光纤通信第四章.ppt
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光钎通信器件 第四章 光纤光栅原理及应用
2019/9/19
23
光纤通信器件
在光纤通信中的应用
相关参数(续):
双向1550nmWDM通信系统的 隔离滤波器
FWHM=0.2~1nm, R=100%
1550nmWDM系统的解复用器
1550nmWDM系统中光分插复用 器的
滤波器
FWHM=0.2~1nm, Isolation＞30dB
FWHM=0.1~1nm, Isolation＞50dB
2019/9/19
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光纤通信器件
光纤光栅工作原理
a. 梯度应变调谐 应力可以改变光纤光栅的光栅常数Λ，也可以改变
光纤光栅的折射率分布，从而影响光纤光栅的工作波长， 完成波长调谐。
将光纤光栅部位嵌在松软的介质中，一端固定，另 外一端施加拉力，造成介质内光纤光栅部位出现梯度分 布的应力，使光纤光栅变成啁啾光纤光栅。
长距离传输的色散补偿(1550nm)
1530nm~1560nm光放大器的 增益平坦器
FWHM=0.1~10nm, D=1600ps/nm
FWHM=30nm, loss=0~10dB
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2019/9/19 光纤通信器件
在光纤通信中的应用
(1) 光源
a. DFB (Distributed Feedback) 光纤光栅激光器
2019/9/19
1
光纤通信器件
第四章 光纤光栅原理及应用
一、光纤光栅的工作原理
入 射 光
包 层
透 射 光
反 射 光
Λ
纤 芯
光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件：
12 2
β1、β2是正、反向传输常数，Λ是光纤光栅的 周期，在写入光栅的过程中确定下来。
4.3光纤通信-议
没有光纤通信，就没有现代信息社会！
第 四 章 光 电 信 息 技 术 应 用
5
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第 四 章 光 电 信 息 技 术 应 用
6
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第 四 章 光 电 信 息 技 术 应 用
7
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理论上光纤通信可容纳：
34
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所有的光线都将被限制在光纤芯中，这就是光纤 导光的基本原理。
为实现全反射，对光线的入射角有一个最大值限制， 利用式4.3.1-1和4.3.1-2可得
第 四 章 光 电 信 息 技 术 应 用
n0 sin i n1 cos c (n1 n2 )
第 四 章 光 电 信 息 技 术 应 用
20 0 40 30 -20 -40 0 20 10
50
t/T0
Distance
PIN—适用于近距离通信系统，带宽约10GHz APD—适用于长距离通信系统，带宽约100GHz
10 lg( P out / P in ) L
dB / km
（4.3.1-5）
13
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二 光纤通信系统构成 光纤通信系统是当前信息时代的基石，但本 质上仍是一个光电系统，与其它光电系统原 理上并无二样。
第 四 章 光 电 信 息 技 术 应 用
问题一：设想光纤通信系统的基本结构
提示1：一个完整的光学系统应由哪几方面构成？
发
光的发射 （光源）
1．外光电效应
2．光电导效应 3．光伏效应
4．光电热效应
提示2 利用光伏效应，典型的半导体光电管有哪 几种？它们的检测特性是否相同？为什么不同？
第4章光纤通信系统介绍
11
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。
12
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。
27
2．光接收机
• 图4-10 时钟恢复电路方框图
28
2．光接收机
• 图4-11 时钟恢复电路波形图
29
2．光接收机
• 图4-12 NRZ码的功率谱密度分布图
30
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
32
2．光接收机
• 图4-15 非线性处理电路中的波形图
24
2．光接收机
• 图4-8 单个脉冲均衡前后波形的比较
25
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
48
（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。
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
28
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
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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
25
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
48
（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。
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。
光纤通信原理第四章光接收机
若两个随机变量的概率分布都是高斯函数，则它 们之和的概率密度函数也是高斯函数，且其方差等于 两个随机变量的方差之和。高斯分布的这一特点使接 收机灵敏度的计算得到简化。
在高斯近似下，放大器和均衡滤波器输出端的总
噪声的概率密度函数依然是高斯函数，且总噪声功率 为
•放大器输出噪声主要由前置级决定，只要第一级的增 益足够大，以后各级引入的噪声可略，
•分析时把所有噪声等效到输入端。
放大器输入端的噪声源
电阻的热噪声和有源器件的噪声，都是由无限
多个统计独立的不规则电子的运动产生的，它们的 总和的统计特性服从正态分布。放大器噪声的概率 密度函数可以表示为高斯函数
f x 21expx2m22
1．光接收机输入端等效电路及噪声源
is(t)：光电检测器等效电流源，in(t):光电检测 器的散粒噪声，Cd:光电检测器的结电容。Rb和Cs： 偏置电阻和偏置电路的杂散电容，Ra和Ca：放大 器的输入电阻和电容。
放大器的有源器件会引入噪声。一般将第一 级有源器件的各种噪声源都等效到输入端，分两 种情况：一种是等效为输入端并联的电流噪声源ia, 设它的功率谱密度为sI；另一种是等效为输入端串 联的电压噪声源ea，设它的功率谱密度为SE。
4.2光接收机
4.2.1光接收机简介 4.2.2放大电路及其噪声 4.2.3光接收机灵敏度的计算
4.2.1 光接收机简介
光接收机的组成
光接收机：模拟和数字。模拟光接收机，主要用于 光纤CATV系统；数字光接收机，用于大部分通信系 统。
检测方式：相干和非相干。相干检测，先将接收的 光信号与一个本地振荡光混频，再被光电检测器变换 成中频信号；非相干检测，常用的非相干检测是直接 功率检测，用光电二极管直接将接收的光信号变换成 基带信号。
在高斯近似下，放大器和均衡滤波器输出端的总
噪声的概率密度函数依然是高斯函数，且总噪声功率 为
•放大器输出噪声主要由前置级决定，只要第一级的增 益足够大，以后各级引入的噪声可略，
•分析时把所有噪声等效到输入端。
放大器输入端的噪声源
电阻的热噪声和有源器件的噪声，都是由无限
多个统计独立的不规则电子的运动产生的，它们的 总和的统计特性服从正态分布。放大器噪声的概率 密度函数可以表示为高斯函数
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1．光接收机输入端等效电路及噪声源
is(t)：光电检测器等效电流源，in(t):光电检测 器的散粒噪声，Cd:光电检测器的结电容。Rb和Cs： 偏置电阻和偏置电路的杂散电容，Ra和Ca：放大 器的输入电阻和电容。
放大器的有源器件会引入噪声。一般将第一 级有源器件的各种噪声源都等效到输入端，分两 种情况：一种是等效为输入端并联的电流噪声源ia, 设它的功率谱密度为sI；另一种是等效为输入端串 联的电压噪声源ea，设它的功率谱密度为SE。
4.2光接收机
4.2.1光接收机简介 4.2.2放大电路及其噪声 4.2.3光接收机灵敏度的计算
4.2.1 光接收机简介
光接收机的组成
光接收机：模拟和数字。模拟光接收机，主要用于 光纤CATV系统；数字光接收机，用于大部分通信系 统。
检测方式：相干和非相干。相干检测，先将接收的 光信号与一个本地振荡光混频，再被光电检测器变换 成中频信号；非相干检测，常用的非相干检测是直接 功率检测，用光电二极管直接将接收的光信号变换成 基带信号。
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。
光纤通信原理及基础知识ppt课件
第一章 光纤通信的基本原理
第二章 光纤的基本结构和分类
第三章 光纤的基本参数
第四章 光纤的制造方法
光纤的基本结构和分类
光纤的结构及组成
纤芯 (SiO2+Ge+F) (掺锗二氧化硅) 8.6-9.5 µm
纤芯
(掺锗二氧化硅) 50 µm / 62.5 µm / 100 µm 纤芯 (聚甲基丙烯酸甲酯 ) 980 µm
衰减单 模光纤 G655光纤：在1550nm窗口给定波长区间内色散不为零的色 散位移单模 光纤， 称为非零色散位移光纤 G655A ：单信道光纤(1995)
G655B、 G655C ：DWDM光纤(2000.10,2003.1) G656光纤：使用于DWDM 系统S+C+L波带的非零色散位移光纤 (2003.10提出，2004.4争取会议同意)
1 2
媒质1
折射率n1
1
媒质1 折射率n1
媒质2 折射率n2
2
媒质2 折射率n2
1=2
n1· Sin1=n2· Sin2
光纤通信的基本原理
光的全反射定律
折射率 n＝光在真空中的传播速度/光在该媒质中的传播速度
媒质 折射率 真空 空气 水 多模光纤 单模光纤
玻璃
钻石
1.0
1.0003 1.33
光纤的基本结构和分类
单模光纤的特性
单模光纤特性
G.652光纤 G.653光纤 G.654光纤 最成熟的单模光纤，但未把最小的衰 减与最小的色散有效的结合在一起。 过渡性的单模光纤，把零色散点移到 了衰减最小的波长。
过渡性的单模光纤，通过对光纤的截 止波长进行位移而获得极低的衰减。
一种新型的单模光纤，把最小的衰减 与小的色散结合在一起。
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。
光纤通信系统第四章PPT课件
• 光电二极管（PD） • 雪崩光电二极管
.
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
.
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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4.2 数字光纤通信系统和总体设计
网络容量确定 B
网络拓扑和 路由选择
A
系统设计
C 光纤/光缆选型
最大中继 E 距离计算
D 设备选择
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
网络拓扑、线路路由选择
• 位于骨干网、网络生存性要求较高的网络适合采用网 格拓扑
• 位于城域网、网络生存性要求较高的网络适合采用环 形或网格拓扑
双向泵浦： 不易饱和 增益大
五、EDFA的基本性能
增益特性 输出功率特性 噪声特性
增益特性 定义：光放大器输出功率与输入功率之比
EDFA的增益一般为15dB～40dB
增益特性
信号增益与泵浦光功率、掺铒光纤长度的关系如下。
双向
输
反向
出
功
同向
率
输入功率
泵浦阈值功率Pth
噪声特性
（1）衰减受限
（2）色散受限
Ld
DSR Dm
1200 70.6km 17
Ld L ，最大中继距离为70.6km,为色散受限系统
4.3 性能指标
1、误码： 劣化分(DM)、严重误码秒（SES）、误码秒(ES)
2、抖动指标 抖动: 数字信号（包括时钟）的各有效瞬间对于标 准时间位置的偏差。
4.4.2 喇曼光纤放大器
影响线路最大中继距离的主要特性： 损耗 ：光信号在光纤中传输，随着距离的增大， 脉冲幅度逐渐减小 色散 ：。。。。。。脉冲展宽。
所以，要有中继站： 1、光--电--光转换 2、直接对光信号放大
一、光--电--光转换
光电变换 光 纤 (O/E)
放大器
电光变换 (E/O) 光 纤
（d）局域网信号功 率放大器
EDFA在DWDM系统中的应用
4.4 光纤放大器及其在光纤通 信系统中的应用
4.4.2 喇曼光纤放大器
4.4 光纤放大器及其在光纤通 信系统中的应用
喇曼光纤放大器（RFA）是被誉为光纤通信发展里程碑 的EDFA之后又一引人注目的光放大器。
这种放大器可以提供整个光纤波长波段的放大，通过 适当改变泵浦激光光波波长可达到在任意波段进行光 放大的宽带放大器，甚至可以在1270nm～1670nm整个 光纤波段内提供光放大。
光纤数字系统发生故障的时间间隔以及每次故障的维修 时间的指标。
• 可用时间的含义是：连续10s内每秒均为非SES，从这 10秒钟的第一秒起就认为进入了可用时间。
• 不可用时间的含义是：连续10s内每秒均为SES，从这 10秒钟的第一秒起就认为进入了不可用时间。
可用性
• 可用性指在一个观察期内的可用时间所占的百分 比，也称为可用性比率（AR）
小于10HZ的相位变换称为漂移，大于10HZ的相位 变换称为抖动
4.3 性能指标
2、抖动指标 （1）输入抖动容限：任何一接口输入端要有抵抗这些抖动而 不致出现无码的能力。
（2）输出抖动容限：指没有输入抖动时最大的输出抖动。 （3）抖动转移特性：输入口的某些抖动会被转移到输出口。 3、可靠性与可用性
Af
L PT PR 2 Ac Pp
MC
As Lf
Af
n
Af a fi / n
i 1
a fi 单盘光纤损耗系数
n1
As asi / (n 1)
i 1
asi 单个接头损耗
以140 Mb/s单模光纤通信系统为例计算中继距离
设系统平均发射功率PT =-3 dBm, 接收灵敏度PR=-30 dBm， 连接器损耗Ac=0.2dB，光缆损耗系数Af=0.2 dB/km, 光缆富裕度 MC=0.1 dB/km，光缆平均接头损耗As=0.1 dB ，光通道功率代价 为Pp =-3 dBm,单盘光缆长度2 km。计算中继距离
L PT PR 2 Ac Pp
MC
As Lf
Af
La
3 (30) 2 0.2 0.2 0.1 0.1
3
67(km)
2
2. 色散受限系统
Ld
DSR Dm
(km)
DSR，S点和R点之间允许的最大色散 值； Dm，允许工作波长范围内 的最大光纤色散。
直 径 3～m6 掺 锗 的纤 芯
直 径 125m Si O2包 层 直 径 250m涂 覆 层
掺铒光纤芯层的几何模型
三、掺铒光纤放大器工作原理（2）
增益谱 （1520~1570nm）
三、掺铒光纤放大器工作 原理（3）
1、铒离子从基态跃迁到 激发态能级（吸收泵浦光） 2、从激发态跃迁到亚稳带 （无辐射跃迁） 3、从亚稳态跃迁到基态 （产生受激辐射光，因而 信号光得到放大）
PR
MCL
Me
损焊耗点损耗A f
光缆损耗As
光通道功率代价Pp
损耗
PT
PR
MCL
Me
2 Ac
As L Lf
Af
L+Pp
将M e 分散在光端机里，则
PT
PR
MCL
2 Ac
As L Lf
Af
L+Pp
L PT PR 2Ac Pp
MC
As Lf
光的范围
电的范围
光的范围
传统的中继器原理框图
1R
2R
3R
放大
均衡:频率
1R
色散
2R
数字整形 噪声抑制
数字再生 (定时、判决) 噪声抑制
三种再生器的功能
二、光放大器的种类 1、半导体光放大器（SOA）
普通光放大器的基本工作原理
二、光放大器的种类
2、光纤放大器（OFA） 非线性光纤放大器 掺铒光纤放大器
再生段的设计
1
算出损 耗受限 的距离
2
算出色 散受限 的距离
3
较短的 距离为 最大再 生段距 离
设系统PT =-3 dBm, 接收灵敏度PR=-30 dBm，Ac=0.2dB， 光缆损耗系数Af=0.2 dB/km, 光缆富裕度MC=0.1 dB/km，
光缆平均接头损耗As=0.1 dB ，单盘光缆长度2 km。 Dsr=1200ps/nm，Dm=17ps/(nm·km)，计算中继段长度。
• 不可用性指在一个观察期内的不可用时间所占的 百分比，也称为不可用性比率（UR）
• 不可用时间的持续时间必须大于10s； • 较短时间的性能恶化用“误块秒”或“严重误块
秒”来度量，而不作为可用性性能的一部分。
AR + UR = 1
4.4 光纤放大器及其在光纤通信系统 中的应用
4.4.1 掺饵光纤放大器
注：泵浦（pump，抽运）
LD和EDF 区别
外加源 输入信号 工作物质 输出信号 工作机理 放大作用
半导体激光器 正向电压 电信号 半导体 光信号 受激辐射 谐振腔
EDFA 激光 光信号 掺铒光纤 光信号 受激辐射 光纤本身
四、掺铒光纤放大器结构
隔离器 输入
掺 铒 光纤 (ED F)
熔接头
泵 浦 激光 (98 0 nm或 14 80 nm)
非线性光纤放大器：利用强的光源对光纤进行激发，使光 纤产生非线性效应，而出现喇曼散射。
激发的光功率>阈值 （0.5~1W）
Pump在几~十几w
掺铒光纤放大器(EDFA） Erbium Doped Fiber Amplifier
三、掺铒光纤放大器工作原理（1）
掺 铒 高密 度 带 (1 00 ～ 20 00 ppm)
• G.655光纤 G.655光纤是非零色散位移单模光纤，是传输光纤中的 新成员，适合应用于采用密集波分复用的大容量的骨干 网中。
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
光传输设计
• 各种拓扑结构的网络都是建立在点到点基础上的，所 以S-R点之间的光传输距离确定是光纤传输网络/系统 设计的基础。
什么因素影响传输距离？？ 损耗 色散
WD M耦 合 器
滤波器
泵浦波长为1480nm、980nm 信号波长为1550nm
泵浦光在光纤中的路线
信号光在光纤中的放大过程
四、掺铒光纤放大器结构（三种）
同向泵浦： 易于实现 易饱和 噪声大
四、掺铒光纤放大器结构（三种）
反向泵浦： 不易饱和 噪声低
四、掺铒光纤放大器结构（三种）
1）发送端进入光纤的光信号功率(PT) 2）接收端可容许的最低光功率（灵敏度PR） 3）系统富裕度（余量）
4）传输衰减特性:
系统富裕度分为两部分： （1）光缆富余度Mc (dB/ km) （2）设备富余度Me (dB)
总富裕度=MCL+Me
发端功率-收端功率=富裕度+损耗
活动连接器损耗Ac
PT
• 发送、接收、中继、分插及交叉连接设备是组成光纤 传输链路的必要元素，选择性能好、可靠性高、兼容 性好的设备是系统设计成功的重要保障。
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
光纤/光缆选型
• G.652光纤 G.652光纤/光缆为1310nm波长性能最佳单模光纤（或 称非色散位移光纤），是目前最常用的单模光纤。
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
光再生段模型
光传输设计方法
• 最坏值设计法 • 联合设计法 • 统计设计法（包括半统计设计法）
再生段设计
再生段设计
损耗受限系统 －再生段距离 由S和R点之间 的光通道损耗 决定
色散受限系统 －再生段距离 由S和R点之间 的光通道总色 散所决定
1.损耗受限系统影响因素：
• G.653光纤 G.653光纤/光缆为1550nm波长性能最佳的单模光纤/光 缆。容易产生严重的四波混频效应，不支持波分复用 系统，故G.653光纤仅用于单信道高速率系统。目前基 本不采用。
网络容量确定 B
网络拓扑和 路由选择
A
系统设计
C 光纤/光缆选型
最大中继 E 距离计算
D 设备选择
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
网络拓扑、线路路由选择
• 位于骨干网、网络生存性要求较高的网络适合采用网 格拓扑
• 位于城域网、网络生存性要求较高的网络适合采用环 形或网格拓扑
双向泵浦： 不易饱和 增益大
五、EDFA的基本性能
增益特性 输出功率特性 噪声特性
增益特性 定义：光放大器输出功率与输入功率之比
EDFA的增益一般为15dB～40dB
增益特性
信号增益与泵浦光功率、掺铒光纤长度的关系如下。
双向
输
反向
出
功
同向
率
输入功率
泵浦阈值功率Pth
噪声特性
（1）衰减受限
（2）色散受限
Ld
DSR Dm
1200 70.6km 17
Ld L ，最大中继距离为70.6km,为色散受限系统
4.3 性能指标
1、误码： 劣化分(DM)、严重误码秒（SES）、误码秒(ES)
2、抖动指标 抖动: 数字信号（包括时钟）的各有效瞬间对于标 准时间位置的偏差。
4.4.2 喇曼光纤放大器
影响线路最大中继距离的主要特性： 损耗 ：光信号在光纤中传输，随着距离的增大， 脉冲幅度逐渐减小 色散 ：。。。。。。脉冲展宽。
所以，要有中继站： 1、光--电--光转换 2、直接对光信号放大
一、光--电--光转换
光电变换 光 纤 (O/E)
放大器
电光变换 (E/O) 光 纤
（d）局域网信号功 率放大器
EDFA在DWDM系统中的应用
4.4 光纤放大器及其在光纤通 信系统中的应用
4.4.2 喇曼光纤放大器
4.4 光纤放大器及其在光纤通 信系统中的应用
喇曼光纤放大器（RFA）是被誉为光纤通信发展里程碑 的EDFA之后又一引人注目的光放大器。
这种放大器可以提供整个光纤波长波段的放大，通过 适当改变泵浦激光光波波长可达到在任意波段进行光 放大的宽带放大器，甚至可以在1270nm～1670nm整个 光纤波段内提供光放大。
光纤数字系统发生故障的时间间隔以及每次故障的维修 时间的指标。
• 可用时间的含义是：连续10s内每秒均为非SES，从这 10秒钟的第一秒起就认为进入了可用时间。
• 不可用时间的含义是：连续10s内每秒均为SES，从这 10秒钟的第一秒起就认为进入了不可用时间。
可用性
• 可用性指在一个观察期内的可用时间所占的百分 比，也称为可用性比率（AR）
小于10HZ的相位变换称为漂移，大于10HZ的相位 变换称为抖动
4.3 性能指标
2、抖动指标 （1）输入抖动容限：任何一接口输入端要有抵抗这些抖动而 不致出现无码的能力。
（2）输出抖动容限：指没有输入抖动时最大的输出抖动。 （3）抖动转移特性：输入口的某些抖动会被转移到输出口。 3、可靠性与可用性
Af
L PT PR 2 Ac Pp
MC
As Lf
Af
n
Af a fi / n
i 1
a fi 单盘光纤损耗系数
n1
As asi / (n 1)
i 1
asi 单个接头损耗
以140 Mb/s单模光纤通信系统为例计算中继距离
设系统平均发射功率PT =-3 dBm, 接收灵敏度PR=-30 dBm， 连接器损耗Ac=0.2dB，光缆损耗系数Af=0.2 dB/km, 光缆富裕度 MC=0.1 dB/km，光缆平均接头损耗As=0.1 dB ，光通道功率代价 为Pp =-3 dBm,单盘光缆长度2 km。计算中继距离
L PT PR 2 Ac Pp
MC
As Lf
Af
La
3 (30) 2 0.2 0.2 0.1 0.1
3
67(km)
2
2. 色散受限系统
Ld
DSR Dm
(km)
DSR，S点和R点之间允许的最大色散 值； Dm，允许工作波长范围内 的最大光纤色散。
直 径 3～m6 掺 锗 的纤 芯
直 径 125m Si O2包 层 直 径 250m涂 覆 层
掺铒光纤芯层的几何模型
三、掺铒光纤放大器工作原理（2）
增益谱 （1520~1570nm）
三、掺铒光纤放大器工作 原理（3）
1、铒离子从基态跃迁到 激发态能级（吸收泵浦光） 2、从激发态跃迁到亚稳带 （无辐射跃迁） 3、从亚稳态跃迁到基态 （产生受激辐射光，因而 信号光得到放大）
PR
MCL
Me
损焊耗点损耗A f
光缆损耗As
光通道功率代价Pp
损耗
PT
PR
MCL
Me
2 Ac
As L Lf
Af
L+Pp
将M e 分散在光端机里，则
PT
PR
MCL
2 Ac
As L Lf
Af
L+Pp
L PT PR 2Ac Pp
MC
As Lf
光的范围
电的范围
光的范围
传统的中继器原理框图
1R
2R
3R
放大
均衡:频率
1R
色散
2R
数字整形 噪声抑制
数字再生 (定时、判决) 噪声抑制
三种再生器的功能
二、光放大器的种类 1、半导体光放大器（SOA）
普通光放大器的基本工作原理
二、光放大器的种类
2、光纤放大器（OFA） 非线性光纤放大器 掺铒光纤放大器
再生段的设计
1
算出损 耗受限 的距离
2
算出色 散受限 的距离
3
较短的 距离为 最大再 生段距 离
设系统PT =-3 dBm, 接收灵敏度PR=-30 dBm，Ac=0.2dB， 光缆损耗系数Af=0.2 dB/km, 光缆富裕度MC=0.1 dB/km，
光缆平均接头损耗As=0.1 dB ，单盘光缆长度2 km。 Dsr=1200ps/nm，Dm=17ps/(nm·km)，计算中继段长度。
• 不可用性指在一个观察期内的不可用时间所占的 百分比，也称为不可用性比率（UR）
• 不可用时间的持续时间必须大于10s； • 较短时间的性能恶化用“误块秒”或“严重误块
秒”来度量，而不作为可用性性能的一部分。
AR + UR = 1
4.4 光纤放大器及其在光纤通信系统 中的应用
4.4.1 掺饵光纤放大器
注：泵浦（pump，抽运）
LD和EDF 区别
外加源 输入信号 工作物质 输出信号 工作机理 放大作用
半导体激光器 正向电压 电信号 半导体 光信号 受激辐射 谐振腔
EDFA 激光 光信号 掺铒光纤 光信号 受激辐射 光纤本身
四、掺铒光纤放大器结构
隔离器 输入
掺 铒 光纤 (ED F)
熔接头
泵 浦 激光 (98 0 nm或 14 80 nm)
非线性光纤放大器：利用强的光源对光纤进行激发，使光 纤产生非线性效应，而出现喇曼散射。
激发的光功率>阈值 （0.5~1W）
Pump在几~十几w
掺铒光纤放大器(EDFA） Erbium Doped Fiber Amplifier
三、掺铒光纤放大器工作原理（1）
掺 铒 高密 度 带 (1 00 ～ 20 00 ppm)
• G.655光纤 G.655光纤是非零色散位移单模光纤，是传输光纤中的 新成员，适合应用于采用密集波分复用的大容量的骨干 网中。
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
光传输设计
• 各种拓扑结构的网络都是建立在点到点基础上的，所 以S-R点之间的光传输距离确定是光纤传输网络/系统 设计的基础。
什么因素影响传输距离？？ 损耗 色散
WD M耦 合 器
滤波器
泵浦波长为1480nm、980nm 信号波长为1550nm
泵浦光在光纤中的路线
信号光在光纤中的放大过程
四、掺铒光纤放大器结构（三种）
同向泵浦： 易于实现 易饱和 噪声大
四、掺铒光纤放大器结构（三种）
反向泵浦： 不易饱和 噪声低
四、掺铒光纤放大器结构（三种）
1）发送端进入光纤的光信号功率(PT) 2）接收端可容许的最低光功率（灵敏度PR） 3）系统富裕度（余量）
4）传输衰减特性:
系统富裕度分为两部分： （1）光缆富余度Mc (dB/ km) （2）设备富余度Me (dB)
总富裕度=MCL+Me
发端功率-收端功率=富裕度+损耗
活动连接器损耗Ac
PT
• 发送、接收、中继、分插及交叉连接设备是组成光纤 传输链路的必要元素，选择性能好、可靠性高、兼容 性好的设备是系统设计成功的重要保障。
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
光纤/光缆选型
• G.652光纤 G.652光纤/光缆为1310nm波长性能最佳单模光纤（或 称非色散位移光纤），是目前最常用的单模光纤。
4.2 数字光纤通信系统和总体设计
光再生段模型
光传输设计方法
• 最坏值设计法 • 联合设计法 • 统计设计法（包括半统计设计法）
再生段设计
再生段设计
损耗受限系统 －再生段距离 由S和R点之间 的光通道损耗 决定
色散受限系统 －再生段距离 由S和R点之间 的光通道总色 散所决定
1.损耗受限系统影响因素：
• G.653光纤 G.653光纤/光缆为1550nm波长性能最佳的单模光纤/光 缆。容易产生严重的四波混频效应，不支持波分复用 系统，故G.653光纤仅用于单信道高速率系统。目前基 本不采用。