第四章光纖通信4.1概述4.2光纖4.3光發(fā)射機4.4數(shù)字光接收機4.5光中繼器4.6摻鉺光纖放大器(EDFA)4.7光波分復用（WDM）4.8新型光纖4.9全光通信網(wǎng)簡介通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!4.1概述4.1.1光纖通信的概念及發(fā)展方向 光纖通信是以光波為載頻、光導纖維（簡稱光纖）為傳輸媒質(zhì)的一種通信方式。光纖通信工作頻率范圍為f=105～107GHz，對應的波長范圍為λ=0.3～3×10-6cm。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁! 強度是指單位面積上的光功率。強度調(diào)制就是在發(fā)送端用電信號通過調(diào)制器控制光源的發(fā)光強度，使光強隨著信號電流線性變化，從而將電信號轉(zhuǎn)變成相應的已調(diào)光信號送入光纖進行傳輸。 光纖通信具有以下特點：①傳輸頻帶寬，通信容量大。②傳輸損耗低、中繼距離長。③抗電磁干擾。④保密性強，無串話干擾。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!4.1.2光纖通信的工作窗口 光纖的損耗系數(shù)隨著波長而變化，為獲得低損耗特性，光纖通信選用的波長范圍在0.8～1.8μm，并稱0.8～1.0μm為短波長波段，1.0～1.8μm為長波長波段。(1000納米(nm)=1微米

0.001毫米(mm)=1微米

0.0001厘米(cm)=1微米)

通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁! (1)根據(jù)光纖橫截面上折射率分布的不同，分為階躍型光纖和漸變型光纖。 (2)根據(jù)光纖中傳輸模式數(shù)量的不同，分為單模光纖和多模光纖。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!4.3光發(fā)射機4.3.1光源 在光纖通信系統(tǒng)中光源的作用是將被傳輸?shù)碾娦盘栟D(zhuǎn)換為光信號送入光纖，即完成電/光轉(zhuǎn)換任務(wù)。1.LD的特性 半導體激光器在注入電流達到一定數(shù)值（I>It）時，才發(fā)出激光；而I<It時發(fā)出的是熒光，即LD具有閾值性。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!圖4-3-2光發(fā)射機方框圖通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!(4)調(diào)制電路將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)制電流，以便實現(xiàn)對光源輸出功率的調(diào)制。(5)控制電路包括自動溫度控制（ATC）和自動光功率控制（APC）電路，這是防止環(huán)境溫度變化和器件老化，影響輸出光功率的穩(wěn)定而采取的措施。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!2.插入比特碼 這種碼型是把輸入的信息碼流按m比特分為一組，再在每組的m位之后插入一個比特，組成線路碼。3.加擾碼 擾碼是把已知的二進制序列按一定方法加入到信息碼流中，在接收端，用同樣方法再恢復出原來的信息碼流。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!4.4.2光電檢測器 光電檢測器是影響光接收機性能的主要器件，對它的要求是： （1）響應波長：每種材料制造的光電檢測器對光波有固定的峰值響應波長，不同材料的光電檢測器峰值響應波長不同。 （2）光電轉(zhuǎn)換效率：工程上用響應度和量子效率兩個物理量來衡量光電轉(zhuǎn)換效率。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!4.5光中繼器 光中繼器有兩種類型。一種是光—光中繼器，這種光中繼器直接對光信號進行放大處理。另一種是光—電—光中繼器，這種光中繼器對光信號進行間接放大。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!圖4-6-1摻鉺光纖放大器示意圖通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!4.7光波分復用（WDM）波分復用技術(shù)是利用單模光纖在低損耗區(qū)的巨大帶寬，在發(fā)端將多路處在不同光波長上的信道合波后送進同一芯光纖進行傳輸，每一個光波長傳輸一個TDM信號，只要各波長間有足夠的間隔，就不會相互干擾，在收端又將這些合在一起的波長分開，稱為“波分復用（WDM）”系統(tǒng)。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!4.7.1波分復用系統(tǒng)的基本形式 WDM系統(tǒng)主要有如下的兩種形式：1.雙纖單向傳輸 單向WDM是指所有光波長同時在一根光纖上沿同一方向傳送（如圖4-7-1所示），在發(fā)送端將載有各種信息的、具有不同波長的已調(diào)光信號λ1，λ2，λ3，λ4，…，λn通過光復用器組合在一起，并在一根光纖中單向傳輸。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!2.單纖雙向傳輸 單纖雙向傳輸如圖4-7-2所示。雙向是指不同光波長在一根光纖上同時向兩個不同的方向傳輸，但是兩個方向所用的波長相互分開，以實現(xiàn)兩個方向的全雙工通信。單向WDM系統(tǒng)在開發(fā)和應用方面都比較廣泛。雙向WDM系統(tǒng)的優(yōu)點是只使用一根光纖和較少的光纖放大器，但同時對系統(tǒng)的要求也高。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!4.7.2波分復用系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理 WDM系統(tǒng)主要由以下五部分組成：光發(fā)射機、光中繼放大、光接收機、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!（1）光復用器(OMU)和光解復用器(ODU) OMU完成不同波長光信號的波分復用。（2）光放大器(OA) 在發(fā)端使用的稱光功率放大器BA（BoosterAmplifier)，收端使用的稱前置放大器PA（Preamplifier)，中繼站使用的則稱使用線路放大器LA（LineAmplifier)。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!圖4-7-5集成式WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)EDFA:摻鉺光纖放大器SDH:同步數(shù)字傳輸系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!2.光監(jiān)控信道 由于WDM在整個光復用段不進行電的再生，所以系統(tǒng)的監(jiān)控信息不能利用SDH的開銷來傳送。3.網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)通過光監(jiān)控信道物理層傳送開銷字節(jié)到其他節(jié)點或接收來自其他節(jié)點的開銷字節(jié)對WDM系統(tǒng)進行管理，實現(xiàn)配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能，并通過Q3接口與上層網(wǎng)管系統(tǒng)相連。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!6.光交叉連接（圖中未畫） 光交叉連接（OXC）是光網(wǎng)絡(luò)最重要的網(wǎng)絡(luò)元件，它的主要功能是：光通道的交叉連接和本地上下路功能。除此之外，實用的OXC還應當包含光監(jiān)控模塊、光功率均衡模塊、光放大模塊，具有管理系統(tǒng)，不僅能對網(wǎng)元實行監(jiān)控與管理，并且能夠?qū)崿F(xiàn)波長路由算法，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)重構(gòu)和故障的自動恢復。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!2.同時傳輸多種不同類型的信號 由于WDM技術(shù)中使用的各波長相互獨立，因而可以傳輸特性完全不同的信號，完成各種業(yè)務(wù)信號的綜合和分離，甚至數(shù)字信號與模擬信號也可以同時傳輸。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!5.可平滑升級 WDM網(wǎng)絡(luò)可以為急于解決帶寬需求問題的運營公司提供平滑穩(wěn)妥的網(wǎng)絡(luò)升級方案。6.網(wǎng)絡(luò)的保護和恢復 網(wǎng)絡(luò)的保護與恢復是保證網(wǎng)絡(luò)運轉(zhuǎn)的手段，它與網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，必須在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時仔細考慮。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!4.8.2全波光纖 全波光纖（又稱無水吸收峰光纖）對于長途干線網(wǎng)來說，近來發(fā)展的G.655光纖可在長距離、高速率的波分復用系統(tǒng)中提供極好的傳輸特性。 在1350～1450nm范圍，因為在1385nm附近出現(xiàn)氫氧離子吸收高峰，光纖損耗太大，以致不利使用。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁! ②在1400nm附近，全波光纖的色散只有常規(guī)光纖在1550nm波段的一半以下，這可使信號無補償傳輸距離增加一倍以上。 ③一根光纖上同時存在多種服務(wù)，可以將不同的業(yè)務(wù)分配給最適合的波長傳輸。 ④可用波長范圍擴展后，容許使用波長間隔較寬、波長精度和穩(wěn)定度要求較低的元器件。 ⑤方便的運行方式。4.8.3用于局域網(wǎng)的新型多模光纖通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!4.9.2全光網(wǎng)的特點 (1)大容量：WDM每個波長可以支持2.5Gbit／s、10Gbit／s甚至更高的速率，實驗室已經(jīng)實現(xiàn)了6.4Tbit／s的傳輸容量。 (2)波長路由：在同一光纖中傳輸?shù)男盘柌ㄩL彼此獨立，因此可以傳輸特性完全不同的信號，完成各種電信業(yè)務(wù)信號的綜合和分離。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!(4)兼容性：全光傳送網(wǎng)要得到市場的認可，必須能夠兼容原有傳送網(wǎng)技術(shù)，與現(xiàn)有傳送網(wǎng)相連并允許現(xiàn)有技術(shù)繼續(xù)發(fā)揮作用，從而能夠維護用戶原來的投資，全光網(wǎng)還要支持未來的寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。(5)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的擴展性：全光網(wǎng)具有擴展性，而且是在盡量不影響已有通信的同時擴展用戶、容量、種類等。(6)可重構(gòu)性：全光網(wǎng)的可重構(gòu)性是指光波長層次上的重構(gòu)。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!1.光放大中繼技術(shù) 在光通信系統(tǒng)中，如何提高光信號傳輸距離，減少中繼站數(shù)目，降低系統(tǒng)成本，一直是人們不斷探索的目標。2.光交換 目前電子交換的發(fā)展已接近了電子速率的極限。為了解決電子瓶頸限制問題，人們開始在交換系統(tǒng)中引入光子技術(shù)，實現(xiàn)光交換。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!5.光分插復用器（OADM） OADM是一種小型化的OXC設(shè)備，它的功能是： ①ADM可以通過內(nèi)部的交換單元使其具有交叉矩陣的時隙交換功能； ②可以靈活地從主信號碼流中分出一些支路信號（下電路）和插入一些支路信號（上電路）； ③利用ADM可以構(gòu)成自愈環(huán)，提供有效的線路和通道保護。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!4.9.4當前全光網(wǎng)發(fā)展中存在的一些問題 （1）IP數(shù)據(jù)以何種方式成幀并通過WDM傳輸；如何將低速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層與高速光傳送網(wǎng)速率適配。 （2）制定各種接口規(guī)范和技術(shù)標準。 （3）EDFA帶寬是有限的，一般在1530nm和1560nm之間，大約30nm左右，這就使得可用的波長資源受到了限制。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!4.2光纖4.2.1光纖的結(jié)構(gòu)和分類 光纖由纖芯和包層兩部分組成，纖芯完成光信號的傳輸，包層是為了將光信號封閉在纖芯中并保護纖芯。纖芯和包層的折射率不同，設(shè)纖芯、包層的折射率分別為n1、n2,則n1>n2。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!4.2.2光纖的傳輸特性1.損耗 光纖的傳輸損耗是影響系統(tǒng)傳輸距離的重要因素，光纖自身的損耗主要有吸收損耗和散射損耗。2.色散 光脈沖信號經(jīng)光纖傳輸，到達輸出端會發(fā)生時間上的展寬，這種現(xiàn)象稱為色散。3.非線性效應 光纖通信中，激光器輸出的高功率導致光纖的非線性極為顯著。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!2.LED的特性 LED與LD的差別是它沒有光學諧振腔，不能產(chǎn)生激光，靠自發(fā)輻射發(fā)光，產(chǎn)生的是熒光。4.3.2光發(fā)射機的組成 直接強度調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機組成方框圖如圖4-3-2所示，其作用是將PCM設(shè)備送來的電信號進行電/光變換，并處理成為滿足一定要求的光信號后送入光纖傳輸。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!(1)光源是光發(fā)射機的關(guān)鍵器件，它產(chǎn)生光纖通信系統(tǒng)所需要的載波。(2)輸入接口在電發(fā)射機與光發(fā)射機之間解決阻抗、功率及電位的匹配問題。(3)線路編碼。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!4.3.3數(shù)字光纖通信的線路碼型 適用于光纖通信系統(tǒng)的線路碼型主要有mBnB碼、插入比特碼和加擾碼。1.mBnB碼 mBnB碼又叫分組碼，是把輸入的信息碼流以m比特（mB）分為一組，再按一定規(guī)則變換成n比特（nB）一組的碼組輸出。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!4.4數(shù)字光接收機4.4.1光接收機的組成 光接收機的作用是把經(jīng)過光纖傳輸后，脈沖幅度被衰減、寬度被展寬的微弱光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并放大、再生，恢復出原來的信號?光信號傳送到接收端，通過光電檢測器的光/電轉(zhuǎn)換作用變成電信號，再送入前置放大器放大。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!（3）響應速度：是描述光電檢測器生成的光電流隨著入射光信號變化快慢的物理量，用上升時間和下降時間（統(tǒng)稱響應時間）表示。（4）暗電流I：是指無光照射時，光電檢測器的輸出電流（反向電流）。（5）要求光電檢測器的主要特性隨外界環(huán)境和溫度的變化盡可能小，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!4.6摻鉺光纖放大器(EDFA)光纖放大器包括稀土摻雜光纖放大器和利用非線性效應的常規(guī)光纖放大器。損耗是限制無中繼傳輸距離的主要原因。摻鉺光纖放大器如圖4-6-1所示，它使光纖通信的傳輸方式產(chǎn)生了革命性的變化。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!摻鉺光纖放大器有許多優(yōu)點，首先它工作在1.55μm，正好是波分復用系統(tǒng)工作波段；其次，它的增益帶寬很寬，達30nm或更高，可以實現(xiàn)各路光信號的同時放大，尤其實用于密集波分（DWDM)系統(tǒng)；第三，它的增益高，約為20~40dB，且有較高的飽和輸出功率，可用于功率放大；第四，它能做到低噪聲工作；第五，它便于與光纖通信系統(tǒng)連接，耦合損耗小，可達0.1dB；最后，它所需泵浦光功率低，約數(shù)十毫瓦，泵浦效率較高。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁! 90年代中期以前，WDM系統(tǒng)發(fā)展速度并不快，主要原因在于時分復用（TDM）技術(shù)比較成熟，而波分復用則受到器件發(fā)展水平的制約。90年代中期以后，DWDM迅速發(fā)展。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!圖4-7-1雙纖單向傳輸?shù)腤DM系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!圖4-7-2單纖雙向傳輸?shù)腤DM系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁!1.光發(fā)射機 在發(fā)送端，將來自終端設(shè)備（例如SDH端機）的光信號，利用光轉(zhuǎn)發(fā)器（OTU）將符合ITU-TG.957建議的非特定波長的光信號轉(zhuǎn)換成具有穩(wěn)定的特定波長的光信號；然后利用光復用器（OMU)將多路標準的光信號合成多通路的光信號；最后經(jīng)過后置功率放大器（BA）放大輸出多通路光信號。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁!（3）光波長轉(zhuǎn)換器(OTU) OTU的作用有兩個。 ，將不同廠商的SDH設(shè)備接入WDM系統(tǒng)中。 第二，實現(xiàn)不同速率等級信號的混合傳輸,例如千兆以太網(wǎng)與STM-16的混合傳輸。 不采用OTU的系統(tǒng)稱集成式系統(tǒng)，如圖4-7-5所示。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁!開放式系統(tǒng)(opensystem)在SDH或數(shù)據(jù)信號與WDM設(shè)備間有光波長轉(zhuǎn)換器，它可以在不改變光信號數(shù)據(jù)格式的情況下，把光波長按照一定的要求重新轉(zhuǎn)換成符合波分復用系統(tǒng)的要求。集成式系統(tǒng)常叫為被動式WDM，它要求SDH設(shè)備需具有G。692光接口，包括波長和長距離傳輸?shù)毓庠础ｉ_放式系統(tǒng)和集成式系統(tǒng)的優(yōu)缺點比較如表4-7-1所示。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁!圖4-7-6無再生功能的OTU示意圖通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁!4.光接收機 在接收端，衰減后的光信號經(jīng)過前置放大器（PA）放大后，用分波器（ODU）從主信道光信號中分離出特定波長的光信道。5.光分插復用器（圖中未畫） 光分插復用器(OADM)在光域完成信號的分插復用，它的功能是從傳輸設(shè)備中有選擇地下路（drop）到達本地的光信號，同時上路（add）本地用戶發(fā)往另一節(jié)點用戶的光信號，而不影響其他波長信道的傳輸。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁!4.7.3波分復用系統(tǒng)的主要特點1.充分利用光纖的巨大帶寬資源 WDM充分利用了光纖的巨大帶寬資源（低損窗口），使一根光纖的傳輸容量比只使用單波長傳輸時增加了幾倍甚至幾十倍，從而增加了光纖的傳輸容量，降低了成本。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁!3.節(jié)約光纖資源 采用WDM技術(shù)使若干個波長復用起來在一根光纖中傳輸，在長途傳輸過程中可以節(jié)約大量的光纖資源。4.降低對高速電子器件的要求 隨著傳輸速率的提高，許多電子器件的響應速度已經(jīng)明顯不足，而波分復用技術(shù)則可以彌補這方面的不足。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁!4.8新型光纖4.8.1非零色散光纖（G.655光纖） 光纖的短工作波長是850nm，長工作波長是1310nm和1550nm，光纖的損耗在1310nm為0.35db/km，在1550nm為0.20dB/km。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁!全波光纖有以下特點：①全波光纖由于消除了1350～1450nm波段水峰損耗，開創(chuàng)了前所未有的位于1350～1450nm的光譜窗口，使光纖的可應用波長范圍達到1280～1625nm，可提供比現(xiàn)在普通單模光纖超出100nm的有效波長范圍，至少是常規(guī)光纖使用波段的1.6倍。通信網(wǎng)絡(luò)概論第04章共57頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第51頁!4.9全光通信網(wǎng)簡介4.9.1全光網(wǎng)的基本概念

代是電網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過電纜連接在一起