益系數(shù)較高。隨后采用980nm波長(zhǎng)泵浦，效率高,噪聲低，現(xiàn)已廣泛使用。(3)波分復(fù)用器

其作用是使泵浦光與信號(hào)光進(jìn)行復(fù)合。對(duì)它的要求是插入損耗低，因而適用的WDM器件主要有熔融拉錐形光纖耦合器和干涉濾波器。(4)光隔離器

在輸入、輸出端插入光隔離器是為了抑制光路中的反射，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、降低噪聲。對(duì)隔離器的基本要求是插入損耗低、反向隔離度大。EDFA各部分作用

同向泵浦泵浦光與信號(hào)光從同一端注入摻鉺光纖。輸出功率最小，噪聲性能好。2.反向泵浦泵浦光與信號(hào)光從不同的方向輸入摻雜光纖，兩者在摻鉺光纖中反向傳輸。輸出信號(hào)功率高，噪聲最大。3.雙向泵浦為了使摻鉺光纖中的鉺離子能夠得到充分的激勵(lì)，必須提高泵浦功率。輸出信號(hào)功率比單泵浦源高3dB，且放大特性與信號(hào)傳輸方向無(wú)關(guān)。三種泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCinoutLDWDMEDFAPCAPCinout同向泵浦(前向泵浦)型：好的噪聲性能反向泵浦(后向泵浦)型：輸出信號(hào)功率高雙向泵浦型：輸出信號(hào)功率比單泵浦源高3dB，且放大特性與信號(hào)傳輸方向無(wú)關(guān)摻鉺光纖放大器的優(yōu)缺點(diǎn)

EDFA之所以得到迅速的發(fā)展，源于它的一系列優(yōu)點(diǎn)。

(1)工作波長(zhǎng)與光纖最小損耗窗口一致，可在光纖通信中獲得廣泛應(yīng)用。

(2)耦合效率高。因?yàn)槭枪饫w型放大器，易于光纖耦合連接，也可用熔接技術(shù)與傳輸光纖熔接在一起，損耗可降至0.1dB，這樣的熔接反射損耗也很小，不易自激。(3)能量轉(zhuǎn)換效率高。激光工作物質(zhì)集中在光纖芯子，且集中在光纖芯子中的近軸部分，而信號(hào)光和泵浦光也是在近軸部分最強(qiáng)，這使得光與物質(zhì)作用很充分。

(4)增益高，噪聲低。輸出功率大，增益可達(dá)40dB，輸出功率在單向泵浦時(shí)可達(dá)14dBm，雙向泵浦時(shí)可達(dá)17dBm，甚至可達(dá)20dBm，充分泵浦時(shí)，噪聲系數(shù)可低至3~4dB，串話也很小。(5)增益特性不敏感。首先是EDFA增益對(duì)溫度不敏感，在100°C內(nèi)增益特性保持穩(wěn)定，另外，增益也與偏振無(wú)關(guān)。(6)可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的透明傳輸，即在波分復(fù)用系統(tǒng)中可同時(shí)傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，高速率信號(hào)和低速率信號(hào)，系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)，可只改動(dòng)端機(jī)而不改動(dòng)線路。EDFA也有固有的缺點(diǎn)：(1)波長(zhǎng)固定，只能放大1.55μm左右的光波，換用不同基質(zhì)的光纖時(shí)，鉺離子能級(jí)也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波長(zhǎng)有限，只能換用其他元素；(2)增益帶寬不平坦，在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來(lái)進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。光纖喇曼放大器喇曼現(xiàn)象在1928年被發(fā)現(xiàn)。90年代早期，EDFA取代它成為焦點(diǎn)，F(xiàn)RA受到冷遇。摻鉺光纖放大器（EDFA）是光纖通信系統(tǒng)中的重要組成部分，目前廣泛使用的EDFA，單泵浦增益典型值為17dB，雙泵浦的為35dB，噪聲系數(shù)一般為57dB，帶寬為30nm，在帶寬內(nèi)的增益偏差為1dB。但是EDFA只能工作在1530~1564nm之間的C波段，為了滿足全波光纖工作窗口寬的需要，科學(xué)家們?cè)趯で笠环N能夠與全波光纖工作窗口相匹配的光放大器，這就是光纖喇曼放大器。隨著光纖通信網(wǎng)容量的增加，對(duì)放大器提出新的要求，傳統(tǒng)的EDFA已很難滿足，F(xiàn)RA再次成為研究的熱點(diǎn)。特別是高功率二極管泵浦激光器的迅猛發(fā)展，又為FRA的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。光纖拉曼放大器光纖(a)無(wú)泵激光的1550nm傳輸光功率(dB)波長(zhǎng)1550nm波長(zhǎng)光功率(dB)1550nm1450nm光纖(b)有泵激光的1550nm傳輸1550nm經(jīng)光纖傳輸衰減的光1450nm1550nm如果一個(gè)弱信號(hào)和一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在光纖中傳輸，并使弱信號(hào)波長(zhǎng)置于泵浦光的拉曼