光纤通信(第二版)课件PPT(刘增基著)
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光纤通信刘增基第8章
• PDH系统采用的线路保护倒换方式是最简单的自愈网形 式。但是当光缆被切断时，往往是同一缆内的所有光纤(包括 主用和备用)都被切断，在这种情况下上述保护方式就无能为 力了。
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光纤通信刘增基第8章
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•
图 8.3
• (a) 分层概念； (b) 分割概念
光纤通信刘增基第8章
• 采用分割的概念可以方便地在同一网络层内对网络结构 进行规定，允许层网络的一部分被层网络的其余部分看作一 个单独实体；可以按所希望的程度将层网络递归分解表示， 为层网络提供灵活的连接能力，从而方便网络管理，也便于 改变网络的组成并使之最佳化。
光纤通信刘增基第8章
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2020/11/5
光纤通信刘增基第8章
第8章 光纤通信网络
• 8.1通信网的发展趋势
• 通信网总的发展趋势是数字化、综合化和宽带化。与光 纤通信关系最为密切的是宽带化，这是人类社会发展到信息时 代的迫切需求， 也是科技进步的必然产物。
• 数字化就是在通信网的各个部分(核心网和接入网)及各个 环节(传输、交换、接入、终端等)全面采用数字技术。目前核 心网(或称骨干网)已实现了数字化，采用了数字传输和数字交 换技术，其优越性已十分明显。 接入网的情况比较复杂，模 拟的东西还大量存在，如电话网从核心网边缘的端局交换机到 用户终端的用户环路，大量使用的还是模拟二线；有线电视系 统也基本上是模拟的；新近采用的非对称数字用户线(ADSL) 实际上是模数混合体制。
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光纤通信刘增基第8章
• 1. 传送网的分层和分割
• 传送网是分层的，由垂直方向的连续的传送网络层(即 层网络)叠加而成，从上而下分别为电路层、 通道层和传输媒 质层(又分为段层和物理层)。每一层网络为其相邻的高一层网 络提供传送服务，同时又使用相邻的低一层网络所提供的传 送服务。 提供传送服务的层称为服务者(Server)，使用传送服 务的层称为客户(Client)， 因而相邻的层网络之间构成了客户/ 服务者关系。
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光纤通信刘增基第8章
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图 8.3
• (a) 分层概念； (b) 分割概念
光纤通信刘增基第8章
• 采用分割的概念可以方便地在同一网络层内对网络结构 进行规定，允许层网络的一部分被层网络的其余部分看作一 个单独实体；可以按所希望的程度将层网络递归分解表示， 为层网络提供灵活的连接能力，从而方便网络管理，也便于 改变网络的组成并使之最佳化。
光纤通信刘增基第8章
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2020/11/5
光纤通信刘增基第8章
第8章 光纤通信网络
• 8.1通信网的发展趋势
• 通信网总的发展趋势是数字化、综合化和宽带化。与光 纤通信关系最为密切的是宽带化，这是人类社会发展到信息时 代的迫切需求， 也是科技进步的必然产物。
• 数字化就是在通信网的各个部分(核心网和接入网)及各个 环节(传输、交换、接入、终端等)全面采用数字技术。目前核 心网(或称骨干网)已实现了数字化，采用了数字传输和数字交 换技术，其优越性已十分明显。 接入网的情况比较复杂，模 拟的东西还大量存在，如电话网从核心网边缘的端局交换机到 用户终端的用户环路，大量使用的还是模拟二线；有线电视系 统也基本上是模拟的；新近采用的非对称数字用户线(ADSL) 实际上是模数混合体制。
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光纤通信刘增基第8章
• 1. 传送网的分层和分割
• 传送网是分层的，由垂直方向的连续的传送网络层(即 层网络)叠加而成，从上而下分别为电路层、 通道层和传输媒 质层(又分为段层和物理层)。每一层网络为其相邻的高一层网 络提供传送服务，同时又使用相邻的低一层网络所提供的传 送服务。 提供传送服务的层称为服务者(Server)，使用传送服 务的层称为客户(Client)， 因而相邻的层网络之间构成了客户/ 服务者关系。
光纤通信第二版刘增基第2章汇总
2 NA n1 n 2 2 n1 2
(2.3)
第2章
光纤和光缆
式中Δ=(n1－n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。设Δ=0.01，
n1=1.5，得到NA=0.21或θc=12.2° NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或θc)越大，光 纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于 无损耗光纤，θ小于θc的入射光都能在光纤中传输。NA越大， 纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA越 大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传 输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。
1 sin( AZ ) An(0)
r1
cos(Az)
0
(2.13)
这个公式是第3 自聚焦效应 为观察方便，把光线入射点移到中心轴线 (z=0, ri=0)，由式(2.12)和式(2.13)得到
r
An(0)
sin( Az)
(2.14a)
θ*=θ0cos(Az)
解这个二阶微分方程，得到光线的轨迹为 r(z)=C1sin(Az)+C2cos(Az) 式中，A=
(2.9)
(2.10)
2 / a ，C1和C2是待定常数，由边界条件确定。
设光线以θ0从特定点(z=0, r=ri)入射到光纤，并在任意点(z, r) 以θ*从光纤射出。由方程(2.10)及其微分得到 C2=r(z=0)=ri
第2章
光纤和光缆
双包层光纤 如图2.3(a)所示，折射率分布像W形，又
称为W型光纤。这种光纤有两个包层，内包层外直径2a′与 纤芯直径2a的比值a′/a≤2。适当选取纤芯、外包层和内包层 的折射率n1、n2和n3，调整a值，可以得到在1.3～1.6 μm之 间色散变化很小的色散平坦光纤(DFF，Dispersion Flattened Fiber)，或把零色散波长移到1.55 μm的色散移位光纤(DSF， Dispersion Shifted Fiber)。
精品文档-光纤通信(第二版)(刘增基)-第8章 SDH与WDM光网络
第8章 SDH与WDM光网络
3.管理单元指针（AUPTR）区 AUPTR位于帧结构第4行的第1到第9个字节，这一组数码 代表的是净负荷信息的起始字节的位置，接收端根据指示可以 正确地分离净负荷。这种指针方式的采用是SDH的重要创新， 可以使之在准同步环境中完成复用同步和STM-N信号的帧定位。 这一方法消除了常规准同步系统中滑动缓存器引起络 图8.4 STM-1段开销的字节安排
第8章 SDH与WDM光网络
A1、A2代表帧定位字节，其功能是识别帧的起始位置， 从而实现帧同步。A1=11110110，A2=00101000。
J0为再生段踪迹字节，该字节用来重复发送段接入点识别 符，以便段接收机据此确认其与指定的发射机是否处于连续的 连接状态。
(3) S-R点间的光通道参数规范:包括光通道衰减范围, 最大色散，回波损耗与反射系数。
第8章 SDH与WDM光网络
根据ITU-T的建议，这些定义的参数值均为最坏值，即在 设备终了时仍能达到的指标值。该设计目标是在最极端的光通 道衰减和色散条件下仍然满足每个再生段的误码比特率不劣于 1×10-10的要求。表8.2、表8.3、表8.4分别给出了STM-1、 STM-4、STM-16的光接口参数的具体规范，有关更详细的内容 请参见ITU-TG.957建议。
D1～D12为数据通信通路（DCC），D1～D12字节提供SDH 管理网（SMN）的传送链路。
E1、E2为公务联络字节，E1提供RSOH的公务联络的 64kb/s的语音通路，而E2提供MSOH公务管理的64kb/s的语音 通路。
第8章 SDH与WDM光网络
F1为使用者通路，留给使用者（通常是网络提供者），是 为特定维护目的而提供的临时数据/语音通路连接，速率为 64kb/s。
精品文档-光纤通信(第二版)(刘增基)-第4章 无源光器件
每种连接方法都受限于一些特定的条件， 它们在接头处都 将导致不同程度的光功率损耗。 这些损耗取决于一定参数， 如两根光纤的几何特性、 波导特性、 光纤端面的质量以及它 们之间的相对位置等。
第4章 无源光器件
4.1.1 光纤连接损耗 连接损耗可分为外部损耗和内部损耗。外部
损耗又称为机械对准误差或连接错位损耗，它顾名思义 是由于光纤之间的连接错位引起的损耗。内部损耗又称 为与光纤相关的损耗，这主要是由于光纤的波导特性和 几何特性差异导致的损耗。连接错位一般有以下几种情 况：轴向位移、连接间隔、倾斜位移、截面不平整。 这 些损耗如图4.1所示。
第4章 无源光器件
图4.3 光纤的熔接
第4章 无源光器件
在V型槽机械连接方法中，首先要将预备好的 光纤端面紧靠在一起，如图4.4所示。然后将两根光纤使 用粘合剂连接在一起或先用盖片将两根光纤固定。V型通 道既可以是槽状石英、塑料、陶瓷，也可以是金属基片 作成槽状。 这种方法的连接损耗在很大程度上取决于光 纤的尺寸(外尺寸和纤芯直径)变化和偏心度(纤芯相对于 光纤中心的位置)。
能无损耗， 因而功率传输矩阵函数为
且满足
T
a13 a23
a14
a24
a13+a14<1, a23+a24<1
(4.2)
其中, a13、 a14和a23、a24分别为输入端口1和2到输出端 口3和4的功率传输因子。
第4章 无源光器件
1） 附加损耗(excess loss) 附加损耗的定义为
Pex (dB) 10
第4章 无源光器件
图4.2 (a) D2>Ｄ1; (b) NA1>NA2; (c) MFD1>MFD2
第4章 无源光器件
第4章 无源光器件
4.1.1 光纤连接损耗 连接损耗可分为外部损耗和内部损耗。外部
损耗又称为机械对准误差或连接错位损耗，它顾名思义 是由于光纤之间的连接错位引起的损耗。内部损耗又称 为与光纤相关的损耗，这主要是由于光纤的波导特性和 几何特性差异导致的损耗。连接错位一般有以下几种情 况：轴向位移、连接间隔、倾斜位移、截面不平整。 这 些损耗如图4.1所示。
第4章 无源光器件
图4.3 光纤的熔接
第4章 无源光器件
在V型槽机械连接方法中，首先要将预备好的 光纤端面紧靠在一起，如图4.4所示。然后将两根光纤使 用粘合剂连接在一起或先用盖片将两根光纤固定。V型通 道既可以是槽状石英、塑料、陶瓷，也可以是金属基片 作成槽状。 这种方法的连接损耗在很大程度上取决于光 纤的尺寸(外尺寸和纤芯直径)变化和偏心度(纤芯相对于 光纤中心的位置)。
能无损耗， 因而功率传输矩阵函数为
且满足
T
a13 a23
a14
a24
a13+a14<1, a23+a24<1
(4.2)
其中, a13、 a14和a23、a24分别为输入端口1和2到输出端 口3和4的功率传输因子。
第4章 无源光器件
1） 附加损耗(excess loss) 附加损耗的定义为
Pex (dB) 10
第4章 无源光器件
图4.2 (a) D2>Ｄ1; (b) NA1>NA2; (c) MFD1>MFD2
第4章 无源光器件
精品文档-光纤通信(第二版)(刘增基)-第6章 光发送机与光接收机
第6章 光发送机与光接收机
图6.8 实用化的LD数字驱动电路
第6章 光发送机与光接收机
6.3 外 调 制 器
6.3.1 电折射调制器 电折射调制器利用了晶体材料的电光效应，
常用的晶体材料有：铌酸锂晶体（LiNbO3）、钽酸锂晶 体（LiTaO3）和砷化镓（GaAs）。
电光效应是指由外加电压引起的晶体的非线性效应， 具体讲是指晶体的折射率发生了变化。当晶体的折射率 与外加电场幅度成正比时， 称为线性电光效应， 即普 克尔效应； 当晶体的折射率与外加电场的幅度平方成正 比变化时， 称为克尔效应。 电光调制主要采用普克尔 效应。
第6章 光发送机与光接收机
最基本的电折射调制器是电光相位调制器， 它是构 成其他类型的调制器如电光幅度、 电光强度、 电光频 率、 电光偏振等的基础。 电光相位调制器的基本原理 框图如图6.9所示。
第6章 光发送机与光接收机
图6.9 电光相位调制器的基本原理框图
第6章 光发送机与光接收机
当一个A sin(ωt+Φ0)的光波入射到电光调 制器（Z=0）， 经过长度为L的外电场作用区后， 输出 光场(Z=L)即已调光波为A sin(ωt+ Φ0 +ΔΦ)， 相位 变化因子ΔΦ受外电压的控制从而实现相位调制。
第6章 光发送机与光接收机
6.2 直接调制IM光发送机
直接强度调制是光纤通信中最简单、 最经济、 最容易实现的调制方式， 适用于半导体激光器LD和发光 二极管LED， 这是因为它们的输出功率与注入电流成正 比（LD阈值以上）， 只需通过改变注入电流就可实现光 强度调制。 光功率的变化能够响应注入电流信号的高速 变化。
第6章 光发送机与光接收机
图6.5 LED模拟驱动电路 （a)基本模拟信号驱动电路； (b)线性模拟信号驱动电路；(c)高速模拟信号驱动电路
工学光纤通信刘增基ppt文档
容易
很难
容易
与光偏 稳定 振关系 性
无
好
大
差
大
好
光放大器的应用
线路放大(In-line)：周期性补偿 各段光纤损耗
功率放大(Boost)：增加入纤功率, 延长传输距离
前置预放大(Pre-Amplify):提高接收 灵敏度
局域网的功率放大器：补偿分配损耗， 增大网络节点数
研究新热点
• 展宽带宽：C-band 40nm, L-band 再加40nm； • 均衡功能：针对点对点系统的增益均衡，针对全光网的功率均衡； • 监控管理功能：在线放大器，全光网路由改变； • 动态响应特性； • 其它波段的光纤放大器，如Raman放大器。
第 7 章 光纤通信新技术
7.1 光放大器 7.2 光波分复用技术 7.3 光交换技术 7.4 光孤子通信 7.5 相干光通信技术 7.6 光时分复用技术 7.7 波长变换技术
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第 7 章 光纤通信新技术
光纤通信发展的目标是提高通信能力和通信质量，降低价格，满足社会需要。进入20世纪90年代以后，光 纤通信成为一个发展迅速、 技术更新快、新技术不断涌现的领域。
光放大器概述
光放大器概述
光放大器概述
• 光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。 • 光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电－光(O-E-O)
变换方式。
• 装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂 性和成本倍增。
• 可实现3R中继。
• 3R regenerator：Reamplifier、Reshaping、Retiming。
EDFA的优点
EDFA的工作原理
• EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转， 在信号光诱导下实现受激辐射放大。
很难
容易
与光偏 稳定 振关系 性
无
好
大
差
大
好
光放大器的应用
线路放大(In-line)：周期性补偿 各段光纤损耗
功率放大(Boost)：增加入纤功率, 延长传输距离
前置预放大(Pre-Amplify):提高接收 灵敏度
局域网的功率放大器：补偿分配损耗， 增大网络节点数
研究新热点
• 展宽带宽：C-band 40nm, L-band 再加40nm； • 均衡功能：针对点对点系统的增益均衡，针对全光网的功率均衡； • 监控管理功能：在线放大器，全光网路由改变； • 动态响应特性； • 其它波段的光纤放大器，如Raman放大器。
第 7 章 光纤通信新技术
7.1 光放大器 7.2 光波分复用技术 7.3 光交换技术 7.4 光孤子通信 7.5 相干光通信技术 7.6 光时分复用技术 7.7 波长变换技术
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第 7 章 光纤通信新技术
光纤通信发展的目标是提高通信能力和通信质量，降低价格，满足社会需要。进入20世纪90年代以后，光 纤通信成为一个发展迅速、 技术更新快、新技术不断涌现的领域。
光放大器概述
光放大器概述
光放大器概述
• 光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。 • 光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电－光(O-E-O)
变换方式。
• 装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂 性和成本倍增。
• 可实现3R中继。
• 3R regenerator：Reamplifier、Reshaping、Retiming。
EDFA的优点
EDFA的工作原理
• EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转， 在信号光诱导下实现受激辐射放大。
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第1章 概 论
为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光束 限制在特定的空间内传输, 因而提出了透镜波导和反射镜波导的 光波传输系统。透镜波导是在金属管内每隔一定距离安装一个 透镜，每个透镜把经传输的光束会聚到下一个透镜而实现的。 反射镜波导和透镜波导相似，是用与光束传输方向成45°角的 两个平行反射镜代替透镜而构成的。这两种波导，从理论上讲 是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服的困难。首先，现 场施工中校准和安装十分复杂；其次，为了防止地面活动对波
由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的 研究曾一度走入了低谷。
第1章 概 论
1.1.2 现代光纤通信 1966 年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆
(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用 光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了 现代光通信——光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高达 1000 dB/km以上，高锟等人指出：这样大的损耗不是石英纤维 本身固有的特性，而是由于材料中的杂质，例如过渡金属(Fe、 Cu等)离子的吸收产生的。材料本身固有的损耗基本上由瑞利 (Rayleigh)散射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。 因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的 低损耗光纤。如果把材料中金属离子含量的比重降低到10－6以 下，就可以使光纤损耗减小到10 dB/km。再通过改进制造工艺 的热处理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几 dB/km。这个思想和预测受到世界各国极大的重视。
十一五 普通高等教育“十一五”国家级规划教材
光 纤 通 信(第二版)
刘增基 周洋溢 胡辽林 编著
任光亮 周绮丽
西 安 电 子西科 技 大 学 出 版 社
目录
第1 章 概 论 第2 章 光纤和光缆 第3 章 通信用光器件 第4 章 光端机 第5章 数字光纤通信系统 第6章 模拟光纤通信系统 第7 章 光纤通信新技术 第8章 光纤通信网络
第1章 概 论
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”。这种光电话利用太阳光或弧光灯作光源， 通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随 话音的变化而变化，实现话音对光强度的调制。在接收端， 用抛物面反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上，使 光信号变换为电流，传送到受话器。由于当时没有理想的光 源和传输介质，这种光电话的传输距离很短，并没有实际应 用价值，因而进展很慢。然而，光电话仍是一项伟大的发明， 它证明了用光波作为载波传送信息的可行性。因此，可以说 贝尔光电话是现代光通信的雏形。
第1章 概 论
1970 年，光纤研制取得了重大突破。在当年，美国康宁 (Corning)公司就研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。它的意义在 于：使光纤通信可以和同轴电缆通信竞争，从而展现了光纤通 信美好的前景，促进了世界各国相继投入大量人力物力，把光 纤通信的研究开发推向一个新阶段。1972 年，康宁公司高纯石 英多模光纤损耗降低到4 dB/km。1973年，美国贝尔(Bell)实验室 取得了更大成绩，光纤损耗降低到2.5 dB/km。1974 年降低到1.1 dB/km。1976 年，日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤损耗降 低到0.47 dB/km(波长1.2 μm)。在以后的 10 年中，波长为1.55 μm的光纤损耗：1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km， 1986 年是0.154 dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。
第1章 概 论
1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光 器，给光通信带来了新的希望，和普通光相比，激光具有波 谱宽度窄，方向性极好，亮度极高，以及频率和相位较一致 的良好特性。激光是一种高度相干光，它的特性和无线电波 相似，是一种理想的光载波。继红宝石激光器之后，氦-氖 (He-Ne)激光器、 二氧化碳(CO2)激光器先后出现，并投入实 际应用。激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入
第1章 概 论
第1章 概 论
1.1 光纤通信发展的历史和现状 1.2 光纤通信的优点和应用 1.3 光纤通信系统的基本组成
第1章 概 论
1.1
1.1.1 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，
这些都可以看做是原始形式的光通信。望远镜的出现，又极 为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。 当年，美国贝尔实验室、 日本电气公司(NEC)和当时的苏联先 后突破了半导体激光器在低温(－200℃)或脉冲激励条件下工作 的限制，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结 半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但其意义是重 大的，它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973 年，半导体 激光器寿命达到7000小时。1977 年，贝尔实验室研制的半导体 激光器寿命达到10万小时(约11.4年)，外推寿命达到100万小时， 完全满足实用化的要求。在这个期间，1976年日本电报电话公 司研制成功发射波长为1.3 μm的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器， 1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功 发射波长为1.55μm的连续振荡半导体激光器。
第1章 概 论
在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激 光器进行了大气激光通信试验。实验证明：用承载信息的光波， 通过大气的传播，实现点对点的通信是可行的，但是通信能力 和质量受气候影响十分严重。由于雨、 雾、 雪和大气灰尘的吸 收和散射，光波能量衰减很大。例如，暴雨能造成3~12 dB/km 的衰减，浓雾衰减高达60~200 dB/km。另一方面，大气的密度 和温度不均匀，造成折射率的变化，使光束位置发生偏移。因 而通信的距离和稳定性都受到极大的限制，不能实现“全天候” 通信。虽然，固体激光器(例如掺钕钇铝石榴石(Nd: YAG)激光 器)的发明大大提高了发射光功率，延长了传输距离，使大气激 光通信可以在江河两岸、 海岛之间和某些特定场合使用，但是 大气激光通信的稳定性和可靠性仍然没有解决。