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光纤通信复习资料必看
复习提纲
第一章知识点小结：
1.什么是光纤通信？
3、光纤通信和电通信的区别。
2.基本光纤通信系统的组成和各部分作用。
第二章知识点小结
1、光能量在光纤中传输的必要条件（对光纤结构的要求）。
2、突变多模光纤数值孔径的概念及计算。
3、弱导波光纤的概念。
4、相对折射率指数差的定义及计算。
5、突变多模光纤的时间延迟。
6、渐变型多模光纤自聚焦效应的产生机理。
7、归一化频率的表达式。
8、突变光纤和平方律渐变光纤传输模数量的计算。
第三章知识点小结
1、纤通信中常用的半导体激光器的种类。
2、半导体激光器的主要由哪三个部分组成？
3、电子吸收或辐射光子所要满足的波尔条件。
4、什么是粒子数反转分布？
5、理解半导体激光产生激光的机理和过程。
6、静态单纵模激光器。
7、半导体激光器的温度特性。
8、DFB激光器的优点。
9、LD与LED的主要区别10、常用光电检测器的种类。
11、光电二极管的工作原理。
12、PIN和APD的主要特点。
13、耦合器的功能。
14、光耦合器的结构种类。
15、什么是耦合比？
16、什么是附加损耗？
17、光隔离器的结构和工作原理。
第四章知识点小结
1、数字光发射机的方框图。
2、光电延迟和驰振荡。
3、激光器为什么要采用自动温度控4、数字光接收机的方框图。
5、光接收机对光检测器的要求。
6、什么是灵敏度？
7、什么是误码和误码率？
8、什么是动态围？
9、数字光纤通信读线路码型的要求。
10、数字光纤通信系统中常用的码型种类。
第五章知识点小结
1、SDH的优点。
2、SDH传输网的主要组成设备。
3、SDH的帧结构（STM-1）。
4、SDH的复用原理。
5、三种误码率参数的概念。
6、可靠性及其表示方法。
7、损耗对中继距离限制的计算。
8、色散对中继距离限制的计算。
第七章点知识小结
1、光放大器的种类2、掺铒光纤放大器的工作原理
3、掺铒光纤放大器的构成方框图4、什么WDM？
5、光交换技术的方式6、什么是光孤子？
7、光孤子的产生机理8、相干光通信信号调制的方式
9、相干光通信技术的优点
光纤通信复习
第一章
1.什么是光纤通信？
光纤通信，是指利用光纤来传输光波信号的一种通信方式
2.光纤通信和电通信的区别。
（1）电通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。
（2）电通信用电缆传输信号，光通信用光纤传输信号。
光缆具有比电缆更小的高频率传输损耗
3.基本光纤通信系统的组成和各部分作用。
基本光纤传输系统由光发射机、光纤线路和光接收机三个部分组成
1.光发射机
功能：
是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。
核心：
光源。
要求光源输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。
2.光纤线路
功能：
把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变（失真）和衰减传输到光接收机。
光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。
光纤线路的性能主要由缆光纤的传输特性决定。
3.光接收机
功能：
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。
核心：
光检测器。
对光检测器的要响应度高、噪声低和响应速度快。
光接收机把光信号转换为电信号的过程，是通过光检测器的检测实现的。
检测方式有直接检测和外差检测两种。
第二章
1、光能量在光纤中传输的必要条件。
设折射率，纤芯为n1；包层为n2,则光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。
2、突变多模光纤数值孔径的概念及计算。
1.突变型多模光纤（全反射导光）
（1）相对折射率指数差（纤芯和包层折射率分别为n1和n2）
定义：
弱导波光纤中n1和n2相差很少，则n1+n2=2n1
定义临界角θc的正弦为数值孔径（NumericalAperture,NA）。
根据定义和斯奈尔定律
设Δ=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21或θc=12.2°。
NA表示光纤接收和传输光的能力。
1）NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。
2）NA越大经光纤传输后产生的信号畸变越大
3、弱导波光纤的概念。
纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2。
这种光纤一般纤芯直径2a=50~80μm，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。
带宽只有10~20MHz·km，一般用于小容量（8Mb/s以下）短距离（几km以）系统。
4、相对折射率指数差的定义及计算。
参考2
5、突变多模光纤的时间延迟。
现在我们来观察光线在光纤中的传播时间。
根据图2.4，入射角为θ的光线在长度为L（ox）的光纤中传输，所经历的路程为l（oy），在θ不大的条件下，其传播时间即时间延迟为
式中c为真空中的光速。
由式（2.4）得到最大入射角（θ=θc）和最小入射角（θ=0）的光线之间时间延迟差近似为
6、渐变型多模光纤自聚焦效应的产生机理。
渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数，对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角θ0，其周期Λ=2π/A=2πa/，取决于光纤的结构参数（a,Δ），而与入射角θ0无关。
这说明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P点上，这种现象称为自聚焦（SelfFocusing）效应。
渐变型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。
这是因为
（1）光线传播速度v（r）=c/n（r）（c为光速），入射角大的光线经历的路程较长，但大部分路程远离中心轴线，n（r）较小，传播速度较快，补偿了较长的路程。
（2）入射角小的光线情况正相反，其路程较短，但速度较慢。
所以这些光线的时间延迟近似相等。
7、突变光纤和平方律渐变光纤传输模数量的计算。
对于突变型光纤，g→∞，M=V2/2；对于平方律渐变型光纤，g=2，M=V2/4。
8、归一化频率的表达式。
V=
见书22应该没有小于等于2.405的
9、单模条件和截止波长。
单模传输条件为V=
可以看到，对于给定的光纤（n1、n2和a确定），存在一个临界波长λc，当λ<λc时，是多模传输，当λ>λc时，是单模传输，这个临界波长λc称为截止波长。
由此得到
10、三种色散的定义。
模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生的，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。
材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式部不同波长成分的光（实际光源不是纯单色光），其时间延迟不同而产生的。
这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。
波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。
11、3dB带宽的表达式及相关计算。
（1）用脉冲展宽表示时，光纤色散可以写成
Δτ=（Δτ2n+Δτ2m+Δτ2w）1/2
式中Δτn、Δτm、Δτw分别为模式色散、材料色散和波导色散所引起的脉冲展宽的均方根值。
将归一化频率响应|H（f）/H（0）|下降一半或减小3dB的频率定义为光纤3dB光带宽f3dB
f3dB=
课本是441（分子）
12、光纤损耗产生的机理。
光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。
各种机理产生的损耗与波长的关系，这些机理包括吸收损耗和散射损耗两部分。
（1）吸收损耗
1）SiO2引起的固有吸收（本征损耗）
由电子跃迁引起的紫外吸收；由分子振动引起的红外吸收
2）杂质引起的吸收。
过渡金属（例如Fe2+、Co2+、Cu2+）、氢氧根（OH-）离子
（2）散射损耗
1）瑞利（Rayleigh）散射（本征损耗）
主要由材料微观密度不均匀引起，与波长λ四次方成反比。
2）由光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射
13、非零色散光纤。
是一种改进的色散移位光纤。
在密集波分复用（WDM）系统中，当使用波长1.55μm色散为零的色散移位光纤时，由于复用信道多，信道间隔小，出现了一种称为四波混频的非线性效应。
这种效应是由两个或三个波长的传输光混合而产生的有害的频率分量，它使信道间相互干扰。
如果色散为零，四波混频的干扰十分严重，如果有微量色散，四波混频反而减小。
这种光纤在密集波分复用和孤子传输系统中使用，实现了超大容量超长距离的通信
14、光缆缆芯的结构类型。
保护光纤固有机械强度的方法，通常是采用塑料被覆和应力筛选。
光缆一般由缆芯和护套两部分组成，光缆的传输特性取决于被覆光纤。
1.缆芯通常包括：
被覆光纤（或称芯线）
加强件通常用氏模量大的钢丝或非金属材料例如芳纶纤维（Kevlar）做成。
2.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力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力
缆芯结构的特点，光缆可分为四种基本形式。
（1）层绞式把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成，采用松套光纤的缆芯可以增强抗拉强度，改善温度特性
（2）骨架式把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽而构成。
这种结构的缆芯抗侧压力性能好，有利于对光纤的保护。
（3）中心束管式把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。
这种结构的加强件同时起着护套的部分作用，有利于减轻光缆的重量。
（4）带状式把带状光纤单元放入大套管，形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽或松套管，形成骨架式或层绞式结构。
带状式缆芯有利于制造容纳几百根光纤的高密度光缆，这种光缆已广泛应用于接入网。
15、光纤特性参数的测量方法。
（光纤的特性参数很多，基本上可分为几何特性、光学特性和传输特性三类。
）每个特性参数有多种不同的测量方法
基准法：
严格按照定义进行测量的方法。
替代法：
在某种意义上与定义相一致的测量方法。
当两者有争议时，应以基准法为准。
光纤损耗测量有两种基本方法：
一种是测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插入法；另一种是测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法。
（看书）
第三章
1、光纤通信中常用的半导体激光器的种类。
半导体激光二极管（LD）发光二极管（LED）DFB
2、半导体激光器的主要由哪三个部分组成？
激励源、激光物质和谐振腔
3、电子吸收或辐射光子所要满足的波尔条件。
电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式：
受激吸收自发辐射受激辐射
电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，
E2-E1=hf12（3.1）
式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。
4、什么是粒子数反转分布？
设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2（E2>E1）的原子数分别为N1和N2。
当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：
式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。
由于（E2-E1）>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。
吸收物质：
如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。
当光通过这种物质时，光强按指数衰减。
激活物质：
如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用。
N2>N1的分布，和正常状态（N1>N2）的分布相反，所以称为粒子（电子）数反转分布。
5、理解半导体激光产生激光的机理和过程。
过程：
由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。
P层带隙宽，对注入电子形成了势垒，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。
有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区。
书本52页
机理：
半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡。
6、静态单纵模激光器。
随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。
这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加而产生的。
当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。
7、半导体激光器的温度特性。
注：
激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：
一是激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大，二是外微分量子效率ηd随温度升高而减小。
温度升高时，Ith增大，ηd减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。
当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。
当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化。
8、DFB激光器的优点。
①单纵模激光器。
②谱线窄，波长稳定性好。
③动态谱线好。
④线性好。
广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统中。
想详细点就看书（57）
9、LD与LED的主要区别（课件只是两点，可看课后小结）
（1）LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。
（2）LED不需要光学谐振腔，没有阈值。
10、常用光电检测器的种类。
PIN光电二极管雪崩光电二极管（APD）
11、光电二极管的工作原理。
光电二极管（PD）把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。
（课本61）
12、PIN和APD的主要特点。
由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。
为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体（称为I），这种结构便是常用的PIN光电二极管。
随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。
当反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。
APD就是根据这种特性设计的器件
参考课本66有性能的比较，上面只是概念
13、耦合器的功能。
功能：
把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。
对光纤线路的影响：
插入损耗，反射和串扰噪声
14、光耦合器的结构种类。
1）T形耦合器功能是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，输入一根光纤。
主要用作不同分路比的功率分配器或功率组合器
2）星形耦合器功能是把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤，m和n不一定相等。
这种耦合器通常用作多端功率分配器。
3）定向耦合器其功能是分别取出光纤中向不同方向传输的光信号。
。
定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器。
4）波分复用器/解复用器这是一种与波长有关的耦合器，波分复用器的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光纤；解复用器是把一根光纤输出的多个不同波长的光信号，分配给不同的接收机。
15、什么是耦合比？
是一个指定输出端的光功率Poc和全部输出端的光功率总和的比值，用%表示。
16、什么是附加损耗？
由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的光功率总和Pit和全部输出端的光功率总和Pot的比值，用分贝表示
Le=10lg
17、光隔离器的结构和工作原理。
（必考）
隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。
主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。
插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值越大越好
课本72
第四章
1、数字光发射机的方框图。
（必考）
功能：
把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。
数字光发射机的方框图如图4.2所示，主要有光源和电路两部分。
光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。
电路的设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映输入电信号。
课本79
2、光电延迟和驰振荡。
输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间td，其数量级一般为ns。
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，称为弛振荡，其振荡频率fr（=ωr/2π）一般为0.5~2GHz。
弛振荡和电光延迟通信系统的影响（限制调制速率）：
（1）当最高调制频率接近弛振荡频率时，波形失真严重，会使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最高调制频率应低于弛振荡频率。
（2）电光延迟要产生码型效应。
当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“１”码丢失，这种现象称为“码型效应”
3、激光器为什么要采用自动温度控制？
1）温度升高，阈值电流增加，外微分量子效率减小，输出光脉冲幅度下降。
2）由于激光器结区温度的变化使得输出光脉冲的形状发生变化，这种效应称为“结发热效应”，“结发热效应”将引起调制失真
4、数字光接收机的方框图。
（必考）
直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于图4.14，主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路。
2）主放大器和AGC决定着光接收机的动态围
3）均衡器：
目的是对放大器出来的已产生畸变（失真）的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减小误码率。
4）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。
时钟提取的目的是为了实现收发同步。
5、光接收机对光检测器的要求。
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。
对光检测器的要求如下：
（1）波长响应要和光纤低损耗窗口（0.85μm、1.31μm和1.55μm）兼容；
（2）响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流；
（3）噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；
（4）性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。
目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。
6、什么是灵敏度？
灵敏度Pr：
在保证通信质量（限定误码率或信噪比）的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率〈P〉min，并以dBm为单位。
由定义得到
Pr=10lg
灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱光信号的能力。
提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号
7、什么是误码和误码率？
误码：
把发射的“0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。
误码率：
光接收机对码元误判的概率称为误码率（在二元制的情况下，等于误比特率，BER），用较长时间间隔，在传输的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示
8、什么是动态围？
动态围（DR）的定义是：
在限定的误码率条件下，光接收机所能承受的最大平均接收光功率〈P〉max和所需最小平均接收光功率〈P〉min的比值，用dB表示。
根据定义
DR=10lg
动态围是光接收机性能的另一个重要指标，它表示光接收机接收强光的能力，数字光接收机的动态围一般应大于15dB。
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，为实现宽动态围，采用AGC是十分有必要的。
AGC一般采用直流运算放大器构成的反馈控制电路来实现。
对于APD光接收机，AGC控制光检测器的偏压和放大器的输出；对于PIN光接收机，AGC只控制放大器的输出。
9、数字光纤通信读线路码型的要求。
在光纤通信系统中，从电端机输出的是适合于电缆传输的双极性码。
光源不可能发射负光脉冲，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤通信系统传输的要求。
数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即“有光脉冲”表示“１”码，“无光脉冲”表示“0”码。
数字光纤通信系统对线路码型的具体要求有：
（1）能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。
这样就可以减小基线漂移、提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，有利于提高光接收机的灵敏度。
（2）能给光接收机提供足够的定时信息。
因而应尽可能减少连“１”码和连“0”码的数目，使“1”码和“0”码的分布均匀，保证定时信息丰富。
（3）能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码监测和公务通信。
但对高速光纤通信系统，应适当减少冗余码，以免占用过大的带宽。
10、数字光纤通信系统中常用的码型种类。
扰码、mBnB码（特点可以查看94）插入码
第五章
1、SDH的优点。
与PDH相比，SDH具有下列特点：
（1）SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。
最低的等级也就是最基本的模块称为STM-1，传输速率为155.520Mb/s；4个STM1同步复接组成STM-4，传输速率为4×155.52Mb/s=622.080Mb/s。
（2）SDH各网络单元的光接口有严格的标准规。
因此，光接口成为开放型接口，任何网络单元在光纤线路上可以互连，不同厂家的产品可以互通，
（3）在SDH帧结构中，丰富的开销比特用于网络的运行、维护和管理，便于实现性能监测、故障检测和定位、故障报告等管理功能。
（4）采用数字同步复用技术，其最小的复用单位为字节，不必进行码速调整，简化了复接分接的实现设备，由低速信号复接成高速信号，或从高速信号分出低速信号，不必逐级进行。
（5）SDH采用了DXC后，大大提高了网络的灵活性及对各种业务量变化的适应能力。
2、SDH传输网的主要组成设备。
SDH终端复用器TM、分插复用设备ADM、数字交叉连接设备DXC等网络单元以及连接它们的（光纤）物理链路构成。
3、SDH的帧结构（STM-1）。
SDH帧结构是实现数字同步时分复用、保证网络可靠有效运行的关键。
图5.5给出SDH帧一个STMN帧有9行，每行由270×N个字节组成。
这样每帧共有9×270×N个字节，每字节为8bit。
帧周期为125μs，即每秒传输8000帧。
对于STM1而言，传输速率为9×270×8×8000=155.520Mb/s。
字节发送顺序为：
由上往下逐行发送，每行先左后右。
4、SDH的复用原理。
看书作总结107
5、三种误码率参数的概念。
误码率是衡量数字光纤通信系统传输质量优劣的非常重要的指标，它反映了在数字传输过程息受到损害的程度。
BER是在一个较长时间的传输码流中出现误码的概率，它对话音影响的程度取决于编码方法。
（1）劣化分（DM）：
误码率为1×10-6时，感觉不到干扰的影响，选为BERth。
选择取样时间T0为1min。
选择TL为1个月。
定义误码率劣于1×10-6的分钟数为劣化分（DM）。
HRX指标要求劣化分占可用分（可用时间减去严重误码秒累积的分钟数）的百分数小于10%。
（2）严重误码秒（SES）：
由于某些系统会出现短时间大误码率的情况，严重影响通话质量，因此引入严重误码秒这个参数。
选择监测时间TL为1个月，取样时间T0为1s。
定义误码率劣于1×10-3的秒钟数为严重误码秒（SES）。
HRX指标要求严重误码秒占可用秒的百分数小于0.2%。
（3）误码秒（ES）：
选择监测时间TL为1个月，取样
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