光纤复习.docx

1、光纤复习光通信是指利用某种特定波长（频率）的光信号承载信息，并将此光信号通过光纤或者大气信道传送到对方，然后再还原出原始信息的过程。光纤通信n 使用光导纤维作为传输媒质n 目前最主要的光通信应用形式大气光通信/空间光通信n 光信号直接在大气（或其他介质）中传输（垂直/水平方向）n 地面卫星通信或接入网中应用第一代光纤通信系统 850/1310 nm 多模系统，140Mbit/s，距离30km 第二代光纤通信系统 1310nm 单模系统，1Gbit/s，50km 第三代光纤通信系统 1550 nm 单模系统，2.5Gbit/s，100km 第四代光纤通信系统 光放大器引入，数十Gbit/sTbi

2、t/s，数千km 第五代光纤通信系统 光孤子系统，超大容量和超长距离传输，网络化/智能化优点：传输容量大传输损耗小，中继距离长泄漏小，保密性好，节省有色金属，抗电磁干扰能力强，重量轻，可扰性好，易于施工系统组成：光发送机（电-光），光纤线路，光接收机（光-电），数字复用设备，光中继机（光-电-光）光纤组成：折射率（n1）较高的纤芯部分，折射率（n ）较低的包层）、n2部分以及表面涂覆层。按纤芯折射率分布：阶跃折射率分布和渐变折射率分布光纤材料分类：SiO2光纤，塑料光纤，氟化物光纤G.651光纤（多模光纤），G.652光纤（常规单模光纤），G.653光纤（色散位移光纤），G.654光纤（低损耗

3、光纤），G.655光纤（非零色散位移光纤）以及最新的G.656和G.657光纤。G.652光纤又称为常规单模光纤或标准单模光纤（STDSMF），被广泛应用于数据通信和图像传输。在1310nm窗口处有零色散。在1550nm 窗口处有较大的色散， 达+18ps/nmkm，不利于高速率大容量系统。G.653光纤又称为色散位移光纤（DSF），将在1310nm附近的零色散点，移至1550nm波长处，使其在1550nm波长处的损耗系数和色散系数（0）均很小。主要用于单信道长距离海底或陆地通信干线，其缺点是不适合波分复用系统。G.654光纤又称为1550nm损耗最小光纤，它在1550nm处损耗系数很小，0.

4、2dB/km，光纤的弯曲性能好。主要用于无需插入有源器件的长距离无再生海底光缆系统。其缺点是制造困难，价格贵。G.655光纤称为非零色散位移光纤（NZ DSF）。G.655 光纤在1550nm波长处有一低的色散（但不是最小）（），能有效抑制“四波混频”等非线性现象。为充分开发和利用光纤的有效带宽，需要光纤在整个光纤通信的波长段（13101550nm）能有一个较低的色散，G.656色散平坦光纤就是能在13101550nm波长范围内呈现低的色散（1ps/nmkm）的一种光纤。DCF是一种具有很大负色散系数的光纤，用来补偿常规光纤工作于1310nm或1550nm处所产生的较大的正色散。1310nm(

5、-80),1550nm(-150)光缆按缆芯（成缆）方式：层绞式，骨架式，中心束管式，带状式当m=0时，可以得到两套独立的分量，一套是Hz、Hr、E，Z向上只有H分量，称为TE模；一套是Ez、Er、H，Z向上只有E分量，称为TM模。截止条件：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。LPmn模是由HEm+1，n模和EHm-1，n模线性迭加而成，只有归一化频率V小于LP11模的截止频率（V =2 4048）时 才能保证光纤Vc 2

6、.4048），中只传输基模（LP01模或HE11模），所以单模光纤理论截止波长l如果c ，则为单模光纤，该光纤只能传输基模；如果c ，就不是单模光纤，光纤中除了基模外，还能传输其它高阶模。如果光波长极短（趋于0）而可以忽略，并使小孔小到无穷小，则通过的光就形成一条尖锐的线，这就是光射线。也可以说一条很细很细的光束，它的轴线就是光射线。当光波长趋于0而可以忽略时，用射线去代表光能量传输线路的方法称为射线光学。在射线光学中，把光用几何学来考虑，所以也称为几何光学。全反射定律：当入射角度增大到某一角度时，折射角可以获得最大值90，此时可认为无折射光存在，所有的入射光被反射称为全反射现象，满足全反射现

7、象的最小角度称为全反射的临界角C。 差，只要端面入射角=最大接受角，即可全反射，NA表示光纤接收和传播的能力。产生信号衰减和畸变的主要原因是光在光纤中传输时存在损耗和色散等性能劣化。造成光纤中能量损失的原因是吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。吸收损耗与光纤材料有关，散射损耗与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关，辐射损耗则是由光纤几何形状的微观和宏观扰动引起的。吸收损耗与光波长有关。紫外吸收带是由于原子跃迁引起的。红外吸收是由分子振动引起的。除了跃迁金属杂质吸收外，氢氧根离子（OH-）的存在也产生了大的吸收。散射损耗是由于材料不均匀，使光散射而引起的损耗。瑞利散射是由于光纤内部的密度不均匀引起的。瑞利散

8、射损耗的大小与1/4成正比。光纤的色散是由于光纤中所传输的光信号的不同的频率成分和不同模式成分的群速不同而引起的传输信号的畸变的一种物理现象。光纤中的色散可分为材料色散、 模式间色散、波导色散和偏振模色散等。对多模传输，模间色散占主导，材料色散相对较小，波导色散一般可以忽略。对于单模传输，材料色散占主导，波导色散较小。波导色散：由于光纤的结构、相对折射率差等多方面的原因，有一部分光会进入包层内传播（这部分光能量的大小与光波长有关），其速度要比在纤芯中传播快，所以将这种由于某一传输模的群速度随光波长而变所引起的脉冲展宽称为波导色散。光波长越大，进入包层的光越多，群速度变化越大，波导色散越严重偏振

9、模色散主要是由于光纤的双折射效应引起的。非线性效应：光纤的制造材料本身并不是一种非线性材料，但光纤的结构使得光波以较高的能量沿光纤长度聚集在很小的光纤截面上，会引起明显的非线性光学效应，对光纤传输系统的性能和传输特性产生影响。光发送机的核心部件是光源这种电子由于发射或吸收光子而从一个能级改变到另一个能级称为辐射跃迁。但原子发射或吸收光子，只能出现在某些特定的能级之间。当处于低能级E1的电子，受到光子能量恰好为EhfE2-E1E2 的外来入射光的照射时，电子吸收一个这种，而跃光子迁到高能级E2，这称为光的受激吸收。当处于高能级E2的电子，在受到光子能量恰好为Ehf E hfE2-E1的外来入射光

10、的照射时，电子在入射光子的刺激下，跃迁回到低能级E1 而一频率 ，且辐射出个与入射光子有相同、相同相位和相同传播方向的光子，这种类型的跃迁称为受激跃迁，其辐射称为受激辐射。光的自发辐射，受激吸收，受激辐射是同时存在的。在通常情况下，处于高能级的粒子数总是远少于处于低能级上的粒子数，这种状态称为粒子数的正常分布。这种处于高能级的电子数量多于低能级电子数量的分布叫做“粒子数反转分布”。粒子数反转分布必要条件：多能级物质有了“粒子数反转分布”的条件，就有可能实现光的放大。激光器的组成部分：工作物质激光器的组成核心，也就是发光物质。光学共振腔形成激光振荡，输出激光。激励系统将各种形式的外界能量转换成激

11、光光能，通常是激光器的电源。原理：半导体激光器的核心部分是一个PN结。这个PN结导带是高度掺杂的，P型半导体中空多，N型半导穴极体中自由电子极多。半导体中的载流子是由导带电子和价带空穴产生的。外加正向电压破坏了原来的平衡，使费米能级分离。在N区( EF)NF)以下各能级，电子占据的可能性大于12。在P区对于(EF)P以上的各能级，空穴占据的可能性大于12，因此当 PN结上加足够的正向电压，保证电流足够放大时，P区的空穴和N区中的电子大量地注入结区，在PN结的空间电荷区附近就存在一个电子反转分布的区域，这个区域叫做“有源区”或“作用区”。只有足够大的正向电压，保证电流足够大时，才会产生激光。刚开

12、始产生激光的（注入）电流称为激光器的阈值电流。半导体激光器是一个阈值器件，它的工作状态随注入电流的不同而不同。只有当外加激励的能源功率（一般为电能源）超过某一临界值时，激光物质中的粒子数反转达到了一定程度，激光器才能克服光谐振腔内的损耗而产生激光。此临界值就称为激光器的阈值。对激光器而言，希望其阈值电流越小越好，因为阈值电流小要求的外加激励能源就小激光器本身发热就少。功率转换效率定义为：输出光功率与消耗的电功率之比半导体激光器的阈值电流、输出光功率和发光波长随温度而变化的特性称为温度特性。阈值电流随温度的升高而加大。半导体激光器的阈值电流还与其器件的老化程度有关。随着激光器工作时间增长，器件老

13、化，其阈值电流不断增加。半导体激光器的纵向光场不是以行波形式传输，而是成驻波形式振荡。因此，激光器输出的是一系列模式明确，谱宽很窄，功率不同、尖锐的谱线，称为激光器的纵模。对于半导体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱以自发辐射为主，发出的是荧光，谱宽很宽，其光谱宽度常达数十nm。当注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益大于损耗，激光器产生激光振荡，输出光谱呈现出以一系列振荡模式纵模。其发射光谱变窄，谱线中心强度急剧增加，激光器输出功率越大，其发射光谱越窄，谱线中心强度越大。LD（半导体激光器）与LED(发光二极管)的异同：LED的工作原理与LD基本相同，只是结构上有所区别。LED也采用双异质结

14、的结构，但没有谐振腔，它发出的是自发辐射光，而不是激光，其光谱线宽度比LD的谱线宽度要宽，因而色散较大，传输带宽小，发出的功率小。但是LED的结构比较简单，价格低，发射功率与温度的关系小，性能较稳定，因此在小容量、短距离的光纤通信系统中得到广泛的应用。LED器件在小容量短距离系统中发挥了重要作用LED工作特性：与半导体激光器的P-I特性相比，LED没有阈值，其线性范围较大。在注入电流较小时，曲线基本上是线性的，当注入电流较大时，由于PN结的发热而出现饱和现象。要实现光纤通信，首先要解决如何将光信号加载到光源的发射光束上，即需要进行光调制。直接调制：直接调制方法仅适用于半导体光源（LD和LED）

15、，这种方法是把要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED，从而获得相应的光信号。光纤通信系统中传播的光，可以视为光频载波，电信号对光源器件的直接调制方式，使光源发出的光载波功率大小在时间上随驱动电流变化而变化。直接调制会引入频率啁啾，即光脉冲的载频随时间变化间接调制是利用晶体的光电效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制。这种调制方式既适用于半导体激光器，也适用于其它类型的激光器。间接调制最常用的是调制的方法，即在激光形成后加载调制信号。它是在激光器谐振腔外的光路上放置调制器，在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相应的变化，当由光源发出的激光通过它时，得到调制。相干

16、光通信系统也需要采用间接调制光发送机由输入电路和光发送电路组成。输入电路由输入接口电路与光线路码型变换电路组成。常用的线路码型：扰码二进制，字变换码，插入型码线路编码对线路传输速率的改变 对扰码二进制：线路速率不变对字变换码，mBnB实际线路速率标称速率(n/m) 对插入码，如mB1H实际线路速率标称速率(m+1)/m光发送电路的主要作用是将经过线路编码的电信号对光源进行调制，即完成电光变换，并从光源的尾纤送出光信号注入光纤线路。LD发送电路是指光源采用半导体激光器LD的发送电路。LD发送电路由电平移动、LD光源、驱动电路、预偏置电路、自动功率控制(APC)电路和自动温度控制(ATC)电路组成

17、。光源的驱动电路和偏置电路的要求1输出的光脉冲峰值必须保持恒定。不管温度如何变化或激光器如何老化，都要保持脉冲恒定。2光脉冲的通断比（即消光比）应10，以免接收灵敏度受到损害。 3电流脉冲加上后，激光发射的时间必须远短于每位码元的时间段。4如加上的电流脉冲有较高的码速，则输出的光脉冲有可能引起弛张振荡，这就必须予以阻尼，防止它对系统性能发生不良影响。为了减小光脉冲的驰张振荡现象，必须先加偏置电流（IB）后加调制电流脉冲（IDID）。偏置电流的大小，直接影响LD的高速调制性质。选择偏置电流应考虑以下几个方面：1偏置电流值接近于激光器的阈值电流（IthIth），这可以大大减小光延迟时间，同时使光脉

18、冲的弛张振荡得到一定程度的抑制。2当激光器偏置在阈值附近时，较小的调制脉冲电流就能得到足够的输出光脉冲。3太大或太小的偏置电流会使通断比（消光比）恶化。为了稳定输出光功率，必须采用自动功率控制（APC）电路。采用平均功率反馈控制的APC电路。APC电路中采用增大激光器偏置电流和输入信号功率（输入电脉冲幅度）方法稳定激光器输出信号光功率。ATC工作原理：温度变化会引起输出光功率的变化，虽然可以通过APC电路进行调节，使LD输出光功率恢复正常值。但如果环境温度升高较多，使得Ith增大较多，经APC调节后IB也增大较多，则LD的结温会升高过多，致使Ith更高，造成恶性循环，以致把LD烧坏。因此，对L

19、D管芯的工作温度采用ATC电路，使其恒定在20左右，对光源长期稳定工作是有利的。温度控制也有多种方式，常用的是半导体制冷器方式。为了克服由于光生载流子扩散速度慢于漂移速度而引起的响应变慢现象，对光电二极管采用反向偏压。反向偏压增加了耗尽区的宽度，从而减少了光生电流中的扩散分量，同时增强的电场也会加快光生载流子的漂移速度，有利于加快光生载流子的响应时间。只有入射光子的能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg，才能产生光电效应。只有波长小于c的光才能用由这种材料做成的器件检测。c称为器件的截止波长。要检测某波长的入射光，必须要选择由适当材料做成的检测器。一方面由其禁带宽度决定的截止波长要大于入射光波长

20、，否则材料对光透明，不能进行光电转换。另一方面，吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。PIN 光电二极管的响应速度可以用响应时间或截止频率来表示。响应时间取决于光检测电路的上升时间、载流子在耗尽层中的渡越时间和耗尽区外载流子的扩散时间。当入射光功率太大时，光电流和光功率将不成正比，从而产生非线性失真。暗电流的存在限制了光电二极管所能检测的最小光功率，也就是降低了接收机的灵敏度。碰撞电离的反复循环使耗尽层内的载流子数雪崩似的急剧增加，通过二极管的电流也就猛增，这就是雪崩倍增效应。雪崩光电二极管（APD）就是利用雪崩倍增效应实现内部电流增益的半导体光电转换器件。光接收机性能的优劣的主要技术指标是

21、接收灵敏度、误码率或信噪比、带宽和动态范围等接收机灵敏度是接收机的关键指标，它表示在给定的误码率（或信噪比）条件下，接收机接收微弱信号的能力。接收机的动态范围表示接收机适应输入信号变化的能力。其中散粒噪声包括光检测器的量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD倍增噪声；热噪声主要指负载电阻产生的热噪声，放大器噪声（主要是前置放大器噪声）中，既有热噪声，又有散粒噪声。光接收机的误码主要由散粒噪声、倍增噪声、热噪声等综合的总噪声引起。输入的最小平均光功率PR；每个光脉冲的最低平均光子数n0；每个光脉冲的最低平均能量Ed。动态范围表征的是光接收机适应输入信号变化的能力，也即光接收机灵敏度和过载功率之间

22、的差值。影响接收机灵敏度的因素有：码间干扰、消光比、暗电流、量子效率、光波波长、信号速率、各种噪声等。光纤连接器是使一根光纤与另一根光纤之间可活动连接的器件。光纤耦合器的功能是实现光信号的分路/合路，就是把一个输入的光信号分配给多个输出或者把多个输入的光信号组合成一个输出。光同步数字传送网是由一些SDH网元（NE）组成，在光纤上进行同步信息传送、复用和交叉连接的网络。SDH特点；同步复用（解复用），标准光接口，强大的网管能力网络节点接口（NNI）在概念上是网络节点间的接口，从具体实现上看就是传输设备和网络节点之间的接口。段开销是指STM帧结构中为了保证信息净负荷正常灵活传送所必须的附加字节，主

23、要是供网络运行、管理和维护使用的字节。AU PTR是一种指示符，主要用来指示信息净负荷的第1个字节在STM-N帧内的准确位置，以便在接收端正确地分解。信息净负荷区就是帧结构中存放各种信息容量的地方。SDH基本复用单元包括若干容器（C-n）、虚容器（VC-n）、支路单元（TU-n）、支路单元组（ TUG-n ） 、管理单元（ AU-n ） 和管理单元组（AUG-n），n为PDH系列等级序号。我国光同步传输体制规定以2048kbit/s为基础的PDH系列作为SDH的有效负荷，并选用AU-4复用路线。定位是一种将帧偏移信息收进支路单元或管理单元的过程。即以附加于VC上的支路单元指针（或管理单元指针）

24、指示和确定低阶VC帧的起点在高阶净负荷中（或高阶帧的起点在AU净负荷中）的位置。指针分为AU-4指针、TU-3指针和TU-12指针。复用：一个STM-1可以直接提供63个2Mbit/s或3个34Mbit/s（经PDH复用解复用可以得到48个2Mbit/s）或一个140Mbit/s（经PDH复用解复用可以得到64个2Mbit/s口）。TM类型.1型复用设备该型复用设备提供把PDH支路信号映射、复接到STM-N信号的功能，.2型复用设备该型复用设备提供把PDH支路信号灵活地映射，安排到STMN信号帧中任何位置上的能力。.1型复用设备该型设备提供把若干个STM-N信号组合成一个STM-M（MN）信号

25、的能力。.2型复用设备该型设备提供把若干个STM-N信号灵活地组合成一个STM-M（ MN）信号的能力。分插复用设备ADM分为两类：.1型和.2型。 .1型复用设备该型复用设备提供分出和插入PDH信号的能力，分出和插入信号的接口符合G.703建议。 .2复用设备该型复用设备提供分出和插入SDH信号的能力，分出和插入信号的接口符合G.707建议。SDH中ADM的两种应用：代替PDH中的分插复用；ADM用作终端复用器。再生器REG可按照抖动转移参数的不同分为A型和B型两类。两类再生器的功能块描述完全一样。再生器是双向双工设备。SDXC44这种设备只有高阶交叉连接功能，可看成是高阶通道VC-4的“交

26、换机”。 SDXC41这种设备只有低阶通道交叉连接功能，可看成是低阶通道VC-12 的“交换机”。 SDXC441这种设备既有高阶通道交叉连接功能，又有低阶通道交叉连接功能，可看成是两种功能组合的“交换机”。伪同步和主从同步是解决频率同步的两种办法。伪同步是指数字网内各节点都具有独立的基准时钟，。而主从同步是指网内设一主局。主从同步方式中，节点时钟通常有三种工作模式。正常工作模式，保持工作模式，自由运行模式。SDH网同步的规划原则：在同步网内不应出现环路；尽量减少定时传递链路的长度；应从分散路由获得主、备用基准；受控时钟应从其他同级或高一级设备获得基准；选择可用性高的传输系统传送基准。SDH传

27、送网的分类：电路层网络（直接为用户提供通信服务），通道层网络（支持一个或多个电路层网络，为电路层网络节点提供透明的通道（即多条电路），传输媒质层网络（支持一个或多个通道层网络，为通道层网络节点提供合适的通道容量）。自愈体系：自动保护倒换，自愈环，基于数字交叉连接的自愈网。自愈环：单向自愈环（只用两条光纤，一条工作，另一条备用；方向不变），二纤单向复用段保护环（每个节点在支路信号插分功能前的每一条高速路上都有一个保护切换），二纤单向通道保护环（以信号的双重输入概念为基础；同时传输，主被系统均工作），双向自愈环（顺，逆时针均可）光波分复用（ WDM ）技术是在一根光纤上能同时传送多波长光信号的一项

28、技术。WDM的三种形式：双纤单向传输，单纤双向传输，光分路插入传输。WDM系统主要由以下五个部分组成：光发送机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统。应用代码一般采用以下方式构成：nWx-yz，其中n是最大波长数目，W代表传输区段（WL，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（x1），y是该波长信号的最大比特率（y4或16分别代表STM-4或STM-16），z代表光纤类型（z2，3，5分别代表G.652，G.653或G.655光纤）。常用的EDFA的工作波长范围为15301565nm。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1

29、00GHz的频率间隔系列。对于16通路WDM系统，通道间隔为100GHz（约0.8nm），最大中心频率偏移为20GHz（约为0.16nm ） ； 对于8 通路WDM系统， 通道间隔为200GHz（约为1.6nm）。为了未来向16通道系统升级，也规定对应的最大中心频率偏差为20GHz。带外监控技术：对于使用EDFA作为线路放大器的WDM系统，需要一个额外的光监控信道。ITU-T建议采用一个特定波长作为光监控信道，传送监测管理信息。此波长位于业务信息传输带宽之外时可选用151010nm，速率为2048kb/s。带内监控技术：选用位于EDFA增益带宽内的波长15324.0nm作为监控信道波长。此时监

30、控系统的速率可取为155Mbit/s。信道间的串扰大小主要取决于光纤的非线性和复用器的滤波特性。一个通信连接是通信网中从用户至用户，包括参与交换和传输的各个部分(如用户线，终端设备，交换机，传输系统等)的传输全程。我国根据具体情况提出假设参考数字段的长度为280km或420km(对于长途传输)和50km(对于市话中继)。绝大多数的误码发生形态可归为两类：一类是误码显示出随机发生形态，即误码往往是单个随机发生的，具有偶然性。另一类误码常常是突发的，成群发生的长期平均比特误码率：平均误码率是指测量期间内收到的错误比特数与同一时期传送的全部比特数之比。误码时间率是以比特误码率超过规定阈值(BERT)

31、的百分数来表示的。N64Kbit/s数字连接的误码性能：误码秒(ES)，严重误码秒(SES)高比特率数字通信的性能：误块秒比(ESR)，严重误块秒比(SESR)，背景误块比(BBER)抖动的定义是：数字信号的各有效瞬间对其理想时间位置的短时偏移。漂移的定义为数字信号的特定时刻(例如最佳抽样时刻)相对其理想时间位置的长时间偏移。延时是指数字信号传输的群延时，即数字信号以群速通过一个数字连接所经历的时间，又称包络延时。A可用性，F失效率，MTTR平均故障修理时间，MTBF系统的平均故障间隔时间F1每个主用系统发生故障的失效率，n主用系统个数，m备用系统个数，F0单个系统失效率 接入网的分层：电路层、通道层和传输媒质层。光接入网主要由光线路终端OLT、光分配网络 ODN 和光网络单元 ONU 等组成。光放大器的能源是由外界泵浦提供的。EDFA的增益大小与多种因素有关，通常为1540dB。