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光纤通信复习（第一章至第五章）
第一章
光纤由纤芯、包层和涂覆层构成。

按照截面上折射率分布的不同分:阶跃折射率分布光纤（简称阶跃
光纤）和渐变折射率分布光纤（简称渐变光纤）0
在渐变折射率光纤中，由于纤芯的折射率不均匀，光射线的轨迹不再是直线而是曲线。

根据传导模式数量的不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤两类。

按光纤构成的原材料分类:石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层光纤、全塑光纤 目前光纤通信中主要使用石英系光纤 纤芯和包层主要成分：SiO2
纤芯的掺杂剂：GeO2, P2O5
包层主要掺杂剂：B2O3, F 涂覆层材料：丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙或它们的复合；作用增加光纤的机械强度与可弯曲 也
按光纤的套塑层分类：紧套光纤、松套光纤 光纤通信中所用的光纤的A 一般小于1%,所以相对折射率差A 可近似表示为
, （一
A « —— - -- — n
\ （一 n 9） M ___ i 匕
n 2
可以定义光纤的数值孔径为 7VA = sin^max
llldA / ? 7
= -n 2
« n { V 2 A
数值孔径表征了光纤的集光能力。

由此看出，nl, “2差别越大，即』越大，光纤收集射线 的能力越强。

但NA 越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大,因而限制了信息传输容量。

通信用光纤的数值孔径是较小的。

光纤的损耗谱：
三类损耗相加就可以得到总的损耗，它是一条随波长而变化的曲线，称做光纤的损耗特性 曲线——损耗谱（或衰减谱）
2nf 包层
纤芯
<>OO 700 «OO 900 1 OOO 1 1 OO 1 200 1 300 14<>O 1 500 I f>OO
第一tSTZ 第二KSf 口第三tsr 口
波长（ntn）
1、光纤损耗谱形象地描绘了衰减系数与波长的关系。

2、从光纤损耗谱可以看出，衰减系数随波长增大呈降低趋势，损耗的峰值主要与OH-离
子有关。

3、波长大于1600nm时，损耗增大，原因是由于石英玻璃的吸收损耗和微（或宏）观弯曲损耗引起。

4、图中可以看到光纤通信所使用的三个低损耗“窗口”，分别是850um波段、1310nm波段、1550nm 波段。

色散类型：模式色散、材料色散、波导色散光纤的带宽
441
B = ---- （MHz • km）
Ar
8为光脉冲为高斯形时，单位长度光纤的基带3dB带宽；必是光脉冲传输1km的时延差, 单位是ns/km
归一化频率与模式数目: （归一化频率V、模数量M= V2/2 , y2
光缆的基本结构：1—加强件；2—缆芯；3—外护层单模光纤的分类：
■非色散位移单模光纤（G652光纤）
■色散位移单模光纤（G653光纤）
■截止波长位移单模光纤（G654光纤）
■非零色散位移单模光纤（G655光纤）
第二章：
当前主要通信光源：半导体激光器（LD ）、发光二极管（LED ）。

发光二极管是非相干光源，它基本工作原理是（自发）辐射。

半导体激光器是一种（PN 结）构成的二极管结构，工作原理是（受激）辐射
对于光子能量满足的光子有光放大作用，这个区域被称为有源区，半导体激光器的光激射 就发生在这个区域
有源区是实现（粒子数反转分布）、（光增益）的区域
半导体激光器的复合发光区域是有源区。

有源区通常由一个或多个垂直方向的PN 结构成。

激射的一般条件：
1. 有源区里产生足够的粒子数反转分布
2. 存在光学谐振机制，并在有源区里建立起稳定的激光振荡
LD 的温度特性
首先，外微分量子效率随温度的升高而下降 其次，阈值电流随温度的升高而加大 阈值电流与温度的关系可以表示为
Ah =/oexp （T/扁） 式中，Ith 代表结温为T 时的阈值电流；T 是结区的绝对温度；10是常数；T0是激光器的 特征温度，它在一定温度区间为常数
对于线性度良好的激光器，输出光功率可以表示为
（反向延长法 (a) (b)
）
e o
发光二极管常采用双异质结构，按输光位置不同可分为边发射型和面发射型
光源的调制原理
光调制一►光纤信道一►光解调
光源的两种调制方式:直接调制和间接调制。

光电瞬态响应波形
电光延迟
•原因：激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟，一般为纳秒量级。

•降低方法：预偏置在Ith附近。

如图，从阶跃响应的瞬态分析入手，对LD数字调制过程出现的电光延迟和张弛振荡的瞬态性质分析。

丫主入电泥八 / --------------------------------------------------------------
<a)
第三章
数字光接收机分为光电检测器、前置放大器、主放大器、AGC电路、均衡器、判决再生和时钟提取七个部分。

光接收机也可以分为三部分：①光检测器和前置放大器合起来称为接收机前端，是光接收机的核心；
②主放大器、均衡滤波器和自动增益控制组成光接收机的线性通道；③判决器、译码器和时钟恢复组成光接收机的判决、再生部分。

光接收机主要的性能指标是误码率（BER）、灵敏度以及动态范围。

对数字光接收机而言，灵敏度是指（在保证一定误码率/满足给定信噪比指标的条件下
）的条件下，光接收机所需接收的（最小功率）。

光接收机的主要质量指标是灵敏度，影响灵敏度的主要因素是：哗收机的噪声动态范围是光接收机的一个重要性能指标，其表达式为（。

=10蛆*虬（龙》，其数值越（大）越好。

max
1、在保证系统的误码率指标要求下，测得接收机的最低输入光功率为1W,则该接收机的灵敏度为（a ）o
a）—30dBm b）— 40dBm c）— 20dBm d）—43dBm
光电检测器的两种类型为：半导体光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD） PIN光电二极管作为光检测器件时，使用简单，但灵敏度较低。

APD雪崩二极管作为光检测器件时，使用复杂，而且灵敏度较高。

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。

漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。

当与P层和N层连接的电路开路时, 便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。

光纤传输系统OAM是指系统/网络（运行）、（管理）、（维护）。

SDH传送网网络拓扑的基本结构有（线形）、（星形）、（树形）、（环形）和（网格形）。

SDH的基本速率为（155.52 Mb/s）,称为同步传输模式基本模块STM-1=更高的速率表示为STM-N,其速率是STM-1的（N）倍。

在SDH体系传输速率中，模块STM-l、STM-4和STM-16所对应的传输速率分别为（155.52Mb/s）、（622.08Mb/s ）和（2.488Gb/s）。

再生段距离的设计可以分为两种情况：
•损耗受限系统，即再生段距离由S和R点之间的光通道损耗决定
•色散受限系统，即再生段距离由S和R点之间的光通道总色散所决定
EDFA的增益通常为15〜40 dBo增益大小与多种因素如（光纤中的掺钳浓度）、（泵浦光功率）、（光纤长度）、（泵浦光的波长）等因素有关联。

EDFA泵浦光源的波长为（1480nm ）或（980nm ）, EDFA的工作波长（1550nm）。

在光纤通信系统中，EDFA有三种基本的应用方式，分别是分别是（功率放大器）、（前置放大器）和（在线放大器）。

它们对发放大器性能有不同的要求，（功放）要求输出功率大，（前放）对噪声性能要求高，而线放须两者兼顾。

掺钳光纤放大器EDFA的基本结构主要由（掺钾光纤）、（泵浦光源）、（光耦合器）和（光隔合器）等组成。

泵浦光源的作用：产生粒子数反转。

EDFA泵浦光源的典型工作波长是980nm。

无源器件的几个常用性能参数：
1.插入损耗（无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比）IL=—lOlog（里L）
Po
2.回波损耗（无源器件的输入端口返回功率与输入光功率之比）RL= -101og（-^）
Po
3.反射系数（对于给定的光谱组成、偏振和几何分布，在器件的给定端口的反射光功率pr
与入射光功率pO之比）R= 101og（—）
Po
4.工作波长范围：最小波长（Amin）到最大波长（Amax）的范围
5.偏振相关损耗（PDL）：对于所有的偏振态，由于偏振态的变化造成的插入损耗的最大变化值
6.隔离度：由被阻断的光路中输出的光功率与输入光功率之比IS = -log（p block / p°）
光环行器是在光通信中应用广泛的微光学器件，它具有多个端口，最常用的是3端口和4 端口器件。

工作特点：光从任意端口输入时，只能在环形器中沿单一方向传输，并在下一端口输出。

光环行器可以有不同的结构，可以使用不同的器件构成，但其最基本的原理是利用法拉第电磁旋转效应实现光的单向传输3端口光环行器的结构以及端口1到端口2的光路图。

波分复用、解复用器件的性能参数
中心波长是指各信道的中心波长；WDM中心频率:国际标准（C波段）：基于参考频率为
193.1THz （1552.52nm）、最小间隔为100GHz （0.8nm）的频率（波长涧隔系列。

通带特性是指波分复用器的各个信道的滤波特性，可以用-0.5dB带宽、-3dB带宽和-20dB 带宽来表示
嗯啾光纤光栅:又叫色散补偿光纤光栅。

色散补偿器的平均色散、时延波动、反射带宽和反射
率等重要特性与光栅长度、喟啾系数、耦合系
数等参量的关系。

光孤子：在光纤中经过长距离传输而保持形状或波长不变的特殊光脉冲。

DWDM：密集型光波复用EDFA：掺饵光纤放大器OADM：光分插复用系统
SDH：同步数字体系SOA：面向服务架构
一单模光纤传输系统由两段光纤构成，在1550nm处，第一段光纤的损耗系数为0.2dB/km, 色散值为p2 = -10ps2/kni ；第二段光纤的损耗系数为0.5dB/km,色散值为D = -lOOps/km nmo如果在光纤输入端的入纤功率为2mW,系统要求到达接收端的光功率不低于10四W,同时脉冲的波形在输出端不能有任何畸变或展宽。

试计算：
1）该系统所能达到的最大传输距离。

2）在达到最大传输距离的情况下，两段光纤的长度分别是多少km。

0.2dB/km0.5dB/km
1.已知阶跃折射率光纤中nl=1.52, n2=1.49。

a.光纤浸没在水中(nO=l .33),求光从水中入射到光纤输入端面的光纤最大接收角;
b.光纤放置在空气中，求数值孔径。

2.已知阶跃型光纤的nl=1.51,A=0.01,工作波长入=0.85u m, 求：(1)当纤芯半径a=25 U m时，此光纤中传输的导模数M?
(2)若要实现单模传输，纤芯半径应为多大？
一峰值发光波长在800nm的GaAs激光器，其谐振腔长400um,且材料折射率n=3.6.如果增益在750-850nm的范围内都大于总损耗，试求此激光器中能存在几个模式？。