全光光纤通信网(杨淑雯编著)思维导图
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第6讲光纤通信
2019/10/30
4
1.1
1.1.1 探索时期的光通信
• 原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人
用旗语传送信息。
• 1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话
音的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。
• 1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光
现 代 通 信 技 术——
光纤通信
2019/10/30
1
主要内容：
第一节..光纤通信概论 第二节..光纤放大器 第三节..波分复用WDM 第四节..光弧子通信 第五节..全光通信网的概念Βιβλιοθήκη 2019/10/302
第一节..光纤通信概论
1.1 光纤通信发展的历史和现状
1.1.1 探索时期的光通信
1.1.2 现代光纤通信
型多模光纤通信系统， 以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通 信系统的试验。
• 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。
• 随后，由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-
8海底光缆通信系统于1988年建成。
• 第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于
1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，
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。
目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系 统将成为未来国家信息基础设施的支柱。
在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经
济中201占9/10重/30 要地位。
18
我国光纤通信发展成就
我国863计划光纤通信技术:
2019/10/30
光纤通信PPT资料
表8.2是国际电信联盟对CWDM信道间隔的划分。全波长18个 光信道。
8.2 WDM的基本组成
前边已介绍，也可自己看看这一节内容。
8.3 WDM系统中的关键器件
8.3.1 WDM系统中的光源
1. WDM系统对光源的要求
LED：谱线宽度50~100nm,输出功率低，调制速率低，不适于 WDM光源。 F-P腔LD：谱线宽度8nm左右，可作为粗波分复用（CWDM）。
☆ 光频分复用 (OFDM) 波分复用密集程度与电通信的频分复用密集程度相当时。
8.1 WDM工作原理 8.1.1 WDM工作原理
目前单波长可以达到40Gb/s，但原中继器已经不能胜任， 单波长提高传输容量必须构建新的路由，升级比较困难。
升级措施：
（1）波分复用：每个波长无须达到40Gb/s，多个波长可大幅度 提高通信容量。当今采用波分复用技术最高速率已达到11Tb/s。 （2）采用光时分复用和光码分复用：但目前技术还不很成熟。 单波长时分和码分在实验室已经达到640Gb/s (0.64Tb/s)。 我们重点讲解波分复用技术。
收端要求，必须自动进行调谐，（自动检测波长，转换到相 应光电二极管上）时间要求几ns。
8.3.3 WDM系统中的光放大器
对WDM系统若用过去的中继器，光电光，只能真对一 个波长，多个波长则会使中继器十分庞大，是不现实的。
用掺铒光纤放大器EDFA，在1550nm窗口附近，约有35nm 带宽。可以对该波长范围的WDM系统进行光放大。
（3）光栅外腔激光器
在LD外边增加一个可移动和可转动的光栅，该光栅与LD 的自然解理面构成一个外腔。移动光栅可粗调，转动光栅可细 调。调谐范围达80nm，不足之处，体积大，稳定性差，调谐 速度慢，早期曾用于WDM系统，现在只当作测试光源。
8.2 WDM的基本组成
前边已介绍，也可自己看看这一节内容。
8.3 WDM系统中的关键器件
8.3.1 WDM系统中的光源
1. WDM系统对光源的要求
LED：谱线宽度50~100nm,输出功率低，调制速率低，不适于 WDM光源。 F-P腔LD：谱线宽度8nm左右，可作为粗波分复用（CWDM）。
☆ 光频分复用 (OFDM) 波分复用密集程度与电通信的频分复用密集程度相当时。
8.1 WDM工作原理 8.1.1 WDM工作原理
目前单波长可以达到40Gb/s，但原中继器已经不能胜任， 单波长提高传输容量必须构建新的路由，升级比较困难。
升级措施：
（1）波分复用：每个波长无须达到40Gb/s，多个波长可大幅度 提高通信容量。当今采用波分复用技术最高速率已达到11Tb/s。 （2）采用光时分复用和光码分复用：但目前技术还不很成熟。 单波长时分和码分在实验室已经达到640Gb/s (0.64Tb/s)。 我们重点讲解波分复用技术。
收端要求，必须自动进行调谐，（自动检测波长，转换到相 应光电二极管上）时间要求几ns。
8.3.3 WDM系统中的光放大器
对WDM系统若用过去的中继器，光电光，只能真对一 个波长，多个波长则会使中继器十分庞大，是不现实的。
用掺铒光纤放大器EDFA，在1550nm窗口附近，约有35nm 带宽。可以对该波长范围的WDM系统进行光放大。
（3）光栅外腔激光器
在LD外边增加一个可移动和可转动的光栅，该光栅与LD 的自然解理面构成一个外腔。移动光栅可粗调，转动光栅可细 调。调谐范围达80nm，不足之处，体积大，稳定性差，调谐 速度慢，早期曾用于WDM系统，现在只当作测试光源。
光纤通信基础知识3.pptx
EDFA
OADM
λ2 λ2
EDFA
data1
DeMUX
data2 data3
data4 O/E Receiver
光通讯网络
光纤通讯网络
电磁波谱
1cm 1mm 100um 10um 1um 100nm 10nm 1nm λ波長
10G 100G 1T 10T 100T 10^15 10^16 10^17
如果是一束白光， 我们能看到彩带。 即红、橙、黄、绿 、青、蓝、紫。
棱镜对光的折射
光的
n1 n2 n1<n2
空气 水
视觉位置
实际位置
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
光纤传输的基本原理
光的全反射
信息量及单位
• 二进制数字信号有0和1两个信号位，称为比特（bit）。这 就是数字信号常用的信息量单位b（或Kb、Mb、Gb等）。
• 信息量举例：
• 一位十进制数字 4b，
三分钟讲话 20Mb
• 一个汉字
16b，
三分钟音乐 100Mb
• 一页文字 一本书
20Kb， 5Mb，
一幅图片 5Mb 一场电影 200Gb
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
光通信发展简史
•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。
《光纤通信》第八章光纤通信网络PPT课件
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End 演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
➢光分插复用器的核心部件 光分插复用器的核心部件是一个具有波长选择能力的光
学或光子学元件，例如本书第7章介绍的几种光滤波器等。
37
8.3.2 光分插复用器
➢光分插复用器的实现方法 基于解复用/复用结构的OADM 基于光纤马赫-曾德尔干涉仪加上光纤布喇格光栅结构的OADM 基于光纤耦合器加上光纤布喇格光栅结构的OADM 基于光纤光栅加上光纤环行器结构的OADM 基于介质膜滤波器加上光纤环行器结构的OADM
能够对通道层网络的连接性进行管理控制是SDH网的重要特 性之一，SDH传送网中的通道层网络还可进一步分为高阶通道 层网络和低阶通道层网络。
6
8.1 SDH传送网
1、传送网的分层（分层模型） ➢传输媒质层网络
传输媒质层网络为通道层网络结点提供合适的通道容量，并 且可以进一步分为段层网络和物理媒质层网络(简称物理层)，其 中段层网络是为了保证通道层的两个结点间信息传递的完整性， 物理层是指具体的支持段层网络的传输媒质，如光缆或无线。
35
8.3.1 WDM光传送网的分层结构
WDM网络结点的主要功能; 光通道的上下路功能; 光分插复用器（OADM） 交叉连接功能; 光交叉连接器（OXC）
36
8.3.2 光分插复用器
➢光分插复用器的功能
在波分复用光路中对不同波长信道进行分下与插入操作 在WDM光网络的一个结点上，光分插复用器在从光波 网络中分下或插入本结点的波长信号的同时，对其它波长的 向前传输并不影响，并不需要把非本结点的波长信号转换为 电信号再向前发送，因而简化了结点上信息处理，加快了信 息的传递速度，提高了网络组织管理的灵活性，降低了运行 成本。特别是当波分复用的波长数很多时，光分插复用器的 作用就显得特别明显。
➢光分插复用器的核心部件 光分插复用器的核心部件是一个具有波长选择能力的光
学或光子学元件，例如本书第7章介绍的几种光滤波器等。
37
8.3.2 光分插复用器
➢光分插复用器的实现方法 基于解复用/复用结构的OADM 基于光纤马赫-曾德尔干涉仪加上光纤布喇格光栅结构的OADM 基于光纤耦合器加上光纤布喇格光栅结构的OADM 基于光纤光栅加上光纤环行器结构的OADM 基于介质膜滤波器加上光纤环行器结构的OADM
能够对通道层网络的连接性进行管理控制是SDH网的重要特 性之一，SDH传送网中的通道层网络还可进一步分为高阶通道 层网络和低阶通道层网络。
6
8.1 SDH传送网
1、传送网的分层（分层模型） ➢传输媒质层网络
传输媒质层网络为通道层网络结点提供合适的通道容量，并 且可以进一步分为段层网络和物理媒质层网络(简称物理层)，其 中段层网络是为了保证通道层的两个结点间信息传递的完整性， 物理层是指具体的支持段层网络的传输媒质，如光缆或无线。
35
8.3.1 WDM光传送网的分层结构
WDM网络结点的主要功能; 光通道的上下路功能; 光分插复用器（OADM） 交叉连接功能; 光交叉连接器（OXC）
36
8.3.2 光分插复用器
➢光分插复用器的功能
在波分复用光路中对不同波长信道进行分下与插入操作 在WDM光网络的一个结点上，光分插复用器在从光波 网络中分下或插入本结点的波长信号的同时，对其它波长的 向前传输并不影响，并不需要把非本结点的波长信号转换为 电信号再向前发送，因而简化了结点上信息处理，加快了信 息的传递速度，提高了网络组织管理的灵活性，降低了运行 成本。特别是当波分复用的波长数很多时，光分插复用器的 作用就显得特别明显。
全光通信网(总复习)PPT课件
.
1177
单个光开关的性能参数
插入损耗
串扰
开关时间
隔离度
消光比
.
1188
1. 光开关 MEMS光开关工作原理
➢ 在硅晶上可出若干微小的镜片，通过静电力 或电磁力的作用，使可以活动的微镜产生升 降、旋转或移动，从而改变输入光的传播方 向以实现光路通断的功能。
.
1199
1. 光开关 二维MEMS光开关示意图
全光通信网
复习串讲
.
1
1
内容提要
❖ 概述
❖ 全光通信网组网关键网元 ❖ 光交换技术 ❖ 光传送网技术 ❖ IP over WDM ❖ 自动交换光网络
.
22
一. 概述
❖理解全光网络的概念、特点 ❖理解光网络的热点研究问题、组成和
技术发展方向 ❖掌握波分复用系统的工作原理
.
33
光网络的基本概念
光网络（ON，Optical Network） • 代表由光纤提供的大容量、长距离、 高可靠的链路传输手段。
3311
2. 光交叉连接设备 几种主要的OXC结构
❖ 基于可调谐滤波器的OXC结构
星型
耦合器
1
可调谐 空间光 滤波器开关矩阵
N×N
1
星型
耦合器
1
2
N×N
2
2
Nf
Nf
N×N
M 发送模块 接收模块
OX理解OADM的主要功能 ❖理解OADM的主要指标 ❖理解几种常用的OADM结构 ❖知道几种主要的ROADM
二维MEMS开关需要N2个微镜来完. 成N×N自由空间光交叉连接 2200
1. 光开关 MZI型热光开关工作原理
不加热时为交叉连接 3dB定向耦合器 加热时为平行连接
光纤光学基础知识
3 Rc 20 (2.748 0.996 ) 3/ 2 (n) c
光纤的传输特性
单模光纤的临界曲率半径与截止波长λc有关， λc越大 则Rc越小，也就是说，截止波长越大则弯曲特性越好。
微弯曲损耗 多模光纤微弯曲损耗：多模光纤的微弯曲情况非常复 杂，仅作定性描述。 多模光纤的微弯曲损耗与弯曲形状有关，如果对光纤 进行周期性弯曲时，如图6所示，将会在某个弯曲频 率下产生最大损耗，而且损耗与弯曲振幅A2成正比， 与弯曲总长度L成正比。 图6.多模光纤的周期性微弯曲
光纤的传输特性
弯曲损耗实例 1.多模光纤扰模：属于宏弯曲，高阶模的弯曲损耗较 大，经过多个扰模圈之后被损耗掉，剩余低阶模。 在实际光纤链路中，高阶模的传输不稳定，很容易损 耗掉，因此多模器件在扰模后的测试值，更符合实际 应用情况。 2.单模跳线BR测试中的Bending：属于微弯曲，单模 纤芯较小，通过Bending可将光路完全隔断。 多模纤芯大得多，从弯曲损耗产生机制(图5)来看，光 纤弯曲半径再小也不能将通过的低阶模完全损耗掉。 3.光纤Bending判定：在跳线组装和Coupler构装时， 我们经常依据1310nm光损耗远小于1550nm来判定光 纤Bending。
光纤的传输特性
光纤的色散 棱镜的色散 图7所示为棱镜的色散，由于棱镜材料对不同波长光的 折射率不同，产生的偏折角度不同，表现为不同波长 的光在空间展开。
图7.棱镜的色散 光纤材料色散 与棱镜色散类似，由于光纤材料对不同波长光的折射 率不同，也会产生色散，只是表现形式不同。
光纤的传输特性
1.619 2.879 (0.65 3 / 2 6 )a V V
我们看到，归一化频率V越大则模场半径ω越小，光能 量被约束得越集中，即导光能力越强。 模场半径对分析单模光纤的连接损耗、微弯曲损耗等 有重要作用。
第六章光纤通信
– 通信用的单模光纤纤芯为4-10μm，多模光纤纤芯直 径为50~85μm，不管单模光纤还是多模光纤，包层 的直径均为125μm。
n
2
n
1
设纤芯和包层的折射率分别为n1和 n2，光 在光纤中传输的必要条件是n1＞n2。
相对折射指数差（Δ）
Δ n12 n2 2 2n12
Δ n1 n2 n1
渐变型光纤（GIF）
– 纤芯折射率呈非均匀分布，在轴心处最大，而在光 纤横截面内沿半径方向逐渐减小，在纤芯与包层的 界面上降至包层折射率n2。
W型光纤（双包层光纤）
– 在纤芯与包层之间设有一折射率低于包层的缓冲层， 使包层折射率介于纤芯和缓冲层之间。
6.2.2 光纤的导光原理
分析光纤的导光原理，一般可采用两种方 法：一种是波动理论法，另一是射线法。
6.2.1 光纤的结构与分类 6.2.2 光纤的导光原理 6.2.3 单模传输条件 6.2.4 光纤的传输特性 6.2.5 光缆
6.2.1 光纤的结构与分类
1．光纤的结构
– 光纤是由中心的纤芯和外面的包层构成的，一般为 双层或多层的同心圆柱体，为轴对称结构。
– 纤芯位于光纤中心，作用是传输光波。包层位于纤 芯外层，作用是将光波限制在纤芯中，同时还起到 一定的机械保护作用。
– 波动理论法是根据电磁场理论，分析其传输 特性。
– 光可用一条表示光的传播方向的几何线来表 示，这条几何线就称为光射线。用光射线来 研究光波传输特性的方法，称为射线法。
1．光的反射和折射
当光射线射到两种介质交界面时，将发生 反射和折射。
入 射
θ1
θ3
反射
n1
n2
n1＞n2
θ2
折
射
n
2
n
1
设纤芯和包层的折射率分别为n1和 n2，光 在光纤中传输的必要条件是n1＞n2。
相对折射指数差（Δ）
Δ n12 n2 2 2n12
Δ n1 n2 n1
渐变型光纤（GIF）
– 纤芯折射率呈非均匀分布，在轴心处最大，而在光 纤横截面内沿半径方向逐渐减小，在纤芯与包层的 界面上降至包层折射率n2。
W型光纤（双包层光纤）
– 在纤芯与包层之间设有一折射率低于包层的缓冲层， 使包层折射率介于纤芯和缓冲层之间。
6.2.2 光纤的导光原理
分析光纤的导光原理，一般可采用两种方 法：一种是波动理论法，另一是射线法。
6.2.1 光纤的结构与分类 6.2.2 光纤的导光原理 6.2.3 单模传输条件 6.2.4 光纤的传输特性 6.2.5 光缆
6.2.1 光纤的结构与分类
1．光纤的结构
– 光纤是由中心的纤芯和外面的包层构成的，一般为 双层或多层的同心圆柱体，为轴对称结构。
– 纤芯位于光纤中心，作用是传输光波。包层位于纤 芯外层，作用是将光波限制在纤芯中，同时还起到 一定的机械保护作用。
– 波动理论法是根据电磁场理论，分析其传输 特性。
– 光可用一条表示光的传播方向的几何线来表 示，这条几何线就称为光射线。用光射线来 研究光波传输特性的方法，称为射线法。
1．光的反射和折射
当光射线射到两种介质交界面时，将发生 反射和折射。
入 射
θ1
θ3
反射
n1
n2
n1＞n2
θ2
折
射
光纤通信课件第三章
第十页，共68页。
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。
第五页，共68页。
3.1.1 激光器的工作 (gōngzuò)原理
第十三页，共68页。
3.1.1 激光器的工作 (gōngzuò)原理
图3-3 激光器示意图
第十四页，共68页。
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
第十八页，共68页。
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。
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。
第五页，共68页。
3.1.1 激光器的工作 (gōngzuò)原理
第十三页，共68页。
3.1.1 激光器的工作 (gōngzuò)原理
图3-3 激光器示意图
第十四页，共68页。
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
第十八页，共68页。
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。
KS3-1
全光网的知识佚名供稿全光网，原理上讲就是网中直到端用户节点之间的信号通道仍然保持着光的形式，即端到端的全光路，中间没有光电转换器。
数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而其在各网络节点的交换则使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备（OXC）。
这样，网内光信号的流动就没有光电转换的障碍，信息传递过程无需面对电子器件处理信息速率难以提高的困难。
另外，全光网中由于没有电的处理，故允许存在各种不同的协议和编码形式，使信号传输具有透明性。
全光网的基本结构可以分为光网络层和电网络层。
利用波分复用技术的全光网将采用三级体系结构。
0级（最低一级）是众多单位各自拥有的局域网（LAN），他们各自连接若干用户的光终端（OT）。
每个0级网的内部使用同一套波长，但各个0级网多数也可重复使用同一套波长。
1级可看做许多城域网（MAN）他们各自设置波长路由器连接若干个0级网。
2级可以看做全国或国际的骨干网，他们利用波长转换器或交换机连接所有的1级网。
在未来的全光通信网中，全光的性能监控、检错、故障隔离和恢复功能都将在光层上实现。
这使得全光网具用更高效的保护与恢复策略以及更简单、更有效的网络控制与管理功能。
为了保证全光网的透明性并保证信号在长途传送网中的性能，需要制订统一的光信号质量标准，以及利用光域设备进行性能诊断以验证光信号性能。
如果无法在光域进行状态检测以获取相关的网络信息，将无法保证透明光网络的正常工作，因为网络状态信息的获取是网络运营、管理和维护的基础。
总的说来全光网具有以下一些优点：●解决了“电子瓶颈”问题。
●降低成本，挖掘宽带潜力。
●波分复用（WDM）全光网具备可扩充性和可重构性。
●端到端服务。
近年来，我国光纤通信市场增长迅速，以每年20%的速度递增。
目前我国长途传输网的光纤化比重已超过80%，其中中国电信长途光缆总长超过20万km，中国联通长途光缆总长达到1.87万km。
据信息产业部透露，我国在光纤通信方面的计划是：2000年在现有光缆网基础上主要采用2.5G和10G同步传输技术，建成覆盖全国的网络型光缆干线网，辅之以数字微波和卫星通信网，构成高速、宽带、安全、可靠的信息通道。