光纤通信 总结 西理工 光信 刘增基

第一章光纤通信的优点：容许频带很宽，传输容量很大损耗很小，中继距离很长且误码率很小重量轻、体积小抗电磁干扰性能好泄漏小，保密性能好节约金属材料（有色金属），SiO2提高光纤容量方式：提高波长速率增加复用波数偏振复用加倍光纤通信应用：通信网数据网数据网有线电视网接入网AN光纤传感器光发射调制方式：内调制——直接调制（简单、实用、低速）外调制——间接调制（高速）第二章纤芯和包层的相对折射率差Δ=（n1-n2）/n1光纤基本类型：突变型多模光纤（StepIndexFiber,SIF）渐变型多模光纤（GradedIndexFiber,GIF）单模光纤（SingleModeFiber,SMF）W型光纤——（色散平坦光、色散位移光纤、保偏光纤）塑料光纤光子晶体光纤数值孔径NA时间延迟时间延迟差麦克斯韦方程组：其中:k=2π/λ=2πf/c=ω/c212212nnnNA)21(sec211111cLncLnclncLnNAcnLcnLc12121)(220)()()(1)(2222222rErvkndrrdErdrrEdZZZu^2=a^2(n1^2*k^2-β^2)w^2=a^2*(β^2-n2^2*k^2)v^2=u^2+w^2=a^2*k^2*(n1^2-n^2)纤芯方程：(0≤r≤a)包层方程:(r≥a)光能量要在纤芯(0≤r≤a)中传输，在r=0处，电磁场应为有限实数；在包层(r≥a)，光能量沿径向r迅速衰减，当r→∞时，电磁场应消逝为零。光纤传输模式的电磁场分布和性质取决于特征参数u、w和β的值。横向传输常数:u和w决定纤芯和包层横向(r)电磁场的分布，称为横向传输常数；纵向传输常数:β决定纵向(z)电磁场分布和传输性质，所以称为(纵向)传输常数。n2k≤β≤n1k光纤归一化频率：光纤传输模式非常重要两种情况：一种是模式截止，另一种是模式远离截止。光纤传输特性：几何、光学、机械等特性，传输损伤，色散、损耗，非线性。色散：光在介质中传播速度v随波长（或频率）而变化的现象。色散一般包括：模式色散、材料色散和波导色散。色散用脉冲展宽表示：Δτ=(Δτn^2+Δτm^2+Δτw^2)1/2信号通过光纤后产生的脉冲展宽σ=或Δτ=，Δτ1和Δτ2分别为输入脉冲和输出脉冲的FWHM。3dB光带宽为f3dB=传输常数：β=cnn2群时延：ggVcnddnncdd1)(1ddnnng（群折射率）两个参量表示光纤色散：群速度gV=dd；相速度pV。色散系数：D,LD.电磁波在波导折射率：n2≤effn≤n1偏振模色散PMD：)()()(1)(222222rErvaudrrdErdrrEdZZa)()()(1)(222222rErvawdrrdErdrrEdZZa405.22221022211nannav21222122)(441)(187122ln2MHZMHZ,PMDD偏振模色散系数色散与带宽关系：光纤损耗：输入输出功率关系：Po=Pi*exp(-αL)α=)/(lg100kmdBppLi，α为损耗系数吸收损耗：固有损耗，红外损耗，紫外损耗；杂志损耗散射损耗：锐利散射；结构缺陷散射光纤标准G.651多模渐变型(GIF)光纤G.652常规单模光纤G.653色散移位光纤G.654用于海缆G655非零色散位移光纤损耗的机理该机理包括吸收损耗和散射损耗两部分吸收损耗是由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(Rayleigh)散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。瑞利散射：在介质中传播的光波，由于材料的原子或分子结构随距离变化而引起的散射。（或：尺度远小于入射光波长的粒子所产生的散射现象。分子散射强度与入射光的波长四次方成反比,且各方向的散射光强度是不一样的。）瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。单模传输条件为：V=405.222221nna，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模式（mode）：在一定边界条件下电磁场方程之解。弱导光纤：纤芯中最大折射率和均匀包层最小折射率之差很小的一类光纤。光纤损耗测量方法：测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插入法；光纤损耗系数，L为被测光纤长度(km)，P1和P2分别为输入光功率和输出光功率(mW或W)；装置：测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法。瑞利散射光功率与传输光功率成比例。利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方法，称为后向散射法。正向和反向平均损耗系数：光纤的长度L：带宽测量LDPMDPMD)G(441.0)((ns)441dBf3HZnsMHZ）（)/(lg1021KmdBppLa偏置电路注入装置光源P1P2被测光纤检测器放大器电平测量)/()()(lg)(2102112KmdBLPdLpdLLa12nctL光纤带宽测量有时域和频域两种基本方法。时域法是测量通过光纤的光脉冲产生的脉冲展宽，又称脉冲法；频域法是测量通过光纤的频率响应，又称扫频法。Δτ=，)((ns)441dBf3MHZ脉冲法第三章半导体激光器波长计算：P-I特性曲线：，IthI激光；IthI荧光；I阈值电流每对复合载流子产生的光子数：量子效率：ehfp0p0pIhfpeI入射光子数空穴对数产生电子响应度：)/(0AhfPIeP雪崩光电二极管(APD)倍增因子：，pI通过PIN测量：光无源器件：连接器和接头光耦合器光隔离器与光环行器光调制器光开关第四章光发射机方框图：张弛振荡: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。张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。光接收机方框图：灵敏度：定义：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。影响因素：噪声、速率、波长、消光比、色散。动态范围(DR)：定义：在限定的误码率条件下，光接收机所能承受的最大平均接收光功率〈P〉max和所需最小平均接收光功率〈P〉min的比值，用dB表示。2122）（）（umEEhcggev24.1)(edhfththIIpp109876543210020406080工作电流I/mA单面输出功率P/mW3.53.02.52.01.51.00.50050100150Ith工作电流I/mA输出功率P/mW(a)(b)hfeIpeIIhfpppthth/)(/)(PIIg00PIp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根据定义：DR=10lg)(minmaxdBpp，动态范围是光接收机性能的另一个重要指标，它表示光接收机接收强光的能力。要求大小：数字光接收机的动态范围一般应大于15dB。线路编码：类型：扰码、mBnB码、插入码。二电平码的缺点：直流分量也会发生随机波动(基线漂移)容易出现长串连“１”码或长串连“0”码，给定时提取造成困难或产生较大的定时误差。不能实现在线(不中断业务)的误码检测，不利于长途通信系统的维护怎样提升速率：mBnB码在相同时隙内，传输1比特变为传输2比特，码速提高了1倍。（？）mBnB码换算（自己看）：第五章准同步数字系列(PDH):中国标准：PCM的32个时隙：（线状帧）1-4次群速率：2.408Mb/s,8.448Mb/s,34.368Mb/s,139.264Mb/s.传输话路数：一次群-——30路（？）（一路速率64Kb/s）。同步数字系列(SDH):SDH帧结构：段开销(SOH)；信息载荷(Payload)；管理单元指针(AUPTR)PDH与SDH的上下路区别（图）：SDH的155M/s来源：=9（行）×270×8（bit）×8000（=1/125us）=155.520Mb/s3个速率：段开销(SOH)：对于STM1而言，SOH共使用9×8(第4行除外)=72Byte相应于576bit。由于每秒传输8000帧，所以SOH的容量为576×8000=4.608Mb/s信息载荷(Payload)：对于STM1而言，Payload有9×261=2349Byte,相应于2349×8×8000=150.336Mb/s管理单元指针(AUPTR)：对于STM1而言，AUPTR有9个字节(第4行)，相光/电光信号分接分接分接140/34Mb/s34/8Mb/s8/2Mb/s复接复接复接电/光光信号2/8Mb/s8/34Mb/s34/140Mb/s2Mb/s(电信号)SDHADM155Mb/s光接口155Mb/s光接口2Mb/s(电信号)PDHSOH12AU-PTR345SOH…9STM-N载荷(含POH)9×N261×N270×N发送顺序应于9×8×8000=0.576Mb/s。SDH3种设备：终端复用设备TM分插复用设备ADM数字交叉连接设备DXC中继距离：L≤式中，Pt为平均发射光功率(dBm)，Pr为接收灵敏度(dBm)，αc为连接器损耗(dB/对)，Me为系统余量(dB)，αf为光纤损耗系数(dB/km),αs为每km光纤平均接头损耗(dB/km),αm为每km光纤线路损耗余量(dB/km),L为中继距离(km)受色散限制的中继距离L：Fb是线路码速率(Mb/s)C0(ps/(nm·km))σλ为光源谱线宽度(nm)ε:对于MLM-LD,ε=0.115；对于SLM-LD，ε=0.306第六章调制方式模拟基带直接光强调制模拟间接光强调制频率调制(FM)脉冲频率调制(PFM)方波频率调制(SWFM)频分复用光强调制副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图SCM模拟电视光纤传输系统的优点：一个载波可以传输多个副载波，各个副载波可以承载不同类型业务，有利于数字和模拟混合传输以及不同业务的综合和分离。SCM系统灵敏度较高，又无需复杂的定时技术，FM/SCM可以传输60~120路模拟电视节目，制造成本较低，因而在带式传输网中竞争力强，发展速度快。可以满足目前社会对电视频道日益增多的要求，而且便于在光纤与同轴电缆混合的有线电视系统（HFC）中采用。什么叫副载波复用：N个频道的模拟基带电视信号分别调制频率为f1,f2,f3,…,fN的射频(RF)信号，把N个带有电视信号的副载波f1s,f2s,f3s，…,fNs组合成多路宽带信号，再用这个宽带信号msfcrtaaaMappe206F10cLb放大M1BPFf1f1s放大M2BPFf2f2s放大MNBPF频道1频道2频道N组合电路宽放驱动电路光发射机LD光纤探测电路宽放分离电路D1LPFf1sD2LPFDNLPFf2sf3s频道1频道2频道NMi为调制器Di为解调器BPF为带通滤波器LPF为低通滤波器fNfNsPIN光接收机……对光源(一般为LD)进行光强调制，实现电/光转换。光信号经光纤传输后，由光接收机实现光/电转换，经分离和解调，最后输出N个频道的电视信号。第七章光纤放大器类型：掺稀土离子光放大器半导体光放大器非线性光放大器EDFA结构框图：(a)光纤放大器构成原理图：(b)实用光纤放大器外形图及其构成方框图:光波分复用概念：光波分复用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技术是在一根光纤中同时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