第4章光纤通信系统(无水印)
合集下载
光纤通信系统
• 使用不同旳 • 线路编码，光端机旳输出信号速率不同。所以在PDH
系统中仅具有原则旳电接口，而无原则旳光接口。 • 但在SDH系统中，SDH信号速率与其线路速率是相同
旳。
4
4.1.2 IM-DD光纤通信系统旳构 造
1．光发射机 2．光接受机 3．光纤通信系统
5
1．光发射机
(1) 光源旳调制特征 • 光源所采用旳调制方式涉及内调制和外调制
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旳影响 4.3 噪声及敏捷度分析
1
4.1 IM-DD光纤通信系统
4.1.1 光纤通信中旳线路码型 4.1.2 IM-DD光纤通信系统旳构造
2
4.1.1 光纤通信中旳线路码型
• 在数字光纤通信系统中所传播旳信号是数字信 号，而由互换机送来旳电信号符合ITU-T所要求 旳脉冲编码调制(PCM)通信系统中旳接口码速 率和码型 。
36
2．光接受机
⑥ 光接受机旳动态范围和自动增益控制 • 光接受机旳自动增益控制(AGC)就是用反馈环路来控
制主放大器旳增益，在采用雪崩管旳光接受机中还经 过控制雪崩管旳高压来控制雪崩管旳雪崩增益。
37
2．光接受机
• 图4-23 自动增益控制工作原理方框图
38
2．光接受机
⑦ 解扰、解复用和码型变换电路 • 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。 • 还需将判决器输出旳信号进行解扰码和码型变
21
2．光接受机
② 前置放大器 • 因为这个放大器与光电检测器紧紧相连，故称前置放
大器。 • 对多数放大器旳前级提出尤其旳要求是非常必要旳，
它应具有低噪声、高增益旳特征，这么才干得到较大 旳信噪比。 • 因为跨阻型前置放大器不但具有宽频带、低噪声旳优 点，而且其动态范围也比高阻型前置放大器改善诸多， 所以在光纤通信中得到广泛旳使用。
系统中仅具有原则旳电接口，而无原则旳光接口。 • 但在SDH系统中，SDH信号速率与其线路速率是相同
旳。
4
4.1.2 IM-DD光纤通信系统旳构 造
1．光发射机 2．光接受机 3．光纤通信系统
5
1．光发射机
(1) 光源旳调制特征 • 光源所采用旳调制方式涉及内调制和外调制
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旳影响 4.3 噪声及敏捷度分析
1
4.1 IM-DD光纤通信系统
4.1.1 光纤通信中旳线路码型 4.1.2 IM-DD光纤通信系统旳构造
2
4.1.1 光纤通信中旳线路码型
• 在数字光纤通信系统中所传播旳信号是数字信 号，而由互换机送来旳电信号符合ITU-T所要求 旳脉冲编码调制(PCM)通信系统中旳接口码速 率和码型 。
36
2．光接受机
⑥ 光接受机旳动态范围和自动增益控制 • 光接受机旳自动增益控制(AGC)就是用反馈环路来控
制主放大器旳增益，在采用雪崩管旳光接受机中还经 过控制雪崩管旳高压来控制雪崩管旳雪崩增益。
37
2．光接受机
• 图4-23 自动增益控制工作原理方框图
38
2．光接受机
⑦ 解扰、解复用和码型变换电路 • 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。 • 还需将判决器输出旳信号进行解扰码和码型变
21
2．光接受机
② 前置放大器 • 因为这个放大器与光电检测器紧紧相连，故称前置放
大器。 • 对多数放大器旳前级提出尤其旳要求是非常必要旳，
它应具有低噪声、高增益旳特征，这么才干得到较大 旳信噪比。 • 因为跨阻型前置放大器不但具有宽频带、低噪声旳优 点，而且其动态范围也比高阻型前置放大器改善诸多， 所以在光纤通信中得到广泛旳使用。
第四章_光纤通信系统原理.ppt
Chapter 4 光纤通信系统原理
16
数字光发射机设计原则
数字光发射机核心:光源和电路 光源:实现电/光转换的关键器件，在很大程度上 决定着光发射机的性能。 电路:其设计应以光源为依据，使输出光信号准确 反映电信号。
Chapter 4 光纤通信系统原理
17
光发射机的控制电路（辅助电路）
光源的控制电路:温度控制（ATC） 和功率控制 （APC）电路，它们的作用:消除温度变化和器件 老化的影响,稳定发射机性能。 其它的控制电路:光源慢启动保护电路、激光器 反向冲击电流保护电路、激光器过流保护电路和 激光器关断电路。
的 PIN监测LD后向输出的光，根据PIN输出的大
小而自动地改变对LD的偏置电流，使其输出光
功率保持恒定。
可能引起激光器输出功率变化的两个因素
是芯片温度的变化和激光器的老化效应 。
Chapter 4 光纤通信系统原理
28
自动功率控制电路
R1 PIN
VEE
+ V1 - A1
-
V2
+ A2
VR
LD
Ib
Chapter 4 光纤通信系统原理
8
LD 调制特性
(1) 电光延迟 (2) 张驰振荡 (3) 小信号输入的频率响应 (4) 频率啁啾
Chapter 4 光纤通信系统原理
9
外调制
光源内调制 的优点是电路简单容易实现，但是， 在高码速下将使光源的性能变坏，因此需要对光 源的外调制方式。 目前使用的外调制方式有：
R3
C2
Rf Re
VCC T3
R5
Chapter 4 光纤通信系统原理
48
线性能道
光接收机的线性通道： 由一个高增益的 主放大 器和一个均衡滤波器组成，此外，还应包括 检 测 和 自 动 增 益 控 制 (AGC) 电 路 ， 用 来 控 制 放 器增益。
光纤通信系统中文教材PPT文档共149页
光纤通信系统中文教材
第一章 绪 论
通信系统将信息从一个地方传送到另一个地方，距离可能是几米，也可能是几万公里。要 传送的信息通常被电磁波携带，其频率在几兆赫兹到几百太（1012）赫兹。光通信系统采用电磁 波谱中可见光或近红外区域的高频电磁波（约 100THz），为了与载波频率在 1GHz 量级的微波通 信系统相区分，通常称其为光波通信系统。光纤通信系统就是利用光纤进行光传输的通信系统， 自 1980 年以来在世界上得到广泛应用，使电信技术发生了根本变革。光波技术与微电子技术一 起并称为信息时代的基石。本讲义将全面阐述光纤通信系统，重点讲解光纤通信系统的理论基础， 工程技术方面的问题也作了简要讨论。本章将介绍光纤通信的发展史以及一些基本概念和背景知 识。1.1 节介绍光纤通信的发展史，1.2 节介绍了光纤通信系统的基本组成及其优缺点，1.3 节介 绍了模拟和数字信号、信道复用、调制格式、同步数字体系和异步转移模式等一些基本概念。
为 8×2.5Gbit/s 速率的实用化 OADM 和 4×4 的实用化 OXC，于 2000 年完成这些开发工作并连成 试验网，检验自愈环和保护恢复功能。IP over WDM 帧结构和试验平台的研究工作也已经开始， 为二十一世纪光纤通信研发工作打基础的 4×2.5Gbit/sOTDM 实验模型的研究工作也同时进行。 以宽带光纤传送网为目标的下一代光网络的研究已全面展开。
1
率的 SDH 系统技术，民族电信企业开发的 SDH 产品销售额已超过 10 亿元，初步形成了具有自 主知识产权的 SDH 产品。
波分复用系统的开发可以说是我国光纤通信系统开发的第三个阶段，研究工作是从 1993 年 开始的，863 计划立项支持北大、清华进行 4x622Mbit/sWDM 系统的研制研究成果用于广州—— 深圳 WDM 工程上，构成一个 4x2.5Gbit/s 系统。在 863 计划的继续支持下，武汉邮科院与邮电 五所分别与高校合作，于 1998 年完成了 8X2.5Gbit/sWDM 系统的开发，并先后应用在济南—— 青岛和广州——汕头干线工程中，目前正在安排开发 16X10Gbit/s 系统。与 WDM 系统一道开发 的还有合波器、分波器、色散补偿用光纤光栅、符合 DWDM 波长标准的激光器、掺饵光纤放大 器、非零色散位移光纤等，上述开发工作的完成，为我国 WDM 产业打下基础。在安排开发更大 容量 WDM 系统的同时，863 计划又安排了开发基于波分复用的光分插复用器 OADM 和光叉连 接设备 OXC，在 1998 年 OADM 与 OXC 实验模型成果的基础上，着手开发具有 6 端口每一端口
第一章 绪 论
通信系统将信息从一个地方传送到另一个地方，距离可能是几米，也可能是几万公里。要 传送的信息通常被电磁波携带，其频率在几兆赫兹到几百太（1012）赫兹。光通信系统采用电磁 波谱中可见光或近红外区域的高频电磁波（约 100THz），为了与载波频率在 1GHz 量级的微波通 信系统相区分，通常称其为光波通信系统。光纤通信系统就是利用光纤进行光传输的通信系统， 自 1980 年以来在世界上得到广泛应用，使电信技术发生了根本变革。光波技术与微电子技术一 起并称为信息时代的基石。本讲义将全面阐述光纤通信系统，重点讲解光纤通信系统的理论基础， 工程技术方面的问题也作了简要讨论。本章将介绍光纤通信的发展史以及一些基本概念和背景知 识。1.1 节介绍光纤通信的发展史，1.2 节介绍了光纤通信系统的基本组成及其优缺点，1.3 节介 绍了模拟和数字信号、信道复用、调制格式、同步数字体系和异步转移模式等一些基本概念。
为 8×2.5Gbit/s 速率的实用化 OADM 和 4×4 的实用化 OXC，于 2000 年完成这些开发工作并连成 试验网，检验自愈环和保护恢复功能。IP over WDM 帧结构和试验平台的研究工作也已经开始， 为二十一世纪光纤通信研发工作打基础的 4×2.5Gbit/sOTDM 实验模型的研究工作也同时进行。 以宽带光纤传送网为目标的下一代光网络的研究已全面展开。
1
率的 SDH 系统技术，民族电信企业开发的 SDH 产品销售额已超过 10 亿元，初步形成了具有自 主知识产权的 SDH 产品。
波分复用系统的开发可以说是我国光纤通信系统开发的第三个阶段，研究工作是从 1993 年 开始的，863 计划立项支持北大、清华进行 4x622Mbit/sWDM 系统的研制研究成果用于广州—— 深圳 WDM 工程上，构成一个 4x2.5Gbit/s 系统。在 863 计划的继续支持下，武汉邮科院与邮电 五所分别与高校合作，于 1998 年完成了 8X2.5Gbit/sWDM 系统的开发，并先后应用在济南—— 青岛和广州——汕头干线工程中，目前正在安排开发 16X10Gbit/s 系统。与 WDM 系统一道开发 的还有合波器、分波器、色散补偿用光纤光栅、符合 DWDM 波长标准的激光器、掺饵光纤放大 器、非零色散位移光纤等，上述开发工作的完成，为我国 WDM 产业打下基础。在安排开发更大 容量 WDM 系统的同时，863 计划又安排了开发基于波分复用的光分插复用器 OADM 和光叉连 接设备 OXC，在 1998 年 OADM 与 OXC 实验模型成果的基础上，着手开发具有 6 端口每一端口
光纤通信系统
包裹在一个保护套中，
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
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
光纤通信系统
第一章概论光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载体的通信系统，主要由光发电机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。
光线通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。
不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机的带有信息的电信号，都可以调制转换为光信号。
光载波经过光纤线路传输到接收端。
再由光接收机把光信号转换为电信号。
光纤的主要作用：利用光的全反射原理传递光学信号，其优点是信号损耗小，抗干扰能力强。
与电缆或微波等电通信方式相比，光通信优点：（1）通信容量大（2）中继距离长（3）保密性能好（4）适应能力强（5）体积小、重量轻，便于施工维护（6）原材料资源丰富，节约有色金属和能源，潜在价格低廉。
光纤通信中常用的三个低功耗窗口的中心波长为：0.85微米 1.31微米 1.55微米其中后两个的应用更为广泛。
基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元，若配置适当的接口设备，则可以插入现有的数字通信系统或模拟通信系统，有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间。
光发射机、光纤线路和光接收机，若配置适当的光器件，可以组成传输能力更强、功能更完善的光纤通信系统。
光发射机的功能是把输入的电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。
光发射机由光源、驱动器和调制器组成。
其中，光源是光发射机的核心。
光发射机的性能基本上取决于光源的特性，对光源的要求是输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。
光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变（失真）和衰减传输到光接收机。
光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。
光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。
实际工程中使用的是容纳多根光纤的光缆。
光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。
光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成，光检测器是光接收机的核心，对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。
光纤通信系统 第四讲 光器件(1)幻灯片PPT
…
…
T形
星形
(a)
(b)
1
2
1 2
1＋2＋N
…
4
3
N
定向
波分
(c)
(d)
常用耦合器的类型
2. 耦合器的结构有许多种类型，其中比较实用和有
发展前途的有光纤型、微器件型和波导型，图示 这三种类型的有代表性器件的基本结构
光纤型
(a)定向耦合器； (b) 8×8星形耦合器； (c) 由12个2×2耦合器组成的 8×8星形耦合器
克尔(Kerr)效应：晶
体折射率与外加电场幅 度的平方成比例变化
电光调制器主要利用普科尔(Pocket)效应.
晶体折射率随外加电场而 变化。具有非常好的消啁 啾特性，适合于高速系统 的超长距离传输。但调制 器的插入损耗大，需要较 高的驱动电压(典型值为 4V)，难以与光源集成， 而且对偏振敏感。
40Gb/s LiNbO3 Modulator
SOP Light in
Polarizer
Blocked
Faraday rotator
Light out Polarizer
Reflect light
与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理
光环形器
基本原理：工作原理等同于隔离器，
光传送顺序：12 3 4 （三端口，四端口，多端口）
主要特性： • 插入损耗
•作用: 实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解 复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光转换、 光信号放大、光信号调制等功能。是构成光纤通信系统的 必备元件。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。
•类型：无源、有源 包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光
精品文档-光纤通信技术(田国栋)-第4章
第4章 光纤传输体系与光网络 表4.2 SDH与SONET的标准速率
等级 STM-1 STM-4
S TM-16 S TM-24
SDH
速 度（ Mbit/s ） 速度（ M bit/s）
51.8 40
155 .520
155.520
466.560
622 .080
622.080
933.120
1244. 160
第4章 光纤传输体系与光网络 图4.1 STM－N帧结构
第4章 光纤传输体系与光网络
在图4.1中，SOH(SectionOverhead)为段开销，是为保证 信息正常运行灵活传送所附加的字节，用于网络的运行、管理、 维护及指配的字节。第1～3行和1～9×N列为再生段开销 (RSOH，RegeneratorSection Ovethead) 段，可在再生器接入，也可在终端设备接入；第5～9行和1～ 9×N列为复用段开销(MSOH，MultiplexerSection Overhead)，负责管理由若干再生段组成的复用段，它将透明 地通过每个再生段，只能在管理单元组(AUG)进行组合或分解 的地方才能接入或终结。第4行9个字节为管理单元指针 (AUPTR)，用于指示信息净负荷的第一个字节在STM－N中的准 确位置，以便接收段能正确地分解出支路信号。第1～9行和第 10×N～270×N列的区域内共有2349×N个字节构成了信息净 负荷区(Payload)，用于存放各种业务。其中，第10列9字节 为通道开销(POH，PathOverHead)，用于通道性能监视、管理 和控制。
第4章 光纤传输体系与光网络
2.SDH的帧结构 SDH的基础是它的帧结构，而实现SDH网络管理的是它的 开销。理想的SDH结构应能适应同步数字复用、交叉连接和交 换的功能，同时又能使支路信号在一帧内分布均匀、规则和可 控，便于接入和取出。 SDH中数据传输是以帧为单位进行的，帧时间长度叫帧周 期(或帧长)，以字节为最小单元(每个字节含8bit)。它由9行 和270×N字节组成块状帧结构，如图4.1所示。发送顺序为从 左至右，从上至下。块状帧结构的传送方向上SDH一帧的长度 为125US，即每秒传1/(125×10－6)=8000帧，传送STM－N模块 的速率为8×9×270×N×8000bit/s。对于STM－1模块而言， 一帧的长度为2430(=9×270)字节，相当于 2430×8bit=19440bit，传输速率为 9×270×8×1×8000bit/s=155.520Mb/s。
光纤通信系统模型课件
谢谢您的聆听
THANKS
拉曼放大器
拉曼放大器利用拉曼散射 效应实现光的放大，具有 较宽的放大带宽和较低的 噪声。
半导体光放大器
半导体光放大器利用半导 体材料实现光的放大，具 有较高的响应速度和较低 的成本。
光接收技术
光电二极管
光电倍增管
光电二极管可以将光信号转换为电信 号，是光纤通信中的主要光接收器件 。
光电倍增管可以将微弱的光信号转换 为电信号，具有较高的灵敏度和较低 的噪声。
雪崩光电二极管
雪崩光电二极管具有较高的灵敏度和 较低的噪声，适用通信系统应用
电信网络
固定电话网络
光纤通信系统为固定电话网络提 供传输通道，支持语音通话和数
据传输。
长途和国际通信
光纤通信系统具有大容量和高速 度的传输能力，适用于长途和国
际通信网络的建设。
宽带接入
广播电视网
节目传输
光纤通信系统用于广播电视节目的传输，提供高 质量的视频和音频信号。
有线电视网络
光纤通信系统构建有线电视网络，实现信号的分 配和传输。
直播卫星
光纤通信系统支持直播卫星信号传输，为广播电 视节目的直播提供可靠保障。
05
光纤通信系统发展趋势
超高速率、超大容量、超长距离传
总结词
随着人们对信息传输需求的不断增长，光纤通信系统正朝着超高速率、超大容量 和超长距离的方向发展。
光纤通信系统可以提供高速宽带 接入服务，支持互联网接入、云
计算和大数据等应用。
电力通信网
调度自动化
光纤通信系统为电力通信网提供可靠的传输通道，支持调度自动 化系统的实时数据传输。
配电网自动化
光纤通信系统应用于配电网自动化建设，实现远程监控、控制和保 护等功能。
《光纤通信系统绪论》课件
Part
03
光纤通信系统的关键技术
光纤技术
01
光纤材料
光纤通常由石英或塑料制成，具有低损耗和高透明度的特性，是光信号
传输的媒介。
02 03
光纤类型
根据传输模式的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤只传 输单一模式的光信号，适用于长距离传输；多模光纤传输多个模式的光 信号，适用于短距离传输。
详细描述
光纤通信系统的网络化将实现不同网络之间的互联互通，形成一个全球化的信息传输网 络。这将促进信息社会的深度融合和智能化，推动各行业之间的跨界合作和创新发展。 同时，光纤通信系统的网络化也将带来新的安全挑战，需要采取有效的安全措施和技术
手段来保障网络的安全稳定运行。
THANKS
感谢您的观看
光的调制
2
在发送端，利用调制器将
需要传输的信息加载到光
信号上。
光的解调
3 在接收端，利用解调器将
加载了信息的光信号还原 为原始信号。
光纤通信系统的应用领域
长途通信
光纤通信具有传输距离远、传输 容量大等优点，广泛应用于长途 通信网络。
军事应用
光纤通信技术在军事领域也具有 广泛的应用，如军事通信网络、 导弹制导系统等。
1970年代
光纤通信进入实用化阶段，开始 出现光纤通信实验系统。
1980年代
光纤通信进入大规模商用阶段， 光纤开始应用于长途通信网络。
光纤通信系统的基本原理
光的传输
光线在光纤中传输，通过 1
全反射原理保持光信号的 稳定传输。
光的放大
4பைடு நூலகம்
在传输过程中，利用光放 大器对光信号进行放大， 以补偿光信号的损耗。
传输距离
光纤通信系统 精品课件
❖ 信源的作用是产生（形成）消息。信源分为模拟信源和数 字信源。
❖ 发信机的作用是将消息变换成适于在信道中传输的信号。 ❖ 信道是将信号从发信机传输到收信机的媒质或途径。 ❖ 收信机的作用与发信机相反，完成解调、解码等任务，将
信号转换为信息。 ❖ 信宿的作用是将复原的原始信号转换成相应的信息，是传
输信息的归宿点。
(2) 第二代光纤通信系统
❖ 20世纪80年代初，第二代早期多模光纤通信系（1.3μm多 模光纤通信系统）问世。光源为 InGaAsP 半导体激光器， 工作波长λ= 1.3μm 。
(3) 第三代光纤通信系统 ❖ 1990年，第三代光纤通信系统已能提供商业应用。光源为
铟镓砷磷(InGaAsP)半导体激光器，光电探测器与第二代 光纤通信系统同为锗光电探测器，信道为单模光纤（工作 波长为1.55μm）。该系统是工作在λ= 1.55μm长波波段的 单模光纤通信系统，为长波光纤通信系统。
(4) 按信息传递的方向与时间关系进行分类 可分为单工通信、半双工通信和双工通信。 (5) 按调制方式进行分类 可分为基带传输通信和调制传输通信。 (6) 按传输信号的复用方式进行分类 可分为频分复用、时分复用、码分复用三种复用方式的通 信。
1.2 光纤通信技术的发展
1.2.3 光通信概述
1．基本概念 ❖ 从广义上讲，凡是用光作为信息载波信号的通信称为光通
ν为光在介质中的速度 (n 。c/v)
1.2 光纤通信技术的发展
❖ 在光通信系统中，除了一些特殊场合使用可见光之外，现 代光纤通信系统一般使用近红外光，典型波长为 1300 nm 和 1500 相nm应的频率分别为 230 THz 和193 THz 。
2．光通信系统的分类与特点
❖ 光通信系统可分为两类：大气激光系统（无线光通信）和 光纤通信系统（有线光通信）。
❖ 发信机的作用是将消息变换成适于在信道中传输的信号。 ❖ 信道是将信号从发信机传输到收信机的媒质或途径。 ❖ 收信机的作用与发信机相反，完成解调、解码等任务，将
信号转换为信息。 ❖ 信宿的作用是将复原的原始信号转换成相应的信息，是传
输信息的归宿点。
(2) 第二代光纤通信系统
❖ 20世纪80年代初，第二代早期多模光纤通信系（1.3μm多 模光纤通信系统）问世。光源为 InGaAsP 半导体激光器， 工作波长λ= 1.3μm 。
(3) 第三代光纤通信系统 ❖ 1990年，第三代光纤通信系统已能提供商业应用。光源为
铟镓砷磷(InGaAsP)半导体激光器，光电探测器与第二代 光纤通信系统同为锗光电探测器，信道为单模光纤（工作 波长为1.55μm）。该系统是工作在λ= 1.55μm长波波段的 单模光纤通信系统，为长波光纤通信系统。
(4) 按信息传递的方向与时间关系进行分类 可分为单工通信、半双工通信和双工通信。 (5) 按调制方式进行分类 可分为基带传输通信和调制传输通信。 (6) 按传输信号的复用方式进行分类 可分为频分复用、时分复用、码分复用三种复用方式的通 信。
1.2 光纤通信技术的发展
1.2.3 光通信概述
1．基本概念 ❖ 从广义上讲，凡是用光作为信息载波信号的通信称为光通
ν为光在介质中的速度 (n 。c/v)
1.2 光纤通信技术的发展
❖ 在光通信系统中，除了一些特殊场合使用可见光之外，现 代光纤通信系统一般使用近红外光，典型波长为 1300 nm 和 1500 相nm应的频率分别为 230 THz 和193 THz 。
2．光通信系统的分类与特点
❖ 光通信系统可分为两类：大气激光系统（无线光通信）和 光纤通信系统（有线光通信）。
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
() 10 log( Po ) 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.
36
4.2 光纤与光缆
2.色散
理想光源应是频率单一的单色光，但现实光 源信号不纯，含有不同的波长成分，在折射率为 n1的光纤介质中传输速度不同，从而导致光信号 分量产生不同延迟，这种现象称为光纤的色散。
1974年，美国贝尔实验室制造出1dB/km损耗的低损耗 光纤。
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
我们今天所说的光通信已不再是用可见光进行的 视觉通信，而是采用光波作为载波来传递信息的 通信方式。
两个关键问题：
一是必须有稳定的、低损耗的传输媒质；
二是必须要找到高强度的、可靠的光源。
数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”（不 发光）
光纤通信的优点
光纤通信的优点
引言
一个半世纪以来人类通信能力增长示意图
公 里 Ｘ 每 秒 比 特
21
4.1 光纤通信概述
4.1.2 光纤通信的特点 不足：光纤质地脆弱
易断，敷设时的弯曲 半径不宜太小
22
4.2 光纤与光缆
✓光纤与光缆的结构 ✓光纤的导光原理
Bell的光电话没能得到普及使用
2
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
Bell光电话的弱点：光信号是在大气中直接传递 的，敏感、易受干扰、传输距离近（几百米）
光纤通信的瓶颈：光波在大气中被吸收、反射、 折射、干扰，严重限制了传输距离
解决方法：
挖地下管道来传输 地下通道在几何上必须严格，且要放置许多反射
传播速度由折射率决定，折射率越大，速度越低。 靠近中心的地方，传输速度较慢，让纤芯折射率较大
4.2 光纤与光缆
2. 光纤的分类
多模光纤按照折射率分布，又分为：阶跃型和渐变型
纤芯 纤芯 纤芯 纤芯
n(r)
n1 n1
n2
n2
包层
包层
r
2a
2b
(a) 阶跃型光纤折射率分布图
n(r)
n1
n2
n2
包层
反射角=入射角，折射角>入射角 当入射角较大时，在交界面上，全部入射光都被反
射回水中，这就是全反射。
光纤的诞生
可以制造透明的光导体，使得入射的光波信号在其中 不断地全反向，最终传到接收端。
这种导体叫做——光导纤维
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
1950年研制出了用玻璃制成的光纤，然而损耗较大， 信号每传输10米，能量损耗达90%
4.2 光纤与光缆
2. 光纤的分类
多模光纤中的模间色散：
不同模式的光信号走过的距离不同，入射角越小，传 播路径越长，而在纤芯中传输速度又是一样的，所以 到达接收端的时间不同，这使得不同模式的信号出现 了时间上的差距，称为模间色散。
解决方法：改变各种光的传播速度，让距离远的光， 速度加快，距离近的光，速度放慢。
9
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
对光源的要求
波长与低损耗“窗口”一致：0.85微米，1.31 微米或1.55微米左右
光谱单色性要好，减少色散对带宽的限制 电/光转换效率要高 发射光束的稳定性要好 调制速率高，响应速度快 温度稳定性好，可靠性高，寿命长 体积小、重量轻，安装方便，价格便宜
多模光纤主要考虑模式色散，单模光纤主要考 虑材料色散和波导色散。
38
单模光纤中的色散系数与波长关系
色散系数ps/(nm.km)
40
Dm和Dw分别代表材料和波导色散
30
Dm
2a=11μm
20
Dm+Dw
10
B
2a=4.5μm
-10
A
2a=11μm Dw
-20
2a=4.5μm
λ(μm)
-30
1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0
4.2 光纤与光缆
3.非线性效应
非线性效应在波分复用信道间产生串话和功 率降低代价，限制光纤通信的传输容量和最大传 输距离，影响系统的设计参数。
光纤中的非线性效应分为两类:非弹性过程和 弹性过程。
40
4.2.4 光缆
分类方法 按用途 按敷设方式 按传输模式 按结构 按外护套结构
光缆的分类
光缆种类 长途光缆、短途中继光缆、室内光缆、混合光缆 直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆 单模光缆、多模光缆（阶跃型、渐变型） 层绞式、骨架式、大束管式、带式、单元式 无铠装、钢带铠装、钢丝铠装
4.2 光纤与光缆
2. 光纤的分类
按模式分：多模光纤，单模光纤 模式——电磁场分布
从几何学角度看，每根以不同角度入射到光纤中的光射 线都有不同于其它光射线的模式。
当光纤纤芯的几何尺寸大于光波波长时，光可以以多种 模式传输，形成多模光纤，纤芯直径约50-70μm
单模光纤纤芯直径只有5-10 μm
按光缆中有无金属 有金属光缆、无金属光缆
按维护方式
充油光缆、充气光缆
41
几种光缆的结构
裸光纤 涂敷层 紧套被覆层 芳纶纱加强元件 外护套
(a)室内单芯软光缆
被覆光纤 中心加强芯
薄膜绕包防水层
外护层
裸光纤 套管填充 缆芯填充
聚乙烯内护套 阻水材料 涂塑钢带
聚 多芯地下直埋光缆
包层 r
2a
2b
(b) 渐变型光纤折射率分布图
4.2 光纤与光缆
4.2.2 光纤的导光原理
在光学理论中，当传输媒介的几何尺寸远大于 光波波长时，可以把光表示成其传播方向上的一 条几何线，称为光射线。用光射线来分析光传播 特性的方法，称为射线法。下面通过射线法来分 析光在阶跃型光纤中的导光原理。
31
4.2 光纤与光缆
1.光的反射与折射定律
θ入=θ反
sin入 n2 sin折 n1
当θ折>900时，折射光线会反射回到纤 芯进行传播，这种现象称为全反射
包层 n2
θ折
折射光
纤芯 n1
入射光
θ入 θ反
反射光
32
4.2 光纤与光缆
2.光纤中的全反射传输
调整入射角θ，使得θ折2>90度而发生全反射：
✓ 直接调制（强-直调制）：利用电信号调制光 波的幅度，驱动电路输出“0”、“1”脉冲信号 直接控制光源的发光强度。适用于光源为低速的 半导体发光二极管（LED）的情况。
✓ 外腔调制（相干光调制）：把激光送入到外腔 调制器，然后用电数字信号控制调制器，适用于 高速激光器（LD）调制。外调制可选择调制光波 的频率或相位。
48
4.3光纤通信系统
例子：一种直接调制的共发射极驱动电路
+ Vc LED
光功率 P
输出光信号脉冲
C1
R2
O
Ui
Uo
R1
R3
电流 I
输入电信号脉冲
( a ) 共发射机驱动电路 ( b )
电脉冲信号直接调制效果图
镜或透镜
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
相比之下，由于金属中的电子可以自由移动，所 以电通信中的电缆不需要精密的几何结构
光波也是电磁波，是否能找到一种光导线，能够 方便高效地传输光波呢？
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
光的全反射：光从水（或玻璃）中射到空气中时， 在两者的交界面上，一部分光线发生反射，另一部 分发生折射。
LD
控制电 路
(b) 外腔调制
46
思考：
为什么不直接把原始信号变成光信号，并在 光纤中传输？
尽管电信号从远距离传输的效果上不如光纤 中的光信号，但就整个领域来看，电信号依 然是信息时代的主力。对于电信号的存储、 处理、分析、转换已经形成了相当完善的一 套机制。
4.3光纤通信系统
3. 光端机的调制方式
光缆
中继器
中继器
光缆
光 检 测
光接收端 机
电接收端 信宿 机
44
4.3光纤通信系统
1. 电发送端机
把信源消息转换成电数字信号。
45
4.3光纤通信系统
2. 光发送端机
光源的调制有直接调制或外调制两种方式：
电信号 线路编 驱动电 码路
光信号 LED
电信号 线路编 驱动电 外腔调制 光信号 码路 器
控制电路 (a) 直接调制
光纤通信是以光波作为 载体，以光导纤维作为传 输媒介的一种通信技术。
载波：波长0.8-2微米的 近红外光波
特点：宽带、大容量、低 损耗、长中继、抗电磁干 扰、体积小、重量轻、便 于敷设等优点，成为当代
长途通信最主要的手段。
16
光纤通信系统框图
如何让光波携带信息？
数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉 冲
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
激光——物质（红宝石、砷化镓等）受激跃 迁辐射所发出的一种特殊光。
具有良好的相干性、单色性、方向性和极高
的亮度。
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
1960年，美国加州休斯实验室第一台固体红宝石 激光器
1961年，美国贝尔实验室氦-氢气体激光器 1970年，美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光器
光缆缆芯 钢丝铠甲抗拉件 耐压层 外护层
(c) 中心强度结构无金属光缆
(d) 深海专用光缆
4.2 光纤与光缆
43
4.3光纤通信系统
光纤通信系统是以光为载波，以光导纤维为传 输媒介来传输消息的通信系统。光纤通信系统主 要由电端机、光端机、光中继器和光缆组成。
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.
36
4.2 光纤与光缆
2.色散
理想光源应是频率单一的单色光，但现实光 源信号不纯，含有不同的波长成分，在折射率为 n1的光纤介质中传输速度不同，从而导致光信号 分量产生不同延迟，这种现象称为光纤的色散。
1974年，美国贝尔实验室制造出1dB/km损耗的低损耗 光纤。
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
我们今天所说的光通信已不再是用可见光进行的 视觉通信，而是采用光波作为载波来传递信息的 通信方式。
两个关键问题：
一是必须有稳定的、低损耗的传输媒质；
二是必须要找到高强度的、可靠的光源。
数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”（不 发光）
光纤通信的优点
光纤通信的优点
引言
一个半世纪以来人类通信能力增长示意图
公 里 Ｘ 每 秒 比 特
21
4.1 光纤通信概述
4.1.2 光纤通信的特点 不足：光纤质地脆弱
易断，敷设时的弯曲 半径不宜太小
22
4.2 光纤与光缆
✓光纤与光缆的结构 ✓光纤的导光原理
Bell的光电话没能得到普及使用
2
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
Bell光电话的弱点：光信号是在大气中直接传递 的，敏感、易受干扰、传输距离近（几百米）
光纤通信的瓶颈：光波在大气中被吸收、反射、 折射、干扰，严重限制了传输距离
解决方法：
挖地下管道来传输 地下通道在几何上必须严格，且要放置许多反射
传播速度由折射率决定，折射率越大，速度越低。 靠近中心的地方，传输速度较慢，让纤芯折射率较大
4.2 光纤与光缆
2. 光纤的分类
多模光纤按照折射率分布，又分为：阶跃型和渐变型
纤芯 纤芯 纤芯 纤芯
n(r)
n1 n1
n2
n2
包层
包层
r
2a
2b
(a) 阶跃型光纤折射率分布图
n(r)
n1
n2
n2
包层
反射角=入射角，折射角>入射角 当入射角较大时，在交界面上，全部入射光都被反
射回水中，这就是全反射。
光纤的诞生
可以制造透明的光导体，使得入射的光波信号在其中 不断地全反向，最终传到接收端。
这种导体叫做——光导纤维
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
1950年研制出了用玻璃制成的光纤，然而损耗较大， 信号每传输10米，能量损耗达90%
4.2 光纤与光缆
2. 光纤的分类
多模光纤中的模间色散：
不同模式的光信号走过的距离不同，入射角越小，传 播路径越长，而在纤芯中传输速度又是一样的，所以 到达接收端的时间不同，这使得不同模式的信号出现 了时间上的差距，称为模间色散。
解决方法：改变各种光的传播速度，让距离远的光， 速度加快，距离近的光，速度放慢。
9
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
对光源的要求
波长与低损耗“窗口”一致：0.85微米，1.31 微米或1.55微米左右
光谱单色性要好，减少色散对带宽的限制 电/光转换效率要高 发射光束的稳定性要好 调制速率高，响应速度快 温度稳定性好，可靠性高，寿命长 体积小、重量轻，安装方便，价格便宜
多模光纤主要考虑模式色散，单模光纤主要考 虑材料色散和波导色散。
38
单模光纤中的色散系数与波长关系
色散系数ps/(nm.km)
40
Dm和Dw分别代表材料和波导色散
30
Dm
2a=11μm
20
Dm+Dw
10
B
2a=4.5μm
-10
A
2a=11μm Dw
-20
2a=4.5μm
λ(μm)
-30
1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0
4.2 光纤与光缆
3.非线性效应
非线性效应在波分复用信道间产生串话和功 率降低代价，限制光纤通信的传输容量和最大传 输距离，影响系统的设计参数。
光纤中的非线性效应分为两类:非弹性过程和 弹性过程。
40
4.2.4 光缆
分类方法 按用途 按敷设方式 按传输模式 按结构 按外护套结构
光缆的分类
光缆种类 长途光缆、短途中继光缆、室内光缆、混合光缆 直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆 单模光缆、多模光缆（阶跃型、渐变型） 层绞式、骨架式、大束管式、带式、单元式 无铠装、钢带铠装、钢丝铠装
4.2 光纤与光缆
2. 光纤的分类
按模式分：多模光纤，单模光纤 模式——电磁场分布
从几何学角度看，每根以不同角度入射到光纤中的光射 线都有不同于其它光射线的模式。
当光纤纤芯的几何尺寸大于光波波长时，光可以以多种 模式传输，形成多模光纤，纤芯直径约50-70μm
单模光纤纤芯直径只有5-10 μm
按光缆中有无金属 有金属光缆、无金属光缆
按维护方式
充油光缆、充气光缆
41
几种光缆的结构
裸光纤 涂敷层 紧套被覆层 芳纶纱加强元件 外护套
(a)室内单芯软光缆
被覆光纤 中心加强芯
薄膜绕包防水层
外护层
裸光纤 套管填充 缆芯填充
聚乙烯内护套 阻水材料 涂塑钢带
聚 多芯地下直埋光缆
包层 r
2a
2b
(b) 渐变型光纤折射率分布图
4.2 光纤与光缆
4.2.2 光纤的导光原理
在光学理论中，当传输媒介的几何尺寸远大于 光波波长时，可以把光表示成其传播方向上的一 条几何线，称为光射线。用光射线来分析光传播 特性的方法，称为射线法。下面通过射线法来分 析光在阶跃型光纤中的导光原理。
31
4.2 光纤与光缆
1.光的反射与折射定律
θ入=θ反
sin入 n2 sin折 n1
当θ折>900时，折射光线会反射回到纤 芯进行传播，这种现象称为全反射
包层 n2
θ折
折射光
纤芯 n1
入射光
θ入 θ反
反射光
32
4.2 光纤与光缆
2.光纤中的全反射传输
调整入射角θ，使得θ折2>90度而发生全反射：
✓ 直接调制（强-直调制）：利用电信号调制光 波的幅度，驱动电路输出“0”、“1”脉冲信号 直接控制光源的发光强度。适用于光源为低速的 半导体发光二极管（LED）的情况。
✓ 外腔调制（相干光调制）：把激光送入到外腔 调制器，然后用电数字信号控制调制器，适用于 高速激光器（LD）调制。外调制可选择调制光波 的频率或相位。
48
4.3光纤通信系统
例子：一种直接调制的共发射极驱动电路
+ Vc LED
光功率 P
输出光信号脉冲
C1
R2
O
Ui
Uo
R1
R3
电流 I
输入电信号脉冲
( a ) 共发射机驱动电路 ( b )
电脉冲信号直接调制效果图
镜或透镜
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
相比之下，由于金属中的电子可以自由移动，所 以电通信中的电缆不需要精密的几何结构
光波也是电磁波，是否能找到一种光导线，能够 方便高效地传输光波呢？
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
光的全反射：光从水（或玻璃）中射到空气中时， 在两者的交界面上，一部分光线发生反射，另一部 分发生折射。
LD
控制电 路
(b) 外腔调制
46
思考：
为什么不直接把原始信号变成光信号，并在 光纤中传输？
尽管电信号从远距离传输的效果上不如光纤 中的光信号，但就整个领域来看，电信号依 然是信息时代的主力。对于电信号的存储、 处理、分析、转换已经形成了相当完善的一 套机制。
4.3光纤通信系统
3. 光端机的调制方式
光缆
中继器
中继器
光缆
光 检 测
光接收端 机
电接收端 信宿 机
44
4.3光纤通信系统
1. 电发送端机
把信源消息转换成电数字信号。
45
4.3光纤通信系统
2. 光发送端机
光源的调制有直接调制或外调制两种方式：
电信号 线路编 驱动电 码路
光信号 LED
电信号 线路编 驱动电 外腔调制 光信号 码路 器
控制电路 (a) 直接调制
光纤通信是以光波作为 载体，以光导纤维作为传 输媒介的一种通信技术。
载波：波长0.8-2微米的 近红外光波
特点：宽带、大容量、低 损耗、长中继、抗电磁干 扰、体积小、重量轻、便 于敷设等优点，成为当代
长途通信最主要的手段。
16
光纤通信系统框图
如何让光波携带信息？
数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉 冲
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
激光——物质（红宝石、砷化镓等）受激跃 迁辐射所发出的一种特殊光。
具有良好的相干性、单色性、方向性和极高
的亮度。
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
1960年，美国加州休斯实验室第一台固体红宝石 激光器
1961年，美国贝尔实验室氦-氢气体激光器 1970年，美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光器
光缆缆芯 钢丝铠甲抗拉件 耐压层 外护层
(c) 中心强度结构无金属光缆
(d) 深海专用光缆
4.2 光纤与光缆
43
4.3光纤通信系统
光纤通信系统是以光为载波，以光导纤维为传 输媒介来传输消息的通信系统。光纤通信系统主 要由电端机、光端机、光中继器和光缆组成。