光纤通信复习资料必看2.docx
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光纤通信复习资料必看2
1.什么是光纤通信？
2
2.光纤通信和电通信的区别。
2
3.光纤通信与电通信相比具有的优势2
4.光纤的结构和类型2
5.基本光纤通信系统的组成和各部分作用。
3
6.光纤导光原理及传光能力3
1、光能量在光纤中传输的必要条件。
3
2、突变多模光纤数值孔径的概念及计算。
3
3、弱导波光纤的概念。
4
4、相对折射率指数差的定义及计算。
4
5、突变多模光纤的时间延迟。
4
6、归一化频率的表达式。
4
7、单模条件和截止波长。
4
8、光纤的传输特性4
9、三种色散的定义。
5
10、光纤损耗产生的机理。
5
1、光纤通信中常用的半导体激光器的种类。
5
2、半导体激光器结构和主要特性5
3、DBF与FP腔激光器具优势6
4、掌握自动功率控制和温度控制必要性6
5、理解半导体激光产生激光的机理和过程。
6
6、PIN与APD的结构和特性差异7
7、静态单纵模激光器。
7
8、LD与LED的主要区别（课件只是两点，可看课后小结）7
9、常用光电检测器的种类。
7
10、光电二极管的工作原理。
7
11、雪崩二极管是利用什么原理使检测灵敏度大大提高？
7
12\在增益区的光子要实现光放大，其能量必须具备什么条件?
7
11、耦合器的功能。
7
12、波分复用器/解复用器7
13、光接收机的组成及每部分的作用8
14、描述接收机的性能指标（噪声）8
误码率（ＢＥＲ）9
灵敏度9
动态范围9
1、数字光纤通信系统中常用的码型种类。
9
1.PDH和SDH的区别9
2.SDH的帧结构9
3.SDH传输网的主要组成设备。
10
4.EDFA掺铒光纤放大器优点：
10
1、光放大器的种类10
2、掺铒光纤放大器的工作原理10
3、掺铒光纤放大器的构成方框图11
4、什么是WDM波分复用？
11
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.光纤通信与电通信相比具有的优势
（1）容许频带很宽，传输容量很大
（2）损耗很小，中继距离长且误码率很小
（3）重量轻、体积小
（4）抗电磁干扰性能好
（5）泄露小，保密性好
（6）节约金属材料，有利于资源合理使用
4.光纤的结构和类型
结构：
光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。
纤芯的折射率比包层略高，损耗更低，光能主要在纤芯内传输。
包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起机械保护作用。
光能在光纤中的传输条件为n1>n2，纤芯和包层的相对折射率差典型值
，一般单模光纤为0.3%-0.6%，多模光纤为1%-2%。
越大，把能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输量却越小。
类型：
突变型多模光纤SIF：
纤芯折射率为n1到包层突变为n2，又称为阶跃折射率型光纤，一般纤芯直径2a=50-80um，光纤以折线形沿纤芯中心轴线方向传播，忒电视信号畸变大。
渐变型多模光纤GIF：
在纤芯中折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2.一般直径2a=50um，光线以正弦形式沿纤芯中心轴向方向传播，特点是信号畸变小。
单模光纤ＳＭＦ：
折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径8-10um。
光线以直线形式沿纤芯中心轴线方向传播，信号畸变小。
朝单模发展的原因：
单模光纤的色散小，信号畸变小，传输中继距离长，性能优于多模光纤，
5.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内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。
对光检测器的要求是响应度高、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。
6.光纤导光原理及传光能力
几何光学与波动理论光在光纤中传播主要是依据全反射原理。
光的波长必须在一定范围内才能实现传输。
根据传输方式不同光纤分为多模光纤及单模光纤。
NA表示光纤接收和传输光的能力，NA越大，光纤接受光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。
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。
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以内）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。
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、归一化频率的表达式。
V=
7、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
8、光纤的传输特性
色散和损耗；损耗限制传输距离，色散限制传输容量
损耗包括吸收损耗（本征吸收，杂志吸收，原子缺陷吸收）散射损耗：
主要由材料微观密度不均与引起的瑞利散射和有光纤结构缺陷引起的散射
9、三种色散的定义。
色散是在光纤传输的光信号，由于不同成分的光的传播时间不同而产生的一种物理效应，一般包括模式色散、材料色散、波导色散。
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，以及模式内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。
从频域上看色散限制了传输信号的带宽，从时域上看色散引起信号的脉冲展宽。
10、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
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、半导体激光器结构和主要特性
半导体激光器是向半导体pn结注入电流，实现粒子数反转分布，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的。
半导体激光器的基本结构，双异质结（DH）平面条形结构。
这种结构由三种不同类型半导体材料构成，中间为有源层，两侧为限制层，三层半导体置于基片上。
半导体激光结构（DH）和主要特性
结构：
激励源、激光物质和谐振腔
主要特性：
1.发射波长和光谱特性2.激光束的空间分布3.转换效率和输出光功率特性4.频率特性5.温度特性
1）发射波长和光谱特性
2）转换效率和输出光功率特性
激光的电光转换效率，外微分量子效率，定义为在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数。
3）温度特性
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。
3、DBF与FP腔激光器具优势
①单纵模激光器
FP激光器的发射光谱是由增益谱和激光器纵模特性共同决定的，由于谐振腔的长度较长，导致纵模间隔小，相邻纵模间的增益差别小，因此要得到单纵模振荡非常困难。
②谱线窄，波长稳定性好。
由于DFB激光器的每一个栅距Λ相当于一个FP腔，所以布喇格反射可以看作多级调谐，使得谐振波长的选择性大大提高，谱线明显变窄，可以窄到几个GHz。
③动态谱线好。
DFB激光器在高速调制时也能保持单模特性，这是FP激光器无法比拟的。
尽管DFB激光器在高速调制时存在啁啾，谱线有一定展宽，但比FP激光器的动态谱线的展宽要改善一个数量级左右。
④线性好。
DFB激光器的线性非常好，因此广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统中。
4、掌握自动功率控制和温度控制必要性
致冷器的冷端和激光器的热沉接触，热敏电阻作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通过控制电路改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。
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内。
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、PIN与APD的结构和特性差异
PIN是在PN结中间设置一层摻杂浓度很低的本征半导体的结构。
I层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子空穴对，因为大幅度提高了光电转换效率。
特性：
量子效率和光谱特性，响应时间和频率特性，噪声。
APD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。
特性：
倍增因子，过剩噪声因子。
7、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。
8、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。
9、常用光电检测器的种类。
PIN光电二极管雪崩光电二极管（APD）
10、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。
11、雪崩二极管是利用什么原理使检测灵敏度大大提高？
将吸收区与倍增区分开，暗电流可低于10MA，量子效率可达到60%，在InGaAs和Inp之间插入薄的InGaP渐变层，以降低带隙不连续性，提高响应速度，进而提高灵敏度
12\在增益区的光子要实现光放大，其能量必须具备什么条件?
处于高能级的原子数多于处于低能级的原子数，即N2＞N1 受激辐射＞受激吸收 这样容易出现粒子数的反转，即可出现光放大
11、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
12、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。
13、光接收机的组成及每部分的作用
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
光接收机的放大器有前置放大器和主放大器。
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。
它应该是精心设计和制作的低噪声放大器。
主放大器一般是多级放大器，它的作用是除了提供足够的增益，它还受自动增益控制（AGC）电路控制，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。
主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围
均衡的目的是对经光纤传输、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，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。
14、描述接收机的性能指标（噪声）
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）。
第四章
误码率（ＢＥＲ）
用较长时间间隔内，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。
灵敏度
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
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
动态范围
在限定的误码率的条件下光接收机所能承受的最大光功率与最小光功率的比值
DR=10lg
1、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.PDH和SDH的区别
1）ＳＤＨ采用世界上统一的标准传输速率等级
2）ＳＤＨ各网络单元的光接口有严格的标准规范
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）采用数字交叉连接设备ＤＸＣ可以对各种端口速率进行可控的连接配置，对于网络资源进行自动化的调度和管理，及提高了资源利用率，又增强了网络的抗毁性和可靠性，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，使现代通信网络提高到一个崭新的水平
2.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。
1）段开销（ＳＯＨ）；段开销是在ＳＤＨ帧中为保证信息正常传输所必须的附加字节，主要用于运行，维护和管理
2）信息载荷（Ｐａｙｌｏａｄ）信息载荷域是ＳＤＨ帧内用于承载各种业务信息的部分
3）管理单元指针（ＡＵPTR）管理单元指针是一种指示符，主要用于指示Payload第一个字节在帧内的准确位置
3.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。
4.EDFA掺铒光纤放大器优点：
1）工作波长真好落在光纤通信的最佳波段
2）增益高30--40dB饱和输出光功率大，增益特性与光偏振状态无光
3）噪声指数小；多用于多信道传输时，隔离度大，串扰小，适用于波分复用系统
4）频带宽，可进行多信道传输，有利于增加容量
第七章
1、光放大器的种类
（1）半导体光放大器（SOA）半导体光放大器的优点是小型化，容易与其他半导体器件集成；缺点是性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。
（2）光纤放大器
掺铒光纤放大器（EDFA）
分布光纤拉曼放大器（DRA）——非线性光纤放大器
2、掺铒光纤放大器的工作原理
如图，在掺铒光纤（EDF）中，铒离子（Er3+）有三个能级：
其中能级1代表基态，能量最低；能级2是亚稳态，处于中间能级；能级3代表激发态，能量最高。
1）当泵浦（Pump,抽运）光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态（1→3）。
2）但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2（无辐射跃迁）。
（3）如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态（2→1），产生受激辐射光，因而信号光得到放大。
注：
从掺铒光纤放大器的工作原理可以看出，光放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果。
为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态Er3+尽可能跃迁到激发态，
3、掺铒光纤放大器的构成方框图
（1）光隔离器：
防止反射光影响光放大器的工作稳定性。
（2）光耦合器（波分复用器）：
把信号光和泵浦光混合起来。
（3）掺珥光纤：
长约10~100m，Er3+浓度约为25mg/kg。
（4）泵浦光源：
形成粒子数反转分布。
光功率为10~100mW，工作波长为0.98μm。
4、什么是WDM波分复用？
光波分复用（WDM：
WavelengthDivisionMultiplexing）技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。
其基本原理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，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。
注：
目前，“掺铒光纤放大器（EDFA）+密集波分复用（WDM）+非零色散光纤（NZDSF，即G.655光纤）+光子集成（PIC）”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。
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