第4章光纤通信系统介绍
光纤通信系统的组成与工作原理
光纤通信系统的组成与工作原理首先是光信号的产生。
光信号可以通过激光二极管（LD）或者半导体激光器产生。
激光二极管是一种能够产生高亮度和高单频的光源，它通过电流注入产生激励态电子与基态电子的受激辐射而发光。
半导体激光器则是一种基于电流注入的PN结的半导体器件，它可以产生高亮度、高单频和窄线宽的激光光源。
接下来是光信号的传输。
光信号通过光纤进行传输。
光纤是一种由高折射率的纤维材料制成的细长物体，其核心是由折射率较低的材料组成，外包覆着一个折射率较高的包层。
光信号通过光纤的传输是基于全内反射的原理。
当光信号由光纤的尾部入射到光纤的头部时，当入射角小于临界角时，光信号会发生全内反射，沿着光纤一直传输到目的地。
最后是光信号的接收。
光信号到达目的地后，需要被光电器件转换成电信号。
光电器件通常使用光电二极管（PD）或者光电探测器来完成这一过程。
当光信号到达光电器件时，光能转化为电能，产生电流。
接收到的电流经放大和滤波处理后，就可以得到我们需要的信号。
光源是光信号的发射源，如激光二极管、半导体激光器等。
光源需要具备稳定的光功率、窄的光谱线宽和较小的时延，以保证光信号的传输质量。
光纤是光信号的传输介质，它是一种波导结构，能够将光信号进行高效的传输。
光纤需要具备低损耗、高带宽和低色散等特点，以提高光信号的传输质量。
光电器件是光信号的接收器件，如光电二极管、光电探测器等。
光电器件能够将光信号转换为电信号，并经过电子电路的处理从而得到所需的信息。
除了以上的主要组成部分，光纤通信系统还包括光纤连接器、光纤调制器、光纤分光器等其他辅助设备，以提供更加稳定和高效的光信号传输。
总之，光纤通信系统是一种利用光纤进行光信号传输的通信系统。
它的工作原理基于光的全内反射原理，通过光源产生光信号，光纤进行光信号的传输，并通过光电器件将光信号转换为电信号。
光纤通信系统的组成包括光源、光纤和光电器件等主要部分，还包括其他辅助设备。
光纤通信系统的应用广泛，使用光纤传输可以实现高速、大容量和低延时的信息传输。
光纤通信系统PPT课件
48 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
❖按传输波长分类 (1)短波长光纤
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现代通信系统 第4章 光纤通信系统
(3)三角形光纤 纤芯折射
率分布曲线为 三角形。
38 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
光纤折射率分布曲线 39 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
❖按传导模的数目分类： 传导模指能够在光纤中远距离传输的传
播模式。 (1)多模光纤
当纤芯的几何尺寸（直径一般为50μm） 远大于光波波长(如1.55μm)时，光纤剖面折 射率分布为渐变型，外径125μm。光纤传输 的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模 式，称为多模光纤。
40 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
(2)单模光纤 当纤芯的几何尺寸较小（一般为
8μm～10μm），与光波长在同一数量级， 这时，光纤只允许一种模式（基模）在 其中传播，其余的高次模全部截止，这 样的光纤称为单模光纤。
单模光纤的折射率分布多呈阶跃性。
41 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒 质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础 设施的支柱。
7 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
光纤通信系统是以光导纤维和激光 技术、光电集成技术为基础发展起来的 通信系统，它具有频带宽、重量轻、体 积小、节省能源，主要用于大容量国际、 国内长途通信干线，也用于短局间中继。 我国今后不再敷设新的长途电缆线路， 而全部采用光缆。
实用的光纤通信系统一般都是双向 的，每一端都有光发送机、光接收机和 电发送机、电接收机并且每一端的光发 送机和光接收机做在一起，称为光端机， 电发送机和电接收机组合起来称为电端 机。同样，中继器也有正反两个方向。
第4章数字光纤通信系统(1)
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3
3、光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：
第一阶段(1966-1976年)，这是从基础研究到商
业应用的开发时期。实现了短波长(0.85μm)低速率
(45或34Mb/s)多模光纤通信系统。
所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的 重要指标。
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4.2 光纤和光器件
一、光纤
1、光纤 光纤就是导光的玻璃纤维的简称, 是石英玻璃丝,
它的直径只有0.1 mm，它和原来传送电话的明线、 电缆一样，是一种新型的信息传输介质，但它比以 上两种方式传送的信息量要高出成千上万倍， 可达 到上百千兆比特/秒,而且衰耗极低。
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3. 重量轻、 光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在
芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体
积也小得多。表给光缆和标准同轴电缆的重量和截
面积的比较。
表 光缆和电缆的重量和截面积比较
项目
8芯
18 芯
光缆
电缆
光缆
电缆
重量/(kg·m-1) 0.42
6.3
0.42
重量比
1
15
1
4.1 数字光纤通信系统概述
一、光纤通信发展史和现状
1、探索时期的光通信: 中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传
送信息， 这些都可以看作是原始形式的光通信。
1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载 波传送话音的“光电话”。光电话证明了用光波作
为载波传送信息的可行性。贝尔光电话是现代光通
发射
光纤通信2011_第4章 ULH
光放大器类型光纤放大器掺稀土元素放大器非线性效应放大器特性。
泵浦和增益系数光放大器的能源是由外界泵浦提供的。
根据掺杂物能级结构的不同，泵浦可以分为三能级系统和四能级系统。
在两种系统中，掺杂物都是通过吸收泵浦光子而被激发到较高能态，再快速驰豫到能量较低的激发态，使储存的能量通过受激辐射被释放出来放大光信号。
两种泵浦原理示意图泵浦激光发射放大器增益随输出功率的变化放大器噪声所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（低，其降低程度通常用噪声指数式中的SNR 是由光接收机测得的，因此所得n F =铒的吸收和辐射特性EDFA 增益特性增益特性表示了放大器的放大能力，其定义为输出功率与输入功率之比。
EDFA的增益大小与多种因素有关，通常为15～EDFA 噪声特性EDFA的输出光中，除了有信号光外，还有自发辐射光，它们一起被放大，形成了影响信号光的噪声源，的噪声主要有以下四种：①信号光的散粒噪声；②被放大的自发辐射光的散粒噪声；③自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；④自发辐射光谱间的差拍噪声。
以上四种噪声中，后两种影响最大，尤其是第三种噪EDFA基本结构EDFA的内部按泵浦方式分，有三种基本的结构：即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。
同向泵浦信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构，也称为前向泵浦。
反向泵浦泵浦光WDM系统中的增益带宽增益平坦增益特性优化噪声系数和饱和输出功率EDFA对光纤传输系统的影响非线性问题光浪涌问题色散问题光纤线路的长期可靠性问题受激拉曼散射原理FRA工作原理在许多非线性介质中，受激拉曼散射将一小部分入射功率由一光束转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为受激拉曼效应。
量子力学描述为入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁，入射光作为泵29混合拉曼/掺铒光纤放大器拉曼放大器和掺铒光纤放大器各有其独特的特点，将FRA 和EDFA 结合起来构成混合拉曼大器（HFA ），也是提高拉曼放大器性能的一种重要方法。
光纤通信系统
形成光缆
5
中继器
中继器
由于光纤的传输损耗和散射 效应，光信号在传输过程中 会逐渐衰减，因此需要使用 中继器来放大和整形光信号，
以实现长距离传输
中继器通常由掺铒光纤放大 器(EDFA)和光-电-光转换器
组成
掺铒光纤放大器可以对光信 号进行放大，提高光信号的 能量
光纤通信系统主要由光发信机、 光收信机、光缆、中继器等组
成
2
光发信机
光发信机
光发信机是实现电信 号转换为光信号的设 备，主要由光源、驱 动电路和调制电路组
成
光源是发信机的核 心器件，目前常用 的光源有半导体激 光器和发光二极管
驱动电路的作用是 为光源提供足够的 电流，使其发出稳
定的光信号
调制电路的作用是 将电信号加载到光 信号上，实现电信
的可靠性和效率
5
绿色光纤：在光纤的制造和使用过程中，需要注重环保和 节能，推动光纤通信系统的绿色发展
光纤通信系统的关键技术和发展趋势
总的来说，光纤通信系统将继续向着高速、大容量、智 能化、环保等方向发展
未来，随着技术的不断进步和应用需求的不断增加，光 纤通信系统将会得到更加广泛的应用和推广，为人们提
光纤通信系统
-
1 概述 2 光发信机 3 光收信机 4 光缆 5 中继器 6 光纤通信系统的优点和缺点 7 光纤通信系统的应用和发展趋势 8 光纤通信系统的前景展望 9 光纤通信系统的关键技术和发展趋势
1
概述
概述
光纤通信系统是一种利用光波 在光纤中传输信息的通信方式
由于光纤具有传输容量大、抗 干扰能力强、传输距离长等优 点，光纤通信系统已成为现代 通信网的主要传输方式之一
光纤通信第五版_第四章讲义（ＰＤＦ）
4.1 电介质平板波导 4.2 对称平板波导中的模式 4.3 非对称平板波导中的模式 4.4 波导的耦合4.5 平板波导的色散和失真4.6 集成光器件 4.7 总结和讨论第4章 集成光波导4.5 平板波导的色散和失真除了材料色散导致的脉冲展宽以外，在波导中还有另外两种情况导致的脉冲展宽现象：波导色散和多模失真。
2▪波导膜厚度d 固定，对于线宽为Δλ=λ2-λ1光源，等效折射n eff率随波长变化，因此其波导中的速度也发生变化，最终导致脉冲展宽，该种现象称为波导色散。
4.5.1 波导色散 32λd λd ▪波导色散与材料色散同时存在▪波导色散与材料色散拥有同样的公式形式4波导色散： ()()24.4 /''λλλτ∆-=∆-=∆g eff M n cL ()()14.3 /''λλλτ∆-=∆-=∆M n cL 材料色散： 4.5.1 波导色散54.5.1 波导色散 ▪集合了材料色散和波导色散的总脉冲展宽可以写成：()()λτ∆+-=∆g M M L /▪因为材料色散M 有可能为负值(例如在石英玻璃中，当工作波长超过1300nm 时)，由色散引起的总脉冲展宽实际上有可能会因为波导色散的存在反而减小。
再次说明了为什么远距离高速传输时光源波长都比较大。
模式不同则传输路径不同，考虑一下这种现象的最糟情况， 即最低阶模式以90°角传播，最高阶模式以临界角传播。
设L 为波导长度。
注意，两个模式具有相同的波长。
4.5.2 多模失真n 1n 2 n 1 > n 2 最低阶模 L 2n 2θc高阶模L 1轴向模式传输时间：22112sin L L n L n θ==c (4.25)cLn v L t 1==轴向传输对于临界角传输：21sin L L θ=c 4.5.2 多模失真 所以临界角传输的总传输路径为c n Ln c n n Ln v n Ln 22112121t =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=临界角传输(4.26)临界角传输的总时间为：⎪⎪⎭⎫⎝⎛21n n L 4.5.2 多模失真总延时为：2211)(cn n n n L -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆τ这就是同一波长的光波在波导中以不同模式传输时单位长度上的模式脉冲展宽时间。
光纤通信系统
光纤通信系统光纤是光导纤维的简称,光纤通信系统是一光波为载波,以光纤为传输介质的一种通信方式.目前使用的二氧化硅光纤,在光波波长λ=1550nm时,其损耗在0.2db/km以下,由于损耗底,因此中继距离可达到50km以上,而传输同样数率的同电缆,其中继距离只能达到约1.5km左右.一、光纤通信具有以下的特点:1、不受电磁干扰。
2、光纤线径细，重量轻，便于施工和运输。
3、资源丰富，成本底。
4、损耗底、中继距离长。
5、因为光纤完全可以由非金属的介质材料制成，因此它既不受电磁干扰，也无串音干扰，并且保密性强。
二、光纤的分类光纤的分类方法大致有四种，既按套塑类型、光纤传播模式、工作波长和光折射率分布分类。
1、按光纤的构成材料不同来分：以二氧化硅为主要成分的石英光纤多种成分构成的光纤液体纤芯光纤以塑料为主要成分的塑料光纤2、按光纤折射率分布不同来分：均匀光纤（阶跃光纤SI）不均匀光纤W型光纤3、按传输总模数不同来分：多模光纤单模光纤4、按光纤工作波长不同来分：短波长光纤长波长光纤5、按照传输总模数分类所谓模式是光纤纤芯中电磁场的一种分布形式。
根据光纤所能传输总模式数量，可将光纤分成多模光纤和单模光纤。
1）单模光纤当光纤中只有一种电磁场分布形式或只能传输一种模式时，称此光纤为单模光纤。
单模的纤芯直径很小。
由于单模光纤只能传输主模，故无模式色散，使得这种光纤的传输频带很宽，传输能量很大，适用于大容量、长距离的光纤通信。
目前，在国内外各级通信网中，使用最多的就是单模光纤。
2）多模光纤（MM）在一定的工作波长下，当有多个多模光纤在光纤中传输时，称这种光纤为多模光纤。
多模光纤在光纤通信的初期用的较多，目前使用的场合就较少了。
三、光纤的传输特性光纤的传输特性主要包括传输损耗和色散.1、传输损耗在光纤内传输的光，由于光纤的散射、吸收和辐射等原因而受到衰减,光功率随着距离的增加按指数规律减小，这就是光纤的损耗。
光纤的每单位长度上的传输损耗直接关系到光纤通信系统传输距离的长短。
第4章光纤通信系统
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5. 光接收端机
将光纤传输过来的微弱光信号，经光检测器转变为电 信号，然后再经放大电路放大到足够的电平，送到电接收 端机去。
前置放大 光信号 光检测器 均衡器 判决器 主放大 再生 码流
AGC电路
电信号
时钟提取
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6.电接收端机
电接收端机接收判决器输出的再生码元数据流，并还 原为信宿可接收的形式。
光纤是多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯、包层、 涂覆层，称为裸纤。包层外面涂覆一层硅酮树脂或聚氨 基甲酸乙酯（30~150μm），然后增加保护套加以保护。 纤芯和包层是高纯度石英材料，包层折射率略低于 纤芯，与纤芯一起形成光的全反射通道，使光波的传输 局限于纤芯内。
8
1. 光纤的结构
包层 125μm 纤芯 5~10μm 包层 125μm 纤芯 50~70μm
空气n0 θ折1 θ折2 θ入 θ反 包层n2 纤芯n1
光 锥
θ θ
θ1
纤芯n1 包层n2
14
4.2.3 光纤的传输特性
光纤的传输特性描述的是光纤的传输损耗、色散和非 线性效应。
15
1. 传输损耗
光纤传输损耗表现为随着传输距离的增加光功率逐渐 下降，主要原因是吸收和散射造成，再加光纤结构不完善 导致。 Po 10 光纤损耗系数 ( ) log( ) dB/km L Pi 式中λ是光波波长，L是光纤长度（km），Po与Pi分 别是光纤输出和输入端的光功率.
5
光纤通信系统的应用
光纤接入网
公用电信网： 核心网、城域网
Data/ video sources or Access network
Base station
Antenna
Central station
光纤通信第4章
I1
I0 t＝ 0 t＝T
电 流 脉冲
光脉冲
图 4.11 结发热效应
2. 自动温度控制
温度控制的必要性:半导体光源的输出特性受温度影响很大， 特别是长波长半导体激光器对温度更加敏感。为保证输出特性 的稳定，对激光器进行温度控制是十分必要的.
缺点： 动态范围小，功耗较大。
LD
Ib
V1
V2
Uin
Io
电流 源
－UE
图 4.7 射极耦合LD驱动电路图
改进后的LD驱动电路：
改进原因：由于温度变化和工作时间加长，LD的输出光功率 会发生变化。为保证输出光功率的稳定， 必须改进电路设计。
工作原理：
PLD→UPD→(UPD+U in+UR)→UA1→Ib→PLD
PD
LD
－＋A1
Uin
V1
V2
信号参考
－A ＋
2
－U 直流参考
图 4.9 APC电路原理
Ib
－＋A3
V3
－U
4.1.4温度特性和自动温度控制
1. 激光器的温度特性 回顾：激光器的温度特性： 1，激光器输出光功率随温度而变化有两个原因： （1）激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大。 （2）外微分量子效率ηd随温度升高而减小。 直接导致后果：输出光脉冲幅度下降。
＋U
LD Ib
PD 检测 器
输出 监测
Uin
V1
UB1 V3
V2
UA1
A1
－ ＋
通工专业-光纤通信技术-第四章-光探测器与光接收机
光纤通信系统对光探测器的要求
（1）灵敏度高：灵敏度高表示探测器把 光功率转变为电流的效率高。在实际的光接 收机中，光纤传来的信号极其微弱，有时只 有1nw左右。为了得到较大的信号电流，人 们希望灵敏度尽可能的高。
（2）响应速度快：指射入光信号后，马上就有 电信号输出；光信号一停，电信号也停止输出， 不要延迟。这样才能重现入射信号。实际上电信 号完全不延迟是不可能的，但是应该限制在一个 范围之内。随着光纤通信系统的传输速率的不断 提高，超高速的传输对光电检测器的响应速度的 要求越来越高，对其制造技术提出了更高的要求。
RC 2.2RT CT （4.6）
式中，CT为电路的总电容，RT为电路的总电阻。
考虑上述三个因素的影响，总的上升时间为
(
2 RC
2 d
2 i
)1/ 2
PIN-PD特性参数(3)噪声
•噪声
噪声直接影响光接收机的灵敏度。
散粒噪声（信号电流和暗电流产生）
暗电流是器件在反偏压0.9UB条件下，没有入射光时 产生的反向电流，与光电二极管的材料和结构有关
I层较厚，几乎占据了整个耗 尽区。绝大部分的入射光在I层 内被吸收并产生大量的电子-空 穴对。在I层两侧是掺杂浓度很 高的P型和N型半导体，P层和 N层很薄，吸收入射光的比例 很小。因而光产生电流中漂移 分量占了主导地位，这就大大 加快了响应速度。另外，可通 过控制耗尽层的宽度w，来改 变器件的响应速度。
4.1 光探测器
4.1.1光电检测原理——PN结的光电效应
光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能， 是由半导 体PN结的光电效应实现的。
当光照射到光电二极管的光敏面 上时，能量大于或等于带隙能量 Eg的光子将激励价带上的电子吸 收光子的能量而跃迁到导带上 （受激吸收），可以产生自由电 子-空穴对（称为光生载流子）。 在耗尽层，由于内部电场的作用， 电子向N区运动，空穴向P区运动， 形成漂移电流。
光纤通信系统的组成及各部分功能
光纤通信系统的组成及各部分功能1. 光源（Light source）：光源是将电能转化为光能的装置，其主要功能是产生具有特定频率和波长的光信号。
常用的光源有雷射器、电晕放电光源、发光二极管等。
不同光源产生的光信号有不同的功率和光频谱特性。
2. 光纤（Optical fiber）：光纤是将光信号进行传输的介质，它由一根细长的光学纤维组成，具有高折射率和低传输损耗的特点。
光纤主要有芯、包层和包覆层组成，其主要功能是将光信号通过全内反射的方式进行传输。
3. 光纤连接器（Optical fiber connector）：光纤连接器是用于连接光纤的装置，它将光纤的末端与光接收器或光源进行连接，以保证光信号的传输质量和稳定性。
光纤连接器一般包括光纤连接头和接插件两部分。
4. 光纤传输系统（Optical fiber transmission system）：光纤传输系统是指将光信号在光纤中进行传输的装置和设备，它包括光纤放大器、光纤衰减器、光纤耦合器、光纤收发器、光纤开关等。
光纤传输系统的主要功能是对光信号进行放大、传输、分光和选择等处理。
5. 光接收器（Optical receiver）：光接收器是将光信号转化为电信号的装置，其主要功能是将光信号转换为电流信号，并经过放大、滤波等处理，以恢复原始信号。
光接收器一般由光电转换器、放大器、滤波器和接收电路等组成。
6. 光纤终端设备（Optical fiber terminal equipment）：光纤终端设备是指使用光纤进行通信的终端设备，包括光纤通信交换机、光纤调制解调器、光纤路由器、光纤终端机等。
光纤终端设备的主要功能是进行信号调制、解调、编码、解码和路由等操作，以实现数据的传输和交换。
除了以上主要组成部分外，光纤通信系统还包括光纤分配系统、光纤保护系统和光纤安全系统等。
光纤分配系统用于将光信号分配到不同的用户或设备上；光纤保护系统用于提供光路备份和故障切换功能，以确保通信的可靠性；光纤安全系统用于加密和保护传输的数据，以防止数据泄露和攻击。
光纤通信系统原理
光纤通信系统原理光纤传输的基本原理是利用光的全反射现象。
光纤主要由两部分组成：芯线和包层。
芯线是光信号传输的区域，由高折射率的材料构成；包层是芯线的外部，由低折射率的材料构成。
光信号从一个端口输入到芯线中，通过多次发生全反射，一直传输到另一个端口。
1.光的发射：光信号通过光源（通常是激光器或发光二极管）产生。
激光器在光纤通信系统中应用较广，它可以产生稳定、高纯度的光信号。
2.光的调制：光信号需要携带信息，因此需要对光信号进行调制。
调制可以通过改变光源的电流或光的相位来实现。
常见的调制方式有电压调制、频率调制和相位调制。
3.光的传输：光信号被传输到光纤中，光线在光纤内部不断发生全反射，保持在芯线中传输。
光纤的内部结构可以有效地抑制光信号的衰减和色散现象，保证信号的传输质量。
信号的传输距离可以达到数十公里甚至更远。
4.光的检测：光信号到达目的地后，需要进行解调，将光信号转化为电信号。
光探测器（通常是光电二极管或光电二极管阵列）可以将光信号转化为电压信号。
5.信号处理：电信号需要经过一系列信号处理步骤，如放大、滤波、调整等。
信号处理的目的是提高信号的质量和准确性。
光纤通信系统的优势在于其传输速度、容量和稳定性。
光信号的传输速度可以达到光的传播速度，即30万公里/秒，远远高于电信号的速度。
此外，光纤通信系统的传输容量也非常大，一根光纤可以同时传输多个频道的光信号，每个频道的速率可以达到几百兆比特甚至几个十几个兆比特。
此外，光纤传输的信号稳定性也非常高，不容易受到外界的电磁干扰。
总之，光纤通信系统利用光信号传输数据，充分发挥了光的高速传输特性，具有传输速度快、容量大和稳定性高的优势。
随着技术的不断发展，光纤通信系统在各个领域的应用也越来越广泛。
光纤通信介绍
缺点：成本较高需要高精度设备
添加标题
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优点：传输距离远、损耗低、抗干 扰能力强
应用场景：适用于长距离、高速、 大容量的数据传输
多模光纤通信
定义：多模光纤通信是指利用多条传播路径传输信号的光纤通信方式。
特点：多模光纤通信具有传输容量大、传输距离长、传输质量稳定等优点。
应用场景：多模光纤通信广泛应用于高速通信网络、数据中心、云计算等领域。 发展趋势：随着技术的发展多模光纤通信将不断优化提高传输速率和稳定性满足不断增长的通 信需求。
未来发展：随着光子集成和光电子集成技术的不断进步光纤通信系统的性能将得到进一步提升应 用领域也将不断扩大
新型光纤材料和器件
光纤材料：硅基材 料、塑料聚合物等
光纤器件：光放大 器、光调制器、光 滤波器等
新型光纤材料和器 件的应用场景：数 据中心、云计算、 物联网等
未来发展趋势：小 型化、集成化、智 能化
光纤波导理论
光纤通信的基本原 理
光纤的结构和材料
光的全反射现象
光纤波导的传输特 性
光纤的传输特性
光纤传输速率高 可实现高速数据 传输。
光纤传输损耗低 传输距离远。
光纤传输不受电 磁干扰具有很高 的抗干扰能力。
光纤传输保密性 好不易被窃听。
光纤通信的应用
电信通信网络
光纤通信在电信通信网络中发挥着 重要作用提供高速、大容量的数据 传输。
THNK YOU
汇报人：
电视广播：光纤通信 可以传输大量的视频 和音频信号广泛应用 于电视广播信号传输。
远程医疗：光纤通信 可以提供高速、高质 量的数据传输支持远 程医疗的发展。
物联网：光纤通信可 以满足物联网设备之 间的通信需求促进物 联网的发展和应用。
光纤通信系统的基本概念
光纤通信系统的基本概念光纤通信系统是一种利用光纤作为传输介质的通信网络。
光纤通信系统具有传输距离远、带宽大、抗干扰能力强等优点，因此在现代通信中得到广泛应用。
本文将介绍，包括光纤的结构和工作原理、信号传输过程、光纤通信系统的组成部分以及其在大数据传输、互联网、通信等领域中的应用。
一、光纤结构和工作原理光纤是一种由高纯度的玻璃或塑料制成的细长柔软的材料。
光纤由纤芯和包层组成，其中纤芯是光信号传输的区域，包层是保护和引导光信号的区域。
光源产生的光信号通过光纤传输，利用光的全内反射特性，在光纤中沿纤芯传输。
光纤采用全内反射的原理传输光信号。
当光信号由高折射率介质进入低折射率包层时，会发生全内反射。
这使得光信号能够在光纤中沿一定角度传输，并且基本不损失信号的强度和质量。
光纤的包层还能够防止光信号的外部干扰。
二、信号传输过程光纤通信系统中，光信号通过调制的方式进行传输。
首先，光源将电信号转换为光信号，例如采用激光器产生的窄谱光信号。
接着，将光信号输入光纤，通过光纤的全内反射传输。
在光纤的整个传输过程中，光信号不断发生衰减，但在一定距离内，衰减并不显著。
在光纤传输的过程中，由于光信号频率较高，会发生色散现象和衰减现象。
色散现象会导致光信号的频率和相位发生变化，从而影响信号质量。
而衰减现象会使光信号的强度逐渐降低。
因此，在长距离的光纤传输中，需要采用一些调制和放大技术来补偿这些影响。
三、光纤通信系统的组成部分光纤通信系统由光源、调制器、光纤、接收器和控制系统等组成。
光源是发光二极管或激光器等能够产生光信号的设备。
调制器用于将电信号转换为光信号，并控制光信号传输的强度、频率等参数。
光纤用于传输光信号。
接收器接收传输过来的光信号，并将其转换为电信号。
控制系统用于控制整个通信系统的运行和管理。
四、光纤通信系统的应用光纤通信系统在现代通信中得到广泛应用。
与传统的铜缆通信相比，光纤通信具有很多优势。
首先，光纤通信的传输距离更远，可以达到几十公里甚至上百公里。
光纤通信系统第四章PPT课件
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3
1、光电二极管（PD）
1） PD的工作原理
PIN能带图
光电效应 --受激吸收过程 • 当入射光子能量大于禁带 宽度时，价带上的电子可以 吸收光子而跃迁到导带上， 产生一个电子-空穴对。 • 电子-空穴对在电场的作用 下定向运动，形成光电流。 • 光电二极管工作在反向偏 压下。
.
耗尽区
h > Eg 或 hc / Eg
4
h > Eg
2） PD的工作特性
a) 波长响应范围
定义：
c
hc Eg
124 Eg(eV)
为光电二极管的上截止波长。
Si材料的PD：1.06 m
Ge 或InGaAs材料：1.6~1.7 m
当入射波长太短时，光电转换效率会 下降。
Si材料的PD：0.5~1.0 m
(G)
Ge[1
(1
k)
(Ge 1)2 Ge2
]
当F空h (穴G注)入高场G区h时[1，过剩1噪k声k系数(GhG2 h21)2 ]
k= h / e
APD的结构设计:
• 对k远小于1的APD, 应尽量使电子电流注入高场区; • 对k远大于1的APD, 应尽量使空穴电流注入高场区; • 避免使用k=1的材料制作APD。
ie (x)
0
0
x
exp{ . ( e h ) d x }
21
0
Ge
ie (W ) ie (0)
I ie (0)
W
1
x
1 e exp{ (e h )dx}dx0 Nhomakorabea0
雪崩击穿 Ge
W
x
eexp { (eh)dx}dx 1
光纤通信系统
光纤通信系统
光纤通信系统是一种基于光纤传输技术的通信系统，它利用光纤传输光信号进行通信。
光纤通信系统已经成为现代通信领域中最重要的技术之一，被广泛应用于电话、互联网、电视等各个领域。
本文将介绍光纤通信系统的基本原理、技术特点以及未来发展趋势。
光纤通信系统的基本原理
光纤通信系统主要由光源、光纤、光探测器等几个基本部分组成。
光源通过调制产生光信号，然后经过光纤传输到接收端，最终被光探测器接收并解调还原成原始信号。
光信号在光纤中传输时会受到衰减和色散等影响，需要经过光放大器和光衰减器进行补偿和控制，以确保信号的传输质量。
光纤通信系统的技术特点
光纤通信系统具有传输速度快、带宽大、抗干扰能力强、安全性高等一系列优点。
光纤的传输速度可以达到数十亿比特每秒，远远超过了传统的铜缆传输速度。
光纤的带宽也非常宽，可以同时传输多个信号，满足不同应用的需求。
此外，光信号在传输过程中不会受到电磁干扰，保障通信质量稳定。
光纤通信系统的未来发展趋势
随着信息通信技术的不断发展，光纤通信系统也在不断进化。
未来，光纤通信系统将更加智能化和自适应化，能够更好地适应不同环境下的传输需求。
同时，光纤通信系统将更加绿色环保，采用更加节能的光源和光探测器，减少能源消耗。
未来，光纤通信系统将更加普及，为人们的生活和工作带来更多便利和创新。
综上所述，光纤通信系统是一种重要的通信技术，具有速度快、带宽大、抗干扰能力强、安全性高等优点。
未来，光纤通信系统将继续发展，为人们的生活和工作带来更多便利和创新。
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1．光发射机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ⑥ 调制(驱动) • 经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进 行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号码 流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。
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1．光发射机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ⑦ 自动功率控制 • 由于老化等因素的影响，使得光发射机的光源 在使用一段时间之后，出现输出光功率降低的 • 为了保持光源输出功率的稳定，在光发射机中 常使用自动功率控制(APC)电路。
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2．光接收机
• 图4-10 时钟恢复电路方框图
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2．光接收机
• 图4-11 时钟恢复电路波形图
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2．光接收机
• 图4-12 NRZ码的功率谱密度分布图
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2．光接收机
• 图4-13 RZ码功率谱密度分布图
31
2．光接收机
• 图4-14 一种非线性处理电路
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2．光接收机
• 图4-15 非线性处理电路中的波形图
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2．光接收机
• 图4-8 单个脉冲均衡前后波形的比较
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2．光接收机
⑤ 判决器和时钟恢复电路 • 判决器由判决电路和码形成电路构成。 • 判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲再生电 路。 • 脉冲再生电路的作用是将均衡器输出的信号恢 复成理想的数字信号
26
2．光接收机
• 图4-9 信号再生示意图
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（1）衰减对中继距离的影响
• 一个中继段上的传输衰减包括两部分，其一是 光纤本身的固有衰减，再者就是光纤的连接损 耗和微弯带来的附加损耗。 • 构成光纤损耗的原因很复杂，归结起来主要包 括两大类：吸收损耗和散射损耗。 • 引起光纤损耗的因素还有光纤弯曲和微弯产生 的损耗以及纤芯与包层中的损耗等等。
② • 由于这个放大器与光电检测器紧紧相连，故称前置放 • 对多数放大器的前级提出特别的要求是非常必要的， 它应具有低噪声、高增益的特性，这样才能得到较大 • 由于跨阻型前置放大器不仅具有宽频带、低噪声的优 点，而且其动态范围也比高阻型前置放大器改善很多， 因此在光纤通信中得到广泛的使用。
22
2．光接收机
13
1．光发射机
• 图4-3 激光器老化使输出光功率降低
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1．光发射机
• 图4-4 激光器温度变化引起输出功率的变化
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1．光发射机
• 图4-5 环境温度变化引起输出光功率的变化
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1．光发射机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ⑧ 自动温度控制 • 特性曲线对环境温度的变化反映很灵敏，使输
– HDB3（三阶高密度双极性码） – CMI（反转码）
• PCM系统中的这些码型并不都适于在数字光纤 通信系统中传输
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4.1.1 光纤通信中的线路码型
• 在PDH光纤通信系统中是通过重新编码，通常称为线 路编码，即在原有的码流中插入脉冲。 • 在PDH光纤通信系统中，常使用的线路编码有分组码、 伪双极性码(CMI和DMI)和插入码。 • 使用不同的 • 线路编码，光端机的输出信号速率不同。因此在PDH 系统中仅具有标准的电接口，而无标准的光接口。 • 但在SDH系统中，SDH信号速率与其线路速率是相同
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2．色散对中继距离的影响
• 光纤自身存在色散，即材料色散、波导色散和 模式色散。 • 对于单模光纤，因为仅存在一个传输模，故单 模光纤只包括材料色散和波导色散。 • 除此之外，还存在着与光纤色散有关的种种因 素，其中比较重要的有三类：码间干扰、模分 配噪声和啁啾声。
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（2）色散对中继距离的影响
色散受限系统 ① ② 光纤每公里带宽与L ③ 光纤带宽与半功率点宽度W ④ a 多纵模激光器（MLM）和发光二极管（LED b 单纵模激光器（SLM c
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4.3超长距离高速光纤通信系统
4.3.1传输通道特性 4.3.2高速光传输系统中的关键技术 4.3.3超长距离光纤通信系统中的光放大技术
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61
4.3超长距离高速光纤通信系统
4.3.1传输通道特性 色散 • 引起单模光纤的色散的机理不同，也可以分为色度色 散（CD）和偏振模色散（PMD）。 • 色度色散是指具有一定谱线宽度的光脉冲因介质材料 的折射系数以及芯覆层结构的频率相关性所导致的传 播时延差异。 • 偏振模色散是由于光纤制作工艺的非均匀轴对称结构 以及外部应力所引起的双折射系数。
码间干扰对中继距离的影响 • 系统的传输速率越高，光纤的色散系数越大， 光源谱宽越宽。
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2．色散对中继距离的影响
模分配噪声对中继距离的影响 ① 激光器的光谱特性 ②
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2．色散对中继距离的影响
• 图4-21 普通激光器的静态和动态谱线
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2．色散对中继距离的影响
• 图4-22高速调制时多纵模的随机起伏
• 在环境温度发生变化时，为了能使激光器的输 出特性保持稳定，在发射机盘上需安装自动温 度控制(ATC)电路。
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1．光发射机
• 图4-6 自动温度控制电路方框图
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2．光接收机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ⑨ 其他保护、监测电路 • LD保护电路 • 无光告警电路
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2．光接收机
4.3超长距离高速光纤通信系统
4.3.1传输通道特性 光信噪比 色散 光纤非线性
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4.3超长距离高速光纤通信系统
4.3.1传输通道特性 光信噪比 光信噪比（OSNR）是指光在链路传播过程中光 信号与光噪声的功率强度之比。通常只有接收光信号 的OSNR大于某阈值时，接收机才能有效地将承载信 息与噪声区分开来，保证通信质量。 色散
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2．光接收机
• 图4-17 自动增益控制工作原理方框图
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2．光接收机
⑦ • 在光发射机中首先进行码型变换。 • 在光发射机中对数字码流进行扰码处理。 • 还需将判决器输出的信号进行解扰码和码型变 换处理以恢复原码流。 • 发送端根据所输入信号的性质不同，将会采用 不同的复用方式以提高信道的利用率，因而接
Pmax Pmax Pmin D 10lg 3 10 lg 3 10lg 10 10 Pmin
• 它表示光接收机正常工作时，光信号应有一个范围， 这个范围就是光接收机的动态范围。
37
2．光接收机
⑥ • 光接收机的自动增益控制(AGC)就是用反馈环路来控 制主放大器的增益，在采用雪崩管的光接收机中还通 过控制雪崩管的高压来控制雪崩管的雪崩增益。
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2．色散对中继距离的影响
(3) 啁啾声对中继距离的影响 • 对于处于直接强度调制状态下的单纵模激光器，其载 流子密度的变化随注入电流的变化而变化。这样使有 源区的折射率指数发生变化，从而导致激光器谐振腔 的光通路长度相应变化，结果致使振荡波长随时间偏 移，这就是频率啁啾现象。 • 因为这种时间偏移是随机的，因而当受上述影响的光 脉冲经过光纤后，在光纤色散的作用下，可以使光脉 冲波形发生展宽，因此接收取样点所接收的信号中就 会存在随机成分，这就是一种噪声——啁啾声。
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2．光接收机
⑧ • 辅助电路包括箝位电路、温度补偿电路和告警 电路等。
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3．光纤通信系统
• 图4-18 IM-DD光纤通信系统原理框图
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3．光纤通信系统
(1) 光中继器 • 光脉冲信号从光发射机输出经光纤传输若干距 离以后，由于光纤损耗和色散的影响，将使光 脉冲信号的幅度受到衰减，波形出现失真，这 样就限制了光脉冲信号在光纤中做长距离的传 输。
• 图4-7 数字光纤通信接收光端机方框图
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2．光接收机
① • 光电检测器的作用是将由发送光端机经光纤传 过来的光信号转变为电信号，即具有光/电转换 功能。 • 目前广泛使用的光电检波管是PIN管和雪崩光电 二极管，前者称为半导体光电二极管后者又称 为APD管。后者具有信号放大的作用。
21
2．光接收机
2
4.1 光纤通信中的调制技术
• 图4-1 半导体光源的直接调制原理
3
4.1 光纤通信中的调制技术
• 图4-2 光数字发射机原理图
4
4.2 IM-DD光纤通信系统
4.1.1 传输线路码型 4.1.2 IM-DD光纤通信系统的结构
5
4.1.1 光纤通信中的线路码型
• 在数字光纤通信系统中所传输的信号是数字信 号，而由交换机送来的电信号符合ITU-T所规定 的脉冲编码调制(PCM)通信系统中的接口码速 率和码型 。
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2．光接收机
⑤ 判决器和时钟恢复电路 • 判决电路和码形成电路可由与非门电路和RS(复位—位置)触发器来构成。
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2．光接收机
• 图4-16 脉冲再生电路原理方框图
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2．光接收机
⑥ • 光接收机的动态范围D是在保证系统的误码率指标要 求下，光接收机的最低输入光功率(用dBm来描述)和 最大允许输入光功率(用dBm描述)之差，其单位为dB。
第4章
光纤通信系统
4.1 IM-DD光纤通信系统 4.2 衰减和色散队中继距离的影响 4.3 噪声及灵敏度分析
1
4.1 光纤通信中的调制技术
(1) 光源的调制特性 • 光源所采用的调制方式包括内调制和外调制 （也称为直接调制或间接调制）。 • 在IM-DD光纤通信系统中，采用的是内调制。 • 通常内调制适用于半导体光源。 • 据调制信号的性质不同，内调制又可分为模拟 信号的调制和数字信号的调制。
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3．最大中继距离的计算
• 中继距离是光纤通信系统设计的一项主要任务。 • 在中继距离的设计中应考虑衰减和色散这两个 限制因素。
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（3）最大中继距离的计算
衰减受限系统 • 在衰减受限系统中，中继距离越长，则光纤通 信系统的成本越低，获得的技术经济效益越高。 • 极限值设计法