华南师范大学光纤通信复习资料

1复习提纲第一章知识点小结：1.什么是光纤通信？利用光纤传输光波信号的通信方式。2.基本光纤通信系统的组成和各部分作用。基本光纤传输系统由光发射机、光纤线路和光接收机三个部分组成。1.光发射机功能：是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。核心：光源。要求光源输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(或称激光器)(LD)2.光纤线路功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤线路的性能主要由缆内光纤的传输特性决定。对光纤的基本要求是损耗和色散这两个传输特性参数都尽可能地小，而且有足够好的机械特性和环境特性，3.光接收机功能：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，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。核心：光检测器。对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。3、光纤通信和电通信的区别。光纤通信和电通信的主要差别：（1）电通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。（2）电通信用电缆传输信号，光通信用光纤传输信号，光缆具有比电缆更小的高频率传输损耗。第二章知识点小结1、光能量在光纤中传输的必要条件（对光纤结构的要求）。光纤结构纤芯：光能量传输的通道。包层：为光的传输提供反射面和光隔离以及机械保护作用。设折射率，纤芯为n1；包层为n2,则光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。2、突变多模光纤数值孔径的概念及计算。设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致，如图2.4定义临界角θc的正弦为数值孔径(NumericalAperture,NA)。根据定义和斯奈尔定律设Δ=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21或θc=12.2°。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信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本光纤传输系统光纤线路接收发射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出包层n2纤芯n12sin12221nnnNAC23、弱导波光纤的概念。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=50~80μm，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。带宽只有10~20MHz·km，一般用于小容量（8Mb/s以下）短距离（几km以内）系统。4、相对折射率指数差的定义及计算。相对折射率指数差（纤芯和包层折射率分别为n1和n2）定义：弱导波光纤中n1和n2相差很少，则n1+n22n1所以有：5、突变多模光纤的时间延迟。由式(2.4)得到最大入射角(θ=θc)和最小入射角(θ=0)的光线之间时间延迟差近似为6、渐变型多模光纤自聚焦效应的产生机理。渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数θ*=θ0cos(Az)对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角θ0，其周期Λ=2π/A=2πa/，取决于光纤的结构参数(a,Δ)，而与入射角θ0无关。这说明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，这种现象称为自聚焦(SelfFocusing)效应。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。这是因为(1)光线传播速度v(r)=c/n(r)(c为光速)，入射角大的光线经历的路程较长，但大部分路程远离中心轴线，n(r)较小，传播速度较快，补偿了较长的路程。(2)入射角小的光线情况正相反，其路程较短，但速度较慢。所以这些光线的时间延迟近似相等。7、归一化频率的表达式。V=由式可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个临界波长λc，当λλc时，是多模传输，当λλc时，是单模传输，这个临界波长λc称为截止波长。由此得到8、突变光纤和平方律渐变光纤传输模数量的计算。对于突变型光纤，g→∞，M=V2/2；对于平方律渐变型光纤，g=2，M=V2/4。第三章知识点小结1、纤通信中常用的半导体激光器的种类。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)2、半导体激光器的主要由哪三个部分组成？2121212))((nnnnn2122212nnn121/)(nnncLnNAcnLcnLc12121)(22)sin()0(AzAnr405.222221nna405.222221nnaC2.405V405.2cCV或2)2()2(2122vggnkaggM3主要由激励源、激光物质和谐振腔组成3、电子吸收或辐射光子所要满足的波尔条件。受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即E2-E1=hf12(3.1)式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。受激辐射：产生相干光，辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同。自发辐射：产生非相干光，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的。4、什么是粒子数反转分布？设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是N1N2。吸收物质：如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质，光强按指数衰减。激活物质：如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质，会产生放大作用。N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。5、理解半导体激光产生激光的机理和过程。过程：由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内。书本52页机理：半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡。6、静态单纵模激光器。随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加而产生的。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。注：激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：一是激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大，二是外微分量子效率ηd随温度升高而减小。温度升高时，Ith增大，ηd减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。当以直流电流驱动激光器时，阈)exp(1212kTEENN4值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化。8、DFB激光器的优点。①单纵模激光器。②谱线窄，波长稳定性好。③动态谱线好。④线性好。广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统中。想详细点就看书（57）9、LD与LED的主要区别（课件只是两点，可看课后小结）（1）LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。（2）LED不需要光学谐振腔，没有阈值。10、常用光电检测器的种类。PIN光电二极管雪崩光电二极管（APD）11、光电二极管的工作原理。P58光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。（课本61）12、PIN和APD的主要特点。P59~P63PIN:为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I)主要特性：(1)量子效率和光谱特性。(2)响应时间和频率特性。(3)噪声。APD:电子和原子多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增的器件主要特性：1.倍增因子。2.过剩噪声因子13、耦合器的功能。功能：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。14、光耦合器的结构种类。比较实用和有发展前途的有光纤型、光子器件型、微器件型和波导型。15、什么是耦合比？耦合比CR是一个指定输出端的光功率Poc和全部输出端的光功率总和的比值，用%表示。由此可定义功率分路损耗Ls：Ls=10lg16、什么是附加损耗？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，用分贝表示Le=10lg17、光隔离器的结构和工作原理。（必考）隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他NnonocOtOCppPPCR1)1(CRNnNnotitPinPinpP11lg105方向特别是反方向传输。主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值越大越好课本72第四章知识点小结1、数字光发射机的方框图。P75数字光发射机的方框图如图4.2所示，主要有光源和电路两部分。光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。电路的设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映输入电信号。2、光电延迟和张驰振荡。P77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，其数量级一般为ns。当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为张弛振荡，其振荡频率fr(=ωr/2π)一般为0.5~2GHz。3、激光器为什么要采用自动温度控P79温度通过阈值电流和外微分量子效率引起的输出光脉冲的变化：温度升高，阈值电流增加，外微分量子效率减小，输出光脉冲幅度下降。温度对输出光脉冲的另一个影响是“结发热效应”。由于激光器结区温度的变化使得输出光脉冲的形状发生变化，这种效应称为“结发热效应”。温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成，图示出温度控制装置的方框图。致冷器的冷端和激光器的热沉接触，热敏电阻作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通过控制电路改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。4、数字光接收机的方框图。P82直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于图4.14，主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、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。激光器致冷器热敏电阻控制电路热导光检测器偏压控制前置放大器AGC电路均衡器判决器时钟提取再生码流主放大器光信号法拉弟旋转器偏振器反射光阻塞入射光偏振器SOP65、光接收机对光检测器的要求。P82光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。对光检测器的要求如下：(1)波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85μm、1.31μm和1.55μm)兼容；(2)响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流；(3)噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；(4)性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。6、什么是灵敏度？P86灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。灵敏度Pr：在保证通信质量(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，并以dBm为单位。由定义得到Pr=10lg灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱光信号的能力。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号7、什么是误码和误码率？P84误码：把发射的“0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。误码率：光接