【学习课件】第5章光纤通信系统
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光纤通信第5章.ppt
影响光纤的连接损耗有多种，主要包括 以下2个方面：
(1)光纤结构参数失配引起的连接损耗，主 要包括光纤芯径尺寸失配、数值孔径失配 以及折射率分布失配等3个方面。
① 光纤芯径尺寸失配（主要在单模光纤中 考虑）
②数值孔径失配（多模光纤中起作用）
③折射率分布失配（多模光纤中起作用）
（2）两光纤相对位置偏离引起的连接损耗
对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫 瓦，而喇曼放大器需要1W以上；
增益高、噪声低、输出功率大。增益可达40dB， 噪声系数可低至3-4dB，输出功率可达14-20dBm；
连接损耗低，与光纤连接损耗可低至0.1dB；
对各种类型、速率与格式的信号传输透明。
一、EDFA的基本结构
两根光纤相对位置偏离引起的连接损耗主要 包括横向错位引起的损耗、倾斜损耗以及间隙损 耗。
①横向错位引起的损耗
②纵向间隙引起的损耗 ③角度偏移引起的损耗
• 2）回波损耗大。
回波损耗是指在光纤连接处，后向反射光功率Pr相对输 入光功率Pi比的分贝值。回波（绝对值）越大越好，以减小 反射光对光源和系统的影响，其典型值应不小于45dB。
2
1
2
1
3
3 3端口环行器
4 4端口环行器
从图中可见，从任何端口进入的光都能被定向到任 何其它的端口，但必须按顺序通过。
环行器的主要参数： 隔离度： 插入损耗： 偏振相关损耗： 工作波长：
3、衰减器 衰减器是在控制状态下减少传输光功率的装置。
衰减器在光网络中最重要的应用包括：
防止接收器达到饱和（保证输入功率在接收器的 动态范围内）。
3、特性参数
在耦合器/分离器基础上，又增加了新的特性参数。
《光纤通信》PPT课件 (2)
临界角
入射角=反射角
n1
n1
θθ
n1 1
2
n2
n2
900 n2
n1 > n2
临界角
全反射
产生全反射的条件：n1>n2 90º>θ>临界角
25
1.
设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折 射率n0=1， 纤芯中心轴线与z轴一致， 如下图。
光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯
(n0<n1)，折射角为θ1，折射后的光线在纤芯直线传 播 ， 并 在 纤 芯 与 包 层 交 界 面 以 角 度 ψ1 入 射 到 包 层 (n1>n2)。
32
(2)衰减系数(dB/km)
• 衰减系数定义为单位长度光纤引 起 的光功率衰减，其评定量纲为dB/Km 。
33
光缆
• 按芯数分为单芯、双 芯、多芯
加元光强件纤
加强
• 按敷设场合分为架空
元件
、直埋、管道、移动
、室内、水下、海底
等
• 按用途分为通信用光 缆和非通信用光缆
34
5.2.2光纤通信系统的组成
第5章光纤通信
本章学习要点 • 1、光纤通信系统的概念及组成 • 2、光纤、光缆、光发送机与光接收机 • 3、同步数字系列SDH的概念及原理 • 4、光波分复用（WDM）的概念及原理 • 5、MSTP的概念、原理及应用 • 6、ASON的概念、原理及应用
1
• 5.1 光纤通信概述 • 5.2 光纤通信系统 • 5.3 同步数字系列（SDH） • 5.4光波分复用（WDM） • 5.5多业务传送平台（MSTP） • 5.6 自动交换光网络（ASON） • 5.7 光纤孤子通信技术 • 5.8 光网络的发展趋势
第5章-光纤光学ppt课件光纤的特征参数与测试技术
对于 1 Gbps速率的光脉冲，脉宽约为 1 ns. 如果脉冲展宽 达到脉宽的20％，则系统将不能工作。上述情形显然不适 合于1 Gbps速率，因为脉冲展宽已经达到100％；但是对 于 155 Mbps速率系统没有问题，因为 其脉冲宽度为 6.5 ns，20％的展宽为1300ps。
如果采用线宽为 300 MHz的DFB激光器，在1 Gbps 调制 速率下光谱被展宽 2 GHz，即光源谱宽为2,300 MHz 或 .02 nm (1500 nm波长). 则传输10 公里距离，色散脉冲展 宽值为 : D = 17ps/nm/km × .02 nm × 10 km = 3.4 ps
显然这种情形下， 1 Gbps速率光通信系统没有任何问题。
课堂测验(7)
1. 哪些因素限制光通信传输距离？ 2. 一光纤长220公里，已知光纤损耗为0.3dB/km，当输出光功率
为2.5 mW时，输入光功率为多少？ 3. 为什么光纤在1.55μm的波长损耗比1.3μm波长小? 4. 光纤的损耗能否降为零？为什么？ 5. 三角形折射率分布光纤与平方率折射率分布光纤哪种波导色散
光纤的损耗
§5.1.1 光纤材料的吸收损耗
光纤的损耗谱
不断拓展的光纤窗口波长
2004年
7
§5.1.2 散射损耗
特点：不可能消除的损耗
散射损耗
特点：非线性散射
产生新的频率分量
散射
机理： 光
新光波长+声子
§ 5.1.3 光纤的弯曲损耗
物理机制
光纤发生弯曲
全反射条件破坏
约束能力下降
导摸转化为辐射摸
大？为什么？ 6. 简述光纤中三种色散的机理。在什么条件下光纤的色散为零？
习题：5.4~5.11
如果采用线宽为 300 MHz的DFB激光器，在1 Gbps 调制 速率下光谱被展宽 2 GHz，即光源谱宽为2,300 MHz 或 .02 nm (1500 nm波长). 则传输10 公里距离，色散脉冲展 宽值为 : D = 17ps/nm/km × .02 nm × 10 km = 3.4 ps
显然这种情形下， 1 Gbps速率光通信系统没有任何问题。
课堂测验(7)
1. 哪些因素限制光通信传输距离？ 2. 一光纤长220公里，已知光纤损耗为0.3dB/km，当输出光功率
为2.5 mW时，输入光功率为多少？ 3. 为什么光纤在1.55μm的波长损耗比1.3μm波长小? 4. 光纤的损耗能否降为零？为什么？ 5. 三角形折射率分布光纤与平方率折射率分布光纤哪种波导色散
光纤的损耗
§5.1.1 光纤材料的吸收损耗
光纤的损耗谱
不断拓展的光纤窗口波长
2004年
7
§5.1.2 散射损耗
特点：不可能消除的损耗
散射损耗
特点：非线性散射
产生新的频率分量
散射
机理： 光
新光波长+声子
§ 5.1.3 光纤的弯曲损耗
物理机制
光纤发生弯曲
全反射条件破坏
约束能力下降
导摸转化为辐射摸
大？为什么？ 6. 简述光纤中三种色散的机理。在什么条件下光纤的色散为零？
习题：5.4~5.11
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
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
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
光纤通信基础知识ppt课件
应用场景
光检测器广泛应用于光纤通信、光传 感、激光雷达等领域，特别是在高速、 长距离的光纤通信系统中，光检测器 的作用尤为关键。
光放大器
光放大器是光纤通信系统中的关键器件之一，主要分 为掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼光纤放大器（RA）
两类。
输入 标题
作用
光放大器的作用是对光信号进行放大，补偿光纤传输 过程中的光信号损耗，提高光纤通信系统的传输距离 和稳定性。
光检测器
分类
光检测器是光纤通信系统中的另一重 要器件，主要分为光电二极管（PIN） 和雪崩光电二极管（APD）两类。
性能参数
光检测器的性能参数包括响应度、带 宽、噪声等，这些参数直接影响着光 纤通信系统的接收灵敏度和动态范围。
作用
光检测器的作用是将光信号转换为电 信号，从而实现光信号的接收和检测。
模拟光纤通信系统的应用
03
在音频广播、视频传输等领域得到广泛应用。
光纤通信系统设计
01
光纤通信系统设计的基本原则
确保系统的传输性能、稳定性、可靠性和经济性。
02
光纤通信系统设计的主要内容
包括光源、光检测器、光纤、中继器和放大器等器件的选择和配置。
03
光纤通信系统设计的优化
通过采用先进的调制技术、编码技术等手段，提高系统的传输性能和容
性能参数
光源的性能参数包括波长、光谱宽度、输出功率、阈值电 流等，这些参数对光纤通信系统的性能和稳定性有着重要 影响。
作用
光源的作用是将电能转换为光能，为光纤通信系统提供光 信号。
应用场景
光源广泛应用于光纤通信、光传感、光谱分析等领域，特 别是在长距离、大容量的光纤通信系统中，光源的作用尤 为重要。
光纤通信发展历程
光检测器广泛应用于光纤通信、光传 感、激光雷达等领域，特别是在高速、 长距离的光纤通信系统中，光检测器 的作用尤为关键。
光放大器
光放大器是光纤通信系统中的关键器件之一，主要分 为掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼光纤放大器（RA）
两类。
输入 标题
作用
光放大器的作用是对光信号进行放大，补偿光纤传输 过程中的光信号损耗，提高光纤通信系统的传输距离 和稳定性。
光检测器
分类
光检测器是光纤通信系统中的另一重 要器件，主要分为光电二极管（PIN） 和雪崩光电二极管（APD）两类。
性能参数
光检测器的性能参数包括响应度、带 宽、噪声等，这些参数直接影响着光 纤通信系统的接收灵敏度和动态范围。
作用
光检测器的作用是将光信号转换为电 信号，从而实现光信号的接收和检测。
模拟光纤通信系统的应用
03
在音频广播、视频传输等领域得到广泛应用。
光纤通信系统设计
01
光纤通信系统设计的基本原则
确保系统的传输性能、稳定性、可靠性和经济性。
02
光纤通信系统设计的主要内容
包括光源、光检测器、光纤、中继器和放大器等器件的选择和配置。
03
光纤通信系统设计的优化
通过采用先进的调制技术、编码技术等手段，提高系统的传输性能和容
性能参数
光源的性能参数包括波长、光谱宽度、输出功率、阈值电 流等，这些参数对光纤通信系统的性能和稳定性有着重要 影响。
作用
光源的作用是将电能转换为光能，为光纤通信系统提供光 信号。
应用场景
光源广泛应用于光纤通信、光传感、光谱分析等领域，特 别是在长距离、大容量的光纤通信系统中，光源的作用尤 为重要。
光纤通信发展历程
第五章光纤通信系统PPT课件
第23页/共54页
光接收机的噪声
光接收机的噪声包括光电检测器的噪声和光接收机的电路噪 声。 光电检测器的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和
APD的倍增噪声。 电路噪声主要是前置放大器的噪声。前置放大器的噪声包括电
阻 热 噪 声 及 晶 体 管 组 件 内第部24噪页声/共5。4页
光接收机的噪声
调制 (驱动)
光 源
至光纤
时钟
自动功率控制 APC
光 监测
告警输出
主要包括两部分：输入电路（输入盘）和电光转换电路 （发送盘）。输入电路包括均衡放大、码型变换、扰码、 编码、时钟提取；电光转换电路包括光源、光源的调制 （驱动）电路、光源的控制电路及光源的监测和保护电 路等。
第3页/共54页
光发送机的基本组成
对光电检测器的基本要求是高的转换效率、低的附加噪声和快速的响应。由于光 电检测器产生的光电流非常微弱（nA ~ μA），必须先经前置放大器进行低噪声放 大，光电检测器和前置放大器合称为光接收机前端。前端的性能是决定光接收机灵 敏度的主要因素。
第14页/共54页
前置 放大器
信号光 光探 测器
前放
电压 供给
tD
tD
判决 时刻 10
(d)
由 于 噪 声 叠 加, 使 “ 1 ” 码
在 判 决 时 刻 变 成“ 0 ” 码 ，
经判决电路后产生了一个误码。
第28页/共54页
比特误码率
误码率包括这两种可能引起的误码，因此误码率 为
BER P1P0 1 P0P1 0
(5.5.1)
式中 P(1)和 P(0)分 别 是接 收“ 1” 和 “ 0” 码 的概 率 ，
动态范围也比高阻抗前 置放大器的大。因此光
光接收机的噪声
光接收机的噪声包括光电检测器的噪声和光接收机的电路噪 声。 光电检测器的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和
APD的倍增噪声。 电路噪声主要是前置放大器的噪声。前置放大器的噪声包括电
阻 热 噪 声 及 晶 体 管 组 件 内第部24噪页声/共5。4页
光接收机的噪声
调制 (驱动)
光 源
至光纤
时钟
自动功率控制 APC
光 监测
告警输出
主要包括两部分：输入电路（输入盘）和电光转换电路 （发送盘）。输入电路包括均衡放大、码型变换、扰码、 编码、时钟提取；电光转换电路包括光源、光源的调制 （驱动）电路、光源的控制电路及光源的监测和保护电 路等。
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光发送机的基本组成
对光电检测器的基本要求是高的转换效率、低的附加噪声和快速的响应。由于光 电检测器产生的光电流非常微弱（nA ~ μA），必须先经前置放大器进行低噪声放 大，光电检测器和前置放大器合称为光接收机前端。前端的性能是决定光接收机灵 敏度的主要因素。
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前置 放大器
信号光 光探 测器
前放
电压 供给
tD
tD
判决 时刻 10
(d)
由 于 噪 声 叠 加, 使 “ 1 ” 码
在 判 决 时 刻 变 成“ 0 ” 码 ，
经判决电路后产生了一个误码。
第28页/共54页
比特误码率
误码率包括这两种可能引起的误码，因此误码率 为
BER P1P0 1 P0P1 0
(5.5.1)
式中 P(1)和 P(0)分 别 是接 收“ 1” 和 “ 0” 码 的概 率 ，
动态范围也比高阻抗前 置放大器的大。因此光
《光纤通信》课件
总结词
海底光缆通信系统是光纤通信的重要应用之 一，它实现了跨洋、跨国之间的高速、大系统利用光纤作为传输介质， 通过海底光缆将各个国家和地区连接起来， 实现了高速、大容量的信息传输。这种系统 广泛应用于国际通信、广播电视、金融交易 等领域，对于全球信息交流和经济发展具有 重要意义。
光纤通信系统组成
光发信机
将电信号转换为光信号，通过光纤传输。
光纤
传输光信号的介质，具有低损耗、高带宽等 特点。
光收信机
将光信号转换为电信号，实现信息的接收和 解调。
中继器
用于延长传输距离和提高信号质量，包括光 放大器、光检测器等组件。
02
光纤基础知识
光的本质与传播
光的波粒二象性
光既具有波动特性，又具有粒子 特性。在光纤通信中，利用光的 波动特性进行信息传输。
《光纤通信》课件
目录 Contents
• 光纤通信概述 • 光纤基础知识 • 光纤通信技术 • 光纤通信应用 • 光纤通信发展趋势与挑战 • 案例分析
01
光纤通信概述
光纤通信定义
01
光纤通信是一种利用光波在光纤 中传输信息的通信方式。它通过 光信号的调制和传输，实现信息 的传递和交换。
02
光纤通信具有传输容量大、传输 距离远、传输损耗低、抗电磁干 扰等优点，是现代通信网络的重 要组成部分。
光纤通信发展历程
1960年代
激光的发明为光纤通信奠定了 基础。
1970年代
低损耗石英光纤的研制成功， 为光纤通信的实用化创造了条 件。
1980年代
光纤通信进入实用化阶段，广 泛应用于电话、有线电视等领 域。
1990年代至今
光纤通信技术不断发展，传输 速率和传输距离不断提高，成 为现代通信网络的主流技术。