光纤通信 考试总结_光纤通信考点总结

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应用G.651 多模渐变型（GIF)光纤，发展初期广泛应该用一.于中小容量，中短距离的通信系统。G.652第一代单1 光纤通信的基础：利用光纤进行信息传输的可能性和技

模光纤，系统的传输暗淡只受损耗限制G.653 色散移们术途径，奠定了现代光通信。

光纤，第二代单模光纤 适用于大容量长距离通信系统，掺光纤通信的载波是光波。光纤通信用的近红外光（波

铒光纤放大器（EDFA)投入应用 G.654 1.55um损耗最小的长为0.7-1.7um）频率约为300THZ 频带宽度约为200THZ,单模光纤，一种用于1.55um改进的常规单模光纤，目的是在常用的1.31um和1.55um两个波长窗口频带宽度也在增加传输距离应用海底光缆。G.655 非零色散光纤20THZ以上.光纤通信的优点：（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）泄漏小，保密性能好（6）节约金属材料，有利于资源合理使用.第二章：光纤结构：有中心的纤芯，和外围的包层同轴组

成的圆柱形细丝。纤芯的折射率高，损耗低。光能量在纤

芯传输，包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。光能在纤芯传输的必要条件：n1>n2.相

对折射率差典型值：Δ=（n1-n2）/n1,一般，单模光纤

为%0.3-%0.6，多模光纤为%1-%2.光纤类型：突变型多模光纤，渐变型多模光纤，单模光纤，双包层光纤，三角芯光纤，椭圆芯光纤，光纤传输原理：全反射

数值孔径NA=√（n1*n1-n2*n2)=n1√2△

NA表光纤接收和传输光的能力，NA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，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.时间延迟：θ不大时 ：τ=n1L/c=(n1L/c)*(1+θ1的平方/2)c为光速

最大入射角 θc和最小入射角0：

△τ=θc的平方L/2n1c=(NA*NA)L/2n1c=△n1L/c

自聚焦效应：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

渐变型多模光纤有自聚焦效应，不仅不同入射角相应的光

线会聚集在同一点上，且这些光线的时间延迟也近似相等。

归一化频率：V=√（n1*n1-n2*n2)*2πa/λ

对于光纤传输模式有模式截止，模式远离截止M是模式总数M=（g/g+2)(akn1)的平方△=（g/g+2)V*V/2 单模传输条件： V=√（n1*n1-n2*n2)*2πa/λ单模传输色散：在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的传播时间不同而产生的一种物理效应。包括：模式色散（多模光纤特有），材料色散，波导色散（永为负值）。单模色散系数： 单模光纤的色散：

色度色散：理想单模光纤没有模式色散，只有材料色散和

波导色散。是传播时间随波长变化而产生的结果。

光纤损耗：损耗系数：a=10/L *lg(Pi/Po)单位 dB/km

吸收损耗：有SiO2材料引起的固有吸收和由杂志引起的吸

收产生的。

散射损耗：有材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光

纤结构（如气泡）引起的散射产生的。

弯曲损耗：理想的圆柱体光纤受外力会产生一定的曲率弯

曲，导致能量泄露包层，引起的损耗。

光缆：一般有缆芯和护套组成，有时外面加有铠装。

特点：拉力特性；压力特性；弯曲特性；温度特性；

缆芯：层绞式，骨架式，中心束管式，带状式。

应用于密集波分复用系统，适用于超大距离传复波光纤

第三章 通信用光器件可分为有源器件(光源，光检测器和光放大器)和无源器件(连接器，耦合器，波分复用器，调制器，光开关和隔离器等)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（LED)。异同：1）工作原理不同，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，LD需要。3）LED输出光功率较小，光谱较窄，调制频率低，但性能稳，寿命长，输出功率线性范围宽，制造简单，价格低廉。4）LED用于小容量短距离通信系统，LD用于长距离大容量通信 半导体激光器工作原理：是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生守激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生的激光振荡的。

半导体发射波长：

波尔条件： 分布反馈激光器：

普通激光器用F-P谐振腔两端的反射镜，对激活物质发出的辐射光进行反馈，DFB激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构（波纹状）衍射光栅实

现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有

源层分布式反馈，称为分布反馈激光器；

发光二极管有两种类型：（1）正面发光型LED：守激辐射（2）

侧面发光型LED：自发辐射

LD特性：1，发射波长和光谱特性：发射波长λ=1.24/Eg

2，激光束空间分布特性：激光束的空间分布用近场和远场

来描述。近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布，远

场是指离反射镜面一定距离处的光强分布、典型半导体激光器的远场辐射特性：光束横截面为椭圆形 3，转换效率和输出功率特性：

4.频率特性：在接近弛张频率处，数字调制要产生的弛张振荡，模拟调制要产生非线性失真。光与物质的三个相互作用：受激吸收，自发辐射，受激辐射。受激吸收：电子从低级级E1，在入射光作用下，吸级光子的能量后到高级E2。自发辐射：高能级E2上的电子

不稳定，自动跃迁到低级E1上的空穴复合。受激辐射：高能级E2上的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低级级E1上与空穴复合，释放能量产生光辐射。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。工作原理：受激吸收 有光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD。PIN光电二极管的工作原理和结构： 中间是I层是N型掺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，用P+和N+表示。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-空穴时，因而大辐度提高了光电转换效率。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。另

外，可控制耗尽层的宽度W，来改变器件的响应速度。雪崩光电二极管（APD)： 与PIN的区别，增加了附用层，引起电流二次放大。根据光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对，初始电子咋高新电场区获得足够能量而加速运动，高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。新产生的二次电子再次与原子碰撞、如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，这种 器件就成为雪崩光电二级管。工作原理：随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。当反响偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压Uo。形成激光的三个必要条件：（1）激活物质（2）外加激励（3）光学谐振

粒子数反专分布是产生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振荡输出。其阀值条件为： γth=a+1/2L LN(1/R1R2)相位条件： L=qγ/2n 或 γ=2nl/q 纵横频率间隔的计算：△f=c/2nl

纵横波长间隔与频率间隔关系：△f=△λc/λ的平方

由温度升高引起阀值电流增加和外微分量子效率减小，造成的输出光功率特性P-I曲线变化

连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸连接的器件。

光耦合器：类型：T型耦合器，星形耦合器，定向耦合器，波分复用器/解复用器主要特性：（1）耦合比：一个指定输出端的光功率Poc和全部输出端的光功率总和Pot的比值CR=Poc/Pot=Poc/∑Pon(上标N下标n=1)（2）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 Le=10lgPit/Pot（3）插入损耗：是一个指定输入端的光功率Pic和一个指定输出端的光功率Poc的比值，Lt=10lgPic/Poc（4）方向性：是一个输入端的光功率Pic和耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，DIR（隔离度）=10lgPic/pt（5）一致性U：是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同输出端耦合比的等同性。

隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允旆光波往一个方向上传输，阻止波往其它方向特别是反方向传输。波分复用器/解复用器：这是一种与波长有关的耦合器，波分复用器功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光纤。解复用器是把一根光纤输出的多个不同波长的光信号，分配给不同的接收机。光环行器：有多个端口（3或4），主要用于光分插复用器。光调制器：用电光效应，磁光效应，或声光效应来实现。光开关：转换光路，实现光交换，是光网络的重要器件。分为机械光开关和固体光开关。第四章

光端机包括光发射机和光接收机。

光发射机的基本组成(主要有光源和电路两路部分）。数字光发射机方框图： 电信号输入→输入接口→线路编码→调制电器→光源→光信号输出光源→控制电路 调制特性：电光延迟和弛张振荡现象，自脉动现象

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.数量级为ns

电光延迟和弛张振荡的后果是限制调制速率。电光延迟要产生码型效应 特点：在脉冲序列中较长的连“0”

码后出现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连“0”码数

目越多，调制速率越高，这种效应越明显。用适当的“过调制”补偿方法，可以消除码型效应。

自脉动现像：某些激光器在脉冲调制基至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡。

2温度控制装置一般至冷器，热敏电阻和控制电路组成。ATC电路图分析原理(图略）：由R1R2R3和热敏电阻RT组成的换能电桥，通过电桥把温度的变化转换为电量的变化。运算放大器A的差动输入端跨接在电桥的对端，用以改变三极管V的基极电流。在设定温度时，调节R3使电桥平衡，A,B两点没有电位差，传输到运算放大器A的信号为零，流过致冷TEC的电流也为零。当环境温度升高时，LD的管芯和热芯温度也升高，使具有负温度系数的热敏电阻RT的阻值减小，电桥失去平衡。这时B点的电位低于A点的电位，运算放大器A的输出电压升高，V的基极电流增大，致冷器的TEC的电流也增大，致冷端温度降低，热沉和管芯的温度也降低，因而保持恒定。

T(环境）上升→T(LD，热沉）反升→RT下降→I（致冷器）反升→T（LD）下降 光接收机基本组成：包括光检测器，前置放大器，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。灵敏度，PPT例题：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minPr=10lg[min(w)/10的-3次] dbm

动态范围（DR)的定义是在限制的误码率条件下，光接收机所能承受的最大平均功率max和所需最小平均接收光功率min的比值，用DB表示，DR=10lg

max/

min db D=Pmax-Pmindbm

例：某光纤通信系统中光源平均发送光功率为-28dbm，光纤线路传输距离为20KM，损耗系数为0.5dbm/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-40dbm，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为-10dbm，光接收机刚好能将其正常接收，试求光接收机的动态范围为多少？

(1)P=-28dbm-0.5dbm/km *20km=-38dbm(2)-38dbm>-40dbm 所以能正常接收

(3)Pmax=-10dbm-0.5*20dbm=(-40 dbm)20 dbm

噪声特性：光接收机的噪声有两部分：一是外部电磁干扰产生的，这部分噪声的尾号可以通过屏蔽盒滤波加以消除；二是内部产生的，这部分噪声实在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，一般不能完全消除。

光接收机噪声的主要来源是光检测器的噪声和前置放大器的噪声。

光检测器：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：1，波长相应要和光纤低损耗窗口（0.85um，1.31um，1.55um）兼容；2，响应度要高，在一定的接受光功率下，能产生尽可能大的光电流；3，噪声要尽可能低，能接受微弱的光信号；性能稳定，可靠性高，寿命长，工号和体积小。

前置放大器：低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。

主放大器：一般是多级放大器，能提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制（AGC），以使输入的光信号在一定范围内变化时，输出信号保持恒定，主放大器和AGc决定

光接收机的动态范围。

均衡电路：均衡的目的是对光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决，已消除码间干扰，减小误码率。

再生电路：包括判决电路和时钟提取电路，它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个对码元波形进行取样判决，已得到原发送的码流。线路编码：1，扰码：为保证传输的透明性，在系统光发射机的调制器前，与附加一个扰码器，将原始的二进制码序列加以变换，使其接近随机序列。在光接收机的判决器后，加一个解扰器，已恢复原始序列，扰码与解扰可由反馈移位寄存器和对应的前馈移位寄存器实现。2，mBnB吗：是把输入的二进制原始码流进行分组，每组有m个二进制码，记为mB，称为一个码字，然后把一个码字变换成n个二进制码，记为nB，并在同一个时隙内输出。3，插入码：把输入二进制原始流分成每m比特一组，然后在每组mB末尾按一定规律插入一个码，组成m+1个码为一组的线路码流，（分为mB1C、mB1H和mB1p）第五章

准同步数字系列PDH的两种基础速率：1.544Mb/s（北美各国和日本）、2.048Mb/s（西欧各国和中国）

SDH传输网由SDH终接设备(或称SDH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它们的(光纤)物理链路构成与PDH相比，SDH具有下列特点：1，SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。2，SDH个网络单元的光接口有严格的标准规范。3，在SDH帧结构中，有丰富的开销比特，可用于网络的运行，维护和管理，便于实现性能检测，故障检测和定位，故障报告等广利功能。4，采用数字同步复用技术，其最小的复用单位为字节。5，采用数字交叉连接设备DXC可以对各种端口速率进行可控的连接配置，对网络资源进行自动化的调度和管理，既提高了资源利用率，又增强了网络的抗毁性和可靠性。

SDH传输网的拓朴结构，由SDH终接设备，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它们的光纤物理链路构成。SDH帧结构：（1）段开销（SOH）：是在SDH中为保证信息正常传输所必须的附加字节，主要用于运行、维护和管理。如帧定位，误码检测、公务通信、自动保护倒换以及网管信息传输；2，信息载荷（payload）：是SDH内用于承载各种业务信息的部分；(3)管理单元指针（AU-PTR）：是一种指示符，主要用于指示Payload第一个字节在帧内的准确位置。中继距离设计三种方法：最坏情况法，统计法，半统计法 系统传输速率较低，光纤损耗系统较大，中继距离主要受光纤线路损耗的限制

L

(Pt为平均发射光功率dbm，Pr为接收灵敏度dbm，ac为连接器损耗db/对，Me为系统余量db,af为光纤损耗系统db/km，as为每千米光纤平均接头损耗db/km，am为每千米光纤线路损耗余量db/km,L为中继距离km)

系统传输速率较高，光纤线路色较大，中继距离主要受色散（带宽）的限制

L=ε*10的-6次/（Fb |Co|σλ)λ为下标（Fb是线路码速率MB/S，Co是光纤的色散系统ps/(nm*km),σλ为光源谱宽，对于多纵模激光器（MLM-LD)，ε=0.115，对于单纵模激光器（SLM-LD），ε=0.306）

从损耗限制和色散限制两个计算要中，选取较短的距离，作为中继距离计算的最终结果.复用原理：复用过程分为映射，定位，复用三步。第七章

掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理：在掺铒光纤（EDF）中，铒离子（Er3+)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，处于中间能能；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的能量差时，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，Er3+很快返回到能级2.如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+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，应提高对泵浦光的吸收，使基态Er3+尽可能跃迁到激发态。

掺铒光纤放大器的分类：根据泵浦源所在位置不同分：同向（抗噪声性能好），反向（输出功率最大），双向（兼上，但成本高）

EDFA的应用：（1）中继放大器（LA).在光纤线路上每隔一定距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离。（2）前置放大器（PA）.此放大器置于激光器前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。（3）后置放大顺（BA）.此放大器置于激光器后面，以提高发射光功率。

光波分复用（WDM）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，在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用），并作进一步处理，恢复此项技术为光波长分割复用，简称光波分复用技术。

WDM系统的基本构成主要有以下两个形式：（1）双纤单向传输（2）单纤双向传输

WDM传输系统主要由五部分组成：光发射机，光中继放大，光接收机，光监控信道和网络管理系统 WDM技术主要特点：（1）充分利用光纤的巨大带宽资源（2）同时传输多种不同类型的信号（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

对于980nm泵浦和1480nm泵浦的EDFA980nm泵浦方式的功率转换效率高，980nm泵浦的噪声系数小，因为更容易达到激发态。