光纖通信 重要知識點總結(jié)

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1、 光纖通信 重要知識點總結(jié) 第一章 1.任何通信系統(tǒng)追求的最終技術(shù)目標都是要可靠地實現(xiàn)最大可能的信息傳輸容量和傳輸距離。通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于對載波調(diào)制的頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度越寬。 2.光纖：由絕緣的石英（SiO2）材料制成的，通過提高材料純度和改進制造工藝，可以在寬波長范圍內(nèi)獲得很小的損耗。 3.光纖通信系統(tǒng)的基本組成:以光纖為傳輸媒介、光波為載波的通信系統(tǒng)，主要由光發(fā)送機、光纖光纜、中繼器和光接收機組成。光纖通信系統(tǒng)既可傳輸數(shù)字信號也可傳輸模擬信號。輸入到光發(fā)射機的帶有信息的電信號，通過調(diào)制轉(zhuǎn)換為光信號。光載波經(jīng)過光纖線路傳輸?shù)浇邮斩?，再由光接收機把光信號轉(zhuǎn)換為電

2、信號。系統(tǒng)中光發(fā)送機的作用是將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并將生成的光信號注入光纖。光發(fā)送機一般由驅(qū)動電路、光源和調(diào)制器構(gòu)成，如果是直接強度調(diào)制，可以省去調(diào)制器。 光接收機的作用是將光纖送來的光信號還原成原始的電信號。它一般由光電檢測器和解調(diào)器組成。光纖的作用是為光信號的傳送提供傳送媒介，將光信號由一處送到另一處。中繼器分為電中繼器和光中繼器（光放大器）兩種，其主要作用就是延長光信號的傳輸距離。為提高傳輸質(zhì)量，通常把模擬基帶信號轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制或脈沖寬度調(diào)制信號，最后把這種已調(diào)信號輸入光發(fā)射機。還可以采用頻分復用技術(shù)，用來自不同信息源的視頻模擬基帶信號（或數(shù)字基帶信號）分別調(diào)制指定的不同

3、頻率的射頻電波，然后把多個這種帶有信息的RF信號組合成多路寬帶信號，最后輸入光發(fā)射機，由光載波進行傳輸。在這個過程中，受調(diào)制的RF電波稱為副載波，這種采用頻分復用的多路電視傳輸技術(shù)，稱為副載波復用技術(shù)。目前大都采用強度調(diào)制與直接檢波方式。又因為目前的光源器件與光接收器件的非線性比較嚴重，所以對光器件的線性度要求比較低的數(shù)字光纖通信在光纖通信中占據(jù)主要位置。 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)基本上由光發(fā)送機、光纖與光接收機組成。發(fā)送端的電端機把信息進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，用轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號去調(diào)制發(fā)送機中的光源器件LD，則LD就會發(fā)出攜帶信息的光波，即當數(shù)字信號為“1”時，光源器件發(fā)送一個“傳號”光脈沖；當數(shù)字信號為“0

4、”時，光源器件發(fā)送一個“空號”。光波經(jīng)低衰耗光纖傳輸后到達接收端。在接收端，光接收機把數(shù)字信號從光波中檢測出來送給電端機，而電端機再進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，恢復成原來的信息。這樣就完成了一次通信的全過程。 4.光纖通信的優(yōu)點:1通信容量大,一根僅頭發(fā)絲粗細的光纖可同時傳輸1000億個話路2中繼距離長,光纖具有極低的衰耗系數(shù)，配以適當?shù)墓獍l(fā)送與光接收設備，可使其中繼距離達數(shù)百千米以上,因此光纖通信特別適用于長途一、二級干線通信。3.保密性能好4.適應能力強5.體積小、重量輕、便于施工維護6.原材料資源豐富，節(jié)約有色金屬和能源，潛在價格低廉,制造石英光纖的原材料是二氧化硅（砂子），而砂子在自然界中幾乎是取

5、之不盡、用之不竭的 5.光發(fā)射機:功能是把輸入的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并用耦合技術(shù)把光信號最大限度地注入光纖線路。光發(fā)射機由光源、驅(qū)動器和調(diào)制器組成。光源是光發(fā)射機的核心。光發(fā)射機的性能基本上取決于光源的特性，對光源的要求是輸出光功率足夠大，調(diào)制頻率足夠高，譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長穩(wěn)定，器件壽命長。 6.實現(xiàn)光源調(diào)制的方法:直接調(diào)制和外調(diào)制。直接調(diào)制是用電信號直接調(diào)制半導體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動電流，使輸出光隨電信號變化而實現(xiàn)的。這種方案技術(shù)簡單，成本較低，容易實現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。外調(diào)制是把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實

6、現(xiàn)的。外調(diào)制的優(yōu)點是調(diào)制速率高，缺點是技術(shù)復雜，成本較高，因此只有在大容量的波分復用和相干光通信系統(tǒng)中使用。 6.光纖線路:光纖線路的功能是把來自光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的畸變（失真）和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C。光纖線路由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。光纖是光纖線路的主體，接頭和連接器是不可缺少的器件。光纖線路的性能主要由纜內(nèi)光纖的傳輸特性決定。對光纖的基本要求是損耗和色散這兩個傳輸特性參數(shù)都盡可能地小，而且有足夠好的機械特性和環(huán)境特性。 2 / 11 7.石英光纖在近紅外波段，其損耗隨波長的增大而減小，在0.85μm、1.31μm和1.55μm有3個損耗很小的波長窗口。在這3個波長

7、的窗口損耗分別小于2dB/km、0.4dB/km和0.2dB/km。 8.光接收機:功能是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復成發(fā)射前的電信號。光接收機由光檢測器、放大器和相關(guān)電路組成，光檢測器是光接收機的核心，對光檢測器的要求是響應度高、噪聲低和響應速度快。光檢測器類型：在半導體PN結(jié)中加入本征層的PIN光敏二極管和雪崩光敏二極管。 光接收機把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程，是通過光檢測器的檢測實現(xiàn)的。檢測方式有直接檢測和外差檢測兩種。直接檢測是用檢測器直接把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。這種檢測方式設備簡單、經(jīng)濟實用，是當前光纖通信系統(tǒng)普遍采用的方式。外差檢測

8、要設置一個本地振蕩器和一個光混頻器，使本地振蕩光和光纖輸出的信號光在混頻器中產(chǎn)生差拍而輸出中頻光信號，再由光檢測器把中頻光信號轉(zhuǎn)換為電信號。難點是需要頻率非常穩(wěn)定、相位和偏振方向可控制，以及譜線寬度很窄的單模激光源，優(yōu)點是有很高的接收靈敏度。 光接收機最重要的特性參數(shù)是靈敏度。靈敏度是衡量光接收機質(zhì)量的綜合指標，它反映接收機調(diào)整到最佳狀態(tài)時，接收微弱光信號的能力。靈敏度主要取決于組成光接收機的光敏二極管和放大器的噪聲，并受傳輸速率、光發(fā)射機的參數(shù)和光纖線路的色散的影響，還與系統(tǒng)要求的誤碼率或信噪比有密切關(guān)系。 9.空間光通信與傳統(tǒng)的微波通信相比，其顯著的優(yōu)點為：1通信容量大。2體積小。3功

9、耗低。4建造經(jīng)費和維護經(jīng)費低。 10.空間光通信是指在兩個或多個終端之間，利用在空間傳輸?shù)募す馐鳛樾畔⑤d體，實現(xiàn)通信， 空間光通信關(guān)鍵技術(shù):1激光器技術(shù)對激光波長的研究主要集中在800nm、1000nm及1550nm三個波段，與以上三種波長對應的半導體激光器、固體激光器和光纖激光器。2.捕獲、瞄準、跟蹤技術(shù)3.調(diào)制、接收技術(shù),調(diào)制方式分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相,接收直接強度探測,即非相干探測具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易實現(xiàn)等優(yōu)點。相干（外差）探測這種方法具有接收靈敏度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，但系統(tǒng)較為復雜，對元器件性能要求較高，特別是對波長的穩(wěn)定性和譜線寬度要求較高 11.光通信鏈路功率設計原則主

10、要是保證在所要求的參數(shù)（通信距離、系統(tǒng)碼率及誤碼率）條件下，光接收端機探測器上接收到的最小功率Prmin大于接收機靈敏度的要求。 第二章 1.光源是光發(fā)射機的主要器件，主要功能是實現(xiàn)信號的電—光轉(zhuǎn)換,作用是將電數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換為光數(shù)字脈沖信號并將此信號送入光纖線路進行傳送。光檢測器位于光接收機內(nèi)，主要功能是實現(xiàn)信號的光—電轉(zhuǎn)換， 2.光源性能的基本要求與類型:1發(fā)光波長與光纖的低衰減窗口相符2足夠的光輸出功率3可靠性高、壽命長4溫度穩(wěn)定性好5光譜寬度窄,由于光纖有色散特性，使較高速率信號的傳輸距離受到一定限制。若光源譜線窄，則在同樣條件下的無中繼傳輸距離就長。6調(diào)制特性好7與光纖的耦

11、合效率高8尺寸小、重量輕 3.光源的類型:光纖通信光源分為半導體激光器（LD）和發(fā)光二極管（LED）。半導體光源優(yōu)點是其工作波長可以對準光纖的低損耗、低色散窗口，還具有體積小、功耗低、易于實現(xiàn)內(nèi)調(diào)制等特點，特別適用于光纖通信。缺點，包括輸出功率小、熱穩(wěn)定性差、遠場發(fā)散角大(指半導體光源發(fā)出的激光功率不夠集中，大致分布在30左右的立體角內(nèi)，因而有相當一部分光功率不能耦合進光纖，這一部分丟失的光功率就是“入纖損耗”的主要機理。)半導體光源的輸出功率小和入纖損耗大，限制了通信的無再生距離。熱穩(wěn)定性差，環(huán)境溫度超過40℃時應有監(jiān)測和告警。發(fā)光二極管分為邊發(fā)光、面發(fā)光和超輻射三種結(jié)構(gòu)。同一波長的LD和

12、LED采用相同組成的有源層（即發(fā)光層），它們的區(qū)別在于結(jié)構(gòu)和工作原理不同。LD的輸出功率大，入纖耦合效率高，但穩(wěn)定性較差；而 LED的輸出功率小，耦合損耗也較大，但穩(wěn)定性好，壽命幾乎不成問題，價格也較LD便宜。一般長途干線使用LD作光源，短距離的本地網(wǎng)發(fā)送機選用LED。 4.半導體光源:半導件激光器是向半導體PN結(jié)注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光.絕大部分粒子處于基態(tài)，只有較少數(shù)的粒子被激發(fā)到高能級，且能級越高，處于該能級的粒子數(shù)越小。k0=1.3810-23J/K，k0為玻耳茲曼常數(shù).電子在原子核外的躍遷有三種基本方式：自

13、發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收.受激輻射是受激吸收的逆過程。電子在E1和E2兩個能級之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足玻爾條件，即E2-E1=hf12 h為普朗克常數(shù)，h=6.62610-34Js；f12為吸收或輻射的光子頻率。 5.粒子反轉(zhuǎn)分布:產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的。設在單位物質(zhì)中，處于低能級和處于高能級的粒子數(shù)分別為N1和N2。當系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，存在分布 k0為玻爾茲曼常數(shù)，k0=1.3810-23J/K；T為熱力學溫度。 由于（E2-E1）>0，T>0，總有N1>N2。這是因為電子總是首先

14、占據(jù)低能量的軌道。受激吸收和受激輻射的速率分別比例于N1和N2且比例系數(shù)相等。如果N1> N2，即受激吸收大于受激輻射。當光通過這種物質(zhì)時，光強按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。 通常情況下，粒子具有正常能級分布，總是低能級上的粒子數(shù)比高能級上的粒子數(shù)多。所以光的受激吸收比受激輻射強，因此光總是受到衰減。要想獲得光的放大，必須使受激輻射強于受激吸收。也就是說，使N2> N1，當光通過這種物質(zhì)時，會產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。N2> N1的分布和正常狀態(tài)（N2> N1）的分布相反，所以稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)稱為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。要想得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，一般采用

15、光激勵、放電激勵、化學激勵等方法，給物質(zhì)能量，以求把低能級的粒子激發(fā)到高能級上去，這個過程叫泵浦。 13.光源與光纖的耦合:光源和光纖耦合的程度,可以用耦合效率η來衡量，它的定義為η=PF/Ps. PF為耦合入光纖的光功率；Ps為光源發(fā)射的光功率。η的大小取決于光源和光纖的類型，LED和單模光纖的耦合效率較低，LD和單模光纖的耦合效率更低。 影響光源與光纖耦合效率的主要因素是光源的發(fā)散角和光纖的數(shù)值孔徑NA。發(fā)散角越大，耦合效率越低；數(shù)值孔徑越大，耦合效率越高。此外，光源的發(fā)光面、光纖端面尺寸、形狀以及二者間距都會直接影響耦合效率。 14通常有兩種方法來實現(xiàn)光源與光纖的耦合，即直

16、接耦合和透鏡耦合。直接耦合就是將光纖端面直接對準光源發(fā)光面，這種方法當發(fā)光面積大于纖芯時是一種有效的方法。直接耦合結(jié)構(gòu)簡單，但耦合效率低。面發(fā)光二極管與光纖的耦合效率只有2%～4%。半導體激光器的光束發(fā)散角比面發(fā)光二極管小得多，與光纖的耦合效率約為10％。 6.激光振蕩和光學諧振腔:粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生受激輻射的必要條件，但還不能產(chǎn)生激光。只有把激活物質(zhì)置于光學諧振腔中，對光的頻率和方向進行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出.激活物質(zhì)和光學諧振腔只是為激光的產(chǎn)生提供了必要的條件。為了獲得激光振蕩，還必須滿足一定的閾值條件和相位條件. 閾值條件;設增益介質(zhì)單位長度的小信號增益系數(shù)為G

17、0，損耗系數(shù)為αi，兩個反射鏡M1、M2反射系數(shù)分別為r1和r2。由于增益介質(zhì)的放大作用，腔內(nèi)光功率隨距離的變化可表示為P（0）為z=0處的光功率。光束在腔內(nèi)經(jīng)歷一個來回后，兩次通過增益介質(zhì)，此時的光功率為要想產(chǎn)生振蕩，必須滿足P（2L）≥P（0）因此:.α稱為光學諧振腔的平均損耗系數(shù)，它包括增益介質(zhì)的本身損耗和通過兩次反射鏡的傳輸損耗。只有在這種情況下，光信號才能不斷得到放大，使輸出光功率逐漸增強。高能級粒子不斷向低能級躍遷產(chǎn)生受激輻射，使得低能級粒子數(shù)和高能級粒子數(shù)差減小，受激輻射作用降低，增益系數(shù) G0也減小，直至G0=α，激光器維持一個穩(wěn)定的振蕩，并輸出穩(wěn)定的光功率。相位條件

18、要產(chǎn)生激光振蕩，除了要滿足上述閾值條件外，還要滿足一定的相位條件，即受激輻射光在腔內(nèi)往返一次后與原有的波疊加；若要在腔中形成諧振，疊加的波必須是相互加強的，即要求它們之間的相位差必須是2π的整數(shù)倍，也就是往返一次的路徑長度是波長的整數(shù)倍，以形成正反饋。這可寫成2L=qλ式中，q表示縱模的模數(shù)；λ為在諧振腔內(nèi)的光波波長。 光學諧振腔的折射率為n，則輸出的激光波長是諧振腔內(nèi)波長的n倍。輸出激光波長為λ=2nL/q , λ為輸出的激光波長；n為激活物質(zhì)的折射率；q為縱模模數(shù)，q=1，2，3。 7.激光器產(chǎn)生激光必須具備以下幾個條件：1）必須有激光工作物質(zhì)，可在需要的光波范圍內(nèi)輻射光子；2）工作物質(zhì)

19、必須處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，并使小信號增益系數(shù)大于諧振腔的平均損耗系數(shù)，從而產(chǎn)生光的放大系數(shù)；3）必須有光學諧振腔進行頻率選擇及產(chǎn)生光反饋。 8.半導體激光器的發(fā)光波長半導體發(fā)光器件所采用的半導體材料，根據(jù)不同的組合，其發(fā)光波長從可見光到紅外光區(qū)域。發(fā)光波長基本上由半導體禁帶寬度（即導帶與價帶的能級差）Eg＝hf決定。由 λ=C/f得出 λ =hc/Eg，其中c為光速(c＝2.99792458108m/s)。光子能量E和波長λ之間的變換關(guān)系為 E(eV)＝1.2398/λ(μm) 9.半導體激光器工作特性: 1.P-I特性:當激光器注入電流增加時，受激發(fā)射量增加，一旦超過P-N結(jié)中光的

20、吸收損耗，激光器就開始振蕩，于是光輸出功率急劇增大。使激光器發(fā)生振蕩時的電流稱為閾值電流Ith。只有當注入電流等于或大于閾值時，激光器才發(fā)射激光。2.微分量子效率ηd激光器輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，定義為微分量子效率3.光譜特性，光源譜線寬度是衡量器件發(fā)光單色性的一個物理量。越窄越好。4.溫度特性 10其他激光器：分布反饋式激光器,DFB激光器采用雙異質(zhì)掩埋條形結(jié)構(gòu)。不同之處是它用布拉格光柵取代傳統(tǒng)的F-P光腔作為光諧振器。量子阱激光器(MQW)多量子阱結(jié)構(gòu)帶來了閾值電流小、輸出光功率大及熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點。光纖鎖模激光器,產(chǎn)生激光超短脈沖的技術(shù)常稱為鎖模技術(shù)。垂直腔面發(fā)射激光器

21、 11.發(fā)光二極管:發(fā)光二極管（LED）的工作原理與激光器（LD）有所不同，LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多采用雙異質(zhì)結(jié)（DH）芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學諧振腔，沒有閾值。發(fā)光二極管有兩種類型；一類是正面發(fā)光型LED，另一類是側(cè)面發(fā)光型LED，和正面發(fā)光型LED相比，側(cè)面發(fā)光型LED驅(qū)動電流較大，輸出光功率較小，但由于光束輻射角較小，與光纖的耦合效率較高，因而入纖光功率比正面發(fā)光型LED大。 和激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長，輸出光功率線性范

22、圍寬，而且制造工藝簡單，價格低廉。因此，這種器件在小容量短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。 12.發(fā)光二極管具有以下工作特性:1.光輸出特性,即P-I特性當注入電流較小時，發(fā)光二極管的輸出功率曲線基本是線性的.2.光譜特性,發(fā)光二極管的發(fā)射光譜比半導體激光器寬很多，3.溫度特性,溫度對發(fā)光二極管的光功率影響比半導體激光器要小。發(fā)光管的頻率.4.調(diào)制特性. LED可調(diào)的速率低 第三章： 1.光纖的結(jié)構(gòu)與類型:光纖是一種工作在光波段的介質(zhì)波導，可將光波約束在波導內(nèi)部和表面，并引導光波沿光纖軸傳播的介質(zhì)光波導，纖芯的折射率高于包層的折射率（全反射），從而構(gòu)成一種光波導結(jié)構(gòu)，使大部分的光被束縛在

23、纖芯中傳輸。光纖是一種纖芯折射率比包層折射率高的同軸圓柱形電介質(zhì)波導，它由纖芯（直徑為2a）、包層（直徑為2b）與涂敷層三大部分組成 2.光纖主要由硅酸鹽玻璃、二氧化硅或塑料制成。前者適用于長距離傳輸,后兩者適用于短距離傳輸,其中塑料光纖由于損耗較大，傳輸距離很短，主要應用于更小距離傳輸和一些較惡劣的環(huán)境中，在惡劣環(huán)境中因其機械強度較好，所以較前兩種更具優(yōu)越性。 3.光纖按照折射率分布可分為階躍折射率分布光纖（階躍光纖）和漸變折射率分布光纖（漸變光纖）。階躍光纖的折射率分布特點是纖芯的折射率均勻為n1，而包層的折射率為n2。在纖芯和包層之間的分界面上，折射率有一個不連續(xù)的階躍性突

24、變。 漸變光纖的纖芯折射率是半徑r的函數(shù)，記為n（r），在纖芯軸線上最大，為n1 ；而在纖芯的橫截面內(nèi)沿徑向折射率逐漸減小，形成一個連續(xù)漸變的梯度或坡度，像一個拋物線，最后達到包層的折射率n2。在纖芯到分界面之間，折射率是漸變的，而不像階躍光纖在分界面處突變。 n1為光纖軸心處的折射率； n2為包層區(qū)域折射率；a1為纖芯半徑；Δ=（ n1 - n2 ）/ n1稱為相對折射率差。至于漸變光纖的剖面折射率為何做如此分布，其主要原因是為了降低多模光纖的模式色散，增加光纖的傳輸容量。 4.光纖按傳導的模式可分為單模光纖和多模光纖。能夠傳輸多種模式（基模和高階模）的光纖叫多模光纖，而只能傳輸一種模式

25、（基模）的光纖叫單模光纖。多模光纖的纖芯較粗，可以很容易將光功率注入到光纖，并且較容易將相同的光纖連接在一起，同時可以使用制造工藝簡單、價格低廉、不需要外圍電路和長壽命的LED作為光源。其缺點是存在較嚴重的模式色散，使其傳輸速率低、距離短，整體的傳輸性能差。但成本低，一般用于建筑物內(nèi)或地理位置相鄰的環(huán)境中；單模光纖的纖芯相應較細，傳輸頻帶寬、容量大、傳輸距離長，但需LD作為光源，成本較高，通常在建筑物之間或地域分散的環(huán)境中使用。 光纖的模式色散（又叫模間色散）：不同的傳播模式會有不同的傳播速度與相位，因此經(jīng)過長距離的傳輸之后會產(chǎn)生時延，導致光脈沖變寬。計算多模光纖中傳播模式數(shù)量的經(jīng)典公式為

26、N=V2/4 ，其中V為歸一化頻率。如當V=38時，多模光纖中會存在300多種傳播模式。模式色散會使多模光纖的帶寬變窄，降低其傳輸容量。因此多模光纖僅適用于較小容量的光纖通信。 單模光纖由于它只允許一種模式在其中傳播，從而避免了模式色散的問題，故其具有極寬的帶寬，特別適用大容量的光纖通信。 5.光纖按工作波長分類，可分為短波長（光波之波長在0.6～0.9μm范圍內(nèi)）光纖與長波長（波長1.31μm和1.55μm）光纖。 6.光纖按套塑類型分類，可分為緊套光纖與松套光纖。 7.光纖的數(shù)值孔徑NA：從空氣中入射到光纖纖芯端面上的光線被光纖捕獲成為束縛光線的最大入射角θmax為臨界光錐的半角稱

27、為光纖的數(shù)值孔徑，記為NA。 它與纖芯和包層的折射率分布有關(guān)，而與光纖的直徑無關(guān)。對于階躍光纖，NA為，Δ=（n1-n2）/n1是光纖纖芯和包層的相對折射率差。 NA表示光纖接收和傳輸光的能力，NA（或θc）越大，光纖接收光的能力越強，從光源到光纖的耦合效率越高。對于無損耗光纖，在θc內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。NA越大，纖芯對光能量的束縛越強，光纖抗彎曲性能越好。但NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號畸變越大，限制了信息傳輸容量，所以要根據(jù)實際使用場合，選擇適當?shù)腘A。 8.歸一化變量：為了描述光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目，在此引入一個非常重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即光纖的歸一化頻率，一般用V表示，其表達式

28、如下a為纖芯半徑，傳輸模式數(shù)目隨V值的增加而增多。當V值減小時，不斷發(fā)生模式截止，模式數(shù)目逐漸減少。特別值得注意的是，當V<2.405時，只有HE11（LP01）一個模式存在，其余模式全部截止。 HE11稱為基模，由兩個偏振態(tài)簡并而成。由此得到單模傳輸條件為，對于給定的光纖（n1、n2和a確定），存在一個臨界波長λc，當λ<λc時，是多模傳輸，當λ>λc時，是單模傳輸，這個臨界波長λc稱為截止波長。 9.光纖傳輸?shù)幕咎匦裕汗庑盘柦?jīng)光纖傳輸后會產(chǎn)生損耗和畸變（失真），產(chǎn)生信號畸變的主要原因是光纖中存在色散。損耗和色散是光纖最重要的傳輸特性。損耗限制系統(tǒng)的傳輸距離，色散則限制系統(tǒng)的傳輸容量。

29、 光纖的損耗在很大程度上決定了系統(tǒng)的傳輸距離。光纖損耗的原因：1.吸收損耗：本征吸收損耗，雜質(zhì)吸收損耗，原子缺陷吸收損耗2.散射損耗：線性散射損耗，瑞利散射 非線性散射損耗3.彎曲損耗：分彎曲或宏彎和微彎 10.光纖損耗系數(shù)：衡量一根光纖損耗特性的好壞，即傳輸單位長度（1km）光纖所引起的光功率減小的分貝數(shù)，一般用α表示損耗系數(shù)，單位是dB/km。dP/dz=-αP 11光纖色散：色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，由于不同成分的光的時間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應。光纖的色散會使輸入脈沖在傳輸過程中展寬，產(chǎn)生碼間干擾，增加誤碼率，這樣就限制了通信容量。因此制造優(yōu)質(zhì)的、色散小的光纖，對增

30、加通信系統(tǒng)容量和加大傳輸距離是非常重要的。色散一般包括模式色散、材料色散和波導色散。 模式色散，就是由于軌跡不同的各光線沿軸向的平均速度不同所造成的時延差，它取決于光纖的折射率分布，并和光纖材料折射率的波長特性有關(guān)。材料色散是由于光纖的折射率隨波長而改變，以及模式內(nèi)部不同波長成分的光（實際光源不是純單色光），其時間延遲不同而產(chǎn)生的。這種色散取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜線寬度。波導色散是由于光纖中模式的傳播常數(shù)是頻率的函數(shù)而引起的。它不僅與光源的譜寬有關(guān)，還與光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如V）等有關(guān)。 12.光的非線性：非線性現(xiàn)象本質(zhì)上是在非線性介質(zhì)中傳輸?shù)墓鈭鲞M行能量和動量交換的過程。

31、 13.非線性折射率波動效應可分為三大類：自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）及四波混頻（FWM）。非線性受激散射可分為布里淵散射和拉曼散射兩種形式。 14.四波混頻效應：當有三個不同波長的光波同時注入光纖時，由于三者的相互作用，產(chǎn)生了一個新的波長或頻率，即第四個波，新波長的頻率是由入射波長組合產(chǎn)生的新頻率。四波混頻效應能夠?qū)⒃瓉砀鱾€波長信號的光功率轉(zhuǎn)移到新產(chǎn)生的波長上，從而對傳輸系統(tǒng)性能造成破壞。在波分復用系統(tǒng)中，混合產(chǎn)生的新波長會與其他信號信道的波長完全一樣，嚴重破壞信號的眼圖并產(chǎn)生誤碼。四波混頻效應的效率與波長失配、波長間隔、注入光波長的強度、光纖的色散、光纖折射率、光纖的長

32、度等有關(guān)。色散在四波混頻效應中起了重要的作用。通過破壞相互作用的信號間的相位匹配，色散能減少四波混頻效應產(chǎn)生的新波長數(shù)目。15.光導纖維是一種傳輸光束的細微而柔韌的媒質(zhì)。光導纖維電纜由一捆光纖組成，簡稱為光纜。光纜是數(shù)據(jù)傳輸中最有效的一種傳輸介質(zhì)，它的和光纖的優(yōu)點類似，主要有1頻帶較寬。2電磁絕緣性能好。3衰減較小，4中繼器的間隔較大，降低成本。 15.光纜結(jié)構(gòu)可分為層絞式、骨架式、帶狀式和束管式四大類。光纜分類:1按敷設方式分類：有架空光纜、管道光纜、地埋光纜和海底光纜。2按光纜結(jié)構(gòu)分類：有束管式光纜、層絞式光纜、骨架式光纜、帶狀式光纜、非金屬光纜和可分支光纜。3按用途分類：有長途通信用

33、光纜、短途室外光纜、混合光纜和建筑物內(nèi)用光纜。 16.光纖的特性參數(shù)可分為幾何特性、光學特性和傳輸特性三類。幾何特性包括纖芯與包層的直徑、偏心度和不圓度；光學特性主要有折射率分布、數(shù)值孔徑、模場直徑和截止波長；傳輸特性主要有損耗、帶寬和色散。光纖特性的測量:規(guī)定了基準測量方法和替代測量方法。光纖損耗的測量：截斷法：是測量精度最好的辦法，其缺點是要截斷光纖。背向散射法測量。光纖色散與寬帶的測量：時域方法測量脈沖寬度；頻域法測量光纖寬度 第四章： 1.通信用光有源器件主要包括光源、光檢測器、光放大器和光波長轉(zhuǎn)換器等。光源是光發(fā)射機的主要器件，主要功能是實現(xiàn)信號的電—光轉(zhuǎn)換；光檢測器位

34、于光接收機內(nèi)，主要功能是實現(xiàn)信號的光—電轉(zhuǎn)換；光放大器主要是對光信號直接進行放大，無需通過光—電—光轉(zhuǎn)換過程，解決長距離傳輸時光功率不足的問題。 2.在很強反向電場作用下，電子以極快的速度通過PN結(jié)。在行進途中碰撞半導體晶格上的原子離化而產(chǎn)生新的電子、空穴，即所謂二次電子和空穴，而且這種現(xiàn)象不斷連鎖反應，使結(jié)區(qū)內(nèi)電流急劇倍增放大，產(chǎn)生 “雪崩”現(xiàn)象。 3.光敏二極管的噪聲包括由信號電流與暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲和由負載電阻與后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。 4.由于雪崩倍增效應是一個復雜的隨機過程，所以用這種效應對一次光生電流產(chǎn)生的平均增益的倍數(shù)來描述它的放大作用。并把倍增因子定義

35、為APD輸出光電流I0和一次光生電流Ip的比值。g=Io/Ip 5.光放大器的分類光放大器有半導體光放大器（SOA）和光纖放大器（OFA）兩種類型。半導體光放大器的優(yōu)點是小型化，容易與其他半導體器件集成；缺點是性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大。OFA的性能與光偏振方向無關(guān)，器件與光纖的耦合損耗很小，因而得到廣泛應用。 6.光放大器的重要指標1.光放大器的增益 放大器的帶寬 增益飽和與飽和輸出功率 2.放大器噪聲。噪聲來源和噪聲系數(shù) 7.摻鉺光纖的激光特性：主要由摻鉺元素決定；摻鉺光纖發(fā)大器可以對1550nm光進行發(fā)大。摻鉺光纖放大器的泵浦方式：同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。同

36、向泵浦的優(yōu)點是構(gòu)成簡單、噪聲性能較好。反向泵浦優(yōu)點是：當光信號放大到很強時，泵浦光也強，不易達到飽和，因而具有較高的輸出功率。雙向泵浦：結(jié)合了同向泵浦和反向泵浦的優(yōu)點，使泵浦光在光纖中均勻分布。摻鉺(EDFA)放大器的應用：中繼放大器，前置放大器，后置放大器。 8.半導體光放大器（SOA）和半導體激光器一樣，是基于光的受激輻射和放大。事實上，激光器名稱的意思就是受激輻射引起的光放大。SOA是利用半導體激活介質(zhì)能夠給通過的光提供增益的機理，使光信號得到放大。SOA是一種具有光增益的光電器件 SOA主要有兩種結(jié)構(gòu)：法布里—珀洛腔（FP）型及行波（TW）型兩種。SOA優(yōu)點：①SOA具有很大的增益

37、帶寬覆蓋1310nm與1550nm兩處窗口;②SOA增益平坦性好;③SOA能夠動態(tài)轉(zhuǎn)換波長，能夠接受輸入信號光改變它的頻率，同時對其進行放大;④SOA體積小，泵浦簡單，可批量生產(chǎn)，成本低。 9.拉曼光纖放大器RFA的放大范圍更寬，噪聲指數(shù)更低，是實現(xiàn)高速率、大容量、長距離光纖傳輸?shù)年P(guān)鍵器件之一。原理是基于石英光纖中的非線性效應—SRS。RFA有兩種類型：一集總式拉曼光纖放大器，分布式拉曼光纖放大器。拉曼光纖放大器主要由增益介質(zhì)光纖、泵浦源及一系列輔助功能電路等構(gòu)成 第五章 1.光纖連接器是實現(xiàn)光纖與光纖之間的活動接頭，是一種可拆卸的器件，它用于設備與光纖之間的連接、光纖與光纖之間的連

38、接或光纖與其他光無源器件之間的連接。光纖接頭是實現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性（固定）連接，主要用于光纖線路的構(gòu)成。光纖連接器件是一種無源器件。 2.對于連接器的一般要求：1插入損耗低2穩(wěn)定性好3可重復性好4互換性好5反射損耗要小 3.影響光纖連接損耗的幾種因素：主要來自制造工藝技術(shù)和光纖本身的不完善。光纖連接損耗是由于光纖之間的連接錯位引起的損耗，以及與光纖參數(shù)相關(guān)的損耗。連接錯位一般：軸心錯位、端面間隙、角度傾斜、端面光潔度。 4.光耦合器是將光信號進行分路或合路、插入、分配的一種器件。在耦合的過程中，信號的頻譜成分沒有發(fā)生變化，變化的只是信號的光功率，即同一波長。常用耦合器的類型1T形

39、耦合器 2星形耦合器 3定向耦合器4波分復用器。耦合器的結(jié)構(gòu)有光纖型、微器件型和波導型。幾個主要參數(shù)：插入損耗Lt是穿過耦合器的某一光通道所引入的功率損耗，附加損耗Le是由散射、吸收和器件缺陷產(chǎn)生的損耗，耦合比CR是指某一輸出端口光功率Poc和各端口總輸出光功率Pot的比值 5.光隔離器：是保證光信號只能正向傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸?shù)钠骷?。光隔離器就是一種非互易器件，耦合器是互易器件。光隔離器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。原理：光隔離器主要利用磁光晶體的法拉第效應。光隔離器主要由兩個偏振器和一個法拉第旋轉(zhuǎn)器組成。假定存在某種反射，反

40、射光的偏振態(tài)也在45方向上，當反射光通過法拉第旋轉(zhuǎn)器時再繼續(xù)旋轉(zhuǎn) 45，此時就變成了水平偏振光。水平偏振光不能通過左面偏振器（第一個偏振器），完全阻斷了反射光的傳輸，于是就達到隔離效果。 6.光環(huán)行器是一種多端口非互易光學器件，其工作原理與隔離器類似。光調(diào)制器是把信息加載到光波（就是載波）上的過程就是調(diào)制。光調(diào)制器就是實現(xiàn)從電信號到光信號的轉(zhuǎn)換的器件。光開關(guān)是一種光路控制器件，起著進行光路切換的作用，可以實現(xiàn)主/備光路切換，光纖、光器件的測試等有1機械式光開關(guān)2微機械式光開關(guān)（MEMS）3.噴墨氣泡式光開關(guān)。光濾波器在WDM系統(tǒng)中是一種重要元器件，：法布里—珀羅濾波器(用作干涉儀)

41、和馬赫—曾德干涉濾波器(解復用器，復用器，調(diào)諧濾波器) 7.波長變換器能夠提高子網(wǎng)間的互聯(lián)性，解決波長競爭，消除阻塞，提供虛波長路由，并且可在動態(tài)傳輸模式下更好地利用網(wǎng)絡資源。采用全光波長變換的原因：Internet的出現(xiàn)與多媒體業(yè)務的迅猛發(fā)展對帶寬資源提出越來越高的要求。在物理傳輸層和網(wǎng)絡層上，密集波分復用技術(shù)（DWDM）通過對波長進行復用，在波長域中提高傳輸容量，對光纖帶寬資源進行了充分的利用。全光波長變換原理用光—電—光的方法間接實現(xiàn)：用接收器接受光信號，將它變換到電域，然后用處理后的電信號調(diào)制激光器產(chǎn)生相應的輸出波長。 8.SOA型全光波長變換常采用的物理效應有：交叉增益調(diào)制（XG

42、M）、交叉相位調(diào)制（XPM）和四波混頻（FWM）等。 9.通常有兩種方法來實現(xiàn)光源與光纖的耦合，即直接耦合和透鏡耦合。直接耦合就是將光纖端面直接對準光源發(fā)光面，這種方法當發(fā)光面積大于纖芯時是一種有效的方法。直接耦合結(jié)構(gòu)簡單，但耦合效率低。面發(fā)光二極管與光纖的耦合效率只有2%～4%。半導體激光器的光束發(fā)散角比面發(fā)光二極管小得多，與光纖的耦合效率約為10％ 第六章 1.在光纖通信系統(tǒng)中，從電端機輸出的是適合于電纜傳輸?shù)碾p極性碼。目前常用的雙極性碼有HDB3碼和CMI碼。但對于光源來說是不可能發(fā)射負光脈沖的，因此必須進行碼型變換，即將HDB3或CMI碼變換為NRZ碼，以適合于數(shù)字光纖通信系

43、統(tǒng)傳輸?shù)囊蟆? 2.我國3次群和4次群PDH光纖通信系統(tǒng)最常用的線路碼型是5B6B碼 3.模擬光纖通信系統(tǒng):主要調(diào)制方式：模擬基帶直接光強調(diào)制、模擬間接光強調(diào)制和頻分復用光強調(diào)制。 模擬基帶直接光強調(diào)制是用承載信息的模擬基帶信號，直接對發(fā)射機光源（LED或LD）進行光強調(diào)制，使光源輸出光功率隨時間變化的波形和輸入模擬基帶信號的波形成比例。模擬間接光強調(diào)制是先用承載信息的模擬基帶信號進行電的預調(diào)制，然后用這個預調(diào)制的電信號對光源進行光強調(diào)制。頻分復用光強調(diào)制是用每路模擬基帶信號，分別對某個指定的射頻電信號進行調(diào)幅或調(diào)頻，然后用組合器把多個預調(diào)RF信號組合成多路寬帶信號，再用這種多路寬帶信號

44、對發(fā)射機光源進行光強調(diào)制。 4.數(shù)字復用規(guī)定了準同步數(shù)字系列（PDH）和同步數(shù)字體系（SDH）兩種基本復用標準。PDH采用異步復用方式現(xiàn)在的PDH體制中，只有1.5Mbit/s和2Mbit/s速率的信號是同步的，其他速率的信號都是異步的，需要通過碼速的調(diào)整來匹配和容納時鐘的差異。與PDH相比較，SDH的主要特點1.SDH有一套標準的信息等級結(jié)構(gòu)2.SDH的幀結(jié)構(gòu)是矩形塊狀結(jié)構(gòu)3.SDH幀結(jié)構(gòu)中擁有豐富的開銷比特 4.SDH具有統(tǒng)一的網(wǎng)絡節(jié)點接口 5.SDH采用同步和靈活的復用方式6.實現(xiàn)了PDH向SDH的過渡，還支持異步轉(zhuǎn)移模式（ATM）和寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)（ISDN）業(yè)務。也有不足：SD

45、H的頻帶利用率比起PDH有所下降；SDH網(wǎng)絡采用指針調(diào)整技術(shù)來完成不同SDH網(wǎng)之間的同步，使得設備復雜，同時字節(jié)調(diào)整所帶來的輸出抖動也大于PDH；軟件控制并支配了網(wǎng)絡中的交叉連接和復用設備，一旦出現(xiàn)軟件操作錯誤或病毒，容易造成網(wǎng)絡全面故障。盡管如此，SDH的良好性能已經(jīng)得到了公認，成為未來傳輸網(wǎng)發(fā)展的主流。 SDH的復用原理一種是低階的SDH信號復用成高階SDH信號，復用主要通過字節(jié)間插復用方式來完成的；另一種是低速支路信號復用成SDH信號STM-N。將PDH信號復用進STM-N信號中去。傳統(tǒng)的將低速信號復用成高速信號的方法有兩種：碼速調(diào)整法和固定位置映射法。SDH的基本復用單元包

46、括容器C、虛容器VC、支路單元TU、支路單元組TUG、管理單元AU、管理單元組AUG、同步轉(zhuǎn)移模塊STM。 6.數(shù)字傳輸系統(tǒng)性能指標是誤碼性能、抖動和漂移。誤碼是指經(jīng)光接收機的接收與判決再生后，數(shù)字碼流中的某些比特發(fā)生了差錯，使傳輸?shù)男畔①|(zhì)量產(chǎn)生損傷。誤碼減少的策略有如下兩種：1內(nèi)部誤碼的減小。2外部干擾誤碼的減少。 抖動和漂移與系統(tǒng)的定時特性有關(guān)。定時抖動（抖動）是指數(shù)字信號的特定時刻（如最佳抽樣時刻）相對其理想時間位置的短時間偏離，漂移指數(shù)字信號的特定時刻相對其理想時間位置的長時間偏離 溫馨提示：最好仔細閱讀后才下載使用，萬分感謝！