光纤通信复习大纲.docx

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光纤通信复习大纲

第一章

1光纤通信系统的分类：

数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统。

2基本光纤通信系统的组成：

光发射机、光纤线路、光接收机。

光发射机：

把输入的电信号转换成为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。

它的核心器件是光源（LD或LED）。

光纤线路：

用于传输光信号。

由光纤、光纤接头、光纤连接器组成。

光接收机：

把从光纤线路输出产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。

它的核心器件是光检测器（PIN或APD）。

3光纤通信使用的频段范围：

近红外光（波长为0.8-1.8um）,频带宽度为200THz.主要使用850nm1310nm1550nm三个窗口.

第二章　光纤和光缆

1光纤结构，临界传输角

纤芯、包层、涂敷层.纤芯的折射率略高于包层的折射率.涂敷层的折射率高于包层.

2单模光纤、多模光纤、阶跃折射率和梯度折射率光纤的比较

1）芯径:

单模光纤在10um以下,多模光纤在几十um

2）损耗:

单模光纤0.3dB左右多模光纤4dB左右

3）色散:

多模光纤色散大,主要是模间色散起作用.阶跃折射率光纤的色散梯度折射率光纤比大单模光纤色散没有模间色散,主要是模内色散和偏振模色散.色散较小.

4）带宽:

单模光纤的带宽比多模光纤的带宽大.多模梯度折射率光纤的带宽比多模阶跃折射率光纤大.

3阶跃光纤的相对折射指数差

4阶跃光纤的数值孔径的物理意义及公式

光纤的数值孔径与纤芯与包层直径无关，只与两者的相对折射率差有关。

若纤芯和包层的折射率差越大，NA值就越大，即光纤的集光能力就越强。

5对称平板波导波模的传输条件（相位传播常数）

6光纤归一化频率

阶跃光纤中传光的电磁波模式总数：

M=V²/2

渐变型光纤中传光的电磁波模式总数：

M=V²/4

7　单模光纤传输模式，满足什么条件才是单模传输

8、光纤波导中有哪些损耗？

产生的原因？

有以下三大类损耗:

1）吸收损耗

●本征吸收损耗:

是由于光纤材料本身吸收光能量产生的。

主要存在红外波段的分子振动吸收和紫外波段的电子跃迁吸收。

红外吸收对长波长有影响，紫外吸收对短波长有影响。

●杂质吸收损耗:

主要是由于光纤中含有的各种过渡金属离子和氢氧根（OH-）离子在光的激励下产生振动，吸收光能量造成。

（OH-）离子的吸收对光通信的长波长影响比较大（主要在1.38um）。

2）散射损耗

●瑞利散射损耗:

是由于光纤材料折射率分布小尺寸的随即不均匀性所引起的本征损耗。

瑞利散射损耗与波长的四次方成反比，即波长越短，损耗越大。

因此对短波长窗口影响较大。

●非线性散射损耗:

是当光强度大到一定程度时，产生非线性喇曼散射和布里渊散射，使输入光信号的能量部分转移到新的频率成分上而形成损耗。

因此非线性散射损耗是随广播频率变化的。

在常规光纤中由于半导体激光器发送光功率较小，该损耗可忽略。

但在DWDM系统中，由于总功率很大，就必须考虑其影响。

●波导效应散射损耗:

是由于光纤波导结构缺陷引起的损耗，与波长无关。

光纤波导结构缺陷主要由熔炼和拉丝工艺不完善造成。

3）其他损耗

v连接损耗是由于进行光纤接续是端面不平整或光纤位置未对准等原因造成接头处出现损耗。

其大小与连接使用的工具和操作者技能有密切关系。

v弯曲损耗是由于光纤中部分传导模在弯曲部位成为辐射模而形成的损耗。

它与弯曲半径成指数关系，弯曲半径越大，弯曲损耗越小。

v微弯损耗是由于成缆时产生不均匀的侧压力，导致纤芯与包层的界面出现局部凹凸引起。

9、光纤波导中有哪些色散，产生的原因，

1）模间色散

v即使在同一频率的光，不同的模式群速率不一样，也产生色散。

它主要取决于光纤的折射率分布。

v模间色散主要存于多模光纤中。

2）模内色散

v材料色散：

纤芯的材料的折射率随波长的变化导致色散。

折射率随波长的变化,使不同波长的群速度不同，造成时延差,发生脉冲展宽。

在1.27um处最小

v波导色散：

原因是由于光纤中只有80%的光功率在纤芯中传播，20%在包层中传播，如果包层中传播速率大于纤芯，就出现色散。

波导色散的大小取决于光纤的设计

3）偏振模色散:

光场的两个分量在变形的纤芯中以不同的速度传输产生色散.只存在于单模光纤中.

10、说明在光纤通信中认为与损耗无关的窗口有哪些？

850nm、1310nm、1550nm三个窗口。

11、光缆的结构

光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。

•缆芯：

由单根或多根光纤芯线组成，有紧套和松套两种结构。

紧套光纤有二层和三层结构。

•加强元件：

用于增强光缆敷设时可承受的负荷。

一般是金属丝或非金属纤维。

•护层：

具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性，主要是对已成缆的光纤芯线进行保护。

根据敷设条件可由铝带/聚乙烯综合纵包带粘界外护层（LAP），钢带（或钢丝）铠装和聚乙烯护层等组成。

光缆结构分类：

层绞式、骨架式、中心管束

第三章　

1、　光源的种类有：

LD、LED、固体激光器三种

2、激光二极管LD和发光二极管（LED）的工作原理及区别、特性曲线。

vLED发射的是自发辐射光（非相干光）。

大多采用双异质结结构，把有源层夹在P型和N型限制层间，但没有光学谐振腔，故无阈值。

LED分为正面发光型、边发光型和超辐射发光二极管，边发光型LED的驱动电流较大，输出光功率小，但光束发射角小，与光纤的耦合效率高，故入纤光功率比面发光型LED高。

vLD发射的是受激辐射光（相干光）。

采用双异质结结构，把有源层夹在P型和N型限制层间，有光学谐振腔，是一个阈值器件。

LD分为多纵模激光器和单纵模激光器。

输出光功率比LED大，并且发出的谱线窄，与光纤的耦合效率高，故适用于长距离、大容量的光纤通信。

LED的特性曲线LD的特性曲线

3、受激幅射、受激吸收、受激发射。

v自发辐射——无外界激励而高能级电子自发跃迁到低能级，同时释放出光子。

v受激辐射——高能级电子受到外来光作用，被迫跃迁到低能级，同时释放出光子，且产生的新光子与外来激励光子同频同方向，为相干光。

v受激吸收——低能级电子在外来光作用下吸收光能量而跃迁到高能级。

4、发射激光的必要条件：

v粒子数反转分布

v光反馈（光学谐振腔）

v激光振荡的阈值条件

5、光源材料与发射波长的关系

v光源材料带隙的大小决定着光源发射光波的波长

6、光检测器的作用、适合通信用的光检测器，光通信对光检测器的要求

•光检测器的作用是：

检测出入射在其上面的光功率，且将光功率转化相应的电流

•适合通信用的光检测器：

光电二极管（主要有Pin光电二极管和雪崩光电二极管）

光通信对光检测器的要求

•对所用光源的波长范围内有较高的响应度或灵敏度

•较小的噪声

•响应速度快

•对温度变化不敏感

•与光纤尺寸匹配

•工作寿命长

7、光检测器的产生光电流的原理：

半导体光电效应

光电效应是指光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电子-空穴对，这过程则为光电效应。

8、影响光电响应速度的原因、提高响应速度采用的办法

影响光电响应速度的原因：

•在耗尽层外的光生载流子扩散进入耗尽层的速度较慢，进入耗尽层后在内建电场的作用下作快速漂移运动，从而产生光生伏特效应。

由于扩散速度较慢，影响了光生伏特效应的速度，导致PN结对光信号响应速度减慢。

如果输入的光电号为光脉冲，则输出的电流脉冲会产生较长的拖尾。

•同时由于扩散速度慢，使得光生载流子在耗尽层外被吸收，影响了光电转换效率。

提高响应速度采用的办法：

1）设法加宽耗尽层，使得照射光子尽可能被吸收，负偏压有助于加宽耗尽层。

由于负偏压产生的电场与内建电场方向一致，使得耗尽层电场增强，加强了漂移运动，N区电子向正极运动并被中和，P区的空穴向负电极运动并被中和，这样耗尽层被加宽。

2）减少P区和N区的厚度来减少载流子的扩散时间，减少P区和N区被收的光能

3）降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层。

这种结构就是常用的PIN光电二极管

9、反向偏压的优点

可以加宽耗尽层、加快载流子的漂移速度，提高响应速度。

10、PIN光电二极管的结构

适当加大耗尽区的宽度。

在P型材料和N型材料之间加一层轻掺杂的N型材料，称本征层。

将两端的材料做成重掺杂的的P+层和N+层。

故称PIN光电二极管。

11、量子效率η和响应度

12、雪崩光电二极管（APD）的工作原理

APD是通过在其结构中构造一个强电场区，当光入射到PN结后，光子被吸收产生电子-空穴对，这些电子-空穴对运动进入强电场区后获得能量做高速运动，与原子晶格产生碰撞电离出新的电子-空穴对，该过程反复多次后使载流子雪崩式倍增。

13、光检测器噪声源有哪些，PIN的主要噪声和APD的噪声

光电二极管噪声包括信号电流和暗电流产生的散弹噪声和有负载电阻和后继放大器输入阻抗产生的热噪声

散弹噪声包括量子噪声，暗电流噪声和表面漏电流噪声。

均方散粒噪声电流

〈i2sh〉=2e（IP+Id）B（对于PIN）

均方热噪声电流:

〈i2T〉=

14、光检测器的波长响应范围

v只有当光子能量hν大于半导体材料禁带宽度Eg才能产生光电效应。

v

上限载止波长为

第四章

1光发射机的基本组成

1）光源将电信号转变成光信号

2）调制电路光源驱动

3）控制电路温度控制输出功率控制

4）线路编码电路将双极性码编码成适合于光纤传输的线路码型

2调制特性

电光延迟、张驰振荡、码型效应、结发热效应、自脉动现象

3控制电路

数字调制电路采用电流开关电路

APC控制电路利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路

ATC电路一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成.

4、光发射机的性能指标：

平均发射功率PT、消光比

5光接收机的作用，光接收机的噪声

•光接收机的作用是把经光纤传输后幅度被衰减，波形被展宽的微弱光信号转换为电信号，并处理放大，恢复为原发射的数字序列。

光接收机的噪声源

⏹光检测器引入的噪声

1量子噪声:

〈i2q〉=2eIPB（PIN）

〈i2q〉=2eIPBg2+x（APD）

2暗电流噪声:

〈i2d〉=2eIdB（PIN）

〈i2d〉=2eIdBg2+x（APD）

3负载电阻产生的热噪声:

〈i2T〉=

⏹光接收机电路噪声

1放大器输入电阻产生的热噪声:

〈i2T〉=

2放大器中晶体管引入噪声

6光接收机的组成

光检测器将光信号转变成电信号,由PIN和APD完成.要求有高转换效率.

前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。

前放的噪声取决于放大器的类型，通常采用场效应管和双极晶体管.

场效应管前置放大器:

输入阻抗高,灵敏度高,噪声小,但高频特性差

双极晶体管放大器:

输入阻抗低,噪声大,高频特性好

跨阻型前置放大器:

最大的优点是改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。

主放大器：

它的作用是提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制（AGC），以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。

均衡滤波器：

是对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变（失真）的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决（一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形），以消除码间干扰，减小误码率

再生电路：

包括判决电路和时钟提取电路，它的功能是从放大器输出的信号与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。

AGC控制主放大器的增益或APD管的雪崩增益,使输出信号在一定范围内不受输入信号的影响.

译码器：

在发射机端进行了线路编码,因此需解码,恢复出原数字序列

7数字接收机性能指标：

接收灵敏度、动态范围

灵敏度

动态范围：

Dr=PMAX-PMIN（dB）

8、影响光接收机灵敏度的因素

⏹灵敏度与放大器噪声的关系

灵敏度与放大器噪声成正比，放大器噪声越，灵敏度越差。

大放大器噪声对PIN接收机灵敏度起决定作用,极力降低放大器的噪声是提高灵敏度的关键,放大器噪声对APD影响相对较小.

⏹接收机灵敏度与码速的关系

码速越高,最小接收光功率越大,灵敏度下降

⏹灵敏度与输入波形的关系

输入波形为单位脉冲波形时,灵敏度最高

⏹消光比和暗电流对灵敏度的影响

消光比使灵敏度下降,消光比越大,灵敏度越差.暗电流使灵敏度下降

9、光纤传输采用了哪些线路码型

扰码mBnB码插入码

10、数字光纤通信系统的性能指标：

误码率（平均误码率、严重误码秒、劣化分）、抖动（输入抖动容限、输出抖动容限、抖动转移）可靠性。

11、链路的功率预算

Pt：

光发送机平均发光功率，以dBm为单位

Pr：

光接收机灵敏度，以dBm为单位

Ac：

活动连接器的损耗，一般取值Ac=0.5dB。

ME：

设备富余度，一般取ME＝3dB

a：

光纤的损耗系数

as：

平均每公里接续损耗，每个熔接点的衰耗可以保证在0.05dB以下

mc：

光缆富余度，一般取值为mc=0.1～0.2dB/km

12、链路的色散预算

Ø当光源为多纵模激光器时，ε＝0.115；当光源为发光二极管时，ε＝0.306;fb是线路码速率（Mb/s），δλ为光源的根均方谱宽，单位为nm;D（λ）为所用光纤的色散系数，单位为ps/km·nm;

当光源为单纵模激光器时

为啁啾声系数。

对分布反馈型（DFB）单纵模激光器而言，=4～6ps/nm；对量子阱激光器而言，=2～4ps/nm;

D（λ）仍为单模光纤的色散系数，单位为ps/km·nm;

λ为系统的工作波长上限，单位为nm;

fb为线路码的速率，其单位为Tbit/s。

13、SDH标准速率等级。

STM-N的标准速率分别为：

STM-1——155520Mbit/s

STM-4——622080Mbit/s

STM-16——2488320Mbit/s

STM-64——9953280Mbit/s

它们之间彼此都呈×4的关系

第六章

1、光放大器的工作原理、种类

⏹光放大的原理：

所有光放大器都是通过受激幅射过程来实现对入射的光功率进行放大的，产生受激幅射所需要的离子数反转机制与半导体激光器中使用的完全相同。

虽然光放大器在结构上与激光器相似，但是没有反馈机制。

因此光放大器，可以放大信号，但不能产生相干的激光输出。

⏹种类：

（1）半导体放大器：

易与其他半导体器件集成，但性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。

（2）光纤喇曼放大器（FAR）它是利用石英光纤的非线性效应而制成。

在合适波长的强光作用下，石英光纤会出现受激喇曼散射（SRS）效应，当光信号沿着这受激发的一段光纤中传输时，可以使其实现光放大。

（3）掺铒光纤放大器（EDFA）

铒（Er）是一种稀土元素。

将它注入到纤芯中，即形成了一种特殊光纤，它在泵浦光的作用下可直接对某一波长的光信号进行放大。

EDFA的主要优点有：

①工作波长处在1530～1560nm范围，与光纤最小损耗窗口一致；

②对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦；

③连接损耗低，耦合效率高。

因为它是光纤型放大器，因此易于与光纤耦合连接，且连接损耗可低至0.1dB。

④增益高且特性稳定、噪声低、输出功率大。

增益可达40dB，且在100℃内增益特性保持稳定，也与偏振无关。

噪声系数可低至3～4dB，输出功率可达14～20dBm；

⑤对各种类型、速率与格式的信号传输透明。

vEDFA的缺点有：

①波长固定，只能放大1550nm左右的光波，可调节的波长有限；

②增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。

2、EDFA的工作原理，结构及各部分的功能

EDFA的工作原理：

在掺铒光纤（EDF）中，铒离子有三个能级：

基态E1、亚稳态E2和激发态E3。

当泵浦光的光子能级等于E3和E1的能量差时，铒离子吸收泵浦光的光能从基态跃迁到激发态，但激发态不稳定，电子很快返回到E2，若输入的信号光的光子能量等于E2和E1之间能量差，则电子从E2跃迁到E1，产生受激辐射光，故光信号被放大。

EDFA的结构：

掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔离器以及光滤波器等组成

光隔离器：

是防止反射光影响光放大器稳定工作，保证光信号只能正向传输的器件。

光滤波器的作用是滤除光放大器的噪声、降低噪声对系统的影响,提高系统的信噪比.。

光耦合器：

是将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来的无源光器件，一般采用波分复用器。

掺铒光纤：

是一段长度大约为10～100m的石英光纤，将稀土元素铒离子注入到纤芯中，浓度约为25㎎/㎏。

泵浦光源：

为半导体激光器，输出的光功率为10～100mW，工作波长约为980nm或1480nm。

按照泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA又可有三种不同的结构方式:

同向泵浦结构、反向泵浦结构、双向泵浦结构

3、EDFA的应用

1）作前置放大器

放于光接收机的前端，一般要求是高增益、低噪声的放大器。

由于EDFA的低噪声特性，将它用作接收机的前置放大器时，可提高光接收机灵敏度。

2）作功率放大器

将掺铒光纤放大器接在光发射机的输出端，则可用来提高输出功率，增加入纤光功率，延长传输距离

3）作光中继器

这是EDFA在光纤通信系统中的一个重要应用，它可代替传统的光/电/光中继器，对线路中的光信号直接进行放大，得以实现全光通信

第七章光纤通信中的复用技术

1、光纤通信中的复用技术：

光波分复用、光频分复用、光时分复用、光码分复用

2、WDM系统的基本类型

从传输方向分，可以分为双纤单向波分复用系统和单纤双向波分复用系统；

从光接口类型分，可以分为集成式波分复用系统和开放式波分复用系统。

1.）双纤单向传输

单向DWM是指所有光路同时在一根光纤上沿同一方向传送

2）单纤双向传输

同一光波分复用器既可作合波器，又可作分波器，具有方向的可逆性，因此，可以在同一根光纤上实现双向传输。

3）集成式波分复用系统

考虑到各波长之间的影响最小和更多厂家的设备能互通工作，WDM使用的激光器发出的光的中心波长、波长间隔、中心频率偏移等均有严格的规定，必需符合ITU-TG.692建议。

4）开放式波分复用系统

开放式系统就是在波分复用器前加入波长转换器（OpticalTransitionUnit，OTU），将SDH非规范的波长转换为标准波长

3、WDM系统设计须考虑的问题

1）、WDM的信道串扰

（1）线性串扰

线性串扰通常发生在解复用过程中，取决于用于选择信道的光滤波器的特性。

（2）非线性串扰

由于是光纤非线性效应引起的，故这种串扰便称之为非线性串扰。

光纤的非线性效应包括受激喇曼散射、受激布里渊散射、交叉相位调制和四波混频等。

2）、复用路数与波长范围的选择

WDM系统的最大复用路数决于两个因素：

信道最大可利用带宽和最小信道间隔。

EDFA的最大可利用带宽要分成两种情况：

o20nm带宽，即1540～1560nm范围，无需作通带平坦化处理。

（16个波道）

o32nm，即1528.77～1560.61nm范围，需要作通带平坦化处理。

3）速率等级的选择

单通道系统的传输速率取决于通信容量的需求和通信成本的合理化。

4）光纤类型的选择

WDM系统设计选择光纤的一般原则是：

o新建WDM系统的路由不再选用G.653光纤，旧路由的G.653光纤用于WDM系统需采取不等间隔信道波长配置，复用路数通常选为8波。

oSTM-16系统一般使用G.652光纤，可以实现120km的跨距传输，具有成本优势。

且未来有1310和1550两个波段同时使用的潜力。

o2.5Gbit/s速率以上，长跨距宜选用G.655光纤。

o允许同一个系统中G.652光纤和G.655光纤混用。

4、我国的光接口规范：

我国专家对于我国的加有光放大器的长途WDM系统规定了3种光接口：

8×22dB，5×30dB，3×33dB。

其中前面的8、5、3分别代表传输的区段数目，22、33dB代表每个区段允许的损耗。

一个8×22dB系统，在发射端使用一个功率放大器，中间加入多个在线放大器，接收机前加前置放大器，每一区段的距离约为80km，因此,总的传输距离为640km（8×80km）；一个3×33dB系统可以传输360km（3×120km）；一个5×30dB系统则可以传输500km（5×100km）。

有光放大器的系统，通常情况下，光放大器都工作在大功率下，其入纤功率有的已接近光纤安全功率极限，因此，ITU-T规定，系统中单路或多路入纤功率最大不能超过17dBm。

光监控信道OSC（OpticalSupervisoryChannel）

对于使用线路放大器的WDM系统，需要一个额外的通道对EDFA进行监视和管理，此通道叫做光监控信道。

这个通道的波长依据应用情况可以在放大器的带宽之内或之外，但必须能在每个线路放大器处进行上、下路。

一般建议波长选择在放大器的带宽之外。

选择在带外的建议波长为1510nm。

另外，1310nm和1480nm也可以作为一个选择。

另一个可能的选择是1625nm，现正在研究之中。

OSC光接口的其他建议参数：

监控速率2Mbit/s；信号码型CMI；信号发送功率0~7dBm；最小接收灵敏度-48dBm

第8章

1、光交换的类型：

光空分交换、光时分交换、光波分交换

2、光波长转换的方法：

光/电/光转换、全光波长转换

3、光孤子及光孤子通信的概念

光孤子：

是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲（ps数量级）。

光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。

光孤子通信：

利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。

4、相干光通信的概念

相干光通信:

在发射端对光载波进行幅度、频率或相位调制；在接收端，则采用零差检测或外差检测，这种检测技术称为相干检测。

和IMD方式相比，相干检测可以把接收灵敏度提高20dB，相当于在相同发射功率下，若光纤损耗为0.2dB/km，则传输距离增加100km