光纤通信 重要知识点总结

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  光纤通信 重要知识点总结 第一章 1.任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。 通信系 统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度,载波频率越高,频带宽度越宽。 2.光纤:由绝缘的石英(SiO2)材料制成的,通过提高材料纯度和改进制造工艺,可以在宽波长范围 内获得很小的损耗。 3.光纤通信系统的基本组成:以光纤为传输媒介、光波为载波的通信系统,主要由光发送机、光纤光 缆、中继器和光接收机组成。光纤通信系统既可传输数字信号也可传输模拟信号。输入到光发射机的带有信 息的电信号,通过调制转换为光信号。光载波经过光纤线路传输到接收端,再由光接收机把光信号转换为电 信号。系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号,并将生成的光信号注入光纤。光发送机一般由驱动 电路、光源和调制器构成,如果是直接强度调制,可以省去调制器。 光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。它一般由光电检测器和解调器组成。光纤的作 用是为光信号的传送提供传送媒介,将光信号由一处送到另一处。中继器分为电中继器和光中继器(光放大 器)两种,其主要作用就是延长光信号的传输距离。为提高传输质量,通常把模拟基带信号转换为频率调制、 脉冲频率调制或脉冲宽度调制信号,最后把这种已调信号输入光发射机。还可以采用频分复用技术,用来自 不同信息源的视频模拟基带信号(或数字基带信号)分别调制指定的不同频率的射频电波,然后把多个这种 带有信息的 RF 信号组合成多路宽带信号,最后输入光发射机,由光载波进行传输。在这个过程中,受调制的 RF 电波称为副载波,这种采用频分复用的多路电视传输技术,称为副载波复用技术。目前大都采用强度调制 与直接检波方式。又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重,所以对光器件的线性度要求比较 低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。 数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。发送端的电端机把信息进行模数转换,用转换 后的数字信号去调制发送机中的光源器件 LD,则 LD 就会发出携带信息的光波,即当数字信号为“1”时,光 源器件发送一个“传号”光脉冲;当数字信号为“0”时,光源器件发送一个“空号”。光波经低衰耗光纤传 输后到达接收端。在接收端,光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机,而电端机再进行数模转换, 恢复成原来的信息。这样就完成了一次通信的全过程。 4.光纤通信的优点:1 通信容量大,一根仅头发丝粗细的光纤可同时传输 1000 亿个线 中继距离长, 光纤具有极低的衰耗系数,配以适当的光发送与光接收设备,可使其中继距离达数百千米以上,因此光纤通信 特别适用于长途一、二级干线.体积小、重量轻、便于施工维护 6.原材 料资源丰富,节约有色金属和能源,潜在价格低廉,制造石英光纤的原材料是二氧化硅(砂子) ,而砂子在自 然界中几乎是取之不尽、用之不竭的 5.光发射机:功能是把输入的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。光发射 机由光源、驱动器和调制器组成。光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上取决于光源的特性,对光 源的要求是输出光功率足够大,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。 6.实现光源调制的方法:直接调制和外调制。直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极 管的驱动电流,使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单,成本较低,容易实现,但调制速率受 激光器的频率特性所限制。外调制是把激光的产生和调制分开,用独立的调制器调制激光器的输出光而实现 的。外调制的优点是调制速率高,缺点是技术复杂,成本较高,因此只有在大容量的波分复用和相干光通信 系统中使用。 6.光纤线路:光纤线路的功能是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。光纤是光纤线路的主体,接头和连接器是不可缺 1 少的器件。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。 7.石英光纤在近红外波段,其损耗随波长的增大而减小,在 0.85μ m、1.31μ m 和 1.55μ m 有 3 个损 耗很小的波长窗口。在这 3 个波长的窗口损耗分别小于 2dB/km、0.4dB/km 和 0.2dB/km。 8.光接收机:功能是把从光纤线路输出、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。光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成,光检测器是光接收机的核心, 对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。光检测器类型:在半导体 PN 结中加入本征层的 PIN 光 敏二极管和雪崩光敏二极管。 光接收机把光信号转换为电信号的过程,是通过光检测器的检测实现的。检测方式有直接检测和外差检测两 种。直接检测是用检测器直接把光信号转换为电信号。这种检测方式设备简单、经济实用,是当前光纤通信 系统普遍采用的方式。外差检测要设置一个本地振荡器和一个光混频器,使本地振荡光和光纤输出的信号光 在混频器中产生差拍而输出中频光信号,再由光检测器把中频光信号转换为电信号。难点是需要频率非常稳 定、相位和偏振方向可控制,以及谱线宽度很窄的单模激光源,优点是有很高的接收灵敏度。 光接收机最重要的特性参数是灵敏度。灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标,它反映接收机调整到最佳状 态时,接收微弱光信号的能力。灵敏度主要取决于组成光接收机的光敏二极管和放大器的噪声,并受传输速 率、光发射机的参数和光纤线路的色散的影响,还与系统要求的误码率或信噪比有密切关系。 9.空间光通信与传统的微波通信相比,其显著的优点为:1 通信容量大。2 体积小。3 功耗低。4 建造 经费和维护经费低。 10.空间光通信是指在两个或多个终端之间,利用在空间传输的激光束作为信息载体,实现通信, 空 间光通信关键技术:1 激光器技术对激光波长的研究主要集中在 800nm、1000nm 及 1550nm 三个波段,与以上 三种波长对应的半导体激光器、固体激光器和光纤激光器。2.捕获、瞄准、跟踪技术 3.调制、接收技术,调 制方式分为调幅、调频、调相,接收直接强度探测,即非相干探测具有结构简单、成本低、易实现等优点。相 干(外差)探测这种方法具有接收灵敏度高、抗干扰能力强等优点,但系统较为复杂,对元器件性能要求较 高,特别是对波长的稳定性和谱线.光通信链路功率设计原则主要是保证在所要求的参数(通信距离、系统码率及误码率)条件下, 光接收端机探测器上接收到的最小功率 Prmin 大于接收机灵敏度的要求。 第二章 1.光源是光发射机的主要器件,主要功能是实现信号的电—光转换,作用是将电数字脉冲信号转换为 光数字脉冲信号并将此信号送入光纤线路进行传送。光检测器位于光接收机内,主要功能是实现信号的光— 电转换, 2.光源性能的基本要求与类型:1 发光波长与光纤的低衰减窗口相符 2 足够的光输出功率 3 可靠性高、 寿命长 4 温度稳定性好 5 光谱宽度窄,由于光纤有色散特性,使较高速率信号的传输距离受到一定限制。若光 源谱线窄,则在同样条件下的无中继传输距离就长。6 调制特性好 7 与光纤的耦合效率高 8 尺寸小、重量轻 3.光源的类型:光纤通信光源分为半导体激光器(LD)和发光二极管(LED) 。半导体光源优点是其工 作波长可以对准光纤的低损耗、低色散窗口,还具有体积小、功耗低、易于实现内调制等特点,特别适用于 光纤通信。缺点,包括输出功率小、热稳定性差、远场发散角大(指半导体光源发出的激光功率不够集中,大 致分布在 30°左右的立体角内,因而有相当一部分光功率不能耦合进光纤,这一部分丢失的光功率就是“入 纤损耗”的主要机理。)半导体光源的输出功率小和入纤损耗大,限制了通信的无再生距离。热稳定性差,环 境温度超过 40℃时应有监测和告警。发光二极管分为边发光、面发光和超辐射三种结构。同一波长的 LD 和 LED 采用相同组成的有源层(即发光层) ,它们的区别在于结构和工作原理不同。LD 的输出功率大,入纤耦合 效率高,但稳定性较差;而 LED 的输出功率小,耦合损耗也较大,但稳定性好,寿命几乎不成问题,价格也 较 LD 便宜。一般长途干线使用 LD 作光源,短距离的本地网发送机选用 LED。 2 4.半导体光源:半导件激光器是向半导体 PN 结注入电流,实现粒子数的反转分布,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.绝大部分粒子处于基态,只有较少数的粒子被激发到高能级, -23 且能级越高,处于该能级的粒子数越小。k0=1.38×10 J/K,k0 为玻耳兹曼常数.电子在原子核外的跃迁有三 种基本方式:自发辐射、受激辐射和受激吸收.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玻尔条件,即 E2-E1=hf12 -34 h 为普朗克常数,h=6.626×10 J·s;f12 为吸收或辐射的光子频率。 5.粒子反转分布:产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中,处于低能级和处 于高能级的粒子数分别为 N1 和 N2。当系统处于热平衡状态时,存在分布 k0 为玻尔兹曼常数, -23 k0=1.38×10 J/K;T 为热力学温度。 由于(E2-E1)0,T0,总有 N1N2。这是因为电子总是首先占据低能量 的轨道。受激吸收和受激辐射的速率分别比例于 N1 和 N2 且比例系数相等。如果 N1 N2,即受激吸收大于受激 辐射。当光通过这种物质时,光强按指数衰减,这种物质称为吸收物质。 通常情况下,粒子具有正常能级分布,总是低能级上的粒子数比高能级上的粒子数多。所以光的受激吸收比 受激辐射强,因此光总是受到衰减。要想获得光的放大,必须使受激辐射强于受激吸收。也就是说,使 N2 N1, 当光通过这种物质时,会产生放大作用,这种物质称为激活物质。N2 N1 的分布和正常状态(N2 N1)的分布 相反,所以称为粒子数反转分布。处于粒子数反转分布的物质称为激活物质或增益物质。要想得到粒子数反 转分布,一般采用光激励、放电激励、化学激励等方法,给物质能量,以求把低能级的粒子激发到高能级上 去,这个过程叫泵浦。 13.光源与光纤的耦合:光源和光纤耦合的程度,可以用耦合效率η 来衡量,它的定义为η =PF/Ps. PF 为耦合入光纤的光功率;Ps 为光源发射的光功率。η 的大小取决于光源和光纤的类型,LED 和单模光纤的耦 合效率较低,LD 和单模光纤的耦合效率更低。 影响光源与光纤耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径 NA。发散角越大,耦合效率 越低;数值孔径越大,耦合效率越高。此外,光源的发光面、光纤端面尺寸、形状以及二者间距都会直接影 响耦合效率。 14 通常有两种方法来实现光源与光纤的耦合,即直接耦合和透镜耦合。直接耦合就是将光纤端面直 接对准光源发光面,这种方法当发光面积大于纤芯时是一种有效的方法。直接耦合结构简单,但耦合效率低。 面发光二极管与光纤的耦合效率只有 2%~4%。半导体激光器的光束发散角比面发光二极管小得多,与光纤的 耦合效率约为 10%。 6.激光振荡和光学谐振腔:粒子数反转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.激活物质 和光学谐振腔只是为激光的产生提供了必要的条件。为了获得激光振荡,还必须满足一定的阈值条件和相位 条件. 阈值条件;设增益介质单位长度的小信号增益系数为 G0,损耗系数为α i,两个反射镜 M1、M2 反射系数分别 为 r1 和 r2。由于增益介质的放大作用,腔内光功率随距离的变化可表示为 z=0 处的光功率。光束在腔内经历一个来回后,两次通过增益介质,此时的光功率为 要想产生振荡,必须满足 P(2L)≥P(0) 此: 因 P(0)为 .α 称为光学谐振腔的平均损耗系数,它包括增益介质的本身损耗和通过 两次反射镜的传输损耗。只有在这种情况下,光信号才能不断得到放大,使输出光功率逐渐增强。高能级粒 子不断向低能级跃迁产生受激辐射,使得低能级粒子数和高能级粒子数差减小,受激辐射作用降低,增益系 数 G0 也减小,直至 G0=α ,激光器维持一个稳定的振荡,并输出稳定的光功率。相位条件要产生激光振荡, 3 除了要满足上述阈值条件外,还要满足一定的相位条件,即受激辐射光在腔内往返一次后与原有的波叠加; 若要在腔中形成谐振,叠加的波必须是相互加强的,即要求它们之间的相位差必须是 2π 的整数倍,也就是 往返一次的路径长度是波长的整数倍,以形成正反馈。这可写成 2L=qλ 式中,q 表示纵模的模数;λ 为在谐 振腔内的光波波长。 光学谐振腔的折射率为 n,则输出的激光波长是谐振腔内波长的 n 倍。输出激光波长为 λ =2nL/q , λ 为输出的激光波长;n 为激活物质的折射率;q 为纵模模数,q=1,2,3。 7.激光器产生激光必须具备以下几个条件:1)必须有激光工作物质,可在需要的光波范围内辐射光 子;2)工作物质必须处于粒子数反转分布状态,并使小信号增益系数大于谐振腔的平均损耗系数,从而产生 光的放大系数;3)必须有光学谐振腔进行频率选择及产生光反馈。 8.半导体激光器的发光波长半导体发光器件所采用的半导体材料,根据不同的组合,其发光 波长从可见光到红外光区域。发光波长基本上由半导体禁带宽度(即导带与价带的能级差)Eg=hf 决定。由 8 λ =C/f 得出 λ =hc/Eg, 其中 c 为光速(c=2.99792458×10 m/s)。 光子能量 E 和波长λ 之间的变换关系为 E(eV) =1.2398/λ (μ m) 9.半导体激光器工作特性: 1.P-I 特性:当激光器注入电流增加时,受激发射量增加,一旦超过 P-N 结中光的吸收损耗,激光器就开始振荡,于是光输出功率急剧增大。使激光器发生振荡时的电流称为阈值电 流 Ith。只有当注入电流等于或大于阈值时,激光器才发射激光。2.微分量子效率η d 激光器输出光子数的增 量与注入电子数的增量之比,定义为微分量子效率 3.光谱特性,光源谱线宽度是衡量 器件发光单色性的一个物理量。越窄越好。4.温度特性 10 其他激光器:分布反馈式激光器,DFB 激光器采用双异质掩埋条形结构。不同之处是它用布拉格光 栅取代传统的 F-P 光腔作为光谐振器。量子阱激光器(MQW)多量子阱结构带来了阈值电流小、输出光功率大及 热稳定性好的优点。光纤锁模激光器,产生激光超短脉冲的技术常称为锁模技术。垂直腔面发射激光器 11.发光二极管:发光二极管(LED)的工作原理与激光器(LD)有所不同,LD 发射的是受激辐射光, LED 发射的是自发辐射光。LED 的结构和 LD 相似,大多采用双异质结(DH)芯片,把有源层夹在 P 型和 N 型 限制层中间,不同的是 LED 不需要光学谐振腔,没有阈值。发光二极管有两种类型;一类是正面发光型 LED, 另一类是侧面发光型 LED,和正面发光型 LED 相比,侧面发光型 LED 驱动电流较大,输出光功率较小,但由 于光束辐射角较小,与光纤的耦合效率较高,因而入纤光功率比正面发光型 LED 大。 和激光器相比,发光二极管输出光功率较小,谱线宽度较宽,调制频率较低。但发光二极管性能稳定,寿命 长,输出光功率线性范围宽,而且制造工艺简单,价格低廉。因此,这种器件在小容量短距离系统中发挥了 重要作用。 12.发光二极管具有以下工作特性:1.光输出特性,即 P-I 特性当注入电流较小时,发光二极管的输出 功率曲线.光谱特性,发光二极管的发射光谱比半导体激光器宽很多, 3.温度特性,温度对发光 二极管的光功率影响比半导体激光器要小。发光管的频率.4.调制特性. LED 可调的速率低 第三章: 1.光纤的结构与类型:光纤是一种工作在光波段的介质波导,可将光波约束在波导内部和表面,并引 导光波沿光纤轴传播的介质光波导,纤芯的折射率高于包层的折射率(全反射) ,从而构成一种光波导结构, 使大部分的光被束缚在纤芯中传输。光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴圆柱形电介质波导,它由 纤芯(直径为 2a) 、包层(直径为 2b)与涂敷层三大部分组成 2.光纤主要由硅酸盐玻璃、二氧化硅或塑料制成。前者适用于长距离传输,后两者适用于短距离传输, 其中塑料光纤由于损耗较大,传输距离很短,主要应用于更小距离传输和一些较恶劣的环境中,在恶劣环境 中因其机械强度较好,所以较前两种更具优越性。 4 3.光纤按照折射率分布可分为阶跃折射率分布光纤(阶跃光纤)和渐变折射率分布光纤(渐变光纤) 。 阶跃光纤的折射率分布特点是纤芯的折射率均匀为 n1,而包层的折射率为 n2。 在纤芯和包层之间的分界面上, 折射率有一个不连续的阶跃性突变。 渐变光纤的纤芯折射率是半径 r 的函数,记为 n(r) ,在纤芯轴线 ;而在纤芯的横截面内沿径 向折射率逐渐减小,形成一个连续渐变的梯度或坡度,像一个抛物线,最后达到包层的折射率 n2。在纤芯到 分界面之间,折射率是渐变的,而不像阶跃光纤在分界面处突变。 n1 为光纤轴心处的折射率; n2 为包层区 域折射率;a1 为纤芯半径;Δ =( n1 - n2 )/ n1 称为相对折射率差。至于渐变光纤的剖面折射率为何做如此 分布,其主要原因是为了降低多模光纤的模式色散,增加光纤的传输容量。 4.光纤按传导的模式可分为单模光纤和多模光纤。能够传输多种模式(基模和高阶模)的光纤叫多模 光纤,而只能传输一种模式(基模)的光纤叫单模光纤。多模光纤的纤芯较粗,可以很容易将光功率注入到 光纤,并且较容易将相同的光纤连接在一起,同时可以使用制造工艺简单、价格低廉、不需要外围电路和长 寿命的 LED 作为光源。其缺点是存在较严重的模式色散,使其传输速率低、距离短,整体的传输性能差。但 成本低,一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境中;单模光纤的纤芯相应较细,传输频带宽、容量大、传 输距离长,但需 LD 作为光源,成本较高,通常在建筑物之间或地域分散的环境中使用。 光纤的模式色散(又叫模间色散) :不同的传播模式会有不同的传播速度与相位,因此经过长距离的传输之后 2 会产生时延,导致光脉冲变宽。计算多模光纤中传播模式数量的经典公式为 N=V /4 ,其中 V 为归一化频率。 如当 V=38 时,多模光纤中会存在 300 多种传播模式。模式色散会使多模光纤的带宽变窄,降低其传输容量。 因此多模光纤仅适用于较小容量的光纤通信。 单模光纤由于它只允许一种模式在其中传播,从而避免了模式色散的问题,故其具有极宽的带宽,特别适用 大容量的光纤通信。 5.光纤按工作波长分类,可分为短波长(光波之波长在 0.6~0.9μ m 范围内)光纤与长波长(波长 1.31μ m 和 1.55μ m)光纤。 6.光纤按套塑类型分类,可分为紧套光纤与松套光纤。 7.光纤的数值孔径 NA:从空气中入射到光纤纤芯端面上的光线被光纤捕获成为束缚光线的最大入射 角θ max 为临界光锥的半角称为光纤的数值孔径,记为 NA。 它与纤芯和包层的折射率分布有关,而与光纤的 直径无关。对于阶跃光纤,NA 为 ,Δ =(n1-n2)/n1 是光纤纤芯和包层的相对 折射率差。 NA 表示光纤接收和传输光的能力,NA(或θ c)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。 对于无损耗光纤,在θ c 内的入射光都能在光纤中传输。NA 越大,纤芯对光能量的束缚越强,光纤抗弯曲性能 越好。但 NA 越大,经光纤传输后产生的信号畸变越大,限制了信息传输容量,所以要根据实际使用场合,选 择适当的 NA。 8.归一化变量:为了描述光纤中传输的模式数目,在此引入一个非常重要的结构参数,即光纤的归一 化频率,一般用 V 表示,其表达式如下 a 为纤芯半径,传输模式数目随 V 值的增加而增多。当 V 值减小时,不断发生模式截止,模式数目逐渐减少。特别值得注意的是,当 V2.405 时,只有 HE11(LP01) 一个模式存在,其余模式全部截止。 HE11 称为基模,由两个偏振态简并而成。由此得到单模传输条件为 ,对于给定的光纤(n1、n2 和 a 确定) ,存在一个临界波长λ c,当λ λ c 时,是多模传输, 当λ λ c 时,是单模传输,这个临界波长λ c 称为截止波长。 9.光纤传输的基本特性:光信号经光纤传输后会产生损耗和畸变(失真) ,产生信号畸变的主要原因 是光纤中存在色散。损耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离,色散则限制系统的传 输容量。 5 光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。光纤损耗的原因:1.吸收损耗:本征吸收损耗,杂质吸收 损耗,原子缺陷吸收损耗 2.散射损耗:线性散射损耗,瑞利散射 非线.弯曲损耗:分弯曲或宏 弯和微弯 10.光纤损耗系数:衡量一根光纤损耗特性的好坏,即传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率减小 的分贝数,一般用α 表示损耗系数,单位是 dB/km。dP/dz=-α P 11 光纤色散:色散是在光纤中传输的光信号,由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理 效应。光纤的色散会使输入脉冲在传输过程中展宽,产生码间干扰,增加误码率,这样就限制了通信容量。 因此制造优质的、色散小的光纤,对增加通信系统容量和加大传输距离是非常重要的。色散一般包括模式色 散、材料色散和波导色散。 模式色散,就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延差,它取决于光纤的折射率分布, 并和光纤材料折射率的波长特性有关。材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变,以及模式内部不同波长 成分的光(实际光源不是纯单色光) ,其时间延迟不同而产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性 和光源的谱线宽度。波导色散是由于光纤中模式的传播常数是频率的函数而引起的。它不仅与光源的谱宽有 关,还与光纤的结构参数(如 V)等有关。 12.光的非线性:非线性现象本质上是在非线性介质中传输的光场进行能量和动量交换的过程。 13.非线性折射率波动效应可分为三大类: 自相位调制 (SPM) 、 交叉相位调制 (XPM) 及四波混频 (FWM) 。 非线性受激散射可分为布里渊散射和拉曼散射两种形式。 14.四波混频效应:当有三个不同波长的光波同时注入光纤时,由于三者的相互作用,产生了一个新 的波长或频率,即第四个波,新波长的频率是由入射波长组合产生的新频率。四波混频效应能够将原来各个 波长信号的光功率转移到新产生的波长上,从而对传输系统性能造成破坏。在波分复用系统中,混合产生的 新波长会与其他信号信道的波长完全一样,严重破坏信号的眼图并产生误码。四波混频效应的效率与波长失 配、波长间隔、注入光波长的强度、光纤的色散、光纤折射率、光纤的长度等有关。色散在四波混频效应中 起了重要的作用。通过破坏相互作用的信号间的相位匹配,色散能减少四波混频效应产生的新波长数目。15. 光导纤维是一种传输光束的细微而柔韧的媒质。光导纤维电缆由一捆光纤组成,简称为光缆。光缆是数据传 输中最有效的一种传输介质,它的和光纤的优点类似,主要有 1 频带较宽。2 电磁绝缘性能好。3 衰减较小, 4 中继器的间隔较大,降低成本。 15.光缆结构可分为层绞式、骨架式、带状式和束管式四大类。光缆分类:1 按敷设方式分类:有架空 光缆、管道光缆、地埋光缆和海底光缆。2 按光缆结构分类:有束管式光缆、层绞式光缆、骨架式光缆、带 状式光缆、非金属光缆和可分支光缆。3 按用途分类:有长途通信用光缆、短途室外光缆、混合光缆和建筑 物内用光缆。 16.光纤的特性参数可分为几何特性、光学特性和传输特性三类。几何特性包括纤芯与包层的直径、 偏心度和不圆度;光学特性主要有折射率分布、数值孔径、模场直径和截止波长;传输特性主要有损耗、带 宽和色散。光纤特性的测量:规定了基准测量方法和替代测量方法。光纤损耗的测量:截断法:是测量精度最 好的办法,其缺点是要截断光纤。背向散射法测量。光纤色散与宽带的测量:时域方法测量脉冲宽度;频域 法测量光纤宽度 第四章: 1.通信用光有源器件主要包括光源、光检测器、光放大器和光波长转换器等。光源是光发射机的主要 器件,主要功能是实现信号的电—光转换;光检测器位于光接收机内,主要功能是实现信号的光—电转换; 光放大器主要是对光信号直接进行放大,无需通过光—电—光转换过程,解决长距离传输时光功率不足的问 题。 2.在很强反向电场作用下,电子以极快的速度通过 PN 结。在行进途中碰撞半导体晶格上的原子离化 而产生新的电子、空穴,即所谓二次电子和空穴,而且这种现象不断连锁反应,使结区内电流急剧倍增放大, 6 产生“雪崩”现象。 3.光敏二极管的噪声包括由信号电流与暗电流产生的散粒噪声和由负载电阻与后继放大器输入电阻 产生的热噪声。 4.由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程, 所以用这种效应对一次光生电流产生的平均增益的倍数 来描述它的放大作用。并把倍增因子定义为 APD 输出光电流 I0 和一次光生电流 Ip 的比值。g=Io/Ip 5.光放大器的分类光放大器有半导体光放大器(SOA)和光纤放大器(OFA)两种类型。半导体光放大 器的优点是小型化,容易与其他半导体器件集成;缺点是性能与光偏振方向有关,器件与光纤的耦合损耗大。 OFA 的性能与光偏振方向无关,器件与光纤的耦合损耗很小,因而得到广泛应用。 6.光放大器的重要指标 1.光放大器的增益 放大器的带宽 增益饱和与饱和输出功率 2.放大器噪声。 噪声来源和噪声系数 7.掺铒光纤的激光特性:主要由掺铒元素决定;掺铒光纤发大器可以对 1550nm 光进行发大。掺铒光 纤放大器的泵浦方式:同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。同向泵浦的优点是构成简单、噪声性能较好。反向 泵浦优点是:当光信号放大到很强时,泵浦光也强,不易达到饱和,因而具有较高的输出功率。双向泵浦: 结合了同向泵浦和反向泵浦的优点,使泵浦光在光纤中均匀分布。掺铒(EDFA)放大器的应用:中继放大器, 前置放大器,后置放大器。 8.半导体光放大器(SOA)和半导体激光器一样,是基于光的受激辐射和放大。事实上,激光器名称 的意思就是受激辐射引起的光放大。SOA 是利用半导体激活介质能够给通过的光提供增益的机理,使光信号 得到放大。SOA 是一种具有光增益的光电器件 SOA 主要有两种结构:法布里—珀洛腔(FP)型及行波(TW)型两种。SOA 优点:①SOA 具有很大的增益带宽 覆盖 1310nm 与 1550nm 两处窗口;②SOA 增益平坦性好;③SOA 能够动态转换波长, 能够接受输入信号光改变它 的频率,同时对其进行放大;④SOA 体积小,泵浦简单,可批量生产,成本低。 9.拉曼光纤放大器 RFA 的放大范围更宽,噪声指数更低,是实现高速率、大容量、长距离光纤传输的 关键器件之一。原理是基于石英光纤中的非线性效应—SRS。RFA 有两种类型:一集总式拉曼光纤放大器,分 布式拉曼光纤放大器。拉曼光纤放大器主要由增益介质光纤、泵浦源及一系列辅助功能电路等构成 第五章 1.光纤连接器是实现光纤与光纤之间的活动接头,是一种可拆卸的器件,它用于设备与光纤之间的连 接、光纤与光纤之间的连接或光纤与其他光无源器件之间的连接。光纤接头是实现光纤与光纤之间的永久性 (固定)连接,主要用于光纤线路的构成。光纤连接器件是一种无源器件。 2.对于连接器的一般要求:1 插入损耗低 2 稳定性好 3 可重复性好 4 互换性好 5 反射损耗要小 3.影响光纤连接损耗的几种因素:主要来自制造工艺技术和光纤本身的不完善。光纤连接损耗是由于 光纤之间的连接错位引起的损耗,以及与光纤参数相关的损耗。连接错位一般:轴心错位、端面间隙、角度 倾斜、端面光洁度。 4.光耦合器是将光信号进行分路或合路、插入、分配的一种器件。在耦合的过程中,信号的频谱成分 没有发生变化,变化的只是信号的光功率,即同一波长。常用耦合器的类型 1T 形耦合器 2 星形耦合器 3 定 向耦合器 4 波分复用器。耦合器的结构有光纤型、微器件型和波导型。几个主要参数:插入损耗 Lt 是穿过耦 合器的某一光通道所引入的功率损耗,附加损耗 Le 是由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗,耦合比 CR 是指 某一输出端口光功率 Poc 和各端口总输出光功率 Pot 的比值 5.光隔离器:是保证光信号只能正向传输,阻止光波往其他方向特别是反方向传输的器件。光隔离器 就是一种非互易器件,耦合器是互易器件。光隔离器主要用在激光器或光放大器的后面,以避免反射光返回 到该器件致使器件性能变坏。原理:光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。光隔离器主要由两个偏振器 和一个法拉第旋转器组成。假定存在某种反射,反射光的偏振态也在 45°方向上,当反射光通过法拉第旋转 7 器时再继续旋转 45°,此时就变成了水平偏振光。水平偏振光不能通过左面偏振器(第一个偏振器) ,完全 阻断了反射光的传输,于是就达到隔离效果。 6.光环行器是一种多端口非互易光学器件,其工作原理与隔离器类似。光调制器是把信息加载到光波 (就是载波)上的过程就是调制。光调制器就是实现从电信号到光信号的转换的器件。光开关是一种光路控 制器件,起着进行光路切换的作用,可以实现主/备光路切换,光纤、光器件的测试等有 1 机械式光开关 2 微 机械式光开关(MEMS)3.喷墨气泡式光开关。光滤波器在 WDM 系统中是一种重要元器件, :法布里—珀罗滤波 器(用作干涉仪)和马赫—曾德干涉滤波器(解复用器,复用器,调谐滤波器) 7.波长变换器能够提高子网间的互联性,解决波长竞争,消除阻塞,提供虚波长路由,并且可在动态 传输模式下更好地利用网络资源。采用全光波长变换的原因:Internet 的出现与多媒体业务的迅猛发展对带 宽资源提出越来越高的要求。在物理传输层和网络层上,密集波分复用技术(DWDM)通过对波长进行复用, 在波长域中提高传输容量,对光纤带宽资源进行了充分的利用。全光波长变换原理用光—电—光的方法间接 实现:用接收器接受光信号,将它变换到电域,然后用处理后的电信号调制激光器产生相应的输出波长。 8.SOA 型全光波长变换常采用的物理效应有:交叉增益调制(XGM) 、交叉相位调制(XPM)和四波混 频(FWM)等。 9.通常有两种方法来实现光源与光纤的耦合,即直接耦合和透镜耦合。直接耦合就是将光纤端面直接 对准光源发光面,这种方法当发光面积大于纤芯时是一种有效的方法。直接耦合结构简单,但耦合效率低。 面发光二极管与光纤的耦合效率只有 2%~4%。半导体激光器的光束发散角比面发光二极管小得多,与光纤的 耦合效率约为 10% 第六章 1.在光纤通信系统中,从电端机输出的是适合于电缆传输的双极性码。目前常用的双极性码有 HDB3 码和 CMI 码。但对于光源来说是不可能发射负光脉冲的,因此必须进行码型变换,即将 HDB3 或 CMI 码变换为 NRZ 码,以适合于数字光纤通信系统传输的要求。 2.我国 3 次群和 4 次群 PDH 光纤通信系统最常用的线.模拟光纤通信系统:主要调制方式:模拟基带直接光强调制、模拟间接光强调制和频分复用光强调 制。 模拟基带直接光强调制是用承载信息的模拟基带信号, 直接对发射机光源 (LED 或 LD) 进行光强调制, 使光源输出光功率随时间变化的波形和输入模拟基带信号的波形成比例。模拟间接光强调制是先用承载信息 的模拟基带信号进行电的预调制,然后用这个预调制的电信号对光源进行光强调制。频分复用光强调制是用 每路模拟基带信号,分别对某个指定的射频电信号进行调幅或调频,然后用组合器把多个预调 RF 信号组合成 多路宽带信号,再用这种多路宽带信号对发射机光源进行光强调制。 4.数字复用规定了准同步数字系列(PDH)和同步数字体系(SDH)两种基本复用标准。PDH 采用异步 复用方式现在的 PDH 体制中,只有 1.5Mbit/s 和 2Mbit/s 速率的信号是同步的,其他速率的信号都是异步的, 需要通过码速的调整来匹配和容纳时钟的差异。与 PDH 相比较,SDH 的主要特点 1.SDH 有一套标准的信息等 级结构 2.SDH 的帧结构是矩形块状结构 3.SDH 帧结构中拥有丰富的开销比特 4.SDH 具有统一的网络节点接口 5.SDH 采用同步和灵活的复用方式 6.实现了 PDH 向 SDH 的过渡,还支持异步转移模式(ATM)和宽带 综合业务数字网(ISDN)业务。也有不足:SDH 的频带利用率比起 PDH 有所下降;SDH 网络采用指针调整技术 来完成不同 SDH 网之间的同步,使得设备复杂,同时字节调整所带来的输出抖动也大于 PDH;软件控制并支 配了网络中的交叉连接和复用设备,一旦出现软件操作错误或病毒,容易造成网络全面故障。尽管如此,SDH 的良好性能已经得到了公认,成为未来传输网发展的主流。 SDH 的复用原理一种是低阶的 SDH 信号复用成高阶 SDH 信号,复用主要通过字节间插复用方式来完成的;另 一种是低速支路信号复用成 SDH 信号 STM-N。将 PDH 信号复用进 STM-N 信号中去。传统的将低速信号复用成 8 高速信号的方法有两种:码速调整法和固定位置映射法。SDH 的基本复用单元包括容器 C、虚容器 VC、支路 单元 TU、支路单元组 TUG、管理单元 AU、管理单元组 AUG、同步转移模块 STM。 6.数字传输系统性能指标是误码性能、抖动和漂移。误码是指经光接收机的接收与判决再生后,数字 码流中的某些比特发生了差错,使传输的信息质量产生损伤。误码减少的策略有如下两种:1 内部误码的减 小。2 外部干扰误码的减少。 抖动和漂移与系统的定时特性有关。定时抖动(抖动)是指数字信号的特定时刻(如最佳抽样时刻)相对其 理想时间位置的短时间偏离,漂移指数字信号的特定时刻相对其理想时间位置的长时间偏离 9