光纤通信 期末复习

第 1 章 概述1.光纤通信主要优点：传输容量大；传输损耗小，中继距离长；泄漏小，保密性好；节省有色金属；抗电磁干扰性能好；重量轻，可挠性好，敷设方便。

2.光纤通信系统的组成结构：光发送机；光纤线路；光接收机；数字复用设备；光中继器。

第 2 章 光纤传输理论及传输特性1.光纤基本结构：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层及表面涂覆层。

2.光纤折射率分布及分类方法：()()212210⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-=a r n r n ；按光纤纤芯折射率分布可分为阶跃折射率光纤（SI ）和渐变折射率光纤（GI ）；按光纤的二次涂覆层可分为紧套光纤和松套光纤；按光纤主要材料可分为石英光纤、塑料光纤、氟化物光纤；按光纤中传导模式可分为多模光纤和单模光纤。

3.模式截止条件：对每一个传播模来说，在包层中它应该是衰减很大，不能传输。

如果一个传播模，在包层中不衰减，也就是表明该模是穿过包层而变成了辐射模，则就认为该传播模被截止了。

所以一个传播模在包层中的横向衰减常数W=0时，表示导模截止。

单模传输的条件：405.222221<-=n n aV λπ ①。

光纤中传播的唯一的模式为LP 01模（即HE 11模），光纤为单模传输。

①式为单模传输的条件。

4.归一化频率和截止波长的意义和计算：只有归一化频率V 小于LP 11模的截止频率（4048.2=c V ）时，才能保证光纤中只传输基模（LP 01模或HE 11模），所以单模光纤理论截止波长λC 为4048.222221n n a c -=πλ 如果λ＞λC ，则为单模光纤。

目前工程上有四种截止波长：①理论截止波长λC1 ②2m 长光纤截止波长λC2 ③光缆制造长度的截止波长λC3 ④一个中继段的截止波长λC4。

四种截止波长满足λC1＞λC2＞λC3＞λC4的关系。

5.基模的表示方法：精确矢量模 HE 11 和线性极化模01LP 。

6.全反射原理，临界角和最大可接收角的计算:最大可接收角：∆≈-≈-=---2sin sin sin 1122211022211n n n n n n a θ（121/n n n -=∆）。

数值孔径:∆≈-==2sin 122210n n n n NA a θ物理意义：NA 表示光纤接收和传输光的能力，NA （或a θ）越大，表示光纤接收光的能力越强，光源与光纤之间的耦合效率越高。

7.损耗特性定义、物理意义及计算，引起损耗的原因：L 公里长光纤的损耗公式：()0lg 10P P A i =λ dB （i P ：光纤的输入功率（W ）；0P ：光纤的输出功率（W ）），光纤每公里损耗系数:()0lg 10P P L i =λα dB/km ；引起损耗的原因是吸收、散射8.瑞利散射及其与传输波长关系：瑞利散射是由于光纤内部的密度不均匀引起的，瑞利散射损耗大小与1/λ4成正比。

9.色散定义、物理意义及引起色散的原因（分类）：光纤的色散是由于光纤中所传输的光信号的不同的频率成分和不同模式成分的群速不同而引起的传输信号的畸变的一种物理现象。

它将传输脉冲展宽，产生码间干扰，增加误码率。

传输距离越长，脉冲展宽现象越严重，所以色散会限制光纤传输系统的通信容量，也限制了无中继传输距离。

光纤中的色散可分为材料色散、模式间色散、波导色散、和偏振模色散等。

材料色散系数定义为：Dm=-(λd2n1)/(Cdλ2),光谱线宽度为Δλ（nm），长度为L（㎞）的总的材料色散时延差τm（单位ps）可表示为τm=ΔλDmL。

10.G.652、G.653 和 G.655 等常用传输光纤的传输特性（损耗及色散）及其应用场合：G.652光纤又称为常规单模光纤或标准单模光纤（STD SMF），被广泛应用于数据通信和图像传输；G.653光纤又称为色散位移光纤（DSF）将在λ=1310nm附近的零色散点，移至1550nm波长处的损耗系数和色散系数均很小。

主要用于单信道长距离海底或陆地通信干线，其缺点是不适合波分复用系统；G.655光纤称为非零色散位移光纤（NZ DSF）。

G.655光纤在1550nm波长处有一低的色散（但不是最小），能有效抑制“四波混频”等非线性现象。

适用于速率高于10Gb/s的使用光纤放大器的波分复用系统。

11.光纤中非线性效应的产生机理：光纤的制造材料本身并不是一种非线性材料，但光纤的结构使得光波以较高的能量沿光纤长度聚集在很小的光纤截面上，会引起明显的非线性光学效应，对光纤传输系统的性能和传输特性产生影响。

第 3 章光源和光发送机1.激光产生的物理基础：自发辐射、受激辐射、受激吸收2.粒子数反转分布：条件是多能级物质；给予额外的能量，把处于低能级的电子激发到高能级上去，这种分布叫做“粒子数反转分布”。

3.激光器结构：工作物质、光学共振腔和激励系统。

4.激光器的工作特性：①阈值：当外加激励的能源功率超过某一临界值时，激光物质中的粒子数反转达到了一定程度，激光器才能克服光谐振腔内的损耗而产生激光，此临界值就称为激光器的阀值。

②效率；③温度；④光谱特性。

阀值电流随温度的升高而加大；随着激光器工作时间增长，器件老化，阀值电流也会不断增加。

5.发光二极管的结构及与半导体激光器主要异同：LED的工作原理与LD基本相同，只是结构上有所区别，LED也采用双异质结的结构，但没有谐振腔，它发出的是自发辐射光，而不是激光，其光谱线宽度比LD的谱线宽度要宽，因而色散较大，传输带宽小，发出的功率小。

但是LED的结构比较简单，价格低，发射功率与温度的关系小，性能较稳定，因此在小容量、短距离的光纤通信系统中得到广泛的应用。

与半导体激光器的P-I特性相比，LED没有阈值，其线性范围较大。

在注入电流较小时，曲线基本上是线性的，当注入电流较大时，由于PN 结的发热而出现饱和现象。

6.光源调制的目的和方法，直接调制和间接调制的主要异同：要实现光纤通讯，首先要解决如何将光信号加载到光源的发射光束上，即需要进行光调制，经调制后的光波经过光纤送至接收端，进行光解调，还原出原来的信号。

方法：光源调制可以分为直接调制和间接调制。

直接调制方法仅适用于半导体光源（LD 和LED），这种方法是把要传送的信息转变为电流信号LD和LED，从而获得相应的光信号。

间接调制是利用晶体的光电效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制。

这种调制方式既适用于半导体激光器，也适用于其它类型的激光器。

直接调制会引入频率啁啾，即光脉冲的载频随时间变化。

由于带啁啾的光脉冲在光纤中传输时会加剧色散展宽，因此对于传输速率达到10Gbit/s及以上系统需要考虑采用间接调制，此外相干光通信系统也需要采用间接调制。

7.光发送机的构成：输入电路和光发送电路。

8.线路码型变换的目的和主要方法：主要方法：扰码，字变换码，插入码；目的：如码流中连“0”，连“1”数太大，将减少信号中的离散定时分量，使接收机的时钟提取比较困难。

如码流中“0”，“1”分布不均匀，会导致直流分量波动起伏，即基线漂移，影响判决电路对信号的再生。

因数字序列没有预定规律，不可能在运行时进行不中断通信误码检测。

为了解决上述问题，光纤线路码型要特别设计。

9.LD 发送电路构成，光源驱动电路的要求：发送电路构成：LD 发送电路由电平移动、LD 光源、驱动电路、预偏置电路、自动功率控制（APC ）电路和自动温度控制（ATC ）电路组成。

要求：输出的光脉冲峰值必须保持恒定，不管温度如何变化或激光器如何老化，都要保持脉冲恒定。

光脉冲的通断比（即消光比）应≥10，以免接受灵敏度受到损害。

电流脉冲加上后，激光发射的时间必须远短于每位码元的时间段。

如加上的电流脉冲有较高的码速，则输出的光脉冲有可能引起驰张振荡，这就必须予以阻尼，防止它对系统性能发生不良影响。

选择偏置电流依据：偏置电流值接近于激光器的阈值电流（I th ），这可以大大减小光延迟时间，同时使光脉冲的驰张振荡得到一定程度的抑制。

当激光器偏置在阈值附近时，较小的调制脉冲电流就能得到足够的输出光脉冲。

太大或太小的偏置电流会使通断比（消光比）恶化。

第 4 章 光检测器和光接收机2.PIN 光电二极管的工作特性：截止波长和吸收系数；响应度和量子效率；响应速度；线性饱和；暗电流（处于反向偏压下的半导体光电二极管，在无光照时仍有电流流过，这部分电流称为暗电流）；噪声。

PIN 光电二极管和APD 雪崩光电二极管的工作原理：光电二极管：最基本的半导体光检测器是由反向偏置的PN 结构成。

自建场的作用使电子和空穴产生了与扩散方向相反的飘逸移动。

在PN 结界面附近形成了高电场的耗尽区。

在耗尽区两边，电场基本为0，称为扩散区。

耗尽区和扩散区均为光子的吸收区，在入射光照射下，要吸收光能量产生光生载流子。

APD ：处于反向偏置的耗尽层光电二极管，当外加的反向偏压不断增强时，耗尽区内产生的光生载流子在强电场作用下得到加速，获得很大的动能。

高能的载流子与半导体晶体内的原子相碰撞，将束缚在价带中的电子激发到导带，从而在耗尽层内产生新的电子-空穴对，这种现象称为碰撞电离。

碰撞电离的第二代载流子在耗尽层的强电场的加速下再次引起碰撞电离而产生第三代载流子。

3.光接收机的主要性能指标和主要噪声：光接收机性能的优劣的主要技术指标是接受灵敏度、误码率或信噪比、带宽和动态范围。

根据噪声产生的不同机理，噪声可分为两类：散粒噪声和热噪声。

光接收机的误码率和 Q 值：光接收机的误码主要由散粒噪声、倍增噪声、热噪声等综合的总噪声引起。

误码的多少及分布不仅和总噪声的大小有关，还与总噪声的分布有关。

Q=D/√N 0=（Vm －D ）/√N 1,Q 值表示判决点门限值与噪声电压（电流）有效值的比值，称为超扰比，含有信噪比的概念。

只要知道Q 值，就可以求出误码率。

4.灵敏度（三种表示方法及其换算）：输入的最小平均光功率P R ，每个光脉冲的最低平均光子数n 0，每个光脉冲的最低平均能量d E 。

三者之间关系：Thf n T E P d R 220==（T ：脉冲码元时隙，T=1/b f ；hf ：一个光子能量）,P R 的单位为w ，常用mW 。

若用dBm 来表示灵敏度Sr ： mW P S R r 1lg 10= (dBm) 动态范围的定义和计算：动态范围表征的是光接收机适应输入信号变化的能力，也即光接收机灵敏度和过载功率之间的差值，()()()()minmax min max lg 101lg 101lg 10P P mW mW P mW mW P D =-= (dB)。

5.影响灵敏度的因素：码间干扰 、消光比、暗电流、量子效率、光波波长、信号速率、各种噪声等。

6.光中继机构成：光中继机包括光接收、再生判决和光发送部分。

第 6 章 同步数字体系（SDH ）1.SDH 的基本概念和特点：概念：光同步数字传送网是由一些SDH 网元（NE ）组成，在光纤上进行同步信息传送、复用和交叉连接的网络。