光纤期末考复习整理

1. P21966 年，英籍华裔学者高锟（光纤通信之父）和霍克哈姆发表了关于传输介质新概 念的论文，指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定光纤通信的基础。 （填 空） 2. P5 电缆通信和微波通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。虽然光波和电波都是 电磁波，但是频率差别很大。光纤通信用的近红外光（波长约为 1m）的频率（约 300THz）比微波（波长为 0.1m1mm）的频率（3300GHz）高 3 个数量级以上。 （填空） 3. P5 什么是光纤通信？光纤通信的优点？ 以光波为载波，以光纤作为传输介质的通信方式；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）泄露小，保密性能好。6 ）节约金属材料，有利于资源合理使用。 （简答） 4. P14 光纤的结构：纤芯、包层、 （涂覆层） 。设纤芯和包层的折射率分别为 n1、n2 ，光能 量在光纤传输的必要条件是 n1n2。运用全反射原理。 （填空） 5. P15 按折射率，光纤类型可分为：突变（阶跃）型和渐变型 突变型多模光纤：直径 2a=5080m，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是 信号畸变大。 渐变型多模光纤：直径 2a=50m，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号 畸变小。 单模光纤：直径只有 810m，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播，其信号畸变很 小。图 2.2 ，看图选择 6. P17 根据传播条件，定义临界角 的正弦为数值孔径。NA= n0 sin (max) =c （n 0 为空气的折射率 =1） 。式中 。2121n 为 相 对 折 射 率 差121/)( NA 表示光纤接收和传输光的能力。 1） NA 越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。 2） NA 越大 经光纤传输后产生的信号畸变越大 例题： 设光纤的纤芯折射率 n1=1.500，包层折射率 n2=1.485。求: （1）相对折射率差 ； 0.0150.14812 （2）数值孔径 NA； 0.21nNA （3 ）入射临界角 max 。 12.12o)21(sin)(si1maxNA 7. 只有只有渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上， 而且这些光线的时间延迟也近似相等。 8. P24（多模）传输模数（模的数量） g 为光纤中纤芯的折射率分布参数。 V 为归一化频率。2)()2(21nkagM （ 为半径）a 对于阶跃光纤， g， 其模式数目为 2VM 对于渐变光纤, g， 其模式数目为 4 例：如果纤芯直径数值孔径 NA=0.275,工作波长 计算渐变折射率的模式数量。,130nm 9. P25 单模传输条件为 405.221naV 例：已知某阶跃型光纤参数 =0.003，n1=1.46，光波长 =1.31m，求单模传输时光纤应具 有的纤芯半径。 10. 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 的传输带宽。 产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。 11. P27 色散(Dispersion) 是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟（传播 速度）不同而产生的一种物理效应。一般包括模式色散、材料色散和波导色散。 多模光纤: 模式色散占主要地位. 单模光纤: 材料色散和波导色散共同影响总色散. 材料色散和波导色散通称为色度色散（波长色散） 。 色散系数的单位为：ps/(nmkm) 12. P35 G.651 多模渐变型光纤：这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量、中 短距离的通信系统。 （只有 G.651 为多模光纤） G.652 常规单模光纤: 是第一代单模光纤，其特点是在波长零色散波长 1.31 m 色散为 零，系统的传输距离只受损耗的限制。这种光纤既可用于 1.31 m 波长区，也可用于 21na21a 5.410/)275.5.6.3( 96 2 21.a612.405.4053104.m.an 1.55 m 波长区，是一种可供双窗口应用的单模光纤。 （使用得最多） G.653 色散位移单模光纤：是第二代单模光纤，其特点是在波长零色散波长 1.31 m 色 散为零，损耗有最小。之中光纤适用于大容量长距离通信系统。可用于海底传输。 G.654：这种光纤实际是一种用于 1.55 m该进的常规单模光纤，目的是增加传输距离。 G.655：非零色散光纤，是一种该进的色散移位光纤。 13. P32 光纤的损耗：是影响光纤传输特性的一个重要指标。由于损耗的存在，将会减小 传输光信号的能量，使信号传输的距离受到限制。主要包括：吸收损耗、散射损耗和 辐射损耗 通信中习惯用损耗系数表示损耗 )/(lg10kmdBPLi 14. P37 光缆一般由缆芯和护套两部分组成。 第三章 通信用光器件 15. P48 通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。有源器件包括光源、光检 测器和光放大器，这些器件是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一 起决定着基本光纤传输系统的水平。光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、 调制器、光开关和隔离器等，这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的 提高都是不可缺少的。 16.光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。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）和发光二极管或称发光管 （LED） 17.有源器件的物理基础是光和物质的相互作用的效应。主要有：受激吸收、受激辐射、 自发辐射。 18.P49 晶体中电子按能级的分布 通常情况下，N2N1，即受激辐射大于受激吸收，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。N2N1 的分布和正常状态(N1N2)的分布相反,所以称为粒 子(电子)数反转分布。 为了使物质发光，必须进行粒子数反转分布，有多种方法可以实现能级之间的粒子 数反转分布状态(泵浦技术） ，这些方法包括光激励方法、电激励方法等。 或按书本答案表述： 假设能级 E1 和 E2,上的粒子数分别为 N1 和 N2，在正常的热平衡状态下，低能 级 E1 上的粒子数 N1 是大于高能级 E2 上的粒子数 N2 的，入射的光信号总是被吸 收。为了获得光信号的放大，必须将热平衡下的能级 E1 和 E2 上的粒子数 N1 和 N2 的分布关系倒过来，即高能级上的粒子数反而多于低能级上的粒子数，这就是粒子 数反转分布。 当光通过粒子数反转分布激活物质时，将产生放大。 19. P51 粒子数反转分布是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震荡输 出。基本的光学谐振腔由两个放射率分别为 R1 和 R2 的平行反射镜构成，并被称为 法 布里珀罗谐振腔。 20. P51 激光震荡的相位条件为： L 为谐振腔的长度。 21.相邻两纵模之间的频率之差： 纵模的波长间隔与频率间隔的关系是： 22. P57 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（相干光） ，LED 发射的是自发辐射光（非相干光） 。LED 的结构和 LD 相似，大多是采用 双异质结构，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。 （如 果有三个空格的话，则第三类填超辐射发光二极管。 ） 23.扩展内容：LD 和 LED 的差别 激光器被视为 20 世纪的三大发明（还有半导体和原子能）之一，特别是半导体激光器 LD 倍受重视。 光纤通信中最常用的光源是半导体激光器 LD 和发光二极管 LED。 主要差别： 发光二极管输出非相干光（自发辐射） ； 半导体激光器输出相干光（受激辐射） 。 比起半导体激光器，因为 LED 不需要热稳定和光稳定电路，所以 LED 的驱动电路相 对简单，另外制作成本低、产量高。 LED 的主要工作原理对应光的自发辐射过程，因而是一种非相干光源。LED 发射光 的谱线较宽、方向性较差，本身的响应速度又较慢，所以只适用于速率较低的通信 系统。 在高速、大容量的光纤通信系统中主要采用半导体激光器 LD 作光源。 24.P60 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。目前常用 的光检测器有 PIN 光电二极管和雪崩光电二极管（APD） 25.P61 PIN 光电二极管的工作原理和结构见书中图 3.20 和 3.21.中间的 I 层是 N 型参杂浓 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。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队对，因而大幅度提高了光电转换 效率。而两侧 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。 26.P64 雪崩光电二极管（APD）:光电二极管输出电流 I 和反向偏压 U 的关系如书图。随着 反向偏压的增加，开始电流基本不保持不变。当方向偏压增加到一定数值是，光电流急剧 增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压 UB。 2ncq=fq2nL或为 激 活 物 质 的 折 射 率2cfnL2cf或为 激 活 物 质 的 折 射 率 27.P65 倍增因子 g 定义为 APD 输出光电流 I0 和一次光生电流 IP 的比值。g= I0/IP 28.P71 耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组 合成一个输出。 插入损耗 IL是指定输出端的光功率 Pouti 和全部输入光功率 Pin 和的比值。 附加损耗 EL是全部输入端光功率总和和全部输出端光功率总和的比值。 分光比或耦合比 CR是一个指定输出端的光功率和全部输出端的光功率总和的比值。 隔离度 I 某一光路对其它光路中的信号的隔离能力。 例： 22 双锥形光纤耦合器的输入功率为 Pin=200W,另外三个端口的输出功率分别为 P1=90W，P2=85W，P3=6.3nW，试计算光纤耦合器的主要性能参数。 解： 分光比为: 附加损耗为: 29.P72 光隔离器是一种非互易性器件, 只允许光波往一个方向传输,阻止光波往其他方向尤 其是反方向传输。一般用在激光器或光放大器后，插入损耗值为 1dB，隔离度的典型值为 40-50dB。 （光隔离器的工作原理 略） 第四章 光端机 30.P79 数字光发射机方框图： 10lg()outii nILdBl()outiiinjEP10%outtiCR10lg()t inIdB1910%5.4385端 口 2 .60端 口 9+log=.dBEL=- 9011log3.47d2IL输 入 端 口 到 端 口 的 插 入 损 耗 85l.B0I输 入 端 口 到 端 口 2的 插 入 损 耗 210log= -4d36.1隔 离 度 光发射机由光源、调制器和信道耦合器组成。光信号是用电信号调制光载波产生的。 31.P80 直接调制时，激光输出与注入电脉冲之间存在电光延迟；（结合书本图） 激光器在瞬态过程中存在张弛振荡； 由于电光延迟现象，在电脉冲过后，载流子有一定的存储时间，导致高速数字调制 时出现码型效应（适当的“过调制”补偿方法，可以消除码型效应） ； 某些激光器在某些注入电流下还会出现自脉动现象。其频率可达 2GHz。 32.P85 数字光接收机方框图： 33.P86 光接收机的噪声有两部分：一部分是外部电磁干扰产生的，另一部分是内部产生 的；其主要来源是光检测器的噪声和前置放大器的噪声 34.P87 常用的三种前置放大器：1）双极型晶体管前置放大器 2）场效应管前置放大器 3）跨阻型前置放大器。 35.P88 光接收对码元误判的概率称为误码率。误码率可以用在足够长时间间隔内传输的 码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。 36.P89 接收灵敏度：灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。灵敏度 Pr 的定义是，在保 证通信质量（限定误码率后信噪比）的条件下，光接收所需的最小平均接收光功率 Pmin 并 以 dBm 为单位。 （描述了其准确检测光信号的能力。 ） (dBm)1wP0logrin灵 敏 度 动态范围：光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最大允许 平均接收光功率与最小平均接收光功率之差 或 （dB） 例 1 某光纤通信系统中光源平均发送光功率为-28 dBm，光纤线路传输距离为 20 km，损耗系数 为 0.5 dBm/km. 电信号输入 输入 接口 线路 编码 调制 电路 光源 控制电路 光信号输出 光信号 光检测器 偏压控制 偏压控制 AGC 电路 判决器 时钟提取 再生码流 前置放大器 放大器 maxinDmax10lginPD (1) 试求接收端收到的光功率为多少？ (2) 若接收机灵敏度为 -40 dBm，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至-10 dBm，光接收机刚好能将其正常接收，试求光接收机 动态范围为多少？ 解：(1) 接收端收到的光功率 P=-28 dBm-0.5 dBm/km20 km =-38 dBm。 (2) -38 dBm-40 dBm 能正常接收。 (3) Pmax=-10dBm-0.520 dBm=-10 dBm-10 dBm=-20 dBm， 接收机动态范围： D=Pmax-Pmin=-20 dB-(-40 dBm)= 20 dBm 例 2: 在满足一定误码率的条件下，光接收机最大接收光功率为 0.1 mW，最小接收光功率为 1 000 nW。 (1) 求接收机灵敏度和接收机动态范围。 (2) 已知某个接收机的灵敏度为-40 dBm，动态范围为 20 dBm，若收到的光功率为 2W ， 系统能否正常工作？ 解：(1) 接收机灵敏度为 dBm 动态范围为 dBm (2) 根据灵敏度为 -40dBm， 可求得=0.1 ，由动态范围为 20 dBm，可求得为 10 W，因为 10W 2W 0.1W ，故能够正常工作。 第五章 数字光纤通信系统 37.P102 光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复用技术，复用有分为若干等级，因而 先后有两种传输体质：准同步数字系列（PDH）和同步数字系列（SDH） 。 38.P103 现有 PDH 的许多去点也逐渐暴露出来，主要有：（选择题，自行看书） 39.P103 SDH 不仅适合于点对点传输，而且适合于多点之间的网路传输。SDH 传输网的拓 扑结构由 SDH 终接设备（或称终端复用器 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他们的（光纤）物理链路构成。 40.P105 与 PDH 相比，SDH 具有以下优点（选择题，自行看书） 41.P106 SDH 帧结构（图） 帧结构中字节的传输是从左到右，从上而下顺序传输，每秒 8000 帧 对于 STM-1 而言，帧长（容量）为：92701=2430 Byte； 每帧比特数是：92708=19440 bit； STM-1 传送码率为：194408000=155.520 Mb/s 通常，POH 作为净负荷的一部分与其一起在网络中传送，它负责对低速支路信号（例如 2.048 Mb/s 信号）进行通道性能监视管理和控制。 9r 310lg0P9.l2Dminr310g 42.P107 SDH 基本复用单元包括： 容器（C-n） 、虚容器（VC-n ） 、支路单元（TU-n） 、支路单元组（TUG-n） 管理单元（AU-n） 、管理单元组（AUG-n ） （n 为 PDH 系列等级序号 ） 43.P116 中继距离的设计有三种方法：最坏情况法（参数完全已知） 、统计法、办统计法。 中继距离受光纤线路损耗和色散(宽带) 的限制，明显随传输速率的增加而减小。 中继距离和传输速率反映着光纤通信系统的技术水平。 （公式 5.8、5.16 ） 44.P123（第六章）模拟光纤传输系统目前使用的主要调制方式有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三种。 45.P145 掺铒光纤放大器工作原理并画出简图。 在掺铒光纤中，铒离子有三个能级：其中能级 1 代表基态，能量最低；能级 2 是亚稳 态，处于中间能级；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 的能量差是，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，铒离子很快返回到能级 2.如果输入的信号光的能量等于能级 2 和能级 1 的能量差，则处于能级 2 的铒离子将跃迁到基态（21 ） ，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，应提高对泵浦的吸收，使基态铒离子尽可能跃迁到激发态。 泵 放 46.P147 掺铒光纤放大器的构成 图 7.3