新光纤通信技术 第2版 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 教学课件 孙学康 张金菊 05
合集下载
光纤通信(第二版)课件PPT(刘增基著)
第1章 概 论
为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光束 限制在特定的空间内传输, 因而提出了透镜波导和反射镜波导的 光波传输系统。透镜波导是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会聚到下一个透镜而实现的。 反射镜波导和透镜波导相似，是用与光束传输方向成45°角的 两个平行反射镜代替透镜而构成的。这两种波导，从理论上讲 是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服的困难。首先，现 场施工中校准和安装十分复杂；其次，为了防止地面活动对波
由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的 研究曾一度走入了低谷。
第1章 概 论
1.1.2 现代光纤通信 1966 年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆
(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用 光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了 现代光通信——光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高达 1000 dB/km以上，高锟等人指出：这样大的损耗不是石英纤维 本身固有的特性，而是由于材料中的杂质，例如过渡金属(Fe、 Cu等)离子的吸收产生的。材料本身固有的损耗基本上由瑞利 (Rayleigh)散射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。 因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的 低损耗光纤。如果把材料中金属离子含量的比重降低到10－6以 下，就可以使光纤损耗减小到10 dB/km。再通过改进制造工艺 的热处理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几 dB/km。这个思想和预测受到世界各国极大的重视。
十一五 普通高等教育“十一五”国家级规划教材
光 纤 通 信(第二版)
刘增基 周洋溢 胡辽林 编著
任光亮 周绮丽
西 安 电 子西科 技 大 学 出 版 社
第17章(11)教材配套课件
光监测：监测光电二极管用于检测激光器发出的光功率， 经放大器放大后控制激光器的偏置电流，使其输出的平均功 率保持恒定。
第17章 光纤通信技术
（3）光源
光发送部分的核心是产生激光或荧光的光源，它是组成 光纤通信系统的重要器件。目前，用于光纤通信的光源主要 是半导体激光器LD和半导体发光二极管LED，它们都属于 半导体器件，特点是体积小、重量轻、耗电量小。 此外，光发射机中还有一些辅助电路，如告警电路，当 光发送机出现故障、输入信号中断或激光器失效时，这时告 警电路就会发出告警提示。
第17章 光纤通信技术
光纤通信首先将信源欲传送的电话、 电报、 图像或数
据等信号进行电/光转换， 即把电信号先变成光信号， 再经 由光纤传输到信宿， 信宿再将接收到的光信号做光/电转换， 还原成电信号， 从而完成一次光纤通信的全过程。 可见， 光纤通信与我们熟悉的电缆通信主要有两点不同： 一是传 输信号为光信号而不是电信号， 另一个是传输介质是 光纤而非电缆。 另外，在光纤通信中， 由于作为载波的光 波频率比电波频率高得多， 所以其通信容量就比无线电通 信大得多， 同时作为传输介质的光纤又比铜轴电缆或波导 管的损耗低得多， 因此， 相对电缆通信或微波通信，光纤 通信具有许多优势。 光纤通信技术是世界新技术革命的重
第17章 光纤通信技术
4.重量轻、体积小
通信设备的体积和重量对于许多领域尤其是航空航天以 及军事领域来说，具有非常重要的意义。相同话路的光缆要 比电缆轻90%～95%，而直径不到电缆的1/5。通21000个话 路的900对双绞线，其直径为3英寸，质量为8t/km；通信量 为其10倍的光缆，直径仅为0.5英寸，质量仅为203kg/km。 这样在长途干线或市内干线上使用，不仅空间利用率高，而 且便于铺设。
第17章 光纤通信技术
（3）光源
光发送部分的核心是产生激光或荧光的光源，它是组成 光纤通信系统的重要器件。目前，用于光纤通信的光源主要 是半导体激光器LD和半导体发光二极管LED，它们都属于 半导体器件，特点是体积小、重量轻、耗电量小。 此外，光发射机中还有一些辅助电路，如告警电路，当 光发送机出现故障、输入信号中断或激光器失效时，这时告 警电路就会发出告警提示。
第17章 光纤通信技术
光纤通信首先将信源欲传送的电话、 电报、 图像或数
据等信号进行电/光转换， 即把电信号先变成光信号， 再经 由光纤传输到信宿， 信宿再将接收到的光信号做光/电转换， 还原成电信号， 从而完成一次光纤通信的全过程。 可见， 光纤通信与我们熟悉的电缆通信主要有两点不同： 一是传 输信号为光信号而不是电信号， 另一个是传输介质是 光纤而非电缆。 另外，在光纤通信中， 由于作为载波的光 波频率比电波频率高得多， 所以其通信容量就比无线电通 信大得多， 同时作为传输介质的光纤又比铜轴电缆或波导 管的损耗低得多， 因此， 相对电缆通信或微波通信，光纤 通信具有许多优势。 光纤通信技术是世界新技术革命的重
第17章 光纤通信技术
4.重量轻、体积小
通信设备的体积和重量对于许多领域尤其是航空航天以 及军事领域来说，具有非常重要的意义。相同话路的光缆要 比电缆轻90%～95%，而直径不到电缆的1/5。通21000个话 路的900对双绞线，其直径为3英寸，质量为8t/km；通信量 为其10倍的光缆，直径仅为0.5英寸，质量仅为203kg/km。 这样在长途干线或市内干线上使用，不仅空间利用率高，而 且便于铺设。
课件-光纤通信-第7章光纤通信新技术(PPT 157页)(1)
课件-光纤通信-第7章光 纤通信新技术(PPT 157
页)(1)
2020/12/9
课件-光纤通信-第7章光纤通信新技 术(PPT 157页)(1)
第7章 光纤通信新技术
• 光纤通信发展的目标是提高通信能力和通信质量，降低 价格，满足社会需要。进入20世纪90年代以后，光纤通信成为 一个发展迅速、 技术更新快、新技术不断涌现的领域。本章 主要介绍一些已经实用化或者有重要应用前景的新技术，如光 放大技术，光波分复用技术，光交换技术，光孤子通信，相干 光通信，光时分复用技术和波长变换技术等。
• 设计高增益掺铒光纤(EDF)是实现光纤放大器的技术关 键， EDF的增益取决于Er 3+的浓度、光纤长度和直径以及泵 浦光功率等多种因素，通常由实验获得最佳增益。对泵浦光 源的基本要求是大功率和长寿命。波长为1480 μm的InGaAsP 多量子阱(MQW)激光器， 输出光功率高达100 mW, 泵浦光转 换为信号光效率在6 dB/mW以上。
课件-光纤通信-第7章光纤通信新技 术(PPT 157页)(1)
• WDM 技 术 对 网 络 升 级 、 发 展 宽 带 业 务 ( 如 CATV ， HDTV 和IP over WDM等)、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超 高速光纤通信等具有十分重要意义，尤其是WDM加上EDFA 更是对现代信息网络具有强大的吸引力。目前，“掺铒光纤 放大器(EDFA)+密集波分复用(WDM)+非零色散光纤(NZDSF， 即G.655光纤)+光子集成(PIC)”正成为国际上长途高速光纤通 信线路的主要技术方向。
• 光纤的带宽很宽。如图7.6所示，在光纤的两个低损耗传 输窗口： 波长为1.31 μm(1.25～1.35μm)的窗口，相应的带宽 (|Δf |=|-Δλc/λ2|, λ和Δλ分别为中心波长和相应的波段宽度， c 为真空中光速)为17 700 GHz； 波长为1.55 μm(1.50～1.60 μm) 的窗口， 相应的带宽为12 500 GHz。 两个窗口合在一起，总 带宽超过30 THz。如果信道频率间隔为10 GHz， 在理想情况 下， 一根光纤可以容纳3000个信道。
页)(1)
2020/12/9
课件-光纤通信-第7章光纤通信新技 术(PPT 157页)(1)
第7章 光纤通信新技术
• 光纤通信发展的目标是提高通信能力和通信质量，降低 价格，满足社会需要。进入20世纪90年代以后，光纤通信成为 一个发展迅速、 技术更新快、新技术不断涌现的领域。本章 主要介绍一些已经实用化或者有重要应用前景的新技术，如光 放大技术，光波分复用技术，光交换技术，光孤子通信，相干 光通信，光时分复用技术和波长变换技术等。
• 设计高增益掺铒光纤(EDF)是实现光纤放大器的技术关 键， EDF的增益取决于Er 3+的浓度、光纤长度和直径以及泵 浦光功率等多种因素，通常由实验获得最佳增益。对泵浦光 源的基本要求是大功率和长寿命。波长为1480 μm的InGaAsP 多量子阱(MQW)激光器， 输出光功率高达100 mW, 泵浦光转 换为信号光效率在6 dB/mW以上。
课件-光纤通信-第7章光纤通信新技 术(PPT 157页)(1)
• WDM 技 术 对 网 络 升 级 、 发 展 宽 带 业 务 ( 如 CATV ， HDTV 和IP over WDM等)、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超 高速光纤通信等具有十分重要意义，尤其是WDM加上EDFA 更是对现代信息网络具有强大的吸引力。目前，“掺铒光纤 放大器(EDFA)+密集波分复用(WDM)+非零色散光纤(NZDSF， 即G.655光纤)+光子集成(PIC)”正成为国际上长途高速光纤通 信线路的主要技术方向。
• 光纤的带宽很宽。如图7.6所示，在光纤的两个低损耗传 输窗口： 波长为1.31 μm(1.25～1.35μm)的窗口，相应的带宽 (|Δf |=|-Δλc/λ2|, λ和Δλ分别为中心波长和相应的波段宽度， c 为真空中光速)为17 700 GHz； 波长为1.55 μm(1.50～1.60 μm) 的窗口， 相应的带宽为12 500 GHz。 两个窗口合在一起，总 带宽超过30 THz。如果信道频率间隔为10 GHz， 在理想情况 下， 一根光纤可以容纳3000个信道。
《光纤通信技术》课件第1章
第1章 光纤通信概论
1.1 光纤通信发展历程 1.2 光纤通信的系统构成 1.3 光纤通信的特点 1.4 光纤通信新技术
1.1 光纤通信发展历程
1.1.1 光纤通信的产生与发展 1.目视光通信 人类社会发展中的远距离通信的主流是光通信，电气通信
的历史不过一百多年。从古埃及、古中国、古希腊和古罗马时 代至发明莫尔斯电报的数千年间，远距离通信主要为目视光通 信。三千多年前我国周朝就利用烽火台的火光传送敌情消息， 到了近现代，战争中用信号弹指挥作战、城市使用信号灯指挥 交通等传递信息的方式均可称为目视光通信。我们现在经常提 到的光纤通信与这些简单的视觉光通信完全不同，光纤通信是 由光通信逐步发展、演变而来的，是指以光波作载波传送信息 的通信方式。
2）光纤通信迅速发展 1974年贝尔实验室发明了制造低损耗光纤的方法，使光 纤损耗下降到1dB/km；而日本电话电报公司研制出了更低 损耗的光纤，损耗下降到0.5dB/km。美国于1976年在亚特兰 大成功地进行了码速为44.7Mb/s的光纤通信系统试验；日本 也于同年开始了64km、32Mb/s光纤通信系统的室内试验。
1.1.2 光纤通信发展趋势 1.宽带通信业务需求激增、光纤通信向超高速系统发展 光纤产品的大规模采用成为全球宽带通信网络飞速发展
的有力基础。网络的扩张又带来全球性传送业务的大增长， 这些业务需求包括Internet的蓬勃发展、大量的全球数据传 送，以及其他一些不断增长的先进业务。
视频娱乐节目：采用速率高达几十兆比特的数字电视， 提供同实物一样大的高分辨率、3D、真彩色视频娱乐节目。
3.实现光联网 波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量，但基本上是以点到点 通信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能 实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能的话，无疑将增加新 的威力。 根据这一基本思路，光的分插复用器（OADM）和光的交叉连接设 备（OXC）均已在实验室研制成功，前者已投入商用。鉴于光联网具有 潜在的巨大优势，发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行研究， 特别是美国国防部预研局（DARPA）资助了一系列光联网项目，如以 Be11core为主开发的“光网技术合作计划（ONTC）”，以朗讯公司为 主开发的“全光通信网”预研计划，“多波长光网络（MONET）”和 “国家透明光网络（NTON）”等，在欧洲和日本，也分别有类似的光 联网项目在进行。
1.1 光纤通信发展历程 1.2 光纤通信的系统构成 1.3 光纤通信的特点 1.4 光纤通信新技术
1.1 光纤通信发展历程
1.1.1 光纤通信的产生与发展 1.目视光通信 人类社会发展中的远距离通信的主流是光通信，电气通信
的历史不过一百多年。从古埃及、古中国、古希腊和古罗马时 代至发明莫尔斯电报的数千年间，远距离通信主要为目视光通 信。三千多年前我国周朝就利用烽火台的火光传送敌情消息， 到了近现代，战争中用信号弹指挥作战、城市使用信号灯指挥 交通等传递信息的方式均可称为目视光通信。我们现在经常提 到的光纤通信与这些简单的视觉光通信完全不同，光纤通信是 由光通信逐步发展、演变而来的，是指以光波作载波传送信息 的通信方式。
2）光纤通信迅速发展 1974年贝尔实验室发明了制造低损耗光纤的方法，使光 纤损耗下降到1dB/km；而日本电话电报公司研制出了更低 损耗的光纤，损耗下降到0.5dB/km。美国于1976年在亚特兰 大成功地进行了码速为44.7Mb/s的光纤通信系统试验；日本 也于同年开始了64km、32Mb/s光纤通信系统的室内试验。
1.1.2 光纤通信发展趋势 1.宽带通信业务需求激增、光纤通信向超高速系统发展 光纤产品的大规模采用成为全球宽带通信网络飞速发展
的有力基础。网络的扩张又带来全球性传送业务的大增长， 这些业务需求包括Internet的蓬勃发展、大量的全球数据传 送，以及其他一些不断增长的先进业务。
视频娱乐节目：采用速率高达几十兆比特的数字电视， 提供同实物一样大的高分辨率、3D、真彩色视频娱乐节目。
3.实现光联网 波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量，但基本上是以点到点 通信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能 实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能的话，无疑将增加新 的威力。 根据这一基本思路，光的分插复用器（OADM）和光的交叉连接设 备（OXC）均已在实验室研制成功，前者已投入商用。鉴于光联网具有 潜在的巨大优势，发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行研究， 特别是美国国防部预研局（DARPA）资助了一系列光联网项目，如以 Be11core为主开发的“光网技术合作计划（ONTC）”，以朗讯公司为 主开发的“全光通信网”预研计划，“多波长光网络（MONET）”和 “国家透明光网络（NTON）”等，在欧洲和日本，也分别有类似的光 联网项目在进行。
光纤通信技术课件
由于光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年成为
光纤通信发展的一个重要里程碑。
2021/6/24
26
实用光纤通信系统的前期发展
1976年，美国在亚特兰大（Atlanta）进行了世界上第一个实用光纤通信系统 的现场试验（GaALAs LD、多模光纤、10Km、44.7Mbps）。 1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。 1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mbps的突变型多模光纤通信系 统，以及速率为100Mbps的渐变型多模光纤通信系统的试验。 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。 随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统于 1988年建成。 第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海 底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。
2021/6/24
20
光纤通信发明家高锟(左) 1998年在英国接受IEE授予的奖章；并于2009年
，获得诺贝尔物理学奖。
2021/6/24
21
1970年，光纤研制取得了重大突破
美国康宁玻璃公司1970年首 先研制出衰耗20dB/km的光纤。光 纤通信正式开始！
据说康宁公司花费3000万美 元，得到30米光纤样品，认为非 常值得。这一突破，引起整个通 信界的震动，世界发达国家开始 投入巨大力量研究光纤通信。
光纤通信技术
2021/6/24
1
主要参考书目及网址
《光通信原理与应用》朱宗玖等 编著 清华大学出版社 《光纤通信技术》孙学康等著 人民邮电出版社
中国光纤通信 光纤在线 光电新闻网
2021/6/24
2
《光纤通信技术》课件第3章
在激光物理学中，材料的光子吸收、自然发射和受激发
射可以由图3.2的两级图来表示。图中，E1是基态能量；E2 是激发态能量。按照普朗克定律，这两个能态之间的跃迁涉
及到发射或吸收一个能量为hv12=E2-E1的光子。一般情况下 系统处于基态。当能量为hv12的光子射入，能态E1中的某个 电子能够吸收光子能量，并激发到能态E2，如图3.2（a）所 示。由于E2能态是一种不稳定的状态，电子很快就返回到基 态，从而发射一个能量为hv12的光子，这个过程是在无外部 激励的情况下发生的，因此成为自发发射，如图3.2（b）所
示。
图3.2 光子吸收的三种形式 (a)吸收；(b)自发发射；(c)受激发射
当有一个能量为hv12的光子入射到系统时，电子会立即 受到激励而往下跃迁到基态，同时释放一个能量为hv12的光 子。发射出来的这个光子与入射光子同相位，这种情况称为 受激发射，如图3.2（c）所示。在热平衡状态下，受到激发 的电子的密度非常小，入射于系统的大多数光子都会被吸收， 受激发射可以被忽略，材料对光能量来说是消耗的。仅当激 发态中的电子数大于基态中的电子数时，受激发射才会超过 吸收。这个条件在激光物理学中称为粒子数反转。粒子数反 转状态并不是一种平衡状态，必须利用各种“泵浦”方法来 使材料达到这种状态。
典型值
1 .5 0 60
1.55 30/10
2.5 150 200
最 大值 1 . 60 80
计算机数据线路和局域网的发展对半导体发光二极管提 出了新的要求。局域网的通信特点是通信距离短但传输容量 大，如果使用半导体激光器，一方面是价格贵、使用不方便， 另一方面半导体激光器入纤功率也超过了短距离的需要。因 此，研究开发能工作于数百兆比特每秒至数吉比特每秒速率 的半导体发光二极管和相应的驱动电路，对短距离电话用户 环路和局域网数据光纤系统带来极大的方便性和经济性，特 别是对即将到来的宽带综合业务数字网（ISDN）具有更大 的吸引力。因为ISDN需要大量的低成本、高可靠性和高速 调制的光源，半导体发光二极管是理想的候选者。
光纤通信技术(第二版)课件夏林中3
3
成本因素
光源的选择也要考虑成本因素。 LED 光源价格较低，激光器光源价格较高。 需要根据预算选择合适的方案。
4. 光电探测器
1
光电探测器的定义
光电探测器是一种将光信号转换为电信号的器件，它在光纤通信系统中扮演着至关重要的角色。
2
光电探测器的功能
光电探测器将接收到的光信号转化为电信号，以便进一步处理和放大，最终实现信号的还原和传输。
7.1 通信网络中的应用
核心网络
光纤通信网络的核心部分，实现高速数据传输。
接入网络
连接用户终端，提供高速宽带接入服务。
移动通信
支持移动通信网络，提供高速数据传输。
光纤到户
光纤连接到用户家中，提供高速互联网接入服务。
7.2 其他领域的应用
1
工业控制
光纤传感器用于工业自动化。
2
医疗领域
光纤内窥镜用于诊断和治疗。
LED 在光纤通信中的应用
LED 光源可用于短距离光纤通信系统，如局域网、光纤传感器等。
3.2 激光器光源
1
激光器简介
激光器是一种能够产生相干光束的装置。
2
激光器特点
激光器具有高方向性、高单色性、高亮度等特点。
3
激光器在光纤通信中的应用
激光器可用于长距离、高速光纤通信系统。
4
激光器类型
常见的激光器类型包括半导体激光器、气体激光器、固体激光器等。
4
纤芯直径
纤芯直径是光纤的重要参数，决定了光纤的传输模式和传输容量。
5
数值孔径
数值孔径是指光纤纤芯的聚光能力，反映了光纤的传输效率。
6
损耗
光纤损耗是指光信号在光纤中传播过程中衰减的程度，影响光纤的传输距离。
光纤通信课件第二演示文档
1.2.1 光通信与电通信
电缆通信和微波通信的载 波是电波，光纤通信的 载波是光波。虽然光波 和电波都是电磁波，但 是频率差别很大。
光纤通信用的近红外光(波 长约1μm)的频率(约 300 THz)比微波(波长 为0.1m－1 mm)的频率 (3－300 GHz)高3个数
频率
100 THz 10 THz 1 THz 100 G Hz 10 GHz 1 GHz 100 M Hz 10 MHz 1 MHz
光纤通信用激光器的发展进程
1970 年，美国、日本和前苏联先研制成功室温下连续振 荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器。
虽然寿命只有几个小时，但其意义是重大的，它为半导 体激光器的发展奠定了基础。
1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。
1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10 万小时(约11.4年)，外推寿命达到100万小时，完全满 足实用化的要求。
1.1.3 国内外光纤通信发展的现状
光纤通信技术发展历程：
光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85 μm发展到1.31 μm和1.55 μm，传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。
另一方面，随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格 不断下降，应用范围不断扩大：
从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接入网， 从数字电话到有线电视(CATV)， 从单一类型信息的传输 到多种业务的传输。目前光纤已成为信息宽带传输的主要 媒质，光纤通信系统成为国家信息基础设施的支柱
波长
名称
1 m 10 m 100 m 1 mm 1 0 mm 1 00 mm 1m 10 m 100 m
紫外线 可见光线 (光 纤 通 信 用 ）