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第第1章章 概述概述第第1章章 概述概述光通信是光通信是20世纪世纪70年代发展起来的通信技术年代发展起来的通信技术光光通通信信技技术术的的诞诞生生是是通通信信发发展展史史上上的的一一次次革革命命性性进进步，促进了人类社会向信息化社会的发展步，促进了人类社会向信息化社会的发展光光通通信信技技术术主主要要涉涉及及光光信信号号的的产产生生、、传传输输、、检检测测以以及组网技术及组网技术本本章章将将简简要要介介绍绍光光通通信信的的发发展展与与特特点点，，光光纤纤通通信信系系统的组成等统的组成等第第1章章 概述概述1.1 光纤通信的发展历程光纤通信的发展历程1.2 光纤通信的特点与应用光纤通信的特点与应用1.3 光纤通信系统的分类与组成光纤通信系统的分类与组成1.1 光纤通信的发展历程光纤通信的发展历程光光纤纤通通信信是是以以光光作作为为信信息息载载体体，，以以光光纤纤作作为为传传输输媒媒介的通信方式介的通信方式光光纤纤通通信信技技术术是是近近40年年来来迅迅猛猛发发展展起起来来的的高高新新技技术术，，给给世世界界通通信信技技术术乃乃至至国国民民经经济济、、国国防防事事业业和和人人民生活带来了巨大变革民生活带来了巨大变革我我国国的的高高速速骨骨干干网网络络、、城城市市环环网网已已经经建建成成并并不不断断发发展展，，光光纤纤已已经经开开始始进进入入办办公公室室和和家家庭庭，，在在信信息息社社会会里，光纤网络将无处不在里，光纤网络将无处不在一、一、早期的光通信早期的光通信直直到到20世世纪纪60年年代代，，电电通通信信在在通通信信领领域域都都处处于于绝绝对统治地位对统治地位一一般般来来说说，，传传送送信信息息的的总总量量与与载载波波的的工工作作频频率率直直接接相相关关，，提提高高载载波波频频率率在在理理论论上上可可以以增增加加传传输输带带宽宽，，通常也就可以提高信息传输容量通常也就可以提高信息传输容量一、一、早期的光通信早期的光通信通信应用的电磁频谱通信应用的电磁频谱一、一、早期的光通信早期的光通信电磁波频谱中，一个重要的部分是光频区域电磁波频谱中，一个重要的部分是光频区域以以光光波波形形式式实实现现信信息息传传输输一一般般不不是是通通过过对对载载波波的的频频率率调调制制完完成成的的，，而而是是通通过过改改变变光光波波的的光光功功率率来来实实现现的的光波的传输可以采用大气信道和导波信道光波的传输可以采用大气信道和导波信道一、一、早期的光通信早期的光通信早在早在1880年，贝尔就研制成功了光学年，贝尔就研制成功了光学大气作为大气作为光通道光通道一、一、早期的光通信早期的光通信地下光波通信的实验地下光波通信的实验反射波导反射波导透镜波导透镜波导建设成本极高建设成本极高没有实用价值没有实用价值 二、光纤通信技术的发展二、光纤通信技术的发展现代意义的光通信系统现代意义的光通信系统两个关键问题：两个关键问题：一是合适的光源；一是合适的光源；二是理想的传光媒介二是理想的传光媒介20世纪初就由德拜提出光学纤维波导中传输世纪初就由德拜提出光学纤维波导中传输一一直直到到60年年代代，，用用当当时时最最好好的的光光学学玻玻璃璃做做成成的的光光学纤维其损耗也高达学纤维其损耗也高达1000 dB/km二、光纤通信技术的发展二、光纤通信技术的发展1966年年，，英英籍籍华华裔裔学学者者高高锟锟（（C. K. Kao））和和霍霍克克哈哈姆姆（（C. A. Hockham））发发表表了了关关于于传传输输介介质新概念的论文质新概念的论文玻璃纤维引起光损耗的主要原因是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它杂质其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其它杂质其其次次是是拉拉制制光光纤纤时时工工艺艺技技术术造造成成了了芯芯、、包包层层分分界界面面不不均均匀及其所引起的折射率不均匀匀及其所引起的折射率不均匀还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小二、光纤通信技术的发展二、光纤通信技术的发展1970年年美美国国的的康康宁宁玻玻璃璃公公司司（（Corning Glass Work）拉出了第一根损耗为）拉出了第一根损耗为20dB/km的光纤的光纤它它的的意意义义在在于于：：使使光光纤纤通通信信可可以以和和同同轴轴电电缆缆通通信信竞竞争争 二、光纤通信技术的发展二、光纤通信技术的发展1970年，光纤通信用的光源也取得了实质性进展年，光纤通信用的光源也取得了实质性进展室室温温下下连连续续振振荡荡的的镓镓铝铝砷砷（（GaAlAs））双双异异质质结结半半导导体体激光器（短波长）激光器（短波长） 重大意义在于为半导体激光器的发展奠定了基础重大意义在于为半导体激光器的发展奠定了基础 二、光纤通信技术的发展二、光纤通信技术的发展1972年年，，康康宁宁公公司司高高纯纯石石英英多多模模光光纤纤（（同同时时允允许许多多个个方方向向的的光光线线在在其其中中传传送送的的光光纤纤））损损耗耗降降低低到到4dB/km1973年年，，美美国国贝贝尔尔（（Bell））实实验验室室取取得得了了更更大大成成绩，光纤损耗降低到绩，光纤损耗降低到2.5 dB/km1974年降低到年降低到1.1 dB/km1976年年，，日日本本电电报报电话（（NTT））公公司司等等单单位位将将光光纤损耗降低到纤损耗降低到0.47 dB/km（波长（波长1.2 um）。

二、光纤通信技术的发展二、光纤通信技术的发展在以后的在以后的10年中，波长为年中，波长为1550nm的光纤损耗：的光纤损耗：1979年是年是0.20 dB/km1984年是年是0.157 dB/km1986年年是是0.154 dB/km，，接接近近了了光光纤纤最最低低损损耗耗的的理理论极限论极限 二、光纤通信技术的发展二、光纤通信技术的发展1973年，半导体激光器寿命达到年，半导体激光器寿命达到7000小时小时1977年年，，贝贝尔尔实实验验室室研研制制的的半半导导体体激激光光器器寿寿命命达达到到10万小时（约万小时（约11.4年）年）1976年年日日本本电电报报电话公公司司研研制制成成功功发发射射波波长长为为1.3 um的铟镓砷磷（的铟镓砷磷（InGaAsP）激光器）激光器1979年年美美国国电电报报电话（（AT&T））公公司司和和日日本本电电报报电话公公司司（（NTT））研研制制成成功功发发射射波波长长为为1.55 um的的连续振荡半导体激光器连续振荡半导体激光器 二、光纤通信技术的发展二、光纤通信技术的发展1970年成为年成为光纤通信发展的光纤通信发展的一个重要里程碑一个重要里程碑 二、光纤通信技术的发展二、光纤通信技术的发展光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段第第一一阶阶段段（（1966~1976年年）），，这这是是从从基基础础研研究究到到商商业应用的开发时期业应用的开发时期第第二二阶阶段段（（1976~1986年年）），，这这是是以以提提高高传传输输速速率率和和增增加加传传输输距距离离为为研研究究目目标标和和大大力力推推广广应应用用的的大大发发展展时时期期第第三三阶阶段段（（1986~1996年年）），，这这是是以以超超大大容容量量超超长长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期二、光纤通信技术的发展二、光纤通信技术的发展第一阶段（第一阶段（1966~1976年）年）以以1976年年美美国国在在亚亚特特兰兰大大（（Atlanta））进进行行的的世世界界上上第第一一个个实实用用光光纤纤通通信信系系统统的的现现场场试试验验为为标标志志，，光光纤纤通通信信开始走向实用化开始走向实用化第一代系统工作在第一代系统工作在850 nm附近，多模光纤作传输介质附近，多模光纤作传输介质采采用用GaAs为为基基础础材材料料制制成成的的激激光光器器作作光光源源，，硅硅材材料料制制成的光检测器成的光检测器速率在速率在45~140 Mb/s之间，传输距离约之间，传输距离约10 km二、光纤通信技术的发展二、光纤通信技术的发展第二阶段（第二阶段（1976~1986年）年）工工作作波波长长从从850 nm（（短短波波长长））移移至至1310 nm（（长长波波长）长）光纤也从多模发展到单模光纤也从多模发展到单模长长途途干干线线的的传传输输速速率率为为140~565 Mb/s的的单单模模光光纤纤通信系统，无中继传输距离为通信系统，无中继传输距离为10~50 km 二、光纤通信技术的发展二、光纤通信技术的发展第三阶段（第三阶段（1986~1996年）年）实现了实现了1550 nm色散移位单模光纤通信系统色散移位单模光纤通信系统色散位移光纤色散位移光纤1988年，第一条横跨大西洋年，第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统海底光缆通信系统1989年年第第一一条条横横跨跨太太平平洋洋TPC-3/HAW-4海海底底光光缆缆通信系统通信系统1989年年，，ITU-T制制定定了了155 Mb/s、、622 Mb/s、、2.5 Gb/s等等SDH速率标速率标 二、光纤通信技术的发展二、光纤通信技术的发展第四代系统第四代系统光放大器（光放大器（OA，，Optical Amplifier）增加中继距离）增加中继距离波波 分分 复复 用用 （（ WDM，， Wavelength Division Multiplexing）增加传输容量）增加传输容量10 Gb/s、、40 G系统也已商用化系统也已商用化三、我国光纤通信的发展三、我国光纤通信的发展1987年前在市话中继线路上应用光纤通信年前在市话中继线路上应用光纤通信1987年年开开始始在在长长途途干干线线上上应应用用光光纤纤通通信信，，铺铺设设了了多条省内二级光缆干线多条省内二级光缆干线从从1988年年起起，，我我国国的的光光纤纤通通信信系系统统由由多多模模向向单单模模发展发展1998年年12月月，，贯贯穿穿全全国国的的“八八纵纵八八横横”光光纤纤骨骨干干网网建建成成，，网网络络覆覆盖盖全全国国省省会会以以上上城城市市和和70 %的的地市，全国长途光缆达到地市，全国长途光缆达到20万千米万千米1.2 光纤通信的特点与应用光纤通信的特点与应用光光纤纤通通信信主主要要用用于于骨骨干干网网通通信信和和城城市市环环网网通通信信等等诸诸多多方方面面，，并并且且向向接接入入网网延延伸伸，，这这是是和和其其显显著著的的特特点点分不开的分不开的一、光纤通信的优点一、光纤通信的优点速率高，传输容量大速率高，传输容量大单模光纤的带宽可以达到几十单模光纤的带宽可以达到几十G/s损耗低，传输距离远损耗低，传输距离远石石英英光光纤纤损损耗耗为为0.2 dB/km（（1550 nm窗窗口口））和和0.35 dB/km（（1310 nm窗口）窗口） 抗干扰能力强，保密性好抗干扰能力强，保密性好光纤是非金属材料，它不会受到电磁干扰光纤是非金属材料，它不会受到电磁干扰光纤的外泄光能很少，难以窃听光纤的外泄光能很少，难以窃听 一、光纤通信的优点一、光纤通信的优点重量轻，敷设方便重量轻，敷设方便在在传传输输相相同同信信息息量量时时，，光光缆缆的的质质量量为为电电缆缆质质量量的的1/30~1/10施工时可以采用与电缆相同的敷设技术进行敷设施工时可以采用与电缆相同的敷设技术进行敷设耐腐蚀，寿命长耐腐蚀，寿命长石英玻璃耐腐蚀石英玻璃耐腐蚀光纤接头处不产生放电、没有火花光纤接头处不产生放电、没有火花光纤具有更适应环境变化的能力光纤具有更适应环境变化的能力光纤通信的特点光纤通信的特点事事物物都都是是一一分分为为二二的的，，光光纤纤通通信信有有许许多多优优点点，，因因而而发展很快，但光纤通信也有以下缺点：发展很快，但光纤通信也有以下缺点：抗拉强度低抗拉强度低光纤连接困难光纤连接困难光纤怕水光纤怕水二、光纤通信的应用二、光纤通信的应用通信网通信网主要用于电信网中的语音和数据传输主要用于电信网中的语音和数据传输 计算机局域网和广域网计算机局域网和广域网如光纤以太网、路由器之间的高速传输链路等如光纤以太网、路由器之间的高速传输链路等有线电视网有线电视网如如有有线线电电视视的的干干线线和和分分配配网网、、工工业业电电视视系系统统的的监监控控、、自自动控制系统的数据传输等动控制系统的数据传输等综合业务的光纤接入网综合业务的光纤接入网实现用户的（大）宽带接入，光纤是理想的选择实现用户的（大）宽带接入，光纤是理想的选择1.3 光纤通信系统的分类与组成光纤通信系统的分类与组成光纤通信系统可以传送数字信号或模拟信号光纤通信系统可以传送数字信号或模拟信号传传送送的的信信息息可可以以是是语语音音、、数数据据、、图图像像、、视视频频等等多多媒媒体业务体业务一、光纤通信系统的分类一、光纤通信系统的分类光光纤纤通通信信系系统统有有多多种种不不同同的的应应用用形形式式，，可可以以按按照照不不同分类方法进行分类同分类方法进行分类1．按照传输信号类型分．按照传输信号类型分2．按照光波长和光纤类型分．按照光波长和光纤类型分3．按照调制方式分．按照调制方式分1．按照传输信号类型分．按照传输信号类型分 光纤模拟通信系统光纤模拟通信系统用模拟电信号对光源强度调制，即传输的是模拟信号用模拟电信号对光源强度调制，即传输的是模拟信号如广播电视节目、工业和交通监控信号等如广播电视节目、工业和交通监控信号等光纤数字通信系统光纤数字通信系统采采用用PCM电电信信号号对对光光源源强强度度调调制制，，即即传传输输的的是是数数字字信信号号如长途骨干网、城市环网等如长途骨干网、城市环网等2．按照光波长和光纤类型分．按照光波长和光纤类型分短波长（短波长（850nm）多模光纤通信系统）多模光纤通信系统通常速率低于通常速率低于34 Mb/s，中继距离在，中继距离在10 km内。

内长波长（长波长（1310nm）多模光纤通信系统）多模光纤通信系统速率可以达到速率可以达到140 Mb/s，中继距离，中继距离20 km长波长（长波长（1310nm）单模光纤通信系统）单模光纤通信系统速率为速率为140 Mb/s，中继距离为，中继距离为30 ~ 50 km长波长（长波长（1550nm）单模光纤通信系统）单模光纤通信系统速率可以达到速率可以达到565 Mb/s以上，中继距离可达以上，中继距离可达70 km 3．按照调制方式分．按照调制方式分直接强度调制光纤通信系统直接强度调制光纤通信系统采采用用电电信信号号直直接接对对光光源源强强度度调调制制，，在在接接收收端端用用光光检检测测器器直接检测直接检测目目前前实实用用的的光光纤纤通通信信系系统统主主要要采采用用这这类类调调制制方方式式，，其其速速率已达率已达10 Gb/s外调制光纤通信系统外调制光纤通信系统在在光光源源发发出出光光后后，，在在光光的的输输出出通通路路上上外外加加调调制制器器（（如如电电光晶体等）对光载波调制光晶体等）对光载波调制高速系统高速系统4．其它分类方式．其它分类方式公用光纤通信系统和专用光纤通信系统公用光纤通信系统和专用光纤通信系统PDH光纤通信系统和光纤通信系统和SDH光纤通信系统光纤通信系统 二、光纤通信系统的基本组成二、光纤通信系统的基本组成主要组成部分包括主要组成部分包括光纤光纤光发送器光发送器光接收器光接收器光中继器光中继器适当的接口设备适当的接口设备二、光纤通信系统的基本组成二、光纤通信系统的基本组成光光发发送送机机的的作作用用是是将将电电信信号号转转换换为为光光信信号号（（E/O变变换），并将生成的光信号注入光纤换），并将生成的光信号注入光纤光光发发送送机机一一般般由由驱驱动动电电路路、、光光源源和和调调制制器器构构成成，，其其核心是光源核心是光源常用的光源有半导体激光器和半导体发光二极管常用的光源有半导体激光器和半导体发光二极管二、光纤通信系统的基本组成二、光纤通信系统的基本组成光光接接收收机机的的作作用用是是将将光光信信号号转转换换为为电电信信号号，，通通常常有有放大、再生等功能放大、再生等功能光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成光光－－电电信信号号的的转转换换由由光光检检测测器器完完成成，，广广泛泛使使用用的的有有PIN光电二极管和雪崩光电二极管（光电二极管和雪崩光电二极管（APD）） 二、光纤通信系统的基本组成二、光纤通信系统的基本组成光光纤纤线线路路是是光光信信号号的的传传输输媒媒介介，，包包括括光光纤纤、、光光纤纤接接头和光纤连接器头和光纤连接器要求光纤的传输衰减和色散尽可能小要求光纤的传输衰减和色散尽可能小目目前前使使用用的的光光纤纤均均为为石石英英光光纤纤，，其其损损耗耗－－波波长长特特性性中有三个低损耗区（三个窗口）中有三个低损耗区（三个窗口）850 nm 2 dB/km1310 nm 0.4 dB/km1550 nm 0.2 dB/km二、光纤通信系统的基本组成二、光纤通信系统的基本组成远远距距离离的的光光纤纤通通信信系系统统还还需需要要采采用用光光中中继继机机，，实实现现光信号的中继传输光信号的中继传输目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤单单模模光光纤纤的的传传输输性性能能较较好好，，因因此此在在大大容容量量、、长长距距离离的光纤传输系统中都采用单模光纤的光纤传输系统中都采用单模光纤二、光纤通信系统的基本组成二、光纤通信系统的基本组成比较常见的光纤有比较常见的光纤有G.651光纤（渐变折射率多模光纤）光纤（渐变折射率多模光纤）G.652光纤（常规单模光纤）光纤（常规单模光纤）G.653光纤（色散位移光纤）光纤（色散位移光纤）G.654光纤（低损耗光纤）光纤（低损耗光纤）G.655光纤（非零色散位移光纤）光纤（非零色散位移光纤） 三、光纤通信的支撑技术三、光纤通信的支撑技术 从从1976年年光光纤纤通通信信实实用用化化以以来来，，其其通通信信容容量量发发展展迅速，这主要得益于下列支撑技术的发展迅速，这主要得益于下列支撑技术的发展光纤光纤光源光源SDH传输体制传输体制光放大器光放大器WDM复用技术复用技术全光网络全光网络1．光纤．光纤光光纤纤是是构构建建光光传传输输网网的的传传输输媒媒介介，，目目前前使使用用的的通通信信光纤都是石英光纤光纤都是石英光纤光光纤纤的的主主要要传传输输特特性性是是它它的的损损耗耗、、色色散散等等，，光光信信号号在在注注入入光光纤纤后后，，由由于于损损耗耗和和色色散散，，会会导导致致信信号号随随距距离的增加而产生连续的衰减和失真离的增加而产生连续的衰减和失真多模光纤只能用于短距离、低速率的传输系统多模光纤只能用于短距离、低速率的传输系统1984年年单单模模光光纤纤取取代代多多模模光光纤纤作作为为长长距距离离的的光光纤纤通信系统的传输媒介通信系统的传输媒介2．光源和光检测器．光源和光检测器光光纤纤通通信信采采用用的的光光源源是是半半导导体体光光源源，，如如半半导导体体发发光光二极管（二极管（LED）和半导体激光器（）和半导体激光器（LD））半半导导体体发发光光二二极极管管是是基基于于自自发发辐辐射射发发光光机机理理的的发发光光器件，是非相干光源器件，是非相干光源如局域网中如局域网中半半导导体体激激光光器器是是基基于于光光的的受受激激辐辐射射放放大大机机理理的的发发光光器器件件，，是是相相干干光光源源，，相相干干光光源源具具有有很很好好的的单单色色性性和和方向性方向性高速率、长距离的光纤通信高速率、长距离的光纤通信2．光源和光检测器．光源和光检测器光光检检测测器器将将收收到到的的极极其其微微弱弱并并有有所所失失真真的的光光信信号号转转换为电信号换为电信号最主要的指标参数是接收灵敏度最主要的指标参数是接收灵敏度即即在在设设计计速速率率上上满满足足给给定定的的误误码码率率（（或或信信噪噪比比））条条件件下下的最小光功率的最小光功率接接收收机机所所能能达达到到的的性性能能指指标标取取决决于于光光检检测测器器的的类类型型、、噪声的影响等噪声的影响等 3．．SDH传输体制传输体制为为了了充充分分利利用用光光纤纤信信道道的的带带宽宽，，需需要要将将众众多多数数字字信信号复接成高速率信号号复接成高速率信号准准同同步步数数字字复复接接体体制制（（PDH，，Plesiochronous Digital Hierarchy））同同步步数数字字系系列列（（SDH，，Synchronous Digital Hierarchy）） 3．．SDH传输体制传输体制PDH32个数字话路组成一个个数字话路组成一个PCM基群（基群（2 M/s））4个个2 M信号组成一个信号组成一个8 M的二次群（的二次群（8 M/s））4个个8 M信号复接成一个信号复接成一个34 M的三次群的三次群 3．．SDH传输体制传输体制SDH是是针针对对PDH存存在在的的问问题题而而出出现现的的一一种种传传输输体体制，适合高速光纤线路传输制，适合高速光纤线路传输SONET OC等级等级ITU－－T SDH等级等级线路速率（线路速率（M/s））简称简称OC－151.84OC－3STM－1155.520155 MOC－12STM－4622.08622 MOC－241244.16OC－48STM－162488.322.5 GOC－192STM－649953.2810 G3．．SDH传输体制传输体制最最基基本本的的STM-1信信号号是是承承载载在在一一个个125μs的的帧帧结结构中构中帧结构包括了所有的传送开销和有效信息载荷帧结构包括了所有的传送开销和有效信息载荷较较高高速速的的STM-N信信号号是是由由N个个STM-1按按字字节节间间插插复用而成复用而成 4．光放大器．光放大器1989年年，，光光纤纤放放大大器器的的使使用用是是光光纤纤通通信信发发展展过过程程中的一个突破性进展中的一个突破性进展直直接接对对光光进进行行放放大大，，简简化化了了原原有有的的光光－－电电－－光光中中继继，，使中继成本下降使中继成本下降光光放放大大器器以以掺掺铒铒光光放放大大器器（（EDFA））应应用用最最为为成成功功并并广广泛泛使使用用，，它它工工作作于于1550 nm波波长长，，与与光光纤纤的的第第三个低损耗窗口相一致三个低损耗窗口相一致EDFA促进了促进了WDM技术的实用化技术的实用化5．．WDM复用技术复用技术波波分分复复用用（（WDM，，Wavelength Division Multiplex））技技术术是是光光纤纤通通信信史史上上继继光光放放大大器器之之后的又一次突破性进展后的又一次突破性进展WDM的的基基本本思思想想是是在在一一根根光光纤纤中中耦耦合合多多个个波波长长，，从而提高每根光纤的总带宽从而提高每根光纤的总带宽例例如如，，在在同同一一根根光光纤纤中中每每个个波波长长的的速速率率是是10 Gb/s，，如果有如果有16个波长，则总的信息速率是个波长，则总的信息速率是160 Gb/s采采用用WDM技技术术提提高高带带宽宽，，比比在在单单个个波波长长上上提提高高传传输速率更加容易实现输速率更加容易实现6．全光网络．全光网络由由于于电电子子器器件件本本身身的的物物理理极极限限，，传传统统的的电电子子设设备备在在交换容量上难以再有质的提高交换容量上难以再有质的提高光光放放大大器器、、波波分分复复用用器器、、光光开开关关、、光光路路由由器器等等新新颖颖器件的相继问世，通信网络向全光网络发展器件的相继问世，通信网络向全光网络发展光光交交换换是是指指对对送送来来的的光光信信号号直直接接进进行行交交换换，，而而不不需需要经过光－电－光的变换方式要经过光－电－光的变换方式目前的光交换都是交换颗粒较大的波长交换目前的光交换都是交换颗粒较大的波长交换小结小结简简要要介介绍绍了了光光信信通通信信产产生生的的技技术术背背景景和和发发展展历历程程以以及我国光纤通信的发展及我国光纤通信的发展概括了光纤通信的特点和应用概括了光纤通信的特点和应用介介绍绍了了光光纤纤通通信信系系统统的的基基本本组组成成与与分分类类以以及及涉涉及及的的主要关键技术主要关键技术通通过过了了解解光光纤纤通通信信系系统统的的特特点点、、应应用用和和组组成成，，为为后后续各章的学习打下基础续各章的学习打下基础 第第2章章 光纤光缆光纤光缆第第2章章 光纤光缆光纤光缆在光纤通信系统中，光纤是光波的传输媒介在光纤通信系统中，光纤是光波的传输媒介研究光纤中光信号的传输可以采用两种方法研究光纤中光信号的传输可以采用两种方法其一是几何光学方法其一是几何光学方法其二是波动光学方法其二是波动光学方法工程应用上需要重点关注光纤的传输特性工程应用上需要重点关注光纤的传输特性损耗与色散是两个重要的特性参数损耗与色散是两个重要的特性参数光缆光缆光纤之间的连接光纤之间的连接第第2章章 光纤光缆光纤光缆2.1 光纤结构与类型光纤结构与类型2.2 光纤的射线传输理论光纤的射线传输理论2.3 光纤的波动传输理论光纤的波动传输理论2.4 光纤传输特性光纤传输特性2.5 光缆光缆2.6 光纤的连接方法光纤的连接方法2.1 光纤结构与类型光纤结构与类型光传输的最重要的组成元素是光纤光传输的最重要的组成元素是光纤光纤的主要成分是二氧化硅（光纤的主要成分是二氧化硅（SiO2））具有很好的光传播特性具有很好的光传播特性光光纤纤与与铜铜线线相相比比具具有有极极低低的的损损耗耗和和几几乎乎无无限限的的带带宽宽，，不受电磁干扰和腐蚀不受电磁干扰和腐蚀是光纤通信系统的重要组成部分是光纤通信系统的重要组成部分一、一、光纤的结构光纤的结构光光纤纤（（OF，，Optical Fiber））就就是是用用来来导导光光的的透透明介质纤维，是石英玻璃丝明介质纤维，是石英玻璃丝一根实用化的光纤是由多层透明介质构成一根实用化的光纤是由多层透明介质构成折射率较高的纤芯（折射率较高的纤芯（core），用来传送光），用来传送光折折射射率率较较低低的的包包层层（（coating）），，与与纤纤芯芯一一起起形形成成全全反反射条件射条件外面的涂覆层（外面的涂覆层（jacket））纤芯是光的纤芯是光的传输通道传输通道 折射率略折射率略低于纤芯低于纤芯 一、一、光纤的结构光纤的结构纤纤芯芯的的粗粗细细、、纤纤芯芯材材料料和和包包层层材材料料的的折折射射率率对对光光纤纤的传输特性起着决定性的影响的传输特性起着决定性的影响实用的光纤或通常所说的光纤是有涂覆层的光纤实用的光纤或通常所说的光纤是有涂覆层的光纤涂涂覆覆层层是是光光纤纤的的最最外外层层，，包包括括一一次次涂涂覆覆层层、、缓缓冲冲层层和二次涂覆层（也称套塑）和二次涂覆层（也称套塑）一、一、光纤的结构光纤的结构一次涂覆层一般使用硅铜树脂或聚氨基甲醚乙脂一次涂覆层一般使用硅铜树脂或聚氨基甲醚乙脂缓冲层一般为性能良好的填充油膏缓冲层一般为性能良好的填充油膏二二次次涂涂覆覆层层（（套套塑塑））大大都都采采用用尼尼龙龙、、聚聚乙乙烯烯或或聚聚苯苯烯等塑料等高聚物烯等塑料等高聚物裸纤从高温炉拉出来后裸纤从高温炉拉出来后2秒内要进行涂覆秒内要进行涂覆涂覆的作用是延长光纤寿命涂覆的作用是延长光纤寿命保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤增加光纤的机械强度与可弯曲性增加光纤的机械强度与可弯曲性经过涂覆、套塑形成的光纤常称为被覆光纤经过涂覆、套塑形成的光纤常称为被覆光纤二、光纤的分类二、光纤的分类光纤的分类方法很多光纤的分类方法很多按照光纤截面折射率分布来分类按照光纤截面折射率分布来分类按照光纤中传输模式数的多少按照光纤中传输模式数的多少按照光纤使用的材料按照光纤使用的材料按照传输的工作波长来分类按照传输的工作波长来分类1．按照光纤截面折射率分布．按照光纤截面折射率分布阶跃型光纤（阶跃型光纤（SIF，，Step-Index Fiber））渐变型光纤（渐变型光纤（GIF，，Graded-Index Fiber））光纤的光学特光纤的光学特性决定于它的性决定于它的折射率分布折射率分布2．按光纤中传输的模式数量．按光纤中传输的模式数量多模光纤（多模光纤（MMF，，Multi-Mode Fiber））当当光光纤纤的的几几何何尺尺寸寸（（纤纤芯芯））远远大大于于光光波波波波长长（（约约1μm）时，光纤的传输过程中会存在多个传输模式）时，光纤的传输过程中会存在多个传输模式在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传输时在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传输时存在模式色散存在模式色散多多模模光光纤纤结结构构简简单单、、易易于于实实现现，，有有较较大大的的纤纤芯芯半半径径，，可可以以很很容容易易将将光光功功率率注注入入光光纤纤，，接接头头连连接接要要求求不不高高，，使使用用方便方便2．按光纤中传输的模式数量．按光纤中传输的模式数量模模式式是是波波动动理理论论的的概概念念。

在在波波动动理理论论中中，，一一种种电电磁磁场场的的分分布布称称之之为为一一个个模模式式 在在射射线线理理论论中中，，通通常常认认为为一一个个传传播播方方向向的的光光线线对对应应一一种种模式模式 2．按光纤中传输的模式数量．按光纤中传输的模式数量单模光纤（单模光纤（SMF，，Single Mode Fiber））当当光光纤纤的的几几何何尺尺寸寸（（纤纤芯芯））与与光光波波波波长长（（约约1μm））相相当时，光纤只允许传输一种模式当时，光纤只允许传输一种模式不存在模间时延差不存在模间时延差具有比多模光纤大得多的带宽具有比多模光纤大得多的带宽这对于高码速传输是非常重要的这对于高码速传输是非常重要的3．按光纤的工作波长．按光纤的工作波长短波长光纤短波长光纤波长为波长为850nm长波长光纤长波长光纤波长为波长为1300nm ~ 1600nm主要有主要有1310nm和和1550nm两个窗口两个窗口4．按照．按照ITU-T关于光纤类型的建议关于光纤类型的建议G.651光纤（渐变型多模光纤）光纤（渐变型多模光纤）G.652光纤（常规单模光纤）光纤（常规单模光纤）G.653光光纤纤（（色色散散位位移移光光纤纤DSF，，Dispersion Shifted Fiber））G.654光纤（截止波长光纤）光纤（截止波长光纤）G.655光纤（非零色散位移光纤光纤（非零色散位移光纤NZ-DSF））5．按套塑（二次涂覆层）．按套塑（二次涂覆层）松套光纤松套光纤光光纤纤能能在在塑塑料料套套管管内内自自由由活活动动的的是是松松套套光光纤纤，，其其耐耐侧侧压压力和防水性能较好，便于成缆力和防水性能较好，便于成缆 紧套光纤紧套光纤在在一一次次涂涂覆覆的的光光纤纤外外再再紧紧紧紧地地套套上上一一层层尼尼龙龙或或聚聚乙乙烯烯塑塑料料套套管管，，光光纤纤在在套套管管内内不不能能自自由由活活动动，，其其耐耐侧侧压压力力稍稍差差，，但结构简单，外径较小，测量和使用方便但结构简单，外径较小，测量和使用方便 2.2 光纤的射线传输理论光纤的射线传输理论分析光波在光纤中的传输可以应用两种理论：分析光波在光纤中的传输可以应用两种理论：波动理论波动理论射线理论射线理论射射线线理理论论是是一一种种近近似似的的分分析析方方法法，，但但简简单单直直观观，，对对定定性性理理解解光光的的传传播播现现象象很很有有帮帮助助，，对对光光纤纤直直径径远远大大于光波波长的多模光纤能有很好地近似于光波波长的多模光纤能有很好地近似应应用用射射线线理理论论即即应应用用几几何何光光学学的的方方法法，，用用射射线线代代表表光能量传输的路径光能量传输的路径 一、光的射线理论一、光的射线理论光在均匀介质中总是沿直线传播光在均匀介质中总是沿直线传播光线经过两种不同的介质的交界面时，会发生偏折光线经过两种不同的介质的交界面时，会发生偏折在同一种介质中的偏折称为反射在同一种介质中的偏折称为反射在不同介质中的偏折称为折射在不同介质中的偏折称为折射反射和折射分别遵循反射定律和折射定律反射和折射分别遵循反射定律和折射定律一、光的射线理论一、光的射线理论若若光光线线从从光光密密物物质质（（n1））射射向向光光疏疏物物质质（（n2））时时，，当入射角当入射角θ1 满足以下关系满足以下关系将产生全反射将产生全反射 光纤是利用光的全光纤是利用光的全反射特性来导光的反射特性来导光的 二、光纤的几何导光原理二、光纤的几何导光原理用用几几何何光光学学方方法法分分析析光光纤纤传传输输原原理理，，关关注注的的问问题题主主要是光束在光纤中传播的空间分布和时间分布要是光束在光纤中传播的空间分布和时间分布并由此得到数值孔径的概念并由此得到数值孔径的概念1．阶跃折射率光纤．阶跃折射率光纤以以阶阶跃跃折折射射率率光光纤纤传传播播子子午午光光线线（（与与光光纤纤轴轴心心线线相相交）为例交）为例阶跃折射率光纤的全反射图阶跃折射率光纤的全反射图1．阶跃折射率光纤．阶跃折射率光纤改改变变角角度度θ，，不不同同θ相相应应的的光光线线将将在在纤纤芯芯与与包包层层交交界面发生反射或折射界面发生反射或折射当当θ<θc时时，，相相应应的的光光线线将将在在交交界界面面发发生生全全反反射射而而返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线1当当θ=θc时时，，相相应应的的光光线线将将以以ψc入入射射到到交交界界面面，，并并沿沿交交界界面面向向前前传传播播（（折折射射角角为为90°）），，如如光光线线2，，这时为全反射临界这时为全反射临界当当θ>θc时时，，相相应应的的光光线线将将在在交交界界面面折折射射进进入入包包层层并逐渐消失，如光线并逐渐消失，如光线31．阶跃折射率光纤．阶跃折射率光纤只只有有在在半半锥锥角角为为θ≤θc 的的圆圆锥锥内内入入射射的的光光束束才才能能在在光纤中传播光纤中传播定定 义义 临临 界界 角角 θc的的 正正 弦弦 为为 数数 值值 孔孔 径径 （（ NA，，Numerical Aperture) 1．阶跃折射率光纤．阶跃折射率光纤数值孔径（数值孔径（NA，，Numerical Aperture)设 ， ，得到 即得到：即得到：1．阶跃折射率光纤．阶跃折射率光纤NA表表示示光光纤纤接接收收和和传传输输光光的的能能力力，，NA（（或或θc））越越大大，，光光纤纤接接收收光光的的能能力力越越强强，，从从光光源源到到光光纤纤的的耦耦合效率越高合效率越高但但NA越越大大，，经经光光纤纤传传输输后后产产生生的的信信号号畸畸变变越越大大，，因而限制了信息传输容量因而限制了信息传输容量2．渐变折射率光纤．渐变折射率光纤以渐变折射率光纤传播子午光线为例以渐变折射率光纤传播子午光线为例渐变折射率光纤的全反射图渐变折射率光纤的全反射图纤芯折射率分布是随半径纤芯折射率分布是随半径r方向变化方向变化光线的传输轨迹不是直线而是弯曲的轨迹光线的传输轨迹不是直线而是弯曲的轨迹 2．渐变折射率光纤．渐变折射率光纤如如果果折折射射率率分分布布恰恰当当，，有有可可能能使使不不同同角角度度入入射射的的全全部部光光线线以以同同样样的的轴轴向向速速度度在在光光纤纤中中传传输输，，同同时时达达到到光光纤纤轴轴上上的的某某点点，，即即所所有有光光线线都都有有相相同同的的空空间间周周期期，，这种现象称为自聚焦这种现象称为自聚焦2．渐变折射率光纤．渐变折射率光纤由由于于渐渐变变折折射射率率光光纤纤径径向向折折射射率率是是r的的函函数数，，不不同同的的r处接受光线的能力不一样处接受光线的能力不一样数值孔径也因数值孔径也因r而变化而变化光纤在离纤芯轴线光纤在离纤芯轴线r处入射，其局部数值孔径为处入射，其局部数值孔径为 光纤在纤芯中心处入射，其最大理论数值孔径为光纤在纤芯中心处入射，其最大理论数值孔径为 说明说明利利用用上上述述的的射射线线分分析析方方法法，，可可以以直直观观地地对对光光纤纤的的传传光原理进行解释光原理进行解释但但是是必必须须要要指指出出的的是是，，射射线线分分析析方方法法虽虽然然具具有有易易于于理解的优点理解的优点但其本质上是一种近似分析方法但其本质上是一种近似分析方法只只能能定定性性地地解解释释光光纤纤的的传传光光原原理理，，并并不不能能作作为为定定量量的分析依据的分析依据 2.3 光纤的波动传输理论光纤的波动传输理论尽尽管管几几何何光光学学的的方方法法很很有有用用，，但但与与严严格格的的模模式式分分析析的方法相比，有很多局限和不足的方法相比，有很多局限和不足早早在在19世世纪纪60年年代代，，英英国国物物理理学学家家麦麦克克斯斯韦韦就就指指出，光波是波长很短的电磁波出，光波是波长很短的电磁波波波动动光光学学的的基基础础是是经经典典的的电电磁磁场场理理论论，，即即满满足足麦麦克克斯韦方程斯韦方程 一、波动方程一、波动方程当当电电磁磁波波在在没没有有电电流流和和电电荷荷的的线线性性均均匀匀介介质质中中传传播播时，麦克斯韦方程可化简为波动方程时，麦克斯韦方程可化简为波动方程一、波动方程一、波动方程亥姆霍兹（亥姆霍兹（Helmholtz）方程）方程求解该方程，可以得到光学中电磁场的完整描述求解该方程，可以得到光学中电磁场的完整描述 自由空间中光传自由空间中光传播的相位常数播的相位常数 三、光纤中的传输模式三、光纤中的传输模式光光纤纤纤纤芯芯中中的的电电场场和和磁磁场场，，包包层层中中的的电电场场和和磁磁场场均均满满足足波波动动方方程程，，但但它它们们的的解解不不是是彼彼此此独独立立的的，，而而是是满足在纤芯和包层处电场和磁场的边界条件满足在纤芯和包层处电场和磁场的边界条件所所谓谓的的光光纤纤模模，，就就是是满满足足边边界界条条件件的的电电磁磁场场波波动动方方程的解，即电磁场的稳态分布程的解，即电磁场的稳态分布这这种种空空间间分分布布在在传传播播过过程程中中只只有有相相位位的的变变化化，，没没有有形形状状的的变变化化，，且且始始终终满满足足边边界界条条件件，，每每一一种种这这样样的的分布对应一种模式分布对应一种模式1．传输模式．传输模式光纤中的模式是混合模光纤中的模式是混合模根据根据Ez和和Hz的贡献大小的贡献大小EH模（模（Ez > Hz））HE模（模（Ez < Hz））通通常常在在光光纤纤中中传传输输的的模模式式的的数数量量很很多多（（有有限限个个）），，它它与与光光的的波波长长、、光光纤纤的的结结构构（（如如纤纤芯芯的的直直径径））、、光光纤的纤芯和包层的折射率有关纤的纤芯和包层的折射率有关1．传输模式．传输模式引入一个参数引入一个参数V（归一化频率）（归一化频率）自自由由空空间间中中光光传传播的相位常数播的相位常数 光光纤纤的的纤纤芯半径芯半径 光纤中传导模的总数为光纤中传导模的总数为 光光纤纤中中纤纤芯芯的的折折射率分布参数射率分布参数 1．传输模式．传输模式阶跃型光纤，阶跃型光纤，g=∞，其模式数量为，其模式数量为渐变型光纤，g=2，其模式数量为三角分布型光纤，三角分布型光纤，g=1，其模式数量为，其模式数量为控控制制光光纤纤纤纤芯芯的的折折射射率率分分布布，，可可以以减减少少光光纤纤中中传传播播的的模模式式数量数量 可可以以看看出出，，控控制制光光纤纤纤纤芯芯的的折折射射率率分分布布，，可可以以减减少光纤中传播的模式数量少光纤中传播的模式数量1．传输模式．传输模式多多模模光光纤纤是是一一种种传传播播多多个个模模式式的的光光纤纤，，即即它它能能够够允允许多个传导模通过许多个传导模通过多模光纤有两种结构多模光纤有两种结构多模阶跃光纤多模阶跃光纤结构简单、工艺易于实现，是早期的产品结构简单、工艺易于实现，是早期的产品模式数目较多，因而模间延时较大，传输带宽较窄模式数目较多，因而模间延时较大，传输带宽较窄多模渐变光纤多模渐变光纤G.651光纤是多模渐变光纤光纤是多模渐变光纤ITU-T对其主要参数作了严格的规定对其主要参数作了严格的规定 2．单模传输．单模传输只只能能传传播播一一种种模模式式的的光光纤纤称称为为单单模模光光纤纤。

这这时时应应当当满足如下截止条件满足如下截止条件光纤中传播的唯一模式是光纤中传播的唯一模式是LP01模（即模（即HE11模）模）单模光纤两个基本的参数：单模光纤两个基本的参数：截止波长截止波长模场直径模场直径 2．单模传输．单模传输单模光纤理论截止波长单模光纤理论截止波长λc（单位（单位 um）为）为 截截止止波波长长是是单单模模光光纤纤的的基基本本参参量量，，也也是是单单模模光光纤纤最基本参数最基本参数光纤的截止波长与光纤的长度和弯曲状态有关光纤的截止波长与光纤的长度和弯曲状态有关 2．单模传输．单模传输模场直径可以由主模（基模）的模场分布决定模场直径可以由主模（基模）的模场分布决定多模光纤的模场直径与纤芯直径几乎相等多模光纤的模场直径与纤芯直径几乎相等单模光纤的模场直径一般不等于纤芯直径单模光纤的模场直径一般不等于纤芯直径假设基模场强在光纤横截面近似为高斯分布假设基模场强在光纤横截面近似为高斯分布1/e这个定义并不是唯一的这个定义并不是唯一的 2.4 光纤传输特性光纤传输特性光光信信号号经经过过一一定定距距离离的的光光纤纤传传输输后后要要产产生生衰衰减减和和畸畸变变幅度减小幅度减小波形展宽波形展宽产产生生信信号号衰衰减减和和畸畸变变的的主主要要原原因因是是光光纤纤中中存存在在损损耗耗和色散和色散限制了系统的传输距离和传输容量限制了系统的传输距离和传输容量一、损耗一、损耗光纤的损耗限制了光纤最大无中继传输距离光纤的损耗限制了光纤最大无中继传输距离损耗用损耗系数损耗用损耗系数α(λ)表示表示光光纤纤的的损损耗耗系系数数与与光光纤纤因因折折射射率率波波动动而而产产生生的的散散射、光缺陷、杂质吸收等有关，且是波长的函数射、光缺陷、杂质吸收等有关，且是波长的函数一、损耗一、损耗α(λ)与波长的关系与波长的关系光纤的衰减图光纤的衰减图0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 λ nm OH-OH-OH-第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口第三窗口第三窗口损耗损耗(dB/km)水峰值水峰值6 54321一、损耗一、损耗常常 规规 单单 模模 光光 纤纤 在在 1310 nm处处 的的 损损 耗耗 为为 0.5 dB/km左左右右，，在在1550 nm处处的的损损耗耗为为0.3 dB/km左右左右在在1400 nm附附近近有有一一个个衰衰减减峰峰值值，，这这是是光光纤纤中中水水分子的吸收作用造成的分子的吸收作用造成的1998年年朗朗讯讯科科技技（（Luceng Technologies））全全波（波（All WaveTM）光纤）光纤 二、色散二、色散色色散散（（Dispersion））是是指指不不同同的的电电磁磁波波以以不不同同的的相相速度和群速度在介质中传播的物理现象速度和群速度在介质中传播的物理现象色色散散可可能能引引起起误误码码，，因因此此色色散散特特性性限限制制了了光光纤纤的的信信息容量息容量波长色散波长色散波的不同（也就是颜色不同）产生的色散波的不同（也就是颜色不同）产生的色散模式色散模式色散在多模光纤中，不同的传播模式具有不同的相位常数在多模光纤中，不同的传播模式具有不同的相位常数一个光脉冲的能力分配到不同的模式上一个光脉冲的能力分配到不同的模式上1．波长色散．波长色散波长色散是指在一个单独的模式内发生的脉冲展宽波长色散是指在一个单独的模式内发生的脉冲展宽产产生生这这种种展展宽宽是是因因为为光光源源的的发发射射光光有有一一定定的的频频谱谱宽宽度度群速率又是波长的函数，因此也称为群速率色散群速率又是波长的函数，因此也称为群速率色散 1．波长色散．波长色散光信号在光纤中以群速度传播，群速度的定义为光信号在光纤中以群速度传播，群速度的定义为光信号在光纤中传播单位距离的时间称为群时延光信号在光纤中传播单位距离的时间称为群时延光波的角频率光波的角频率 相位常数相位常数 自自由由空空间间中中光光传传播的相位常数播的相位常数 τ是是波波长长λ的函数的函数1．波长色散．波长色散光脉冲的展宽程度用时延差光脉冲的展宽程度用时延差Δτ 表示表示 光光信信号号的的非非单单色色性性而而引引起起的的色色散散效效应应或或时时延延差差与与光光信信号号的的谱谱宽宽Δλ 成成正正比比，，因因此此将将其其称称为为波波长长色色散散或或色度色散色度色散 1．波长色散．波长色散引起波长色散有两个主要原因：引起波长色散有两个主要原因：其一是材料色散其一是材料色散其二是波导色散其二是波导色散 光光纤纤材材料料本本身身的的折折射射率率随随频频率率（（波波长长））而而变变化化，，从从而而使使得得任任何何模模式式的的群群速速率率都都随随波波长长而而变变化化，，即即使使是是不不同同波波长长的的光光经经过过完完全全相相同同的的路路径径，，也也会会发发生生脉脉冲冲展宽，这是材料色散展宽，这是材料色散光光纤纤中中的的传传播播模模式式都都是是色色散散模模，，这这种种色色散散效效应应称称为为波导色散波导色散2．模式色散．模式色散在在多多模模光光纤纤中中，，光光信信号号耦耦合合进进光光纤纤后后，，会会激激励励多多个个模式模式这这些些模模式式有有不不同同的的相相位位常常数数和和不不同同的的传传播播速速度度，，从从而导致光脉冲的展宽，称为模式色散或模间色散而导致光脉冲的展宽，称为模式色散或模间色散在在多多模模光光纤纤中中，，模模式式色色散散起起决决定定性性作作用用，，它它最最终终限限制制了了光光纤纤的的传传输输带带宽宽和和传传输输距距离离，，一一般般不不用用于于高高速速传输系统和干线通信中传输系统和干线通信中3．色散系数．色散系数单模光纤的波长色散用色散系数单模光纤的波长色散用色散系数D(λ) 度量度量（（ps/nm·km）） 忽忽略略折折射射率率剖剖面面色色散散，，单单模模光光纤纤的的波波长长色色散散系系数数可以表示为可以表示为纤芯材料色散项纤芯材料色散项 波导色散项波导色散项3．色散系数．色散系数对对于于单单模模传传输输，，波波长长色色散散占占主主要要，，其其中中材材料料色色散散占主导，波导色散较小占主导，波导色散较小材料色散项在通信用波长范围内可正可负材料色散项在通信用波长范围内可正可负波导色散项总为负值波导色散项总为负值3．色散系数．色散系数由由于于波波导导色色散散由由纤纤芯芯直直径径、、相相对对折折射射率率差差以以及及折折射射率的分布规律决定率的分布规律决定一一般般说说来来，，较较大大、、纤纤芯芯直直径径较较小小时时，，波波导导色色散散也也就就较大，因而零色散波长向长波长方向移动较大，因而零色散波长向长波长方向移动例例如如，，纤纤芯芯直直径径为为11μm时时，，零零色色散散波波长长为为1310nm，，而而纤纤芯芯直直径径为为4.5μm时时，，零零色色散散波波长为长为1500nm 4．色散补偿．色散补偿色色散散对对通通信信尤尤其其是是高高比比特特率率通通信信系系统统的的传传输输有有不不利利的影响的影响有如下几种方案：有如下几种方案：零色散波长光纤零色散波长光纤色散位移光纤色散位移光纤DSF色散平坦光纤色散平坦光纤DFF色散补偿光纤色散补偿光纤DCF色散补偿器色散补偿器 三、单模光纤性能指标三、单模光纤性能指标ITU-T规定的单模光纤包括：规定的单模光纤包括：G.652光纤（常规单模光纤／标准单模光纤）光纤（常规单模光纤／标准单模光纤）G.653（色散位移光纤）、（色散位移光纤）、G.654（低损耗光纤）（低损耗光纤）G.655（非零色散位移光纤）（非零色散位移光纤）色散平坦光纤、色散平坦光纤、DCF（色散补偿光纤）等（色散补偿光纤）等 1．．G.652光纤性能指标光纤性能指标G.652光光纤纤又又称称为为常常规规单单模模光光纤纤或或标标准准单单模模光光纤纤（（STD SMF）），，被被广广泛泛应应用用于于数数据据通通信信和和图图像像传传输输性能性能模场直径模场直径（（um））截止波长截止波长（（nm））零色散波长零色散波长（（nm））工作波长工作波长（（nm））衰减系数衰减系数（（dB/km））色散系数色散系数（（ps/nm·km））13101310155013101550要求要求值值9≤126013101310 / 1550≤0.36≤0.220+182．．G.653光纤性能指标光纤性能指标G.653光光纤纤又又称称为为色色散散位位移移光光纤纤（（DSF））。

主主要要用用于于单单信信道道长长距距离离海海底底或或陆陆地地通通信信干干线线，，其其缺缺点点是是不适合波分复用系统不适合波分复用系统性能性能模场直径模场直径（（um））截止波长截止波长（（nm））零色散波长零色散波长（（nm））工作波长工作波长（（nm））衰减系数衰减系数（（dB/km））色散系数色散系数（（ps/nm·km））13101310155013101550要求要求值值8.3≤127015501550≤0.45≤0.25-1803．．G.654光纤性能指标光纤性能指标G.654光光纤纤又又称称为为1.55 um损损耗耗最最小小光光纤纤光光纤纤的的弯弯曲曲性性能能好好主主要要用用于于无无需需插插入入有有源源器器件件的的长长距距离离无无再再生生海海底底光光缆缆系系统统其其缺缺点点是是制制造造困困难难，，价格贵价格贵性能性能模场直径模场直径（（um））截止波长截止波长（（nm））零色散波长零色散波长（（nm））工作波长工作波长（（nm））衰减系数衰减系数（（dB/km））色散系数色散系数（（ps/nm·km））13101310155013101550要求要求值值10.5≤153013101550≤0.45≤0.200+184．．G.655光纤性能指标光纤性能指标G.655光光纤纤称称为为非非零零色色散散位位移移光光纤纤（（NZ DSF）），，能能有有效效抑抑制制“四四波波混混频频”等等非非线线性性现现象象。

适适用用于于速速率率高高于于10 Gb/s的的使使用用光光纤纤放放大大器器的的波波分分复复用用系统系统性能性能模场直径模场直径（（um））截止波长截止波长（（nm））零色散零色散波长波长（（nm））工作波长工作波长（（nm））衰减系数衰减系数（（dB/km））色散系数色散系数（（ps/nm·km））13101310155013101550要求要求值值8 ~ 11≤14801540 ~ 15651540 ~ 1565≤0.5≤0.24-181≤|D|≤45．色散平坦光纤的性能指标．色散平坦光纤的性能指标色色散散平平坦坦就就是是能能在在1310 ~ 1550 nm波波长长范范围围内内呈呈现现低低的的色色散散（（≤1 ps/nm·km））的的一一种种光光纤纤它尤其适用于波分复用系统它尤其适用于波分复用系统性能性能模场直径模场直径（（um））截止波长截止波长（（nm））零色散零色散波长波长（（nm））工作波长工作波长（（nm））衰减系数衰减系数（（dB/km））色散系数色散系数（（ps/nm·km））131015501310155013101550要求要求值值811≤12701310 / 15501310 ~ 1550≤0. 5≤0.4≤1≤16．色散补偿光纤．色散补偿光纤DCF的性能指标的性能指标色色散散补补偿偿光光纤纤DCF就就是是一一种种具具有有很很大大负负色色散散系系数数的的光光纤纤，，用用来来补补偿偿常常规规光光纤纤工工作作于于1310 nm或或1550 nm处所产生的较大的正色散处所产生的较大的正色散性能性能模场直径模场直径（（um））截止波长截止波长（（nm））零色散波长零色散波长（（nm））工作波长工作波长（（nm））衰减系数衰减系数（（dB/km））色散系数色散系数（（ps/nm·km））15501310155013101550要求要求值值6≤1260>15501550≤1.0-80-1502.5 光缆光缆为为了了使使光光纤纤能能在在工工程程中中实实用用化化，，光光纤纤必必须须做做成成某某种种缆状结构缆状结构能承受工程中拉伸、侧压和各种外力作用能承受工程中拉伸、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还要具有一定的机械强度才能使性能稳定根根据据光光纤纤的的敷敷设设情情况况，，如如直直埋埋或或悬悬挂挂，，置置于于地地下下、、水下或管道内等，光缆的有多种结构水下或管道内等，光缆的有多种结构一一般般将将光光纤纤制制成成不不同同结结构构、、不不同同形形状状和和不不同同种种类类的的光缆以适应光纤通信的需要光缆以适应光纤通信的需要 一、光缆的结构一、光缆的结构光缆的构造一般分为缆芯和护层两大部分光缆的构造一般分为缆芯和护层两大部分缆芯是主体缆芯是主体光纤在缆芯内部处于最佳位置和状态光纤在缆芯内部处于最佳位置和状态缆缆芯芯内内的的金金属属线线对对也也应应得得到到妥妥善善安安排排，，并并保保证证其其电电气气性能性能缆芯截面应尽可能小，以降低成本和敷设空间缆芯截面应尽可能小，以降低成本和敷设空间 光光缆缆护护层层同同电电缆缆护护层层的的情情况况一一样样，，是是由由护护套套和和外外护护层层构构成的多层组合体成的多层组合体一、光缆的结构一、光缆的结构光缆的基本结构按缆芯组件的不同一般可以分为光缆的基本结构按缆芯组件的不同一般可以分为层绞式层绞式骨架式骨架式束管式束管式带状式带状式我我国国及及欧欧亚亚各各国国用用的的较较多多的的是是传传统统结结构构的的层层绞绞式式和和骨架式两种骨架式两种 一、光缆的结构一、光缆的结构层层绞绞式式光光缆缆的的结结构构类类似似于于传传统统的的电电缆缆结结构构方方式式，，故故又称为古典式光缆又称为古典式光缆一、光缆的结构一、光缆的结构骨架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中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槽的横截面可以是V形、形、U形或其它合理的形状形或其它合理的形状槽的纵向呈螺旋形或正弦形槽的纵向呈螺旋形或正弦形一个空槽可放置一个空槽可放置5~10根一次涂覆光纤根一次涂覆光纤 一、光缆的结构一、光缆的结构束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展它它相相当当于于把把松松套套管管扩扩大大为为整整个个缆缆芯芯，，成成为为一一个个管管腔腔，，将光纤集中松放在其中将光纤集中松放在其中 一、光缆的结构一、光缆的结构带带状状式式结结构构的的光光缆缆首首先先将将一一次次涂涂覆覆的的光光纤纤放放入入塑塑料料带带内内做做成成光光纤纤带带，，然然后后将将几几层层光光纤纤带带叠叠放放在在一一起起构构成光缆芯成光缆芯二、光缆分类二、光缆分类根据光缆的传输性能、距离和用途根据光缆的传输性能、距离和用途市话光缆市话光缆长途光缆长途光缆海底光缆海底光缆用户光缆用户光缆根据光纤的种类，光缆可以分为根据光纤的种类，光缆可以分为多模光缆多模光缆单模光缆单模光缆二、光缆分类二、光缆分类根据光纤套塑的种类，光缆可以分为根据光纤套塑的种类，光缆可以分为紧套光缆紧套光缆松套光缆松套光缆束管式新型光缆束管式新型光缆带状式多芯单元光缆带状式多芯单元光缆根据光纤芯数的多少，光缆可以分为根据光纤芯数的多少，光缆可以分为单芯光缆单芯光缆多芯光缆等等多芯光缆等等 二、光缆分类二、光缆分类根据加强构件的配置方式，光缆可以分为根据加强构件的配置方式，光缆可以分为中心加强构件光缆（如层绞式光缆、骨架式光缆等）中心加强构件光缆（如层绞式光缆、骨架式光缆等）分散加强构件光缆（如束管式光缆）分散加强构件光缆（如束管式光缆）护层加强构件光缆（如带状式光缆）护层加强构件光缆（如带状式光缆）根据敷设方式，光缆可以分为根据敷设方式，光缆可以分为管道光缆管道光缆直埋光缆直埋光缆架空光缆架空光缆水底光缆水底光缆二、光缆分类二、光缆分类根据护层材料性质，光缆可以分为根据护层材料性质，光缆可以分为普通光缆普通光缆阻燃光缆阻燃光缆防蚁、防鼠光缆等防蚁、防鼠光缆等 三、光缆的型号三、光缆的型号光缆的种类较多，其型号命名由两部分组成：光缆的种类较多，其型号命名由两部分组成：光缆型式代号光缆型式代号光纤规格代号光纤规格代号 1．光缆的型式代号．光缆的型式代号光光缆缆的的型型式式代代号号是是由由分分类类代代号号、、加加强强构构件件、、派派生生结结构构特特征征（（形形状状、、特特性性等等））、、护护套套和和外外护护层层五五部部分分组组成成1．光缆的型式代号．光缆的型式代号光缆分类代号及其意义光缆分类代号及其意义 代号代号含义含义代号代号含义含义GY通信用室（野）外光缆通信用室（野）外光缆GM通信用移动式光缆通信用移动式光缆GJ通信用室（局）内光缆通信用室（局）内光缆GR通信用软光缆通信用软光缆GH通信用海底光缆通信用海底光缆GS通信用设备内光缆通信用设备内光缆GW通信用无金属光缆通信用无金属光缆GT通信用特殊光缆通信用特殊光缆1．光缆的型式代号．光缆的型式代号加加强强构构件件指指护护套套以以内内或或嵌嵌入入护护套套中中用用于于增增强强光光缆缆拉拉力的构件力的构件代号代号含义含义代号代号含义含义无符号无符号 金属加强构件金属加强构件G金属重型加强构件金属重型加强构件F非金属加强构件非金属加强构件H非金属重型加强构件非金属重型加强构件1．光缆的型式代号．光缆的型式代号光光缆缆结结构构特特征征表表示示出出缆缆芯芯的的主主要要类类型型和和光光缆缆的的派派生生结结构构，，当当光光缆缆型型式式兼兼有有不不同同派派生生特特征征时时，，其其代代号号字字母顺序并列母顺序并列代号代号含义含义代号代号含义含义无符号无符号 层绞式结构层绞式结构T填充式结构填充式结构S光纤松套被覆结构光纤松套被覆结构B扁平结构扁平结构J光纤紧套被覆结构光纤紧套被覆结构Z阻燃结构阻燃结构D光纤带结构光纤带结构C自承式结构自承式结构G骨架槽结构骨架槽结构E护层椭圆截面护层椭圆截面X中心管式结构中心管式结构1．光缆的型式代号．光缆的型式代号护套的代号的含义护套的代号的含义代号代号含义含义代号代号含义含义Y聚乙烯护套聚乙烯护套S钢、铝、聚乙烯综合护钢、铝、聚乙烯综合护套套V聚氯乙烯护套聚氯乙烯护套W夹带钢丝的钢带－聚乙夹带钢丝的钢带－聚乙烯粘结护套烯粘结护套F氟塑料氟塑料L铝护套铝护套U聚氨酯护套聚氨酯护套G钢护套钢护套E聚脂弹性体聚脂弹性体Q铅护套铅护套A铝－聚乙烯粘接护套铝－聚乙烯粘接护套1．光缆的型式代号．光缆的型式代号外护层是指铠装层及铠装层外面的外被层外护层是指铠装层及铠装层外面的外被层参参照照国国标标GB2952-82的的规规定定，，外外护护层层采采用用两两位位数字表示数字表示代号代号铠装方式铠装方式代号代号外护层（材料）外护层（材料）0无铠装无铠装0－－1－－1纤维层纤维层2双钢带双钢带2聚氯乙烯层聚氯乙烯层3细圆钢丝细圆钢丝3聚乙烯层聚乙烯层4粗圆钢丝粗圆钢丝4聚乙烯层加敷尼龙层聚乙烯层加敷尼龙层5单钢带皱纹纵包单钢带皱纹纵包5聚乙烯管聚乙烯管6双层圆钢带双层圆钢带2．光纤规格代号．光纤规格代号光纤规格包括光纤数目和光纤类别光纤规格包括光纤数目和光纤类别如如果果同同一一根根光光缆缆中中有有两两种种或或两两种种以以上上的的规规格格（（光光纤纤数和类别），中间用数和类别），中间用“+”连接连接光光纤纤数数目目的的代代号号用用光光缆缆中中同同一一类类别别光光纤纤的的实实际际数数目目的数字表示的数字表示 2．光纤规格代号．光纤规格代号光纤类别的代号分为多模光纤和单模光纤光纤类别的代号分为多模光纤和单模光纤用大写用大写A表示多模光纤表示多模光纤用大写用大写B表示单模光纤表示单模光纤再以数字和小写字母的组合来标识不同类型的光纤再以数字和小写字母的组合来标识不同类型的光纤 2．光纤规格代号．光纤规格代号多模光纤类别代号多模光纤类别代号分类代号分类代号特性特性纤芯直径纤芯直径 (μm)包层直径包层直径 (μm)材料材料A1a渐变折射率渐变折射率50125二氧化硅二氧化硅A1b渐变折射率渐变折射率62.5125二氧化硅二氧化硅A1c渐变折射率渐变折射率85125二氧化硅二氧化硅A1d渐变折射率渐变折射率100140二氧化硅二氧化硅A2a突变折射率突变折射率100140二氧化硅二氧化硅2．光纤规格代号．光纤规格代号单模光纤类别代号单模光纤类别代号分类代号分类代号ITU-T命名命名名称名称材料材料B1.1G.652A、、G.652B、、G.652D常规光纤常规光纤二氧化硅二氧化硅B1.2G.654截止波长位移光纤截止波长位移光纤二氧化硅二氧化硅B1.3G.652C常规光纤常规光纤二氧化硅二氧化硅B2G.653色散位移光纤色散位移光纤二氧化硅二氧化硅B4G.655非零色散位移光纤非零色散位移光纤二氧化硅二氧化硅三、光缆的型号三、光缆的型号【例【例2-2】光缆型号为】光缆型号为GYTA53-12A1其其含含义义为为通通信信用用室室外外光光缆缆、、金金属属加加强强构构件件、、填填充充式式结结构构、、铝铝－－聚聚乙乙烯烯粘粘接接护护套套、、皱皱纹纹钢钢带带铠铠装装、、聚聚乙乙烯烯外外护层、护层、12芯多模渐变光纤芯多模渐变光纤三、光缆的型号三、光缆的型号【例【例2-3】光缆型号为】光缆型号为GYDXTW-144B1其其含含义义为为通通信信用用室室外外光光缆缆、、金金属属加加强强构构件件、、中中心心管管式式、、带带状状式式结结构构、、填填充充式式结结构构、、夹夹带带钢钢丝丝的的钢钢带带－－聚聚乙乙烯烯粘结护套、粘结护套、144芯单模常规光纤（芯单模常规光纤（G.652）） 2.6 光纤连接光纤连接在在光光纤纤系系统统的的铺铺设设过过程程中中，，一一个个重重要要的的问问题题是是光光纤纤的低损耗连接方法的低损耗连接方法这这些些连连接接包包括括光光纤纤与与光光纤纤、、光光源源与与光光纤纤、、光光纤纤与与光光检测器之间的连接检测器之间的连接一一个个永永久久性性的的连连接接通通常常指指一一个个接接头头，，常常见见于于光光纤纤与与光纤之间光纤之间而而一一个个可可拆拆卸卸连连接接常常采采用用连连接接器器，，俗俗称称活活接接头头，，常常位位于于光光缆缆终终端端处处，，用用于于光光源源或或光光检检测测器器等等器器件件与与光光纤的连接纤的连接 一、光纤连接损耗一、光纤连接损耗每每种种连连接接方方法法都都会会受受制制于于一一些些特特定定的的条条件件，，在在接接点点处都将导致不同数量的光功率损耗处都将导致不同数量的光功率损耗这些损耗取决于一定的参数这些损耗取决于一定的参数如如两两根根光光纤纤的的纤纤芯芯直直径径、、数数值值孔孔径径、、光光纤纤端端面面的的质质量量以以及它们之间的相对位置等及它们之间的相对位置等 1．机械对准误差．机械对准误差机械对准误差是两根光纤连接时的主要问题机械对准误差是两根光纤连接时的主要问题两根光纤的尺寸细微两根光纤的尺寸细微 光光纤纤之之间间如如果果存存在在对对准准误误差差，，将将使使得得发发射射光光纤纤的的辐辐射射圆圆锥锥与与接接收收光光纤纤的的接接收收圆圆锥锥失失配配，，从从而而产产生生辐辐射射损耗损耗1．机械对准误差．机械对准误差轴轴向向偏偏移移也也称称为为横横向向移移位位，，是是由由于于纤纤芯芯径径向向错错位位引引起起，，实实践践中中是是最最常常见见的的光光纤纤对对准准误误差差，，这这种种偏偏移移会会导致最严重的功率损耗导致最严重的功率损耗 光纤连接端面存在间隙，则引起光纤端面间隙损耗光纤连接端面存在间隙，则引起光纤端面间隙损耗一般而言，光纤分得越开，光的损耗越大一般而言，光纤分得越开，光的损耗越大 如如果果两两根根光光纤纤的的纵纵向向轴轴之之间间存存在在一一个个角角度度，，则则两两根根光纤的端面不再平行，出现角度误差光纤的端面不再平行，出现角度误差这时将损失置于接收光纤的立体接收角之外的光功率这时将损失置于接收光纤的立体接收角之外的光功率 2．光纤相关损耗．光纤相关损耗任任何何相相连连的的光光纤纤的的几几何何特特性性和和波波导导特特性性的的差差异异对对光光纤间的耦合损耗都有较深的影响纤间的耦合损耗都有较深的影响二、光纤连接方法二、光纤连接方法光光纤纤连连接接是是在在需需要要建建立立一一个个很很长长的的光光纤纤链链路路时时，，实实施两根光纤之间的永久或半永久连接施两根光纤之间的永久或半永久连接实实施施这这样样的的连连接接，，需需要要考考虑虑两两根根光光纤纤的的几几何何差差异异、、光纤在接点处的对准误差和接头的机械强度等光纤在接点处的对准误差和接头的机械强度等光纤的连接方法有：光纤的连接方法有：光纤熔接法光纤熔接法V型槽机械连接型槽机械连接弹性管连接弹性管连接光光纤纤熔熔接接法法是是永永久久性性连连接接，，而而后后两两种种方方法法是是半半永永久久连接，在需要的时候可以将已连接的光纤拆开连接，在需要的时候可以将已连接的光纤拆开 1．光纤熔接法．光纤熔接法光光纤纤熔熔接接是是通通过过局局部部加加热热的的方方法法，，使使处处理理后后的的被被接接光纤端面连接一起光纤端面连接一起2．．V型槽机械连接型槽机械连接在在V型型槽槽机机械械连连接接方方法法中中，，首首先先要要将将预预备备好好的的光光纤纤端面紧靠在一起端面紧靠在一起 然然后后将将两两根根光光纤纤使使用用粘粘合合剂剂（（如如环环氧氧化化物物））连连接接在在一起或先用盖片将两根光纤固定一起或先用盖片将两根光纤固定 3．弹性管连接．弹性管连接这这是是一一种种可可以以自自动动进进行行横横向向、、纵纵向向、、角角度度对对准准的的独独特器件特器件使使用用它它连连接接多多模模光光纤纤可可以以得得到到和和商商用用熔熔接接机机同同一一大大小小范范围围的的连连接接损损耗耗，，但但它它所所需需要要的的设设备备和和技技巧巧却却要要少得多少得多 小结小结首首先先介介绍绍了了光光纤纤的的结结构构与与分分类类，，然然后后应应用用光光的的射射线线传传播播理理论论分分析析了了光光在在多多模模光光纤纤中中的的传传输输，，即即光光纤纤的的几几何何导导光光原原理理，，简简要要介介绍绍了了光光的的波波动动传传输输理理论论，，给给出了波动方程，阐述了光纤中的传输模式概念出了波动方程，阐述了光纤中的传输模式概念 讨论了光纤的两个主要传输特性：损耗与色散讨论了光纤的两个主要传输特性：损耗与色散 还介绍了光缆的结构、分类和光缆的型号还介绍了光缆的结构、分类和光缆的型号 最后讨论光纤的连接最后讨论光纤的连接 第第3章章 光无源器件光无源器件第第3章章 光无源器件光无源器件光无源器件在光纤通信系统中发挥着重要作用光无源器件在光纤通信系统中发挥着重要作用完完成成光光波波的的接接续续、、耦耦合合、、复复用用与与解解复复用用、、衰衰减减、、隔隔离等信号与信息处理离等信号与信息处理已已成成为为光光纤纤通通信信系系统统与与光光网网络络不不可可或或缺缺的的重重要要组组成成部分部分光光无无源源器器件件种种类类繁繁多多、、功功能能各各异异，，从从功功能能上上讲讲，，主主要要有有光光纤纤连连接接器器、、光光纤纤耦耦合合器器、、光光波波分分复复用用／／解解复复用器、光衰减器、光隔离器、光环行器等用器、光衰减器、光隔离器、光环行器等 第第3章章 无源光器件无源光器件3.1 光纤连接器光纤连接器3.2 光纤耦合器光纤耦合器3.3 光衰减器光衰减器3.4 光隔离器和光环行器光隔离器和光环行器3.5 光纤光栅光纤光栅3.6 波分复用器波分复用器 3.1 光纤连接器光纤连接器光光纤纤连连接接器器（（Optical Linker）），，又又称称光光纤纤活活动动连接器，俗称活接头连接器，俗称活接头常常用用于于光光纤纤与与光光端端机机的的连连接接，，光光纤纤线线路路与与光光测测试试仪仪器仪表的连接，光纤与光无源器件的连接器仪表的连接，光纤与光无源器件的连接是一种可拆卸重复使用的光无源器件是一种可拆卸重复使用的光无源器件在在光光纤纤通通信信系系统统、、光光信信息息处处理理系系统统、、光光学学仪仪器器仪仪表表中，广泛大量使用中，广泛大量使用 3.1 光纤连接器光纤连接器针针对对不不同同的的用用途途，，现现在在已已经经开开发发出出种种类类繁繁多多的的光光纤纤连接器，一个好的光纤连接器设计的主要要求是：连接器，一个好的光纤连接器设计的主要要求是：①① 插入损耗低插入损耗低②② 互换性好互换性好③③ 易于装配易于装配④④ 环境敏感性好环境敏感性好⑤⑤ 成本低和可靠的结构成本低和可靠的结构⑥⑥ 易于连接易于连接一、光纤连接器的性能指标一、光纤连接器的性能指标不同结构的光纤连接器的性能有很大差异不同结构的光纤连接器的性能有很大差异不同应用场合下，应选用适当的光纤连接器不同应用场合下，应选用适当的光纤连接器衡量光纤连接器的主要性能指标有衡量光纤连接器的主要性能指标有插入损耗插入损耗回波损耗回波损耗互换性和重复性等互换性和重复性等 1．插入损耗（．插入损耗（Insertion Loss）） 所所谓谓插插入入损损耗耗，，是是指指光光信信号号通通过过光光纤纤连连接接器器时时，，光光纤纤连连接接器器的的输输出出光光功功率率Po与与输输入入光光功功率率Pi之之比比的的分贝数的负数分贝数的负数插插入入损损耗耗是是光光纤纤连连接接器器的的主主要要性性能能指指标标，，其其值值越越小小性能越好性能越好目前，单模光纤连接器的插入损耗一般低于目前，单模光纤连接器的插入损耗一般低于1 dB2．回波损耗（．回波损耗（Reflection Loss））回回波波损损耗耗又又称称为为后后向向反反射射损损耗耗，，是是指指光光纤纤连连接接处处，，输输入入光光功功率率Pi与与后后向向发发射射光光功功率率Pr之之比比的的分分贝贝数数的的负数负数是度量光纤连接器对链路光功率反射的抑制能力是度量光纤连接器对链路光功率反射的抑制能力回回波波损损耗耗越越大大，，对对光光源源和和光光放放大大器器等等设设备备的的影影响响越越小，系统性能越好小，系统性能越好 2．回波损耗（．回波损耗（Reflection Loss））不同端面的光纤连接器的回波损耗存在很大差异不同端面的光纤连接器的回波损耗存在很大差异面面对对面面连连接接FC型型连连接接器器的的回回波波损损耗耗较较小小，，为为25 dB左左右右 物物理理接接触触连连接接PC型型连连接接器器的的回回波波损损耗耗较较大大，，一一般般为为35 dB左右左右 改改进进的的物物理理接接触触连连接接APC连连接接器器，，两两光光纤纤端端面面的的倾倾斜斜角角设计在设计在8°左右，其回波损耗可达到左右，其回波损耗可达到50 dB左右左右 3．重复性和互换性．重复性和互换性重重复复性性是是指指光光纤纤连连接接器器多多次次插插拔拔后后插插入入损损耗耗的的变变化化量，一般为量，一般为0.1 dB互互换换性性是是指指光光纤纤连连接接器器部部件件更更换换时时，，插插入入损损耗耗的的变变化量，一般也为化量，一般也为0.1 dB这这两两项项指指标标用用来来考考核核光光纤纤连连接接器器结结构构设设计计和和加加工工工工艺的合理性，是表征其实用化的重要指标艺的合理性，是表征其实用化的重要指标 二、光纤连接器的种类二、光纤连接器的种类光光纤纤连连接接器器基基本本上上采采用用某某种种机机械械和和光光学学结结构构，，将将光光纤的两个端面精密对接起来纤的两个端面精密对接起来最最重重要要的的就就是是要要使使两两根根光光纤纤的的轴轴心心对对准准，，使使发发射射光光纤输出的光能量最大限度地耦合进接收光纤纤输出的光能量最大限度地耦合进接收光纤并使其介入光路后对系统造成的影响降至最小并使其介入光路后对系统造成的影响降至最小二、光纤连接器的种类二、光纤连接器的种类常常见见的的结结构构有有螺螺丝丝卡卡口口、、卡卡销销固固定定、、推推拉拉式式三三种种结结构构对准设计常采用有直套筒和锥形套筒结构对准设计常采用有直套筒和锥形套筒结构 二、光纤连接器的种类二、光纤连接器的种类光纤连接器的结构种类很多光纤连接器的结构种类很多FC型型连连接接器器是是在在我我国国使使用用最最多多的的光光纤纤连连接接器器，，它它是干线系统中采用的常见型号是干线系统中采用的常见型号SC型型连连接接器器是是光光纤纤局局域域网网、、CATV和和光光纤纤接接入入网网的主要型号的主要型号此此外外，，ST型型连连接接器器和和LC型型连连接接器器也也有有一一定定量量的的应应用用 1．．FC型光纤连接器型光纤连接器FC连连接接器器最最早早由由日日本本NTT公公司司研研制制，，是是一一种种螺螺纹纹连接式光纤连接器连接式光纤连接器 外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣插针体采用外径插针体采用外径2.5 mm的精密陶瓷插针的精密陶瓷插针 1．．FC型光纤连接器型光纤连接器根根据据其其插插针针端端面面形形状状的的不不同同，，它它可可分分为为球球面面接接触触的的FC/PC和斜球面接触的和斜球面接触的FC/APC两种结构两种结构FC连连接接器器的的制制作作材材料料陶陶瓷瓷具具有有极极大大的的耐耐磨磨性性和和一一定定的的韧韧性性及及稳稳定定的的尺尺寸寸，，可可保保证证FC连连接接器器的的使使用用寿命在寿命在1000次以上次以上 2．．SC型光纤连接器型光纤连接器SC型连接器是日本型连接器是日本NTT公司开发的光纤连接器公司开发的光纤连接器是一种矩型插拔式光纤连接器，其外壳呈矩形是一种矩型插拔式光纤连接器，其外壳呈矩形所所采采用用的的插插针针与与耦耦合合套套筒筒的的结结构构尺尺寸寸与与FC型型完完全全相相同同，，其其插插针针的的端端面面多多采采用用球球面面接接触触的的PC或或斜斜球球面接触的面接触的APC型研磨方式型研磨方式紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转 2．．SC型光纤连接器型光纤连接器此此类类连连接接器器价价格格低低廉廉，，插插拔拔操操作作方方便便，，插插入入损损耗耗波波动小，抗压强度较高，安装密度高动小，抗压强度较高，安装密度高SC型连接器广泛用于光纤用户网中型连接器广泛用于光纤用户网中3．．ST型光纤连接器型光纤连接器ST型型连连接接器器是是由由AT&T公公司司设设计计开开发发的的圆圆形形卡卡口口式连接器式连接器采用带键的卡口式锁紧结构采用带键的卡口式锁紧结构插插针针体体为为外外径径2.5 mm的的精精密密陶陶瓷瓷插插针针，，插插针针的的端面形状通常为端面形状通常为PC面面 4．．LC型光纤连接器型光纤连接器LC型型光光纤纤连连接接器器由由Bell lab开开发发，，采采用用操操作作方方便便的模块化插孔闩锁机理制的模块化插孔闩锁机理制LC型型连连接接器器所所采采用用的的插插针针和和套套筒筒的的尺尺寸寸是是普普通通SC、、FC等等所所用用尺尺寸寸的的一一半半，，为为1.25 mm，，提提高高了了光光配线架中连接器的密度配线架中连接器的密度目目前前，，在在单单模模光光纤纤方方面面，，LC类类型型的的连连接接器器实实际际已已经占据了主导地位经占据了主导地位 3.2 光纤耦合器光纤耦合器与与同同轴轴电电缆缆传传输输系系统统一一样样，，光光纤纤通通信信系系统统或或光光纤纤测测试试系系统统也也需需将将光光信信号号进进行行分分路路（（分分配配））与与合合路路，，这这需要光耦合器来实现需要光耦合器来实现 光纤耦合器（光纤耦合器（Optical Coupler）的功能是）的功能是将一个端口输入的光信号分配给多个端口输出（光分路）将一个端口输入的光信号分配给多个端口输出（光分路）或把多个输入的光信号组合成一个输出（光合路）或把多个输入的光信号组合成一个输出（光合路）是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件 3.2 光纤耦合器光纤耦合器是光纤链路中最重要的无源器件之一是光纤链路中最重要的无源器件之一 •光光纤纤耦耦合合器器在在电电信信网网、、有有线线电电视视网网、、用用户户接接入入网网、、区区域域网络中大量应用网络中大量应用•对对光光纤纤链链路路的的影影响响主主要要是是附附加加损损耗耗，，还还有有一一定定的的反反射射和和串扰噪声串扰噪声•光光耦耦合合器器大大多多与与波波长长无无关关，，与与波波长长有有关关的的耦耦合合器器，，专专称称为波分复用／解复用器为波分复用／解复用器一、光纤耦合器类型一、光纤耦合器类型光光耦耦合合器器按按结结构构可可以以是是棱棱镜镜型型、、平平面面波波导导型型和和光光纤纤型耦合器等型耦合器等其其中中光光纤纤耦耦合合器器由由于于制制作作时时只只需需要要光光纤纤，，不不需需要要其其它它光光学学元元件件，，与与传传输输光光纤纤容容易易连连接接且且损损耗耗较较低低、、耦耦合合过过程程无无需需离离开开光光纤纤，，体体积积小小，，是是目目前前常常用用的的一一种种光耦合器光耦合器 2×2光纤耦合器光纤耦合器2×2光光纤纤耦耦合合器器是是简简单单的的基基本本器器件件，，通通用用结结构构是是熔融拉锥型光纤耦合器熔融拉锥型光纤耦合器除除了了2×2型型耦耦合合器器外外，，还还会会用用到到多多端端口口定定向向耦耦合合器，这时可以采用星型耦合器器，这时可以采用星型耦合器2×2光纤耦合器光纤耦合器2×2光纤耦合器制作过程是光纤耦合器制作过程是将两根去除涂覆层的光纤以一定的方式靠拢将两根去除涂覆层的光纤以一定的方式靠拢在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构通通过过控控制制光光纤纤扭扭转转的的角角度度和和拉拉伸伸的的长长度度，，可可得得到到不不同同分分光比的光纤耦合器光比的光纤耦合器 2×2光纤耦合器光纤耦合器分分光光原原理理就就是是通通过过改改变变光光纤纤间间的的消消逝逝场场相相互互耦耦合合的的耦耦合合度度和和耦耦合合长长度度，，以以及及改改变变光光纤纤纤纤径径来来实实现现不不同同大小的分支量大小的分支量反之也可以将多路光信号合为一路信号反之也可以将多路光信号合为一路信号 2×2光纤耦合器光纤耦合器假假设设耦耦合合器器没没有有损损耗耗时时，，可可以以得得到到沿沿z轴轴方方向向从从一一根光纤到另一根光纤耦合的功率是根光纤到另一根光纤耦合的功率是 根根据据功功率率守守恒恒，，在在构构成成光光纤纤耦耦合合器器的的两两根根光光纤纤性性能能参数完全相同时，有参数完全相同时，有 可可以以看看出出，，被被驱驱动动光光纤纤的的相相位位总总比比驱驱动动光光纤纤的的相相位位滞后滞后90° 2×2光纤耦合器光纤耦合器这个相位关系可以随着这个相位关系可以随着z的增加而保持的增加而保持而而当当满满足足Kz=π/2时时，，所所有有的的功功率率从从光光纤纤a转转移移到到光纤光纤b中，此后光纤中，此后光纤b称为驱动光纤称为驱动光纤由由这这种种相相位位关关系系，，这这种种2×2耦耦合合器器是是定定向向耦耦合合器器，，也也就就是是在在被被驱驱动动波波导导中中没没有有能能量量能能耦耦合合进进沿沿负负z方方向向反反向向传传播播的的波波导导中中，，即即理理想想情情况况下下，，端端口口4无无输输出出2×2光纤耦合器光纤耦合器实实际际应应用用中中，，只只要要相相互互作作用用长长度度和和耦耦合合系系数数设设计计适适当当，，可可以以按按任任意意比比例例在在直直通通臂臂和和耦耦合合臂臂中中分分配配光光功功率率如如果果KW=π/4 ，，则则从从输输入入臂臂输输入入的的光光功功率率平平均均分配给直通臂和耦合臂，得到所谓的分配给直通臂和耦合臂，得到所谓的3 dB耦合器耦合器如如果果由由端端口口1和和端端口口4输输入入光光信信号号，，可可合合并并为为一一路路光信号，从端口光信号，从端口2或或3输出，或反之输出，或反之 星型耦合器星型耦合器星星型型耦耦合合器器的的主主要要作作用用是是将将M个个输输入入功功率率复复合合后后再再平均分配到平均分配到N个输出端口个输出端口制制作作星星型型耦耦合合器器也也可可以以采采用用熔熔融融光光纤纤法法，，或或者者光光栅栅、、微光技术等其它光学方案微光技术等其它光学方案 星型耦合器星型耦合器光纤熔融技术是制作光纤熔融技术是制作N×N耦合器的最常用的方法耦合器的最常用的方法例例如如将将8根根光光纤纤按按照照上上述述的的熔熔融融拉拉锥锥过过程程可可以以得得到到一个一个8×8的光纤耦合器的光纤耦合器但但是是，，由由于于加加热热和和拉拉伸伸过过程程中中众众多多光光纤纤间间耦耦合合响响应应控制的难度，限制了控制的难度，限制了N >2耦合器的大规模制作耦合器的大规模制作 星型耦合器星型耦合器星星型型耦耦合合器器也也可可以以采采用用2×2耦耦合合器器级级联联的的方方式式构构造造12个个2×2耦合器级联成一个耦合器级联成一个8×8耦合器的例子耦合器的例子 二、光纤耦合器的主要性能指标二、光纤耦合器的主要性能指标衡衡量量光光纤纤耦耦合合器器的的性性能能指指标标很很多多，，包包括括插插入入损损耗耗、、附加损耗、分光比、隔离度等附加损耗、分光比、隔离度等1．附加损耗．附加损耗附附加加损损耗耗Le是是指指所所有有输输出出端端口口的的光光功功率率总总和和相相对对于输入总光功率损失的分贝数的负值于输入总光功率损失的分贝数的负值2×2型型光光纤纤耦耦合合器器光光功功率率从从端端口口1输输入入P1，，端端口口2、、3输出，则附加损耗等于：输出，则附加损耗等于： 1．附加损耗．附加损耗在理想状态下，输出功率之和应该等于输入功率在理想状态下，输出功率之和应该等于输入功率附加损耗定量给出了实际情况和理想状态的差别附加损耗定量给出了实际情况和理想状态的差别附附加加损损耗耗是是体体现现器器件件制制造造工工艺艺质质量量的的指指标标，，反反映映的的是器件制作过程的固有损耗是器件制作过程的固有损耗光光耦耦合合器器附附加加损损耗耗越越小小越越好好，，是是制制作作质质量量优优劣劣的的考考核指标核指标 2．插入损耗．插入损耗插插入入损损耗耗是是指指光光信信号号经经过过光光纤纤耦耦合合器器后后，，每每一一路路光光信信号号输输出出相相对对于于输输入入光光信信号号光光功功率率损损失失的的分分贝贝数数的的负值负值如如从从端端口口1输输入入，，端端口口3输输出出，，则则它它们们之之间间的的插插入入损耗为损耗为2．插入损耗．插入损耗插入损耗所表示的是各个输出端口的输出功率状况插入损耗所表示的是各个输出端口的输出功率状况不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响因因此此不不同同的的光光纤纤耦耦合合器器，，插插入入损损耗耗的的差差异异并并不不能能反反映器件制作质量的优劣映器件制作质量的优劣 3．分光比．分光比分分光光比比是是指指光光纤纤耦耦合合器器各各输输出出端端口口的的输输出出功功率率的的比比值值在在应应用用中中，，分分光光比比是是根根据据实实际际系系统统光光节节点点所所需需的的光光功率的多少而确定合适的分光比（平均分配的除外）功率的多少而确定合适的分光比（平均分配的除外）光分路器的分光比与传输光的波长有关光分路器的分光比与传输光的波长有关 4．隔离度．隔离度隔隔离离度度是是指指光光分分路路器器的的一一个个输输入入端端的的光光功功率率和和由由分分路路器器反反射射到到其其它它端端的的光光功功率率的的比比值值的的分分贝贝数数，，有有时时也称为方向性也称为方向性二、光纤耦合器的主要性能指标二、光纤耦合器的主要性能指标以上各个指标中，隔离度对于光分路器的意义更为重大以上各个指标中，隔离度对于光分路器的意义更为重大在在实实际际应应用用中中，，往往往往要要求求光光耦耦合合器器的的隔隔离离度度达达到到40 dB以以上，否则将影响整个系统的性能上，否则将影响整个系统的性能另外，光耦合器的稳定性也是一个重要的指标另外，光耦合器的稳定性也是一个重要的指标所所谓谓稳稳定定性性是是指指在在外外界界温温度度变变化化或或其其它它器器件件的的工工作作状状态态发发生变化时，光耦合器的性能指标都应基本保持不变生变化时，光耦合器的性能指标都应基本保持不变实实际际上上光光耦耦合合器器的的稳稳定定性性完完全全取取决决于于厂厂家家的的工工艺艺水水平平，，不不同厂家的产品质量差别相当大同厂家的产品质量差别相当大 3.3 光衰减器光衰减器光光衰衰减减器器（（Optical Attenuator））是是插插入入光光链链路中控制光能衰耗的一种无源器件路中控制光能衰耗的一种无源器件它它是是光光纤纤通通信信系系统统和和光光纤纤测测试试链链路路中中不不可可或或缺缺的的一一类光器件，常用来评价类光器件，常用来评价光路系统的灵敏度光路系统的灵敏度校正光功率计校正光功率计等效代替相应衰减量长度光纤等场合等效代替相应衰减量长度光纤等场合主主要要是是在在光光链链路路中中对对光光信信号号功功率率进进行行定定量量或或不不定定量量的衰减，以满足用户的各种要求的衰减，以满足用户的各种要求 3.3 光衰减器光衰减器光衰减器的种类很多光衰减器的种类很多按工作原理，光衰减器可分为按工作原理，光衰减器可分为位移型位移型衰减片型衰减片型智能型等智能型等按其衰减量的变化方式不同，可分为按其衰减量的变化方式不同，可分为固定式光衰减器固定式光衰减器可变式光衰减器可变式光衰减器 位移型光衰减器位移型光衰减器在在第第2章章已已知知，，当当两两段段光光纤纤进进行行连连接接时时，，必必须须达达到到相相当当高高的的对对准准精精度度，，才才能能使使光光信信号号以以较较小小的的损损耗耗传传输输反反过过来来，，若若将将光光纤纤的的对对准准精精度度做做适适当当调调整整，，就就可可控控制其衰减量制其衰减量有有意意使使光光纤纤在在对对接接时时产产生生一一定定错错位位，，使使光光能能量量损损失失一些，从而达到控制衰减量的目的一些，从而达到控制衰减量的目的衰减片型光衰减器衰减片型光衰减器衰衰减减片片型型光光衰衰减减器器是是直直接接将将具具有有吸吸收收特特性性的的衰衰减减片片固定在光路中来达到衰减光信号目的固定在光路中来达到衰减光信号目的衰衰减减片片采采用用吸吸收收型型玻玻璃璃片片或或在在玻玻璃璃基基片片上上镀镀吸吸收收膜膜的方法来制作的方法来制作 智能型光衰减器智能型光衰减器通通过过电电路路控控制制微微型型电电机机，，带带动动齿齿条条，，使使滤滤光光片片平平移移，，再再将将数数据据编编码码盘盘检检测测到到的的实实际际衰衰减减量量信信号号反反馈馈到到电电路路中中进进行行修修正正，，从从而而达达到到自自动动驱驱动动、、自自动动检检测测和和显显示光衰减量的目的示光衰减量的目的3.4 光隔离器与光环行器光隔离器与光环行器光光隔隔离离器器（（Optical Isolator））是是一一种种只只允允许许光光信号沿光路正向传输的非互易性无源器件信号沿光路正向传输的非互易性无源器件它它对对正正向向传传输输光光有有较较低低的的插插入入损损耗耗，，而而对对反反向向传传输输光光有有很很大大损损耗耗，，用用以以抑抑制制光光传传输输系系统统中中回回波波对对光光源源等器件的不利影响等器件的不利影响 一、光隔离器的工作原理一、光隔离器的工作原理光隔离器的物理基础是晶体材料的法拉第效应光隔离器的物理基础是晶体材料的法拉第效应在在外外加加磁磁场场作作用用下下，，入入射射的的线线偏偏振振光光经经过过一一定定厚厚度度的的磁磁光光材材料料，，出出射射的的线线偏偏振振光光偏偏振振面面相相对对入入射射光光偏偏振面转过一定角度，称为介质的磁致旋光效应振面转过一定角度，称为介质的磁致旋光效应介介质质的的磁磁致致旋旋光光效效应应对对光光的的偏偏振振方方向向的的改改变变只只与与磁磁场方向有关，与光的传播方向无关场方向有关，与光的传播方向无关光光隔隔离离器器就就是是利利用用了了晶晶体体的的这这种种非非互互易易旋旋光光性性使使光光正向传输，反向隔离正向传输，反向隔离一、光隔离器的工作原理一、光隔离器的工作原理典典型型的的偏偏振振相相关关型型隔隔离离器器由由光光纤纤准准直直器器、、两两个个偏偏振振片片和和—个个法法拉拉第第旋旋转转器器FR组组成成，，两两偏偏振振片片的的通通光光方向成方向成45°二、光隔离器的性能指标二、光隔离器的性能指标光隔离器的主要性能指标有光隔离器的主要性能指标有插入损耗插入损耗反向隔离度反向隔离度回波损耗等回波损耗等 1．插入损耗．插入损耗光光隔隔离离器器的的插插入入损损耗耗L，，是是指指在在光光路路中中插插入入光光隔隔离离器器时时，，引引起起正正向向光光信信号号功功率率的的降降低低值值，，以以分分贝贝（（dB）表示）表示光光隔隔离离器器的的插插入入损损耗耗来来源源于于偏偏振振器器、、法法拉拉第第旋旋转转器器和和光光纤纤准准直直器器，，与与各各分分立立元元件件的的透透射射比比及及装装配配精精度度有密切关系有密切关系插入损耗一般为插入损耗一般为0.4dB，插入损耗最大为，插入损耗最大为0.6dB2．反向隔离度．反向隔离度反反向向隔隔离离度度表表征征隔隔离离器器对对反反向向传传输输光光的的衰衰减减能能力力，，由由光光信信号号反反向向通通过过光光隔隔离离器器时时引引起起的的功功率率损损耗耗值值，，以分贝表示以分贝表示3．回波损耗．回波损耗回回波波损损耗耗是是指指正正向向入入射射到到隔隔离离器器中中的的光光功功率率和和沿沿输输入路径返回隔离器输入端口的光功率之比入路径返回隔离器输入端口的光功率之比其典型值为其典型值为60 dB由由各各元元件件和和空空气气折折射射率率失失配配并并形形成成反反射射引引起起，，其其主主要来源是入射光的准直光路部分要来源是入射光的准直光路部分采采用用斜斜面面耦耦合合工工艺艺和和端端面面镀镀制制增增透透膜膜可可有有效效提提高高整整个器件的回波损耗个器件的回波损耗 三、光环行器三、光环行器光光环环形形器器（（Optical Circulator））的的作作用用是是把把光光信号流按一个方向从一个端口送到另一个端口信号流按一个方向从一个端口送到另一个端口防止光信号沿错误的方向传播而引起不必要的串扰防止光信号沿错误的方向传播而引起不必要的串扰整整个个环环形形器器的的原原理理类类似似于于一一个个公公路路上上的的环环岛岛，，光光信信号号就就像像经经过过环环岛岛的的汽汽车车，，只只能能沿沿一一个个固固定定的的方方向向行行驶驶 三、光环行器三、光环行器典型的环行器一般有三个或四个端口典型的环行器一般有三个或四个端口三三端端口口环环形形器器中中，，端端口口1输输入入的的信信号号由由端端口口2输输出出，，端口端口2输入的信号由端口输入的信号由端口3输出输出 三、光环行器三、光环行器光光环环形形器器的的基基本本原原理理和和结结构构比比较较简简单单，，与与光光隔隔离离器器的工作原理相似的工作原理相似基基本本结结构构由由偏偏振振分分束束器器（（PBS））、、法法拉拉第第旋旋转转器器、、半波片、棱镜和准直器组成半波片、棱镜和准直器组成偏偏振振分分束束器器把把两两个个正正交交偏偏振振态态的的光光分分开开或或者者融融合合到到一起一起法法拉拉第第旋旋转转器器和和半半波波片片是是用用来来改改变变任任意意偏偏振振态态输输入入光的偏振态的光的偏振态的三、光环行器三、光环行器沿沿光光束束传传播播方方向向的的前前一一个个法法拉拉第第旋旋转转器器对对输输入入光光的的传传播播方方向向没没有有要要求求，，而而后后一一个个法法拉拉第第旋旋转转器器对对光光的的传播方向是有要求的传播方向是有要求的这这样样输输入入的的光光信信号号经经过过偏偏振振分分束束器器分分成成两两个个正正交交的的偏偏振振分分量量，，又又经经过过法法拉拉第第旋旋转转器器改改变变其其偏偏振振态态，，并并在其后的端口输出在其后的端口输出反反向向则则因因为为偏偏振振态态是是正正交交的的所所以以不不能能被被传传输输，，这这样样回波信号就被隔离回波信号就被隔离 3.5 光纤光栅光纤光栅1978年年，，Hill等等人人首首次次发发现现光光纤纤光光敏敏性性，，采采用用驻驻波写入法获得自感应光栅波写入法获得自感应光栅1989年年，，Mehz等等人人发发展展了了紫紫外外光光侧侧面面写写入入光光敏敏光栅技术，光纤光栅技术逐渐趋于成熟和商业化光栅技术，光纤光栅技术逐渐趋于成熟和商业化到到1993年年，，光光纤纤敏敏化化技技术术的的进进步步和和相相位位掩掩模模板板的的使用，使光纤光栅实现批量生产使用，使光纤光栅实现批量生产 3.5 光纤光栅光纤光栅光光纤纤光光栅栅（（FG，，Fiber Grating））是是光光纤纤纤纤芯芯折折射射率率受受到到永永久久的的周周期期性性微微扰扰而而形形成成的的一一种种光光纤纤无无源源器器件件，，它它能能将将入入射射光光中中某某一一特特定定波波长长的的光光部部分分或或全全部反射部反射光光纤纤光光栅栅按按工工作作原原理理，，可可分分为为光光纤纤Bragg光光栅栅和和长周期光纤光栅（长周期光纤光栅（LPG））一、光纤一、光纤Bragg光栅光栅光光纤纤Bragg光光栅栅就就是是利利用用紫紫外外光光（（峰峰值值波波长长为为240 nm的的光光波波））通通过过相相位位掩掩模模板板（（或或适适当当光光路路））对对光光敏敏光光纤纤曝曝光光，，在在光光纤纤中中产产生生折折射射率率的的周周期期分分布布，，形成光栅形成光栅它它的的周周期期一一般般在在1μm以以下下，，也也称称为为短短周周期期光光纤纤光光栅栅光光纤纤Bragg光光栅栅能能够够把把某某个个方方向向传传输输的的芯芯模模能能量量耦耦合合给给反反方方向向传传输输的的芯芯模模，，形形成成在在谐谐振振波波长长附附近近一一定带宽的能量反射定带宽的能量反射一、光纤一、光纤Bragg光栅光栅光纤光栅的谐振波长光纤光栅的谐振波长λB 与光栅周期与光栅周期Λ的关系为的关系为Bragg光光栅栅基基本本特特性性表表现现为为一一个个反反射射式式的的光光学学滤滤波器，反射峰值波长即为波器，反射峰值波长即为Bragg波长波长λB 一、光纤一、光纤Bragg光栅光栅若若Bragg光光栅栅的的节节距距或或栅栅距距是是线线性性改改变变的的，，称称为为啁啾啁啾Bragg光栅光栅在在这这种种光光栅栅中中，，由由于于节节距距线线性性改改变变，，入入射射光光的的各各个个波波长长在在光光栅栅的的不不同同深深度度被被反反射射回回来来，，因因而而补补偿偿了了各各个波长在传输时间上的变化，可应用于色散补偿个波长在传输时间上的变化，可应用于色散补偿一、光纤一、光纤Bragg光栅光栅由啁啾光栅和环形器组成的色散补偿光路由啁啾光栅和环形器组成的色散补偿光路长波长信号在光栅周期大的地方先反射长波长信号在光栅周期大的地方先反射短波长的信号在光栅周期小的地方后反射短波长的信号在光栅周期小的地方后反射二、长周期光纤光栅二、长周期光纤光栅长长周周期期光光纤纤光光栅栅（（LPG））是是利利用用紫紫外外光光通通过过振振幅幅模模板板直直接接照照在在光光敏敏光光纤纤上上，，在在光光纤纤中中产产生生折折射射率率的的周周期性分布期性分布它的周期较长，在几十至几百微米它的周期较长，在几十至几百微米能能够够实实现现芯芯模模与与同同一一方方向向传传播播的的包包层层模模的的耦耦合合，，被被光光纤纤涂涂覆覆层层吸吸收收而而迅迅速速消消耗耗掉掉，，从从而而形形成成一一定定带带宽宽的能量损耗，且不存在反射的能量损耗，且不存在反射二、长周期光纤光栅二、长周期光纤光栅长周期光纤光栅的透射谐振波长长周期光纤光栅的透射谐振波长λ满足满足其其基基本本特特性性表表现现为为一一个个带带阻阻滤滤波波器器，，带带阻阻宽宽度度一一般般为十几到几十纳米为十几到几十纳米 二、长周期光纤光栅二、长周期光纤光栅长长周周期期光光栅栅透透射射谱谱的的带带宽宽较较宽宽，，几几乎乎没没有有反反射射光光，，尤尤其其是是它它与与光光纤纤系系统统的的天天然然兼兼容容性性，，使使得得插插入入损损耗耗很很低低，，特特别别适适合合于于用用作作掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器的的增增益益均均衡衡器器可可以以用用几几个个不不同同谐谐振振波波长长和和带带宽宽的的长长周周期期光光栅栅串串接接，，使使得得串串接接后后总总的的透透射射谱谱与与EDFA放放大大器器的的增增益益谱谱均均衡，达到输出增益谱的平坦化衡，达到输出增益谱的平坦化现现在在已已经经能能够够仅仅用用一一根根非非均均匀匀的的长长周周期期光光栅栅，，就就可可实现实现EDFA的平坦的平坦 3.6 波分复用器波分复用器波分复用器／解复用器是一种波长选择型耦合器波分复用器／解复用器是一种波长选择型耦合器其其功功能能就就是是把把多多个个不不同同波波长长的的光光波波复复合合后后，，注注入入到到同一根光纤中传输同一根光纤中传输或或把把输输入入光光口口的的多多个个不不同同波波长长的的光光波波分分开开，，输输出出到到不同的光端口输出不同的光端口输出 3.6 波分复用器波分复用器波分复用器／解复用器又称为合波器或分波器波分复用器／解复用器又称为合波器或分波器 一、波分复用器的性能指标一、波分复用器的性能指标光光波波分分复复用用器器／／解解复复用用器器性性能能的的优优劣劣对对于于WDM系系统的传输质量有决定性的影响统的传输质量有决定性的影响WDM系系统统对对光光波波分分复复用用器器／／解解复复用用器器的的特特性性要要求求是插入损耗小，信道间的串扰小，通带损耗平坦等是插入损耗小，信道间的串扰小，通带损耗平坦等1．插入损耗．插入损耗插插入入损损耗耗是是指指对对于于某某一一特特定定通通道道，，输输出出端端标标称称波波长长信信号号功功率率与与输输入入端端该该标标称称波波长长信信号号功功率率比比值值的的对对数数，，是对同一波长而言的是对同一波长而言的2．信道隔离度与串扰．信道隔离度与串扰信信道道隔隔离离度度与与串串扰扰是是度度量量WDM信信道道之之间间相相互互干干扰扰程度的参数程度的参数从从信信道道i输输出出端端口口测测得得的的该该信信道道标标称称波波长长信信号号功功率率Pi(λi) 与与从从信信道道j输输出出端端口口测测得得的的该该波波长长信信号号功功率率Pj(λi) 之之间间的的比比值值，，定定义义为为信信道道j对对信信道道i的的隔隔离度离度其倒数称为信道其倒数称为信道i对信道对信道j的串扰的串扰 3．通带特性．通带特性通通带带特特性性是是指指波波分分复复用用器器／／解解复复用用器器分分配配给给某某输输出出端口的光波波长范围端口的光波波长范围从复用信道数考虑，通道带宽越窄越好从复用信道数考虑，通道带宽越窄越好从从光光源源谱谱宽宽、、传传输输信信号号速速率率和和降降低低串串扰扰等等因因素素考考虑虑，，通道带宽越宽越好通道带宽越宽越好3．通带特性．通带特性按按通通道道带带宽宽不不同同，，可可将将波波分分复复用用器器／／解解复复用用器器分分为为三类：三类：稀稀疏疏波波分分复复用用器器／／解解复复用用器器，，其其通通道道间间隔隔为为10~100 nm密集波分复用器／解复用器，其信道间隔为密集波分复用器／解复用器，其信道间隔为1~10 nm超超密密集集波波分分复复用用器器／／解解复复用用器器，，其其通通道道间间隔隔为为0.1~1 nm 二、波分复用器的种类及工作原理二、波分复用器的种类及工作原理 根据制造的特点，根据制造的特点，WDM器件大致有器件大致有熔融光纤型熔融光纤型干涉滤波器型干涉滤波器型光栅型等几种类型光栅型等几种类型1．熔融光纤耦合型波分复用器．熔融光纤耦合型波分复用器熔熔融融光光纤纤型型波波分分复复用用器器实实质质为为耦耦合合功功率率对对波波长长具具有有选择性的光纤耦合器选择性的光纤耦合器通通过过改改变变熔熔融融拉拉锥锥工工艺艺，，使使耦耦合合器器输输出出端端口口的的分分光光比随波长具有显著变化的特征而制作的比随波长具有显著变化的特征而制作的器件结构类似于器件结构类似于2×2单模光纤耦合器单模光纤耦合器1．熔融光纤耦合型波分复用器．熔融光纤耦合型波分复用器当当两两光光纤纤传传播播常常数数相相同同时时，，这这时时耦耦合合系系数数K与与波波长长相关，对于波长相关，对于波长λ1与与λ2，当耦合长度，当耦合长度W满足满足 •得到耦合比得到耦合比 1．熔融光纤耦合型波分复用器．熔融光纤耦合型波分复用器因因此此，，通通过过设设计计合合理理的的耦耦合合长长度度和和熔熔融融区区的的锥锥度度，，控控制制好好拉拉锥锥速速度度，，将将会会使使波波长长λ1、、λ2从从输输入入端端口口输输入入，，波波长长λ1从从直直通通臂臂输输出出，，波波长长λ2从从耦耦合合臂臂输输出出2．介质薄膜干涉滤波器型波分复用器．介质薄膜干涉滤波器型波分复用器介介质质薄薄膜膜滤滤波波器器由由多多层层不不同同材材料料、、不不同同折折射射率率和和不不同厚度的介质膜按设计要求组合而成同厚度的介质膜按设计要求组合而成每每层层厚厚度度为为λ/4，，一一层层为为高高折折射射率率，，一一层层为为低低折折射射率，交替叠合而成率，交替叠合而成2．介质薄膜干涉滤波器型波分复用器．介质薄膜干涉滤波器型波分复用器当当光光入入射射到到高高折折射射率率介介质质薄薄膜膜层层时时，，光光反反射射不不产产生生相相移移；；当当光光入入射射到到低低折折射射率率介介质质薄薄膜膜层层时时，，反反射射光光产生产生180°相移相移由由于于介介质质薄薄膜膜层层厚厚度度为为四四分分之之一一波波长长，，因因而而经经低低折折射射率率层层反反射射的的光光当当到到达达经经高高折折射射率率层层反反射射的的光光的的位位置置经经历历了了360°相相移移，，它它们们同同向向叠叠加加产产生生强强烈烈的的反反射光射光相反，其它波长的光波将会成为透射光相反，其它波长的光波将会成为透射光2．介质薄膜干涉滤波器型波分复用器．介质薄膜干涉滤波器型波分复用器这这样样，，通通过过使使用用多多层层介介质质薄薄膜膜可可以以实实现现对对某某一一波波长长范范围围的的光光呈呈现现带带通通，，而而对对其其它它波波长长呈呈带带阻阻，，从从而而形形成所要求的滤波特性成所要求的滤波特性2．介质薄膜干涉滤波器型波分复用器．介质薄膜干涉滤波器型波分复用器利利用用这这种种对对某某指指定定波波长长的的选选择择特特性性的的干干涉涉滤滤波波器器就就可将不同波长的光波分离或合并起来可将不同波长的光波分离或合并起来3．光栅型波分复用器．光栅型波分复用器利利用用光光纤纤Bragg光光栅栅的的波波长长选选择择性性，，再再结结合合环环形形器，可以实现器，可以实现WDM合波／分波器合波／分波器多多个个波波长长信信号号从从端端口口1输输入入，，端端口口2输输出出进进入入光光栅栅。

假假设设λ2满满足足光光栅栅的的Bragg条条件件而而被被反反射射回回来来，，其其余余波波长长通通过过光光栅栅，，λ2反反射射回回来来进进入入端端口口2，，从从端端口口3输输出出，，实实现分波即解复用现分波即解复用3．光栅型波分复用器．光栅型波分复用器利利用用光光纤纤Bragg光光栅栅的的波波长长选选择择性性，，再再结结合合环环形形器，可以实现器，可以实现WDM合波／分波器合波／分波器在在合合波波（（复复用用））端端，，插插入入波波长长λ2从从端端口口3进进入入，，端端口口1输输出出，，进进入入光光栅栅，，但但反反射射后后从从端端口口1输输入入，，与与其其它它波波长长一起从端口一起从端口2输出，实现合波即复用输出，实现合波即复用4．阵列波导光栅型波分复用器．阵列波导光栅型波分复用器阵阵列列波波导导光光栅栅（（AWG，，Arrayed Waveguide Grating））型型波波分分复复用用器器是是以以光光集集成成技技术术为为基基础础的平面波导型器件的平面波导型器件它它由由输输入入波波导导、、输输出出波波导导、、波波导导阵阵列列光光栅栅及及两两个个平平面耦合波导组成面耦合波导组成典典型型的的制制造造过过程程是是在在硅硅晶晶片片上上沉沉积积一一层层薄薄薄薄的的二二氧氧化硅，并利用光刻技术形成所需的图案，腐蚀成型化硅，并利用光刻技术形成所需的图案，腐蚀成型 4．阵列波导光栅型波分复用器．阵列波导光栅型波分复用器AWG将将同同一一输输入入信信号号分分成成若若干干路路信信号号，，分分别别经经历历不同的相移后又将它们合在一起输出不同的相移后又将它们合在一起输出4．阵列波导光栅型波分复用器．阵列波导光栅型波分复用器当当多多波波长长光光信信号号被被耦耦合合进进某某一一输输入入波波导导后后，，进进入入第第一一个个平平面面波波导导，，并并在在其其内内发发生生衍衍射射，，然然后后耦耦合合进进入入阵列波导阵列波导波波导导阵阵列列由由很很多多长长度度依依次次递递增增的的路路径径构构成成，，相相邻邻波波导导间间有有固固定定的的路路程程差差，，故故相相邻邻波波导导间间传传播播的的光光将将产产生生固固定定的的相相位位差差延延迟迟，，在在第第二二个个平平面面耦耦合合波波导导中中相相干叠加干叠加这这种种阵阵列列波波导导长长度度差差所所产产生生的的作作用用和和光光栅栅所所起起的的作作用用相相同同，，从从而而表表现现出出光光栅栅的的功功能能和和特特性性，，所所以以称称为为阵列波导光栅（阵列波导光栅（AWG）） 4．阵列波导光栅型波分复用器．阵列波导光栅型波分复用器通通过过合合理理设设计计AWG的的形形状状、、间间距距、、输输入入输输出出平平面面波导的位置、间距，即可实现多波长光信号的分路波导的位置、间距，即可实现多波长光信号的分路同样可实现对多端口输入的多个波长信号的合路同样可实现对多端口输入的多个波长信号的合路 三、几种常用波分复用器的特性比较三、几种常用波分复用器的特性比较 几种常用波分复用器主要特性比较如表几种常用波分复用器主要特性比较如表器件类型器件类型机理机理批量批量生产生产通道间隔通道间隔（（nm））通道数通道数串音串音（（nm））插入损耗插入损耗（（dB））主要缺点主要缺点衍射光栅衍射光栅角色散角色散一般一般0.5~104~131≤-303~6温度敏感温度敏感介质薄膜介质薄膜型型干涉／吸收干涉／吸收一般一般1~1002~32≤-252~6通路数较少通路数较少熔融型熔融型波长依赖性波长依赖性较容较容易易10~1002~6≤-(10~45)0.2~0.5通路数小通路数小集成波导集成波导型型平面波导平面波导容易容易1~54~32≤-256~11插入损耗大插入损耗大小结小结连连接接器器是是最最常常用用的的器器件件，，主主要要用用在在光光纤纤与与器器件件或或设设备之间的连接备之间的连接耦耦合合器器的的作作用用是是实实现现光光路路的的合合路路与与分分路路，，即即信信号号功功率率的的重重新新分分配配，，一一般般与与波波长长无无关关，，应应用用于于光光的的传传输输和测量方面和测量方面光光衰衰减减器器用用在在光光链链路路中中对对光光信信号号功功率率进进行行定定量量或或不不定定量量的的衰衰减减，，是是光光纤纤测测试试链链路路中中不不可可或或缺缺的的一一类类光光器器件件，，常常用用来来评评价价光光路路系系统统的的灵灵敏敏度度，，校校正正光光功功率率计，等效代替相应衰减量长度光纤等场合计，等效代替相应衰减量长度光纤等场合小结小结光光隔隔离离器器是是一一种种只只允允许许光光信信号号沿沿光光路路正正向向传传输输的的非非互互易易性性无无源源器器件件，，用用以以抑抑制制光光传传输输系系统统中中回回波波对对光光源等器件的不利影响源等器件的不利影响而而光光环环形形器器是是使使光光信信号号流流按按一一个个方方向向传传送送，，用用来来防防止光信号沿错误的方向传播而引起不必要的串扰止光信号沿错误的方向传播而引起不必要的串扰小结小结光光纤纤光光栅栅是是光光纤纤纤纤芯芯折折射射率率受受到到永永久久的的周周期期性性微微扰扰而而形形成成的的一一种种光光纤纤无无源源器器件件，，能能够够将将入入射射光光中中某某一一特特定定波波长长的的光光部部分分或或全全部部反反射射，，在在光光放放大大、、光光滤滤波波和色散补偿等诸多方面使用和色散补偿等诸多方面使用波波分分复复用用／／解解复复用用器器也也是是用用来来实实现现多多路路光光信信号号的的合合路路与与分分路路，，但但有有波波长长选选择择性性，，是是波波分分复复用用系系统统的的关关键器件键器件 第第4章章 光源与光发送机光源与光发送机第第4章章 光源与光发送机光源与光发送机光光发发送送机机是是光光纤纤通通信信系系统统的的基基本本组组成成部部分分之之一一，，它它的的作作用用是是将将电电信信号号转转换换为为光光信信号号，，并并将将光光信信号号以以最最大效率耦合进光纤线路大效率耦合进光纤线路光源是光发送机的核心器件，是发光器件光源是光发送机的核心器件，是发光器件光纤通信中应用的光源主要有光纤通信中应用的光源主要有半导体激光器（半导体激光器（LD，，Laser Diode））半半 导导 体体 发发 光光 二二 极极 管管 （（ LED，， Light Emitting Diode）） 第第4章章 光源与光发送机光源与光发送机4.1 物质与光之间的相互作用物质与光之间的相互作用4.2 半导体激光器半导体激光器4.3 半导体发光二极管半导体发光二极管4.4 数字光发送机数字光发送机 4.1 物质与光之间的相互作用物质与光之间的相互作用当光进入物质时，与物质原子之间发生相互作用当光进入物质时，与物质原子之间发生相互作用这种相互作用导致了光纤的色散和非线性现象这种相互作用导致了光纤的色散和非线性现象这这种种相相互互作作用用中中的的受受激激辐辐射射过过程程是是激激光光器器的的物物理理基基础础 一、原子能级和半导体的能带一、原子能级和半导体的能带根根据据现现代代量量子子物物理理学学的的观观点点，，构构成成物物质质的的原原子子的的能能量只能取一系列分离值量只能取一系列分离值也也就就是是说说原原子子的的能能量量状状态态是是量量子子化化的的，，这这些些分分离离的的能量状态称为能级能量状态称为能级一、原子能级和半导体的能带一、原子能级和半导体的能带在在正正常常状状态态下下，，原原子子处处于于最最低低能能级级，，电电子子在在离离核核最最近的轨道上运动的定态称为基态或基能级近的轨道上运动的定态称为基态或基能级原原子子吸吸收收能能量量后后从从基基态态跃跃迁迁到到较较高高能能级级，，电电子子在在较较远的轨道上运动的定态称为激发态或高能级远的轨道上运动的定态称为激发态或高能级一、原子能级和半导体的能带一、原子能级和半导体的能带由由于于半半导导体体光光源源的的材材料料是是单单晶晶体体，，其其内内部部原原子子是是紧紧密密地地按按一一定定规规律律排排列列在在一一起起的的，，并并且且原原子子最最外外层层的的轨道是相互重叠的，从而使它们的能级形成能带轨道是相互重叠的，从而使它们的能级形成能带半导体的能带由价带、禁带和导带构成半导体的能带由价带、禁带和导带构成 一、原子能级和半导体的能带一、原子能级和半导体的能带价带中的电子由于受到紧约束而不能自由运动价带中的电子由于受到紧约束而不能自由运动导导带带中中的的电电子子则则可可自自由由运运动动，，如如果果有有外外加加电电场场存存在在，，就可形成电流就可形成电流禁禁带带是是不不能能为为电电子子所所占占据据的的能能量量状状态态，，禁禁带带的的宽宽度度称为带隙能量，用称为带隙能量，用Eg表示表示一、原子能级和半导体的能带一、原子能级和半导体的能带一一般般状状态态下下，，本本征征半半导导体体的的电电子子和和空空穴穴是是成成对对出出现现的，用费米能级的，用费米能级Ef 位于禁带中央来表示位于禁带中央来表示在在N型型半半导导体体中中，，Ef 增增大大，，导导带带的的电电子子增增多多，，价价带的空穴相对减少带的空穴相对减少在在P型型半半导导体体中中，，Ef 减减小小，，导导带带的的电电子子减减少少，，价价带带的空穴相对增多的空穴相对增多二、光与物质的相互作用二、光与物质的相互作用光具有波粒二象性光具有波粒二象性一一方方面面光光是是电电磁磁波波，，有有确确定定的的波波长长和和频频率率，，具具有有波波动动性性，，会会产产生生反反射射、、折折射射、、衍衍射射、、干干涉涉、、偏偏振振等等，，电电磁磁波波满满足足电磁波方程即麦克斯韦方程电磁波方程即麦克斯韦方程另另一一方方面面，，和和所所有有运运动动的的粒粒子子一一样样，，光光具具有有能能量量、、动动量量和和质质量量，，也也能能产产生生压压力力，，即即光光是是由由大大量量光光子子构构成成的的光光子子流，每个光子都有一定的能量流，每个光子都有一定的能量E，具有粒子性，具有粒子性光子能量与光波频率之间的关系是光子能量与光波频率之间的关系是 h = 6.626×10-34 J·s（焦耳（焦耳·秒），称为普朗克常数秒），称为普朗克常数 二、光与物质的相互作用二、光与物质的相互作用物质可以发光，光也可以被物质吸收物质可以发光，光也可以被物质吸收光的吸收与发射和物质内部能量状态的变化有关光的吸收与发射和物质内部能量状态的变化有关当当光光与与物物质质相相互互作作用用时时，，光光子子的的能能量量作作为为一一个个整整体体被吸收或发射被吸收或发射二、光与物质的相互作用二、光与物质的相互作用研研究究发发现现：：光光与与物物质质原原子子的的电电子子有有三三种种相相互互作作用用机机制，分别是自发辐射、受激辐射和受激吸收制，分别是自发辐射、受激辐射和受激吸收 二、光与物质的相互作用二、光与物质的相互作用自发辐射自发辐射高高能能级级E2上上的的电电子子不不稳稳定定，，即即使使没没有有外外界界的的作作用用，，也也会会自自发发地地跃跃迁迁到到较较低低能能级级E1上上，，并并释释放放出出一一个个能能量量为为hf = E2 - E1的光子的光子自自发发辐辐射射由由于于是是完完全全随随机机的的，，所所产产生生的的光光子子在在相相位位、、偏偏振和传播方向上是随机的，输出的光是非相干光振和传播方向上是随机的，输出的光是非相干光半半导导体体发发光光二二极极管管就就是是基基于于自自发发辐辐射射发发光光机机制制的的发发光器件光器件 二、光与物质的相互作用二、光与物质的相互作用受激辐射受激辐射在在高高能能级级E2上上的的电电子子，，受受到到入入射射光光的的作作用用，，由由高高能能级级跃跃迁迁到到低低能能级级上上，，并并释释放放一一个个能能量量为为hf = E2 - E1的的全全同同光子光子全全同同光光子子是是指指受受激激辐辐射射产产生生的的与与入入射射光光子子的的能能量量、、相相位位、、偏振和传播方向完全相同的光子偏振和传播方向完全相同的光子半半导导体体激激光光器器就就是是基基于于受受激激辐辐射射发发光光机机制制的的发发光光器器件件 二、光与物质的相互作用二、光与物质的相互作用受激吸收受激吸收当当外外界界入入射射光光子子能能量量hf近近等等于于能能级级E1与与E2能能量量差差时时，，电子就吸收光子，由电子就吸收光子，由E1跃迁到跃迁到E2能级能级半导体光检测器就是基于受激吸收工作的光电器件半导体光检测器就是基于受激吸收工作的光电器件 三、激光器的工作原理三、激光器的工作原理尽尽管管激激光光器器有有各各种种各各样样形形式式的的不不同同，，但但各各种种激激光光器器产生激光的基本工作原理相同产生激光的基本工作原理相同1．粒子数反转分布．粒子数反转分布在在热热平平衡衡状状态态下下，，高高能能级级上上的的电电子子数数N2总总是是比比低低能级上的电子数能级上的电子数N1少少这种电子数的分布状态称为粒子数的正常分布状态这种电子数的分布状态称为粒子数的正常分布状态大大部部分分入入射射光光子子被被吸吸收收掉掉，，以以至至于于受受激激辐辐射射实实际际上上可以忽略不计可以忽略不计 1．粒子数反转分布．粒子数反转分布在在同同一一物物质质内内，，光光和和物物质质相相互互作作用用的的三三个个过过程程是是同同时存在的时存在的为为了了使使物物质质发发光光，，就就必必须须使使其其内内部部的的自自发发辐辐射射或或受受激激辐辐射射的的几几率率大大于于受受激激吸吸收收的的几几率率，，这这就就要要求求高高能能级级上上的的电电子子数数多多于于低低能能级级上上电电子子数数，，这这种种电电子子数数的的分布状态称为分布状态称为“粒子数反转分布粒子数反转分布”状态状态由由于于这这是是一一种种非非平平衡衡状状态态，，因因此此需需要要通通过过各各种种“泵泵浦浦”（激励）技术来实现粒子数反转（激励）技术来实现粒子数反转 1．粒子数反转分布．粒子数反转分布在在外外界界足足够够强强的的激激励励源源（（泵泵浦浦源源））作作用用下下，，能能够够形形成成粒粒子子数数反反转转分分布布的的物物质质，，称称为为激激活活物物质质或或增增益益物物质质可可以以利利用用适适当当的的半半导导体体材材料料作作为为激激光光工工作作物物质质（（激激活物质）制造出半导体光源活物质）制造出半导体光源1．粒子数反转分布．粒子数反转分布半半导导体体激激光光器器通通常常采采用用外外加加正正向向电电压压激激励励形形成成粒粒子数反转分布子数反转分布2．激光器的构成和工作原理．激光器的构成和工作原理激光器是一种光自激振荡器。

包括：激光器是一种光自激振荡器包括：产产生生激激光光的的工工作作物物质质（（激激活活物物质质））也也就就是是处处于于粒粒子子数数反反转转状状态态的的发发光光物物质质，，是是激激光光器器的的组组成成核核心心，，产产生生激激光光的的必必要要条条件件工工作作物物质质可可以以是是气气体体、、液液体体或或固固体体半半导导体激光器的工作物质是半导体材料体激光器的工作物质是半导体材料能能够够使使工工作作物物质质处处于于粒粒子子数数反反转转分分布布状状态态的的激激励励源源（（泵泵浦源）能能够够完完成成频频率率选选择择及及正正反反馈馈作作用用的的光光学学谐谐振振腔腔，，形形成成激激光振荡，输出激光光振荡，输出激光最最为为常常见见的的谐谐振振腔腔是是法法布布里里－－帕帕罗罗（（F-P，，Fabry-Perot）谐振腔）谐振腔 2．激光器的构成和工作原理．激光器的构成和工作原理两个反射镜组成的光谐振腔两个反射镜组成的光谐振腔其中一个反射镜（其中一个反射镜（M1）要求有）要求有100％的反射率％的反射率另一个（另一个（M2）要有）要有95％左右的反射率％左右的反射率两两个个面面对对面面的的反反射射镜镜来来实实现现光光的的反反馈馈放放大大，，使使其其产产生振荡生振荡 100%反射率反射率95%反射率反射率正反馈正反馈2．激光器的构成和工作原理．激光器的构成和工作原理两两个个反反射射镜镜之之间间是是工工作作物物质质，，工工作作物物质质在在泵泵浦浦源源的的激发下，实现粒子数反转分布，构成有源区激发下，实现粒子数反转分布，构成有源区由由于于高高能能级级上上的的粒粒子子不不稳稳定定，，会会自自发发向向低低能能级级跃跃迁迁，，并释放一个能量为并释放一个能量为Eg的光子的光子2．激光器的构成和工作原理．激光器的构成和工作原理这这些些自自发发辐辐射射的的光光子子在在运运动动过过程程中中，，又又会会激激发发高高能能级级上上的的粒粒子子，，从从而而引引起起受受激激辐辐射射，，释释放放出出与与激激光光光光子子全全同同的的光光子子，，使使光光得得到到放放大大，，当当达达到到一一定定强强度度后后，，就从部分反射镜出射，形成激光就从部分反射镜出射，形成激光3．激光的产生条件．激光的产生条件激激光光器器并并不不是是在在任任何何情情况况下下都都可可以以产产生生激激光光，，还还要要满足一定的满足一定的振幅平衡振幅平衡和和相位平衡相位平衡条件条件振振幅幅平平衡衡条条件件即即是是阈阈值值条条件件，，是是光光的的放放大大和和损损耗耗应应满足的平衡条件满足的平衡条件将将激激光光器器能能产产生生激激光光振振荡荡的的最最低低限限度度称称为为激激光光器器的的阈值条件阈值条件激光器的阈值条件决定于光学谐振腔的固有损耗激光器的阈值条件决定于光学谐振腔的固有损耗损耗越小，激光器就越容易起振损耗越小，激光器就越容易起振 3．激光的产生条件．激光的产生条件在在谐谐振振腔腔中中，，光光波波在在两两块块反反射射镜镜之之间间往往复复传传输输，，只只有有在在满满足足特特定定相相位位的的驻驻波波才才能能得得到到彼彼此此加加强强，，这这种种条件称为条件称为相位条件相位条件只只有有那那些些与与谐谐振振腔腔轴轴平平行行，，且且往往返返一一次次的的相相位位差差等等于于2π的的整整数数倍倍的的光光才才能能相相干干增增强强，，形形成成正正反反馈馈，，使光波加强使光波加强设设谐谐振振腔腔的的长长度度为为L，，则则谐谐振振腔腔的的谐谐振振条条件件（（或或称称驻波条件）为驻波条件）为纵模序数纵模序数3．激光的产生条件．激光的产生条件由由于于受受激激辐辐射射只只在在腔腔轴轴方方向向（（纵纵向向））形形成成驻驻波波，，因因此称为纵模此称为纵模不不同同的的q值值对对应应于于谐谐振振腔腔纵纵方方向向不不同同的的电电磁磁场场分分布布状态，一种分布就是一个激光器的纵模状态，一种分布就是一个激光器的纵模相相邻邻两两个个纵纵模模的的频频率率间间隔隔是是一一样样的的，，为为 ，，但但其对应的光强不同，其对应的光强不同，L越大，纵模间距越小越大，纵模间距越小 3．激光的产生条件．激光的产生条件显显然然，，谐谐振振腔腔内内产产生生的的驻驻波波数数（（即即纵纵模模数数））q不不同同，，可可得得到到不不同同的的光光波波长长（（或或频频率率）），，即即有有无无穷穷多多个个谐谐振频率振频率具有多个频率（纵模）的激光器称为多纵模激光器具有多个频率（纵模）的激光器称为多纵模激光器 4.2 半导体激光器半导体激光器用用半半导导体体材材料料作作为为工工作作物物质质的的激激光光器器，，称称为为半半导导体体激激光光器器（（LD）），，在在光光纤纤通通信信系系统统中中，，使使用用的的激激光光光光源几乎都是半导体激光器源几乎都是半导体激光器半半导导体体激激光光器器产产生生的的输输出出光光具具有有强强单单色色性性，，而而且且光光束具有很好的方向性束具有很好的方向性半半导导体体激激光光器器的的典典型型响响应应时时间间小小于于1ns，，光光谱谱带带宽宽小小于于或或等等于于2nm，，并并且且它它们们可可以以和和具具有有小小芯芯径径和和小小模模场场直直径径的的光光纤纤实实现现耦耦合合，，注注入入光光纤纤的的功功率率可可达达到几十毫瓦到几十毫瓦 一、半导体激光器的结构一、半导体激光器的结构半半导导体体激激光光器器的的受受激激辐辐射射光光是是由由电电子子在在价价带带与与导导带带之间连续分布的能级间跃迁产生的之间连续分布的能级间跃迁产生的可以采用法布里－帕罗（可以采用法布里－帕罗（F-P）谐振腔结构）谐振腔结构不过，在半导体激光器中，这种谐振腔要小得多不过，在半导体激光器中，这种谐振腔要小得多一、半导体激光器的结构一、半导体激光器的结构其其长长度度约约为为200~500μm、、宽宽度度为为5~15μm、、厚度为厚度为0.1~0.2μm一、半导体激光器的结构一、半导体激光器的结构法法布布里里－－帕帕罗罗腔腔半半导导体体激激光光器器的的核核心心是是PN结结，，PN结结的的两两个个端端面面是是按按照照晶晶体体的的天天然然晶晶面面剖剖切切开开的的，，表面非常光滑，成为两个平行的镜面，称为解理面表面非常光滑，成为两个平行的镜面，称为解理面两两个个解解理理面面之之间间组组成成一一个个光光学学谐谐振振腔腔，，即即法法布布里里－－帕罗腔（帕罗腔（F-P腔）腔）其作用是提供强的纵向光反馈，得到激光其作用是提供强的纵向光反馈，得到激光激激光光器器谐谐振振腔腔可可能能会会有有许许多多谐谐振振频频率率，，但但仅仅有有那那些些增益足以克服损耗的频率振荡得以输出增益足以克服损耗的频率振荡得以输出 一、半导体激光器的结构一、半导体激光器的结构半半导导体体激激光光器器LD按按纵纵向向（（垂垂直直于于PN结结））结结构构的的不不同同，，可可分分为为同同质质结结LD、、单单异异质质结结LD和和双双异异质质结结LD一、半导体激光器的结构一、半导体激光器的结构由由同同一一种种半半导导体体材材料料构构成成的的同同质质结结中中，，在在PN结结的的两两边边光光发发射射都都可可以以发发生生，，因因此此，，发发光光不不集集中中，，强强度度低，需要较大的注入电流低，需要较大的注入电流 通通过过加加强强结结区区的的光光波波导导作作用用及及对对载载流流子子的的限限定定作作用用，，可可采采用用由由带带隙隙及及折折射射率率都都不不同同的的两两种种半半导导体体材材料料构构成的成的PN结异质结结构结异质结结构 实际使用的所有半导体激光器都是多层异质结器件实际使用的所有半导体激光器都是多层异质结器件 二、半导体激光器的特性二、半导体激光器的特性半半导导体体激激光光器器仍仍然然属属于于半半导导体体二二极极管管，，具具有有二二极极管管的一般特性（如伏安特性）的一般特性（如伏安特性）还具有特殊的光频特性还具有特殊的光频特性1．激光器的．激光器的P-I特性特性激激光光器器的的P-I特特性性曲曲线线表表明明激激光光器器输输出出光光功功率率（（输输出）与注入电流（输入）变化的关系出）与注入电流（输入）变化的关系阈值阈值2．激光器效率．激光器效率可可用用功功率率转转换换效效率率和和量量子子效效率率衡衡量量激激光光器器转转换换效效率率的高低的高低外外微微分分量量子子效效率率ηd是是用用来来衡衡量量激激光光器器的的电电／／光光转转换换效效率率高高低低的的一一个个参参量量，，其其定定义义为为：：激激光光器器输输出出光光子数的增量与注入电子数的增量之比子数的增量与注入电子数的增量之比 2．激光器效率．激光器效率功功率率转转换换效效率率ηp是是用用来来衡衡量量激激光光器器的的电电／／光光转转换换效效率率高高低低的的另另一一个个参参量量，，其其定定义义为为：：激激光光器器的的输输出出光功率与器件消耗的电功率之比光功率与器件消耗的电功率之比激光器发射激光器发射的光功率的光功率 注入注入电流电流 激光器的激光器的结电压结电压3．光谱特性．光谱特性半半导导体体激激光光器器的的纵纵向向光光场场不不是是以以行行波波形形式式传传输输，，而而是成驻波形式振荡是成驻波形式振荡因因此此，，激激光光器器输输出出的的是是一一系系列列模模式式明明确确，，谱谱宽宽很很窄窄，，功率不同的尖锐的谱线，称为激光器的纵模功率不同的尖锐的谱线，称为激光器的纵模 3．光谱特性．光谱特性当当注注入入电电流流低低于于阈阈值值时时，，发发射射光光谱谱以以自自发发辐辐射射为为主主，，发出的是荧光发出的是荧光当当注注入入电电流流大大于于阈阈值值后后，，谐谐振振腔腔里里的的增增益益大大于于损损耗耗，，产产生生激激光光振振荡荡，，其其发发射射光光谱谱变变窄窄，，谱谱线线中中心心强强度度急急剧增加剧增加3．光谱特性．光谱特性激光器产生的激光有单模和多模激光器产生的激光有单模和多模单单模模激激光光器器（（SLM））是是指指激激光光器器发发出出的的激激光光是是单单纵纵模，所对应的光谱只有一个谱线模，所对应的光谱只有一个谱线当有很多谱线时，即为多纵模激光器（当有很多谱线时，即为多纵模激光器（MLM）） 3．光谱特性．光谱特性所所谓谓光光谱谱特特性性是是指指激激光光器器输输出出的的光光功功率率随随波波长长的的变变化化情情况况，，一一般般用用光光源源谱谱线线宽宽度度 来来表表示示，，激激光光器器的的 越小越好越小越好对对于于多多纵纵模模激激光光器器，，线线宽宽可可用用半半高高全全宽宽光光谱谱宽宽度度来来度量度量一般含有一般含有3~5个纵模，对应的线宽为个纵模，对应的线宽为3~5 nm对对于于单单纵纵模模激激光光器器，，则则以以光光功功率率峰峰值值下下降降到到20dB时的功率点对应的宽度评定时的功率点对应的宽度评定约为约为0.1 nm，甚至更小，甚至更小 4．温度特性．温度特性半半导导体体激激光光器器的的阈阈值值电电流流、、输输出出光光功功率率和和输输出出光光波波波长随温度变化的特性称为温度特性波长随温度变化的特性称为温度特性双异质结半导体条形激光器的温度特性曲线如图双异质结半导体条形激光器的温度特性曲线如图 5．啁啾．啁啾单单纵纵模模激激光光器器在在高高速速直直接接调调制制（（强强度度调调制制））时时，，注注入入有有源源层层的的电电子子密密度度不不断断变变化化，，导导致致折折射射率率的的变变化化，，而而且且使使激激光光器器的的输输出出波波长长和和强强度度都都发发生生变变化化，，在在调调制制脉脉冲冲的的上上升升沿沿向向短短波波长长漂漂移移，，在在调调制制脉脉冲冲的的下下降降沿沿向向长长波波长长漂漂移移，，从从而而使使输输出出谱谱线线加加宽宽，，这这种种动动态态谱线加宽现象叫做啁啾谱线加宽现象叫做啁啾 5．啁啾．啁啾啁啁啾啾的的存存在在使使得得光光信信号号的的频频谱谱大大大大展展宽宽，，成成为为制制约约光纤高速传输的一个关键因素光纤高速传输的一个关键因素 解解决决频频率率啁啁啾啾问问题题的的方方法法包包括括对对注注入入电电流流脉脉冲冲形形状状的控制、注入锁模、采用耦合腔半导体激光器等的控制、注入锁模、采用耦合腔半导体激光器等最最直直接接的的方方法法就就是是设设计计出出具具有有较较小小线线宽宽展展宽宽因因子子的的激光器，如采用量子阱结构设计激光器，如采用量子阱结构设计 采采用用外外调调制制器器的的方方法法，，可可根根本本消消除除调调制制引引起起的的频频率率啁啾啁啾三、新型半导体激光器三、新型半导体激光器为为了了提提高高光光源源的的调调制制速速率率和和减减小小模模分分配配噪噪声声，，通通常常希望希望LD单纵模输出单纵模输出LD的的输输出出光光谱谱宽宽度度和和模模式式特特性性与与其其光光增增益益谱谱分分布布和选模机制有关和选模机制有关F-P腔腔激激光光器器由由于于谐谐振振腔腔的的长长度度较较长长，，导导致致纵纵模模间间隔隔小小，，相相邻邻纵纵模模间间的的增增益益差差别别小小，，因因此此要要得得到到单单纵纵模振荡非常困难模振荡非常困难 1．分布反馈．分布反馈DFB激光器激光器分分布布反反馈馈DFB激激光光器器与与F-P激激光光器器的的主主要要区区别别在在于它不需要解理面进行光反馈于它不需要解理面进行光反馈其反射机构是由有源区波导上的其反射机构是由有源区波导上的Bragg光栅提供，光栅提供，因因为为光光栅栅具具有有很很好好的的选选频频功功能能，，DFB具具有有非非常常好好的单色性和方向性，成为一种性能很好的激光器的单色性和方向性，成为一种性能很好的激光器 1．分布反馈．分布反馈DFB激光器激光器DFB激激光光器器就就是是在在条条形形结结构构的的基基础础上上，，用用光光刻刻技技术将有源层刻成波纹光栅形式术将有源层刻成波纹光栅形式1．分布反馈．分布反馈DFB激光器激光器DFB利利用用光光栅栅的的二二次次选选频频功功能能，，满满足足布布拉拉格格条条件件的的光光波波在在有有源源区区传传播播过过程程中中沿沿途途不不断断地地经经历历反反射射、、叠叠加加，，不不断断得得到到放放大大加加强强，，而而不不满满足足条条件件的的光光波波得得不到放大，很快衰减掉不到放大，很快衰减掉其其中中，，光光栅栅起起到到一一个个分分布布式式滤滤波波器器的的作作用用，，其其选选频频的中心波长的中心波长λB为为 1．分布反馈．分布反馈DFB激光器激光器DFB激激光光振振荡荡波波长长完完全全取取决决于于光光栅栅波波纹纹的的周周期期，，可通过改变光栅的周期来调整激光器的输出波长可通过改变光栅的周期来调整激光器的输出波长DFB激光器的发射光谱主要由光栅周期激光器的发射光谱主要由光栅周期Λ决定决定Λ相相当当于于F-P激激光光器器的的腔腔长长L，，每每一一个个Λ形形成成一一个个微微型谐振腔型谐振腔由由于于Λ的的长长度度很很小小，，所所以以波波长长间间隔隔比比F-P腔腔大大得得多多，，加加之之多多个个微微型型腔腔的的选选模模作作用用，，很很容容易易设设计计成成单单纵纵模模激光器激光器DFB激光器也比激光器也比F-P激光器有更好的线性响应激光器有更好的线性响应 2．分布布拉格反射．分布布拉格反射DBR激光器激光器分分布布布布拉拉格格反反射射DBR激激光光器器也也是是基基于于光光栅栅的的布布拉拉格反射条件工作的，其结构与格反射条件工作的，其结构与DFB激光器类似激光器类似反馈作用反馈作用反射作用反射作用3．量子阱．量子阱QW激光器激光器量量子子阱阱（（QW，，Quantum Well））激激光光器器与与一一般般双双异异质质结结激激光光器器类类似似，，只只是是有有源源区区的的厚厚度度很很薄薄，，在在10 nm左右，属于双异质结器件左右，属于双异质结器件采采用用先先进进的的半半导导体体材材料料外外延延生生长长工工艺艺（（如如分分子子束束外外延延生生长长工工艺艺）），，将将厚厚度度仅仅为为几几十十个个原原子子层层的的半半导导体体发发光光材材料料（（作作为为量量子子阱阱））交交替替生生长长在在光光限限制制材材料料（作为量子势垒）之间，使其产生量子限制效应（作为量子势垒）之间，使其产生量子限制效应3．量子阱．量子阱QW激光器激光器有有源源层层与与两两边边相相邻邻层层的的能能带带不不连连续续，，在在有有源源层层的的异异质质结结上上出出现现导导带带和和价价带带的的突突变变，，这这样样窄窄带带隙隙的的有有源源区区为为导导带带中中的的电电子子和和价价带带中中的的空空穴穴创创造造了了一一个个势势能能阱阱，，将将载载流流子子限限制制在在很很薄薄的的有有源源区区内内，，使使有有源源区区内内的粒子数反转浓度非常高的粒子数反转浓度非常高3．量子阱．量子阱QW激光器激光器量量子子阱阱激激光光器器有有单单量量子子阱阱（（SQW））激激光光器器和和多多量量子子阱（阱（MQW）激光器）激光器 多多量量子子阱阱激激光光器器有有相相对对较较好好的的光光模模式式限限制制特特性性，，所所以其电流密度的阈值相对较低以其电流密度的阈值相对较低输出波长可以通过调整有源层厚度输出波长可以通过调整有源层厚度d来改变来改变 量量子子阱阱激激光光器器能能在在较较低低的的电电流流驱驱动动下下就就产产生生较较强强的的激激光光，，从从而而降降低低温温度度对对激激光光器器性性能能的的影影响响，，使使之之能能在较高的温度下正常工作在较高的温度下正常工作 4．垂直腔面发射激光器．垂直腔面发射激光器VCSEL垂垂直直腔腔面面发发射射激激光光器器（（VCSEL，，Vertical Cavity Surface Emitting Laser））是是一一种种电电流流和和发发射射光束方向都与芯片表面垂直的激光器光束方向都与芯片表面垂直的激光器垂直腔结构对于二维应用具有很好的灵活性垂直腔结构对于二维应用具有很好的灵活性与光纤耦合具有较高的耦合效率与光纤耦合具有较高的耦合效率在在平平行行光光信信息息处处理理及及广广互互联联等等新新光光电电子子领领域域十十分分引引入注目入注目4．垂直腔面发射激光器．垂直腔面发射激光器VCSELVCSEL由由有有源源区区、、限限制制区区和和布布拉拉格格反反射射镜镜组组成成，，结构通常是上下两块反射镜中间夹着有源区结构通常是上下两块反射镜中间夹着有源区4.3 半导体发光二极管半导体发光二极管在在光光纤纤通通信信中中使使用用的的光光源源，，除除了了半半导导体体激激光光器器（（LD）外，还有半导体发光二极管（）外，还有半导体发光二极管（LED）） LED没没有有光光学学谐谐振振腔腔，，是是无无阈阈值值器器件件，，基基于于自自发发辐射而工作，发出的是荧光辐射而工作，发出的是荧光 光光谱谱线线宽宽度度比比LD的的谱谱线线宽宽度度要要宽宽，，因因而而色色散散较较大大，，传输带宽小，发出的功率小传输带宽小，发出的功率小 但但是是LED的的结结构构比比较较简简单单，，价价格格低低，，发发射射功功率率与与温温度度的的关关系系小小，，性性能能较较稳稳定定，，因因此此在在小小容容量量、、短短距距离的光纤通信系统中得到广泛的应用离的光纤通信系统中得到广泛的应用 一、半导体发光二极管的结构一、半导体发光二极管的结构用于光纤通信系统的发光二极管有两种基本结构，用于光纤通信系统的发光二极管有两种基本结构，面发光二极管（面发光二极管（SLED）也称为）也称为Burrus或前发射或前发射边发光二极管（边发光二极管（ELED）） 面发光二极管面发光二极管面发光二极管中，有源发光面与光纤轴垂直面发光二极管中，有源发光面与光纤轴垂直面面发发光光二二极极管管发发出出的的光光束束是是各各向向同同性性的的，，总总的的半半功功率光束宽度为率光束宽度为120°边发光二极管边发光二极管边发光二极管由一个有源结区和两个导光层组成边发光二极管由一个有源结区和两个导光层组成导导光光层层的的折折射射率率比比有有源源区区的的折折射射率率低低，，但但比比周周围围材材料料的的折折射射率率高高，，从从而而形形成成一一个个波波导导通通道道，，使使辐辐射射光光的方向朝向光纤的纤芯的方向朝向光纤的纤芯 边发光二极管边发光二极管边边 发发 光光 二二 极极 管管 的的 条条 形形 接接 触触 面面 的的 宽宽 度度 一一 般般 为为50~70μm之间之间有源区的长度通常在有源区的长度通常在100~150μm之间之间边边发发光光二二极极管管比比面面发发光光二二极极管管具具有有更更好好的的方方向向性性，，与光纤的耦合效率更高，发光亮度要大与光纤的耦合效率更高，发光亮度要大 二、半导体发光二极管的工作特性二、半导体发光二极管的工作特性1．．P-I特性特性2．光谱特性．光谱特性3．调制特性．调制特性1．．P-I特性特性LED是是无无阈阈值值器器件件，，加加上上电电流流后后，，即即有有输输出出光光，，且且随随着着注注入入电电流流的的增增加加，，输输出出光光功功率率近近似似呈呈线线性性增增加加当当注注入入电电流流较较大大时时，，由由于于PN结结的的发发热热而而出出现现饱饱和和现现象象LED的的工工作作电电流流通通常常为为50~100 mA，，输输出出功功率率约约为为几几毫毫瓦瓦，，由由于于光光束束辐辐射射角角大大，，入入纤纤光光功功率率只只有有几百微瓦几百微瓦2．光谱特性．光谱特性LED是自发辐射光源，谱线宽度是自发辐射光源，谱线宽度∆λ比比LD宽得多宽得多谱谱线线宽宽度度∆λ定定义义为为辐辐射射光光强强下下降降一一半半的的两两点点间间波波长变化值长变化值在在 短短 波波 长长 范范 围围 内内 ，， LED线线 宽宽 ∆λ的的 典典 型型 值值 为为25~40 nm在在长长波波长长1310~1550 nm波波段段，，线线宽宽∆λ的的典典型型值为值为50~100 nm3．温度特性．温度特性温温度度特特性性主主要要影影响响LED的的输输出出光光功功率率、、P-I特特性性的的线性及工作波长线性及工作波长当当温温度度上上升升时时，，LED的的输输出出光光功功率率会会下下降降，，例例如如当当温温度度从从20°C提提高高到到70°C时时，，输输出出功功率率将将下下降降约一半，但相对约一半，但相对LD而言，温度的影响较小而言，温度的影响较小温温度度上上升升还还将将导导致致线线性性工工作作区区变变窄窄，，电电路路噪噪声声增增加加，，系系统统性性能能下下降降，，峰峰值值工工作作波波长长向向长长波波长长方方向向漂漂移移，，附加损耗增大附加损耗增大 三、半导体光源的应用三、半导体光源的应用LED与与LD相相比比，，LED输输出出光光功功率率较较小小，，谱谱线线宽宽度度较宽，调制频率较低较宽，调制频率较低但但LED性性能能稳稳定定，，寿寿命命长长，，可可达达到到3×105 小小时时以以上上，，使使用用简简单单，，输输出出光光功功率率线线性性范范围围宽宽，，而而且且制制造造工艺简单，价格低廉工艺简单，价格低廉LED通通常常和和多多模模光光纤纤耦耦合合，，用用于于1310 nm或或850 nm波长的小容量、短距离的光通信系统波长的小容量、短距离的光通信系统LD通通常常和和单单模模光光纤纤耦耦合合，，用用于于1310 nm或或1550 nm大容量、长距离光通信系统大容量、长距离光通信系统 4.4 数字光发送机数字光发送机目目前前的的光光纤纤通通信信系系统统大大多多采采用用传传输输数数字字信信号号的的数数字字光纤通信系统光纤通信系统 数数字字光光发发送送机机是是数数字字光光纤纤通通信信系系统统基基本本组组成成部部分分之之一一，，其其主主要要作作用用是是将将电电端端机机送送来来的的数数字字信信号号变变换换为为光信号，并耦合进光纤线路中进行传输光信号，并耦合进光纤线路中进行传输 光发送机中的光源是整个系统的核心器件光发送机中的光源是整个系统的核心器件 光光源源的的调调制制速速率率、、谱谱线线宽宽度度、、输输出出光光功功率率和和光光束束方方向向性性等等性性能能直直接接影影响响光光纤纤通通信信系系统统的的传传输输容容量量和和传传输距离输距离 一、光源的调制方式一、光源的调制方式电电／／光光转转换换是是用用承承载载信信息息的的数数字字电电信信号号对对光光源源进进行行调制来实现的调制来实现的对半导体光源的调制有两种方法对半导体光源的调制有两种方法一类是直接调制，又称为内调制一类是直接调制，又称为内调制另一类是间接调制，又称外调制另一类是间接调制，又称外调制 1．直接调制．直接调制直直接接调调制制是是通通过过信信息息流流直直接接控控制制激激光光器器的的驱驱动动电电流流，，从从而而实实现现输输出出功功率率的的变变化化来来实实现现调调制制，，也也称称为为强强度度调制（调制（IM，，Intensity Modulation）） 直直接接调调制制具具有有简简单单方方便便等等优优点点，，但但调调制制速速率率受受到到载载流流子子寿寿命命及及高高速速下下的的性性能能劣劣化化的的限限制制（（如如频频率率啁啁啾啾等）等）直接调制方法仅适用于半导体光源（直接调制方法仅适用于半导体光源（LD和和LED）） 1．直接调制．直接调制直直接接光光强强度度数数字字调调制制的的原原理理：：通通过过注注入入电电流流来来实实现现光强度调制光强度调制 2．间接调制．间接调制间间接接调调制制是是指指激激光光形形成成之之后后，，在在激激光光器器外外的的光光路路上上放放置置光光调调制制器器，，用用调调制制信信号号改改变变光光调调制制器器的的物物理理特特性性，，当当激激光光通通过过调调制制器器时时，，就就会会使使光光波波的的某某参参量量受受到调制到调制电电信信号号不不再再是是直直接接加加在在激激光光光光源源上上，，而而是是加加在在光光源源输输出出通通路路上上外外加加的的外外调调制制器器的的电电极极上上，，从从而而把把来来自自激激光光二二极极管管的的连连续续光光波波转转换换成成为为一一个个随随电电信信号号变变化化的光输出信号的光输出信号 2．间接调制．间接调制直直接接调调制制会会引引入入频频率率啁啁啾啾，，即即光光脉脉冲冲的的载载频频随随时时间间变化变化由由于于带带啁啁啾啾的的光光脉脉冲冲在在光光纤纤中中传传输输时时会会加加剧剧色色散散展展宽，所以在高速系统中需要采用外调制技术宽，所以在高速系统中需要采用外调制技术此外相干光通信系统也需要采用间接调制此外相干光通信系统也需要采用间接调制 商商用用化化的的外外调调制制器器一一般般作作为为一一个个单单独独的的器器件件或或作作为为一个部件集成到激光器封装中一个部件集成到激光器封装中 2．间接调制．间接调制光光信信号号间间接接调调制制是是利利用用一一些些材材料料的的电电光光效效应应、、声声光光效效应应、、磁磁光光效效应应和和电电吸吸收收效效应应使使输输出出光光的的强强度度等等参参数随电信号而变，达到调制的目的数随电信号而变，达到调制的目的目前光通信中实用的调制器主要有两种：目前光通信中实用的调制器主要有两种：一种是一种是M-Z（（Mach-Zehnder）波导调制器）波导调制器另一种是电吸收调制器另一种是电吸收调制器 M-Z调制器调制器M-Z调制器用电光材料制作，如调制器用电光材料制作，如LiNbO3 输输入入光光信信号号在在第第一一个个3 dB耦耦合合器器处处被被分分成成相相等等的的两束，分别进入两波导传输两束，分别进入两波导传输波波导导采采用用电电光光材材料料制制成成，，其其折折射射率率随随外外部部施施加加的的电电压大小而变化，从压大小而变化，从 而而导导致致两两路路光光信信号号到到达达第第二二个个耦耦合合器器的的相相位延时不同位延时不同 M-Z调制器调制器如如果果两两束束光光的的光光程程差差是是波波长长的的整整数数倍倍，，两两束束光光相相干干加强加强如如果果两两束束光光的的光光程程差差是是波波长长的的一一半半，，两两束束光光相相干干抵抵消，调制器输出很小消，调制器输出很小因此，只要控制外加电压，就能对光束进行调制因此，只要控制外加电压，就能对光束进行调制 电吸收调制器电吸收调制器电电吸吸收收调调制制器器（（EAM，，Electro-absorption Modulator））是是一一种种损损耗耗调调制制器器，，为为半半导导体体结结型型器件器件当当外外加加反反向向偏偏置置时时，，耗耗尽尽层层的的电电场场引引起起带带隙隙能能量量（（Eg））减减少少，，即即所所谓谓Franz-Keldysh效效应应，，利利用用这个效应可以改变光束的通断这个效应可以改变光束的通断 电吸收调制器电吸收调制器由由于于能能量量低低于于带带隙隙能能量量的的光光子子可可以以通通过过半半导导体体，，而而能能量量高高于于带带隙隙能能量量的的光光子子将将被被吸吸收收并并产产生生自自由由电电子子－空穴对－空穴对当当EAM无无偏偏压压时时，，带带隙隙能能量量较较大大，，光光子子通通过过，，输输出功率最大出功率最大当当EAM外外加加反反向向偏偏压压，，将将减减小小带带隙隙能能量量，，原原来来可可传传输输波波长长的的光光子子将将被被吸吸收收，，输输出出功功率率最最小小，，从而实现调制从而实现调制电吸收调制器电吸收调制器电电吸吸收收式式调调制制器器可可以以制制成成分分立立器器件件，，通通过过对对接接耦耦合合或者光纤与半导体激光器连接或者光纤与半导体激光器连接EAM也也很很容容易易与与激激光光器器（（通通常常是是DFB型型LD））集集成成在在一一起起，，制制成成体体积积小小、、结结构构紧紧凑凑的的单单片片集集成成组组件件，，这这样样可可以以获获得得较较低低的的连连接接损损耗耗，，所所需需的的驱驱动动电电压压也也更低更低控控制制EAM的的电电压压有有两两种种状状态态：：零零电电压压时时对对应应于于传传输输，，而而加加一一个个小小的的（（在在1.5 V左左右右））反反向向电电压压则则对对应于吸收应于吸收 电吸收调制器电吸收调制器EAM可可以以适适应应10 Gb/s甚甚至至40 Gb/s的的系系统统，，其其插插入入损损耗耗在在10 dB左左右右，，这这一一损损耗耗可可以以通通过过与与调制器集成在同一衬底的光放大器来补偿调制器集成在同一衬底的光放大器来补偿EAM的的频频率率啁啁啾啾比比M-Z调调制制器器更更大大，，一一般般不不用用于于传输距离特别长的高速率海缆系统传输距离特别长的高速率海缆系统当当利利用用G.652光光纤纤时时，，对对2.5 Gb/s系系统统，，EAM的传输距离可达到的传输距离可达到600 km 二、数字光发送机的基本组成二、数字光发送机的基本组成在在光光纤纤通通信信系系统统中中，，光光发发送送机机的的作作用用是是将将输输入入电电信信号号转转换换为为光光信信号号，，并并用用耦耦合合技技术术把把光光信信号号有有效效注注入入光纤传输光纤传输采用直接调制（采用直接调制（IM）的光发送机主要包括：）的光发送机主要包括：输入电路（输入盘）输入电路（输入盘）电／光转换电路（发送盘）电／光转换电路（发送盘） 1．输入电路各部分功能．输入电路各部分功能均均衡衡器器的的作作用用是是对对由由PCM电电端端机机送送来来的的HDB3码码（（High Density Bipolar of order 3 code，，又又称称三三阶阶高高密密度度双双极极性性码码））或或CMI（（Coded Mark Inversion，，又又称称信信号号反反转转码码））码码流流进进行行均均衡衡，，用用以以补补偿偿由由电电缆缆传传输输所所产产生生的的衰衰减减和和畸畸变变，，保保证证电电、、光光端端机机（（发发送送机机和和接接收收机机统统称称端端机机））间间信信号的幅度、阻抗适配，以便正确译码号的幅度、阻抗适配，以便正确译码 1．输入电路各部分功能．输入电路各部分功能PCM电电端端机机送送来来的的HDB3或或CMI码码并并不不适适合合在在光光纤通信系统中传输，需要纤通信系统中传输，需要码型变换码型变换并并且且HDB3或或CMI线线路路码码是是双双极极性性码码，，在在光光纤纤系系统统中中不不宜宜使使用用，，需需要要将将其其变变成成适适合合于于光光纤纤线线路路中中传传输输的的单单极极性性码码。

这这样样经经译译码码后后，，还还原原为为原原来来的的二二进进制代码制代码 1．输入电路各部分功能．输入电路各部分功能译译码码获获得得的的NRZ二二进进制制信信号号不不直直接接送送光光发发送送电电路路进行光驱动进行光驱动 加加扰扰码码电电路路可可有有规规律律地地破破坏坏长长连连“0”和和长长连连“1”的码流，从而使的码流，从而使“0”、、“1”等概率出现等概率出现 1．输入电路各部分功能．输入电路各部分功能线路编码线路编码的作用的作用提取定时信息提取定时信息误码检测能力误码检测能力 线路编码将改变线路的传输速率线路编码将改变线路的传输速率 1．输入电路各部分功能．输入电路各部分功能由由于于码码型型和和扰扰码码都都需需要要以以时时钟钟信信号号为为基基础础，，因因此此，，在在均均衡衡电电路路之之后后，，由由时时钟钟提提取取电电路路提提取取出出时时钟钟信信号号，，供给码型变换、扰码电路和线路编码使用供给码型变换、扰码电路和线路编码使用 2．电／光转换电路各部分的功能．电／光转换电路各部分的功能电电／／光光转转换换电电路路（（发发送送盘盘））主主要要完完成成将将电电信信号号转转换换成光信号，并将光信号送入光纤成光信号，并将光信号送入光纤主主要要由由驱驱动动电电路路、、自自动动功功率率控控制制电电路路和和自自动动温温度度控控制电路和保护电路组成制电路和保护电路组成 2．电／光转换电路各部分的功能．电／光转换电路各部分的功能光光源源驱驱动动电电路路（（又又称称为为调调制制电电路路））是是电电／／光光转转换换电电路的核心路的核心2．电／光转换电路各部分的功能．电／光转换电路各部分的功能自自动动功功率率控控制制电电路路APC的的功功能能是是自自动动跟跟踪踪光光功功率率输输出出的的变变化化，，相相应应地地改改变变LD的的偏偏置置电电流流和和调调制制电电流，使光功率输出保持恒定流，使光功率输出保持恒定2．电／光转换电路各部分的功能．电／光转换电路各部分的功能LD的的特特性性对对温温度度极极为为敏敏感感，，对对于于功功率率要要求求高高稳稳定定的的场场合合，，仅仅有有APC电电路路是是不不够够的的，，还还必必须须有有自自动动温度控制电路温度控制电路ATCATC就就是是保保持持LD的的工工作作温温度度基基本本恒恒定定，，不不受受外外界界温温度度变变化化和和LD本本身身结结发发热热效效应应的的影影响响，，可可大大大大提提高高LD的稳定性和使用寿命的稳定性和使用寿命ATC一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成 2．电／光转换电路各部分的功能．电／光转换电路各部分的功能ATC电路电路在在设设定定温温度度（（例例如如20 °C））时时，，调调节节R3使使电电桥桥平平衡衡，，A、、B两两点点没没有有电电位位差差，，传传输输到到运运算算放放大大器器A的信号为零，流过致冷器的信号为零，流过致冷器TEC的电流也为零的电流也为零 2．电／光转换电路各部分的功能．电／光转换电路各部分的功能实实用用的的光光发发送送机机还还应应考考虑虑各各种种保保护护、、告告警警和和监监测测的的需要，增设其它电路需要，增设其它电路比比如如，，光光发发送送机机电电路路出出现现故故障障，，或或输输入入信信号号中中断断，，或或激激光光器器失失效效，，都都将将使使激激光光器器长长时时间间不不发发光光，，无无光光告警电路就会告警告警电路就会告警随随使使用用时时间间增增长长，，LD的的阈阈值值电电流流逐逐步步增增大大，，当当增增大到原来的大到原来的1.5倍时，寿命告警电路就会告警倍时，寿命告警电路就会告警为为避避免免PN结结的的反反向向击击穿穿造造成成LD的的损损坏坏，，常常引引入入限限流保护电路流保护电路 三、光发送机的性能指标三、光发送机的性能指标光发送机的主要指标有光发送机的主要指标有平均发送光功率平均发送光功率消光比消光比光谱特性光谱特性 1．光发送机的平均发送光功率．光发送机的平均发送光功率Pt光光发发送送机机的的平平均均发发送送光光功功率率Pt，，是是在在正正常常条条件件下下，，光光发发送送机发送光源尾纤输出的平均光功率机发送光源尾纤输出的平均光功率 平平均均发发送送光光功功率率应应根根据据整整个个系系统统的的经经济济性性、、稳稳定定性性、、可可维维护性及光纤线路的长短等因素全面考虑，并不是越大越好护性及光纤线路的长短等因素全面考虑，并不是越大越好 入入纤纤功功率率越越大大，，光光信信号号传传输输的的距距离离越越远远，，但但光光功功率率太太大大，，系统传输出现非线性，对通信产生不良影响系统传输出现非线性，对通信产生不良影响因此，要求输出光功率要合适，一般在因此，要求输出光功率要合适，一般在0.01~5 mW同同时时，，为为了了系系统统稳稳定定可可靠靠工工作作，，要要求求输输出出光光功功率率保保持持稳稳定定，，在在 环环 境境 温温 度度 变变 化化 或或 器器 件件 老老 化化 过过 程程 中中 ，， 稳稳 定定 度度 应应 在在5%~10%之内之内 2．光发送机的消光比．光发送机的消光比EXT光光发发送送机机的的消消光光比比EXT，，是是指指全全“1”码码平平均均发发送送光功率与全光功率与全“0”码平均发送光功率之比码平均发送光功率之比消消光光比比直直接接影影响响到到光光接接收收机机的的灵灵敏敏度度，，从从提提高高接接收收机机灵灵敏敏度度的的角角度度希希望望消消光光比比尽尽可可能能大大，，有有利利于于减减少少功率代价，但也不是越大越好功率代价，但也不是越大越好G.957规规定定长长距距离离传传输输时时，，消消光光比比一一般般应应大大于于10dB 小结小结本章介绍光纤通信用光源和数字光发送机的组成本章介绍光纤通信用光源和数字光发送机的组成半半导导体体激激光光器器和和半半导导体体发发光光二二极极管管是是光光纤纤通通信信中中最最常用的光源常用的光源在在高高速速率率、、大大容容量量的的光光纤纤通通信信系系统统中中主主要要采采用用半半导导体体激激光光器器，，而而小小容容量量、、低低速速率率的的系系统统中中发发光光二二极极管管是合适的光源是合适的光源 小结小结光光与与物物质质原原子子的的电电子子有有三三种种相相互互作作用用机机制制，，分分别别是是自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收半半导导体体发发光光二二极极管管是是基基于于自自发发辐辐射射发发光光机机制制的的发发光光器器件件，，有有面面发发光光二二极极管管（（SLED））和和边边发发光光二二极极管管（（ELED）两种基本结构）两种基本结构边边发发光光二二级级管管比比面面发发光光二二极极管管具具有有更更好好的的方方向向性性，，与光纤的耦合效率更高，发光亮度更大与光纤的耦合效率更高，发光亮度更大 小结小结半半导导体体激激光光器器是是基基于于受受激激辐辐射射发发光光机机制制的的发发光光器器件件，，产产生生激激光光需需要要满满足足两两个个条条件件：：在在有有源源区区产产生生粒粒子子数数反转分布；在谐振腔光不断得到加强，即形成谐振反转分布；在谐振腔光不断得到加强，即形成谐振新新型型半半导导体体激激光光器器主主要要有有分分布布反反馈馈DFB激激光光器器、、分分布布布布拉拉格格反反射射DBR激激光光器器、、量量子子阱阱激激光光器器和和垂垂直腔面发射激光器等多种结构直腔面发射激光器等多种结构 小结小结对对半半导导体体光光源源可可以以采采用用直直接接调调制制，，也也可可以以采采用用间间接接调制调制直直接接调调制制具具有有简简单单、、价价格格低低、、容容易易实实现现的的特特点点，，应应用较为广泛用较为广泛由由于于直直接接调调制制会会引引入入频频率率啁啁啾啾，，即即光光脉脉冲冲的的载载频频随随时时间间变变化化，，这这样样会会加加剧剧色色散散展展宽宽，，所所以以在在高高速速系系统统中需要采用外调制技术中需要采用外调制技术目目前前光光通通信信中中实实用用的的外外调调制制器器主主要要有有M-Z波波导导调调制器和电吸收调制器（制器和电吸收调制器（EAM）） 小结小结采用直接调制方式的数字光发送机主要包括采用直接调制方式的数字光发送机主要包括输入电路（输入盘）输入电路（输入盘）均衡、码型变换、信号扰码、线路编码、时钟提取均衡、码型变换、信号扰码、线路编码、时钟提取电／光转换电路（发送盘）电／光转换电路（发送盘）直接光调制、功率控制、温度控制等直接光调制、功率控制、温度控制等第第5章章 光检测器与光接收机光检测器与光接收机第第5章章 光检测器与光接收机光检测器与光接收机光光接接收收机机是是光光纤纤通通信信系系统统的的基基本本组组成成部部分分之之一一，，主主要要完完成成光光电电检检测测及及信信号号处处理理，，即即实实现现光光／／电电（（O/E）转换）转换光光接接收收机机的的首首要要任任务务是是将将微微弱弱的的光光信信号号转转换换为为电电信信号，再对电信号进行整形、放大以及再生号，再对电信号进行整形、放大以及再生光光接接收收机机的的首首要要部部件件是是光光检检测测器器，，它它是是影影响响着着光光接接收机性能的重要器件收机性能的重要器件第第5章章 光检测器与光接收机光检测器与光接收机5.1 光检测器光检测器5.2 光电二极管光电二极管5.3 光接收机光接收机5.4 光中继器光中继器 5.1 光检测器光检测器光光检检测测器器能能检检测测出出入入射射其其光光敏敏面面的的光光功功率率，，并并转转换换为相应变化的电流信号为相应变化的电流信号光检测器有多种类型，如光检测器有多种类型，如光电倍增管、热电检测器、光电二极管等光电倍增管、热电检测器、光电二极管等采采用用半半导导体体材材料料的的光光电电二二极极管管由由于于尺尺寸寸小小、、材材料料合合适适、、灵灵敏敏度度高高、、响响应应速速度度快快，，在在光光纤纤通通信信中中得得到到广广泛应用泛应用5.1 光检测器光检测器目前，较为常用的半导体光检测器有目前，较为常用的半导体光检测器有PIN光电二极管光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管APD为为了了提提高高接接收收机机的的灵灵敏敏度度，，又又常常将将PIN光光电电二二极极管管和和雪雪崩崩光光电电二二极极管管APD与与场场效效应应管管（（FET））组组合合成成为为PIN-FET和和APD-FET接接收收机机组组件件，，这这样样它它们兼有光电转换和放大作用们兼有光电转换和放大作用5.1 光检测器光检测器光纤通信系统对光检测器的基本要求是：光纤通信系统对光检测器的基本要求是：在在系系统统的的工工作作波波长长上上要要有有足足够够高高的的响响应应度度，，即即对对一一定定的的入射光功率，光检测器能输出尽可能大的光电流。

入射光功率，光检测器能输出尽可能大的光电流波长响应要和光纤的三个低损耗窗口兼容波长响应要和光纤的三个低损耗窗口兼容有足够高的响应速度和足够的工作带宽有足够高的响应速度和足够的工作带宽产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号光电转换线性好，保真度高光电转换线性好，保真度高工作性能稳定，可靠性高，寿命长工作性能稳定，可靠性高，寿命长功耗和体积小，使用简便功耗和体积小，使用简便一、光电转换基本原理一、光电转换基本原理最基本的光电二极管是由反向偏置的最基本的光电二极管是由反向偏置的PN结构成结构成•耗耗尽尽区区和和扩扩散散区区均均为为光光子的吸收区子的吸收区•因因光光而而产产生生的的载载流流子子，，所以称为光生载流子所以称为光生载流子•在在耗耗尽尽层层，，由由于于内内部部电电场场的的作作用用，，电电子子向向N区区运运动动，，空空穴穴向向P区区运运动动，，形成漂移电流形成漂移电流 一、光电转换基本原理一、光电转换基本原理在在耗耗尽尽层层两两侧侧是是没没有有电电场场的的中中性性区区，，由由于于热热运运动动，，部部分分光光生生电电子子和和空空穴穴通通过过扩扩散散运运动动可可能能进进入入耗耗尽尽层层，，然然后后在在电电场场作作用用下下，，形形成成和和漂漂移移电电流流相相同同方方向向的的扩扩散电流散电流漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流当当入入射射光光变变化化时时，，光光生生电电流流随随之之作作线线性性变变化化，，从从而而把光信号转换成电信号把光信号转换成电信号 一、光电转换基本原理一、光电转换基本原理由由于于光光生生载载流流子子扩扩散散速速度度慢慢于于漂漂移移速速度度，，因因而而将将引引起响应时延，使响应电流脉冲后沿拖尾延长起响应时延，使响应电流脉冲后沿拖尾延长一一般般对对光光电电二二极极管管采采用用反反向向偏偏压压，，反反向向偏偏压压增增加加了了耗耗尽尽区区的的宽宽度度，，从从而而减减少少了了光光生生电电流流中中的的扩扩散散分分量量，，同同时时增增强强的的电电场场也也会会加加快快光光生生载载流流子子的的漂漂移移速速度度，，有利于加快光生载流子的响应时间有利于加快光生载流子的响应时间光光生生载载流流子子在在外外加加负负偏偏压压和和内内建建电电场场作作用用下下，，电电子子向向N区区漂漂移移，，空空穴穴向向P区区漂漂移移，，在在外外电电路路形形成成光光电电流流 二、二、PIN光电二极管光电二极管光检测器中最普通且实用是光检测器中最普通且实用是PIN光电二极管光电二极管PIN光光电电二二极极管管与与基基本本的的PN结结型型光光电电二二极极管管的的区区别别是是在在P区区和和N区区之之间间的的区区域域有有一一层层轻轻掺掺杂杂的的N型型材材料料，，称称为为I（（Intrinsic，，本本征征的的））层层，，所所以以称称为为PIN 二、二、PIN光电二极管光电二极管I层层较较厚厚，，几几乎乎占占尽尽了了整整个个耗耗尽尽区区，，在在I层层两两侧侧是是掺掺杂杂浓浓度度很很高高的的P型型和和N型型半半导导体体，，P层层和和N层层很很薄薄这这种种设设计计，，使使得得绝绝大大部部分分的的入入射射光光在在I层层（（耗耗尽尽区区））内被吸收并产生大量的电子－空穴对（光生载流子）内被吸收并产生大量的电子－空穴对（光生载流子）耗耗尽尽区区的的高高电电场场使使得得电电子子－－空空穴穴对对立立即即分分开开并并在在反反向向偏偏置置电电压压的的作作用用下下向向两两端端流流动动，，然然后后在在边边界界处处被被收集，从而在外电路中形成电流收集，从而在外电路中形成电流 反向偏压反向偏压二、二、PIN光电二极管光电二极管在半导体材料中，光功率的吸收呈指数规律，即在半导体材料中，光功率的吸收呈指数规律，即根根据据量量子子力力学学原原理理可可知知，，每每个个在在能能级级之之间间跃跃迁迁的的电电子只能吸收一个光子子只能吸收一个光子要要产产生生光光电电流流，，入入射射光光子子的的能能量量必必须须至至少少等等于于禁禁带带宽宽度度Eg（（也也称称为为带带隙隙能能量量）），，这这导导致致了了对对光光频频率率f或波长或波长λ的限制的限制 二、二、PIN光电二极管光电二极管如如果果Eg使使用用电电子子伏伏特特（（eV）），，则则λc可可以以使使用用微微米米（（μm）表示为）表示为二、二、PIN光电二极管光电二极管对对于于Si材材料料，，截截止止波波长长为为1.06 μm，，Ge材材料料是是1.6 μm如如果果波波长长更更长长，，光光子子能能量量就就不不足足以以激激励励一一个个价价带带的的电子跃迁到导带中电子跃迁到导带中在在短短波波长长段段，，材材料料的的吸吸收收系系数数αs变变得得很很大大，，光光子子在在接接近近光光检检测测器器的的表表面面就就被被吸吸收收，，电电子子－－空空穴穴对对的的寿寿命命极极短短，，结结果果载载流流子子在在由由光光检检测测器器电电路路收收集集以以前前就已经复合了就已经复合了 二、二、PIN光电二极管光电二极管要要检检测测某某波波长长的的入入射射光光，，必必须须选选择择适适当当的的材材料料做做成成的检测器的检测器一一方方面面由由禁禁带带宽宽度度决决定定的的截截止止波波长长要要大大于于入入射射光光波波长，否则材料对光透明，不能进行光电转换长，否则材料对光透明，不能进行光电转换另另一一方方面面，，吸吸收收系系数数不不能能太太大大，，以以免免降降低低光光电电转转换换效率效率 二、二、PIN光电二极管光电二极管常用半导体材料的禁带宽度和相应的截止波长常用半导体材料的禁带宽度和相应的截止波长 材材 料料Eg（（eV））λc（（μm））Si1.171.06Ge0.7751.6GaAs1.4240.87InP1.350.92In0.55Ga0.45As0.751.65In1-0.45YGa0.45YAsYP1-Y0.75~1.351.65~0.92三、雪崩光电二极管三、雪崩光电二极管APD上上述述讨讨论论的的光光电电二二极极管管都都是是基基于于每每一一个个被被吸吸收收的的光光子只能产生一个电子子只能产生一个电子但但是是如如果果产产生生的的电电子子在在强强电电场场的的作作用用下下获获得得了了足足够够能能量量，，就就会会诱诱发发许许多多的的电电子子从从价价带带到到导导带带，，即即产产生生二次电子－空穴对二次电子－空穴对这这些些二二次次电电子子－－空空穴穴对对又又被被加加速速获获得得足足够够的的能能量量，，引发更多的电子－空穴对，这一过程称为雪崩放大引发更多的电子－空穴对，这一过程称为雪崩放大把把具具有有这这一一现现象象的的光光电电二二极极管管称称为为雪雪崩崩光光电电二二极极管管（（APD，，Avalanche Photo Diode）） 1．．APD工作原理工作原理与与PIN光光电电二二极极管管不不同同，，雪雪崩崩光光电电二二极极管管（（APD））在在结结构构设设计计上上已已考考虑虑到到使使它它能能承承受受高高反反向向偏偏压压（（一一般般为为几几十十或或几几百百伏伏）），，从从而而在在PN结结内内部部形形成成一一个个高电场区高电场区 高高电电场场对对光光生生载载流流子子加加速速，，使使载载流流子子获获得得高高的的动动能能，，从从而而在在它它漂漂移移过过程程中中可可以以碰碰撞撞电电离离而而激激发发出出新新的的电电子－空穴对，这个过程称为碰撞电离子－空穴对，这个过程称为碰撞电离 新新产产生生的的载载流流子子同同样样由由电电场场加加速速，，并并获获得得足足够够的的能能量量从从而而导导致致更更多多的的碰碰撞撞电电离离产产生生，，形形成成雪雪崩崩倍倍增增效效应应 1．．APD工作原理工作原理APD就就是是利利用用雪雪崩崩倍倍增增效效应应使使光光电电流流得得到到倍倍增增的的高灵敏度的检测器高灵敏度的检测器 雪雪崩崩过过程程产产生生了了光光电电流流Ip的的倍倍增增，，可可以以用用倍倍增增增增益益G表示表示APD的放大能力的放大能力实实际际上上，，雪雪崩崩过过程程是是一一种种统统计计过过程程，，并并不不是是每每一一个个载载流流子子都都经经过过了了同同样样的的倍倍增增，，所所以以G只只是是一一个个统统计计平均值平均值 1．．APD工作原理工作原理雪雪崩崩光光电电二二极极管管（（APD））可可以以对对尚尚未未进进入入后后面面放放大大器的输入电路的初级光电流进行内部放大器的输入电路的初级光电流进行内部放大这这样样可可以以显显著著地地增增加加接接收收机机的的灵灵敏敏度度，，因因为为在在还还没没有遇到接收机电路的热噪声之前就已放大了光电流有遇到接收机电路的热噪声之前就已放大了光电流 APD的的雪雪崩崩增增益益G可可以以很很大大，，然然而而大大的的G值值也也伴伴随随着着光光电电流流的的大大的的起起伏伏，，产产生生大大的的APD噪噪声声，，因因此此要要在在增增益益和和噪噪声声之之间间进进行行折折中中，，选选择择合合适适的的G值值以以使其性能最佳使其性能最佳 2．．APD的结构的结构最最常常用用的的具具有有低低倍倍增增噪噪声声的的结结构构是是拉拉通通（（reach-through）型的）型的APD P型重型重掺杂掺杂 带有少量带有少量P掺杂的掺杂的本征材料本征材料 2．．APD的结构的结构“拉通拉通”这一术语来源于光电二极管的工作情况这一术语来源于光电二极管的工作情况当当加加上上一一个个较较低低的的反反向向偏偏置置电电压压时时，，大大部部分分的的电电压压降在降在PN+ 结上结上增增加加电电压压，，耗耗尽尽区区宽宽度度也也将将增增加加，，直直到到加加到到PN+ 结结 上上 的的 峰峰 值值 电电 场场 低低 于于 雪雪 崩崩 击击 穿穿 所所 需需 电电 场场 的的5%~10% 时时才才停停止止，，此此时时耗耗尽尽区区也也正正好好拉拉通通到到了整个本征区了整个本征区 2．．APD的结构的结构在在一一般般的的操操作作过过程程中中，，RAPD工工作作于于完完全全耗耗尽尽的的方方式式。

光光子子从从P+ 区区进进入入，，并并在在π区区被被吸吸收收，，π区区就是收集光生载流子的区域就是收集光生载流子的区域光光子子被被吸吸收收后后释释放放它它的的能能量量，，产产生生的的电电子子－－空空穴穴对对立立即即由由π区区的的电电场场分分开开，，然然后后通通过过π区区漂漂移移到到PN+ 结区，结区，PN+ 结上的高电场使得电子产生雪崩倍增结上的高电场使得电子产生雪崩倍增 3．温度对雪崩增益的影响．温度对雪崩增益的影响APD的的增增益益机机理理对对温温度度非非常常敏敏感感，，在在于于电电子子和和空空穴的电离速度取决于温度穴的电离速度取决于温度在在高高温温条条件件下下，，粒粒子子之之间间发发生生碰碰撞撞的的平平均均自自由由度度变变小小了了，，因因而而许许多多载载流流子子没没有有机机会会获获得得产产生生二二次次载载流流子所需要的高速度，会导致增益降低子所需要的高速度，会导致增益降低3．温度对雪崩增益的影响．温度对雪崩增益的影响这这种种对对温温度度的的依依赖赖性性在在高高偏偏置置电电压压下下尤尤其其明明显显，，一一个小小的温度变化都能引起增益的很大变化个小小的温度变化都能引起增益的很大变化 当当保保持持所所加加偏偏置置电电压压不不变变时时降降低低温温度度，，则则电电子子和和空空穴穴的的电电离离速速率率会会增增加加，，因因而而雪雪崩崩增增益益也也会会增加增加3．温度对雪崩增益的影响．温度对雪崩增益的影响为为了了保保证证温温度度变变化化时时增增益益值值不不变变，，就就必必须须改改变变PN结结倍倍增增区区的的电电场场，，这这就就要要求求接接收收机机加加入入一一个个补补偿偿电电路，以便在温度变化时调整光检测器的偏置电压路，以便在温度变化时调整光检测器的偏置电压 可可以以运运用用温温度度与与电电离离速速率率的的关关系系得得到到增增益益曲曲线线，，但但计算相当复杂，可以从一个经验关系式求得计算相当复杂，可以从一个经验关系式求得 与与APD材料材料及波长有关及波长有关的经验参数的经验参数 5.2 光电二极管特性光电二极管特性在在了了解解光光检检测测器器的的结结构构与与原原理理后后，，再再来来讨讨论论衡衡量量光光电电二二极极管管PIN和和雪雪崩崩光光电电二二极极管管APD性性能能好好坏坏的的几个重要参数，并作出比较几个重要参数，并作出比较 一、主要特性参数一、主要特性参数光光电电二二极极管管的的两两个个重重要要特特性性参参数数是是其其量量子子效效率率和和响响应应速速度度，，这这些些参参数数主主要要由由器器件件材材料料的的带带隙隙能能量量、、工工作作波波长长、、P区区、、I区区、、N区区的的掺掺杂杂浓浓度度和和宽宽度度所所决决定定另另外外一一个个重重要要参参数数是是检检测测器器噪噪声声，，它它将将直直接接影影响响到到接收机的灵敏度接收机的灵敏度 1．量子效率和响应度．量子效率和响应度量量子子效效率率η表表示示每每个个能能量量为为hf的的入入射射光光子子所所产产生生的的电子－空穴对，由下式给出电子－空穴对，由下式给出在在光光电电二二极极管管的的实实际际应应用用中中，，100个个光光子子会会产产生生30到到95个个电电子子－－空空穴穴对对，，因因此此检检测测器器的的量量子子效效率率范围是范围是30%~95%1．量子效率和响应度．量子效率和响应度为为了了得得到到较较高高的的量量子子效效率率，，必必须须加加大大耗耗尽尽区区的的厚厚度度，，使得可以吸收大部分的光子使得可以吸收大部分的光子但但是是，，耗耗尽尽区区越越厚厚，，光光生生载载流流子子漂漂移移越越过过反反向向偏偏置置结的时间就越长结的时间就越长由由于于载载流流子子的的漂漂移移时时间间决决定定了了光光电电二二极极管管的的响响应应速速度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷 1．量子效率和响应度．量子效率和响应度光电二极管的性能经常使用响应度光电二极管的性能经常使用响应度R0来表征来表征若若入入射射光光功功率率为为P0时时产产生生的的平平均均光光电电流流为为Ip，，则则响应度响应度R0（（A/W）定义为）定义为 这个参数描述了单位光功率产生光生电流的大小这个参数描述了单位光功率产生光生电流的大小将将 和普朗克常数和普朗克常数h代入，得到代入，得到 在在工工作作波波长长一一定定时时，，η与与R0具具有有定量的关系定量的关系 1．量子效率和响应度．量子效率和响应度几种材料的几种材料的PIN光电二极管的响应度与波长关系光电二极管的响应度与波长关系 1．量子效率和响应度．量子效率和响应度光光子子能能量量一一定定时时，，大大多多数数的的光光电电二二极极管管的的量量子子效效率率和和入入射射到到光光电电二二极极管管上上的的光光功功率率无无关关，，因因此此响响应应度度是是一一个个线线性性函函数数，，也也就就是是说说光光电电流流Ip正正比比于于入入射射到到光电二极管上的光功率光电二极管上的光功率P0然然而而，，在在整整个个波波长长范范围围内内量量子子效效率率并并不不是是一一个个常常数数，，因为光子能量在改变因为光子能量在改变对对于于给给定定的的材材料料，，当当入入射射光光波波长长越越来来越越长长时时，，光光子子能能量量变变得得越越来来越越小小，，当当这这个个能能量量不不足足以以激激发发一一个个电电子子从从价价带带跃跃迁迁到到导导带带上上时时，，响响应应度度就就会会在在截截止止波波长长处迅速减小处迅速减小 1．量子效率和响应度．量子效率和响应度对对于于APD光光电电二二极极管管而而言言，，由由于于量量子子效效率率只只与与初初始始载载流流子子数数目目有有关关，，与与倍倍增增无无关关，，所所以以不不管管PIN或是或是APD，量子效率总是小于，量子效率总是小于1 1．量子效率和响应度．量子效率和响应度与与PIN光光电电二二极极管管类类似似，，APD的的性性能能也也可可由由它它的的响应度响应度RAPD来表征来表征由由于于APD中中光光生生电电流流倍倍增增了了G倍倍，，所所以以它它的的响响应应度比度比PIN管提高了管提高了G倍，其定义由下式给出倍，其定义由下式给出 2．响应速度．响应速度光电二极管响应速度可以用响应时间表征光电二极管响应速度可以用响应时间表征 光光电电二二极极管管产产生生光光电电流流的的响响应应时时间间主主要要取取决决于于下下面面三个因素：三个因素：耗尽区的光载流子的渡越时间；耗尽区的光载流子的渡越时间；耗尽区外产生的光载流子的扩散时间；耗尽区外产生的光载流子的扩散时间；光电二极管以及与其相关电路的光电二极管以及与其相关电路的RC时间常数时间常数 2．响应速度．响应速度光光电电二二极极管管的的响响应应速速度度基基本本取取决决于于光光生生载载流流子子渡渡越越耗尽层区所需的时间耗尽层区所需的时间载载流流子子渡渡越越时时间间td与与耗耗尽尽层层宽宽度度w和和载载流流子子的的漂漂移移速度速度v有关有关 减减小小耗耗尽尽层层宽宽度度w或或增增加加光光电电二二极极管管的的反反向向偏偏压压都都可可以以缩缩短短渡渡越越时时间间。

增增加加反反向向偏偏压压，，可可增增加加自自建建场场，，使漂移速度加快，渡越时间缩短使漂移速度加快，渡越时间缩短 2．响应速度．响应速度一一般般情情况况下下，，耗耗尽尽区区的的电电场场足足够够高高，，载载流流子子可可以以达达到它们的极限速度到它们的极限速度对对于于Si，，当当电电场场强强度度达达到到2×104V/cm量量级级时时，，电电子子和和空空穴穴的的最最大大速速度度分分别别是是8.4×106cm/s和和4.4×106cm/s典典型型的的Si光光电电二二极极管管的的耗耗尽尽区区宽宽度度为为10μm，，极极限响应时间为限响应时间为0.1 ns 2．响应速度．响应速度相相比比高高电电场场区区载载流流子子的的漂漂移移，，耗耗尽尽区区外外的的载载流流子子扩扩散散过过程程就就要要慢慢得得多多，，因因此此为为了了得得到到高高速速光光电电二二极极管管，，光光生生载载流流子子应应该该在在耗耗尽尽区区或或非非常常接接近近耗耗尽尽区区的的地地方方产生，使载流子扩散时间小于或等于渡越时间产生，使载流子扩散时间小于或等于渡越时间从从光光电电二二极极管管结结构构可可以以看看出出，，光光基基本本被被耗耗尽尽层层吸吸收收，，所以扩散时间对响应速度影响很小所以扩散时间对响应速度影响很小 2．响应速度．响应速度响响应应速速度度除除了了与与上上面面提提到到的的漂漂移移运运动动和和扩扩散散运运动动速速度有关外，它还与负载电路度有关外，它还与负载电路RC参数有关参数有关 光接收机中光检测的简单模型和其等效电路光接收机中光检测的简单模型和其等效电路 当当光光检检测测器器受受到到光光脉脉冲冲照照射射时时，，响响应应时时间间可可以以使使用用检测器输出脉冲的上升时间和下降时间来表示检测器输出脉冲的上升时间和下降时间来表示 2．响应速度．响应速度如如果果光光电电二二极极管管的的电电容容较较大大，，那那它它的的响响应应时时间间就就会会受受到到负负载载电电阻阻RL和和光光电电二二极极管管结结电电容容所所构构成成的的RC时间常数的限制时间常数的限制在在高高速速应应用用情情况况下下，，光光电电二二极极管管的的设设计计电电容容为为几几个个皮法甚至更小皮法甚至更小 器器件件的的响响应应速速度度受受到到渡渡越越时时间间或或电电路路上上升升时时间间的的制制约约，，而而后后者者的的影影响响更更大大。

目目前前，，已已经经有有100 ps的的实用化器件实用化器件 3．检测器噪声．检测器噪声噪声是光检测器的一个重要参数噪声是光检测器的一个重要参数噪噪声声的的存存在在同同样样限限制制了了光光检检测测器器所所能能检检测测出出的的最最小小光功率，直接影响了接收机的灵敏度光功率，直接影响了接收机的灵敏度光光检检测测器器的的噪噪声声主主要要包包括括：：热热噪噪声声、、暗暗电电流流噪噪声声和和漏电流噪声、散弹噪声等漏电流噪声、散弹噪声等 3．检测器噪声．检测器噪声光光检检测测器器在在无无内内部部增增益益时时，，其其主主要要噪噪声声包包括括散散弹弹噪噪声声（（又又称称量量子子噪噪声声））、、光光电电二二极极管管材材料料引引起起的的暗暗电电流噪声和表面电流噪声流噪声和表面电流噪声 3．检测器噪声．检测器噪声处处于于反反向向偏偏压压下下的的半半导导体体光光电电二二极极管管，，在在无无光光照照射射时时仍仍有有电电流流通通过过，，这这部部分分电电流流称称为为暗暗电电流流，，可可以以分分为两个部分：为两个部分：一一部部分分为为反反向向偏偏压压下下二二极极管管的的反反向向饱饱和和电电流流，，称称为为体体暗暗电流，由光电二极管电流，由光电二极管PN结区载流子的热扩散产生结区载流子的热扩散产生 另另一一部部分分是是由由半半导导体体表表面面缺缺陷陷引引起起的的表表面面漏漏电电流流，，称称为为表表面面暗暗电电流流，，也也简简称称漏漏电电流流。

它它是是由由表表面面缺缺陷陷、、清清洁洁程程度、偏置电压大小和表面积大小等因素决定度、偏置电压大小和表面积大小等因素决定3．检测器噪声．检测器噪声体体暗暗电电流流由由半半导导体体材材料料及及掺掺杂杂浓浓度度决决定定，，对对于于APD而而言言，，由由此此产产生生的的载载流流子子同同样样会会得得到到PN结结区区高电场的加速，并因雪崩效应而倍增高电场的加速，并因雪崩效应而倍增 由由于于雪雪崩崩效效应应是是一一种种体体效效应应，，所所以以表表面面漏漏电电流流并并不不受雪崩增益的影响受雪崩增益的影响 3．检测器噪声．检测器噪声一一般般而而言言，，反反向向偏偏压压增增大大，，暗暗电电流流也也增增大大当当偏偏压压增增大大到到一一定定程程度度时时，，暗暗电电流流激激增增，，产产生生反反向向击击穿穿，，发生反向击穿的电压值即为反向击穿电压发生反向击穿的电压值即为反向击穿电压如如Si材材料料PIN反反向向击击穿穿电电压压为为100余余伏伏，，但但PIN工作时的偏置电压为工作时的偏置电压为10~30 V，离击穿电压较远，离击穿电压较远暗暗电电流流会会引引起起噪噪声声，，限限制制了了光光电电二二极极管管所所能能检检测测的的最小光功率，也就是降低了接收机的灵敏度最小光功率，也就是降低了接收机的灵敏度 3．检测器噪声．检测器噪声光光电电二二极极管管受受到到入入射射光光照照射射时时，，所所产产生生的的电电子子－－空空穴对具有离散性和随机性，构成了散弹噪声穴对具有离散性和随机性，构成了散弹噪声另另外外载载流流子子越越过过耗耗尽尽区区时时的的随随机机起起伏伏也也构构成成散散弹弹噪噪声声散散弹弹噪噪声声（（或或散散粒粒噪噪声声））是是由由光光的的粒粒子子性性产产生生的的，，所以也称为量子噪声所以也称为量子噪声 在在带带宽宽B内内，，量量子子噪噪声声均均方方根根电电流流和和光光电电流流Ip的的平平均值之间成正比均值之间成正比 噪声系数噪声系数3．检测器噪声．检测器噪声F(G) 是噪声系数，和雪崩特性有关是噪声系数，和雪崩特性有关对于对于PIN光电二极管，光电二极管，F(G) 和和G都等于都等于1 对对于于APD光光电电二二极极管管，，F(G) 即即为为过过剩剩噪噪声声系系数数，，用来描述倍增噪声用来描述倍增噪声由由于于APD光光电电二二极极管管的的倍倍增增是是随随机机的的，，这这种种随随机机性性的的电流起伏将带来附加噪声，即倍增噪声电流起伏将带来附加噪声，即倍增噪声实验结果表明，可以将实验结果表明，可以将F(G) 近似为近似为 0≤x≤1.03．检测器噪声．检测器噪声当当APD光光电电二二极极管管的的雪雪崩崩增增益益为为G时时，，它它的的信信号号电电流流比比无无倍倍增增时时增增大大了了G倍倍，，信信号号功功率率增增大大了了G2倍倍噪噪声声功功率率增增大大了了G2F倍倍，，即即G2+x倍倍，，所所以以噪噪声声功功率增大的速率大于信号功率增大的速率率增大的速率大于信号功率增大的速率因此选用因此选用APD时，应选用时，应选用x值较小的管子值较小的管子 3．检测器噪声．检测器噪声热热噪噪声声是是由由光光电电二二极极管管的的负负载载电电阻阻RL和和后后接接的的放放大器的输入电阻产生大器的输入电阻产生一一般般情情况况下下，，放放大大器器输输入入阻阻抗抗远远大大于于负负载载电电阻阻RL，所以放大电路的热噪声远小于，所以放大电路的热噪声远小于RL的热噪声的热噪声光检测器负载电阻的均方热噪声电流为光检测器负载电阻的均方热噪声电流为 3．检测器噪声．检测器噪声降降低低器器件件的的绝绝对对温温度度可可以以降降低低热热噪噪声声，，降降低低检检测测带带宽也可以减少热噪声宽也可以减少热噪声因因为为热热噪噪声声是是一一种种白白噪噪声声，，所所以以在在检检测测器器前前面面可可以以用光滤波器去除信号带宽以外的热噪声用光滤波器去除信号带宽以外的热噪声 二、光检测器的比较二、光检测器的比较分分别别列列出出了了PIN光光电电二二极极管管和和雪雪崩崩光光电电二二极极管管APD的一般性能的一般性能 Si PINInGaAs PIN波长响应波长响应λ（（μm））0.4~1.01.0~1.6响应度响应度R0（（A／／W））0.4（（850 nm））0.6（（1300 nm））暗电流暗电流Id（（nA））0.1~12~5响应时间响应时间t（（ns））2~100.2~1结电容结电容Cd（（pF））0.5~11~2工作电压（工作电压（V））-5~-15-5~-15二、光检测器的比较二、光检测器的比较分分别别列列出出了了PIN光光电电二二极极管管和和雪雪崩崩光光电电二二极极管管APD的一般性能的一般性能Si APDInGaAs APD波长响应波长响应λ（（μm））0.4~1.01~1.65响应度响应度R0（（A／／W））0.50.5~0.7暗电流暗电流Id（（nA））0.1~110~20响应时间响应时间t（（ns））0.2~0.50.1~0.3结电容结电容Cd（（pF））1~2< 0.5工作电压（工作电压（V））50~10040~60倍增因子倍增因子G30~10020~30附加噪声指数附加噪声指数x0.3~0.40.5~0.7二、光检测器的比较二、光检测器的比较APD是是有有增增益益的的光光电电二二极极管管，，在在光光接接收收机机灵灵敏敏度度要要求求较较高高的的场场合合采采用用APD有有利利于于延延长长系系统统的的传传输输距离距离雪雪崩崩光光电电二二极极管管在在入入射射光光功功率率从从不不到到1个个纳纳瓦瓦到到几几个微瓦的范围内有很好的线性响应特性个微瓦的范围内有很好的线性响应特性但但是是采采用用APD要要求求有有较较高高的的偏偏置置电电压压和和复复杂杂的的温温度补偿电路，结果增加了成本度补偿电路，结果增加了成本 二、光检测器的比较二、光检测器的比较如如果果光光接接收收机机的的输输入入光光功功率率超超过过1μW，，就就不不再再需需要要APD作为检测器作为检测器在在这这个个功功率率等等级级上上，，PIN光光电电二二极极管管因因其其足足够够的的响响应应速速度度和和足足够够高高的的信信噪噪比比，，完完全全可可以以胜胜任任绝绝大大多多数的应用数的应用较较之之APD，，PIN检检测测器器更更便便宜宜，，对对温温度度不不敏敏感感，，所所需需反反向向偏偏置置电电压压较较低低，，而而两两者者的的应应用用速速度度相相差差无无几几 二、光检测器的比较二、光检测器的比较Si PIN和和APD用用于于短短波波长长（（850 nm））光光纤纤通通信信系统系统InGaAs PIN用用于于长长波波长长（（1310 nm和和1550 nm））系系统统，，性性能能非非常常稳稳定定，，通通常常把把它它和和使使用用场场效效应应管管（（FET））的的前前置置放放大大器器集集成成在在同同一一基基片片上上，，构构成成FET PIN接接收收组组件件，，以以进进一一步步提提高高灵灵敏敏度度，，改改善器件的性能善器件的性能 三、光电器件的简易检测三、光电器件的简易检测与与光光源源器器件件一一样样，，在在没没有有测测试试条条件件的的情情况况下下，，使使用用人人员员也也可可以以借借助助于于指指针针式式万万用用表表对对光光电电检检测测器器件件进进行简易的测试行简易的测试这这种种测测试试方方法法主主要要是是检检查查光光电电检检测测器器件件PN结结的的好好坏：坏：PN结好不能保证器件具有好的特性结好不能保证器件具有好的特性而而PN不好的器件其质量绝对不会好不好的器件其质量绝对不会好 三、光电器件的简易检测三、光电器件的简易检测常用光电检测器件的参考数据常用光电检测器件的参考数据 Si PINInGaAs PINInGaAs APD正向压降正向压降0.6~0.7 V0.2~0.3 V约约2 V正向电阻正向电阻3~5 kΩ（（R×100档）档）3~5 kΩ（（R×100档）档）通通反向电阻反向电阻> 100 kΩ（（R×1K档）档）> 100 kΩ（（R×1K档）档）无穷大（无穷大（R×1K档）档）5.3 光接收机光接收机光光接接收收机机是是光光纤纤通通信信系系统统的的主主要要组组成成部部分分，，它它的的性性能是整个光纤通信系统性能的综合反映能是整个光纤通信系统性能的综合反映光光接接收收机机是是由由光光检检测测器器、、放放大大器器和和信信号号处处理理电电路路组组成成光光接接收收机机的的主主要要作作用用是是将将经经光光纤纤传传输输后后幅幅度度被被衰衰减减，，波波形形被被展展宽宽的的微微弱弱光光信信号号转转变变为为电电信信号号，，并并经经放放大大处理，恢复为原来的信号处理，恢复为原来的信号 5.3 光接收机光接收机典典型型光光纤纤数数字字传传输输链链路路路路径径中中可可以以看看出出接接收收端端的的主主要处理过程要处理过程 5.3 光接收机光接收机一一般般而而言言，，光光检检测测器器产产生生的的电电流流通通常常很很小小，，而而且且还还会受到光检测过程中产生的随机噪声的影响会受到光检测过程中产生的随机噪声的影响当当光光电电二二极极管管输输出出的的电电信信号号被被放放大大时时，，放放大大器器电电路路上的附加噪声将进一步使信号劣化上的附加噪声将进一步使信号劣化由由于于接接收收机机电电路路中中的的噪噪声声源源，，使使得得信信号号一一般般都都有有一一个能正确处理的最低限个能正确处理的最低限由由于于接接收收机机首首先先检检测测到到微微弱弱的的失失真真信信号号，，然然后后根根据据这这个个放放大大的的失失真真信信号号来来判判断断所所传传输输数数据据的的类类型型，，所所以光接收机的设计比光发送机的设计要复杂得多以光接收机的设计比光发送机的设计要复杂得多 一、数字光接收机组成一、数字光接收机组成直接检测数字光接收机原理方框图直接检测数字光接收机原理方框图主放大、均衡滤波和自动增益控制光检测与前置放大 判决与再生 1．光检测与前置放大．光检测与前置放大光光检检测测器器与与前前置置放放大大器器合合起起来来称称为为接接收收机机前前端端，，是是光接收机的核心光接收机的核心其其作作用用是是将将耦耦合合入入光光电电检检测测器器的的光光信信号号转转换换为为时时变变光光生生电电流流，，然然后后进进行行预预放放大大，，并并将将电电流流信信号号转转换换为为电压信号，以便后级作进一步处理电压信号，以便后级作进一步处理前前端端性性能能是是决决定定光光接接收收机机的的主主要要因因素素，，要要求求低低噪噪声声、、高灵敏度、足够的带宽高灵敏度、足够的带宽 1．光检测与前置放大．光检测与前置放大光光检检测测器器可可以以采采用用PIN光光电电二二极极管管和和雪雪崩崩光光电电二二极管（极管（APD），应当视具体情况而定），应当视具体情况而定 前前置置放放大大器器主主要要作作用用是是保保持持检检测测到到的的电电信信号号不不失失真真地地放放大大和和保保证证噪噪声声最最小小，，一一般般采采用用场场效效应应晶晶体体管管（（FET）） 目前，光检测器与前置放大有商用集成组件目前，光检测器与前置放大有商用集成组件 2．主放大、均衡滤波和自动增益控制．主放大、均衡滤波和自动增益控制主主放放大大器器、、均均衡衡滤滤波波器器和和自自动动增增益益控控制制组组成成光光接接收收机的线性通道机的线性通道主主放放大大器器一一般般是是多多级级放放大大器器，，它它的的功功能能主主要要是是提提供供足够高的增益足够高的增益 AGC就就是是用用反反馈馈环环路路来来控控制制主主放放大大器器的的增增益益，，以以扩大接收机的动态范围扩大接收机的动态范围 均均衡衡器器的的作作用用是是对对主主放放输输出出的的、、已已畸畸变变（（失失真真））和和有码间干扰的电信号进行整形和补偿有码间干扰的电信号进行整形和补偿 2．主放大、均衡滤波和自动增益控制．主放大、均衡滤波和自动增益控制所所传传输输的的数数字字脉脉冲冲信信号号，，经经过过光光纤纤传传输输后后，，又又经经过过光光电电检检测测器器、、放放大大器器等等，，由由于于传传输输带带宽宽的的限限制制，，不不再是矩形脉冲形式，产生拖尾现象再是矩形脉冲形式，产生拖尾现象这这将将导导致致相相邻邻码码元元的的重重叠叠，，从从而而产产生生码码间间干干扰扰，，严严重时将造成判决电路的误判，产生误码重时将造成判决电路的误判，产生误码 2．主放大、均衡滤波和自动增益控制．主放大、均衡滤波和自动增益控制通通过过均均衡衡器器对对主主放放大大器器输输出出的的失失真真数数字字脉脉冲冲进进行行整整形形和和补补偿偿，，使使之之成成为为有有利利于于判判决决的的码码间间干干扰扰最最小小的的信号波形信号波形如升余弦波形如升余弦波形 3．判决与再生．判决与再生判判决决器器、、译译码码器器和和时时钟钟恢恢复复组组成成光光接接收收机机的的判判决决、、再生部分再生部分时时钟钟恢恢复复电电路路从从码码流流中中恢恢复复出出时时钟钟信信号号（（定定时时信信号号）），并提供给判决电路，并提供给判决电路判判决决电电路路在在时时钟钟信信号号控控制制下下，，将将均均衡衡后后的的脉脉冲冲输输出出信信号号判判决决输输出出为为“1”或或“0”，，恢恢复复出出所所传传输输的的二二进制脉冲信号进制脉冲信号 3．判决与再生．判决与再生再生过程再生过程实实际际应应用用中中，，可可以以选选用用时时钟钟／／数数据据再再生生器器组组件件，，如如朗讯科技的朗讯科技的LG 1600系列系列 二、光接收机的主要性能指标二、光接收机的主要性能指标光接收机主要性能指标有：光接收机主要性能指标有：接收灵敏度，反映了接收机检测微弱信号的能力；接收灵敏度，反映了接收机检测微弱信号的能力；误码率或信噪比；误码率或信噪比；动态范围，反映了接收机适应输入信号变化的能力动态范围，反映了接收机适应输入信号变化的能力 1．误码率．误码率在在数数字字接接收收机机中中，，来来自自放放大大、、均均衡衡后后的的信信号号在在每每一一时时刻刻都都会会和和一一个个阈阈值值进进行行比比较较，，以以判判定定当当前前时时隙隙的的信号是信号是“1”或或“0”由由于于各各种种噪噪声声、、码码间间干干扰扰等等因因素素，，判判决决电电路路难难免免发发生生错错误误判判决决，，即即“1”码码误误判判为为“0”码码，，或或把把“0”码误判为码误判为“1”码码 信号电平bonboffvth方差方差阈值电平1．误码率．误码率光接收机对码元错误判决的概率称为误码率光接收机对码元错误判决的概率称为误码率在在二二进进制制情情况况下下，，等等于于误误比比特特率率（（BER，，Bit-Error-Rate）），，它它反反映映出出在在较较长长时时间间间间隔隔内内的的传传输输码码流流中中，，错错误误判判决决的的码码元元数数Ne在在所所接接收收到到的的码码元总数元总数Nt中所占的比例中所占的比例 1．误码率．误码率对二进制系统而言，误码率可以由下式给出对二进制系统而言，误码率可以由下式给出要要确确定定误误码码率率，，不不仅仅要要知知道道噪噪声声的的大大小小，，而而且且要要知知道噪声的功率分布道噪声的功率分布然而，光接收机的噪声功率分布十分复杂然而，光接收机的噪声功率分布十分复杂一一种种简简化化的的计计算算是是假假定定总总噪噪声声的的概概率率分分布布为为高高斯斯分分布，这是由布，这是由S. D. Personick提出的提出的 1．误码率．误码率设设“0”和和“1”等概率发送，得到等概率发送，得到误差函数误差函数 1．误码率．误码率因因子子Q和和特特定定误误码码率率下下的的信信噪噪比比相相关关，，因因此此，，被被广广泛用来说明接收机的性能泛用来说明接收机的性能给出了给出了BER随随Q变化的情况变化的情况1．误码率．误码率当当σon=σoff=σ，且，且boff=0，，bon=V，则阈值，则阈值由由于于σ通通常常称称为为根根噪噪声声，，因因此此，，比比值值也也就就是是峰峰值值均均方根信噪比方根信噪比 2．灵敏度．灵敏度接接收收机机灵灵敏敏度度是是光光接接收收机机最最主主要要的的性性能能指指标标之之一一，，是是表表征征光光接接收收机机调调整整到到最最佳佳状状态态时时，，接接收收微微弱弱光光信信号的能力号的能力它可用下列三种物理量表示它可用下列三种物理量表示在在保保证证达达到到所所要要求求的的误误码码率率（（或或信信噪噪比比））条条件件下下，，接收机所需的：接收机所需的：输入的最小平均光功率输入的最小平均光功率PR每个光脉冲的最低平均光子数每个光脉冲的最低平均光子数n0每个光脉冲的最低平均能量每个光脉冲的最低平均能量Ed 2．灵敏度．灵敏度以以上上三三个个表表示示方方法法有有所所不不同同，，但但所所表表示示的的物物理理意意义义是一致的，在工程上通常采用光功率的定义方法是一致的，在工程上通常采用光功率的定义方法对对于于“1”、、“0”码码等等概概率率的的NRZ码码脉脉冲冲，，三三种种表示方法之间有如下关系表示方法之间有如下关系一个光子一个光子的能量的能量 脉冲码脉冲码元时隙元时隙 2．灵敏度．灵敏度PR的单位是的单位是W，常用，常用mW若用若用dBm来表示灵敏度来表示灵敏度Sr，则可写为，则可写为在在实实际际工工程程应应用用中中，，接接收收机机所所需需的的最最小小接接收收光光功功率率PR可按照下面给出的近似公式计算可按照下面给出的近似公式计算 当采用当采用PIN光电二极管时，在则光电二极管时，在则当采用当采用APD光电二极管时，在则光电二极管时，在则R0为基准计算码速率，为基准计算码速率，R0 = 25 Mb/s 2．灵敏度．灵敏度对于不同的误码率要求，接收机的灵敏度也不同对于不同的误码率要求，接收机的灵敏度也不同在在一一定定误误码码率率条条件件下下，，影影响响接接收收机机灵灵敏敏度度的的因因素素有有：：码码间间干干扰扰、、消消光光比比、、暗暗电电流流、、量量子子效效率率、、光光波波波波长长、、信号速率、各种噪声等信号速率、各种噪声等而而产产生生误误码码的的主主要要原原因因是是噪噪声声，，光光信信号号通通过过接接收收机机时，受到各种噪声影响，降低接收机的灵敏度时，受到各种噪声影响，降低接收机的灵敏度因因此此，，对对接接收收机机噪噪声声的的研研究究分分析析是是光光接接收收机机的的主主要要课题课题 3．动态范围．动态范围动态范围是光接收机的另一重要指标动态范围是光接收机的另一重要指标光光接接收收机机的的动动态态范范围围D定定义义为为：：在在保保证证系系统统的的误误码码率率指指标标要要求求下下，，接接收收机机最最低低输输入入光光功功率率Pmin（（以以dBm表表示示））和和最最大大允允许许输输入入光光功功率率Pmax（（以以dBm表示）之差（以表示）之差（以dB表示），即有表示），即有3．动态范围．动态范围之之所所以以要要求求光光接接收收机机有有一一个个动动态态范范围围，，是是因因为为光光接接收收机机的的输输入入光光信信号号不不是是固固定定不不变变的的，，为为了了保保证证系系统统正正常常工工作作，，光光接接收收机机必必须须具具备备适适应应输输入入信信号号在在一一定定范围变化的能力范围变化的能力低低于于这这个个动动态态范范围围的的下下限限（（即即灵灵敏敏度度）），，如如前前所所述述将产生过大的误码将产生过大的误码高高于于这这个个动动态态范范围围的的上上限限（（即即接接收收机机的的过过载载功功率率）），，在判决时也将造成过大的误码在判决时也将造成过大的误码 动态范围表征了光接收机对输入信号的适应能力动态范围表征了光接收机对输入信号的适应能力 5.4 光中继器光中继器光信号在光纤传输过程中会出现两个问题：光信号在光纤传输过程中会出现两个问题：①① 光光纤纤的的损损耗耗特特性性使使光光信信号号的的幅幅度度衰衰减减，，限限制制了了光光信信号号的的传输距离；传输距离；②② 光光纤纤的的色色散散特特性性使使光光信信号号波波形形失失真真，，造造成成码码间间干干扰扰，，使使误码率增加误码率增加 光光纤纤线线路路上上的的损损耗耗和和色色散散不不但但限限制制了了光光信信号号的的传传输输距离，也限制了光纤的传输容量距离，也限制了光纤的传输容量为为增增加加光光纤纤的的通通信信距距离离和和通通信信容容量量，，必必须须设设置置光光中中继器（或称再生器）继器（或称再生器）5.4 光中继器光中继器光光中中继继器器的的功功能能是是补补偿偿光光能能量量损损耗耗，，对对畸畸变变失失真真的的信号波形进行整形信号波形进行整形 光中继器主要有两种：光中继器主要有两种：一种是传统的光中继器（即光电中继器）一种是传统的光中继器（即光电中继器）另一种是全光中继器另一种是全光中继器 一、光电中继器一、光电中继器在在光光放放大大器器研研制制成成功功之之前前，，主主要要采采用用光光电电混混合合中中继继器放大光信号器放大光信号首首先先将将光光纤纤中中送送来来的的光光信信号号转转换换为为电电信信号号，，然然后后对对电电信信号号进进行行放放大大，，最最后后再再将将放放大大了了的的电电信信号号转转换换为为光信号送到光纤中去，即光－电－光方式光信号送到光纤中去，即光－电－光方式 一、光电中继器一、光电中继器根据不同的要求，可将中继器分为三种类型：根据不同的要求，可将中继器分为三种类型：只只有有放放大大和和均均衡衡功功能能的的1R（（Re-amplifying））中中继继器，用于模拟信号的传输器，用于模拟信号的传输2R中中继继器器，，即即在在1R的的基基础础上上加加上上数数字字信信号号处处理理的的中中继继器，如整形（器，如整形（Reshaping）、噪声抑制等）、噪声抑制等3R中中 继继 器器 ，， 即即 在在 2R的的 基基 础础 上上 再再 增增 加加 重重 新新 定定 时时（（Retiming））与与判判决决功功能能的的中中继继器器，，可可以以实实现现数数字字再再生生 一、光电中继器一、光电中继器典型的数字光中继器原理框图典型的数字光中继器原理框图 这这样样的的中中继继器器是是由由一一个个没没有有线线路路码码型型变变换换和和反反变变换换的光接收和光发射相连接的系统的光接收和光发射相连接的系统 光光－－电电－－光光中中继继方方式式对对于于单单个个波波长长且且数数据据速速率率不不太太高的通信很适用高的通信很适用一、光电中继器一、光电中继器光光－－电电－－光光中中继继方方式式对对于于单单个个波波长长且且数数据据速速率率不不太太高的通信很适用高的通信很适用但但对对于于高高速速率率的的多多个个波波长长系系统统显显然然相相当当复复杂杂，，尤尤其其在波分复用系统中问题更为显著在波分复用系统中问题更为显著另另一一方方面面，，对对于于很很高高的的数数据据速速率率，，电电放放大大器器的的实实现现难度很大难度很大 二、全光中继器二、全光中继器全全光光中中继继方方式式是是直直接接在在光光路路上上放放大大光光信信号号，，即即克克服服光纤衰减的最有效的措施就是使用光放大器光纤衰减的最有效的措施就是使用光放大器光放大器从功能上来看属于光放大器从功能上来看属于1R再生器再生器 全光中继的工作原理全光中继的工作原理 二、全光中继器二、全光中继器目前全光放大器主要是掺铒光纤放大器目前全光放大器主要是掺铒光纤放大器用用掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器做做中中继继器器的的优优点点是是，，设设备备简简单单，，没有光－电－光的转换过程，工作频带宽没有光－电－光的转换过程，工作频带宽缺缺点点是是，，光光放放大大器器作作中中继继器器时时，，对对波波形形的的整整形形不不起起作用作用 小结小结要要实实现现光光信信号号接接收收，，首首先先要要完完成成光光信信号号的的检检测测，，即即光／电转换光／电转换 两种常见的光检测器：两种常见的光检测器：PIN光电二极管光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管 小结小结雪雪崩崩二二极极管管可可以以看看成成是是有有增增益益的的光光电电二二极极管管，，一一般般用在光接收机灵敏度要求较高的场合用在光接收机灵敏度要求较高的场合然然而而从从简简化化接接收收机机电电路路考考虑虑，，一一般般情情况况下下可可采采用用PIN光光电电二二极极管管作作光光检检测测器器，，通通过过在在PIN管管前前应应用用掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器作作光光前前置置放放大大（（EDFA+PIN）），，同同样可以带来高灵敏度样可以带来高灵敏度小结小结数字光接收机主要包括：数字光接收机主要包括：光检测器和前置放大器部分光检测器和前置放大器部分主放大器、均衡滤波器和自动增益控制部分主放大器、均衡滤波器和自动增益控制部分判决、再生部分判决、再生部分 光光检检测测器器和和前前置置放放大大器器的的作作用用是是实实现现光光／／电电转转换换，，并并进进行行预预放放大大，，是是光光接接收收机机的的核核心心，，其其性性能能是是决决定定光接收机性能的主要因素光接收机性能的主要因素 小结小结主主放放大大器器的的作作用用是是提提供供足足够够高高的的增增益益，，为为判判决决电电路路提提供供所所需需的的信信号号电电平平，，一一般般需需要要采采用用自自动动增增益益控控制制电电路路控控制制其其增增益益，，以以扩扩大大接接收收机机的的动动态态范范围围，，所所以以主主放放大大器器和和AGC决决定定着着光光接接收收机机的的动动态态范范围围；；均均衡衡滤滤波波器器是是将将主主放放大大器器输输出出的的失失真真数数字字脉脉冲冲进进行行整整形和补偿，有利于判决，减小码间干扰形和补偿，有利于判决，减小码间干扰判决、再生电路完成数字信号的恢复判决、再生电路完成数字信号的恢复 小结小结光光中中继继器器用用来来增增加加光光纤纤通通信信距距离离，，有有光光电电中中继继器器和和全光中继器全光中继器光光电电中中继继器器可可以以实实现现信信号号的的放放大大和和整整形形，，是是光光－－电电－光方式－光方式全全光光中中继继方方式式是是直直接接在在光光路路上上放放大大光光信信号号，，没没有有光光－电－光的转换过程，但不能完成波形整形－电－光的转换过程，但不能完成波形整形 第第6章章 光放大器光放大器第第6章章 光放大器光放大器由由于于光光纤纤的的损损耗耗，，光光纤纤的的传传输输距距离离受受到到限限制制。

当当光光纤纤路路径径损损耗耗超超过过可可用用的的功功率率极极限限时时，，需需要要增增加加中中继继器器传传统统的的光光中中继继器器采采用用光光－－电电－－光光结结构构，，这这种种方方式式对对中中等等速速率率的的单单波波长长光光纤纤系系统统很很适适用用，，但但对对于于高高速速并并且多波长的系统却相当复杂，而且价格昂贵且多波长的系统却相当复杂，而且价格昂贵目目前前，，已已经经可可以以采采用用光光放放大大器器在在光光域域对对光光纤纤的的两两个个长波长传输窗口的光信号功率进行放大长波长传输窗口的光信号功率进行放大 第第6章章 光放大器光放大器光光放放大大器器是是一一种种可可以以不不经经过过任任何何光光电电、、电电光光的的内内部部转换而直接放大光信号的放大器转换而直接放大光信号的放大器光光放放大大器器不不能能解解决决重重构构信信号号的的问问题题，，但但是是可可以以解解决决因为功率导致的传输距离限制问题因为功率导致的传输距离限制问题光光放放大大器器的的出出现现促促使使了了波波分分复复用用技技术术（（WDM））走走向向实用化实用化 在光通信系统中广泛使用的光放大器有两类在光通信系统中广泛使用的光放大器有两类其一是半导体激光放大器（其一是半导体激光放大器（SOA））其二是光纤放大器部件和功能性部件两大类其二是光纤放大器部件和功能性部件两大类第第6章章 光放大器光放大器6.1 光放大器的基本应用与分类光放大器的基本应用与分类6.2 半导体光放大器半导体光放大器6.3 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器6.4 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器6.1 光放大器的基本应用与分类光放大器的基本应用与分类以以1989年年诞诞生生的的掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器（（EDFA，，Erbium Doped Fiber Amplifier））为为代代表表的的光放大器技术可以说是光纤通信技术上的一次革命光放大器技术可以说是光纤通信技术上的一次革命光光放放大大器器在在光光纤纤通通信信系系统统中中最最重重要要的的应应用用就就是是促促使使了波分复用技术（了波分复用技术（WDM）走向实用化）走向实用化 光光放放大大器器不不仅仅应应用用于于长长距距离离点点对对点点光光纤纤链链路路，，而而且且在在多多址址接接入入网网中中补补偿偿信信号号分分路路损损耗耗上上也也得得到到广广泛泛应应用用 一、光放大器的基本应用形式一、光放大器的基本应用形式光光放放大大器器基基本本应应用用可可以以概概括括为为：：延延长长通通信信距距离离；；与与波波分分复复用用（（WDM））技技术术结结合合，，迅迅速速简简便便地地实实 现现 扩扩 容容 ；； 在在CATV网网和和局局域域网网中中用用作作功功率率补补偿偿，，扩大网径扩大网径 光纤链路放大器前置放大器长途光纤链路LAN功率放大器星形耦合器接收站功率放大器光发送光发送光发送光发送光接收光接收光接收光放大光放大用于不需要光再生只需要简单放大的场合用于不需要光再生只需要简单放大的场合在在单单模模链链路路中中，，光光纤纤色色散散的的影影响响较较小小，，限限制制中中继继距距离离的的主主要要因因素素是是光光纤纤衰衰减减，，这这种种链链路路不不一一定定需需要要信信号的完全再生，简单的光信号放大就足够了号的完全再生，简单的光信号放大就足够了因因此此，，对对于于损损耗耗限限制制链链路路，，光光放放大大器器可可以以用用来来补补偿偿传输损耗从而增加再生中继距离传输损耗从而增加再生中继距离 光纤链路放大器光发送光接收光放大光放大在在长长距距离离传传输输系系统统中中，，需需要要应应用用光光放放大大器器周周期期性性地地恢复因光纤损耗而减弱的光功率恢复因光纤损耗而减弱的光功率通通常常在线放放大大器器链链中中，，每每个个EDFA能能恰恰好好补补偿偿前前面面使使用用的的光光纤纤所所带带来来的的信信号号损损耗耗，，但但是是EDFA中中积积累累的自发辐射（的自发辐射（ASE）噪声会造成信噪比的恶化）噪声会造成信噪比的恶化 前置光放大前置光放大在在光光电电检检测测之之前前将将微微弱弱信信号号放放大大，，可可以以抑抑制制接接收收机机中热噪声造成的信噪比下降中热噪声造成的信噪比下降这这种种采采用用EDFA+PIN的的光光检检测测方方式式相相比比采采用用雪雪崩崩光光电电二二极极管管APD，，有有较较大大的的增增益益系系数数和和较较大大的的带带宽宽 前置放大器光发送光接收功率放大功率放大在在光光发发送送机机之之后后设设置置一一个个光光放放大大器器，，可可以以增增加加发发送送功率，从而增加光纤中继距离功率，从而增加光纤中继距离 由由于于作作为为功功率率放放大大，，直直接接放放在在光光发发射射机机后后面面，，输输入入的的功功率率电电平平一一般般较较高高，，通通常常 >-8 dBm，，一一般般要要求有较高的泵浦功率，以获得较高的输出功率求有较高的泵浦功率，以获得较高的输出功率 长途光纤链路功率放大器光发送光接收为为了了比比放放在在接接收收机机前前作作为为前前置置放放大大器器有有更更多多优优点点，，这这种种放放大大器器的增益要求大于的增益要求大于5 dB 功率补偿放大器功率补偿放大器在在局局域域网网中中用用做做附附加加的的放放大大器器，，用用于于补补偿偿局局域域网网（（LAN））中中的的插插入入损损耗耗和和功功率率分分配配损损耗耗，，可可以以有有效效扩大网径和用户数量扩大网径和用户数量给出一个在星形耦合器前放大光信号的例子给出一个在星形耦合器前放大光信号的例子 LAN功率放大器星形耦合器接收站光发送二、光放大器的分类二、光放大器的分类光光放放大大器器按按原原理理不不同同大大体体上上有有如如下下三三种种类类型型，，后后两两种也常统称为光纤放大器。

种也常统称为光纤放大器半半导导体体激激光光放放大大器器其其结结构构大大体体上上与与激激光光二二极极管管（（LD）相同，是基于半导体激光器工作原理的相同，是基于半导体激光器工作原理的掺掺杂杂光光纤纤放放大大器器在在光光纤纤原原材材料料中中掺掺入入其其它它元元素素，，形形成成掺掺杂杂光光纤纤掺掺杂杂光光纤纤放放大大器器是是利利用用稀稀土土金金属属离离子子作作为为激激光工作物质的一种放大器光工作物质的一种放大器传传输输光光纤纤放放大大器器它它是是根根据据光光纤纤中中的的非非线线性性效效应应制制成成的的光放大器光放大器二、光放大器的分类二、光放大器的分类光光放放大大器器的的基基本本原原理理是是受受激激辐辐射射或或受受激激散散射射效效应应，，其其基基本本机机制制和和激激光光器器的的发发光光原原理理非非常常相相似似，，但但没没有有反反馈馈机机制制，，因因而而可可以以放放大大信信号号但但不不能能产产生生相相干干光光输输出出 一一般般来来说说，，光光增增益益不不仅仅与与入入射射光光频频率率（（波波长长））有有关关，，也与放大器内部光束强度有关也与放大器内部光束强度有关光光增增益益与与频频率率和和强强度度的的关关系系取取决决于于放放大大器器增增益益介介质质的特性的特性 二、光放大器的分类二、光放大器的分类半半导导体体光光放放大大器器SOA虽虽然然先先于于掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器（（EDFA））产产生生，，但但目目前前，，波波长长为为1550 nm的的掺掺铒铒光纤放大器得到最为广泛的应用光纤放大器得到最为广泛的应用非非线线性性效效应应的的光光放放大大器器，，尤尤其其是是光光纤纤拉拉曼曼放放大大器器（（FRA））近近来来发发展展很很快快，，其其优优越越的的性性能能正正越越来来越越多多地引起人们的重视地引起人们的重视 6.2 半导体光放大器半导体光放大器利利用用处处于于粒粒子子反反转转状状态态的的半半导导体体PN结结对对光光的的增增益益效应可以实现对光信号的放大效应可以实现对光信号的放大 半半导导体体激激光光放放大大器器（（SOA，，Semiconductor Optical Amplifier））利利用用受受激激辐辐射射来来实实现现对对入入射射光光功功率率的的放放大大，，产产生生受受激激辐辐射射所所需需的的粒粒子子数数反反转转机制与半导体激光器中使用的完全相同机制与半导体激光器中使用的完全相同 SOA与与半半导导体体激激光光器器的的结结构构相相似似，，但但它它没没有有反反馈馈机制机制 6.2 半导体光放大器半导体光放大器SOA的基本工作原理的基本工作原理激激活活介介质质（（有有源源区区））吸吸收收了了外外部部泵泵浦浦提提供供的的能能量量，，电电子子获获得得了了能能量量跃跃迁迁到到较较高高的的能能级级，，产产生生粒粒子子数数反反转转输输入入光光信信号号通通过过受受激激辐辐射射过过程程激激活活这这些些电电子子，，使使其其跃迁到较低的能级，从而产生一个放大的光信号跃迁到较低的能级，从而产生一个放大的光信号 6.2 半导体光放大器半导体光放大器SOA有两种主要结构，即有两种主要结构，即法布里－珀罗放大器（法布里－珀罗放大器（FPA））非谐振的行波放大器（非谐振的行波放大器（TWA）） 法布里－珀罗放大器（法布里－珀罗放大器（FPA））在在FPA中中，，形形成成PN结结有有源源区区的的晶晶体体的的两两个个解解理理面面作为法布里－珀罗腔的部分反射镜作为法布里－珀罗腔的部分反射镜 为了提高反射率，可在两个端面上镀多层介电薄膜为了提高反射率，可在两个端面上镀多层介电薄膜 FPA的的制制作作容容易易，，但但要要求求注注入入电电流流和和温温度度的的稳稳定定性性较较高高，，光光信信号号的的输输出出对对放放大大器器的的温温度度和和入入射射光光的的频率变化敏感频率变化敏感非谐振的行波放大器（非谐振的行波放大器（TWA））TWA的的结结构构与与FPA的的基基本本相相同同，，但但两两个个端端面面上上镀镀的是增透膜，习惯称为防反射膜或涂层的是增透膜，习惯称为防反射膜或涂层AR 镀镀防防反反射射涂涂层层的的目目的的是是为为了了减减少少SOA与与光光纤纤之之间间的的耦耦合合损损耗耗，，因因此此有有源源区区不不会会发发生生内内反反射射，，但但只只要要注注入入的的电电流流在在阈阈值值以以上上，，在在腔腔内内仍仍可可获获得得增增益益，，入入射光信号只需通过一次射光信号只需通过一次TWA就会得到放大就会得到放大 TWA的的功功率率输输出出高高，，对对偏偏振振的的灵灵敏敏度度低低，，带带宽宽宽宽，，因而它比因而它比FPA使用更广使用更广6.2 半导体光放大器半导体光放大器要要特特别别注注意意的的是是，，TWA在在1300 nm窗窗口口用用作作放放大器，在大器，在1550窗口则用作波长变换器。

窗口则用作波长变换器SOA最最大大的的优优点点是是它它使使用用InGaAsP来来制制造造，，因因此此体体积积小小、、紧紧凑凑，，可可以以与与其其它它半半导导体体和和元元件件集集成成在在一起一起 6.3 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器（（EDFA，，Erbium Doped Fiber Amplifier）是目前最成熟的光放大器）是目前最成熟的光放大器EDFA是直接对光信号放大，那么是直接对光信号放大，那么增增大大中中继继距距离离，，实实现现超超长长距距离离传传输输（（如如海海底底光光纤纤通通信信））成为可能成为可能实现波分复用提高系统传输速率成为现实实现波分复用提高系统传输速率成为现实实现光时分复用以至光孤子传输前景更加明朗实现光时分复用以至光孤子传输前景更加明朗在在接接入入网网中中应应用用，，能能有有效效地地补补偿偿光光功功率率分分配配损损耗耗，，扩扩大大覆盖范围，降低成本造价覆盖范围，降低成本造价 6.3 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA具具有有高高增增益益、、宽宽带带宽宽、、低低噪噪声声、、对对偏偏振振不不敏敏感等一系列优点感等一系列优点最最重重要要的的是是其其放放大大的的光光谱谱范范围围在在1550 nm波波段段，，正正好好与与石石英英光光纤纤的的最最低低损损耗耗波波长长区区吻吻合合，，对对速速率率调调制透明制透明EDFA这这些些近近乎乎理理想想的的特特性性带带来来了了光光纤纤通通信信技技术术的的巨大进步巨大进步 一、一、EDFA的放大机理的放大机理在在常常规规的的光光纤纤中中掺掺入入一一定定的的其其它它元元素素，，如如铒铒、、镨镨等等，，在某一波段上，对激光有放大作用在某一波段上，对激光有放大作用铒铒（（Er））是是一一种种稀稀土土元元素素，，在在制制造造光光纤纤过过程程中中，，设设法法向向其其掺掺入入一一定定量量的的三三价价铒铒离离子子，，便便形形成成了了掺掺铒铒光光纤（纤（EDF））除除了了所所掺掺的的铒铒以以外外，，这这种种光光纤纤的的构构造造与与通通信信中中单单模模光纤的构造一样光纤的构造一样 一、一、EDFA的放大机理的放大机理掺掺铒铒光光纤纤Er3+的的简简单单能能级级图图和和不不同同能能级级的的跃跃迁迁过过程程基态基态 激发态激发态 亚稳态亚稳态 一、一、EDFA的放大机理的放大机理通通过过使使用用光光泵泵浦浦，，用用光光子子直直接接激激励励电电子子，，使使其其达达到到激激发发态态；；电电子子到到达达激激发发态态后后，，会会释释放放一一些些能能量量而而降降到到受受激激辐辐射射能能级级（（亚亚稳稳态态））；；在在这这个个能能级级上上，，信信号号光光子子触触发发电电子子产产生生受受激激辐辐射射，，并并且且产产生生与与信信号号光光子子波波长长相相同同的的新新的的光光子子而而释释放放出出剩剩余余能能量量，，从从而而得得到到信号光的放大信号光的放大由由于于泵泵浦浦光光能能量量高高于于信信号号光光能能量量，，所所以以泵泵浦浦光光波波长长比信号波长短一些比信号波长短一些 一、一、EDFA的放大机理的放大机理位位于于亚亚稳稳态态的的电电子子，，在在没没有有外外部部激激励励光光子子时时，，一一部部分会衰变回到基态，即产生自发辐射分会衰变回到基态，即产生自发辐射自自发发辐辐射射产产生生带带宽宽极极宽宽且且杂杂乱乱无无章章的的光光子子，，并并在在传传播播中中不不断断地地得得到到放放大大，，从从而而形形成成了了自自发发辐辐射射放放大大（（ASE，，Amplified Spontaneous Emission）噪声，并消耗了部分泵浦功率）噪声，并消耗了部分泵浦功率 一、一、EDFA的放大机理的放大机理当当能能量量相相当当于于从从基基态态到到亚亚稳稳态态间间带带隙隙能能量量的的信信号号光光子通过器件时，会产生两种类型的跃迁子通过器件时，会产生两种类型的跃迁其其一一，，处处在在基基态态的的粒粒子子将将吸吸收收一一小小部部分分光光子子，，从从而而跃跃迁迁到亚稳态，即产生受激吸收，如图到亚稳态，即产生受激吸收，如图6-3中的过程中的过程 ⑤⑤其其二二，，信信号号光光子子触触发发激激发发态态的的电电子子回回到到基基态态，，产产生生受受激激辐辐射射，，从从而而发发射射出出一一个个与与信信号号光光子子具具有有相相同同能能量量和和波波长长的新的光子，实现光的放大的新的光子，实现光的放大 二、二、EDFA的结构的结构EDFA由由掺掺杂杂光光纤纤、、一一个个或或多多个个泵泵浦浦光光源源、、光光耦耦合合器器、、光光隔隔离离器器等等组成组成 二、二、EDFA的结构的结构如如果果泵泵浦浦光光与与信信号号光光沿沿同同一一方方向向注注入入光光纤纤放放大大器器，，称为同向泵浦称为同向泵浦同向泵浦的噪声性能较好同向泵浦的噪声性能较好 二、二、EDFA的结构的结构也可以采用反向泵浦也可以采用反向泵浦反向泵浦可以获得较高的增益反向泵浦可以获得较高的增益 二、二、EDFA的结构的结构双向泵浦结构，典型的增益值是双向泵浦结构，典型的增益值是 +35 dB 三、三、EDFA主要特性参数主要特性参数掺铒光纤放大器的主要特性有掺铒光纤放大器的主要特性有增益特性增益特性带宽特性带宽特性噪声特性噪声特性 1．增益特性．增益特性增益定义为输出功率与输入功率之比增益定义为输出功率与输入功率之比增增益益表表示示了了放放大大器器的的光光放放大大能能力力，，增增益益的的大大小小与与泵泵浦光功率以及光纤长度等诸因素有关浦光功率以及光纤长度等诸因素有关 1．增益特性．增益特性EDFA的的输输入入、、输输出出功功率率可可以以应应用用能能量量守守恒恒原原理理表表示为示为物物理理意意义义是是EDFA输输出出信信号号能能量量不不能能超超过过注注入入的的泵泵浦能量浦能量可以看出，最大输出信号功率与比率可以看出，最大输出信号功率与比率λp/λs有关有关为为了了使使泵泵浦浦系系统统能能够够工工作作，，必必须须有有λp<λs，，为为了了得得到适当的增益，又必须满足到适当的增益，又必须满足Ps,in<

表现为：等有关表现为：在在输输入入小小信信号号情情况况下下，，光光放放大大器器的的噪噪声声系系数数（（NF））随随着着输输入入信信号号光光功功率率的的增增大大而而略略有有减减小小；；而而EDFA处处于于饱饱和状态时，噪声系数（和状态时，噪声系数（NF）随信号功率的增大而增大）随信号功率的增大而增大噪声系数（噪声系数（NF）随着泵浦功率的增加而减小）随着泵浦功率的增加而减小信信噪噪比比恶恶化化基基本本相相同同，，但但是是当当掺掺铒铒光光纤纤长长度度增增大大时时，，同同向向泵泵浦浦形形式式输输出出的的ASE功功率率最最小小，，因因而而噪噪声声系系数数最最低低；；双双向向泵泵浦浦形形式式的的噪噪声声系系数数居居中中；；反反向向泵泵浦浦形形式式的的噪噪声声系系数最高数最高 3．噪声特性．噪声特性理理论论与与实实践践已已经经证证明明，，利利用用受受激激辐辐射射进进行行放放大大的的光光放放大大器器，，其其噪噪声声系系数数最最小小值值为为3 dB，，这这是是光光放放大大器噪声系数的量子极限器噪声系数的量子极限通通常常情情况况下下，，用用980 nm泵泵浦浦的的EDFA，，在在泵泵浦浦功功率率足足够够大大时时，，噪噪声声系系数数可可以以接接近近3 dB；；用用1480 nm泵浦时，噪声系数在泵浦时，噪声系数在5~6 dB所以所以EDFA的噪声性能优于的噪声性能优于SOA 四、四、EDFA的特点与应用的特点与应用EDFA得到迅速的发展，源于它的一系列优点：得到迅速的发展，源于它的一系列优点：①① 工作波长与光纤最小损耗窗口一致工作波长与光纤最小损耗窗口一致②② 耦合效率高耦合效率高③③ 能量转换效率高能量转换效率高④④ 增益高，噪声低增益高，噪声低⑤⑤ 增益特性不敏感增益特性不敏感⑥⑥ 可实现信号的透明传输可实现信号的透明传输四、四、EDFA的特点与应用的特点与应用EDFA也也有有固固有有的的缺缺点点：：如如，，波波长长固固定定，，明明显显存存在在着着工工作作波波段段和和带带宽宽的的局局限限性性，，只只能能放放大大1550 nm左右的光波左右的光波再再者者，，增增益益带带宽宽不不平平坦坦，，在在WDM系系统统中中需需要要采采用用特殊的手段来进行增益谱补偿特殊的手段来进行增益谱补偿另另外外是是自自发发辐辐射射噪噪声声的的影影响响，，尤尤其其是是当当系系统统级级联联时时，，自自发发辐辐射射噪噪声声的的影影响响会会大大大大降降低低系系统统接接收收端端的的信信噪噪比比 四、四、EDFA的特点与应用的特点与应用EDFA在在DWDM系系统统中中作作为为线线路路放放大大、、功功率率放放大大、、前置放大是前置放大是EDFA的典型应用的典型应用 四、四、EDFA的特点与应用的特点与应用EDFA应应用用于于有有线线电电视视传传输输系系统统（（HFC系系统统））的的示示例例 6.4 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器EDFA为为 光光 纤纤 的的 最最 低低 损损 耗耗 区区 即即 C波波 段段（（1530~1565nm））提提供供了了很很好好的的放放大大，，也也可可适适当当设设计使其用于计使其用于L波段（波段（1565~1625nm）信号放大）信号放大而而 光光 纤纤 拉拉 曼曼 放放 大大 器器 （（ FRA，， Fiber Raman Amplifier）可以用于其它波段的放大）可以用于其它波段的放大 6.4 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器光光纤纤拉拉曼曼放放大大器器是是基基于于光光纤纤中中的的非非线线性性效效应应受受激激拉拉曼散射（曼散射（SRS）实现光信号的放大）实现光信号的放大拉拉曼曼放放大大器器具具有有全全波波段段放放大大特特性性和和可可利利用用传传输输光光纤纤作作为为在线放放大大以以及及优优良良的的噪噪声声特特性性等等优优点点，，发发展展迅迅速并已经走向商用速并已经走向商用 一、拉曼放大器工作原理一、拉曼放大器工作原理拉拉曼曼散散射射是是由由光光学学声声子子参参与与引引起起的的光光子子散散射射，，所所谓谓声子就是晶体或分子的振动声子就是晶体或分子的振动在在许许多多非非线线性性光光学学介介质质中中，，高高能能量量（（波波长长较较短短））的的泵泵浦浦光光散散射射，，将将一一小小部部分分入入射射功功率率转转移移到到另另一一频频率率下下移移的的光光波波，，频频率率下下移移量量由由介介质质的的振振动动模模式式决决定定，，此过程称为拉曼效应此过程称为拉曼效应 一、拉曼放大器工作原理一、拉曼放大器工作原理量子力学描述为：量子力学描述为：入入射射光光波波的的一一个个光光子子被被一一个个分分子子散散射射成成为为另另一一个个低低频频光光子子，，同同时时分分子子完完成成振振动动态态之之间间的的跃跃迁迁，，入入射射光光作作为为泵泵浦浦光产生了称为斯托克斯（光产生了称为斯托克斯（Stokes）波的频移光）波的频移光频频率率下下移移量量等等于于相相应应的的声声子子频频率率，，称称为为斯斯托托克克斯斯频频移移或或拉曼频移，满足拉曼频移，满足 斯托克斯托克斯频移斯频移 斯托克斯波（散斯托克斯波（散射波）频率射波）频率入射光入射光频率频率一、拉曼放大器工作原理一、拉曼放大器工作原理拉拉曼曼散散射射与与泵泵浦浦光光的的功功率率大大小小有有关关，，泵泵浦浦光光较较弱弱时时，，产生自发拉曼散射产生自发拉曼散射自自发发拉拉曼曼散散射射只只能能将将一一小小部部分分（（约约10-6））入入射射光光功功率率转转变变到到一一个个频频率率下下移移的的光光束束中中，，而而且且自自发发散散射射光是非相干光光是非相干光 泵泵浦浦光光超超过过某某个个阈阈值值，，是是很很强强的的相相干干光光时时，，产产生生受受激激拉拉曼曼散散射射，，利利用用受受激激拉拉曼曼散散射射可可以以实实现现光光信信号号放放大大 一、拉曼放大器工作原理一、拉曼放大器工作原理如如果果将将两两个个光光束束送送入入光光纤纤，，其其中中的的一一个个为为强强泵泵浦浦光光，，一个为信号光一个为信号光泵泵浦浦光光为为信信号号光光提提供供放放大大的的能能量量，，频频率率为为fp，，信信号号光光频频率率为为fs，，泵泵浦浦光光将将分分子子提提升升到到激激发发态态，，信信号号光光激激励励处处于于激激发发态态的的分分子子，，使使之之发发射射与与信信号号同同频频率率、、同相位的光子，由此信号光得到放大同相位的光子，由此信号光得到放大 一、拉曼放大器工作原理一、拉曼放大器工作原理实实际际上上，，拉拉曼曼散散射射并并不不仅仅仅仅发发生生在在13.2THz单单一一频频率率上上，，而而是是大大约约有有6THz的的带带宽宽（（波波长长范范围围约约45nm）） 如如果果一一个个弱弱信信号号与与一一强强泵泵浦浦光光波波同同时时在在光光纤纤中中传传输输，，并并使使弱弱信信号号波波长长置置于于泵泵浦浦光光的的拉拉曼曼增增益益带带宽宽内内，，弱弱信号光即可得到放大信号光即可得到放大一、拉曼放大器工作原理一、拉曼放大器工作原理在在连连续续波波的的工工作作条条件件下下，，并并忽忽略略泵泵浦浦光光消消耗耗，，光光纤纤拉曼放大器的增益可由式（拉曼放大器的增益可由式（6-7）表示）表示 拉曼增拉曼增益系数益系数 泵浦光泵浦光功率功率Leff为放大器有效长度，由式（为放大器有效长度，由式（6-8）表示）表示 泵浦光在光纤泵浦光在光纤中的衰减常数中的衰减常数传输距离传输距离 有效有效面积面积二、拉曼放大器结构二、拉曼放大器结构拉曼放大器结构和拉曼放大器结构和EDFA十分相似十分相似图为拉曼放大器反向泵浦结构图为拉曼放大器反向泵浦结构也可以采用同向泵浦或双向泵浦也可以采用同向泵浦或双向泵浦 三、拉曼放大器的特点与应用三、拉曼放大器的特点与应用拉曼放大器有三个突出的特点：拉曼放大器有三个突出的特点：①① 增益波长由泵浦光波长决定增益波长由泵浦光波长决定②② 增益介质可以为传输光纤本身增益介质可以为传输光纤本身③③ 噪声系数低噪声系数低 三、拉曼放大器的特点与应用三、拉曼放大器的特点与应用光纤拉曼放大器有两种类型光纤拉曼放大器有两种类型一一 类类 是是 分分 立立 式式 拉拉 曼曼 放放 大大 器器 （（ RA，， Raman Amplifier），也称为集总式），也称为集总式另另一一种种为为分分布布式式拉拉曼曼放放大大器器（（DRA，，Distributed Raman Amplifier）） 分立式拉曼放大器（分立式拉曼放大器（RA））所所用用的的光光纤纤增增益益介介质质比比较较短短，，一一般般在在几几公公里里，，泵泵浦浦功率要求很高，一般在瓦级功率要求很高，一般在瓦级可可以以像像EDFA一一样样可可用用来来对对光光信信号号进进行行集集中中放放大大，，主要作为高增益、高功率放大主要作为高增益、高功率放大 分布式拉曼放大器（分布式拉曼放大器（DRA））所所用用的的光光纤纤比比较较长长，，一一般般为为几几十十公公里里，，泵泵源源功功率率可可降降低低到到几几百百毫毫瓦瓦，，主主要要辅辅助助EDFA用用于于DWDM通通信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比三、拉曼放大器的特点与应用三、拉曼放大器的特点与应用拉拉曼曼放放大大器器最最美美好好的的应应用用前前景景是是可可以以使使用用多多个个泵泵浦浦源来扩展放大带宽源来扩展放大带宽总总增增益益是是多多个个泵泵浦浦源源所所提提供供的的增增益益的的和和，，由由于于泵泵浦浦源源频频率率的的差差异异，，使使得得多多个个增增益益峰峰值值是是错错开开的的，，可可以以构构 建建 工工 作作 带带 宽宽 超超 过过 100nm（（ 例例 如如1500~1600nm）的宽带放大器）的宽带放大器 小结小结光光放放大大器器在在光光域域提提升升信信号号的的功功率率，，达达到到延延长长通通信信距距离的目的离的目的 虽虽然然半半导导体体光光放放大大器器出出现现较较早早，，但但掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器（（EDFA）首先商用化）首先商用化 目前，目前，EDFA是使用最为普遍的光放大器是使用最为普遍的光放大器光光纤纤放放大大器器技技术术对对光光纤纤通通信信的的影影响响巨巨大大，，EDFA促促进了进了WDM技术走向实用化技术走向实用化 小结小结光光纤纤拉拉曼曼放放大大器器为为传传输输光光纤纤放放大大器器，，是是根根据据光光纤纤中中的的非非线线性性效效应应受受激激拉拉曼曼散散射射（（SRS））制制成成的的光光放放大大器器，，具具有有全全波波段段放放大大特特性性和和可可利利用用传传输输光光纤纤做做在线放放大大以以及及优优良良的的噪噪声声特特性性等等优优点点，，发发展展迅迅速速并并已已经经走向商用走向商用 第第7章章 SDH与数字光纤传输系统与数字光纤传输系统第第7章章 SDH与数字光纤传输系统与数字光纤传输系统在在前前面面各各章章中中讨讨论论了了光光纤纤传传输输媒媒质质、、光光源源与与光光发发送送机机、、光光检检测测器器与与光光接接收收机机，，还还讨讨论论了了光光纤纤的的连连接接和和用于连接光缆、光源以及光检测器的连接器用于连接光缆、光源以及光检测器的连接器将将这这些些分分立立的的模模块块组组合合到到一一起起就就形形成成一一条条完完整整的的光光纤传输链路，从而构成光纤通信系统纤传输链路，从而构成光纤通信系统 第第7章章 SDH与数字光纤传输系统与数字光纤传输系统从从20世世纪纪70年年代代光光纤纤通通信信进进入入实实用用化化后后，，迅迅速速成成为电信传输的主要手段为电信传输的主要手段一一般般而而言言，，光光纤纤通通信信系系统统最最主主要要、、最最基基本本的的功功能能是是完完成成大大信信息息量量的的传传输输，，所所以以也也更更明明确确地地称称光光纤纤通通信信系统为光纤传输系统系统为光纤传输系统传传输输系系统统是是通通信信网网的的重重要要组组成成部部分分，，传传输输系系统统的的好好坏直接制约着通信网的发展坏直接制约着通信网的发展第第7章章 SDH与数字光纤传输系统与数字光纤传输系统光光纤纤传传输输系系统统为为各各个个国国家家乃乃至至全全球球的的信信息息基基础础设设施施建设提供了大容量、可靠的信息传输手段建设提供了大容量、可靠的信息传输手段尽尽管管基基于于IP技技术术的的数数据据通通信信迅迅猛猛增增长长，，但但从从传传输输体制上，同步数字体系（体制上，同步数字体系（SDH）仍然占据主导地位）仍然占据主导地位实际上，实际上，SDH也能够很好地传送也能够很好地传送IP数据包数据包 SDH具具有有标标准准化化接接口口、、灵灵活活的的上上／／下下业业务务能能力力和和强大的网管等特点，是目前全球最重要的传送体制强大的网管等特点，是目前全球最重要的传送体制 第第7章章 光纤通信系统光纤通信系统7.1 PDH准同步数字体系准同步数字体系7.2 SDH同步传输体系同步传输体系7.3 数字光纤传输系统的设计数字光纤传输系统的设计7.4 数字光纤系统的性能指标数字光纤系统的性能指标 7.1 PDH准同步数字体系准同步数字体系准准同同步步数数字字体体系系（（PDH））是是20世世纪纪60年年代代逐逐步步发发展展起起来来的的一一种种数数字字复复用用多多路路技技术术，，当当时时正正致致力力于于语语音音信信号号的的数数字字化化传传输输与与复复用用，，如如PCM 30/32路路系统系统由由于于数数字字通通信信技技术术的的应应用用是是从从市市话话中中继继传传输输开开始始的的，，为为了了适适应应点点对对点点的的应应用用而而选选择择了了准准同同步步复复用用方方式式，，以以实实现现在在同同一一信信道道上上传传输输多多路路信信号号，，从从而而提提高高信信道道利用率利用率 7.1 PDH准同步数字体系准同步数字体系世界各国使用的世界各国使用的PDH设备有不同的标准设备有不同的标准 根根据据ITU-T的的G.702建建议议，，PDH的的基基群群速速率率有有两两种种，，即即PCM 30/32路路系系统统（（E1））和和PCM 24路路系统（系统（T1或或DS1））我我国国和和欧欧洲洲各各国国采采用用的的是是PCM 30/32路路系系统统，，基群速率为基群速率为2.048 Mb/s美美国国和和日日本本采采用用的的是是PCM 24路路系系统统，，基基群群速速率率为为1.544 Mb/s 7.1 PDH准同步数字体系准同步数字体系PDH各次群的标准速率各次群的标准速率 我国及欧洲我国及欧洲北美北美日本日本一次群一次群30/32路路2.048 Mb/s24路路1.544 Mb/s24路路1.544 Mb/s二次群二次群30×4 = 120路路2.048×4 + 0.256 = 8.448 Mb/s24×4 = 96路路1.544×4 + 0.136 = 6.312 Mb/s24×4 = 96路路1.544×4 + 0.136 = 6.312 Mb/s三次群三次群120×4 = 480路路8.448×4 + 0.576 = 34.368 Mb/s96×7 = 672路路6.312×7 + 0.552 = 44.736 Mb/s96×5 = 480路路6.312×5 + 0.504 = 32.064 Mb/s四次群四次群480×4 = 1920路路34.368×4 + 1.792 = 139.264 Mb/s672×2 = 1344路路44.736×2 + 0.528 = 90 Mb/s480×3 = 1440路路32.064×3 + 1.536 = 97.728 Mb/s7.1 PDH准同步数字体系准同步数字体系PDH可可以以很很好好地地适适应应传传统统的的点点对对点点通通信信，，但但这这种种数字系列主要是为话音设计的数字系列主要是为话音设计的PCM技术在复接成一次群时，采用同步复接技术在复接成一次群时，采用同步复接但但在在复复接接成成二二、、三三、、四四次次群群时时要要采采用用异异步步复复接接，，通通过过增增加加额额外外比比特特（（正正码码速速调调整整））使使各各支支路路信信号号和和复复接接设设备备同同步步，，虽虽然然各各支支路路的的数数字字信信号号流流标标称称值值相相同同，，但主时钟是彼此独立的但主时钟是彼此独立的 7.1 PDH准同步数字体系准同步数字体系PDH各各次次群群比比特特率率相相对对于于其其标标准准值值有有一一个个规规定定的的容容差差（（允允许许的的偏偏差差标标称称值值）），，而而且且是是异异源源的的，，这这种种对比特率偏差的约束就是所称的准同步工作对比特率偏差的约束就是所称的准同步工作一一次次群群至至四四次次群群接接口口比比特特率率早早在在1976年年就就实实现现了了标准化，并得到各国广泛采用标准化，并得到各国广泛采用PDH主要适用于中、低速率点对点的传输主要适用于中、低速率点对点的传输 7.1 PDH准同步数字体系准同步数字体系PDH的的复复用用方方式式很很明明显显不不能能满满足足大大容容量量信信息息传传输输的要求的要求另另外外PDH体体制制的的地地区区性性规规范范也也使使网网络络互互连连增增加加了了难度难度不能适应现代通信网对信号宽带化、多样化的要求不能适应现代通信网对信号宽带化、多样化的要求制约了传输网向更高的速率发展制约了传输网向更高的速率发展 PDH传输体制的缺陷传输体制的缺陷PDH传输体制的缺陷体现在以下几个方面：传输体制的缺陷体现在以下几个方面： (1) 接口方面接口方面只只有有地地区区性性的的电电接接口口规规范范。

我我国国和和欧欧洲洲、、北北美美、、日日本本各各自自有有不不同同的的PDH数数字字体体系系，，这这些些体体系系互互不不兼兼容容，，造造成成国际互通的困难国际互通的困难 没没有有统统一一的的光光接接口口规规范范为为了了完完成成设设备备对对光光路路上上的的传传输输性性能能进进行行监监控控各各厂厂家家各各自自采采用用自自行行开开发发的的线线路路码码型型，，不不同同厂厂家家同同一一速速率率等等级级的的光光接接口口码码型型和和速速率率不不一一样样，，致致使使不同厂家的设备无法实现横向兼容不同厂家的设备无法实现横向兼容 PDH传输体制的缺陷传输体制的缺陷PDH传输体制的缺陷体现在以下几个方面：传输体制的缺陷体现在以下几个方面：(2) 复用方式复用方式PDH的的高高次次群群是是异异步步复复接接，，每每次次复复接接就就进进行行一一次次码码速速调整，用来匹配和容纳时钟的差异调整，用来匹配和容纳时钟的差异导导致致当当低低速速信信号号复复用用到到高高速速信信号号时时，，在在高高速速信信号号的的帧帧结结构中的位置没有规律性和固定性构中的位置没有规律性和固定性无法直接从高次群中提取低速支路信号无法直接从高次群中提取低速支路信号 PDH传输体制的缺陷传输体制的缺陷PDH传输体制的缺陷体现在以下几个方面：传输体制的缺陷体现在以下几个方面：(3) 运行维护方面运行维护方面PDH预预留留的的插插入入比比特特（（开开销销字字节节））较较少少，，这这也也就就是是为为什什么么在在设设备备进进行行光光路路上上的的线线路路编编码码时时，，要要通通过过增增加加冗冗余余编码来完成线路性能监控功能的原因编码来完成线路性能监控功能的原因开开销销字字节节少少，，对对完完成成传传输输网网的的分分层层管管理理、、性性能能监监控控、、业业务务的的实实时时调调度度、、传传输输带带宽宽的的控控制制、、告告警警的的分分析析定定位位很很不不利利使得网络的运行、管理和维护（使得网络的运行、管理和维护（OAM）较困难）较困难 PDH传输体制的缺陷传输体制的缺陷PDH传输体制的缺陷体现在以下几个方面：传输体制的缺陷体现在以下几个方面：(4) 没有统一的网管接口没有统一的网管接口由由于于没没有有统统一一的的标标准准，，各各厂厂家家提提供供的的管管理理系系统统不不兼兼容容，，不利于形成统一的电信管理网不利于形成统一的电信管理网 7.1 PDH准同步数字体系准同步数字体系PDH体体系系建建立立在在点点对对点点传传输输的的基基础础上上，，网网络络结结构构较较为为简简单单，，无无法法提提供供最最佳佳的的路路由由选选择择，，使使得得设设备备利利用率较低用率较低凡凡此此种种种种缺缺陷陷导导致致了了一一种种新新的的数数字字体体系系－－同同步步光光网网络络 （（ SONET，， Synchronous Optical Network）的产生）的产生最最初初提提出出这这个个概概念念的的是是美美国国贝贝尔尔通通信信研研究究所所。

SONET于于1986年成为美国新的数字体系标准年成为美国新的数字体系标准7.1 PDH准同步数字体系准同步数字体系1988年年，，CCITT接接受受了了SONET的的概概念念并并重重新新命命名名 为为 同同 步步 数数 字字 体体 系系 （（ SDH，， Synchronous Digital Hierarchy））SDH后后来来又又经经过过修修改改和和完完善善，，成成为为涉涉及及比比特特率率、、网网络络节节点点接接口口、、复复用用结结构构、、复复用用设设备备、、网网络络管管理理、、线线路路系系统统、、光光接接口口、、信信息息模模型型、、网网络络结结构构等等一一系系列列标标准准，，成成为为不不仅仅适适用用于于光光纤纤传传输输，，也也适适用用于于微微波波和和卫星传输的数字通信技术体制卫星传输的数字通信技术体制 7.1 PDH准同步数字体系准同步数字体系随随着着光光通通信信技技术术的的发发展展，，按按国国家家组组网网的的有有关关规规定定，，近近年年来来，，PDH系系列列设设备备只只在在公公网网中中用用作作市市话话网网的的中继传输系统中继传输系统但但是是，，在在许许多多专专用用信信息息传传输输系系统统中中它它仍仍然然得得到到广广泛泛应用应用在在我我国国公公用用电话网网及及数数据据网网中中，，PDH系系列列的的数数字字结结构构主主要要用用于于数数字字网网络络接接口口标标准准，，特特别别是是2Mb/s速速率率的的接接口口，，在在数数据据、、卫卫星星、、移移动动通通信信系系统统中中普普遍遍采用采用 7.2 SDH同步传输体系同步传输体系SDH发发展展到到今今天天，，已已经经不不是是一一种种新新技技术术，，而而是是一一种成熟的技术种成熟的技术有有学学者者认认为为：：SDH将将被被以以WDM为为基基础础的的光光传传送送网所取代网所取代但是在今后一段时间内，但是在今后一段时间内，SDH仍有生命力仍有生命力这这不不仅仅因因为为大大量量建建设设的的SDH系系统统要要继继续续使使用用，，还还因因为为WDM光光传传送送网网还还没没有有解解决决SDH已已经经很很好好解解决的三个问题决的三个问题 7.2 SDH同步传输体系同步传输体系首首先先，，SDH本本质质是是数数字字传传输输，，能能对对传传输输质质量量实实现现端到端的全程监控，一旦有故障，可以很好定位；端到端的全程监控，一旦有故障，可以很好定位；其其次次，，现现有有完完善善的的保保护护和和恢恢复复机机制制可可以以实实现现网网络络自自愈；愈；最后，最后，SDH有有效的网管有有效的网管 7.2 SDH同步传输体系同步传输体系今后独立的今后独立的SDH设备发展速度可能放缓设备发展速度可能放缓但但是是SDH原原理理（（标标准准））还还会会被被其其它它通通信信领领域域的的设设备采用备采用特特别别是是在在传传送送网网的的边边沿沿，，当当传传输输速速率率在在2.5 Gb/s或或10 Gb/s以以下下的的场场合合，，SDH仍仍然然是是最最有有效效的的组组网技术网技术 一、一、SDH的特点的特点SDH概概念念的的核核心心是是从从统统一一的的国国家家电电信信网网和和国国际际互互通通的的高高度度来来组组建建数数字字通通信信网网，，组组建建的的网网络络是是一一个个高高度统一的、标准化的、智能化的网络度统一的、标准化的、智能化的网络采采用用全全球球统统一一的的接接口口以以实实现现设设备备多多厂厂家家环环境境的的兼兼容容，，在在全全程程全全网网范范围围实实现现高高效效的的协协调调一一致致的的管管理理和和操操作作，，实实现现灵灵活活的的组组网网与与业业务务调调度度，，实实现现网网络络自自愈愈功功能能，，提提高高网网络络资资源源利利用用率率，，由由于于维维护护功功能能的的加加强强大大大大降降低了设备的运行维护费用低了设备的运行维护费用 1．．SDH的优点的优点和和PDH相比，相比，SDH有如下优势：有如下优势：(1) 接口方面接口方面电电接接口口方方面面，，SDH体体制制对对网网络络节节点点接接口口（（NNI））作作了了统一的规范统一的规范线线路路接接口口（（这这里里指指光光口口））采采用用世世界界性性统统一一标标准准规规范范，，SDH信信号号的的线线路路编编码码仅仅对对信信号号进进行行扰扰码码，，不不再再进进行行冗冗余余码码的的插插入入，，所所以以SDH的的线线路路信信号号速速率率与与SDH电电口口标标准信号速率相一致准信号速率相一致 1．．SDH的优点的优点和和PDH相比，相比，SDH有如下优势：有如下优势：(2) 复用方式复用方式由由于于低低速速SDH信信号号是是以以字字节节间间插插方方式式复复用用进进高高速速SDH信信号号的的帧帧结结构构中中，，这这样样就就使使低低速速SDH信信号号在在高高速速SDH信信号号帧帧中中的的位位置置是是固固定定的的、、有有规规律律性性的的，，也也就就是是说说是是可可预见的预见的采采用用同同步步复复用用方方式式和和灵灵活活的的映映射射结结构构，，将将PDH低低速速支支路路信信号号复复用用进进SDH信信号号的的帧帧中中（（STM-N）），，这这样样使使低低速支路信号在速支路信号在STM-N帧中的位置也是可预见的帧中的位置也是可预见的 1．．SDH的优点的优点和和PDH相比，相比，SDH有如下优势：有如下优势：(3) 运行维护方面运行维护方面SDH信信号号的的帧帧结结构构中中安安排排了了丰丰富富的的、、用用于于运运行行维维护护（（OAM））功功能能的的开开销销字字节节（（大大约约占占整整个个帧帧的的5%）），，使使网网络络的的监监控控功功能能大大大大加加强强，，因因此此SDH不不再再需需要要线线路路冗余编码（只有扰码），也使系统的维护费用大大降低冗余编码（只有扰码），也使系统的维护费用大大降低SDH系系统统的的综综合合成成本本要要比比PDH系系统统的的综综合合成成本本低低，，据据估算约为估算约为PDH系统的系统的65.8% 1．．SDH的优点的优点和和PDH相比，相比，SDH有如下优势：有如下优势：(4) 兼容性兼容性SDH有有很很强强的的兼兼容容性性。

在在网网络络边边界界处处，，SDH以以容容器器的的方方式式将将各各种种体体制制的的低低速速信信号号装装载载进进STM-1信信号号的的帧帧结结构构中中，，这这样样可可以以传传输输PDH数数字字信信号号系系列列和和其其它它的的各各种种体制的数字信号系列（如体制的数字信号系列（如ATM））从而体现了从而体现了SDH的前向兼容性和后向兼容性的前向兼容性和后向兼容性 2．．SDH的不足的不足SDH的的优优点点中中，，最最核核心心的的是是同同步步复复用用、、标标准准的的光光接口和强大的网络管理功能接口和强大的网络管理功能但但是是，，凡凡事事有有利利就就有有弊弊，，SDH的的这这些些优优点点是是以以牺牺牲其它方面为代价的牲其它方面为代价的 (1) 频带利用率低频带利用率低如如PDH的的四四次次群群（（140 Mb/s））可可以以容容纳纳64×2 Mb/s信息量信息量而同样信息量，在而同样信息量，在SDH是是155 Mb/s（（STM-1）） 2．．SDH的不足的不足但但是是，，凡凡事事有有利利就就有有弊弊，，SDH的的这这些些优优点点是是以以牺牺牲其它方面为代价的牲其它方面为代价的(2) 指针调整机理复杂指针调整机理复杂指指针针的的作作用用就就是是时时刻刻指指示示低低速速信信号号的的位位置置，，以以便便在在拆拆包包时时能能正正确确地地拆拆分分出出所所需需的的低低速速信信号号，，实实现现从从高高速速信信号号中中直接分／插出低速支路信号直接分／插出低速支路信号指指针针的的使使用用是是SDH的的一一大大特特色色，，但但指指针针功功能能的的实实现现增增加加了了系系统统的的复复杂杂性性，，并并使使系系统统产产生生SDH的的一一种种特特有有抖抖动－由指针调整引起的结合抖动动－由指针调整引起的结合抖动 2．．SDH的不足的不足但但是是，，凡凡事事有有利利就就有有弊弊，，SDH的的这这些些优优点点是是以以牺牺牲其它方面为代价的牲其它方面为代价的(3) 软件的大量使用对系统安全性的影响软件的大量使用对系统安全性的影响软软件件在在系系统统中中占占有有相相当当大大的的比比重重，，这这就就使使系系统统很很容容易易受受到计算机病毒的侵害到计算机病毒的侵害另另外外，，在在网网络络层层上上人人为为的的错错误误操操作作，，软软件件故故障障对对系系统统的的影响也是致命的影响也是致命的所以系统的安全性就成了很重要的一个方面所以系统的安全性就成了很重要的一个方面 二、二、SDH帧结构帧结构SDH帧结构是实现帧结构是实现SDH网络的基础网络的基础对它的基本要求是：对它的基本要求是：能能够够满满足足对对低低速速支支路路（（2/34/140 Mb/s））的的同同步步复复用、交叉连接（用、交叉连接（DXC）和交换；）和交换；支支路路信信号号在在一一帧帧内内均均匀匀地地、、有有规规律律地地分分布布，，便便于于分分出出／／插入；插入；对对PDH的的1.544 Mb/s系系列列和和2.048 Mb/s系系列列都都具有统一的方便性和实用性具有统一的方便性和实用性 1．帧结构．帧结构ITU-T的的G.707协协议议规规范范规规定定的的STM-N帧帧是是以以字节（字节（8 bit）为单位的矩形块状帧结构）为单位的矩形块状帧结构 信息净负信息净负荷区域荷区域段开销段开销区域区域管理单元管理单元指针区域指针区域1．帧结构．帧结构帧帧结结构构中中字字节节的的传传输输是是从从左左到到右右，，从从上上而而下下顺顺序序传传输，每秒输，每秒8000帧帧对于对于STM-1而言，帧长（容量）为而言，帧长（容量）为9×270×1=2430 Byte；；每帧比特数是每帧比特数是9×270×8=19440 bit；；STM-1传送码率为传送码率为19440×8000=155.520 Mb/s 1．帧结构．帧结构信息净负荷（信息净负荷（Payload）区域）区域 信息净负荷区域是帧结构中存放各种信息负荷的地方信息净负荷区域是帧结构中存放各种信息负荷的地方当当然然，，其其中中还还有有少少量量的的用用于于通通道道性性能能监监视视、、管管理理和和控控制制的通道开销（的通道开销（POH））通通常常，，POH作作为为净净负负荷荷的的一一部部分分与与其其一一起起在在网网络络中中传传送送它它负负责责对对低低速速支支路路信信号号（（例例如如2.048 Mb/s信信号号））进进行通道性能监视管理和控制行通道性能监视管理和控制 1．帧结构．帧结构段开销（段开销（SOH，，Section OverHead）区域）区域 段段开开销销（（SOH））是是STM帧帧结结构构中中为为了了保保证证信信息息净净负负荷荷正常、灵活传送所必须的附加字节正常、灵活传送所必须的附加字节是是供供网网络络运运行行、、管管理理和和维维护护（（OAM））使使用用的的字字节节，，详详细的安排在后面讨论细的安排在后面讨论注意，注意，SOH和和POH监控、管理的对象不同监控、管理的对象不同 1．帧结构．帧结构管管理理单单元元指指针针（（AU-PTR，，Administration Unit Pointer）区域）区域 管管理理单单元元指指针针（（AU-PTR））是是一一种种指指示示符符，，用用来来指指示示信信息息净净负负荷荷的的第第一一个个字字节节在在STM-N帧帧中中的的准准确确位位置置，，以以便便在在接接收收端端能能根根据据这这个个位位置置指指示示符符的的值值（（指指针针值值））正正确确分离信息净负荷分离信息净负荷 采采用用指指针针方方式式是是SDH的的重重要要创创新新，，可可以以使使之之在在准准同同步步环境中完成复用同步和环境中完成复用同步和STM-N信号的帧定位信号的帧定位 这这一一方方法法消消除除了了常常规规准准同同步步系系统统中中滑滑动动缓缓存存器器引引起起的的延延时和性能损伤时和性能损伤 2．．STM-1段开销段开销首先明确段的含义首先明确段的含义段段被被定定义义为为在在两两个个中中继继器器之之间间或或在在一一个个中中继继器器与与一一个个线线路路终终端端设设备备（（LTE，，Line Terminating Equipment）之间的链路）之间的链路 2．．STM-1段开销段开销段段开开销销包包括括再再生生段段开开销销（（RSOH））和和复复用用段段开开销销（（RSOH），分别对相应的段层进行监控），分别对相应的段层进行监控RSOH是对应一个大的范围是对应一个大的范围STM-NMSOH是是对对应应这这个个大大的的范范围围中中的的一一个个小小的的范范围围STM-1 例例如如，，若若光光纤纤上上传传输输的的是是2.5 Gb/s信信号号，，那那么么RSOH监控的是监控的是STM-16整体的传输性能整体的传输性能而而MSOH则则是是监监控控STM-16信信号号中中每每一一个个STM-1的的性性能情况能情况 2．．STM-1段开销段开销对对于于STM-1而而言言，，相相当当于于每每帧帧72字字节节（（576 bits）可用于段开销）可用于段开销由由于于8000帧帧／／秒秒，，所所以以STM-1每每秒秒有有4.068 Mbits可用于网络运行、管理和维护可用于网络运行、管理和维护和和PDH相相比比，，丰丰富富的的段段开开销销是是SDH帧帧结结构构的的一一个个重要特点重要特点 2．．STM-1段开销段开销STM-1段开销的字节安排段开销的字节安排 1111011000101000与传输介质有与传输介质有关的特征字节关的特征字节国内使用国内使用保留字节保留字节不扰码的不扰码的国内使用国内使用字节字节三、三、SDH的复用结构的复用结构SDH的复用包括两种情况的复用包括两种情况一种是低阶的一种是低阶的SDH信号复用成高阶信号复用成高阶SDH信号信号另另一一种种是是低低速速支支路路信信号号，，例例如如2 Mb/s、、34 Mb/s、、140 Mb/s，复用成，复用成SDH信号信号STM-N将将低低阶阶的的SDH信信号号（（如如STM-1））复复用用成成高高阶阶SDH信信号号（（如如STM-16））通通过过字字节节间间插插复复用用方方式式来完成来完成在复用过程中保持帧频不变（在复用过程中保持帧频不变（8000帧／秒）帧／秒）复复用用过过程程中中，，各各帧帧的的信信息息净净负负荷荷和和指指针针字字节节按按原原值值进行间插复用，而段开销则会有些取舍进行间插复用，而段开销则会有些取舍 三、三、SDH的复用结构的复用结构第第二二种种情情况况用用得得最最多多的的就就是是将将PDH信信号号复复用用进进STM-N信号中去信号中去传统的将低速信号复用成高速信号的方法有两种：传统的将低速信号复用成高速信号的方法有两种：一是脉冲插入法又称正码速调整法一是脉冲插入法又称正码速调整法 另一种是固定位置映射法另一种是固定位置映射法 这两种复用方式都有一些缺陷这两种复用方式都有一些缺陷比特塞入法无法从高速信号中上／下低速支路信号比特塞入法无法从高速信号中上／下低速支路信号固定位置映射法引入的信号时延过大固定位置映射法引入的信号时延过大 1．．SDH复用结构复用结构SDH网网的的兼兼容容性性要要求求SDH的的复复用用方方式式既既能能满满足足异异步步复复用用，，例例如如将将PDH信信号号复复用用进进STM-N，，又又能能满满足同步复用，例如足同步复用，例如STM-1到到STM-4而而且且能能方方便便地地由由高高速速STM-N信信号号分分／／插插出出低低速速信信号，同时不造成较大的信号时延和滑动损伤号，同时不造成较大的信号时延和滑动损伤这这就就要要求求SDH需需采采用用自自己己独独特特的的一一套套复复用用步步骤骤和和复用结构复用结构 1．．SDH复用结构复用结构ITU-T规规定定了了一一整整套套完完整整的的复复用用结结构构，，也也就就是是复复用路线用路线通通过过这这些些路路线线可可将将PDH的的3个个系系列列的的数数字字信信号号，，以多种方法复用成以多种方法复用成STM-N信号信号 1．．SDH复用结构复用结构G.707复用结构复用结构容器容器虚容器虚容器支路支路单元单元支路单支路单元组元组管理管理单元单元容容器器（（C））是是一一种种用用来来装装载载各各种种速速率率的业务信号的信息结构。

的业务信号的信息结构各各种种低低速速率率等等级级的的数数字字信信号号分分别别进进入入其其相相应应的的接接口口容容器器C，，主主要要完完成成其适配功能其适配功能已已装装载载的的标标准准容容器器又又作作为为虚虚容容器器的的信息净负荷信息净负荷 VC-n=C-n+VC-nPOH在在SDH网网络络中中始始终终保保持持完完整整不不变变，，独独立立地地在在通通道道的任意一点进行分出、插入或交叉连接的任意一点进行分出、插入或交叉连接 TU-n=VC-n+TU-nPTR一个或多个一个或多个TU的集合称为支路单元组（的集合称为支路单元组（TUG）） AU-n=VC-n+AU-nPTR一个或多个一个或多个AU的集合称为管理单元组的集合称为管理单元组AUG2．复用单元．复用单元SDH基本复用单元包括：基本复用单元包括：容器（容器（C-n））虚容器（虚容器（VC-n））支路单元（支路单元（TU-n）、支路单元组（）、支路单元组（TUG-n））管理单元（管理单元（AU-n）、管理单元组（）、管理单元组（AUG-n））n为为PDH系列等级序号系列等级序号 2．复用单元．复用单元(1) 容器（容器（C））容器（容器（C）是一种用来装载各种速率业务信号的信息结构）是一种用来装载各种速率业务信号的信息结构针针对对PDH速速率率系系列列，，ITU-T G.707建建议议规规定定了了C-11、、C-12、、C-2、、C-3、、C-4五五种种标标准准容容器器，，分分别别对对应应1.544Mb/s、、2.048Mb/s、、6.312Mb/s、、34.368Mb/s（（44.736Mb/s）、）、139.264Mb/s 各各种种低低速速率率等等级级的的数数字字信信号号分分别别进进入入其其相相应应的的接接口口容容器器C，主要完成其适配功能，主要完成其适配功能已装载的标准容器又作为虚容器的信息净负荷已装载的标准容器又作为虚容器的信息净负荷 2．复用单元．复用单元(2) 虚容器（虚容器（VC））虚虚容容器器（（VC））是是用用来来支支持持SDH的的通通道道层层连连接接的的信信息息结结构构它它是是SDH通通道道的的信信息息终终端端，，其其信信息息由由容容器器的的输输出出和和通通道开销（道开销（POH）组成，即）组成，即VC是是SDH中中最最重重要要的的信信息息结结构构，，它它仅仅在在PDH/SDH网网络络边边界界处处才才进进行行分分接接，，在在SDH网网络络中中始始终终保保持持完完整整不不变变，，独独立立地地在在通通道道的的任任意意一一点点进进行行分分出出、、插插入入或或交交叉叉连接连接 2．复用单元．复用单元(3) 支路单元（支路单元（TU）和支路单元组（）和支路单元组（TUG））支支路路单单元元（（TU））是是提提供供低低阶阶通通道道层层和和高高阶阶通通道道层层之之间间适配的信息结构适配的信息结构由由一一个个相相应应低低阶阶VC-n和和一一个个相相应应的的支支路路指指针针TU-nPTR组成，即组成，即一个或多个一个或多个TU的集合称为支路单元组（的集合称为支路单元组（TUG））2．复用单元．复用单元(4) 管理单元（管理单元（AU）和管理单元组（）和管理单元组（AUG））管管理理单单元元是是提提供供高高阶阶通通道道层层与与复复用用层层之之间间适适配配的的信信息息结结构构有有AU-3和和AU-4两种管理单元两种管理单元由由一一个个相相应应的的高高阶阶VC-n和和相相应应的的管管理理单单元元指指针针AU-nPTR组成，即组成，即一个或多个一个或多个AU的集合称为管理单元组的集合称为管理单元组AUG 2．复用单元．复用单元从从一一个个有有效效信信息息净净负负荷荷到到STM-N的的复复用用线线路路不不是是唯一的，也就是说有多种复用方法唯一的，也就是说有多种复用方法例例如如2Mb/s的的信信号号有有两两条条复复用用路路线线复复用用成成STM-N信号信号同同时时请请注注意意，，8Mb/s的的PDH信信号号无无法法复复用用成成STM-N信号信号 3．我国的复用结构．我国的复用结构尽尽管管一一种种信信号号复复用用成成SDH的的STM-N信信号号的的路路线线有有多多种种，，但但是是对对于于一一个个国国家家或或地地区区而而言言，，其其复复用用路路线线应该是唯一的应该是唯一的我我国国光光同同步步传传输输体体制制规规定定以以2.048 Mb/s为为基基础础的的PDH系系列列作作为为SDH的的有有效效载载荷荷，，并并选选用用AU-4复用线路复用线路 3．我国的复用结构．我国的复用结构这这主主要要是是考考虑虑我我国国PDH网网络络中中应应用用较较多多的的是是2.048 Mb/s和和139.264 Mb/s支支路路接接口口，，如如需要也可提供需要也可提供34.368 Mb/s的支路接口的支路接口但但是是，，由由于于应应用用34.368 Mb/s时时，，一一个个STM-1中中只只能能容容纳纳3个个34.368 Mb/s，，不不够够经经济济，，因因此此，，一般不建议采用一般不建议采用34.368 Mb/s的复用线路的复用线路 四、复用映射过程四、复用映射过程具具有有一一定定频频差差的的各各种种支支路路的的业业务务信信号号最最终终进进入入SDH的的STM-N帧都要经过三个过程：帧都要经过三个过程：映射映射定位定位复用复用 1．映射．映射各各种种速速率率的的G.703信信号号首首先先进进入入相相应应的的不不同同接接口口容器容器C中，在那里完成码速调整等适配功能中，在那里完成码速调整等适配功能由由标标准准容容器器出出来来的的数数字字流流加加上上通通道道开开销销（（POH））后后就就构构成成了了所所谓谓的的虚虚容容器器VC，，这这个个在在SDH网网络络边边界界处处（（例例如如SDH/PDH边边界界处处））将将支支路路信信号号适适配配进进虚容器的过程称为虚容器的过程称为映射映射VC在在SDH网网中中传传输输时时可可以以作作为为一一个个独独立立的的实实体体在在通通道道中中任任意意位位置置取取出出或或插插入入，，以以便便进进行行同同步步复复接接和和交叉连接处理交叉连接处理 2．定位．定位由由VC出出来来的的数数字字帧帧进进入入管管理理单单元元（（AU））或或支支路路单单元（元（TU），并在），并在AU或或TU中进行速率调整中进行速率调整在在调调整整过过程程中中，，设设置置指指针针（（AU-PTR和和TU-PTR））指指向向低低阶阶VC的的起起点点在在TU中中的的具具体体位位置置或或高高阶阶VC的起点在的起点在AU中的具体位置，这个过程叫做中的具体位置，这个过程叫做定位定位 3．复用．复用复复用用也也就就是是通通过过字字节节间间插插方方式式把把TU组组织织进进高高阶阶VC或把或把AU组织进组织进STM-N的过程的过程由由于于经经由由TU和和AU指指针针处处理理后后的的各各VC支支路路已已经经相相位位同同步步，，此此复复用用过过程程为为同同步步复复用用，，复复用用原原理理与与数数据据的并串变化类似的并串变化类似 4．．140Mb/s复用进复用进STM-N信号过程信号过程映射映射定位定位复用复用5．利用．利用AU-4复用线路直接从复用线路直接从C-12复用的方法复用的方法当当前前运运用用得得最最多多的的复复用用方方式式是是将将2 Mb/s信信号号复复用用进进STM-N信信号号中中，，它它也也是是PDH信信号号复复用用进进SDH信信号号最最复复杂杂的的一一种种复复用用方式方式 五、五、SDH设备设备SDH不不仅仅适适合合于于点点对对点点传传输输，，而而且且适适合合于于多多点点之之间的网络传输间的网络传输实实际际上上，，SDH是是一一套套可可进进行行同同步步信信息息传传输输、、复复用用、、分插和交叉连接的标准化数字信号的结构等级分插和交叉连接的标准化数字信号的结构等级通通过过不不同同的的设设备备完完成成SDH网网的的传传送送功功能能：：上上／／下下业务、交叉连接业务、网络故障自愈等业务、交叉连接业务、网络故障自愈等 五、五、SDH设备设备SDH设备包括设备包括SDH终终 端端 设设 备备 或或 称称 SDH终终 端端 复复 用用 器器 （（ TM，，Terminal Multiplexer））分插复用设备（分插复用设备（ADM，，Add/Drop Multiplexer））数数 字字 交交 叉叉 连连 接接 设设 备备 （（ DXC，， Digital Corss Connect Equipment））再再生生中中继继器器（（REG，，Regenerative Repeater））等等网络单元网络单元网络单元，也称为网元（网络单元，也称为网元（NE））五、五、SDH设备设备SDH网网络络就就是是由由这这些些基基本本网网络络单单元元（（NE））组组成成的的，，在在传传输输媒媒质质上上（（如如光光纤纤、、微微波波等等））进进行行同同步步信信息息传传输、复用、分插和交叉连接的传送网络输、复用、分插和交叉连接的传送网络 1．．TM终端复用器终端复用器TM用用在在网网络络的的终终端端站站点点上上，，例例如如一一条条链链的的两两个个端端点上点上主主要要功功能能是是复复接接／／分分接接和和提提供供业业务务适适配配，，即即是是将将支支路路端端口口的的低低速速信信号号（（如如E1））复复用用到到线线路路端端口口的的高高速速信信号号STM-N中中，，或或从从STM-N的的信信号号中中分分出出低低速支路信号速支路信号 2．．ADM分插复用设备分插复用设备ADM是是一一种种特特殊殊的的复复用用器器，，是是SDH网网络络中中最最具具特特色，也是应用最广泛的设备色，也是应用最广泛的设备ADM用用于于SDH传传输输网网络络的的转转接接站站点点处处，，例例如如链链的的中间结点或环上结点中间结点或环上结点ADM是一个三端口的器件是一个三端口的器件 2．．ADM分插复用设备分插复用设备ADM利利用用分分接接（（Drop））功功能能将将输输入入信信号号所所承承载载的的信息分成两部分：信息分成两部分：一部分直接转发一部分直接转发另另一一部部分分卸卸下下给给本本地地用用户户，，同同时时通通过过复复接接（（Add））功功能能将转发部分和本地上送的部分合成输出将转发部分和本地上送的部分合成输出ADM常用于线性网和环形网常用于线性网和环形网 3．．DXC数字交叉连接设备数字交叉连接设备DXC是是一一种种具具有有一一个个或或多多个个准准同同步步数数字字体体系系（（G.702））或或同同步步数数字字体体系系（（G.707））信信号号的的端端口口，，可可以以在在任任何何端端口口信信号号速速率率（（及及其其子子速速率率））间间进进行行可可控连接和再连接的设备控连接和再连接的设备它它是是一一个个多多端端口口器器件件，，实实际际上上相相当当于于一一个个交交叉叉矩矩阵阵，，通过适当配置，完成各个信号间的交叉连接通过适当配置，完成各个信号间的交叉连接 4．．REG再生中继器再生中继器REG是双端口器件，只有两个线路端口是双端口器件，只有两个线路端口W和和E REG的的作作用用是是将将W/E侧侧的的光光信信号号经经O/E、、抽抽样样、、判决、再生、整形、判决、再生、整形、E/O在在E或或W侧发出侧发出 REG只只需需处处理理STM-N帧帧中中的的RSOH，，且且不不需需要要交叉连接功能（交叉连接功能（W－－E直通即可）直通即可） 7.3 数字光纤传输系统的设计数字光纤传输系统的设计将将光光纤纤、、光光器器件件、、光光源源与与光光发发送送机机、、光光检检测测器器与与光光接接收收机机等等单单元元组组合合，，就就可可以以形形成成一一条条完完整整的的光光纤纤传传输链路输链路 7.3 数字光纤传输系统的设计数字光纤传输系统的设计光光纤纤传传输输系系统统的的设设计计，，既既要要满满足足通通信信系系统统的的性性能能要要求求，，又又要要尽尽可可能能的的减减少少系系统统的的建建设设成成本本，，还还要要考考虑虑将来的发展需要将来的发展需要因因此此要要使使设设计计尽尽可可能能合合理理，，设设计计中中要要遵遵照照ITU-T的各项相关建议和我国相关标准的各项相关建议和我国相关标准 着重讨论最大中继距离的光传输设计方法着重讨论最大中继距离的光传输设计方法 一、总体设计考虑一、总体设计考虑一个光纤传输系统的基本要求包括：一个光纤传输系统的基本要求包括：预期的传输距离预期的传输距离信道带宽或码速率信道带宽或码速率系统性能（误码率，信噪比）等系统性能（误码率，信噪比）等设设计计中中，，必必须须从从实实际际出出发发，，结结合合用用户户业业务务容容量量需需求求、、地地理理位位置置、、Qos要要求求等等，，确确定定网网络络拓拓扑扑、、系系统统容容量（速率）、光纤／光缆选型等量（速率）、光纤／光缆选型等 网络拓扑网络拓扑一一般般可可以以根根据据网网络络／／系系统统在在通通信信网网中中的的位位置置、、功功能能和和作作用用，，根根据据承承载载业业务务的的生生存存性性要要求求等等选选择择合合适适的的网络拓扑网络拓扑目目前前看看，，骨骨干干网网络络适适合合采采用用网网格格拓拓扑扑，，有有很很高高的的网网络生存性络生存性城域网对生存性也有较高要求，一般采用环形网城域网对生存性也有较高要求，一般采用环形网对对于于接接入入网网，，生生存存要要求求不不高高，，可可以以采采用用低低廉廉的的星星形形网或无源树形网结构网或无源树形网结构 系统容量系统容量系系统统容容量量一一般般按按照照系系统统运运行行后后的的若若干干年年所所需需容容量量来来确定，并且要考虑未来扩容需要确定，并且要考虑未来扩容需要目目前前，，骨骨干干网网单单波波长长速速率率通通常常为为10 Gb/s，，城城域域网单波长速率通常为网单波长速率通常为2.5 Gb/s以以上上可可以以根根据据容容量量需需求求采采用用数数个个波波长长或或几几十十个个波波长长的波分复用的波分复用 光纤（缆）选型光纤（缆）选型光光纤纤／／光光缆缆应应当当适适当当选选型型，，根根据据实实际际工工程程需需要要、、成成本因素，选择合适的光纤（缆）线路本因素，选择合适的光纤（缆）线路 G.652光光纤纤／／光光缆缆是是1310 nm波波长长性性能能最最佳佳单单模模光光纤纤，，在在新新敷敷设设的的情情况况下下，，G.652光光纤纤／／光光缆缆主主要要应应用用于于城城域域网和接入网，不须采用密集波分复用的骨干网也常采用网和接入网，不须采用密集波分复用的骨干网也常采用G.653光光纤纤／／光光缆缆是是1550 nm波波长长性性能能最最佳佳单单模模光光纤纤／／光光缆缆，，主主要要应应用用于于开开通通长长距距离离10 Gb/s（（或或以以上上））单单波波长长系系统统，，目目前前新新建建或或改改建建的的大大容容量量光光纤纤传传输输系系统统均均为波分复用系统，故为波分复用系统，故G.653基本不采用基本不采用光纤（缆）选型光纤（缆）选型光光纤纤／／光光缆缆应应当当适适当当选选型型，，根根据据实实际际工工程程需需要要、、成成本因素，选择合适的光纤（缆）线路本因素，选择合适的光纤（缆）线路G.654光光纤纤／／光光缆缆一一般般用用于于长长距距离离海海底底光光缆缆系系统统，，陆陆地地系统一般不采用系统一般不采用G.655光光纤纤／／光光缆缆是是非非零零色色散散位位移移单单模模光光纤纤，，适适合合应应用用于密集波分复用的大容量骨干网中于密集波分复用的大容量骨干网中设备选择设备选择发发送送、、接接收收、、中中继继、、分分插插复复用用（（ADM））和和交交叉叉连连接接设备（设备（DCX）是组成光纤传输链路的必要单元）是组成光纤传输链路的必要单元选选择择性性能能好好、、可可靠靠性性高高、、兼兼容容性性好好的的设设备备是是系系统统设设计成功的重要保障计成功的重要保障ITU-T已已经经规规范范了了各各种种速速率率等等级级的的PDH和和SDH设设备备的的S-R点点（（发发送送机机S点点和和接接收收机机R点点））通通道道特特性性，，设设计计者者应应当当熟熟悉悉所所设设计计的的系系统统的的各各项项指指标标，，并并以以ITU-T的的建建议议和和我我国国的的国国家家标标准准作作为为系系统统设设计计的的依据依据 光传输设计光传输设计任任何何复复杂杂的的通通信信系系统统或或者者网网络络，，其其基基本本单单元元都都是是点点到点的传输链路到点的传输链路发发送送机机S点点到到接接收收机机R点点的的光光传传输输距距离离确确定定是是光光纤纤传输系统设计的基础传输系统设计的基础传传输输距距离离由由光光纤纤的的损损耗耗和和色色散散因因素素决决定定，，系系统统速速率率、、工作波长等各种因素对传输距离也有影响工作波长等各种因素对传输距离也有影响 光传输设计光传输设计在在实实际际工工程程应应用用中中，，一一个个光光纤纤链链路路如如果果损损耗耗是是限限制制光光传传输输距距离离的的主主要要因因素素，，则则这这个个系系统统是是损损耗耗受受限限的的系系统统，，即即传传输输距距离离根根据据S和和R点点之之间间的的光光通通道道损损耗耗决定决定如如果果光光信信号号的的色色散散展展宽宽最最终终成成为为限限制制系系统统传传输输距距离离的的主主要要因因素素，，则则这这个个系系统统就就是是色色散散受受限限的的系系统统，，即即传输距离根据传输距离根据S和和R点之间的光通道色散决定点之间的光通道色散决定S-R点点之之间间的的传传输输距距离离也也就就是是分分层层光光传传送送网网的的再再生生段或复用段（无再生中继时）的传输距离段或复用段（无再生中继时）的传输距离 二、再生段设计二、再生段设计一个光再生段距离也就是无再生中继距离一个光再生段距离也就是无再生中继距离一个再生段模型包括光发送机、光通道和光接收机一个再生段模型包括光发送机、光通道和光接收机 发发送送机机和和光光通通道道之之间间定定义义S参参考考点点，，光光通通道道和和光光接接收收机机之之间间定定义义R参参考考点点，，S和和R参参考考点点之之间间为为光光通通道道 二、再生段设计二、再生段设计光传输设计中通常有三种方法：光传输设计中通常有三种方法：最坏值设计法最坏值设计法统计设计法统计设计法联合设计法联合设计法 二、再生段设计二、再生段设计最坏值设计法最坏值设计法使使用用最最坏坏值值设设计计时时，，所所有有考考虑虑在在内内的的参参数数都都以以最最坏坏的的情情况况考考虑虑，，设设计计出出来来的的指指标标肯肯定定能能满满足足系系统统要要求求，，系系统统的的可可靠靠性性较较高高，，但但由由于于在在实实际际应应用用中中所所有有参参数数同同时时取取最最坏坏值值的的概概率率非非常常小小，，所所以以这这种种方方法法的的富富余余度度较较大大，，总总成成本本偏高偏高 二、再生段设计二、再生段设计统计设计方法统计设计方法是是按按各各参参数数的的统统计计分分布布特特性性取取值值，，存存在在很很小小的的系系统统先先期期失失效效概概率率，，但但能能够够充充分分利利用用系系统统资资源源，，降降低低工工程程建建设设成成本本 联合设计法联合设计法综综合合这这两两种种方方法法为为联联合合设设计计法法，，部部分分参参数数值值按按最最坏坏值值处处理理，，部部分分参参数数取取统统计计值值，，可可以以降降低低复复杂杂性性，，有有较较好好的的资资源利用率，成本适中，但标准规范性差源利用率，成本适中，但标准规范性差 二、再生段设计二、再生段设计三种设计方法的比较三种设计方法的比较 项目项目最坏值设计法最坏值设计法统计设计法统计设计法联合设计法联合设计法光接口横向兼容性光接口横向兼容性满足满足不保证不保证不保证不保证标准规范性标准规范性最好最好较好较好最差最差可靠性可靠性100%最差最差100%复杂性复杂性最简单最简单最复杂最复杂居中居中资源利用资源利用最差最差最好最好较好较好经济性经济性最差最差最好最好较差较差二、再生段设计二、再生段设计目目前前应应用用最最广广泛泛的的是是最最坏坏值值设设计计法法，，它它是是SDH线线路路系系统统传传输输设设计计的的基基本本方方法法，，可可以以为为网网络络规规划划设设计计者者和和设设备备制制造造厂厂商商分分别别提提供供简简单单的的设设计计指指导导和和明明确确的元部件指标，而且不存在先期失效问题的元部件指标，而且不存在先期失效问题在在用用最最坏坏值值法法设设计计光光缆缆数数字字线线路路系系统统时时，，设设备备富富余余度度和和未未分分配配的的富富余余度度都都不不再再单单独独进进行行规规范范，，而而是是分分散给发送机和接收机散给发送机和接收机 1．损耗受限系统．损耗受限系统对对于于损损耗耗受受限限系系统统，，系系统统设设计计首首先先要要根根据据S和和R点点的的所所有有光光功功率率损损耗耗和和光光缆缆富富余余度度来来确确定定总总的的光光通通道道衰衰减减值值，，再再由由此此确确定定标标准准光光接接口口中中适适用用的的光光接接口口及及相应的一整套光参数相应的一整套光参数 活动接头活动接头 固定熔接固定熔接 2km活动接头活动接头2．色散受限系统．色散受限系统色色散散导导致致脉脉冲冲展展宽宽，，产产生生信信号号畸畸变变，，出出现现码码间间干干扰扰，，从而限制最大传输距离从而限制最大传输距离此此外外模模式式分分配配噪噪声声、、激激光光器器的的频频率率啁啁啾啾也也将将引引起起功功率退化（功率代价），限制传输距离率退化（功率代价），限制传输距离所所以以，，在在工工作作波波长长下下的的光光纤纤色色散散系系数数和和光光源源的的光光谱谱特性是考虑的主要因素特性是考虑的主要因素 2．色散受限系统．色散受限系统在在研研究究色色散散受受限限系系统统的的最最大大传传输输距距离离时时，，ITU-T定义了光通路功率代价概念定义了光通路功率代价概念ITU-T的的G.957建建议议定定义义的的光光通通路路功功率率代代价价主主要要包括：包括：发发送送眼眼图图的的功功率率代代价价、、消消光光比比的的功功率率代代价价、、模模式式分分配配噪噪声声的的功功率率代代价价、、激激光光器器频频率率啁啁啾啾的的功功率率代代价价、、码码间间干干扰扰的的功功率率代代价价、、偏偏振振模模色色散散的的功功率率代代价价、、光光放放大大器器的的噪噪声声引入的功率代价和反射的功率代价等引入的功率代价和反射的功率代价等8种种其其中中影影响响较较大大的的是是码码间间干干扰扰、、频频率率啁啁啾啾和和模模式式分分配配噪噪声声的功率代价的功率代价 2．色散受限系统．色散受限系统ITU-T的的G.957建建议议规规定定一一个个通通路路的的由由上上述述因因素素引起的功率代价允许值为引起的功率代价允许值为1 dB对对于于色色散散值值较较高高的的系系统统，，如如10 Gb/s以以上上系系统统，，可以放宽到可以放宽到2 dB 2．色散受限系统．色散受限系统对对于于色色散散受受限限系系统统，，设设计计时时首首先先应应当当确确定定所所设设计计的的再再生生段段的的总总色色散散（（ps/nm）），，再再据据此此选选择择合合适适的的光光接口及相应的一整套光参数接口及相应的一整套光参数色色散散受受限限系系统统最最大大无无再再生生传传输输距距离离的的最最坏坏值值可可以以用用下式估算下式估算S和和R点之间允许点之间允许的最大色散值的最大色散值 工作波长范围内的最工作波长范围内的最大光纤色散系数值大光纤色散系数值ps/(nm·km) 2．色散受限系统．色散受限系统一一般般地地，，对对于于一一个个传传输输链链路路，，对对于于不不同同的的速速率率，，可可以以分分别别计计算算损损耗耗限限制制下下的的中中继继距距离离和和色色散散限限制制下下的的中继距离中继距离然然后后取取其其中中较较短短的的为为该该速速率率下下允允许许的的最最大大中中继继传传输输距离距离通通常常情情况况下下，，速速率率较较低低时时是是受受损损耗耗限限制制，，而而速速率率较较高时为色散限制系统高时为色散限制系统 2．色散受限系统．色散受限系统在在光光纤纤系系统统中中，，使使用用不不同同类类型型的的光光源源，，则则由由光光纤纤色色散对系统的影响各不相同散对系统的影响各不相同对对多多纵纵模模激激光光器器和和发发光光二二极极管管，，频频率率啁啁啾啾对对最最大大传传输输距距离离的的影影响响很很小小，，主主要要考考虑虑模模式式分分配配噪噪声声和和码码间间干扰引起的功率代价，它们和相对展宽因子有关干扰引起的功率代价，它们和相对展宽因子有关 相相对对展展宽宽因因子子ε表表示示为为码码元元脉脉冲冲经经过过信信道道传传输输后后脉脉冲的相对展宽值，表达式为冲的相对展宽值，表达式为 2．色散受限系统．色散受限系统σ是是码码元元脉脉冲冲的的均均方方根根展展宽宽值值，，T是是码码元元宽宽度度，，为为106/B，，B为比特速率，单位为为比特速率，单位为Mb/s而而所以所以应应用用ITU-T规规定定的的系系统统的的光光通通路路功功率率代代价价小小于于1dB的条件的条件可可以以确确定定当当光光源源是是多多纵纵模模激激光光器器时时，，ε的的最最大大限限制制值值为为0.115当光源是发光二极管时，当光源是发光二极管时，ε取取0.306 光源的均光源的均方根谱宽方根谱宽 2．色散受限系统．色散受限系统对对于于单单纵纵模模激激光光器器系系统统，，由由于于其其模模式式分分配配噪噪声声很很小小，，所所以以光光通通路路功功率率代代价价仅仅需需考考虑虑频频率率啁啁啾啾和和码码间间干干扰扰两项两项由由于于ε的的确确定定较较为为复复杂杂，，在在实实际际工工程程可可以以采采用用近近似似、、简单的方法简单的方法假假设设光光脉脉冲冲为为高高斯斯波波形形，，允允许许的的脉脉冲冲展展宽宽不不超超过过发发送送脉脉冲冲宽宽度度的的10%，，得得到到一一个个十十分分简简单单的的色色散散限限制最大传输距离近似公式制最大传输距离近似公式7.4 数字光纤系统的性能指标数字光纤系统的性能指标这这里里指指的的性性能能指指标标是是网网络络性性能能指指标标，，也也称称参参考考性性能能指指标标，，简简称称性性能能指指标标，，是是进进行行传传输输系系统统和和传传输输网网络络规划设计的依据指标规划设计的依据指标目目前前，，ITU-T已已经经对对光光纤纤通通信信系系统统的的各各个个速速率率、、各各个个光光接接口口和和电电接接口口的的各各种种性性能能给给出出具具体体的的建建议议，，系系统统的的性性能能参参数数也也有有很很多多，，但但对对数数字字传传输输来来说说，，主主要的性能指标是误码特性和抖动特性要的性能指标是误码特性和抖动特性 一、系统参考模型一、系统参考模型光光纤纤通通信信系系统统作作为为通通信信网网中中的的传传输输部部分分，，其其传传输输性性能能的的好好坏坏直直接接影影响响全全程程全全网网的的通通信信质质量量，，所所以以要要考考虑虑光光纤纤通通信信系系统统的的传传输输性性能能，，就就需需要要将将其其放放在在整整个个通信网络中考虑通信网络中考虑为为此此，，ITU-T提提出出了了系系统统参参考考模模型型的的概概念念，，并并规规定了系统参考模型的性能参数和指标定了系统参考模型的性能参数和指标 一、系统参考模型一、系统参考模型ITU-T提出的数字系统参考模型有三种形式：提出的数字系统参考模型有三种形式：假设参考连接（假设参考连接（HRX））假设参考数字链路（假设参考数字链路（HRDL））假设参考数字段（假设参考数字段（HRDS））1．假设参考连接．假设参考连接一一个个通通信信连连接接是是通通信信网网中中从从用用户户至至用用户户，，包包括括参参与与交交换换和和传传输输的的各各个个部部分分（（如如用用户户线线，，终终端端设设备备，，交交换机，传输系统等）的传输全程换机，传输系统等）的传输全程它是根据用户需要建立的各种机线设备的临时组合它是根据用户需要建立的各种机线设备的临时组合 这这些些实实际际的的连连接接有有长长有有短短，，结结构构上上有有简简单单有有复复杂杂，，传传输输的的业业务务可可能能也也不不相相同同，，难难以以进进行行传传输输质质量量的的核核算算 1．假设参考连接．假设参考连接通通常常找找出出通通信信距距离离最最长长、、结结构构最最复复杂杂、、传传输输质质量量预预计最差的连接作为传输质量的核算对象计最差的连接作为传输质量的核算对象显显然然，，只只要要这这种种典典型型连连接接的的传传输输质质量量能能满满足足要要求求，，那那么么通通信信距距离离较较短短，，结结构构较较简简单单的的其其它它连连接接形形式式肯肯定能保证传输质量，因而引入假设参考连接的概念定能保证传输质量，因而引入假设参考连接的概念 1．假设参考连接．假设参考连接假假设设参参考考连连接接（（HRX））是是对对总总的的性性能能进进行行研研究究的的一一个模型，以便于形成各种标准和指标个模型，以便于形成各种标准和指标ITU-T建建议议的的标标准准最最长长HRX包包含含14个个假假设设参参考考链链路路和和13个个数数字字交交换换点点，，全全长长27500 km，，它它是是一一个全数字的个全数字的64 kb/s的连接的连接 1．假设参考连接．假设参考连接实实际际上上，，经经常常实实现现的的连连接接都都比比标标准准最最长长HRX短短，，因而引入标准中等长度因而引入标准中等长度HRX模型模型 每每个个国国内内部部分分包包括括3段段电电路路，，国国际际部部分分仅仅1段段电电路路，，这种连接的性能主要受国内部分的电路性能所支配这种连接的性能主要受国内部分的电路性能所支配 1．假设参考连接．假设参考连接当当用用户户靠靠近近国国际际交交换换中中心心（（ISC））时时，，引引入入的的HRX模型如图模型如图 2．假设参考数字链路．假设参考数字链路为为了了便便于于数数字字信信号号传传输输劣劣化化的的研研究究（（如如误误码码率率、、抖抖动动等等）），，将将HRX中中的的两两个个相相邻邻交交换换节节点点的的数数字字配配线线架架间间所所有有的的传传输输系系统统、、复复用用与与分分接接设设备备等等各各种种传传输单元表示为假设数字参考链路（输单元表示为假设数字参考链路（HRDL）。

HRDL是是HRX的的组组成成部部分分，，ITU-T建建议议HRDL的的合合适适长长度度是是2500 km，，根根据据我我国国地地域域广广阔阔的的特特点点，，我国长途一级干线的数字链路长度为我国长途一级干线的数字链路长度为5000 km 3．假设参考数字段．假设参考数字段为为了了具具体体提提供供数数字字传传输输系系统统的的性性能能指指标标，，将将HRDL中中相相邻邻的的数数字字配配线线架架间间的的传传输输系系统统用用假假设设参参考考数数字字段段（（HRDS））表表示示，，HRDS是是HRDL的的一一个组成部分个组成部分在在光光纤纤传传输输系系统统中中，，HRDS的的两两端端是是光光端端机机，，中中间是光缆传输线路和若干光中继器间是光缆传输线路和若干光中继器一个光纤通信系统可以由若干一个光纤通信系统可以由若干HRDS组成组成我我国国根根据据具具体体情情况况提提出出的的假假设设参参考考数数字字段段，，长长途途一一级级干干线线的的HRDS为为420 km，，长长途途二二级级干干线线为为280 km，市话中继为，市话中继为50 km 一、系统参考模型一、系统参考模型HRX的的总总性性能能指指标标可可以以按按比比例例分分配配到到其其中中的的HRLD中中，，HRLD上上的的性性能能指指标标又又可可以以再再分分配配到到HRDS中中光光纤纤通通信信系系统统的的性性能能指指标标是是在在三三种种参参考考模模型型的的基基础础上指定的，它的重要指标有误码特性和抖动特性上指定的，它的重要指标有误码特性和抖动特性 二、误码特性二、误码特性所所谓谓误误码码，，是是指指当当发发送送端端发发送送的的是是“1”码码或或“0”码码时时，，在在接接收收端端的的相相应应位位置置收收到到（（判判决决））的的却却是是“0”码或码或“1”码码在在数数字字信信号号的的传传输输过过程程中中，，如如果果发发生生的的误误码码过过多多，，就会造成通信质量的下降就会造成通信质量的下降 二、误码特性二、误码特性对对数数字字光光纤纤传传输输系系统统，，产产生生误误码码主主要要有有内内部部机机理理和和外部干扰两大主因外部干扰两大主因内部机理产生误码的原因有：内部机理产生误码的原因有：各种噪声各种噪声 光纤的色散光纤的色散定时抖动定时抖动 外部干扰的因素外部干扰的因素如电源瞬间干扰、设备故障和电磁干扰如电源瞬间干扰、设备故障和电磁干扰 1．误码性能的度量．误码性能的度量传传统统的的误误码码性性能能的的度度量量（（G.821））是是度度量量64kb/s的的通通道道在在27500km全全程程端端到到端端连连接接的的数数字字参参考考电路的误码性能电路的误码性能一一般般常常用用平平均均误误比比特特率率（（BER，，Bit Error Rate））来来衡衡量量系系统统的的误误码码性性能能，，即即在在一一段段相相当当长长的的时时间间内内出出现现的的误误码码的的个个数数和和总总的的传传输输码码元元数数的的比比值值 1．误码性能的度量．误码性能的度量可可以以看看出出，，平平均均误误码码率率是是一一个个长长期期效效应应，，只只给给出出了了平均统计结果，无法反映出误码的突发性平均统计结果，无法反映出误码的突发性而而对对于于突突发发性性群群误误码码可可能能导导致致误误码码率率远远高高于于可可以以接接收收的的水水平平，，由由于于其其它它时时间间内内误误码码率率非非常常小小，，所所以以长长期期的的平平均均误误码码率率仍仍然然保保持持在在合合格格范范围围，，因因此此还还应应该该有一些短期度量误码的参数有一些短期度量误码的参数由由于于平平均均误误码码率率与与误误码码发发生生机机制制有有关关，，简简单单实实用用，，所所以以在在系系统统设设计计中中仍仍然然广广泛泛采采用用，，然然而而，，平平均均误误码码率没有归于率没有归于ITU-T建议的误码性能参数之中建议的误码性能参数之中 1．误码性能的度量．误码性能的度量现现在在对对速速率率等等于于或或高高于于基基群群的的数数字字通通道道的的误误码码性性能能指标遵循指标遵循ITU-T G.826和和G.828建议建议其定义的误码参数都以其定义的误码参数都以“块块”为基础为基础而而“块块”是是指指通通道道、、段段中中传传送送的的连连续续比比特特的的集集合合，，每个比特属于且仅属于一个每个比特属于且仅属于一个“块块”以块为基础进行度量便于进行误码性能监测以块为基础进行度量便于进行误码性能监测 1．误码性能的度量．误码性能的度量依据块定义的误码事件和误码性能参数有：依据块定义的误码事件和误码性能参数有： 误误码码块块（（EB））：：当当块块内内的的任任意意比比特特发发生生差差错错时时，，则则该该数数据据块块为为差差错错块块（（EB，，Errored Block）），，称称为为误误码码块或误块块或误块误误块块秒秒（（ES））：：在在一一秒秒内内有有一一个个或或多多个个误误码码块块，，或或至至少少 一一 个个 缺缺 陷陷 ，， 则则 该该 秒秒 为为 误误 块块 秒秒 （（ ES，， Errored Second））。

对对于于SDH通通道道，，缺缺陷陷一一般般指指踪踪迹迹失失配配、、指针丢失、收到告警指示信号等指针丢失、收到告警指示信号等1．误码性能的度量．误码性能的度量依据块定义的误码事件和误码性能参数有：依据块定义的误码事件和误码性能参数有：严严重重误误块块秒秒（（SES））：：在在一一秒秒内内不不少少于于30%的的误误块块或或至至少少出出现现一一种种缺缺陷陷时时，，就就以以为为该该秒秒为为严严重重误误块块秒秒（（SES，，Severely Errored Second））显显然然，，严严重重误误块块秒是误块秒的子集秒是误块秒的子集背背景景误误码码块块（（BBE））：：在在扣扣除除不不可可用用时时间间，，发发生生在在SES以以外外的的误误码码块块称称为为背背景景误误码码块块（（BBE，，Background Block Error）） 1．误码性能的度量．误码性能的度量依据块定义的误码事件和误码性能参数有：依据块定义的误码事件和误码性能参数有：误误块块秒秒比比（（ESR））：：在在规规定定的的测测量量时时间间间间隔隔内内出出现现的的ES数数与与总总的的可可用用时时间间之之比比，，称称为为误误块块秒秒比比（（ESR，，Errored Second Ratio））严严重重误误块块秒秒比比（（SESR））：：在在规规定定的的测测量量时时间间间间隔隔内内出出现现的的SES数数与与总总的的可可用用时时间间之之比比，，称称为为误误块块秒秒比比（（SESR，，Severely Errored Second Ratio））。

严严重重误误块块秒秒一一般般是是由由于于脉脉冲冲干干扰扰产产生生的的突突发发误误块块，，所所以以SESR往往反映出设备抗干扰的能力往往反映出设备抗干扰的能力 1．误码性能的度量．误码性能的度量依据块定义的误码事件和误码性能参数有：依据块定义的误码事件和误码性能参数有：背背景景误误块块比比（（BBER））：：BBE数数与与扣扣除除不不可可用用时时间间和和SES期期间间所所有有块块数数后后的的总总块块数数之之比比，，称称为为背背景景误误块块比比（（BBER，，Background Block Error Ratio）） 上述所指的可用时间的含义是：上述所指的可用时间的含义是：连连续续10 s内内每每秒秒均均为为非非SES，，从从这这10 s的的第第一一秒秒起起就就认为进入可用时间认为进入可用时间不可用时间的含义是：不可用时间的含义是：连连续续10 s内内每每秒秒均均为为SES，，从从这这10 s的的第第一一秒秒起起就就认认为进入不可用时间为进入不可用时间 2．误码性能指标．误码性能指标ITU-T G.826建建议议中中，，对对假假设设参参考考通通道道（（HRP，，Hypothetical Reference Path）） 27500 km全程端到端通道误码性能的规定如表全程端到端通道误码性能的规定如表 速率（速率（Mb/s））1.5 ~ 5> 5 ~ 15> 15 ~ 55> 55 ~ 160> 160 ~ 3500比特块比特块800 ~ 50002000 ~ 80004000 ~ 200006000 ~ 2000015000 ~ 30000ESR0.040.050.0750.16未规范未规范SESR0.0020.0020.0020.0020.002BBER2×10-42×10-42×10-42×10-410-4只只要要有有任任一一误误码码性性能能参参数数不不满满足足就就认认为为该该通通道道没没有有满足误码性能要求满足误码性能要求 2．误码性能指标．误码性能指标由由于于误误码码事事件件是是随随机机发发生生的的，，与与设设备备本本身身和和环环境境条条件件都都有有密密切切关关系系，，因因而而为为了了准准确确估估计计通通道道性性能能特特性性需要较长的测量时间，目前建议测量时间是一个月需要较长的测量时间，目前建议测量时间是一个月 3．误码减少的策略．误码减少的策略适当的策略可以减少误码适当的策略可以减少误码改改善善收收信信机机的的信信噪噪比比是是降降低低系系统统内内部部误误码码的的主主要要途途径径，，另另外外适适当当选选择择发发送送机机的的消消光光比比，，改改善善接接收收机机的的均均衡衡特特性性，，减减少少定定位位抖抖动动都都有有助助于于改改善善内内部部误误码码性性能能减减少少外外部部干干扰扰误误码码的的基基本本对对策策是是加加强强所所有有设设备备的的抗抗电磁干扰和静电放电能力，例如加强接地电磁干扰和静电放电能力，例如加强接地此此外外在在系系统统设设计计规规划划时时留留有有充充足足的的冗冗余余度度也也是是一一种种简单可行的对策简单可行的对策 三、抖动特性三、抖动特性抖抖动动（（Jitter））又又指指定定时时抖抖动动，，是是指指数数字字脉脉冲冲的的有有效效瞬瞬间间位位置置相相对对于于标标准准位位置置（（如如最最佳佳判判决决时时刻刻））的的短时间偏差短时间偏差所所谓谓的的短短时时间间偏偏差差是是指指变变化化频频率率高高于于10 Hz的的相相位变化位变化长长时时间间的的偏偏差差定定义义为为漂漂移移（（Wander）），，即即指指变变化化频频率率低低于于10 Hz的相位变化的相位变化1．抖动对网络的损伤．抖动对网络的损伤抖抖动动会会对对传传输输质质量量甚甚至至整整个个系系统统的的性性能能造造成成劣劣化化，，如如信信号号产产生生失失真真、、系系统统误误码码率率上上升升、、丢丢失失比比特特导导致致帧失步等帧失步等产产生生抖抖动动的的机机理理比比较较复复杂杂，，如如系系统统的的时时钟钟不不稳稳定定、、各各种种噪噪声声、、码码间间干干扰扰以以及及SDH中中的的映映射射、、指指针针调调整等都可能引起抖动整等都可能引起抖动 1．抖动对网络的损伤．抖动对网络的损伤抖动对网络性能损伤表现在以下几个方面：抖动对网络性能损伤表现在以下几个方面：①① 对对数数字字编编码码的的模模拟拟信信号号，，在在解解码码后后数数字字流流的的随随机机相相位位抖抖动动使使恢恢复复后后的的样样值值具具有有不不规规则则的的相相位位，，从从而而造造成成输输出出模模拟信号的失真，形成抖动噪声。

拟信号的失真，形成抖动噪声②② 在在信信号号再再生生时时，，定定时时的的不不规规则则性性使使有有效效判判决决点点偏偏离离最最佳佳位位置置（（接接收收眼眼图图的的中中心心）），，增增加加了了误误码码的的可可能能性性，，导导致致误码③③ 在在SDH复复用用器器中中，，过过大大的的输输入入抖抖动动会会造造成成缓缓冲冲器器的的溢溢出出或取空，从而产生滑动性损伤或取空，从而产生滑动性损伤 2．漂移的影响．漂移的影响与与抖抖动动相相比比，，漂漂移移无无论论从从产产生生机机理理、、本本身身特特性性及及对对网网络络的的影影响响等等方方面面均均有有所所不不同同，，引引起起漂漂移移的的一一个个最最普遍原因是环境温度的变化普遍原因是环境温度的变化环环境境温温度度的的变变化化可可能能导导致致传传输输光光缆缆的的传传输输特特性性发发生生变变化化、、时时钟钟变变化化和和光光源源发发射射波波长长的的变变化化，，从从而而产产生生漂移漂移SDH网络中的指针调整也可能产生漂移网络中的指针调整也可能产生漂移另外，时钟噪声和相位瞬态变化也会引起漂移另外，时钟噪声和相位瞬态变化也会引起漂移2．漂移的影响．漂移的影响以以上上因因素素以以一一种种缓缓慢慢的的形形式式，，使使得得传传输输信信号号脉脉冲冲偏偏离理想的判决时刻位置，从而可能导致误判离理想的判决时刻位置，从而可能导致误判控控制制减减小小传传输输设设备备与与光光缆缆线线路路的的温温度度的的变变化化可可以以有有效减小系统全程漂移效减小系统全程漂移 3．抖动与漂移性能要求．抖动与漂移性能要求抖抖动动难难以以完完全全消消除除，，为为了了保保证证系系统统正正常常工工作作，，ITU-T建建议议对对PDH和和SDH各各次次群群网网络络节节点点业业务务接接口的抖动特性能作出了明确规定口的抖动特性能作出了明确规定抖动／漂移相关性能指标主要有三项：抖动／漂移相关性能指标主要有三项：输入抖动／漂移容限输入抖动／漂移容限输出抖动／漂移容限输出抖动／漂移容限抖动转移特性抖动转移特性 3．抖动与漂移性能要求．抖动与漂移性能要求容容限限值值一一般般用用数数字字信信号号脉脉冲冲的的有有效效瞬瞬间间超超前前或或滞滞后后其其理理想想时时间间位位置置的的最最大大差差值值（（峰峰－－峰峰值值））来来衡衡量量，，单位是单位是UI（（Unit Interval））1 UI是是一一个个码码元元的的时时隙隙长长度度，，它它在在数数值值上上等等于于传传输输速速率率的的倒倒数数，，所所以以不不同同的的传传输输速速率率，，1 UI的的时时间不同间不同 码速率码速率（（Mb/s））2.0488.44834.368139.264STM-1STM-4STM-161 UI时间时间（（ns））488.3118.429.17.186.431.610.4输入抖动容限输入抖动容限系系统统的的输输入入接接口口容容许许输输入入信信号号最最大大抖抖动动的的范范围围为为输输入抖动容限入抖动容限衡量的是数字设备接口适应数字信号抖动的能力衡量的是数字设备接口适应数字信号抖动的能力PDH各次群输入接口的输入抖动容限各次群输入接口的输入抖动容限 输入抖动容限输入抖动容限ITU-T G.825、、G.812、、G.813对对SDH系系统统的的STM-N光接口的输入抖动和漂移容限进行了规范光接口的输入抖动和漂移容限进行了规范 输出抖动容限输出抖动容限当当输输入入端端口口无无抖抖动动时时，，输输出出端端口口的的抖抖动动特特性性称称为为输输出抖动，它衡量的是系统输出端口的信号抖动出抖动，它衡量的是系统输出端口的信号抖动 SDH各各STM-N接接口口的的固固有有抖抖动动不不应应超超过过表表7-8所所给出的容限值给出的容限值 接口接口测量滤波器测量滤波器峰－峰幅度（峰－峰幅度（UI））STM-1500 ~ 1.3 MHz1.565 kHz ~ 1.3 MHz0.15STM-41 kHz ~ 5 MHz1.5250 kHz ~ 5 MHz0.15STM-165 kHz ~ 20 MHz1.51 ~ 20 MHz0.15抖动转移特性抖动转移特性抖抖动动转转移移是是指指输输出出信信号号的的抖抖动动与与输输入入信信号号的的抖抖动动的的比值随频率变化的特性比值随频率变化的特性它衡量的是光端机自身对抖动特性的传递关系它衡量的是光端机自身对抖动特性的传递关系对于数字段，抖动转移增益最大不应超过对于数字段，抖动转移增益最大不应超过1 dB 4．抖动／漂移减少的策略．抖动／漂移减少的策略线线路路系系统统抖抖动动是是SDH网网的的主主要要抖抖动动源源，，设设法法减减少少线线路路系系统统产产生生的的抖抖动动是是保保证证整整个个网网络络性性能能的的关关键键之之一一减少线路系统抖动的基本对策是：减少线路系统抖动的基本对策是：减少单个再生器的抖动（输出抖动）减少单个再生器的抖动（输出抖动）控控制制抖抖动动转转移移特特性性（（加加大大输输出出信信号号对对输输入入信信号号的的抖抖动动抑抑制能力）制能力）改改善善抖抖动动积积累累的的方方式式，，如如采采用用扰扰码码器器使使传传输输信信息息随随机机化化，，各各个个再再生生器器产产生生的的系系统统抖抖动动分分量量相相关关性性减减弱弱，，改改善善抖抖动动积累特性积累特性 4．抖动／漂移减少的策略．抖动／漂移减少的策略由由于于SDH采采用用的的指指针针调调整整可可能能会会引引起起很很大大的的相相位位跃跃变变（（因因为为指指针针调调整整是是以以字字节节为为单单位位的的））和和伴伴随随产产生生的的抖抖动动和和漂漂移移，，因因而而在在SDH/PDH网网边边界界处处支支路路口口，，采采用用解解同同步步器器来来减减少少其其抖抖动动和和漂漂移移幅幅度度，，解解同步器有缓存和相位平滑作用同步器有缓存和相位平滑作用 小结小结1990年年以以前前，，光光纤纤通通信信一一直直沿沿用用准准同同步步数数字字体体系系（（PDH），然而），然而PDH有一些明显的弱点有一些明显的弱点同同步步数数字字传传输输体体系系（（SDH））是是针针对对PDH存存在在的的问问题题而而提提出出的的新新一一代代传传输输体体制制，，其其概概念念的的核核心心是是组组建建统统一标准的数字通信网一标准的数字通信网SDH技技术术是是目目前前广广泛泛使使用用的的光光传传送送技技术术，，本本章章着着重重讨讨论论SDH的的帧帧结结构构、、复复用用结结构构、、复复用用映映射射过过程程和和SDH设备设备 小结小结数数字字光光纤纤传传输输系系统统的的设设计计，，包包括括总总体体设设计计的的考考虑虑和和一个再生段的设计一个再生段的设计 主要讨论光纤的损耗和色散对传输距离的影响主要讨论光纤的损耗和色散对传输距离的影响 实实际际应应用用中中应应当当根根据据光光接接口口的的具具体体参参数数指指标标进进行行预预算，一般采用最坏值法进行光传输设计算，一般采用最坏值法进行光传输设计 数数字字光光纤纤系系统统的的性性能能指指标标特特性性，，如如误误码码特特性性、、抖抖动动特性特性 第第8章章 光波分复用光波分复用第第8章章 光波分复用光波分复用在在前前面面所所讨讨论论的的光光纤纤通通信信系系统统中中，，是是以以单单波波长长系系统统为研究对象的为研究对象的在在单单波波长长系系统统中中，，采采用用了了时时分分复复用用（（TDM））方方式式来来提高传输效率，降低传输成本提高传输效率，降低传输成本如早期如早期PDH体系的体系的34 Mb/s、、140 Mb/s系统，系统，以以及及SDH体体系系的的155 Mb/s、、622 Mb/s、、2.5 Gb/s乃乃至至10 Gb/s系系统统，，现现在在的的传传输输速速率率已已经经可可以以达到达到40 Gb/s水平等水平等 第第8章章 光波分复用光波分复用由由于于受受到到电电子子迁迁移移速速率率的的限限制制，，进进一一步步提提高高传传输输速速率已经十分困难率已经十分困难并并且且随随着着传传输输速速率率的的提提高高，，光光纤纤色色散散的的影影响响也也越越加加严重严重而而另另一一方方面面，，光光纤纤的的巨巨大大带带宽宽潜潜力力没没有有得得到到充充分分的的开发利用开发利用因因此此，，系系统统进进一一步步扩扩容容的的唯唯一一出出路路是是充充分分利利用用光光纤纤的的带带宽宽潜潜力力，，从从光光域域上上用用波波分分复复用用技技术术来来提提高高传传输输效率效率 第第8章章 光波分复用光波分复用不不同同波波长长的的光光彼彼此此之之间间可可以以无无影影响响地地独独立立传传输输信信息息，，因因此此在在同同一一根根光光纤纤中中可可以以有有多多个个信信道道，，每每个个信信道道有有不同的光载波波长（频率）不同的光载波波长（频率）这这种种在在单单根根光光纤纤中中同同时时传传输输多多个个波波长长信信道道的的技技术术就就是是波波分分复复用用（（WDM，，Wavelength Division Multiplexing））采采用用波波长长复复用用的的方方法法可可以以显显著著提提高高单单根根光光纤纤的的信信息息传输容量传输容量 第第8章章 光波分复用光波分复用20世世纪纪90年年代代密密集集波波分分复复用用（（DWDM，，Dense WDM））技技术术兴兴起起并并迅迅速速发发展展，，广广泛泛应应用用到到通通信信网网中，引发了光通信系统和网络的重大变革中，引发了光通信系统和网络的重大变革 第第8章章 光波分复用光波分复用8.1 光波分复用的基本原理光波分复用的基本原理8.2 波分复用系统的构成波分复用系统的构成8.3 WDM的关键技术的关键技术8.1 光波分复用的基本原理光波分复用的基本原理光光 纤纤 链链 路路 的的 优优 势势 是是 许许 多多 不不 同同 的的 波波 长长 可可 以以 在在1300~1600 nm的的光光谱谱带带宽宽内内沿沿一一根根光光纤纤同同时时传递传递把把多多个个波波长长复复合合到到同同一一根根光光纤纤上上的的技技术术称称为为波波分分复复用（用（WDM））从从概概念念上上讲讲，，WDM与与频频分分复复用用（（FDM））相相同同，，WDM的的中中心心波波长长（（或或光光频频率率））之之间间必必须须有有适适当当的的间隔，以避免相互间的信道串扰间隔，以避免相互间的信道串扰 一、一、WDM基本概念基本概念在在点点到到点点的的光光纤纤链链路路中中，，一一条条光光纤纤线线路路的的发发送送端端有有一个光源，在接收端有一个光检测器一个光源，在接收端有一个光检测器不同的光源使用不同的光纤以彼此分隔不同的光源使用不同的光纤以彼此分隔然然而而，，由由于于光光源源的的谱谱线线宽宽度度很很窄窄，，只只占占用用了了光光纤纤传传输带宽的极小一部分输带宽的极小一部分 一、一、WDM基本概念基本概念一一个个DFB激激光光器器的的调调制制输输出出带带宽宽是是10~50 MHz，，约约相相当当于于10-3 nm的的谱谱线线宽宽度度，，使使用用这这种种光光源源时，一般需要时，一般需要0.4~1.6 nm的保护带的保护带•使使用用这这样样光光源源的的单单波波长长系系统统，，只只能能用用到到标标准准光光纤纤传传输输带带宽的极小部分宽的极小部分一、一、WDM基本概念基本概念单单模模光光纤纤的的带带宽宽很很宽宽，，在在光光纤纤的的两两个个低低损损耗耗传传输输窗窗口口 ，， 1270~1350nm（（ 1310nm）） 窗窗 口口 和和1480~1600nm（（1550nm））窗窗口口，，其其带带宽宽可可以按照式（以按照式（8-1）计算：）计算：•对对于于1310nm窗窗口口的的可可用用谱谱宽宽Δλ=80nm，，相相应的光带宽约为应的光带宽约为14THz•类类 似似 地地 ，， 对对 于于 1550nm窗窗 口口 的的 可可 用用 谱谱 宽宽 为为Δλ=120nm，光带宽为，光带宽为15THz 一、一、WDM基本概念基本概念两两个个低低损损耗耗窗窗口口大大约约得得到到30THz（（200nm））的的总的光纤带宽总的光纤带宽所以单模光纤尚有绝大部分的带宽资源有待开发所以单模光纤尚有绝大部分的带宽资源有待开发•通通过过采采用用波波分分复复用用技技术可以扩大传输容量术可以扩大传输容量一、一、WDM基本概念基本概念波波分分复复用用技技术术可可以以有有WDM、、DWDM、、OFDM等等不同提法不同提法实实际际上上，，它它们们在在本本质质上上都都是是光光波波长长分分割割复复用用（（或或光光频频率率分分割割复复用用）），，所所不不同同的的是是复复用用信信道道波波长长（（频频率率））间隔不同间隔不同 一、一、WDM基本概念基本概念20世世纪纪80年年代代中中期期，，复复用用信信道道的的波波长长间间隔隔为为几几十十纳米到数百纳米纳米到数百纳米例例如如将将1310nm和和1550nm的的复复用用称称为为WDM，现在称为简单，现在称为简单WDM主主要要用用于于采采用用单单纤纤双双向向传传输输方方式式的的光光纤纤接接入入网网中中（如（如PON），在上、下行方向采用不同的波长），在上、下行方向采用不同的波长1310 nm为上行波长（用户到中心局）为上行波长（用户到中心局）1550 nm为下行波长（中心局到用户）为下行波长（中心局到用户） 一、一、WDM基本概念基本概念20世世纪纪90年年代代后后，，EDFA实实用用化化，，为为了了能能在在EDFA的的35nm带带宽宽（（4THz））内内同同时时放放大大多多个个波波长长的的信信号号，，波波长长间间隔隔必必须须减减小小，，即即采采用用DWDM，，其波长间隔为其波长间隔为nm级（如级（如0.8nm））OFDM一一般般指指波波长长间间隔隔小小于于100GHz的的波波分分复复用用，，在在20世世纪纪80年年代代，，主主要要指指相相干干光光通通信信，，90年年代代以后，出现了非相干以后，出现了非相干OFDM 一、一、WDM基本概念基本概念在在波波分分复复用用技技术术的的发发展展应应用用过过程程中中，，还还有有一一种种WDM技技术术称称为为粗粗波波分分复复用用（（CWDM，，Coarse WDM），主要应用于接入网和城域网），主要应用于接入网和城域网 随随着着DWDM技技术术在在长长距距离离通通信信中中的的应应用用，，宽宽带带城城域域网网络络问问题题逐逐渐渐成成为为通通信信网网络络的的瓶瓶颈颈，，宽宽带带、、灵灵活活及及低低成成本本是是城城域域网网追追求求的的主主要要目目标标，，采采用用CWDM技术是实现这一目标的有效手段技术是实现这一目标的有效手段 一、一、WDM基本概念基本概念目目前前，，WDM系系统统主主要要指指密密集集波波分分复复用用系系统统（（DWDM）），，应应用用在在1550nm波波长长区区段段内内，，复复用用8、、16或或更更多多的的波波长长在在一一对对光光纤纤上上（（也也可可采采用用单单纤纤））构成光纤通信系统构成光纤通信系统ITU-T建建议议的的标标准准的的波波长长间间隔隔为为0.8nm（（在在1550nm波波长长对对应应100GHz频频率率间间隔隔））的的整整数数倍倍，，或整数分之一或整数分之一如如0.4nm，，0.8nm，，1.6nm等等 一、一、WDM基本概念基本概念包包括括各各种种类类型型光光放放大大器器的的典典型型WDM链链路路中中各各种种元元件的使用以及频谱示意件的使用以及频谱示意 一、一、WDM基本概念基本概念在在发发送送端端有有几几个个独独立立调调制制的的光光源源，，每每一一个个都都只只能能在在一个波长上发射光信号一个波长上发射光信号复复用用器器的的作作用用是是将将光光信信号号合合路路到到一一串串密密集集波波长长信信号号频谱内，并把这些信号耦合进一根光纤中频谱内，并把这些信号耦合进一根光纤中在在接接收收端端，，解解复复用用器器将将光光信信号号分分离离送送入入正正确确的的信信道道中检测中检测由由于于光光检检测测器器在在包包括括所所有有WDM信信道道的的宽宽波波长长范范围围上上总总是是敏敏感感的的，，所所以以解解复复用用器器需需要要提提供供良良好好的的波波长长（信道）隔离（信道）隔离二、二、WDM工作形式工作形式波分复用系统主要有两种工作形式：波分复用系统主要有两种工作形式：双纤单向传输双纤单向传输单单向向WDM是是指指所所有有光光通通道道同同时时在在一一根根光光纤纤上上沿沿同同一一方向传送方向传送单纤双向传输单纤双向传输 双双向向WDM是是指指光光通通道道在在一一根根光光纤纤上上实实现现两两个个方方向向信信号的同时传输号的同时传输二、二、WDM工作形式工作形式单向单向WDM在在发发送送端端将将载载有有各各种种信信息息的的、、具具有有不不同同波波长长λ1、、λ2、、……、、λN的的已已调调光光信信号号通通过过光光复复用用器器组组合合在在一一起起，，并并在在一根光纤中单向传输一根光纤中单向传输由于各信号是通过不同光波长携带，所以不会彼此混淆由于各信号是通过不同光波长携带，所以不会彼此混淆 二、二、WDM工作形式工作形式双向双向WDM由于波长彼此分开，从而实现彼此双方全双工通信由于波长彼此分开，从而实现彼此双方全双工通信图图中中的的波波分分复复用用功功能能是是具具有有波波长长选选路路功功能能的的复复用用／／解解复复用器用器 二、二、WDM工作形式工作形式单单向向WDM系系统统在在开开发发和和应应用用方方面面都都比比较较广广泛泛，，双双向向WDM系统的开发和应用相对来说要求更高系统的开发和应用相对来说要求更高双双向向WDM系系统统在在设设计计和和应应用用时时要要考考虑虑几几个个关关键键因因素素如如为为了了抑抑制制多多通通道道的的干干扰扰，，必必须须要要注注意意光光反反射射的的影影响响、、双双向向通通道道之之间间的的隔隔离离、、串串扰扰的的类类型型和和数数值值、、两两个个方方向向传传输输的的功功率率电电平平值值和和相相互互间间的的依依赖赖性性、、光光监监控控信信道道传传输输和和自动功率关断等问题自动功率关断等问题同时要使用双向光纤放大器同时要使用双向光纤放大器 二、二、WDM工作形式工作形式通通过过在在中中间间设设置置光光分分插插复复用用器器（（OADM））或或光光交交叉叉连连接接器器（（OXC）），，可可使使各各波波长长光光信信号号进进行行合合波波和和分分波波，，实实现现光光信信息息的的上上／／下下通通道道与与路路由由分分配配，，这这样样可可以以根根据据光光纤纤通通信信线线路路和和光光网网的的业业务务量量分分布布情情况况，，合合理理地地安排插入或分出信号安排插入或分出信号 二、二、WDM工作形式工作形式DWDM有两种应用形式：有两种应用形式：开放式开放式DWDM采采用用波波长长转转换换技技术术，，将将复复用用终终端端的的光光信信号号转转换换成成符符合合ITU-T建议的波长，然后进行合波建议的波长，然后进行合波集成式集成式DWDM没没有有采采用用波波长长转转换换技技术术，，它它要要求求复复用用终终端端的的光光信信号号符符合合ITU-T建议的波长，然后进行合波建议的波长，然后进行合波 三、三、WDM的技术特性的技术特性WDM的主要系统特性如下：的主要系统特性如下：①① 提高了光纤的频带利用率，增加了系统容量提高了光纤的频带利用率，增加了系统容量②② 对不同的信号具有很好的兼容性，增强透明性对不同的信号具有很好的兼容性，增强透明性③③ 节约投资节约投资④④ 降低对光电器件的超高速要求降低对光电器件的超高速要求⑤⑤ 可以灵活组网可以灵活组网 8.2 波分复用系统的构成波分复用系统的构成WDM技技术术对对网网络络的的扩扩容容升升级级、、发发展展宽宽带带业业务务（（如如CATV、、HDTV等等）），，充充分分发发掘掘光光纤纤带带宽宽潜潜力力，，实实现高速通信等具有十分重要的意义现高速通信等具有十分重要的意义 一、一、WDM系统的基本结构系统的基本结构一般来说，一般来说，WDM系统主要由五个部分组成：系统主要由五个部分组成：光光发发送送机机、、光光中中继继放放大大、、光光接接收收机机、、光光监监控控信信道道和和网网络络管理系统管理系统 二、光波长分配二、光波长分配光光 纤纤 具具 有有 两两 个个 低低 损损 耗耗 窗窗 口口 ，， 即即 1310nm和和1550nm在在这这两两个个低低损损耗耗窗窗口口中中均均可可进进行行波波分分复复用用，，但但是是由由于于目目前前的的光光放放大大器器EDFA的的工工作作波波长长范范围围为为1530~1565nm，，因因此此目目前前波波分分复复用用的的波波长长范范围为围为1530~1565nm对对这这个个有有限限的的波波长长范范围围区区域域进进行行光光通通道道分分配配时时，，需需要考虑带宽利用率和非线性及串扰的影响等要考虑带宽利用率和非线性及串扰的影响等 1．标称中心频率和最小通道间隔．标称中心频率和最小通道间隔为为了了保保证证不不同同WDM系系统统之之间间的的横横向向兼兼容容性性，，必必须须对各个光通道的中心频率（波长）进行规范对各个光通道的中心频率（波长）进行规范所所谓谓标标称称中中心心频频率率是是指指光光波波分分复复用用系系统统中中每每个个通通道道对应的中心波长对应的中心波长通通道道间间隔隔指指的的是是相相邻邻光光通通道道之之间间的的标标称称频频率率差差，，既既可以是均匀的，也可以是非均匀的可以是均匀的，也可以是非均匀的非非均均匀匀通通道道间间隔隔可可以以用用来来抑抑制制四四波波混混频频效效应应（（FWM））但目前的规范和大多数应用采用均匀通道间隔但目前的规范和大多数应用采用均匀通道间隔 1．标称中心频率和最小通道间隔．标称中心频率和最小通道间隔ITU-T目目 前前 规规 定定 的的 各各 个个 信信 道道 的的 波波 长长 间间 隔隔 为为0.8nm（（在在1550nm波波长长对对应应100GHz频频率率间间隔）的整数倍，或整数分之一隔）的整数倍，或整数分之一如如0.4 nm，，0.8 nm，，1.6 nm等等 在在可可用用的的1530~1565nm波波长长范范围围内内，，目目前前广广泛泛 使使 用用 的的 是是 各各 个个 通通 道道 频频 率率 基基 于于 参参 考考 频频 率率 为为193.1THz、、最最小小间间隔隔为为100GHz的的频频率率间间隔隔系系列列 2．通道分配表．通道分配表我我国国国国标标《《光光波波分分复复用用系系统统总总体体技技术术要要求求》》中中对对32波波以以及及16波波、、8波波的的WDM系系统统的的中中心心波波长长进进行了规定行了规定序号序号中心频率（中心频率（THz））波长（波长（nm））序号序号中心频率（中心频率（THz））波长（波长（nm））1192.101560.61*9192.901554.13*2192.201559.7910193.001553.333192.301558.98*11193.101552.52*4192.401558.1712193.201551.725192.501557.36*13193.301550.926192.601556.5514193.401550.12*7192.701555.75*15193.501549.328192.801554.9416193.601548.51*3．中心频率偏差．中心频率偏差中中心心频频率率偏偏差差定定义义为为标标称称中中心心频频率率和和实实际际中中心心频频率率之差之差对对于于信信道道间间隔隔大大于于200GHz的的系系统统，，各各个个信信道道的的偏差应小于信道间隔的偏差应小于信道间隔的1/516通通道道WDM的的系系统统通通道道间间隔隔为为100GHz（（约约0.8nm），最大中心频率偏移为），最大中心频率偏移为±20GHz8通通道道WDM系系统统的的通通道道间间隔隔为为200GHz（（约约为为1.6nm）），，为为了了能能向向16通通道道升升级级，，最最大大中中心心频频率率偏差也为偏差也为±20GHz 三、三、SDH与与WDM的关系的关系目目前前实实际际应应用用的的WDM系系统统的的客客户户层层信信号号都都是是基基于于SDH的，也就是的，也就是N×2.5 （（10Gb/s））SDH系统系统但并不是说但并不是说WDM系统只能承载系统只能承载SDH信号信号WDM系系统统的的一一个个最最重重要要特特点点是是与与业业务务无无关关，，也也就就是说业务透明是说业务透明它它可可以以承承载载各各种种格格式式的的信信号号，，无无论论是是PDH、、SDH，还是，还是IP、、ATM信号信号 三、三、SDH与与WDM的关系的关系SDH和和WDM的的相相同同点点在在于于都都是是建建立立在在光光纤纤这这一一物物理理介介质质上上，，利利用用光光纤纤作作为为传传输输手手段段，，但但两两者者也也有有本质的区别本质的区别WDM是是更更趋趋近近于于物物理理介介质质（（光光纤纤、、光光缆缆））的的系系统统，，它它是是在在光光域域上上进进行行复复用用，，在在点点到到点点的的应应用用上上，，加加上上OXC、、OADM就构成网的概念就构成网的概念SDH则则是是在在电电路路层层实实施施的的“光光同同步步传传送送网网”技技术术，，它它提提出出了了一一整整套套传传送送网网的的国国际际标标准准，，不不仅仅规规定定了了复复用方法，还描述了组网原则用方法，还描述了组网原则 三、三、SDH与与WDM的关系的关系相相对对WDM技技术术而而言言，，SDH和和PDH、、ATM一一样样，，都都只只是是WDM系系统统所所承承载载的的业业务务，，也也就就是是说说，，SDH和和WDM之间是客户层与服务层的关系之间是客户层与服务层的关系现现在在WDM技技术术似似乎乎只只有有一一个个客客户户，，即即SDH系系统统，，但实际上但实际上WDM具有承载多客户信号的能力具有承载多客户信号的能力随随着着网网络络的的演演进进和和发发展展以以及及透透明明性性的的增增加加，，WDM将将会会承承载载越越来来越越多多的的不不同同信信号号，，拥拥有有越越来来越越多多的的客客户，形成真正的多色网户，形成真正的多色网 三、三、SDH与与WDM的关系的关系Cisco和和Ciena公司认为公司认为随随着着全全光光网网络络的的发发展展，，全全光光网网络络最最终终会会直直接接面面对对各各种种业业务务网网，，如如IP、、ATM或或可可能能出出现现的的其其它它格格式式信信号号，，不不再再需要需要SDH作为传输手段作为传输手段SDH的的复复接接设设备备最最终终将将会会被被淘淘汰汰，，未未来来的的网网络络将将基基于于分组和基于信元的协议分组和基于信元的协议数数据据交交换换机机和和高高速速路路由由器器直直接接通通过过光光网网络络的的WDM设设备备相相连连接接，，以以STM-16的的速速率率进进入入网网络络，，应应用用于于话话音音和和低低速数据的速数据的SDH复接设备就不再需要了复接设备就不再需要了 三、三、SDH与与WDM的关系的关系但是，这只是一种长远的目标但是，这只是一种长远的目标可可以以相相信信，，SDH会会在在一一个个很很长长的的时时期期内内继继续续存存在在，，特特别别是是对对于于数数据据业业务务量量不不算算太太大大，，以以电电路路交交换换为为主主的国家的国家另另外外，，SDH网网络络具具有有的的许许多多优优点点还还没没有有充充分分发发挥挥，，没有形成真正意义上的没有形成真正意义上的“光同步传送网光同步传送网” 8.3 WDM的关键技术的关键技术WDM技技术术对对现现代代光光纤纤通通信信网网络络的的发发展展具具有有重重大大意意义义，，WDM具具备备良良好好的的技技术术优优势势和和良良好好的的经经济济性性，，既既能能满满足足爆爆炸炸性性增增长长的的市市场场需需求求，，又又有有广广阔阔的的发发展展前景前景但但是是要要实实现现WDM传传输输，，需需要要许许多多与与其其相相适适应应的的高高新新技技术术和和器器件件，，其其中中包包括括光光源源、、光光合合波波／／分分波波器器、、光放大器、光线路技术以及监控技术等光放大器、光线路技术以及监控技术等 1．．WDM光源技术光源技术WDM传传输输系系统统使使用用的的光光源源是是产产生生符符合合WDM系系统统要求的光波器件要求的光波器件目目前前有有多多波波长长光光源源、、绝绝对对波波长长光光源源、、分分布布反反馈馈型型激激光光器器和和超超级级周周期期结结构构衍衍射射光光栅栅分分布布反反馈馈型型激激光光器器等等波波长长可可变变半半导导体体激激光光器器，，以以及及多多波波长长光光纤纤环环形形激激光光器等器等应应用用于于WDM系系统统的的光光源源，，其其发发光光波波长长必必须须精精确确、、稳稳定定、、便便于于集集成成，，有有与与之之配配套套的的波波长长监监测测与与稳稳定定技技术，可靠性高、成本低术，可靠性高、成本低 2．光放大器．光放大器光光放放大大器器是是光光纤纤通通信信中中的的关关键键器器件件之之一一，，用用途途有有前前置放大、线路放大、功率放大等置放大、线路放大、功率放大等光放大器分为光放大器分为光纤放大器（光纤放大器（OFA））半导体光放大器（半导体光放大器（SOA））2．光放大器．光放大器SOA早早期期受受到到噪噪声声、、偏偏振振相相关关性性等等因因素素影影响响，，不不能实用化能实用化采采用用应应变变量量子子阱阱材材料料的的SOA研研制制成成功功，，SOA再再度度受到关注受到关注SOA结结构构简简单单，，适适于于批批量量生生产产，，成成本本低低，，寿寿命命长长，，功功耗耗小小，，还还能能与与其其它它部部件件一一块块集集成成，，使使用用波波长长覆覆盖盖了了1300~1600nm波波长长，，因因此此SOA是是进进一一步步研研究的重要器件之一究的重要器件之一 2．光放大器．光放大器光光纤纤放放大大器器有有掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器（（EDFA））、、掺掺镨镨光光纤纤放放大大器器（（PDFA））以以及及利利用用光光的的非非线线性性效效应应的的光光纤纤拉拉曼放大器（曼放大器（FRA）等多种）等多种其其中中EDFA已已经经成成熟熟并并在在WDM系系统统中中商商业业化化，，成成为现阶段光放大器的主流为现阶段光放大器的主流对对EDFA的的要要求求是是高高增增益益、、宽宽带带宽宽、、低低噪噪声声、、通通带带内增益平坦等内增益平坦等FRA以以其其带带宽宽宽宽、、噪噪声声系系数数低低、、高高分分布布式式放放大大、、波长可选择而发展迅速波长可选择而发展迅速 3．光信道间的串扰问题．光信道间的串扰问题光信道的串扰是影响接收机灵敏度的重要因素光信道的串扰是影响接收机灵敏度的重要因素信信道道间间的的串串扰扰大大小小主主要要取取决决于于光光纤纤的的非非线线性性和和解解复复用器的滤波特性用器的滤波特性在在信信道道间间隔隔为为1.6nm或或0.8nm的的情情况况下下，，目目前前使使用用的的光光解解复复用用器器在在2.5Gb/s系系统统中中可可以以保保证证光光信信道道间间的的隔隔离离度度大大于于25dB，，基基本本上上可可以以满满足足WDM系统的要求，但对更高速率的系统尚待研究系统的要求，但对更高速率的系统尚待研究 4．光纤色散对传输的影响．光纤色散对传输的影响在在采采用用了了EDFA后后，，衰衰减减问问题题得得到到了了解解决决，，传传输输距距离大大增加，但是色散也随之增加离大大增加，但是色散也随之增加光光纤纤传传输输系系统统的的无无中中继继传传输输距距离离由由原原来来的的衰衰减减受受限限转变为色散受限转变为色散受限因因此此对对于于高高速速光光纤纤通通信信而而言言，，光光纤纤的的色色散散效效应应成成为为一一个个主主要要的的需需要要解解决决的的限限制制因因素素，，否否则则无无法法实实现现长长距离通信距离通信 5．光纤的非线性效应问题．光纤的非线性效应问题对对于于常常规规的的单单信信道道光光纤纤通通信信系系统统来来说说，，入入纤纤光光功功率率较较小小，，光光纤纤呈呈线线性性状状态态传传输输，，各各种种非非线线性性效效应应对对系系统的影响较小，甚至可以忽略统的影响较小，甚至可以忽略但但在在WDM系系统统中中，，随随着着EDFA等等放放大大器器的的使使用用，，入入纤纤的的光光功功率率显显著著增增大大，，光光纤纤在在一一定定条条件件下下将将呈呈现现非非线线性性特特性性，，会会对对系系统统的的性性能能，，包包括括信信道道间间串串扰扰和和接收机灵敏度等产生影响接收机灵敏度等产生影响 5．光纤的非线性效应问题．光纤的非线性效应问题光纤的非线性效应主要有光纤的非线性效应主要有散射效应散射效应（（包包括括受受激激布布里里渊渊散散射射（（SBS））、、受受激激拉拉曼曼散散射射（（SRS））））折射率效应折射率效应（（包包括括自自相相位位调调制制（（SPM））、、交交叉叉相相位位调调制制（（XPM））和和四波混频（四波混频（FWM））））这这些些效效应应的的产产生生大大部部分分都都与与注注入入到到光光纤纤中中的的光光功功率率有关有关 8.3 WDM的关键技术的关键技术总总之之，，尽尽管管技技术术的的进进步步从从理理论论和和实实践践上上都都已已经经解解决决WDM系统进入实用化的问题系统进入实用化的问题而光学器件的发展又保证了而光学器件的发展又保证了WDM系统的商用化系统的商用化但但以以WDM技技术术为为标标志志的的全全光光网网技技术术仍仍然然面面临临许许多多需需要要解解决决的的新新问问题题，，需需要要一一批批与与之之相相适适应应的的配配套套技技术术 小结小结波波分分复复用用是是为为了了解解决决传传输输带带宽宽问问题题、、提提高高传传输输容容量量，，充分利用光纤的带宽潜力而提出的传输技术充分利用光纤的带宽潜力而提出的传输技术通通过过利利用用光光纤纤的的带带宽宽和和低低损损耗耗特特性性，，采采用用多多个个波波长长作为载波，在同一根光纤上同时传输作为载波，在同一根光纤上同时传输与与单单波波长长相相比比，，可可以以极极大大提提高高系系统统的的传传输输容容量量，，并并且扩容简单且扩容简单第第9章章 光网络光网络第第9章章 光网络光网络当今时代是信息的时代，是网络的时代当今时代是信息的时代，是网络的时代光光网网络络作作为为国国家家基基础础信信息息设设施施的的基基础础网网络络，，经经过过几几十十年年的的发发展展，，已已达达到到了了较较高高的的水水平平，，并并得得到到了了长长足足发展发展这这里里所所指指的的光光网网络络是是以以光光纤纤为为基基础础链链路路所所组组成成的的一一种通信网络结构种通信网络结构目目前前正正向向着着大大容容量量、、高高速速化化、、全全光光化化和和集集成成化化方方向向发发展展，，以以期期更更加加充充分分利利用用光光纤纤的的频频带带资资源源，，适适应应信信息社会的需要息社会的需要 第第9章章 光网络光网络20世世纪纪80年年代代，，SDH/SONET同同步步数数字字传传输输体体制制第第一一次次实实现现了了全全球球统统一一的的传传送送网网标标准准，，规规范范了了光光接口接口 SDH传传送送网网借借助助成成熟熟的的时时分分复复用用（（TDM））技技术术，，提提高高了了系系统统和和网网络络的的传传输输效效率率，，在在我我国国和和国国际际上上都都已已得到广泛应用，成为信息高速公路的重要支柱之一得到广泛应用，成为信息高速公路的重要支柱之一 但但是是，，在在光光域域，，SDH主主要要起起到到传传输输媒媒介介的的作作用用，，信息的处理都是在电域完成的信息的处理都是在电域完成的第第9章章 光网络光网络这这不不仅仅需需要要庞庞大大的的电电／／光光和和光光／／电电转转换换设设备备，，在在处处理速度上也受到电子迁移速率的限制理速度上也受到电子迁移速率的限制并并且且随随着着网网络络规规模模的的不不断断扩扩大大，，SDH/SONET的的开开销销不不再再充充裕裕，，多多级级复复用用还还造造成成带带宽宽利利用用率率低低的的缺缺点点 随随着着掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器（（EDFA））的的问问世世，，波波分分复复用用（（WDM、、DWDM））技技术术在在20世世纪纪90年年代代中中期期以以后快速走向成熟并迅速商用后快速走向成熟并迅速商用第第9章章 光网络光网络波波分分复复用用进进一一步步地地挖挖掘掘了了光光纤纤的的带带宽宽潜潜力力，，极极大大地地增增加加了了光光纤纤的的传传输输容容量量，，同同时时也也为为光光层层的的联联网网提提供供了可能了可能 结结合合光光纤纤放放大大器器，，通通过过引引入入光光交交叉叉连连接接设设备备（（ODXC））和和光光分分插插复复用用设设备备（（OADM）），，可可以以实实现现以以波波长长为为交交换换粒粒度度，，具具有有高高度度灵灵活活性性、、透透明明性性和和生生存存性的光网络，即光传送网（性的光网络，即光传送网（OTN）） 第第9章章 光网络光网络进进入入21世世纪纪以以后后，，WDM提提供供的的带带宽宽资资源源已已经经可可以以满满足足当当前前通通信信流流量量的的需需求求，，然然而而随随着着市市场场竞竞争争的的加加剧剧，，网网络络运运营营商商不不仅仅要要解解决决带带宽宽问问题题，，更更需需要要具具有能够灵活提供带宽的能力有能够灵活提供带宽的能力光光网网络络需需要要从从传传统统的的“带带宽宽驱驱动动型型”运运营营模模式式向向“用用户户驱驱动动型型”转转变变，，自自动动交交换换光光网网络络（（ASON））正正是是顺应这一发展而兴起顺应这一发展而兴起 第第9章章 光网络光网络ASON将将网网络络的的控控制制功功能能和和管管理理功功能能分分离离，，通通过过控控制制平平面面的的路路由由和和信信令令机机制制实实现现邻邻居居和和业业务务的的自自动动发发现现，，实实现现连连接接的的自自动动建建立立和和删删除除，，支支持持带带宽宽的的按按需需分分配配和和动动态态的的流流量量工工程程，，支支持持多多粒粒度度、、多多层层次次的的智智能能，，提提供供多多样样化化、、个个性性化化的的服服务务，，成成为为光光网网络络发发展的新方向展的新方向 第第9章章 光纤通信网光纤通信网9.1 SDH传送网传送网9.2 光传送网（光传送网（OTN））9.3 自动交换光网络（自动交换光网络（ASON））9.4 光城域网光城域网9.5 光接入网光接入网9.1 SDH传送网传送网电电信信网网是是十十分分复复杂杂的的网网络络，，它它泛泛指指提提供供通通信信服服务务的的所有实体（设备、装备和设施）及逻辑配置所有实体（设备、装备和设施）及逻辑配置一个电信网有两大基本功能群：一个电信网有两大基本功能群：一一类类是是传传送送（（transport））功功能能群群，，它它可可以以将将任任何何通通信信信息从一个点传递到另一些点信息从一个点传递到另一些点另另一一类类是是控控制制功功能能群群，，它它可可以以实实现现各各种种辅辅助助服服务务和和操操作作维护功能维护功能 9.1 SDH传送网传送网所所谓谓传传送送网网就就是是完完成成传传送送功功能能的的手手段段，，当当然然传传送送网网也能传递各种网络控制信息也能传递各种网络控制信息这这里里需需要要区区别别传传送送网网与与传传输输（（transmission））网网的的不同不同传传送送网网主主要要指指逻逻辑辑功功能能意意义义上上的的网网络络，，即即网网络络的的逻逻辑辑功功能集合能集合传传输输网网是是指指实实际际信信息息传传递递设设备备（（如如光光缆缆））组组成成的的物物理理网网络络 9.1 SDH传送网传送网可以看出，基本区别是描述的对象不同可以看出，基本区别是描述的对象不同传传送送是是从从信信息息传传递递的的功功能能过过程程来来描描述述，，而而传传输输是是从从信号在具体物理媒质中传输的物理过程来描述信号在具体物理媒质中传输的物理过程来描述传传送送网网可可以以有有基基于于SDH的的传传送送网网、、基基于于PDH的的传传送网和基于送网和基于ATM的传送网等的传送网等 一、一、SDH传送网分层模型传送网分层模型由由于于SDH传传送送网网主主要要指指逻逻辑辑功功能能意意义义上上的的网网络络，，是一个复杂庞大的网络是一个复杂庞大的网络为为了了便便于于网网络络的的设设计计和和管管理理，，需需要要建建立立一一个个合合适适的的网网络络模模型型，，通通过过采采用用分分层层（（layering））和和分分割割（（partitioning））的的概概念念，，从从而而使使网网络络变变得得灵灵活活，，并且易于描述并且易于描述 1．分层与分割的概念．分层与分割的概念传传送送网网可可从从垂垂直直方方向向分分解解为为3个个独独立立的的层层网网络络，，即即电路层、通道层和传输媒质层电路层、通道层和传输媒质层分分割割往往往往是是从从地地理理上上将将层层网网络络再再细细分分为为国国际际网网、、国国内网和地区网等，并独立地对每一部分行使管理内网和地区网等，并独立地对每一部分行使管理1．分层与分割的概念．分层与分割的概念分层和分割是正交的分层和分割是正交的1．分层与分割的概念．分层与分割的概念对网络进行分层的好处是：对网络进行分层的好处是：(1) 对每一层网络比对整个网络作为单个实体设计简单对每一层网络比对整个网络作为单个实体设计简单(2) 简化了简化了TMN管理目标的规定管理目标的规定(3) 使使网网络络规规范范与与具具体体实实施施方方法法无无关关，，保保持持较较长长时时间间的的稳稳定定(4) 某一层网络的更新与改变不会影响其它层某一层网络的更新与改变不会影响其它层对网络进行分割的好处是：对网络进行分割的好处是：(1) 便于管理便于管理(2) 便于改变网络组成，使之最佳化等便于改变网络组成，使之最佳化等2．．SDH传送网的分层模型传送网的分层模型ITU-T的的G.803建议采用的建议采用的SDH传送网分层模型传送网分层模型2．．SDH传送网的分层模型传送网的分层模型将将传传送送网网分分为为独独立立的的三三层层，，每每层层能能在在与与其其它它层层无无关关的的情情况况下下单单独独加加以以规规定定，，可可以以较较简简便便地地对对每每层层网网络络进行设计和管理进行设计和管理每个层网络都有自己的操作和维护能力每个层网络都有自己的操作和维护能力从从网网络络的的观观点点来来看看，，可可以以灵灵活活地地改改变变某某一一层层而而不不影影响到其它层响到其它层 电路层网络电路层网络电电路路层层网网络络涉涉及及到到电电路路层层接接入入点点之之间间的的信信息息传传递递并并直接为用户提供通信服务业务直接为用户提供通信服务业务按照提供业务不同，可以区分不同的电路层网络按照提供业务不同，可以区分不同的电路层网络电路层网络与相邻的通道层网络是相独立的电路层网络与相邻的通道层网络是相独立的电电路路层层网网络络是是面面向向业业务务的的，，严严格格意意义义上上不不属属于于传传送送层网络，但是为叙述的完整性，此处仍将其列入层网络，但是为叙述的完整性，此处仍将其列入 通道层网络通道层网络通通道道层层网网络络用用于于通通道道层层接接入入点点之之间间的的信信息息传传递递并并支支持持不不同同类类型型的的一一个个或或多多个个电电路路层层网网络络，，为为电电路路层层网网络节点（如交换机）提供透明的通道（即电路群）络节点（如交换机）提供透明的通道（即电路群）通通道道层层网网络络可可以以进进一一步步划划分分为为高高阶阶通通道道层层（（VC-3／／VC-4）和低阶通道层（如）和低阶通道层（如VC-12））VC-12可可以以看看作作电电路路层层网网络络节节点点间间通通道道的的基基本本传传送送单单位位，，VC-3／／VC-4可可以以作作为为局局间间通通道道的的基基本本传送单位传送单位 通道层网络通道层网络通通道道层层网网络络与与其其相相邻邻的的传传输输媒媒质质层层网网络络是是相相互互独独立立的的但但它它可可以以将将各各种种电电路路层层业业务务信信号号映映射射进进复复用用段段层层所所要求的格式内要求的格式内SDH传传送送网网的的一一个个重重要要特特点点是是能能够够对对通通道道层层网网络络的的连连接接进进行行管管理理和和控控制制，，因因此此网网络络应应用用十十分分灵灵活活和和方便方便 传输媒质层网络传输媒质层网络传传输输媒媒质质层层网网络络与与传传输输媒媒质质（（光光缆缆或或微微波波））有有关关，，为为通通道道层层网网络络节节点点（（例例如如DXC、、ADM等等））提提供供合合适的通道容量，支持一个或多个通道层网络适的通道容量，支持一个或多个通道层网络 STM-N是传输媒质层网络的标准等级容量是传输媒质层网络的标准等级容量传输媒质层网络的主要设备为线路传输系统传输媒质层网络的主要设备为线路传输系统 传输媒质层网络传输媒质层网络传输媒质层网络进一步划分为段层网络和物理层传输媒质层网络进一步划分为段层网络和物理层其其中中段段层层网网络络涉涉及及为为提提供供通通道道层层两两个个节节点点间间信信息息传传递的所有功能递的所有功能而而物物理理层层涉涉及及具具体体的的支支持持段段层层网网络络的的光光纤纤、、金金属属线线对对或或无无线线信信道道等等传传输输媒媒质质，，主主要要完完成成光光／／电电脉脉冲冲形形式的比特传送任务，与开销无关式的比特传送任务，与开销无关 传输媒质层网络传输媒质层网络在在SDH网网中中，，段段层层网网络络还还可可以以细细分分为为复复用用段段层层网网络和再生段层网络络和再生段层网络其其中中复复用用段段层层网网络络为为通通道道层层提提供供同同步步和和复复用用功功能能，，并完成复用段开销（并完成复用段开销（MSOH）的处理和传递）的处理和传递再再生生段段涉涉及及再再生生器器之之间间或或再再生生器器与与复复用用段段终终端端设设备备之之间间的的信信息息传传递递，，诸诸如如定定帧帧、、扰扰码码、、中中继继段段误误码码监监视以及中继段开销（视以及中继段开销（RSOH）的处理和传递）的处理和传递 传输媒质层网络传输媒质层网络物物理理层层网网络络是是传传送送网网的的最最底底层层，，没没有有服服务务网网络络支支持持，，因因而而网网络络连连接接直直接接由由传传输输介介质质支支持持，，而而不不是是通通常常情情况下的路径况下的路径可分为光纤、电缆、微波和卫星传输媒体可分为光纤、电缆、微波和卫星传输媒体 2．．SDH传送网的分层模型传送网的分层模型光光纤纤传传输输媒媒体体是是最最适适合合于于传传送送SDH信信号号的的传传输输媒媒体，因此称体，因此称SDH为为“光同步传输体系光同步传输体系”ITU-T对对SDH光光接接口口有有较较全全面面的的要要求求，，规规范范了了很很多对多对PDH系统未曾标准化要求的光参数系统未曾标准化要求的光参数 SDH系系统统虽虽然然是是基基于于光光纤纤来来设设计计的的，，但但为为了了地地面面和和空空间间传传输输通通道道互互为为备备用用，，CCIR规规范范了了数数字字微微波波与与 卫卫 星星 SDH系系 统统 ，， 是是 其其 速速 率率 为为 155Mb/s和和622Mb/s的传输系统的传输系统 二、二、SDH传送网的物理拓扑传送网的物理拓扑网网络络的的物物理理拓拓扑扑泛泛指指网网络络的的形形状状，，它它反反映映了了物物理理上上的的连连接接性性。

网网络络的的基基本本物物理理拓拓扑扑有有5种种类类型型，，即即线线形（链形）、星形、树形、环形和网孔形形（链形）、星形、树形、环形和网孔形 线形（链形）网线形（链形）网此此种种网网络络拓拓扑扑是是将将网网中中的的所所有有节节点点一一一一串串联联，，而而首首尾两端开放尾两端开放这种拓扑的特点是较经济，但生存性较差这种拓扑的特点是较经济，但生存性较差主要用于专网（如铁路网）中主要用于专网（如铁路网）中 星形网星形网网网络络拓拓扑扑有有一一个个特特殊殊点点（（枢枢纽纽点点）），，它它与与其其它它各各节节点点相相连连，，其其它它各各节节点点不不直直接接相相连连，，节节点点的的业业务务都都要要经过这个特殊节点转接，又称枢纽形拓扑经过这个特殊节点转接，又称枢纽形拓扑可可通通过过特特殊殊节节点点来来统统一一管管理理其其它它网网络络节节点点，，利利于于分分配配带带宽宽，，节节约约成成本本，，但但存存在在特特殊殊节节点点的的安安全全保保障障和和处理能力的潜在瓶颈问题处理能力的潜在瓶颈问题此种拓扑多用于本地网此种拓扑多用于本地网 （接入网和用户网）（接入网和用户网） 树形网树形网将将点点到到点点拓拓扑扑单单元元的的末末端端点点连连接接到到几几个个特特殊殊点点时时就就形形成成了了树树形形拓拓扑扑，，这这种种网网络络拓拓扑扑可可看看成成是是链链形形拓拓扑扑和星形拓扑的结合和星形拓扑的结合这这种种结结构构适适于于广广播播式式业业务务，，不不适适于于提提供供双双向向通通信信业业务务有线电视网多采用这种网络有线电视网多采用这种网络 环形网环形网环环形形拓拓扑扑实实际际上上是是将将链链形形拓拓扑扑首首尾尾相相连连，，从从而而使使网网上任何一个网元节点都不对外开放的网络拓扑形式上任何一个网元节点都不对外开放的网络拓扑形式这这种种网网的的优优点点是是具具有有很很高高的的生生存存性性，，即即自自愈愈功功能能较较强，这对大容量光纤网络是至关重要的强，这对大容量光纤网络是至关重要的环环形形网网常常用用于于本本地地网网（（接接入入网网和和用用户户网网））、、局局间间中中继网继网 网孔形网网孔形网当当涉涉及及通通信信的的许许多多点点都都直直接接互互连连时时，，就就形形成成了了网网孔孔形拓扑形拓扑如果所有点都直接互连，则称为理想的网状形如果所有点都直接互连，则称为理想的网状形网网状状形形拓拓扑扑结结构构不不受受节节点点瓶瓶颈颈问问题题和和失失效效问问题题的的影影响响，，两两点点间间有有多多种种路路由由可可选选，，可可靠靠性性较较高高，，但但结结构构复复杂杂，，系系统统的的冗冗余余度度高高，，成成本本较较高高，，适适于于业业务务量量较较大、分布又较均匀的地区大、分布又较均匀的地区 二、二、SDH传送网的物理拓扑传送网的物理拓扑SDH网网是是由由SDH网网元元设设备备通通过过光光缆缆互互连连而而成成的的，，网网络络节节点点（（网网元元））和和传传输输线线路路的的几几何何排排列列就就构构成成了了网络的拓扑结构网络的拓扑结构网网络络的的有有效效性性（（信信道道的的利利用用率率））、、可可靠靠性性和和经经济济性性在很大程度上与其拓扑结构有关在很大程度上与其拓扑结构有关 因因此此，，物物理理拓拓扑扑的的选选择择应应综综合合考考虑虑网网络络的的生生存存性性、、配配置置的的难难易易程程度度、、网网络络结结构构是是否否适适合合新新业业务务的的引引进进等多种因素等多种因素 二、二、SDH传送网的物理拓扑传送网的物理拓扑4种常用的种常用的SDH网络结构网络结构点点对对点点方方式式在在SDH网网的的早早期期用用得得较较多多，，目目前前应应用用较多的是环形网，特别是在城域网建设中较多的是环形网，特别是在城域网建设中 二、二、SDH传送网的物理拓扑传送网的物理拓扑实实际际的的组组网网中中，，网网络络拓拓扑扑可可能能是是两两种种或或多多种种基基本本拓拓扑结构的组合扑结构的组合链链形形网网和和环环形形网网是是传传输输网网络络的的两两种种基基本本拓拓扑扑结结构构，，由由这这两两种种拓拓扑扑结结构构衍衍生生其其它它的的组组网网形形式式，，也也经经常常应应用于用于SDH光传送网络光传送网络例例如如：：两两环环相相切切、、两两环环相相交交、、环环带带链链、、环环链链相相接接等等网络结构网络结构 二、二、SDH传送网的物理拓扑传送网的物理拓扑实际组网举例实际组网举例 三、三、SDH自愈网自愈网SDH光纤传送网络具有很大的通信容量光纤传送网络具有很大的通信容量 这这样样的的传传送送网网络络一一旦旦发发生生光光缆缆被被切切断断（（例例如如土土建建施施工中将光缆挖断）等故障，将会带来严重的损失工中将光缆挖断）等故障，将会带来严重的损失因因此此SDH光光纤纤传传送送网网络络必必须须具具有有较较强强的的抵抵抗抗故故障障或或灾灾害害的的能能力力，，即即SDH网网络络的的生生存存能能力力是是第第一一要要考虑的问题考虑的问题通通常常采采用用网网络络的的自自愈愈机机制制作作为为提提高高网网络络可可靠靠性性尤尤其其是生存性的主要手段之一是生存性的主要手段之一 三、三、SDH自愈网自愈网自自愈愈网网能能在在网网络络出出现现意意外外故故障障情情况况时时自自动动恢恢复复业业务务，，其其基基本本原原理理是是使使网网络络具具备备（（发发现现））替替代代传传输输路路由由，，并在一定时限内重新建立通信并在一定时限内重新建立通信自自愈愈仅仅是是通通过过备备用用信信道道将将失失效效的的业业务务恢恢复复，，而而不不涉涉及具体故障的部件和线路的修复或更换及具体故障的部件和线路的修复或更换所所以以故故障障点点的的修修复复仍仍需需人人工工干干预预才才能能完完成成，，就就像像断断了的光缆还需人工接好了的光缆还需人工接好 三、三、SDH自愈网自愈网自愈网技术可分为自愈网技术可分为“保护保护”型和型和“恢复恢复”型两类。

型两类保保护护（（Protection））的的基基本本思思想想是是利利用用预预先先规规划划的的备备用用系系统统容容量量对对主主用用系系统统进进行行切切换换保保护护，，即即当当一一个个工工作作通通路路发发生生失失效效时时，，利利用用备备用用设设备备的的倒倒换换动动作作，，使使信信号号通通过过保保护护通通路路仍仍保保持持有有效效，，如如1∶ ∶1保保护护，，1+1保护等保护等 恢恢复复（（Restoration））则则是是在在业业务务失失效效后后利利用用快快速速路由等机制重新建立连接路由等机制重新建立连接 三、三、SDH自愈网自愈网保保护护是是通通过过规规定定的的协协议议，，由由硬硬件件响响应应来来实实现现的的，，一一般般无无需需网管系统介入，保护倒换时间很短（网管系统介入，保护倒换时间很短（≤50 ms））为保护准备的备用容量无法在网络大范围内共享为保护准备的备用容量无法在网络大范围内共享 恢恢复复一一般般是是指指利利用用节节点点间间可可用用的的任任何何冗冗余余容容量量（（包包括括空空闲闲容容量量和和临临时时利利用用开开通通附附加加业业务务的的容容量量））实实施施网网络络中中业业务务的的恢恢复复。

它它所所需需的的备备用用容容量量较较小小，，网网络络中中并并不不预预先先建建立立备备用用路路由由，，而而是是利利用用网网络络中中仍仍能能正正常常使使用用的的空空闲闲信信道道建建立立替替代代路由，但需要较长的时间路由，但需要较长的时间系统的冗余容量可以在整个网络范围内共享系统的冗余容量可以在整个网络范围内共享 三、三、SDH自愈网自愈网SDH传送网实现自愈的手段主要有：传送网实现自愈的手段主要有：线路自动保护倒换方式线路自动保护倒换方式ADM自愈环保护方式自愈环保护方式DXC网络恢复保护方式网络恢复保护方式前前两两种种是是保保护护型型策策略略，，技技术术比比较较成成熟熟，，并并已已得得到到广广泛应用泛应用后后一一种种是是恢恢复复型型策策略略，，利利用用网网络络内内的的空空闲闲信信道道恢恢复复受故障影响的通道受故障影响的通道 1．线路保护倒换．线路保护倒换线线路路保保护护倒倒换换的的工工作作原原理理是是当当工工作作通通道道传传输输中中断断或或性性能能劣劣化化到到一一定定程程度度后后，，系系统统倒倒换换设设备备将将主主信信号号倒倒换到备用传输通道，从而使业务继续进行换到备用传输通道，从而使业务继续进行一一 般般 为为 自自 动动 保保 护护 倒倒 换换 （（ APS，， Automatic Protection Switching）），，是是最最简简单单的的自自愈愈形形式式这这种种保保护护方方式式的的业业务务恢恢复复时时间间很很快快，，可可以以短短于于50ms 1．线路保护倒换．线路保护倒换在在SDH标准中定义了两类线路保护倒换方式：标准中定义了两类线路保护倒换方式：1+1和和1∶ ∶N方式方式1+1方方式式中中业业务务信信号号同同时时在在工工作作信信道道（（段段））和和保保护护信信道道（段）上发送，即（段）上发送，即“并发选收并发选收”形式，是一种专用保护形式，是一种专用保护1∶ ∶N方方式式是是为为N个个工工作作信信道道设设置置一一个个共共享享的的保保护护信信道道，，是一种共享保护是一种共享保护 1．线路保护倒换．线路保护倒换1+1方式与方式与1︰︰1的不同在于的不同在于1+1方方式式在在正正常常情情况况下下保保护护段段传传送送业业务务信信号号，，所所以以不不能能提供无保护的额外业务提供无保护的额外业务而而1︰︰1的的保保护护方方式式在在正正常常情情况况下下保保护护段段不不传传业业务务信信号号，，因因而而可可以以在在保保护护段段传传送送一一些些级级别别较较低低的的额额外外业业务务信信号号，，也可以不传也可以不传 1．线路保护倒换．线路保护倒换线线路路保保护护倒倒换换可可以以采采用用双双向向倒倒换换，，即即两两个个方方向向的的信信道道都都倒倒换换到到保保护护段段；；也也可可采采用用单单向向倒倒换换，，即即只只有有故故障信道倒换到保护信道时便完成了倒换障信道倒换到保护信道时便完成了倒换这两种倒换方式都可使用恢复模式或非恢复模式这两种倒换方式都可使用恢复模式或非恢复模式恢恢复复模模式式是是指指工工作作段段故故障障被被恢恢复复，，工工作作通通道道由由保保护护段段倒倒回工作段回工作段非非恢恢复复模模式式是是指指即即使使故故障障恢恢复复后后倒倒换换仍仍保保持持，，此此时时将将原原主主用用信信道道做做为为备备用用信信道道，，原原备备用用信信道道当当作作主主用用信信道道，，只只有在原备用信道发生故障时，业务才会切回原主用信道有在原备用信道发生故障时，业务才会切回原主用信道 1．线路保护倒换．线路保护倒换线线路路保保护护倒倒换换业业务务恢恢复复时时间间短短（（小小于于50 ms）），，易配置和管理，可靠性高易配置和管理，可靠性高但但成成本本较较高高，，只只能能提提供供传传输输链链路路的的保保护护，，无无法法对对网网络节点的失效进行保护络节点的失效进行保护因此主要适用于点到点的保护因此主要适用于点到点的保护 2．自愈环保护．自愈环保护自自愈愈环环（（SHR，，Self-healing Ring））是是将将网网络络节点连成一个环，从而改善网络的生存性节点连成一个环，从而改善网络的生存性目前，目前，SHR一般采用一般采用ADM组成环网组成环网利利用用ADM的的分分插插能能力力和和智智能能化化构构成成自自愈愈环环是是SDH的特色之一的特色之一 2．自愈环保护．自愈环保护根根据据自自愈愈环环的的结结构构，，可可分分为为通通道道保保护护环环和和复复用用段段保保护环护环通通道道保保护护环环保保护护的的单单位位是是通通道道（（如如VC-12，，VC-3或或VC-4））倒换与否以离开环的每一个通道信号质量的优劣而定倒换与否以离开环的每一个通道信号质量的优劣而定一一般般利利用用支支路路单单元元（（TU））的的告告警警指指示示信信号号（（AIS，，Alarm Indication Signal））来来决决定定是是否否应应该该进进行行倒倒换换 通通道道保保护护环环属属于于专专用用保保护护，，在在正正常常情情况况下下保保护护段段往往往往也也传业务信号，即业务的传业务信号，即业务的1+1保护，信道利用率不高保护，信道利用率不高 2．自愈环保护．自愈环保护根据自愈环的结构，可分为通道保护环和复用段保护环根据自愈环的结构，可分为通道保护环和复用段保护环复用段保护环复用段保护环业务量的保护以复用段为基础业务量的保护以复用段为基础倒换与否按每一对节点间复用段信号质量的优劣而定倒换与否按每一对节点间复用段信号质量的优劣而定复复用用段段保保护护环环需需要要采采用用自自动动保保护护倒倒换换（（APS））协协议议，，即即倒倒换换是是由由STM-N信信号号中中K1、、K2（（b1~b5））字字节节所所携携带带的的APS协协议议来来启启动的动的复复用用段段保保护护多多属属于于共共享享保保护护，，即即构构成成复复用用段段共共享享保保护护环环（（MS-SPRing，，Multiplex Section-Shared Protection Ring）），，正正常常情情况况下下保保护护段段往往往往是是空空闲闲的的或或者者传传送送额额外外业业务务，，即即业业务务的的1︰︰1保护，信道利用率高保护，信道利用率高 2．自愈环保护．自愈环保护根根据据环环中中节节点点间间信信息息的的传传送送方方向向，，自自愈愈环环可可分分为为单单向环和双向环向环和双向环单向环中收发业务信息的传送线路是一个方向单向环中收发业务信息的传送线路是一个方向双向环中收发业务信息的传送线路是两个方向双向环中收发业务信息的传送线路是两个方向通通常常，，双双向向环环工工作作于于复复用用段段倒倒换换方方式式，，单单向向环环工工作作于通道倒换方式或复用段倒换方式于通道倒换方式或复用段倒换方式 2．自愈环保护．自愈环保护根根据据环环中中每每一一对对节节点点间间所所用用光光纤纤的的最最小小数数量量来来分分，，自愈环有二纤环和四纤环自愈环有二纤环和四纤环对对于于双双向向复复用用段段倒倒换换环环既既可可用用二二纤纤方方式式也也可可用用四四纤纤方式方式而对于通道倒换环只可用二纤方式而对于通道倒换环只可用二纤方式 2．自愈环保护．自愈环保护按按照照上上述述的的不不同同分分类类方方法法，，可可以以分分出出许许多多不不同同的的自自愈环结构愈环结构 通道倒换环通道倒换环复用段倒换环复用段倒换环专用保护环专用保护环公用（共享）保护环公用（共享）保护环专用保护环专用保护环单向环单向环双向环双向环双向环双向环单向环单向环二纤环二纤环二纤环二纤环二纤环二纤环四纤环四纤环二纤环二纤环1+11+11:1M:N二纤单向通道保护环二纤单向通道保护环二纤通道保护环由两根光纤组成两个环二纤通道保护环由两根光纤组成两个环其中一根光纤用于传送业务信号，构成主环其中一根光纤用于传送业务信号，构成主环S1而另一根光纤用于保护，构成而另一根光纤用于保护，构成P1环环两环的业务流向一定要相反两环的业务流向一定要相反 二纤单向通道保护环二纤单向通道保护环接接收收采采用用的的是是“选选收收”方方式式。

正正常常情情况况下下，，网网元元A和和C都选收主环都选收主环S1上的业务上的业务 1+1保护方式保护方式 当当业业务务量量分分布布集集中中时时，，二纤通道保护环最经济二纤通道保护环最经济 并发并发选收选收 从从 C经经S1传传来来的的CA信信号丢失号丢失 二纤单向通道保护环二纤单向通道保护环二纤单向通道保护环有如下特点：二纤单向通道保护环有如下特点：①① 可靠性高，保护动作影响面小可靠性高，保护动作影响面小②② 保护倒换时间快保护倒换时间快③③ 业务容量低业务容量低由由于于通通道道保保护护环环的的上上述述特特点点，，二二纤纤单单向向通通道道环环多多用用于低端、业务集中型的组网中于低端、业务集中型的组网中例例如如，，华华为为公公司司设设备备在在目目前前组组网网中中，，二二纤纤单单向向通通道道环多用于环多用于155 Mb/s、、622 Mb/s系统系统 二纤双向通道保护环二纤双向通道保护环二二纤纤双双向向通通道道保保护护环环的的1+1保保护护方方式式与与单单向向通通道道保保护护环环基基本本相相同同（（并并发发优优收收）），，只只是是保保护护环环网网上上业业务为双向（一致路由）务为双向（一致路由） A、、C间间业业 务务 信信号丢失号丢失 二纤双向通道保护环二纤双向通道保护环网网上上业业务务容容量量与与单单向向通通道道保保护护二二纤纤环环相相同同，，但但结结构构更更复复杂杂，，与与二二纤纤单单向向通通道道环环相相比比无无明明显显优优势势，，故故一一般不采用般不采用 二二纤纤双双向向通通道道保保护护也也可可以以采采用用1∶ ∶1的的方方式式，，这这种种方方式式需需要要自自动动保保护护倒倒换换（（APS））字字节节协协议议，，但但在在保保护护通通道道中中可可传传额额外外的的业业务务，，只只有有出出现现故故障障时时，，才才从从工工作通道转向保护通道作通道转向保护通道 二纤单向复用段保护环二纤单向复用段保护环二纤单向复用段保护环示意图二纤单向复用段保护环示意图 环环上上网网元元A与与网网元元C互互通通业业务务，，构构成成环环的的两两根根光光纤纤S1、、P1分别称之为主纤和备纤分别称之为主纤和备纤1∶ ∶1保护保护二纤单向复用段保护环二纤单向复用段保护环利用利用APS协议产生一个环回功能协议产生一个环回功能 二二纤纤单单向向复复用用段段保保护护环环的的最最大大业业务务容容量量在在正正常常时时为为2×STM-N（（包包括括了了额额外外业业务务）），，发发生生保保护护倒倒换换时为时为1×STM-N 组组网网时时要要注注意意S1环环和和P1环环业业务务流流向向相相反反，，否否则则此此环无自愈功能环无自愈功能 复复用用段段倒倒换换时时不不是是仅仅倒倒换换某某一一个个通通道道，，而而是是将将环环上上整个整个STM-N业务都切换到备用信道上去业务都切换到备用信道上去 二纤单向复用段保护环二纤单向复用段保护环二二纤纤单单向向复复用用段段保保护护环环由由于于业业务务容容量量与与二二纤纤单单向向通通道保护环相差不大道保护环相差不大倒倒换换速速率率比比二二纤纤单单向向通通道道环环慢慢，，所所以以优优势势不不明明显显，，在组网时应用不多在组网时应用不多 四纤双向复用段保护环四纤双向复用段保护环四四根根光光纤纤分分别别为为S1、、P1、、S2、、P2，，其其中中S1、、S2为为主主纤纤，，传传送送主主用用业业务务；；P1、、P2为为备备纤纤，，空空闲或传送备用业务闲或传送备用业务 当当业业务务量量分分布布均均匀匀且且容容量量较较大大时，四纤复用段保护最经济时，四纤复用段保护最经济 四纤双向复用段保护环四纤双向复用段保护环四纤环上每个网元节点的配置要求是双四纤环上每个网元节点的配置要求是双ADM系统系统尽尽管管复复用用段段环环的的保保护护倒倒换换速速度度要要慢慢于于通通道道环环，，且且倒倒换换时时要要通通过过K1、、K2字字节节的的APS协协议议控控制制，，使使设设备备倒倒换换时时涉涉及及的的单单板板较较多多，，容容易易出出现现故故障障，，但但由由于于双双向向复复用用段段环环最最大大的的优优点点是是网网上上业业务务容容量量大大，，业业务务分分布布越越分分散散，，网网元元节节点点数数越越多多，，它它的的容容量量也也越越大大，，信信道道利利用用率率要要大大大大高高于于通通道道环环，，所所以以双双向向复复用用段段环环得到普遍的应用得到普遍的应用 二纤双向复用段保护环二纤双向复用段保护环一一根根光光纤纤的的保保护护时时隙隙用用来来保保护护另另一一根根光光纤纤上上的的主主用用业务时隙业务时隙当当业业务务量量分分布布均均匀匀且且容容量量不不大大时，二纤复用段保护最经济时，二纤复用段保护最经济二纤双向复用段保护环二纤双向复用段保护环双双向向复复用用段段环环主主要要用用于于业业务务分分布布较较分分散散的的网网络络，，四四纤纤环环由由于于要要求求系系统统有有较较高高的的冗冗余余度度（（4纤纤）），，双双ADM，成本较高，成本较高如如果果采采用用双双纤纤双双向向复复用用段段保保护护环环，，它它们们的的保保护护机机理理相相类类似似，，只只不不过过采采用用双双纤纤方方式式，，网网元元节节点点只只用用单单ADM即可，所以得到了广泛的应用即可，所以得到了广泛的应用 请注意，没有请注意，没有155系统的双纤双向复用段保护环系统的双纤双向复用段保护环 3．．DXC保护保护DXC自自愈愈网网的的拓拓扑扑结结构构主主要要是是网网状状形形结结构构，，因因为为网网状状网网中中的的物物理理路路由由有有很很多多条条，，可可以以节节省省备备用用容容量量的配置，提高资源利用率的配置，提高资源利用率 网网络络越越复复杂杂，，替替代代路路由由越越多多，，DXC的的恢恢复复效效率率越越高高3．．DXC保护保护DXC的的工工作作方方式式按按路路由由表表的的计计算算方方式式不不同同，，可可分分为静态方式、动态方式和即时方式为静态方式、动态方式和即时方式3种种即即时时方方式式需需要要最最少少的的保保护护容容量量，，动动态态方方式式次次之之，，静静态方式需要的保护容量最大态方式需要的保护容量最大然然而而，，即即时时方方式式的的业业务务恢恢复复时时间间最最长长，，静静态态方方式式的的业务恢复时间最短业务恢复时间最短 3．．DXC保护保护按按DXC自自愈愈网网控控制制方方式式，，有有集集中中式式控控制制和和分分布布式式控制控制集中控制方式的业务恢复时间很长集中控制方式的业务恢复时间很长在分布式结构中业务恢复时间较短在分布式结构中业务恢复时间较短可根据实际情况选用不同方式可根据实际情况选用不同方式 4．自愈保护方式比较．自愈保护方式比较线线路路保保护护倒倒换换方方式式配配置置容容易易，，网网管管简简单单，，恢恢复复时时间间很很短短（（50 ms）），，但但成成本本较较高高，，一一般般用用于于保保护护较较重重要要的的光光缆缆连连接接（（1+1方方式式））或或两两点点间间有有较较稳稳定定的的大业务量情况大业务量情况 自自愈愈环环具具有有很很高高的的生生存存性性，，网网络络恢恢复复时时间间较较短短（（50 ms）），，并并具具有有良良好好的的业业务务量量疏疏导导能能力力，，但但它它的的网网络规划较难实现，适用于接入网、中继网和长途网络规划较难实现，适用于接入网、中继网和长途网 4．自愈保护方式比较．自愈保护方式比较DXC的的保保护护方方式式也也具具有有很很高高的的生生存存性性，，便便于于规规划划和设计，但网络恢复时间较长和设计，但网络恢复时间较长DXC保保护护最最适适合合于于高高度度互互连连的的网网孔孔形形拓拓扑扑，，在在长长途网中应用较多途网中应用较多利用利用DXC将多个环形网互连应用也较多将多个环形网互连应用也较多 四、四、SNCP保护保护SDH网络保护的方式可以分为两大类，即：网络保护的方式可以分为两大类，即：路径保护和子网连接保护路径保护和子网连接保护路路径径保保护护如如复复用用段段保保护护（（MSP））和和通通道道保保护护（（PP））等，都已得到了广泛的应用等，都已得到了广泛的应用 子子 网网 连连 接接 保保 护护 （（ SNCP，， Sub Network Connection Protection））是是指指对对某某一一子子网网连连接接预预先先安安排排专专用用的的保保护护路路由由，，一一旦旦子子网网发发生生故故障障，，专专用用保保护护路路由由便便取取代代子子网网承承担担在在整整个个网网络络中中的的传传送送任务任务 1．．SNCP的工作原理的工作原理SNCP每每个个传传输输方方向向的的保保护护通通道道都都与与工工作作通通道道走走不不同的路由同的路由 SNCP的的保保护护原原理理与与通通道道环环保保护护一一样样，，采采用用“双双发发选收选收”工作方式工作方式 1．．SNCP的工作原理的工作原理但从具体实现上但从具体实现上通通道道保保护护在在收收端端选选收收业业务务时时，，由由支支路路板板完完成成选选收收判判断断的的动作动作而而SNCP保保护护则则是是在在交交叉叉板板（（光光板板））上上完完成成选选收收判判断断的的动作动作因因此此SNCP可可以以对对线线路路上上的的业业务务进进行行保保护护，，而而通通道道保护只能保护下到本地的支路上的业务保护只能保护下到本地的支路上的业务 1．．SNCP的工作原理的工作原理SNCP在在网网络络中中的的配配置置保保护护连连接接方方面面具具有有很很大大的的灵灵活活性性，，能能够够应应用用于于干干线线网网、、中中继继网网、、接接入入网网等等网网络络，，以及各种网络拓扑（如网状网、环、或混合结构）以及各种网络拓扑（如网状网、环、或混合结构）目目前前，，广广泛泛使使用用的的是是“1+1”单单向向倒倒换换保保护护方方式式，，即即每每一一个个工工作作连连接接都都有有一一个个相相应应备备用用连连接接，，倒倒换换无无须使用须使用APS协议，简单易行协议，简单易行当当同同时时在在复复用用段段实实行行保保护护时时，，传传输输信信号号将将有有可可能能被被双重保护双重保护 1．．SNCP的工作原理的工作原理SNCP应应用用于于通通道道保保护护，，可可以以作作为为保保护护通通道道的的一一部部分分也可作为整个端到端的通道保护也可作为整个端到端的通道保护由由此此可可见见，，路路径径保保护护中中的的通通道道保保护护只只对对端端到到端端的的业业务进行保护，因而只是务进行保护，因而只是SNCP的一个特例的一个特例 2．．SNCP倒换启动准则倒换启动准则一个倒换请求可以由三个方面引起：一个倒换请求可以由三个方面引起：一一是是VC子子网网连连接接关关联联的的一一个个自自动动启启动动指指令令（（信信号号失失效效或信号劣化）或信号劣化）二是子网连接过程的一个状态（等待恢复，无请求）二是子网连接过程的一个状态（等待恢复，无请求）三是一个外部启动的指令（清除、闭锁、强制倒换请求）三是一个外部启动的指令（清除、闭锁、强制倒换请求）而而对对于于1+1的的单单向向倒倒换换方方式式来来说说，，所所有有的的请请求求均均属于本地的属于本地的 2．．SNCP倒换启动准则倒换启动准则优先级的列表优先级的列表 本地请求本地请求优先级顺序优先级顺序清除清除保护闭锁保护闭锁强制倒换强制倒换信号失效信号失效信号劣化信号劣化人工倒换人工倒换等待恢复等待恢复无请求无请求最高最高最低最低2．．SNCP倒换启动准则倒换启动准则对对于于外外部部启启动动的的指指令令，，只只要要SDH设设备备具具备备SNCP功功能能，，人人为为地地发发给给网网元元适适当当的的优优先先级级指指令令，，就就能能顺顺利地完成倒换利地完成倒换但但对对于于与与VC子子网网连连接接有有关关联联的的自自动动启启动动的的指指令令，，由由于于要要从从通通道道开开销销中中提提取取监监测测信信息息，，涉涉及及到到与与SDH传送网络协调的问题传送网络协调的问题 3．．SNCP的应用的应用SNCP由由于于采采用用通通道道开开销销监监测测的的方方法法，，避避免免了了因因段段开开销销终终结结而而造造成成保保护护不不易易实实现现的的问问题题（（如如MS-SPRing）），，所所以以对对网网络络的的结结构构有有着着极极大大的的适适应应性性，，而而且且倒倒换换条条件件也也都都是是本本地的，无须使用地的，无须使用APS协议，进而缩短了倒换的时间协议，进而缩短了倒换的时间 MS-SPRing等等保保护护方方式式，，由由于于其其自自身身的的优优点点（（例例如如分分散散业务时，业务容量较大），仍然会得到广泛的应用业务时，业务容量较大），仍然会得到广泛的应用但但在在某某些些场场合合，，如如缺缺少少光光纤纤及及不不同同厂厂家家设设备备间间联联合合组组网网的的情情况况下下，，对对某某一一段段路路径径进进行行保保护护，，SNCP便便充充分分展展示示了了它它的优势的优势 3．．SNCP的应用的应用在在工工程程使使用用中中，，SNCP多多用用于于城城域域网网的的组组建建，，对对传传输设备的要求也较高，常见的输设备的要求也较高，常见的SNCP的组网有的组网有SNCP环带链环带链MSP环（复用段保护环）和环（复用段保护环）和SNCP相切相切SNCP和和PP环（通道保护环）相切环（通道保护环）相切SNCP和和SNCP相切等形式相切等形式 3．．SNCP的应用的应用SNCP组组 网网示意示意 对工作路径中的某一段进行保护对工作路径中的某一段进行保护在在无无法法形形成成环环的的情情况况下下，，需需要要对对其其中中的的某某些些重重要要高高阶阶通通道道业业务务在在某某一一段段上上（（一一般般为为事事故故频频发发段段或或存存在在隐患段）进行保护隐患段）进行保护这这里里的的保保护护子子网网可可以以是是一一对对光光纤纤，，也也可可以以是是一一条条SDH传传输输链链，，或或者者是是一一个个保保护护环环以以及及更更复复杂杂的的网网状网状网 共享光纤资源组建虚拟共享光纤资源组建虚拟SNCP环环虚拟虚拟SNCP环环 10 Gb/s设备设备A、、B、、C、、D组成了组成了MS-SPRing 2.5 Gb/s设备设备E、、F有与有与A、、B、、C、、D开业务的需求开业务的需求 分分出出16个个VC-4通通道道与与E、、F所所在在的的STM-16链链组组成成STM-16的通道环路。

这个环路采用的是的通道环路这个环路采用的是SNCP保护保护 3．．SNCP的应用的应用另另外外，，鉴鉴于于SNCP的的技技术术特特点点，，它它较较适适用用于于不不同同厂厂家设备的基于业务的保护应用家设备的基于业务的保护应用利利用用子子网网连连接接保保护护，，电电信信运运营营商商之之间间可可以以通通过过合合理理的的置置换换、、调调配配资资源源，，使使其其业业务务受受到到更更为为安安全全、、高高效效的保护的保护 SNCP保保护护是是一一种种基基于于业业务务的的保保护护方方式式，，它它对对各各种种传传输输网网络络都都有有较较大大的的适适应应性性，，不不依依赖赖于于厂厂家家、、线线路路和设备，具有极为灵活的组网和应用价值和设备，具有极为灵活的组网和应用价值 4．．SNCP与通道保护、复用段保护的比较与通道保护、复用段保护的比较SNCPPPMSP子网间业务的保护，不仅适用子网间业务的保护，不仅适用于端到端通道保护，还可以保于端到端通道保护，还可以保护通道的一部分护通道的一部分SNCP保护的一种特例，仅适用保护的一种特例，仅适用于端到端通道的保护于端到端通道的保护线路（或复用段）失效后，对经过该线路（或复用段）失效后，对经过该段线路业务进行保护的技术，因此也段线路业务进行保护的技术，因此也叫线路保护叫线路保护能保护部分通道能保护部分通道能保护部分通道能保护部分通道基于复用段级别的通道基于复用段级别的通道专用保护机制专用保护机制专用保护机制专用保护机制共享或专用保护机制共享或专用保护机制可用于各种网络拓扑，环上节可用于各种网络拓扑，环上节点数没有限制点数没有限制仅用于环状拓扑，环上节点数没仅用于环状拓扑，环上节点数没有限制有限制仅用于环状拓扑，环上节点数要求不仅用于环状拓扑，环上节点数要求不大于大于16发送端永久桥接，接收端倒换发送端永久桥接，接收端倒换发送端永久桥接，接收端倒换发送端永久桥接，接收端倒换桥接与倒换在动作时才发生，首端／桥接与倒换在动作时才发生，首端／尾端常常既是桥接节点又是倒换节点尾端常常既是桥接节点又是倒换节点单端倒换单端倒换单端倒换单端倒换环倒换环倒换通过通过SNCP可以构造双可以构造双DNI的保护结构的保护结构仅通过仅通过PP无法构造双无法构造双DNI的保的保护结构护结构仅通过仅通过MSP无法构造双无法构造双DNI的保护结的保护结构构不需要不需要APS协议，可靠性高协议，可靠性高不需要不需要APS协议，可靠性高协议，可靠性高需要全环运行需要全环运行APS协议，可靠性较差协议，可靠性较差业务量很少时，时间常常能得业务量很少时，时间常常能得到保障。

业务量较多时，倒换到保障业务量较多时，倒换时间不容易保证时间不容易保证芯片支持，倒换非常快（芯片支持，倒换非常快（≤10 ms）；且与业务数量无关）；且与业务数量无关倒换时间在倒换时间在50 ms之内，且与业务数之内，且与业务数量无关量无关一般监测通道开销一般监测通道开销一般监测通道开销一般监测通道开销监测复用段开销监测复用段开销五、五、SDH网同步网同步同同步步是是指指两两个个或或多多个个信信号号之之间间在在频频率率或或相相位位上上保保持持某种严格的特定关系某种严格的特定关系最简单的关系就是频率相等最简单的关系就是频率相等主要分为主要分为点同步点同步网同步网同步线同步等不同类型的同步线同步等不同类型的同步五、五、SDH网同步网同步数数字字同同步步网网是是一一个个支支撑撑网网，，他他支支撑撑各各种种业业务务网网（（包包括括PSTN，，GSM））的的同同步步，，同同样样也也支支撑撑SDH传传输输网的同步网的同步实实现现SDH网网同同步步的的目目标标是是使使网网中中所所有有交交换换节节点点的的时钟频率和相位都控制在预先确定的容差范围内时钟频率和相位都控制在预先确定的容差范围内以以便便使使网网内内各各交交换换节节点点的的全全部部数数字字流流实实现现正正确确有有效效的交换的交换 1．网同步工作方式．网同步工作方式有两种基本的网同步方式，即有两种基本的网同步方式，即主从同步方式和相互同步方式主从同步方式和相互同步方式主主从从同同步步方方式式以以网网络络稳稳定定性性较较好好，，组组网网灵灵活活，，对对从从节节点点时时钟钟的的频频率率精精度度要要求求较较低低，，控控制制简简单单，，网网络络的的滑动性能也较好等特点而得到广泛应用滑动性能也较好等特点而得到广泛应用主主从从同同步步方方式式使使用用一一系系列列分分级级的的时时钟钟，，每每一一级级时时钟钟都都与与其其上上一一级级时时钟钟同同步步，，在在网网中中的的最最高高一一级级时时钟钟称称为基准主时钟或基准时钟（为基准主时钟或基准时钟（PRC）） 1．网同步工作方式．网同步工作方式目前目前ITU-T将各级时钟划分为将各级时钟划分为4类：类：基基准准主主时时钟钟（（PRC）），，G.811建建议议规规范范，，精精度度达达1×10-11转接局时钟，转接局时钟，G.812（（T）建议规范，精度达）建议规范，精度达5×10-9本地局时钟，本地局时钟，G.812（（L）建议规范，精度达）建议规范，精度达1×10-7SDH网元时钟，网元时钟，G.813建议规范，精度达建议规范，精度达4.6×10-6 1．网同步工作方式．网同步工作方式我我国国数数字字同同步步网网的的网网络络结结构构是是“多多基基准准钟钟，，分分区区等等级主从同步级主从同步”方式方式 1．网同步工作方式．网同步工作方式在在主主从从同同步步方方式式中中，，节节点点从从时时钟钟通通常常有有3种种工工作作（运行）模式（运行）模式 正常工作模式正常工作模式 保持模式保持模式 自由运行模式自由运行模式 正常工作模式正常工作模式在在实实际际业业务务条条件件下下的的工工作作模模式式，，此此时时从从时时钟钟同同步步于于输入的基准时钟信号输入的基准时钟信号影影响响时时钟钟精精度度的的主主要要因因素素有有基基准准时时钟钟信信号号固固有有相相位位噪噪声声和和从从时时钟钟控控制制环环（（从从时时钟钟振振荡荡器器的的锁锁相相环环））的的相位噪声相位噪声通通常常，，输输入入基基准准时时钟钟信信号号可可以以跟跟踪踪网网中中的的主主时时钟钟，，但但也也有有可可能能是是从从另另一一高高等等级级但但暂暂时时处处于于保保护护模模式式工工作的从时钟中获取作的从时钟中获取 保持模式保持模式当当所所有有定定时时基基准准丢丢失失后后，，从从时时钟钟进进入入所所谓谓的的保保持持模模式式转转接接局局时时钟钟、、端端局局时时钟钟和和一一些些重重要要的的网网元元（（如如TM、、ADM和和DXC）时钟都具备此功能）时钟都具备此功能简单的小网元（如简单的小网元（如REG）时钟可不具备此功能）时钟可不具备此功能保持模式保持模式此此时时，，从从时时钟钟利利用用定定时时基基准准信信号号丢丢失失前前所所存存储储的的最最后的频率信息作为其定时基准使用后的频率信息作为其定时基准使用同时振荡器的固有频率会慢慢漂移同时振荡器的固有频率会慢慢漂移但但可可以以保保证证从从时时钟钟频频率率在在较较长长时时间间内内只只与与基基准准频频率率存在较小的偏差存在较小的偏差这这种种方方式式可可以以应应付付数数十十小小时时至至数数天天的的外外时时钟钟中中断断故故障障自由运行模式自由运行模式当当时时钟钟丢丢失失所所有有外外部部定定时时基基准准，，且且失失去去了了定定时时基基准准记记忆忆或或者者根根本本没没有有保保持持模模式式时时，，从从时时钟钟内内部部振振荡荡器器工作于自由振荡方式工作于自由振荡方式 2．．SDH同步网结构同步网结构SDH网网同同步步结结构构通通常常采采用用主主从从同同步步方方式式，，要要求求所所有有网网元元时时钟钟的的定定时时都都能能最最终终跟跟踪踪至至全全网网的的基基准准主主时时钟钟同步定时的分配则随网络应用场合不同而异同步定时的分配则随网络应用场合不同而异SDH同同步步网网结结构构要要求求所所有有的的SDH设设备备时时钟钟都都能能最最终跟踪一个主基准时钟（终跟踪一个主基准时钟（PRC））同步定时分配结构按网络应用场合分为同步定时分配结构按网络应用场合分为局内应用局内应用局间应用局间应用局内应用局内应用通通常常在在电电信信局局内内都都设设有有高高级级时时钟钟，，例例如如大大楼楼综综合合定定时供给系统（时供给系统（BITS），通常是），通常是G.812级别时钟级别时钟BITS自自身身能能直直接接或或间间接接接接受受主主基基准准时时钟钟（（PRC））同步同步局局内内各各种种设设备备较较低低级级网网元元时时钟钟都都直直接接从从BITS获获取取定时定时 局间应用局间应用局间定时分配网采用树状拓扑结构局间定时分配网采用树状拓扑结构低低等等级级的的时时钟钟只只能能接接收收更更高高等等级级（（或或同同一一等等级级））时时钟的定时信号，并避免形成定时环路钟的定时信号，并避免形成定时环路 3．．SDH网同步方式网同步方式从从工工作作原原理理上上划划分分，，SDH网网同同步步可可以以有有4种种不不同同的方式，即的方式，即同步方式同步方式伪同步方式伪同步方式准同步方式准同步方式异步方式异步方式SDH网网的的传传输输性性能能也也因因不不同同的的同同步步方方式式而而受受到到影影响响 同步方式同步方式在在SDH网网中中的的所所有有时时钟钟都都能能最最终终跟跟踪踪到到同同一一个个网网络的基准主时钟络的基准主时钟此此时时指指针针调调整整只只是是由由同同步步分分配配过过程程中中不不可可避避免免的的噪噪声所引起的，呈随机性声所引起的，呈随机性在在单单一一网网络络运运营营者者所所管管辖辖的的范范围围内内，，同同步步方方式式是是正正常工作方式，同步性能也最好常工作方式，同步性能也最好 伪同步方式伪同步方式在在SDH网网中中可可能能有有几几个个都都遵遵守守ITU-T G.811建建议议的的基基准准主主时时钟钟，，即即它它们们具具有有相相同同的的标标称称频频率率，，但但准确的频率仍略有差别准确的频率仍略有差别 这这样样，，网网络络中中的的从从时时钟钟可可能能跟跟踪踪于于不不同同的的基基准准主主时时钟钟 因因而而在在不不同同同同步步网网边边界界的的网网元元中中会会出出现现频频率率和和相相位位差异，引起指针调整差异，引起指针调整通通常常在在不不同同网网络络运运营营商商所所辖辖边边界界，，以以及及国国际际网网接接口口处，伪同步方式是正常工作方式处，伪同步方式是正常工作方式 准同步方式准同步方式同同步步网网中中有有1个个或或多多个个时时钟钟的的同同步步路路径径和和替替代代路路径径出出了了故故障障，，于于是是失失去去所所有有外外同同步步链链路路的的节节点点时时钟钟将将进入保持模式或自由运行模式工作进入保持模式或自由运行模式工作 异步方式异步方式当当网网络络节节点点时时钟钟出出现现大大的的频频率率偏偏差差时时，，则则网网络络工工作作于异步方式于异步方式当当时时钟钟精精度度达达不不到到G.813所所规规定定的的数数值值时时，，SDH网不再维持正常业务而将发送网不再维持正常业务而将发送AIS信号信号发发送送AIS所所需需要要的的时时钟钟精精度度只只要要求求有有  20×10-6 即可即可 4．．SDH网元的定时网元的定时SDH网网中中包包括括DXC、、ADM等等不不同同种种类类的的设设备备（（网网元元）），，这这些些不不同同的的设设备备在在SDH网网中中的的地地位位和和应应用用有有很很大大差差别别，，因因而而其其同同步步配配置置和和时时钟钟要要求求也也不不一样一样一一般般来来说说，，SDH同同步步网网提提供供了了三三种种不不同同的的网网络络单单元定时方法：元定时方法：外同步定时源外同步定时源 接收信号中提取定时接收信号中提取定时 内部定时源内部定时源 9.2 光传送网光传送网20世世纪纪90年年代代初初，，波波分分复复用用（（WDM））技技术术趋趋于于成成熟熟并并开开始始商商用用，，为为了了解解决决电电子子瓶瓶颈颈限限制制问问题题全全光光通通信网迅速发展信网迅速发展所所谓谓全全光光通通信信网网是是指指信信号号以以光光的的形形式式穿穿过过整整个个网网络络，，直直接接在在光光域域内内进进行行信信号号的的传传输输、、再再生生、、光光交交叉叉连连接接（（OXC））、、光光分分插插复复用用（（OADM））和和交交换换／／选选路路，，中中间不需经过光电、电光变换间不需经过光电、电光变换9.2 光传送网光传送网然然而而，，由由于于光光信信号号固固有有的的模模拟拟特特性性和和器器件件的的工工艺艺水水平平，，目目前前很很难难在在光光域域完完成成3R（（Retiming，，Reshaping，，Re-amplifying，，即即再再定定时时、、整整形形和和放放大大））中中继继功功能能，，难难以以高高质质量量实实现现光光信信号号再再生生，，光控技术也不够成熟光控技术也不够成熟 1998年年，，ITU-T正正式式提提出出光光传传送送网网（（OTN，，Optical Transport Network）的概念）的概念 9.2 光传送网光传送网OTN是是指指为为客客户户层层信信号号提提供供光光域域处处理理的的传传送送网网络络，，主主要要的的功功能能包包括括传传送送复复用用、、选选路路、、监监视视和和生生存存性性功功能等能等从从OTN的的功功能能上上看看，，其其出出发发点点是是子子网网内内全全光光透透明明传输，而在子网边界处采用传输，而在子网边界处采用O/E/O转换转换 9.2 光传送网光传送网OTN是是从从网网络络功功能能和和重重要要特特征征角角度度提提出出的的，，并并不不限限制制具具体体的的实实现现技技术术，，如如WDM、、OTDM（（光光时时分分复复用用））、、OCDM（（光光码码分分复复用用））等等各各种种复复用用技技术都可以用于术都可以用于OTN目目前前看看，，由由于于WDM技技术术的的突突破破性性进进展展，，基基于于WDM的的OTN最具有发展前景最具有发展前景 9.2 光传送网光传送网OTN的的主主要要特特点点是是引引入入了了“光光层层”概概念念，，在在SDH传送网的电复用层和物理层之间加入了光层传送网的电复用层和物理层之间加入了光层OTN处理的最基本的对象是光波长处理的最基本的对象是光波长客客户户层层业业务务以以光光波波长长形形式式在在光光网网络络上上实实现现复复用用、、选选路、监视等功能路、监视等功能 一、光传送网的分层结构一、光传送网的分层结构为为了了定定义义标标准准的的OTN结结构构，，ITU-T出出台台了了G.872建议建议该该建建议议沿沿袭袭G.805，，即即“传传送送网网络络的的通通用用功功能能结结构构”建建议议中中所所使使用用的的模模型型化化概概念念来来描描述述实实际际的的网网络络结构结构在在G.805中中，，首首先先假假设设网网络络是是分分层层的的，，各各层层之之间间是是客客户户／／服服务务器器关关系系，，各各层层网网络络相相互互独独立立，，具具有有自自己己特特定定的的网网络络功功能能，，例例如如光光传传输输、、复复用用、、路路由由或或监监控等控等 一、光传送网的分层结构一、光传送网的分层结构分层结构是定义和研究光传送网的基础分层结构是定义和研究光传送网的基础G.872建议中提出的分层方案是将光传送网分成建议中提出的分层方案是将光传送网分成光通道层（光通道层（OCH，，Optical Channel Layer））光光 复复 用用 段段 层层 （（ OMS，， Optical Multiplexing Section Layer））光光 传传 输输 段段 层层 （（ OTS，， Optical Transmission Section Layer）） 一、光传送网的分层结构一、光传送网的分层结构实实际际上上OTN是是将将光光层层加加到到原原SDH传传送送网网分分层层结结构构的段层和物理层之间的段层和物理层之间 SDH传送网和光传送网的分层结构的对应关系传送网和光传送网的分层结构的对应关系 1．光通道层（．光通道层（OCH Layer））光光信信道道层层负负责责为为来来自自电电复复用用段段层层的的各各种种不不同同格格式式（（SDH、、PDH、、IP、、以以太太网网、、ATM等等））的的客客户户层层信信号号选选择择路路由由、、分分配配波波长长和和安安排排连连接接，，从从而而提提供供端端到端的光通道联网功能到端的光通道联网功能 这些功能包括：这些功能包括：(1) 为灵活的网络选路重新安排光信道连接为灵活的网络选路重新安排光信道连接(2) 为保证光信道适配信息的完整性处理光信道开销为保证光信道适配信息的完整性处理光信道开销(3) 为网络层的运行和管理提供光信道监测功能为网络层的运行和管理提供光信道监测功能 2．光复用段层（．光复用段层（OMS Layer））光光复复用用段段层层保保证证相相邻邻两两个个波波长长复复用用设设备备之之间间多多波波长长光信号的完整传输，为多波长信号提供网络功能光信号的完整传输，为多波长信号提供网络功能这些功能包括：这些功能包括：为灵活的多波长网络选路重新安排光复用段连接；为灵活的多波长网络选路重新安排光复用段连接；为为保保证证多多波波长长光光复复用用段段适适配配信信息息的的完完整整性性处处理理光光复复用用段段开销；开销；为为段段层层的的运运行行和和管管理理提提供供光光复复用用段段检检测测和和管管理理功功能能，，如如复用段连接指配和网络的生存性复用段连接指配和网络的生存性 3．光传输层（．光传输层（OTS Layer））光光传传输输段段层层为为光光信信号号在在不不同同类类型型的的光光介介质质（（如如G.652、、G.653、、G.655光纤）上提供传输功能光纤）上提供传输功能整个信息传送过程为：整个信息传送过程为：被被复复用用的的多多路路OCH信信号号通通过过一一个个光光传传输输模模块块（（OTM））以以合合理理的的光光性能参数（如性能参数（如SNR和功率）在一段特定的波长范围内被介质传输和功率）在一段特定的波长范围内被介质传输OTS终终端端设设备备也也同同样样执执行行监监控控功功能能，，封封装装／／拆拆装装开开销销信信息息，，并并且且插插入入可可对对光光放放大大器器和和中中继继器器进进行行控控制制的的光光监监控控通通道道信信息息光光传传输输段段开开销销用用来来确确保保光光传传输输段段适适配配信信息息的的完完整整性性，，同同时时实现光放大器或中继器的检测和控制功能实现光放大器或中继器的检测和控制功能 二、光节点功能与结构二、光节点功能与结构光光分分插插复复用用器器（（OADM））和和光光数数字字交交叉叉连连接接器器（（OXC）是光传送网络最重要的网元设备）是光传送网络最重要的网元设备OXC是是用用于于光光纤纤节节点点的的设设备备，，通通过过对对光光信信号号交交叉叉连连接接，，能能够够灵灵活活有有效效地地管管理理光光传传输输网网络络，，是是实实现现可可靠靠的的网网络络保保护护／／恢恢复复以以及及自自动动配配线线和和监监控控的的重重要要手手段段OADM可以看成是可以看成是OXC结构的功能简化结构的功能简化 1．光交叉连接器．光交叉连接器光光交交叉叉连连接接（（OXC，，Optical Cross Connect））的的主主要要功功能能是是光光通通道道的的交交叉叉连连接接、、本本地地上上／／下下路路、、连接和带宽管理连接和带宽管理具具体体地地讲讲就就是是OXC可可以以实实现现在在光光纤纤和和波波长长两两个个层层面面上上为为网网络络提提供供带带宽宽管管理理，，如如动动态态重重构构光光网网络络、、提提供供光光信信道道的的交交叉叉连连接接以以及及本本地地上上、、下下话话路路操操作作、、动动态调节各个光纤中的流量分布等态调节各个光纤中的流量分布等 1．光交叉连接器．光交叉连接器同同时时在在出出现现断断纤纤故故障障时时，，OXC还还能能提提供供1+1光光复复用用段段保保护护，，即即使使用用其其中中的的光光开开关关将将原原主主用用信信道道倒倒换换到备用信道上，实现网络恢复和保护功能到备用信道上，实现网络恢复和保护功能如如果果在在出出现现故故障障线线路路的的两两节节点点之之间间启启用用波波长长转转换换，，那那么么可可以以通通过过波波长长路路由由重重新新选选择择功功能能来来实实现现更更复复杂杂的网络恢复的网络恢复 1．光交叉连接器．光交叉连接器OXC通常有三种实现方式，即通常有三种实现方式，即光纤交叉连接（光纤交叉连接（FXC））波长固定交叉连接（波长固定交叉连接（WSXC））波长转换交叉连接（波长转换交叉连接（WXCX））1．光交叉连接器．光交叉连接器光光纤纤交交叉叉连连接接是是指指以以一一根根光光纤纤中中所所传传输输的的总总容容量量进进行交叉连接，交叉容量大，但缺乏灵活性行交叉连接，交叉容量大，但缺乏灵活性波波长长固固定定交交叉叉连连接接是是指指将将光光纤纤上上的的任任何何波波长长交交叉叉连连接接到到使使用用相相同同波波长长的的光光纤纤上上的的实实现现方方式式，，较较光光纤纤交交叉连接具有更高的灵活性叉连接具有更高的灵活性波波长长转转换换交交叉叉连连接接是是指指可可以以将将任任何何输输入入光光纤纤上上的的任任何何波波长长交交叉叉连连接接到到输输出出光光纤纤上上的的实实现现方方式式，，这这种种方方式式可可以以实实现现任任意意光光纤纤之之间间的的任任意意波波长长转转换换，，灵灵活活性性最高最高1．光交叉连接器．光交叉连接器目前最为常用的是波长级目前最为常用的是波长级OXC，其一般结构如图，其一般结构如图如果必要，还应当包括波长变换器，图中未给出如果必要，还应当包括波长变换器，图中未给出可可以以看看出出，，其其功功能能可可以以与与时时分分复复用用网网络络中中的的交交换换机机类比类比 2．光分插复用器．光分插复用器光光分分插插复复用用器器（（OADM））的的主主要要功功能能是是在在波波分分复复用用光光路中对不同波长信道进行分下与插入操作路中对不同波长信道进行分下与插入操作在在分分下下或或插插入入本本结结点点的的波波长长信信号号的的同同时时，，对对其其它它波波长长的的向向前前传传输输并并不不影影响响，，并并不不需需要要把把非非本本结结点点的的波波长信号转换为电信号再向前发送长信号转换为电信号再向前发送 也也就就是是说说，，OADM在在光光域域上上实实现现了了SDH的的ADM设设备备在在电电域域上上的的分分插插复复用用功功能能，，而而且且对对信信号号的的格格式式和速率透明和速率透明 2．光分插复用器．光分插复用器OADM的原理图的原理图 WDM输入光信号经过解复用器后，将各个波长分开输入光信号经过解复用器后，将各个波长分开由光开关动态选择上下路波长由光开关动态选择上下路波长然后经复用器复用到同一链路中输出然后经复用器复用到同一链路中输出这这种种方方案案的的优优点点是是结结构构简简单单、、可可动动态态重重构构、、上上下下路路的控制比较方便，是当前应用较多的一种结构的控制比较方便，是当前应用较多的一种结构 2．光分插复用器．光分插复用器OADM可可以以用用于于线线形形网网络络中中，，方方便便、、透透明明地地解解决决光链路沿途信息的上下路问题光链路沿途信息的上下路问题OADM更更经经常常用用于于环环形形网网络络中中，，像像SDH环环形形网网一一样样，，当当网网络络发发生生故故障障时时，，快快速速实实现现倒倒换换保保护护，，具具有有很强的生存性很强的生存性 三、三、WDM光传送网的波长路由机制光传送网的波长路由机制光通道是光传送网的基本概念之一光通道是光传送网的基本概念之一光光通通道道的的建建立立，，要要求求在在传传送送网网的的物物理理结结构构中中选选择择一一条条由由业业务务原原点点到到宿宿点点的的全全光光网网络络路路由由，，并并为为其其分分配配一定的波长信道一定的波长信道光通道可以分为光通道可以分为波长通道（波长通道（WP，，Wavelength Path））虚虚 波波 长长 通通 道道 （（ VWP，， Virtual Wavelength Path））波长通道（波长通道（WP））在在光光通通道道层层传传输输的的信信号号，，在在所所有有的的波波长长复复用用段段中中都都使使用用相相同同的的波波长长，，并并保保持持不不变变，，这这种种通通道道就就是是波波长长通道（通道（WP））建建立立这这种种通通道道就就必必须须能能找找到到一一组组链链路路，，在在这这些些链链路路上上均均使使用用一一个个共共同同的的波波长长，，且且这这个个波波长长应应该该是是空空闲闲的的如如果果找找不不到到这这样样一一条条路路径径，，则则通通道道建建立立请请求求就就被被阻阻塞掉了塞掉了 波长通道（波长通道（WP））为为了了避避免免这这样样的的阻阻塞塞，，网网络络实实际际需需要要的的波波长长数数必必须须很多，从而使每波长通道的利用率较低很多，从而使每波长通道的利用率较低在在实实际际使使用用中中，，由由于于技技术术原原因因，，滤滤波波器器与与放放大大器器的的带带宽宽有有限限，，通通道道间间隔隔也也不不能能过过小小，，以以免免引引起起信信道道串串音音，，可可用用的的波波长长总总数数是是有有限限的的，，因因此此经经常常不不足足以以支支持大量节点的需要持大量节点的需要 虚波长通道（虚波长通道（VWP））虚虚波波长长通通道道（（VWP））利利用用OXC的的波波长长变变换换功功能能，，光光通道在不同的波长复用段可以占用不同的波长通道在不同的波长复用段可以占用不同的波长建建立立虚虚波波长长通通道道时时，，只只需需找找到到一一条条路路径径，，其其中中每每条条链路的波长复用段都有空闲的波长可用链路的波长复用段都有空闲的波长可用这这样样，，提提高高了了波波长长的的利利用用率率，，减减少少了了全全网网所所需需的的波波长数，降低了阻塞概率长数，降低了阻塞概率 虚波长通道（虚波长通道（VWP））为为了了实实现现节节点点间间的的虚虚波波长长通通道道的的连连接接，，在在光光通通道道的的节点处设置有波长变换器节点处设置有波长变换器它它将将接接收收到到的的信信号号波波长长λ1变变换换为为本本段段可可用用的的波波长长λ2，，从从而而避避免免与与已已占占有有该该链链路路λ1波波长长的的信信号号产产生生碰撞，引起阻塞碰撞，引起阻塞所以波长变换器是建立虚波长通道的关键器件所以波长变换器是建立虚波长通道的关键器件 三、三、WDM光传送网的波长路由机制光传送网的波长路由机制采用不同的路由机制可构成不同的网络采用不同的路由机制可构成不同的网络在在波波长长通通道道方方式式下下，，由由于于每每一一条条光光通通道道占占用用一一条条固固定定波波长长通通道道，，为为了了能能对对全全网网各各复复用用段段上上波波长长的的占占用用情况有所了解，必须采用集中控制方式情况有所了解，必须采用集中控制方式而而在在虚虚波波长长通通道道方方式式下下，，在在确确定定通通道道的的传传输输链链路路后后，，各各波波长长复复用用段段的的波波长长可可以以逐逐个个分分配配，，因因此此可可以以进进行行分布式控制分布式控制 四、四、WDM环形网环形网SDH环环形形网网在在多多年年的的应应用用中中非非常常成成功功，，WDM光光网络也首先采用环形网拓扑网络也首先采用环形网拓扑WDM环环形形网网络络的的实实现现方方式式多多种种多多样样，，与与SDH组组网形式基本相同网形式基本相同WDM环环形形网网可可以以是是1+1保保护护配配置置，，一一般般在在通通道道层实施，采用层实施，采用“并发优收并发优收”的方式配置的方式配置也也可可以以是是1∶ ∶1保保护护配配置置，，既既可可用用于于复复用用段段，，也也可可用用于通道层于通道层 四、四、WDM环形网环形网这这里里仅仅介介绍绍二二纤纤单单向向复复用用段段共共享享保保护护环环的的WDM环环网结构网结构二二纤纤单单向向复复用用段段共共享享保保护护环环是是指指环环网网由由两两根根光光纤纤构构成成，，节节点点之之间间的的双双向向业业务务使使用用不不同同路路由由绕绕环环以以相相同同方向传送方向传送因因此此为为了了建建立立两两点点之之间间的的双双向向连连接接，，需需要要占占用用整整个个环环网网的的一一个个波波长长资资源源，，网网络络资资源源的的利利用用率率不不高高，，也也不利于波长的重用不利于波长的重用但对但对OADM节点的配置要求较低节点的配置要求较低 四、四、WDM环形网环形网二纤单向复用段共享保护环的示意图二纤单向复用段共享保护环的示意图 ，，这这里里复复用用段段共共享享保保护护方方式式是是指指复复用用段段多多波波长长信信号号的的保保护护，，组组成成环环的的每每个个复复用用段段（（一一个个区区段段））的的保保护护容量由所有其它区段共享容量由所有其它区段共享 9.3 自动交换光网络自动交换光网络所谓自动交换光网络所谓自动交换光网络（（ ASON，， Automatic Switched Optical Network））ASTN（（ASTN，，Automatic Switched Transport Networks））是是指指在在ASON/ASTN信信令令网网控控制制之之下下完完成成光光传传送送网内光网络连接自动交换功能的新型网络网内光网络连接自动交换功能的新型网络可以看作是具有自动交换功能的新一代的光传送网可以看作是具有自动交换功能的新一代的光传送网 9.3 自动交换光网络自动交换光网络传统的传输只是两个层面，即网管层面和传输层面传统的传输只是两个层面，即网管层面和传输层面ASON网络有三个层面，引入了控制层面网络有三个层面，引入了控制层面通通过过引引入入智智能能控控制制层层来来建建立立连连接接，，这这种种电电路路建建立立是是通过分布式信令实现的通过分布式信令实现的将将网网管管层层面面的的功功能能转转移移到到控控制制层层面面，，并并且且采采用用了了分分布式控制，首次在传送网中引入动态交换的概念布式控制，首次在传送网中引入动态交换的概念 9.3 自动交换光网络自动交换光网络ASON代代表表智智能能光光网网络络的的主主流流方方向向，，最最早早是是在在2000年年3月月由由ITU-T的的Q19/13研研究究组组正正式式提提出出 ITU-T先先后后制制定定了了G.807（（自自动动交交换换传传送送网网络络功功能能需需求求））、、G.808（（自自动动交交换换光光网网络络体体系系结结构构））以以及及后后续续的的ASON相相关关标标准准，，IETF、、OIF等等组组织织也也积积极极扩扩展展MPLS协协议议，，使使其其能能成成为为ASON的的路路由和信令协议由和信令协议 一、一、ASON的体系结构的体系结构ASON网网络络结结构构的的核核心心特特点点就就是是支支持持电电子子交交换换设设备动态地向光网络申请带宽资源备动态地向光网络申请带宽资源可可以以根根据据网网络络中中业业务务分分布布模模式式动动态态变变化化的的需需求求，，通通过过信信令令系系统统或或者者管管理理平平面面自自主主地地去去建建立立或或者者拆拆除除光光通道，而不需要人工干预通道，而不需要人工干预采采用用自自动动交交换换光光网网络络技技术术之之后后，，原原来来复复杂杂的的多多层层网网络结构可以变得简单和扁平化络结构可以变得简单和扁平化光光网网络络层层可可以以直直接接承承载载业业务务，，避避免免了了传传统统网网络络中中业业务升级时受到的多重限制务升级时受到的多重限制 一、一、ASON的体系结构的体系结构ASON网网络络结结构构主主要要包包括括3个个独独立立的的平平面面：：传传送送平平面面（（TP，，Transport Plane））、、控控制制平平面面（（CP，，Control Plane）） 、、 管管 理理 平平 面面 （（ MP，，Management Plane）和数据通信网组成）和数据通信网组成数数据据通通信信网网分分布布于于三三大大平平面面之之中中，，是是用用于于承承载载控控制制信息和管理信息的信令网信息和管理信息的信令网 一、一、ASON的体系结构的体系结构ASON体系结构体系结构 传送平面（传送平面（TP））传传送送平平面面由由一一系系列列的的传传送送实实体体组组成成，，它它是是业业务务传传送送的的通通道道，，可可提提供供端端到到端端用用户户信信息息的的单单向向或或者者双双向向传传输输ASON传传送送网网络络基基于于网网状状网网（（mesh））结结构构，，也也支支持环网保护持环网保护光光节节点点使使用用具具有有智智能能的的光光交交叉叉连连接接（（OXC））和和光光分分插复用（插复用（OADM）等光交换设备）等光交换设备传送平面（传送平面（TP））另另外外，，传传送送平平面面具具备备分分层层结结构构，，支支持持多多粒粒度度光光交交换换技术技术多多粒粒度度交交换换技技术术是是ASON实实现现流流量量工工程程的的重重要要物物理理支支撑撑技技术术，，同同时时也也适适应应带带宽宽的的灵灵活活分分配配和和多多种种业业务接入的需要务接入的需要控制平面（控制平面（CP））控制平面是控制平面是ASON的核心的核心控制平面主要包括控制平面主要包括资资源源发发现现、、状状态态信信息息分分发发、、路路径径选选择择和和路路径径管管理理四四个个基基本模块本模块能够提供快速和更加灵活的链接建立功能能够提供快速和更加灵活的链接建立功能控控制制平平面面实实现现对对传传送送平平面面的的灵灵活活控控制制，，因因此此，，ASON主要是关于控制平面的解决方案主要是关于控制平面的解决方案控制平面（控制平面（CP））它它基基于于通通用用多多协协议议标标记记交交换换（（GMPLS））族族，，包包括括用用于于分分布布式式链链接接的的建建立立、、维维护护和和拆拆除除等等的的信信令令协协议议，，为为链链接接的的建建立立提提供供选选路路服服务务的的路路由由协协议议，，用用于于链链路路管理的链路资源管理协议等管理的链路资源管理协议等控制平面提供网络节点接口及用户网络接口控制平面提供网络节点接口及用户网络接口管理平面（管理平面（MP））管管理理平平面面的的重重要要特特征征就就是是管管理理功功能能的的分分布布化化和和智智能能化化传传统统的的光光传传送送网网管管理理体体系系被被基基于于传传送送平平面面、、控控制制平平面面和和信信令令网网络络的的新新型型多多层层面面管管理理结结构构所所替替代代，，构构成成了一个综合化的光网络管理方案了一个综合化的光网络管理方案具具有有集集中中管管理理与与分分布布智智能能相相结结合合、、面面向向运运营营商商的的维维护护管管理理需需求求与与面面向向用用户户的的动动态态服服务务需需求求相相结结合合的的特特点点管理平面（管理平面（MP））ASON的管理平面与控制平面技术互为补充的管理平面与控制平面技术互为补充可可以以实实现现对对网网络络资资源源的的动动态态配配置置、、性性能能监监测测、、故故障障管理及路由规划等功能管理及路由规划等功能 一、一、ASON的体系结构的体系结构三个平面间的接口是：三个平面间的接口是：网络管理接口网络管理接口A（（NMI-A））是管理平面与控制平面的接口是管理平面与控制平面的接口网络管理接口网络管理接口T（（NMI-T））管理平面与传送平面的接口管理平面与传送平面的接口连接控制接口（连接控制接口（CCI））控制平面与传送平面之间的接口控制平面与传送平面之间的接口 二、二、ASON三种连接方式三种连接方式ASON支持三种连接，即支持三种连接，即永久连接（永久连接（PC，，Provisioned Connection））交换连接（交换连接（SC，，Switched Connection））软软 永永 久久 连连 接接 （（ SPC，， Soft Permanment Connection）） 二、二、ASON三种连接方式三种连接方式永久连接永久连接是一种由网管系统指配的连接类型是一种由网管系统指配的连接类型 沿沿袭袭了了传传统统光光网网络络的的连连接接建建立立形形式式，，连连接接路路径径由由管管理理平平面面根根据据连连接接要要求求以以及及网网络络资资源源利利用用情情况况预预先先计计算算二、二、ASON三种连接方式三种连接方式交交换换连连接接是是由由控控制制平平面面的的引引入入而而出出现现的的一一种种全全新新的的动态连接方式动态连接方式源源端端用用户户发发起起呼呼叫叫请请求求，，通通过过控控制制平平面面内内信信令令实实体体间信令交互建立起来的连接类型间信令交互建立起来的连接类型 二、二、ASON三种连接方式三种连接方式软软永永久久连连接接由由管管理理平平面面和和控控制制平平面面共共同同完完成成，，是是一一种分段的混合连接方式种分段的混合连接方式 连连接接中中用用户户到到网网络络的的部部分分由由管管理理平平面面完完成成，，网网络络部部分分的的连连接接由由管管理理面面发发起起请请求求，，由由控控制制平平面面完成完成三、三、ASON的组网方案的组网方案ASON的组网可采取下列方案：的组网可采取下列方案：ASON与与DWDM ASON与与SDH混合组网方案混合组网方案 ASON和和MSTP结合的智能城域光网络结合的智能城域光网络 ASON与与DWDM组组网网方方案案最最大大优优点点是是，，利利用用了了DWDM系系统统的的大大容容量量长长途途传传输输能能力力，，以以及及ASON节节点点的的带带宽宽容容量量和和灵活的调度能力，从而组建一个功能强大的网络灵活的调度能力，从而组建一个功能强大的网络在在骨骨干干和和汇汇聚聚层层网网络络中中，，ASON节节点点可可以以完完成成传传统统SDH设设备备所所能能完完成成的的所所有有功功能能，，并并提提供供更更大大的的单单节节点点带带宽宽容容量量、、更更灵灵活活和和更更快快捷捷的的电电路路调调度度能能力力，，同时网络的建设和运营费用也比较低同时网络的建设和运营费用也比较低ASON节节点点所所能能提提供供的的单单节节点点交交叉叉容容量量可可以以大大大大缓解网络中的节点瓶颈问题缓解网络中的节点瓶颈问题 ASON与与SDH混合组网方案混合组网方案由由于于ASON可可以以基基于于G.803规规范范的的SDH传传送送网网实实现，也可以基于现，也可以基于G.872规范的光传送网实现规范的光传送网实现因此，因此，ASON可与现有的可与现有的SDH传送网络混合组网传送网络混合组网ASON与现有电信网络的融合是一个渐进的过程与现有电信网络的融合是一个渐进的过程在在组组网网时时，，客客户户采采取取先先在在现现有有的的SDH网网络络中中形形成成一一个个个个ASON小小网网络络，，然然后后再再逐逐步步形形成成整整个个的的ASON大网络大网络 ASON和和MSTP结合的智能城域光网络结合的智能城域光网络城域网业务和接口的多样性需要网络的智能城域网业务和接口的多样性需要网络的智能城城域域网网流流量量的的不不确确定定性性需需要要网网络络能能动动态态分分配配资资源源、、自动建立、维护和删除连接自动建立、维护和删除连接这使得智能城域光网络成为发展的方向这使得智能城域光网络成为发展的方向ASON和和MSTP结合的智能城域光网络结合的智能城域光网络典典型型的的智智能能城城域域光光网网络络的的应应用用是是将将ASON的的控控制制平面与平面与MSTP结合，赋予结合，赋予MSTP控制平面的智能控制平面的智能ASON的的控控制制平平面面可可以以使使链链路路容容量量的的调调整整通通过过控控制制平平面面的的信信令令和和接接口口自自动动完完成成，，使使带带宽宽的的按按需需分分配配更加快捷、智能更加快捷、智能从从而而提提升升业业务务的的控控制制管管理理能能力力，，实实现现实实时时的的带带宽宽按按需分配，并适应对一个呼叫建立多个连接需分配，并适应对一个呼叫建立多个连接四、四、ASON的特点的特点与传统光网络技术相比，与传统光网络技术相比，ASON有以下特点：有以下特点：(1) 控制为主的工作方式控制为主的工作方式 (2) 分布式智能分布式智能(3) 多层统一与协调多层统一与协调(4) 面向业务面向业务9.4 光城域网光城域网城城域域网网业业务务主主体体正正在在发发生生深深刻刻变变化化，，业业务务类类型型从从单单纯纯的的TDM业业务务为为主主、、2 Mb/s为为颗颗粒粒向向数数据据业业务务为主、宽带接口过渡为主、宽带接口过渡业业务务类类型型的的变变化化必必然然带带来来物物理理层层基基础础网网络络的的变变化化。

如如何何保保证证从从过过去去单单纯纯满满足足话话音音传传输输为为主主、、相相对对静静态态的的网网络络过过渡渡到到支支持持多多业业务务、、动动态态可可扩扩展展性性强强的的网网络络是各个运营商都关心的问题是各个运营商都关心的问题 一、光城域网概述一、光城域网概述与与骨骨干干网网相相比比，，城城域域网网具具有有业业务务种种类类多多、、业业务务调调度度转接多、业务流量变化大的特点转接多、业务流量变化大的特点其其应应用用的的技技术术也也呈呈多多样样化化，，每每种种技技术术都都有有其其应应用用空空间间 1．光城域网的定义．光城域网的定义城城域域网网本本来来是是一一个个计计算算机机网网概概念念，，至至少少目目前前从从事事数数据的人们谈论的城域网依然是城域数据网据的人们谈论的城域网依然是城域数据网从从事事数数据据和和从从事事传传输输的的人人们们谈谈论论的的城城域域网网并并不不是是一一个网络个网络一个从数据组网考虑，例如路由器、三层交换机的配置一个从数据组网考虑，例如路由器、三层交换机的配置一个从传输节点的考虑，综合各种业务的接入和承载一个从传输节点的考虑，综合各种业务的接入和承载为为了了区区别别于于从从事事数数据据人人们们谈谈论论的的城城域域网网，，可可以以称称之之为为“城域传送网城域传送网” 1．光城域网的定义．光城域网的定义城域传送网是本地传送网覆盖中心城市的部分城域传送网是本地传送网覆盖中心城市的部分也是本地传送网在城市区域的具体表现也是本地传送网在城市区域的具体表现负负责责为为同同一一城城市市内内的的交交换换机机、、基基站站、、路路由由器器等等业业务务节点提供传输电路节点提供传输电路城城域域网网面面向向的的不不仅仅仅仅是是普普通通用用户户，，更更要要考考虑虑大大客客户户和企业用户等和企业用户等城域传送网具有业务需求密集，业务量大等特点城域传送网具有业务需求密集，业务量大等特点主主要要以以光光纤纤作作为为传传输输介介质质，，因因此此又又称称为为“光光城城域域网网” 1．光城域网的定义．光城域网的定义可可以以看看到到，，城城域域网网正正在在（（或或者者已已经经））发发生生变变革革，，一一个个重重要要的的原原因因在在于于传传送送网网所所面面对对的的业业务务主主体体发发生生了了变化变化过过去去运运营营商商建建设设城城域域网网时时，，只只需需要要考考虑虑电话TDM业业务务，，甚甚至至可可以以称称之之为为电话本本地地传传输输网网（（大大部部分分）），，主要是基于主要是基于SDH的的从从接接口口类类型型、、网网络络拓拓扑扑、、节节点点配配置置考考虑虑最最多多的的是是交交换局容量、位置、的流量等因素换局容量、位置、的流量等因素 1．光城域网的定义．光城域网的定义而而随随着着各各种种宽宽带带业业务务的的出出现现，，城城域域传传送送网网所所面面对对的的客户信号发生了变化客户信号发生了变化其其中中IP网网络络的的应应用用迅迅猛猛发发展展，，出出现现了了LAN的的互互联联、、计算机海量存储系统的备份等许多新业务计算机海量存储系统的备份等许多新业务许许多多客客户户要要求求提提供供利利用用2层层构构造造VLAN（（虚虚拟拟局局域域网）或网）或VPN网络，以实现企业各节点的资源共享网络，以实现企业各节点的资源共享 2．光城域网络的主要特点．光城域网络的主要特点城城域域网网位位于于骨骨干干网网与与接接入入网网的的交交汇汇处处，，是是通通信信网网中中最复杂的应用环境最复杂的应用环境各各种种业业务务和和各各种种协协议议都都在在此此汇汇聚聚、、分分流流和和进进出出骨骨干干网网城城域域传传送送网网在在许许多多方方面面有有别别于于长长途途传传送送网网络络，，两两者者的区别有些类似于长途交通和城市交通的区别有些类似于长途交通和城市交通长途要求的是高速安全地传送长途要求的是高速安全地传送而城域网则是有效的接入、疏导和会聚各种业务而城域网则是有效的接入、疏导和会聚各种业务 2．光城域网络的主要特点．光城域网络的主要特点城域网主要特点如下：城域网主要特点如下：(1) 业务类型多，需要各种类型接口业务类型多，需要各种类型接口(2) 业业务务流流量量有有一一定定的的不不确确定定性性，，受受用用户户和和应应用用驱驱动动大大，，灵活性十分重要灵活性十分重要(3) 可可扩扩展展性性是是必必需需的的，，以以适适合合于于网网络络的的新新业业务务类类型型和和升升级扩容级扩容(4) 技技术术多多样样性性，，没没有有一一个个主主流流的的技技术术，，每每种种技技术术都都有有其其应用空间应用空间(5) 组网更多的与业务节点的配置相关组网更多的与业务节点的配置相关(6) 城域网的多样性城域网的多样性二、城域传送网分层结构二、城域传送网分层结构城域传送网可分为三层结构：城域传送网可分为三层结构：核心层、汇聚层、接入层核心层、汇聚层、接入层 二、城域传送网分层结构二、城域传送网分层结构核心层以大颗粒业务的调度和多业务处理为核心核心层以大颗粒业务的调度和多业务处理为核心汇汇聚聚层层以以多多业业务务颗颗粒粒汇汇聚聚、、传传送送、、调调度度和和处处理理为为核核心心接接入入层层以以细细颗颗粒粒传传送送、、调调度度和和多多业业务务处处理理为为核核心心，，利用各种接入技术和线路资源实现对用户的覆盖利用各种接入技术和线路资源实现对用户的覆盖 二、城域传送网分层结构二、城域传送网分层结构核核心心层层主主要要由由OXC与与OADM组组成成环环形形结结构构，，然然后后汇汇入入各各种种应应用用网网络络，，包包括括同同步步数数字字系系列列（（SDH））、、以以太太网网（（Ethernet））、、弹弹性性分分组组环环（（RPR））、、粗粗波波分分复复用用（（CWDM））和和综综合合的的多多业业务务供供给给平平台台（（MSPP））或多业务传送平台（或多业务传送平台（MSTP）等）等边边缘缘接接入入包包括括无无源源光光网网络络（（PON））、、异异步步转转移移模模式式无无源源光光网网络络（（APON））、、以以太太网网无无源源光光网网络络（（EPON））等技术等技术 二、城域传送网分层结构二、城域传送网分层结构城城域域网网中中通通过过不不断断引引入入先先进进技技术术，，速速率率不不断断提提高高，，业业务务趋趋于多样化于多样化城城域域网网所所提提供供的的带带宽宽已已从从155 Mb/s、、622 Mb/s向向2.5 Gb/s以及以及10 Gb/s发展发展一一些些运运营营商商不不仅仅提提供供大大带带宽宽，，而而且且还还向向用用户户提提供供服服务务质质量量承诺承诺城城域域网网正正在在朝朝着着一一个个能能够够承承载载话话音音、、数数据据和和视视频频等等所所有有比比特流的多业务网演变特流的多业务网演变要要变变成成一一个个需需要要包包容容所所有有协协议议、、速速率率和和业业务务的的中中间间环环节节，，其地位变得越来越重要其地位变得越来越重要 三、城域传送网技术三、城域传送网技术城城域域网网的的技技术术具具有有多多样样性性，，主主要要是是骨骨干干网网技技术术向向下下延延伸伸和和接接入入网网技技术术向向上上扩扩展展，，形形成成多多种种技技术术融融合合的的局面局面目前在城域传送网应用的主要有三种技术：目前在城域传送网应用的主要有三种技术：基基 于于 SDH的的 多多 业业 务务 传传 送送 平平 台台 （（ MSTP，， Multi-Service Transport Platform））基基于于数数据据的的弹弹性性分分组组环环（（RPP，，Resilient Packet Ring））基于基于WDM多业务传送平台多业务传送平台每种产品都有自己的代表厂商每种产品都有自己的代表厂商 1．多业务传送平台．多业务传送平台（（MSTP））基于基于SDH多业务传送节点是目前应用最多的产品多业务传送节点是目前应用最多的产品为为了了适适应应城城域域网网多多业业务务的的需需求求，，SDH从从单单纯纯支支持持2 Mb/s、、155 Mb/s等等话话音音业业务务接接口口向向包包括括以以太网和太网和ATM等多业务接口演进等多业务接口演进将将多多种种不不同同业业务务通通过过VC或或VC级级联联方方式式映映射射入入SDH时隙进行处理时隙进行处理SDH多多业业务务节节点点将将传传送送节节点点与与各各种种业业务务节节点点融融合合在一起，各厂商只是融合程度不同在一起，各厂商只是融合程度不同 1．多业务传送平台．多业务传送平台（（MSTP））MSTP的功能模型的功能模型 1．多业务传送平台．多业务传送平台（（MSTP））除除了了具具有有标标准准的的SDH处处理理功功能能外外，，MSTP设设备备一一般般还还包包括括ATM处处理理模模块块和和以以太太网网处处理理模模块块，，但但核核心处理仍然基于心处理仍然基于SDH的虚容器通道的虚容器通道 以以太太网网是是非非常常重重要要的的一一个个业业务务，，在在局局域域网网和和城城域域网网应用十分多应用十分多 1．多业务传送平台．多业务传送平台（（MSTP））MSTP的的缺缺点点是是每每个个MSTP设设备备的的以以太太网网处处理理板板卡卡需需要要对对每每个个业业务务进进行行MAC地地址址查查询询，，随随着着环环路路上上的的节节点点增增加加，，查查询询MAC地地址址表表速速度度下下降降，，处处理理性能明显下降性能明显下降另另外外在在以以太太网网环环上上，，则则表表现现在在每每个个MSTP节节点点上上的的以以太太网网板板卡卡分分配配带带宽宽的的不不公公平平性性，，无无法法保保证证环环路路各各个个节节点点带带宽宽的的公公平平接接入入，，即即使使采采用用端端口口速速率率限限制制机机制制，，也也不不能能成成为为全全局局性性公公平平机机制制，，不不能能适适应应数数据据业业务的突发性务的突发性 1．多业务传送平台．多业务传送平台（（MSTP））基基于于SDH多多业业务务传传送送节节点点是是SDH技技术术在在新新技技术术条条件件下下的的重重要要发发展展，，客客观观上上延延长长了了SDH的的生生命命，，有有些人甚至称之为些人甚至称之为“新一代新一代SDH”MSTP比比较较适适合合于于已已经经敷敷设设大大量量SDH网网的的运运营营公公司司，，可可以以方方便便有有效效地地支支持持分分组组数数据据业业务务，，实实现现从从电电路路交交换换网网到到分分组组网网的的过过渡渡，，适适合合支支持持混混合合型型业业务务量量特特别别是是以以TDM业业务务量量为为主主的的混混合合型型业业务务量量，，同同时时可以保证网络管理的统一性可以保证网络管理的统一性 1．多业务传送平台．多业务传送平台（（MSTP））MSTP组网的几种应用如下：组网的几种应用如下：(1) 当当配配置置以以太太网网接接口口盘盘为为透透传传功功能能时时，，可可以以用用作作点点对对点点的局域网互联的局域网互联(2) 具具有有交交换换功功能能的的以以太太网网接接口口盘盘，，对对一一些些企企业业用用户户，，可可以以使使不不同同用用户户在在共共享享带带宽宽的的同同时时，，利利用用VLAN的的划划分分实实现现用用户户隔隔离离，，认认证证用用户户安安全全，，同同时时可可对对不不同同用用户户的的带宽进行配置管理带宽进行配置管理(3) 对对具具有有交交换换功功能能的的以以太太网网接接口口盘盘，，也也可可以以利利用用其其统统计计复用功能，实现普通的居民因特网的接入复用功能，实现普通的居民因特网的接入 2．弹性分组环（．弹性分组环（RPP））传传统统的的城城域域网网和和广广域域网网是是为为使使用用SONET/SDH电电路路交交换换的的话话音音和和视视频频而而设设计计和和优优化化的的，，在在传传统统的的电电路路交交换换网网络络上上传传输输数数据据已已被被证证明明不不是是有有效效的的方方法法，，该方法复杂而且昂贵该方法复杂而且昂贵 目目前前在在现现有有的的网网络络上上传传输输分分组组包包，，最最常常用用的的就就是是POS技技术术，，利利用用路路由由器器通通过过不不同同速速率率的的POS接接口口连连接接SDH设设备备或或者者DWDM设设备备来来进进行行业业务务的的传传送送 2．弹性分组环（．弹性分组环（RPP））组组网网方方式式通通常常是是利利用用环环网网，，这这样样可可以以充充分分发发挥挥SDH的环网保护的优势的环网保护的优势 2．弹性分组环（．弹性分组环（RPP））然然而而，，将将IP路路由由器器通通过过SONET/SDH设设备备连连接接在一起将会引起以下几个问题在一起将会引起以下几个问题 ①① 带宽效率问题带宽效率问题②② 费用和复杂度费用和复杂度 2．弹性分组环（．弹性分组环（RPP））2000年年11月月正正式式成成立立了了IEEE 802.17弹弹性性分分组组数数据据环环工工作作组组（（RPRWG）），，希希望望开开发发一一个个RPR（（Resilient Packet Ring））MAC标标准准，，提提供供新新的的MAC层层协协议议优优化化用用于于LAN、、MAN和和WAN拓扑环上数据包的传输拓扑环上数据包的传输 标标准准制制定定的的基基本本思思路路是是综综合合传传统统SDH和和以以太太网网的的优优点点，，设设计计一一种种具具有有和和SDH相相当当的的可可靠靠性性（（弹弹性性））、、面面向向分分组组而而不不是是面面向向电电路路、、带带宽宽利利用用率率更更高高的的光光纤传输技术纤传输技术 RPR基本概念基本概念RPR包包括括两两个个反反方方向向环环绕绕的的单单向向环环，，即即一一个个双双环环（（ring）结构）结构 两两个个单单向向环环共共享享相相同同的的环环路路径径，，但但传传输输信信号号的的方方向向相反相反 RPR基本概念基本概念一一个个RPR节节点点由由带带有有两两个个邻邻居居的的物物理理层层实实体体和和MAC子层实体组成子层实体组成物物理理层层在在环环0发发送送，，在在环环1接接收收的的节节点点侧侧就就称称为为东东向向。

物物理理层层在在环环1发发送送，，在在环环0接接收收的的节节点点侧侧就就称称为西向为西向节点地址为节点地址为IEEE 802的的48 bit的的MAC地址地址 RPR基本概念基本概念环支持一个帧从源节点传输到目的节点环支持一个帧从源节点传输到目的节点该目的节点可以是一个单独的该目的节点可以是一个单独的MAC地址，即单播地址，即单播也可以是一组也可以是一组MAC地址，即多播地址，即多播 单个目单个目的地址的地址 一组目一组目的地址的地址 RPR基本概念基本概念在环不重叠的部分，不同的业务帧可以共存在环不重叠的部分，不同的业务帧可以共存从从环环上上的的目目的的站站点点丢丢弃弃单单播播帧帧，，这这种种方方法法意意味味着着该该传输仅占用源站点和目的站点之间的环容量传输仅占用源站点和目的站点之间的环容量环环上上其其它它部部分分的的容容量量还还可可以以提提供供给给其其它它的的业业务务，，这这种能力叫做空间重用种能力叫做空间重用 RPR关键技术关键技术RPR的物理层和拓扑结构的物理层和拓扑结构RPR的的拓拓扑扑结结构构是是沿沿着着双双向向环环路路互互联联的的一一组组交交换换节节点点，，与与SONET/SDH不不同同的的是是，，它它相相反反方方向向传传输输的的双双环环都都是工作环，而并未规定内环为保护环等是工作环，而并未规定内环为保护环等RPR技技术术独独立立于于物物理理层层传传输输媒媒质质，，可可以以采采用用比比如如一一对对裸裸光光 纤纤 、、 一一 对对 自自 WDM链链 路路 分分 插插 出出 的的 波波 长长 、、 一一 个个SONET/SDH可可拆拆卸卸OC-n/STM-N通通路路或或其其它它双双向向连接媒介连接媒介基基于于该该拓拓扑扑结结构构，，每每个个RPR节节点点具具有有两两个个双双向向端端口口：：一一个个支支持持与与左左边边邻邻近近节节点点的的连连接接，，另另一一个个支支持持与与右右边边节节点点的连接，节点仅需掌握两个端口的光路状态的连接，节点仅需掌握两个端口的光路状态 RPR关键技术关键技术RPR内置的控制性能内置的控制性能RPR具有内置的控制层面，具有如下功能：具有内置的控制层面，具有如下功能：双模式地址双模式地址自动拓扑发现自动拓扑发现链路状态通信链路状态通信自动保护倒换自动保护倒换 RPR关键技术关键技术双模式地址双模式地址RPR支支持持以以太太网网48位位的的地地址址模模式式和和更更高高效效的的8位位地地址址模式模式8位位地地址址模模式式是是标标准准RPR地地址址模模式式，，而而48位位地地址址模模式式主要用于当网络处于主要用于当网络处于“自动拓扑发现自动拓扑发现”模式时模式时两种模式可能同时存在于两种模式可能同时存在于RPR网上网上 RPR关键技术关键技术自动拓扑发现自动拓扑发现在在网网络络初初始始化化或或者者拓拓扑扑更更新新的的过过程程中中，，RPR进进入入自自动动拓拓扑扑识识别别模模式式，，所所有有节节点点基基于于48位位物物理理编编码码模模式式向向环环中中其余各节点发送信令分组，告知自己所掌握的拓扑信息其余各节点发送信令分组，告知自己所掌握的拓扑信息 每每个个节节点点据据此此来来确确定定此此时时的的逻逻辑辑拓拓扑扑结结构构，，并并通通过过一一定定的确认机制保证所有节点信息的一致性的确认机制保证所有节点信息的一致性 自自动动拓拓扑扑发发现现的的另另外外一一个个优优势势是是简简化化了了网网络络的的初初始始化化配配置置，，减减少少了了人人为为错错误误，，并并为为未未保保护护业业务务的的自自动动业业务务恢恢复复提供了可能提供了可能 RPR关键技术关键技术电路仿真业务电路仿真业务CESRPR的的一一个个显显著著特特点点就就是是对对保保证证服服务务质质量量的的TDM业业务务的的支支持持，，包包括括T1/El，，DS3，，STM-1/OC3，，STM-4/OC12及更高速率及更高速率TDM业业务务需需要要保保证证传传输输、、快快速速保保护护倒倒换换和和严严格格的的抖抖动动时延参数的高质量网络时延参数的高质量网络 RPR关键技术关键技术RPR环同步环同步保保证证CES业业务务质质量量的的重重要要方方面面，，就就是是使使输输入入和和输输出出信信号号维持高水平的同步维持高水平的同步 RPR网络帧长可变且流量突发，无法通过帧边界定时网络帧长可变且流量突发，无法通过帧边界定时在在RPR中中通通过过定定时时（（每每125 ms））输输入入时时钟钟标标签签，，来来完成完成CES的定时的定时 RPR关键技术关键技术RPR的流量安排的流量安排RPR支持流量的目的节点剥离支持流量的目的节点剥离 从从A到到B的流量在的流量在B点就离开环，从而腾出带宽点就离开环，从而腾出带宽尤尤其其是是业业务务分分布布为为相相邻邻型型时时，，空空间间重重用用体体现现出出来来的的环环容容量优势十分显著量优势十分显著 RPR关键技术关键技术RPR的保护倒换机制的保护倒换机制一一旦旦故故障障发发生生，，最最靠靠近近故故障障处处的的节节点点利利用用广广播播包包通通知知环环上其它节点上其它节点各各节节点点立立即即在在50 ms内内将将流流经经故故障障段段或或节节点点的的受受保保护护业务重新路由至环上另外方向业务重新路由至环上另外方向同同时时渐渐次次基基于于新新的的拓拓扑扑结结构构（（环环变变成成了了链链））重重建建未未保保护护业务业务 RPR与与SDH、吉比特以太网的比较、吉比特以太网的比较RPR与与SDH技术比较技术比较 项目项目SDH/SONETRPR拓扑配置拓扑配置手工手工自动发现自动发现跨段速率跨段速率各跨段等速率各跨段等速率各跨段速率可按需不同配置各跨段速率可按需不同配置环节点数环节点数16254空间重用空间重用可以可以可以可以管理信息管理信息专用的开销字节专用的开销字节控制包按需产生控制包按需产生复用方式复用方式时分复用时分复用统计复用统计复用带宽分配带宽分配固定固定按需按需服务等级识别服务等级识别不能不能能能保护容量保护容量50％预留％预留可全部利用可全部利用保护倒换保护倒换最近故障节点倒换最近故障节点倒换源节点倒换源节点倒换网管能力网管能力FAPSFCAPSRPR与与SDH、吉比特以太网的比较、吉比特以太网的比较RPR与吉比特以太网技术比较与吉比特以太网技术比较 吉比特以太网吉比特以太网RPR企业级产品企业级产品电信级产品电信级产品只支持数据业务只支持数据业务实时业务、数据业务、视频业务支持实时业务、数据业务、视频业务支持保护时间以保护时间以10 s计时计时保护倒换保护倒换50 ms内完成内完成无网同步无网同步可实现同步信息传递可实现同步信息传递简单两管简单两管网管功能全面网管功能全面3．基于．基于WDM的城域网的城域网WDM技技术术具具有有的的大大容容量量、、易易扩扩展展、、技技术术成成熟熟、、组组网网灵灵活活和和可可靠靠性性高高等等优优点点，，必必然然可可以以应应用用于于城城域域网网中中WDM技技术术不不仅仅提提高高光光纤纤利利用用率率，，而而且且在在业业务务信信号号复复杂杂多多变变的的城城域域网网中中，，对对信信号号具具有有透透明明性性，，它它可可以以直直接接对对从从不不同同设设备备出出来来的的信信号号不不进进行行速速率率和和帧帧结结构构调整，直接进行透明传输调整，直接进行透明传输这这可可给给用用户户，，特特别别是是租租用用波波长长的的用用户户以以最最大大的的灵灵活活性性 3．基于．基于WDM的城域网的城域网同同时时，，不不同同波波长长间间的的信信号号互互不不牵牵涉涉，，每每个个波波长长都都可可以进行自己的灵活上下以进行自己的灵活上下城城域域传传输输网网采采用用WDM（（DWDM））技技术术主主要要用用于于城域骨干层城域骨干层WDM环网解决了两个重要问题：环网解决了两个重要问题：光纤短缺光纤短缺多业务的透明传输多业务的透明传输成本是限制其应用的重要因素成本是限制其应用的重要因素 3．基于．基于WDM的城域网的城域网针针对对带带宽宽需需求求不不是是特特别别大大，，要要求求设设备备简简单单灵灵活活的的情情况况，，可可以以采采用用波波长长间间隔隔较较大大的的CWDM（（粗粗波波分分复复用）用）CWDM波波长长数数量量较较少少（（如如4~18波波长长）），，可可以以降降低低对对激激光光器器波波长长漂漂移移的的限限制制，，无无制制冷冷激激光光器器（（如如VCSEL）成为其首选器件）成为其首选器件也降低了滤波器件的制作难度及成本也降低了滤波器件的制作难度及成本 CWDM系系统统的的常常用用信信道道间间隔隔和和通通带带宽宽度度分分别别为为20 nm和和13 nm 3．基于．基于WDM的城域网的城域网G.694.2标标准准规规定定的的全全光光谱谱CWDM共共有有18信信道道，，划划分分波波长长范范围围为为1270~1610 nm，，覆覆盖盖O、、E、、S、、C、、L波段波段 3．基于．基于WDM的城域网的城域网CWDM对对传传输输媒媒质质没没有有特特殊殊要要求求，，各各种种单单模模光光纤纤和多模光纤都可以使用和多模光纤都可以使用CWDM技术技术较较常常见见的的有有G.652常常规规单单模模光光纤纤，，这这种种光光纤纤因因为为氢氢氧氧根根离离子子，，在在波波长长1383 nm附附近近有有一一个个水水吸吸收收峰，影响传输距离和可用波长范围峰，影响传输距离和可用波长范围采采用用零零水水峰峰光光纤纤（（G.652C））可可以以得得到到更更宽宽的的使使用用波波长范围，增加长范围，增加CWDM信道数量信道数量 3．基于．基于WDM的城域网的城域网CWDM多业务传输网络结构多业务传输网络结构不不过过由由于于DWDM系系统统的的价价格格下下降降很很快快，，CWDM的前景难以预料的前景难以预料 9.5 光接入网光接入网电电信信网网络络在在传传统统上上分分为为三三个个部部分分，，即即长长途途网网（（长长途途端端局局以以上上部部分分））、、中中继继网网（（长长途途端端局局与与市市局局或或市市局局之之间间的的部部分分））、、用用户户接接入入网网（（端端局局与与用用户户之之间间的的部部分）分）而现在更倾向于将长途网和中继网统称为而现在更倾向于将长途网和中继网统称为核心网（核心网（CN，，Core Network））将将 余余 下下 的的 部部 分分 称称 为为 接接 入入 网网 （（ AN，， Access Network）或用户环路，起到用户接入核心网的作用）或用户环路，起到用户接入核心网的作用 9.5 光接入网光接入网ITU-T在在G.902建建议议中中对对接接入入网网的的结结构构、、功功能能、、接入类型、原理进行了规范接入类型、原理进行了规范 9.5 光接入网光接入网接接入入网网在在整整个个电电信信网网中中所所占占投投资资比比重重最最大大，，技技术术选选择多种多样择多种多样大大体体可可以以分分为为无无线线接接入入网网、、光光接接入入网网、、铜铜线线接接入入网网和光纤同轴混合接入网和光纤同轴混合接入网光光接接入入网网（（OAN，，Optical Access Network））是是采采用用光光纤纤传传输输技技术术的的接接入入网网，，泛泛指指本本地地交交换换机机或或远远端端模模块块与与用用户户之之间间采采用用光光纤纤通通信信或或部部分分采采用用光光纤纤通信的系统通信的系统 9.5 光接入网光接入网根根据据接接入入网网室室外外传传输输设设施施中中是是否否含含有有源源设设备备，，可可以以分为分为有源光网络（有源光网络（AON，，Active Optical Network））无源光网络（无源光网络（PON，，Passive Optical Network））AON采用电复用器分路采用电复用器分路PON则采用光分路器分路则采用光分路器分路 两两种种应应用用形形式式均均有有发发展展，，但但多多数数国国家家和和ITU-T更更注重推动注重推动PON的发展的发展 9.5 光接入网光接入网AON包包括括光光有有源源器器件件，，其其传传输输距距离离和和容容量量较较大大，，易于扩展带宽，网络规划和运行灵活性较大易于扩展带宽，网络规划和运行灵活性较大但但有有源源设设备备需需要要机机房房、、供供电电和和维维护护等等，，比比较较复复杂杂，，价格较贵价格较贵AON可可 分分 为为 基基 于于 SDH的的 AON和和 基基 于于 PDH的的AON 9.5 光接入网光接入网PON在在光光线线路路终终端端（（OLT））和和光光网网络络单单元元（（ONU））之之间间没没有有任任何何有有源源电电子子设设备备，，对对各各种种业业务务呈呈透透明明状状态，易于升级和维护态，易于升级和维护但但OLT和和ONU之间的距离和容量受到一定的限制之间的距离和容量受到一定的限制 一、一、OAN结构结构ITU-T建建议议G.982提提出出了了一一个个与与业业务务和和应应用用无无关关的光接入网功能参考配置示例的光接入网功能参考配置示例 一、一、OAN结构结构光光线线路路终终端端（（OLT，，Optical Line Terminal））的的作作用用是是提提供供网网络络与与光光分分配配网网（（ODN））之之间间的的光光接接口，并提供必要的手段来传送不同的业务口，并提供必要的手段来传送不同的业务 光光网网络络单单元元（（ONU，，Optical Network Unit））位位于于ODN和和用用户户之之间间，，具具有有光光／／电电变变换换功功能能，，并并能实现对各种电信号的处理与维护功能能实现对各种电信号的处理与维护功能 一、一、OAN结构结构光光 分分 配配 网网 （（ ODN，， Optical Distribution Network））位位于于ONU和和OLT之之间间，，其其主主要要功功能能是完成光信号的管理分配任务是完成光信号的管理分配任务ODN主要由无源光器件和光纤构成无源光路分配网络主要由无源光器件和光纤构成无源光路分配网络 适适配配功功能能块块（（AF，，Adaptation Function））主主要要为为ONU和和用用户户设设备备提提供供适适配配功功能能，，它它可可以以包包括括在在ONU之内，也可以独立之内，也可以独立 二、二、OAN的应用的应用光光接接入入网网的的拓拓扑扑结结构构一一般般有有四四种种，，单单星星形形、、双双星星形形、、总线形和环形总线形和环形 二、二、OAN的应用的应用它它们们的的性性能能比比较较，，实实际际应应用用中中应应当当根根据据具具体体情情况况予予以选择以选择 星形星形总线形总线形环形环形树形树形成本投资（光成本投资（光缆与电子器件）缆与电子器件）最高最高低低低低低低维护与运行维护与运行消除故障所消除故障所需时间较长需时间较长测试困难测试困难较好较好测试困难，需光功率测试困难，需光功率分配器和光网络单元分配器和光网络单元安全性能安全性能安全安全很安全很安全很安全很安全很安全很安全可靠性可靠性最差最差比较好比较好很好很好比较好比较好用户规模用户规模适于大规模适于大规模适于中等规模适于中等规模适合于有选择性适合于有选择性用户用户适于大规模适于大规模新业务需求新业务需求容易提供容易提供容易提供容易提供向每个用户提供向每个用户提供较困难较困难向每个用户提供较困向每个用户提供较困难难带宽能力带宽能力基群接入基群接入高速接入高速接入基群接入基群接入基群接入和视频高速基群接入和视频高速接入接入二、二、OAN的应用的应用按按照照ONU在在光光接接入入网网中中的的位位置置不不同同，，光光接接入入网网有有4种基本应用类型，即种基本应用类型，即光纤到路边（光纤到路边（FTTC））光纤到大楼（光纤到大楼（FTTB））光纤到办公室（光纤到办公室（FTTO））光纤到家（光纤到家（FTTH）） 二、二、OAN的应用的应用在在FTTC结结构构中中，，ONU设设置置在在路路边边的的人人孔孔或或电电线线杆上的分线盒处，有时也可以设置在交接箱处杆上的分线盒处，有时也可以设置在交接箱处FTTC一一般般采采用用双双星星形形结结构构，，从从ONU到到用用户户之之间间采采用用双双绞绞线线铜铜缆缆，，若若要要传传送送宽宽带带业业务务则则要要用用高高频频电电缆或同轴电缆缆或同轴电缆 FTTB是是将将ONU直直接接放放在在大大楼楼内内（（如如企企业业、、事事业业单单位位办办公公楼楼或或居居民民住住宅宅公公寓寓内内）），，再再由由铜铜缆缆将将业业务务分配到各个用户分配到各个用户二、二、OAN的应用的应用FTTB比比FTTC的的光光纤纤化化程程度度更更进进一一步步，，更更适适合合高高密密度度用用户户区区，，也也更更容容易易满满足足未未来来宽宽带带业业务务传传输输的的需需要要二、二、OAN的应用的应用如如果果将将FTTC结结构构中中设设置置在在路路边边的的ONU换换成成无无源源光光分分路路器器，，将将ONU移移到到大大企企业业事事业业单单位位（（如如公公司司、、政政府府机机关关、、大大学学或或研研究究所所））的的办办公公室室内内就就成成了了FTTO 将将ONU移到用户家里就成了移到用户家里就成了FTTHFTTH是是一一种种全全透透明明全全光光纤纤的的光光接接入入网网，，适适于于引引入入新新业业务务，，对对传传输输制制式式、、带带宽宽和和波波长长等等基基本本上上没没有有限限制制，，并并且且ONU安安装装在在用用户户处处，，供供电电、、安安装装维维护护等等都比较方便都比较方便 二、二、OAN的应用的应用FTTH的的PON组网方案组网方案 三、无源光网络（三、无源光网络（PON））PON是一种点对多点的光纤接入技术是一种点对多点的光纤接入技术目目前前广广泛泛应应用用的的是是功功率率分分割割型型，，采采用用星星形形耦耦合合器器分分路路上上／／下下传传送送采采用用TDMA/TDM方方式式实实现现共共享享信信道道带宽带宽成本较低，技术较成熟成本较低，技术较成熟 三、无源光网络（三、无源光网络（PON））PON的基本结构的基本结构 光线路光线路终端终端 光网络光网络单元单元光分配网光分配网三、无源光网络（三、无源光网络（PON））PON使使用用WDM和和TDM在在同同一一根根（（对对））光光纤纤上上提提供双向、点到点的通信供双向、点到点的通信上行和下行速率等级可以相同，也可以不同上行和下行速率等级可以相同，也可以不同可可以以采采用用单单向向双双纤纤的的空空分分复复用用（（SDM）），，使使用用两两根根光纤分别传输光纤分别传输也也可可以以采采用用WDM技技术术实实现现单单纤纤的的全全双双工工通通信信，，如如上行为上行为1310 nm，下行为，下行为1550 nm 三、无源光网络（三、无源光网络（PON））PON的的本本质质特特征征就就是是ODN全全部部由由无无源源光光器器件件组组成成，，不包含任何有源电子器件不包含任何有源电子器件避避免免了了外外部部设设备备的的电电磁磁干干扰扰和和雷雷电电影影响响，，减减少少了了线线路和外部设备的故障率，提高了系统可靠性路和外部设备的故障率，提高了系统可靠性同时节省了维护成本同时节省了维护成本是电信维护部门长期期待的技术是电信维护部门长期期待的技术 三、无源光网络（三、无源光网络（PON））PON的优势主要有：的优势主要有： (1) PON具有成本低、便于维护、对各种业务透明具有成本低、便于维护、对各种业务透明 (2) 室室外外设设备备是是纯纯介介质质网网络络，，避避免免了了有有源源设设备备的的电电磁磁干干扰扰和和雷雷电电影影响响，，减减少少了了线线路路和和外外部部设设备备的的故故障障率率，，提提高高了系统的可靠性了系统的可靠性(3) 扩扩容容比比较较简简单单，，不不涉涉及及硬硬件件设设备备改改造造，，只只需需软软件件升升级级，，具有良好的扩展性具有良好的扩展性(4) 对对业业务务透透明明性性较较好好，，原原则则上上可可适适用用于于任任何何制制式式和和速速率率的信号的信号(5) 能够平滑地过渡到光纤到户（能够平滑地过渡到光纤到户（FTTH））三、无源光网络（三、无源光网络（PON））目前主要的目前主要的PON技术有技术有基于异步转移模式（基于异步转移模式（ATM）的）的PON（（APON））基于以太网的基于以太网的PON（（EPON））基于基于GFP的吉比特的吉比特PON（（GPON）） 1．．ATM无源光网络无源光网络（（APON））1995年年开开始始，，国国际际上上一一些些有有影影响响力力的的大大运运营营商商和和设设备备制制造造商商就就开开始始开开发发以以ATM PON为为核核心心技技术术的的全全业业务务接接入入网网（（FSAN，，Full Service Access Networks）的要求和技术规范）的要求和技术规范1998年年8月月，，ITU采采纳纳了了基基于于PON的的宽宽带带光光接接入入网规范，并制定了建议网规范，并制定了建议G.983.1APON选选择择ATM作作为为链链路路层层协协议议是是因因为为它它适适合合于于多多种种业业务务，，在在物物理理层层选选择择PON是是因因为为它它是是最最经经济济的宽带光接入解决方案的宽带光接入解决方案 1．．ATM无源光网络无源光网络（（APON））APON继继承承了了ATM支支持持多多种种业业务务和和QoS优优势势，，标标准化程度高，使得大规模生产和降低成本成为可能准化程度高，使得大规模生产和降低成本成为可能ATM统统计计复复用用的的特特点点也也比比TDM方方式式的的PON能能够够更好地利用资源，服务于更多的用户更好地利用资源，服务于更多的用户但但APON没没有有得得到到广广泛泛的的商商用用，，其其主主要要原原因因是是APON的的业业务务适适配配复复杂杂，，业业务务提提供供能能力力有有限限，，数数据传送速率和效率不高，成本居高不下据传送速率和效率不高，成本居高不下 2 2．以太网无源光网络／吉比特以太网无源光网络．以太网无源光网络／吉比特以太网无源光网络．以太网无源光网络／吉比特以太网无源光网络．以太网无源光网络／吉比特以太网无源光网络ATM特特别别适适合合于于TDM时时延延敏敏感感的的数数据据，，但但LAN中主要是以太数据中主要是以太数据随随着着IP的的崛崛起起和和迅迅猛猛发发展展，，出出现现了了以以太太网网无无源源光光网络（网络（EPON））EPON在在与与APON类类似似的的结结构构和和G.983的的基基础础上上，，保保留留物物理理层层PON的的精精华华部部分分，，而而以以以以太太网网代代替替ATM作作为为链链路路层层协协议议，，构构成成一一个个可可以以提提供供更更大大带带宽、更低成本和更高效率的新接入网结构宽、更低成本和更高效率的新接入网结构EPON 2 2．以太网无源光网络／吉比特以太网无源光网络．以太网无源光网络／吉比特以太网无源光网络．以太网无源光网络／吉比特以太网无源光网络．以太网无源光网络／吉比特以太网无源光网络IEEE 802.3形形成成了了吉吉比比特特以以太太网网无无源源光光网网络络（（GEPON）的标准规范）的标准规范IEEE 802.3ahEPON和和GEPON的的基基本本差差别别就就是是标标准准化化，，前前者者往往往往指指非非标标设设备备，，后后者者指指符符合合IEEE 802.3ah规规范范的设备的设备另另外外，，GEPON的的传传输输距距离离和和分分路路比比均均比比EPON有有所减小所减小 2 2．以太网无源光网络／吉比特以太网无源光网络．以太网无源光网络／吉比特以太网无源光网络．以太网无源光网络／吉比特以太网无源光网络．以太网无源光网络／吉比特以太网无源光网络EPON/GEPON消消除除了了ATM和和SDH层层，，从从而而降降低低了了初初始始成成本本和和运运行行成成本本，，简简化化了了硬硬件件设设备备，，可可以以工作在更高的速率和支持更多的用户工作在更高的速率和支持更多的用户同同时时也也改改进进了了电电路路的的灵灵活活指指配配以以及及业业务务的的提提供供和和重重配置能力，成为当前配置能力，成为当前PON的主流应用形式的主流应用形式EPON采采用用8B/10B的的线线路路编编码码，，有有20％％的的带带宽宽损损失失，，使使得得传传输输效效率率较较低低，，同同时时也也难难以以支支持持以以太太网网以外的业务以外的业务 3．吉比特无源光网络．吉比特无源光网络（（GPON））GPON（（ Gigabit-Capable PON）） 最最 早早 由由FSAN（全业务接入网）组织于（全业务接入网）组织于2002年年9月提出月提出ITU-T在在此此基基础础上上于于2003年年3月月完完成成了了ITU-T G.984.1和和G.984.2的制定的制定2004年年2月月和和6月月完完成成了了G.984.3的的标标准准化化，，从从而最终形成了而最终形成了GPON的标准族的标准族 3．吉比特无源光网络．吉比特无源光网络（（GPON））基基于于GPON技技术术的的设设备备基基本本结结构构与与已已有有的的PON类类似似，，也也是是由由局局端端的的OLT，，用用户户端端的的ONT/ONU，，连连接接前前两两种种设设备备由由单单模模光光纤纤（（SM fiber））和和无无源源分分光光器器（（Splitter））组组成成的的ODN以以及及网网管管系系统统组组成成 3．吉比特无源光网络．吉比特无源光网络（（GPON））从从 提提 供供 的的 业业 务务 上上 看看 ，， GPON不不 仅仅 可可 以以 提提 供供10/100 Mb/s、、1 Gb/s的的以以太太网网业业务务，，而而且且可可以以提提供供语语音音业业务务和和视视频频业业务务，，可可以以适适应应任任何何现现有有业务和未来潜在的新业务业务和未来潜在的新业务作作为为电电信信级级的的技技术术标标准准，，GPON还还规规定定了了在在接接入入网网层层面面上上的的保保护护机机制制和和完完整整的的OAM功功能能，，具具有有很很强强 的的 运运 行行 、、 管管 理理 、、 维维 护护 和和 配配 置置 （（ OAM&P，，Operation Administration Maintenance and Provisioning）能力）能力3．吉比特无源光网络．吉比特无源光网络（（GPON））尽尽管管GPON还还不不太太成成熟熟，，但但是是是是有有竞竞争争力力的的解解决决方案方案GPON和和EPON/GEPON面面临临的的共共同同挑挑战战是是成成本本问题问题四、光纤同轴混合网（四、光纤同轴混合网（HFC））光光 纤纤 同同 轴轴 混混 合合 网网 （（ HFC，， Hybrid Fiber Coaxial）是光纤和同轴电缆相结合的混合网络）是光纤和同轴电缆相结合的混合网络HFC通通常常由由光光纤纤干干线线、、同同轴轴电电缆缆支支线线和和用用户户配配线线网络三部分组成网络三部分组成从从有有线线电电视视台台出出来来的的节节目目信信号号先先变变成成光光信信号号在在干干线线上上传传输输，，到到用用户户区区域域后后把把光光信信号号转转换换成成电电信信号号，，经经分配器分配后通过同轴电缆送到用户分配器分配后通过同轴电缆送到用户 四、光纤同轴混合网（四、光纤同轴混合网（HFC））它与早期它与早期CATV同轴电缆网络的不同之处主要在于同轴电缆网络的不同之处主要在于在干线上用光纤传输光信号在干线上用光纤传输光信号在前端（也称头端）需完成电－光转换在前端（也称头端）需完成电－光转换进入用户区后要完成光－电转换进入用户区后要完成光－电转换 四、光纤同轴混合网（四、光纤同轴混合网（HFC））HFC的主要特点是：的主要特点是：传传输输容容量量大大，，易易实实现现双双向向传传输输，，理理论论上上讲讲，，一一对对光光纤纤可可同时传送同时传送150万路或万路或2000套电视节目套电视节目频率特性好，在有线电视传输带宽内无需均衡频率特性好，在有线电视传输带宽内无需均衡传传输输损损耗耗小小，，可可延延长长有有线线电电视视的的传传输输距距离离，，25公公里里内内无需中继放大无需中继放大光光纤纤间间不不会会有有串串音音现现象象，，不不怕怕电电磁磁干干扰扰，，能能确确保保信信号号的的传输质量传输质量 四、光纤同轴混合网（四、光纤同轴混合网（HFC））同同传传统统的的CATV网网络络相相比比，，HFC网网络络拓拓扑扑结结构构也也有些不同：有些不同：第一，光纤干线采用星形或环状结构第一，光纤干线采用星形或环状结构第第二二，，支支线线和和配配线线网网络络的的同同轴轴电电缆缆部部分分采采用用树树状状或或总总线线式结构式结构第三，整个网络按照光结点划分成一个服务区第三，整个网络按照光结点划分成一个服务区这这种种网网络络结结构构可可满满足足为为用用户户提提供供多多种种业业务务服服务务的的要要求求 四、光纤同轴混合网（四、光纤同轴混合网（HFC））HFC可可以以解解决决CATV、、电话和和数数据据等等业业务务的的综综合合接入问题接入问题其其有有利利的的方方面面是是有有线线电电视视的的普普及及，，同同轴轴电电缆缆基基本本已已经入户经入户因因此此HFC成成为为现现在在和和未未来来一一段段时时期期内内宽宽带带接接入入不不错错的的选选择择，，所所以以HFC也也被被赋赋予予新新的的含含义义，，特特指指利利用混合光纤同轴来进行双向宽带通信的用混合光纤同轴来进行双向宽带通信的CATV网络网络 1．．HFC系统结构系统结构具具有有全全业业务务传传送送能能力力、、频频谱谱分分配配利利用用和和副副载载波波调调制制的的HFC传传输输系系统统由由前前端端（（HE））、、主主数数字字终终端端（（HDT））、、传传输输线线路路、、光光纤纤节节点点（（FN））和和综综合合业业务务单元（单元（ISU）等组成）等组成 2．．HFC的调制和复用方式的调制和复用方式对对模模拟拟视视频频信信号号的的调调制制使使用用VSB-AM（（残残留留边边带带调幅）调制方式，并且采用调幅）调制方式，并且采用FDM的复用方式的复用方式这这种种方方式式能能够够与与家家庭庭使使用用的的电电视视机机兼兼容容，，但但传传输输距距离不远离不远长长距距离离传传输输可可以以采采用用FM-SCM（（副副载载波波调调频频））方方式式 2．．HFC的调制和复用方式的调制和复用方式对对数数字字视视频频信信号号的的调调制制，，首首先先使使用用MPEG-2编编码码算算法法，，然然后后将将数数字字视视频频进进行行BPSK（（二二相相相相移移键键控控））、、QPSK（（四四相相位位移移键键控控））或或64 QAM（（正正交交调调幅）调到载波上，再使用幅）调到载波上，再使用FDM或或SCM方式复用方式复用 小结小结随随着着光光纤纤通通信信技技术术的的发发展展，，光光网网络络已已经经成成为为各各国国信信息基础设施的基础传输网络息基础设施的基础传输网络本本章章分分别别介介绍绍SDH传传送送网网、、光光传传送送网网（（OTN））、、ASON以及光城域网、光接入网的应用以及光城域网、光接入网的应用 SDH是是全全球球统统一一的的传传送送网网标标准准，，具具有有标标准准的的网网络络节节点点接接口口，，自自愈愈能能力力强强，，可可以以方方便便的的分分插插和和交交叉叉连连接接各各等等级级信信号号，，具具有有强强大大的的运运行行、、管管理理、、维维护护和和指指配功能，目前仍然是广泛应用的传送网手段配功能，目前仍然是广泛应用的传送网手段 小结小结WDM技技术术的的实实用用化化为为光光传传输输网网络络带带来来巨巨大大的的传传输输容容量量，，基基于于WDM技技术术的的光光传传送送网网（（OTN））通通过过在在光光域域引引入入分分插插复复用用（（OADM））和和交交叉叉连连接接（（OXC）），，应应用用波波长长路路由由机机制制，，实实现现光光网网络络的的动动态态重重构构和和故故障障情况下的保护和恢复情况下的保护和恢复 自自动动交交换换光光网网络络（（ASON））是是一一种种灵灵活活、、可可扩扩展展，，能能够够在在光光层层上上按按用用户户需需要要自自动动进进行行光光路路连连接接的的新新一一代代光光传传送送网网络络，，由由传传送送平平面面、、控控制制平平面面和和管管理理平平面面构构成，其中控制平面是成，其中控制平面是ASON的核心的核心 小结小结光光城城域域网网能能够够有有效效的的的的提提高高接接入入、、疏疏导导和和会会聚聚各各种种业业务务的的能能力力，，本本章章讨讨论论了了城城域域网网的的分分层层结结构构，，介介绍绍了城域传送网应用的主要技术了城域传送网应用的主要技术光光接接入入网网的的出出现现是是宽宽带带业业务务发发展展的的必必然然结结果果，，FTTH在我国的一些城市已经开设建设在我国的一些城市已经开设建设可可以以有有多多种种光光纤纤到到户户的的实实现现方方式式，，如如AON、、PON和和HFC等等，，但但是是多多数数国国家家和和ITU-T更更注注重重推推动动PON的发展的发展 。