光纤通信第5章
《光纤通信》原荣 第三版 第5章 复习思考题参考答案
第5章 复习思考题参考答案5-1 光探测器的作用和原理是什么答：光探测器的作用是利用其光电效应把光信号转变为电信号。
光探测器的原理是，假如入射光子的能量h ν超过禁带能量E g ，只有几微米宽的耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子-空穴对，发生受激吸收，如图5.1.1（a ）所示。
在PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，电子向N 区漂移，空穴向P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N 区进入正电极。
从而在外电路形成光生电流P I 。
当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。
5-2 简述半导体的光电效应答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。
如果占据高能带（导带）c E 的电子跃迁到低能带（价带）v E 上，就将其间的能量差（禁带能量）v c g E E E -=以光的形式放出，如图4.2.2所示。
这时发出的光，其波长基本上由能带差E ∆所决定。
图4.2.2 光的自发辐射、受激发射和吸收反之，如果把能量大于hv 的光照射到占据低能带v E 的电子上，则该电子吸收该能量后被激励而跃迁到较高的能带c E 上。
在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于高能带c E 上的电子，使光能转变为电流，这就是光接收器件的工作原理。
5-3 什么是雪崩增益效应答：光生的电子-空穴对经过APD 的高电场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子-空穴对，如图5.2.4所示。
这种通过碰撞电离产生的电子-空穴对，称为二次电子-空穴对。
新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。
APD 就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。
图5.2.4 APD雪崩倍增原理图5-4 光接收机的作用是什么答：光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。
第5章-光纤光学ppt课件光纤的特征参数与测试技术
如果采用线宽为 300 MHz的DFB激光器，在1 Gbps 调制 速率下光谱被展宽 2 GHz，即光源谱宽为2,300 MHz 或 .02 nm (1500 nm波长). 则传输10 公里距离，色散脉冲展 宽值为 : D = 17ps/nm/km × .02 nm × 10 km = 3.4 ps
显然这种情形下， 1 Gbps速率光通信系统没有任何问题。
课堂测验(7)
1. 哪些因素限制光通信传输距离？ 2. 一光纤长220公里，已知光纤损耗为0.3dB/km，当输出光功率
为2.5 mW时，输入光功率为多少？ 3. 为什么光纤在1.55μm的波长损耗比1.3μm波长小? 4. 光纤的损耗能否降为零？为什么？ 5. 三角形折射率分布光纤与平方率折射率分布光纤哪种波导色散
光纤的损耗
§5.1.1 光纤材料的吸收损耗
光纤的损耗谱
不断拓展的光纤窗口波长
2004年
7
§5.1.2 散射损耗
特点：不可能消除的损耗
散射损耗
特点：非线性散射
产生新的频率分量
散射
机理： 光
新光波长+声子
§ 5.1.3 光纤的弯曲损耗
物理机制
光纤发生弯曲
全反射条件破坏
约束能力下降
导摸转化为辐射摸
大？为什么？ 6. 简述光纤中三种色散的机理。在什么条件下光纤的色散为零？
习题：5.4~5.11
通信原理第5章
(2)
三、实际抽样 ------自然抽样
自然抽样的特点
平顶抽样：
5.2 脉冲编码调制（PCM）
脉冲编码调制(PCM)简称脉码调制，它是一种用一组二进 制数字代码来代替连续信号的抽样值，从而实现通信的方式。 由于这种通信方式抗干扰能力强，它在光纤通信、数字微波通 信、卫星通信中均获得了极为广泛的应用。 PCM是一种最典型的语音信号数字化的波形编码方式。首 先，在发送端进行波形编码(主要包括抽样、量化和编码三个过 程)，把模拟信号变换为二进制码组。编码后的PCM码组的数 字传输方式可以是直接的基带传输，也可以是对微波、光波等 载波调制后的调制传输。在接收端，二进制码组经译码后还原 为量化后的样值脉冲序列，然后经低通滤波器滤除高频分量， 便可得到重建信号 x(t ) 。
1 Ts= 是最大允许抽样间隔，它被称为奈奎斯特间隔，相对 2 fH 应的最低抽样速率fs=2fH称为奈奎斯特速率。
混叠现象
信号的重建
该式是重建信号的时域表达式， 称为内插公式。 它说 明以奈奎斯特速率抽样的带限信号x(t)可以由其样值利用内
插公式重建。这等效为将抽样后信号通过一个冲激响应为
际标准中取μ=255。另外，需要指出的是μ律压缩特性曲线 是以原点奇对称的， 图中只画出了正向部分。
2、A律压扩特性
Ax 1 ln A ,0 x 1 / A z 1 ln( Ax) ,1 / A x 1 1 ln A
• • •
x——压缩器归一化输入电压 z——压缩器归一化输出电压 μ ——压缩器参数
量化的物理过程
q7
x q x q x (t)
q
信号的实际值
6
量化误差
6
信号的量化值
光纤通信原理第5章光放大器
目录
5.1 概述 5.1.1 半导体光放大器 5.1.2 掺饵光纤放大器 5.1.3 光纤拉曼放大器 5.1.4 光放大器在光纤通信系统中的应用
5.2 光放大器基本特性 5.2.1 增益和带宽 5.2.2 饱和输出功率 5.2.3 噪声特性 5.2.4 光放大器存在的问题
4~6 <-40 <0.5 不
5~11
~3 小 <0.5 不 0.05~0.1
~6 小 <0.5 不
WDM NO YES YES YES
PDFA 1310
~2 30
>10 ~6 小 <0.5 不
YES
SOA的最大优点—可以单片集成；最大问题——不适合于多波长工作
5.1.4 光放大器在光纤通信系统中的应用
5.1.3 光纤拉曼放大器（FRA）
——普通光纤（几十KM）
s v 分子振动频率
耦合器
原理：
p
图5.1.6 反向泵浦光纤拉曼放大器 受激拉曼散射（SRS) 泵浦激光很强
s p nv
斯托克效应，恰使斯托克散射光的频率与入射光 相同，实现了泵浦光向信号光的能量转移
受激拉曼散射（SRS）原理
在频率为p的入射强光作用 下，物质分子做频率为ν的 周期性调制，使得感应电偶 极矩也做周期性调制。该调 制对入射光散射，使得入射 光的频率发生移动变为s ： 1、斯托克散射光（强）：
SOA慢的多，XGM/XPM很小
图5.3.5 交叉增益饱和引起的信道间串扰
2.全光信号处理——SOA的用途
波长转换器
(WC)工作原
理---利用了
SOA交叉增
强
益调制 弱
（XGM)
光纤知识点总结(5-9章)
光纤知识点（5-9章）第五章知识点1.数字传输体制有两种：是不同的传输体制协议。
SDH（同步数字传输体制）PDH（准同步数字传输体制）2. SDH对模型的下列几个方面做了规定：（1）网络节点接口（2）同步数字体系的速率（3）帧结构。
（1）网络节点接口传输设备：光缆传输系统设备；微波传输系统设备；卫星传输系统设备。
网络节点：只有复用功能（简单）；复用、交叉连接多种功能（复杂）。
（2）速率：同步传输模块：STM-N，N＝1、4、16 等。
STM-1 155.520Mbit/s 155Mbit/sSTM-4622.080Mbit/s 622Mbit/sSTM-16 2488.320Mbit/s 2.5Gbit/sSTM-64 9953.280Mbit/s 10Gbit/sSTM-256 39813.12Mbit/s 40Gbit/s（3）帧结构：SDH 帧为块状帧结构，共有9 行，270 列，以字节为单位。
一个STMN 帧有9 行，每行由270×N 个字节组成。
这样每帧共有9×270×N 个字节，每字节为8 bit。
帧周期为125μs，即每秒传输8000 帧。
对于STM1 而言，传输速率为9×270×8×8000=155.520 Mb/s 。
字节发送顺序为：由上往下逐行发送，每行先左后右。
（结构图见书127页，重点）3.STM-N 帧包括三个部分：SOH、AU-PTR、PAYLOAD（结构图见书127页，重点）（1）段开销SOH：RSOH，再生段开销：1～3 行。
MSOH，复用段开销：5～9 行。
区别：监管范围不同。
如：若光纤上传输2.5G 信号，RSOH 监控STM-16 整体的传输性能。
MSOH 监控每一个STM-1 的传输性能。
（2）管理指针AU-PTR：指示净负荷PAYLOAD 中信息的起始字节位置，便于接收端从正确的位置分解出有效传输信息。
光纤通信技术（第2版）习题答案孙学康张金菊第五章习题
Pout 10000.36/16 62.5mW
Pout 18 20.5 28.5(dBm)
答： P137 最后一段
8.请画出光传送网的分层结构图，并简单介绍各层的功 能。
答： P152 图5-25 传送网的分层模型 各层功能：P151 ”1.基于SDH的光传送网”中的内容
9Hale Waihona Puke 什么是OADM？其所具有的功能有哪些？
答： OADM：光分插复用器 功能：P141 ”（1）OADM的功能”中的内容
10.试计算STM-1段开销的比特数？
答： 利用P125中 图5-2 STM-N的帧结构来计算
STM-1段开销的比特数=8×9×8=576bit
11.计算STM-16的码率。
答： 先利用P125中图5-2计算出其一帧比特数，再除以 一帧的周期
STM-16的码率= 2709816 =2488.32Mb/s
125 106
12.已知某波分复用系统的信道间隔 v 为100GHz。请计 算该系统中所使用光源谱宽的最大值是多少？（取 f=193.10×1012Hz）
答：
v 2
C
100109 (1552.52)2 3108
0.8nm
13.如果某WDM系统中的技术参数如下：
中心波长为1552.52nm（对应中心频率为193.10THz）， OSNR=7（满足BER=10-12时），N=10，NF=5.5dB， Δλ=0.1nm，Lα=15dB，BWeff=2.5THz 。请算出实用16路 WDM系统所要求的光放大器的输出光功率范围？
5.请画出SDH的帧结构图。 答： P125 图5-2 STM-N的帧结构
光纤通信第5章-光纤波导-模式与场
2、分离变量
令
(x, y, z) (x, y)eiz
代入亥姆赫兹方程
2(x, y, z) k 2(x, y, z) 0
得到
t2(x ,y ) 2(x ,y ) 0
————即光纤中的波导场方程
其中：横向拉普拉斯算符
t2
2
2 z 2
光线的传播角从零到临界角，传播角越小模式级别越低，沿中心轴传播的模式为 零级，临界传播角模式级别最高；
横模－横向场分布（表现为不同光斑花样）
（1）x, y 轴对称 TEMmn m－X向暗区数 n－Y向暗区数
TEM00
TEM10
TEM20
TEM03
TEM11
（2）旋转对称 TEMmn m－暗直径数；n－暗环数(半径方向)
1、模式数量：光纤的结构参数决定了光纤中允许存
在的导模数量。
M
g （2 g
Байду номын сангаас2）V
2
其中g为折射率分布参数
光纤的结构参数由归一化频率V表征：
V
2 0
a
n12 n22 k0an1
2
V越大，允许存在的导模数就越多。 模 式 数 量 与 光 纤 直 径 和 数 值 孔 径 成 正 比 ， 和 波 长 成 反 比 。
3．简谐时变场的波动方程— —亥姆霍兹方程
分离电磁矢量得到只与E或H有关的矢量波动方程
利用光纤介电常数变化极为缓慢的条件简化方程为标量波动方程
设光纤中传播的电磁场随时间作简谐变化，分离时空坐标，得到 的波动方程就称为亥姆霍兹（Helmholtz
推导这个方程的条件是：无源空间，介质是理想、均匀、各向同 性而且电磁场是简谐的。
通信原理第5章数字信号的基带传输
影响因素
带宽效率受到多种因素的影响， 包括信号的频谱特性、传输通道
的带宽限制、多径干扰等。
提高方法
为了提高带宽效率，可以采用高 阶调制技术、多载波调制技术、 高效编码技术等措施，以提高数 字信号的传输速率和带宽利用率。
05 基带传输的未来发展与挑 战
高频谱效率的基带传输技术
高级编码调制技术
简化的信号处理算法
研究和发展简化的信号处理算法，降低基带传输的复杂度，提高 实时性和能效。
低复杂度调制解调技术
采用低复杂度的调制解调技术，如QPSK、16-QAM等，降低实现 难度和功耗。
硬件加速技术
利用硬件加速技术，如FPGA和ASIC，实现高速数字信号处理，降 低计算复杂度。
基带传输在物联网中的应用与挑战
基带传输的应用场景
有线局域网
基带传输在有线局域网中广泛应用， 如以太网（Ethernet）。
光纤通信
在光纤通信中，基带传输常用于短距 离、高速率的信号传输。
无线局域网（WLAN）
WLAN中的信号传输通常采用基带传 输方式。
数字电视信号传输
数字电视信号通常采用基带传输方式， 通过同轴电缆或光纤进行传输。
04 基带传输的性能指标
误码率
01
02
03
误码率
是指在传输过程中，错误 接收的码元与总传输码元 的比值，是衡量数字通信 系统可靠性的重要指标。
影响因素
误码率受到多种因素的影 响，包括信噪比、信号的 频谱特性、传输通道的畸 变、多径干扰等。
降低方法
为了降低误码率，可以采 用差分编码、信道编码、 均衡技术等措施，以提高 数字信号的抗干扰能力。
信噪比
信噪比
第五章SDHWDM
1.网同步方式
国际上所使用的同步方式有主从同步方式、相互同步 方式和准同步方式，但大多数国家普遍采用主从同步方式
主从同步方式就是要在同步网中设立一个最高级别的 基准主时钟，而其他时钟均逐级与上一级时钟保持同步， 以此实现与主时钟同步的目的，及具体结构如图5-11所示
图5-11 我国同步时钟等级
由图5-11可知，主从同步网多采用树型拓扑结构，基 准时钟通过同步链路逐级向下传输，在各交换节点上，通 过锁相环将本地时钟与接收到的上一级时钟进行相位锁定， 从而达到与基准时钟同步的目的
（1）复用各部相同常用的有容 器（C）、虚容器（VC）、管理单元（AU）、之路单元 （TU）等。
① 容器
容器（C）实际上是一种装载各种速率业务信号的 信息结构，主要完成PDH信号与VC之间的适配功能。
ITU-T规定了5种标准容器，我国的SDH复用结构中， 仅用了装载2.048Mbit/s、34.368Mbit/s和 139.264Mbit/s信号的3种容器，即C-12，C-3和C-4， 其中C-4为高阶容器，C-3和C-12为低阶容器。
2.映射方法
5.1.3 SDH光传输系统
1.点到点链状线路系统
该系统是由具有复用和光接口功能的线路终端、中继 器和光缆传输线路构成，其中中继器可以采用目前常见的 光-电-光再生器，也可以使用掺饵光纤放大器（EDFA）， 在光路上完成放大的功能
2.环路系统
环路系统中，可选用分插复用器，也可以选用交叉连 接设备作为节点设备，它们的区别在于后者具有交叉连接 功能，它是一种集复用、自动配线、保护/恢复、监控和网 管设备的控制下，对由多个电路组成的电路群进行交叉连 接，因此其成本很高，故通常使用在线路交汇处，而接入 设备则可以使用数字环路载波系统（DLC）、宽带综合业务 接入单元（B-ISDN）
第五章光纤通信中的光源-PPT精品.ppt
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第一节 激光产生的基本原理
1-3 2021/1/3
一.原子的能级结构
A.能级
B.Boltzman Distribution
N2 N1
g2 g1
e(E2E1)/k0T各能级上的相对分粒布子数
g1,g2简并,度 令g2g1
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1二-4 光202的1/1辐/3 射和吸收 A自发辐射
1.原子在外界影响的情况下,处在高能级上的电子会自发的向低能级 跃迁而发光。
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i损耗系数
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1-9 2021/1/3
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C. 相位平衡条件:激光器必须工作在谐振腔的工作模式 上。 光腔的驻波条件:在腔内形成驻波。
L&#'
2 nL q
c
fq
q
2 nL
总结:lasers
1.Optical gain + feedback
(3) 发射方向和相位也不同；
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B. 受激吸收 1.
dN12 1 r12( dt )st N1
处于低能级的E1的一个原子,在频率为f的辐射场的作用下,吸收一 个能量为hf的光子,并受激的向E2能级跃迁hf=E2-E1。 2 受激吸收几率:
第5章 SDH同步数字传输网络(hu).
同步状态字节
空闲字节
S1（b5~b8）
M1
S1的后4 bit表示同步质量等级
未正式定义
5.2 SDH的复用映射
同步复用映射方法是SDH具有特色的内容之一。
分为两步： 1）将PDH通过映射定位复用成STM-1 2）N个STM-1通过字节间插复用成STM-N。
5.2.1 SDH的复用映射结构
2.048 Mbit/s
下面举例说明我国 PDH 系列一次群 2.048 Mbit/s 速率复 用为STM-1的过程。步骤如图5-4所示。
图5-4 2.048 Mbit/s支路信号复用映射过程
图5-4中的复用过程为：先将标称速率为2.048 Mbit/sPDH一次群支路信号装进入C-12经适配处理，加 上VC-n POH构成VC-12后，其速率为2.240 Mbit/s。VC12加上TU-12-PTR，以指明VC-12相对TU-12的相位， 经速率调准和相位对准后的TU-12速率变为2.304 Mbit/s。 经同步复接，即间插组成TUG-2（3×2.304 Mbit/s）， 又经7个TUG-2单字节间插组成TUG-3（加上塞入字节 使速率达到49.536 Mbit/s），再由3个TUG-3经字节间插 加上高阶POH和塞入字节后构成VC-4净负荷，速率为 150.336 Mbit/s。最后加上AU-4PTR的576 kbit/s的指针 信号组成了AU-4，速率为150.912 Mbit/s。单个AUG直 接接入加上4.608 Mbit/s的段开销组成STM-1（标称速率 为155.520 Mbit/s）的帧结构。
SDH网的主要特点
（1）有标准光接口； （2）同步字节复用(复接)； （3）强大的网络管理功能； （4）有世界统一的数字信号速率和帧结构标准； (5）SDH与PDH网络具有完全的兼容性。
梁瑞生《现代光纤通信技术及应用》课后习题及参考答案
第1章概述1－1、什么是光纤通信？参考答案：光纤通信(Fiber-optic communication)是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式，其先将电信号转换成光信号，再透过光纤将光信号进行传递，属于有线通信的一种。
光经过调变后便能携带资讯。
光纤通信利用了全反射原理，即当光的注入角满足一定的条件时，光便能在光纤内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。
1－2、光纤通信技术有哪些特点？参考答案：(1)无串音干扰，保密性好。
(2)频带极宽，通信容量大。
(3)抗电磁干扰能力强。
(4)损耗低，中继距离长。
(5)光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设。
除以上特点之外，还有光纤的原材料资源丰富，成本低;温度稳定性好、寿命长等特点。
1－3、光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作用。
参考答案：光纤通信系统最基本由光发送机、光接收机、光纤线路、中继器以及无源器件组成。
其中光发送机负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，光纤线路负责传输信号，而光接收机负责接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。
(1)光发送机：由光源、驱动器和调制器组成，实现电/光转换的光端机。
其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。
(2)光接收机：由光检测器和光放大器组成，实现光/电转换的光端机。
其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。
(3)光纤线路：其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。
(4)中继器：由光检测器、光源和判决再生电路组成。
它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减;另一个是对波形失真的脉冲进行整形。
(5)无源器件：包括光纤连接器、耦合器等，完成光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合。
第五章 光放大器
第五章光放大器5.1 光放大器一般概念一、中继距离所谓中继距离是指传输线路上不加放大器时信号所能传输的最大距离。
当信号在传输线上传输时，由于传输线的损耗会使信号不断衰减，信号传输的距离越长，其衰减程度就越多，当信号衰减到一定程度后，对方就收不到信号。
为了延长通信的距离往往要在传输线路上设置一些放大器，也称为中继器，将衰减了的信号放大后再继续传输，显然，中继器越多，传输线的成本就越高，通信的可靠性也会降低，若某一中继器出现故障，就会影响全线的通信。
在通信系统设计中，传输线路的损耗是要考虑的基本因素，下表列出了电缆和光纤每千可见，光纤的传输损耗较之电缆要小很多，所以能实现很长的中继距离。
在1550nm波长区，光纤的衰减系统可低至0.2dB/km，它对降低通信成本，提高通信的可靠性及稳定性具有特别重大的意义。
二、光放大器光信号沿光纤传输一定距离后，会因为光纤的衰减特性而减弱，从而使传输距离受到限制。
通常，对于多模光纤，无中继距离约为20多公里，对于单模光纤，不到80公里。
为了使信号传送的距离更大，就必须增强光信号。
光纤通信早期使用的是光－电－光再生中继器，需要进行光电转换、电放大、再定时脉冲整形及电光转换，这种中继器适用于中等速率和单波长的传输系统。
对于高速、多波长应用场合，则中继的设备复杂，费用昂贵。
而且由于电子设备不可避免地存在着寄生电容，限制了传输速率的进一步提高，出现所谓的“电子瓶颈”。
在光纤网络中，当有许多光发送器以不同比特率和不同格式将光发送到许多接收器时，无法使用传统中继器，因此产生了对光放大器的需要。
经过多年的探索，科学家们已经研制出多种光放大器。
光放大器的作用如图5.1所示。
图5.1与传统中继器比较起来，它具有两个明显的优势，第一，它可以对任何比特率和格式的信号都加以放大，这种属性称之为光放大器对任何比特率和信号格式是透明的。
第二，它不只是对单个信号波长，而是在一定波长范围内对若干个信号都可以放大。
光纤通信第五版-第5章-光纤波导
STEP-INDEX FIBER
全玻璃 损耗最小. 用在远距离传输 (100 km) 玻璃/塑料 损耗中等. (100m) 全塑料光纤 损耗高. 短距离 ( 10 m)
5
STEP-INDEX FIBER
典型的光纤参数:
Fiber
All-glass
Plastic-Clad Silica
All-plastic
Step Index Fiber (SI Fiber)
n1
n1 n2 n2
如需满足全反射条件，则 > c
sin c
n2 n1
包层折射率 n2
纤芯折射率 n1
n1 > n2
2
Section 5.1 Step-Index Fiber
在平板波导中，我们定义了相对折射率差
n1 n2 n1
光纤典型的 值是 0.01
WAVELENGTH (m)
29
Absorption
2. Impurities杂质 (a) Metal ions金属离子
Fe, Cu, and Ni, 在 0.6 - 1.6 m 范围内吸收 (b) Hydroxyl ion (OH)OH根离子
OH根离子是最主要的损耗. OH根离子吸收损耗主要发生在 2.73, 1.37, 1.23，0.95 m.
31
The molecules in glass are randomly located. Why? The glass was formed using heat, which caused a random movement of the molecules. When the glass solidified the molecules were frozen in their random locations. The result is a random density. This yields a random refractive index through the material. Thus, photons will be scattered at the random boundaries of the changing refractive indices.
光纤通信原理课件-第5章 相干光波通信系统
I (t) RP(t) 2RKEs0EL0 cos(IFt s L )
可以发现，检测器的输出电流不仅与被测信号强度或功率有关， 亦即不仅可用光信号的强度传递信息，还与光载波的相位或频 率有关，因而有可能通过调制光载波的相位或频率来传递信息， 而在直接检测技术中不允许进行相位或频率调制，所有有关信 号相位和频率的信息都丢失了。
(2) 声光调制器。这是一种声表面波波导，结构简单， 但产生的频移量在 1GHz
(3) 半导体激光器内调制。这是一种直接调制方法。
3 解调方案
零差检测
外差检测
异步解调 同步解调
零差检测可将光信号直接解调至基带，但实现 困难，要求本振频率与光信号频率精确相等， 本振相位与达到信号锁定，这种解调方案称为 同步解调。
（3）零差检测
L s
这时光电流
IF 0
称为零差检测
I (t) RP(t) 2RKEs0EL0 cos(IFt s L )
2KREs0EL0 cos(s L )
也可以写为
I (t) R PsPL cos(s L )
如果 L s I (t) R Ps PL
■ 零差检测的优点是检测灵敏度高 ■ 缺点是对相位的敏感性高
双相零差分集接收机
两相接收机中的两个支路接收信号相位差为90°，I 支路为同相信道，Q支路 为正交信道，很像柯斯塔斯环，但没有OPLL，每个支路中的信号处理可用于 恢复ASK、FSK或DPSK调制信号。在某一相位条件下，当一个支路中的信号 接近零时，另一个支路则有信号，而总输出就是调制信号。由于信号光与本振 光都要分成两部分，在散粒噪声限制下，对两相接收，灵敏度将比 OPLL 接收 机低 3dB。对三相接收，则要低 4.8dB。
马赫—曾德LiNbO3光波导调制器
光纤通信第四版课后答案张德民胡庆
光纤通信课后答案第一章基本理论1、阶跃型折射率光纤的单模传输原理是什么?答:当归一化频率V小于二阶模LP11归一化截止频率，即O<V<2.40483时，此时管线中只有一种传输模式，即单模传输。
2、管线的损耗和色散对光纤通信系统有哪些影响?答:在光纤通信系统中，光纤损耗是限制无中继通信距离的重要因素之一，在很大程度上决定着传输系统的中继距离;光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信容量和通信距离。
3、光纤中有哪几种色散?解释其含义。
答: (1）模式色散:在多模光纤中存在许多传输模式，不同模式沿光纤轴向的传输速度也不同，到达接收端所用的时间不同，而产生了模式色散。
(2）材料色散:由于光纤材料的折射率是波长的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此引起的色散称为材料色散。
(3）波导色散:统一模式的相位常数随波长而变化，即群速度随波长而变化，由此引起的色散称为波导色散。
5、光纤非线性效应对光纤通信系统有什么影响?答:光纤中的非线性效应对于光纤通信系统有正反两方面的作用，一方面可引起传输信号的附加损耗，波分复用系统中信道之间的串话以及信号载波的移动等，另一方面又可以被利用来开发如放大器、调制器等新型器件。
6、单模光纤有哪几类?答:单模光纤分为四类:非色散位移单模光纤、色散位移单模光纤、截止波长位移单模光纤、非零色散位移单模光纤。
7、光缆由哪几部分组成?答:加强件、缆芯、外护层。
*、光纤优点:巨大带宽(200THz)、传输损耗小、体积小重量轻、抗电磁干扰、节约金属。
*、光纤损耗:光纤对光波产生的衰减作用。
引起光纤损耗的因素:本征损耗、制造损耗、附加损耗。
*、光纤色散:由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，导致信号的畸变。
引起光纤色散的因素:光信号不是单色光、光纤对于光信号的色散作用。
色散种类:模式色散(同波长不同模式)、材料色散(折射率)、波导色散(同模式，相位常数)。
《光纤通信》第5章课后习题答案
1．光放大器包括哪些种类？简述它们得原理与特点。
EDFA有哪些优点？答：光放大器包括半导体光放大器、光纤放大器（由可分为非线性光纤放大器与掺杂光纤放大器）。
1）半导体光放大器它就是根据半导体激光器得工作原理制成得光放大器。
将半导体激光器两端得反射腔去除，就成为没有反馈得半导体行波放大器。
它能适合不同波长得光放大，缺点就是耦合损耗大，增益受偏振影响大，噪声及串扰大。
韧滯灿担紅残鄲。
2）光纤放大器（1）非线性光纤放大器强光信号在光纤中传输，会与光纤介质作用产生非线性效应，非线性光纤放大器就就是利用这些非线性效应制作而成。
包括受激拉曼放大器（SRA）与受激布里渊放大器（SBA）两种。
葉輊鮞为喷餘驶。
（2）掺杂光纤放大器（常见得有掺铒与掺镨光纤放大器）在泵浦光作用下，掺杂光纤中出现粒子数反转分布，产生受激辐射，从而使光信号得到放大。
EDFA优点：高增益、宽带宽、低噪声及放大波长正好就是在光纤得最低损耗窗口等。
2．EDFA得泵浦方式有哪些？各有什么优缺点？答：EDFA得三种泵浦形式：同向泵浦、反向泵浦与双向泵浦。
同向泵浦：信号光与泵浦光经WDM复用器合在一起同向输入到掺铒光纤中，在掺铒光纤中同向传输；反向泵浦：信号光与泵浦在掺铒光纤中反向传输；双向泵浦：在掺铒光纤得两端各有泵浦光相向输入到掺铒光纤中。
謾馊诈齟飄狯橫。
同向泵浦增益最低，而反向泵浦比同向泵浦可以提高增益3dB~5dB。
这就是因为在输出端得泵浦光比较强可以更多地转化为信号光。
而双向泵浦又比反向泵浦输出信号提高约3dB，这就是因为双向泵浦得泵功率也提高了3dB。
其次，从噪声特性来瞧，由于输出功率加大将导致粒子反转数得下降，因此在未饱与区，同向泵浦式EDFA 得噪声系数最小，但在饱与区，情况将发生变化。
不管掺铒光纤得长度如何，同向泵浦得噪声系数均较小。
最后，考虑三种泵浦方式得饱与输出特性。
同向 EDFA 得饱与输出最小。
双向泵浦 EDFA 得输出功率最大，并且放大器性能与输出信号方向无关，但耦合损耗较大，并增加了一个泵浦，使成本上升。
第5章-光纤通信技术
5.1 光纤基本知识
5.1.4 光纤的制造
制造光纤的方法很多，目前主要有：改进化 学汽相沉积法(MCVD)、等离子体化学汽相沉 积法(PCVD)、管外汽相沉积法(OVD)和轴向汽 相沉积法(VAD)。但不论用哪一种方法，都要 先在高温下做成预制棒，然后在高温炉中加温 软化，拉成长丝，再进行涂覆、套塑，成为光 纤芯线。
引言
光纤通信系统是目 前世界通信系统的主要 模式，比以前的电缆通 信系统无论从性能还是 成本上都有极大优势。 正是光纤用于现代通信 系统，才使得我们能够 成功构建今天高速、多 元化的信息社会
本章内容
5.1 光纤基本知识
5.2 光在光纤波导中的传播
5.3 光纤的损耗与色散
5.4 光通信器件
5.1 光纤基本知识
阶跃折射率光纤（SIF）
n1 , 0 r a n n2 , r a
渐变折射率光纤（GIF）
n1 1 2r / a n(r ) n2 ,r a
(n1 n2 ) / n1
5.1 光纤基本知识
5.2 光在光纤波导中的传播
5.2.1光纤原理的几何光学描述
如果有太多不同角度的光线在光纤中传播，由于 不同光线走的路径不一样，而纤芯折射率又处处相同 ，这会导致不同角度入射的光线传播到终点的时间不 一致，这就造成了输入光脉冲的展宽，这就是多模光 纤的模间色散。如果光脉冲被展宽，相邻光脉冲之间 就会产生交叠，在交叠区会发生干涉。一旦交叠区较 大，干涉效应会使得相邻的两个脉冲不可分辨，这样 信号就会发生失真。
5.1 光纤基本知识
5.1.4 光纤的制造
改进化学汽相沉积法(MCVD)
5.1 光纤基本知识
5.1.4 光纤的制造
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140/34 Mb/s
单
/
PDH
34/140 Mb/s 8/34 Mb/s 2/8 Mb/s
分分
34/8 Mb/s
电 复分
/
电 单光光
分分
8/2 Mb/s
复分
单 单光光
分分
复分
2 Mb/s (电信号)
SDH 155 Mb/s 光接口 ADM 155 Mb/s 光接口
2 Mb/s (电信号)
图 5.4 分插信号流程的比较
9字节开销 261字节 AU PTR 9行 … SDH帧1 (125 µs)
SDH帧2 (125 µs) 载荷包络
图 5.6 载荷包络与SDH帧的一般关系
这种结构可以把目前PDH的绝大多数标准速率信号装入 SDH帧。图5.7示出SDH一般复用映射结构，图中Cn是标准容 器， 用来装载现有PDH的各支路信号， 即C11#, C12#, C2#, C3 和C4 分别装载1.5 Mb/s#, 2Mb/s#, 6 Mb/s#, 34 Mb/s#, 45 Mb/s 和140Mb/s的支路信号，并完成速率适配处理的功能。 在 标准容器的基础上，加入少量通道开销(POH)字节，即组成 相应的虚容器VC。VC的包络与网络同步，但其内部则可装 载各种不同容量和不同格式的支路信号。所以引入虚容器的 概念，使得不必了解支路信号的内容，便可以对装载不同支 路信号的VC进行同步复用、交叉连接和交换处理，实现大容 量传输。
再生中继器 (b)
图 5.3传输通道的结构 (a) 传输通道连接模型； (b) 分层结构
(2) SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范。因此， 光接口成为开放型接口，任何网络单元在光纤线路上可以互连， 不同厂家的产品可以互通，这有利于建立世界统一的通信网络。 另一方面，标准的光接口综合进各种不同的网络单元， 简化 了硬件，降低了网络成本。有关光接口标准请参看本书附录A。 (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。 (在后续章节将进行介绍。) (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。
PDH各次群比特率相对于其标准值有一个规定的容差，而 且是异源的，通常采用正码速调整方法实现准同步复用。1次 群至4次群接口比特率早在1976年就实现了标准化，并得到各 国广泛采用。 PDH主要适用于中、低速率点对点的传输。随着 技术的进步和社会对信息的需求，数字系统传输容量不断提高， 网络管理和控制的要求日益重要，宽带综合业务数字网和计算 机网络迅速发展，迫切需要建立在世界范围内统一的通信网络。 在这种形势下，现有PDH的许多缺点也逐渐暴露出来，主要有： (1) 北美、西欧和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容， 没 有世界统一的标准光接口，使得国际电信网的建立及网络的营 运、 管理和维护变得十分复杂和困难。
SDH解决了PDH存在的问题，是一种比较完善的传输体 制，现已得到大量应用。这种传输体制不仅适用于光纤信道， 也适用于微波和卫星干线传输。
5.1.1准同步数字系列 准同步数字系列PDH 准同步数字系列
准同步数字系列有两种基础速率：一种是以1.544 Mb/s为 第一级(一次群，或称基群)基础速率，采用的国家有北美各 国和日本；另一种是以2.048 Mb/s为第一级(一次群)基础速率， 采用的国家有西欧各国和中国。表5.1是世界各国商用数字光 纤通信系统的PDH传输体制，表中示出两种基础速率各次群 的速率、话路数及其关系。对于以2.048 Mb/s为基础速率的制 式，各次群的话路数按4倍递增，速率的关系略大于4倍，这 是因为复接时插入了一些相关的比特。 对于以1.544 Mb/s为 基础速率的制式，在3次群以上，日本和北美各国又不相同， 看起来很杂乱。
TM
低速 信号
TM STM-n
ADM
STM-N
DXC
STM-N
ADM
STM-n
TM
低速 信号
STM-N 低速 信号 … TM STM-n ADM STM-N
STM-N DXC STM-N (n ＜N)
STM-N ADM STM-n TM 低速 信号 …
图 5.1 SDH传输网的典型拓扑结构
上述TM、ADM和DXC的功能框图分别如图5.2(a)#, (b)#, (c)所示。通过DXC的交叉连接作用，在SDH传输网内可提供 许多条传输通道，每条通道都有相似的结构，其连接模型如图 5.3(a)所示，相应的分层结构如图5.3(b)所示。每个通道(Path) 由一个或多个复接段(Line)构成，而每一复接段又由若干个再 生段(Section)串接而成。 与PDH相比， SDH具有下列特点： (1) SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。 最低的等 级也就是最基本的模块称为STM1，传输速率为155.520 Mb/s； 4 个 STM1 同 步 复 接 组 成 STM4 ， 传 输 速 率 为 4×155.52 Mb/s=622.080 Mb/s； 16个STM1 组成STM16, 传输速率为 2488.320 Mb/s，以此类推。
图 5.4 示出PDH和SDH分插信号流程的比较。在PDH中， 为了从140 Mb/s码流中分出一个2 Mb/s的支路信号，必须经过 140/34 Mb/s, 34/8 Mb/s和8/2 Mb/s三次分接。 而若采用SDH分 插复用器(ADM)，可以利用软件一次直接分出和插入 2 Mb/s支 路信号，十分简便。 (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，对网络资源进行自动化的调度和管理，既提 高了资源利用率，又增强了网络的抗毁性和可靠性。SDH采用 了DXC后，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帧结构 帧结构 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。图 5.5 给出SDH帧一个STMN帧有9行，每行由 270×N个字节组成。 这样每帧共有9×270×N个字节， 每字节为8 bit。 帧周期为125 µs， 即每秒传输8000帧。对于 STM1 而言，传输速率为9×270×8×8000=155.520 Mb/s。字 节发送顺序为：由上往下逐行发送，每行先左后右。 SDH帧大体可分为三个部分： (1) 段开销(SOH)。 段开销是在SDH帧中为保证信息正常 传输所必需的附加字节(每字节含64 kb/s的容量)，主要用于运 行、 维护和管理，如帧定位、 误码检测、 公务通信、自动保 护倒换以及网管信息传输。
E1 … E3
通道 终接设备 TM
线路 终接设备 ADM/DXC 再生段
再生中继器 Section 再生段 复接段
线路 终接设备 再生段 ADM/DXC
通道 终接设备 TM
E1 … E3
(Line)
传输通道 (Path) (a) Path Line Section Photonic Section Photonic Path Line Section Photonic
MUX
DMX
E1
…
E1
STM-N
STM-N
E1 E1 1
分分
1:m …
本交交分交交
复分
m:1 1
…
同同复分
(a)
同同分分
n
1:m
m:1
n
一中中
DMX STM-N MUX Drop STM-n Add STM- n
一中中
STM-N
配配配指
(c)
分分
复分
本本
(b)
图5.2SDH传输网络单元 (a) 终端复用器TM； (b) 分插复用设备ADM(Add/Drop Multiplexer); (c) 数字交叉连接设备DXC
(2) 各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的开销 比特，使网络设计缺乏灵活性，不能适应电信网络不断扩大、 技术不断更新的要求。 (3) 由于低速率信号插入到高速率信号，或从高速率信号 分出，都必须逐级进行，不能直接分插，因而复接/分接设备 结构复杂，上下话路价格昂贵。
5.1.2同步数字系列 同步数字系列SDH 同步数字系列
固定位置映射法是让低速支路信号在高速信号帧中占用固 定的位置。这种方法的优点是复接和分接容易实现，但由于低 速信号可能是属于PDH的或由于SDH网络的故障，低速信号与 高速信号的相对相位不可能对准，并会随时间而变化。SDH采 用载荷指针技术，结合了上述两种方法的优点，付出的代价是 要对指针进行处理。 超大规模集成电路的发展，为实现指针技 术创造了条件。 图 5.6 示出载荷包络与STM1 帧的一段关系与指针所起的 作用。通过指针的值，接收端就可以确定载荷的起始位置。 ITUT规定了SDH的一般复用映射结构。所谓映射结构， 是指把支路信号适配装入虚容器的过程，其实质是使支路信号 与传送的载荷同步。
(3) 管理单元指针(AU PTR)。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(相对于指 针位置的偏移量)。对于STM1 而言，AU PTR有9个字节(第4 行)， 相应于9×8×8000=0.576 Mb/s。 采用指针技术是SDH的创新，结合虚容器(VC)的概念， 解决了低速信号复接成高速信号时，由于小的频率误差所造成 的载荷相对位置漂移的问题。 3. 复用原理 复用原理 将低速支路信号复接为高速信号，通常有两种传统方法： 正码速调整法和固定位置映射法。正码速调整法的优点是容许 被复接的支路信号有较大的频率误差；缺点是复接与分接相当 困难。
1. SDH传输网 传输网 传输网 SDH不仅适合于点对点传输，而且适合于多点之间的网 络传输。图5.1示出SDH传输网的拓扑结构，它由SDH终接设 备(或称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。SDH终端的主要功能是复接/分接和提供业务适配，例如 将多路E1信号复接成STM1信号及完成其逆过程，或者实现与 非SDH网络业务的适配。ADM是一种特殊的复用器，它利用 分接功能将输入信号所承载的信息分成两部分：一部分直接 转发，另一部分卸下给本地用户。然后信息又通过复接功能 将转发部分和本地上送的部分合成输出。DXC类似于交换机， 它一般有多个输入和多个输出，通过适当配置可提供不同的 端到端连接。