光纤通信系统与应用(胡庆)复习总结

红色：重点、绿色：了解第1章1、光纤通信的基本概念：以光波为载频，用光纤作为传输介质的通信方式。

光纤通信工作波长在于近红外区：0.85～2.00μm的波长区，对应频率: 167～375THz。

对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工作波长，即0.85μm、 1.31μm 1.55μm及 1.625μm2、光纤通信系统的基本组成：P5 图1-3目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD）的光纤数字通信系统。

该系统主要由光发送设备（光发射机）、光纤传输线路、光接收设备（光接收机）、光中继器以及各种耦合器件组成。

各部件功能：电发射机：对来自信源的信号进行模/数转换和多路复用处理；光发送设备：实现电/光转换；光接收机：实现光/电转换；光中继器：将经过光纤长距离衰减和畸变后的微弱光信号放大、整形、再生成具有一定强度的光信号，继续送向前方，以保证良好的通信质量。

3、光纤通信的特点：（可参照P1、2）优点：（1），传输容量大。

（2）传输损耗小，中继距离长。

（3）保密性能好：光波仅在光纤芯区传输，基本无泄露。

（4）抗电磁干扰能力强：光纤由电绝缘的石英材料制成，不受电磁场干扰。

（5）体积小、重量轻。

（6）原材料来源丰富、价格低廉。

缺点：1）弯曲半径不宜过小；2）不能远距离传输；3）传输过程易发生色散。

4、适用光纤：P11G.652 和G.654：常规单模光纤，色散最小值在1310nm处，衰减最小值在1550nm 处。

常见的结构有阶跃型和下凹型单模光纤。

G.653：色散位移光纤，色散最小值在1550nm处，衰减最小值在1550nm处。

难以克服FWM混频等非线性效应带来的影响。

G.655：非零色散光纤，色散在1310nm处较小，不为0；衰减最小值在1550nm处。

可以尽量克服FWM混频等非线性效应带来的影响。

补充：1、1966年7月，英籍华人（高锟）博士从理论上分析证明了用光纤作为传输介质以实现光通信的可能性。

2、数字光纤通信系统有准同步数字体系（PDH）和同步数字体系（SDH）两种传输体制。

3、一个完整的通信网：由用户终端设备、传输设备、交换设备和相应的信令、协议、标准等软件构成。

通信网的基本结构：网状、星状、复合型、环状和总线型等。

光纤通信网：按电信业务来分：电话网、电报网、传真通信网、计算机数据网、图像通信网和有线电视网；按服务区域来分：长途骨干网、本地网和用户接入网。

4、（1）光纤通信在通信网中的未来发展趋势：信道容量不断增加；超长距离传输；光传输与交换技术的融合；光纤接入网（广义上包括：数字环路载波系统（ODLC）和无源光网络(PON)）。

光接入网络的核心：全数字化、软件控制、高度集中和智能化。

（2）实现高速化、大容量的主要技术手段：时分复用TDM；波分复用WDM；频分复用FDM。

（3）技术现状：PDH、SDH、WDM、光电收发器、EPON第2章1、光纤的结构：光纤是由两种不同折射率的玻璃材料拉制而成。

由涂覆层、纤芯、包层组成。

折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n1，直径为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为n2，直径为2b。

纤芯：位于光纤的中心部位（直径d1= 5 ～80μm）。

多模光纤的纤芯为50～80μm，单模光纤的纤芯为5～10μm。

作用：以极小的能量损耗传输载有信息的光信号。

包层：位于纤芯的周围（直径d2= 125μm）。

作用：保证全反射只发生在纤芯内使光信号封闭在纤芯中传输。

（要求纤芯折射率比包层折射率稍大些，这是光纤结构的关键）涂敷层：位于光纤最外层。

作用：增加光纤的机械强度与可弯曲性。

2、光纤的分类：参照P15图2-2目前在通信中使用较为广泛的光纤有两种：紧套光纤与松套光纤。

1）、按照光纤横截面折射率分布不同来划分：①阶跃型光纤：纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，称为：均匀光纤。

②渐变型光纤：如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为：非均匀光纤。

2）按照纤芯中传输模式的数量划分：多模光纤：在一定的工作波下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。

多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可采用渐变折射率分布多模光纤的纤芯直径约为50～80μm 。

模式色散，仅适用于低速率、短距离通信单模光纤：光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤单模光纤的纤芯直径较小，约为8～10μm 。

适用于大容量、长距离的光纤通信。

3）按照传输波长分类：短波长光纤和长波长光纤4）按照使用材料的不同来分：玻璃光纤、全塑光纤、石英系列光纤。

3、阶跃型光纤的导光原理1）相对折射指数差： 弱导波光纤： 2）数值孔径NA ：表示光纤捕捉入射光线的能力。

例题参照P24导光原理：光纤之所以导光，就是利用纤芯折射率略高与包层折射率的特点，使落在数值孔径角内的光线都能收集到光纤中，并都能在纤芯包层界面处以内形成全反射，从而将光限制在光纤中传播，这就是光纤的导光原理。

5、用波动理论法分析光纤的导光原理（1）阶跃型光纤的标量近似解法 归一化频率和截止波长：P30单模传输条件： 0<V <2.4048例题：已知：阶跃型光纤，若n1=1.5，λ0=1.31μm ，（1）若 △=0.01，当保证单模传输时，纤芯半径a 应取多大？（2）若纤芯半径a=5μm ，应怎样选择△才能保证单模传输？解：（1）单模传输的条件 0<V<2.404832）若纤芯半径a=5μm 0< √2△* 1.5 * * 5 <2.4 8、光纤的传输特性：（1）光纤的损耗特性分类：吸收损耗、散射损耗和附加损耗—— 吸收损耗定义：光波通过光纤材料时，一部分光能被消耗转换成其他形式的能量而形成。

原因：本征吸收、杂质吸收和结构缺陷吸收——散射损耗定义：由于材料的不均匀，使光散射将光能辐射出光纤外的损耗。

分类：线性散射损耗、非线性散射损耗。

（瑞利散射、米氏散射、受激拉曼散射、受激布里渊散射、附加结果缺陷散射、弯曲散射和泄漏等）2122212n n n -=∆121n n n -≈∆a k n V 012∆= 002λπ=k ak n V 012∆= 40483.22001<∆<a k n 40483.225.101.0200<⨯⨯⨯<a λπ36358.20<<a 02λπ•线性散射损耗主要包括：瑞利散射、材料不均匀引起的散射•非线性散射主要包括：受激拉曼散射、受激布里渊散射等。

①瑞利散射损耗•瑞利散射损耗也是光纤的本征散射损耗。

•这种散射是由光纤材料的折射率随机性变化而引起的。

•瑞利散射损耗与1/λ4成正比，它随波长的增加而急剧减小，所以在长波长工作时，瑞利散射会大大减小。

②材料不均匀所引起的散射损耗•结构的不均匀性以及在制作光纤的过程中产生的缺陷也可能使光线产生散射。

——附加散射：来自外部的损耗。

最主要的是光纤宏弯曲损耗（2）光纤的色散特性光纤中，信号的不同模式和不同频率在传输时具有不同的群速度，因而信号达到终端时会出现传输时延差，从而引起信号畸变，这种现象称为光纤的色散。

结论：光源的谱线宽度越宽，信号的时延差就越大，引起的色散也就越严重。

光纤中的色散•模式色散：光纤中的不同模式，在同一波长下传输，各自的相位常数βmn不同，它所引起的色散称为模式色散。

•材料色散：由于光纤材料的折射率随光波长的变化而变化，使得光信号各频率的群速度不同，引起传输时延差的现象，称为材料色散。

•波导色散：光纤中同一模式在不同的频率(波长)下传输时，其相位常数不同，从而群速度不同。

这样引起的色散称为波导色散。

•偏振色散：单模光纤特有的一种色散。

•补充：光缆结构形式：层绞式、骨架式，中心管式和带状式。

•光缆特性：几何参数、光学特性、传输特性、机械特性和环境特性。

•光缆机械性能指标：拉伸、压扁、冲击、反复弯曲、扭转、曲饶等受力状态。

•习题1、6、9、11••第3章光纤通信器件•1、光源器件是光发射机的核心，作用是将电信号转换成光信号。

半导体光源的种类：半导体激光器LD和半导体发光二极管LED。

优点：体积小、重量轻、使用寿命长、与光耦合效率高、调制简便。

•光和物质的相互作用：可参照P49•1）自发辐射的特点：•①在没有外界作用的条件下自发产生的过程•②辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。

•③电子的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。

•2）受激吸收的特点：•①在外来光子的激发下发生跃迁过程•②外来光子的能量等于电子跃迁的能级之差•③受激跃迁是一个消耗外来光能的过程•3）受激辐射的特点：•①外来光子的能量等于跃迁的能级之差。

•②受激过程中发射出来的光子与外来光子频率、相位、偏振方向、传播方向相同•③这是一个使光得到放大的过程。

•激光产生的条件：光放大、频率选择及正反馈、阈值条件（P51式3.4）和相位特性•2、1）激光器的工作原理：激光器是能够产生激光的自激振荡器。

发出振荡光的前提是受激辐射作用大于受激吸收作用。

受激辐射是产生激光的关键。

在热平衡条件下，物质不可能有光放大作用。

粒子数发转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。

•2）激光器的基本组成：•——> 能够产生激光的工作物质•——> 泵浦源：使粒子数反转分布（N1 < N2）的外界激励源。

•——> 能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。

•工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数发转分布，成为激活物质，从而有光的放大作用。

激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。

•3、半导体激光器的结构、工作原理及工作特性•1）光纤通信对半导体发光器件LD/LED 的基本要求：•a、光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口•b、能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。

•c、与光纤的耦合效率高。

•d、光源的谱线宽度窄。

•e、寿命长，工作稳定。

•2）LD的结构：从光振荡的形式上来看，激光器分为：布里-珀罗谐振腔（F-P腔）激光器和分布反馈型（DFB）激光器。

常用的光纤通信激光器——铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结条形激光器。

它的特点：注入电流小，发光强度大。

•DFB激光器优点：单纵模特性好、线宽窄、温度特性好和调制特性好。

•LED结构：没有光学谐振腔，发光仅限于自发辐射发出的是荧光，是非相干光。

• 3 ）比较LD、LED：••4、常用的半导体光电检测器：PD光电二极管、PIN光电二极管、APD 雪崩光电二极管•1）APD工作特性：具有光/电转换作用；•具有内部放大作用；（通过管子内部的雪崩倍增效应完成）•2）APD的雪崩倍增效应：•当耗尽区吸收光子时，激发出来的光生载流子经过高场区被加速，以极高的速度与耗尽区的晶格发生碰撞，使晶体中的原子电离，从而产生新的光生载流子，并连锁反应，使载流子迅速增加，光电流在APD管内部获得倍增，形成雪崩倍增效应。