光纤通信.docx

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光纤通信

第一章光纤通信总览

1、频率、波长、折射率：

λ＝c/f、n=c/v

2、光纤通信的三个窗口：

850nm、1310nm、1550nm

3、绝对功率单位dBm与mW的转换（3dBm、-3dBm、0dBm）

分贝毫瓦（dBm）：

P功率电平（dBm）10log1mW0dBm=1mW，3dBm=2mW，-3dBm=0.5mW

4、相对功率dB概念（3dB、-3dB、0dB）

分贝（dB）：

功率比功率比（dB）10lgP2分贝（dB）：

相对功率P1

功率加倍即表示3dB的增益（功率电平增加了3dB），而功率减半则表示3dB的损耗（功率电平降低了3dB）。

功率比为1，就是0dB。

5、NRZ和RZ码的区别

NRZ码：

NRZ码中，传输的数据占满一个比特周期，充满一个完整周期的电流脉冲或光脉冲为1，没有脉冲发送则代表0。

没有误差监控和纠错能力。

RZ码：

每个数据比特编为两个光线路码比特。

单极RZ码中，“1”码由一个在比特周期的前半部或后半部的半周期光脉冲表示，“0”码则由比特周期内无信号表示。

第二章光纤：

结构、导播原理和制造

1、光纤基本概念

（1）、数值孔径

物理意义：

数值孔径表示光纤的集光能力。

数值孔径越大，就表示光纤捕捉光射线能力越强。

数值孔径NA=n1^2-n2^2开根号。

（2）、截止波长

判断光纤中是否是单模工作方式，只有当工作波长大于此截止波长时，才能保证单模工作。

截止波长

对阶跃折射率光纤，V＝2.405，在该波长处，只有LP01模能在光纤中传输。

（3）、单模光纤（V<=2.405）

单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单一基模（HE11或LP01）的光纤。

光纤的归一化频率

。

（4）、光纤的信息容量度量

脉冲展宽的最终结果是相邻的脉冲相互交叠，交叠到一定程度后，在接收端无法将相邻的脉冲区分开，发生误码。

因此色散限制了光纤的信息容量。

比特率是在一个信道上每秒钟所能传输的比特数。

用比特／秒（bps）来测量。

带宽是一个频率范围，信号在这个频率范围内可以没有重大畸变地进行传输。

带宽用赫兹（Hz）来测量。

光波导的信息容量大小用带宽距离积来度量，单位是MHz·km。

2、光纤传输模式：

基（主）模概念及表达式（矩形波导、圆波导和线性极化模的基（主）模表示）

HE11模是任何光纤中都存在，永不截止的模式，称为基模或主模。

LP01模称为阶跃光纤的基模

第三章光纤中的信号劣化

1、损耗、色散

损耗：

－光信号在光纤中传输时，其功率随着传输距离的增加以指数形式衰减。

色散：

由于速度的不同而使得传播时间不同，因此造成光信号中的不同频率成分到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。

2、G.652、G.653、G.654、G.655单模光纤的特点及应用

G.652光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色散为零的波长）在1310nm附近的光纤。

G.653光纤也称色散位移光纤（DSF），是指色散零点在1550nm附近的光纤，它相对于G.652光纤，色散零点发生了移动，所以叫色散位移光纤。

G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。

其设计重点是降低1550nm的衰减，其零色散点仍然在1310nm附近，因而1550nm窗口的色散较高。

G.654光纤主要应用于海底光纤通信。

由于G.653光纤的色散零点在1550nm附近，DWDM系统在零色散波长处工作易引起四波混频效应。

为了避免该效应，将色散零点的位置从1550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1550nm附近的DWDM工作波长范围内。

这种光纤就是非零色散位移光纤（NDSF）。

另：

G.653光纤是为了优化1550nm窗口的色散性能而设计的，但它也可以用于1310nm窗口的传输。

由于G.654光纤和G.655光纤的截止波长都大于1310nm，所以G.654光纤和G.655光纤不能用于1310nm窗口。

3、光纤传输特性——损耗

（1）、损耗系数（dB/km）与（1/km）

P（z）P（0）epz1p（0）1，损耗系数pln，单位：

kmzp（z）

一般使用分贝每公里dB/km，其损耗系数为：

（dB/km）p（0）10log4.343p（km1）zp（z）

（2）、吸收损耗：

光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，造成光功率的损失。

吸收损耗与光纤材料有关。

（3）、散射损耗：

是指光通过密度或折射率不均匀的物质时，除了在光的传播方向以外，在其它方向也可以看到光，这种现象叫做散射。

原因：

光纤的材料，形状，散射率分布等的缺陷或不均匀。

（瑞利散射，结构缺陷散射）

（4）、弯曲损耗：

光纤有一定曲率半径的弯曲时就会产生辐射损耗，称曲率半径很大时的辐射损耗为弯曲损耗。

4、光纤传输特性——色散

.模内色散：

材料色散，波导色散，//偏振模色散

材料色散：

材料色散的产生是因为折射率是光波长的函数。

由于光纤材料本身的折射率随频率而变化，使得信号各频率成分的群速不同引起色散。

波导色散：

由于光纤的几何结构，形状等方面的不完善，使得光波一部分在纤芯中传输，而另一部分在包层中传输，由于纤芯和包层的折射率不同，造成脉冲展宽的现象。

（λ：

1.3um附近，材料色散和波导色散相互抵消，总色散为零。

λ：

1.55um处，最低损耗。

）1

//偏振模色散：

不同偏振状态的双折射现象是导致脉冲展宽的另一原因。

沿光纤方向的双折射程度不断变化，两个偏振模传播的速率有差别，偏振方向也会发生旋转。

两个正交的偏振模产生的时延差△τ导致脉冲的展宽。

模间色散：

同一频率点上不同模式具有不同的群时延。

5、

第四章光源

1、半导体发光物理基础

（1）、三种跃迁过程

自发辐射：

在未受到外界激发的情况下，高能级的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能级上，在跃迁过程中，根据能量守恒原理，发射出一个能量为hv的光子，即：

hv＝E2－E1（特点：

过程是在没有外界作用的条件下自发产生的；发射出光子的频率决定于所跃迁的能级；非相干光）

受激辐射：

处在高能级E2上的电子，由于受到能量恰好为hv＝E2－E1的外来光子的激励而跃迁到低能级E1，并发射一个与外来光子一模一样的光子。

受激辐射引起光放大，是产生激光的一个重要的基本概念。

受激吸收：

当外来光子的能量恰好等于原子的激发能时，处在低能级的电子就能在外来光子的激励下吸收外来光子而跃迁到高能级（激发态），这一过程叫受激吸收。

（2）、正向偏置PN结

正向偏置使耗尽区变窄，使得多数载流子在结区内扩散。

2、激光器纵模、横模

纵模：

谐振腔内部沿轴向形成的稳定的驻波场称为纵模。

不同的频率（波长）构成不同模式，它与腔长L相关。

横模：

谐振腔横截面上场分布的分布形式。

3、激光器发光原理、阈值条件、阈值电流…

粒子数反转：

产生激光的必要条件。

（受激辐射是产生激光的关键。

）构成激光器应包括三部分：

激活物质、激励源、光学谐振腔

阈值条件：

激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件。

α为光学谐振腔内激活物质的损耗系数，L为光学谐振腔的腔长，r1，r2为光学谐振腔两个反射镜的反射系数。

4、光子、能级、能带、导带、价带、禁带

价带－形成共价键的价电子所占据的能带

导带－价带上面邻近的空带（即自由电子占据的能带）

禁带－导带和价带之间被宽度为Eg的禁带所分开

5、比较LED与LD相同和不同之处（LED：

发光二极管LD：

半导体激光器）

与LED的区别：

激光二极管的激活区的厚度很小，典型值在0.1um数量级上；其次，激光二极管两端的表面被切开以起到镜子的作用。

发光二极管与半导体激光器差别是：

发光二极管没有光学谐振腔，不能形成激光。

仅限于自发辐射，所发出的是荧光，是非相干光。

半导体激光器是受激辐射，发出的是相干光。

发光二极管（LED）是非相干光源，是无阈值器件，它的基本工作原理是自发辐射。

LED的特性:

低成本;低功率;频谱宽;非相干光;调制简单

LED与LD相比，LED输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。

但LED性能稳定，寿命长，使用简单，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。

6、LD工作原理及基本特性

阈值特性：

阈值电流It－当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，此时的电流称为阈值电流。

IIt时，激光器发出激光。

温度特性：

阈值电流随温度的升高而加大。

阈值电流随激光管使用时间的增加而逐渐加大。

t1p转换效率：

输出光功率与消耗的电功率之比。

VIR

I

7、光发射机设计数字调制

8、发光二极管LED的调制（书126页，下图左、中）

输入—输出特性曲线：

LED的光功率是与正向电流成比例。

9、半导体激光器LD的调制（书141页，上图右）

第五章光功率发射和耦合

1、光路无源器件：

耦合器、连接器、光衰减器、光隔离器在光路中的作用

光纤连接器：

称光纤活动连接器，活动接头。

用于设备（光端机、光测试仪表等）与光纤之间的连接，光纤与光纤之间的连接或光纤与其它无源器件的连接。

是组成光纤通信系统和测试系统不可缺少的一种重要无源器件。

光定向耦合器：

经常遇到需要从光纤的主传输信道中取出一部分光，作为检测、控制使用。

有时也需要把两个不同方向来的光信号合起来送入一根光纤中传输，这些都需要定向耦合器来完成。

光衰减器：

当输入光功率超过某一范围时，需要对光信号进行一定程度的衰减，采用金属蒸发膜来吸收光能进行光衰减，衰减量大小与膜的厚度成正比。

光隔离器：

保证光信号只能正向传输的器件，避免线路中由于各种因素而产生的反射光再次进入激光器，而影响激光器的工作稳定性。

第六章光检测器第七章光接收机

1、光探测器

普通光电二极管－PIN光电二极管

－APD（雪崩光电二极管）

2、正向偏置：

如第四章图

反向偏置

:

3、光检测器性能参数

（1）、量子效率η：

每个能量为hv的入射光子所产生的电子－空穴对数

Ip：

入射在光电二极管上的稳态平均光功率P0所产生的平均光电流。

q:

电子电荷

（2）、响应度：

响应度是单位光功率产生的光电流的大小。

对雪崩二极管

（3）、响应时间（响应速度）：

指光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态。

一般用响应时间（上升时间和下降时间）表示。

（4）、暗电流Io：

暗电流是指无光照时，光电二极管的反向电流。

暗电流将引起光接收机噪音增大，所以Io越小越好。

（5）波长响应

当入射光波的波长λ<λc的光，才能使这种材料产生光生载流子。

λc称为截止波长。

4、光接收机参数

（1）、误码率：

常用的方法是在一定的时间间隔t内，区分发生差错的脉冲数Ne和在这个时间间隔内传输的总脉冲数Nt之比。

，其中B＝1/Tb比特速率

例如：

误码率为10-9,代表平均每发送十亿个脉冲有一个误码出现。

光纤电信系统典型误码率范围是10-9到10-12

（2）、灵敏度：

就是在满足给定能的误码率指标条件下，最低接受的平均光功率Pmin。

光接收机灵敏度中的光功率在工程上常用绝对功率值（dBm）来表示，即

（3）、光接收机的动态范围：

是在保证系统的误码率指标要求下，接收机的最低输出光功率（用dBm来描述）和最大允许输入光功率（用dBm来描述）之差（dB）。

第八章数字传输系统

1、点到点链路：

链路的功率预算、展宽时间预算、光纤链路的传输距离

2、编码（RZ、NRZ、光曼彻斯特码）

3、光纤数字通信系统的基本码型

（1）、NRZ码：

NRZ码中，传输的数据占满一个比特周期，充满一个完整周期的电流脉冲或光脉冲为1，没有脉冲发送则代表0。

没有误差监控和纠错能力。

（2）、RZ码：

每个数据比特编为两个光线路码比特。

单极RZ码中，“1”码由一个在比特周期的前半部或后半部的半周期光脉冲表示，“0”码则由比特周期内无信号表示。

（3）、光曼彻斯特码：

对基带（NRZ-L）信号和时钟信号直接进行模二加（异或）运算所得。

这种码的每个比特间隔的中心处都有电平变换：

负向变换表示1比特，正向变换表示0比特。

4、链路的损耗预算可由链路上各个部分损耗的总和推出：

总光功率损耗PT为：

PT=Ps-PR=2lc+αfL+系统富余度（8.2）

Ps：

尾纤端发出的光功率，PR：

接收机的灵敏度，

lc：

连接器损耗，αf：

光纤衰减（dB/km），

L：

传输距离，系统富余度：

6dB

5、展宽时间预算

总的系统展宽时间为：

tsys=[ttx2+tmod2+tGVD2+trx2]1/2

：

ttx：

发射机上升时间；

tmod：

中继段光纤模式色散引起的上升时间；

tGVD：

中继段光纤材料色散引起的上升时间；

trx：

光接收机引起的上升时间

RZtsys≤0.35Ts

NRZtsys≤2×0.35Ts=0.7Ts

光通信研究方向1、智能光网络【光网络资源优化、光突发交换、自动交换网络（ASON）】

2、ETHERNET－PON（FTTH）

3、DWDM/OTDM/OCDM复用系统4、光子晶体在光通信中的应用5、光纤通信中非线性信号研究

6、喇曼光放大器

7、无串扰光交叉连接体系结构

8、光孤子通信

9、光无线通信

10、光纤激光器11、DWDM系统关键无源器件

12、光纤传感13、全光信号处理

14、高速光传输系统

15、色散补偿