【2019年整理】光通信技术简介
通信电子中的光通信技术
通信电子中的光通信技术光通信技术是一种通过光纤等媒介传输信息的通讯技术。
随着现代科技的发展，光通信技术在通讯领域逐渐占据主导地位，成为人们生活和工作中的重要组成部分。
一、光通信技术的基础光通信技术是基于光学和电子学科学原理的，其最核心的基础是光学的折射和反射原理。
在光纤的传输中，光线通过反射在光纤中不断传输，并且通过不同的编码方式来传输信息。
另外，现代光通信技术还依赖于很多电子学的进展，例如高速数据处理和信号放大。
光通信技术的发展离不开电子学的支持，两者密不可分。
二、光通信技术的应用目前，光通信技术已经广泛应用于各个领域，例如电信、互联网、军事、医疗、航空等。
其中，电信领域是光通信技术的主要应用领域。
首先，光通信技术在高速宽带接入方面表现出色。
与传统的铜线传输相比，光纤的传输速度要快得多，传输距离也更远。
这为人们提供了更快速、更稳定的互联网接入服务。
另外，光通信技术在电信网络架构中的应用也越来越多。
现在的电信网络已经从单一的电话网络向多媒体网络发展，既要承载语音和数据，也要支持视频、图像和音乐等多媒体内容。
这种多媒体内容的传输需要更大的带宽和更高的传输速率，而光通信技术可以提供这种能力。
在军事和医疗领域，光通信技术也得到了广泛应用。
例如，光纤传感器可以用来监测军事装备和医疗设备的状态，以保证其正常运行。
光学显微镜也可以用于医疗诊断，检测细胞和组织的变化。
三、光通信技术的未来光通信技术在未来的发展趋势主要有以下几个方面：1. 更高的频率和更高的速度随着信息传输量的不断增加，传输速度和带宽需求也在不断上升，光通信技术需要从1Gbps甚至10Gbps提高到更高的频率和传输速度。
例如，目前已有光纤技术可以支持传输速度高达1Tbps。
2. 更小更快的设备随着技术的不断进步，光通信设备的尺寸还将进一步缩小，传输速度和效率也会进一步提高。
3. 更智能的网络架构现代网络架构中，应用越来越广泛，多了很多功能和要求。
光通信的基本原理与技术
光通信的基本原理与技术光通信是指利用光波作为信号传递的通信方式，它以光信号代替了传统的电信号。
光通信相较于传统的电信号具有速度快、容量大、安全性高等优点，因此越来越受到人们的关注和使用。
本文将从光通信的基本原理、光通信的技术和应用方面展开介绍。
一、光通信的基本原理1. 光的产生与传播光是由电磁波构成的，它是一种波动性质极强的能量形式，具有波粒二象性。
光的产生有多种方式，如电弧、放电、化学反应等，其中半导体激光器是光通信中最常用的光源。
光的传播可以利用光纤、空气等介质，通常情况下采用光纤。
2. 光与电信号的转换光通信是在电信号的基础上进行信号转换的。
光与电信号之间的转换需要利用电光调制器和光电调制器。
电光调制器可以将电信号转换为光信号，而光电调制器可以将光信号转换为电信号。
3. 光通信的多路复用多路复用是利用同一通道传递多个信号的技术。
光通信中常用的多路复用技术包括时分复用、波分复用、空分复用等。
其中时分复用是指在同一光纤上分时传输不同信号，波分复用是利用不同波长的光通过同一光纤传输不同信号，空分复用是在不同的空间上传输不同信号。
二、光通信的技术1. 光纤光纤是光通信的基础设施，在光纤里将光信号传递出去。
光纤具有传输距离远、容量大、抗干扰、安全稳定等特点，是目前最常用的传输介质。
光纤的制造方式包括拉制法、平面波导法、柱状波导法等。
目前最常用的光纤是单模光纤和多模光纤。
2. 光源光源是光通信中产生光信号的装置，激光器是光源中最常用的一种。
激光器具有输出功率高、光束方向性好、频谱窄等特点。
激光器制造方式包括气体激光器、半导体激光器、光纤激光器等。
3. 接收器光接收器是将光信号转换为电信号的装置，其主要组成部分是光电转换器和放大器。
光电转换器是将光信号转换为电信号的装置，放大器是将弱电信号放大。
光接收器具有灵敏度高、噪声小等特点。
4. 光放大器光放大器是指将弱光信号增强的装置，主要分为掺铒光纤放大器和掺铒光纤放大器两种。
光纤通信技术概述
光纤通信技术概述
光纤通信技术是利用光纤作为传输介质，通过光信号的传输和调制来实现高速、长距离、大容量的信息传输。
光纤通信技术主要包括三个主要部分：光源、光纤和光接收器。
光源是产生光信号的装置，常见的光源包括激光器和发光二极管（LED）。
激光器具有高亮度、窄谱宽、方向性好等特点，适用于长距离通信。
而LED则具有低成本、大发光角度等特点，适用于短距离通信。
光纤是光信号的传输介质，由光纤芯和包层组成。
光纤芯是光信号传输的核心部分，通常由高纯度的二氧化硅制成，具有较高的折射率。
包层是光纤芯的外层，由低折射率的材料制成，用于保护光纤芯并使光信号在光纤内部反射传输。
光接收器是将光信号转换为电信号的装置，主要由光电二极管和放大电路组成。
光电二极管能将光信号转换为电流信号，然后经过放大电路进行放大和处理，最终得到可用于数据处理的电信号。
光纤通信技术具有以下优点：传输速度快、带宽大、传输距离远、抗干扰能力强、安全性高等。
因此，在现代通信领域得到广泛应用，包括互联网、电视、电话等各个方面。
光通信技术简介(1)
STM-1
TM
ADM
2Mbit/s 34Mbit/s
ADM
ATM Switch STM-1
STM-1, STM-4
STM-4/-16 ADM
140Mbit/s 34Mbit/s 8Mbit/s
DXC
LAN
•SDH的分查复用器（ADM）组成保护环 •PDH支路和ATM等信息通过SDH网络传送
31
SDH网络示意（2）
>640 公里
激光器和调制类型 直接调制的 DFB 激光器 集成式 EA 电吸收调制器/MOCVD－DFB 激光器模块 集成式 EA 电吸收调制器/MOCVD－DFB 激光器模 块，集成式 III－V 族半导体马赫－策恩德调制器 /MOCVD － DFB 激 光 器 模 块 ， 分 离 式 铌 酸 锂 （LiNbO3）策恩德调制器/DFB CW 激光器。 分离式铌酸锂（LiNbO3）策恩德调制器/DFB CW 激 光器。
9
光纤通信原理
相速度 c
c = x f
真空中的相速度 c0
c0 = 300 000 Km/s
wavelength f frequency
折射率ni
ni = c0 : ci
折射定律 sin 1 / sin 2 = n2 / n1 = c1 / c2
ni refractiv index in medium i c0 velocity in vacuum ci velocity in medium i
依据国际标准进行电子信号处理。 将信号转换为光波频带可以利用后来发展起来的光纤 传输的优势。
4
光谱特性
紫外
Invisible
可见
红外 Invisible
光通信介绍
本文主要对光纤通信进行简单介绍光纤通信，是指将要传送的语音、图像和数据信号等调制在光载波上，以光纤作为传输媒介的通信方式1.本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。
2.弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗。
3.挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。
4.杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。
5.不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。
6.对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴(单模光纤同轴度要求小于0.8μm)，端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。
7.多模光纤：中心玻璃芯教粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。
但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。
例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。
因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。
8.单模光纤：中心玻璃芯教细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。
因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但其色度色散起主要作用，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好9.常规型光纤：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1300μm。
10.色散位移型光纤：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1300μm和1550μm。
11.突变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。
其成本低，模间色散高。
适用于短途低速通讯，如：工控。
但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。
12.渐变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高模光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。
13.电发射端机主要任务是PCM编码和信号的多路复用。
多路复用是指将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离出来，多路复用可以极大地提高通信线路的利用率。
光通信概念
光通信概念光通信是一种利用光传输信息的技术。
它通过携带信息的光信号传输数据，具有高速、大容量、低延迟等优点，被广泛应用于现代通信领域。
下面将介绍光通信的概念及其相关内容。
一、光通信的概念光通信是一种利用光传输信息的通信技术，其基本原理是通过发送和接收器件转换光信号和电信号。
光通信系统一般由光源、光纤、光开关、接收器等组成。
光源产生光信号，经过光纤传输到目标地，再通过接收器将光信号转换为电信号。
光通信具有传输速度快、抗干扰能力强、安全可靠等优势，因此在现代通信领域得到了广泛应用。
二、光通信的基本原理光通信的基本原理是利用光的电磁波特性传输信息。
光信号在光纤中的传输是基于光的全内反射原理。
光通信系统中的光源产生光信号，并经过调制生成具有不同频率或幅度的光脉冲信号。
该光信号经过光纤传输到接收端，接收器将其转换为电信号进行解调和复原。
三、光通信的应用领域1. 长距离通信：光通信系统具有传输速度快、信号损耗小的优势，因此在长距离通信中得到广泛应用。
例如，长距离光纤通信、激光通信等。
2. 数据中心：随着大数据和云计算的发展，数据中心的通信需求大幅增长。
光通信技术的高速传输能力和大容量优势，使其成为数据中心之间互联的首选技术。
3. 移动通信：移动通信网络需要支持大容量、高速的数据传输。
光通信技术可以提供高速的传输能力，支持移动通信网络的快速发展。
4. 光存储器：光通信可以应用于光存储器领域，实现大容量、高速的数据存储。
光存储器具有非易失性和高密度存储的特点。
5. 光传感器：光通信技术可以应用于光传感器领域，用于光学成像、光学测量、光学传感等领域。
四、光通信的发展趋势1. 高速化：随着通信需求的增加，对传输速度的要求也越来越高。
未来光通信系统将不断提升传输速率，以满足各种应用需求。
2. 大容量化：数据量的爆发式增长对通信系统的容量提出了巨大挑战。
光通信技术通过多波长复用和波分复用技术，实现了大容量的通信传输。
3. 高可靠性：光纤通信系统在自然灾害和人为干扰下具有较高的可靠性。
光通信技术原理及应用
光通信技术原理及应用随着信息时代的发展，人们对于通信技术的要求越来越高。
传统的有线通信方式已经不能满足人们的需求，而光通信技术因为其高带宽、远距离、抗干扰等优势逐渐取代了有线通信技术，成为现代通信领域中的主要技术之一。
本文将介绍光通信技术的原理及应用。
一、光通信技术原理光通信技术主要基于光纤传输原理。
光纤是一种将光信号传送的导光材料，其由纤芯和包层两部分构成。
纤芯是传输光信号的主要部分，包层则是起保护作用的，有时还需要加上一层包层增加强度。
光通信技术主要通过光发射器将电信号转换为光信号，通过光纤传输，在接收端再通过光接收器将光信号转化为电信号。
其中，光发射器主要由激光器和调制器组成，激光器将电信号转换成一束强光，而调制器则通过改变强光的强度或频率来实现对信息的编码。
光接收器主要由一块半导体器件和一个放大器构成，将通过光纤传输来的光信号转换成相应的电信号后进行放大和处理即可。
二、光通信技术的应用1. 光纤通信光纤通信是光通信技术的主要应用。
光纤通信比传统的有线通信技术具有更高的带宽、更远的传输距离和更好的抗干扰能力，尤其在长距离传输和高速数据传输上占有绝对优势。
目前绝大部分的国际互联网流量都是通过光纤传输的。
2. 光纤传感光纤传感是一项新兴的技术，通过相应的光纤传感器可以实现对环境参数如温度、压力、湿度等的实时监测和控制。
相较于传统的传感器技术，光纤传感技术具有更高的灵敏度和更好的可靠性。
3. 光学成像光学成像逐渐成为了现代医疗和科学研究中不可或缺的方式。
例如，经光学成像技术可以在体内进行准确、无创的诊断和手术操作。
4. 光波导技术光波导是利用折射率差异来导引和反射光线的一种技术。
利用光波导技术可以制作光耦合器、光衰减器、光分路器等元件，广泛应用于光通信、传感等领域。
5. 光存储光存储是将信息通过光信号编码后储存到介质中的一种技术。
与传统的磁盘存储和闪存不同，光存储技术可以实现更高的数据存储密度和更长的保存时间。
光通信技术的原理和应用
光通信技术的原理和应用随着社会信息化进程的不断加快，通信技术的发展也愈加迅速。
在众多通信技术中，光通信技术因其高速度、大容量和低衰减等优势逐渐成为人们关注的焦点之一。
今天，我们将深入探讨光通信技术的原理和应用，以期更好地了解这一领域的前沿发展。
一、光通信技术的原理光通信技术，顾名思义，就是利用光来进行信息转移和传输的一种通信技术。
其基本原理是利用激光器产生的光束进行信息传输。
在光通信技术中，一般采用的光源是半导体激光器，这种激光器可以在电磁场的作用下产生连续谱的光线，其波长可以调节，波长范围在850nm到1550nm之间。
由于不同材料对光的吸收和反射不同，因此光线在光纤中传输时会发生很多的损耗和波动。
为了避免这种情况的发生，通常采用光纤放大器进行光信号的增强，从而达到更为稳定的传输效果。
除了光源和光纤，光通信技术还需要进行编解码、调制等处理。
其中，光调制器是将输入的电信号转化为光信号的重要部分，通过调制光的强度、频率和相位等参数，识别信息传输的码元。
二、光通信技术的应用光通信技术在日常生活中应用广泛，如网络通信、光纤传输、卫星通信等等。
下面将简单介绍其中的几个典型应用场景。
1、光纤通信光纤通信是当前最为重要的光通信技术应用之一，也是光通信技术竞争最为激烈的领域之一。
光纤通信指的是基于光纤传输数据的一种通信方式，其原理是通过光纤将数据进行传输。
与传统的铜缆相比，光纤通信拥有更高的传输能力和更低的传输损失，因此也被广泛应用于高速宽带网络、无线网络等场景中。
2、光通信卫星光通信卫星是指利用卫星进行高速通信的一种技术。
相比于传统的微波通信卫星，光通信卫星有着更高的通信速度和更低的传输延迟。
光通信卫星可以加速通信速度，降低通信信号衰减和随机误差的影响，因此在未来的通信领域有着广阔的应用前景。
3、无线光通信无线光通信是利用可见光通信、红外线通信等技术进行信息传输的一种无线通信技术。
相比传统无线通信技术，无线光通信有着更高的传输带宽和更广的传输范围，不仅可以用于照明功能，也可以用于环境信息采集、智能家居、无人驾驶等领域的应用。
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波分复用
Optical
Composite Optical
小结
损耗和色散是影响光传输的主要因素。 电再生器的采用提高传输距离和信号质量。 调制技术和电子信号帧格式迅速发展。 传送速率随着技术的发展有PCM 2M发展到 SDH 2.5G的传送。 时分复用（TDM）技术在传送中普遍采用， 但进一步发展存在电子瓶颈技术限制。
光纤类型
一般采用单模光纤：
G.652光纤（常规单模光纤 SMF） 色散 17 ps/nm.km(1550nm) 模场直径 10.5 m Aeff 80 m2
G.653光纤（色散位移光纤 DSF）
G.655光纤（非零色散位移光纤 NZDSF） 1）ITU-T 色散(1530-1565 nm ) 0.1 D 6ps / nm.km 直径 8-11 m 模场
光通信技术简介
前言
自从Marconi在光纤上实现信号传送之后， 利用光纤介质传送信息的技术和系统得到 了极大的发展，近十年内的进展更为迅速。 传输速率的提高：2Mb/s－140Mb/s－ 2.5Gb/s－10Gb/s－40Gb/s直至Tb/s量级。 传输系统的发展：PCM－PDH－SDH－ WDM－OTN 光通信技术和器件的发展：价格更低，功 能更强大。
1 angle of incident in medium 1 2 angle of transition medium 2 n1 refractiv index in medium 1 n2 refractiv index in medium 2 c1 velocity in medium 1 c2 velocity in medium 2
>640 公里
电再生器
恢复损伤和失真的信号。 电再生器通过光/电/光变换。 电再生器为3R再生器实现再放大、在整形、 再定时。
O/E
DFB Laser
调制器 E/O
传送信息速率和帧格式
PCM帧格式，速率2M，传送电话或数据。 PDH帧格式，速率为2M－8M－34M－140， 传送电话或数据。 SDH帧格式，速率为155M－622M－2.5G10G等，可传送电话、数据和视频信息。 发展到透明格式和速率的传送。可任意传 送信息。主要随着波分复用技术的发展变 为现实。
STM-1
STM-4/-16 ADM
140Mbit/s 34Mbit/s 8Mbit/s
DXC
LAN
•SDH的分查复用器（ADM）组成保护环 •PDH支路和ATM等信息通过SDH网络传送
SDH网络示意（2）
干线网 层1
STM-4 STM-16 STM-1 Exchange
干线网 层2
Local Exchange
信号在光纤中传输损耗的产生
c)
a) b)
损耗来源 a) 吸收 b) 散射 c) 宏弯 (external bendings) d) 微弯 (internal)
d)
典型光纤损耗曲线（1）
attenuation coefficient / dB/km --> 10 1. window 2. window 3. window 多模光纤 单模光纤
光纤通信的优势
传输速率快，光速为30万公里每秒。 传送带宽大，可达30THz，2.5Gb/s仅占带 宽的0.008%。 安全可靠。 信号损伤和失真较小。 是未来各种高速、宽带业务传输的必然选 择。
光纤特性基本概念
Electrical transmission
electrical signal processing
NA =
(n clad 2 - ncore2
)
critical = arc sin (ncladding /ncore)
光信号在渐进光纤中传输
coating
ncladding ncore
cladding core
在芯边界通过准连续的折射率变化约束光信号 在光纤中传输。
光纤通信原理
相速度 c 真空中的相速度 c0 c=xf c0 = 300 000 Km/s
偏振模色散
色度色散
脉冲包含补贴波长成分 不同的波长按不同的速度传输 引起信号脉冲展宽，导致失真
偏振模色散
单模光纤的光场可分解为两个 偏振态 在介质中快轴和慢轴有不同能够的群速度 通过介质传输，引起了脉冲展宽
色散和损耗限制
电信号调制成光信号原理
Popt
LED
Popt
LASER
wavelength f frequency
折射率ni
n i = c0 : c i
ni refractiv index in medium i c0 velocity in vacuum ci velocity in medium i
折射定律 sin 1 / sin 2 = n2 / n1 = c1 / c2
红外吸收在长波方向限制传输。OH吸收峰在 1400nm附近。 造成三个传输窗口：850, 1310nm和1550nm 。
弯曲下光纤损耗
attenuation coefficient / dB/km --> 3,0 宏弯光纤 2,0 微弯光纤 未弯曲光纤
1,0
0,0 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 wavelength / nm -->
If Ith
t -> t ->
fmod: up to 250 Mbaud
If
fmod: up to 10 Gbaud
一般采用根据电信号直接通过电流驱动系统发射的直接强度调制技 术。根据传输距离，调制器和调制方式有多种。 激光器工作在阈值电流之上。
激光器调制方式和无电再生距离
无再生传输距离 100 公里 400 公里 640 公里 激光器和调制类型 直接调制的 DFB 激光器 集成式 EA 电吸收调制器/MOCVD－DFB 激光器模块 集成式 EA 电吸收调制器/MOCVD －DFB 激光器模 块，集成式 III － V 族半导体马赫－策恩德调制器 /MOCVD － DFB 激 光 器 模 块 ， 分 离 式 铌 酸 锂 （LiNbO3）策恩德调制器/DFB CW 激光器。 分离式铌酸锂（LiNbO3）策恩德调制器/DFB CW 激 光器。
2）康宁 (LEAF-大等效面积光纤） 陆缆：零色散波长 (1510 nm) 模 场直径 9.6 m Aeff 72 m2 色散(1530-1565 nm ) 1 D 6ps / nm.km 海缆：零色散波长 (1585 nm) 模场直径 9.6 m Aeff 72 m2 3）朗讯 （真波光纤） Aeff 55 m2
n cladding
n core
阶梯光纤
渐进光纤
无论哪一种光纤均由芯、覆层和包层组成。 根据波导模式有单模和多模光纤。
光信号在阶梯光纤中传输
coating
half acceptance angle N.A.
c
ncladding
ncore
cladding core
数值孔径 临界角
STM-16
色散造成信号失真，限制传输距离和传输速率。
单模光纤色散曲线
0.6 0.5 衰减 (dB/km) 0.4 0.3 0.2 0.1 1100
G.652 & G.654 衰减 (所有) EDFA 频带
20
10 0 -10 色散(ps/nm.km)
G.655
-20 1200 1300 波长(nm) 1400 1500 1600 1700
FlexMux
用户 接入
Mux 64/2M
复用技术
•目前PDH、SDH等技术均采用时分复用（TDM）技术。
时分复用
Optical to Electical Converter
STM－16 2.5 G/bs
TDM FOTS MUX
STM－64 10 G/bs
Optical
Electrical
Optical
• 时延的差异造成信号脉冲展宽。
材料色散
, c0 , c1
• 不同波长的光在介质中以不同的速度传输，即是在相同传输路径 下也会引起不同的时延，造成信号脉冲展宽。 • 实际信号总是非绝对单色，含有多个波长成分，即总有谱线宽度。
光纤色散对信号的影响
STM-4
Non-linearities scale as (optical power)2
SDH概念
PDH SDH SDH复用器 SDH电再生器 SDH
#
交叉 连接
PDH SDH SDH复用器
再生段 复用段
再生段 复用段
通道
SDH网络示意（1）
140Mbit/s 2Mbit/s STM-1
TM ADM
STM-1, STM-4
2Mbit/s 34Mbit/s
ATM Switch
ADM
色散概念
光谱
孔径
白光源
棱镜
•光信号通过介质时与折射率密切相关，折射率与波长 的关系是一函数。 •非单一波长的光信号在介质中传输色散。
色散体系结构
总色散
(ps/ nm -km)
多模色散
单模色散
பைடு நூலகம்
波导色散
材料色散
多模色散
• 不同的传输模式引起传输路径的不同，从而引起即是 在光速恒定条件下的时延差异。
1
红外吸收
瑞利散射 0.1 800
1/
1000
1200 1400 1600 wavelength / nm -->
典型光纤损耗曲线（2）
多模光纤的损耗高于单模光纤。 瑞利散射对光纤传输产生极大的限制：
瑞利散射是不可避免的损耗机制，在各个方向上散射，并 且依赖波长。在短波方向限制大，逐步向长波方向减小。