光纤通信复习(第一章至第五章)

光纤通信复习（第一章至第五章）第一章光纤由纤芯、包层和涂覆层构成。按照截面上折射率分布的不同分:阶跃折射率分布光纤(简称阶跃光纤)和渐变折射率分布光纤(简称渐变光纤)。在渐变折射率光纤中，由于纤芯的折射率不均匀，光射线的轨迹不再是直线而是曲线。根据传导模式数量的不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤两类。按光纤构成的原材料分类:石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层光纤、全塑光纤目前光纤通信中主要使用石英系光纤纤芯和包层主要成分：SiO2纤芯的掺杂剂：GeO2，P2O5包层主要掺杂剂：B2O3，F涂覆层材料：丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙或它们的复合；作用增加光纤的机械强度与可弯曲性按光纤的套塑层分类：紧套光纤、松套光纤光纤通信中所用的光纤的一般小于1%，所以相对折射率差可近似表示为可以定义光纤的数值孔径为数值孔径表征了光纤的集光能力。由此看出，n1，n2差别越大，即越大，光纤收集射线的能力越强。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。通信用光纤的数值孔径是较小的。光纤的损耗谱：三类损耗相加就可以得到总的损耗，它是一条随波长而变化的曲线，称做光纤的损耗特性曲线——损耗谱（或衰减谱）max22121sin2NAnnn121122nnnnnn（）（）2122212nnn)()(241Acc1、光纤损耗谱形象地描绘了衰减系数与波长的关系。2、从光纤损耗谱可以看出，衰减系数随波长增大呈降低趋势，损耗的峰值主要与OH–离子有关。3、波长大于1600nm时，损耗增大，原因是由于石英玻璃的吸收损耗和微（或宏）观弯曲损耗引起。4、图中可以看到光纤通信所使用的三个低损耗“窗口”，分别是850um波段、1310nm波段、1550nm波段。色散类型：模式色散、材料色散、波导色散光纤的带宽B为光脉冲为高斯形时，单位长度光纤的基带3dB带宽；是光脉冲传输1km的时延差，单位是ns/km归一化频率与模式数目：（归一化频率V、模数量M=V2/2、）光缆的基本结构：1—加强件；2—缆芯；3—外护层单模光纤的分类：非色散位移单模光纤(G.652光纤)色散位移单模光纤(G.653光纤)截止波长位移单模光纤(G.654光纤)非零色散位移单模光纤(G.655光纤)441(MHzkm)B22212nnaV22222120Vnnka第二章：当前主要通信光源：半导体激光器（LD）、发光二极管（LED）。发光二极管是非相干光源，它基本工作原理是（自发）辐射。半导体激光器是一种（PN结）构成的二极管结构,工作原理是（受激）辐射对于光子能量满足的光子有光放大作用，这个区域被称为有源区，半导体激光器的光激射就发生在这个区域有源区是实现（粒子数反转分布）、（光增益）的区域半导体激光器的复合发光区域是有源区。有源区通常由一个或多个垂直方向的PN结构成。激射的一般条件：1.有源区里产生足够的粒子数反转分布2.存在光学谐振机制，并在有源区里建立起稳定的激光振荡典型的激光器P-I曲线利用P-I曲线求解Ith的三种做法（双斜率法）、（反向延长法）、（二阶求导法）LD的温度特性首先，外微分量子效率随温度的升高而下降其次，阈值电流随温度的升高而加大阈值电流与温度的关系可以表示为th00exp(/)IITT式中，Ith代表结温为T时的阈值电流；T是结区的绝对温度；I0是常数；T0是激光器的特征温度，它在一定温度区间为常数对于线性度良好的激光器，输出光功率可以表示为发光二极管常采用双异质结构，按输光位置不同可分为边发射型和面发射型光源的调制原理光调制光纤信道光解调光源的两种调制方式:直接调制和间接调制。光电瞬态响应波形电光延迟•原因：激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟，一般为纳秒量级。•降低方法：预偏置在Ith附近。如图，从阶跃响应的瞬态分析入手，对LD数字调制过程出现的电光延迟和张弛振荡的瞬态性质分析。Dexth0()hPIIe第三章数字光接收机分为光电检测器、前置放大器、主放大器、AGC电路、均衡器、判决再生和时钟提取七个部分。光接收机也可以分为三部分：①光检测器和前置放大器合起来称为接收机前端，是光接收机的核心；②主放大器、均衡滤波器和自动增益控制组成光接收机的线性通道；③判决器、译码器和时钟恢复组成光接收机的判决、再生部分。光接收机主要的性能指标是误码率（BER）、灵敏度以及动态范围。对数字光接收机而言，灵敏度是指（在保证一定误码率/满足给定信噪比指标的条件下）的条件下，光接收机所需接收的（最小功率）。光接收机的主要质量指标是灵敏度，影响灵敏度的主要因素是：光接收机的噪声动态范围是光接收机的一个重要性能指标，其表达式为（），其数值越（大）越好。1、在保证系统的误码率指标要求下，测得接收机的最低输入光功率为1W，则该接收机的灵敏度为（a）。a)－30dBmb)－40dBmc)－20dBmd)－43dBm。光电检测器的两种类型为：半导体光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）PIN光电二极管作为光检测器件时，使用简单，但灵敏度较低。APD雪崩二极管作为光检测器件时，使用复杂，而且灵敏度较高。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。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。minmax10lg()PDdBP第四章光纤传输系统OAM是指系统/网络（运行）、（管理）、（维护）。SDH传送网网络拓扑的基本结构有(线形)、(星形)、(树形)、(环形)和(网格形)。SDH的基本速率为（155.52Mb/s），称为同步传输模式基本模块STM-1。更高的速率表示为STM-N，其速率是STM-1的（N）倍。在SDH体系传输速率中，模块STM-1、STM-4和STM-16所对应的传输速率分别为(155.52Mb/s)、(622.08Mb/s)和(2.488Gb/s)。再生段距离的设计可以分为两种情况：损耗受限系统，即再生段距离由S和R点之间的光通道损耗决定色散受限系统，即再生段距离由S和R点之间的光通道总色散所决定EDFA的增益通常为15～40dB。增益大小与多种因素如（光纤中的掺铒浓度）、（泵浦光功率）、（光纤长度）、（泵浦光的波长）等因素有关联。EDFA泵浦光源的波长为（1480nm）或（980nm），EDFA的工作波长（1550nm）。在光纤通信系统中，EDFA有三种基本的应用方式，分别是分别是(功率放大器)、(前置放大器)和(在线放大器)。它们对发放大器性能有不同的要求，（功放）要求输出功率大，（前放）对噪声性能要求高，而线放须两者兼顾。掺铒光纤放大器EDFA的基本结构主要由（掺铒光纤）、（泵浦光源）、（光耦合器）和（光隔合器）等组成。泵浦光源的作用：产生粒子数反转。EDFA泵浦光源的典型工作波长是980nm。第五章无源器件的几个常用性能参数：1．插入损耗(无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比)IL=2．回波损耗(无源器件的输入端口返回功率与输入光功率之比)RL=3．反射系数(对于给定的光谱组成、偏振和几何分布，在器件的给定端口的反射光功率pr与入射光功率p0之比)R=4．工作波长范围：最小波长（min）到最大波长（max）的范围5．偏振相关损耗（PDL）：对于所有的偏振态，由于偏振态的变化造成的插入损耗的最大变化值6．隔离度：由被阻断的光路中输出的光功率与输入光功率之比光环行器是在光通信中应用广泛的微光学器件，它具有多个端口，最常用的是3端口和4端口器件。工作特点：光从任意端口输入时，只能在环形器中沿单一方向传输，并在下一端口输出。光环行器可以有不同的结构，可以使用不同的器件构成，但其最基本的原理是利用法拉第电磁旋转效应实现光的单向传输3端口光环行器的结构以及端口1到端口2的光路图。波分复用、解复用器件的性能参数中心波长是指各信道的中心波长;WDM中心频率:国际标准(C波段)：基于参考频率为193.1THz(1552.52nm)、最小间隔为100GHz(0.8nm)的频率(波长)间隔系列。通带特性是指波分复用器的各个信道的滤波特性，可以用−0.5dB带宽、−3dB带宽和−20dB带宽来表示啁啾光纤光栅:又叫色散补偿光纤光栅。色散补偿器的平均色散、时延波动、反射带宽和反射率等重要特性与光栅长度、啁啾系数、耦合系数等参量的关系。光孤子:在光纤中经过长距离传输而保持形状或波长不变的特殊光脉冲。DWDM：密集型光波复用EDFA：掺饵光纤放大器OADM：光分插复用系统SDH：同步数字体系SOA：面向服务架构1010log()ppr010log()ppr010log()ppblock0log(/)ISpp一单模光纤传输系统由两段光纤构成，在1550nm处，第一段光纤的损耗系数为0.2dB/km，色散值为2＝10ps2/km；第二段光纤的损耗系数为0.5dB/km，色散值为D＝100ps/kmnm。如果在光纤输入端的入纤功率为2mW，系统要求到达接收端的光功率不低于10W，同时脉冲的波形在输出端不能有任何畸变或展宽。试计算：1）该系统所能达到的最大传输距离。2）在达到最大传输距离的情况下，两段光纤的长度分别是多少km。1．已知阶跃折射率光纤中n1=1.52，n2=1.49。a.光纤浸没在水中(n0=1.33)，求光从水中入射到光纤输入端面的光纤最大接收角；b.光纤放置在空气中，求数值孔径。2．已知阶跃型光纤的n1=1.51,Δ=0.01，工作波长λ=0.85μm，求：（1）当纤芯半径a=25μm时，此光纤中传输的导模数M？（2）若要实现单模传输，纤芯半径应为多大？一峰值发光波长在800nm的GaAs激光器，其谐振腔长400um，且材料折射率n=3.6.如果增益在750-850nm的范围内都大于总损耗，试求此激光器中能存在几个模式？