光纤期末考复习整理.docx

1. P21966年，英籍华裔学者高锟（光纤通信之父）和霍克哈姆发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定光纤通信的基础。（填空）

2. P5电缆通信和微波通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。光纤通信用的近红外光（波长约为1µm）的频率（约300THz）比微波（波长为0.1m~1mm）的频率（3~300GHz）高3个数量级以上。（填空）

3. P5什么是光纤通信？光纤通信的优点？
以光波为载波，以光纤作为传输介质的通信方式；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）泄露小，保密性能好。6）节约金属材料，有利于资源合理使用。（简答）

4. P14光纤的结构：纤芯、包层、（涂覆层）。设纤芯和包层的折射率分别为n1、n2，光能量在光纤传输的必要条件是n1>n2。运用全反射原理。（填空）

5. P15按折射率，光纤类型可分为：突变（阶跃）型和渐变型
突变型多模光纤：直径2a=50~80µm，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：直径2a=50µm，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：直径只有8~10µm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播，其信号畸变很小。图2.2 ，看图选择

6. P17根据传播条件，定义临界角的正弦为数值孔径。NA= n0 sin (θmax) =（n0为空气的折射率=1）。式中。
NA表示光纤接收和传输光的能力。
1）NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。
2）NA越大 经光纤传输后产生的信号畸变越大
例题：
设光纤的纤芯折射率n1=1.500，包层折射率n2=1.485。求:
（1）相对折射率差Δ； 0.01
（2）数值孔径NA； 0.21
（3）入射临界角θmax 。 12.12o
7. 只有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。
8. P24（多模）传输模数（模的数量）
g为光纤中纤芯的折射率分布参数。V为归一化频率。
（为半径）
对于阶跃光纤， g＝∞， 其模式数目为
对于渐变光纤, g＝２， 其模式数目为
例：如果纤芯直径数值孔径NA=0.275,工作波长计算渐变折射率的模式数量。

9. P25单模传输条件为
例：已知某阶跃型光纤参数Δ=0.003，n1=1.46，光波长λ=1.31µm，求单模传输时光纤应具有的纤芯半径。

10. 损耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输带宽。
产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。
11. P27色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟（传播速度）不同而产生的一种物理效应。一般包括模式色散、材料色散和波导色散。
多模光纤: 模式色散占主要地位.
单模光纤: 材料色散和波导色散共同影响总色散.
材料色散和波导色散通称为色度色散（波长色散）。
色散系数的单位为：ps/(nm·km)
12. P35 G.651多模渐变型光纤：这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统。（只有G.651为多模光纤）
G.652 常规单模光纤: 是第一代单模光纤，其特点是在波长零色散波长1.31 μm 色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。这种光纤既可用于 1.31 μm 波长区，也可用于1.55 μm 波长区，是一种可供双窗口应用的单模光纤。（使用得最多）
G.653色散位移单模光纤：是第二代单模光纤，其特点是在波长零色散波长1.31 μm 色散为零，损耗有最小。之中光纤适用于大容量长距离通信系统。可用于海底传输。
G.654：这种光纤实际是一种用于1.55 μm该进的常规单模光纤，目的是增加传输距离。
G.655：非零色散光纤，是一种该进的色散移位光纤。
13. P32光纤的损耗：是影响光纤传输特性的一个重要指标。由于损耗的存在，将会减小传输光信号的能量，使信号传输的距离受到限制。主要包括：吸收损耗、散射损耗和辐射损耗 通信中习惯用损耗系数表示损耗
14. P37光缆一般由缆芯和护套两部分组成。

第三章 通信用光器件
15. P48通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。有源器件包括光源、光检测器和光放大器，这些器件是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着基本光纤传输系统的水平。光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等，这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。
16.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。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）和发光二极管或称发光管（LED）
17.有源器件的物理基础是光和物质的相互作用的效应。主要有：受激吸收、受激辐射、自发辐射。
18.P49晶体中电子按能级的分布
通常情况下，N2<N1，
高能级上的电子数少。
n 光经过晶体时，受激吸收占主要地位，光被衰减吸收。
n 如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2>N1的分布和正常状态(N1>N2)的分布相反,所以称为粒子(电子)数反转分布。
n 为了使物质发光，必须进行粒子数反转分布，有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态(泵浦技术），这些方法包括光激励方法、电激励方法等。
或按书本答案表述：
假设能级E1和E2,上的粒子数分别为N1和N2，在正常的热平衡状态下，低能级E1上的粒子数N1是大于高能级E2上的粒子数N2的，入射的光信号总是被吸收。为了获得光信号的放大，必须将热平衡下的能级E1和E2上的粒子数N1和N2的分布关系倒过来，即高能级上的粒子数反而多于低能级上的粒子数，这就是粒子数反转分布。 当光通过粒子数反转分布激活物质时，将产生放大。
19. P51粒子数反转分布是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震荡输出。基本的光学谐振腔由两个放射率分别为R1和R2的平行反射镜构成，并被称为法布里—珀罗谐振腔。
20. P51激光震荡的相位条件为： L为谐振腔的长度。
21.相邻两纵模之间的频率之差：
纵模的波长间隔与频率间隔的关系是：
22. P57发光二极管（LED）的工作原理与激光器（LD）有所不同，LD发射的是受激辐射光（相干光），LED发射的是自发辐射光（非相干光）。LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结构，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。发光二极管有两种类型：一类是正面发光型LED，另一类是侧面发光型LED。（如果有三个空格的话，则第三类填超辐射发光二极管。）
23.扩展内容：LD和LED的差别
激光器被视为20世纪的三大发明（还有半导体和原子能）之一，特别是半导体激光器LD倍受重视。
光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LD和发光二极管LED。
主要差别：
n 发光二极管输出非相干光（自发辐射）；
n 半导体激光器输出相干光（受激辐射）。
n 比起半导体激光器，因为LED不需要热稳定和光稳定电路，所以LED的驱动电路相对简单，另外制作成本低、产量高。
n LED的主要工作原理对应光的自发辐射过程，因而是一种非相干光源。LED发射光的谱线较宽、方向性较差，本身的响应速度又较慢，所以只适用于速率较低的通信系统。
n 在高速、大容量的光纤通信系统中主要采用半导体激光器LD作光源。
24.P60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。目前常用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）
25.P61 PIN光电二极管的工作原理和结构见书中图3.20和3.21.中间的I层是N型参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。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—空穴队对，因而大幅度提高了光电转换效率。而两侧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。
26.P64雪崩光电二极管（APD）:光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系如书图。随着反向偏压的增加，开始电流基本不保持不变。当方向偏压增加到一定数值是，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。
27.P65倍增因子g定义为APD输出光电流I0和一次光生电流IP的比值。g= I0/IP
28.P71耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。
插入损耗IL——是指定输出端的光功率Pouti和全部输入光功率Pin和的比值。

附加损耗EL——是全部输入端光功率总和和全部输出端光功率总和的比值。

分光比或耦合比CR——是一个指定输出端的光功率和全部输出端的光功率总和的比值。

隔离度I ——某一光路对其它光路中的信号的隔离能力。

例： 2×2双锥形光纤耦合器的输入功率为Pin=200µW,另外三个端口的输出功率分别为P1=90µW，P2=85µW，P3=6.3nW，试计算光纤耦合器的主要性能参数。
解： 分光比为:

附加损耗为:

29.P72光隔离器是一种非互易性器件,只允许光波往一个方向传输,阻止光波往其他方向尤其是反方向传输。一般用在激光器或光放大器后，插入损耗值为1dB，隔离度的典型值为40--50dB。（光隔离器的工作原理 略）
第四章 光端机
30.P79数字光发射机方框图：
电信号输入
输入
接口
线路编码
调制电路
光源
控制电路
光信号输出

光发射机由光源、调制器和信道耦合器组成。光信号是用电信号调制光载波产生的。
31.P80 直接调制时，激光输出与注入电脉冲之间存在电光延迟；（结合书本图）
n 激光器在瞬态过程中存在张弛振荡；
n 由于电光延迟现象，在电脉冲过后，载流子有一定的存储时间，导致高速数字调制时出现码型效应（适当的“过调制”补偿方法，可以消除码型效应）；
n 某些激光器在某些注入电流下还会出现自脉动现象。其频率可达2GHz。

光信号
光检测器
偏压控制
偏压控制
AGC
电路
判决器
时钟提取
再生码流
前置放大器
放大器
32.P85数字光接收机方框图：

33.P86光接收机的噪声有两部分：一部分是外部电磁干扰产生的，另一部分是内部产生的；其主要来源是光检测器的噪声和前置放大器的噪声
34.P87常用的三种前置放大器：1）双极型晶体管前置放大器2）场效应管前置放大器3）跨阻型前置放大器。
35.P88光接收对码元误判的概率称为误码率。误码率可以用在足够长时间间隔内传输的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。
36.P89接收灵敏度：灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。灵敏度Pr的定义是，在保证通信质量（限定误码率后信噪比）的条件下，光接收所需的最小平均接收光功率Pmin并以dBm为单位。（描述了其准确检测光信号的能力。）

动态范围：光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最大允许平均接收光功率与最小平均接收光功率之差 或 （dB）
例1
某光纤通信系统中光源平均发送光功率为-28 dBm，光纤线路传输距离为 20 km，损耗系数为0.5 dBm/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-40 dBm，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至-10 dBm，光接收机刚好能将其正常接收，试求光接收机动态范围为多少？
解：(1) 接收端收到的光功率P=-28 dBm-0.5 dBm/km×20 km =-38 dBm。
(2)  -38 dBm>-40 dBm能正常接收。
(3)  Pmax=-10dBm-0.5×20 dBm=-10 dBm-10 dBm=-20 dBm，
接收机动态范围：
D=Pmax-Pmin=-20 dB-(-40 dBm)= 20 dBm
例2:
在满足一定误码率的条件下，光接收机最大接收光功率为0.1 mW，最小接收光功率为 1 000 nW。
(1) 求接收机灵敏度和接收机动态范围。
(2) 已知某个接收机的灵敏度为-40 dBm，动态范围为20 dBm，若收到的光功率为2μW ，
系统能否正常工作？
解：(1) 接收机灵敏度为 dBm

动态范围为 dBm

(2) 根据灵敏度为-40dBm，
可求得=0.1 ，由动态范围为20 dBm，可求得为10 μW，因为10μW >2μW >0.1μW ，故能够正常工作。
第五章 数字光纤通信系统
37.P102光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复用技术，复用有分为若干等级，因而先后有两种传输体质：准同步数字系列（PDH）和同步数字系列（SDH）。
38.P103现有PDH的许多去点也逐渐暴露出来，主要有：（选择题，自行看书）
39.P103 SDH不仅适合于点对点传输，而且适合于多点之间的网路传输。SDH 传输网的拓扑结构由SDH终接设备（或称终端复用器TM）、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他们的（光纤）物理链路构成。
40.P105与PDH相比，SDH具有以下优点（选择题，自行看书）
41.P106 SDH帧结构（图）
帧结构中字节的传输是从左到右，从上而下顺序传输，每秒8000帧
对于STM-1而言，帧长（容量）为：9×270×1=2430 Byte；
每帧比特数是：9×270×8=19440 bit；
STM-1传送码率为：19440×8000=155.520 Mb/s
通常，POH作为净负荷的一部分与其一起在网络中传送，它负责对低速支路信号（例如2.048 Mb/s信号）进行通道性能监视管理和控制。
42.P107 SDH基本复用单元包括：
容器（C-n）、虚容器（VC-n）、支路单元（TU-n）、支路单元组（TUG-n）
管理单元（AU-n）、管理单元组（AUG-n）
（n为PDH系列等级序号 ）

43.P116 中继距离的设计有三种方法：最坏情况法（参数完全已知）、统计法、办统计法。
中继距离受光纤线路损耗和色散(宽带)的限制，明显随传输速率的增加而减小。中继距离和传输速率反映着光纤通信系统的技术水平。
（公式5.8、5.16）
44.P123（第六章）模拟光纤传输系统目前使用的主要调制方式有模拟基带直接光强调制、模拟间接光强调制和频分复用光强调制三种。
45.P145 掺铒光纤放大器工作原理并画出简图。
在掺铒光纤中，铒离子有三个能级：其中能级1代表基态，能量最低；能级2是亚稳态，处于中间能级；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的能量差是，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，铒离子很快返回到能级2.如果输入的信号光的能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的铒离子将跃迁到基态（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，应提高对泵浦的吸收，使基态铒离子尽可能跃迁到激发态。

激发态
亚稳态
基态

46.P147掺铒光纤放大器的构成 图7.3（a）
EDFA 特性: 三种泵浦方式性能差异总结：
同向泵浦: 噪声性能好
反向泵浦: 输出功率大
双向泵浦: 兼有上述优点,但成本高
47.P148 EDFA的主要优点：(简答)
1)工作波长正好落在光纤通信最佳波段（1500~1600nm）；其主体是一段光纤（EDF），与传，输光纤的耦合损耗很小，只有0.1dB。
2）增益高，约为30~40dB；饱和输出光功率大，约为10~15dBm;增益特性与光偏振状态无关。
3）噪声系数小，一般为4~7dB；用于多波长信道传输时，隔离度大，串扰小，适用于波分复用系统。
4）频带宽，在1550nm窗口，频带宽度为20~40nm，可进行多波长信道传输，有利于增加传输容量。
48.P148 EDFA的应用：可用作：中继放大器、前置放大器、后置放大器。
49.P149 光波分复用（WDM）技术是在一根光纤中同事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，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波分复用技术。
50.P150 WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：双纤单向传输和单纤双向传输（后者实现双向全双工的通信）。
51.P153 EDM技术的主要特点（简答）
1）充分利用光纤的巨大带宽资源。2）同时传输不同类型的信号。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。
52.P166 光交换主要有三种方式：空分光交换、时分光交换、波分光交换。
53.P168 光弧子是经光纤长距离传输后，其宽度保持不变的超短逛逛脉冲。光弧子的形成是光纤的群速度色散和非线性效用相互平衡的结果。