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发射 信 息 源 电 发 射 机 电信号 输入 光 发 射 机
基本光纤传输系统 光纤线路 光 接 收 机
接收 电 接 收 机 电信号 输出 信 息 宿
光信号 输出
光信号 输入
图5.1 光纤通信系统示意图
光纤通信系统可以根据使用的传输信号类型、 光源的调制方式、传输光的波长和光纤类型等进 行不同的分类。按传输信号类型可分为数字光纤 通信系统和模拟光纤通信系统。 按光源的调制方式可划分为直接强度调制和 间接调制。
1）多模光纤（MM-Multi mode filber）
2）单模光纤（SM-Single mode fiber） （3）按照光纤的套塑层分为 1）紧套光纤 2）松套光纤
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图5.4 阶跃型光纤和渐变型光纤
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图5.5 松套光纤和紧套光纤
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n1 n2
n3
2a ′ 2a
(a)
(b)
(b)
图5.6 典型特种单模光纤
图5.26 掺铒光纤放大器的工作原理（硅光纤中铒离子的能级图说明）
(a)
图 7.1掺铒光纤放大器的 返回
（2）掺铒光纤放大器的构成和特性
泵浦 输入信号 光隔离器 波分复用器 (a) 热 光输入 ＋5 V 电源 监视 激光器驱动输入 0V －5 V 泵浦LD 监视和 告警电路 PD 探测器 泵浦监视 和控制电路 泵浦LD 掺铒 光纤 输入隔离器 沉 输入WDM 光隔离器 掺铒光纤 输出信号
（5）光纤绝缘性好，寿命长
（6）无接地和共地问题 （7）光纤资源丰富，节约有色金属和能源
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5.2 光纤与光缆
5.2.1 光纤的结构和分类
1. 光纤的结构
图5.3 光纤的结构
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2. 光纤的种类
（1）按照光纤剖面折射率的分布分为 1）阶跃型光纤（简称SIF） 2）渐变型光纤（简称GIF） （2）按照传导模的数目分为
4. 光端机的主要性能指标 （1）平均发送光功率及其稳定度 （2）消光比EXT （3）光接收机灵敏度 （4）光接收动态范围
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5.4 光纤通信系统设计
5.4.1 光纤通信系统设计概述
图5.29 光通道损耗的示意图
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图5.30 假设参考数字连接HRX的组成
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图5.31 SDH设备的输入抖动和漂移容限
r z
图5.10 渐变型光纤的导光原理
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5.2.3 光纤的传输特性
1. 光纤的损耗特性 （1）材料的吸收损耗 1）物质本征吸收损耗 2）掺杂剂和杂质离子引起的吸收损耗 3）原子缺陷吸收损耗 （2）光纤的散射损耗 1）瑞利散射 2）结构散射 （3）光纤的辐射损耗（包括弯曲损耗和连接损耗） 1）弯曲损耗 2）连接损耗 （4）衰减系数
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（2）光谱特性
图5.19 激光器的光谱特性
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（3）温度特性
图5.20 激光器的温度特性
图5.21 发光二极管（LED）的P−I特性
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3. 光源驱动电路（光调制）
图5.22 光源的调制原理
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5.3.3 光接收机
1. 光接收机的组成
图5.23 数字光接收机的组成
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2. 光检测器
图5.24 PIN光电二极管的工作原理
按光纤工作的波长范围和光纤的传导模数量 的不同，常见的光纤通信系统分为三类：短波长 多模光纤系统、长波长多模光纤系统和长波长单 模光纤系统。
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图5.2 电磁波的波谱图
5.1.2 光纤通信的特点
（1）传输频带宽，通信容量大 （2）光纤损耗低，中继距离长
（3）抗电磁干扰能力强，无串话
（4）光缆的尺寸小，重量轻，便于施工维护
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图5.25 雪崩二极管APD的工作原理
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3. 光纤放大器 （1）掺铒光纤放大器作原理4F 9 4I 9
/2 /2
0 .6 5m 0 .8 0m 3 0 .9 8m 2 1 .5 3m 光信号 1
10
m － 1) 损耗或增益 /( dB·
8 6 4 2 0
4I 11 /2 4I 13 /2 1 .4 8m 泵浦 4I 15 /2
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5.2.2 光纤的导光原理
图5.7 光的反射和折射
图5.8 临界角与光的全反射
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1. 阶跃型光纤的导光原理
3 y
2
c
c
1
l L x 纤芯n1 包层n2
1 z
2 3
o
1
图5.9 阶跃型光纤的导光原理
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2. 渐变型光纤的导光原理
r
* o
ri 0 dz
i
dr
rm p
纤芯n (r)
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5.4.2 损耗受限系统设计
图5.32 数字光纤线路系统
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5.4.3 色散受限系统设计
1 00 0 8 00 6 00 4 00 2 00 1 00 80 60 40 20 10 8 6 4 2 1 0 .0 00 1 同轴 渐变型 多模光纤 0 .0 1 0 .1 1 10 1 00 单模光纤 1 .5 5m(量子限制) 单模光纤 色散移位光纤
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5.6 小
结
本章介绍了光纤通信系统的基本概念。重点 介绍了光纤通信系统中光发送机和光接收机的基 本组成、工作特点和工作原理。其中包括了光源、 光检测器的主要特点、结构和分类。光放大技术 对光纤通信影响巨大，因此着重介绍掺铒光纤放 大器的工作原理、构成、特性、优点和应用等方 面。此外还介绍了光端机的主要性能指标。
最后介绍了光纤通信系统的设计以及光纤通 信的新技术及进展。
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图5.14 光缆的结构
5.3 光纤通信系统
5.3.1 光纤通信系统的基本组成 5.3.2 光发送机
图5.15 光发送机的组成
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1. 预处理电路 2. 光源
图5.16 发光机理示意图
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图5.17 激光器示意图
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半导体激光器LD的工作特性： （1）P-I特性
图5.18 激光器的P-I特性
1.5 5 m 1.3 m
0 .8 5m
距离 / km
突变型 多模光纤
0 .0 01
图5.33 各种光纤的中继距离和传输速率的关系
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5.5 光纤通信的新技术及发展
1. 波分复用WDM系统的演进
2. 相干光纤通信 3. 长距离中继光纤通信 4. 光孤子通信 5. 全光通信网络 6. 量子光通信系统
光输出 输出耦合器 输出隔离器 (b) 输出WDM
(a) 光纤放大器构成原理图； (b) 实用光纤放大器外形图及其构成方框图 图5.27 光纤放大器构成方框图
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（3）掺铒光纤放大器的优点和应用
中继放大器 LD (a) PD LD 光纤 (b) 后置放大器 前置放大器 PD
(a) 中继放大器； (b) 前置放大器和后置放大器 图5.28 光纤放大器的应用形式
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图5.11 光纤的损耗特性曲线
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2. 光纤的色散特性
图5.12 数字脉冲的码间干扰
（1）模式色散 （2）色度色散 1）材料色散 2）波导色散 3）偏振模色散
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图5.13 偏振模色散示意图
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5.2.4 光缆的结构和分类
光缆一般由缆芯、护层和加强构件三部分构
成。 根据缆芯结构的特点，光缆可以分为层绞式、 骨架式、中心束管式和带状式四种，如图5.14所 示。我国及欧亚各国较多的选用的是传统结构的 层绞式和骨架式。
第5章 光纤通信系统
5.1 概 述
5.2 光纤与光缆
5.3 光纤通信系统
5.4 光纤通信系统设计
5.5 光纤通信的新技术及发展
5.6 小
结
5.1 概
述
5.1.1 光纤通信系统的基本概念 组成及分类
光纤通信系统在发射端将需传送的电话、电 报、图像和数据等信号进行光电转换，将电信号 变成光信号，经过光纤传输线路到达接收端，接 收端将接收到的光信号转变成电信号，最后还原 成消息。光纤通信系统的基本组成如图5.1所示， 由光发射机、光纤线路和光接收机三个部分组成。