光纤通信资料

光纤通信系统

第一章所谓光纤通信，就是用光作为信息的载体、以光纤作为传输介质的一种通信方式。通信系统的容量通常用比特率—距离积BL 表示，B 为比特率,L 为中继间距。

三种低损耗窗850nm、3dB/km；1310nm、0.4dB/km；1550nm、0.2dB/km

4、PDH和SDH各表示什么？其速率等级标准是什么？

答：PDH表示准同步数字序列，即在低端基群采用同步，高次群复用采用异步；SDH表示同步数字序列。

PDH速率等级标准：

SDH速率等级标准：

STM-1：155.520Mbit/s

STM-4：622.080 Mbit/s

STM-16：2.5 Gbit/

STM-64：10 Gbit/s

3、光纤通信有哪些优点？

答：1、频带宽，通信容量大

2、损耗低，中继距离长

3、抗电磁干扰

4、无串音干扰，保密性好

5、光纤线径细、重量轻、柔软

6、光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料

7、光纤具有耐腐蚀力强、抗核幅射、能源消耗小等优点。

5 、图示光纤通信系统，解释系统基本结构。

答：

光纤通信系统由光发送机、光纤光缆与光接收机等基本单元组成。系统中包含一些互连与光信号处理部件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器等。在长距离系统中还设置有中继器(混合或全光)。

1.光纤由哪几部分构成？从横截面上看由三部分构成：纤芯、包层、涂敷层；

2、光纤中的纤芯折射率与包层折射率的关系？单模光纤和多模光纤中中两者的芯经一般分别为多少？

答：纤芯折射率大于包层折射率；

单模光纤纤芯直径：2a=8μm ～１２μm ，包层直径：2b=125μm ；多模光纤纤芯直径：2a=50μm ，包层直径：2b=125μm 。

3、根据芯、包折射率分布及模式传播情况，指出有哪些典型形式光纤？ 答：按照折射率：

折射率在纤芯与包层介面突变的光纤称为阶跃光纤；折射率在纤芯内按某种规律逐渐降低的光纤称为渐变光纤。

按照传输模式： 单模光纤和多模光纤。

5、数值孔径NA 的物理意义？表达式是什么？

答：光纤的数值孔径NA,它的含义是反映光纤对光信号的集光能力（接收能力），NA 值越大，对光信号集光（接收）能力越强。

NA ＝sin θ C

()(

)

0001001222112

1

22221

2

1

12

2

11

22

121sin sin(90)1sin cos 1sin 122c c

c n n n n n n n n n n

n n n n n

NA n n n θθθθθ=-===-=--==-=?

∴-=?

Q 或＝或

6、什么是光纤的自聚焦？产生在何种类型光纤里？产生自聚焦的条件？ 答：若折射率分布合适，可以使以不同角度入射的全部光射线以相同的轴向速度，同时到达光纤轴上的某点，即所有光射线都具有相同的空间周期L ，这种现象称为自聚焦，具有自聚焦特性的光纤称为自聚焦光纤；梯 自聚焦---以不同角度入射的光射线以相同的轴向速度，具有相同的空间周期 L ，这种光纤称为自聚焦光纤。 产生在渐变（梯度）型光纤中；

当折射率分布按平方率分布（即双曲正割变化），可形成自聚焦特性。

第二章

7、阶跃光纤的纤芯和包层折射率分别为n 1＝1.46和n 2＝1.45，试计算： (a)相对芯包折射率差△；

(b)若该光纤的端面外为空气(n 0=1)，计算允许的最大入射角θ0及数值孔径NA ；

(c)若该光纤浸于水中(n 0=1.33)，计算θ0及NA 的大小。 解：

0022

12

2

1

22

12

000

00022

12

000

000()0.006832()

arcsin()9.8(1)

sin 1sin 9.80.17()

arcsin()7.4( 1.33)

sin 1.33sin 7.40.17

n n a n b n n n n NA n c n n n n NA n θθθθ-?==-=====?=-=====?=Q Q

8、有一SI 型多模光纤的芯径为50 μm ，芯包折射率分别为n l =1.465和n 2=1.46。计算与光纤轴线夹角最大的那条子午射线，在1m 的传输距离上共要反射多少次?

解：

2.2 1、导模的传播常数应满足什么条件？

答：

2、归一化频率V 与什么参量有关？其值与导模数的关系？ 答由式（2.2.21），与自由空间波数、芯经、波长、折射率和相对折射率差有关。

3、什么是单模光纤？实现单模传输的条件是什么？

答：单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单一基模的光纤。

当阶跃光纤的归一化频率V < 2.405时，实现单模传输。

2.4 什么是光纤色散？光纤色散包括哪些？零色散点所处的波长在那儿？决定什么因素？

a ）光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不

同引起的脉冲展宽的物理效应。

（b ）材料色散（模内）、波导色散（模内）、模式（模间）色散、偏振色散。 （d ）在1310nm 处，决定因素是材料色散和波导色散。

0201

k n k n β≤≤2

4

v

M =

2222012()()

V k a n n =-2

2

v M =

全色散为两种色散的近似相加，即

D ＝D mat + D W [ps/(nm.km)]

全色散为零的波长约在1.31μm 。

2.5 1、什么叫光纤损耗？写出损耗的表达式。光纤损耗有哪几种？造成光纤损耗的原因是什么？

答：当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数α表示。

10(/)lg out

in

P dB km L P α=-

光纤损耗有：吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。

损耗产生的主要原因是光纤材料的吸收、散射作用和光纤在使用过程中由于连接、弯曲而导致附加光功率损失。

光纤的衰减机理主要有3种，即光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。

吸收损耗与光纤材料有关；

散射损耗则与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关； 辐射损耗是由光纤几何形状的微观和宏观扰动引起的。

2.7 2、光纤有那些类型？G.652、G.653、G.654、G.655光纤各表示什么？

答： G.652光纤（SSF ）：常规单模光纤，色散为零的波长约在1310 nm ，1550 nm

具有更低的损耗；

G.653光纤(DSF)：色散位移光纤，将零色散波长从1.3μm 移到1.55m m ，这种低损耗、低色散的光纤，无疑对长距离大容量光纤通信来说是十分有利的。

G.654光纤(CSF)：截止波长位移光纤，设计的出发点进一步降低1550nm处的衰减，而零色散波长仍为1310nm。

G.655光纤(NZ-DSF)：非零色散位移光纤，将零色散波长移至1550 nm附近，目地是应用DWDM，克服非线性产物四波混频（FWM）。

1、按照成缆结构方式不同可分为哪几种光缆？

答：层绞式、骨架式、带状式、束管式

2、光纤光缆制造的主要流程是什么？

答：制棒---拉丝---涂敷---成缆

光纤预制棒制作方式：用气相沉积法（MCVD)制造一根具有所需折射率分布的预制棒。典型的预制棒长1m，直径2cm，包含具有合适相对尺寸的纤芯和包层。

3.1 2、比较发光二极管与半导体激光器，指出各自特点？

答：发光二极管特点：以自发辐射为基础，发普通荧光，发散角大，是无阈值的器件，发射功率一般为微瓦级。

半导体激光器特点：以受激辐射为基础，发相干（激）光，是有阈值的器件（电流大于阈值点，发射线性激光；小于阈值点为自发辐射光），发射功率一般为毫瓦级。

1、光和物质的相互作用是什么？

答：受激辐射、自发辐射、受激吸收

1、半导体激光器产生激光输出的基本条件是哪些？

答：半导体激光器产生激光输出的基本条件是：

形成粒子数反转；

提供光反馈；

满足激光振荡的阈值条件。

3.2 1、用于光纤通信的发光二极管有哪几类？特点是什么？答：LED的基本结构可分为两类：面发光LED和边发光LED。

面发光LED：称为布鲁斯(Burrus)型LED，这种LED发射面积限制在一个小区域，小区域的横向尺寸与光纤纤芯直径接近。面发光管输出功率较大，一般

注入电流100mA时可达几毫瓦，但光发散角大，其水平发散角θ‖≈120°，垂直发散角θ⊥≈120°，光束呈朗伯分布，与光纤耦合效率很低。

边发光LED：采用条形半导体激光器的设计方案，其发散光束不同于面发光LED，它在垂直于结平面方向的发散角仅为30°，所以边发光LED的输出耦合效率比面发光LED高，调制带宽亦较大，可达约200MHz。

2、制张弛振荡、减小电光延迟时间的简单方法是什么？

答：把LD预偏置在I th附近时，是减小t d，缩短载流子寿命 sp，有利于提高调制速率的简单方法。

所以，无论是从减弱张弛振荡，还是从缩短电光延迟时间来提高调制性能，LD都需要预偏置在阈值附近。

3.4 LD的 Ith 随着工作温度的提高，P-I特性曲线向右移动，这时阈值电流增大，斜率减小。

外量子效率(总效率)

调制特性

3.5 光发送机作用：将输入的电信号加载到光源的发射光束上变成光信号，送入光纤。

信息由LED或LD发出的光波所携带，光波就是载波。把信息加载到光波上的过程就是调制。

调制方式：将电信号转变为光信号的方式通常有两种：直接调制和间接调制。

直接调制技术具有简单、经济和容易实现等优点，由于光源的输出光功率基本上与注入电流成正比，因此调制电流变化转换为光频调制是一种线性调制。

1、光驱动电路的基本结构是什么？特点是什么？

答：光驱动电路由调制电路和控制电路组成，即提供恒定的偏置电流和调制信号，采用伺服回路保持平均光功率恒定不变。

分为LED、LD光驱动电路两类。数字电路通常由差分对管组成差分电流开关电路，特点是速度快，电路易于调整，若用LD管还需提供预偏电路。模拟电路由单管或多管构成，由于对线性要求较高，需要复杂的补偿电路。

2、APC与ATC电路起何作用？

答：为了克服温度及老化造成的输出功率的下降，在驱动电路中要采取稳定补偿措施，这就是自动功率控制(APC)和自动温度控制(ATC)。

ATC控制利用LD组件内的半导体致冷器及热敏电阻进行反馈控制即可恒定LD芯片的温度。

APC可通过两条途径来实现，一是自动跟踪Ith的变化，使LD 偏置在最佳状态；二是控制调制脉冲电流幅度Im，自动跟踪ηd（外量子效率）的变化。由于一般ηd随温度的变化不是非常大，因此简单的办法是通过检测直流光功率控制偏置电流，也能收到较好的效果。

光源与光纤耦合效率的主要因素：

●光源的发散角

发散角大，耦合效率低。

●光纤的数值孔径(NA)

NA大，耦合效率高。

●光源发光面、光纤端面尺寸、形状及二者间间距也都直接影响耦合效率。

针对不同的因素，通常采用两类方法来实现光源与光纤的耦合，即直接耦合法：直接耦合法：是将光纤端面直接对准光源发光面，当发光面大于纤芯面积时，这是一种有效的方法。

透镜耦合法：透镜耦合法：当光源发光面积小于纤芯面积时，可在光源与光纤之间放置聚焦透镜，使更多的发散光线会聚进入光纤来提高耦合效率。

4.1 光接收机作用是：将光信号转换回电信号，恢复光载波所携带的原信号。

光接收机主要由3部分电路组成，分别为由光电二极管和前置放大器构成的接收机前端，由主放大器和均衡滤波器构成的线性通道及由判决器和时钟恢复电路构成的再生电路。

★光电检测器(光电二极管或雪崩光电二极管)对光信号解调，将光信号转换为电信号。

光电检测器的输出电流信号很小，必须由低噪声前置放大器进行放大。

光电检测器和前置放大器构成光接收机前端，其性能是决定接收灵敏度的主要因素。

响应度和量子效率关系

1、光纤通信系统用的光检测器是怎样偏置外加工作电压的？

答：反向偏置。

足够大的反向偏置电压，目的是使本征区中的载流子完全耗尽，形成高电场耗尽区。使入射到检测器上的光子能量高速度、高效率转换成光生电子。APD 管加上更高反向电压，可以形成雪崩倍增增益。

2、比较PIN光电检测器与APD光电检测器，各自有那些特点？

答：（1）PIN 光电二极管没有倍增，使用简单，工作偏压低(5-10V)，不需要任何控制。

在较大光功率注入下，PIN接收机噪声性能要比APD接收机噪声性能（信噪比降低G x倍）优越。

（2）APD 具有很高的内部倍增因子（通过合理设计，可以使APD工作在最佳倍增状态），这样接收灵敏度比PIN光检测器高。

但由于APD需要较高的工作偏压（200V）以及其倍增特性受温度的影响较严重因此使用起来也比较复杂，需要AGC电路对APD的工作偏压进行精细控制，在要求较高的数字光接收机中，还必须对APD采取温度补偿措施。

在较小光功率注入下，APD接收机噪声性能（信噪比提高G2倍）要比PIN 接收机噪声性能优越。

4.4 1、光接收机的灵敏度是怎样定义的？

答：光接收机的灵敏度是描述其准确检测光信号能力的一种性能指标。

光接收机的灵敏度定义为接收机工作于某一误码率（BER）条件下所要求的最小平均接收光功率。

2、误码率如何定义？通常标准要求是多少？

答：数字光接收机的误码率(BER)定义为接收机判决电路错误确定一个比特的概率，1×10-6的BER相应于每百万比特中平均有一个错码。

对数字光接收机通常使用的标准要求BER≤10-9，这是通常实际光波系统的系统规范。

4、引起光接收机灵敏度恶化因素是那些？

答：1、消光比引起的灵敏度恶化

2、强度噪声引起的灵敏度恶化

3、取样时间抖动引起的灵敏度恶化

4.5 光中继器原理图

5.1 光放大器的原理

光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件，其机制与激光器完全相同。

实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。

1、光放大器有哪几种类？应用最为普遍的是哪一种？

答：半导体光放大器(SOA)

光纤放大器（掺稀土元素）

非线性光纤放大器（光纤喇曼放大器FRA）

最常用的是掺铒光纤放大器

2、掺铒光纤放大器（EDFA）有哪些优点？

答：其优点为：高增益、高功率、宽带宽、低噪声、低串音、低插损等优良特性。

3、EDFA光放大器主要应用方式？

答：主要做为发送机功率提升放大器、光接收机前置放大器和替代3R光电—电光中继器的光中继放大器。

4、掺铒光纤放大器（EDFA）的关键技术是什么？

答：是掺铒光纤和泵铺源技术

5.光放大器在光波系统中的4种基本应用

1）将光放大器作为在线放大器代替光电光混合中继器，当光纤色散和放大器自发辐射噪声累积尚未使系统性能恶化到不能工作时，这种代替是完全可行的，特别是对多信道光波系统更具诱惑力，可以节约大量的设备投资。

2）将光放大器接在光发送机后以提高光发送机的发送功率，增加传输距离，这种放大器称为功率放大器。

3）将光放大器接在光接收机前，以提高接收功率和信噪比，增加通信距离，这种放大器称为前置放大器。

4）将光放大器用于补偿局域网中的分配损耗，以增大网络节点数。还可以将光放大器用于光子交换系统等多种场合，这种放大器亦称为功率放大器。

放大器的特性主要由掺杂元素决定，而不是由起主介质作用的石英光纤决定。

图5.11掺铒光纤放大器的基本结构

(a) 前向或正向泵结构EDFA； (b) 后向或反向泵结构EDFA； (c) 双向泵结构EDFA。

泵浦光由半导体激光器（LD）提供，与被放大信号光一起通过光耦合器或波分复用耦合器注入掺铒光纤（EDF）。

光隔离器用于隔离反馈光信号，提高稳定性。

光滤波器用于滤除放大过程中产生的噪声。

为了提高EDFA的输出功率，泵浦激光亦可从EDF的末端（放大器输出端）注入，或输入输出端同时注入，分别如图5.11(a)、图5.11(b)、图5.11(c)所示。

这3种结构的EDFA分别称为前向泵、后向泵和双向泵掺铒光纤放大器。

6.1 1、无源器件主要有哪几种？

答：光纤连接器、光纤衰减器、光隔离器、光纤耦合器、自聚焦透镜（滤波器、分路器、复用器）、光调制器及光开关等。

光无源器件有很多种类，主要有光纤连接器、光纤耦合器、光滤波器、光隔离器、波分复用/解复用器、光开关、光衰减器、光环形器、偏振选择与控制器等。

光纤固定接头方法：熔接法，V形槽法，套管法。

2、衰减器的作用是什么？光连接器的作用是什么？

答：光衰减器的作用是对光功率进行衰减。

光连接器的作用是实现光纤与光纤之间可拆卸的连接。

光纤连接器的作用是实现系统中设备之间、设备与仪表之间、设备与光纤之间及光纤与光纤之间的活动连接，以便于系统的接续、测试和维护。

3、光隔离器在光纤线路上作用是什么？

答：光隔离器在光纤线路上作用是隔离反射光返回器件，避免其对正向光形成干扰。

构造N×N多星形耦合器：采用多个2×2星形耦合器级联的方法构成N×N星形耦合器。

8.1 2、系统在什么条件下受色散限制？此时决定的因素是什么？

答：当系统的损耗足够小，传输码速高时，传输距离主要受光纤色散等的限制。

即在光纤损耗较低，码速较高时，对传输距离的限制往往主要来自色散造成的系统上升时间的限制，这种系统称为色散限制系统。

1、简述光纤通信系统发展情况并分别写出限制BL的因素。

答：1. 0.85μm光波系统, 采用低成本的多模光纤作为传输媒质。

限制BL主要的因素是光纤的模间色散。

2

?

?11多模阶跃型光纤：

c BL=

2n 多模渐变型光纤：

2c BL=

n

2. 1.3μm 光波系统，早期单模光纤，限制BL 主要的因素是光源的谱宽。

1

4BL D λ

σ≤

3. 1.55μm 光波系统，第三代光波系统工作在损耗最小的1.55μm 波长。限制BL 主要的因素是光纤色散。

22

1

16B L β<

第二章 4、有一SI 型单模光纤，其截止波长为1.4 μm ，芯包折射率分别

为n l =1.465，n 2=1.46，计算它的纤芯半径及在波长分别为0.85及1.3 μm 的模式数。 解:

从式（2.2.21）得到此时纤芯半径为

5、有一阶跃光纤，NA=0.2，当λ=850 μm时可支持1000个左右的模式，计算：

(a)纤芯直径；

(b)在λ=1310 nm波长时的传输模式数；

(c)在λ=1550 nm波长时的传输模式数。

解：将式(2.2.21)代入式(2.2.23)

3、已知一弱导波阶跃型光纤，纤芯和包层的折射率分别为n 1＝1.5，n 2＝1.45，纤芯半径a ＝4μm ，λ＝1.31μm ，L ＝1km 。计算： （1） 光纤的数值孔径； （2） 光纤的归一化频率； （3） 光纤中传输的模数量； （4） 光纤的最大时延差。

解：（1）NA ＝sin θmax ＝（n 21－n 22）1/2＝0.38 （2）式（2.2.21） p24

22

112

22

22224() 1.5 1.451.31()

7.37

V n a a n n m m π

π

λ

λ

π

μμ=?=

-=

??-= （3）M ＝V 2/2＝7.372/2＝27 式(2.2.23) （4）式(2.1.5)

=1702

12

22

12

2

125550.0328

21.50.03281(k ) 2.250.03281

1.45310(k /) 4.35100.01710()ns

n L T C n n n n m m s s -?=?

-?==????==

???≈?Q 4、有一个波长为1310nm LED ，其谱宽45 nm 。则光纤材料色散造成的单位长度脉冲展宽是多少?若是谱宽为2 nm 的LD ，则脉冲展宽又是多少? 解：由式（2.4.13）得

0 1.2731.22(1) 1.22(1)0.034/.1.31

M D ps nm km λλ=-=-=

代入式（2.4.28）得到LED 脉冲展宽：

0.034(/)1()45() 1.55LED D L ps nm km km nm ps τλ?=???=???= 同理得到LD 脉冲展宽：

0.034(/)1()2()0.068LD D L ps nm km km nm ps τλ?=???=???=

3、有一个1300／1550 nm的WDM系统，在1300nm和1550 nm波长上的入纤信号光功率分别为150 μw和100 μw。若这两个波长上的光纤损耗分别为O.5 dB／km和0.25dB／km，试计算当光纤长度为50 km 时它们的输出光功率。

解：

4、设一长度L = 1km的光纤，其损耗常数α＝2.3×10—5／cm，光纤输入端的功率为l mw。计算光纤输出端的功率。

解：

第三章

3、设激光器的高能级和低能级的能量各为E1和E2 ，频率为ν，相应能级上的粒子密度各为N1和N2 。试计算：

（1） 当频率 ν= 300MHz T=300K 时， N2 ∕ N1为多少？ （2） 当波长λ =1 μm ，T=300K 时，N2 ∕ N1为多少？ （3） 当波长λ =1 μm ，若N2 ∕ N1 = 0.1 ，环境温度T 为多少？（按玻尔兹曼分布规律计算） 解：

346232 6.626103000101 1.3810300

21

21()21()(3.1.2)11

exp()0.9995

1(2)exp() 1.4310(3)exp()0.1

ln ;ln 0.1 2.303

2.303

hv Hz

kT

hc kT

hc

kT

hc kT

N hv N kT e e

N hc N kT e N hc e N kT

hc e kT hc

T k λλλλλλλ--?????---

=-==

==-==?=-===-=-∴=?Q 式(P62)

(1)6255

=

2、有一个双异质结InGaAsP —LED ，中心发光波长为1310nm ，其材料的辐射复合率为50ns ，非辐射复合率为70ns 。试计算：

(a) 发光时的内量子效率ηint ；

(b) 设驱动电流为100mA ，计算该LED 的内部发光功率；

(c) 若该LED 芯片与多模光纤的直接耦合效率为-14dB ，计算入纤的光功率大小。

解：

int int int 11

0.583

501170

(/)(

)55.290.0455.29 2.2rr nr

e ext hcI

P q I mw q P mw

ηττηωηληη===++=====?=h in int (a)由式（3.1.14）得

(b)由式（3.2.1）得

(c)由式（3.2.2）得

3、分别画出用发光二极管和激光器进行数字调制的原理图。 解：