光纤通信期末复习重点

一.
1 光纤通信的基础：利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信。

光纤通信的载波是光波。

光纤通信用的近红外光（波长为0.7-1.7um）频率约为300THZ 频带宽度约为200THZ,在常用的1.31um和1.55um两个波长窗口频带宽度也在20THZ以上.
2 光纤通信的优点：（1）容许频带很宽，传输容量很大（2）损耗很小，中继距离很长且误码率很小（3）重量轻，体积小（4）抗电磁干扰性能好（5）泄漏小，保密性能好（6）节约金属材料，有利于资源合理使用.
二
1 光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝. 纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输. 纤芯和包层的折射率若分别为n1和n2，光能量在光纤中的传输的必要条件：n1>n2
2 按折射率分类：突变型，浙变型按传输模式分：多模光纤，单模光纤
光纤的三种基本类型：
（1）突变型多模光纤：纤芯直径2a=50-80um，光线以拆线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大. 适用于小容量，短距离传输.
（2）渐变型多模光纤：纤芯直径2a为50um，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小，适用中等距离传输，中等容量
（3）单模光纤：纤芯直径只有8-10um，光线以直线型状沿纤芯中心轴线方向传播. 信号畸变小，适合长距离传输方式.
3 光纤传输原理：全反射
数值孔径NA=√（n1*n1-n2*n2)=n1√2△纤芯和包支的相对折射率差△=（n1-n2)/n1
NA表示光纤接收和传输光的能力，NA越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。

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.
时间延迟：θ不大时：τ=n1L/c=(n1L/c )*(1+θ1的平方/2) c为光速
最大入射角θc和最小入射角0：
△τ=θc的平方L/2n1c=(NA*NA)L/2n1c=△n1L/c
4 自聚焦效应：不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在P点上渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应的光线会聚集在同一点上，而且这此光线的时间延迟也近似相等。

5 归一化频率：V=√（n1*n1-n2*n2)*2πa/λ
对于光纤传输模式有模式截止，模式远离截止
6 M是模式总数
M=（g/g+2)(akn1)的平方△=（g/g+2)V*V/2
单模传输条件：V=√（n1*n1-n2*n2)*2πa/λ<=2.405
临界波长（截止波长）λc λ<λc 多模传输>单模传输
7 光纤传输特性：（1）损耗（2）色散
色散是在光纤中传输的光信号，包括：
(1)模式色散：多模光纤所特有的色散方式（2）材料色散：（3）波导色散：值永远为负的色散
单模光纤的色散：色度色散理想模光纤没有模式色散，只有材料色散和波导色散，总称色度色散，是传播时间随波长变化产生的结果
色度系数单位：ps/(nm*km)
光纤损耗：a=10/L lg(Pi/Po) 单位dB/km
损耗包括（1）吸收损耗：是由sio2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。

（2）散射损耗：主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷引起的散射产生的总损耗a和波长λ的关系
a=A/λ的4次+B+CW(λ)+IR(λ)+UV(λ)
8 应用G.651 多模渐变型（GIF)光纤，发展初期广泛应该用于中小容量，中短距离的通信系统。

G.652 第一代单模光纤，系统的传输暗淡只受损耗限制G.653 色散移们光纤，第二代单模光纤适用于大容量长距离通信系统，掺铒光纤放大器（EDFA)投入应用G.654 1.55um损耗最小的单模光纤，一种用于1.55um改进的常规单模光纤，目的是增加传输距离应用海底光缆。

G.655 非零色散光纤应用于密集波分复用系统，适用于超大距离传复波光纤
9 光缆：一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。

特点：（1）拉力特性（2）压力特性（3）弯曲特性（4）温度特性
三
1 通信用光器件可分为有源器件和无源器件
有源器件：光源，光检测器和光放大器
无源器件：连接器，耦合器，波分复用器，调制器，光开关和隔离器等
目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器（LD）和发光二极管（LED)
2 光与物质的三咱相互作用：受激吸收，自发辐射，受激辐射。

受激吸收：电子从低级级E1，在入射光作用下，吸级光子的能量后到高级E2。

自发辐射：高能级E2上的电子不稳定，自动跃迁到低级E1上的空穴复合。

受激辐射：高能级E2上的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低级级E1上与空穴复合，释放能量产生光辐射。

3 形成激光的三个必要条件：（1）激活物质（2）外加激励（3）光学谐振
粒子数反专分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。

只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。

其阀值条件为：γth=a+1/2L LN (1/R1R2)
相位条件：L=qγ/2n 或γ=2nl/q
4 纵横频率间隔的计算：△f=c/2nl
纵横波长间隔与频率间隔关系：△f=△λc/λ的平方
5 由温度升高引起阀值电流增加和外微分量子效率减小，造成的输出光功率特性P-I曲线变化
6发光二极管有两种类型：（1）正面发光型LED（2）侧面发光型LED
7 光检测器是光接收机的关键器件，它的功能是把光信号转换为电信号。

光检测器工作原理：受激吸收
有光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD。

8 PIN光电二极管的工作原理和结构：中间是I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体;两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。

I层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部而产生大量电子-空穴时，因而大辐度提高了光电转换效率。

两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。

另外，可控制耗尽层的宽度W，来改变器件的响应速度。

9 雪崩光电二极管（APD)：与PIN的区别，增加了附用层，引起电流二次放大。

10 连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸连接的器件。

11光耦合器：类型：T型耦合器，星形耦合器，定向耦合器，波分复用器/解复用器
主要特性：（1）耦合比：一个指定输出端的光功率Poc和全部输出端的光功率总和Pot的比值CR=Poc/Pot=Poc/∑Pon (上标N下标n=1) （2）附加损耗：由散射，吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的光功率总和Pit和全部输出端的光功率总和Pot的比值Le=10lgPit/Pot （3）插入损耗：是一个指定输入端的光功率Pic和一个指定输出端的光功率Poc的比值，Lt=10lgPic/Poc （4）方向性：是一个输入端的光功率Pic和耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，DIR（隔离度）=10lgPic/pt （5）一致性U：是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同输出端耦合比的等同性。

隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允旆光波往一个方向上传输，阻止波往其它方向特别是反方向传输。

四
1 光端机包括光发射机和光接收机。

光发射机的基本组成(主要有光源和电路两路部分）。

数字光发射机方框图：电信号输入→输入接口→线路编码→调制电器→光源→光信号输出光源→控制电路
调制特性：电光延迟和弛张振荡现象，自脉动现象
输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间td.数量级为ns 电光延迟和弛张振荡的后果是限制调制速率。

电光延迟要产生码型效应特点：在脉冲序列中较长的连“0”码后出现的“1”码，其脉冲
明显变小，而且连“0”码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。

用适当的“过调制”补偿方法，可以消除码型效应。

自脉动现像：某些激光器在脉冲调制基至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡。

2温度控制装置一般至冷器，热敏电阻和控制电路组成。

A TC电路图分析原理(图略）：由R1R2R3和热敏电阻RT组成的换能电桥，通过电桥把温度的变化转换为电量的变化。

运算放大器A的差动输入端跨接在电桥的对端，用以改变三极管V的基极电流。

在设定温度时，调节R3使电桥平衡，A,B两点没有电位差，传输到运算放大器A的信号为零，流过致冷TEC的电流也为零。

当环境温度升高时，LD的管芯和热芯温度也升高，使具有负温度系数的热敏电阻RT的阻值减小，电桥失去平衡。

这时B点的电位低于A点的电位，运算放大器A的输出电压升高，V的基极电流增大，致冷器的TEC 的电流也增大，致冷端温度降低，热沉和管芯的温度也降低，因而保持恒定。

T(环境）上升→T(LD，热沉）反升→RT下降→I（致冷器）反升→T（LD）下降
3 光接收机基本组成：包括光检测器，前置放大器，均衡器，时钟提取电路，取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路。

4灵敏度，PPT例题：保证通信质量（限定误码率或信噪比）的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率<P>min
Pr=10lg[<P>min(w)/10的-3次] dbm
5 动态范围（DR)的定义是在限制的误码率条件下，光接收机所能承受的最大平均功率<P>max和所需最小平均接收光功率<P>min的比值，用DB表示，DR=10lg<p>max/<p>min db D=Pmax-Pmin dbm
例：某光纤通信系统中光源平均发送光功率为-28dbm，光纤线路传输距离为20KM，损耗系数为0.5dbm/km （1）试求接收端收到的光功率为多少？（2）若接收机灵敏度为-40dbm，试问该信号能否被正常接收？（3）若光源平均发送光功率增大为-10dbm，光接收机刚好能将其正常接收，试求光接收机的动态范围为多少？
（1）P=-28dbm-0.5dbm/km *20km=-38dbm (2)-38dbm>-40dbm 所以能正常接收（3）Pmax= -10dbm-0.5*20dbm= - 20dbm 接收机动态范围：D=Pmax-Pmin= -20dbm - ( - 40 dbm) 20 dbm
五
1 SDH传输网的拓朴结构，由SDH终接设备，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。

2 SDH帧结构：（1）段开销（SOH），信息载荷（payload）(3)管理单元指针（AU-PTR）
要标准容器的甚而上，加入少量通道开销（POH）字节，那组成相应的虚容器VC
3 中继距离的设计三种方法：最坏情况法，统计法，半统计法
系统传输速率较低，光纤损耗系统较大，中继距离主要受光纤线路损耗的限制
L<=（Pt-Pr-2ac-Me)/(af+as+am)
( Pt为平均发射光功率dbm ，Pr为接收灵敏度dbm，ac为连接器损耗db/对，Me为系统余量db,af为光纤损耗系统db/km，as为每千米光纤平均接头损耗db/km，am为每千米光纤线路损耗余量db/km,L为中继距离km)
系统传输速率较高，光纤线路色较大，中继距离主要受色散（带宽）的限制
L=ε*10的-6次/（Fb |Co|σλ) λ为下标
（Fb是线路码速率MB/S，Co是光纤的色散系统ps/(nm*km),σλ为光源谱宽，对于多纵模激光器（MLM-LD)，ε=0.115，对于单纵模激光器（SLM-LD），ε=0.306）
从损耗限制和色散限制两个计算要中，选取较短的距离，作为中继距离计算的最终结果.
六
七
1 掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理：在掺铒光纤（EDF）中，铒离子（Er3+)有三个能级：其中能级1代表基态，能量最低;能级2是亚稳态，处于中间能能；能级3代表激发态，能量最高.当泵浦光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态（1-3）.但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2.如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态（2-1），产生受激辐射光，因而信号光得到放大。

由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光能量的结果.为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态Er3+尽可能跃迁到激发态。

2 掺铒光纤放大器的分类：根据泵浦源所在位置不同分：同向（抗噪声性能好），反向（输出功率最大），双向（兼上，但成本高）
3 EDFA的应用：（1）中继放大器（LA).在光纤线路上每隔一定距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离。

（2）前置放大器（PA）.此放大器置于激光器前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。

（3）后置放大顺（BA）.此放大器置于激光器后面，以提高发射光功率。

4 光波分复用（WDM）技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。

其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用），并作进一步处理，恢复此项技术为光波长分割复用，简称光波分复用技术。

WDM系统的基本构成主要有以下两个形式：（1）双纤单向传输（2）单纤双向传输
WDM传输系统主要由五部分组成：光发射机，光中继放大，光接收机，光监控信道和网络管理系统
WDM技术主要特点：（1）充分利用光纤的巨大带宽资源（2）同时传输多种不同类型的信号（3）节省线路投资（4）降低器件的超高速要求（5）高度的组网灵活性，经济性和可靠性。