光纤通信复习重点

光纤通信复习重点

题型：填空、选择、判断（30'、问答（40'、计算（30'

第一章概论

1.2.2光纤通信的优点（少^）

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）泄露小，保密性能好

6）节约金属材料，有利于资源合理使用

1.3 光纤通信系统的基本组成

作用：

1）信息源：把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号

2）电发射机：把信息源传递过来的模拟信号转换成数字信号（PCM

3）光发射机：把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术吧光信号最大限度地注入光纤线路。

4）光纤线路：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的失真和衰减传输到光接收机。

5）光接收机：把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经其

后的电接收机放大和处理后恢复成基带电信号。光接收机由光检测器、放大器和相关电路

组成，光检测器是光接收机的核心。光接收机最重要的特性参数数灵敏度；

6）电接收机：把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息；

说明：光发射机之前和光接收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备和电缆通信相同，不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输；

注：计算题3个，全来自第二第三章的课后习题

第二章光纤和光缆

2.1.1 光纤结构

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。（相对折射率差典型值△ =（n 1-n2）/n1，△越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量确越小）

2.1.2光纤类型（三种基本类型）图2.2

突变型多模光纤：纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=50~80卩m光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。

渐变型多模光纤：纤芯中心折射率最大为n1,沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50卩m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。

单模光纤：折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有8~io卩m光线以直线形状沿纤

芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式（两个偏振态简并），所以称为单

模光纤，其信号畸变很小。

2.2光纤传输原理n（展宽衰减的原因）

1）突变型多模光纤

2）数值孔径：定义临界角B c的正弦为数值孔径（NA

NA表示光纤接收和传输光的能力，NA或B c）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。对于无损耗光纤，在B c内的入射光都能在光纤中传输。NA越大,

纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。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。W o

时间延迟：

这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。由此可见，突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后，其时间延迟不同而产生的。

3）渐变型多模光纤渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点。

自聚焦效应：不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同3但是最终都会聚在同一点上。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在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。

2.2.2光纤传输的波动理论单模光纤的模式特性

1）单模条件和截止波长L 2 L 2 n L

传输模式数目随V值的增加而增多。当值减小时?不断发生模式截止，模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当VV2.405时，只有HE11（LP01）—个模式存在，其余模式全部截止。HE11称为基模，由两个偏振态简并而成。由此得到单模传输条件为

可以看到，对于给定的光纤（n 1、n2和a确定），存在一个临界波长入c,当入＜入c时, 是多模传输，当入＞入c时，是单模传输，这个临界波长入c称为截止波长。

2）光强分布和模场半径

通常认为单模光纤基模HE11的电磁场分布近似为高斯分布W （r）=Aexp 式中，A为场的幅度，r 为径向坐标，w0为高斯分布1/e点的半宽度，称为模场半径。

3）双折射

把两个偏振模传输常数的差（B x- B y）定义为双折射AB, 通常用归一化双折射B来表示式中，=（B x+B y）/2为两个传输常数的平均值。把两个正交偏振模的相位差达到 2 n的光纤长度定义为拍长Lb=

2.3光纤传输特性

损耗和色散是光千最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输

dz

容量

☆☆☆☆☆）三种色散

模式色散是由于不同模式的传播时间不同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材

料折射率的波长特性有关。

4

材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光（实际光源不是纯单色光），其传播时间不同而产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。

波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。

说明：色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不同。从频域上看，色散限制了传输信号的带宽；从时域上看，色散引起信号脉冲的展宽。

理想的单模光纤没有模式色散，只有材料色散和波导色散。材料色散和波导色散总称为色度色散，常简称为色散，它是传播时间随波长变化的产生的。

2.3.2光纤损耗

光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。

在最一般的条件下，在光纤内传输的光功率P随距离z的变化，可以用

表示。a是损耗系数。

吸收损耗：由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。

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。

光纤总损耗a与波长入的关系可以表示为：

a = +B+CW（入）+IR（入）+UV（入）

A为瑞利散射系数，B为结构缺陷散射产生的损耗，CW@）、IR（入）和UV（入）分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。

第三章通信用光器件

3.1光源

光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。半导体激光器是向半

导体PN节注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，在利用谐振腔的正反馈，实

现光放大而产恒激光震荡的工作原理：半导体激光器是向半导体PN结注入电流实现粒子数翻转分布，产生受激辐射，

实现光放大，在利用谐振腔的正反馈而产生激光振荡的。

基本结构：结构中间有一层厚0.1~0.3卩m的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片（衬底）上，前后两个晶体解理面作为反射