光纤通信复习重点 2.docx
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光纤通信复习重点2
《光纤通信》课程复习提纲
2014.6
1.光纤通信的优点
（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）.泄漏小，保密性能好
（6）.节约金属材料，有利于资源合理使用
2.光纤通信系统的基本组成
光纤通信系统的基本组成（单向传输）
3.光纤通信对光源的要求
对光源的要求：
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。
4.直接调制和间接调制
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，使输出光随电信号变化而实现的。
这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。
外调制是把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。
外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。
5.光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成
光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成；
光检测器是光接收机的核心。
光接收机最重要的特性参数是灵敏度。
灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，它反映接收机调整到最佳状态时，接收微弱光信号的能力。
6.检测方式有直接检测和外差检测的区别。
检测方式有直接检测和外差检测两种。
直接检测是用检测器直接把光信号转换为电信号。
这种检测方式设备简单、经济实用，是当前光纤通信系统普遍采用的方式。
外差检测要设置一个本地振荡器和一个光混频器，使本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输出中频光信号，再由光检测器把中频光信号转换为电信号。
外差检测方式的难点是需要频率非常稳定，相位和偏振方向可控制，谱线宽度很窄的单模激光源；优点是有很高的接收灵敏度。
7.灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，它反映接收机调整到最佳状态时，接收微弱光信号的能力。
灵敏度主要取决于组成光接收机的光电二极管和放大器的噪声，并受传输速率、光发射机的参数和光纤线路的色散的影响，还与系统要求的误码率或信噪比有密切关系。
所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的重要指标。
7.数字通信系统的优点
①抗干扰能力强，传输质量好。
②可以用再生中继，传输距离长。
③适用各种业务的传输，灵活性大。
④容易实现高强度的保密通信。
⑤数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。
8.实用光纤的基本类型
实用光纤主要有三种基本类型:
突变型多模光纤、渐变型多模光纤、单模光纤。
9.NA
NA表示光纤接收和传输光的能力，NA（或θi）越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高
NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。
NA=n0sinθimax
从公式上看，△越大，NA越大，光纤的收光效果越好。
10.色散的分类及原因特点
色散一般包括模式色散（模间色散）、材料色散和波导色散。
其中材料色散和波导色散又统称为模内色散（色度色散）
模式色散：
是由于不同模式的时间延迟不同产生的。
取决于光纤折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。
材料色散：
由于光纤的折射率随波长而改变，模式内部不同波长成分的光时间延迟不同产生的。
取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱宽。
波导色散：
由于波导结构参数与波长有关产生的。
取决于波导尺寸，以及纤芯与包层的相对折射率差。
11.光纤中的电磁场是以离散的模式在光纤中传播（会计算模式数）（见PDF格式第2章2.3.2节）
例：
对于典型的渐变型光纤：
NA＝0.275，纤芯直径50μm，求当工作在1310nm窗口时，光纤中可容纳的模式数。
解：
利用：
（V是归一化频率）
又：
（渐变光纤）
∴一根光纤可容纳的模式数
=272
12.HE11模称为光纤的基模
13.双折射现象带来的影响，解决双折射问题的方法
双折射现象带来的影响：
如果纤芯是理想圆柱形，这两个正交的模式将以相同的速度传播，并同时到达输出端。
如果圆柱对称性出现了改变，这两个模式就会以不同的速度传播，导致脉冲展宽。
偏振的不确定性对相干通信系统对信号的检测、接收将产生不良影响。
解决双折射问题的方法：
（1）减小单模光纤的不完善性。
（2）采用保偏光纤（线偏振光沿一个主轴偏振）
人为引入较高的固定双折射，压低小的双折射随机波动的影响。
典型保偏光纤，B＝10－4。
14.后向散射法测量光纤损耗的原理与方法（OTDR的原理）
原理：
由于瑞利散射光功率与传输光功率成比例，利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方法，称为后向散射法。
具体方法：
设在光纤中正向传输光功率为P，依次经过L1和L2点时分别为P1和P2，后向散射光功率分别为Pd（L1）、Pd（L2），则：
15.光有源和无源器件分别包括哪些？
光有源器件：
光源：
半导体激光器（LD）分布反馈（DFB）激光器发光二极管（LED）光检测器：
光电二极管（PD）PIN光电二极管雪崩光电二极管（APD）光放大器：
掺铒光纤放大器（EDFA）
光无源器件：
光纤连接器和接头、光耦合器、光隔离器与光环行器、光调制器、光波分复用器/解复用器、光开关
16.半导体光源和光检测器优点
半导体光源和光检测器优点：
体积小、效率高、可靠性高、工作波长与光纤低损耗窗口相对应、便于光纤耦合、调制速率高
17.何为粒子数反转。
在单位物质中，处于低能级E1和高能级E2的原子数分别为N1和N2,当N2>N1：
受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，产生放大作用。
这种分布和正常状态的分布相反，称为粒子数反转。
18.LD和LED的优缺点
LD可以发出单色、定向性好、高强度、相干性的光。
优点：
辐射功率高、发散角窄、与单模光纤耦合效率高、辐射光谱窄、能进行高速直接调制。
LD适合于作高速长距离光纤通信系统的光源
LED适用范围：
低速率、短距离光波系统
LED优点：
结构简单。
成本低。
寿命长。
可靠性高。
随温度变化较小。
发光二极管通过自发发射过程发射非相干光。
缺点：
（1）输出功率低。
（2）输出光束发散角较大，耦合效率低。
（3）光源谱线较宽。
（4）响应速度较慢。
19.产生激光的条件
产生激光的三个先决条件：
激励源是能量的提供者，实现粒子数反转。
激活物质是产生激光的物质基础，提供光放大。
光学谐振腔提供光反馈。
要产生激光还应满足如下两方面的条件：
光的增益和损耗间应满足平衡条件——阈值条件。
在谐振腔中，光波反复反射能得到加强，从而能够存在，应满足的条件——相位条件
20.LD高速调制下出现的现象：
电光延迟：
输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间。
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。
自脉动现象：
当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡。
21.SLM激光器设计的基本思想
SLM（单纵模半导体激光器）激光器设计的基本思想:
是不同纵模具有不同的腔损耗。
具有最低光腔损耗的纵模最先达到阈值并成为支配模式。
其他邻模由于高损耗而被截止。
邻模携带的功率在总的辐射功率中只占很小一部分（<1%）
22.PIN和APD二极管特点
PIN二极管特点：
（1）结构简单，可靠性高。
电压低，使用方便。
（2）量子效率高。
（3）噪声小。
（4）带宽较高。
APD二极管特点：
（1）灵敏度高。
（2）高增益。
（3）高电压，结构复杂。
（4）噪声大。
23.隔离器工作原理
隔离器工作原理：
由于入射光偏振方向与第一个偏振器透振方向相同，因此输入光能够通过第一个偏振器。
法拉弟旋转器能使光的偏振态旋转一定角度（例如45°）。
第二个偏振器的透振方向在45°方向上，因此经过法拉弟旋转器的光能够顺利地通过第二个偏振器。
当反射光通过法拉弟旋转器时再继续旋转45°，变成了水平偏振光。
但是水平偏振光不能通过左面第一个偏振器，于是达到光隔离效果。
24.光发射机的电路
（第4章23页）
驱动电路
自动功率控制电路
自动温度控制电路
告警电路和保护电路
25.边模抑制比边模抑制比SMSR
边模抑制比SMSRSMSR的定义为：
在全调制的条件下主纵模的光功率M1和最大边模光功率M2之比。
即SMSR=10lg（M1/M2）
26.直接检测数字光纤通信接收机一般组成。
直接检测数字光纤通信接收机一般由三个部分组成，即光接收机的前端、线性通道和数据恢复
27.数字光接收机接收电路接收电路和判决电路两大部分组成
接收电路由光电检测器和前置放大器、均衡器、主放大器、偏置电路和自动增益控制电路五部分组成。
判决电路由判决器、时钟恢复电路和译码器组成。
28.均衡滤波器的作用：
均衡滤波器是使经过均衡器以后的波形成为有利于判决的波形。
29.分析光接收机的噪声源
光接收机的噪声是与信息无关的随机变化量，噪声源从引入过程来分，可分为两类，即与信号光电检测器有关的噪声和与光电接收机电路有关的噪声。
与信号光电检测器有关的噪声包括：
量子噪声、雪崩倍增噪声、暗电流及漏电流噪声和背景噪声等等。
与光接收机电路有关的噪声包括：
放大器噪声、负载电阻热噪声等。
30.光波分复用的定义和基本形式。
光波分复用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）技术是在一根光纤上能同时传送多波长光信号的一项技术。
它是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，恢复出原信号送入不同的终端。
WDM系统的基本形式：
1双纤单向传输2.单纤双向传输3.光分路插入传输
31.WDM系统主要组成部分
实际的DWM系统主要由五部分组成：
光发射机、光中继放大（EDFA）、光接收机、光监控信道、网络管理系统
32.WDM系统的应用代码一般采用以下方式构成：
nWx-y·z，它的各个字母意义？
WDM系统的应用代码一般采用以下方式构成：
nWx-y·z，其中
n是最大波长数目
W代表传输区段（W＝L，V或U分别代表长距离、很长距离和超长距离）
x表示所允许的最大区段数（x＞1）
y是该波长信号的最大比特率（y＝4或16分别代表STM－4或STM－16）
z代表光纤类型（z＝2，3，5分别代表G.652，G.653或G.655光纤）
33.光波分复用系统的关键技术和相应的技术问题有哪些？
.光波分复用系统的关键技术：
光源技术光波分复用/解复用器与光滤波器技术光转发器（OTU）技术
光纤传输技术（光纤选型、色散补偿技术、色散均衡技术、）监控技术
光波分复用系统的技术问题：
1.光源的波长准确度和稳定度问题
2.光信道的串扰问题
3.光纤色散对传输的影响问题
4.光纤的非线性效应问题
5.EDFA的动态可调整增益与锁定问题
6.EDFA的增益平坦问题
7.EDFA的光浪涌问题
8.EDFA级联使用时的噪声积累问题
34.为什么要引入非零色散位移光纤NZDSF
重点考察的是G.655NZDSF在1550nm波长处的有微量的色散与非线性效应和色散效应的关系。
G.655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。
为消除这种效应，科学家开始研究了非零色散光纤。
这种光纤的特点是有效面积较大，零色散波长不在1.55μm，而在1.525μm或1.585μm。
在1.55μm有适中的微量色散，其值大到足以抑制密集波分复用系统的四波混频效应，小到允许信道传输速率达到10Gb/s以上。
35.什么是“四波混频”效应？
四波混频是指当多个频率的光波以很大的功率在光纤中同时传输时，由于非线性效应引发多个光波之间出现能量交换的一种物理过程，这种能量转移不仅导致信道中光功率的衰减，而且引起各信道之间的彼此干扰。
36.什么是OTDM？
实现OTDM的关键技术或难点有哪些？
OTDM是指将通信时间分成相等的间隔，每一间隔只传输固定信道的一种技术。
OTDM的系统光源为超短光脉冲光源，由光分路器分成n束。
各支路的电信号分别被调制到各束的光脉冲上去，然后通过光时延线，每路之间间隙为T，使各支路光脉冲精确的按预定要求在时间上错开排队，再由合路器将这些支路光脉冲复接在一起，便完成了在光时域上的间插复用。
接收端的解复用器是一个高速开关，在时域上将各支路信号分开，分别接入相应的接收机。
37.叙述WDM系统的特点
WDM系统的特点:
☐可以充分利用光纤的带宽资源
☐可以完成多种电信业务的综合和分离
☐可实现单纤双向传输，节省大量投资
☐节省大量光纤
☐降低器件的超高速要求
☐适用于多种网络形式
☐引入宽带业务方便
☐高度的组网灵活性、经济性和可靠性
38.光波分复用系统的工作波长范围为多少？
为什么这么取？
?
?
?
根据通路间隔的大小，光波分复用技术可以分为几种？
通路间隔的选择原则是什么？
光波分复用系统的工作波长应该在1530～1565nm。
这么取的原因：
目前在SiO2光纤上，光信号的传输都在光纤的两个低损耗区段，即1310nm和1550nm。
但由于目前常用的EDFA的工作波长范围为1530～1565nm。
波分复用的常规分类：
光频分复用（OFDM）：
光频（信）道间距很小的频分复用。
密集波分复用（DWDM）:
光频（信）道间距小于10nm的波分复用，D:
Dense（密集）
粗波分复用（CWDM）：
光频（信）道间距大于10nm的波分复用,C:
Coarse（粗），也称稀疏波分复用。
目前国际上规定的通路频率是基于参考频率为193.1THz，最小间隔为100GHz的频率间隔系列。
DWDM（1550波段）的标准信道间距：
Δλ＝1.6nm,0.8nm,0.4nm（Δf＝200GHz,100GHz,50GHz）G.692建议规定，通路间隔是100GHz（约0.8nm）的整数倍，可以是100，200，400，500，600GHz等。
39.已知光纤参数为：
n1＝1.45，Δ＝0.01，λ＝1.31μm，估算光纤的模场直径。
数值孔径的均值为NA=n1（2Δ）^0.5=0.205
在单模光纤中纤心直径就是模场直径，a光纤半径
老师课件例题
40.何谓模式截止？
光纤单模传输的条件是什么？
单模光纤中传输的是什么模式？
其截止波长为多大？
阶跃折射率光纤中线性极化模LP11模对应的是什么矢量模？
对每一个传播模来说，在包层中它应该是衰减很大，不能传输。
如果一个传播模，在包层中不衰减，也就是表明该模是传过包层而变成了辐射模，则就认为该传播模被截止了。
所以一个传播模在包层中的衰减常数W=0时，表示导模截止。
[模式截止由修正的贝塞尔函数的性质可知，当→∞时，→，
要求在包层电磁场消逝为零，即→0，必要条件是w>0。
如果w<0，电磁场将在包层振荡，传输模式将转换为辐射模式，使能量从包层辐射出去。
w=0（β=n2k）介于传输模式和辐射模式的临界状态，这个状态称为模式截止。
]
单模传输条件是：
归一化频率V＜=2.405
单模光纤中传输的是LP01模，对应的矢量模是HE11模。
截止波长由下式计算
λc=
LP11模对应的矢量模是TE01、TM01、HE21
41.何为副载波调幅-光强调制
原始的电信号先对某一电载波进行调幅，然后再对光源进行调制。
电载波区别于光载波，称为副载波。
42、PDH和SDH的概念
PDH通信系统称为准同步数字体系
复用/解复用是数字信号传输的重要部分
复用：
将低速信号按照一定的规则变成高速信号
解复用：
将收到的高速信号恢复成原来的低速信号
PDH基群信号为2Mb/s信号
PDH主要适用于中、低速率点对点的传输。
SDH全称叫做同步数字传输体制，SDH是一种传输的体制协议SDH这种传输体制规范了数字信号的帧结构、复用方式、传输速率等级，接口码型等特性。
SDH概念的核心是从统一的国家电信网和国际互通的高度来组建数字通信网。
与传统的PDH体制不同，按SDH组建的网是一个高度统一的、标准化的、智能化的网络。
它采用全球统一的接口以实现设备多厂家环境的兼容。
43、PDH的固有缺陷是什么？
1、接口方面
电接口——只有地区性的电接口规范，无世界标准。
PDH3有3种速率等级：
：
欧洲和中国（2Mb/s）、2日本、北美（（1.5Mb/s）光接口——无光接口规范，各厂家开发
2、复用方式：
复用/解复用的方式，决定高速信号上/下低速信号的方便性。
PDH采用异步复用方式：
低速信号在高速信号中的位置无规律性，即无预知性，即不能从高速信号中直接分离低速信号。
从高速信号插/分低速信号要一级一级进行，层层的复用
解复用增加了信号的损伤，不利于大容量传输。
3OAM）：
、
3、运行维护功能（OAM）：
OAM决定设备维护成本，与信号帧中开销（冗余）字节的数量有关；PDH信号帧中用于OAM开销少，OAM功能弱，系统安全性差
4、无统一的网管接口，无法形成统一的TMN因此，PDH体制不适应大容量传输网的组建
44、SDH的帧结构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。
SDH帧的三个部分
（1）段开销（SOH）
（2）信息载荷（Payload）（3）管理单元指针（AUPTR）
另外SDH帧结构的帧长恒定，帧的传输原则，其特点使得直接分／插信号成为可能
45、SDH的系统性能指标
1.误码率（BER）[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中信息受到损害的程度。
]
2.抖动
3.可靠性可靠性表示方法:
可靠性R和故障率ϕR=exp（-ϕt）
46、EDFA的优点
EDFA是掺铒（Er）光纤放大器，
工作频带正处于光纤损耗最低处（1525-1565nm）；频带宽，可对多路信号同时放大（波分复用）；对数据率/格式透明，系统升级成本低；增益高（>40dB）、输出功率大（~30dBm）、噪声低（4~5dB）；全光纤结构，与光纤系统兼容；增益与信号偏振态无关，故稳定性好；
所需的泵浦功率低（数十毫瓦）。
EDFA解决了系统容量提高的最大的限制——光损耗。
补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能。
大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能。
支持了最有效的增加光通信容量的方式—WDM。
推动了全光网络的研究开发热潮。
47.光放大器的主要参数
增益、输出功率、噪声指数是表征光放大器性能的三项主要参数。
48.啁啾
啁啾（chirp）是指产生光脉冲（包括调制）时引入的附加线性调频，也即光脉冲的载频随时间变化。
对脉冲进行编码时，其载频在脉冲持续时间内线性地增加，当将脉冲变到音频时，会发出一种声音，听起来像鸟叫的啁啾声，故名“啁啾”
49.色散补偿技术（11章）
目前在技术上较为成熟的色散补偿技术主要包括色散补偿光纤、色散均衡器和预啁啾技术
50.色散补偿光纤和偏振模色散补偿
色散补偿光纤DCF:
基于LP01模的单模DCF在设计时采用较小的光纤内径，得到较高的相对折射率差Δ，从而实现在1550nm处较大的负色散。
双模DCF的色散补偿技术它是利用双模光纤的第1高阶模（LP11）在截止波长附近具有很大负波导色散的特点来实现色散补偿的。
目前，用于偏振模色散（PMD）补偿的技术有很多，概括起来主要有电补偿方法、光电结合法和光补偿方法。
51.相干光通信原理
相干光纤通信在发送端可对光载波进行幅度、频率或相位调制；在接收端则利用零差或外差检测，这种检测技术称为相干检测。
52.光交换原理
直接在光域进行光交换可省去光／电、电／光的交换过程，充分利用光通信的宽带特性
53.光孤子原理
当使用用大功率产生ps级窄脉冲的光源射出的光耦合进光纤，光纤中的非线性现象明显严重。
光纤的纤芯折射率随着光强增加而增加，这种折射率的非线性效应会造成光脉冲前沿速度变慢，后沿速度变快，脉冲自行缩窄。
在一定的条件下，当光纤的线性现象和非线性现象同时存在，使光纤的展宽和缩窄正好平衡，产生一种新的光脉冲，就会得到信号脉冲无畸变的传输。
这时的光脉冲仿佛是孤立的，不受外界条件影响，这种光脉冲称为光孤子。
利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。
光孤子（Soliton）是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都保持不变的超短脉冲（ps级脉冲）。
利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。
54.自由空间光通信原理
自由空间光通信（FSO，FreeSpaceOptics）又称无线光通信或大气光通信，是指以光波为载体，在真空或大气中传递信息的通信技术。
FSO按照应用环境的不同又可分为大气光通信（水平方向）、卫星间光通信和星地光通信（垂直方向）。
55.目前广泛使用的DXC设备有哪几种类型？
DXC1/0的含义是什么？
目前广泛使用的DXC设备是DXC1/0、DXC4/1、DXC4/4三种。
DXC1/0表示输入端口的最高速率为一次群信号的速率（E1=2.048Mb/s）；而交叉连接的基本速率为64Kb/s。
[或直接说DXC1/0表示输入端口的最高速率为2.048Mb/s，而交叉连接的基本速率为64Kb/s]
补充：
数字交叉连接设备常用DXCm/n表示，m，n为自然数，表示数据速率等级。
m表示端口速率的最高等级；n表示交叉连接矩阵中进行交叉连接和数据流数据的最低等级；数字0表示64Kbps；数字1，2，3，4分别表示PDH中1-4次群的速率；数字4还表示SDH中STM-1等级，数字5表示STM-4，数字6表示STM-16
DXC4/1表示输入端口的最高速率155.52Mb/s（对于SDH）或140Mb/s（对于PDH），而交叉连接的基本速率为2.048Kb/s。
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