第七章 光纤通信.ppt

L o g o光纤通信光纤通信 张张 昀昀1Introduction to Computer Systems2光纤通信系统光纤通信系统 光光纤纤全全称称为为光光导导纤纤维维，，它它是是一一种种能能够够通通光光的的、、直直径径很很细细的的透透明明玻玻璃璃丝丝，，是是一一种种新新的的传传输输介介质质光光纤纤通通信信是是以以光光波波为为载载波波, ,以以光光导导纤纤维维为为传传输输媒媒质质的的激激光光通通信信，，就就是是运运用用光光反反射射原原理理，，把把光光的的全全反反射射限限制制在在光光纤纤内内部部，，用用光光信信号号取取代代传传统统通通信信方方式式中中的的电电信信号号，，从从而而实实现现信信息息的的传传递递的的，，亦亦即即将将要要传传的的电话、、电电报报、、图图象象和和数数据据等等信信号号先先变变成成光光信信号号，，再再经经由由光光纤纤进进行行传传输输或或在本地进行光交换的一种通信方式在本地进行光交换的一种通信方式2Company LogoIntroduction to Computer Systems3概述概述 利用光导纤维作为光的传输介质的光纤通信,其发展只有几十年的历史，它的发展是以1960年美国人Maiman发明的红宝石激光器，和1966年英籍华人高锟博士提出利用二氧化硅石英玻璃可制成低损耗光纤的设想为基础的，这种设想直到1970年美国康宁公司研制出损耗为20dB/Km的光纤，才使光纤进行远距离传输成为可能。

3Company LogoIntroduction to Computer Systems4光纤通信发展简史光纤通信发展简史 自1970年以后，光纤通信的研究在世界范围内展开并得到迅猛发展，在短短的一、二十年中，已从0.85um短波长多模光纤发展到1.31um～1.55um的长波长单模光纤，同时开发出许多新型光电器件，激光器寿命已达数十万小时甚至百万小时，一些国家相继建成了长距离光纤通信系统 4Company LogoIntroduction to Computer Systems5v频带宽频带宽,通信容量大通信容量大§理论上讲一根单模光纤可利用的带宽达理论上讲一根单模光纤可利用的带宽达20THz(1THz=1012Hz)以上以上,现在最先进的光纤通信系现在最先进的光纤通信系统达统达400GHz,而一路带宽约占而一路带宽约占4KHz频带频带,一路彩一路彩色电视约占色电视约占6MHz频带频带v损耗低损耗低,中继距离长中继距离长§铜缆的损耗特性与铜缆的结构尺寸及所传输信号的频铜缆的损耗特性与铜缆的结构尺寸及所传输信号的频率有关率有关,光缆的损耗特性仅与玻璃的纯度光缆的损耗特性仅与玻璃的纯度(或者说透明或者说透明度度)有关有关,高质量望远镜的镜头损耗超过高质量望远镜的镜头损耗超过500dB/km,目前目前通信用光纤的最低损耗达通信用光纤的最低损耗达0.2 dB/km光纤通信的优点光纤通信的优点5Company LogoIntroduction to Computer Systems6v具有抗电磁干扰能力具有抗电磁干扰能力§光导纤维是绝缘体材料光导纤维是绝缘体材料,不受输电线不受输电线,电气化铁路及电气化铁路及高压设备等电器干扰高压设备等电器干扰,可以与高压电线平行架设可以与高压电线平行架设,还还可制成复合光缆可制成复合光缆§光纤不受强电干扰、电气化铁道干扰光纤不受强电干扰、电气化铁道干扰 和雷电干扰，和雷电干扰，抗电磁脉冲能力也很强。

抗电磁脉冲能力也很强 v无串话无串话,保密性好保密性好§通信质量高通信质量高光纤通信的优点光纤通信的优点6Company LogoIntroduction to Computer Systems7 l线径细，重量轻，柔软l可制成大芯数高密度光缆l单芯光缆可安装在飞机,火箭,潜艇及航天飞机上l节约有色金属，原材料资源丰富l光纤的主要成分是SiO2资源十分 丰富l电缆的主要成分是Cu, Al等有色金属，资源有限，可节约大量金属光纤通信的优点光纤通信的优点7Company LogoIntroduction to Computer Systems8缺点缺点v质地脆质地脆,机械强度低机械强度低v光纤切断和接续需要一定的工具光纤切断和接续需要一定的工具,设备和技术设备和技术v分路分路,耦合不灵活耦合不灵活v光纤光纤,光缆弯曲半径不能过小光缆弯曲半径不能过小8Company LogoIntroduction to Computer Systems9• 1977年，第一根短波长(0．85mm)阶跃型石英光纤问世，长度为17m，衰减系数为300dB/km• 1978年，研制出短波长多模梯度光纤，即G.651光纤。

• 1979年，研制出多模长波长光纤，衰减为1dB/km建成5.7km、8Mb/s光通信系统试验段• 1980年，1300nm窗口衰减降至0.48dB/km，1550nm窗口衰减为0.29dB/km我国光纤通信的开发里程我国光纤通信的开发里程 9Company LogoIntroduction to Computer Systems10• 1984年，武汉、天津34Mb/s市话中继光传输系统工程建成(多模) • 1988年，全长245km的武汉－长沙市34Mb/s多模光缆通信系统工程通过邮电部鉴定验收• 1989年，汉阳——汉南40Mb/s单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收• 1991年，研制出G.653色散位移光纤最小衰减达0.22dB/km合肥——芜湖40Mb/s单模光传输系统工程通过国家鉴定验收我国光纤通信的开发里程我国光纤通信的开发里程 10Company LogoIntroduction to Computer Systems11• 1993年，在掺铒光纤放大器的研究上取得突破性进展，小信号增益达25dB上海——无锡65Mb/s单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收• 1997年，研制出G.655非零色散位移光纤。

成都——攀枝花22Mb/s SDH光传输工程通过邮电部鉴定验收• 1998年，海口——三亚5Gb/s光传输系统工程通过邮电部鉴定验收，该工程全长322km，仅在万宁设一个中继站，海口——万宁的中继距离为172km • 1999年，8×2.5Gb/s DWDM系统通过国家验收 我国光纤通信的开发里程我国光纤通信的开发里程 11Company LogoIntroduction to Computer Systems12光的传播光的传播v光是一种电磁波光是一种电磁波 可见光部分波长范围是：可见光部分波长范围是：0.39~0.76μm0.39~0.76μm大于0.76μm0.76μm部分是红外光，小于部分是红外光，小于0.39μm0.39μm部分是紫外部分是紫外光光纤中应用的是：光光纤中应用的是：0.850.85，，1.311.31，，1.55μm1.55μm三三种 12Company Logo频率（Hz）1021041061081012101410161018102010221061041021101010-210-410-610-810-1010-1210-14波长名称长波中波短波超短波微波毫米波红外线可见光紫外线X射线10mm1mm100μm10μm1μm100nm10nm1nm 红外线可见光紫外线光电磁波谱电磁波谱13Company LogoIntroduction to Computer Systems14光纤通信光纤通信系系统统的基本的基本组组成成 光光纤纤通通信信系系统统可可归归结结为为电电-光光-电电的的简简单单模模型型。

即即需需传传输输的的信信号号必必须须先先变变成成电电信信号号，，然然后后转转换换成成光光信信号号在在光光纤纤内内传传输输，，对对端端又又将将光光信信号号变变成成电电信信号号整整个个过过程程中中，，光光纤纤部部分分只只起起传传输输作作用用，，对对于于信信号号的的生生成成和和处处理理，，仍仍由由电电系系统统来来完成光端机光端机光纤光纤光纤光纤数据数据 数据数据 中继器中继器光端机光端机14Company LogoIntroduction to Computer Systems15光光纤纤与光与光缆缆 光光纤纤通通信信中中采采用用的的传传输输媒媒介介是是光光纤纤，，光光纤纤与与加加强强元元件件、、外外护护层层等等组组合合而成光缆而成光缆 15Company LogoIntroduction to Computer Systems16光光纤导纤导光的原理光的原理 包层包层(n(n2 2) ) 芯线芯线(n(n1 1) ) 入射入射 出射出射 光光纤纤是是一一种种介介质质波波导导，，具具有有把把光光封封闭闭在在其其中中并并沿沿轴轴向向进进行行传传播播的的波波导导结结构构，，其其直直径径大大约约只只有有0.1mm0.1mm，，它它是是由由两两种种折折射射率率不不同的玻璃构成的。

同的玻璃构成的 16Company LogoIntroduction to Computer Systems17通信用光纤、光缆通信用光纤、光缆v光纤种类与尺寸光纤种类与尺寸包层纤芯包层与纤芯的主要材料均为玻璃，但它们掺杂不同的杂质，使包层与纤芯具有不同的折射率包层的外面还有一层保护层保护光纤简单说模式就是指电磁场的简单说模式就是指电磁场的“波形波形”17Company LogoIntroduction to Computer Systems18光光纤纤的的结结构构纤芯纤芯 包包层层 塑塑套套 18Company LogoIntroduction to Computer Systems19 光缆中的光纤一般是指经过两次涂覆后的光纤芯线，它的剖面结构如图所示 19Company LogoIntroduction to Computer Systems20光光纤纤的种的种类类 光光纤纤是是一一种种新新型型的的光光波波导导，，其其种种类类很很多多，，按按光光纤纤材材料料不不同同，，常常见见的的有有以下几种：以下几种： ··石英光石英光纤纤 ··多多组组分玻璃光分玻璃光纤纤 ··全塑光全塑光纤纤20Company LogoIntroduction to Computer Systems21 按照折射率分布不同来分按照折射率分布不同来分: : 通通常常采采用用的的是是阶阶跃跃型型光光纤纤和和渐渐变变型型光光纤纤两种。

两种 (1) (1) 阶跃阶跃型光型光纤纤 (2) (2) 渐变渐变型光型光纤纤光光纤纤的分的分类类21Company LogoIntroduction to Computer Systems22 按照按照传输传输的的总总模数来分模数来分: : 所所谓谓模模式式，，实实质质上上是是电电磁磁场场的的一一种种分分布布形形式式模模式式不不同同，，其其分分布布不不同同，，根根据据光光纤纤中中传传输输模模式式数数量量来来分分，，可可分分为为单单模模光光纤纤(SM - Single mode fiber)和和多多模模光光纤纤(MM – Multi-mode fiber)光光纤纤的分的分类类22Company LogoIntroduction to Computer Systems23 光波在光光波在光纤纤中中传输传输，随着，随着传输传输距离的距离的增加而光功率逐增加而光功率逐渐渐下降，下降，这这就是光就是光纤纤的的传传输损输损耗 光光纤纤本身本身损损耗的原因，大致包括两耗的原因，大致包括两类类：：吸收吸收损损耗和散射耗和散射损损耗。

耗 光纤的损耗特性光纤的损耗特性23Company LogoIntroduction to Computer Systems24 吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，造成光功率的损失分光能变成热能，造成光功率的损失 散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射，由此产生的损耗为散射损耗发生散射，由此产生的损耗为散射损耗光纤的损耗特性光纤的损耗特性吸收损耗吸收损耗: :　　 ··本征吸收本征吸收 　　 ··杂质吸收杂质吸收散射损耗散射损耗: :　　 ··瑞利散射瑞利散射 　　 ··结构缺陷散射结构缺陷散射 24Company LogoIntroduction to Computer Systems25 由由于于光光纤纤中中色色散散的的存存在在，，会会使使得得输输入入脉脉冲冲在在传传输输过过程程中中展展宽宽，，产产生生码码间间干干扰扰，，增增加加误误码码率率，，这这样样就就限限制制了了通通信容量和传输距离。

信容量和传输距离光纤的色散特性光纤的色散特性25Company LogoIntroduction to Computer Systems26•光纤色散的概念光纤色散的概念 简单地说，光纤的色散就是由于光纤中光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度的不同而使得传播时间不同，因此造成光信号中的不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象 从光纤色散产生的机理来看，它包括模式色散模式色散、材料色散材料色散和波导色散波导色散三种在单模光纤中只有基模传输，因此不存在模式色散，只有材料色散和波导色散光纤的色散特性光纤的色散特性26Company LogoIntroduction to Computer Systems27 在多模光纤中，不同模式在同一频率下传输，各自的相位常数βmn不同，群速不同，模式之间存在时延差，这种色散称为模式色散模式色散 材料色散是由于光纤材料本身的折射率随频率而变化，使得信号各频率成分的群速不同，引起的色散称为材料色散材料色散 由于光纤的几何结构、形状等方面的不完善，使得光波一部分在纤芯中传输，而另一部分在包层中传输，由于纤芯和包层的折射率不同，这样造成脉冲展宽的现象，称为波波导导色色散散，或称结结构构色散色散。

 光纤的色散特性光纤的色散特性27Company LogoIntroduction to Computer Systems28v在实际通信线路中，光纤通信用在实际通信线路中，光纤通信用的光纤都经过了一次涂覆和二次的光纤都经过了一次涂覆和二次涂覆的处理，经过涂覆后的光纤涂覆的处理，经过涂覆后的光纤虽然虽然 已具有了一定的抗张强度，已具有了一定的抗张强度，但还是经不起施工中的弯折、扭但还是经不起施工中的弯折、扭曲和侧压等外力作用，为了使光曲和侧压等外力作用，为了使光纤能在各种环境中使用，必须把纤能在各种环境中使用，必须把光纤与其他元件组合起来构成光光纤与其他元件组合起来构成光缆，使其具有良好的传输性能以缆，使其具有良好的传输性能以及抗拉、抗冲击、抗弯、抗扭曲及抗拉、抗冲击、抗弯、抗扭曲等机械性能等机械性能光光缆缆28Company LogoIntroduction to Computer Systems29光光缆缆的的结结构构v要求：要求：§保证光纤传输特性的优良、稳定、可靠；保证光纤传输特性的优良、稳定、可靠；§保证光缆具有足够的机械强度和环境温度性能；保证光缆具有足够的机械强度和环境温度性能；§确保光缆的防潮能力，使光缆具有足够的使用寿确保光缆的防潮能力，使光缆具有足够的使用寿命；命；§有利于降低生产成本，使光缆的价格低廉。

有利于降低生产成本，使光缆的价格低廉29Company LogoIntroduction to Computer Systems30光光缆缆的基本的基本结结构构v不论光缆的具体结构形式如何，都是由缆芯、不论光缆的具体结构形式如何，都是由缆芯、护套和加强元件构成护套和加强元件构成§缆芯缆芯 ：由单根或多根光纤芯线组成，其作用是传：由单根或多根光纤芯线组成，其作用是传输光波 §加强元件：加强元件一般有金属丝和非金属纤维，加强元件：加强元件一般有金属丝和非金属纤维，其作用是增强光缆敷设时可承受的拉伸负荷其作用是增强光缆敷设时可承受的拉伸负荷 §护层：光缆的护层主要是对已形成缆的光纤芯线器护层：光缆的护层主要是对已形成缆的光纤芯线器保护作用，避免受外界的损伤保护作用，避免受外界的损伤30Company LogoIntroduction to Computer Systems31v缆芯是由光纤芯线组成，可分为单芯和多芯：缆芯是由光纤芯线组成，可分为单芯和多芯：§单芯型：由单根经二次涂敷处理后的光纤组成单芯型：由单根经二次涂敷处理后的光纤组成§多芯型：由多根经二次涂敷处理后的光纤组成多芯型：由多根经二次涂敷处理后的光纤组成v二次涂覆主要采用两种保护结构：二次涂覆主要采用两种保护结构：§紧套结构紧套结构§松套结构松套结构光缆的基本结构光缆的基本结构31Company LogoIntroduction to Computer Systems32光光缆缆的种的种类类v层绞式光缆结构层绞式光缆结构32Company LogoIntroduction to Computer Systems33光光缆缆的种的种类类v单位式光缆结构单位式光缆结构33Company LogoIntroduction to Computer Systems34光光缆缆的种的种类类v骨架式骨架式光缆结光缆结构构34Company LogoIntroduction to Computer Systems35光光缆缆的种的种类类v带状式光带状式光缆结构缆结构35Company LogoIntroduction to Computer Systems36公用通信网中的光缆结构公用通信网中的光缆结构种类结构光纤芯线数必要条件长途光缆长途光缆层绞式层绞式单位式单位式骨架式骨架式<1010-20<10低损耗、宽频带、骨低损耗、宽频带、骨架式有利于防护侧压架式有利于防护侧压力力海底光缆海底光缆层绞式层绞式单位式单位式4-100低损耗、耐水压、耐低损耗、耐水压、耐张力张力用户光缆用户光缆单位式单位式带状式带状式<200>200高密度、多芯和低损高密度、多芯和低损-中耗中耗局内光缆局内光缆单位式单位式带状式带状式2-20重量轻、线径细重量轻、线径细36Company LogoIntroduction to Computer Systems37光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成37Company LogoIntroduction to Computer Systems38光端机的光端机的组组成成 由由于于光光纤纤通通信信系系统统一一般般都都是是双双向向的的，，所所以以我我们们将将光光发发射射机机和和接接收收机机做做在在一一起起，，称称为为光光端端机。

机 38Company LogoIntroduction to Computer Systems39光光发发射机射机 光光发发射射机机的的作作用用是是将将电电信信号号变变成成光光信信号号，，然然后后送送入入光光纤纤中中传传输输出出去去光光发发射射机机主主要要是是由由光光源源、、光光源源驱驱动动、、调调制制以以及及信道编码电路信道编码电路三部分组成三部分组成 39Company LogoIntroduction to Computer Systems40光光发发射机原理射机原理图图 ATCATC驱驱动动APCAPC光光源源光监测光监测均均衡衡码型码型变换变换扰扰码码编编码码时时钟钟数字基数字基带信号带信号信道编码电路信道编码电路光源驱动与调制电路光源驱动与调制电路40Company LogoIntroduction to Computer Systems41光光发发射机射机v输入接口输入接口§其作用是进行电平转换因为其作用是进行电平转换因为PCM 电信号通常是三电平码电信号通常是三电平码即即+12V、、0V、、-12V，输入接口把它们转换成二电平的非归，输入接口把它们转换成二电平的非归零码（零码（NRZ）或者归零码（）或者归零码（RZ）。

v码型变换码型变换§为了在不中断通信业务的条件下对光纤通信进行误码监测、为了在不中断通信业务的条件下对光纤通信进行误码监测、实现公务联络和减少长连实现公务联络和减少长连“0”与长连与长连“1”的个数，通常要的个数，通常要在发送端进行码型变换，而在接收端进行码型反变换在发送端进行码型变换，而在接收端进行码型反变换§码型变换的方法是在原来标准码率的基础上适当增加一些码码型变换的方法是在原来标准码率的基础上适当增加一些码率，利用增加码率的一部分来实现误码监视、公务联络及平率，利用增加码率的一部分来实现误码监视、公务联络及平衡码流等衡码流等41Company LogoIntroduction to Computer Systems42光光发发射机射机v驱动电路与光源组件驱动电路与光源组件§实际上就是光源及其调制电路其作用是把电信实际上就是光源及其调制电路其作用是把电信号变成光脉冲信号发送到光纤当中该部分是光号变成光脉冲信号发送到光纤当中该部分是光发送机的核心，许多重要技术指标皆由该部分决发送机的核心，许多重要技术指标皆由该部分决定v自动功率控制（自动功率控制（APC））§为了使光发送机能输出稳定的的光功率信号，必为了使光发送机能输出稳定的的光功率信号，必须采用相应的负反馈措施来控制光源器件的发光须采用相应的负反馈措施来控制光源器件的发光功率。

功率42Company LogoIntroduction to Computer Systems43光光纤纤通信通信对对光源器件的要求光源器件的要求v光纤通信就是用低衰耗光纤来传输携带通信信息的光波，光纤通信就是用低衰耗光纤来传输携带通信信息的光波，但并非所有的光都能用于光纤通信人们希望用相干性好但并非所有的光都能用于光纤通信人们希望用相干性好的激光作为携带通信信息的载体，因为它具有频率一致性的激光作为携带通信信息的载体，因为它具有频率一致性好，相位差恒定，方向性强等优点好，相位差恒定，方向性强等优点v自从自从1960年梅曼发明了世界上第一只激光器（红宝石）以年梅曼发明了世界上第一只激光器（红宝石）以来，激光技术取得了突飞猛进的发展，并在各个领域尤其来，激光技术取得了突飞猛进的发展，并在各个领域尤其是工业领域取得了广泛的应用但截止到是工业领域取得了广泛的应用但截止到1970年以前，世年以前，世界上生产的激光器都不能用于光纤通信，这是因为大多数界上生产的激光器都不能用于光纤通信，这是因为大多数激光器体积庞大，而且不能连续波工作而通信是要求长激光器体积庞大，而且不能连续波工作而通信是要求长期连续不间断地工作。

只有在期连续不间断地工作只有在1970年美国贝尔实验室研制年美国贝尔实验室研制出能在室温下连续波工作的世界上第一只出能在室温下连续波工作的世界上第一只GaAsAl 激光器，激光器，才为光纤通信找到了合适的光源才为光纤通信找到了合适的光源43Company LogoIntroduction to Computer Systems44光光纤纤通信通信对对光源器件的要求光源器件的要求v发射光波长适中发射光波长适中§光源器件发射光波的波长，必须落在光纤呈现低衰耗光源器件发射光波的波长，必须落在光纤呈现低衰耗的的0.85μm、、1.31μm和和1.55μm 附近v发射光功率足够大发射光功率足够大§光源器件一定要能在室温下连续工作，而且其入纤光光源器件一定要能在室温下连续工作，而且其入纤光功率足够大，最少也应有数百微瓦，当然达到一毫瓦功率足够大，最少也应有数百微瓦，当然达到一毫瓦以上更好在这里我们强调的是入纤光功率而不指单以上更好在这里我们强调的是入纤光功率而不指单纯的发光功率因为只有进入光纤后的光功率才有实纯的发光功率因为只有进入光纤后的光功率才有实际意义，由于光纤的几何尺寸极小（单模光纤的芯径际意义，由于光纤的几何尺寸极小（单模光纤的芯径不足不足10 微米），所以要求光源器件要具有与光纤较高微米），所以要求光源器件要具有与光纤较高的耦合效率。

的耦合效率44Company LogoIntroduction to Computer Systems45光光纤纤通信通信对对光源器件的要求光源器件的要求v温度特性好温度特性好§光源器件的输出特性如发光波长与发射光功率大小等，一般来讲光源器件的输出特性如发光波长与发射光功率大小等，一般来讲随温度变化而变化，尤其是在较高温度下其性能容易劣化在光随温度变化而变化，尤其是在较高温度下其性能容易劣化在光纤通信的初期与中期，经常需要对半导体激光器加致冷器和自动纤通信的初期与中期，经常需要对半导体激光器加致冷器和自动温控电路，而目前一些性能优良的激光器可以不需要任何温度保温控电路，而目前一些性能优良的激光器可以不需要任何温度保护措施v发光谱宽窄发光谱宽窄§光源器件发射出来的光的谱线宽度应该越窄越好因为若其谱线光源器件发射出来的光的谱线宽度应该越窄越好因为若其谱线过宽，会增大光纤的色散，减少了光纤的传输容量与传输距离过宽，会增大光纤的色散，减少了光纤的传输容量与传输距离（色散受限制时）例如对于长距离、大容量的光纤通信系统，（色散受限制时）例如对于长距离、大容量的光纤通信系统，其光源的谱线宽度其光源的谱线宽度 应该小于应该小于2nm。

45Company LogoIntroduction to Computer Systems46光光纤纤通信通信对对光源器件的要求光源器件的要求v工作寿命长工作寿命长§光纤通信要求其光源器件长期连续工作，因此光源器光纤通信要求其光源器件长期连续工作，因此光源器件的工作寿命越长越好目前工作寿命近百万小时件的工作寿命越长越好目前工作寿命近百万小时（约（约100 年）的半导体激光器已经商用化年）的半导体激光器已经商用化v体积小重量轻体积小重量轻§光源器件要安装在光发送机或光中继器内，为使这些光源器件要安装在光发送机或光中继器内，为使这些设备小型化，光源器件必须体积小、重量轻设备小型化，光源器件必须体积小、重量轻46Company LogoIntroduction to Computer Systems47光源器件光源器件v半导体半导体发光二极管发光二极管LED：： 发激光，谱线宽度较宽，调制速度较低，与光发激光，谱线宽度较宽，调制速度较低，与光纤的耦合效率较低，输出曲线线性好，使用寿纤的耦合效率较低，输出曲线线性好，使用寿命长，成本低，适用于短距离、小容量的传输命长，成本低，适用于短距离、小容量的传输系统。

系统v半导体半导体激光激光器器LD：： 长距离、大容量的传输系统长距离、大容量的传输系统47Company LogoIntroduction to Computer Systems48中中继继器器v光发送机输出的经过强度调制的光脉冲信号通过光发送机输出的经过强度调制的光脉冲信号通过光纤传输到接收端由于受发送光功率、接收机光纤传输到接收端由于受发送光功率、接收机灵敏度、光纤线路损耗、甚至色散等因素的影响灵敏度、光纤线路损耗、甚至色散等因素的影响及限制，光端机之间的最大传输距离是有限的及限制，光端机之间的最大传输距离是有限的 v例如，在例如，在1.31µm工作区工作区34Mb／／s光端机的最大传光端机的最大传输距离一般在输距离一般在50～～70km如果要超过这个最大传如果要超过这个最大传输距离，通常考虑增加光中继器，以放大和处理输距离，通常考虑增加光中继器，以放大和处理经衰减和变形了的光脉冲经衰减和变形了的光脉冲48Company LogoIntroduction to Computer Systems49中中继继器器v传统的光中继器采用的是光－电－光传统的光中继器采用的是光－电－光(O-E-O)的模式，光的模式，光电检测器先将光纤送来的非常微弱的并失真了的光信号转电检测器先将光纤送来的非常微弱的并失真了的光信号转换成电信号，再通过放大、整形、再定时，还原成与原来换成电信号，再通过放大、整形、再定时，还原成与原来的信号一样的电脉冲信号。

然后用这一电脉冲信号驱动激的信号一样的电脉冲信号然后用这一电脉冲信号驱动激光器发光，又将电信号变换成光信号，向下一段光纤发送光器发光，又将电信号变换成光信号，向下一段光纤发送出光脉冲信号通常把有再放大出光脉冲信号通常把有再放大(re-amplifying)、再整形、再整形（（re-shaping）、再定时（）、再定时（re-timing）这三种功能的中继）这三种功能的中继器称为器称为“3R”中继器这种方式过程繁琐，很不利于光纤中继器这种方式过程繁琐，很不利于光纤的高速传输的高速传输v自从掺铒光纤放大器问世以后，光中继实现了全光中继，自从掺铒光纤放大器问世以后，光中继实现了全光中继，通常又称为通常又称为1R（（re-amplifying）再生此技术目前仍然是）再生此技术目前仍然是通信领域的研究热点通信领域的研究热点49Company LogoIntroduction to Computer Systems50中中继继器器 前置前置放大器放大器主主放放大大均均衡衡判判决决调制调制电路电路光源光源时钟时钟提取提取自动自动功率功率控制控制光电光电检测器检测器自动自动功率功率控制控制50Company LogoIntroduction to Computer Systems51光接收机光接收机 光光接接收收机机的的作作用用是是接接收收经经光光纤纤传传输输衰衰减减后后的的十十分分微微弱弱的的光光信信号号，，从从中中检检测测出出传传送送的的信信息息，，放放大大到到足足够够大大后后，，供供终终端端处处理理使使用用。

它它包包括括光光电电检检测测器器、、光光信信号接收电路和信道解码电路号接收电路和信道解码电路三部分 51Company LogoIntroduction to Computer Systems52光接收机原理光接收机原理图图 光光电电检检测测器器放放大大器器均均衡衡器器判判决决器器解解码码解解扰扰码码型型反反变变换换时钟时钟恢复恢复电路电路AGCAGC电电信信号号光信号接收电路光信号接收电路信道解码电路信道解码电路光光信信号号52Company LogoIntroduction to Computer Systems53光光电检测电检测器器v光电检测器：光接收机中实现将光信号转换为电信号光接收机中实现将光信号转换为电信号的器件称为光电检测器其作用是把信号（通信信息）的器件称为光电检测器其作用是把信号（通信信息）从光波中分离（检测）出来，即进行光从光波中分离（检测）出来，即进行光/电转换半电转换半导体光电检测器是利用半导体材料的光电效应来实现导体光电检测器是利用半导体材料的光电效应来实现光电转换的光检测器件质量的优劣在很大程度上决光电转换的光检测器件质量的优劣在很大程度上决定了光接收机灵敏度的高低。

而光接收机的灵敏度和定了光接收机灵敏度的高低而光接收机的灵敏度和光源器件的发光功率、光纤的衰耗三者一起便决定了光源器件的发光功率、光纤的衰耗三者一起便决定了光纤通信的中继距离（在系统受衰耗限制而不是受色光纤通信的中继距离（在系统受衰耗限制而不是受色散限制时）散限制时）vPIN光电二极管光电二极管v APD雪崩二极管雪崩二极管53Company LogoIntroduction to Computer Systems54光接收机光接收机v主放大器：主放大器：§其作用是把信号进一步放大，其增益一般在其作用是把信号进一步放大，其增益一般在50dB 以上主放大器的输出脉冲幅度一般在以上主放大器的输出脉冲幅度一般在1～～3 伏伏（峰一峰值），以满足判决再生电路的要求峰一峰值），以满足判决再生电路的要求v均衡器：均衡器：§把主放大器输出的脉冲进行均衡，以形成码间干扰把主放大器输出的脉冲进行均衡，以形成码间干扰最小、能量集中即最有利于进行判决的升余弦波形最小、能量集中即最有利于进行判决的升余弦波形54Company LogoIntroduction to Computer Systems55光接收机光接收机v判决再生电路：判决再生电路：§对均衡器输出的脉冲流逐个进行判决，并对均衡器输出的脉冲流逐个进行判决，并再生成波形整齐的脉冲码流。

再生成波形整齐的脉冲码流v自动增益控制（自动增益控制（AGC）：）：§其作用是控制前置放大器与主放大器的增其作用是控制前置放大器与主放大器的增益，并使光接收机有一个规定的动态范围益，并使光接收机有一个规定的动态范围55Company LogoIntroduction to Computer Systems56光光纤纤通信中的高新技通信中的高新技术术 • 相干光通信技术相干光通信技术• 光复用技术光复用技术• 动态单频激光器动态单频激光器• 光孤子通信技术光孤子通信技术 56Company LogoIntroduction to Computer Systems57光波分复用光波分复用 ΛΛ1 1（（光源）光源）ΛΛ2 2（（光源）光源）ΛΛn n（（光源）光源）合波器合波器ΛΛ1 1( (检测器检测器) )分波器分波器ΛΛ2 2( (检测器检测器) )ΛΛn n( (检测器检测器) )单根光纤单根光纤 由由于于光光纤纤具具有有很很宽宽的的带带宽宽，，因因此此可可以以在在一一根根光光纤纤中中传传输输多多个个波波长长的的光光载载波波，，这这就就是是波波分分复复用用( (WDM)，，它类似于无线电信道的频分复用。

它类似于无线电信道的频分复用 57Company LogoIntroduction to Computer Systems58波分复用系统波分复用系统v光波分复用（光波分复用（WDM：：Wavelength Division Multiplexing)技术是在一根光纤中同时传输多波技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术长光信号的一项技术v其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用），并作进一步处理分开（解复用），并作进一步处理58Company LogoIntroduction to Computer Systems59光合波分波器光合波分波器1221nn波分复用示意图波分复用示意图59Company LogoIntroduction to Computer Systems60光孤子通信光孤子通信 v孤子（孤子（Soliton）又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，）又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。

有人把孤子定义为：孤子与其他同类孤立的脉冲状行波有人把孤子定义为：孤子与其他同类孤立波相遇后，能维持其幅度、形状和速度不变波相遇后，能维持其幅度、形状和速度不变v1973年，孤立波的观点开始引入到光纤传输中在频移时，年，孤立波的观点开始引入到光纤传输中在频移时，由于折射率的非线性变化与群色散效应相平衡，光脉冲会由于折射率的非线性变化与群色散效应相平衡，光脉冲会形成一种基本孤子，在反常色散区稳定传输由此，逐渐形成一种基本孤子，在反常色散区稳定传输由此，逐渐产生了新的电磁理论产生了新的电磁理论——光孤子理论，从而把通信引向非光孤子理论，从而把通信引向非线性光纤孤子传输系统这一新领域光孤子（线性光纤孤子传输系统这一新领域光孤子（soliton）就）就是这种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度和速度不是这种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲利用光孤子特性可以实现超长距离、超大容变的光脉冲利用光孤子特性可以实现超长距离、超大容量的光通信量的光通信 60Company LogoIntroduction to Computer Systems61光孤子通信光孤子通信v光纤通信中，限制传输距离和传输容量的主要原因是光纤通信中，限制传输距离和传输容量的主要原因是“损损耗耗”和和“色散色散”。

损耗损耗”使光信号在传输时能量不断减使光信号在传输时能量不断减弱；而弱；而“色散色散”则是使光脉冲在传输中逐渐展宽所谓光则是使光脉冲在传输中逐渐展宽所谓光脉冲，其实是一系列不同频率的光波振荡组成的电磁波的脉冲，其实是一系列不同频率的光波振荡组成的电磁波的集合光纤的色散使得不同频率的光波以不同的速度传播，集合光纤的色散使得不同频率的光波以不同的速度传播，这样，同时出发的光脉冲，由于频率不同，传输速度就不这样，同时出发的光脉冲，由于频率不同，传输速度就不同，到达终点的时间也就不同，这便形成脉冲展宽，使得同，到达终点的时间也就不同，这便形成脉冲展宽，使得信号畸变失真现在随着光纤制造技术的发展，光纤的损信号畸变失真现在随着光纤制造技术的发展，光纤的损耗已经降低到接近理论极限值的程度，色散问题就成为实耗已经降低到接近理论极限值的程度，色散问题就成为实现超长距离和超大容量光纤通信的主要问题现超长距离和超大容量光纤通信的主要问题 61Company LogoIntroduction to Computer Systems62光孤子通信光孤子通信v光纤的色散是使光信号的脉冲展宽，而光纤中还有一种非光纤的色散是使光信号的脉冲展宽，而光纤中还有一种非线性的特性，这种特性会使光信号的脉冲产生压缩效应。

线性的特性，这种特性会使光信号的脉冲产生压缩效应光纤的非线性特性在光的强度变化时使频率发生变化，从光纤的非线性特性在光的强度变化时使频率发生变化，从而使传播速度变化在光纤中这种变化使光脉冲后沿的频而使传播速度变化在光纤中这种变化使光脉冲后沿的频率变高、传播速度变快；而前沿的频率变低、传播速度变率变高、传播速度变快；而前沿的频率变低、传播速度变慢这就造成脉冲后沿比前沿运动快，从而使脉冲受到压慢这就造成脉冲后沿比前沿运动快，从而使脉冲受到压缩变窄v如果有办法使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好互相抵消，如果有办法使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好互相抵消，光脉冲就会像一个一个孤立的粒子那样形成光孤子，能在光脉冲就会像一个一个孤立的粒子那样形成光孤子，能在光纤传输中保持不变，实现超长距离、超大容量的通信光纤传输中保持不变，实现超长距离、超大容量的通信62Company LogoIntroduction to Computer Systems63光孤子通信光孤子通信v光孤子通信是一种全光非线性通信方案，其基本光孤子通信是一种全光非线性通信方案，其基本原理是光纤折射率的非线性（自相位调制）效应原理是光纤折射率的非线性（自相位调制）效应导致对光脉冲的压缩可以与群速色散引起的光脉导致对光脉冲的压缩可以与群速色散引起的光脉冲展宽相平衡，在一定条件（光纤的反常色散区冲展宽相平衡，在一定条件（光纤的反常色散区及脉冲光功率密度足够大）下，光孤子能够长距及脉冲光功率密度足够大）下，光孤子能够长距离不变形地在光纤中传输。

它完全摆脱了光纤色离不变形地在光纤中传输它完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制，其传输容量比散对传输速率和通信容量的限制，其传输容量比当今最好的通信系统高出当今最好的通信系统高出1~2个数量级，中继距个数量级，中继距离可达几百离可达几百km它被认为是下一代最有发展前途它被认为是下一代最有发展前途的传输方式之一的传输方式之一 63Company Logo。