《光纤通信》的复习总结要点.docx

1、光纤通信的复习总结要点光纤通信课程复习要点和重点浙江传媒学院 陈柏年（2014年6月）第一章 概述1、光纤通信：以光波作为信号载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。2、光纤通信发展历程：（1）光纤模式：从多模发展到单模；（2）工作波长：从短波长到长波长；（3）传输速率：从低速到高速；（4）光纤价格：不断下降；（5）应用范围：不断扩大。3、光纤通信系统基本组成：（1）光纤，（2）光发送器，（3）光接收器，（4）光中继器，（5）适当的接口设备。第二章 光纤光缆一、光纤（Fibel）1、光纤三层结构：（1）纤芯（core），（2）包层（coating），（3）涂覆层（jacket）。2、各类光纤的缩写

2、和概念： SIF（突变型折射率光纤），GIF（渐变折射率光纤）；DFF（色散平坦光纤）、DSF（色散移位光纤）； MMF（多模光纤），SMF（单模光纤）；松套光纤，紧套光纤。二、光的两种传输理论（一）光的射线传输理论 1、光纤的几何导光原理：光纤是利用光的全反射特性导光；纤芯折射率必须大于包层折射率，但相差不大。2、突变型折射率多模光纤主要参数：（1）光纤的临界角c：只有在半锥角为c的圆锥内的光束才能在光纤中传播。（2）数值孔径NA：入射媒质折射率与最大入射角（临界角）的正弦值之积。与纤芯与包层直径无关，只与两者的相对折射率差有关。它表示光纤接收和传输光的能力。 （3）光纤的时延差：时延差大，

3、则造成脉冲展宽和信号畸变，影响光纤的容量，模间色散增大。3、渐变型折射率多模光纤主要参数：（1）自聚焦效应：如果折射率分布恰当，有可能使不同角度入射的全部光线以同样的轴向速度在光纤中传输，同时达到光纤轴上的某点，即所有光线都有相同的空间周期。（2）光纤的时延差：比突变型光纤要小，减小脉冲展宽，增加传输带宽。（二）光纤波动传输理论1、光纤模式：一个满足电磁场方程和边界条件的电磁场结构。表示光纤中电磁场（传导模）沿光纤横截面的场形分布和沿光纤纵向的传播速度。2、光纤中可能存在的四套模式：横电模TE、横磁模TM及混合模HE和EH。3、色散曲线：导模传播常数与光纤归一化频率V值的关系曲线。（1）“模式

4、截止”：光纤包层中出现辐射模，纤芯中导波模截止； （2）“远离截止”：光纤包层中不出现辐射模，导波模在纤芯中很好传输。4、线偏振模（LP）：在传播过程中始终保持场矢量取向不变的电磁波。将弱导条件下传播常数相等的多个模式简并得到的简化分析模式。特点是场的横向分量线偏振，且远大于传播方向分量（准TEM波）。三、单模光纤SMF：只能传播一种模式（基模）的光纤。1、单模传输条件（截止条件）：当特征频率V截止波长c时，光纤中传播的只有唯一HE11（LP01）一个基模存在，其余模式全部截止。2、模场直径W0：纤芯中径向场分布曲线中心轴处最大值的1/e处所对应的径向宽度。3、单模光纤的类型：（1）G.652

5、光纤（STD常规单模光纤标准单模光纤）。（2）G.653光纤（DSF色散位移光纤）。（3）G.654光纤（截止波长光纤低损耗光纤）。（4）G.655光纤（NZ-DSF非零色散位移光纤）。四、光纤传输特性（色散、损耗）（一）光纤色散1、色散：在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散造成光信号传输波形的失真（畸变）。时域造成脉冲展宽，频域限制传输带宽。2、色散系数D：单位波长间隔（1纳米）的光经单位距离（1公里）光纤后的时延值。量纲ps/(nmkm)3、光纤色散种类：（1）模间色散。（2）材料色散。（3）波导色散：材料色散、波导色散合称为色度色散。（二）光纤损

6、耗（1）损耗系数：单位距离（1公里）光信号能量衰减的分贝值。量纲dB/km（2）光纤损耗的机理（种类）：吸收损耗。散射损耗。辐射损耗。（3）光纤的三个低损窗口：850nm、1310 nm、1550 nm。五、光缆光缆基本结构：缆芯（芯线+加强件）和护层。光缆结构分类：（1）层绞式。（2）骨架式。（3）束管式。（4）带状式。光缆敷设方法：（1）管道敷设，（2）直埋敷设， （3）架空敷设，（4）水下敷设。光缆四个特性：拉力特性、压力特性、弯曲特性、温度特性。六、光纤损耗测量三种方法1、剪断法：基本测量方法。2、插入法：光检测器输入前插入12m长的短光纤测量。3、后向散射法：利用反向光的瑞利散射光功

7、率来确定光纤损耗系数的方法。测量仪器称为光时域反射仪（OTDR）。OTDR是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表。光纤通信常用仪器：（1）测量光功率的仪器使用光功率计，（2）用于光纤故障定位的仪器使用光时域反射仪（OTDR），（3）测量光链路误码率的仪器使用误码测量仪。第3章 通信用光器件一、相关物理基础 （一）原子能级和能带1、半导体的三种能带：价带（束缚电子）、禁带和导带（自由电子）。禁带宽度：导带底Ec与价带顶Ev的能量差，Eg= E CEV。2、光子能量与光波频率之间的关系： E=hf。（1）光的波长、频率、速度三者间的关系是C=f；

8、（2）光子的能量EP与其频率f的关系是EP = hf；（3）光子的波长（nm）与其能量EP（eV）的关系是EP= 1.24/。（二）光与物质的三种相互作用1、自发辐射：无外界激励而高能级电子自发跃迁到低能级，同时释放出光子。发光器件LED。2、受激辐射：高能级电子受到外来光作用，被迫跃迁到低能级，同时释放出光子，且产生的新光子（全同光子）与外来激励光子同频同方向，为相干光。发光器件LD。3、受激吸收：低能级电子在外来光作用下吸收光能量而跃迁到高能级。光电器件PD。（三）激光（LASER）：“受激辐射的光放大”的简称。 “粒子数反转分布”：高能级上的电子数多于低能级上电子数的分布状态。（四）激光

9、器结构（三个功能部件）：1、激活物质（增益物质）：在外界足够强的泵浦源作用下，能够形成粒子数反转分布的物质。2、泵浦源：以外部能量把处于基态的电子，激励（抽运）到较高的能级高能态的过程。3、光学谐振腔：形成正反馈，使光波加强。（五）激光的产生两个条件：1、振幅平衡条件（阈值条件）：光的放大和损耗应满足的平衡条件。2、相位条件：满足形成正反馈的要求，使光波振荡加强。二、半导体激光器（一）原理与结构1、半导体激光器工作原理：在正偏情况下，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。发光特点：发射的光子同频、同相、同偏振方向，输出相干光。

10、2、半导体激光器结构：（1）同质结构。（2）异质结构。（3）双异质结（DH）三层平面条形结构：有源层、限制层、法布里-珀罗谐振腔。5、发射波长和光谱特性：（1）发射波长：取决于半导体材料的禁带宽度。（2）光谱特性：用FP谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器。要得到高速数字调制的动态单纵模激光器，可以采用DFB分布反馈激光器。（二）半导体激光器特性1、P-I特性曲线：输出光功率与注入电流变化的关系。光功率随驱动电流的增加而增加。当IIth，激光器发出的是激光。2、激光器量子效率d：在阈值电流之上（在激光发光区），激光器输出光子数的增量与注入电子数的增量之比。3、光谱特性：用光源谱线宽度来

11、表示，激光器的越小越好。4、频率特性：直接调制时，弛张频率是调制频率的上限。5、温度特性：温度升高时， Ith 增大，d 减小，输出光功率明显下降。6、应用场合：大容量长距离数字系统、模拟系统。（三）分布反馈DFB激光器：没有集总的谐振腔反射镜，有源层周期性波纹光栅结构形成光分布式反馈的单纵模（SLM）的LD。优点：单纵模，光谱窄，动态谱线好，线性好。三、发光二极管（LED）：无光学谐振腔，基于自发辐射工作的无阈值发光器件。（一）结构与特点工作机理和发光特点：（1）工作机理：自发辐射，（2）发光特点：输出具有较宽的频率范围的非相干光。发光二极管种类：（1）正面发光二极管。（2）侧边发光二极管。

12、（二）发光二极管工作特性1、P-I特性：无阈值器件，注入电流的增加，输出光功率近似呈线性增加。2、光谱特性：谱线宽度比LD宽得多。3、温度特性：主要影响LED的输出光功率、P-I特性的线性及工作波长。4、应用场合：小容量数字系统和模拟系统。对照曲线比较：半导体发光二极管LED与半导体激光器LD的区别。比较项目LEDLD（1）工作机理自发辐射，发出的是荧光受激辐射，发出的是相干光（2）有无阈值无阈值器件有阈值器件（3）输出光功率较小较大（4）温度影响温度特性好，一般不需要温控电路温度特性差，需要温控电路（5）使用场合小容量、短距离光通信系统大容量、长距离光通信系统四、光检测器：将光辐射能量转换成

13、电流或电压（光电转换）的能量变换器件。（一）光检测器功能与分类1、光电检测器原理：外加反向偏压的PN结，当入射光作用时，形成漂移电流和扩散电流，在外电路中形成光生电流。当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。 2、类型：（1）PIN光电二极管，（2）雪崩光电二极管APD。（二）光电转换原理：受激吸收，把光信号转换成电信号。转换条件：只有波长截止波长c的入射光，才能产生光电效应。由禁带宽度决定的截止波长要大于入射光波长。c为截止波长。（三）PIN光电二极管基本结构：在重掺杂的（P+）层和（N+）层之间有较宽一层轻掺杂的N型材料（本征的I层），扩大耗尽层宽度以吸收绝大多数

14、光子，使光生电流增加。（四）雪崩光电二极管APD（利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度光电探测器）1、雪崩倍增效应（工作原理）：（1）超强电场：外加高反向偏压，在耗尽区内形成强电场。（2）碰撞电离：光生载流子被强电场加速，以极高的速度与耗尽区的晶格发生碰撞，产生新的光生载流子，并形成链锁反应，（3）雪崩倍增：光电流在二极管内部获得倍增的现象。2、倍增因子：APD输出光电流和一次光电流的比值，表示APD的放大能力。（五）光电二极管特性1、量子效率：一次光生电子空穴对和入射光子数的比值。2、响应度（A/W）：一次光生电流Ip 和入射光功率P0的比值。3、响应时间：通常使用检测器输出脉冲的上升

15、时间r和下降时间f来表示。4、噪声：（1）热噪声。（2）暗电流噪声。（3）漏电流噪声。（4）散弹噪声。（5）APD倍增噪声：雪崩光电二极管倍增过程的随机特性产生附加噪声。五、光无源器件（一）光无源器件：无需电源，不进行光电变换的光路器件。（二）光纤连接器：用以稳定地活动连接两根或多根光纤的无源组件。性能指标：（1）插入损耗（dB）= Pi（dBm） Po （dBm），越小说明性能越好。（2）回波损耗（dB）= Pi（dBm） Pr （dBm），越大说明性能越好。（3）重复性：光纤（缆）活动连接器多次插拔后插入损耗的变化，用dB表示，一般0.1dB。（4）互换性：连接器各部件互换时插入损耗的变化

16、，也用dB表示，一般0.2dB（三）光纤耦合器：将光信号进行分路或合路、插入、分配的一种无源器件。性能指标：（1）附加损耗Le（dB）=输入端总光功率Pit（dBm）输出端总光功率Pot（dBm）；（2）插入损耗（dB）=第i路输入光功率Pic （dBm）第i路输出光功率Poc （dBm）；（3）耦合比（第i路分光比）CRi=第i路输出光功率Poc/总的输出光功率Pot100%；（4）隔离度DIR（dB）=注入端输入光功率Pic（dBm）输入侧非注入端输出的光功率Pr （dBm）。（四）光隔离器：一种只允许光信号沿光路正向传输的非互易性无源器件。工作原理：晶体的非互易旋光性（法拉第效应）使光正

17、向传输，反向隔离。性能指标：（1）插入损耗（dB）=输入光功率Pi（dBm）输出光功率Po（dBm）（2）反向隔离度（dB）=反向输入光功率Pi（dBm）反向输出光功率Po （dBm）（3）回波损耗（dB）=正向输入端口注入光功率Pi（dBm）正向输入端口反射光功率Pir （dBm）（五）光环形器：一个多端口的输入输出非互易器件。特点：控制电磁波沿某一环行方向传输；正向顺序传导、反向传输阻塞。作用：把光信号流按一个规定的方向从一个端口送到另一个端口。（六）光调制器：输入电调制信号对恒定光载波信号调制产生已调光波信号的装置。原理：利用电光效应、声光效应、磁光效应和电吸收效应达到调制的目的。马赫-

18、曾德尔（M-Z）干涉型调制器：利用铌酸锂晶体电光效应的实用调制器。（七）光开关：转换光路，实现光交换的光无源器件。分类：（1）机械光开关。（2）固体光开关。第四章 光端机一、光发射机：完成电/光转换（E/O），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。由光源、驱动器和调制器组成。（一）概要1、光源：光发射机的核心。三种光源器件：半导体激光器LD、半导体发光二极管LED和固体YAG激光器。通信常用的两种光源：激光二极管（LD）和发光二极管（LED）2、目前主要使用的光源调制方法：光强度调制IM。（1）直接调制：由电调制信号直接控制激光器的驱动电流，注入调制电流实现输出

19、光波的强度调制。直接调制会引入频率啁啾（光脉冲的载频随时间变化）。（2）间接调制：利用晶体电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对光源辐射的强度调制。（二）数字光发送机：作用是完成电/光转换，把电端机输出的数字基带电信号转换为已调光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。1、组成：主要有光源和电路两部分组成。具体由输入电路（输入盘）和电光转换电路（发送盘）组成。（1）均衡放大：用以补偿由电缆传输所产生的电信号的衰减和畸变，保证电、光端机间信号的幅度、阻抗适配。（2）码型变换：将电端机送入的信号码型从双极性的HDB3或CMI码变为单极性的NRZ码。（3）复用扰码：复用是用一个大传输信道同时传送多个

20、低速信号的过程。扰码是使信号达到“0”、“1”等概率出现，利于时钟提取。（4）时钟提取：提取与网络同步的时钟供给扰码与线路编码等电路。（5）线路编码：以提取定时信息，提高误码检测能力。（6）驱动电路（调制电路）：用经过编码的数字信号对光源进行直接光强度调制，完成电/光转换，是电光转换电路的核心。（7）光源：LD或LED，产生作为光载波的光信号。（8）自动功率控制电路（APC）：检测发送光功率变化，动态调节光源的偏置电流Ib和调制电流Im，以稳定发送光功率。（9）自动温度控制电路（ATC）：保持LD的工作温度基本恒定，不受外界温度变化和LD本身结发热效应的影响，使激光器输出特性保持恒定。一般由致

21、冷器、热敏电阻和控制电路组成。（10）监测电路：实现光发射机的工作参数的监测。（11）告警电路：实现光发射机的保护和告警。2、主要要求：（1）平均输出光功率：正常条件下，光发送机发送光源尾纤输出的平均光功率。一般为0.01mW5mW。（2）有较好的消光比（也称通断比，EXT）：全“1”码平均发送光功率与全“0”码平均发送光功率之比。一般要求EXT10dB。（3）有良好的调制特性：光源的PI曲线在使用范围内线性特性好，调制后不产生非线性失真。二、光接收机：作用是完成光/电转换（O/ E），把经过光纤线路传送、产生了畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经过放大和处理后恢复成发射前的电信号。组成：

22、光检测器、放大器和信号处理电路。（一）概要1、光检测器：光接收机的核心，两种常用的光检测器：PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。2、两种检测方式：直接检测和外差检测，一般使用直接检测（DD）。（二）数字光接收机：将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端机，并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出。1、组成：（1）光检测器：实现光/电转换的关键器件。（2）前置放大器：实现低噪声放大。（3）主放大器：提供足够的增益，输出满足判决所需的电平，且增益受AGC电路的控制。（4）均衡器：对

23、已产生畸变的电信号进行补偿，以消除码间干扰，减小误码率。（5）AGC电路：用反馈环路来控制主放大器的增益。增加光接收机的动态范围，使光接收机的输出电流保持恒定。（6）时钟恢复电路：从放大器输出的信号和噪声混合的波形中提取码元时钟（定时信号），提供给判决电路。（7）判决电路：在时钟信号控制下，逐个将均衡后的脉冲输出信号波形判决输出，恢复出原发送的码流，把放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号。（8）光端机辅助系统：为光纤通信系统可靠的实现信号的传输提供保障支撑。2、光接收机噪声的主要来源（1）光检测器噪声：包括散弹噪声（光生载流子数随机起伏所产生）、暗电流噪声（无光照射时的反向残留电流）、漏电流噪

24、声（光检测器表面物理状态不完善和加有偏置电压时引起）和APD倍增噪声（雪崩光电二极管倍增过程的随机特性产生附加噪声）。（2）前置放大电路的热噪声：光电二极管的负载电阻RL和后接的放大器的输入电阻所产生。三种前置放大器：（1）双极型晶体管前置放大器。（2）场效应管前置放大器。（3）跨阻型前置放大器。3、主要性能指标：（1）误码率：在较长时间间隔内的传输码流中，错误判决的码元数Ne在所接收到的码元总数Nt中所占的比例。（2）接收灵敏度Pr：在一定误码率条件（BER=10 9）下，接收机能检测到的最小平均信号光功率（以dB表示）。表示光接收机接收微弱信号的能力。（3）动态范围DR：在保证系统的误码率

25、指标要求下（BER=10 9），接收机能检测到的最大平均接收光功率Pmax与最小平均接收光功率Pmin之间的比值；以dB表示为接收机最大允许输入光功率Pmax（dBm）最低输入光功率Pmin（dBm）。三、线路编码（一）光纤对所传信号码型的要求在PDH系统中，常用的线路编码有分组码mBnB，1B2B码（CMI、DMI和双相码等）和插入码，SDH光纤通信系统中广泛使用的是加扰的NRZ码。（二）常用光纤线路码型1、扰码：在光发射机的调制器前，将原始的二进制码序列与伪随机序列进行异或运算，使之接近于随机序列。2、分组变换码（mBnB码）。3、插入码（mB1X码）可分为mB1P码、mB1C码和mB1H

26、码。第五章 数字光纤通信系统一、准同步数字体系PDH：（1）除复接成基群时采用同步复接外，高次群均采用异步复接，各支路时钟是不同源；（2）各支路时钟相对其标称值有一个规定容限的偏差约束。1、两种复用体系：（1）基群速率为1.544 Mbps的PDH：基群传输24路话音。（2）基群速率为2.048 Mbps的PDH：基群传输30路话音。我国的PDH规范。2、我国PDH数字复接群速率约称：一次群（PCM30/32系统）：2Mbps，（2.048M bps），二次群：8 Mbps，三次群：34 Mbps，四次群：140 Mbps，五次群：565 Mbps。二、同步数字体系SDH的定义：由若干SDH的

27、网元组成在光纤或微波上进行同步信息传输、复用、分插和交插连接的网络。含义是：（1）同步：支路时钟同源；（2）数字：传输数字信号；（3）体系：支路复接、线路传输、信号交换融为一体。（一）基本概念和帧结构1、SDH的核心特点：（1）同步复用：上下电路业务十分容易。（2）标准光接口：对NNI（Network Node Interface）统一规范，容易实现多厂家SDH设备的互连。（3）强大的网络管理能力：帧结构中安排了丰富的用于OAM功能的开销字节，使网络的自动化程度大大加强。2、SDH标准传输速率等级：同步传输模块STM传输速率约称STM-1155MbpsSTM-4622 MbpsSTM-162.

28、5GbpsSTM-6410 GbpsSTM-25640 Gbps3、STM-1 的帧结构：9270字节的块状帧，1帧2430字节19440比特，帧周期125s，帧率8000帧/ s。（1）净荷（含POH）。（2）中继段开销RSOH。（3）管理单元指针AUPTR。（4）复用段开销MSOH。STMN的帧结构：N个STM1以字节为单位同步交错复接后构成270N个字节STMN信号。 （二）复用原理和基本复用单元1、SDH复用原理（SDH的复用三个步骤）：（1）映射：在SDH网络边界处支路信号经速率调整，并增加通道开销（POH），适配进虚容器的过程。（2）定位：使用载荷指针技术，指示帧偏移信息，即VC在

29、TU或AU净荷的位置。指针PTR：用来指示低速信号在高速信号中位置的一组二进制数。（3）复用：将复用单元组合成为STMN的帧结构，完成复用过程。2、SDH六种复用单元名称种类功能容器C-n5装载各种速率的业务信号的信息结构（字节排列方式），完成适配，即码速调整。（n=11，12，2，3，4）虚容器VC-n5支持SDH的通道层连接的信息结构，完成同步复用和交叉连接，VCn=CnVCn POH（n=11，12，2，3，4）支路单元TU-n4提供低阶通道层（VC-1/2/3）和高阶通道层（VC-3/4）之间适配的信息结构，TUn=VCn + TUn PTR ，TU-n PTR指示低价VC-n净负荷起

30、点相对高阶VC帧起点间的偏移值。（n=11，12，2，3）支路单元组TUG-n2高阶VC净负荷中占据固定的、确切位置的一个或多个TU的集合。（n=2，3）管理单元AU-n2提供高阶通道层和复用段层之间适配的信息结构。AUn=VCn + AUn PTR（n=3，4）管理单元组AUG1在STM-n净负荷中的一个或多个占据固定的、确切位置的AU的集合。3、SDH复用映射结构（1）虚容器VC：SDH中最重要的信息结构， SDH中可以用来传输、交换、处理的最小信息单元，VC在SDH传输网中传输的路径称为通道。VC在SDH网络中始终保持完整不变，独立地在通道的任意一点进行分出、插入或交叉连接。（2）管理单元指针（AU PTR）：在VC 的前面加上AU PTR，以进行定位校准。（3）管理单元（AU）和支路单元（TU）：都是加入指针后组成的信息单元结构。（4）支路单元组：TU经均匀字节间插后，组成支路单元组（TUG）。（5）管理单元组：3个AU-3或1个AU-4组成管理单元组（AUG）。4、SDH的开销：用来传送SDH网络中的控制与维护信息，用于网络运行、维护、管理的OAM字节。（1）段开销SOH：再生段开销RSOH，复用段开销MSOH。（2）通道开销POH。（三）SDH的四种网元1、终端复用器（TM）：完成SDH终端的复接/分接功能，在通道两端把多路低速信号复