第4章光纤通信系统介绍

光纤通信系统的组成与工作原理首先是光信号的产生。

光信号可以通过激光二极管（LD）或者半导体激光器产生。

激光二极管是一种能够产生高亮度和高单频的光源，它通过电流注入产生激励态电子与基态电子的受激辐射而发光。

半导体激光器则是一种基于电流注入的PN结的半导体器件，它可以产生高亮度、高单频和窄线宽的激光光源。

接下来是光信号的传输。

光信号通过光纤进行传输。

光纤是一种由高折射率的纤维材料制成的细长物体，其核心是由折射率较低的材料组成，外包覆着一个折射率较高的包层。

光信号通过光纤的传输是基于全内反射的原理。

当光信号由光纤的尾部入射到光纤的头部时，当入射角小于临界角时，光信号会发生全内反射，沿着光纤一直传输到目的地。

最后是光信号的接收。

光信号到达目的地后，需要被光电器件转换成电信号。

光电器件通常使用光电二极管（PD）或者光电探测器来完成这一过程。

当光信号到达光电器件时，光能转化为电能，产生电流。

接收到的电流经放大和滤波处理后，就可以得到我们需要的信号。

光源是光信号的发射源，如激光二极管、半导体激光器等。

光源需要具备稳定的光功率、窄的光谱线宽和较小的时延，以保证光信号的传输质量。

光纤是光信号的传输介质，它是一种波导结构，能够将光信号进行高效的传输。

光纤需要具备低损耗、高带宽和低色散等特点，以提高光信号的传输质量。

光电器件是光信号的接收器件，如光电二极管、光电探测器等。

光电器件能够将光信号转换为电信号，并经过电子电路的处理从而得到所需的信息。

除了以上的主要组成部分，光纤通信系统还包括光纤连接器、光纤调制器、光纤分光器等其他辅助设备，以提供更加稳定和高效的光信号传输。

总之，光纤通信系统是一种利用光纤进行光信号传输的通信系统。

它的工作原理基于光的全内反射原理，通过光源产生光信号，光纤进行光信号的传输，并通过光电器件将光信号转换为电信号。

光纤通信系统的组成包括光源、光纤和光电器件等主要部分，还包括其他辅助设备。

光纤通信系统的应用广泛，使用光纤传输可以实现高速、大容量和低延时的信息传输。

光放大器类型光纤放大器掺稀土元素放大器非线性效应放大器特性。

泵浦和增益系数光放大器的能源是由外界泵浦提供的。

根据掺杂物能级结构的不同，泵浦可以分为三能级系统和四能级系统。

在两种系统中，掺杂物都是通过吸收泵浦光子而被激发到较高能态，再快速驰豫到能量较低的激发态，使储存的能量通过受激辐射被释放出来放大光信号。

两种泵浦原理示意图泵浦激光发射放大器增益随输出功率的变化放大器噪声所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（低，其降低程度通常用噪声指数式中的SNR 是由光接收机测得的，因此所得n F =铒的吸收和辐射特性EDFA 增益特性增益特性表示了放大器的放大能力，其定义为输出功率与输入功率之比。

EDFA的增益大小与多种因素有关，通常为15～EDFA 噪声特性EDFA的输出光中，除了有信号光外，还有自发辐射光，它们一起被放大，形成了影响信号光的噪声源，的噪声主要有以下四种：①信号光的散粒噪声；②被放大的自发辐射光的散粒噪声；③自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；④自发辐射光谱间的差拍噪声。

以上四种噪声中，后两种影响最大，尤其是第三种噪EDFA基本结构EDFA的内部按泵浦方式分，有三种基本的结构：即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。

同向泵浦信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构，也称为前向泵浦。

反向泵浦泵浦光WDM系统中的增益带宽增益平坦增益特性优化噪声系数和饱和输出功率EDFA对光纤传输系统的影响非线性问题光浪涌问题色散问题光纤线路的长期可靠性问题受激拉曼散射原理FRA工作原理在许多非线性介质中，受激拉曼散射将一小部分入射功率由一光束转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为受激拉曼效应。

量子力学描述为入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁，入射光作为泵29混合拉曼/掺铒光纤放大器拉曼放大器和掺铒光纤放大器各有其独特的特点，将FRA 和EDFA 结合起来构成混合拉曼大器（HFA ），也是提高拉曼放大器性能的一种重要方法。

4.1 电介质平板波导 4.2 对称平板波导中的模式 4.3 非对称平板波导中的模式 4.4 波导的耦合4.5 平板波导的色散和失真4.6 集成光器件 4.7 总结和讨论第4章 集成光波导4.5 平板波导的色散和失真除了材料色散导致的脉冲展宽以外，在波导中还有另外两种情况导致的脉冲展宽现象：波导色散和多模失真。

2▪波导膜厚度d 固定，对于线宽为Δλ=λ2-λ1光源，等效折射n eff率随波长变化，因此其波导中的速度也发生变化，最终导致脉冲展宽，该种现象称为波导色散。

4.5.1 波导色散 32λd λd ▪波导色散与材料色散同时存在▪波导色散与材料色散拥有同样的公式形式4波导色散： ()()24.4 /''λλλτ∆-=∆-=∆g eff M n cL ()()14.3 /''λλλτ∆-=∆-=∆M n cL 材料色散： 4.5.1 波导色散54.5.1 波导色散 ▪集合了材料色散和波导色散的总脉冲展宽可以写成：()()λτ∆+-=∆g M M L /▪因为材料色散M 有可能为负值(例如在石英玻璃中，当工作波长超过1300nm 时)，由色散引起的总脉冲展宽实际上有可能会因为波导色散的存在反而减小。

再次说明了为什么远距离高速传输时光源波长都比较大。

模式不同则传输路径不同，考虑一下这种现象的最糟情况， 即最低阶模式以90°角传播，最高阶模式以临界角传播。

设L 为波导长度。

注意，两个模式具有相同的波长。

4.5.2 多模失真n 1n 2 n 1 > n 2 最低阶模 L 2n 2θc高阶模L 1轴向模式传输时间：22112sin L L n L n θ==c (4.25)cLn v L t 1==轴向传输对于临界角传输：21sin L L θ=c 4.5.2 多模失真 所以临界角传输的总传输路径为c n Ln c n n Ln v n Ln 22112121t =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=临界角传输(4.26)临界角传输的总时间为：⎪⎪⎭⎫⎝⎛21n n L 4.5.2 多模失真总延时为：2211)(cn n n n L -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆τ这就是同一波长的光波在波导中以不同模式传输时单位长度上的模式脉冲展宽时间。

光纤通信系统光纤是光导纤维的简称,光纤通信系统是一光波为载波,以光纤为传输介质的一种通信方式.目前使用的二氧化硅光纤,在光波波长λ=1550nm时,其损耗在0.2db/km以下,由于损耗底,因此中继距离可达到50km以上,而传输同样数率的同电缆,其中继距离只能达到约1.5km左右.一、光纤通信具有以下的特点:1、不受电磁干扰。

2、光纤线径细，重量轻，便于施工和运输。

3、资源丰富，成本底。

4、损耗底、中继距离长。

5、因为光纤完全可以由非金属的介质材料制成，因此它既不受电磁干扰，也无串音干扰，并且保密性强。

二、光纤的分类光纤的分类方法大致有四种，既按套塑类型、光纤传播模式、工作波长和光折射率分布分类。

1、按光纤的构成材料不同来分：以二氧化硅为主要成分的石英光纤多种成分构成的光纤液体纤芯光纤以塑料为主要成分的塑料光纤2、按光纤折射率分布不同来分：均匀光纤（阶跃光纤SI）不均匀光纤W型光纤3、按传输总模数不同来分：多模光纤单模光纤4、按光纤工作波长不同来分：短波长光纤长波长光纤5、按照传输总模数分类所谓模式是光纤纤芯中电磁场的一种分布形式。

根据光纤所能传输总模式数量，可将光纤分成多模光纤和单模光纤。

1）单模光纤当光纤中只有一种电磁场分布形式或只能传输一种模式时，称此光纤为单模光纤。

单模的纤芯直径很小。

由于单模光纤只能传输主模，故无模式色散，使得这种光纤的传输频带很宽，传输能量很大，适用于大容量、长距离的光纤通信。

目前，在国内外各级通信网中，使用最多的就是单模光纤。

2）多模光纤（MM）在一定的工作波长下，当有多个多模光纤在光纤中传输时，称这种光纤为多模光纤。

多模光纤在光纤通信的初期用的较多，目前使用的场合就较少了。

三、光纤的传输特性光纤的传输特性主要包括传输损耗和色散.1、传输损耗在光纤内传输的光，由于光纤的散射、吸收和辐射等原因而受到衰减,光功率随着距离的增加按指数规律减小，这就是光纤的损耗。

光纤的每单位长度上的传输损耗直接关系到光纤通信系统传输距离的长短。

光纤通信系统的组成及各部分功能1. 光源（Light source）：光源是将电能转化为光能的装置，其主要功能是产生具有特定频率和波长的光信号。

常用的光源有雷射器、电晕放电光源、发光二极管等。

不同光源产生的光信号有不同的功率和光频谱特性。

2. 光纤（Optical fiber）：光纤是将光信号进行传输的介质，它由一根细长的光学纤维组成，具有高折射率和低传输损耗的特点。

光纤主要有芯、包层和包覆层组成，其主要功能是将光信号通过全内反射的方式进行传输。

3. 光纤连接器（Optical fiber connector）：光纤连接器是用于连接光纤的装置，它将光纤的末端与光接收器或光源进行连接，以保证光信号的传输质量和稳定性。

光纤连接器一般包括光纤连接头和接插件两部分。

4. 光纤传输系统（Optical fiber transmission system）：光纤传输系统是指将光信号在光纤中进行传输的装置和设备，它包括光纤放大器、光纤衰减器、光纤耦合器、光纤收发器、光纤开关等。

光纤传输系统的主要功能是对光信号进行放大、传输、分光和选择等处理。

5. 光接收器（Optical receiver）：光接收器是将光信号转化为电信号的装置，其主要功能是将光信号转换为电流信号，并经过放大、滤波等处理，以恢复原始信号。

光接收器一般由光电转换器、放大器、滤波器和接收电路等组成。

6. 光纤终端设备（Optical fiber terminal equipment）：光纤终端设备是指使用光纤进行通信的终端设备，包括光纤通信交换机、光纤调制解调器、光纤路由器、光纤终端机等。

光纤终端设备的主要功能是进行信号调制、解调、编码、解码和路由等操作，以实现数据的传输和交换。

除了以上主要组成部分外，光纤通信系统还包括光纤分配系统、光纤保护系统和光纤安全系统等。

光纤分配系统用于将光信号分配到不同的用户或设备上；光纤保护系统用于提供光路备份和故障切换功能，以确保通信的可靠性；光纤安全系统用于加密和保护传输的数据，以防止数据泄露和攻击。

光纤通信系统原理光纤传输的基本原理是利用光的全反射现象。

光纤主要由两部分组成：芯线和包层。

芯线是光信号传输的区域，由高折射率的材料构成；包层是芯线的外部，由低折射率的材料构成。

光信号从一个端口输入到芯线中，通过多次发生全反射，一直传输到另一个端口。

1.光的发射：光信号通过光源（通常是激光器或发光二极管）产生。

激光器在光纤通信系统中应用较广，它可以产生稳定、高纯度的光信号。

2.光的调制：光信号需要携带信息，因此需要对光信号进行调制。

调制可以通过改变光源的电流或光的相位来实现。

常见的调制方式有电压调制、频率调制和相位调制。

3.光的传输：光信号被传输到光纤中，光线在光纤内部不断发生全反射，保持在芯线中传输。

光纤的内部结构可以有效地抑制光信号的衰减和色散现象，保证信号的传输质量。

信号的传输距离可以达到数十公里甚至更远。

4.光的检测：光信号到达目的地后，需要进行解调，将光信号转化为电信号。

光探测器（通常是光电二极管或光电二极管阵列）可以将光信号转化为电压信号。

5.信号处理：电信号需要经过一系列信号处理步骤，如放大、滤波、调整等。

信号处理的目的是提高信号的质量和准确性。

光纤通信系统的优势在于其传输速度、容量和稳定性。

光信号的传输速度可以达到光的传播速度，即30万公里/秒，远远高于电信号的速度。

此外，光纤通信系统的传输容量也非常大，一根光纤可以同时传输多个频道的光信号，每个频道的速率可以达到几百兆比特甚至几个十几个兆比特。

此外，光纤传输的信号稳定性也非常高，不容易受到外界的电磁干扰。

总之，光纤通信系统利用光信号传输数据，充分发挥了光的高速传输特性，具有传输速度快、容量大和稳定性高的优势。

随着技术的不断发展，光纤通信系统在各个领域的应用也越来越广泛。

光纤通信系统的基本概念光纤通信系统是一种利用光纤作为传输介质的通信网络。

光纤通信系统具有传输距离远、带宽大、抗干扰能力强等优点，因此在现代通信中得到广泛应用。

本文将介绍，包括光纤的结构和工作原理、信号传输过程、光纤通信系统的组成部分以及其在大数据传输、互联网、通信等领域中的应用。

一、光纤结构和工作原理光纤是一种由高纯度的玻璃或塑料制成的细长柔软的材料。

光纤由纤芯和包层组成，其中纤芯是光信号传输的区域，包层是保护和引导光信号的区域。

光源产生的光信号通过光纤传输，利用光的全内反射特性，在光纤中沿纤芯传输。

光纤采用全内反射的原理传输光信号。

当光信号由高折射率介质进入低折射率包层时，会发生全内反射。

这使得光信号能够在光纤中沿一定角度传输，并且基本不损失信号的强度和质量。

光纤的包层还能够防止光信号的外部干扰。

二、信号传输过程光纤通信系统中，光信号通过调制的方式进行传输。

首先，光源将电信号转换为光信号，例如采用激光器产生的窄谱光信号。

接着，将光信号输入光纤，通过光纤的全内反射传输。

在光纤的整个传输过程中，光信号不断发生衰减，但在一定距离内，衰减并不显著。

在光纤传输的过程中，由于光信号频率较高，会发生色散现象和衰减现象。

色散现象会导致光信号的频率和相位发生变化，从而影响信号质量。

而衰减现象会使光信号的强度逐渐降低。

因此，在长距离的光纤传输中，需要采用一些调制和放大技术来补偿这些影响。

三、光纤通信系统的组成部分光纤通信系统由光源、调制器、光纤、接收器和控制系统等组成。

光源是发光二极管或激光器等能够产生光信号的设备。

调制器用于将电信号转换为光信号，并控制光信号传输的强度、频率等参数。

光纤用于传输光信号。

接收器接收传输过来的光信号，并将其转换为电信号。

控制系统用于控制整个通信系统的运行和管理。

四、光纤通信系统的应用光纤通信系统在现代通信中得到广泛应用。

与传统的铜缆通信相比，光纤通信具有很多优势。

首先，光纤通信的传输距离更远，可以达到几十公里甚至上百公里。

光纤通信系统
光纤通信系统是一种基于光纤传输技术的通信系统，它利用光纤传输光信号进行通信。

光纤通信系统已经成为现代通信领域中最重要的技术之一，被广泛应用于电话、互联网、电视等各个领域。

本文将介绍光纤通信系统的基本原理、技术特点以及未来发展趋势。

光纤通信系统的基本原理
光纤通信系统主要由光源、光纤、光探测器等几个基本部分组成。

光源通过调制产生光信号，然后经过光纤传输到接收端，最终被光探测器接收并解调还原成原始信号。

光信号在光纤中传输时会受到衰减和色散等影响，需要经过光放大器和光衰减器进行补偿和控制，以确保信号的传输质量。

光纤通信系统的技术特点
光纤通信系统具有传输速度快、带宽大、抗干扰能力强、安全性高等一系列优点。

光纤的传输速度可以达到数十亿比特每秒，远远超过了传统的铜缆传输速度。

光纤的带宽也非常宽，可以同时传输多个信号，满足不同应用的需求。

此外，光信号在传输过程中不会受到电磁干扰，保障通信质量稳定。

光纤通信系统的未来发展趋势
随着信息通信技术的不断发展，光纤通信系统也在不断进化。

未来，光纤通信系统将更加智能化和自适应化，能够更好地适应不同环境下的传输需求。

同时，光纤通信系统将更加绿色环保，采用更加节能的光源和光探测器，减少能源消耗。

未来，光纤通信系统将更加普及，为人们的生活和工作带来更多便利和创新。

综上所述，光纤通信系统是一种重要的通信技术，具有速度快、带宽大、抗干扰能力强、安全性高等优点。

未来，光纤通信系统将继续发展，为人们的生活和工作带来更多便利和创新。