第五章光纤通信系统
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光纤通信第五章光纤线路技术原理及器件波分复用器件
Dl Df
1.6nm 100G 0.8nm 50G 0.4nm 25G
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
Frequency Wavelength Frequency Wavelength
(THz)
(nm)
(THz)
(nm)
196.1
基于偏振干涉的光梳状滤波器
偏振干涉系统：起偏器P1、双折射晶体平行 平板及检偏器P2
FX
X
X
P1
S
Z
45°
Y
Y
P1
P2
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
透过起偏器的光场的振幅为A0，光通过 双折射晶体平行平板后在X、Y方向的分 量分别为
AxA0co4s5ex pj2(Lon/l) AyA0si4n5ex pj2(Len/l)
闪耀光栅剖面图
BOE1
l1 ln
l┋1
F1
ln
L1 L2 透射式二元光学波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
干涉滤波片型
采用干涉滤波片来实现不同波长的光的 分离，实现分/合波功能。
由于采用了微等离子体镀膜技术，介质 膜窄带滤光片的光学性能有了很大改善， 工艺也较为成熟。透过率高，带宽窄，
1528.77 193.1
1552.52
196.0
1529.55 193.0
1553.33
195.9
1530.33 192.9
1554.13
195.8
1531.12 195.8
ห้องสมุดไป่ตู้
1.6nm 100G 0.8nm 50G 0.4nm 25G
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
Frequency Wavelength Frequency Wavelength
(THz)
(nm)
(THz)
(nm)
196.1
基于偏振干涉的光梳状滤波器
偏振干涉系统：起偏器P1、双折射晶体平行 平板及检偏器P2
FX
X
X
P1
S
Z
45°
Y
Y
P1
P2
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
透过起偏器的光场的振幅为A0，光通过 双折射晶体平行平板后在X、Y方向的分 量分别为
AxA0co4s5ex pj2(Lon/l) AyA0si4n5ex pj2(Len/l)
闪耀光栅剖面图
BOE1
l1 ln
l┋1
F1
ln
L1 L2 透射式二元光学波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
干涉滤波片型
采用干涉滤波片来实现不同波长的光的 分离，实现分/合波功能。
由于采用了微等离子体镀膜技术，介质 膜窄带滤光片的光学性能有了很大改善， 工艺也较为成熟。透过率高，带宽窄，
1528.77 193.1
1552.52
196.0
1529.55 193.0
1553.33
195.9
1530.33 192.9
1554.13
195.8
1531.12 195.8
ห้องสมุดไป่ตู้
光纤第五章光纤通信系统
次插入/取出一个低次群信号（上下话路）都要逐次群的
复用解复用， 使得复用结构相当复杂， 缺乏灵活性。
23
1、PDH数字复用体系
(3) 没有统一的光接口。 PDH数字体系仅仅规范
了电接口的技术标准， 各厂家开发的光接口不兼容，
光路互通要先转换为电接口， 因此限制了联网应用的
灵活性， 增加了网络的复杂性。
发送端、信道部分、接收端。
11
5.1 通信网简介
PCM基本单元完成的信号处理过程及功能： 1. 抽样：每隔一定的时间T，抽取模拟信号的一个样值（抽 样值）。抽样后得到的一系列在时间上离散的抽样值称为抽样
值序列。 2. 量化：将幅度连续的抽样信号，通过四舍五入的办法变换
为幅度离散的样值序列，这样就能用有限位的二进制数字信号
随着信息化社会的到来， 这样的结构已远不能适应现
代通信网对信号宽带化、 多样化的要求。 PDH主要存
在以下缺点：
22
1、PDH数字复用体系
(1) 我国和欧洲、 北美、 日本各自有不同的PDH数
字体系， 这些体系互不兼容， 造成国际互通的困难。
(2) PDH的高次群是异步复接， 每次复接就进行一次
码速调整， 因而无法直接从高次群中提取支路信息， 每
13、He who seize the right moment, is the right man.谁把握机遇，谁就心想事成。21.6.621.6.610: 48:0110:48:01June 6, 2021
14、谁要是自己还没有发展培养和教 育好， 他就不 能发展 培养和 教育别 人。2021年6月 6日星 期日上 午10时48分1秒 10:48: 0121.6.6
第5章 光纤通信系统
光纤通信系统模型介绍课件
01
更宽频带：光纤通信系 统正在向更宽频带的方 向发展，以满足各种不 同应用的需求。
03
02
更长距离：光纤通信系 统正在向更长距离的方 向发展，以满足全球范 围内的通信需求。
04
更智能化：光纤通信系 统正在向更智能化的方 向发展，以满足网络管 理和维护的需求。
光纤通信系统的挑战与机遇
D
机遇：光纤通信技术不断发展，未来应用前景广阔
03
力、振动等物理量 光纤激光器：用于医疗、科研、
04
工业等领域的高精度激光设备
团队协作：鼓励学生组成团队，共同完成光纤 通信系统的设计和实施，培养团队协作能力。
光纤通信系统的研究方法
01
理论研究：研究光纤通信系 统的原理、技术、应用等
03
仿真研究：利用计算机仿真 技术，模拟光纤通信系统的 运行情况
05
跨学科研究：结合其他学科 的知识和技术，提高光纤通 信系统的性能和可靠性
02
光纤通信系统广泛应用于电信、互 联网、广播电视等领域。
光纤通信系统的组成
01
光源：产生光信号的设备，如激光 器或发光二极管
02
光纤：传输光信号的介质，如单模 光纤或多模光纤
03
光信号处理设备：对光信号进行放 大、调制、解调等处理的设备，如 光放大器、光调制器、光解调器等
05
网络设备：实现光纤通信系统互联 互通的设备，如交换机、路由器等
C 挑战：光纤网络的建设和维护成本较高
B 机遇：高速传输、大容量、长距离传输等优势
A 挑战：光纤损耗、传输距离、信号衰减等问题
光纤通信系统的教学策略
理论与实践相结合：讲解光纤通信系统的基本 原理，并让学生动手实践操作。
更宽频带：光纤通信系 统正在向更宽频带的方 向发展，以满足各种不 同应用的需求。
03
02
更长距离：光纤通信系 统正在向更长距离的方 向发展，以满足全球范 围内的通信需求。
04
更智能化：光纤通信系 统正在向更智能化的方 向发展，以满足网络管 理和维护的需求。
光纤通信系统的挑战与机遇
D
机遇：光纤通信技术不断发展，未来应用前景广阔
03
力、振动等物理量 光纤激光器：用于医疗、科研、
04
工业等领域的高精度激光设备
团队协作：鼓励学生组成团队，共同完成光纤 通信系统的设计和实施，培养团队协作能力。
光纤通信系统的研究方法
01
理论研究：研究光纤通信系 统的原理、技术、应用等
03
仿真研究：利用计算机仿真 技术，模拟光纤通信系统的 运行情况
05
跨学科研究：结合其他学科 的知识和技术，提高光纤通 信系统的性能和可靠性
02
光纤通信系统广泛应用于电信、互 联网、广播电视等领域。
光纤通信系统的组成
01
光源：产生光信号的设备，如激光 器或发光二极管
02
光纤：传输光信号的介质，如单模 光纤或多模光纤
03
光信号处理设备：对光信号进行放 大、调制、解调等处理的设备，如 光放大器、光调制器、光解调器等
05
网络设备：实现光纤通信系统互联 互通的设备，如交换机、路由器等
C 挑战：光纤网络的建设和维护成本较高
B 机遇：高速传输、大容量、长距离传输等优势
A 挑战：光纤损耗、传输距离、信号衰减等问题
光纤通信系统的教学策略
理论与实践相结合：讲解光纤通信系统的基本 原理，并让学生动手实践操作。
光纤通信第五章_光纤线路技术及器件光衰减器PPT课件
可以实现对线路的监控；可以用于光纤 CATV、光纤用户网、无源光网络(PON)、 光纤传感等领域，实现信号的组合与分配。
原理：光学分束原理、消逝场耦合原理
微透镜耦合型
自聚焦棒耦合型
融锥型
波导型
应力型
主要参数
分光比： 定义为耦合器各输出端口的输出功率的
比值，具体应用中常用相对输出总功率 的百分比来表示，如50:50、80:20、 25:25:25:25等，或用各端口之间输出功 率之比表示，如1:1、4:1、1:1:1:1等。
交换粒度：反映了光开关交换业务的灵活 性。分为三类：波长交换、波长组交换和 光纤交换。
升级能力：增加光开关的容量。
可靠性：要求具有良好的稳定性和可靠性
光开关类型
依据原理可分为：机械光开关、热光开 关、电光开关和声光开关。
依据交换介质可分为：自由空间交换光 开关和波导交换光开关。
常用的光开关有：MEMS光开关、喷墨 气泡光开关、热光效应光开关、液晶光 开关、全息光开关、声光开关、液体光 栅光开关、SOA光开关等。
以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强 度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝， 热传导率接近钼和钨。
批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同 时制造成百上千个，成本大大降低生产。
集成化：可以把不同种类传感器或执行器集成 于一体，形成微传感器阵列、微执行器阵列。
多学科交叉：涉及电子、机械、材料、制造、 信息与自动控制、物理、化学和生物等学科。
1N MEMS Switch
微反射镜
光纤耦合器(Optical fiber coupler)
能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区 发生耦合，并进行再分配的器件。在耦合 的过程中，信号的波谱成分没有发生变化， 变化的只是信号的光功率。
原理：光学分束原理、消逝场耦合原理
微透镜耦合型
自聚焦棒耦合型
融锥型
波导型
应力型
主要参数
分光比： 定义为耦合器各输出端口的输出功率的
比值，具体应用中常用相对输出总功率 的百分比来表示，如50:50、80:20、 25:25:25:25等，或用各端口之间输出功 率之比表示，如1:1、4:1、1:1:1:1等。
交换粒度：反映了光开关交换业务的灵活 性。分为三类：波长交换、波长组交换和 光纤交换。
升级能力：增加光开关的容量。
可靠性：要求具有良好的稳定性和可靠性
光开关类型
依据原理可分为：机械光开关、热光开 关、电光开关和声光开关。
依据交换介质可分为：自由空间交换光 开关和波导交换光开关。
常用的光开关有：MEMS光开关、喷墨 气泡光开关、热光效应光开关、液晶光 开关、全息光开关、声光开关、液体光 栅光开关、SOA光开关等。
以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强 度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝， 热传导率接近钼和钨。
批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同 时制造成百上千个，成本大大降低生产。
集成化：可以把不同种类传感器或执行器集成 于一体，形成微传感器阵列、微执行器阵列。
多学科交叉：涉及电子、机械、材料、制造、 信息与自动控制、物理、化学和生物等学科。
1N MEMS Switch
微反射镜
光纤耦合器(Optical fiber coupler)
能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区 发生耦合，并进行再分配的器件。在耦合 的过程中，信号的波谱成分没有发生变化， 变化的只是信号的光功率。
光纤通信第五章3用课件
27
（2）增益平坦控制技术
目前EDFA的增益平坦技术主要可分为两 大类：一是研究设计自身增益平坦EDFA， 如经过优化设计EDFA(粒子数强烈反转法、 增益互补法)，特种光纤等等；二是EDFA 外部采用各种增益均衡技术，如衰减法、 单独放大法、滤波法(插入各种无源光滤波 器，如M—z滤波器、声光可调滤波器、镀 介质膜的滤波器光纤环镜和光纤光栅)等
NF( f ) SNRin SNRout
NF (实际 E） N(等 F 效分立放 •ex大 1p(L 器 ) ）
39
4.多波长泵浦时的组合增益谱
（OFC2001）
设计宽带RAMAN放大器不仅要考虑信号和泵浦之间的受激 喇曼散射，还要考虑 ➢ 信号和信号之间的受激喇曼散射 ➢ 泵浦和泵浦之间的受激喇曼散射 ➢ 双径后向瑞利散射
（2）输出功率特性
15
（3）EDFA的增益变化曲线
信 号 增 (益d B )
40
EDFA的增益与泵浦功率、
35
输入功率和EDF的长度有关，
30
25
EDF存在最佳长度。
20
泵浦功率: 90mW
15
泵浦功率: 50mW 泵浦功率: 30mW
10
5
35
12
0
30
10
0 25 50 75 100 125 150 175 200 掺 铒 光 纤 长 度 (m)
8
5.5.3 掺铒光纤放大器
(Erbium-doped Fiber Amplifier, EDFA)
1．EDFA的工作原理
9
1、掺铒光纤放大器原理
a) 三能级跃迁
1μs
铒是镧系稀土元素,原子序数是68, 原子量为167.3, 利用其4f能级
（2）增益平坦控制技术
目前EDFA的增益平坦技术主要可分为两 大类：一是研究设计自身增益平坦EDFA， 如经过优化设计EDFA(粒子数强烈反转法、 增益互补法)，特种光纤等等；二是EDFA 外部采用各种增益均衡技术，如衰减法、 单独放大法、滤波法(插入各种无源光滤波 器，如M—z滤波器、声光可调滤波器、镀 介质膜的滤波器光纤环镜和光纤光栅)等
NF( f ) SNRin SNRout
NF (实际 E） N(等 F 效分立放 •ex大 1p(L 器 ) ）
39
4.多波长泵浦时的组合增益谱
（OFC2001）
设计宽带RAMAN放大器不仅要考虑信号和泵浦之间的受激 喇曼散射，还要考虑 ➢ 信号和信号之间的受激喇曼散射 ➢ 泵浦和泵浦之间的受激喇曼散射 ➢ 双径后向瑞利散射
（2）输出功率特性
15
（3）EDFA的增益变化曲线
信 号 增 (益d B )
40
EDFA的增益与泵浦功率、
35
输入功率和EDF的长度有关，
30
25
EDF存在最佳长度。
20
泵浦功率: 90mW
15
泵浦功率: 50mW 泵浦功率: 30mW
10
5
35
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0
30
10
0 25 50 75 100 125 150 175 200 掺 铒 光 纤 长 度 (m)
8
5.5.3 掺铒光纤放大器
(Erbium-doped Fiber Amplifier, EDFA)
1．EDFA的工作原理
9
1、掺铒光纤放大器原理
a) 三能级跃迁
1μs
铒是镧系稀土元素,原子序数是68, 原子量为167.3, 利用其4f能级
《光纤通信》PPT课件 (2)
– 目前光纤通信实用的波长即短波长段的 0.85μm、长波长波段的1.31μm和1.55μm ，通常称其为是目前光纤通信的三个实用窗
13
衰减（dB/km）
6 5 4 3
第一窗口 2
1
C 波段
1525~1565nm
第二窗口
0。4
第三窗口
0。2
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.57 1.62
2
5.1
探索时期的光通信
• 原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人
用旗语传送信息。
• 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”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。
• 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。激光器的发明和应用， 使 沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。
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。6
光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：
• 第一阶段(1966~1976年)，这是从基础研 究到商业应用的开发时期。
• 第二阶段(1976~1986年)，这是以提高传 输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应 用的大发展时期。
10 G 100 G 1 T 10 T 100 T 1000 T
频 率/Hz
(注) M： 106 G： 109
T：
1 012
图 各种传输线路的损耗特性
9
5.1.2 光纤通信的特点
• 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 • 抗电磁干扰性能好 • 泄漏小， • 节约金属材料， 有利于资源合理使用
13
衰减（dB/km）
6 5 4 3
第一窗口 2
1
C 波段
1525~1565nm
第二窗口
0。4
第三窗口
0。2
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.57 1.62
2
5.1
探索时期的光通信
• 原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人
用旗语传送信息。
• 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”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。
• 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。激光器的发明和应用， 使 沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。
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。6
光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：
• 第一阶段(1966~1976年)，这是从基础研 究到商业应用的开发时期。
• 第二阶段(1976~1986年)，这是以提高传 输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应 用的大发展时期。
10 G 100 G 1 T 10 T 100 T 1000 T
频 率/Hz
(注) M： 106 G： 109
T：
1 012
图 各种传输线路的损耗特性
9
5.1.2 光纤通信的特点
• 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 • 抗电磁干扰性能好 • 泄漏小， • 节约金属材料， 有利于资源合理使用
光纤通信 第五章2
光发送机
λ1 λ2
光源的波长稳定 指定波长符合ITU-T规定 波长漂移 ≤ ±∆λ/5（ITU-T） ≤ ±∆λ/10（国家） 光源的色散容限 光谱宽度@-20dB< 0.2nm
∆λ
d.EDFA技术
EDFA的特性
工作波长与光纤最小损耗窗口一致，在光 纤通信中获得很好的应用。 能量转换效率高：激光工作物质集中在光 纤芯子中的近轴部分，而信号光和泵浦光 也是在光纤的近轴部分最强,使得光与物质 的作用很充分。 增益高，噪声低，输出功率大。 增益特性稳定：EDFA增益对温度不敏感。
监控通路波长1510±10nm，监控速率2Mb/s，采用伪 双极性码。 (1) 监控通路不限制光放大器的泵浦波长 (2) 监控通路不限制光放大器之间的距离 (3) 监控通路不限制未来在 1310 nm 波长的业务 (4) 在光放大器失效时监控通路仍然可用 (5) OSC传输是分段的且具有3R功能和双向传输功 能。 (6) 应有OSC保护路由，防止光纤被切断后监控信息 不能传送的严重后果。
5.6 WDM 光纤传输系统
WDM的定义 光波分复用技术是在一根光纤中 同时传输多波长信号的一项技术.
这些多波长光信号可以独立地进行路由选择 和检测，其波长还可以作为源、宿或者路由的标 识地址来确定通信的路径。
WDM系统
1.几个概念：
WDM（波分复用） DWDM（密集波分复用） OFDM（光频分复用） CWDM（粗波分复用）
光信道 λ1 *λ 2 λ3 *λ 4 λ5 *λ 6 λ7 *λ 8 λ9 *λ 1 0 λ11 *λ 1 2 λ13 *λ 1 4 λ15 *λ 1 6 中心波长 1 5 4 8 .5 1 n m 1 5 4 9 .3 2 n m 1 5 5 0 .1 2 n m 1 5 5 0 .9 2 n m 1 5 5 1 .7 2 n m 1 5 5 2 .5 2 n m 1 5 5 3 .3 3 n m 1 5 5 4 .1 3 n m 1 5 5 4 .9 4 n m 1 5 5 5 .7 5 n m 1 5 5 6 .5 5 n m 1 5 5 7 .3 6 n m 1 5 5 8 .1 7 n m 1 5 5 8 .9 8 n m 1 5 5 9 .7 9 n m 1 5 6 0 .6 1 n m 中心频率 1 9 3 .6 T H z 1 9 3 .5 T H z 1 9 3 .4 T H z 1 9 3 .3 T H z 1 9 3 .2 T H z 1 9 3 .1 T H z 1 9 3 .0 T H z 1 9 2 .9 T H z 1 9 2 .8 T H z 1 9 2 .7 T H z 1 9 2 .6 T H z 1 9 2 .5 T H z 1 9 2 .4 T H z 1 9 2 .3 T H z 1 9 2 .2 T H z 1 9 2 .1 T H z
光纤通信第五章光纤线路技术原理及器件光环形器
光纤通信
Fiber-Optic Communication Technology
2005/2006学年第二学期
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
第五章 光纤线路技术及器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
主要内容
一、光隔离器和光环形器 二、光纤的连接 三、光衰减器和光开关 四、光纤耦合器 五、光纤光栅 六、波分复用器件 七、平面及矩形光波导技术及器件 八、光放大器 九、色散补偿技术
单纤双向通信、上/下话路、合波/分波 及色散补偿等
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
结构
光 分 偏 光 偏分 光 纤 束 振 束 振束 纤 准 合 旋 变 旋合 准 直 束 转 换 转束 直 器 镜 镜 器 镜镜 器
端 x口
1 23 4 5 6
端 口
1
2
3
4
z
y
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
(dB )
Pi：输入的光信号功率，
Pi
Po
Po ：经过光隔离器后的功率，
显然， IL值越小越好。
光隔离器的插入损耗来源于偏振器、法拉 第旋转器等各部分的插入损耗。
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
回波损耗(RL)
回波损耗：指由于构成光隔离器的各元 件、光纤以及空气折射率失配引起的反 射造成的对入射光信号的衰减。
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
光隔离器(isolator)
光隔离器是一种只允许光沿一个方向通 过而在相反方向阻挡光通过的光无源器 件
作用：防止光路中的后向传输光对光源 以及光路系统产生不良影响
例如：半导体激光器、光纤放大器 应用：光纤通信、光信息处理系统、光
Fiber-Optic Communication Technology
2005/2006学年第二学期
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
第五章 光纤线路技术及器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
主要内容
一、光隔离器和光环形器 二、光纤的连接 三、光衰减器和光开关 四、光纤耦合器 五、光纤光栅 六、波分复用器件 七、平面及矩形光波导技术及器件 八、光放大器 九、色散补偿技术
单纤双向通信、上/下话路、合波/分波 及色散补偿等
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
结构
光 分 偏 光 偏分 光 纤 束 振 束 振束 纤 准 合 旋 变 旋合 准 直 束 转 换 转束 直 器 镜 镜 器 镜镜 器
端 x口
1 23 4 5 6
端 口
1
2
3
4
z
y
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
(dB )
Pi：输入的光信号功率，
Pi
Po
Po ：经过光隔离器后的功率，
显然， IL值越小越好。
光隔离器的插入损耗来源于偏振器、法拉 第旋转器等各部分的插入损耗。
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
回波损耗(RL)
回波损耗：指由于构成光隔离器的各元 件、光纤以及空气折射率失配引起的反 射造成的对入射光信号的衰减。
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
光隔离器(isolator)
光隔离器是一种只允许光沿一个方向通 过而在相反方向阻挡光通过的光无源器 件
作用：防止光路中的后向传输光对光源 以及光路系统产生不良影响
例如：半导体激光器、光纤放大器 应用：光纤通信、光信息处理系统、光
光纤通信(第3版)第5章 光探测及光接收机
IP q h R Pin h q
19
IP Pin
式中 焦耳，是电子电荷， 常数， 是入射光频率。由此式可以得到响应度
R
q 16 10 .
h 6.63 10
34
(5.1.3) 焦耳-秒，是普朗克
式中
c/v
q h 124 .
(5.1.4)
编著 7
《光纤通信》（第3版） 原荣 编著 12
hc 1.24 c Eg Eg
图5.2.2 PIN光电二极管的波长响应曲线
量子效率 90% 1.0 0.8 响 应 度 (R ) Si 0.6 0.4 0.2 0 600 800 1000 Ge 30% InGaAsP 10% 70% InGaAs 50%
通常用平均雪崩增益 M 来表示 APD 的 倍增大小， M 定义为
M IM IP
式中 I P 是初始的光生电流，I M 总输出电流的平均值。 反向偏压有关。
《光纤通信》（第3版） 原荣 编著
(5.2.4) 是倍增后的
M
也与结上所加的
18
5.2.3 响应带宽
响应带宽 f 为
f 3dB 0.35
20
上升时间定义
Vin 1.0 Vin 0 t 线性系统 R i C V out V out 0 0.9 0.1 0 Tr 90% t 10%
Tr=0.7
(a) 阶跃脉冲作用于线性系统
(b)方波作用于 线性系统
上升时间定义为输入阶跃光功率时，探测器输出 光电流最大值的 10 % 到 90 % 所需的时间。
《光纤通信》（第3版） 原荣 编著
15
+ 电极 SiO2 N+ (a) 雪 崩 光 电 二 入 射 光 极 管 （ APD hv > Eg ）的结构 P E Vr
《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。
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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
光纤通信技术第五章光无源器件(1)汇总
（1）T型耦合器
这是一种2×2的3端耦合器，如图5.8（a） 所示，它的功能是把一根光纤输入的光信号按 一定比例分配给两根光纤，或把两根光纤输入 的光信号组合在一起输入一根光纤。这种耦合 器主要用作不同分路比的功率分配器或功率组 合器。
（2）星型耦合器
这是一种n×m耦合器，如图5.8（b）所示， 它的功能是把n根光纤输入的光功率组合在一 起，均匀地分配给m根光纤，m和n不一定相 等。这种耦合器常用作多端功率分配器。
1. 光纤型耦合器
光纤型耦合器是把两根或多根光纤排列，
用熔融拉锥法制作出来的器件。熔融拉锥法就 是将两根或两根以上除去涂覆层的光纤以一定 的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧 拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波 导结构，实现传输光功率耦合的一种方法，这 种方法的系统框图如图5.9所示。
图5.9 熔融拉锥系统示意图
图5.1示出套筒结构的光 纤连接器简图，包括用于对 中的套筒、带有微孔的插针 和端面的形状（图中画出平 面的端面）。光纤固定在插 针的微孔内，两支带光纤的 插针用套筒对中实现连接。 以下文中提到的光纤连接器 都指的是光纤活动连接器。
图5.1 套筒结构光纤连接器简图
对光纤连接器的基本要求是使发射光纤输出的光 能量最大限度地耦合进接收光纤。光纤连接器是光纤 通信中应用最广泛、最基本的光无源器件。光纤连接 器的“尾纤”（即一端有活动的连接器光纤）用于和 光源或检测器耦合，以构成发射机或接收机的输出/输 入接口，或构成光缆线路及各种光无源器件两端的接 口。光纤连接器跳线（即两端都有光纤活动连接器的 一小段光纤）用于终端设备与光缆线路及各种光无源 器件之间的互连，以构成光纤传输系统。
重复性是指光纤（缆）活动连接器多次插拔后插 入损耗的变化，用dB表示。互换性是指连接器各部件 互换时插入损耗的变化，也用dB表示。 这两项指标可以考核连接器结构设计和加工工艺 的合理性，也是表明连接器实用化的重要标志。影响 插入损耗的各项因素，也同时影响着连接器的重复性 和互换性，因而这些因素的改善也会有效地提高重复 性和互换性的性能指标。
《光纤通信》第5章课后习题答案
1．光放大器包括哪些种类？简述它们得原理与特点。
EDFA有哪些优点？答：光放大器包括半导体光放大器、光纤放大器（由可分为非线性光纤放大器与掺杂光纤放大器）。
1）半导体光放大器它就是根据半导体激光器得工作原理制成得光放大器。
将半导体激光器两端得反射腔去除，就成为没有反馈得半导体行波放大器。
它能适合不同波长得光放大，缺点就是耦合损耗大，增益受偏振影响大，噪声及串扰大。
韧滯灿担紅残鄲。
2）光纤放大器（1）非线性光纤放大器强光信号在光纤中传输，会与光纤介质作用产生非线性效应，非线性光纤放大器就就是利用这些非线性效应制作而成。
包括受激拉曼放大器（SRA）与受激布里渊放大器（SBA）两种。
葉輊鮞为喷餘驶。
（2）掺杂光纤放大器（常见得有掺铒与掺镨光纤放大器）在泵浦光作用下，掺杂光纤中出现粒子数反转分布，产生受激辐射，从而使光信号得到放大。
EDFA优点：高增益、宽带宽、低噪声及放大波长正好就是在光纤得最低损耗窗口等。
2．EDFA得泵浦方式有哪些？各有什么优缺点？答：EDFA得三种泵浦形式：同向泵浦、反向泵浦与双向泵浦。
同向泵浦：信号光与泵浦光经WDM复用器合在一起同向输入到掺铒光纤中，在掺铒光纤中同向传输；反向泵浦：信号光与泵浦在掺铒光纤中反向传输；双向泵浦：在掺铒光纤得两端各有泵浦光相向输入到掺铒光纤中。
謾馊诈齟飄狯橫。
同向泵浦增益最低，而反向泵浦比同向泵浦可以提高增益3dB~5dB。
这就是因为在输出端得泵浦光比较强可以更多地转化为信号光。
而双向泵浦又比反向泵浦输出信号提高约3dB，这就是因为双向泵浦得泵功率也提高了3dB。
其次，从噪声特性来瞧，由于输出功率加大将导致粒子反转数得下降，因此在未饱与区，同向泵浦式EDFA 得噪声系数最小，但在饱与区，情况将发生变化。
不管掺铒光纤得长度如何，同向泵浦得噪声系数均较小。
最后，考虑三种泵浦方式得饱与输出特性。
同向 EDFA 得饱与输出最小。
双向泵浦 EDFA 得输出功率最大，并且放大器性能与输出信号方向无关，但耦合损耗较大，并增加了一个泵浦，使成本上升。
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显然，一个幅度受到衰减、波 形发生畸变的信号，经过中继器的 放大、再生之后就可挥发为原来的 情况。
但是作为一个实用的光中继器， 为了维护的需要，还应具有公务通 信、监控、告警的功能，有的中继 器还有区间通信的功能。另外，实 际使用的中继器应由两套收发设备， 一套是输出，一套是输入，故实际 中的中继器方框图应如图5-3所示。
图5-1给出了以光电再生的方法作为光信号中继的点对点光传输 示意图，从图中可以看出，该系统是由发射端机（电，光）、接收端 机（光，电）、光中继器、监控系统、备用系统等组成。
2
5.1.1
传点 输对 结点 构的
光 纤
图5-1 强度调制-直接检波光纤通信系统原理方框图
3
5.1.1
1.光中继器
传点 输对 结点 构的
光 纤
光脉冲信号从光发射机输出经光纤传输若干距离以后，由于光纤损耗 和色散的影响，将使光脉冲信号的幅度受到衰减，波形出现失真，这样， 就限制了光脉冲信号在光纤中作长距离的传输。为此就需在光波信号经过 一定距离传输之后，要加一个光中继器，以放大衰减的信号，恢复失真的 波形，是光脉冲得到再生。
(1)中继器的构成方框图
前
电信号
主放
均
判
调 光光
置
大衡
决
制源
光放大光
电
自
时
路自
器电 5检 测图5-2
最简单（C的动增益）A光G中继器原理钟提取方框图
（动AP C功）
率
器
控
控
5.1.1
传点 输对 结点 构的
光 纤
光接收 部光分发射 部分
光发射 光部接分收 部分
区 间
通警 信
告公 务
通控 信Βιβλιοθήκη 监源点图5-3 实用的中继器方框图
传点 输对 结点 构的
光 纤
5.1.1
(2)监控系统的基本构成 监控系统根据功能不同大致有三种构成方式：在一个数字段内对光传输
设备和PCM服用设备进行监控，这是一种基本的监控方式；在具有多个方向 传输的终端站内，对多个方向进行监控，这是第二种方式；第三重视对跨越 数字段的设备进行集中监控。上述钟后两种监控方式是建立在第一种方式之 上的监控方式。
这种监控系统的工作过程大致如下： 首先是由主控站的监控微机不断地向各被控站发出各种询问指令，被控 站监控微机受到询问指令后就将本站设备运行的情况编成的数字信号不断地 传向主控站。主控站微机受到各被控站发来的信息后，进行判别处理，然后 显示在监视器屏幕上，并同时由打印机将信息打印出来，以上是监测过程。 主控站的监控设备可根据上述处理的信息，人工或自动发出控制指令。 被控站受到指令后，有监控设备完成所需的控制动作。以上是控制过程。
由于光纤通信是在近20年来发展起来的新的通信手段， 故能在光纤通信的监控系统中，应用了许多先进的监控手 段。如用计算机进行集中监控等方式。
7
传点 输对 结点 构的
光 纤
5.1.1
(1)监控的内容
除上述内容外，还可根据需要设置其他监测内容
①监视的内容 a.在数字光纤通信系统中误码率是否满足指标要求
b.各个光中继器是否工作正常 c.接受光功率是否满足指标要求 d.光源的寿命 e.电源是否有故障 f.环境的温度、湿度是否在要求的范围内
第五章 光纤通信系统
5.1 系统结构 5.1.1 点对点的光纤传输结构 5.1.2光纤局域网结构
5.2 光纤数字通信系统的性能指标—— 误码率和抖动
5.2.1误码性能 5.2.2 抖动性能 5.3 光纤通信系统的设计指标 5.3.1 衰减对中继距离影响的分析
5.3.2 色散对中继距离的影响的 分析
5.3.3 最大中继距离的计算 5.4 传输系统的可靠性
②控制内容 当光纤通信系统中主用系统出现故障时，监控系统即由主控站发出倒
换指令，遥控装置将被用系统接入，将主用系统退出工作。当主用系统恢 复正常后，监控系统应在发出指令，将系统由备用切换到主用中。
另外8 ，当市电中断后，将控系统还要发出启动电机的指令。又如中继 站温度过高，则应发出启动风扇或者空调的指令。同样，还可根据需要设 置其他控制内容。
①对一个数字段的控制 这种监控方式的组成方框图如图5.4所示。图中，主控站、副控站、
被控站都装有微机，能迅速处理监控信息。主控站的功能为收集本站和 被控站、9 副控站发来的监测信息，同时还可以向这些站发出指令，对这 些站实行控制。
传点 输对 结点 构的
光 纤
5.1.1
副控站是辅助主控站工作的。他亦可收集本站和其他被控站的信息并转 发给主控站。但副控站不能发控制指令。
R-SV R-SV R-SV R-SV
T-SV T-SV T-SV T-SV
图5-5 多方 向进行监控 的系统组成
方框图
②对多方向的控制 对多方向进行监控系统组成的方框图如图5-5所示。途中之花除了监
端站
光缆
光缆
中继
中继
中继
设备
器
器
器
端10站
被控 被控 被控
监主控控站
站 被控站
站 被控站
站 被控站
微机 如图5.4微对机一个数字段微监机控的组成方微框机图
光缆
端站
设备 端站 监副控控站 微机
传点 输对 结点 构的
光 纤
5.1.1
T-SV T-SV T-SV T-SV
R-SV R-SV R-SV R-SV
5.4.1 可靠性的概念 5.4.2 可靠性的表示方法和指标 5.4.3 不同系统的可靠性分析 5.4.4 可靠性估算
5.1
5.1.1 点对点的光纤传输结构
结 构系
统
所谓传输是指任何地方的两个用户以一定的终端设备连接方式 进行信息交流的过程。实际上这种端与端的连接情况是相当复杂的， 其中，点对点的信息传输方式是一种最简单的结构形式。
根据光中继器的上述作用，一个功能最简单的中继器，硬是有一个 设有码型变换的光接收机和设有均放和码型变换的光发射机相接而成， 如图5-2所示。
4
传点 输对 结点 构的
光 纤
5.1.1
(1)中继器的构成方框图
根据光中继器的上述作用，一个功能最简单的中继器，硬是有一个 设有码型变换的光接收机和设有均放和码型变换的光发射机相接而成， 如图5-2所示。
(2)中继器的结构形式
中继器的结构有的是机架式的，设在机房中，有的是箱式或罐式的， 直埋在地6 下或在架空光缆中架在杆上，对于直埋或架空的中继器需要有 良好的密封性能。
5.1.1
传点 输对 结点 构的
光 纤
2.监控系统
监控系统为监视、监测和控制系统的简称。它与其他的 通信系统一样，在一个实用的光纤通信系统中，为保证通 信的可靠，监控系统是必不可少的。