第七章_光纤通信
光纤通信原理：光信号在光纤中的传输与调制
光纤通信原理：光信号在光纤中的传输与调制光纤通信是一种利用光纤传输光信号的通信方式，具有高带宽、低损耗、抗电磁干扰等优点。
以下是光纤通信的基本原理，包括光信号在光纤中的传输和调制过程：1. 基本构成：光源（Light Source）：产生光信号的光源，通常使用激光二极管（LD）或发光二极管（LED）。
光纤（Optical Fiber）：光信号在其中传输的光导纤维，通常由玻璃或塑料制成。
调制器（Modulator）：将电信号转换为光信号的调制器，常用的有直接调制和外调制两种方式。
解调器（Demodulator）：将光信号还原为电信号的解调器。
接收器（Receiver）：接收并解析光信号的接收器，包括光探测器和电子设备。
2. 光信号传输过程：光源产生信号：光源产生的激光被调制为携带信息的光信号。
调制可以是直接调制（改变光源的光强）或外调制（在光路上添加调制器改变光的特性）。
信号传输：光信号通过光纤进行传输，光纤内部的全反射现象使光信号能够在光纤中一直传播，减小信号损耗。
光信号保真性：光纤材料的低色散性和低衰减性保证了光信号在传输过程中的保真性。
信号放大：光信号在传输过程中会衰减，因此需要光放大器对信号进行放大，以延长传输距离。
3. 调制和解调：调制：调制器将电信号转换为光信号，控制激光的强度或频率。
调制方式包括振幅调制（AM）、频率调制（FM）等。
解调：解调器在接收端将光信号转换为电信号，从而还原原始的信息。
4. 多路复用：波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）：多路复用技术，允许在同一光纤上传输多个不同波长的信号，提高通信容量。
5. 应用：光纤通信广泛应用于电话网络、互联网、有线电视等领域，以及高性能计算、数据中心等对高带宽和低延迟要求的场景。
光纤通信的原理基于光信号的传输和调制技术，通过光纤实现信息的高速、远距离传输。
这种通信方式在现代通信领域扮演着重要的角色，推动了信息技术的发展。
光纤通信PPT课件
1950年，波尔多一所中学的教师阿尔弗雷德·卡斯特 勒同让·布罗塞尔发明了“光泵激”技术。这一发明后 来被用来发射激光
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2.2.1 光纤通信概述
1951年，美国哥伦比亚大学的一位教授查尔斯·汤 斯（Townes）对微波的放大进行了研究，经过三年 的努力，他成功地制造出了世界上第一个“微波激 射器”，即“受激辐射的微波放大”的理论。 1958年，汤斯和肖洛在《物理评论》杂志上发表了 他们的“发明”——关于“受激辐射的光放大”（ 即LASER）的论文。
意思是“受激辐射的光放大”。
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2.2.1 光纤通信概述
什么叫做“受激辐射”？ 在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分 布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子 的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时 将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种 状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这
17
2.2.1 光纤通信概述
第二种方式：把光束限制在特定空间
透镜波导：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聚到下一个透镜而实现
18
2.2.1 光纤通信概述
反射镜波导：用与光束传输方向成45度角的两个
平行反射镜代替透镜而构成
首先：现场施工中校准和安装十分复杂； 其次：地面活动对波导影响很大
5
2.2.1 光纤通信概述
各种传输介质所能承载的载波大小：
铜线——1MHz 同轴电缆——100MHz 无线电——500kHz～100MHz 微波（包括卫星信道）——100GHz 光纤——几百THz NEC和Alcatel报道他们的传输容量分别达到
10.92Tb/s和10.02Tb/s。（采用波分复用技术 ）
光纤通信课后习题解答第7章光放大器参考题答案
第七章光放大器复习思考题答案1．光放大器在光纤通信中有哪些重要用途？答：（1）利用光放大器代替原有的光电光再生中继器，能够大幅度延长系统传输距离。
（2）在波分复用系统中，它一方面可以同时实现多波长的低成本放大，另一方面，可以补偿波分复用器，波分解复用器、光纤光缆等无源器件带来的损耗。
（3）光放大器在接入网中使用，可以补偿由于光分支增加带来的损耗，使得接入网服务用户增加，服务半径扩大。
（4）光孤子通信必须依靠光放大器放大光信号，使光脉冲能量大到可以在光纤中满足孤子传输条件，从而实现接近无穷大距离的电再生段传输。
（5）光放大器在未来的光网络中必将发现越来越多的新用途。
2．光放大器按原理可分为几种不同的类型？答：光放大器按原理不同大体上有三种类型。
（1）掺杂光纤放大器，就是将稀土金属离子掺于光纤纤芯，稀土金属离子在泵浦源的激励下，能够对光信号进行放大的一种放大器。
（2）传输光纤放大器，就是利用光纤中的各种非线性效应制成的光放大器。
（3）半导体激光放大器，其结构大体上与激光二极管（Laser Diode，LD）相同。
如果在法布里－派罗腔（Fabry-Perot cavity，F-P）两端面根本不镀反射膜或者镀增透膜则形成行波型光放大器。
半导体光放大器就是行波光放大器。
3．光放大器有哪些重要参数？答：光放大器参数主要有（1）增益；（2）增益带宽；（3）饱和输出光功率；（4）噪声指数。
4．简述掺杂光纤放大器的放大原理。
答：在泵浦源的作用下，掺杂光纤中的工作物质粒子由低能级跃迁到高能级，得到了粒子数反转分布，从而具有光放大作用。
当工作频带范围内的信号光输入时，信号光就会得到放大，这就是掺杂光纤放大器的基本工作原理。
只是掺杂光纤放大器细长的纤形结构使得有源区能量密度很高，光与物质的作用区很长，有利于降低对泵浦源功率的要求。
5．EDFA有哪些优缺点？答：EDFA之所以得到迅速的发展，源于它的一系列优点：（1）工作波长与光纤最小损耗窗口一致，可在光纤通信中获得广泛应用。
光纤通信的原理和技术
光纤通信的原理和技术随着现代信息的迅速发展，人们对快速高效的通信需求越来越大。
而光纤通信作为一种高速传输技术，已经被广泛运用于现代通信行业中。
本文将介绍光纤通信的原理和技术。
一、光纤通信的原理光纤通信是利用光学原理传输信息，通信信号在光纤中以光信号形式传输。
光纤传输能够最大限度地利用光的不带宽特性，减少损失。
1. 光纤的基本结构和属性光纤是用高纯度的二氧化硅、石英玻璃等材料制作的细长、柔软的玻璃线。
它由纤芯、包层和外护层三个部分构成。
其中纤芯是光信号的传输通道，通常是数百至数千微米宽的玻璃或塑料芯线。
包层是覆盖在纤芯表面的一层低折射率材料，其作用是使光束一致地沿纤芯传播。
外护层是一层透明的保护层，通常是塑料或玻璃。
2. 光信号的传输原理光纤通信的数据传输过程包括信号转换、调制、传输和解调四步。
传输信号时，发射器把电子信号转化为光信号，通过信号调制将数字信号转变为模拟信号，以光在纤芯中传输，然后通过解调将接收到的模拟信号转化为数字信号。
光纤的折射率很高，因此传输过程中，光束会一直沿着纤芯传送。
同时，光的传播速度很快，大约是空气中光速的三分之二。
这就保证了光信号的高速传输性能。
二、光纤通信的技术1. CWDM技术CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexing）技术是一种低成本、使用方便的多波长分复用技术。
使用CWDM技术，可以将多个通道的信号通过同一个光纤线路进行传输，从而实现光纤通信的传输效率和带宽资源的充分利用。
CWDM技术可以在单根光纤上传输多达16个波长，每个波长之间的带宽可达10Gbps。
2. DWDM技术DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）技术则可以将更多的信道传输到同一条光纤线路中。
DWDM技术可以将光纤的带宽分成40个波长，每个波长的带宽则可达到10Gbps，可直接实现3.2Tbps的传输速率。
光纤通信概论课件
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光纤放大技术
总结词
简化网络结构
详细描述
光纤放大技术简化了网络结构，减少了中继 站的数量，降低了网络的复杂性和成本。这 有助于提高网络的可靠性和可维护性，降低 运营和维护成本。
光纤放大技术
总结词
推动光网络发展
详细描述
光纤放大技术是推动光网络发展的重要支撑 技术之一。它促进了光网络的规模应用和发 展，使得光网络成为现代通信网络的主流技
光的衍射
光波在传播过程中遇到障碍物或孔隙时，会绕过障碍物或孔隙继续传播的现象。 衍射是光波的波动性的另一重要表现，它也是光学仪器和光通信中常用的技术手 段。
光的全反射
• 光的全反射：当光从光密介质射向光疏介质时，如果入射角大 于某一临界角，光波将在界面上完全反射回光密介质，而不能 进入光疏介质的现象。全反射是光纤通信中的重要原理之一， 它使得光波能够在光纤中实现低损耗、长距离的传输。
光纤通信面临的挑战
技术成熟度
虽然光纤通信技术已经取得了长 足的进步，但在一些特殊环境和 应用场景中，技术成熟度仍需进
一步提高。
成本与投资
光纤通信系统的建设和维护成本较 高，需要大量的资金投入，同时也 需要探索更加有效的商业模式。
网络安全与隐私
随着光纤通信网络的普及，网络安 全和隐私保护问题也日益突出，需 要加强技术和管理措施，保障网络 的安全和用户的隐私。
军事领域
光纤通信在军事领域中具有保 密性好、抗电磁干扰等优点， 广泛应用于军事通信。
企业和校园网络
光纤通信也广泛应用于企业和 校园网络的建设，提供高速、 稳定的数据传输服务。
02
光纤通信系统组成
光源和光发送机
光源
光纤通信传输的原理是什么
光纤通信传输的原理是什么光纤通信是一种利用光信号进行信息传输的技术。
它的原理是通过将信息转化为光信号并通过光纤传输，最后再将光信号转化为电信号进行接收和解码。
光纤通信的基本原理是利用光的全反射现象来传输信息。
光纤是一种由高折射率的芯层和低折射率的包层组成的细长结构。
当光束从高折射率的芯层射入低折射率的包层时，由于光束与包层的交界面形成一定的夹角，使得光束不会从交界面射出，而是会被全反射回芯层。
这样，光束就可以沿着光纤一直传输，而不会发生明显的损耗。
光纤通信的传输过程中，需要进行光信号调制和解调。
光信号调制是将要传输的信息转换成光信号的过程，而光信号解调则是将光信号转换为与原始信息相对应的电信号的过程。
在光信号调制中，常用的调制方式有强度调制和频率调制。
强度调制是通过改变光信号的强度来表示信息的变化。
频率调制则是通过改变光信号的频率来表示信息的变化。
无论是强度调制还是频率调制，都需要使用调制器来实现，其中常用的调制器有光电调制器和电光调制器。
在光信号解调中，常用的解调方式是利用半导体光探测器。
光探测器能够将光信号转换为与原始信息相对应的电信号，使得信息能够被接收和解码。
光探测器的种类有很多，常见的有光电二极管和光电倍增管等。
在光纤通信中，还需要光纤放大器来增强光信号的强度。
光纤放大器的基本原理是通过在光纤中掺入特定的材料，使光信号在通过被掺杂的区域时产生受激辐射，从而增强光信号的强度。
常用的光纤放大器有掺铒光纤放大器和掺铗光纤放大器等。
光纤通信的优点主要有以下几个方面：传输容量大、传输距离远、传输速度快、抗干扰能力强、安全性高等。
这些优点使得光纤通信成为了现代通信领域的主流技术之一。
总的来说，光纤通信的传输原理是利用光的全反射现象来传输信息。
通过光信号的调制和解调，以及光纤放大器的增强，光信号能够在光纤中快速传输，实现远距离高速通信。
光纤通信的应用已经广泛涉及到电信、互联网、广播电视等多个领域，并在信息化时代起到了举足轻重的作用。
光纤通信_第7章 光纤通信系统PPT课件
FOH FOH FOH FOH
123 … N 1 … N 1 … N 1 … 时隙
一帧
图7.11 数字信号的时分复用
PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy）是指准同 步数字体系。根据国际电报电话咨询委员会CCITT （现改为国际电联标准化组织ITU-T）G.702建议， PDH的基群速率有两种， 即PCM30/32路系统和PCM24 路系统。 我国和欧洲各国采用PCM30/32路系统， 其 中每一帧的帧长是125μs，共有32个时隙（TS0～ TS31），其中30个为话路（TS1～TS15和TS17～ TS31），时隙TS0被用作帧同步信号的传输，而时隙 TS16用作信令及复帧同步信号的传输。
每个时隙包含8 bit， 所以每帧有8×32=256 bit， 码速 率为256 bit×（1/125 μs）=2.048 Mb/s。 日本和北美使 用的PCM24路系统， 基群速率为1.544 Mb/s。 几个基 群信号（一次群）又可以复用到二次群， 几个二次群 又可复用到三次群……。 表7.1是PDH各次群的标准比 特率。
模拟信号
输出信号
6
6
抽 样4
4
滤波
2
2
0
0
量化 3
67
5 12
6 3
7
5
1
2
解码
编码
011 110 111 101 001 010 (3) (6) (7) (5) (1) (2)
011 110 111 101 001 010 (3) (6) (7) (5) (1) (2)
图7.10 PCM编码和解码过程
PCM编码包括抽样、 量化、 编码三个步骤， 如 图7.10左半部分所示。 把连续的模拟信号以一定的抽 样频率f或时间间隔T抽出瞬时的幅度值， 再把这些幅 度值分成有限的等级， 四舍五入进行量化。 如图中把 幅度值分为8种， 所以每个范围内的幅度值对应一个量 化值， 这8个值可以用3位二进制数表示， 比如0对应 000， 1对应001， 2对应010， 3对应011， 4对应100， 5对应101， 6对应110， 7对应111。
光纤通信ppt模板课件
概念在全世界范围内掀起了发展光纤通信 的高潮。
1978年工作于0.8μm的第一代光波系统正
式投入商业应用。
上世纪80年代初，早期的采用多模光纤的
第二代光波通信系统问世。
1990年，工作于2.4Gb/s，1.55μm的第三代
光波系统已能提供通信商业业务。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
1.5光纤通信的发展趋势
国家863计划通信技术主题专家组副组长 纪
越峰 ：在高速光传输方面，目前已实现了 10.96Tbit/s（274波×40Gbit/s）的实验系统 ；在超长距离传输方面，已达到了4000km 无电中继的技术水平
我国已成为世界上为数不多的几个掌握了
全套SDH和WDM光通信系统系列产品技术 的国家之一，在世界光通信系统和光网络 领域已经占据了一席之地。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
1.3光纤通信的特点
传输频带宽，通信容量大。 中继距离远。 抗电磁干扰能力强，无串话。 光纤细，光缆轻。 资源丰富，节约有色金属和能源。 均衡容易。 经济效益好。 抗腐蚀、不怕潮湿。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
（2）G.653光纤。G.653光纤特点是零色散
波长由G.652光纤的1.31μm位移到1.55μm制 得的光纤，故其称为色散位移光纤。G.653 光纤同时实现了1.55μm窗口的低衰减系数 和小色散系数。但是当其用于带有掺铒光 纤放大器的波分复用系统中时，由于光纤 芯中的光功率密度过大产生了非线性效应 ，限制了G.653光纤在单信道速率10Gbit/s以 上波分复用或密集波分复用系统中的应用
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缺点
质地脆,机械强度低 光纤切断和接续需要一定的工具,设备和技术 分路,耦合不灵活 光纤,光缆弯曲半径不能过小
Introduction to8 Computer Systems
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我国光纤通信的开发里程
• 1977年，第一根短波长(0．85um)阶跃型石英光 纤问世，长度为17m，衰减系数为300dB/km。
Introduction to3 Computer Systems
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光纤通信发展简史
自1970年以后，光纤通信的研究在世 界范围内展开并得到迅猛发展，在短短的 一、二十年中，已从0.85um短波长多模光 纤发展到1.31um～1.55um的长波长单模光 纤，同时开发出许多新型光电器件，激光 器寿命已达数十万小时甚至百万小时，一 些国家相继建成了长距离光纤通信系统。
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光纤通信
张昀 (wumeijialian)
1
光纤通信系统
光纤全称为光导纤维，它是一种能够通光的、 直径很细的透明玻璃丝，是一种新的传输介质。光纤 通信是以光波为载波,以光导纤维为传输媒质的激光 通信，就是运用光反射原理，把光的全反射限制在光 纤内部，用光信号取代传统通信方式中的电信号，从 而实现信息的传递的，亦即将要传的电话、电报、图 象和数据等信号先变成光信号，再经由光纤进行传输 或在本地进行光交换的一种通信方式。
光纤通信的优点
具有抗电磁干扰能力
光导纤维是绝缘体材料,不受输电线,电气化铁路及高 压设备等电器干扰,可以与高压电线平行架设,还可 制成复合光缆
光纤不受强电干扰、电气化铁道干扰和雷电干扰，抗 电磁脉冲能力也很强。
保密性好
通信质量高
Introduction to6 Computer Systems
6
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光纤通信的优点
节约有色金属，原材料资源丰富
光纤的主要成分是SiO2资源十分 丰富。 电缆的主要成分是Cu, Al等有色金属，资源有 限，可节约大量金属。
线径细，重量轻，柔软
可制成大芯数高密度光缆 单芯光缆可安装在飞机,火箭,潜艇及航天飞机 上
Introduction to7 Computer Systems
光的传播
光是一种电磁波 可见光部分波长范围是：0.39~0.76μ m。大于 0.76μ m部分是红外光，小于0.39μ m部分是紫外 光。光纤中应用的是：0.85，1.31，1.55μ m三 种。
Introduction to12Computer Systems 12 Company Logo
100μm 红外线
10μm
光
1μm 可见光
100nm 紫外线
Introduction to4 Computer Systems
4
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光纤通信的优点
频带宽,通信容量大
理论上讲一根单模光纤可利用的带宽达 20THz(1THz=1012Hz)以上,现在最先进的光纤通信系 统达400GHz,而一路电话带宽约占4KHz频带,一路彩色 电视约占6MHz频带
9
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我国光纤通信的开发里程
• 1984年，武汉、天津34Mb/s市话中继光传输系统 工程建成(多模)。 • 1988年，全长245km的武汉－长沙市34Mb/s多模光 缆通信系统工程通过邮电部鉴定验收。 • 1989年，汉阳——汉南40Mb/s单模光传输系统工程 通过邮电部鉴定验收。 • 1991年，研制出G.653色散位移光纤。最小衰减达 0.22dB/km。合肥——芜湖40Mb/s单模光传输系统工 程通过国家鉴定验收。
• 1998年，海口——三亚5Gb/s光传输系统工程通过 邮电部鉴定验收，该工程全长322km，仅在万宁设一 个中继站，海口——万宁的中继距离为172km 。
• 1999年，8×2.5Gb/s DWDM系统通过国家验收。
Introduction to11Computer Systems
11
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Introduction to2 Computer Systems
2
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概述
利用光导纤维作为光的传输介质的光 纤通信,其发展只有几十年的历史，它的发 展是以1960年美国人Maiman发明的红宝石 激光器，和1966年英籍华人高锟博士提出 利用二氧化硅石英玻璃可制成低损耗光纤 的设想为基础的，这种设想直到1970年美 国康宁公司研制出损耗为20dB/Km的光纤， 才使光纤进行远距离传输成为可能。
Introduction to10Computer Systems 10 Company Logo
我国光纤通信的开发里程
• 1993年，在掺铒光纤放大器的研究上取得突破性 进展，小信号增益达25dB。上海——无锡65Mb/s单 模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收。
• 1997年，研制出G.655非零色散位移光纤。成都— —攀枝花22Mb/s SDH光传输工程通过邮电部鉴定验 收。
• 1978年，研制出短波长多模梯度光纤，即G.651 光纤。
• 1979年，研制出多模长波长光纤，衰减为 1dB/km。建成5.7km、8Mb/s光通信系统试验段。
• 1980年，1300nm窗口衰减降至0.48dB/km， 1550nm窗口衰减为0.29dB/km。
Introduction to9 Computer Systems
频率（Hz） 波长
102 104 106 108 1010 1012 1014 1016
1018 1020
1022
106 104 102 1 10-2 10-4
10-6 10-8 10-10 10-12
10-14
名称
电磁波谱
长波
中波 短波 超短波 微波 毫米波 红外线
可见光 紫外线
X射线
10mm
1mm
损耗低,无中继距离长
铜缆的损耗特性与铜缆的结构尺寸及所传输信号的频率 有关,光缆的损耗特性仅与玻璃的纯度(或者说透明度) 有关,高质量望远镜的镜头损耗超过500dB/km,目前通 信用光纤的最低损耗达0.2 dB/km
Introduction to5 Computer Systems
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