光纤通信复习大纲(09级).doc

第一章1 光纤通信系统的分类：按传输信号的类型分：数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统。按信号调制方式分：直接强度调制光纤通信系统和间接调制（外差光纤通信系统）现常用直接强度调制方式。按光纤的传输特性分：多模光纤系统和单模光纤通信系统按使用波长分：短波长、长波长、超长波长2 基本光纤通信系统的组成：光发射机、光纤线路、光接收机、数字复用设备、光中继器。光发射机：把输入的电信号转换成为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。它的核心器件是光源（LD或LED）。光纤线路：用于传输光信号。由光纤、光纤接头、光纤连接器组成。光接收机：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。它的核心器件是光检测器（PIN或APD）。3 光纤通信使用的频段范围：近红外光(波长为0.8-1.8um),频带宽度为200THz.主要使用850nm 1310nm 1550nm三个窗口. 第二章光纤和光缆1光纤结构纤芯、包层、涂敷层.纤芯的折射率略高于包层的折射率. 涂敷层的折射率高于包层.2光纤的种类：单模光纤、多模光纤（阶跃和渐变）单模光纤、阶跃折射率和梯度折射率光纤的比较1)芯径: 单模光纤在10um以下,多模光纤在几十um2)损耗: 单模光纤0.3dB左右 多模光纤4dB左右3)色散: 多模光纤色散大,主要是模间色散起作用. 阶跃折射率光纤的色散梯度折射率光纤比大单模光纤色散没有模间色散,主要是模内色散和偏振模色散.色散较小. 4)带宽: 单模光纤的带宽比多模光纤的带宽大.多模梯度折射率光纤的带宽比多模阶跃折射率光纤大.3 阶跃光纤的相对折射指数差4阶跃光纤的数值孔径的物理意义及公式光纤的数值孔径与纤芯与包层直径无关，只与两者的相对折射率差有关。若纤芯和包层的折射率差越大，NA值就越大，即光纤的集光能力就越强。5 光纤归一化频率 阶跃光纤中传光的电磁波模式总数：M=V/2 渐变型光纤中传光的电磁波模式总数：M=V/46 模式传输的条件：VVc 或者是c模式截止的条件：VVc或者是c 临界条件：V=Vc7单模光纤传输的条件（只传输基模）：基模：标量模LP01 矢量模HE118、光纤波导中有哪些损耗？有以下三大类损耗:1)吸收损耗l 由于光纤材料本身吸收光能量产生的。主要存在红外波段的分子振动吸收和紫外波段的电子跃迁吸收。红外吸收对长波长有影响，紫外吸收对短波长有影响。l 杂质吸收损耗:主要是由于光纤中含有的各种过渡金属离子和氢氧根（OH-）离子在光的激励下产生振动，吸收光能量造成。 （OH-）离子的吸收对光通信的长波长影响比较大（主要在1.38um)。2) 散射损耗l 瑞利散射损耗:是由于光纤材料折射率分布小尺寸的随即不均匀性所引起的本征损耗。瑞利散射损耗与波长的四次方成反比，即波长越短，损耗越大。因此对短波长窗口影响较大。l 非线性散射损耗:是当光强度大到一定程度时，产生非线性喇曼散射和布里渊散射，使输入光信号的能量部分转移到新的频率成分上而形成损耗。因此非线性散射损耗是随广播频率变化的。在常规光纤中由于半导体激光器发送光功率较小，该损耗可忽略。但在DWDM系统中，由于总功率很大，就必须考虑其影响。l 波导效应散射损耗:是由于光纤波导结构缺陷引起的损耗，与波长无关。光纤波导结构缺陷主要由熔炼和拉丝工艺不完善造成。3) 其他损耗v 连接损耗是由于进行光纤接续是端面不平整或光纤位置未对准等原因造成接头处出现损耗。其大小与连接使用的工具和操作者技能有密切关系。v 弯曲损耗是由于光纤中部分传导模在弯曲部位成为辐射模而形成的损耗。它与弯曲半径成指数关系，弯曲半径越大，弯曲损耗越小。v 微弯损耗是由于成缆时产生不均匀的侧压力，导致纤芯与包层的界面出现局部凹凸引起。损耗限制了光纤传输的传输距离。9、光纤波导中有哪些色散，产生的原因，1) 模间色散v 即使在同一频率的光，不同的模式群速率不一样，也产生色散。它主要取决于光纤的折射率分布。v 模间色散主要存于多模光纤中。2) 模内色散v 材料色散：纤芯的材料的折射率随波长的变化导致色散。折射率随波长的变化,使不同波长的群速度不同，造成时延差,发生脉冲展宽。在1.27um处最小v 波导色散：原因是由于光纤中只有80%的光功率在纤芯中传播，20%在包层中传播，如果包层中传播速率大于纤芯，就出现色散。波导色散的大小取决于光纤的设计材料色散与波导色散的叠加在1.31um处最小3) 偏振模色散:光场的两个分量在变形的纤芯中以不同的速度传输产生色散.只存在于单模光纤中.色散限制了光纤传输的传输容量。10、色散的表示方式：时延差11、光缆的结构光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。光缆结构分类：层绞式、骨架式、中心管束、带状12、G.652 G.653 G.655光纤的性能指标及应用（见书P53）第三章1、光源的种类有： LD、 LED 、固体激光器三种2、激光二极管LD和发光二极管(LED)的特性曲线。 LED的特性曲线 LD的特性曲线 3、受激幅射、受激吸收、受激发射。v 自发辐射无外界激励而高能级电子自发跃迁到低能级，同时释放出光子。v 受激辐射高能级电子受到外来光作用，被迫跃迁到低能级，同时释放出光子，且产生的新光子与外来激励光子同频同方向，为相干光。v 受激吸收低能级电子在外来光作用下吸收光能量而跃迁到高能级。 4、发射激光的必要条件： v 粒子数反转分布v 光反馈(光学谐振腔)v 激光振荡的阈值条件（阈值电流随着温度的升高和使用的老化而升高）5、光源材料与发射波长的关系v 光源材料带隙的大小决定着光源发射光波的波长 6、LD数字信号调制原理图（见书P73 3-28图）7、调制特性电光延迟、张驰振荡、码型效应、结发热效应、自脉动现象电光延迟：由于有源区电子密度n的增加与时间呈指数关系，而当n小于阈值密度nth时，激光器不激射，这样使激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟，称为电光延迟。8、光纤通信系统采用的线路编码：扰码、字变换码（mBnB）、插入码（mB1C mB1P）9、光发射机的性能指标：平均发射功率PT、消光比 消光比对光接收机灵敏度的影响：消光比越大，灵敏度降低10、光纤线路编码的基本原则：1)应有足够的定时含量，减少连“0”和连“1”数，便于时钟提取。2）应有不中断业务进行误码检测能力3）尽量减少码流中的低频分量与直流基线的随机起伏4)线路传输码率的提高应尽量的少5)便于实现辅助信息的通信6）误码增值低第四章1、光检测器的种类作用、适合通信用的光检测器光检测器的作用是：检测出入射在其上面的光功率，且将光功率转化相应的电流适合通信用的光检测器：光电二极管(主要有 Pin光电二极管和雪崩光电二极管)2、反向偏压的优点 可以加宽耗尽层、加快载流子的漂移速度，提高响应速度。3、 光检测器噪声源有哪些，PIN的主要噪声和APD的噪声光电二极管噪声包括信号电流和暗电流产生的散弹噪声和有负载电阻和后继放大器输入阻抗产生的热噪声散弹噪声包括量子噪声，暗电流噪声和表面漏电流噪声。（如果是APD管，还包含倍增附加噪声） 4、光检测器的波长响应范围v 只有当光子能量h大于半导体材料禁带宽度Eg才能产生光电效应。v 上限载止波长为 . 体管引入噪声5 光接收机的组成光检测器 将光信号转变成电信号,由PIN和APD完成.要求有高转换效率.前置放大器 应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型，通常采用场效应管和双极晶体管. 场效应管前置放大器: 输入阻抗高,灵敏度高,噪声小,但高频特性差 双极晶体管放大器: 输入阻抗低,噪声大,高频特性好 跨阻型前置放大器:最大的优点是改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。主放大器：它的作用是提供足够的增益， 并通过它实现自动增益控制(AGC)，以使输入光信号在一定范围内变化时， 输出电信号保持恒定。均衡滤波器：是对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决(一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形)，以消除码间干扰，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，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。 AGC 控制主放大器的增益或APD 管的雪崩增益,使输出信号在一定范围内不受输入信号的影响. 译码器：在发射机端进行了线路编码,因此需解码,恢复出原数字序列6、数字接收机性能指标：接收灵敏度、动态范围灵敏度:：在给定误码率的条件下，光接收机能够接收的最小光功率动态范围 ：在给定误码率的条件下，光接收机接收信号灵敏度和过载功率之间的差值。Dr= PMAX-PMIN （dB） 第五章1、光隔离器的作用和主要参数作用：只允许光波往一个方向传输，阻止光波反方向或其它方向传输。主要用在激光器和光放大器的后面，以避免反射光返回导致器件性能变坏。主要参数：插入损耗和隔离度2、光隔离器的工作原理 P126 第20行-26行第六章1、SDH标准速率等级。STM-N的标准速率分别为：STM-1155 520Mbit/sSTM-4622 080Mbit/sSTM-162 488 320Mbit/sSTM-649 953 280Mbit/s第七章1、波分复用系统的组成p 光发送机将来自不同终端的多路光信号分别由光转发器（OTU）转换为各自特定波长的光信号后，经光合波器合成组合光信号，再通过光功率放大器（BA）放大输出至光纤中传输。p 光中继放大用采用了增益平坦技术的EDFA（LA）实现对不同波长光信号的相同增益放大。p 光接收机先由前置光放大器（PA）放大经传输衰减的主信道光信号，再用分波器从主信道光信号中分出不同特定波长的光信号。p 光监控信道（OSC）监控系统内各信道的传输情况。在发送端，插入本节点产生的波长s为的光监控信号（如帧同步、公务及各种网管开销字节），与主信道的光信号合波输出；在接收端，将收到的光信号进行分离，输出为s波长的光监控信号和业务信道光信号。p 网络管理系统通过光监控信道物理层传送的开销字节到其他结点或接收来自其他结点的开销字节对WDM进行管理，实现配置、故障、安全、性能管理等功能，并与上级管理系统通信。2、波分复用系统的工作波长范围为15301565nm,因为目前常用的EDFA的工作波长在这个范围。根据通道间隔的大小，波分复用可以分为三种：CWDM、 DWDM、光频分复用。第八章1、数字光纤通信系统的性能指标：误码率（平均误码率、严重误码秒）、抖动（输入抖动容限、输出抖动容限、抖动转移） 可靠性。2、误码率、抖动的概念（P199和P204）3、链路的功率预算Pt：光发送机平均发光功率，以dBm为单位Pr：光接收机灵敏度，以dBm为单位Ac：活动连接器的损耗，一般取值Ac=0.5 dB。ME：设备富余度，一般取ME3 dBa：光纤的损耗系数as：平均每公里接续损耗，每个熔接点的衰耗可以保证在0.05dB以下mc：光缆富余度，一般取值为mc =0.10.2 dB/km 第十章 1、光放大器种类种类：(1)半导体放大器：易与其他半导体器件集成，但性能与光偏振方向有关，器 件与光纤的耦合损耗大。（2）光纤喇曼放大器（FRA）它是利用石英光纤的非线性效应而制成。在合适波长的强光作用下，石英光纤会出现受激喇曼散射（SRS）效应，当光信号沿着这受激发的一段光纤中传输时，可以使其实现光放大。（3）掺铒光纤放大器（EDFA）铒（Er）是一种稀土元素。将它注入到纤芯中，即形成了一种特殊光纤，它在泵浦光的作用下可直接对某一波长的光信号进行放大。EDFA的主要优点有：工作波长处在15301565nm范围，与光纤最小损耗窗口一致；对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦；连接损耗低，耦合效率高。因为它是光纤型放大器，因此易于与光纤耦合连接，且连接损耗可低至0.1dB。增益高且特性稳定、噪声低、输出功率大。增益可达40dB，且在100内增益特性保持稳定，也与偏振无关。噪声系数可低至34dB，输出功率可达1420dBm；对各种类型、速率与格式的信号传输透明。2、EDFA的结构及各部分的功能 EDFA的结构：掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔离器以及光滤波器等组成光隔离器光耦合器光隔离器光滤波器泵浦光源掺铒光纤输入光信号输出光信号光隔离器：是防止反射光影响光放大器稳定工作，保证光信号只能正向传输的器件。光滤波器的作用是滤除光放大器的噪声、降低噪声对系统的影响,提高系统的信噪比.。光耦合器：是将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来的无源光器件，一般采用波分复用器。掺铒光纤：是一段长度大约为10100m的石英光纤，将稀土元素铒离子注入到纤芯中，浓度约为25/。泵浦光源：为半导体激光器，输出的光功率为1010