第八章 高速光纤通信技术详解
高速光纤通信技术
由上图可知，其中位于两侧的边缘信道之间的色散 积累量差别最大。当传输距离超过一定值后，具有较 大色散积累量的信道的色散值将会超标，从而限制了 整个系统的传纤系统的定义
所谓 “高速”是指光线通信传输的数据速
率高，究竟多高的数据速率才算高速，并没有明
确的规范意见。事实上，在光线通信的不同发展
阶段，高速的含义是不同的。目前通常把等级以
上的系统统称为高速光纤通信系统，也有人称之
为超高速光纤通信系统。
第八章 高速光纤通信技术
高速光纤通信系统的概念 高速光纤通信系统面临的挑战 高速光纤通信系统的关键技术 高速光纤通信系统的应用举例
对于带光放大器的光纤传输链路，假设每段光纤 的损耗相同，每段光纤使用的光放大器增益和噪声 指数也相同，则在经过段光纤传输后，光信号的可 以利用一个简单的公式来估计：
入纤光功率每跨段损耗（跨段数目）
入纤光功率每跨段损耗（跨段数目）
例：假设单信道入纤光功率为，每个放大器的噪声指数为， 每个光纤跨段损耗为，则根据公式可以估计出一个跨段 光放大传输链路给出的接收端约为。
的附加噪声由噪声指数（）来描述，实际应用 中的噪声指数一般是。
衡量系统性能的接收误比特率（）与光接收 机的有关，在其他条件不变的情况下，越大， 则越低，系统性能越好，相反， 越小，则越高， 系统性能越差。
在传输系统中，“容限”是衡量系统性能的最 重要的光学指标之一，在其他条件不变的情况 下，传输系统的容限越低，系统性能就越优异。
单模光纤（）
常规 大有效面积
单模光纤（）
大多数已安装的光纤 低损耗 大色散分布 大有效面积
色散受限距离短 系统色度色散受限距离约 系统色度色散受限距离约
方案升级扩容成本高
通信电子中的高速光通信技术研究
通信电子中的高速光通信技术研究随着科技的迅猛发展，通信电子技术也在不断的进步。
而其中的高速光通信技术则是亮点之一。
本文将从以下几个方面对高速光通信技术进行探讨和研究。
一、高速光通信技术的产生及应用高速光通信技术是利用光学纤维传输信息的一种方式。
与传统的电缆传输相比，高速光通信技术具有非常显著的优势。
首先是传输速度。
光速比电信号传输速度要快得多，传输的信息也比传统电信号大得多。
因此，使用高速光通信技术可以使数据传输速度更快，更稳定，并且容易扩展。
其次是传输距离。
传统通信使用电信号传输，信号传输距离很短，而使用光信号传输可以使距离更远，也不会发生衰减。
最后是传输质量。
使用高速光通信技术可以避免传输中的干扰，让数据传输更为精确，减少传输失误的情况。
因此，高速光通信技术在通信领域中的应用非常广泛，如互联网、移动通信、数据传输等。
二、高速光通信技术的发展历程高速光通信技术的核心是光纤，是在20世纪60年代开始研发的。
光纤传输技术开始进入实际应用是在20世纪80年代，这时光通信技术的传输速度达到了每秒20MB。
随着电子器件和光电技术的进步，高速光通信技术得到了很大的发展和提高，速度不断提高，质量不断提高，应用范围也越来越广泛。
到21世纪，高速光通信技术经历了多次技术革新和升级，其传输速度已经达到每秒10Gbps，甚至高达40Gbps以上，远远超过了传统电信技术。
同时，高速光通信技术还实现了光纤紧凑和集成的发展，成为计算机、网络和通信领域的核心技术。
三、高速光通信技术的未来发展方向未来的高速光通信技术主要发展方向有以下几方面：1、突破传输速度的上限。
目前，高速光通信技术的传输速度已经达到了400Gbps以上。
但是，随着通信需求的不断增长，还需要更高速的传输速度，因此，未来研究重点将是如何突破传输速度的上限。
2、提高光学器件的制造技术。
高速光通信技术的核心是光纤和光学器件。
随着技术的不断发展，光学器件的制造技术也在不断改进和提高。
光通信技术高速光纤设计
某智能交通系统采用高速光纤系统实现实时数据传输和处理，提高了交通系统的运行效率和安全性。
案例三Βιβλιοθήκη 高速光纤系统的案例分析高速光纤的未来发展趋势与挑战
05
随着光通信技术的不断进步，高速光纤将向更高的传输速度发展，以满足不断增长的数据传输需求。
更高速度
高速光纤将具备更长的传输距离，实现更远距离的数据传输，降低信号衰减和传输延迟。
电信网络
广播电视
工业应用
军事领域
光通信技术为广播电视信号传输提供了高速、稳定的传输通道。
光通信技术在工业自动化、智能制造等领域中用于数据传输和控制。
光通信技术因其高速、抗干扰等特性，在军事领域中有广泛应用。
光通信技术的应用场景
高速光纤设计原理
02
由纤芯、包层和涂覆层组成，纤芯负责传输光信号，包层对光信号进行限制，涂覆层保护光纤不受外界环境影响。
直接调制是将信息直接加载到激光器上，通过改变激光器的驱动电流来实现调制。外部调制则是将激光器发出的连续光信号通过外部调制器进行调制，常见的外部调制器包括电吸收调制器和液晶调制器等。
高速光纤的调制技术
高速光纤系统的应用与案例分析
04
高速光纤系统能够提供高速、大容量的数据传输，满足数据中心对大量数据交换和存储的需求。
5G/6G通信
随着5G/6G通信技术的快速发展，高速光纤将在未来的移动通信网络中发挥重要作用，实现高速数据传输和大容量通信。
物联网与智能制造
物联网和智能制造领域也将成为高速光纤的重要应用场景，实现传感器数据的高速传输和实时处理。
云计算与数据中心
云计算和数据中心对数据传输和处理能力的要求越来越高，高速光纤将成为支撑云计算和数据中心的关键技术之一。
高速光纤通信技术
未来光纤通信技术将朝着更高速率、更大容量、更长距离的方向发展，同时还将 与5G、物联网等新兴技术相融合，推动通信行业的快速发展。此外，光纤到户、 光纤到桌面等应用也将逐渐普及，为人们的生活带来更多便利。
02 光纤传输介质及器件
光纤类型与结构
01
单模光纤
芯径较小，仅允许单一模式的光波传输，适用于长距离、大容量的通信
宽带接入
通过光纤到户（FTTH）等方式， 提供高速、稳定的宽带接入服务。
业务融合
支持语音、数据和视频等多种业务 的融合传输，满足用户多样化的需 求。
网络安全
采用先进的光纤通信加密技术和安 全机制，确保用户信息的安全传输。
数据中心内部互联方案
高速互联
采用高速光纤通信技术，实现数 据中心内部服务器、存储设备和
传输距离远
由于光的传输衰减小，光 纤通信可实现长距离的传
输，且无需中继器。
抗干扰能力强
光纤通信不易受到电磁干扰 和射频干扰的影响，保证了
传输的稳定性和可靠性。
安全性高
光纤通信采用光信号传输 ，不易被窃听和截获，具
有较高的安全性。
发展历程与趋势
发展历程
光纤通信技术的发展经历了多模光纤、单模光纤、波分复用技术等阶段，传输速 率和传输容量不断提升。
04 高速光纤通信网络应用
长距离干线传输网络
高速大容量传输
采用先进的光纤通信技术 和高性能光电器件，实现 长距离、大容量的信息传 输。
灵活的网络架构
支持多种拓扑结构和保护 方式，提供灵活的网络扩 展和升级能力。
高效的网络管理
采用智能化的网络管理系 统，实现网络的实时监控、 故障定位和性能优化。
城域网和接入网应用
高速光通信技术及应用
高速光通信技术及应用随着信息技术的快速发展，人们对于信息传输速度的需求也越来越高。
高速光通信技术因此应运而生。
光通信技术是利用光波在光纤中的传输来进行信息传递的一种通信技术。
相对于传统的电信技术，光通信具有更高的传输速度和更低的传输损耗。
本文将详细介绍高速光通信技术的发展状况及其应用。
一、高速光通信技术的发展现代光通信技术最初起源于20世纪60年代。
1966年，第一根聚乙烯光纤被成功制造出来，这也标志着现代光通信技术的开始。
随后，陆续有更加先进的光纤材料被推出市场，如石英光纤、多层光纤等。
1980年代初期，光通信技术得到了大规模的商业化应用。
此时的光通信技术主要应用于传输语音和低速率数据，速率只有每秒10兆比特左右。
正是在这个时候，光通信的应用范围逐渐开始向高速率的数据传输方向迈进。
1990年代初期，利用分波多路复用技术，光通信技术的传输速度得到了大幅提升。
2000年前后，另一项重要技术——光放大器也进入了商业化应用阶段。
随着光放大器的普及，光信号传送的宽带和传输距离能力得到了极大的提高。
目前，高速光通信技术可达到1Tbit/s的传输速度，传输距离也可达到10000千米以上。
二、高速光通信技术的应用高速光通信技术的应用广泛，涵盖了许多领域，下面我们将重点介绍其中几个。
1. 互联网骨干网互联网的快速发展促进了高速光通信技术的不断进步。
大量的互联网数据传输需要庞大的宽带才能满足。
目前，互联网的骨干网已经实现了光路由器网络，实现了带宽的有效管理。
2. 数据中心随着互联网数据的爆炸式增长，数据中心成为了最大的数据源。
数据中心的传输、处理和存储都需要极高的宽带支持。
高速光通信技术为数据中心提供了足够的带宽。
高速光通信技术的应用，可以将数据中心内大量的数据迅速传输到其他机房，甚至远程数据中心。
3. 航空航天在航空航天领域，高速光通信技术大大提高了数据传输的效率。
因为航天器发射后需要和地面通信，这时候光通信技术就能够体现出它的优势。
光纤通信高速数据传输的原理
光纤通信高速数据传输的原理光纤通信是一种利用光信号传输数据的通信技术，它具有高速、稳定和大容量传输的特点，已经成为现代通信领域的重要组成部分。
本文将详细介绍光纤通信高速数据传输的原理。
一、光纤通信的基本原理光纤通信基于光的全反射原理，利用光信号在光纤内部的传播来实现数据传输。
光纤是一种由特殊材料（通常为石英）制成的细长光导纤维，外层由包层保护。
光纤通信的基本组成部分包括光源、传输介质和光接收器。
光源可以是激光或发光二极管等产生光信号的装置。
数据信号经过调制后驱动光源发出光信号，光信号经过光纤传输到目标地点，再经过光接收器接收并解调恢复为原始数据。
二、光信号的传输过程光信号在光纤内传输的过程主要包括三个步骤：发光、传输和接收。
1. 发光：光源产生的光信号被注入到光纤中，光信号从光纤的一端进入。
2. 传输：光信号在光纤中经过传输，主要通过光的全反射进行。
光纤内部的包层和芯层的折射率不同，使得光信号在芯层内发生全反射，从而保证光信号沿光纤的传输。
3. 接收：光信号到达目标地点后，通过光接收器将光信号转换成电信号。
光接收器一般由光电二极管或光电探测器等组成，它们能够将光信号转化为电信号并进行解调。
三、光纤通信的高速数据传输原理光纤通信的高速数据传输主要依赖于以下几个原理：波分复用、调制解调技术和光放大器技术。
1. 波分复用：波分复用技术是通过将不同频率的光信号合并在一条光纤中进行传输，从而实现多路复用。
这样可以提高光纤的传输能力，实现高速数据传输。
在接收端，利用波分复用分解技术将多路信号解析出来。
2. 调制解调技术：调制解调技术是光纤通信中非常重要的技术，它通过改变光信号的某些特性来实现数据的调制和解调。
常用的调制技术包括振幅调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）等。
解调技术则是将光信号还原成原始数据信号。
3. 光放大器技术：光纤在传输过程中会因为衰减而使信号弱化，光放大器技术可以在光信号传输过程中对信号进行增强。
第八章高速光纤通信技术
8.3.1 高速光纤技术
光纤是光信号的物理传输媒质，其特性直接影响光纤传输 系统的带宽和传输距离，采用新型光纤是得到高容量传输最有 效的途径之一。为克服光纤带来的色散限制和非线性效应问题 ，要求新一代光纤应具有所需的色散值和低色散斜率、大有效 面积、低的偏振模色散。 1.G.655 光纤 2.大有效面积G.655型光纤 3.低色散斜率G.655型光纤 4.全波光纤
图8.2.2受激拉曼散射
2、受激拉曼散射可能引起信噪比性能的劣化
• 当光功率大到一定程度后才出现受激拉曼散射光， 即SRS存在阈值特性。
• 对单信道系统来说，SRS的阈值约为1W，即SRS对 单信道系统没什么影响。
• 对于高密集的波分复用系统来说，SRS将成为限制 光信道数的主要因素之一。
(2) 受激布里渊散射（SBS）
由于LEAF光纤具有较高的额定最高功率，在系统要求相同 的信噪比和相同的非线性作用的条件下，有效面积越大， 放大器间隔就越长。
LEAF光纤可以减轻色散的线性和高功率的非线性影响，提 高入纤功率，增加波分复用数目。但是LEAF光纤的有效面 积变大后导致其色散斜率比常规光纤偏大，大约为 0.1ps/(nm2•km)。当我们采用许多波长的超高密度WDM系 统时，有可能给处于高端L波段的通道带来较大的色散。
• LEAF光纤的特殊之处在于大大增加了光纤的模场 直径，从普通G.655光纤的8.4μm增长到LEAF光纤 的9.6μm，从而增加了光纤的有效面积，即从 55μm2增加到72μm2。在相同的入纤功率时，降 低了光纤中传播的功率密度，减少了光纤的非线 性效应。在相同的中继距离时，减少了非线性干 扰，可以得到更好的改善了系统的光信噪 比，延长了光放大器距离，增加了密集波分复用 的信道数。
精品课件-光纤通信(第二版)(张宝富)-第8章 SDH与WDM光网络
第8章 SDH与WDM光网络
SONET的基本帧结构为一个由9行、270列字节构成的二维 结构，其中的一个字节等于8比特。其中的段包括再生段或称 中继段（指的是光端机与再生器或再生器之间的连接）和复用 段（指的是相邻的复用设备之间的连接），而通道指的是一个 完全的端到端的数字连接，如标称速率2.048Mb/s之间的连接 等。如图8.2所示，基于SONET帧的周期为125μs，因此基本 SONET信号的传输比特速率为90×9×8bit／ 125μs=51.84Mb/s，对应的电信号称为STS-1信号。所有 SONET信号的速率都是STS-1信号速率的整数倍，即STS-M信号。 由ANSIT1.105标准认可的M值仅为1、3、12、24、48和192。 STS-M是所谓的电信号速率，经过电光变换后的物理层光信号 为OC-M，OC表示光载波。
第8章 SDH与WDM光网络 表8.5 常用的SONET和SDH的传输速率
第8章 SDH与WDM光网络
8.1.3 SDH的帧结构 SDH的帧结构是以字节为基础的矩形块状帧结构。如图
8.3所示，它由270×9×N个字节组成，每个字节8bit。帧结 构中的字节传输是按照从左至右、从上至下的顺序进行的。首 先从图中左上角的第一个字节开始，从左至右传输270个字节 后，转入第二行传输另外的270个字节，这样从上至下直至完 成一帧9行9×270个字节的传输。传输一帧的时间为125μs， 则STM-1的传输速率为9×270×8bit/125μs=155.52Mb/s。
第8章 SDH与WDM光网络
8.1.2 SDH的速率体系 为了打破PDH体制的固有缺陷，最初由美国的贝尔通信研
究所的科学家提出了所谓的同步光网络（SONET）的概念和相 应的标准，这一体系于1986年成为美国数字体系的新标准。 与此同时，欧洲和日本等国提出了自己的意见。1988年，当 时的CCITT（现改为ITU-T）经过讨论协商，接受了SONET的概 念，并进行了适当的修改，重新命名为同步数字体系（SDH）。 虽然SONET的ANST1.105标准和SDH的ITU-T的建议两者在实现 上有差异，但所有的SONET规范与SDH建议是兼容的。
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也有人称之为超高速光纤通信系统。
第八章 高速光纤通信技术
8.1 8.2 8.3 高速光纤通信系统的概念 高速光纤通信系统面临的挑战 高速光纤通信系统的关键技术
8.4
高速光纤通信系统的应用举例
8.2
高速光纤通信系统面临的挑战
目前影响高速光纤通信系统的不利因素
光信噪比（OSNR)劣化：主要是光放大器的放大自发辐射噪声
第八章 高速光纤通信技术
8.1 8.2 8.3 高速光纤通信系统的概念 高速光纤通信系统面临的挑战 高速光纤通信系统的关键技术
8.4
高速光纤通信系统的应用举例
8.1
高速光纤通信系统的概念
人们很早就意识到光波是最理想的信号载体，因 为与射频和微波相比，光波具有更高的频率，也就 是具有更大的可利用带宽。
OSNR约为21dB。
• 考虑到2.5Gbit/s收发机在背靠背配置中的典型OSNR容限
为14～15dB。因此，在不计入传输代价时，该传输系统
具有大于6dB的系统余量。
2 色散
在任何非真空介质及波导结构中，不同频率 的电磁波的传输速率不同，这就是色散的本质。
1、色散的概念
进入光纤的窄脉冲随着传输距离的增加会逐渐
3.色散的种类：
• 模间色散：多模光纤（MMF）中不同模式 的传输速率不同而引起的。 • 偏振模色散：光纤的不对称性造成两偏振 传输轴上的等效折射率随机不等，导致传 输速率不同。 • 色度色散：光源光谱中不同波长在光纤中 的群时延差所引起的光脉冲展宽现象。
3 非线性效应
1、引起非线性效应的原因
表8.1 三种信号载波的比较
光传输系统在提高传输速率的途径有哪些？
提高单信道传输速率
使用密集波分复用（DWDM）技术
160 32 400G 1.6T 6.4T
WDM通路数
16
40G
160G
640G
8
20G
80G
320G
1 2.5Gbit/s 10Gbit/s 单信道速率 40Gbit/s
提高DWDM系统传输速率的途径
在高比特率系统中，为了增加中继距 离而提高发送光功率，当光纤中传输的 光强密度超过光纤的阈值时，则会出现 非线性效应，从而限制系统容量和中继 距离的进一步增大。 在光系统中只要使用的光功率足够低， 就可以假设这个光系统是线性的。
2.非线性效应的分类
受激散射引起的效应
受激拉曼散射（SRS）
受激布里渊散射（SBS）
非线性折射率引起的效应
自相位调制（SPM） 交叉相位调制（XPM）和 四波混频（FWM）
(1) 受激拉曼散射（SRS）
1、概念
由光纤中光信号和光纤材料中的分 子振动相互作用引起的非线性效应。
当一定强度的光入射光纤时会引起光纤中的分子振动，进而
调制入射光强，产生间隔为分子振动频率的边带，低频边带 称为斯托克斯线，高频边带称为反斯托克斯线。 当两个斯托克斯频率的光波入射到光纤时，低频波获得增益 而高频波被衰减，即较短波长信号的一部分功率转移到较长 波长的信号中。
提高单信道速率
10Gbit/s
40Gbit/s
在C波带有超过300个波道可用 波长 EDFA C带 L带 波长 （nm)
减小间隔 S带 扩展谱宽
高速光纤系统的定义
所谓 “高速”是指光线通信传输的数据速
率高，究竟多高的数据速率才算高速，ITU-T并没
有明确的规范意见。事实上，在光线通信的不同
发展阶段，高速的含义是不同的 。目前通常把 STM-16等级以上的系统统称为高速光纤通信系统，
变形展宽，当脉冲展宽到与相邻的脉冲发生重叠 时，就会导致信号之间的相互干扰，结果增加了
通信系统的误码率，这种现象称为色散。
2、发生色散会有什么样的结果？
图8.2.1 光纤色散导致的信号失真
色散最终限制了给定长度光纤中的比特传输速率。
如果色散很大的话，多个信号之间就会出现重叠
情况，从而导致在接收机处难以提取正常的信号。
不 利 因 素
群速度色散（GVD) 色散效应 偏振模色散(PMD) 受激拉曼散射（SRS） 受激布里渊散射（SBS） 自相位调制（SPM） 交叉相位调制（XPM） 四波混频（FWM）
光纤非线性效应
1 光信噪比（OSNR）
在光纤通信系统中，特别是 WDM 系统中，OSNR 是目前衡量 高速光纤通信系统性能的重要指标之一，OSNR的义为光信号功率与噪声功率的比值（用dB表
示）。
一般对于 10Gbit/s 光纤通信系统，在接收端要求 OSNR 在
25dB以上（没有前向纠错编码FEC技术时）。在WDM系统发
送端的OSNR一般有35～40dB左右。
在WDM系统中，噪声的主要来源是光纤放大器。 对于EDFA来说，噪声的主要来源是ASE噪声。 EDFA在对信号光进行放大的同时，还会伴随着 对自发辐射光的放大，它不仅会消耗大量反转 粒子数，限制了放大器的增益，而且构成了 EDFA的附加噪声源。 EDFA的附加噪声由噪声指数（NF）来描述，实 际应用中EDFA的噪声指数一般是6dB。
对于带光放大器的光纤传输链路，假设每段光纤 的损耗相同，每段光纤使用的光放大器增益和噪声 指数也相同，则在经过N段光纤传输后，光信号的
OSNR可以利用一个简单的公式来估计：
OSNR=58dB+入纤光功率-NF-每跨段损耗-10lg（跨段数目）
OSNR=58dB+入纤光功率-NF-每跨段损耗-10lg（跨段数目） • 例：假设单信道入纤光功率为0dBm，每个放大器的噪声 指数NF为6dB，每个80km光纤跨段损耗为22dB，则根据公 式可以估计出一个8跨段光放大传输链路给出的接收端
衡量系统性能的接收误比特率（BER）与光接 收机的OSNR有关，在其他条件不变的情况下， OSNR越大，则BER越低，系统性能越好，相反， OSNR越小，则BER越高，系统性能越差。
在WDM传输系统中，“OSNR容限”是衡量系统
性能的最重要的光学指标之一，在其他条件不 变的情况下，传输系统的OSNR容限越低，系统 性能就越优异。
通信方 式 电缆通 信 微波通 信 光纤通 信 载波 射频电波 微波 光波 载频（Hz） 1×109 （1GHz） 1×1011 （3mm） 2×1014 （1.5μ m） 可利用带宽 （Hz） 100M 10G 20000G 潜在通信容量 （bit/s） 200M 20G 40000G 话路数 3000 30万 6亿