清华大学-光纤通信技术详解
清华大学-光纤通信技术详解共36页文档
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
33、如果惧怕前面跌宕的山岩，生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ，睁大 眼睛， 千万别 眨眼!你会看到 世界由 清晰变 模糊的 全过程 ，心会 在你泪 水落下 的那一 刻变得 清澈明 晰。盐 。注定 要融化 的，也 许是用 眼泪的 方式。
35、不要以为自己成功一次就可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
பைடு நூலகம்
《光纤通信技术》复习题答案
《光纤通信技术》复习题一．基本概念1．什么样的电磁波叫做“光”？目前的光纤通信用的是什么光？波长是多少？答：光是一种电磁波，光频为10E14HZ量级，波长为μm 量级。
可见光大约指0.4μm ~0.76μm 波长范围的电磁波。
光通信采用的波长0.85μm、1.31μm和1.55μm。
即在电磁波近红外区段。
2．光纤通信的特点？答：一、传输频带宽，通信容量大二、传输损耗低，中继距离长三、不怕电磁干扰四、保密性好，无串音干扰五、光纤尺寸小,重量轻,利于敷设和运输六、节约有色金属和原材料七、抗腐蚀性能好3．光纤的NA和LNA各是什么意义？什么是光线模式的分立性？答：入射最大角称为孔径角，其正弦值称为光纤的数值孔径。
数值孔径表示光纤采光能力的大小。
在光纤端面上芯区各点处允许光线射入并形成导模的能力是不一样的，折射率越大的位置接收入射光的能力越强。
为了定量描述光纤端面各点位接受入射光的能力，取各点位激发最高次导模的光线入射角度为局部孔径角θ’C (r) ，并定义角的正弦值为该点位的局部数值孔径LNA。
光是有一定波长的，将光线分解为沿轴向和径向的两个分量，传输光波长λ也被分为λZ和λr。
沿径向传输的光波分量是在相对的芯/包层界面间（有限空间）往返传输，根据波形可以稳定存在的条件——空间长度等于半波长的整数倍，而空间长度已由光纤结构所确定，所以径向波长分量λr不能随意了，从而导致它们夹角不能随意也即不能连续变化，即光线模式的分立性。
4．什么是光纤的色散？光纤的色散分为哪几种？在单模光纤中有哪些色散？答：脉冲信号在光纤中传输时被展宽的现象叫光纤的色散。
分为模间色散和模内色散。
模内色散又分为材料色散和波导色散。
多模光纤：模式色散和材料色散；单模光纤：材料色散和波导色散。
5．归一化频率V和截止频率VC各如何定义？有何区别和联系？答：归一化频率见书28页，截止频率见27页。
实际光纤中能够传输的导模模式必须满足V>Vc。
光纤通信技术的特征
光纤通信技术的特征光纤通信技术（opticalfibercommunications）从光通信中脱颖而出,已成为现代通信的主要支柱之一,在现代电信网中起着举足轻重的作用。
光纤通信作为一门新兴技术,其近年来开展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的,也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。
一、光纤通信技术光纤即为光导纤维的简称,光纤通信是利用光作为信息载体、以光纤作为传输媒介的一种通信方式。
光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。
在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波的频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或导波管的损耗低得多，所以说光纤通信的容量要比微波通信大几十倍。
光纤是用玻璃材料构造的，它是电气绝缘体，因而不需要担忧接地回路，光纤之间的串绕非常小；光波在光纤中传输，不会因为光信号泄漏而担忧传输的信息被人窃听；光纤的芯很细，由多芯组成光缆的直径也很小，所以用光缆作为传输信道，使传输系统所占空间小，解决了地下管道拥挤的问题。
光纤通信在技术功能构成上主要分为：(1)信号的发射；(2)信号的合波；(3)信号的传输和放大；(4)信号的别离；(5)信号的接收。
二、光纤通信技术的特点 (1)频带极宽，通信容量大。
光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽，光纤通信系统的于光源的调制特性、调制方式和光纤的色散特性。
对于单波长光纤通信系统，由于终端设备的电子瓶颈效应而不能发挥光纤带宽大的优势。
通常采用各种复杂技术来增加传输的容量，特别是现在的密集波分复用技术极大地增加了光纤的传输容量。
(2)损耗低，中继距离长。
在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz信号时，每公里的损耗都在40dB以上。
光纤通信技术课后部分习题答案
4.51 Calculate the pulse spreading caused by chromatic dispersion for BF04431-02 multimode grade-index fiber from SpecTran, (See Figure 3.20) operating at 1300 nm. Assume = 70 nm. S: Taking 0 = 1342.5 nm, S0 = 0.097 ps
t GI
L NA 4 L NA 4 32cN 13 32cn13
1 BR 4t
where N1 core group index of refraction
Hence, BRGI
8cn13 8 3 10 8 1.486 3 4.92 10 9 bit / s 4.92Gbit / s L NA4 1 10 3 0.200 4
P 4.34
2
4
t BR
2
2
PD=2.17 dB ( realizable!)
4.56 What is the bit-rate length limitation caused by chromatic disperson for the Spectran fiber referred to in Problem 4.51? S: (BR x L)max = 1 / [4 D()] 1 4( 2 ) D
4.55 What is meant by the term dispersion power penalty? Calculate the disperson power penalty for the pulse spread obtained in Problem 4.51. The BR is 2.5 Gbit/s. S: The amount of transmitting power required for compensating the increase bit error rate (BER) cause by attenuation is called dispersion power penalty. In Problem 4.51, ttotal = tmat = 18 ns (if fiber length is 100 km) PD(dB) = -10 log10 {exp[-(1/4 ) (ttotal)2 (BR)2]} = -10 log10 {exp[-1/4 x (18 x 10-9)2 ( x 2.5 x 109)2]} = 2.17 x 104 dB, enough to burn any type of fiber, impossible. if the fiber length is 1 km:
关于通信网络核心技术中光纤通信技术的分析
（ 作者 单位 ：西安铁 路局西 安通信段 安康通信 车
间）
（ 接１５ ） 上 ３页
医生能在不开刀的情况下看到人体 内部的情况 。
三 、 光纤通 信技 术 的应用
在信息 的时代 ，对信息的处理渗透到了各行各业。
四 、 总结
如今社会光纤通信技术应用广泛 ，它时刻改变着人
们的生活 ，给人们带来 巨大的便利和经济效益 。并且这 项技术正在 以飞快的速度发展着。相信未来在光纤通信
链路传输系统或者各种形式的复合 网络 。对于电视节 目
的广播 ，可 以将主站到地方的所需数字通道设成广播形 势 ，各地就能收看 同样 的节 目 ］ 。 （ ）光纤通信在 医学上 的应用 。光纤通信 技术的 ２ 应用给医学带来了巨大 的变化 ，内窥镜就是通过光纤将 探人病人体 内的摄像头的拍摄画面传输到显示器上 ，使
光信号组合起来耦合到光缆线路上 同一根光纤 中进行传 输 ，在接收端将组合波长的光信号分开，恢复成原信号后
送入终端。这是一种在 一芯光纤中同时传输多波长光信
号的技术 。波分复用在商业应用中能够达￣ ２３ ］ １７ 个波长 ，
而在实验水平上能够达￣１２－－ ０２／ ＂波长。而在理论上是能够 ＂
（１ ）光纤 光 缆技 术 。光纤 从应 用 角度 可 以分为
拉曼放大器 以及半导体光放大器【 １ ］ ０
（ 下转 １ ７ ） 页 ３
信息系 统工程 Ｉ ０２ ． １ ５ １ ．２ ２ ４０ ３
Ｉ ＦＯＲ Ａ Ｉ Ｎ Ｍ Ｔ ＯＮ Ｅ Ｈ Ｔ Ｃ ＮＯＬ ＯＧＹ 信 息化 建 设
起 着主体地位 。本文介 绍光纤通信的特点、主要技术以及应用。 关键词 ：光纤通信技 术；特点 ；关键技术 ；应用
光纤通信技术-第七章-光纤通信系统PPT课件
T参考点
图7.2 假设参考数字连接组成图
(2) 假设参考数字链路（HRDL）
为了简化数字传输系统的研究，保证全程 通信质量，把假设参考数字连接（HRX）中的 两个相邻交换点的数字配线架间所有的传输系 统，复、分设备等各种传输单元，用假设参考 数字链路（HRDL）表示。
数字光纤通信系统通常将来自电端机上的 数字信号调制到光载波上经光纤传送到对端， 再解调为数字信号。数字信号经电端机解复用 后变为基带数字信号，然后送到用户端。通常 数字电端机包括数模转换电路，编解码电路， 复用和去复用电路，相关保护电路等。
不管是数字系统，还是模拟系统，输入到 光发射机带有信息的电信号，都通过调制转换 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。电接收 机的功能和电发射机的功能相反，它把接收的 电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用 户信息。
7.1.1 光纤通信系统的组成
如图7.1所示，为光纤通信系统组成模型。 可见光纤通信系统由光发送部分、光纤和光接 收部分三部分组成。
图7.1光纤通信系统示意图
在光发射部分，信息源把用户信息转 换为原始电信号，这种信号称为基带信号。 电发射机再把基带信号转换为适合信道传 输的信号，这个转换如果需要调制，则其 输出信号称为已调信号。
3. 根据光纤通信系统所处位置分为接入网系统， 城域网系统，骨干网系统等；
4. 按光纤通信系统所采用的技术不同进行分类 等。
5. 通常我们是按照光纤通信系统中所传送的信 号是数字的还是模拟的，可将光纤通信系统 分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。 下面我们就以这种分类方法来分别介绍模拟 光纤通信系统和数字光纤通信系统的概念和 相关技术。
能传输监控、公务和区间信号; 能实现比特序列独立性，即不论传输的信息
现代光纤通信技术
第一章通信网技术概述1.1概述1.2通信设备构成通信网的最基本的设备是用户端设备、传输链路设备和转接交换设备。
1.3广域网分类1.4通信协议1.4.1 协议通常将网络分层结构以及各层协议的集合称为网络体系结构。
比较著名的网络体系结构有国际标准化组织ISO(International for Standardization)提出的开放系统体系结构OSI(Open System Interconnection);美国国防部提出的传输控制协议TCP/IP；国际电信联盟提出的公共数据网X系列协议；IBM公司提出的系统网络体系结构SNA等。
1.4.2 标准化组织1. 国际标准化组织ISO2. 国际电信联盟-电信标准化部ITU-T(International Telemunication Union)一直负责制定电信网的标准系列。
3. 因特网工程任务组IETF(Internet Engineering Task Force)负责研究因特网的体系结构以及新一代因特网标准规X的研究和制定第二章数字通信技术第三章光纤通信技术3.1 光纤通信3.1.1光纤通信的发展3.1.2 光纤通信的特点1. 传输频带宽，通信容量大。
由信息理论知道，载波频率越高，通信容量就越大。
2. 损耗低。
目前实用的光纤均为石英系光纤，要减小损耗，主要是靠提高玻璃纤维的纯度。
3. 在运用频带内，光线对每一频率成分的损耗几乎一样。
因此，系统中才去的均衡措施比传统的电信系统简单，甚至可以不必采用。
4. 光纤内传播的光能几乎不辐射，因此很难被窃听，也不会造成统一光缆中各光纤之间串扰5. 不受电磁干扰。
因为光纤是非金属的介质材料。
6. 线径细、重量轻，便于敷设。
7. 资源丰富。
制作玻璃光纤的原料是适应，其来源十分丰富。
3.1.3 通信系统中主要技术指标1.分贝dB分贝dB 是以常用对数表示的两个电压或两个功率之比的一种计量单位。
以0p 作为基准功率，那么在某一点的功率1p 的测试点上的功率电平为 D=10lg01p p (dB) 光纤放大器的功率增益为功率增益G=10lg 输入光功率输出光功率(dB) 若损耗沿光纤是均匀的，光纤的损耗常用衰减常数A 表示衰减常数A=-L 10lg 输入光功率输出光功率(dB/km) 光纤连接器反射损耗系数为反射损耗系数R=-10lg 输入光功率率反射回到输入端的光功(dB) 2. 绝对功率dBmdB 表示相对于某一据准功率的相对功率电平数。
光纤通信技术
光的全反射与光纤的导光原理
光的全反射
当光线从一种介质射入另一种介质时，如果入射角大于某一临界角，光波将在第二种介质表面发生全 反射，即所有的光线都将被反射回第一种介质，而不会进入第二种介质。全反射是光纤导光的物理基 础。
光纤的导光原理
光线在光纤中传播时，由于光的全反射作用，光波被限制在光纤的纤芯中传播，从而实现光的定向传 输。光纤的导光原理是光纤通信中的核心技术之一。
光子集成电路与光子晶体光纤
总结词
光子集成电路和光子晶体光纤是光纤通信技术的两个重 要发展方向。
详细描述
光子集成电路是一种集成了多种光器件的光子回路，具 有高度集成、低能耗、高速传输等优点。而光子晶体光 纤则是一种新型的光纤结构，具有高非线性、高色散等 特性，为光通信带来了新的可能性。
光纤网络的可靠性、稳定性与安全性
光检测器与光接收机
光检测器
光检测器是光纤通信系统的接收端，用于将光信号转换为电信号。常用的光检 测器有光电二极管和雪崩光电二极管。
光接收机
光接收机是将光信号转换为电信号的设备，它包括光检测器、信号处理电路和 放大器等。
光纤与光缆
光纤
光纤是光纤通信系统的传输介质，用于传输光信号。光纤由纤芯和包层组成，纤 芯负责传输光信号，包层则起到保护和折射的作用。
物联网与智能交通
实时数据传输
光纤通信技术能够为智能 交通系统提供实时、可靠 的数据传输服务，支持交 通流量的监控和调度。
车辆安全与控制
光纤通信技术可以用于实 现车辆之间的信息交互， 提高车辆行驶的安全性和 控制精度。
智能停车系统
光纤通信技术可以支持智 能停车系统的建设，实现 车位信息的实时更新和车 辆快速定位。
光纤通信技术的发展历程
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•波长稳定、窄线宽 •高速、小啁啾调制
增益平坦、宽带、较高输出功率
面临的问题
提升对L波段的器件要求
L波段放大器，（L波段EDFA+拉曼放大器） L波段的各种光子器件： LD， WDM， 隔离器…… DCF!?
面临的问题
多波段带来的问题：非线性
非线性不可完全补偿，它将恶化OSNR，成 为WDM系统容量提高的主要限制，它源于
光纤通信技术
课程总结
王建萍
jpwang@
信息光电子研究所 清华大学电子工程系
驱动电路
中继器
光电二 极管 光纤 放大器 判决器
调制器
光源
光纤
一、光发射机
激光器是一种阈值器件。 激光器的瞬态特性影响着调制信号的质量。 调制码型：NRZ、RZ、CRZ、CSRZ 前向纠错（FEC）是数字通信系统中应用的基本 差错控制方式之一，其原理是发端在信息比特后 附加冗余的校验比特，即进行编码，接收端译码 的同时，在纠错能力范围内，自动纠正传输中的 错误，而无需信息的重发。其编码增益能给系统 提供几个dB的富裕度。PMD
多种非线性效应共同作用
光纤的其它限制及解决方案
PMD补偿技术 WDM/ETDM L+，S，S+ +OTDM
PMD限制
改善PMD特 性的光纤
新型光纤
L波段WDM
WDM 色散补偿
OTDM
孤子
非线性限制
非零色散位移光纤
色散位移光纤
色散限制 普通单模光纤
提升容量方法：单信道比特率提高
OTDM 原理
时钟提取
用于全光网的光通信器件：动态波长的提供
四、光接收机
光接收机的灵敏度
灵敏度恶化——功率代价
误码率曲线
眼图 Transponder
Laser Disablea Laser Biss Mon
2.5Gb/s 2.5 G Data Optical Tx
2.5Gb/s Optical Output 2.5GHZ
Line Loop Back
1:16 Multiplexer
DO IN D15 IN
Local Loop Back
2.5GHz PLL Clock Syn
155 Mb/s Ref Clock LOOP Back(2)
二、光 纤
光纤的损耗；
光纤的色散；
光纤的非线性
色散展宽是提高通信速率的主要障碍
图1
图2
零色散 波长
< D 正常色散区 2>0, D<0 红快兰慢 光脉冲的较高的频率分量 （兰移）比较低的频率分 量（红移）传输得慢
> D 反常色散区 2<0, D>0兰快红慢 光脉冲的较高的频率分量 （兰移）比较低的频率分 量（红移）传输得快
小型化、智能化：能灵活地动态控制 全光纤化（基于光纤光栅）和半导体功能器件集成化
高可靠：通信设备要求连续使用寿命25年
产品走向：市场、技术难度、成本(backbone-metro-access)
下一代WDM网络中的光通信器件
S波段和L波段应用的光通信器件
基于技术组合的用于超密集波分复用的光通信 器件(如：WDM和光开关可组合成一个全光的波长 路由器） 用于城域网的 WDM器件：低价、可扩展和分插 复用 用于 40Gb/s 系统的光通信器件：低色散，宽带 宽的波分复用器件、动态增益均衡、动态色散控制
光电子器件的新进展
光通信器件是光通信系统的基础，没有器件就没有系统，往 往一个新器件的出现可以引起整个系统的重大革新。目前器件 的发展和升值方向为： 波长可选择、可调谐：多波长激光源、可调谐光探测器、波 分复用 / 解复用器、波长转换器、增益平坦光放大器、光开关 矩阵、可调色散补偿器、可调谐光滤波器…… 集成化:多功能集成、有源和无源集成
色散诱导啁啾
啁啾高斯脉冲展宽因子T1/T0随传输距离的变化
同号时2C>0，啁啾高 斯脉冲单调展宽的速度 比无啁啾脉冲的快
异号时2C<0 ， 在传输初始阶段 脉冲宽度变窄， 而后迅速展宽
无啁啾脉冲，不论色散正 负，脉宽随[1+(z/LD)2]1/2 成比例展宽
光纤中的非线性自相位调制
附加相移： 折射率： n n0 n2 I 非线性 克尔效应 自相位调制
三、光器件
激光器（可调谐） 放大器（增益均衡） 调制器 探测器（波长选择） 光隔离器 环行器 光开关 波长变换器 上下话路器 分束/合束器 波分复用/解复用器 滤波器
受激辐射 非线性效应 半导体光电效应 基于晶体的电光、磁 光、声光效应 基于波导的电光、磁 光、声光效应 基于光纤的电光、磁 光、声光效应 微机械 干涉 波导或光纤中的模式 耦合
MOD MOD
超短脉 冲光源
MOD
时分 解复 用器
A
时钟源
MOD
耦合器
接收机
MOD
延时
提升容量方法：多波段
WDM(波分复用)
窄带、小串话、稳定滤波
光发射机 1 光发射机 2 光发射机 3
EDFA
1 光接收机 2 光接收机
3 光接收机
光发射机
N
复用器
解复用器 N 光接收机
•高灵敏度 •宽动态范围
展宽
无畸变一阶 光孤子传输 高阶光孤子 传输
脉冲呈压窄、展宽、分裂、复原周期性变化
色散与非线性自相位调制共同作用
无损光纤中的光脉冲传输
无损光纤中的光孤子传输
图8
图9
无损光纤中的光孤子传输
图 10
图 11
光孤子：利用非线性平衡色散效应
缺点：维持色散与非线性间 的平衡条件过于精细，利用 非线性带来其它副作用
开辟新窗口(L-Band…)
物理效应: 宽频带导致的SRS... 光纤非线性 物理效应: FWM, XPM… 光纤非线性
增加信道密度
几种技术方案
拉曼分布放大FRA 前向纠错技术FEC 传输光纤 信号调制格式 新型可调谐器件 如何应对PMD？补偿？好光纤？ 3R再生
2n2 IZ
2n2 Z dI dt
附加频移：
正啁啾 反常色散 压窄 (t↑→ω↑)
色散与非线性自相位调制共同作用
光脉冲具有一定的谱宽 非线性自相位调制
正常色散 反常色散 反常色散
展宽 压窄
上啁啾
★ LD<LNL 色散占优势
★ LD=LNL 色散与非线 性效应平衡 ★ LD>LNL 非线性效应 占优势