光纤通信考前整理.doc

自动功率控制（APC）电路：利用激光器谐振腔的后镜面发射的光作为反馈光信号，用光电二极管（PD）将光功率转换成光生电流，其输出的电信号馈送到一个低漂移的直流放大器A1和一个宽带交流放大器A2。A1的输出信号比例于激光器发射的平均光功率Pav，A2的输出信号送到峰值检波器，SD1和C3组成正峰值检波器，A3的输出信号比例于PmaxPav；SD2和C4组成负峰值检波器，A4的输出信号比例于PavPmin，即比例于光脉冲的幅度。A6作为电流源输出，控制调制电流的幅度，从而维持激光器输出光脉冲的幅度恒定。放大器A1和A4输出信号之差在A7形成。A7的输出信号比例于Pmin，A8作为电流源输出控制直流偏置电流I0，使I0跟随阈值的变化，从而使激光器总是偏置在最佳位置。由于激光器的阈值电流和外微分量子效率都会随温度和器件的老化而变化。因此，要精确控制激光器的输出功率，应从两个方面着手：第一，控制激光器的偏置电流，使其自动跟随阈值的变化，从而使激光器总是偏置在最佳的工作状态；第二，控制激光器调制脉冲电流的幅度，使其自动跟随外微分量子效率而变化，从而保持输出光脉冲信号的幅度恒定。自动增益控制（AGC）电路：140Mbit/s短波长光接收机中使用的AGC电路，包括放大器的自动增益控制和APD的雪崩增益的自动控制。主放大器的输出信号，经过峰值检波和AGC放大后，得到一个与主放输出信号的幅度成比例的直流信号，然后用此信号控制主放的增益和APD的偏置电压。为使增益控制级获得较好的高频特性，放大器采用分流式自动增益控制电路，经过适当的电路参数的调整，放大器电压增益的范围可达30dB。APD的反向偏压由稳压管WD1和WD2提供，在稳压管WD2上并有晶体管G4，其导通情况受AGC的信号控制。设稳压管WD1和WD2的稳压电压分别为V1和V2，那么在AGC信号控制下，APD的偏压可在V1+V2和V1之间变化，这连个电压相应的雪崩增益为opt和min。 为了使接收机达到最大的动态范围，在电路的设计上尽量使APD得雪崩增益的控制和放大器的电压增益的控制分别先后起作用。另一方面，由于APD的击穿电压随温度的升高而增加，若使用固定偏压，当温度变化时，雪崩增益会发生较大的变化，所以AGC电路的设计也尽量做到能在一定程度上补偿AGC的温度特性。为了达到这两个目的：控制方案可以这样选择，当APD工作在最高环境温度和最低接受光功率时，自动增益控制电路不起作用，APD被偏置在最灵敏的状态（具有最佳雪崩增益）；当环境温度降低时，AGC信号自动减小APD的偏置电压，以维持最佳的工作状态；当接收光功率较强时，AGC信号先降低APD的偏压，减小APD的雪崩增益，然后再控制放大器的电压增益。波分复用（WDM）系统：OM/OA表示光复用器/光功率放大器，OA/OD表示光前置放大器/光解复用器。OM/OA后的参考点MPI-S称为主通道接口的S点，OA/OD前的参考点MPI-R称为主通道接口的R点。 设计中应该注意的问题：（1）目标距离：ITU-T目前已规定不带线路放大器的4路、8路、16路WDM的目标距离为80km（长距离）、120km（甚长距离）和160km（超长距离）。若采用线路放大器，对于长距离应用，可采用5*80km（5个区段，每个区段的目标距离为80km、损耗为22dB）或8*80km；对于甚长距离应用，可采用3*120km（3个区段，每个区段的目标距离为120km、损耗为33dB）或5*120km。 （2）光监控信道：带线路放大器的WDM系统需要附加光监控信道，对光层进行监控和管理。光监控信道（OSC）的位置可以在EDFA的有用增益带宽内（称为带内OSC），也可以在EDFA的有用增益带宽外（称为带外OSC）。对于带外OSC，ITU-T倾向选择1510nm10nm波长，目前也允许使用1310nm或1480nm波长。 （3）中心频率及其偏差：ITU-T目前规定的各个信道的频率间隔必须为50GHz（0.4nm），100GHz（0.8nm）或其整数倍，参考频率为193.1GHz（1552.52nm）。目前广泛使用的8路WDM系统的波长为1549.321560.61nm，波长间隔为1.6nm。为了保证WDM系统的正常工作，各信道的波长必须足够稳定。对于信道间隔大于200GHz的系统，各个信道的偏差应小于信道间隔的1/5.对于信道间隔为50GHz或100GHz的系统，特别是多区段系统，则需要更严格的偏差要求，并使用更精确的波长稳定技术。 （4）考虑非线性光学效应的影响：受激喇曼散射、受激布里渊散射，四波混频、自相位调制、交叉相位调制等非线性光学效应对WDM系统的影响不能忽略。为了尽量减少非线性光学效应的影响，系统设计时应注意以下几点：1、避免使用色散位移光纤（G.653光纤），对于速率为2.5Gbit/s及低于2.5Gbit/s的系统，可采用G.652光纤，需要时进行色散补偿；对于10Gbit/s及其以上的系统，可采用G。655光纤或大有效面积非零色散光纤。2、光纤中的总功率一般不超过+17dBm。假设有M路波分复用，则每路光功率电平一般不超过1710lgM。 （5）色散和ASE的积累：在采用级连EDFA的长距离WDM系统中，色散和放大的自发辐射（ASE）噪声会随传输距离的加大而积累，严重地影响光信号的质量。对于采用G.652光纤的高速率系统，需要尽量减小光源的谱线宽度，并选用某种色散容纳技术来补偿光纤的色散。区段的配置和EDFA的选择，应保证光信噪比（OSNR）大于20dB。 （6）增益均衡和控制：由于EDFA的增益不平坦或WDM器件和光纤对不同信道的损耗不同，会造成复用信道的功率差别较大。一般来说，整个链路上各信道的功率应小于10dB；另一方面，当复用信道数变化时，EDFA的增益也会发生变化，影响系统的正常工作。因此，对EDFA进行增益均衡和控制是需要的。光时分复用（OTDM）技术：超短脉冲光源作为整个系统的光源，经过光分路器分成N束，各支路电信号被调制在其产生的超短光脉冲上（E/O变换）。超短脉冲光源必须是稳定的、低抖动的、没有或极低啁啾的。它可以利用增益开关DFB激光器和色散管理的孤子压缩技术产生，也可以用半导体锁模激光器产生，脉宽窄到数十或数百飞秒量级。各支路信号被调制到各束超短光脉冲上后，通过光延迟线阵列。该延迟线阵列的第一路延迟时间为0，第二路延迟时间为T（线路码一个比特持续的时间），第三路延迟时间为2T，.，依次类推，第n路延迟时间为（n1）T，从而使各支路光脉冲精确地按予定要求在时间上错开，再经过光耦合器将这些支路光脉冲串复用在一起时，便完成了在时域上的比特间插复用。在接收端，首先要恢复光时钟信号，国际上已用多种方法来恢复光时钟，这里简介两种方法。一种是利用锁模激光器的光注入锁定的方法，即将入射光信号注入半导体外腔激光器或光纤环激光器中，引入幅度或相位调制而产生锁模，可在接收端全光恢复位时钟或帧时钟。另一种是电光锁相环法，在接收端由一个压控振荡器驱动一个本地超短光脉冲源产生本地光时钟，再用比特相位比较器将本地光时钟与入射光比特流锁定。1、 光纤的结构：光纤主要由纤芯、包层和涂覆层结构。定义光纤的数值孔径为NA=（n1为纤芯的折射率，n2为包层的折射率），数值孔径表示光纤的集光能力。2、 光纤的损耗和色散是光纤的两个主要的传输特性。光纤的损耗分为两种情况，一是石英光纤的固有损耗机理，而是由于材料和工艺所引起的非固有损耗机理。损耗的降低依赖于工艺的提高和对石英材料的研究。损耗产生的原因：1）纤芯和包层物质的吸收损耗；2）纤芯和包层材料的散射损耗；3）由于光纤表面的随机畸变或粗糙所产生的波导散射损耗；4）光纤弯曲所产生的辐射损耗5）外套损耗。低损耗窗口：0.85um，1.3um，1.55um 光纤的色散可分为模式色散、材料色散、波导色散和偏振模色散。1）多磨光纤中各模式在同一频率下有不同的群速度，因而形成模式色散。适当地选取光纤折射率的分布形式，使g去最佳值，可是使所有模式的群速度几乎相等，从而大大减小模式色散；2）材料色散是石英的折射率随波长而变所引起的；3）波导色散是模式本身的色散，对光纤的某个模式，在不同的频率下，由于群速不同，故引起色散。4）偏振模色散是由于沿两个不同偏振方向传输的统一模式的群时延差所造成的。3、 单模光纤：结构是多层结构，有三种不同类型。采用内包层的作用：（1）减小基膜的损耗（2）得到纤芯半径较大的单模光纤。4、 半导体中电子的统计分布：根据费米-狄拉克统计，可以画出各种半导体中电子的统计分布。图a表示本征半导体，在低温下，费米能级处于禁带的中心，价带中所有的状态都由电子（浓黑的点）填充，而导带中所有的状态都空着。图b，对于重掺杂的P型半导体，杂质能带和价带连成一片，费米能级进入价带。费米能级进入价带的半导体称为兼并型P型半导体。图c，在兼并型N型半导体中，施主杂质能带和导带连成一片，费米能级进入导带。图d表示双兼并型半导体，这是一种非热平衡状态下的情况，因而用两种费米能级来表征载流子的统计分布。在价带中，载流子的统计分布与兼并型P型半导体的分布相似，而导带中则与兼并型N型半导体的情况类似，形成了一个粒子数反转的区域。双兼并型半导体对应着结型半导体激光器激光放大的区域。5、 F-P腔激光器的结构与分类：按照垂直于PN结方向的结构的不同，可分为同质结激光器、单异质结激光器、双异质结激光器和量子阱激光器。按照平行于PN结方向的结构的不同，分为宽面激光器和条形激光器，条形激光器又分为台面、平面和隐埋条形激光器，平面条形激光器又可分为SiO2、质子轰击、Zn扩散条形激光器。6、 分布反馈激光器（DFB）：结构特点：激光振荡不是由反射镜面来提供，而是由折射率周期性变化的波纹结构来提供，即在有源区的一侧生长波纹光栅。基本工作原理可以用布喇格反射来说明。优点：单纵模振荡；谱线窄，波长稳定性好；动态谱线好；线性度好。性质：阈值性质；半导体激光器的效率；半导体激光器的温度特性。7、 光接收机：发射机发射的光信号，在光纤中传输时，不仅幅度呗衰减，而且脉冲的波形被展宽。光接收机的作用，是探测经过传输的微弱光信号，并放大、再生成原传输的信号。在接收端采用直接检测（DD）方式。在光接收机中，首先需要光信号转换成电信号，即对光进行解调，这个过程是由光电检测器来完成的。光电检测器把光信号转换成电流信号送入前置放大器。前置放大器的噪声对整个放大器的输出噪声影响甚大，因此它应是低噪声放大器。主放大器的作用除提供足够的增益外，还受AGC电路控制，传输出信号的幅度在一定的范围内不受输出信号幅度的影响。均衡滤波器的作用是保证判决时不存在码间干扰。判决器和时钟恢复电路对信号进行再生。如果在发射端进行了线路编码（或扰乱），那么在接收端需要有相应的译码电路。光接收机最主要的性能指标是接受几灵敏度。灵敏度主要取决于光电检测器的响应度以及检测器和放大器引入的噪声。噪声的分析和灵敏度的计算是重点讨论的问题。8、 光电二极管的波长响应：对于Si材料制作的光电二极管，c=1.06um，即对于Si来说，1.06um以上的检测不到；对Ge材料制作的光电二极管，c=1.6um。Si光电二极管的波长响应范围大约为0.51.0um，Ge和InGaAs光电二极管的波长响应范围为1.11.6um。9、 光电二极管的另一重要参数是响应速度，常用响应时间来表示。影响响应速度的主要因素有：光电二极管和它的负载电阻的RC时间常数；载流子在耗尽区里的渡越时间；耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟。10、 眼图分析法：观察码间干扰是否存在的最直观、最简单的方法。眼图就是随机信号在反复扫描的过程中叠加在一起的综合反映。眼图的垂直张开度表示系统抵抗噪声的能力，也称为信噪比边际，水平张开度反映过门限失真量的大小，水平张开度的减小会导致提取出的时钟信号的抖动的增加。眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响。观测眼图的张开度就可以估计出码间干扰的大小。眼睛大，噪声小。11、 接收机的动态范围：表示接收机接收强光信号的能力，是指在保证接收机正常工作的前提下，所允许的接收光功率的变化范围，最小过载点和灵敏度之差为动态范围。扩大接收机的动态范围的方法：一是对主放大器进行自动增益控制（AGC），二是对APD的雪崩增益进行控制。放大器电压增益的控制方式：一种是改变放大器本身的参数，使增益发生变化，一种是放大器级间插入可变衰减器，控制衰减量，使增益发生变化。12、 常用光线路码型分为三类：扰码二进制、字变换码、插入型码。13、 数字光纤通信系统中的辅助系统：（1）监控管理系统 ：应能对光纤通信设备进行故障管理、性能管理、配置管理和安全管理。（2）告警处理系统分为即时维护告警和延时维护告警，即时告警包括机内电源异常、发无光、收无光、PCM输入此你好中断、帧失步延时告警包括公务通信故障、上游发AIS信号。14、 数字系列各等级复接示意图（进行填空）15、 光纤通信系统的总体设计：（1）总体考虑：选择路由，设置局站；确定系统的制式、速率；光纤选型；选择合适的设备，核实设备的性能指标；对中继段进行功率和色散预算。（2）光纤种类的性能参数：模长直径；220m长跳线光缆截止波长；零色散波长；色散斜率；最大色散系数（1.3um和1.5um波段）；对中继段进行功率和色散预算（3）设计方法：最坏值设计法，可靠性好但成本高；半系统设计方法；统计设计法，成本低，代价是付出可靠性。16、 EDFA的结构：分为同向泵浦，反向泵浦和双泵结构。在980nm泵浦时，是一个三能级系统，泵浦效率高，噪声大；在1480nm泵浦时是准二能级系统，泵浦效率低，噪声小。17、 EDFA的级连方式：分为三种，第一种是所谓的“自愈”方式，即对每级增益不做专门的控制；第二种是保证每级EDFA输出功率恒定；第三种是保持每级EDFA的增益恰好抵消级间损耗。对于级联方式2和3，在发射机输出端都有一EDFA作功率放大器，在方式1中则