《光纤通信课件》PPT课件
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光纤通信系统PPT课件
套塑光纤结构
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
37 .
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。
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
37 .
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。
光纤通信ppt课件
10
• 大规模并行机
– 处理器与处理器 – 处理器与内存 – 电互连？光互连？
11
• 神经网络计算机
– 脑神经网络：上万个突触与周边互连 – 密集度！
12
• 集成电路Leabharlann – 带宽 – 互连密度 – 时钟 – 能耗 – 抗干扰
13
• 1.2 光互连的物理依据
– 光学信息通道
• 不具有静质量：真空&介质 • 以介质中的光速传播，与接收信号的元件数无关 • GHz带宽，损耗小
光通信与光电技术
1
课程教学
• 方法
– 基础内容＋知识应用
• 方式
– 课堂讲授
• 考核
– 平时表现＋期末考试
2
课程简介
• 光通信
– 以光波为载体的通信方式
• 光电技术
– 光学、电子学、光电转换
• 光互连
– 用光技术实现两个以上通信单元的链接结构
• 光通信——光互连——光电技术 • 理论层次——应用层次——技术细节
15
• 光学并行性
– 电子之间通过电磁场相互作用 – 光波导可相互穿越（交叉角>10度） – 光互连不受平面或准平面的限制 – 光互连密度的限制
• 自由空间：可分辨的光点尺寸 • 波导：所要求的波导尺寸
16
• 光传输的多维多重复用性
– 波长 – 偏振 – 相位 – 频率
17
• 光互连的扇出数
– 扇出数：广播能力，即一点到多点的连接能力
6
空间光调制器
7
光纤旋转连接器
8
第一章 光通信基础知识
• 1.1 光互连网络概念及背景
– 光互连定义：以光的波粒二相性与物质相互作 用产生的各种现象实现数据和信号传输和交换 的理论和技术
• 大规模并行机
– 处理器与处理器 – 处理器与内存 – 电互连？光互连？
11
• 神经网络计算机
– 脑神经网络：上万个突触与周边互连 – 密集度！
12
• 集成电路Leabharlann – 带宽 – 互连密度 – 时钟 – 能耗 – 抗干扰
13
• 1.2 光互连的物理依据
– 光学信息通道
• 不具有静质量：真空&介质 • 以介质中的光速传播，与接收信号的元件数无关 • GHz带宽，损耗小
光通信与光电技术
1
课程教学
• 方法
– 基础内容＋知识应用
• 方式
– 课堂讲授
• 考核
– 平时表现＋期末考试
2
课程简介
• 光通信
– 以光波为载体的通信方式
• 光电技术
– 光学、电子学、光电转换
• 光互连
– 用光技术实现两个以上通信单元的链接结构
• 光通信——光互连——光电技术 • 理论层次——应用层次——技术细节
15
• 光学并行性
– 电子之间通过电磁场相互作用 – 光波导可相互穿越（交叉角>10度） – 光互连不受平面或准平面的限制 – 光互连密度的限制
• 自由空间：可分辨的光点尺寸 • 波导：所要求的波导尺寸
16
• 光传输的多维多重复用性
– 波长 – 偏振 – 相位 – 频率
17
• 光互连的扇出数
– 扇出数：广播能力，即一点到多点的连接能力
6
空间光调制器
7
光纤旋转连接器
8
第一章 光通信基础知识
• 1.1 光互连网络概念及背景
– 光互连定义：以光的波粒二相性与物质相互作 用产生的各种现象实现数据和信号传输和交换 的理论和技术
光纤通信基础知识ppt课件
应用场景
光检测器广泛应用于光纤通信、光传 感、激光雷达等领域，特别是在高速、 长距离的光纤通信系统中，光检测器 的作用尤为关键。
光放大器
光放大器是光纤通信系统中的关键器件之一，主要分 为掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼光纤放大器（RA）
两类。
输入 标题
作用
光放大器的作用是对光信号进行放大，补偿光纤传输 过程中的光信号损耗，提高光纤通信系统的传输距离 和稳定性。
光检测器
分类
光检测器是光纤通信系统中的另一重 要器件，主要分为光电二极管（PIN） 和雪崩光电二极管（APD）两类。
性能参数
光检测器的性能参数包括响应度、带 宽、噪声等，这些参数直接影响着光 纤通信系统的接收灵敏度和动态范围。
作用
光检测器的作用是将光信号转换为电 信号，从而实现光信号的接收和检测。
模拟光纤通信系统的应用
03
在音频广播、视频传输等领域得到广泛应用。
光纤通信系统设计
01
光纤通信系统设计的基本原则
确保系统的传输性能、稳定性、可靠性和经济性。
02
光纤通信系统设计的主要内容
包括光源、光检测器、光纤、中继器和放大器等器件的选择和配置。
03
光纤通信系统设计的优化
通过采用先进的调制技术、编码技术等手段，提高系统的传输性能和容
性能参数
光源的性能参数包括波长、光谱宽度、输出功率、阈值电 流等，这些参数对光纤通信系统的性能和稳定性有着重要 影响。
作用
光源的作用是将电能转换为光能，为光纤通信系统提供光 信号。
应用场景
光源广泛应用于光纤通信、光传感、光谱分析等领域，特 别是在长距离、大容量的光纤通信系统中，光源的作用尤 为重要。
光纤通信发展历程
光检测器广泛应用于光纤通信、光传 感、激光雷达等领域，特别是在高速、 长距离的光纤通信系统中，光检测器 的作用尤为关键。
光放大器
光放大器是光纤通信系统中的关键器件之一，主要分 为掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼光纤放大器（RA）
两类。
输入 标题
作用
光放大器的作用是对光信号进行放大，补偿光纤传输 过程中的光信号损耗，提高光纤通信系统的传输距离 和稳定性。
光检测器
分类
光检测器是光纤通信系统中的另一重 要器件，主要分为光电二极管（PIN） 和雪崩光电二极管（APD）两类。
性能参数
光检测器的性能参数包括响应度、带 宽、噪声等，这些参数直接影响着光 纤通信系统的接收灵敏度和动态范围。
作用
光检测器的作用是将光信号转换为电 信号，从而实现光信号的接收和检测。
模拟光纤通信系统的应用
03
在音频广播、视频传输等领域得到广泛应用。
光纤通信系统设计
01
光纤通信系统设计的基本原则
确保系统的传输性能、稳定性、可靠性和经济性。
02
光纤通信系统设计的主要内容
包括光源、光检测器、光纤、中继器和放大器等器件的选择和配置。
03
光纤通信系统设计的优化
通过采用先进的调制技术、编码技术等手段，提高系统的传输性能和容
性能参数
光源的性能参数包括波长、光谱宽度、输出功率、阈值电 流等，这些参数对光纤通信系统的性能和稳定性有着重要 影响。
作用
光源的作用是将电能转换为光能，为光纤通信系统提供光 信号。
应用场景
光源广泛应用于光纤通信、光传感、光谱分析等领域，特 别是在长距离、大容量的光纤通信系统中，光源的作用尤 为重要。
光纤通信发展历程
光纤通信原理-(全套)PPT课件
为了描述光纤中传输的模式数目，在
此引入一个非常重要的结构参数，即光纤
的归一化频率，一般用V表示，其表达式 如下：
V k 0 n m a2 2 0n m a2 C n m a2
1. 多模光纤
顾明思义，多模光纤就是允许多个模 式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤 中允许存在多个分离的传导模。
光纤的作用是为光信号的传送提供传 送媒介(信道)，将光信号由一处送到另一 处。
中继器分为电中继器和光中继器(光放 大器)两种，其主要作用就是延长光信号的 传输距离。
1.3.2 光纤通信系统的分类
根据调制信号的类型，光纤通信系统 可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通 信系统。
根据光源的调制方式，光纤通信系统 可以分为直接调制光纤通信系统和间接调 制光纤通信系统。
1.2 光纤通信的主要特性
1.2.1 光纤通信的优点
1. 光纤的容量大
光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载 波的通信系统，其载波—光波具有很高的 频率(约1014Hz)损耗低、中继距离长
目前，实用的光纤通信系统使用的光 纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长 区 的 损 耗 可 低 到 0 . 1 8 dB/km， 比 已 知 的 其 他通信线路的损耗都低得多，因此，由其 组成的光纤通信系统的中继距离也较其它 介质构成的系统长得多。
图2.2 光纤的折射率分布
光纤的折射率变化可以用折射率 沿半径的分布函数n(r)来表示。
n r n n 1 2
r a r a
2. 按传输模式的数量分类
按光纤中传输的模式数量，可以将光 纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF) 和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。
《光纤通信原理》PPT课件
31
3-1-2 散射损耗
光线通过均匀透明介质时，从侧面是难 以看到光线的，如果介质不均匀，如空 气中漂浮的大量灰尘，我们便可以从侧 面清晰地看到光束的轨迹。这是由于介 质中的不均匀性使光线四面八方散开的 结果，这种现象称之为散射。散射损耗 是以光能的形式把能量辐射出光纤之外 的一种损耗。散射损耗可分为线性散射 损耗和非线性散射损耗。
红外吸收损耗对于波长大于2微米的光 波表现得特别强烈，形成红外吸收带。
29
杂质吸收损耗
杂质吸收损耗可以随杂质浓度的降低 而减小，直至清除。因此得到一个很宽 的低损耗波长窗口，有利于波分复用 （WDM）。
30
原子缺陷吸收损耗
原子缺陷吸收损耗可以通过选用合适的 制造工艺，不同的掺杂材料及含量使之 减小到可以忽略不记的程度。
2
1-1 光纤通信的发展与现状
1-1-1 早期的光通信 几千年前，中国就有火光通信：烽火
台，它是世界上最早的光通信，因为它 具有光通信的基本要素：光源、接受器、 信息加在光波上和光通道。
1880年，贝尔发明了光电话，它是现 代光通信的开端，但由于找不到实用的 传输手段而夭折。
3
1-1-2 光纤通信
3、弯曲特性 弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折
射率差△ 以及光缆的材料和结构。实用光纤的 最小弯曲半径一般为50~70毫米，光缆的最小 弯曲半径一般为500~700毫米，等于或大于光 纤最小弯曲半径的10倍。在以上条件下，光辐 射引起的光纤附加损耗可以忽略，若小于最小 弯曲半径，附加损耗则急剧增加。
1950年曾出现过导光用的玻璃纤维， 但损耗高达1000db/Km，这天文数字的 损耗量，使有人认为光纤传输无实际意 义。
1960年，英籍华人高锟指出：如能将 光纤中过渡金属离子减少到最低限度， 有可能使光纤的损耗减少到1 db/Km，信 息容量可能超过100MHz。
3-1-2 散射损耗
光线通过均匀透明介质时，从侧面是难 以看到光线的，如果介质不均匀，如空 气中漂浮的大量灰尘，我们便可以从侧 面清晰地看到光束的轨迹。这是由于介 质中的不均匀性使光线四面八方散开的 结果，这种现象称之为散射。散射损耗 是以光能的形式把能量辐射出光纤之外 的一种损耗。散射损耗可分为线性散射 损耗和非线性散射损耗。
红外吸收损耗对于波长大于2微米的光 波表现得特别强烈，形成红外吸收带。
29
杂质吸收损耗
杂质吸收损耗可以随杂质浓度的降低 而减小，直至清除。因此得到一个很宽 的低损耗波长窗口，有利于波分复用 （WDM）。
30
原子缺陷吸收损耗
原子缺陷吸收损耗可以通过选用合适的 制造工艺，不同的掺杂材料及含量使之 减小到可以忽略不记的程度。
2
1-1 光纤通信的发展与现状
1-1-1 早期的光通信 几千年前，中国就有火光通信：烽火
台，它是世界上最早的光通信，因为它 具有光通信的基本要素：光源、接受器、 信息加在光波上和光通道。
1880年，贝尔发明了光电话，它是现 代光通信的开端，但由于找不到实用的 传输手段而夭折。
3
1-1-2 光纤通信
3、弯曲特性 弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折
射率差△ 以及光缆的材料和结构。实用光纤的 最小弯曲半径一般为50~70毫米，光缆的最小 弯曲半径一般为500~700毫米，等于或大于光 纤最小弯曲半径的10倍。在以上条件下，光辐 射引起的光纤附加损耗可以忽略，若小于最小 弯曲半径，附加损耗则急剧增加。
1950年曾出现过导光用的玻璃纤维， 但损耗高达1000db/Km，这天文数字的 损耗量，使有人认为光纤传输无实际意 义。
1960年，英籍华人高锟指出：如能将 光纤中过渡金属离子减少到最低限度， 有可能使光纤的损耗减少到1 db/Km，信 息容量可能超过100MHz。
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31
光无源器件
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32
• 跳线
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33
光耦合器
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34
光纤
自 聚焦 透 镜
光纤 1、2
(a) 自 聚焦 透 镜
2 滤 光片
(c)
光纤 1
自 聚焦 透 镜分 光片 4
3
2
(b)
1
1
23
自聚焦透镜 硅光栅 光纤
1＋2＋3 (d)
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35
光隔离器
SOP 入射 光
17
• 光互连的扇出数
– 扇出数：广播能力，即一点到多点的连接能力
• 实现光互连网络重构
– 光网络动态互连
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18
• 1.3 光互连系统的技术特性
– 光互连的链路与结点
• 链路是用于多处理器系统中两个处理器或其他信息 功能单元之间一对一的连接通道
• 结点是链路和光互连网络端点所连接的功能单元
– 极高的空间和时间带 宽积
– 抗干扰 – 互连数大、互连密度
高 – 无触点连接 – 等光程性 – 低功耗
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23
• 光互连技术的实现方式
– 自由空间光互连 – 光波导互连（光纤互连）
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24
• 点对点 • 总线 • 环网 • 全连接
网络拓扑
• 超立方体 • 星型 • 树型 • 网格 • 混合
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14
• 光传输频率
– 光频>>信号频率
• 无需考虑信号频率变化的影响 • 光速c=299792458m/s • 可见光的频率范围处在430万亿赫兹（红光）与750万亿赫兹
（紫光）之间 • 整个光谱的频率可小到十亿赫兹之下（电磁波），大到3 X 10
10 十亿赫兹之上（γ射线）。
– 复用
• 波分复用
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19
• 互连网络中的光交换（光开关）
– 路由器！！！
– 光电混合式 – 全光式
• 多计算机系统中的粒度
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20
光网络及互连系统
• 光网络概述
– 概述 – 网络拓扑 – 同步光网络 – 波分复用
• 光互连系统
– 概述 – 光纤互连 – 光电混合光纤互连 – 自由空间光互连 – 基于智能像素自由空间
光通信与光电技术
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1
课程教学
• 方法
– 基础内容＋知识应用
• 方式
– 课堂讲授
• 考核
– 平时表现＋期末考试
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2
课程简介
• 光通信
– 以光波为载体的通信方式
• 光电技术
– 光学、电子学、光电转换
• 光互连
– 用光技术实现两个以上通信单元的链接结构
• 光通信——光互连——光电技术 • 理论层次——应用层次——技术细节
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25
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26
并行系统中的光纤互连
• 光多路复用
– 时分复用（TDM） – 频分复用（FDM） – 波分复用（WDM）
• 解复用
– 棱镜 – 衍射光栅 – 阵列波导光栅 – 干涉滤光片 – 布拉格光纤光栅法
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27
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28
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29
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30
• 加/减多路复用（OADM）
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15
• 光学并行性
– 电子之间通过电磁场相互作用 – 光波导可相互穿越（交叉角>10度） – 光互连不受平面或准平面的限制 – 光互连密度的限制
• 自由空间：可分辨的光点尺寸 • 波导：所要求的波导尺寸
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16
• 光传输的多维多重复用性
– 波长 – 偏振 – 相位 – 频率
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42
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43
– 使用1550nm窗口 – 2－8个通道 – 通道间距400GHz
• DWDM（密集波分复用，90年代中期）
– 使用1550nm窗口 – 64－160个通道 – 通道间距50或25GHz
• CWDM（粗波分复用，90年代中期）
– 通道减少 – 间距增大
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40
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41
• 信号发生：LD • 信号合并：复用器 • 信号传输：光纤 • 信号放大：光放大器 • 信号分离：解复用器 • 信号接收：光探测器
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3
课程简介
• 光通信基础知识 • 光通信器件基础 • 光链路及光开关 • 光网络中的全息技术 • 光网络中的空间光调制器 • 光网络中的光纤旋转连接器
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4
光开关
用于光交换 设备及系统 中实现全光 层次的路由 选择、波长 选择等功能
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5
全息技术
用一条激光束将一个
物体照亮，使其反射
– 波粒二相性? – 相互作用? – 传输和交换？
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9
• 光通信的发展
– 50年代，集成电路芯片 – 60年代，半导体激光器 – 70年代，激光二极管室温运转 – 80年代，低损耗硅玻璃光纤
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10
• 大规模并行机
– 处理器与处理器 – 处理器与内存 – 电互连？光互连？
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11
• 神经网络计算机
– 脑神经网络：上万个突触与周边互连 – 密集度！
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12
• 集成电路
– 带宽 – 互连密度 – 时钟 – 能耗 – 1.2 光互连的物理依据
– 光学信息通道
• 不具有静质量：真空&介质 • 以介质中的光速传播，与接收信号的元件数无关 • GHz带宽，损耗小
光互连
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光网络概述
• 光互连技术特点回顾
– 高带宽、独立传输、无干扰、互连数目大
– 互连密度高、低功耗（如何理解？）
• 大规模并行计算机中的互连网络
– 并行神经网络
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22
• 电互连的限制
– 带宽限制 – 时钟歪斜 – 严重串话 – 寄生效应 – 易受电磁场干扰 – 高功耗
• 光互连的优越性
到那个底板上去，再
用另一条光束，经
过平面镜，也反射到
那个底板上去，两者
在底板上形成一幅“干
涉图样”。底板再受到
第二条波长相同的激
光束照射时，就会显
现出清晰的图象。
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6
空间光调制器
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7
光纤旋转连接器
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8
第一章 光通信基础知识
• 1.1 光互连网络概念及背景
– 光互连定义：以光的波粒二相性与物质相互作 用产生的各种现象实现数据和信号传输和交换 的理论和技术
偏振 器
阻塞
法拉 弟 旋转 器
偏振 器 反射 光
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36
2 1
3
2
1
3
4
(a)
(b )
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37
• 密集波分复用（DWDM）
– 850nm
– S波段：1310nm
– C波段：1550nm
– L波段：1625nm
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38
• WWDM（宽波分复用，20世纪80年代）
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39
• NWDM（窄带波分复用，20世纪90年代）