光纤通信系统
第4章光纤通信系统介绍
1．光发射机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ⑥ 调制(驱动) • 经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进 行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号码 流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。
12
1．光发射机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ⑦ 自动功率控制 • 由于老化等因素的影响，使得光发射机的光源 在使用一段时间之后，出现输出光功率降低的 • 为了保持光源输出功率的稳定，在光发射机中 常使用自动功率控制(APC)电路。
27
2．光接收机
• 图4-10 时钟恢复电路方框图
28
2．光接收机
• 图4-11 时钟恢复电路波形图
29
2．光接收机
• 图4-12 NRZ码的功率谱密度分布图
30
2．光接收机
• 图4-13 RZ码功率谱密度分布图
31
2．光接收机
• 图4-14 一种非线性处理电路
32
2．光接收机
• 图4-15 非线性处理电路中的波形图
24
2．光接收机
• 图4-8 单个脉冲均衡前后波形的比较
25
2．光接收机
⑤ 判决器和时钟恢复电路 • 判决器由判决电路和码形成电路构成。 • 判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲再生电 路。 • 脉冲再生电路的作用是将均衡器输出的信号恢 复成理想的数字信号
26
2．光接收机
• 图4-9 信号再生示意图
48
（1）衰减对中继距离的影响
• 一个中继段上的传输衰减包括两部分，其一是 光纤本身的固有衰减，再者就是光纤的连接损 耗和微弯带来的附加损耗。 • 构成光纤损耗的原因很复杂，归结起来主要包 括两大类：吸收损耗和散射损耗。 • 引起光纤损耗的因素还有光纤弯曲和微弯产生 的损耗以及纤芯与包层中的损耗等等。
光纤通信系统模型介绍课件
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。
光纤通信系统
系统中仅具有原则旳电接口，而无原则旳光接口。 • 但在SDH系统中，SDH信号速率与其线路速率是相同
旳。
4
4.1.2 IM-DD光纤通信系统旳构 造
1．光发射机 2．光接受机 3．光纤通信系统
5
1．光发射机
(1) 光源旳调制特征 • 光源所采用旳调制方式涉及内调制和外调制
第4章 光纤通信系统
4.1 IM-DD光纤通信系统 4.2 衰减和色散队中继距离旳影响 4.3 噪声及敏捷度分析
1
4.1 IM-DD光纤通信系统
4.1.1 光纤通信中旳线路码型 4.1.2 IM-DD光纤通信系统旳构造
2
4.1.1 光纤通信中旳线路码型
• 在数字光纤通信系统中所传播旳信号是数字信 号，而由互换机送来旳电信号符合ITU-T所要求 旳脉冲编码调制(PCM)通信系统中旳接口码速 率和码型 。
36
2．光接受机
⑥ 光接受机旳动态范围和自动增益控制 • 光接受机旳自动增益控制(AGC)就是用反馈环路来控
制主放大器旳增益，在采用雪崩管旳光接受机中还经 过控制雪崩管旳高压来控制雪崩管旳雪崩增益。
37
2．光接受机
• 图4-23 自动增益控制工作原理方框图
38
2．光接受机
⑦ 解扰、解复用和码型变换电路 • 在光发射机中首先进行码型变换。 • 在光发射机中对数字码流进行扰码处理。 • 还需将判决器输出旳信号进行解扰码和码型变
21
2．光接受机
② 前置放大器 • 因为这个放大器与光电检测器紧紧相连，故称前置放
大器。 • 对多数放大器旳前级提出尤其旳要求是非常必要旳，
它应具有低噪声、高增益旳特征，这么才干得到较大 旳信噪比。 • 因为跨阻型前置放大器不但具有宽频带、低噪声旳优 点，而且其动态范围也比高阻型前置放大器改善诸多， 所以在光纤通信中得到广泛旳使用。
第三章 光纤通信系统
(4) 带状式光缆。
它是将4～12根光纤芯线排列成行, 构成带状光纤单元, 再将多个带状单元按一定方式排列成缆, 如图3-7(d)所示。
第三章 光纤通信系统
光纤 加强件 加强件 光纤
(a) 光纤 塑料骨架 隔热层
(b)
加强件 护套
综合护套 (c)
带状光纤 (d)
图 3-7 光缆的基本结构 (a) 层绞式; (b) 单位式; (c) 骨架式; (d) 带状
第三章 光纤通信系统 (1) 层绞式光缆。 这种光缆机械性能好, 具备优异的抗机械损伤能力, 特 别适用于架空敷设方式， 如图3-7(a)所示。
(2) 单位式光缆。
它是将几根至十几根光缆芯线集合成一个单位, 再由数 个单位以强度元件为中心绞合成缆, 如图3-7(b)所示。
(3) 骨架式光缆。
在铝带与阻水带之间放置撕裂绳以便于护套开剥， 如图3-7(c) 所示。
(2) 光 输 出 功 率 自 动 控 制 电 路 (APC, Automatic
Power Control)。 (3) ATC(自动温度控制电路)。 (4) 光监测。
第三章 光纤通信系统 4.光发射机的指标 (1) 有合适的输出光功率。
(2) 较好的消光比Ext。
(3) 调制特性要好。 3.3.2 光接收机 光接收机的作用是接收经光纤传输衰减后的十分微 弱的光信号, 从中检测出传送的信息, 放大到足够大后,
第三章 光纤通信系统
3.3 光端机的组成
3.3.1 光发射机 光发射机的作用是将电信号变成光信号, 然后送 入光纤中传输出去。 光发射机主要由光源、光源驱动 与调制以及信道编码电路三部分组成, 如图3-10所示。
第三章 光纤通信系统
AJC
光纤通信系统
形成光缆
5
中继器
中继器
由于光纤的传输损耗和散射 效应，光信号在传输过程中 会逐渐衰减，因此需要使用 中继器来放大和整形光信号，
以实现长距离传输
中继器通常由掺铒光纤放大 器(EDFA)和光-电-光转换器
组成
掺铒光纤放大器可以对光信 号进行放大，提高光信号的 能量
光纤通信系统主要由光发信机、 光收信机、光缆、中继器等组
成
2
光发信机
光发信机
光发信机是实现电信 号转换为光信号的设 备，主要由光源、驱 动电路和调制电路组
成
光源是发信机的核 心器件，目前常用 的光源有半导体激 光器和发光二极管
驱动电路的作用是 为光源提供足够的 电流，使其发出稳
定的光信号
调制电路的作用是 将电信号加载到光 信号上，实现电信
的可靠性和效率
5
绿色光纤：在光纤的制造和使用过程中，需要注重环保和 节能，推动光纤通信系统的绿色发展
光纤通信系统的关键技术和发展趋势
总的来说，光纤通信系统将继续向着高速、大容量、智 能化、环保等方向发展
未来，随着技术的不断进步和应用需求的不断增加，光 纤通信系统将会得到更加广泛的应用和推广，为人们提
光纤通信系统
-
1 概述 2 光发信机 3 光收信机 4 光缆 5 中继器 6 光纤通信系统的优点和缺点 7 光纤通信系统的应用和发展趋势 8 光纤通信系统的前景展望 9 光纤通信系统的关键技术和发展趋势
1
概述
概述
光纤通信系统是一种利用光波 在光纤中传输信息的通信方式
由于光纤具有传输容量大、抗 干扰能力强、传输距离长等优 点，光纤通信系统已成为现代 通信网的主要传输方式之一
光纤通信系统
第一章概论光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载体的通信系统，主要由光发电机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。
光线通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。
不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机的带有信息的电信号，都可以调制转换为光信号。
光载波经过光纤线路传输到接收端。
再由光接收机把光信号转换为电信号。
光纤的主要作用：利用光的全反射原理传递光学信号，其优点是信号损耗小，抗干扰能力强。
与电缆或微波等电通信方式相比，光通信优点：（1）通信容量大（2）中继距离长（3）保密性能好（4）适应能力强（5）体积小、重量轻，便于施工维护（6）原材料资源丰富，节约有色金属和能源，潜在价格低廉。
光纤通信中常用的三个低功耗窗口的中心波长为：0.85微米 1.31微米 1.55微米其中后两个的应用更为广泛。
基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元，若配置适当的接口设备，则可以插入现有的数字通信系统或模拟通信系统，有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间。
光发射机、光纤线路和光接收机，若配置适当的光器件，可以组成传输能力更强、功能更完善的光纤通信系统。
光发射机的功能是把输入的电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。
光发射机由光源、驱动器和调制器组成。
其中，光源是光发射机的核心。
光发射机的性能基本上取决于光源的特性，对光源的要求是输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。
光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变（失真）和衰减传输到光接收机。
光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。
光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。
实际工程中使用的是容纳多根光纤的光缆。
光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。
光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成，光检测器是光接收机的核心，对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。
光纤通信系统
什么是光纤通信系统什么是光纤通信系统？本文将从光纤通信系统的构成,发展,优点,光纤通信技术的发展趋势方面来进行阐述。
光纤即为光导纤维的简称。
光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤作为传输媒介的一种通信方式。
从原理上看,构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。
光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外,在应用中,光纤常按用途进行分类,可分为通信用光纤和传感用光纤。
传输介质光纤又分为通用与专用两种,而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤,并常以某种功能器件的形式出现。
光纤通信就是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。
光导纤维通信简称光纤通信。
可以把光纤通信看成是以光导纤维为传输媒介的“有线”光通信。
实际上光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。
光纤通信系统的构成一个实用的光纤通信系统，配置各种功能的电路、设备和辅助设施，如接口电路、复用设备、管理系统以及供电设施等，才能投入运行。
要根据用户需求、要传输的业务种类和所采用传输体制的技术水平等来确定具体的系统结构。
因此，光纤通信系统结构的形式是多种多样的，但其基本结构仍然是确定的。
有种通信系统主要是由3部分组成：光发射机、光纤光缆和光接收机。
由于光纤只能传光信号不能传电信号，因此，这种通信系统在发送端必须先把电信号变成光信号，在接收端再把光信号变为电信号，即电/光和光/电变换。
其电/光和光/电变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。
实现过程如下：输入的电信号既可以是模拟信号(如视频信号、电视信号)，也可以是数字信号(如计算机数据、PCM 信号);调制器将输入的电信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进行直接强度调制，完成电/光变换的功能;光源输出的光信号直接耦合到传输光纤中，经一定长度的光纤传输后送达接收端;在接收端，光电检测器对输入的光信号进行直接检波，将光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等电处理过程，弥补线路传输过程中带来的信号损伤(如损耗、波形畸变)，最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整个传输过程。
简述光纤通信系统的结构和各部分功能
简述光纤通信系统的结构和各部分功能光纤通信系统是一种基于光纤传输信号的通信系统，由多个部分组成，每个部分都有各自的功能。
下面将对光纤通信系统的结构和各部分功能进行简述。
一、光纤通信系统的结构光纤通信系统一般由光发射器、光纤传输介质、光接收器和光网络设备组成。
1. 光发射器：光发射器是光纤通信系统中的发送端，它将电信号转换成光信号并通过光纤传输介质发送出去。
光发射器的主要功能是将电信号转换为适合光纤传输的光信号，并能够调节光信号的强度和频率。
2. 光纤传输介质：光纤传输介质是光纤通信系统中的传输媒介，它能够将光信号传输到目标地点。
光纤传输介质具有高带宽、低损耗和抗干扰等特点，使得光信号能够在长距离传输过程中保持较高的质量。
3. 光接收器：光接收器是光纤通信系统中的接收端，它接收光纤传输介质中传输的光信号，并将其转换为电信号。
光接收器的主要功能是将光信号转换为电信号，并能够对电信号进行放大和解调等处理。
4. 光网络设备：光网络设备包括光纤交换机、光开关等，它们用于光纤通信系统的网络管理和控制。
光网络设备的主要功能是实现光信号的路由选择、调度和管理，以及对光信号进行调制和解调等处理。
二、各部分功能的详细描述1. 光发射器的功能：光发射器主要负责将电信号转换为适合光纤传输的光信号，并能够调节光信号的强度和频率。
它包括以下几个主要功能：- 光源发生器：产生光信号的光源，常见的有激光二极管、LED等。
- 调制电路：对电信号进行调制，将其转换为光信号。
- 驱动电路：控制光源的开关和调节光信号的强度。
2. 光纤传输介质的功能：光纤传输介质主要负责将光信号传输到目标地点，具有高带宽、低损耗和抗干扰等特点。
其主要功能包括：- 光纤芯：传输光信号的核心部分，由高折射率的材料构成。
- 光纤包层：包裹光纤芯，起到保护和传导光信号的作用。
- 光纤护套：保护光纤传输介质免受外界环境的影响。
3. 光接收器的功能：光接收器主要负责接收光纤传输介质中传输的光信号，并将其转换为电信号。
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– 2.2.2 F-P腔半导体激光器的结构与分类
1. F-P腔的作用 2. F-P腔激光器的结构与分类
1. 按垂直于PN结方向的结构分类
2. 按平行于PN结方向的结构分类
– 2.2.3 量子阱半导体激光器
– 2.2.4 分布反馈激光器
1. 结构特点
2. 工作原理
3. DFB激光器的优点
1. 纵模的概念
对于半导体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱是 导带和价带的自发发射谱，谱线较宽；只有当激光器的注 入电流大于阈值后，谐振腔里的增益才大于损耗，自发发 射谱线中满足驻波条件的光频率才能在谐振腔里振荡并建 立起强场，这个强场使粒子数反转分布的能级间产生受激 辐射，而其他频率的光却受到抑制，使激光器的输出光谱 呈现出以一个或几个模式振荡，这种振荡称之为激光器的 纵模。
1. 单纵模振荡 2. 谱线窄，波长稳定性好 3. 动态谱线好 4. 线性度好
4. 半导体激光器的基本性质
– 2.2.5 发光二极管
1. 工作原理
2. 结构和分类
3. 基本性质
1. 发射谱线和发散角 2. 响应速度 3. 热特性 4. 优点
2.3 半导体激光器的模式性质
– 2.3.1 厄密-高斯模式的解 – 2.3.2 激光器的纵模
光纤通信系统
– 1.1.2 光纤的传输性质
损耗和色散是光纤的两个主要的传输特性 1. 光纤的损耗
1. 石英光纤的固有损耗 2. 非固有损耗
2. 光纤的色散
1.2 介质平板波导
– 1.2.1 基本波导方程式
均匀波导中的波动方程
2Ek2E0
非均匀波导中的波动方程
2E()2t2E
基本波导方程式
2. 单模光纤的零频率色散
– 1.5.4 单模光纤的极化
1. 单模光纤的极化演化
2. 极化色散
3. 单模单极化光纤
– 1.5.5 单模光纤的发展与演变
第2章 光源和光调制
2.1 激光原理的基础知识
– 原子能级的跃迁
1. 原子的能级
2. 能级的跃迁
原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发生量子跃迁， 或称能级跃迁。若电子跃迁中交换的能量是热运动的能量， 称为热跃迁；若交换的能量是光能，则称为光跃迁。
3. 模式色散和g的最佳值
折射率分布参数g应为：
g42 32 21121231
g21
1.5 单模光纤
– 1.5.1 单模光纤的基本分析
– 1.5.2 单模光纤的结构
– 1.5.3 单模光纤的频率色散
1. 单模光纤频率色散的计算
c L d d d 1 1 N d d V V b N 1 d d d 2 d V 2 2 b V N 1 2 n 1 V d 2 V 2 d V b
自发发射
2. 受激辐射和受激吸收
– 2.1.2 半导体中载流子的统计分布 1. 晶体的能带
2. 费米-荻拉克统计
电子是费米子，它在各能级上的分布，要受泡里不相容原理的限制， 即每个单电子量子态中最多只能容纳一个电子，它们或者被一个 电子占据，或者空着。电子在各能级中的分布服从费米-荻拉克统 计。
– 1.2.2 对称介质平板波导的传输模式
1. 对称介质平板波导中的波导方程式和模式
2. TE模式
3. 偶TE模式和奇TE模式
1. 偶TE模式
2. 奇TE模式
பைடு நூலகம்
4. 传输常数的确定
5. 模式截止条件 6. 对称介质板波导中的TM模
– 1.2.3 介质板波导中的多模群时延
在多模传输的介质板波导中，也会产生多模群时延失 真，使传输的光脉冲展宽 。不同模式所产生的最大群 时延差可用最低次模和最高次模的传输时间之差来表 示：
1
f E eEEf /kK 1
3. 各种半导体中电子的统计分布
– 2.1.3 PN结的能带
1. PN结的形成
2. PN结的能带
2.2 半导体激光器和发光二极管
– 2.2.1 半导体激光器
1. 激射条件
有源区里产生足够的粒子数反转分布； 存在光学谐振机制，并在有源区里建立起稳定的振荡。
2. 制作激光器的材料
– 1.3.2 阶跃折射率光纤中波动方程的解
1. 解的形式
1. 在纤芯中（r a），k＝k1＝k0n1
Ez1 Hz1
BAJuarei
2. 在包层里（r>a）， k＝k2＝k0n2
H Ezz22CDKwarei
2. 边界条件和特征方程 3. 光纤中的各种导模
4. 模式的场型图
– 1.3.3 近似解－－LP模
2. 由谐振条件求纵模的波长间隔
3. 纵模的性质
– 2.3.3 激光器的横模
近场图样和远场图样
2.4 半导体激光器的瞬态性质
– 2.4.1 瞬态过程
d dLdH
1.3 阶跃折射率光纤的模式理论
– 1.3.1 圆柱坐标系中的波导方程式
圆柱坐标系和直角坐标系的关系为：
圆柱坐标系中的波导方程
d2 dR 2 (rr)1 rdd(R r)r(k22r2 2)R(r)0
这个方程可以化为贝塞尔方程，在特定的边界条件下 求解R(r )，便可得到阶跃折射率光纤的模式情况。
uJ1(u) wK1(w)
J(u)
K(w)
3. 模功率分布 4. 阶跃折射率光纤中导模数量的估算
1.4 渐变折射率光纤的近似分析
– 1.4.1 渐变折射率光纤的近似解
1. 模式的量子力学解释
2. 传导模的WKBJ解 3. 转折点附近的解 4. 解的连续性和特征方程式
– 1.4.2 渐变折射率光纤特性的WKBJ法分析
1. LP模是线偏振模
LP模的名称来自英文Linearly Polarized Mode，即线性偏振模的 意思，可以证明，若将HEν＋1，m模和EH ν－1，m线性叠加，得 到的是直角坐标系中的线偏振模。
2. LP模的特征方程
由电磁场的边界条件（r＝a时，Ez，Hz，Eφ和Hφ分量应连 续），可以确定出LP νm模的特征方程为
1. 传输模式的数量
2. P模群和模群间隔
对阶跃折射率光纤，曾经通过对LP模的分析得到过p模 群的概念。也就是说，较高次模是分成群的，尽管 ν，m的组合不同，但只要ν＋2m＝p，那么这些不同 的LP模就有近似相等的传输常数，而用p模群来表示 这些简并模。
模群间隔为：
g2
dp
dp
p gg 21/22apm p ax g2