武汉理工大学光纤通信考试.docx
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武汉理工大学光纤通信考试
第一章
11970年，光纤研究取得了重大突破，使光纤通信可以与同轴电缆通信竞争，从而展现了光纤通信的美好前景。
同时作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展，突破了把半导体激光器低温（-200℃）或脉冲激励条件下工作的研制，研制成功室温下振荡的镓铝砷双异质结半导体激光器（短波长），虽然寿命只有几个小时，但是它为半导体激光器的发展奠定了基础。
2光纤通信用的近红外光（波长为0.7-1.7um）频带宽度约为200THZ，在常用的1.31um和1.55um两个波长窗口频带宽度也在20THZ以上。
波分电磁波频谱
3光纤通信优点
1容许频带很宽，传输容量很大
2损耗很小，中继距离很长且误码率很小
3重量轻，体积小
4抗电磁干扰性能好
5泄露小，保密性好
6节约金属材料，有利于资源合理使用
4光纤通信系统的基本组成。
5直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，是输出光随电信号变化而实现的。
技术简单，成本较低，容易实现，但是调制塑速率受激光器的频率特性所限制。
外调制是把激光器的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。
调制速率快，技术复杂，成本高。
第二章
1光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。
纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。
2突变型光纤：
纤芯折射率n1保持不变，到包层突然变为n2，故又称为阶跃折射率型光纤。
纤芯直径2a=50-80um，光线以折线形状沿纤芯中心轴方向传播，信号畸变大。
渐变型多模光纤：
在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2.。
纤芯直径50um，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，信号畸变小。
单模光纤：
折射率分布与突变性相似，纤芯直径8-10um，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。
这种光纤只能传输一个模式，称为单模光纤，信号畸变很小。
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4不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在一点上，这种现象叫做自聚焦效应。
渐变性多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。
入射角大的光线经历路程较长，但大部分路程远离中心线，光线传播速度v（r）c/n（r），n（r）较小，传播速度较快，补偿了较长的路程。
入射角小的光线情况相反，路程短但是速度慢。
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8色散：
光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的传播时间不同而产生的一种物理效应。
模式色散：
不同模式的传播时间不同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。
材料色散：
由于广西那的折射率随波长而改变，以及波长内部不同波长成分的光，其传播时间不同而产生的。
波导色散：
由于波导结构参数与包场有关而产生的，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。
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10色度色散：
理想单模光纤没有模式色散，只有材料色散和波导色散。
材料色散和波导色散总称为色度色散，常见称为色散。
11光纤损耗
12吸收损耗：
有SIO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。
散射损耗：
主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷引起的散射产生的。
13多模ITU-T编号G1
单模ITU-T编号G.652常规
ITU-T编号G.653色散移位
ITU-T编号G.6541.55um损耗最小
缆芯：
包括被覆光纤和加强件两部分。
被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。
加强件起着承受光缆拉力的作用，通常处于缆芯中心，有时配置在护套中。
护套：
护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。
第三章
1光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器和发光二级管或称发光管。
2受激吸收自发辐射受激辐射
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5机构中间有一层厚0.1--0.3um的窄禁带P型半导体，称为有源层。
两侧分别为宽禁带的P型和N型半导体，称为限制层。
三层半导体置于基片上，前后两个晶体介质里面作为反射镜构成布里--珀罗谐振腔。
DH激光器世家正向偏置电压后，P层空穴和N层的电子注入有源层。
P层对电子形成势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。
同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。
这样注入到有源层的电子和空穴就被限制在厚度为0.1-0.3um的有源层内形成粒子数翻转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高增益。
另一方面，有源层的折射率比限制曾高，产生的激光被限制在有源区内，因而电光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温下连续工作。
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8温度特性：
温度升高时，增大，减小，输出光功率明显下降。
9发光二级管工作原理
10光电二极管工作原理
当连接电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。
同样P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。
当入射光变化时，光生电流随之变化，从而把光信号转换成电信号。
11PIN型光电二极管工作原理
光电二极管的PN结中间掺入一层浓度很低的N型半导体称为（I）层，两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体。
I层较厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部形成大量的电子--空穴对，因而大幅度提高了光谷店转换效率。
光电二极管的噪声包括由信号电流和暗电流长生的散粒噪声和由负载电阻和后继放大器输入点粗产生的热噪声。
12雪崩光电二极管工作原理
根据光电效应，当光入射到PN节时，光子被吸收而产生电子空穴对。
如果电压增加很高，初始电子在糕点厂区获得足够能量而加速运动。
告诉运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子空穴对。
如此重复，形成连锁反应，致使载流子雪崩是倍增。
13光耦合器
T形耦合器：
把一根光纤输入的光信号按一定比例分配给两根光纤，或把两根光纤输入的光信号组合在一起。
星形耦合器：
把n跟光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤。
定向耦合器：
分别取出光线中向不同方向传播的光信号。
波分复用器/解复用器：
把多个不同个波长的发射机输出的光信号组合在一起。
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第四章
1数字光发射机方框图
2电光延迟时间：
半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬态响应，输出光脉冲和诸如电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间。
张弛振荡：
当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为张弛振荡。
自脉动现象：
某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续邓福的高频振荡，这种现象称为自脉动现象。
3光发射机中为什么用到自动功率控制：
由于温度变化和工作时间的加长，LD的输出光功率会发生变化，为保证输出光功率的稳定必须引入自动功率控制。
半导体光源的输出特性受温度影响很大，特别是长波长半导体激光器对温度更加敏感，为保证输出头特性的稳定，对激光器进行自动温度控制是十分必要的。
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光检测器是光接收机实现光电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。
主放大器一般是多级放大器，作用是提供足够的增益，它和AGC决定着光接收机的动态范围。
均衡器：
对光纤传输，光电转换和放大后产生畸变的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减小误码率。
判决电路和时钟提取电路：
从放大器输出的信号和噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。
5噪声：
一部分是外部电磁干扰产生大的，另一部分是内部产生的。
是在信号检测和放大的过程中引入的随机噪声。
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7由于使用条件不同，输入光接收机的光信号大小要发生变化，为实现宽动态范围，采用自动增益控制AGC是十分必要的。
第五章
1PDH主要适用于中低速率点对点传输。
缺点：
（1）北美、西欧、和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容，没有世界统一的标准光接口，使得国际电信网的建立及网络的运营、管理和维护变得十分复杂困难。
（2）各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的开销比特，使网络设计缺乏灵活性，不能适应点心网络不断扩大，技术不断更新的要求。
（3）由于低速率信号插入到高速率信号，或从高速率信号分出，都必须逐级进行，不能直接分插，因为复接/分接设备结构复杂，上下话路价格昂贵。
2SDH不仅适用于点对点传输，而且适用于多点之间的网络传输。
优点：
（1）SDH采用世界统一的标准传输速率等级
（2）SDH各网络单元的光接口有严格得标准规范
（3）在SDH帧结构中，有丰富的比特开销
（4）采用数字同步复用技术
（5）采用数字交叉连接设备DXC可以对各种端口速率进行可控的连接配置。
3根据参数由损耗计算中继距离比较取小的。
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第六章
1模拟光纤传输系统主要调制方式有：
模拟基带直接光强调制、模拟间接光强调制、频分复用光强调制。
（1）模拟基带直接光强调制：
用承载信息的模拟基带信号，直接对发射机光源进行光强调制，使光源输出光功率随时间变化的波形和输入模拟基带信号的波形成比例。
（2）模拟间接光强调制：
先用承载信息的模拟基带信号进行电的预调制，然后用这个预调制的电信号对光源进行光强调制。
其又分为频率调制、脉冲频率调制、方波频率调制。
（3）频分复用光强调制：
用每路模拟电视基带信号，分别对某个指定的射频电信号进行条幅或调频，然后用组合器把多个预调RF（射频）信号组合成多路带宽信号，再用这种多路带宽信号对发射机光源进行光强调制。
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3实现电/光转换的光源，由于在大信号条件下工作，线性较差，所以发射激光源的输出功率特性是D-IM系统产生非线性失真的主要原因。
为使模拟信号直接光强调制系统输出光信号真实反映输入电信号，要求系统输出光功率与输入电信号呈比例地随时间变化，不发生信号失真。
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5模拟基带直接光强调制光纤电视传输系统光发射机的功能是，把模拟电信号转换为光信号。
模拟基带D-IM光纤电视传输系统光发射机原理如图。
输入TV信号经同步分离和箝位电路后，输入LED的驱动电路。
R1C1电路用于调节D-IM系统电视信号的幅频特性，RE用于检测通过LED的电流，RC用于控制通过LED的极限电流，V2用于保护LED防止反向击穿，LED的工作点由箝位电路调节。
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第七章
1惨铒光纤中，饵离子有三个能级：
其中能级1代表基态，能量最低，能级2是亚稳态，处于中间能级；能级3代表激发态，能量最高。
当泵浦光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态。
但是激发态不稳定的，铒离子很快返回能级2.
如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1能量差，则处于能级2的铒将跃迁到基态，产生受激辐射光，因而信号光得到放大。
2光纤放大器构成原理图\
3EDFA主要优点
1工作波长正好落在光纤通信最佳波段
2增益高
3噪声系数小
4频带宽
EDFA应用分为三种形式
1中继放大器
2前置放大器
3后置放大器
4光波分复用WDM技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。
基本原理：
在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用），并作进一步处理，回复出原信号后送入不同的终端。
5将不同波长的信号组合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器。
将同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器。
在发送端将载有各种信息的、具有不同载波波长的已调光信号通过光复用器组合在一起，并在一根光线中单向传输。
由于各信号是通过不同波长的光载波携带的，因此彼此之间不会混淆。
在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成多路光信号的传输的
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