光纤通信第五版-调制116页PPT

/BA
LA
REG
Rx
PA
Rx
/OD
Rx
集成式WDM系统(Tx、REG分别为具有G.692光口的SDH终端、中继设备 )
光波分复用系统的主要设备
光波分复用器(合波器)与解复用器(分波器)
角度色散型 光滤波器型 光纤耦合器型
光波分复用器与解复用器
角度色散型
DWDM系统中最常用的角度色散器件为光栅。 多波长的光信号入射到一个反射光栅上，光栅对
较大（>100GHz），则称为波分复用。 WDM技术对网络升级、发展宽带业务、充分发掘
光纤宽带潜力、实现超高速光纤通信具有十分重 要的意义。
光波分复用技术
光波分复用(WDM)
波分复用(WDM) 波长间隔在几十到几百纳米；采用普通的光纤WDM耦合器 对复用信道解复用。
密集波分复用(DWDM) 波长间隔为0.8nm的整数倍（0.8nm,1.6nm,2.4nm),一般不超 过10nm（对应的频率间隔为100GHz）；采用波长选择性高 的光栅解复用器对复用信道解复用。
光波分复用技术
WDM技术的主要特点：
充分利用光纤的巨大带宽资源（ 30THz ）。 可同时传输多种不同类型的信号。 节省线路投资。 降低器件的超高速要求。 具有高度的组网灵活性、经济性和可靠性。
WDM 系 统 的 优 越 性
WDM系统的基本结构
光发射机
光中继放大
光接收机
1
光转发器1 1 光
λ2 λ2
λ4(C) λ4
λ1 λ3
λ2 λ4
光纤
(A)
(P)
各种WDM器件性能比较
器件类型
机理
批量生 通路间 通路数 串音
产

光纤、光缆弯曲半径不能过小(>20CM) 在偏僻地区存在有供电困难问题
由于光纤具备一系列优点，所以广泛应用于公用 通信、有线电视图像传输、计算机、空航、航天、船 舰内的通信控制、电力及铁道通信交通控制信号、核 电站通信、油田、炼油厂、矿井等区域内的通信
2020/4/26
图1-1电磁波波谱图
1.11 光纤通信使用波段
2020/4/26
第一章：光纤通信概述
1.1 光纤传输系统的基本组成
光纤通信：以光导纤维（光纤）为传输媒 质，以光波为载波，实现信息传输。
光纤传输系统的基本组成
光发射机
光源
光调制器
已调光 光纤线路
信号
调制电信号
基带处理
光接收机
光检测器 解调电信号 基带处理
2020/4/26
基带电信号
基带电信号
1.1 光纤传输系统的基本组成
第三阶段（1986年～），全面深入开展新技术研究，实现 了1.55 μm单模光纤通信系统（SDH） ，速率达2.5~10Gb/s, 无中继距离为100～150km；2019年后，研发波分复用光纤 2020/4/通26 信系统，每波长传输速率10或40G及光波网络。
1.9 光纤通信的特点与应用
传输容量很大：2.5G～10G/波长；每光纤采用波分复用
1.4 光纤传输特性
传输损耗：由材料吸收和杂质散射等因素引起有 三个低损耗窗口：（1）0.85μm附近，损耗2~4dB/km;（2）
1.31 μm附近，损耗约0.5dB/km;（3）1.55 μm附近，损耗约0.2dB/km。
色散（Dispersion）：一般包括材料色散、模式色 散、波导色散等，引起接收的信号脉冲展宽，从 而限制了信息传输速率。

就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
1950年，波尔多一所中学的教师阿尔弗雷德·卡斯特 勒同让·布罗塞尔发明了“光泵激”技术。这一发明后 来被用来发射激光
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2.2.1 光纤通信概述
1951年，美国哥伦比亚大学的一位教授查尔斯·汤 斯（Townes）对微波的放大进行了研究，经过三年 的努力，他成功地制造出了世界上第一个“微波激 射器”，即“受激辐射的微波放大”的理论。 1958年，汤斯和肖洛在《物理评论》杂志上发表了 他们的“发明”——关于“受激辐射的光放大”（ 即LASER）的论文。
意思是“受激辐射的光放大”。
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2.2.1 光纤通信概述
什么叫做“受激辐射”？ 在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分 布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子 的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时 将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种 状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这
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2.2.1 光纤通信概述
第二种方式：把光束限制在特定空间
透镜波导：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聚到下一个透镜而实现
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2.2.1 光纤通信概述
反射镜波导：用与光束传输方向成45度角的两个
平行反射镜代替透镜而构成
首先：现场施工中校准和安装十分复杂； 其次：地面活动对波导影响很大
5
2.2.1 光纤通信概述
各种传输介质所能承载的载波大小：
铜线——1MHz 同轴电缆——100MHz 无线电——500kHz～100MHz 微波（包括卫星信道）——100GHz 光纤——几百THz NEC和Alcatel报道他们的传输容量分别达到
10.92Tb/s和10.02Tb/s。（采用波分复用技术 ）

VCC INT VCC
VCC INT
VCC
2
3
2
1
2
1
B NC 0
1
BNC 5
5
4
B NC
3
2
B NC 1
1
BNC 5
5
4
B NC
0 .01 uF C 41
4
3
4
3
O PE N 1
O PE N 0
IO IO V CCI IOO2 G INOD V CCI NT GND IO IO IO IO IO V CCI INOT G INOD IO D PCL K3 /IOO IO IO IO V CCI INOT GND V CCI O2 GND IO IO IO IO IO IO
I 发光二极管（LED）
P
LD的特点：工作电流超
输出光功率 过 阈 值 电 流 时 才 输 出 激
光，是有阈值的器件。
I
调制电流信号
半导体激光器 （LD）
LD驱动电路：驱动LD光 源器件发光必须是直流偏 置电流Ib和信号电流Im共 同作用的结果。
P I
发光二极管（LED）
LED 的 特 点 ： 线 性 好 ， 驱动电路不需要直流偏置 调整电路；光功率随温度 变化不大。
☺声光调制：声光（弹光）效应—被介质中弹性
波衍射的光波的强度、频率、方向等都随超声 场变化。（利用声光晶体）
☺磁光调制：法拉第效应—外加磁场引起线偏振光
偏振方向旋转。
电光调制
电折射调制器
电折射调制器利用了晶体材料的电光效应， 常用的晶体材料有： 铌酸锂晶体（LiNbO3）、 钽酸锂晶体（LiTaO3）和砷化镓（GaAs）。

第五章 数字光纤通讯系统
❖ 两种传输体制 ❖ 系统的性能目的 ❖ 系统的设计
两种传输体制
❖ 光纤传输复用技术：同步时分复用TDM ❖ TDM扩展为不同的群路等级： ❖ ITU：将多路编码数字按两种规范组成群路。 ❖ 北美、日：24路信道复用为一个基群，信息速率1.544Mb/s; ❖ 中、欧：30路信道复用为一个基群，信息速率2.048Mb/s; ❖ 更高级复用： ❖ 4个基群经过TDM复用为二次群；信息速率稍大于4倍； ❖ 多个二次群复用为三次群 ❖ ……
❖ 有利于建立世界一致的通讯网络；
❖ 简化硬件，降低了网络本钱；
❖ 帧构造中有丰富的开销比特：
SDH传输网(6)——与PDH相比的特 点
❖ 采用数字同步复用技术：
❖ 以字节(8bit)为最小复用单位，不用进展码速率调整， 简化复接/分接设备；
❖ 低速率信号与高速率信号间的复接/分接，不用逐级进 展;
2 Mb/s(电信号)
SDH帧构造(1)
❖ 帧构造是实现数字同步时分复用，保证网络可靠有效运转的关 键；——三部分：段开销，信息载荷，管理单元指针；
❖ 块状构造，以字节为根底；
❖ STM-N帧：9行×270×N列，每列为1个字节，(1byte=8bit)；
❖ 帧周期：T=125μs, 8000帧/s
SDH传输网(1)
❖ 适用网络类型：点对点传输、多点网络传输； ❖ SDH网络的构成： ❖ 终端设备，即终端复用器TM； ❖ 分插复用设备ADM； ❖ 数字交叉衔接设备DXC； ❖ 物理链路——光纤； ❖ 以下图为典型的SDH拓扑构造图。
SDH传输网(2) TM
低速 信号
STM- N
STM- N
协会(ANSI)经过了两个最早的SONET规范。 ❖ 1988年，CCITT命名数字同步系列(SDH)，并建立了一致规范。 ❖ 国际电报咨询委员会(CCITT)(如今的ITU〕接受了SONET的概念

应用场景
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

1966年英籍华人高琨博士提出光导纤维的
概念在全世界范围内掀起了发展光纤通信 的高潮。
1978年工作于0.8μm的第一代光波系统正
式投入商业应用。
上世纪80年代初，早期的采用多模光纤的
第二代光波通信系统问世。
1990年，工作于2.4Gb/s，1.55μm的第三代
光波系统已能提供通信商业业务。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
1.5光纤通信的发展趋势
国家863计划通信技术主题专家组副组长 纪
越峰 ：在高速光传输方面，目前已实现了 10.96Tbit/s（274波×40Gbit/s）的实验系统 ；在超长距离传输方面，已达到了4000km 无电中继的技术水平
我国已成为世界上为数不多的几个掌握了
全套SDH和WDM光通信系统系列产品技术 的国家之一，在世界光通信系统和光网络 领域已经占据了一席之地。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
1.3光纤通信的特点
传输频带宽，通信容量大。 中继距离远。 抗电磁干扰能力强，无串话。 光纤细，光缆轻。 资源丰富，节约有色金属和能源。 均衡容易。 经济效益好。 抗腐蚀、不怕潮湿。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
（2）G.653光纤。G.653光纤特点是零色散
波长由G.652光纤的1.31μm位移到1.55μm制 得的光纤，故其称为色散位移光纤。G.653 光纤同时实现了1.55μm窗口的低衰减系数 和小色散系数。但是当其用于带有掺铒光 纤放大器的波分复用系统中时，由于光纤 芯中的光功率密度过大产生了非线性效应 ，限制了G.653光纤在单信道速率10Gbit/s以 上波分复用或密集波分复用系统中的应用

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光接收机的噪声
光接收机的噪声包括光电检测器的噪声和光接收机的电路噪 声。 光电检测器的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和
APD的倍增噪声。 电路噪声主要是前置放大器的噪声。前置放大器的噪声包括电
阻 热 噪 声 及 晶 体 管 组 件 内第部24噪页声/共5。4页
光接收机的噪声
调制 (驱动)
光 源
至光纤
时钟
自动功率控制 APC
光 监测
告警输出
主要包括两部分：输入电路（输入盘）和电光转换电路 （发送盘）。输入电路包括均衡放大、码型变换、扰码、 编码、时钟提取；电光转换电路包括光源、光源的调制 （驱动）电路、光源的控制电路及光源的监测和保护电 路等。
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光发送机的基本组成
对光电检测器的基本要求是高的转换效率、低的附加噪声和快速的响应。由于光 电检测器产生的光电流非常微弱（nA ~ μA），必须先经前置放大器进行低噪声放 大，光电检测器和前置放大器合称为光接收机前端。前端的性能是决定光接收机灵 敏度的主要因素。
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前置 放大器
信号光 光探 测器
前放
电压 供给
tD
tD
判决 时刻 10
(d)
由 于 噪 声 叠 加, 使 “ 1 ” 码
在 判 决 时 刻 变 成“ 0 ” 码 ，
经判决电路后产生了一个误码。
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比特误码率
误码率包括这两种可能引起的误码，因此误码率 为
BER P1P0 1 P0P1 0
(5.5.1)
式中 P(1)和 P(0)分 别 是接 收“ 1” 和 “ 0” 码 的概 率 ，
动态范围也比高阻抗前 置放大器的大。因此光

为了描述光纤中传输的模式数目，在
此引入一个非常重要的结构参数，即光纤
的归一化频率，一般用V表示，其表达式 如下：
V k 0 n m a2 2 0n m a2 C n m a2
1. 多模光纤
顾明思义，多模光纤就是允许多个模 式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤 中允许存在多个分离的传导模。
光纤的作用是为光信号的传送提供传 送媒介(信道)，将光信号由一处送到另一 处。
中继器分为电中继器和光中继器(光放 大器)两种，其主要作用就是延长光信号的 传输距离。
1.3.2 光纤通信系统的分类
根据调制信号的类型，光纤通信系统 可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通 信系统。
根据光源的调制方式，光纤通信系统 可以分为直接调制光纤通信系统和间接调 制光纤通信系统。
1.2 光纤通信的主要特性
1.2.1 光纤通信的优点
1. 光纤的容量大
光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载 波的通信系统，其载波—光波具有很高的 频率(约1014Hz)损耗低、中继距离长
目前，实用的光纤通信系统使用的光 纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长 区 的 损 耗 可 低 到 0 . 1 8 dB/km， 比 已 知 的 其 他通信线路的损耗都低得多，因此，由其 组成的光纤通信系统的中继距离也较其它 介质构成的系统长得多。
图2.2 光纤的折射率分布
光纤的折射率变化可以用折射率 沿半径的分布函数n(r)来表示。
n r n n 1 2
r a r a
2. 按传输模式的数量分类
按光纤中传输的模式数量，可以将光 纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF) 和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。

•本征吸收：是光纤基础材料(如SiO2)固有的吸收，不是 杂质或缺陷引起的，因此，本征吸收基本确定了某一种 材料吸收损耗的下限。 •杂质吸收：由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损 耗。
损耗起因（二）
散射损耗：由于光纤的材料、形状、折射率分布等
的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光与微小粒子相碰撞 发生散射，由此产生的损耗。
分类： 同质结半导体激光器：早期使用，阈值电流高 异质结半导体激光器：阈值电流小，发光强度高
工作特性： 阈值特性 光谱特性 温度特性 转换效率
半导体发光二极管(LED)
半导体发光二极管(LED)是无阈值器件，没有光学谐振腔， 发光只限于自发辐射，发出的是荧光。 半导体发光二极管(LED)工作特性：
模间色散
多模光纤中，各传输模式路径不同，到达出射端时间不同， 从而引起光脉冲展宽，产生的色散。
材料色散
由于光纤材料的折射率随光波长而变化，使得信号各频率 成分群速不同，引起脉冲展宽的色散现象。
波导色散
把具有一定波谱线宽的光源发出的光脉冲射入到光纤后， 由于不同波长的光传输路程不完全相同，所以到达光纤出 射端时间不同，从而使脉冲展宽的色散。
规率减少: P(L)=P(0)10(α L/10)
式中： P(0)－在L＝0处注入光纤的光功率 P(L)－传输到轴向距离L处的光功率
衰减系数α（L） ＝－(10/L)㏒[P(L)/P(0)] dB/km
衰减谱
衰减系数与波长的函数关系
损耗起因（一）
吸收损耗：光波通过光纤材料时，一部分 光能变成热能，造成光功率的损失。
1550nm波长最低衰减光纤（G.654光纤）
选用纯SiO2芯来降低光纤的衰减 最大优点：在1550nm波长的最低衰减为0.18dB/km 制造困难，价格昂贵，适用于海底光缆。

➢ 输出脉冲光功率最大值Pmax和最小值Pmin的比值为消光比
10lg Pmax
Pmin
实际的消光比η>10 dB
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
消光比
P Ith
Pmax Pmin
输出光功率脉冲
光发射机的功能
➢ 电光变换---将信息从电信号“搬移”到高端电磁波 （光）的电路组件,及完成为了适应光信号的有关信号 变换(线路编码)
➢ 输入的是双极性数字电信号(电压)，输出的是“有 光”、“无光”或“光平”高低代表的数字信号(功率)
➢ 在光通信系统中，可能的承载信息的参量有光的强度、 光的频率、光的相位、光的偏振.
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
声光布拉格调制器由声光介质、电声换能 器、吸声（反射）装置等组成。电压调制信号 经过电声换能器转化为超声波，然后加到电光 晶体上。电声换能器利用某些晶体(如石英、 LiNbO3等)的压电效应，在外加电场的作用下 产生机械振动形成声波。
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
直接强度调制和外调制的区别
电信号输入 线路编码
驱动电路
LD 或 光信号 LED
直接调制的光发射机
控制电路
电信号输入 线路编码
驱动电路
控制电路
LD或LED
光信号 外调制器件
▪LED驱动电路要求： 提 供所需的驱动电流及满足 其动态变化的幅度和充分 发挥调制速率的作用，即 保证其输出光脉冲波形相 应的速度。