第4章

數字光纖通信系統

4.1數字光纖通信系統概述4.2光纖和光器件4.3光端機4.4數字光纖系統的兩種傳輸體制11/19/20221第4章數字光纖通信系統4.14.1數字光纖通信系統概述

一、光纖通信發展史和現狀1、探索時期的光通信:

中國古代用“烽火臺”報警，歐洲人用旗語傳送信息，這些都可以看作是原始形式的光通信。

1880年，美國人貝爾(Bell)發明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。光電話證明了用光波作為載波傳送信息的可行性。貝爾光電話是現代光通信的雛型。11/19/202224.1數字光纖通信系統概述一、光纖

1960年，美國人梅曼(Maiman)發明了第一臺紅寶石激光器，給光通信帶來了新的希望。激光具有波譜寬度窄，方向性極好，亮度極高，以及頻率和相位較一致的良好特性。繼紅寶石激光器之后，氦—氖(He-Ne)激光器、二氧化碳(CO2)激光器先后出現，并投入實際應用。激光器的發明和應用，使光通信進入一個嶄新的階段。11/19/202231960年，美國人梅曼(Maiman)發明了2、現代光纖通信

1966年，英籍華裔學者高錕指出了利用光纖(OpticalFiber)進行信息傳輸的可能性和技術途徑，奠定了現代光通信——光纖通信的基礎。

1970年，光纖研制取得了重大突破。美國康寧(Corning)公司就研制成功損耗20dB/km的石英光纖。

1973年，美國貝爾(Bell)實驗室取得了更大成績，光纖損耗降低到2.5dB/km。1976年，日本電報電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2μm)。11/19/202242、現代光纖通信11/11/202243、光纖通信的發展可以粗略地分為三個階段：

第一階段(1966-1976年)，這是從基礎研究到商業應用的開發時期。實現了短波長(0.85μm)低速率(45或34Mb/s)多模光纖通信系統。第二階段(1976-1986年)，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標和大力推廣應用的大發展時期。光纖從多模發展到單模，工作波長從短波長(0.85μm)發展到長波長(1.31μm和1.55μm)。

第三階段(1986-1996年)，這是以超大容量超長距離為目標、全面深入開展新技術研究的時期。在這個時期，實現了1.55μm色散移位單模光纖通信系統。實驗室可以達到更高水平。11/19/202253、光纖通信的發展可以粗略地分為三個階段：11/11/20二、光纖通信的優點和應用

在光纖通信系統中，作為載波的光波頻率比電波頻率高得多，作為傳輸介質的光纖又比同軸電纜或波導管的損耗低得多，因此相對于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨特的優點。

1.容許頻帶很寬，傳輸容量很大單波長光纖通信系統的傳輸速率一般為2.5Gb/s和10Gb/s。波分復用(WDM)和光時分復用(TDM)更是極大地增加了傳輸容量，見下表。11/19/20226二、光纖通信的優點和應用11/11/20226通信手段傳輸容量(話路)/條中繼距離/km1000km內中繼器個數微波無線電9605020小同軸9604250中同軸180061600光纜19203033光纜14000(1Gb/s)8411光纜6000(445MB/S)1347表光纖通信與電纜或微波通信傳輸能力的比較

11/19/20227通信手段傳輸容量(話路)/條中繼距離/km1000k

2.損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小

石英光纖在1.31μm和1.55μm波長，傳輸損耗分別為0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。因此，用光纖比用同軸電纜或波導管的中繼距離長得多，見表。傳輸容量大、傳輸誤碼率低、中繼距離長的優點，使光纖通信系統不僅適合于長途干線網而且適合于接入網的使用，這也是降低每公里話路的系統造價的主要原因。11/19/202282.損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小11/1

3.重量輕、體積小光纖重量很輕，直徑很小。即使做成光纜，在芯數相同的條件下，其重量還是比電纜輕得多，體積也小得多。表給光纜和標準同軸電纜的重量和截面積的比較。

項目8芯18芯光纜電纜光纜電纜重量/(kg·m-1)重量比0.4216.3150.4211126直徑/mm截面積比211475211659.6表光纜和電纜的重量和截面積比較

11/19/20229

3.重量輕、體積小項目8

4.抗電磁干擾性能好光纖由電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不受各種電磁場的干擾和閃電雷擊的損壞。

5.泄漏小，保密性能好在光纖中傳輸的光泄漏非常微弱，即使在彎曲地段也無法竊聽。因此信息在光纖中傳輸非常安全。

6.節約金屬材料，有利于資源合理使用。

11/19/2022104.抗電磁干擾性能好11/11/202210

總之，光纖通信不僅在技術上具有很大的優越性，由圖可見，隨著傳輸容量的增加，由于采用了新的傳輸媒質，使得相對造價直線下降。圖各種通信系統相對造價與傳輸容量的比較

11/19/202211總之，光纖通信不僅在技術上具光纖可以傳輸數字信號，也可以傳輸模擬信號。光纖通信的各種應用可概括如下：①通信網，包括全球通信網、各國的公共電信網、各種專用通信網、特殊通信手段。②構成因特網的計算機局域網和廣域網，如光纖以太網、路由器之間的光纖高速傳輸鏈路。③有線電視網的干線和分配網；工業電視系統，如工廠、銀行、商場、交通和公安部的監控。④綜合業務光纖接入網，分為有源接入網和無源接入網，可實現電話、數據、視頻(會議電視、可視電話等)及多媒體業務綜合接入核心網，提供各種各樣的社區服務。11/19/202212光纖可以傳輸數字信號，也可以傳輸模擬信號。光纖三、光纖通信系統的基本組成

1、發射和接收下圖示出單向傳輸的光纖通信系統，包括發射、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統。

圖光纖通信系統的基本組成光纖通信系統組成演示11/19/202213三、光纖通信系統的基本組成圖光纖通信系統的基本組成光信息源：把用戶信息轉換為原始電信號，這種信號稱為基帶信號。電發射機：把基帶信號轉換為適合信道傳輸的信號，這個轉換如果需要調制，則其輸出信號稱為已調信號。光發射機：輸入到光發射機帶有信息的電信號，通過調制轉換為光信號。光接收機：光載波經過光纖線路傳輸到接收端，再由光接收機把光信號轉換為電信號。

電接收機：功能和電發射機的功能相反。11/19/202214信息源：把用戶信息轉換為原始電信號，這種信號稱為基帶信號。12、基本光纖傳輸系統

基本光纖傳輸系統作為獨立的“光信道”單元。有線通信系統或無線通信系統的發射與接收之間加入光發射機、光纖線路和光接收機，再配置適當的光器件，可以組成傳輸能力更強、功能更完善的光纖通信系統。下面簡要介紹基本光纖傳輸系統的三個組成部分。11/19/2022152、基本光纖傳輸系統11/11/202215光發射機：

光發射機的功能：把輸入電信號轉換為光信號，并用耦合技術把光信號最大限度地注入光纖線路。

光發射機組成：由光源、驅動器和調制器組成。

光源是光發射機的核心。光發射機的性能基本上取決于光源的特性。

光源種類：半導體發光二極管(LED)、半導體激光二極管(或稱激光器)(LD)，單縱模分布反饋(DFB)激光器。11/19/202216光發射機：11/11/202216光纖線路：

光纖線路功能：是把來自光發射機的光信號，以盡可能小的失真和衰減傳輸到光接收機。

光纖線路組成：由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。

光纖基本要求：損耗和色散這兩個傳輸特性參數都盡可能地小，有足夠好的機械特性和環境特性。

石英光纖分類：多模光纖和單模光纖。單模光纖的傳輸特性比多模光纖好，價格比多模光纖便宜，因而得到更廣泛的應用。單模光纖適合大容量長距離光纖傳輸系統，小容量短距離系統用多模光纖配合半導體發光二極管更加合適。11/19/202217光纖線路：11/11/202217光接收機：

光接收機的功能：是把從光纖線路輸出、產生畸變和衰減的微弱光信號轉換為電信號，并經放大和處理后恢復成發射前的電信號。

光接收機組成：由光檢測器、放大器和相關電路組成光檢測器是光接收機的核心。對光檢測器的要求是響應度高、噪聲低和響應速度快。

光檢測器種類：光電二極管(PIN-PD)、雪崩光電二極管(APD)。光發射機與光接收機組成演示

11/19/202218光接收機：光發射機與光接收機組成演示11/11/2022光接收機最重要的特性參數是靈敏度。靈敏度是衡量光接收機質量的綜合指標，它反映接收機調整到最佳狀態時，接收微弱光信號的能力。

靈敏度主要取決于組成光接收機的光電二極管和放大器的噪聲，并受傳輸速率、光發射機的參數和光纖線路的色散的影響，還與系統要求的誤碼率或信噪比有密切關系。所以靈敏度也是反映光纖通信系統質量的重要指標。11/19/202219光接收機最重要的特性參數是靈敏度。11/11/2022194.2光纖和光器件

一、光纖1、光纖

光纖就是導光的玻璃纖維的簡稱,是石英玻璃絲,它的直徑只有0.1mm，它和原來傳送電話的明線、電纜一樣，是一種新型的信息傳輸介質，但它比以上兩種方式傳送的信息量要高出成千上萬倍，可達到上百千兆比特/秒,而且衰耗極低。11/19/2022204.2光纖和光器件一、光纖11/11/2022

2.光纖的導光原理

光纖為什么能夠導光，能傳送大量信息呢?

這里我們用簡單的比喻，從物理概念上來說明，以加深對光纖傳輸信息的理解。

光纖是利用光的全反射特性來導光的。在物理中學習過光從一種介質向另一種介質傳播，由于它們在不同介質中傳輸速率不一樣，因此，當通過兩個不同的介質交界面就會發生折射。11/19/2022212.光纖的導光原理11/11/202221

若有兩種不同介質,其折射率分別為n0,n1，而且n1＞n0,設界面為XX′；折射率小的稱光疏媒質,折射率大的稱光密媒質；假定光線從光疏媒質射向光密媒質,其折射情況如圖所示。圖中，入射角為θ0為入射光線與法線YY′夾角,折射角為θ1為折射光線與YY′夾角；由圖可見，θ1＜θ0。圖光的折射示意圖11/19/202222若有兩種不同介質,其折射率分別為n0,

若使光束從光密媒質射向光疏媒質時,則折射角大于入射角，如圖所示。如果不斷增大θ0可使折射角θ1達到90°,這時的θ1稱為臨界角。當光線從光密媒質射向光疏媒質,且入射角大于臨界角時,就會產生全反射現象。光纖就是利用這種全反射來傳輸光信號的。圖臨界角和光線的全反射

11/19/202223若使光束從光密媒質射向光疏媒質時,則折射

以上了解了光的全反射原理之后，下面畫出光在階躍光纖中的傳播軌跡，即按“之”之形傳播及沿纖芯與包層的分界面掠過，如圖所示。

11/19/202224以上了解了光的全反射原理之后，下面畫出光

在制造光纖時，使光纖芯的折射率高，在外面涂上一包屏層，可使折射率低；當選擇一定的角度θ0時，射入纖芯的光束將會全部返回纖芯中。光纖芯線結構如圖所示。

光纖的芯線由纖芯、包層、涂覆層、套塑四部分組成。

11/19/202225在制造光纖時，使光纖芯的折射率高，在外面圖光纖芯線的剖面構造

11/19/202226圖光纖芯線的剖面構造

11/11/202226

纖芯：纖芯位于光纖的中心部位（直徑d1約9～50微米），其成份是高純度的二氧化硅。

包層：包層位于纖芯的周圍（其直徑d2約125微米），其成份也是含有極少量摻雜劑的高純度二氧化硅。

涂敷層：光纖的最外層是由丙烯酸酯、硅橡膠和尼龍組成的涂敷層，其作用是增加光纖的機械強度與可彎曲性。11/19/202227纖芯：纖芯位于光纖的中心部位（直徑d1約9～50微3.光纖的分類

根據波導傳輸波動理論分析，光纖的傳播模式可分為多模光纖和單模光纖。1)多模光纖多模光纖即能承受多個模式的光纖。這種光纖結構簡單、易于實現,接頭連接要求不高,用起來方便,也較便宜。因而在早期的數字光纖通信系統(PDH系列)中采用，但這種光纖傳輸帶寬窄、衰耗大、時延差大,因而已逐步被單模光纖代替。11/19/2022283.光纖的分類11/11/202228

2)單模光纖單模光纖即只能傳送單一基模的光纖,如圖。這種光纖從時域看不存在時延差，從頻域看,傳輸信號的帶寬比多模光纖寬得多,有利于高碼率信息長距離傳輸。11/19/202229

2)單模光纖11/11/202229

圖裸光纖結構示意圖(a)階躍型多模光纖;(b)梯度型多模光纖;(c)單模光纖

11/19/202230圖裸光纖結構示意圖11/11/202二、光纜

為了使光纖能在工程中實用化，能承受工程中拉伸、側壓和各種外力作用,還要具有一定的機械強度才能使性能穩定。因此,將光纖制成不同結構、不同形狀和不同種類的光纜以適應光纖通信的需要。

光纜主要由纜芯、護套和加強元件組成。

11/19/202231二、光纜11/11/202231纜芯纜芯是由光纖芯組成的,它可分為單芯和多芯兩種。單芯型纜芯和多芯型纜芯結構的比例如表。單芯型由單根二次涂覆處理后的光纖組成。

多芯型由多根經二次涂覆處理后的光纖組成,它又分為帶狀結構和單位式結構。強度元件由于光纖的材料比較脆,容易斷裂,在光纜內中心或四周要加一根或多根加強元件。護層光纜的護層主要是對已形成的光纖芯線起保護作用,避免受外部機械力和環境損壞。11/19/202232纜芯11/11/202232

11/19/20223311/11/202233光纜的種類在公用通信網中用的光纜結構如表所示。

11/19/202234光纜的種類11/11/202234下面介紹幾種有代表性的光纜結構形式。(1)層絞式光纜。它是將若干根光纖芯線以強度元件為中心絞合在一起的一種結構,如圖(a)所示。特點是成本低,芯線數不超過10根。(2)單位式光纜。它是將幾根至十幾根光纖芯線集合成一個單位,再由數個單位以強度元件為中心絞合成纜,如圖(b)所示,其芯線數一般適用于幾十芯。11/19/202235下面介紹幾種有代表性的光纜結構形式。11/11/20223(3)骨架式光纜。這種結構是將單根或多根光纖放入骨架的螺旋槽內,骨架中心是強度元件,骨架上的溝槽可以是V型、U型或凹型,如圖(c)所示。光纖具有耐側壓、抗彎曲、抗拉的特點。(4)帶狀式光纜。它是將4～12根光纖芯線排列成行,構成帶狀光纖單元,再將多個帶狀單元按一定方式排列成纜,如圖(d)所示。這種光纜的結構緊湊,采用此種結構可做成上千芯的高密度用戶光纜。11/19/202236(3)骨架式光纜。11/11/202236

圖(a)層絞式；(b)單位式；(c)骨架式；(d)帶狀11/19/202237圖11/11/2022374.3光端機

一、光發射機1、數字光發射機的功能:

電端機輸出的數字基帶電信號轉換為光信號；用耦合技術注入光纖線路；用數字電信號對光源進行調制。2、調制方式：直接調制和外調制。

受調制的光源特性參數有：功率、幅度、頻率和相位，廣泛應用的是直接光強(功率)調制。

11/19/2022384.3光端機

一、光發射機11/11/202238IIPP輸入電信號輸出光信號輸出光信號輸入電信號

(a)LED數字調制原理；(b)LD的數字調制原理

當激光器的驅動電流大于閾值電流Ith時，輸出光功率P和驅動電流I基本上是線性關系。輸出光功率和輸入電流成正比，輸出光信號反映輸入電信號。11/19/202239IIPP輸入電信號輸出光信號輸出光信號輸入電3、光發射機基本組成數字光發射機的方框圖如圖所示，主要有光源和電路兩部分。

光源是實現電/光轉換的關鍵器件，在很大程度上決定著光發射機的性能。

電路的設計應以光源為依據，使輸出光信號準確反映輸入電信號。輸入接口線路編碼調制電路光源控制電路電信號輸入光信號輸出圖數字光發射機方框圖11/19/2022403、光發射機基本組成輸入接口線路編碼調制電路光源控制電路電信1）光源

對通信用光源的要求如下

：發射的光波長應和光纖低損耗“窗口”一致，即中心波長應在0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。光譜單色性要好，即譜線寬度要窄，以減小光纖色散對帶寬的限制。電/光轉換效率要高，即要求在足夠低的驅動電流下，有足夠大而穩定的輸出光功率，且線性良好。發射光束的方向性要好，以利于提高光源與光纖之間的耦合效率。11/19/2022411）光源11/11/202241允許的調制速率要高或響應速度要快，以滿足系統的大傳輸容量的要求。

器件應能在常溫下以連續波方式工作，要求溫度穩定性好，可靠性高，壽命長。此外，要求器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價格便宜。

11/19/202242允許的調制速率要高或響應速度要快，以滿足系統2）調制電路和控制電路直接光強調制的數字光發射機主要電路有：調制電路、控制電路和線路編碼電路。

3）線路編碼電路電端機輸出的數字信號是適合電纜傳輸的雙極性碼，而光源不能發射負脈沖，要變換為適合于光纖傳輸的單極性碼。11/19/2022432）調制電路和控制電路3）線路編碼電路11/11/20二、光接收機1、光接收機基本組成直接強度調制、直接檢測方式的數字光接收機方框圖示于圖。主要包括：光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、時鐘提取電路、取樣判決器以及自動增益控制(AGC)電路。11/19/202244二、光接收機11/11/202244

1）光檢測器光檢測器是光接收機實現光/電轉換的關鍵器件，其性能特別是響應度和噪聲直接影響光接收機的靈敏度。對光檢測器的要求如下：波長響應要和光纖低損耗窗口(0.85μm、1.31μm和1.55μm)兼容；響應度要高，在一定的接收光功率下，能產生最大的光電流；噪聲要盡可能低，能接收極微弱的光信號；性能穩定，可靠性高，壽命長，功耗體積小。目前，適合于光纖通信系統應用的光檢測器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。11/19/2022451）光檢測器11/11/202245

2）放大器前置放大器應是低噪聲放大器，它的噪聲對光接收機的靈敏度影響很大。前放的噪聲取決于放大器的類型，目前有三種類型的前放可供選擇。

主放大器一般是多級放大器，它的作用是：提供足夠的增益；并通過它實現自動增益控制(AGC)，使輸入光信號在一定范圍內變化時，輸出電信號保持恒定。主放大器和AGC決定著光接收機的動態范圍。11/19/202246

2）放大器11/11/2022463）均衡和再生

均衡的目的：對經光纖傳輸、光/電轉換和放大后已產生畸變(失真)的電信號進行補償；使輸出信號的波形適合于判決，以消除碼間干擾，減小誤碼率。

再生電路包括：判決電路和時鐘提取電路11/19/2022473）均衡和再生11/11/202247

2、光電集成接收機圖中除光檢測器以外的所有元件都是標準的電子器件，很容易用標準的集成電路(IC)技術將它們集成在同一芯片上。不論是硅(Si)還是砷化鎵(GaAs)IC技術都能夠使集成電路的工作帶寬超過2GHz，甚至達到10GHz。為了適合高傳輸速率的需求，人們一直在努力開發單片光接收機，即用“光電集成電路(OEIC)技術”在同一芯片上集成包括光檢測器在內的全部元件。11/19/2022482、光電集成接收機11/11/202248

在1991年試驗成功的單路InGaAsOEIC接收機，其運行速率達5Gb/s。InGaAsOEIC接收機也可以用混合法實現。如圖所示，電元件集成在GaAs基片上，而光檢測器集成在InP基片上，兩個部分通過接觸片連接在一起。圖光電集成接收機11/19/202249在1991年試驗成功的單路InGaAsOEI三、線路編碼在光纖通信系統中，從電端機輸出的是適合于電纜傳輸的雙極性碼。光源不可能發射負光脈沖，因此必須進行碼型變換，以適合于數字光纖通信系統傳輸的要求。數字光纖通信系統普遍采用二進制二電平碼，即“有光脈沖”表示“１”碼，“無光脈沖”表示“0”碼。11/19/202250三、線路編碼11/11/2022501、簡單的二電平碼會帶來如下問題：在碼流中，出現“１”碼和“0”碼的個數是隨機變化的，因而直流分量也會發生隨機波動(基線漂移)，給光接收機的判決帶來困難。

在隨機碼流中，容易出現長串連“１”碼或長串連“0”碼，這樣可能造成位同步信息丟失，給定時提取造成困難或產生較大的定時誤差。不能實現在線(不中斷業務)的誤碼檢測，不利于長途通信系統的維護。11/19/2022511、簡單的二電平碼會帶來如下問題：11/11/20225

2、數字光纖通信系統對線路碼型的主要要求是保證傳輸的透明性，具體要求有：能限制信號帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。提高輸出功率的穩定性和減小碼間干擾，有利于提高光接收機的靈敏度。能給光接收機提供足夠的定時信息。因而應盡可能減少連“１”碼和連“0”碼的數目，使“1”碼和“0”碼的分布均勻，保證定時信息豐富。能提供一定的冗余碼，用于平衡碼流、誤碼監測和公務通信。11/19/2022522、數字光纖通信系統對線路碼型的主要要求是保證傳輸的透明性3、擾碼為了保證傳輸的透明性，在系統光發射機的調制器前，需要附加一個擾碼器，將原始的二進制碼序列加以變換，使其接近于隨機序列。相應地，在光接收機的判決器之后，附加一個解擾器，以恢復原始序列。擾碼改變了“１”碼與“0”碼的分布，從而改善了碼流的一些特性。例如：擾碼前：1100000011000…擾碼后：1101110110011…11/19/2022533、擾碼例如：11/11/202253擾碼有下列缺點：不能完全控制長串連“１”和長串連“0”序列的出現；沒有引入冗余，不能進行在線誤碼監測；信號頻譜中接近于直流的分量較大，不能解決基線漂移。因為擾碼不能完全滿足光纖通信對線路碼型的要求，所以許多光纖通信設備除采用擾碼外還采用其它類型的線路編碼。11/19/202254擾碼有下列缺點：11/11/2022544、mBnB碼mBnB碼是把輸入的二進制原始碼流進行分組，每組有m個二進制碼，記為mB，稱為一個碼字，然后把一個碼字變換為n個二進制碼，記為nB，并在同一個時隙內輸出。這種碼型是把mB變換為nB，所以稱為mBnB碼，其中m和n都是正整數，n>m，一般選取n=m+1。mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等。11/19/2022554、mBnB碼11/11/202255mBnB碼編碼原理最簡單的mBnB碼是1B2B碼，即曼徹斯特碼，這就是把原碼的“０”變換為“01”，把“1”變換為“10”。因此最大的連“０”和連“１”的數目不會超過兩個，例如1001和0110。但是在相同時隙內，傳輸1比特變為傳輸2比特，碼速提高了1倍。11/19/20225611/11/202256

以3B4B碼為例，輸入的原始碼流3B碼，共有（23）8個碼字，變換為4B碼時，共有(24)16個碼字，見表。為保證信息的完整傳輸，必須從4B碼的16個碼字中挑選8個碼字來代替3B碼。設計者根據最佳線路碼特性的原則來選擇碼表。例如：在3B碼中有2個“0”，變為4B碼時補1個“１”；在3B碼中有2個“1”，變為4B碼時補1個“0”。而000用0001和1110交替使用；111用0111和1000交替使用。同時，規定一些禁止使用的碼字，稱為禁字，例如0000和1111。11/19/202257以3B4B碼為例，輸入的原始碼流3B碼，共01111111111011011101100101110110101001100100001110110110010101001000011001001000010000004B3B

表3B和4B的碼字

11/19/202258011111111

作為普遍規則，引入“碼字數字和”(WDS)來描述碼字的均勻性，并以WDS的最佳選擇來保證線路碼的傳輸特性。所謂“碼字數字和”，是在nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼，用“+1”代表“１”碼，整個碼字的代數和即為WDS。如果整個碼字“１”碼的數目多于“0”碼，則WDS為正；如果“0”碼的數目多于“1”碼，則WDS為負；如果“0”碼和“1”碼的數目相等，則WDS為0。例如：對于0111，WDS=+2；對于0001，WDS=-2；對于0011，WDS=0。11/19/202259作為普遍規則，引入“碼字數字和”(WDS)

nB碼的選擇原則是：盡可能選擇|WDS|最小的碼字，禁止使用|WDS|最大的碼字。以3B4B為例，應選擇WDS=0和WDS=±2的碼字，禁止使用WDS=±4的碼字。

線路碼（4B）信號碼（3B）模式2（負組）模式1（正組）WDS碼子WDS碼子-20010+211011117-21000+20111110601010010101015010010100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+210110000

表一種3B4B碼表11/19/202260nB碼的選擇原則是：盡可能選擇|WDS|最小

我國3次群和4次群光纖通信系統最常用的線路碼型是5B6B碼，其編碼規則如下：5B碼共有(25)32個碼字，變換6B碼時共有(26)64個碼字，其中WDS=0有20個，WDS=±2有15個，WDS=-2有15個，共有50個|WDS|最小的碼字可供選擇。由于變換為6B碼時只需32個碼字，為減少連“１”和連“0”的數目，刪去：000011、110000、001111和111100。禁用WDS=±4和±6的碼字。表4示出根據這個規則編制的一種5B6B碼表，正組和負組交替使用。表中正組選用20個WDS=0和12個WDS=+2，負組選用20個WDS=0和12個WDS=-2。11/19/202261我國3次群和4次群光纖通信系統最常用的線路11/19/20226211/11/202262線路碼（6B）信號碼（5B）模式2（負組）模式1（正組）WDS碼子WDS碼子-2000101+21110101111131-2001001+21101101111030-2010001+2101101110129011100001110001110028-2000110+21110011101127011010001101001101026011001001100101100125續表11/19/202263線路碼（6B）信號碼（5B）模式2（負組）模式1（正組）WD

mBnB碼是一種分組碼，設計者根據傳輸特性的要求確定某種碼表。mBnB碼的特點是：(1)碼流中“0”和“1”碼的概率相等，連“0”和連“1”的數目較少，定時信息豐富。(2)高低頻分量較小，信號頻譜特性較好，基線漂移小(3)在碼流中引入一定的冗余碼，便于在線誤碼檢測。mBnB碼的缺點是傳輸輔助信號比較困難。因此，在要求傳輸輔助信號或有一定數量的區間通信的設備中，不宜用這種碼型。11/19/202264mBnB碼是一種分組碼，設計者根據傳輸特性的4.4數字光纖系統的兩種傳輸體制

光纖大容量數字傳輸目前都采用同步時分復用(TDM)技術。復用又分為若干等級，先后有兩種傳輸體制：準同步數字系列(PDH)、同步數字系列(SDH)

隨著光纖通信技術和網絡的發展，PDH遇到了許多困難。SDH解決了PDH存在的問題，是一種比較完善的傳輸體制，現已得到大量應用。這種傳輸體制不僅適用于光纖信道，也適用于微波和衛星干線傳輸。11/19/2022654.4數字光纖系統的兩種傳輸體制

一、數字復接原理

數字復接實質上是對數字信號的時分多路復用。數字復接系統組成原理如圖所示。數字復接設備由數字復接器和數字分接器組成。數字復接器將若干個低等級的支路信號按時分復用的方式合并為一個高等級的合路信號。數字分接器將一個高等級的合路信號分解為原來的低等級支路信號。11/19/202266一、數字復接原理11/11/202266圖數字復接系統組成原理11/19/202267圖數字復接系統組成原理11/11/202

碼速調整單元：對輸入各支路信號的速率和相位進行調整，形成與本機定時信號完全同步的數字信號，使輸入的各支路信號是同步的。定時單元：受時鐘控制，產生復接需要的各種定時控制信號。分接器：合路數字信號和相應的時鐘同時送給分接器。分接器的定時單元受合路時鐘控制，因此它的工作節拍與復接器定時單元同步。同步單元：從合路信號中提出幀同步信號，用它再去控制分接器定時單元。恢復單元：把分解出的數字信號恢復出來。11/19/202268碼速調整單元：對輸入各支路信號的速率和相位進

在數字復接中，如果復接器輸入端的各支路信號與本機定時信號是同步的，則稱為同步復接器。如SDH如果不是同步的，則稱為異步復接器。輸入各支路數字信號與本機定時信號標稱速率相同，但實際上有一個很小的容差，這種復接器稱為準同步復接器。如PDH11/19/202269在數字復接中，如果復接器輸入端的各支路信二、準同步數字系列PDH

準同步數字系列有兩種基礎速率：以1.544Mb/s為第一級(一次群，或稱基群)基礎速率，采用的國家有北美各國和日本；以2.048Mb/s為第一級(一次群)基礎速率，采用的國家有西歐各國和中國。11/19/202270二、準同步數字系列PDH11/11/20227011/19/20227111/11/202271對于以2.048Mb/s為基礎速率的制式，各次群的話路數按4倍遞增，速率的關系略大于4倍。對于以1.544Mb/s為基礎速率的制式，在3次群以上，日本和北美各國又不相同，看起來很雜亂。PDH各次群比特率相對于其標準值有一個規定的容差，而且是異源的，通常采用正碼速調整方法實現準同步復用。1次群至4次群接口比特率早在1976年就實現了標準化，并得到各國廣泛采用。

PDH主要適用于中、低速率點對點的傳輸。11/19/202272對于以2.048Mb/s為基礎速率的制式，

在這種形勢下，現有PDH的許多缺點也逐漸暴露出來，主要有：

(1)北美、西歐和亞洲所采用的三種數字系列互不兼容。(2)各種復用系列都有其相應的幀結構，沒有足夠的開銷比特，使網絡設計缺乏靈活性。(3)復接/分接設備結構復雜，上下話路價格昂貴。11/19/202273在這種形勢下，現有PDH的許多缺點也逐漸暴露

三、同步數字系列SDH

1.SDH傳輸網

SDH不僅適合于點對點傳輸，而且適合于多點之間的網絡傳輸。

圖示出SDH傳輸網的拓撲結構。SDH傳輸網由SDH終接設備(或稱SDH終端復用器TM)、分插復用設備ADM、數字交叉連接設備DXC等網絡單元以及連接它們的(光纖)物理鏈路構成。11/19/202274三、同步數字系列SDH11/11/20227圖SDH傳輸網的典型拓撲結構TMADMDXCADMTMTMTMADMSTM-nSTM-nDXCADMTMSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-NSTM-nSTM-n低速信號低速信號……低速信號低速信號(n<N)11/19/202275圖SDH傳輸網的典型拓撲結構TMADMDXCASDH終端的主要功能是：復接/分接和提供業務適配SDH終端的復接/分接功能主要由TM設備完成。MUXE1E1…STM-N同步復接DMXE1E1…STM-N同步分接圖SDH傳輸網絡單元(a)終端復用器TM；11/19/202276SDH終端的主要功能是：復接/分接和提供業務適配MUX

ADM是一種特殊的復用器它利用分接功能將輸入信號所承載信息分兩部分：一部分直接轉發；一部分卸下給本地用戶然后信息又通過復接功能將轉發部分和本地上送的部分合成輸出DMXMUX中繼線STM-N中繼線STM-NAddSTM-n分接復接DropSTM-n本地圖SDH傳輸網絡單元分插復用設備ADM(Add/DropMultiplexer)11/19/202277ADM是一種特殊的復用器DMXMUX中繼線S

DXC類似于交換機，它一般有多個輸入和多個輸出，通過適當配置可提供不同的端到端連接。1:m1:m…m:1m:1復接交叉連接矩陣分接1n1n配置管理圖SDH傳輸網絡單元數字交叉連接設備DXC11/19/202278DXC類似于交換機，它一般有多個輸入和多個2、SDH具有下列特點：

(1)SDH采用世界上統一的標準傳輸速率等級。最低的等級也就是最基本的模塊稱為STM-1，傳輸速率為155.520Mb/s；4個STM-1同步復接組成STM-4，傳輸速率為622.080Mb/s；16個STM-1組成STM-16,傳輸速率為2488.320Mb/s，以此類推。(2)SDH各網絡單元的光接口有嚴格的標準規范。因此，光接口成為開放型接口，這有利于建立世界統一的通信網絡。標準的光接口綜合進各種不同的網絡單元，簡化了硬件，降低了網絡成本。(3)在SDH幀結構中，豐富的開銷比特用于網絡的運行、維護和管理，便于實現性能監測、故障檢測和定位、故障報告等管理功能。11/19/2022792、SDH具有下列特點：11/11/202279

(4)采用數字同步復用技術，其最小的復用單位為字節，不必進行碼速調整，簡化了復接分接的實現設備，由低速信號復接成高速信號，或從高速信號分出低速信號，不必逐級進行。(5)采用數字交叉連接設備DXC可以對各種端口速率進行可控的連接配置，對網絡資源進行自動化的調度和管理，既提高了資源利用率，又增強了網絡的抗毀性和可靠性。SDH采用了DXC后，大大提高了網絡的靈活性及對各種業務量變化的適應能力，使現代通信網絡提高到一個嶄新的水平。11/19/202280(4)采用數字同步復用技術，其最小的復用

圖分插信號流程的比較光/電光信號分接分接分接140/34Mb/s34/8Mb/s8/2Mb/s復接復接復接電/光光信號2/8Mb/s8/34Mb/s34/140Mb/s2Mb/s(電信號)SDHADM155Mb/s光接口155Mb/s光接口2Mb/s(電信號)PDHPDH和SDH分插信號流程的比較

采用SDH分插復用器(ADM)，可以利用軟件一次直接分出和插入2Mb/s支路信號，十分簡便。

11/19/202281圖分插信號流程的

3.SDH幀結構

SDH幀結構是實現數字同步時分復用、保證網絡可靠有效運行的關鍵。圖給出SDH幀一個STM-N幀有9行，每行由270×N個字節組成。這樣每幀共有9×270×N個字節每字節為8bit。幀周期為125μs，每秒傳輸8000幀。對于STM-1而言，傳輸速率為9×270×8×8000=155.520Mb/s。字節發送順序為：由上往下逐行發送，每行先左后右。11/19/2022823.SDH幀結構11/11/圖SDH幀的一般結構11/19/202283圖SDH幀的一般結構11/11/202283SDH幀的三個部分：

(1)段開銷(SOH)。段開銷是在SDH幀中為保證信息正常傳輸所必需的附加字節，主要用于運行、維護和管理，如幀定位、誤碼檢測、公務通信、自動保護倒換以及網管信息傳輸。

(2)信息載荷(Payload)。信息載荷域是SDH幀內用于承載各種業務信息的部分。在Payload中包含少量字節用于通道的運行、維護和管理，這些字節稱為通道開銷(POH)。

11/19/202284SDH幀的三個部分：11/11/202284根據圖的傳輸通道連接模型，段開銷又細分為再生段開銷(SOH)和復接段開銷(LOH)。前者占前3行，后者占5～9行。(3)管理單元指針(AUPTR)。管理單元指針是一種指示符，主要用于指示Payload第一個字節在幀內的準確位置(相對于指針位置的偏移量)。采用指針技術是SDH的創新，結合虛容器(VC)的概念，解決了低速信號復接成高速信號時，由于小的頻率誤差所造成的載荷相對位置漂移的問題。11/19/202285根據圖的傳輸通道連接模型，段開銷又細分為再SDH復用原理ITUT規定了SDH的一般復用映射結構。所謂映射結構，是指把支路信號適配裝入虛容器的過程，其實質是使支路信號與傳送的載荷同步。

這種結構可以把目前PDH的絕大多數標準速率信號裝入SDH幀。圖示出SDH一般復用映射結構，圖中C-n是標準容器，用來裝載現有PDH的各支路信號，并完成速率適配處理的功能。

11/19/202286SDH復用原理11/11/202286

在標準容器的基礎上，加入少量通道開銷(POH)字節，即組成相應的虛容器VC。VC的包絡與網絡同步，但其內部則可裝載各種不同容量和不同格式的支路信號。引入虛容器的概念，使得不必了解支路信號的內容，便可以對裝載不同支路信號的VC進行同步復用、交叉連接和交換處理，實現大容量傳輸。11/19/202287在標準容器的基礎上，加入少量通道開銷(PO圖SDH的一般復用映射結構

11/19/202288圖SDH的一般復用映射結構11/11/202288

由于在傳輸過程中，不能絕對保證所有虛容器的起始相位始終都能同步，所以要在VC的前面加上管理單元指針(AUPTR)，以進行定位校準。加入指針后組成的信息單元結構分為管理單元(AU)和支路單元(TU)。AU由高階VC(如VC-4)加AU指針組成，TU由低階VC加TU指針組成。TU經均勻字節間插后，組成支路單元組(TUG)，然后組成AU-3或AU-4。3個AU-3或1個AU-4組成管理單元組(AUG)，加上段開銷SOH，便組成STM-1同步傳輸信號；N個STM-1信號按字節同步復接，便組成STM-N。11/19/202289由于在傳輸過程中，不能絕對保證所有虛容器的起舉例：由PDH的4次群信號到SDH的STM-1的復接過程把139.264Mb/s的信號裝入容器C-4，經速率適配處理后，輸出信號速率為149.760Mb/s;在虛容器VC-4內加上通道開銷POH后，輸出信號速率為150.336Mb/s；在管理單元AU-4內，加上管理單元指針AUPTR(每幀9Byte,相應于0.576Mb/s)，輸出信號速率為150.912Mb/s;由1個AUG加上段開銷SOH，輸出信號速率為155.520Mb/s,即為STM-1。11/19/202290舉例：由PDH的4次群信號到SDH的STM-1的復接過程11

5.SDH的應用SDH可用于點對點傳輸、鏈形網和環形網。如圖SDH環形網的一個突出優點是具有“自愈”能力。當某節點發生故障或光纜中斷時，仍能維持一定的通信能力。網形SDH網絡的主要特點是：端到端之間存在一條以上的路徑，可同時構成一條以上的傳輸通道，通過DXC的靈活配置，使網絡具有更好的抗毀性和更高的可靠性。11/19/2022915.SDH的應用11/11/202291圖SDH用于點對點傳輸SDHTMSDHTM…支路信號…支路信號STM-N再生中繼器11/19/202292圖SDH用于點對點傳輸SDHTMSDHTM…

圖SDH鏈形網SDHTMSDHTM…支路信號…支路信號SDHADMSTM-n(n＜N)STM-NSTM-NSTM-n11/19/202293圖SDH鏈形網SDHTMSDH

圖SDH環形網(雙環)

SDHADMSDHADMSDHADMSDHADM…支路信號…支路信號…支路信號11/19/202294圖SDH環形網(雙環)SDHADM第4章

數字光纖通信系統

4.1數字光纖通信系統概述4.2光纖和光器件4.3光端機4.4數字光纖系統的兩種傳輸體制11/19/202295第4章數字光纖通信系統4.14.1數字光纖通信系統概述

一、光纖通信發展史和現狀1、探索時期的光通信:

中國古代用“烽火臺”報警，歐洲人用旗語傳送信息，這些都可以看作是原始形式的光通信。

1880年，美國人貝爾(Bell)發明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。光電話證明了用光波作為載波傳送信息的可行性。貝爾光電話是現代光通信的雛型。11/19/2022964.1數字光纖通信系統概述一、光纖

1960年，美國人梅曼(Maiman)發明了第一臺紅寶石激光器，給光通信帶來了新的希望。激光具有波譜寬度窄，方向性極好，亮度極高，以及頻率和相位較一致的良好特性。繼紅寶石激光器之后，氦—氖(He-Ne)激光器、二氧化碳(CO2)激光器先后出現，并投入實際應用。激光器的發明和應用，使光通信進入一個嶄新的階段。11/19/2022971960年，美國人梅曼(Maiman)發明了2、現代光纖通信

1966年，英籍華裔學者高錕指出了利用光纖(OpticalFiber)進行信息傳輸的可能性和技術途徑，奠定了現代光通信——光纖通信的基礎。

1970年，光纖研制取得了重大突破。美國康寧(Corning)公司就研制成功損耗20dB/km的石英光纖。

1973年，美國貝爾(Bell)實驗室取得了更大成績，光纖損耗降低到2.5dB/km。1976年，日本電報電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2μm)。11/19/2022982、現代光纖通信11/11/202243、光纖通信的發展可以粗略地分為三個階段：

第一階段(1966-1976年)，這是從基礎研究到商業應用的開發時期。實現了短波長(0.85μm)低速率(45或34Mb/s)多模光纖通信系統。第二階段(1976-1986年)，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標和大力推廣應用的大發展時期。光纖從多模發展到單模，工作波長從短波長(0.85μm)發展到長波長(1.31μm和1.55μm)。

第三階段(1986-1996年)，這是以超大容量超長距離為目標、全面深入開展新技術研究的時期。在這個時期，實現了1.55μm色散移位單模光纖通信系統。實驗室可以達到更高水平。11/19/2022993、光纖通信的發展可以粗略地分為三個階段：11/11/20二、光纖通信的優點和應用

在光纖通信系統中，作為載波的光波頻率比電波頻率高得多，作為傳輸介質的光纖又比同軸電纜或波導管的損耗低得多，因此相對于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨特的優點。

1.容許頻帶很寬，傳輸容量很大單波長光纖通信系統的傳輸速率一般為2.5Gb/s和10Gb/s。波分復用(WDM)和光時分復用(TDM)更是極大地增加了傳輸容量，見下表。11/19/2022100二、光纖通信的優點和應用11/11/20226通信手段傳輸容量(話路)/條中繼距離/km1000km內中繼器個數微波無線電9605020小同軸9604250中同軸180061600光纜19203033光纜14000(1Gb/s)8411光纜6000(445MB/S)1347表光纖通信與電纜或微波通信傳輸能力的比較

11/19/2022101通信手段傳輸容量(話路)/條中繼距離/km1000k

2.損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小

石英光纖在1.31μm和1.55μm波長，傳輸損耗分別為0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。因此，用光纖比用同軸電纜或波導管的中繼距離長得多，見表。傳輸容量大、傳輸誤碼率低、中繼距離長的優點，使光纖通信系統不僅適合于長途干線網而且適合于接入網的使用，這也是降低每公里話路的系統造價的主要原因。11/19/20221022.損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小11/1

3.重量輕、體積小光纖重量很輕，直徑很小。即使做成光纜，在芯數相同的條件下，其重量還是比電纜輕得多，體積也小得多。表給光纜和標準同軸電纜的重量和截面積的比較。

項目8芯18芯光纜電纜光纜電纜重量/(kg·m-1)重量比0.4216.3150.4211126直徑/mm截面積比211475211659.6表光纜和電纜的重量和截面積比較

11/19/2022103

3.重量輕、體積小項目8

4.抗電磁干擾性能好光纖由電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不受各種電磁場的干擾和閃電雷擊的損壞。

5.泄漏小，保密性能好在光纖中傳輸的光泄漏非常微弱，即使在彎曲地段也無法竊聽。因此信息在光纖中傳輸非常安全。

6.節約金屬材料，有利于資源合理使用。

11/19/20221044.抗電磁干擾性能好11/11/202210

總之，光纖通信不僅在技術上具有很大的優越性，由圖可見，隨著傳輸容量的增加，由于采用了新的傳輸媒質，使得相對造價直線下降。圖各種通信系統相對造價與傳輸容量的比較

11/19/2022105總之，光纖通信不僅在技術上具光纖可以傳輸數字信號，也可以傳輸模擬信號。光纖通信的各種應用可概括如下：①通信網，包括全球通信網、各國的公共電信網、各種專用通信網、特殊通信手段。②構成因特網的計算機局域網和廣域網，如光纖以太網、路由器之間的光纖高速傳輸鏈路。③有線電視網的干線和分配網；工業電視系統，如工廠、銀行、商場、交通和公安部的監控。④綜合業務光纖接入網，分為有源接入網和無源接入網，可實現電話、數據、視頻(會議電視、可視電話等)及多媒體業務綜合接入核心網，提供各種各樣的社區服務。11/19/2022106光纖可以傳輸數字信號，也可以傳輸模擬信號。光纖三、光纖通信系統的基本組成

1、發射和接收下圖示出單向傳輸的光纖通信系統，包括發射、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統。

圖光纖通信系統的基本組成光纖通信系統組成演示11/19/2022107三、光纖通信系統的基本組成圖光纖通信系統的基本組成光信息源：把用戶信息轉換為原始電信號，這種信號稱為基帶信號。電發射機：把基帶信號轉換為適合信道傳輸的信號，這個轉換如果需要調制，則其輸出信號稱為已調信號。光發射機：輸入到光發射機帶有信息的電信號，通過調制轉換為光信號。光接收機：光載波經過光纖線路傳輸到接收端，再由光接收機把光信號轉換為電信號。

電接收機：功能和電發射機的功能相反。11/19/2022108信息源：把用戶信息轉換為原始電信號，這種信號稱為基帶信號。12、基本光纖傳輸系統

基本光纖傳輸系統作為獨立的“光信道”單元。有線通信系統或無線通信系統的發射與接收之間加入光發射機、光纖線路和光接收機，再配置適當的光器件，可以組成傳輸能力更強、功能更完善的光纖通信系統。下面簡要介紹基本光纖傳輸系統的三個組成部分。11/19/20221092、基本光纖傳輸系統11/11/202215光發射機：

光發射機的功能：把輸入電信號轉換為光信號，并用耦合技術把光信號最大限度地注入光纖線路。

光發射機組成：由光源、驅動器和調制器組成。

光源是光發射機的核心。光發射機的性能基本上取決于光源的特性。

光源種類：半導體發光二極管(LED)、半導體激光二極管(或稱激光器)(LD)，單縱模分布反饋(DFB)激光器。11/19/2022110光發射機：11/11/202216光纖線路：

光纖線路功能：是把來自光發射機的光信號，以盡可能小的失真和衰減傳輸到光接收機。

光纖線路組成：由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。

光纖基本要求：損耗和色散這兩個傳輸特性參數都盡可能地小，有足夠好的機械特性和環境特性。

石英光纖分類：多模光纖和單模光纖。單模光纖的傳輸特性比多模光纖好，價格比多模光纖便宜，因而得到更廣泛的應用。單模光纖適合大容量長距離光纖傳輸系統，小容量短距離系統用多模光纖配合半導體發光二極管更加合適。11/19/2022111光纖線路：11/11/202217光接收機：

光接收機的功能：是把從光纖線路輸出、產生畸變和衰減的微弱光信號轉換為電信號，并經放大和處理后恢復成發射前的電信號。

光接收機組成：由光檢測器、放大器和相關電路組成光檢測器是光接收機的核心。對光檢測器的要求是響應度高、噪聲低和響應速度快。

光檢測器種類：光電二極管(PIN-PD)、雪崩光電二極管(APD)。光發射機與光接收機組成演示

11/19/2022112光接收機：光發射機與光接收機組成演示11/11/2022光接收機最重要的特性參數是靈敏度。靈敏度是衡量光接收機質量的綜合指標，它反映接收機調整到最佳狀態時，接收微弱光信號的能力。

靈敏度主要取決于組成光接收機的光電二極管和放大器的噪聲，并受傳輸速率、光發射機的參數和光纖線路的色散的影響，還與系統要求的誤碼率或信噪比有密切關系。所以靈敏度也是反映光纖通信系統質量的重要指標。11/19/2022113光接收機最重要的特性參數是靈敏度。11/11/2022194.2光纖和光器件

一、光纖1、光纖

光纖就是導光的玻璃纖維的簡稱,是石英玻璃絲,它的直徑只有0.1mm，它和原來傳送電話的明線、電纜一樣，是一種新型的信息傳輸介質，但它比以上兩種方式傳送的信息量要高出成千上萬倍，可達到上百千兆比特/秒,而且衰耗極低。11/19/20221144.2光纖和光器件一、光纖11/11/2022

2.光纖的導光原理

光纖為什么能夠導光，能傳送大量信息呢?

這里我們用簡單的比喻，從物理概念上來說明，以加深對光纖傳輸信息的理解。

光纖是利用光的全反射特性來導光的。在物理中學習過光從一種介質向另一種介質傳播，由于它們在不同介質中傳輸速率不一樣，因此，當通過兩個不同的介質交界面就會發生折射。11/19/20221152.光纖的導光原理11/11/202221

若有兩種不同介質,其折射率分別為n0,n1，而且n1＞n0,設界面為XX′；折射率小的稱光疏媒質,折射率大的稱光密媒質；假定光線從光疏媒質射向光密媒質,其折射情況如圖所示。圖中，入射角為θ0為入射光線與法線YY′夾角,折射角為θ1為折射光線與YY′夾角；由圖可見，θ1＜θ0。圖光的折射示意圖11/19/2022116若有兩種不同介質,其折射率分別為n0,

若使光束從光密媒質射向光疏媒質時,則折射角大于入射角，如圖所示。如果不斷增大θ0可使折射角θ1達到90°,這時的θ1稱為臨界角。當光線從光密媒質射向光疏媒質,且入射角大于臨界角時,就會產生全反射現象。光纖就是利用這種全反射來傳輸光信號的。圖臨界角和光線的全反射

11/19/2022117若使光束從光密媒質射向光疏媒質時,則折射

以上了解了光的全反射原理之后，下面畫出光在階躍光纖中的傳播軌跡，即按“之”之形傳播及沿纖芯與包層的分界面掠過，如圖所示。

11/19/2022118以上了解了光的全反射原理之后，下面畫出光

在制造光纖時，使光纖芯的折射率高，在外面涂上一包屏層，可使折射率低；當選擇一定的角度θ0時，射入纖芯的光束將會全部返回纖芯中。光纖芯線結構如圖所示。

光纖的芯線由纖芯、包層、涂覆層、套塑四部分組成。

11/19/2022119在制造光纖時，使光纖芯的折射率高，在外面圖光纖芯線的剖面構造

11/19/2022120圖光纖芯線的剖面構造

11/11/202226

纖芯：纖芯位于光纖的中心部位（直徑d1約9～50微米），其成份是高純度的二氧化硅。

包層：包層位于纖芯的周圍（其直徑d2約125微米），其成份也是含有極少量摻雜劑的高純度二氧化硅。

涂敷層：光纖的最外層是由丙烯酸酯、硅橡膠和尼龍組成的涂敷層，其作用是增加光纖的機械強度與可彎曲性。11/19/2022121纖芯：纖芯位于光纖