光纤通信重点.docx

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光纤通信重点

第一章光纤通信系统概述

•光纤通信的三个主要通信窗口的情况；

850nm：

影响第一代光纤通信的主要因素是多模光纤中的模式色散

1330nm：

影响第一代光纤通信的主要因素是多模光纤中的模式色散

1550nm：

限制因素：

在1.55μm处的非零色散.

•光纤通信的主要特点；

1.光波系统的容量远大于电波系统

2.光波作为信息载体，提供高速大容量通信：

光载波带宽远大于微波带宽

3.光纤作为传输介质，提供较小的中继距离：

光纤损耗远小于同轴线的损耗

4.光纤作为对信号的封闭系统：

抗电磁干扰、保密性好

5.光纤纤芯细质量极轻，制成设备质量轻体积小

6.光纤的缺点，抗拉强度低，光纤连接困难.

第二章光纤传输线理论

一、主要概念：

1、单模光纤、多模光纤；

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

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

2、子午光线、空间光线；

子午光线（MeridianRay）：

处在一个平面内（包括光纤轴线的平面，称之为子午面），经过光纤轴线在周围边界间作内部全反射的光线

空间光线（SkewRay）：

不交轴光线

3、相对折射率差、光纤的数值孔径；

相对折射率差：

数值孔径：

表征一根光纤捕捉光的能力，

4、模式色散、材料色散、波导色散；

模式色散：

同一频率成分由不同模式组成

材料色散：

一个光信号由不同频率组成，

波导色散：

同一模式含有不同频率成分

5、光纤归一化频率；

6、色散位移光纤（DSF）、色散平坦光纤（DFF）、色散补偿光纤（DCF）；

色散位移光纤在1.550um处色散系统数接近于零，损耗的统一，克服了单模光纤的不足，是线性传输的首选光纤。

色散补偿光纤法就是用一段在1.550um处具有负色散系统数的光纤去抵消常规光纤或非零色散位移光线中的正色散系数

7、偏振模色散；

两个偏振方向的传输常数不同，导致的色散

二、主要技术原理及分析：

1、单模光纤的基本结构和主要特点。

2、渐变折射率光纤与阶跃折射率光纤相比，为何能够做到色散比较小、时延比较小。

渐变折射率光纤的折射率在纤芯中是连续变化的，适当地选择折射率的分布形式，可以使不同入射角的光线有大致相同的光程，从而大大减小群时延差。

从渐变折射率光纤端面上平行入射的光线具有相同的传输时延，有自聚焦性质，使得色散比较小。

3、有关数值孔径的导出及其物理意义和其相关计算，以及相对折射率差的计算方法。

根据折射定律：

若要在纤芯与包层的界面（n1与n2的交界处）发生全反射，

需要满足：

取n0=1（空气）,并假设n1≈n2

关于数值孔径NA的若干结论

•数值孔径与光纤几何尺寸无关（与一般光学系统不

同之处），只与其纤芯和包层的折射率分布有关。

•数值孔径越大，光纤的集光能力越强

•实际分析表明，数值孔径并不是越大越好，这是因

为随着光纤入射功率的增大，色散亦将增加。

4、请简述光纤模式色散、材料色散、波导色散各自产生的原因及其主要区别。

模式色散：

越小对应的模次越高，则沿z向的传输速度越低。

所以说，不同模式具有不同的群速，引起了色散。

以不同角度入射的光线（不同模式）传过相同距离所需时间不同

波导色散是模式本身的色散，材料色散是材料d^2n/dl^2（l为波长）所造成的，而波导色散是因为某一模式的d^2B/dl^2（B为相角l为波长）所形成的。

5、光纤最大时延差的相关分析和计算。

光纤单位长度最大时延差：

6、单模光纤、多模光纤、渐变折射率光纤中光线传播的差异。

7、光纤的LP模分析理论（掌握主要结论，不深入分析过程）、模式截止波长的计算及光纤单模传输条件的相关分析计算。

对称介质平板波导的单模传输条件为

此时波导中只存在一个TE0模式。

光纤中的基模是LP01，次低次模是LP11，故能够进行单模传输的条件为

8、色散补偿光纤进行色散补偿的基本原理

（1）只要把信号通过两段具有相反符号色散的光纤，就可以对光纤进行色散补偿，从而消除GVD对信号的影响。

（2）DCF就是这样一种与SMF具有相反色散的光纤，一般的SMF的色散参数为-16ps2/km，DCF的色散参数约为SMF的五倍为80ps2/km左右，因此在实际应用中常采用周期间隔等于光放大器间隔的分布式色散补偿，光信号在SMF中每传输一段距离（约50km左右）在经过一段DCF（约10km左右），两种光纤中的色散就可以相互抵消，从而实现对光信号的色散补偿。

9、射线光学和波动光学分析方法的特点

射线光学：

应用条件，光纤几何尺寸远大于光的波长；特点，简单、直观但是无法精确分析

波动光学：

结果精确、可建立模式的概念、单模传输的条件但是计算复杂

第三章光源与光发送机

一、主要概念：

1、自发辐射、受激辐射、受激吸收；

自发辐射--在没有外界影响的情况下，处于高能级E2上的原子自发向低能级E1跃迁，并释放一个光子的过程

受激辐射——在外来光子（能量为hν=E2-E1）的作用下，处于高能级E2上的原子向低能级E1跃迁，并释放一个和入射光子完全相同（频率相同，动量相同，相位相同）的光子

吸收——在外来光子（能量为hν=E2-E1）的作用下，处于低能级E1上的原子向高能级E2跃迁，外来光子的能量被粒子吸收

2、粒子数反转分布；

对处于热平衡状态的物质施加能量，可以使处于低能级上的原子激发到高能级上，使得体系中高能级的粒子数远大于低能级，即N2>N1，称为粒子数反转分布

3、泵浦源；F‐P谐振腔

通过对处于热平衡状态的物质施加能量，可以使处于低能级上的原子激发到高能级上，从而实现粒子数反转分布，所需的外界能源称为泵浦源

F-P光学谐振腔的基本结构

4、全同光子、微分量子效率；

和入射光子完全相同（频率相同，动量相同，相位相同）的光子

ηi称为微分量子效率——阈值点以上，单位时间发

射的光子数与注入的电子-空穴对数之比。

微分量子效率与输出特性曲线的斜率成正比。

5、同质结、异质结、双异质结；

同质结：

P区和N区是由同种半导体材料经过不同掺杂构成

异质结：

P区和N区是由不同的半导体材料经掺杂构成

双异质结：

6、同型异质结、反型异质结；

7、半导体激光器的张驰振荡、码型效应、电光延迟时间、消光比；

张弛振荡——电流脉冲注入激光器后,输出的光功率表现为衰减式的振荡.是激光器内部存在

的固有特性。

电光延迟时间td——从注入电流到有激光输出所需的时间，一般为10-9s量级

脉码效应——指激光器在传输一系列脉冲信号时，后一个光脉冲的幅度大于前一个光脉冲的幅度，延迟时间比前一个的小

一般要求消光比<10%

9、掺铒光纤放大器；

EDFA的工作波长窗口为1559nm窗口，与光纤的低损耗窗口，是最具吸引力和最为成熟的光纤放大器。

掺饵光纤是EDFA的核心，它以石英光纤作基础材料，在光纤芯子中掺入一定比例的稀土元素——铒离子（Er3+）,形成掺铒光纤。

二、主要技术原理及分析：

1、自发辐射与受激辐射的相同之处和主要区别所在。

自发辐射：

所发射的光子不相干，只有频率相同，动量不相同；因此所形成的光为非相干光。

受激辐射：

所发射的光子为全同光子；因此所形成的光为相干光；这一过程可用于光放大：

2、一般激光器的结构组成及其各部分的主要功能及激光器的工作原理。

结构组成：

工作物质（增益介质）、平面反射镜、泵浦源；

激光器产生相干光需要满足以下条件

•相位匹配条件：

1、2两路光的相位差为2π的整数倍，产生相干叠加

•阈值条件：

光的放大效应>光的衰减效应

3、利用相位平衡条件分析激光器的谐振频率（能够根据所给条件确定特定激光器的纵模分布、纵模间隔等）；能够运用振幅平衡条件分析激光器工作的增益阈值条件。

每一个谐振频率对应腔中的一个振荡模式，称为纵模。

相邻两纵模频率之差为纵模间隔

对于一个确定的谐振腔（L,n一定）,纵模间隔Δf是常数，即各纵模等间隔分布。

称为光学谐振腔的阈值条件

4、同质结、异质结半导体激光器，以及二者的主要区别。

5、试说明双异质结激光器阈值电流密度较小的主要原因。

A.P层带隙宽，导带的能态比有源层高，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。

B．有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很小。

6、发光二极管（LED）和半导体激光管（LD）的发光机制有何异同。

半导体激光器：

利用半导体PN结，注入电子、空穴而发光的原理制作的激光器其核心部分是一个PN结和FP光学谐振腔，能级跃迁发生在导带中的电子和价带中的空穴之间

半导体激光器和发光二级管的主要区别在于LD结构上要形成光学谐振腔，它的作用是提供光学正反馈，以便在腔内建立并维持自激振荡，控制输出激光束的特性。

半导体激光器在结构上相当于一个多层介质波导谐振腔，当注入电流大于阈值电流时，辐射光在腔内建立起来的电磁场模式成为激光器的模式。

发光二级管的发发射过程主要是对应光的自发发射过程；而半导体激光器则是一个阈值器件，其工作状态岁注入电流的不同而不同。

当注入电流较小时，自发发射占主导地位。

当注入电流大于阈值电流时，受激辐射占主导地位。

7、稳态电光延迟时间的求解分析，获知延迟时间与阈值电流的关系。

稳态时，

设直流预偏置电流密度是j0,对应的电子密度为

j=j0+jm,jm为调制信号（脉冲信号）的幅值对应的电流密度，当j0=jth时，td=0

当直流预偏置=阈值电流时，电光延迟时间等于零。

8、何谓半导体激光器的张驰振荡、码型效应，其危害和消除办法各是什么。

张弛振荡：

适当的增大预偏置电流；

码型效应：

危害，长的连“0”码后，出现“1”码时，脉码效应明显；增加误码率。

消除办法，可以在主电流脉冲的后面加上一个反相脉冲，使残留和积累的多余电子消耗掉。

9、半导体激光器工作时为何要进行直流预偏置。

10、激光器的内调制与外调制的原理有何区别。

内调制（InternalModulation）——基带信号作为LD的驱动，采用电源调制的方法，一般只能进行光强度调制

外调制（ExternalModulation）——利用介质（某些晶体）的电光效应、磁光效应、声光效应，在光源以外（激光形成后）的光路中，即在激光形成以后加载调制信号，对光进行调制。

11、掺铒光纤放大器的使用方式主要有那几种。

前置放大

后置放大

分布式放大

12、掺铒光纤放大器中存在那几种类型的噪声。

信号的散弹噪声、自发辐射的散弹噪声、信号与自发辐射的差拍噪声（SI-SP）、自发辐射差拍噪声（SP-SP）

第四章光检测器与光接收机

一、主要概念：

1、光检测器的响应度和量子效率；

响应度R，定义：

Ip光生电流，Pin输入光功率，R表征光电转换效率=

量子效率η，定义：

2、量子噪声、暗电流噪声、倍增噪声；

量子噪声：

入射光束横截面积内的光子数随机起伏引起光生电子数的起伏

暗电流Id，指光电检测器在无光照时产生的电流，Id的起伏会引起暗电流噪声

倍增噪声：

信号倍增过程中噪声被放大

3、APD管雪崩增益；

PN结内部形成一个高电场区，光生电子（或空穴）经过高场区被加速，从而获得足够的能量，发生碰撞电离，产生的新电子和空穴在高速场继续被加速获得能量经过多次碰撞电离，载流子迅速增加，反向电流迅速增大，形成雪崩倍增效应。

光电倍增因子G（雪崩增益），定义：

Io倍增输出电流，Ip初级光生电流

4、光接收机的极限灵敏度；

极限灵敏度，定义：

指接受机系统不产生噪声（暗电流为0，仅考虑量子噪声）的理想情况下,信噪比为1时的输入信号功率。

二、主要技术原理及分析：

1、光检测器响应度有关的分析计算。

2、与光检测器量子效率、倍增因子有关的分析计算。

V：

APD的反向偏压VB:

APD的击穿电压

R：

APD的串联电阻n:

这是与半导体材料和掺杂浓度、波长有关的一个参量

3、光电检测器与前置放大器的等效电路的组成，及其每个元件的含义（含噪声）。

Ip:

一次光生电流源；IQ：

量子噪声源；ID：

暗电流噪声源

SI：

放大器等效电流噪声源；SE：

放大器等效电压噪声源；

4、量子噪声功率谱、暗电流噪声功率谱、电阻热噪声功率谱的计算方法，以及其通过放大器后的总的噪声功率计算。

（注意APD的特殊情形）

热噪声功率谱密度

输出噪声功率计算

7、光检测器的噪声功率计算

8、模拟光接收机的信噪比计算。

9、数字光接收机的误码率分析计算。

i表示信号电流的瞬时值，

p0（i）和p1（i）分别表示“0”、“1”码的概率密度函数

Ij是p0（i）和p1（i）相等时对应的信号电流，即判决门限。

10、数字光接收机误码率分析的高斯近似法分析的主要思想及其不足之处，CCITT－玻尔松尼克方法对它的改进思路

高斯近似法主要思想：

假设雪崩光电检测过程中的概率密度函数为高斯函数，假设接收机输出总噪声概率密度函数也为高斯函数，且其方差即为放大器和检测器输出噪声功率之和。

缺点和不足

ü忽略了“0”与“1”之间的码间串扰，在光通信中色散会使脉冲展宽，造成严重的码间串扰。

ü没有考虑光信号的具体输入波形。

ü理想低通特性的假设是不符合实际情况的。

ü噪声概率密度的高斯分布假设不够准确。

.CCITT改良方法

在考虑到码间串扰的实际情况下，认为在判决时刻除判决码元外，其余时刻都是全“1”码是不恰当的假设。

因此改为，认为在判决为“1”或“0”时，其余时刻的“0”和“1”码将各占一半。

第五章光纤通信系统

一、主要概念：

1、波分复用（WDM、DWDM）；

WDM、DWDM本质上都是光波长分割复用，只是复用信道波长间隔不同。

WDM波长间隔一般在几十到几百纳米。

DWDM波长间隔为纳米量级，标准的间隔为0.8nm的整数倍。

波分复用（WDM）技术可使一段光波频率范围内不同波长的光波，按一定时间间隔排列在一根光纤中传送，然后在收端通过光滤仪器进行解复用，以此方式来大幅度地提高传输的带宽。

而光密集波分复用（DWDM）是波分复用（WDM）技术中的一种方式，DWDM使用温度特性稳定的激光作为中心波长的定位以及窄带过虑，这样就能提供高密度的间隔信道，比较适合于单一的光纤上传输大量的数字视频信号。

2、复用、解复用；

复用/解复用技术:

将多条运输连接上的数据汇集到一条网络连接上传输，使得具有高吞吐量、高速率和低传输延迟、且高费用的网络可以支持用户的低传输成本的要求

波分复用技术指不同波长的多个独立光信号复用在一起，在同一个光纤中同时传输

3、光纤通信系统的功率裕量；

二、主要技术原理及分析：

1、数字光纤通信的基本组成及其各组成部分的主要功能。

电发射机、光发射机、中继器（EDFA）、光接收机、电发射机

2、数字光纤通信系统三个主要性能指标

1.误码性能，通常用长期平均误码率，即误码的时间百分数和误码秒百分数来表示。

2.定时抖动，数字信号的抖动一般指定时抖动，它是数字传输中的一种不稳定现象，即数字信号在传输过程中，脉冲在时间间隔上不再是等间隔的，而是随时间变化的一种现象——称为抖动。

（实际的码元周期发生变化）

3、相干光通信的基本概念

一种用外差（或零差）光检测方式、复用信道非常密集的光频分复用系统。

可大大提高光接收机的灵敏度，增加中继距离，实现光频分复用。