新光纤通信 第2版 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 教学课件 乔桂红 光纤通信课件02

/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

第1章 概 论
为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光束 限制在特定的空间内传输, 因而提出了透镜波导和反射镜波导的 光波传输系统。透镜波导是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会聚到下一个透镜而实现的。 反射镜波导和透镜波导相似，是用与光束传输方向成45°角的 两个平行反射镜代替透镜而构成的。这两种波导，从理论上讲 是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服的困难。首先，现 场施工中校准和安装十分复杂；其次，为了防止地面活动对波
由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的 研究曾一度走入了低谷。
第1章 概 论
1.1.2 现代光纤通信 1966 年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆
(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用 光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了 现代光通信——光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高达 1000 dB/km以上，高锟等人指出：这样大的损耗不是石英纤维 本身固有的特性，而是由于材料中的杂质，例如过渡金属(Fe、 Cu等)离子的吸收产生的。材料本身固有的损耗基本上由瑞利 (Rayleigh)散射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。 因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的 低损耗光纤。如果把材料中金属离子含量的比重降低到10－6以 下，就可以使光纤损耗减小到10 dB/km。再通过改进制造工艺 的热处理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几 dB/km。这个思想和预测受到世界各国极大的重视。
十一五 普通高等教育“十一五”国家级规划教材
光 纤 通 信(第二版)
刘增基 周洋溢 胡辽林 编著
任光亮 周绮丽
西 安 电 子西科 技 大 学 出 版 社

在光纤中，光通过全内反射的方式传 播，即光在光纤的芯层中传播，而不 是在外部的涂层中。
光的调制方式
直接调制
通过改变光源的电流直接调制光 的强度。
间接调制
使用外部信号来调制光的强度。这 种方法通常需要一个外部调制器。
调相和调相偏振
通过改变光的相位或偏振状态来调 制光信号。
信号的传输过程
第一季度
第二季度
通过采用先进的调制解调技术、信号 处理技术和光电器件，高速光纤通信 系统的传输速率已经达到Tbps级别。
长距离光纤通信
总结词
长距离光纤通信是实现全球信息互连的重要基信号衰减和色 散。
详细描述
通过采用中继器和拉曼放大器等技术，光纤通信 能够实现数百甚至数千公里的信号传输，为跨洋 光缆、国家骨干网等提供可靠的信息传输通道。
详细描述
通过采用新型光纤和信号处理技术，可以有效降 低信号衰减和色散的影响，提高传输距离和稳定 性。
光子计算机技术
总结词
光子计算机技术是下一代信息技术的重要方向。
总结词
光子计算机技术面临的主要挑战是光子集成和光子控制技 术。
详细描述
光子计算机利用光子作为信息传输和处理的基本单元，具 有高速并行处理、低功耗等优点，有望在人工智能、云计 算等领域发挥重要作用。
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光纤通信应用
光纤到户（FTTH）
光纤到户是指将光纤光缆直接引入用户家中，为家庭提供高速的宽带接入服务。
光纤到户具有高带宽、低时延、稳定性好等特点，能够满足用户对高清视频、在线 游戏、在线教育等高带宽业务的需求。
光纤到户的建设需要铺设光缆、安装光缆终端设备等，成本较高，但随着技术的进 步和用户需求的增加，光纤到户已成为未来宽带接入的主要趋势。

1.2.1 光通信与电通信
电缆通信和微波通信的载 波是电波，光纤通信的 载波是光波。虽然光波 和电波都是电磁波，但 是频率差别很大。
光纤通信用的近红外光(波 长约1μm)的频率(约 300 THz)比微波(波长 为0.1m－1 mm)的频率 (3－300 GHz)高3个数
频率
100 THz 10 THz 1 THz 100 G Hz 10 GHz 1 GHz 100 M Hz 10 MHz 1 MHz
光纤通信用激光器的发展进程
1970 年，美国、日本和前苏联先研制成功室温下连续振 荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器。
虽然寿命只有几个小时，但其意义是重大的，它为半导 体激光器的发展奠定了基础。
1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。
1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10 万小时(约11.4年)，外推寿命达到100万小时，完全满 足实用化的要求。
1.1.3 国内外光纤通信发展的现状
光纤通信技术发展历程：
光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85 μm发展到1.31 μm和1.55 μm，传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。
另一方面，随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格 不断下降，应用范围不断扩大：
从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接入网， 从数字电话到有线电视(CATV)， 从单一类型信息的传输 到多种业务的传输。目前光纤已成为信息宽带传输的主要 媒质，光纤通信系统成为国家信息基础设施的支柱
波长
名称
1 m 10 m 100 m 1 mm 1 0 mm 1 00 mm 1m 10 m 100 m
紫外线 可见光线 (光 纤 通 信 用 ）

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3.1.1 激光器的工作 (gōngzuò)原理
（2）泵浦源 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。 物质在泵浦源的作用下，使得N2＞N1，从而受激辐射大于受激吸收，
有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。 （3）光学谐振腔 激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振腔中，以提供
1．激光器的物理基础 （1）光子的概念
光量子学说认为，光是由能量为hf 的光量子组成的，其中 h=6.628×10−34 J·s（焦耳·秒），称为普朗克常数，f 是光波频 率，人们(rén men)将这些光量子称为光子。
当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发 射。
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3.1.1 激光器的工作 (gōngzuò)原理
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3.1.1 激光器的工作 (gōngzuò)原理
图3-3 激光器示意图
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3.1.1 激光器的工作 (gōngzuò)原理
③ 光学谐振腔的谐振条件与谐振频率 设谐振腔的长度为L，则谐振腔的谐振条件为
2nL
q
（3-2）
或
f c cq （3-3） 式中，c为光在真空中的速 度2，nLλ为激光波长，n为激活物质的折射率，
1．半导体激光器的基本结构和工作原理 有两种方式构成(gòuchéng)的激光器：F-P腔激光器和分布反馈型（DFB） 激光器。F-P腔激光器从结构上可分为3种，如图3-4所示。
图3-4 半导体激光器的结构(jiégòu)示意图
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3.1.2 半导体激光器
（1）同质结半导体激光器。 其核心部分是一个P-N结，由结区发出激光。 缺点是阈值电流高，且不能在室温下连续(liánxù)工作，不能实用。

由于G.653光纤的色散零点在1 550nm附近，DWDM系统在零色散
波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零点的位
置从1 550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1 550nm附近的
DWDM工作波长范围内。这种光纤就是非零色散位移光纤（NDSF）。
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2.1.2 光纤的分类
光纤通信
而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率
（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭
在纤芯中传输。
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2.1 光纤的结构和类型
光纤通信
（3）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲 层和二次涂覆层。
一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料； 缓冲层一般为性能良好的填充油膏； 二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。 涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加 了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆 后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。
图2-3所示为两种典型光纤的折射率分布情况。 一种称为阶跃折射率光纤；另一种称为渐变折射率光纤，如 图2-3 （a）、（b）所示。
图2-3 光纤的折射率分布
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2.1 光纤的结构和类型
光纤通信
光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别 如图2-5和图2-6所示。
图2-5 光在阶跃折射率多模光纤中的传播
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2.2 光纤的导光原理
光纤通信
1．折射和折射率
光线在不同的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的 参数就是折射率，或称折射指数。折射率可由下式确定：
1μm），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式， 这样的光纤称为多模光纤。如图2-5和图2-6所示。

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4.1.1 光发送机的基本组成
（3）复用 利用一个大的传输信道来同时传送多个低容量的用户
信息及开销信息的过程。 （4）扰码 扰码可有规律地破坏长连“0”和长连“1”的码流。从
而达到“0”、“1”等概率出现，利于收端从线路数据码 流中提取时钟。
（5）时钟提取 提取PCM中的时钟信号，供给码型变换和扰码电路使 用。
电/光转换电路有光源、光源的调制（驱动）电 路、光源的控制电路（ATC和APC）及光源的监测和 保护电路等。如图4-2。
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4.1.1 光发送机的基本组成
图4-2 数字光发送机原理方框图
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4.1.1 光发送机的基本组成
（1）均衡放大 补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变，保证电、 光端机间信号的幅度、阻抗适配，以便正确译码。 （2）码型变换 由均衡器输出的仍是HDB3码或CMI码，前者是双 极性归零码（即+1，0、−1），后者是归零码。这两 种码型都不适合在光纤通信系统中传输，通过码型变 换电路将双极性码变换为单极性码，将归零码变换为 不归零码（即NRZ码），以适合光发送机的要求。
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4.1.3 自动功率控制和温度控制
1．自动功率控制
激光器输出光功率与温度变化和器件老化密切相关 ，保持激光器输出光功率稳定，可采用光反馈来自动调 整偏置电流，图4-5所示为激光器背向光反馈自动功率控 制（APC）电路。
从LD背向输出的光功率，经PD检测器检测、运算放 大器A1放大后送到比较器A3的反相输入端。同时，输入 信号参考电压和直流参考电压经A2比较放大后，送到A3 的同相输入端。A3和VT3组成直流恒流源调节LD的偏流Ib ，使输出光功率稳定。调节直流参考电压，能改变偏流 Ib的大小。这种电路在10℃～50℃温度范围内功率不稳 定度可小于5%。

波长为980 nm的泵浦光转换效率更高，达10 dB/mW， 而且噪声较低，是未来发展的方向。
编辑ppt
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增 益 / dB
35.0
30.0
增 益 / dB
25.0
20.0
15.0
输 出 光 功 率 / dBm
10.0
I
I
I
I
5.0
I
0.0
I
噪 声 指 数 / dB
－ 5.0
I
－ 10.0 － 40 － 35 － 30 － 25 － 20 － 15 － 10 － 5 0
光发射机
n 1′
…
2n 光发射机
n′
编辑ppt
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双向WDM系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系 统因素，如为了抑制多通道干扰(MPI)，必须注意到光反射的 影响、 双向通路之间的隔离、串扰的类型和数值、两个方向 传输的功率电平值和相互间的依赖性、光监控信道(OSC)传输 和自动功率关断等问题，同时要使用双向光纤放大器。所以 双向WDM系统的开发和应用相对说来要求较高，但与单向 WDM系统相比，双向WDM系统可以减少使用光纤和线路放 大器的数量。
光 纤
光 纤
1
光
接收1
1
…
合 波 BA
n 光转发器n n 器
s
LA
s
s
…
分 PA 波
s
器n 接收n
n
光监控信道
接收/发送
光监控信 道发送器
光监控信 道接收器
网络管理系统
图7.9 实际WD编M辑系pp统t 的基本结构
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7.2.3WDM技术的主要特点
1. 充分利用光纤的巨大带宽资源