光通信系统
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。
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2．光接收机
• 图4-10 时钟恢复电路方框图
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2．光接收机
• 图4-11 时钟恢复电路波形图
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2．光接收机
• 图4-12 NRZ码的功率谱密度分布图
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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
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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
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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。
21-光纤通信系统简介
市场需求的发展凸显了各项技术的优势，同时也发现了各项技术的瓶颈。
11
一、光纤通信系统组成
12
光纤通信系统由电端机、光端机、光纤线路、光中继器（光
放大器）、复用设备组成。 光端机: 光发射机的作用：进行电/光转换，并把转换成的光脉冲信号码 流输入到光纤中进行传输。 光接收机的作用：进行光/电转换。 光源器件: 一般是LED和LD。
6
7
按照所服务的范围不同分为 ◦ 骨干层 一级干线 二级干线 ◦ 城域网 核心层 汇聚层 接入层
8
程控交换 机系统 车站设备 监控系统
SCADA 系统 列车 系统
旅客信息 系统
更多的应 用 应用 平台
9
办公自动 化系统
闭路电视 监控系统
广播系统
调度系统
无线系统
自动售检 票系统
N42 OTN-X3M 2500 and -622 OTN-150, -600 and -2500
N215
24
ATM(异步传输模式)：在20世纪80年代为多种业务设计的 实现B-ISDN(宽带综合业务数据网)业务定义的数据传输核 心技术。 是一种基于统计复用的通用的面向连接的传输模式技术。 ATM将数据分割成固定长度的基本单位信元（53个字节其 中5B为信元头，用来承载该信元的控制信息；48B为信元 体，用来承载用户要分发的信息。）的一种分组交换和复 用技术。 通过虚连接进行交换。 ATM集交换、复用、传输为一体，在复用上采用的是异步 时分复用方式，通过信息的首部或标头来区分不组交换技术；快速交换技术；面 向连接的信元交换；预约带宽。 其优点：吸取电路交换实时性好，分组交换灵活性强的 优点；采取定长分组（信元）作为传输和交换的单位；具有 优秀的服务质量；目前最高的速度为10GB/S,即将达到 40GB/S. 其缺点：信元首部开销太大；技术复杂且价格昂贵；信 息传输存在一定的时延、抖动及丢包等现象；在话音通信方 面，主要采用电路仿真方式；在LAN(局域网)领域由于千兆位 以太网的崛起，ATM的优势不复存在；在广域网领域，ATM受 到来自IP(网间互连协议)技术的竞争
光纤通信系统PPT课件
48 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
❖按传输波长分类 (1)短波长光纤
37 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
(3)三角形光纤 纤芯折射
率分布曲线为 三角形。
38 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
光纤折射率分布曲线 39 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
❖按传导模的数目分类： 传导模指能够在光纤中远距离传输的传
播模式。 (1)多模光纤
当纤芯的几何尺寸（直径一般为50μm） 远大于光波波长(如1.55μm)时，光纤剖面折 射率分布为渐变型，外径125μm。光纤传输 的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模 式，称为多模光纤。
40 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
(2)单模光纤 当纤芯的几何尺寸较小（一般为
8μm～10μm），与光波长在同一数量级， 这时，光纤只允许一种模式（基模）在 其中传播，其余的高次模全部截止，这 样的光纤称为单模光纤。
单模光纤的折射率分布多呈阶跃性。
41 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒 质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础 设施的支柱。
7 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
光纤通信系统是以光导纤维和激光 技术、光电集成技术为基础发展起来的 通信系统，它具有频带宽、重量轻、体 积小、节省能源，主要用于大容量国际、 国内长途通信干线，也用于短局间中继。 我国今后不再敷设新的长途电缆线路， 而全部采用光缆。
实用的光纤通信系统一般都是双向 的，每一端都有光发送机、光接收机和 电发送机、电接收机并且每一端的光发 送机和光接收机做在一起，称为光端机， 电发送机和电接收机组合起来称为电端 机。同样，中继器也有正反两个方向。
光学通信系统的设计与优化
光学通信系统的设计与优化光通信作为一种现代化的通信方式，已经被广泛应用于现代的通信网络之中。
它通过光纤传输数据信息，具备了高速、稳定、安全等特点，成为了当前应用最为广泛的通信方式之一。
而在光通信系统的设计与优化方面，也是需要我们深入掌握一些关键因素，以确保系统的效率和稳定性。
一、光通信系统的设计我们知道，光通信系统的设计主要涉及到光源、调制器、探测器、放大器、光纤和相关的连接器等大量的元器件和设备，其中每一个环节都会对整个系统的性能产生重要的影响。
因此，在系统设计时，我们需要充分地考虑以下因素：1. 光源光源是光通信系统中的最基础的组成元件，直接影响到信号的传输距离和效率。
在光源的选取上，我们需要注意其光谱宽度、功率、最大输出波长、温度抗性等指标，以确保其能够稳定供给光信号，并满足实际应用中的需求。
2. 调制器调制器是光通信系统中的另一个重要组成元件，用于将电信号转换成光信号。
在选取调制器时，我们需要注意其调制速度、偏振相关性、驱动电压、热稳定性等指标，以确保其在通信系统中能够稳定可靠地工作。
3. 探测器探测器是光通信系统中的信号检测元件，用于将光信号转换为电信号。
在选取探测器时，我们需要考虑其响应速度、灵敏度、量子效率、热稳性等指标，并使用合适的前置放大器，以满足实际应用中的需求。
4. 光纤光纤是光通信系统中的信号传输媒介，其传输速度和距离都与光纤的品质和参数密切相关。
在选取光纤时，我们需要考虑其折射率、损耗、色散、非线性效应等指标，并使用合适的光纤连接器和配件，以确保光信号的稳定传输。
二、光通信系统的优化在光通信系统的实际应用过程中，除了对各组成元件性能的要求外，还需要考虑一些优化策略，以提高系统的效率和稳定性。
1. 系统调制格式选择合适的调制格式是光通信系统中提高传输效率的一个重要因素。
在不同的调制格式中，有些适用于长距离传输，有些适用于短距离传输等，正确地选择对应的调制格式，将可以最大化用户对其通信网络的目标要求。
光通信发展趋势
光通信发展趋势
光通信是一种利用光学的原理进行信息传输的技术，其具有高速、大带宽、低延迟等优点，逐渐成为了现代通信领域的重要技术之一。
光通信的发展趋势如下：
1. 高速和大容量：光通信系统的传输速率一直在不断提高，传统的光纤通信系统已经实现了100Gbps的传输速率，而新一代的光通信系统如400Gbps和1Tbps的传输速率也已经开始商用化。
同时，光通信系统也在不断扩展其容量，以满足越来越大的数据传输需求。
2. 极短的延迟：光信号的传输速度非常快，因此光通信系统具有非常低的延迟。
在需要实时传输的应用领域，如金融交易、云计算等，光通信系统将扮演越来越重要的角色。
3. 非线性光学和调制技术：非线性光学和调制技术能够提高光通信系统的性能。
利用非线性光学效应，可以实现更高的传输速率和更长的传输距离。
而调制技术则可以使光信号能够在更复杂的信道中传输，提高光通信系统的适应性和稳定性。
4. 光纤网络：随着互联网的快速发展，全球范围内的光纤网络正在不断扩展。
光纤网络具有高速、大容量的特点，已经成为互联网的主要传输方式之一。
未来，光纤网络将进一步延伸到更偏远的地区，以实现全球范围内的高速互联。
5. 光通信与无线通信的融合：光通信和无线通信之间的融合将成为未来的发展方向。
光纤作为传输介质，可以为无线通信提
供更大的带宽和更快的传输速率，以满足日益增长的无线数据需求。
同时，光通信系统也可以与5G和其他无线通信技术结合，提供更强大的通信能力。
总而言之，光通信作为一种高速、大容量的通信技术，其发展趋势将继续朝着更高速、更大容量、更低延迟、更稳定和更灵活的方向发展。
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。
典型光通信系统介绍
典型的光通信系统主要由光源、光纤、光发送机和光接收机组成。
1. 光源：是光波产生的根源。
2. 光纤：是传输光波的导体。
3. 光发送机：功能是产生光束，将电信号转变成光信号，再把光信号导入光纤。
4. 光接收机：负责接收从光纤上传输的光信号，并将它转变成电信号，经解码后再作相应处理。
此外，光通信系统还包括一些光互联与光信号处理器件，如光纤跳线、光耦合器、光分束器、光放大器、再生中继器等。
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一根光纤比作宽敞的公路——车道 21
通过WDM提高现存光纤的传输容量
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DWDM系统频谱
DWDM系统频谱示意图
23
波分复用WDM和光纤放大器EDFA
24
WDM系统的基本结构
点到点系 统的光发 射机输出
光发射机
通常光纤通信系统划分为点对点系统，一点对多
点系统以及网络。
6
这些系统用来连接一些结点，这些结点通常可能 是交换机、终端（如SDH 终端）、计算机、工作 站等。
点对点系统和一点对多点系统仅仅是网络的特例， 在网络中，每个站可以与其他任一个站进行通信。
在此，以点对点系统为例，介绍光纤通信系统的
光纤通信系统构成及WDM简介
1
主要内容
1. 光纤通信的概念 2. 现代光纤通信系统的构成 3.波分复用（WDM）系统
2
1. 光纤通信的概念
▪ 通信（communication） 分为：
1、电通信（telecommunication） ； 2、光纤通信（optical communication） 。
构成
7
2.2 点到点光通信系统
点对点光纤通信链路示意图
8
• 数字光纤通信系统的组成
驱动电路
光源
调制器
光发射机
光纤
中继器
光纤
光电二 极管
放大器 判决器
光接收机
由光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机等基本单元组成。
此外还包括一些互连与光信号处理器件，如光纤连接器、隔离 器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。
14
3. 波分复用（WDM）系统
传统的电通信遇到了电子瓶颈，随后发展了光纤通信。 光纤的带宽是30T-50THz，一路语声信号的带宽是4KHz， 图像信号6MHz，一根光纤传一路信号造成巨大的带宽浪费 因此，充分发掘光纤的巨大带宽潜力具有重要意义
扩大光纤通信容量的有效方法： 复用技术——多路信号共用一根光纤！
9
2.2.1 光发射机
光发射机由光源、调制器和信道耦合器组成。
光信号是用电信号调制光载波产生的，包括如下两种: 1）直接调制：通过改变注入电流直接调制半导体光源的
输出。带有啁啾，影响通信系统性能。
2）外调制：增加一调制器，适于高速系统应用。
驱动电路
信号输入
光源
调制器
通道耦合器
光发射机结构框图
▪两个窗口合在一起，总带宽超过30THz。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，（需要3000个波长，目前仅实 现64个波长）
26
网络容量演进战略
WDM 波长数
32 80Gb/s 16 40Gb/s
20Gb/s 8
4 10Gb/s
1 2.5G近于发射端的光信号， 从而延长传输距离，提高信号质量。
需要光----电-----光 转换 12
3R再生功能
放大 消除波 形畸变 消除时 间抖动
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2.2.4 光接收机
光接收机：将光信号变换为电信号，再进行放 大、再生。
光电检测器件：PIN光电检测器、APD光电 检测器
15
光 波分复用(WDM,Wavelength Division Multiplexing) 纤 通 时分复用(TDM,Time Division Multiplexing) 信 复 用 码分复用(CDM,Code Division Multiplexing) 技 术 空分复用(SDM,Space Division Multiplexing)
光中继放大：采用EDFA实现对不同波长光信号的相同增益放大。
光接收机：先由前置光放大器（PA）放大经传输衰减的主信道光信号，再 用分波器从主信道光信号中分出不同特定波长的光信号。
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波分复用（WDM）系统带宽
▪波长为1310nm的窗口：1.26～1.36μm，相应的带 宽为17.5THz ▪波长为1550nm的窗口：1.48～1.58μm，相应的带 宽为12.5THz
波分复用技术的分类： 波分复用(WDM)：光载波复用数小于8波，信道间隔大于3.2nm 的系统。 密集波分复用（DWDM）：光载波复用数大于8波，信道间隔小 于3.2nm的系统。 粗波分复用技术(CWDM)：
➢波长范围：1280nm～1625nmμm；345nm ➢波长间隔：20nm；16个信道 ➢在城域网中，更低的硬件成本、功耗和体积更小
光中继放大
光接收机
1
λ1 光转发器1 光
光 纤
合
光 纤
光λ1 接收1 1
分
.. .. ..
.. .. ..
n
光转发器
n
λn
波 器
BA
λS
LA
λS
λS
PA λS
波 器
λn
接收n
n
光监控信道 接收/发送
光监控信 道发送器
网络管理系统
光监控信 道发送器
光发送机：将来自不同终端的多路光信号分别由光转发器转换为各自特定 波长的光信号后，经光合波器合成组合光信号，再通过光功率放大器（BA） 放大输出至光纤中传输。
80Gb/s 40Gb/s
10Gb/s
40Gb/s
每波长比特率(TDM)
27
随着传输线路的延长，会由于传输损耗而使 脉冲衰减，同时加上传输线路的失真特性 （光纤中的各种色散）产生脉冲波型的失真。 因此，需要中继器来进行修复。
3R： Re-amplifying 再放大（光放大器的功能）
Re-timing
再定时 （消除时间抖动） 3R
Re-shaping 再整形 （消除波形畸变） 组合
10
2.2.2 光纤
光纤：将光信号从光发射机无失真地传送到光 接收机。
基本特性参数： 损耗（dB/km）：直接影响通信距离。 色散（ps/nm.km）：将引起光脉冲信号 展宽和码间串扰，影响通信距离和容量。 为实现高速长距离传输，要求光纤具有低损 耗和低色散特性。
11
2.2.3 光中继器
电通信：广义的电通信指的是一切运用电波作为 载体来传送信息的所有通信方式的总称，而不管 传输所使用的介质是什么。
电通信又可分为有线电通信和无线电通信。
3
光通信（optical communication） 广义的光通信指的是一切运用光波作为载体 而传送信息的所有通信方式的总称，而不管 传输所使用的介质是什么。 光通信也可以分为利用大气进行通信的无线 光通信和利用石英光纤或塑料光纤进行通信 的有线光通信。
光发射机 1 光发射机 2 光发射机 3
光发射机 N
复用
EDFA
解复用
1 光接收机 2 光接收机 3 光接收机
N 光接收机
典型的点对点光纤通信系统(WDM) 19
波分复用定义、分类
波分复用 ：一根光纤同时传输多个不同波长的光载波，把光纤 可能应用的波长范围划分成若干个波段，每个波段用作一个独 立的通道,传输一种预定波长的光信号。
16
➢三棱镜色散给我们的启示
由于三棱镜对于不同波长的光信号折射的角 度不同，输出的信号就成了七色光谱。
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启示我们：只要信号的波长或频 率不同，多路信号就可在同一传输 媒质中同时进行传输，互不影响。
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3.1 波分复用（WDM）系统
▪ WDM基本工作原理：
在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并 耦合进光缆线路上同一根光纤中进行传输，在接收端 将组合波长的光信号进行分离（解复用），并作进一 步处理后恢复出原信号送入不同终端。
本课程所讲的光纤通信指的是利用光纤进行通 信的有线光通信，简称光纤通信。
4
光纤通信技术特点：
传输容量大。 传输损耗小，中继距离长 抗干扰性好，保密性强，使用安全 材料资源丰富，可节约金属材料 重量轻，可挠性好，敷设方便
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2. 现代光纤通信系统的构成
2.1 光纤通信系统分类