光纤通信复习大纲(09级)

第一章
1 光纤通信系统的分类：
按传输信号的类型分：数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统。

按信号调制方式分：直接强度调制光纤通信系统和间接调制（外差光纤通信系统）现常用直接强度调制方式。

按光纤的传输特性分：多模光纤系统和单模光纤通信系统 按使用波长分：短波长、长波长、超长波长
2 基本光纤通信系统的组成：光发射机、光纤线路、光接收机、数字复用设备、光中继器。

光发射机：把输入的电信号转换成为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。

它的核心器件是光源（LD 或LED ）。

光纤线路：用于传输光信号。

由光纤、光纤接头、光纤连接器组成。

光接收机：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。

它的核心器件是光检测器（PIN 或APD ）。

3 光纤通信使用的频段范围：近红外光(波长为0.8-1.8um),频带宽度为200THz.主要使用850nm 1310nm 1550nm 三个窗口. 第二章 光纤和光缆
1光纤结构
纤芯、包层、涂敷层.纤芯的折射率略高于包层的折射率. 涂敷层的折射率高于包层.
2光纤的种类：单模光纤、多模光纤（阶跃和渐变） 单模光纤、阶跃折射率和梯度折射率光纤的比较 1)芯径: 单模光纤在10um 以下,多模光纤在几十um 2)损耗: 单模光纤0.3dB 左右 多模光纤4dB 左右
3)色散: 多模光纤色散大,主要是模间色散起作用. 阶跃折射率光纤的色散梯度折射率光纤比大单模光纤色散没有模间色散,主要是模内色散和偏振模色散.色散较小.
4)带宽: 单模光纤的带宽比多模光纤的带宽大.多模梯度折射率光纤的带宽比多模阶跃折射率光纤大.
3
4阶跃光纤的数值孔径的物理意义及公式
光纤的数值孔径与纤芯与包层直径无关，只与两者的相对折射率差有关。

若纤芯和包层的折射率差越大，NA 值就越大，即光纤的集光能力就越强。

5
阶跃光纤中传光的电磁波模式总数：M=V ²/2
渐变型光纤中传光的电磁波模式总数：M=V ²/4 6 模式传输的条件：V>Vc 或者是λ>λc
模式截止的条件：V<Vc 或者是λ<λc 临界条件：V=Vc
7
：
8、光纤波导中有哪些损耗？ 有以下三大类损耗: 1)吸收损耗
● 由于光纤材料本身吸收光能量产生的。

主要存在红外波段的分子振动吸收
和紫外波段的电子跃迁吸收。

红外吸收对长波长有影响，紫外吸收对短波长有影响。

● 杂质吸收损耗:主要是由于光纤中含有的各种过渡金属离子和氢氧根
（OH-）离子在光的激励下产生振动，吸收光能量造成。

（OH-）离子的吸收对光通信的长波长影响比较大（主要在1.38um)。

2)
散射损耗
● 瑞利散射损耗:是由于光纤材料折射率分布小尺寸的随即不均匀性所引起
的本征损耗。

瑞利散射损耗与波长的四次方成反比，即波长越短，损耗越大。

因此对短波长窗口影响较大。

● 非线性散射损耗:是当光强度大到一定程度时，产生非线性喇曼散射和布里
渊散射，使输入光信号的能量部分转移到新的频率成分上而形成损耗。

因此非线性散射损耗是随广播频率变化的。

在常规光纤中由于半导体激光器发送光功率较小，该损耗可忽略。

但在DWDM 系统中，由于总功率很大，就必须考虑其影响。

● 波导效应散射损耗:是由于光纤波导结构缺陷引起的损耗，与波长无关。

光
纤波导结构缺陷主要由熔炼和拉丝工艺不完善造成。

3)
其他损耗
连接损耗是由于进行光纤接续是端面不平整或光纤位置未对准等原因造
成接头处出现损耗。

其大小与连接使用的工具和操作者技能有密切关系。

弯曲损耗是由于光纤中部分传导模在弯曲部位成为辐射模而形成的损耗。

它与弯曲半径成指数关系，弯曲半径越大，弯曲损耗越小。

微弯损耗是由于成缆时产生不均匀的侧压力，导致纤芯与包层的界面出现
局部凹凸引起。

损耗限制了光纤传输的传输距离。

9、光纤波导中有哪些色散，产生的原因， 1) 模间色散
即使在同一频率的光，不同的模式群速率不一样，也产生色散。

它主要取
决于光纤的折射率分布。

模间色散主要存于多模光纤中。

2)
模内色散
材料色散：纤芯的材料的折射率随波长的变化导致色散。

折射率随波长的
0<v 2.405
≤
变化,使不同波长的群速度不同，造成时延差,发生脉冲展宽。

在1.27um 处最小
波导色散：原因是由于光纤中只有80%的光功率在纤芯中传播，20%在包
层中传播，如果包层中传播速率大于纤芯，就出现色散。

波导色散的大小取决于光纤的设计
材料色散与波导色散的叠加在1.31um 处最小
3)
偏振模色散:光场的两个分量在变形的纤芯中以不同的速度传输产生色散.只存在于单模光纤中.
色散限制了光纤传输的传输容量。

10、色散的表示方式：时延差 11、光缆的结构
光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。

光缆结构分类：层绞式、骨架式、中心管束、带状
12、G .652 G .653 G .655光纤的性能指标及应用（见书P53）
第三章
1、 光源的种类有： LD 、 LED 、固体激光器三种
2、激光二极管LD 和发光二极管(LED)的特性曲线。

LED 的特性曲线 LD 的特性曲线
3、受激幅射、受激吸收、受激发射。

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。

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，且产生的新光子与外来激励光子同频同方向，为相干光。

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。

4、发射激光的必要条件： 粒子数反转分布 光反馈(光学谐振腔)
激光振荡的阈值条件 （阈值电流随着温度的升高和使用的老化而升高） 5、光源材料与发射波长的关系
10
987
6
54
321
020406080
工作电流I / mA 单面输出功率P
/ m W 3.53.02.52.01.5
1.00.5
0050100150I th
工作电流I / mA 输出功率P / m W
(a)(b )0100200300400500
5
1015
正面发光
侧面发光电流I / mA
发射功率P / m W
光源材料带隙的大小决定着光源发射光波的波长
6、LD 数字信号调制原理图（见书P73 3-28图）
7、调制特性
电光延迟、张驰振荡、码型效应、结发热效应、自脉动现象
电光延迟：由于有源区电子密度n 的增加与时间呈指数关系，而当n 小于阈值密度nth 时，激光器不激射，这样使激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟，称为电光延迟。

8、光纤通信系统采用的线路编码：扰码、字变换码（mBnB ）、插入码（mB1C mB1P ）
9、光发射机的性能指标：平均发射功率P T 、消光比
消光比对光接收机灵敏度的影响：消光比越大，灵敏度降低 10、光纤线路编码的基本原则：
1)应有足够的定时含量，减少连“0”和连“1”数，便于时钟提取。

2）应有不中断业务进行误码检测能力
3）尽量减少码流中的低频分量与直流基线的随机起伏 4)线路传输码率的提高应尽量的少 5)便于实现辅助信息的通信 6）误码增值低 第四章
1、光检测器的种类作用、适合通信用的光检测器
•光检测器的作用是：检测出入射在其上面的光功率，且将光功率转化相应的电流
•适合通信用的光检测器：光电二极管(主要有 Pin 光电二极管和雪崩光电二极管)
2、反向偏压的优点
可以加宽耗尽层、加快载流子的漂移速度，提高响应速度。

3、 光检测器噪声源有哪些，PIN 的主要噪声和APD 的噪声
光电二极管噪声包括信号电流和暗电流产生的散弹噪声和有负载电阻和后继放大器输入阻抗产生的热噪声
散弹噪声包括量子噪声，暗电流噪声和表面漏电流噪声。

（如果是APD 管，还包含倍增附加噪声）
1.240
()()g
g hc
E h m E eV νλλμ==
=
1100P P EXT =T
P P EXT 200
=
4、光检测器的波长响应范围
只有当光子能量h ν大于半导体材料禁带宽度Eg 才能产生光电效应。

上限载止波长为
.
〈体管引入噪声
5
光检测器 将光信号转变成电信号,由PIN 和APD 完成.要求有高转换效率. 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。

前放的噪声取决于放大器的类型，通常采用场效应管和双极晶体管.
场效应管前置放大器: 输入阻抗高,灵敏度高,噪声小,但高频特性差
双极晶体管放大器: 输入阻抗低,噪声大,高频特性好
跨阻型前置放大器:最大的优点是改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。

主放大器：它的作用是提供足够的增益， 并通过它实现自动增益控制(AGC)，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。

均衡滤波器：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(一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形)，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。

AGC 控制主放大器的增益或APD 管的雪崩增益,使输出信号在一定范围内不受输入信号的影响.
译码器：在发射机端进行了线路编码,因此需解码,恢复出原数字序列
1.240
()()g
g hc
E h m E eV νλ
λμ==
=
6、数字接收机性能指标：接收灵敏度、动态范围
灵敏度:：在给定误码率的条件下，光接收机能够接收的最小光功率
动态范围 ：在给定误码率的条件下，光接收机接收信号灵敏度和过载功率之间的差值。

Dr= P MAX -P MIN （dB ）
第五章
1、光隔离器的作用和主要参数
作用：只允许光波往一个方向传输，阻止光波反方向或其它方向传输。

主要用在激光器和光放大器的后面，以避免反射光返回导致器件性能变坏。

主要参数：插入损耗和隔离度
2、光隔离器的工作原理 P126 第20行-26行 第六章
1、SDH 标准速率等级。

STM-N 的标准速率分别为：
STM-1——155 520Mbit/s STM-4——622 080Mbit/s STM-16——2 488 320Mbit/s STM-64——
9 953 280Mbit/s
m in 3
10lg ()10
r P S dB m -=min
max
lg 10P P
D =
第七章
1、波分复用系统的组成
☐光发送机——将来自不同终端的多路光信号分别由光转发器（OTU）转换为各自特定波长的光信号后，经光合波器合成组合光信号，再通过光功率放大器（BA）放大输出至光纤中传输。

☐光中继放大——用采用了增益平坦技术的EDFA（LA）实现对不同波长光信号的相同增益放大。

☐光接收机——先由前置光放大器（PA）放大经传输衰减的主信道光信号，再用分波器从主信道光信号中分出不同特定波长的光信号。

☐光监控信道（OSC）——监控系统内各信道的传输情况。

在发送端，插入本节点产生的波长λs为的光监控信号（如帧同步、公务及各种网管开销字节），与主信道的光信号合波输出；在接收端，将收到的光信号进行分离，输出为λs波长的光监控信号和业务信道光信号。

☐网络管理系统——通过光监控信道物理层传送的开销字节到其他结点或接收来自其他结点的开销字节对WDM进行管理，实现配置、故障、安全、性能管理等功能，并与上级管理系统通信。

2、波分复用系统的工作波长范围为1530~1565nm,因为目前常用的EDFA的工作波长在这个范围。

根据通道间隔的大小，波分复用可以分为三种：CWDM、DWDM、光频分复用。

第八章
1、数字光纤通信系统的性能指标：
误码率（平均误码率、严重误码秒）、抖动（输入抖动容限、输出抖动容限、抖动转移）可靠性。

2、误码率、抖动的概念（P199和P204）
3、链路的功率预算
Pt
dBm为单位
Pr：光接收机灵敏度，以dBm为单位
Ac：活动连接器的损耗，一般取值Ac=0.5 dB。

ME：设备富余度，一般取ME＝3 dB
a：光纤的损耗系数
as：平均每公里接续损耗，每个熔接点的衰耗可以保证在0.05dB以下
mc：光缆富余度，一般取值为mc =0.1～0.2 dB/km
第十章
1、光放大器种类
种类：(1)半导体放大器：易与其他半导体器件集成，但性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。

（2）光纤喇曼放大器（FRA）它是利用石英光纤的非线性效应而制成。

在合适波长的强光作用下，石英光纤会出现受激喇曼散射（SRS）效应，当光信号沿着这受激发的一段光纤中传输时，可以使其实现光放大。

（3）掺铒光纤放大器（EDFA）
铒（Er）是一种稀土元素。

将它注入到纤芯中，即形成了一种特殊光纤，它在泵浦光的作用下可直接对某一波长的光信号进行放大。

EDFA的主要优点有：
①工作波长处在1530～1565nm范围，与光纤最小损耗窗口一致；
②对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦；
③连接损耗低，耦合效率高。

因为它是光纤型放大器，因此易于与光纤耦合
连接，且连接损耗可低至0.1dB。

④增益高且特性稳定、噪声低、输出功率大。

增益可达40dB，且在100℃内
增益特性保持稳定，也与偏振无关。

噪声系数可低至3～4dB，输出功率可达14～20dBm；
⑤对各种类型、速率与格式的信号传输透明。

2、EDFA的结构及各部分的功能
EDFA的结构：掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔离器以及光滤波器等组成
光隔离器：是防止反射光影响光放大器稳定工作，保证光信号只能正向传输的器件。

光滤波器的作用是滤除光放大器的噪声、降低噪声对系统的影响,提高系统的信噪比.。

光耦合器：是将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来的无源光器件，一般采用波分复用器。

掺铒光纤：是一段长度大约为10～100m的石英光纤，将稀土元素铒离子注入到纤芯中，浓度约为25㎎/㎏。

泵浦光源：为半导体激光器，输出的光功率为10～100mW，工作波长约为980nm 或1480nm。

按照泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA又可有三种不同的结构方式:同向泵浦结构、反向泵浦结构、双向泵浦结构
3、EDFA的应用
1)作前置放大器
放于光接收机的前端，一般要求是高增益、低噪声的放大器。

由于EDFA的低噪声特性，将它用作接收机的前置放大器时，可提高光接收机灵敏度。

2)作功率放大器
将掺铒光纤放大器接在光发射机的输出端，则可用来提高输出功率，增加入纤光功率，延长传输距离
3)作光中继器
这是EDFA在光纤通信系统中的一个重要应用，它可代替传统的光/电/光中继器，对线路中的光信号直接进行放大，得以实现全光通信。