光纤通信-复习、小结、习题、单元测试及试题、答案.doc

光纤通信 一、 概论 小结一、名词概念1、光纤：光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。2、光纤通信：光纤通信是以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式。3、光纤通信系统：光纤通信系统是以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信系统。二、光在电磁波谱中的位置-光也是一种电磁波，只是它的频率比无线电波的频率高得多。红外线、可见光和紫外线均属于光波的范畴。1、可见光是人眼能看见的光，其波长范围为：0.39 至0.76 。2、红外线是人眼看不见的光，其波长范围为：0.76 至300 。一般分为：（1）近红外区：其波长范围为：0.76 至15 ；（2）中红外区：其波长范围为：15 至25 ；（3）远红外区：其波长范围为：25 至300 ；三、光纤通信所用光波的波长范围（1）光纤通信所用光波的波长范围为0.8 至1.8 ，属于电磁波谱中的近红外区。（2）在光纤通信中，常将0.8 至0.9 称为短波长， 而将0.8 至0.9 称为长波长。四、光纤通信中常用的低损耗窗口（1）0.85 、1.31 和1.55 左右是光纤通信中常用的三个低损耗窗口。（2）早期光纤通信系统传输所用的是多模光纤，其工作波长在0.85 的第一个工作窗口。（3）非色散位移光纤（G.652光纤）工作在1.31 附近的第二个工作窗口。（4）色散位移光纤（G.653光纤）工作在1.55 附近的第二个工作窗口。-五、光纤通信的特点 与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下： (1)传输频带极宽，通信容量很大； (2)由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远； (3)串扰小，信号传输质量高； (4)光纤抗电磁干扰，保密性好； (5)光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；(6)耐化学腐蚀；(7)光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富 （一）概论 习题1、什么是光纤通信？2、光纤的主要作用是什么？3、与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信有何优点？4、为什么说使用光纤通信可以节约大量有色金属？5、为什么说光纤通信具有传输频带宽，通信容量大？6、可见光是人眼能看见的光，其波长范围是多少？7、红外线是人眼看不见的光，其波长范围是多少？8、近红外区：其波长范围是多少？9、光纤通信所用光波的波长范围是多少？10、光纤通信中常用的三个低损耗窗口的中心波长分别是多少（二）单元测试 (单项选择题）1 光纤通信指的是： 1以电波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式； 2 以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式； 3 以光波作载波、以电缆为传输媒介的通信方式； 4以激光作载波、以导线为传输媒介的通信方式。2 光纤通信所使用的波段位于电磁波谱中的： 1 近红外区 ； 2 可见光区 ； 3 远红外区 ； 4 近紫外区 。3 目前光纤通信所用光波的波长范围是： 1 0.42.0 ； 2 0.41.8 ； 3 0.41.5 ； 4 0.81.8 。4目前光纤通信所用光波的波长有三个，它们是： 1 0.85 、1.20 、1.80 ； 2 0.80 、1.51 、1.80 ； 3 0.85 、1.31 、1.55 ； 4 0.80 、1.20 、1.70 。5 下面说法正确的是： 1光纤是透明玻璃拉制成细长圆柱形的线； 2 光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称； 3 光纤是透明塑料拉制成细长圆柱形的线； 4光纤是由高纯度石英玻璃制成细长圆柱形的线。6下面说法正确的是： 1 光纤的传输频带极宽，通信容量很大； 2光纤的尺寸很小，所以通信容量不大； 3 为了提高光纤的通信容量，应加大光纤的尺寸； 4 由于光纤的芯径很细，所以无中继传输距离7 下面说法正确的是： 1光纤的主要作用是引导光在光纤内沿直线的途径传播； 2 光纤的主要作用是引导光在光光纤的主要作用是引导光在光纤内沿直线或弯曲的途径传播。 3 光纤的主要作用是引导光在光纤内沿螺旋线的途径传播；8下面说法正确的是： 1光纤通信只能用于数字通信，不能用于模拟通信；2 光纤通信不能用于数字通信，只能用于模拟通信； 3 光纤通信即可以用于数字通信，也可用于模拟通信；4 光纤通信不能用于数字通信，也不能用于模拟通信。9 下面说法正确的是： 1光纤弯曲半径不能无穷大； 2光纤弯曲半径不宜过大； 3 光纤弯曲半径不宜过小； 4光纤弯曲半径可以为零。二、光纤与导光原理-由于光纤具有低损耗、容量大以及其他方面的许多优点，现已成为通信系统的重要传输介质之一。光纤特性包括它的结构特性、光学特性及传输特性。结构特性主要指光纤的几何尺寸（芯径等）； 光学特性包括折射率分布、 数值孔径等；传输特性主要是损耗及色散特性。光波在光纤中传输，随着距离的增加光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗，该损耗直接关系到光纤通信系统传输距离的长短，是光纤最重要的传输特性之一。自光纤问世以来，人们在降低光纤损耗方面做了大量的工作，1.31m光纤的损耗值在05dB/km以下，而1.55m的损耗为0.2dB/km以下，这个数量级接近了光纤损耗的理论极限。光纤的色散-由于光纤中所传信号的不同频率成分， 或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。从机理上说，光纤色散分为材料色散， 波导色散和模式色散。 前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一种色散由于信号不是单一模式所引起。光纤色散如图2-19所示。光纤与导光原理 小结一、名词概念1、阶跃型光纤:阶跃型光纤在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形突变，纤芯的折射率n1和包层的折射率n2是均匀常数。2、渐变型光纤：渐变型光纤纤芯的折射率nl随着半径的增加而按一定规律逐渐减少，到纤芯与包层交界处为包层折射率n2，纤芯的折射率不是均匀常数。3、单模光纤：单模光纤只传输一种模式，纤芯直径较细，通常在 4m10m 范围内。4、多模光纤：多模光纤可传输多种模式，纤芯直径较粗，典型尺寸为50m左右。光纤的传输特性二、光纤的损耗-光纤损耗限制了光纤通信的最大直通距离。-产生光纤损耗的原因主要分为三种：吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。(1)物质的吸收作用将传输的光能变成热能，从而造成光功率的损失。吸收损耗有三个原因，一是本征吸收，二是杂质吸收，三是原子缺陷吸收。(2)光纤中出现折射率分布不均匀而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部,由此引起的损耗称为本征散射损耗。又称瑞利(Rayleigh)散射。（3）当理想的圆形光纤受到某种外力作用时，会产生一定曲率半径的弯曲，引起能量泄漏到包层，这种由能量泄漏导致的损耗称为辐射损耗。三、光纤的色散-由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开， 引起传输信号波形失真， 脉冲展宽的物理现象称为色散。 光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变， 从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。-从机理上说，光纤色散分为材料色散，波导色散和模式色散。前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一种色散由于信号不是单一模式所引起四、常用单模光纤的性能及应用-1G.652 称为非色散位移单模光纤，也称为常规单模光纤，其性能特点是：(1)在1310nm波长处的色散为零。（2）在波长为1550nm附近衰减系数最小，约为.22dB/km，但在1550nm附近其具有最大色散系数， 为17ps/(nmkm)。（3）这种光纤工作波长即可选在1310nm波长区域，又可选在1550nm波长区域，它的最佳工作波长在1310nm区域。G.652 光纤是当前使用最为广泛的光纤。-G.653 称为色散位移单模光纤。色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状， 力求加大波导色散， 从而将零色散点从1310nm 位移到1550nm， 实现1550nm处最低衰减和零色散波长一致。这种光纤工作波长在1550nm区域。它非常适合于长距离单信道光纤通信系统。-G.655 这种光纤在1550nm波长处色散不为零，故其被称为非零色散位移单模光纤。它在1550nm波长区域具有合理的低色散，足以支持10Gbit/s的长距离传输而无需色散补偿；同时，其色散值又保持非零特性来抑制四波混频和交叉相位调制等非线性效应的影响。这种光纤主要适用密集波分复用传输系统。（一）光纤与导光原理 习题1、典型光纤由几部分组成？各部分的作用是什么?2、什么是阶跃光纤？什么是渐变光纤？3、为什么包层的折射率必须小于纤芯的折射率？4、什么是单模光纤？什么是多模光纤？5、用射线理论分析阶跃光纤的导光原理。6、什么是光纤的传光模式？什么是光纤的主模？什么是高次模？7、如何实现光纤的单模传输？8、光纤损耗主要有几种原因？其对光纤通信系统有何影响？9、光纤色散主要有几种类型？其对光纤通信系统有何影响？10、分别说明G.652 、G.653、 G.655光纤的性能及应用。（二）单元测试 (单项选择题）1 下面说法正确的是： 1光纤的典型结构是多层同轴圆柱体，自内向外为包层、纤芯和涂覆层； 2光纤的典型结构是多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯、包层和涂覆层； 3 光纤的典型结构是两层同轴圆柱体，自内向外为纤芯和涂覆层； 4光纤的典型结构是两层同轴圆柱体，自内向外为包层和涂覆层。2 下面说法正确的是： 1 为了使光波在纤芯中传输，包层的折射率必须等于纤芯的折射率；2 为了使光波在纤芯中传输，包层的折射率必须大于纤芯的折射率；3 为了使光波在纤芯中传输，包层的折射率必须小于纤芯的折射率；4 为了使光波在纤芯中传输，包层的折射率必须大于涂覆层的折射率。3 下面说法正确的是：1单模光纤只能传输次模模式； 2单模光纤只能传输一路信号； 3 单模光纤只能传输一种模式； 4单模光纤只能传输高次模模式。 4 下面说法正确的是： 1 多模光纤指的是传输多路信号；2 多模光纤可传输多种模式；3 多模光纤指的是芯径较粗的光纤；4 多模光纤只能传输高次模。5 光纤的传输特性主要是： 1光纤的传光原理；2 光纤的结构特性和光学特性； 3光纤的损耗及色散特性；4 光纤的传输模式。6 光纤的单模传输条件是归一化频率 满足： 1 2.405 ； 2 2.405 ； 3 3.832 ； 4 3.832 。7 下面说法正确的是： 1光纤的损耗决定光纤通信系统的通信容量； 2光纤的损耗决定光纤通信系统的传输距离； 3 光纤的损耗决定光纤通信系统的传输速率； 4光纤的损耗决定光纤通信系统的传输模式。8 下面说法正确的是： 1光纤的色散决定光纤通信系统的通信容量；2 光纤的色散决定光纤通信系统的传输距离； 3 光纤的色散决定光纤通信系统的传输速率； 4光纤的色散决定光纤通信系统的传输模式。三、光缆及无源光器件-构成一个完整的光纤传输系统，除了光源、光检测器及光纤外，还需要众多的无源光器件。无源光器件在光纤通信系统中起着重要的作用。光缆-目前，光纤通信用的光纤都经过了一次涂覆和二次涂覆的处理，经过涂覆后的光纤虽然已具有了一定的抗张强度，但还是经不起施工中的弯折、扭曲和侧压等外力作用，为了使光纤能在各种环境中使用，必须把光纤与其他元件组合起来构成光缆，使其具有良好的传输性能以及抗拉、抗冲击、抗弯、抗扭曲等机械性能。光缆的基本组成-目前光纤通信中使用这各种不同类型的光缆，其结构形式多种多样，但无论何种结构形式的光缆，基本上都由缆芯、加强元件和护层三部分组成。-（1）缆芯-缆芯是由单根或多根光纤芯线组成，其作用是传输光波。-（2）加强元件-加强元件一般有金属丝和非金属纤维，其作用是增强光缆敷设时可承受的拉伸负荷。-（3）护层-光缆的护层主要是对已形成缆的光纤芯线起保护作用，避免受外界的损伤。-光缆按结构形成主要分为:(1)层绞式光缆；(2)骨架式（沟槽式)光缆；(3)束管式（套管式）光缆。（4）带状式无源光器件-光纤通信系统的传输线路，需要一些无源光器件来构成光纤线路的连接、分路、合路和其他的功能。由于光纤和光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限的。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。由此可见，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。1、光纤连接器-光纤连接器是使一根光纤与另一根光纤相连接的器件，是光波系统中使用量最多的器件。- 光纤与光纤的连接有两种形式，一种是永久性连接，另一种是活动连接。永久性连接具有粘接法和熔接法之分，目前多采用熔接法。熔接法如图3-1所示。单模光纤的纤芯直径要在10m以下，因此熔接必须使用机器才行。2、光纤耦合器-光纤耦合器是实现光信号分路/合路的功能器件，一般是对同一波长的光功率进行分路或合路，其使用量仅次于连接器。3、光合波器和光分波器-光合波器和光分波器是用于波分复用等传输方式中的无源光器件。可将不同波长的多个光信号合并在一起藕合到一根光纤中传输，或者反过来说，将从一根光纤传输来的不同波长的复合光信号，按不同光波长分开。前者称为合波器，后者称为光分波器。4、光滤波器-光滤波器一般是采用多层介质膜作为光滤波器，使某一波长的光通过，而其他波长的光被阻止。具体结构有两类，一类为干涉滤波器，另一类为吸收滤波器，两者均可用介质膜构成。5、光隔离器光隔离器是一种只允许单向光通过，阻止反射光返回的无源光器件，其工作原理是基于法拉弟旋转的非互易性。-在光纤通信系统中，尤其在相干光纤通信系统中，为了防止各种原因产生的反射光进入激光器，影响激光器的稳定性，常需要光隔离器。（一）光缆及无源光器件 习题1、为什么必须把光纤与其它元件组合起来构成光缆？2、光缆按结构形成主要分为几种？3、比较层绞式、沟槽式、套管式三种光缆，哪一种光缆抗侧压性能较好？4、为什么说在光纤通信系统中光无源器件的使用是必不可少的？5、什么是光纤连接器？永久性连接有几种方法？6、光纤耦合器的功能是什么？7、什么是光合波器和光分波器？8、什么是光滤波器？9、什么是光隔离器？10、光源与光纤的耦合，一般采用什么方法提高耦合效率？（二）单元测试 (单项选择题）1 为了使光纤能在各种敷设条件和各种环境中使用： 1必须把光纤进行一次涂覆和二次涂覆处理； 2必须把光纤与其他元件组合起来构成光缆； 3 必须把多根光纤放入同一根塑料管中； 4必须把多根光纤绞合在一起。 2 下面四种光缆的基本结构中，抗侧压性能好的是： 1层绞式光缆；2 套管式光缆；3带状式光缆； 4沟槽式光缆。3 光纤的连接分为： 1固定连接和永久性连接； 2固定连接和熔连接； 3 固定连接和活动连接； 4粘连接和熔连接。4 使用连接器进行光纤连接时，如果接续点不连续，将会造成： 1光功率无法传输；2 光功率的菲涅耳反射；3光功率的散射损耗； 4光功率的一部分散射损耗，或以反射波形式返回发送端。5 光纤耦合器是实现： 1不同波长的光功率进行合路的器件； 2光信号分路/合路的功能器件； 3 同一波长的光功率进行合路的器件； 4不同波长的光功率进行分路的器件。 6 光合波器是： 1将多个光波信号合成一个光波信号在一根光纤中传输；2 将多路光信号合并成一路光信号在光纤中传输；3将同波长的多个光信号合并在一起耦合到一根光纤中传输； 4将不同波长的多个光信号合并在一起耦合到一根光纤中传输。7光分波器是： 1将从一根光纤传输来的同波长的光信号，按不同光波长分开； 2将从一根光纤传输来的不同波长的复合光信号，按不同光波长分开； 3 将从一根光纤传输来的一路光信号，分成多路光信号； 4将从一根光纤传输来的一个光波信号，分成多个光波信号。8 利用多层膜制成的波导型分波滤光器： 1其反向使用时不能做合波器用；2 其反向使用时可以做合波器用；3其反向使用时也能做分波器用； 4其反向使用时可以做耦合器用。9 下面说法正确的是： 1光隔离器是一种只允许单一波长的光波通过的无源光器件； 2光隔离器是一种不同光信号通过的无源光器件； 3 光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件； 4光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件。10 光隔离器的工作原理是： 1基于法拉第旋转的非互易性；2 基于多层电介质干涉膜的滤波原理；3基于光栅的衍射原理； 4基于圆柱型透镜的聚焦原理。三、光源和光检测器光通信器件是光纤通信系统中的核心部件，它们的性能直接影响通信系统的质量。在光纤通信系统中使用的光器件主要有：光源和光检测器等。-光源的作用是将电信号电流变换为光信号功率， 即实现电-光的转换， 以便在光纤中传输。目前光纤通信系统中常用的光源主要有： 半导体激光器LD、 半导体发光二极管LED、半导体分布反馈激光器DFB等。-光检测器的作用是将接收的光信号功率变换为电信号电流，即实现光-电的转换。光纤通信系统中最常用的光检测器有：半导体光电二极管、雪崩光电二极管。光源-在光纤通信系统中用光波作为载波，通过光纤这种传输介质，完成通信全过程。然而，目前各种终端设备多为电子设备，这就在输入端先将电信号变成光信号，也就是用电信号调制光源。-光源的作用是将信号电流变换为光信号功率，即实现电-光的转换。目前光纤通信系统中常用的光源主要有：半导体激光器LD、半导体发光二极管LED、半导体分布反馈激光器DFB等。半导体激光器体积小、价格低、调制方便， 只要简单地改变通过器件的电流，就能将光进行高速的调制，因而发展成为光通信系统中最重要的器件。光检测器- 光检测器的作用是通过光电效应，将接收的光信号转换为电信号。目前的光接收机绝大多数都是用光电二极管直接进行光电转换， 其性能的好坏直接影着接收机的性能指标。光电二极管的种类很多，在光纤通信系统中， 主要采用半导体PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD)。光源和光检测器 小结 1一、基本概念1、有源光器件- -光纤通信使用的有源光器件是光端机的核心，有光源和光检测器两种。2、光源- -光源的作用是将信号电流变换为光信号功率， 即实现电-光的转换， 以便在光纤中传输。目前光纤通信系统中常用的光源主要有：半导体激光器LD、半导体发光二极管LED、半导体分布反馈激光器DFB等。3、光检测器-光检测器的作用是将接受的光信号功率变换为电信号电流，即实现光-电的转换。光纤通信系统中最常用的光检测器有：半导体光电二极管、雪崩光电二极管。4、激光器- -激光器就是光的振荡器。激光振荡是建立在光与物质相互作用的基础上。5、光与物质的相互作用- -光与物质的相互作用主要有三种基本过程:(1)受激吸收；(2)自发辐射；(3)受激辐射。6、粒子数的反转分布- -要使物质能对光进行放大，必须使物质中的受激辐射强于受激吸收，即高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数。物质的这一种反常态的粒子数分布，称为粒子数的反转分布二、半导体激光器-半导体激光器是利用在有源区中受激而发射光的器件。只有当注入电流超过阈值电流的情况下，激光器才会辐射激光，所以半导体激光器是有阈值的器件。-（1）有源区里产生足够的粒子数反转分布；-（2）在谐振腔里建立起稳定的振荡。三、半导体发光二极管-半导体发光二极管是非阈值器件。它与半导体激光器的本质区别是它没有光学谐振腔，不能形成激光振荡。发光二极管是非相干光源，发光以自发辐射为主。四、半导体光电二极管-半导体光电二极管是利用半导体材料的光电效应将入射光子转换成电子-空穴对，形成光生电流，即实现光-电的转换。五、雪崩光二极管-雪崩光二极管（APD)是利用载流子在高场区的碰撞电离形成雪崩倍增效应，使检测灵敏度大大提高，APD的雪崩增益随偏压的提高而增大。（一）光源和光检测器 习题 41、光纤通信系统中常用的光源主要有几种？常用的光检测器主要有几种？2、光源、光检测器各自作用是什么？3、激光器主要由几部分组成？各部分的作用是什么？4、说明光与物质的相互作用主要三种基本过程。5、什么是粒子数的反转分布？6、分析说明半导体激光器产生激光输出的工作原理。7、画出LD模拟调制和数字调制的原理图。8、半导体发光二极管与半导体激光器的本质区别是什么？9、半导体光电二极管是利用什么原理实现光-电的转换？10、雪崩光二极管（APD)是利用什么原理，使检测灵敏度大大提高？（二）单元测试 (单项选择题）1 光纤通信系统中使用的光器件主要有： 1激光器、发光二极管； 2分布反馈激光器、PIN光电二极管； 3 半导体激光器、光检测器、分布反馈激光器； 4光源、光检测器、光放大器。 2 光纤通信系统中常用的光源主要有： 1光检测器、光放大器、激光器；2 半导体激光器LD、半导体发光二极管LED、半导体分布反馈激光器DFB；3PIN光电二极管、激光、荧光； 4半导体激光器、光检测器、发光二极管。3 光纤通信系统中常用的光检测器主要有： 1激光器、发光二极管； 2分布反馈激光器、PIN光电二极管； 3 半导体PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管； 4PIN光电二极管、半导体激光器LD。4 光源的作用是： 1产生输入光波信号；2 将电信号电流变换为光信号功率，即实现电-光转换；3产生输入光功率； 4光波对电信号进行调制，使其载荷信息在光纤中传输。5 光检测器的作用是： 1对光纤中传输的光功率进行测试； 2将接收的光信号功率变换为电信号电流，即实现光-电转换； 3 对光纤中传输的光波进行检测，并分析其波形频谱特性； 4检测光纤中传输的光信号的强弱。6 光与物质的相互作用有自发辐射、受激吸收、受激辐射三种过程。下面说法正确的是： 1自发辐射是产生激光的最重要的过程；2 受激辐射是产生激光的最重要的过程；3受激吸收是产生激光的最重要的过程； 4自发辐射的光称为相干光。7 在激光器中，光的放大是通过： 1光学谐振腔来实现； 2泵浦光源来实现； 3 粒子数反转分布的激活物质来实现； 4外加直流来实现。8 发光二极管LED产生的光： 1是荧光而不是激光；2 是激光而不是荧光；3是自然光而不是激光； 4是相干光而不是荧光。9 光电二极管是： 1将接收的光功率全部转换为电功率，即满足能量守恒定律； 2将接收的光信号功率转换为倍增电流，即实现信号的放大； 3 将接收的光功率一部分转换为电功率，一部分转换为热量； 4将接收的光信号功率变换为电信号电流，即实现光-电转换。 10 光电二极管由于耗尽区是产生光生载流子的主要区域，因此要求： 1入射光尽可能地少在耗尽区内吸收；2 二极管有宽的耗尽区；3二极管有窄的耗尽区； 4二极管必须外加正向偏压。四、掺铒光纤放大器-由于光纤损耗的存在，任何光纤通信系统的传输距离都受到限制，因为损耗导致光信号能量的降低。在长距离光纤传输系统中，当光信号沿光纤传播一定的距离后，必须利用中继器对已衰减了的光信号进行放大；为了延长传输距离，需增强注入光纤的光功率；为了提高接收机的灵敏度，可在光信号进入接收机前进行放大等。这些功能的实现都需要放大器。-目前已实现的用于光纤通信的光放大器有半导体激光放大器，利用受激拉曼散射和受激布里渊散射的非线性光纤放大器和掺杂光纤放大器。 综合比较这三种光放大器的增益、耦合损耗、噪声及稳定性指标，掺杂光纤放大器性能最为优良，所以掺杂光纤放大器在光纤通信中起着十分重要的作用。掺铒光纤-掺铒光纤是一种向常规传输光纤的石英玻璃基质中掺入微量铒元素的特种光纤，它是一种主动光纤，如图5-1所示。 掺入铒元素的目的是， 促成被动的传输光纤转变为具有放大能力的主动光纤。由此可知，这种光纤的新特性-激光特性、光放大特性等与铒离子的性质密切相关。铒光纤放大器（EDFA：Erbium-Doped Fiber Amplifier）是目前性能最完美，技术最成熟，应用最广泛的光放大器。与其他类型的光放大器相比， EDFA具有高增益、低噪声，对偏振不敏感等优点，能放大不同速率和调制方式的信号，并具有几十纳米的放大带宽。 正是由于其近于完美的特性和半导体泵浦源的使用，EDFA给1.55 m窗口的光纤通信带来了一场革命。掺铒光纤放大器 小结一、掺铒光纤- -掺铒光纤是一种向常规传输光纤的石英玻璃基质中掺入微量铒元素的特种光纤。掺入铒元素的目的，是促成被动的传输光纤转变为具有光放大能力的主动光纤。光放大的特性主要由掺铒元素决定。二、掺铒光纤放大器的工作原理-掺铒光纤放大器主要由一段掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器及光隔离器等构成。采用掺铒单模光纤作为增益物质，在泵浦光激发下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。泵浦光和信号光一起通过光耦合器注入掺铒光纤；光隔离器作用是只允许光单向传输，用于隔离反馈光信号，提高稳定性。三、掺铒光纤放大器的光路结构1、前向（同向）泵浦掺铒光纤放大器-前向（同向）泵浦掺铒光纤放大器，表示信号光和泵浦光同向进入掺铒光纤。光隔离器用于隔离反馈光信号，提高稳定性。这种结构噪声特性较好。2、后向（反向）泵浦掺铒光纤放大器-后向（反向）泵浦掺铒光纤放大器，表示信号光和泵浦光从两个不同方向进入掺铒光纤。这种结构具有较高的输出信号功率，但噪声特性较差。3、双向泵浦掺铒光纤放大器-双向泵浦掺铒光纤放大器，表示两个泵浦光从两个相反方向进入掺铒光纤。这种结构具有的输出信号功率最高，噪声特性也不差。四、EDFA有三种基本的应用方式在光纤通信系统中，EDFA有三种基本的应用方式，分别是分别是功率放大器、前置放大器和在线放大器。它们对发放大器性能有不同的要求，功放要求输出功率大，前放对噪声性能要求高，而线放须两者兼顾。（一）掺铒光纤放大器 习题1、什么是掺铒光纤？2、掺铒光纤光放大的特性取决于什么？3、在掺铒光纤放大器中，泵浦光源的作用是什么？4、掺铒光纤在1536nm波长处的激光过程属于几能级激光系统？5、掺铒光纤放大器由几部分组成？6、分析掺铒光纤放大器的工作原理。7、EDFA有三种基本的应用方式，分别是什么？8、画出前向（同向）泵浦掺铒光纤放大器的结构图，并说明其特点。9、画出后向（反向）泵浦掺铒光纤放大器的结构图，并说明其特点。10、画出双向泵浦掺铒光纤放大器的结构图，并说明其特点。（二）单元测试 (单项选择题）1 掺铒光纤的激光特性： 1主要由起主介质作用的石英光纤决定； 2主要由掺铒元素决定； 3 主要由泵浦光源决定； 4主要由入射光的工作波长决定。2 掺铒光纤放大器采用： 1石英光纤作为增益介质；2 掺铒离子单模光纤作为增益介质；3掺铒离子作为增益介质； 4泵浦光源作为增益介质。3 在掺铒光纤放大器中，泵浦光源的作用是： 1与入射光叠加产生光的放大； 2产生粒子数反转； 3 作为增益介质，对光信号进行放大； 4实现受激辐射放大。4 掺铒光纤在1536nm波长处的激光过程属于： 1二能级激光系统；2 四能级激光系统；3三能级激光系统； 4多能级激光系统。5 对于掺铒光纤，使用如下波长的光源作为泵浦光，均能在1536nm波长上产生激光过程： 1只在980nm波长； 2只在980nm和530nm波长； 3 只在800nm和980nm波长； 4 可在800nm、980nm、1480nm和530nm等波长。6 掺铒光纤放大器由： 1一段掺铒光纤和泵浦光源组成；2 一段掺铒光纤、光耦合器以及光隔离器等组成；3一段掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器以及光隔离器等组成； 4泵浦光源、光耦合器以及光隔离器等组成。7 前向泵浦掺铒光纤放大器是： 1表示泵浦光比信号光稍前进入掺铒光纤； 2表示两个泵浦光从两个相同方向进入掺铒光纤； 3 表示信号光比泵浦光稍前进入掺铒光纤； 4表示信号光和泵浦光同向进入掺铒光纤。8 后向泵浦掺铒光纤放大器是： 1表示信号光比泵浦光稍后进入掺铒光纤；2 表示信号光和泵浦光从两个不同方向进入掺铒光纤；3表示泵浦光比信号光稍后进入掺铒光纤； 4表示两个泵浦光从两个相反方向进入掺铒光纤。9 双向泵浦掺铒光纤放大器是： 1表示信号光和泵浦光从两个相反方向进入掺铒光纤； 2表示两个泵浦光从两个相反方向进入掺铒光纤； 3 表示两个泵浦光从两个相同方向进入掺铒光纤； 4表示信号光和泵浦光从两个相同方向进入掺铒光纤。10 下面的掺铒光纤放大器，噪声特性较差是： 1前向泵浦掺铒光纤放大器；2双向泵浦掺铒光纤放大器；3后向泵浦掺铒光纤放大器； 4反射型泵浦掺铒光纤放大器。五、光发射机与光接收机- 光发射机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。- 光接收机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。光发射机与光接收机 小结一、光发射机- -光发射机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制， 成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。1、光波的调制-在光纤通信系统中，把随信息变化的电信号加到光载波上，使光载波按信息的变化而变化，这就是光波的调制。从调制方式与光源的关系上来分，强度调制的方法有两种：直接调制和外调制。从调制信号的形式来分，光调制又分为模拟调制和数字调制。2、直接调制-直接调制是用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源发出的光功率随信号而变化。光源直接调制的优点是简单、经济、容易实现，但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制。光纤通信中光源多采用直接调制方式。3、外调制-外调制一般是基于电光、磁光、声光效应，让光源输出的连续光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的调制。外调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统。4、模拟调制-模拟调制可分为两类，一类是利用模拟基带信号直接对光源进行调制；另一类采用连续或脉冲的射频波作副载波，模拟基带信号先对它进行调制，再用该已调制的副载波去调制光载波。由于模拟调制的调制速率较低，均使用直接调制方式。5、数字调制-数字调制主要指PCM脉码调制。先将连续的模拟信号进行抽样、量化、编码，转化成一组二进制脉冲代码，对光信号进行通断调制。 数字调制也可使用直接调制和外调制。二、光接收机光接收机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号， 经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。1、线性通道-由光电检测器、前置放大器、主放大器和均衡器构成的这部分电路，称为线性通道。在光接收机中，线性通道主要完成对信号的线性放大，以满足判决电平的要求。2、光接收机灵敏度- -光接收机的灵敏度是指满足给定信噪比指标的条件下，光接收机所需要的最小接收光功率（一）光发射机与光接收机 习题1、说明光发射机的组成及其功能。2、说明光接收机的组成及其功能。3、什么是光波的调制？4、什么是直接调制？5、什么是外调制？6、什么是模拟调制？7、什么是数字调制？8、线性通道是什么？9、光接收机灵敏度指的是什么？10、光接收机的主要质量指标是灵敏度，影响灵敏度的主要因素是什么？ （三）单元测试 (单项选择题）1 下面说法正确的是： 1光发射机是发射光功率的设备； 2 光发射机是发射光波信号的设备； 3 光发射机是实现光/电转换的光端机； 4光发射机是实现电/光转换的光端机。2 下面说法正确的是： 光接收机是实现电/光转换的光端机；光接收机是接收光信号的设备；光接收机是实现光/电转换的光端机；光接收机是接收光功率的设备。 3 光发射机的光源，一般采用： 1 半导体激光器LD和APD雪崩二极管； 2半导体激光器LD和PIN光电二极管； 3 半导体激光器LD、半导体发光二极管LED和半导体分布反馈激光器DFB； 4半导体发光二极管LED、APD雪崩二极管和半导体分布反馈激光器DFB。4光接收射机中常用的光电检测器是： 1PIN光电二极管和半导体激光二极管；2 半导体激光二极管和APD雪崩二极管； 3PIN光电二极管和APD雪崩二极管；4半导体发光二极管和APD雪崩二极管。5 发射机发射的光波波长应位于： 1光纤的0.40m1.80m波段； 2 光纤的最低损耗窗口，1.55m； 3 光纤的零色散波长1.31m； 4 光纤的三个低损耗窗口，即0.85m、1.31m和1.55m波段。 6 光接收机的主要质量指标是灵敏度，影响灵敏度的主要因素是： 1光接收机接收光信号的强弱； 2光接收机的放大器的倍数； 3光接收机的噪声； 4 光信号的噪声。7 由于光波是频率极高的电磁波，因而实施调制时： 1和电通信系统不一样，调制方法必须采用光强调制； 2和电通信系统一样，调制信号只能是基频信号，不可以是频带信号； 3 和电通信系统一样，调制信号可以是基频信号，也可以是频带信号； 4和电通信系统不一样，调制信号只能是基频信号，不可以是频带信号。8 下面说法正确的是： 1PIN光电二极管作为光检测器件时，使用简单，但灵敏度较低；2 APD雪崩二极管作为光检测器件时，使用简单，而且灵敏度高；3PIN光电二极管作为光检测器件时，使用复杂，而且灵敏度较低； 4APD雪崩二极管作为光检测器件时，使用复杂，而且灵敏度较低。9 作为模拟调制光发射机的光源，对模拟发射机的基本要求是： 1光源的输出功率应尽可能准确地随调制信号作非线性变化； 2光源的输出频率应尽可能与调制信号频率相同； 3 光源的输出功率应尽可能准确地随调制信号作线性变化； 4光源的输出频率应尽可能与调制信号频率接近。10 由于数字调制方式的调制信号是PCM脉冲，所以： 1光源的P-I曲线的非线性是主要应该考虑的问题；2 调制速率是数字调制电路主要应该考虑的问题；3调制信号是数字调制电路主要应该考虑的问题； 4光源的输出功率是数字调制电路主要应该考虑的问题。六、光纤通信系统-在前面几章中,我们介绍了光纤通信的传输媒介（光纤和光缆）、光源(LED、LD、DFB)以及光检测器（PIN、APD）等。把传媒介质和光通信器件组合起来，就构成光纤通信系统。光纤通信既可用于数字通信，也可用于模拟通信。光纤极宽的传输带宽以及高速的激光器和光检测器，非常适合高速率、大容量的数字通信。-在这一章中我们将介绍1.光纤通信系统的构成； 2模拟电视光纤传输系统； 3数字电视光纤传输系统； 4波分复用光纤通信系统。光纤通信系统的构成-目前，实用光纤通信系统组成框图如图8-1所示。如图示，光纤通信系统由以下五个部分组成。-（1）光发信机：光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。-（2） 光收信机：光收信机是实现光/电转换的光端机。 它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。-（3） 光纤或光缆：光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。-（4）中继器：中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲进行整形。-（5）光纤连接器、耦合器等无源器件：由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1Km)。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。 基带模拟电视光纤传输系统一 系统构成框图及主要技术指标-基带模拟视频信号光纤传输系统主要用于高质量的短程传输线路，他是模拟电视光纤传输最基本的传输形式，因此通过对系统的分析可以了解有关光纤传输系统的基本概念和基本理论。-系统构成框图如图7-2所示。最主要的技术指标是信噪比及非线性失真特性，高质量广播级的技术指标如下所示：图象信号：-S/N（采用统一加权网络）60dB-微分增益（DG） 1%-微分相位（DP） 1度-伴音信号：-S/N -61dB-非线性失真系数 1%数字电视光纤传输系统一 概述-数字信号在传输中具有抗干扰能力强，无噪声和失真积累，不受传输距离影响，能与多种信息业务兼容传输等优点，因而未来的电视必将从模拟电视过渡到数字电视，但目前由于现实条件的限制，仍以模拟电视为主。-数字电视信号是将模拟电视信号经过取样、 量化、 编码变成数字信号，经过频带压缩，使每路电视信号压缩至310Mb/s的码率后进行传输的，因而与一般的数字信号一样，采用同样的方式进行传输、 交换和处理。 数字电视光纤传输系统组成框图如图7-5所示。在发送端，将经过整形或码形变换处理的数字视频信号对光源进行强度调制，将电脉冲转换为光脉冲，送入光纤中传输。在接收端，通过光检测器将光脉冲转换为电脉冲，再经放大，均衡，判决，恢复为标准的数字脉冲信号。数字信号的传输过程与模拟信号相同，但由于所传输的是数字信号，因而有许多与模拟信号传输要求不同之处。 波分复用光纤通信系统-波分复用(WDM)是指在一根光纤上， 同时传输波长不同的多个光载波信号，而每一个光载波可以通过频分复用(FDM)或时分复用(TDM)方式，各自载荷多路模拟信号或多路数字信号。目前单模光纤的工作波长由两个，即1.3 、1.55 ， 这两个波长的低损耗区共约，相当的频带宽度，而每个激光管的带宽只有几埃到几十埃，因而，如一根光纤只传输一个光源的信号，那就只利用了这一巨大带宽的极小部分。采用波分复用方式可以充分的利用光纤具有丰富的频带资源，极大的增加光纤线路的通信容量。-波分复用光纤通信系统组成如图7-8所示，N个光发射机分别发射N个不同波长，经过光波分复用器WDM合到一起，耦合进单根光纤中传输。到接收端，经过具有光波长选择功能的解复用器DWDM，将不同波长的光信号分开，送到N个光接收机接收。光纤通信系统 小结 一、光纤通信系统- -光纤通信系统是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信系统。二、光纤通信系统的组成-光纤通信系统由光发信机、光收信机、光中继器、光纤连接器及耦合器的无源器件等五个部分组成。1、光发信机：-光发信机是实现电/光转换的光端机。 它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。2、光收信机：-光收信机是实现光/电转换的光端机。 它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。3、光纤或光缆：-光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。4、中继器：-中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。5、光纤连接器、耦合器等无源器件：-由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1Km)。 因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连 接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。（一）光纤通信系统 习题1、什么是光纤通信系统？2、光纤通信系统由以下哪几个部分组成？3、在光纤通信系统中，中继器的作用是什么？4、画出基带模拟视频信号光纤传输系统构成框图。5、