第六章光纤通信(1)
光纤通信课件第6章 WDM
WDM系统的基本结构
光接收机： 由光前置放大器(PA)放大经传输而衰减的主信道光信 号。 光分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。 接收机不但要满足一般接收机对光信号灵敏度、过载 功率等参数的要求，还要能承受有一定光噪声的信号， 要有足够的电带宽。
WDM系统的基本结构
光监控信道（OSC: Optical Supervisory Channel）： 主要功能：监控系统内各信道的传输情况。 在发送端，插入本结点产生的波长为λs（1510 nm）的 光监控信号，与主信道的光信号合波输出。 在接收端，将接收到的光信号分离，输出λs 波长的光 监控信号和业务信道光信号。 帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等都是 通过光监控信道来传送的。
WDM复用原理
波分复用的常规分类
➢ 光频分复用(OFDM)：光频(信)道间距很小的频分复用。 ➢ 密集波分复用(DWDM):光频(信)道间距小于10nm的波分
复用，D:Dense (密集) ➢ 粗波分复用(CWDM)：光频(信)道间距大于10nm 的波分复
用, C: Coarse (粗)，也称稀疏波分复用。 ➢ DWDM(1550波段)的标准信道间距：
WDM复用原理
WDM系统的基本构成： 将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件 称为复用器(也叫合波器)。 反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个 波长分别输出的器件称为解复用器(也叫分波器)。 复用器和解复用器一般是相同的(除非有特殊的要求)。
WDM复用原理
WDM系统的基本构成主要有以下两种形式： 双纤单向传输： 单向WDM传输：所有光通路同时在一根光纤上沿同 一方向传送。在发送端将载有各种信息的、具有不同 波长的已调光信号λ1,λ2,…,λn通过光复用器组合在一起， 并在一根光纤中单向传输。在接收端通过光解复用器 将不同波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。
光纤通信
第一章 概述1 用光导纤维进行通信最早在哪一年由谁提出? 1966年由英籍华人高锟提出。
2 光纤通信有哪些优点?频带宽、传输容量大；损耗小、中继距离长；重量轻、体积小； 抗电磁干扰性能好；泄漏小、保密性好；节约金属材料，有利于资源合理使用。
3 光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作用。
点对点光纤通信系统通常由光发射机、光纤、光中继器和光接收机四部分组成，如下图所示：光放大器光纤信息光发射机的作用是把电信号转变为光信号注入光纤传输，它通常由复用器、调制器和光源组成。
复用器的作用是把多路信息信号复用为时分复用（TDM ）信号或频分复用（FDM ）信号。
调制器的作用是用复用信号直接调制（IM ）激光器（LD ）的光强，或通过外调制器调制 LD 的相位。
光源是把电信号转换为光信号，以便在光纤中传输。
光接收机的作用是把经光纤传输后的微弱光信号转变为电信号，对其放大并解调出原基带信号。
光中继器的作用是对经光纤传输衰减后的信号进行放大。
光中继器有光-电-光中继器和全光中继器。
如需对业务进行分出和插入，可使用光-电-光中继器；如只要求对光信号进行放大，则可以使用光放大器。
光纤是光信号传输的介质。
4 简述通信网络的分层结构。
P125 简述通信网络的发展过程。
P8第二章 光纤和光缆1 用光线光学方法简述多模光纤导光原理。
当入射角超过临界角时，没有透射光，只有反射光，这就是多模光纤波导传输光的原理。
2 作为信息传输波导，实用光纤有哪两种基本类型？多模光纤和单模光纤3 什么叫多模光纤？什么叫单模光纤？如果光纤只支持一个传导模式，则称该光纤为单模光纤。
相反，支持多个传导模式的光纤称为多模光纤。
4 光纤传输电磁波的条件有哪2个？光纤传输电磁波的条件除满足光线在纤芯和包层界面上的全反射条件外，还需满足传输过程中的相干加强条件。
5 造成光纤传输损耗的主要因素有哪些？哪些可以改善的？最小损耗在什么波长范围内？引起光纤衰减的原因是光纤对光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。
光纤通信行业光纤传输与数据通信方案
光纤通信行业光纤传输与数据通信方案第一章光纤通信概述 (2)1.1 光纤通信的发展历程 (2)1.2 光纤通信的基本原理 (2)1.3 光纤通信的优势与挑战 (3)第二章光纤传输系统 (3)2.1 光纤的类型与特性 (3)2.2 光纤传输系统的构成 (4)2.3 光纤传输系统的功能指标 (4)第三章光源与探测器 (4)3.1 光源的工作原理及分类 (4)3.2 探测器的工作原理及分类 (5)3.3 光源与探测器的功能参数 (5)第四章光放大器技术 (6)4.1 光放大器的原理与分类 (6)4.2 光放大器的设计与优化 (6)4.3 光放大器的功能评估 (7)第五章波分复用技术 (7)5.1 波分复用技术的原理 (7)5.2 波分复用系统的设计 (7)5.3 波分复用技术的应用 (8)第六章光纤通信网络 (8)6.1 光纤通信网络的拓扑结构 (8)6.1.1 星型拓扑 (8)6.1.2 环型拓扑 (9)6.1.3 总线型拓扑 (9)6.1.4 树型拓扑 (9)6.1.5 网状拓扑 (9)6.2 光纤通信网络的规划与优化 (9)6.2.1 网络规划 (9)6.2.2 网络优化 (9)6.3 光纤通信网络的故障处理 (10)6.3.1 故障分类 (10)6.3.2 故障处理流程 (10)6.3.3 故障处理方法 (10)第七章数据通信协议 (10)7.1 数据通信协议概述 (10)7.2 常见数据通信协议介绍 (11)7.2.1 以太网协议（Ethernet） (11)7.2.2 传输控制协议/互联网协议（TCP/IP） (11)7.2.3 用户数据报协议（UDP） (11)7.2.4 虚拟专用网络（VPN）协议 (11)7.3 数据通信协议的选择与优化 (11)第八章数据加密与安全 (12)8.1 数据加密的基本原理 (12)8.2 常见数据加密算法 (12)8.2.1 对称加密算法 (12)8.2.2 非对称加密算法 (12)8.2.3 混合加密算法 (13)8.3 光纤通信数据安全策略 (13)第九章光纤通信设备的维护与管理 (13)9.1 光纤通信设备的日常维护 (13)9.2 光纤通信设备的故障处理 (14)9.3 光纤通信设备的管理策略 (14)第十章光纤通信行业的发展趋势与展望 (15)10.1 光纤通信行业的发展现状 (15)10.2 光纤通信行业的发展趋势 (15)10.3 光纤通信行业的未来展望 (15)第一章光纤通信概述1.1 光纤通信的发展历程光纤通信作为现代通信技术的重要组成部分，其发展历程可追溯至20世纪60年代。
第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.1 复用原理介绍
•2、复用示意图
Multiplexor (MUX) Demultiplexor (DEMUX，or DMX)
Sometimes just called a MUX
第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.1 复用原理介绍
第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.2 准同步数字系列PDH
•4、PDH体制电接口和光接口的主要参
数 •对基群2.048Mb/s
•编码传号反转码
•Coded Mark Inversion
•E1
•E2
•E3
•E4
•CMI编码
•输入码字 编码结果
•0
01
•1
00/11交替
第6章数字光纤通信系统
•发送顺序
•采用指针技术是SDH的创新，结合虚容器(VC:Virtual Container)的概念， 解决了低速信号复接成高速信号时，由 于小的频率误差所造成的载荷相对位置漂移的问题。
第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.3 同步数字系列SDH
•3、SDH复用结构
•SDH高速率等级有： • STM-4， STM-16， STM-64， STM-256 •相应速率为STM-1的4，16，64，256倍。
•时隙=8bit=前7bit(信息)+末位1bit(信令)
•一次群(基群)速率T1=193bit/125 µs=1.544Mb/s 第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.2 准同步数字系列PDH
•PDH-E基群帧结构
光纤通信基本知识
光纤通信基本知识第一篇：光纤通信基本知识一、光纤通信的基本知识（一）光纤通信的概念1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。
结果使观众们大吃一惊。
人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。
这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研究，发现这是由于全反射的作用，由于水等介质密度由于比周围的物质（如空气）大，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。
表面上看，光好像在水流中弯曲前进。
后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。
由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。
（视频）光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。
（视频）（二）光纤通信的发展光纤通信是现代通信网的主要传输手段，它的发展历史只有一二十年，已经历三代：短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤。
采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光纤通信。
中国光纤通信已进入实用阶段。
（三）光纤通信的优缺点1、光纤通信的优点现代通信网的三大支柱是光纤通信、卫星通信和无线电通信，而其中光纤通信是主体，这是因为光纤通信本身具有许多突出的优点：①频带宽，通信容量大。
光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一对光纤能同时传输24192路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输30000多路电话。
《光纤通信》原荣 第三版 第6章 复习思考题参考答案
第6章复习思考题参考答案6-1 EDFA的工作原理是什么？有哪些应用方式答：现在我们具体说明泵浦光是如何将能量转移给信号的。
若掺铒离子的能级图用三能级表示，如图6.3.2（a）所示，其中能级E1代表基态，能量最低，能级E2代表中间能级，能级E3代表激发态，能量最高。
若泵浦光的光子能量等于能级E3与E1之差，掺杂离子吸收泵浦光后，从基态E1升至激活态E3。
但是激活态是不稳定的，激发到激活态能级E3的铒离子很快返回到能级E2。
若信号光的光子能量等于能级E2和E1之差，则当处于能级E2的铒离子返回基态E1时就产生信号光子，这就是受激发射，使信号光放大获得增益。
图6.3.2（b）表示EDFA的吸收和增益光谱。
为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到能级E3。
从以上分析可知，能级E2和E1之差必须是相当于需要放大信号光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态E1跃迁到激活态E3。
图6.3.2 掺铒光纤放大器的工作原理EDFA可作为光发射机功率增强放大器、接收机前置放大器，或者取代光-电-光中继器作为在线光中继器使用。
在光纤系统中可延长中继距离，特别适用于长途越洋通信。
在公用电话网和CA TV分配网中，使用EDFA补偿分配损耗，可做到信号无损耗的分配。
另外，EDFA可在多信道系统中应用，因为EDFA的带宽与半导体光放大器（SOA）的一样都很宽（1~5 THz），使用光放大器可同时放大多个信道，只要多信道复合信号带宽比放大器带宽小就行。
EDFA具有相当大的带宽（∆λ = 20~40 nm，或∆f = 2.66~5.32 THz），这就意味着可用来放大短至皮秒级的光脉冲而无畸变。
从光波系统的应用观点出发，EDFA的潜在应用在于它们可放大ps级的脉冲而不发生畸变的能力。
6-2 EDFA有几种泵浦方式？哪种方式转换效率高？哪种噪声系数小答：使用0.98 μm和1.48 μm的半导体激光泵浦最有效。
光纤通信技术第六章光通信中的光放大器 (1)
6.1.1 光放大器的概念
光纤的损耗和色散限制了光纤的传输距离, 延长通信距离的方法是采用中继器, 中继器的 放大过程较为复杂, 它是将输入的光信号转换 为电信号, 在电信号上进行放大、再生、再定 时等处理后, 再将经处理后的电信号转换为光 信号经光纤传送出去, 这种中继方式称为光/电/ 光中继方式。
（2）有源光纤或掺杂光纤放大（DFA）
有源光纤放大器的有源媒体是稀土族元 素（如Er、Pr、Tm、Nd 等）, 它掺杂在光纤 的玻璃基体中, 所以也称作掺杂光纤放大器 （DFA）。DFA是利用光纤中掺杂稀土元素引 起的增益机制实现光放大的。
光纤通信系统最适合的掺杂光纤放大器是 工作波长为1550nm掺铒光纤放大器（EDFA） 和工作波长为1310nm的掺镨光纤放大器 （PDFA）。用于1310nm窗口的PDFA, 因受 氟化物光纤制作困难和氟化物光纤特性的限制, 机械强度较差, 与常规光纤的熔接较为困难, 究 进展比较缓慢, 尚未获得广泛应用。
光增益不仅与入射光频率（或波长）有关, 也与放大器内部光束强度有关。光增益与频率 和强度的具体关系取决于放大器增益介质的特 性。
由激光原理可知, 对于均匀展宽二能级系 统模型, 其增益系数为
g(
) 1(
g0 0)2T 22P /P s
（6.1）
当放大器的输出功率远远小于饱和功率时, 即放大 器工作在小信号状态时, 式（6.1）中的 P /项Ps可忽 略, 增益系数简化为
Fn
(SNR)in (SNR)out
（6.9）
即使是理想的放大器, 输入信号的 (SNR)也in
被降低一倍（3db）, 实际放大器的
F
都超过
n
3db, 有些放大器的 F n 达到6-8db。从光纤应用
光纤通信
★第一章概述问：1. 什么叫光纤通信？它与光通信有何区别？答：光纤通信是指利用光导纤维传输光波信号的通信方式。
光通信只是指以光波的形式携带信号传输的通信方式，并不要求光波信号一定要在光纤中传输。
问：2.光纤通信的低损耗窗口指什么？为什么叫窗口？答：光纤通信的低损耗窗口指0.85μm，1.31μm ，1.55μm。
由于用这三个波长传输信号时损耗很小，因此信号能够从发送端传送到接收端，就好像窗户能够透光一样，因此低损耗的波长可以称为窗口。
问：3. 光折射率的含义是什么？代表什么？答：光折射率可以用n表示，等于自由空间中的光速与光波在某一介质中的传播速度的比值。
n越大，表示光波所在的介质传播速度慢，可以理解成该介质粒子分布密集，n越小，表示光波所在的介质传播速度快，因此可以理解成该介质粒子分布稀疏。
★第二章光导纤维问：4. 色散如何理解？色散对信号有什么影响？答：光纤中传输的光信号是由不同的频率成份和不同的模式成份构成，它们有不同的传播速度，从而使波形在时间上发生展宽，这种现象称为色散。
色散会使光脉冲展宽，因此会造成波形展宽，从而产生码间干扰。
问：5.如何解释光纤中的模式色散、材料色散及波导色散？答：材料色散是由于材料本身的折射率随频率而变化，使得信号各频率成份的群速不同引起的色散。
波导色散是对于光纤某一模式而言，在不同的频率下，相位常数β不同，使得群速不同而引起的色散。
模式色散是指光纤不同模式在同一频率下的相位常数β不同，因此群速不同而引起的色散问：6. 请问多模光纤的多模指的是什么？答：多模指的是多个模式，模式是指能够独立存在、独立传输的电磁场的结构形式。
问：7. 请问多模光纤中有哪几种模式，各种模式有什么区别？答：多模光纤中可以有无穷多模式，主要看光纤尺寸、纤芯折射率、入射光波长等因素。
各模式的区别主要是电磁场的结构形式不同。
问：8. 一根多模光纤中可以存在多少模式？答：一根多模光纤中可以存在无穷多模式，主要看光纤尺寸、纤芯折射率、入射光波长等因素。
光纤思考题
光纤通信第一章：1、什么是光纤通信：光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式2、光纤的主要作用是什么？引导光在光纤内沿直线或弯曲的途径传播。
Or（单模光纤的纤芯直径为4μm～10μm，适用于高速长途通信系统。
多模光纤的纤芯直径为50μm，适用于低速短距离通信系统）3、与电缆或微波等通信方式相比，光纤通信有何优缺点？光纤通信有何优点：容许频带很宽，传输容量很大 损耗很小，中继距离很长且误码率很小重量轻、体积小丶抗电磁干扰性能好泄漏小，保密性能好 节约金属材料，有利于资源合理使用or与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下：(1)传输频带极宽，通信容量很大(2)由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；(3)串扰小，信号传输质量高；(4)光纤抗电磁干扰，保密性好；(5)光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；(6)耐化学腐蚀；（7)光纤是石英玻璃拉制成形原材料来源丰富4、为什么说使用光纤通信可以节省大量有色金属？5、为什么说光纤通信具有传输频带宽，通信容量大？光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一堆光纤能同时传输24192路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输3000多路电话，频带宽对于各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则，无法满足未来宽带综合业务数字网（B-ISDN）发展的需要。
6、可见光是人眼能看见的光，其波长范围是多少？0.39~0.76μm7、红外线是人眼能看见的光，其波长范围是多少？0.76~300μm8、近红外区：其波长范围是多少？0.76~1.5μm9、光纤通信所用光波的波长范围是多少？0.8~1.6μm10、光纤通信中常用的三个低损耗的窗口的中心波长分别是多少？0.85,1.30,1.55μm第二章：1、典型光纤由几部分组成？各部分的作用是什么？光纤由纤芯、包层和涂覆层3部分组成。
其中纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。
《光纤通信第六章》课件
光纤通信的基本原理
1
光的传播特性
2
详细阐述光信号在光纤中的传播特性，
包括色散、衰减等。
3
全内反射原理
解释光纤的工作原理，包括入射角大于 临界角时光的全内反射现象。
光纤组成和结构
介绍光纤的主要组成部分和结构，包括 纤芯、包层、包层折射率等。
光纤通信的发展历史
发展初期
回顾光纤通信的起源和最早的实 践。
2
数据中心
介绍光纤通信在数据中心中的关键作用，如高速数据传输。
3
光纤内窥镜。
总结和展望
1 技术进步
总结光纤通信技术的发展趋势，如更高带宽和更低的成本。
2 未来应用
展望光纤通信在未来的各个领域中的应用前景，如智能城市和物联网。
3 贡献和机遇
强调光纤通信为社会带来的巨大贡献，并指出其未来的发展机遇。
互联网革命
探讨光纤通信在互联网革命中的 重要角色。
现代应用
介绍光纤通信在现代通信网络中 的广泛应用。
光纤传输技术
单模光纤
解释单模光纤的特点和适用范围。
多模光纤
介绍多模光纤的特性和应用领域。
波分复用技术
探讨光纤通信中的波分复用技术及其优势。
光纤通信的应用
1
电信领域
探索光纤通信在电信网络中的广泛应用，如电话、宽带等。
《光纤通信第六章》PPT 课件
本课件将详细介绍光纤通信的基本原理、发展历史、传输技术、应用以及总 结展望，让您全面了解光纤通信的魅力与应用前景。
引言
光纤通信已经成为现代通信的主要形式。它通过利用光信号进行信息传输，具有高速、大容量和低损耗的特点。 本节将介绍光纤通信的基本概念、优势以及它在现代社会中的重要性。
光纤通信6第六章光纤通信系统与工程
第6章 光纤通信系统与工程
对光纤线路码型的要求
① 易于从信号码流中提取时钟分量。要求减少码流 中长连“0’和长连“1”个数； ② 码流中直流分量较稳定，以利于接收端的判决。 要求码流中“0’’、“‘l”分布均匀；
③ 要求码型有一定规律性，便于对终端站和各中继
站进行不间断业务的误码检测。
29
第6章 光纤通信系统与工程
11
第6章 光纤通信系统与工程
3.两种数字体系
系 列 码率（Mb/s) 话路数 北美 日本 体 制
PDH
一次群 1.544 24 二次群 6.312 × 4=96 三次群 32.064(日) 44.736(美) × 5=480(日) × 7=672(美) 34.368 × 4=480 四次群 97.728 271.176 × 3=1440 × 3=4032 五次群 397.2 × 4=5760
为了建立世界性的统一标准， ITU－T完成了有关SDH的31个标准：
比特率、网络节点接口、复用结构、复用设备、网络管理、线路系统和 光接口、SDH信息模型、网络结构和抖动性能、误码性能、网络保护结构
等
在世界范围内就SDH的基本软硬件问题也达成了一致协议。
16
第6章 光纤通信系统与工程
4.光中继器 在光纤通信线路上，光纤的吸收和散射导致光信号衰减， 光纤的色散将使光脉冲信号畸变，导致信息传输质量降低，误 码率增高，限制了通信距离。
6
第6章 光纤通信系统与工程
2. PCM端机 实现模拟信号到数字信号
转换(A/D转换)，完成PCM
编码，并且按照时分复用 的方式把多路信号复接、
合群，从而输出高比特率
的数字信号。 PCM编码包括取样、量化、 编码三个步骤。 这个过程可以通过下图来 说明。
光纤通信第6章光放大器
光功率(dB)
光纤拉曼放大器
同向泵浦
WDM耦合器
反向泵浦
6.3.1 分布式拉曼放大器工作原理和特性
2. 拉曼增益和带宽
斯托克斯（Stokes）频差（ΩR= ωP- ωs）在SRS过程 中扮演着重要角色。由分子振动能级确定的ΩR 值决 定了SRS的频率（或波长）范围。
1530~1564nm 之间的C波段
6.3 光纤拉曼放大器FRA
人们对FRA的兴趣来源于这种放大器可以提 供整个波长波段的放大。通过适当改变泵浦 激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带 光放大，甚至可在1270～1670nm整个波 段内提供放大。 特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展， 又为FRA的实现奠定了坚实的基础。
第六章 光放大器
概述
光纤通信系统的传输距离受光纤损耗或色散 限制。
因此，传统的长途光纤传输系统，需要每隔 一定的距离，就增加一个再生中继器，以便 保证信号的质量。
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。
光放大器（O-O）
WDM系统光－电－光(O-E-O)变换方式
0
v0
1.46
增益带宽宽（约为70nm），有能力放大超窄光脉冲。
TW- SOA的特性
3. 缺点
SOA对极化态非常敏感（增益偏振相关性）。不同极 化模式，具有不同的增益G，横电模（TE）和横磁模 （TM）极化增益差可能达到5~8dB 起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横 向（长方形的宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向） 的光场约束不同，光场在竖向的衍射泄漏强于横向， 因而竖向的光增益弱于横向。因此光信号的偏振方向 取横向时的增益大，取竖向时的增益小。 解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；
光纤通信介绍-PPT
损耗起因（二）
散射损耗：由于光纤的材料、形状、折射率分布等
的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光与微小粒子相碰撞 发生散射，由此产生的损耗。
分类： 同质结半导体激光器：早期使用，阈值电流高 异质结半导体激光器：阈值电流小，发光强度高
工作特性： 阈值特性 光谱特性 温度特性 转换效率
半导体发光二极管(LED)
半导体发光二极管(LED)是无阈值器件，没有光学谐振腔， 发光只限于自发辐射，发出的是荧光。 半导体发光二极管(LED)工作特性：
模间色散
多模光纤中，各传输模式路径不同，到达出射端时间不同， 从而引起光脉冲展宽，产生的色散。
材料色散
由于光纤材料的折射率随光波长而变化，使得信号各频率 成分群速不同，引起脉冲展宽的色散现象。
波导色散
把具有一定波谱线宽的光源发出的光脉冲射入到光纤后， 由于不同波长的光传输路程不完全相同，所以到达光纤出 射端时间不同，从而使脉冲展宽的色散。
规率减少: P(L)=P(0)10(α L/10)
式中： P(0)－在L＝0处注入光纤的光功率 P(L)－传输到轴向距离L处的光功率
衰减系数α（L） ＝－(10/L)㏒[P(L)/P(0)] dB/km
衰减谱
衰减系数与波长的函数关系
损耗起因（一）
吸收损耗：光波通过光纤材料时，一部分 光能变成热能，造成光功率的损失。
1550nm波长最低衰减光纤（G.654光纤）
选用纯SiO2芯来降低光纤的衰减 最大优点：在1550nm波长的最低衰减为0.18dB/km 制造困难，价格昂贵，适用于海底光缆。
光纤通信复习要点
光纤通信复习要点第⼀章1.光纤通信的定义光纤通信是采⽤光波作为信息载体，并采⽤光导纤维作为传输介质的⼀种通信⽅式。
2.光纤通信的优点频带宽，通信容量⼤；损耗低，中继距离长；抗电磁⼲扰；⽆串⾳⼲扰，保密性好；光纤线径细、重量轻、柔软；原材料资源丰富，可节约⾦属材料；耐腐蚀，寿命长。
3.光纤通信的缺点光纤质地脆、机械强度低；需要⽐较好的切割及连接技术；分路、耦合⽐较⿇烦；弯曲半径不宜太⼩。
第⼆章1.光纤的基本结构：折射率较⾼的芯区、折射率较低的包层、表⾯涂敷层。
2.光纤的分类按传播模式分类：单模光纤尺⼨：光纤的纤芯直径尺⼨扩展到⼏个波长（通常是8～12个波长），并且使纤芯包层折射率差很⼩，只允许传输⼀个基模的光纤。
纤芯直径2a=8～10µm(⽆实际意义)，包层直径2b=125µm 。
优点：带宽极宽、衰减⼩。
应⽤：适⽤于⼤容量的光纤通信。
多模光纤尺⼨：远⼤于光波波长，能传输多个模式的光纤。
纤芯直径2a=50µm，包层直径2b=125µm 。
优点：制造简单、接续容易。
缺点：存在模式⾊散，带宽窄。
应⽤：适应于较⼩容量的光纤通信。
3.光纤的传输特性：损耗特性、⾊散特性、⾮线性效应。
第三章简单题：1.半导体发光的机理：半导体材料具有能带结构⽽不是能级结构。
半导体材料的能带分为导带、价带与禁带。
电⼦从⾼能级范围的导带跃迁到低能级范围的价带，会释放光⼦⽽发光。
2.⾃发辐射由于位于⾼能级E2的原⼦是不稳定的，将⾃发地向低能级跃迁，并释放出能量为h ν = E1 - E2的光⼦，这种辐射称为⾃发辐射。
各个处于⾼能级的粒⼦都是⾃发的、独⽴地进⾏跃迁，其辐射光⼦的频率不同，所以⾃发辐射的频率范围很宽。
⾃发辐射产⽣⾮相⼲光。
3.受激辐射若原⼦原来处于⾼能级E2上，被能量为hv的光⼦激发，将向E1能级跃迁，并产⽣能量为hv的光⼦。
两者同频，同相，同偏振，为相⼲光。
这⼀辐射过程称为受激辐射。
《光纤通信第六章》PPT课件
关系。因此，对于光源功率特性的线性要求，对
系统信噪比的要求，都比较高。由于噪声的累
积，和数字光纤通信系统相比，模拟光纤通信系
统的 传输距离较短。但是目前采用频分复用
（FDM）技术，实现了一根光纤传输 100多路电
视节目，在有线电视（CATV）网络中，有巨大
的竞争能力。
Chapter 5 典型光纤传输系统
TV入
箝位 电路
同步 分离
驱动 电路
LED
图 6.6 光发射机方框图
＋Ec
Rc C1
V1
R1 LED
光 功 率
V2
Re
时间
时间 电流
(a)
(b)
图6.7 LED驱动电路的末级及其工作原理
2.
光接收机的功能是把光信号转换为电信号。 对光接收机的 基本要求是：
(1) 信噪比(SNR)要高；
(2)
(3) 带宽要宽
• 模拟间接光调制优点：提高传输质量、增加传输 距离。
• 原因：模拟直接光调制（D-IM）光纤电视传输系统的性 能受到光源非线性的限制，一般只能使用线性良好的LED 作光源。 LED入纤功率很小，所以传输距离很短。而模 拟间接光强调制基本不受到光源的非线性影响，所以可以 采用线性较差、入纤光功率较大的LD作为光源，故传输 距离长。
模拟基带DIM光纤电视传输系统光接收机方框图如图6.8所示。
光检测器把输入光信号转换为电信号，经前置放大器和主放大 器放大后输出，为保证输出稳定，通常要用自动增益控制 (AGC)。
光检测器可以用PIN-PD或APD。PIN-PD只需较低偏压(10～ 20 V)就能正常工作，电路简单，但没有内增益，SNR较低。
(4) 光功率温度稳定性要好。LED温度稳定性优于LD， 用LED作光源一般可以不用自动温度控制和自动功率控制， 因而可以简化电路、降低成本。
第六章光纤通信
n
2
n
1
设纤芯和包层的折射率分别为n1和 n2，光 在光纤中传输的必要条件是n1＞n2。
相对折射指数差（Δ）
Δ n12 n2 2 2n12
Δ n1 n2 n1
渐变型光纤（GIF）
– 纤芯折射率呈非均匀分布，在轴心处最大，而在光 纤横截面内沿半径方向逐渐减小，在纤芯与包层的 界面上降至包层折射率n2。
W型光纤（双包层光纤）
– 在纤芯与包层之间设有一折射率低于包层的缓冲层， 使包层折射率介于纤芯和缓冲层之间。
6.2.2 光纤的导光原理
分析光纤的导光原理，一般可采用两种方 法：一种是波动理论法，另一是射线法。
6.2.1 光纤的结构与分类 6.2.2 光纤的导光原理 6.2.3 单模传输条件 6.2.4 光纤的传输特性 6.2.5 光缆
6.2.1 光纤的结构与分类
1．光纤的结构
– 光纤是由中心的纤芯和外面的包层构成的，一般为 双层或多层的同心圆柱体，为轴对称结构。
– 纤芯位于光纤中心，作用是传输光波。包层位于纤 芯外层，作用是将光波限制在纤芯中，同时还起到 一定的机械保护作用。
– 波动理论法是根据电磁场理论，分析其传输 特性。
– 光可用一条表示光的传播方向的几何线来表 示，这条几何线就称为光射线。用光射线来 研究光波传输特性的方法，称为射线法。
1．光的反射和折射
当光射线射到两种介质交界面时，将发生 反射和折射。
入 射
θ1
θ3
反射
n1
n2
n1＞n2
θ2
折
射
光纤通信的简介
现代通信技术辅导6第六章光纤通信一、知识点∙光纤通信概述。
∙光纤与光缆。
∙光纤通信系统。
二、重点难点内容（一）光纤通信概述本节介绍光纤通信的概念、发展、实用工作窗日以及光纤通信的特点。
光纤即为光导纤维的简称。
光纤通信是以光纤为传输媒质，以光信号为信息载体的通信方式。
1. 光纤通信的发展史1966年，英籍华人高馄指出：如果能够减少玻璃中的杂质含量，就可以制造出损耗低于20dB/km 的光纤。
1970 年是使光纤通信发展出现跨越的一年，美国康宁公司研制出了损耗系数为20dB / km的光纤。
同年，美贝尔公司研制出使用寿命长达几小时的半导体激光器，光纤通信从此进入飞速发展。
通过以上的发展时期可以把光纤通信的发展归纳为三个阶段：1966～1976年：从基础研究到商业应用的开发时期；1976～1986 年：以提高传输速率和增加传输距离为目的和大力推广的发展阶段；1986～1996年：以实现超大容量超长距离为目标，全面深入开展新技术的援救阶段。
2.目前光纤通信的实用工作波长光纤通信传输的信号是光波信号，光波是人们熟悉的电磁波，其波长在微米级，频率为1014Hz ～1015Hz数量级。
根据电磁波潜可知，紫外线、可见光、红外线均属于光波的范畴，μm ～1.8μm。
可分为短波长目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区，即波长为0.8μm，长波长波段是指波长为1.31μm和波段和长波长波段，短波长波段是指波长为0.85μm，这是目前光纤通信所采用的只个工作波长，也叫工作窗口。
1.553.光纤通信的特点目前光纤通信己经成为通信中的最主要的传输技术，以下优点。
( l ) 传输频带宽，通信容量大由信氨论知道，载波频率越高，通信容量越大。
它与其他通信传输系统相比，具有目前光纤通信使用的光载波频率在1014Hz ～1015Hz数量级，比常用的微波频率高104倍～105倍，因而，通信容量原则上比微披通信高104倍～105 倍。
( 2 ) 传输衰减小，传输距离长普通传输线的传输损耗，主要是由铜线的电阻以及导线间电容的漏电引起的，要想降低损耗，就得增大传输线的尺寸。
光纤通信
第一章
1、光纤通信的通信频段
光纤通信的波普在 1.67x1014~3.75x1014HZ 之间， 即波长在 0.8~1.8um 之间， 属于红外波 段， 将 0.8~0.9um 称为短波长，1.0~1.8um 称为长波长，2.0um 称为超长波长，应用于光纤 通信的波长是 0.85um（短波长窗口） 、1.31um 和 1.55um（长波长窗口）
二、SDH 帧速率的确定
STM-1 STM-4 STM-16 SSTM-64 155.520Mbit/s 644.080 Mbit/s 2488.320 Mbit/s 9953.280 Mbit/s
对于 STM-1 而言， 其信息结构为 9 行 X270 列的块状帧结构； 一帧 的字节数为 9*270=2430 字节；一帧的比特数是 2430*8=19440 比特；传输一帧的时间为 125us，每秒共传 8000 帧； 传输速率：fb=9*270*8*8000=155.520Mbit/s。
七、光放大器
光放大器是可对微弱的光信号直接进行放大的有源光器件，主要功能是进行光放 大。 分类：1）半导体光放大器（SOA）特点是：体积小、功耗低、结构简单、便于光 电集成。缺点：与光线耦合损耗较大，放大器增益受偏振影响较大。 2）光纤放大器 ①光纤拉曼放大器 （RFA） ，一种非线性的放大器 。优点：增益的 波长由泵浦原的波长决定、增益介质为传输光纤本身、噪声指数低。缺点：需要大功率 半导体激光器做泵浦原，作用距离长，增益系数偏低，对偏振敏感。 ②掺铒光纤放大器（EDFA） ，将铒元素直接注入到光纤，在泵浦原的作用下直接对 某一波长的光信号进行放大。 优点：工作波长在 1530~1565nm 范围，与光纤最小损耗窗口一致、对泵浦原要求的 功率低、耦合率高、增益系数稳定噪声低输出功率大、可实现幸好的透明传输
光纤通信
第一章 光纤通信概述1、 基本概念光纤通信：利用光导纤维传输光波信号的通信方式工作波长：目前光纤通信的实用工作波长在近红外区，即0.8—1.8um 的波长区。
对于SiO2光纤，有三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工作波长，即850nm(用于多模),1310nm （单模），1550nm （单模）。
2、系统的基本组成（物理组成及各部分作用）强度调制/直接检波（IM/DD ）的光纤数字通信系统。
主要由光发射机、光纤、光接收机以及长途干线上必须设置的光中继器组成。
光发射机：将电信号转换成光信号耦合进光纤。
光发射机中的重要器件半导体激光器（LD ）或半导体发光二级管（LED ）是能够完成电-光转换的半导体光源。
光接收机：将光纤送过来的光信号转换成电信号，然后经过对电信号的处理以后，使其恢复为原来的脉码调制信号送入电接收机。
光接收机中的重要器件光电二极管（PIN ）和雪崩二极管（APD ）是能够完成光-电转换的光电检测器。
光中继器：保证通信质量。
有两种形式：光-电-光转换形式的中继器和光信号上直接放大的光放大器。
3、优越性（体现在哪里）①传输频带宽，通信容量大②传输损耗小，中继距离长③在某些条件下，抗电磁干扰能力强④光纤线径细，重量轻，制作光纤的资源丰富4、 技术的现状（PDH 、SDH 、WDM 、光电收发器、EPON ）PDH 、SDH 、WDH 用于语音传输，光电收发器、EPON 用于数据传输 PDH ：用于低容量，近距离SDH ：用于中等距离，较大容量WDM ：用于远距离现在涌现出的EPON 已经商用5、 发展的发展方向（GFP 、ASON 和全光网等）第二章 光导纤维1、 光纤的结构和分类结构：石英材料做成的横截面很小的双层同心圆柱体，线芯、包层和涂敷层。
分类：按横截面折射率分布划分：阶跃型光纤和渐变性光纤；按纤芯中传输模式的多少划分：单模光纤（适用于大容量长距离光纤通信）和多模光纤（存在模色散，带宽窄，制造、耦合及连接都比单模光纤容易）2、 用射线理论分析光纤的导光原理（阶跃、渐变），推出几个重要的参数和指标阶跃：相对折射指数差：△=2122212/)(n n n - 数值孔径：∆=-==2sin 12221max n n n NA φ渐变：最佳折射指数分布：可以消除模式色散的n(r)分布。
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6.2 光纤与光缆
• 6.2.1 光纤的结构与分类 • 6.2.2 光纤的导光原理 • 6.2.3 单模传输条件 • 6.2.4 光纤的传输特性 • 6.2.5 光缆
第六章光纤通信(1)
6.2.1 光纤的结构与分类
• 1．光纤的结构
– 光纤是由中心的纤芯和外面的包层构成的，一般为 双层或多层的同心圆柱体，为轴对称结构。
• 1960年，美国人梅曼发明第一台红宝石激光器 。 • 1966年，“光纤之父”——高锟博士首次提出光纤通信的
想法，这是光纤通信发展的里程碑。 • 1970年，美国康宁公司研制出了损耗系数为20dB/km的光
纤，光纤通信从此进入飞速发展。 • 1977年，芝加哥第一条45Mbit/s的商用线路。 • 1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 Mb/s以及速
第六章光纤通信(1)
2．光缆的种类
• （1）根据传输性能、距离和用途光缆可分为市话光缆、 长途光缆、海底光缆和用户光缆。
• （2）按光纤的种类可分为多模光缆和单模光缆。 பைடு நூலகம் （3）按光纤套塑方法可分为紧套光缆、松套光缆、束管
式光缆和带状多芯单元光缆。 • （4）按光纤芯数可分为单芯光缆、双芯光缆、四芯光缆、
1．光的反射和折射
• 当光射线射到两种介质交界面时，将发生 反射和折射。
入 射
θ1
θ3
反射
n1
n2
n1＞n2
θ2
折
射
第六章光纤通信(1)
• 光的全反射
– 当光从光密物质（折射率大的物质）入射进 光疏物质（折射率小大的物质）时。
– 当入射角大于临界角。
第六章光纤通信(1)
归纳思考
光射到两种介质交界面时，将发生反射和折射。
• 1990年，565Mbit/s的光纤通信系统进入商用化阶段。 • 1993年，速率622Mbit/s以下SDH产品开始商用化。 • 1995年，速率2.5G bit/s的SDH产品开始商用化。 • 1996年，10G bit/s的SDH产品开始商用化。 • 1997年，20G bit/s和40G bit/s的产品试验取得巨大发展。 • 2005年3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通，
• （3）护层结构
– 护层的主要作用是保护缆芯，提高机械性能和防护性能。不同的护 层结构适合不同的敷设条件。
– 光缆的护层分为外护层和护套两部分，护套用来防止钢带、加强构 件等金属构件损伤光纤；外护层进一步增强光缆的保护作用。
• （4）填充结构
– 填充结构用来提高光缆的防潮性能，在光缆缆间空隙中注入填充物， 以防止水汽进入光缆。
第六章光纤通信(1)
1.光缆的结构
• 光缆的基本结构一般由缆芯、加强构件、 填充物和护层等几部分构成，除了这些基 本结构之外，根据实际需要还要有防水层、 缓冲层、绝缘金属导线等构件。
第六章光纤通信(1)
• （1）缆芯
– 为了进一步保护光缆，增加光纤的强度，一般将带有涂敷层的光纤再套 上一层塑料层，通常称为套塑。将套塑后且满足机械强度要求的单根或 者多根光纤芯线 以不同的形式组合起来，就形成了缆芯。
– 光缆缆芯的基本结构大体上有层绞式、骨架式、束管式和带状式四种。
第六章光纤通信(1)
• （2）加强构件
– 加强构件的作用事增加光缆的抗拉强度，提高光缆的机械性能。一 般光缆的加强构件采用镀锌钢丝、钢丝绳、不锈钢或者高强度塑料 加强构件等。一般加强构件位于光缆的中心，也有位于护层的，叫 做护层加强构件。
其他损耗。 归纳思考 • 为什么光纤的工作窗口选择0.85μm、1.31μm、
1.55μm？
第六章光纤通信(1)
• 光纤损耗的大小与波长有密切的关系，损耗与波长的关 系曲线叫做光纤的损耗谱。
• 石英光纤的损耗谱
第六章光纤通信(1)
2.光纤的色散特性
• 光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由 于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。
1．归一化频率V
• 归一化频率是为表征光纤中所能传播的模式数 目多少而引入的一个特征参数。其方程为：
其中，α——是光纤的纤芯半径； λ——是光纤的工作波长； n1和n2 ——分别是光纤的纤芯和包层折射率； k0 ——真空中的波数； Δ——光纤的相对折射率差。
• 单模传输条件：0＜V＜2.405
第六章光纤通信(1)
是至今世界容量最大的实用线路。
• 目前研究中的商用速率为数十Tbit/s。
第六章光纤通信(1)
光纤通信发明家高锟(左) 1998年在英国接受IEE授予的奖章
第六章光纤通信(1)
• 从光纤的损耗看光纤通信的发展
– 1970年是20dB/km – 1972年是4dB/km – 1974年是1.1dB/km – 1976年是0.5dB/km – 1979年是0.2dB/km – 1990年是0.14 dB/km，已经接近石英光纤的理
第六章光纤通信(1)
6.2.2 光纤的导光原理
• 分析光纤的导光原理，一般可采用两种方 法：一种是波动理论法，另一是射线法。
– 波动理论法是根据电磁场理论，分析其传输 特性。
– 光可用一条表示光的传播方向的几何线来表 示，这条几何线就称为光射线。用光射线来 研究光波传输特性的方法，称为射线法。
第六章光纤通信(1)
第六章光纤通信(1)
6.1.3 光纤通信的特点
• 优点
– （1）传输频带宽，通信容量大 – （2）传输衰减小，中继距离长 – （3）抗电磁干扰，传输质量好 – （4）体积小、重量轻、便于施工 – （5）原材料丰富，节约有色金属，有利于环保
• 缺点
– 光纤质地脆，机械强度低；光纤的切断和接续需要一 定的工具设备和技术，光缆的弯曲半径不能过小等等。
论损耗极限值0.1dB/km。
第六章光纤通信(1)
6.1.2光纤通信的工作波长
• 光波是电磁波的一种，其波长在微米级，频率为1014Hz～ 1015Hz数量级。
• 目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区，即波长为 0.8~1.8μm。
• 光纤通信使用的三个工作窗口
– 0.85μm、1.31μm、1.55μm。
• 模式色散
– 模式色散是指即使同一波长的光，若其模式不同，则传播速率也不同， 从而引起色散，又称为模间色散，只存在于多模光纤中。
• 色度色散
– 光源的光谱中不同波长成分的光在传输过程中发生群延时，引起光脉 冲展宽，主要包括材料色散和波导色散。
• 偏振模色散
– 偏振模色散是由于光信号传输会产生两个方向的偏振模，当光纤在光 信号传输的两个方向上的折射率不同而产生的色散叫做偏振模色散。
率为100 Mbit/s的光纤通信系统的试验。 • 1980 年，140Mbit/s光纤通信系统投入商业应用。 • 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。
第六章光纤通信(1)
• 由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光 缆通信系统于1988年建成。
• 第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于1989 年建成。
• （3）按照光纤的折射率分布分类
– 按照光纤剖面折射率分布的不同，光纤可分为突变型光纤（SIF） 和渐变型光纤（GIF）。
• （4）按照ITU-T建议的分类
– 按照ITU-T关于光纤的建议，光纤分为G.651光纤（渐变多模光纤）、
G.652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、
G.654光纤（性能最佳单模光纤）、G.655光纤（非零色散位移单模
– 纤芯位于光纤中心，作用是传输光波。包层位于纤 芯外层，作用是将光波限制在纤芯中，同时还起到 一定的机械保护作用。
– 通信用的单模光纤纤芯为4-10μm，多模光纤纤芯直 径为50~85μm，不管单模光纤还是多模光纤，包层 的直径均为125μm。
n
2
n
1
第六章光纤通信(1)
• 设纤芯和包层的折射率分别为n1和 n2，光 在光纤中传输的必要条件是n1＞n2。
• 损耗系数
(单位：dB/km) Pi和Po分别为入射光功率和出射光功率（mW或W）
• 损耗系数是光纤传输系统中限制光信号中继传输距离的重 要因素之一。
• 光纤损耗大致可以分为吸收损耗、散射损耗和其他损耗。
第六章光纤通信(1)
• 光纤的传输损耗影响光信号的中继距离。 • 光纤损耗可以分为吸收损耗、散射损耗和
n14 n13 n12 n11 n11 n12 n13 n14
结论： •渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化
利用光的反射和折射 光线在其中以一条近似于正弦型的曲线向前传播第六章光纤通信(1)
6.2.3 单模传输条件
• 单模光纤是在给定的工作波长上，只传 输单一模式的光纤。
• 单模光纤需要满足什么条件？
第六章光纤通信(1)
第六章光纤通信(1)
• 色散主要包括模式色散、色度色散和偏振模 色散三种。
• 对于多模光纤，主要是模式色散。 • 对于单模光纤，不存在模式色散，主要是材 归纳思考 料色散。 • 损耗和色散对于光脉冲传输中的影响有什么
不同？
第六章光纤通信(1)
6.2.5 光缆
• “光缆是为了满足光学、机 械或环境的性能规范而制 造的，它是利用置于包覆 护套中的一根或多根光纤 作为传输媒质并可以单独 或成组使用的通信线缆组 件”。
当光从光密物质照射到光疏物质时，且入射角θ １满足 θc＜θ１＜90°时，会发生全反射现象。
为什么需要纤芯的折射率大于包层的折射率？
第六章光纤通信(1)
2．阶跃型光纤的传输原理
光线在阶跃型光纤中的传播示意图
结论：
1、阶跃型光纤就是利用光波的全反射原理 2、光波在纤芯中以“之”字形向前传播。