光纤通信基础知识
光纤通信原理及基础知识
t D • Δ PMD= pmd * LΛ0.5
•
PMD Link
y=
1
n
n k 1
x
2 k
1 2
• PMDQ :99.99% probability of 100000 y
光纤的基本参数
光纤的光学及传输特性参数之一------偏振模色散受限的最大理 论传输距离
偏振模色散受限的最大理论传输距离
光纤的通信原理及基础知识
第一章 光纤通信的基本原理 第二章 光纤的基本结构和分类 第三章 光纤的基本参数 第四章 光纤的制造方法
第一章 光纤、光缆的基本知识
§1.1 光纤通信的基本原理
信号 处理
发送端
光波导
信号 处理
接收端
光纤通信的基本原理
频谱分配
电磁波谱
低频
高频
微波
直流电
LW MW KW UKW dm cm
微观弯曲损耗：是指光纤受到不均匀应力的作
用，光纤轴产生的微小不规则弯曲所引入的附加损耗。
光纤的基本参数
参数典型值 光纤的光学及传输特性参数之一------
• 模场直径： • 衰减系数：
• 色散系数：
• 偏振模色散：
• 截止波长： • 弯曲损耗：
•1310nm: 8-10m; 1550nm: 9-11m
包层(SiO2+F )掺氟二氧化硅
125 µm
标准单模光纤
标准梯度折射率分布多模光纤
涂层(acrylic) 250 µm
涂层 250 µm
涂层
力学影响的防护
塑料光纤
涂层 1000 µm
光纤的基本结构和分类
光纤的分类
按材料分类：
光纤通信基本知识
一、光纤通信的基本知识（一）光纤通信的概念1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。
结果使观众们大吃一惊。
人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。
这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研究，发现这是由于全反射的作用，由于水等介质密度由于比周围的物质（如空气）大，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。
表面上看，光好像在水流中弯曲前进。
后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。
由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。
（视频）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。
（视频）（二）光纤通信的发展光纤通信是现代通信网的主要传输手段，它的发展历史只有一二十年，已经历三代：短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤。
采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光纤通信。
中国光纤通信已进入实用阶段。
（三）光纤通信的优缺点1、光纤通信的优点现代通信网的三大支柱是光纤通信、卫星通信和无线电通信，而其中光纤通信是主体，这是因为光纤通信本身具有许多突出的优点：①频带宽，通信容量大。
光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一对光纤能同时传输24192路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输30000多路电话。
频带宽，对于传输各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则，无法满足未来宽带综合业务数字网(B-ISDN)发展的需要。
光纤通信基础知识
一、优点： 1、传输频带宽、通信容量大； 2、传输损耗低；0.2dB/Km 3、不受电磁干扰；光纤非金属介质 4、成缆细、重量轻；光纤直径小（125μm） 5、丰资富源丰富；光纤的制造材料Sio2在自然中的含量十分 6、绕性好；弯曲直径达3mm时也不会折断 7、不怕潮湿、耐高压、耐高温、抗腐蚀。光纤的化学性
能稳定
主要因素
光纤通信的优点
光纤通信的缺点
使用光引起的
使用光纤引起 的
使用光半导体 元件引起的
信息传输容量大；无电磁干 需要光电变换设备 扰；无短路引起的事故；不 光直接放大难 发生火花；接地设计容易
传输损耗小、频带宽；无电 电力传输困难 磁感应障碍；可忽略串音； 弯曲半径不宜太小 重耐资高源量温 问轻、 题；不抗 小怕腐潮蚀湿；、有耐可高绕压性、；需 术 分要路高耦合级不切断方接便续技
损耗 使用波长
光纤主要尺寸参数
光纤类别
光纤数
谢谢！
三、按套塑结构可分为紧套光纤和松套光纤；按传输模 数可分为单模光纤和多模光纤。
四、按折射率分布可分为阶跃型光纤和梯度型光纤。
损利散射 米氏散射 受激布里渊散射 受激拉曼散射
非本征 金属离子 OH离子、H2
制造缺陷
2、偏振模色散产生的原因
响应速度快 方向性好 光功率大
光纤通信的基本组成
电发 路光 盘盘
电收 路光 盘盘
收电电电发 光路放路光 盘盘大盘盘
发电电电收 光路放路光 盘盘大盘盘
收电 光路 盘盘
发电 光路 盘盘
纤芯 包层
一次涂层 缓冲层 二次涂层
纤芯 包层
树脂涂层 硬冲层
一、按传输模数分为单模光纤和多模光纤；
二、按传输波长可分为短波长光纤（0.85μm）和长波长 光纤(1.3—1.6μm)
光纤通信基础知识
光纤通信的基本概念光导纤维，是一种介质光波导，能把光封闭其中并且使光沿轴向进行传播的导波结构。
由石英玻璃、合成树脂等材料制成的极细的纤维。
单模光纤：纤芯8-10um、包层125um多模光纤：纤芯51um、包层125um利用光导纤维传输光信号的通信方式称为光纤通信。
光波属于电磁波的范畴。
可见光的波长范围是390-760nm，大于760nm部分是红外光，小于390nm部分是紫外光。
光波的工作窗口（三个通信窗）：光纤通信中应用的波长范围是在近红外区短波长区（可见光，肉眼看是一种橘黄色的光）850nm橘黄色的光长波长区（不可见光区）1310nm（理论上的色散最小点）、1550nm （理论上的衰减最小点）光纤的结构与分类1. 光纤的结构理想的光纤结构：纤芯、包层、涂覆层、护套构成。
纤芯和包层用石英材料制作，机械性能比较脆弱，容易断，故一般会加两层涂覆层，一层树脂型、一层尼龙型，使得光纤柔性性能达到工程实际运用的要求。
2.光纤的分类（1）光纤按照光纤横截面的折射率分布划分：分为阶跃型光纤（均匀光纤）和渐变型光纤（非均匀光纤）。
假设，纤芯折射率为n1，包层折射率为n2为了使纤芯能够远距离传光，构成光纤的必要条件是n1>n2均匀光纤的折射率分布是个常数非均匀光纤的折射率分布规律：其中，△——相对折射率差α——折射指数，α=∞——阶跃型折射率分布光纤，α=2——平方律折射率分布光纤（一种渐变型光纤）这种光纤比起其他渐变型光纤，模式色散最小最优（2）按纤芯中所传输的模式数量来划分：分为多模光纤和单模光纤这里的模式是指：在光纤中所传输的光线的一种电磁场的分布，不同的场分布就是一种不同的模式。
单模（光纤中只传输一种模式）、多模（光纤中同时传输多种模式）目前由于对传输的速率要求越来越高、传输的数量要求越来越多，城域网向高速大容量方向发展，所以采用的多是单模阶跃型光纤。
（本身传输特性优于多模光纤）（3）光纤的特性：①光纤的损耗特性：光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降。
光纤通信基础知识
同步 TDM A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2
周期1 周期 周期2 周期
可用带宽
异步TDM 异步 A1 B1
周期1 周期
B2
周期2 周期
C2
ATM是一项数据传输技术。ATM是以信元为基础的一种分组交换和复用技术，它是一种 是一项数据传输技术。 是以信元为基础的一种分组交换和复用技术， 是一项数据传输技术 是以信元为基础的一种分组交换和复用技术 为了多种业务设计的通用的面向连接的传输模式。 为了多种业务设计的通用的面向连接的传输模式。 ATM的传送单元是固定长度 的传送单元是固定长度53byte的CELL（信元） 的传送单元是固定长度 的 （信元） ATM适配层（AAL）是把一特定的数据源转换成ATM通讯量的特定类型的服务，也就是说 适配层（ ）是把一特定的数据源转换成 通讯量的特定类型的服务， 适配层 通讯量的特定类型的服务 处理建立用户所要求的服务质量的机制。有四个被定义的类： 它 处理建立用户所要求的服务质量的机制。有四个被定义的类： A 级 - 固定比特率 固定比特率(CBR)业务 业务:ATM适配层 适配层1(AAL1),支持面向连接的业务 其比特率固 支持面向连接的业务,其比特率固 业务 适配层 支持面向连接的业务 常见业务为64Kbit/s话音业务 固定码率非压缩的视频通信及专用数据网的租用电 话音业务,固定码率非压缩的视频通信及专用数据网的租用电 定,常见业务为 常见业务为 话音业务 路。 B 级 - 可变比特率 可变比特率(VBR)业务 业务:ATM适配层 适配层2(AAL2)。支持面向连接的 业务 适配层 。 业务, 其 比特率是可变的。常见业务为压缩的分组语音通信 业务 比特率是可变的。 和压缩的视频传输。该业务具有传递介面延迟物性, 和压缩的视频传输。该业务具有传递介面延迟物性 其原因是 接收器需要重新组装原来的非压缩语音和视频信息。 接收器需要重新组装原来的非压缩语音和视频信息。 C 级 - 面向连接的数据服务 面向连接的数据服务:AAL3/4。该业务为面向连接的业务 适 。该业务为面向连接的业务,适 用于文件传递和数据网业务,其连接是在数据被传送以前建立 用于文件传递和数据网业务 其连接是在数据被传送以前建立 的。它是可变比特率的,但是没是介面传递延迟。 它是可变比特率的 但是没是介面传递延迟。 但是没是介面传递延迟 D 级 - 无连接数据业务 常见业务为数据报业务和数据网业务。 在 无连接数据业务:常见业务为数据报业务和数据网业务 常见业务为数据报业务和数据网业务。 传递数据前, 其连接不会建立。 均支持此业务。 传递数据前 其连接不会建立。AAL3/4或AAL5均支持此业务。 或 均支持此业务
光纤通信基础知识ppt课件
光检测器广泛应用于光纤通信、光传 感、激光雷达等领域，特别是在高速、 长距离的光纤通信系统中，光检测器 的作用尤为关键。
光放大器
光放大器是光纤通信系统中的关键器件之一，主要分 为掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼光纤放大器（RA）
两类。
输入 标题
作用
光放大器的作用是对光信号进行放大，补偿光纤传输 过程中的光信号损耗，提高光纤通信系统的传输距离 和稳定性。
光检测器
分类
光检测器是光纤通信系统中的另一重 要器件，主要分为光电二极管（PIN） 和雪崩光电二极管（APD）两类。
性能参数
光检测器的性能参数包括响应度、带 宽、噪声等，这些参数直接影响着光 纤通信系统的接收灵敏度和动态范围。
作用
光检测器的作用是将光信号转换为电 信号，从而实现光信号的接收和检测。
模拟光纤通信系统的应用
03
在音频广播、视频传输等领域得到广泛应用。
光纤通信系统设计
01
光纤通信系统设计的基本原则
确保系统的传输性能、稳定性、可靠性和经济性。
02
光纤通信系统设计的主要内容
包括光源、光检测器、光纤、中继器和放大器等器件的选择和配置。
03
光纤通信系统设计的优化
通过采用先进的调制技术、编码技术等手段，提高系统的传输性能和容
性能参数
光源的性能参数包括波长、光谱宽度、输出功率、阈值电 流等，这些参数对光纤通信系统的性能和稳定性有着重要 影响。
作用
光源的作用是将电能转换为光能，为光纤通信系统提供光 信号。
应用场景
光源广泛应用于光纤通信、光传感、光谱分析等领域，特 别是在长距离、大容量的光纤通信系统中，光源的作用尤 为重要。
光纤通信发展历程
光纤通信第三版习题答案
光纤通信第三版习题答案光纤通信第三版习题答案光纤通信是一种高速传输信息的技术，它利用光信号在光纤中传输数据。
光纤通信的发展已经进入到第三版，为了帮助读者更好地理解和掌握相关知识，本文将提供一些光纤通信第三版习题的答案。
第一章：光纤通信基础知识1. 什么是光纤通信？光纤通信是利用光纤作为传输介质，将信息以光信号的形式传输的一种通信方式。
2. 光纤通信的优点有哪些？光纤通信具有大带宽、低损耗、抗干扰能力强等优点。
3. 光纤通信的基本组成部分有哪些？光纤通信的基本组成部分包括光源、调制器、光纤、解调器和接收器等。
4. 光纤通信的工作原理是什么？光纤通信的工作原理是利用光的全反射特性将光信号在光纤中传输，通过调制器和解调器的处理，将光信号转换为电信号进行传输和接收。
第二章：光纤通信系统设计1. 光纤通信系统的设计包括哪些方面？光纤通信系统的设计包括光源的选择、光纤的布线和连接、调制器和解调器的设计等方面。
2. 光纤通信系统中如何选择合适的光源？选择合适的光源需要考虑光源的功率、频率范围和调制方式等因素。
3. 光纤通信系统中如何设计光纤的布线和连接？光纤的布线和连接需要考虑光纤的长度、弯曲半径和连接方式等因素，以保证光信号的传输质量。
4. 光纤通信系统中如何设计调制器和解调器？调制器和解调器的设计需要考虑调制方式、解调方式和信号处理的算法等因素，以实现光信号的调制和解调。
第三章：光纤通信的性能评估1. 光纤通信系统的性能评估指标有哪些？光纤通信系统的性能评估指标包括传输速率、误码率、信噪比和带宽等。
2. 如何评估光纤通信系统的传输速率？光纤通信系统的传输速率可以通过测量单位时间内传输的比特数来评估。
3. 如何评估光纤通信系统的误码率？光纤通信系统的误码率可以通过发送和接收的比特数之间的差异来评估。
4. 如何评估光纤通信系统的信噪比？光纤通信系统的信噪比可以通过测量信号和噪声的功率之间的比值来评估。
第四章：光纤通信的应用1. 光纤通信在哪些领域得到了广泛应用？光纤通信在通信、互联网、电视传输和医疗等领域得到了广泛应用。
光纤通信原理及基础知识
光纤通信原理及基础知识光纤通信是一种利用光信号传输信息的通信技术。
它基于光波在光纤中的传输，具有高带宽、低损耗、抗干扰等优点，因此在现代通信领域得到广泛应用。
下面将介绍光纤通信的原理和一些基础知识。
1.光纤通信原理光纤通信的原理基于光的全内反射。
光纤是由一个或多个折射率不同的材料构成，光信号通过光纤中的光核进行传输。
当光信号从一个折射率较高的材料传到折射率较低的材料时，会发生全内反射，光信号会在光纤中沿着光核一直传输。
光纤通信系统主要包括光源、光纤和光接收器三个部分。
光源产生光信号并将其注入光纤中，光纤将光信号传输到目标位置，光接收器将光信号转化为电信号进行处理。
这样就完成了光纤通信的整个过程。
2.光纤类型根据应用场景和使用材料的不同，光纤可以分为多种类型。
常见的光纤类型有单模光纤和多模光纤。
单模光纤（Single-Mode Fiber，SMF）是一种具有较小光纤芯径的光纤，适用于远距离传输。
它可以在光纤中传输一个光模式，具有较低的传输损耗和较小的色散效应。
单模光纤主要用于长距离通信和数据传输。
多模光纤（Multi-Mode Fiber，MMF）是一种具有较大光纤芯径的光纤，适用于短距离传输。
多模光纤可以在光纤中传输多个光模式，但由于折射率不同，不同光模式的传输速度会有差异。
多模光纤主要用于局域网、数据中心等短距离通信场景。
3.光纤连接方式光纤连接主要有两种方式：直连和连接器。
直连是将两根光纤通过激光焊接技术直接连接起来。
直连具有较低的插损和回波损耗，但连接时需要专业操作，一旦连接失败将无法更换。
连接器是将光纤端面抛光并用连接器将两根光纤连接在一起。
连接器具有灵活性，连接和更换方便，但具有一定的插损和回波损耗。
4.光纤通信的关键参数光纤通信中，有几个重要的参数需要关注。
带宽是指光纤传输信号的频率范围。
带宽越大，传输速率越高。
损耗是光信号在光纤中传输时丢失的能量。
损耗越小，信号传输的距离越远。
色散是指光信号在光纤中传输时信号传播速度与光波长之间的关系。
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路数）
（km）
960
4
1800
6
960
50
14000
134
1000km中 继器数 250
166
20
7
光纤通信基础知识
优点三： 重量轻、 体积小
光纤重量很轻，直径很小。在芯数相同的条 件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得 多。表1.6给出了铝/聚乙烯粘结护套(LAP)单元 结构光缆和标准同轴电缆的重量和截面积的比 较。
天线
BTS机柜
基站收发信台
光纤通信基础知识
BSC机柜
传输机
光纤通信基础知识
2、光纤通信的技术优点
带宽宽，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
光纤通信基础知识
优点一：带宽宽，传输容量大
表 1.4 光纤通信与电缆通信传输能力的比较光纤通来自基础知识光纤通信基础知识
NMC DPPS
1、移动通信网络系统结构
PCS
SEMC
移动台
BSS：基站子系统
NSS OOSMSC：操作支持子系统
OSS
BTS
BSC
MS
BTS
BSS 传输机
MSNCS/SVLR
HLR/AUC
NSS：网络子系统EIR PSTN
ISDN
PDN
室外基站
中国移动中心机房
BTS：基站收发信台 ；BSC：基站控制器 ；NSS：管理通信业务， 保证MS与相关的公用通信网或与其它MS之间建立通信。 OSS：则提供运营部门一种手段来控制和维护这些实际运行部分。
光纤通信基础知识
优点五： 泄漏小，
在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也 无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信 息在光纤中传输非常安全。
优点六： 节约金属材料， 有利于资源合理使用
制造同轴电缆和波导管的铜、铝、铅等金属材料，在 地球上的储存量是有限的；而制造光纤的石英(SiO2)在地球 上基本上是取之不尽的材料。制造8km管中同轴电缆，1 km需要120kg铜和500kg铝；而制造8km光纤只需320g石英。 所以，推广光纤通信，有利于地球资源的合理使用。
光纤通信基础知识
基站系统实物结构图
Um MS
Um
天馈子系统
MS
天馈子系统
移动台
BTS3012 机柜
BTS3012 机柜
BSC Abis
基站控制器
BSC Abis
MMI
基站收发信台
环境监控设备 环境监控设备
BTS3012 系统BTS301近2端系维统护台
MMI
传输机
近端维护远台端维护台
远端维护台
光纤通信基础知识
通信手段 小同轴电缆 中同轴电缆
传输容量(话路)/条 频带（或频率）
960 1800
4kHz 30MHz
光缆
14000
10～100GHz
光纤通信基础知识
优点二：传输损耗小，中继距离长
由于信号在传输时要受到损耗，因此每隔一段距 离，就要设置一个“再生中继器”。
通信手段
小同轴 大同轴 微波 光缆
容量（电话 中继距离
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3、光纤通信系统
3.1、光纤通信简介
光纤通信（optical fiber communications）是现代 通信的主要支柱之一，在电信网中起着举足轻重的作用。
作为一门新兴技术，其发展速度之快、应用面之广， 在通信史上罕见的。光纤通信是目前世界上发展最快的领 域，平均每9个月性能翻一番，超过了计算机芯片性能每 18个月翻一番的摩尔定律的一倍。
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
光纤
光接收机
我们可以认为一个基本光纤通信系统必须包括信源端 的光发射机（光调制设备）、信宿端的光接收机（光解调 设备）和连接它们的光纤介质，如上图所示。
光纤通信基础知识
3.3、光纤与光缆 光纤的结构 光纤的折射率分布 光纤的尺寸 光缆的结构
目前，美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建设 电缆通信线路，而致力于发展光纤通信。中国光纤通信也 已进入高速发展阶段．
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光通信发展简史
2000多年前 烽火台——灯光、旗语 1880年 光电话——无线光通信 1970年 光纤通信
光纤通信基础知识
光纤通信发展史
1966年“光纤之父”高锟博士首次提出光 纤通信的想法。
1970年贝尔研究所林严雄在室温下可连 续工作的半导体激光器。
1970年康宁公司的卡普隆(Kapron) 之作 出损耗为20dB/km光纤。
1977年芝加哥第一条45Mb/s的商用线 路。
光纤通信基础知识
电磁波谱
1cm 1mm 100um 10um 1um 100nm 10nm 1nm λ波長
光纤通信基础知识
表 1.6 光缆和电缆的重量和截面积比较
项目
重量/(kg·m-1) 重量比
直径/mm 截面积比
光缆
0.42 1 21 1
8芯 电缆 6.3 15 47
5
光缆
0.42 1 21 1
18 芯 电缆 11 26 65 9.6
光纤通信基础知识
优点四： 抗电磁干扰性能好
光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线 路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。无 金属光缆非常适合于存在强电磁场干扰的高压电 力线路周围和油田、煤矿等易燃易爆环境中使用。 光 纤 ( 复 合 ) 架 空 地 线 (Optical Fiber Overhead Ground Wire, OPGW)是光纤与电力输送系统的 地线组合而成的通信光缆，已在电力系统的通信 中发挥重要作用。
800——1600nm 光的反射、折射 全反射
光纤通信基础知识
光的基本知识
入
反射
射 θ1 θ3
θ2 折
射
n1 n2 n1<n2
空气 水
视觉位置
实际位置
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光的基本知识
n1 n2
n1 > n2
临界角
n1 n2
入射角=反射角
θ1 θ2
n1
900
n2
临界角
全反射
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3.2、 光纤通信系统组成
10G 100G 1T 10T 100T 10^15 10^16 10^17
f (Hz)
红外线
1.6um 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0um 900 800 700 600nm
紫外线
光通信使用范围
光纤通信基础知识
光的基本知识
光是一种电磁波 可见光350nm—750nm 光纤通信所用的波长
光纤通信基础知识
3.3.1、光纤的结 构 纤 芯 包 层 涂敷层 护 套
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光纤的结构
纤芯 core：折射率较高，用来传送光； 包层 coating：折射率较低，与纤芯一