光纤通信课程总结文档格式.docx
《光纤通信课程总结文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤通信课程总结文档格式.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
怕水；
分路、耦合不方便；
弯曲半径不能太小。
但是必须指出，随着研究的深入和技术的发展，光纤通信的这些缺点都已被克服了，已经不再影响光纤通信的推广和应用。
介绍这些缺点的目的是要求我们在实际应用时尽量避免这些问题的发生。
1.3光纤通信系统的组成和分类
光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。
主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。
一般的光纤通信系统组成图
调制器：
调制器有两个主要功能。
首先，将电信号转换成适合传输的形态；
其次，将这种信号加载到由载波源产生的载波上。
载波源：
载波源产生携带信息并与之一起传播的波，我们将其称为载波。
在射频通信系统中，载波由电振荡器产生。
在光纤通信系统中，则使用半导体激光器或发光二极管产生光载波。
信道耦合器：
将功率送进信道。
有四种应用场合：
1.无线电中的天线；
2.电缆导引系统中的简单连接器；
3.大气光通信中的一组透镜；
4.光纤通信中有效地将来自光源的已调制光束传送给光纤。
光纤中的耦合器比较复杂，原因是：
光源发光角度大；
光纤尺寸小；
设计不好会导致光功率的明显降低。
信道：
信道是指发送机和接收机之间的传输路径。
在光纤通信系
统中，玻璃光纤就是信道。
长距离传输需要中继器，中继器分为电中继器和光中继器（光放大器），其中电中继器只能用于数字系统，而光中继器能用于模拟和数字系统。
检测器：
从信道接收到的信息必须从其载波上分离出来。
在电系统中，这就是所谓的解调过程，通过适当的电路来完成。
在光纤通信系统中，光检测器将光波转换成电流。
各种不同设计的半导体光电二极管是最常用的光检测器。
信号处理器：
（1）对于模拟传输来说，信号处理器仅包括对信号的放大和滤波。
噪声会影响系统性能，需要定量计算噪声，需要针对不同应用场合要求的信噪比来设计相应的光纤系统；
（2）对于数字系统，处理器除了要有放大器和滤波器外,还必须包括判决电路。
对于高质量的通信，误码率应该很小。
信宿：
（1）信息要传送给一个人时，他需要听到或看到这个信息。
为了达此目的，必须将电信号转换成声波或者可视图像。
为了完成这个过程，需要合适的转换器，对声音信号使用扬声器，对图像则使用阴极射线管（CRT）。
（2）直接使用来自信号处理器的电形态信息，通过简单的电连接器，用来连接信号处理器和后面的系统。
中继器：
是个很关键的部件，其主要作用就是延长光信号的传输距离。
中继器分为电中继器和光中继器。
电中继器－将经过长途传输损耗了的、有畸变的光信号转换为电信号，进行再定时、整形、再生出规则的电脉冲，然后再转换为光信号送入光纤。
光中继器（光放大器）不需要进行光-电-光的转换，直接对光信号进行放大，比较简单。
不能对被放大信号进行再定时、整形和再生。
也就是说，它在放大信号的同时，也放大了噪声，因此，一般在连续应用几个光放大器以后。
要用一个电中继器进行再定时和整形。
光纤通信系统地分类方法有很多种，可归纳为：
光纤通信系统的应用包括：
有线电视（CATV）；
电话线中继线；
海底光缆；
有线化城市；
有线局域网；
军事应用；
光纤传感器。
光纤通信的基本要素
光发射源－－光源（关键器件）导光介质－－光纤（光传输媒介）
光接受器－－光检测器（关键器件）光通信设备（网络单元）
光通信系统（组网）
第二章光纤与光缆
2.1光纤的结构与类型
光纤（OpticalFiber,OF）：
就是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质构成。
一般分为三部分：
折射率较高的纤芯；
折射率较低的包层；
外面的涂覆层；
纤芯：
由高度透明的材料制成，如：
石英玻璃（SiO2）、塑料等；
包层：
折射率略小于纤芯的折射率，光波导效应，使大部分的电磁场被束缚在纤芯中传输；
涂覆层：
保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，增加光纤的柔韧性；
不用来导光，可以染成各种颜色。
现在通信用光纤包层直径一般为125μm。
纤芯的粗细、纤芯材料的折射率分布和包层材料的折射率分布，对光纤特性起着决定性的作用。
包层材料通常是均匀材料，折射率为常数。
根据不同的分类方法，同一根光纤将会有不同的名称：
（1）按照光纤截面折射率分布分类
分为：
阶跃型光纤，渐变型光纤。
其中渐变型光纤的折射率分布可用折射率沿半径的分布函数来表示。
这个分布函数中的α值等于2时，对应的是抛物线型折射率分布；
等于1时为三角形折射率分布；
趋于无穷大时为阶跃型光纤，因此阶跃型光纤可以认为是渐变光纤的一种极限形式。
（2）按照光纤中传输模式数量分类
多模光纤，单模光纤。
其中多模光纤分为：
多模均匀光纤（阶跃型多模光纤），多模非均匀光纤（渐变型多模光纤）。
多模光纤的定义是：
在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传输时，则称为多模光纤。
多模光纤的纤芯直径一般为50μm，包层直径为125μm。
其特点：
由于纤芯直径较大，传输模式较多，故多模光纤的传输特性较差，带宽较窄，传输容量也较小。
单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单模光纤只能传输基模（最低阶模），不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，适用于高码速传输。
单模光纤的折射率一般呈阶跃型分布。
纤芯直径一般为8～l0μm，包层直径为125μm。
单模光纤的带宽一般在几十GHz·
km以上，比渐变型多模光纤的带宽高1～2个数量级。
（3）按照光纤的工作波长分类
短波长光纤；
长波长光纤；
超长波长光纤。
短波长光纤的工作波长在0.7～0.9μm范围内，主要用于短距离、小容量的光纤通信系统中。
长波长光纤的工作波长在1.1～1.6μm范围内，主要用于中长距离、大容量的光纤通信系统中。
超长波长光纤的工作波长大于2μm，光纤损耗特别低，是传输媒介的发展方向。
（4）按ITU-T建议分类
G.651光纤（渐变型多模光纤）；
G.652光纤（常规单模光纤）；
G.653光纤（色散位移光纤）；
G.654光纤（截止波长光纤）；
G.655光纤（非零色散位移光纤）。
2.2光纤的射线理论分析
分析光纤中光的传输理论有两套：
光学射线理论（即几何光学理论）；
光学波动理论。
二者的对比如下图所示：
光在光疏介质中的传播速度较光密介质中快，在光学射线理论中涉及的基本光学定义和定律如下：
光密介质，光疏介质，全反射，临界角，反射定律，折射定律，子午射线，斜射线，阶跃型、渐变型光纤的相对折射率差，数值孔径角，数值孔径，数值孔径的物理含义。
光纤的导光原理：
光纤能够导光就是利用纤芯折射率略高于包层折射率的特点，使落于数值孔径角内的光线都能收集在光纤中，并在芯包边界以内形成全反射，从而将光线限制在光纤中传播。
根据单纯的射线光学理论，在θc<
θ≤π／2范围内将有无数个连续变化的入射角，这些光线射入光纤后都能发生全反射，这样就对应着无数个连续变化的传导模式。
而根据波动理论，在光纤中不存在无数个连续变化的导模，而只存在有限个、离散的传导模。
因此在光纤中只有那些既满足全反射条件又满足相位一致条件的光线才能真正存在，或者说：
在光纤中只有那些既满足全反射条件又满足相位一致性条件的光线才能成为导模。
从相位一致条件角度解释：
阶跃型多模光纤与渐变型多模光纤相比，不利于高码速脉冲的传输。
判断一根光纤是不是单模传输，主要看各种模式的归一化截止频率与光纤的归一化频率的相对大小。
从光纤的归一化频率的表达式
可以看出：
一根光纤是否是单模传输，与光纤自身的结构参数及光纤中传输的光波长有关。
同一根光纤某光波长条件下为单模，但在另一光波长条件下可能为多模。
对于折射率为幂律分布的光纤，有一个根据光纤的归一化频率来计算光纤中包含的模式数的公式。
根据这个公式得出如下结论：
光纤中的传导模数量是一个相对量，它不仅与光纤本身的结构参数有关，还与工作波长有关。
不同的工作波长在同一根光纤中传输时，存在的传导模数目是不同的。
对这个公式中的α取不同值就可得到各种类型光纤中所包含的模式数。
光纤单模工作的充分必要条件是：
光纤的归一化频率要小于次低阶模的归一化截止频率Vc（根据Vc的计算公式得到各种类型光纤的Vc值）。
2.3光纤的波动理论分析
当平面波由光密介质射向两介质分界面上时，根据入射角θ1的大小，可以产生两种类型的波：
当入射角大于临界角时产生导行波，能量集中在光密介质及其界面附近；
当入射角小于临界角时产生辐射波，一部分能量辐射到光疏介质中并在其中传播。
对于光波导来说，导波是一种重要的波型。
波动光学理论求解步骤归纳：
①求解Ez和Hz分量所满足的标量亥姆霍兹方程；
②将Ez和Hz分量代入麦克斯韦方程求出分量；
③利用边界条件确定常数并推导出特征方程；
④由特征方程进行模式分类，推导出光纤中各模式的特征方程，并研究各模式的截止条件、远
离截止条件、传输常数等。
波动理论部分涉及的概念包括：
TEM波，TE波，TM波，EH波，HE波，模式，弱导光纤，简并模，导模的径向归一化相位常数U表达式，导模的径向归一化衰减常数W表达式，光纤的归一化频率V与U、W二者的关系（模式的特性由这三个参数所决定），
HE11模没有截止现象，是光纤中的最低阶模，存在于所有光纤中。
如果适当设计光纤的结构参数和工作波长，就可以使HE11模以外的所有模式全部截止，则光纤就成为单模光纤。
因此，HE11模是单模光纤的工作模式。
弱导光纤中单模传输的条件：
光纤的归一化频率V只要满足0<
V<
2.40483。
互相简并的模式在光纤中可同时存在。
从光纤的归一化频率公式角度分析光纤通信中的单模光纤做成弱导光纤的原因。
第三章光纤的传输特性
3.1光纤的损耗特性
光纤的特性包括：
几何尺寸特性、光学特性、传输特性、机械特性、温度特性。
其中最重要的是光纤的传输特性。
光纤的传输特性包括：
损耗特性、色散特性、带宽特性。
以石英光纤为例，光纤的损耗包括：
（1）吸收损耗（本征吸收损耗定义、杂质吸收损耗定义、原子缺陷吸收损耗定义）。
紫外、红外吸收损耗机理及特点；
（2）散射损耗的定义，包括线性散射损耗（瑞利散射机理，波导散射损耗定义）及非线性散射损耗（受激喇曼散射和受激布里渊散射）
（3）弯曲损耗包括宏弯和微弯，各自的定义。
引入损耗系数来衡量一根光纤损耗特性的好坏，它的定义及表达式。
3.2光纤的色散特性
色散的概念，色散的危害。
按照色散产生的原因，可分：
模式色散、材料色散、波导色散、极化色散。
在多模光纤中，模式色散占主导地位，它最终限制了多模光纤的带宽。
单模光纤只传输一个模式，没有模式色散，因此带宽可以很大。
模式色散的机理，阶跃光纤中的模式色散计算公式，实际的阶跃光纤中的模式色散要比公式计算小一些的原因，渐变型光纤中模式色散的计算公式，根据模式色散表达式分析相对折射率差、数值孔径、模式色散三者之间的关系。
阶跃型光纤和渐变型光纤两种类型光纤的模式色散比较（见幻灯片）。
色散系数的定义，色散系数的表达式（共包括两项，第1项是材料色散系数，第2项是波导色散系数），材料色散的机理，正色散光纤和负色散光纤的物理机理，正、负色散光纤搭配使用的好处。
波长色散包括材料色散和波导色散。
对于普通单模光纤而言，极化色散要比材料色散和波导色散小很多，可以忽略不计。
对四种色散进行总计：
光纤中存在4种色散，其大小关系为模式色散>
>
材料色散>
波导色散>
极化色散，由于极化色散很小，一般忽略不计。
多模光纤中主要存在模式色散、材料色散和波导色散，单模光纤中存在材料色散和波导色散，多模光纤的总色散表达式，单模光纤的总色散表达式。
光纤的总色散定义及表达式，光纤总带宽表达式，总色散和总带宽二者之间的关系（表达式），波长色散带宽定义式，模式畸变带宽定义式，链路总带宽的两个计算公式（链路总带宽与单位公里带宽之间的关系）。
例题：
一制造长度为2km的阶跃型多模光纤，纤芯和包层的折射率分别为
，
，使用工作波长为
，光源的谱线宽度
，材料色散系数
，波导色散
，光纤的带宽距离指数
。
试求：
（1）光纤的总色散；
（注：
可用准确公式也可用近似公式，色散数值精确到ps）
（2）总带宽和单位公里带宽。
带宽数值精确到Hz）
答：
（1）多模光纤的总色散为
，其中模式色散
为：
，在弱导光纤中
材料色散
本题中的
和
可以用准确公式也可用近似公式进行求解。
首先用准确公式求解，
所以最后算得总色散为：
用近似公式求解，
（2）总带宽为：
用近似公式求解的总带宽为：
第四章常用光无源器件
如何区分光有源器件和光无源器件，无源器件按功能进行分类可分为：
光隔离器、光纤连接器、光合/分路器、光耦合器、光开关、光衰减器、光极化控制器、光环行器、滤波器等。
光纤连接器的定义，造成光纤连接器损耗的因素包括：
横向错位、角向错位、端面之间有间隔、端面不平滑。
评价一个连接器的4个主要指标的定义。
光纤耦合器的定义及分类。
光纤耦合器特性参数的含义（插入损耗、附加损耗、分光比、方向性、均匀性、偏振相关损耗、隔离度）。
光波分复用器是对光波波长进行分离与合成的光无源器件。
对光波分复用器和解复用器的共同要求，复用器和解复用器的不同点，解复用器的主要光学特性包括：
中心波长、中心波长工作范围、中心波长对应的最小插入损耗、相邻信道之间串音耦合最大值、偏振相关损耗。
光开关的主要任务是切换电路，其特性参数包括：
插入损耗、回波损耗、隔离度、远端串扰、近端串扰、消光比、开关时间。
第五章光源与光发送机
光源的定义，现代光纤通信所使用的半导体光源器件的特点。
半导体光源器件包括半导体发光二极管，半导体激光二极管。
光发送机的定义。
5.1半导体光源的物理基础
在研究光与物质的相互作用时，爱因斯坦指出存在三种基本过程：
自发辐射、受激辐射及受激吸收，这三者的定义。
在实际物质中，三种过程有可能同时存在，为了使物质材料成为发光物质，就应该使自发辐射（发光二极管）/或受激辐射（激光二极管）占据优势，同样，为了构成光电检测器，就应该使受激吸收占据优势。
粒子数正常分布状态和粒子数反转分布状态的定义，实现粒子数反转分布状态的方法包括光激励方法、电激励方法等，在半导体光源器件中，我们通常是利用外加适当的正向电压来实现粒子数反转分布状态的。
5.2半导体光源的工作原理
激光二极管和发光二极管在工作原理上的差异，
5.3光源的工作特性
光源的工作特性包括：
P-I特性、光谱特性、调制特性、温度特性。
LED和LD在P-I特性方面的差异，LED和LD在光谱特性方面的差异，LED和LD在调制特性方面的差异，LED和LD在温度特性方面的差异。
光源的简易检测方法。
5.4光发送机
光发送机主要由光源、驱动电路及辅助电路等构成，驱动电路的作用、光源的主要作用、辅助电路的主要作用。
尾巴光纤的定义。
光发送机的主要指标包括平均发送光功率，平均发送光功率稳定度，消光比三者的定义。
第六章光电检测器与光接收机
实际应用中的光检测器件——光电检测器（又称为光电检波器或光波探测器）是光纤通信系统的一个核心器件。
借助光电检测器可以完成光信号到电信号的变换。
为了实现光的解调或光电变换，在实际系统中还要将光电检测器、放大电路、均衡滤波电路、自动增益控制电路及其他电路构成一体，形成所谓的光接收机。
因此，光接收机在整个光纤通信系统中具有相当重要的作用，它的好坏将直接决定着系统的性能优劣。
6.1光电检测器
常用的光电检测器包括PIN光电二极管和APD光电二极管，二者应用的场合不同。
PIN光电二极管的工作原理，APD光电二极管的工作原理。
6.2光电检测器的特性指标
光电检测器的性能指标包括：
响应度（定义）、量子效率（定义）、响应速度（定义，影响响应速度的5点因素）、暗电流（由体内暗电流和表面暗电流组成，在PINPD中，暗电流大小主要决定于其表面暗电流；
在APD中，暗电流大小主要指体内暗电流）、APD的倍增因子（定义）、光电检测器的噪声（噪声包括量子噪声、暗电流噪声、由倍增过程产生的倍增噪声，在PINPD中不存在倍增噪声，在APD中存在上述三种噪声，但是主要由倍增噪声决定）。
对于APD来说，如何选择最佳倍增因子。
6.3光接收机
根据接收信号与光电检测器的关系，可以将光解调或光检测方式分为两类：
非相干检测方式和相干检测方式。
非相干检测方式的工作原理（图6.4），相干检测方式的工作原理（图6.5）。
光接收机的构成（图6.6），所有的光纤通信系统均有光接收机灵敏度和光接收机动态范围两个指标。
光接收机灵敏度的定义，光接收机动态范围的定义。
为了获得较大的光接收机动态范围，又要不损害光接收机的灵敏度，最好的方法是引入AGC电路和/或倍增因子控制电路。
6.4光接收机的噪声
出现在光接收机输出端的噪声非常多，大致包括光电检测器噪声、光接收机噪声、传输介质噪声及光发送机噪声等。
光接收机的噪声源包括光电检测器噪声和放大器噪声，其中光电检测器上的噪声包括光检测噪声、暗电流噪声及背景辐射噪声。
放大器噪声可分为FET前置放大器的噪声和BJT前置放大器的噪声。
在PINPD光接收机中，光检测噪声要远远小于放大器的噪声。
PINPD光接收机的信噪比定义，APD光接收机的信噪比定义。
6.5光接收机的灵敏度
影响光接收机灵敏度的几个主要因素是：
输入和输出信号波形、非理想均衡滤波、直流光和背景光、判决阈值。
第七章光放大器
光放大器在光纤通信系统目前最重要的应用就是促使了波分复用技术走向实用化。
光放大器促进了光接入网技术的蓬勃发展。
光放大器还将促进光孤子通信技术的实用化。
光放大器是未来全光通信网中不可缺少的重要器件。
7.1光放大器的分类
按照原理不同，大体上有三种类型：
（1）掺杂光纤放大器
稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器。
目前最成功的的是掺铒光纤放大器，其他掺杂光放正在研发过程中。
（2）传输光纤放大器
利用光纤中的各种非线性效应制成的光放大器。
受激喇曼、受激布里渊和四波混频效应的光放大器，喇曼光放应用最广泛。
（3）半导体光放大器
结构大体上与激光二极管相同。
根据端面是否有反射介质膜，可分为驻波型光放大和行波型光放大。
小结：
在激励源方面，前两者利用光激励，半导体光放利用电激励。
在工作原理方面，掺杂和半导体是利用粒子数反转实现光放大，传输光纤是利用光学非线性效应而实现光放大。
7．2放大器指标
1.光放大器的增益
（1）增益G与增益系数g
增益G定义为：
放大器输出端与输入端的连续信号功率的比值。
增益系数：
表示光强通过单位长度介质后的增长率。
增益系数与掺杂浓度、信号光功率、泵浦光功率有关。
增益G与增益系数g之间的表达式。
（2）放大器的带宽
定义小信号增益低于峰值小信号增益3dB的频率间隔为放大器的带宽，通常也叫半高全宽带宽。
（3）增益饱和与饱和输出功率
当放大器增益减少为峰值的一半时，所对应的输出功率就叫饱和输出功率，这是放大器的一个重要的参数。
2．放大器噪声
放大器产生的噪声会降低信噪比，从而缩短电再生中继距离，所以噪声.也是放大器的一项重要指标。
（1）光纤放大器的噪声来源
来源是自发辐射，噪声随信号光一起在光纤中传输放大，从而降低了信号光的信噪比。
（2）噪声系数
任何放大器都会产生自发辐射，因此放大器放大信号时必然要增加噪声劣化信噪比。
信噪比的劣化用噪声系数表示。
它定义为输入信噪比与输出信噪比之比：
（上式）分子和分母分别代表输入与输出的信噪比。
对于粒子数反转放大系统，3dB是最小的噪声系数，称为噪声系数极限。
希望光放大器的噪声系数越小越好，因为它是限制中继距离的重要因素。
7．3典型光放大器
掺铒光纤放大器，定义：
是将掺铒光纤在泵浦源的作用下，能够对某些波长的信号光进行放大的光纤放大器。
它与激光器的工作原理类似。
在泵浦源的作用下，工作物质粒子由低能级跃迁到高能级，在一定的泵浦强度下，得到了粒子数反转分布而具有光放大作用。
当工作频带范围内的信号光输入时便得到放大。
掺铒光纤放大器有三种泵浦方式，分别是同向泵浦、反向泵浦、双向泵浦。
（1）同向泵浦，泵浦光沿光纤长度衰减，在一定的光纤长度上达到增益饱和而使噪声迅速增加。
（2.）反向泵浦，优点是不易达到饱和，噪声性能较好。
（3.）双向泵浦，同时结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使泵浦光在光线中均匀分布，从而使其增益在光纤中均匀分布。
（4.）三种泵浦方式比较（PPT）
光纤喇曼放大器，受激喇曼散射（三阶非线性极化项）是光纤喇曼放大器（FRA）的工作原理，它是靠非谐振、非线性散射，实现放大功能，不需要粒子数反转。
第八章光复用技术
8．1光复用技术的主要几种方式。
光纤通信单信道速率40Gbit/s，与光纤带宽潜力相比相差巨大，有潜力可挖。
电复用技术实验室已到40Gbit/s，但受电子迁移速率限制，进一步提高速率已十分困难。
克服电复用的这一“瓶颈”，进一步提高光纤频带的利用率，只有采用光复用技术，必须挖。
光波分，基本原理：
在发送端将不同波长光信号组合，耦合到光缆同一根光纤中传输，在接收端将组合波长光信号分开，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。
（研究最多、发展最快、应用最为广泛。
）
光频分，与WDM没有本质上区别。
V=λf相邻两光载波的间隔更小，一般认为：
当相邻光载波的间隔小到0.1nm（10GHz）以下时，此时的复用称为光频分复用。
8．2WDM（光波分）、DWDM（密集波分复用）和OFDM（光频分）的关系：
WDM、DWDM和OFDM在本质上没有多大区别，以往技术人员习惯采用WDM和DWDM来区分是1310/1550nm简单复用还是在1550nm波长区段内密集复用，但目前在电信界应用时，都采用DWDM技术。
副载波复用电域复用
8．2详细介绍了光时分复用技术中，比特交错和分组交错的复用和解复用的基本原理。
根据每个支路每次复用的比特数的不同，分成：
比特交错OTDM（一个比特）；
分组交错OTDM（若干个比特）；
它们都需要利用帧脉冲信号（帧同步信号，帧头）区分不同的复用数据或分组。
8．2．1比特交错
复用：
（1）锁模激光器产生窄脉
升级会员 