光纤通信原理及应用

光纤通信原理及应用第一章绪论1、光纤之父——英籍华人高锟2、光纤通信系统的组成及优点。信方式相比，光纤通信的优点如下：1）串扰小，信号传输光原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。第二章光纤与光缆1、自相位调制：是光信号强度随时间的变化而对自身相位的作用而引起的。一个脉冲的边沿表示一个2、四波混频：是指两个或三个不同波长的光波混合后产生的新光波。在系统中，某与波长的入射光会改变光纤的折射率，从而在不同的频率处发生相位调制，产生新的波长。第三章有源光器件及设备1、LED基本原理：发光二极管PN结在激活区中载流子的复合发出自发辐射的光，因此D的出射光是一种非相互光，其谱线较宽，辐射角也较大。在低速率的数字通信和较窄的驱动电路较为简单，并且产量高、成本低。2LD基本原理：半导体激光器发光利用的是受激辐射原理。受激辐射发光现象是：处于粒子数反转分不仅波长相同而且相位、方向也相同。这样，由弱的入射光激励而得到了强的出射光，起到了光放大作用。3、PN结基本原理：外加正向偏压将NPPN结，实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质结为激活区1的反射镜中输出，这就是经受激辐射放大的光。即PN结半导体激光器产生激光输出的工作原理4、PIN基本原理：当光从P区一侧入射，则光能量在被吸收的同时仍继续向N区一侧延伸吸收，在经过耗尽层时，由于吸收光子能量，电子从价带被激励到导带而产生电子空穴对（即光生载流子N型区和P型区相互逆方向作漂移运动，并形成电流。然而，在耗尽层以外的区域因为没有电场作用，所以由光电效应产生的电子空穴对，在扩散运动中相遇发生复合，从而消失。不过在扩散运动过程中，也有些扩散距离长的电子空穴将进入耗尽层，在耗尽层和空间电场的作用下进入对方区域。于是在P区和N5APDPNPN——空穴对。新的载流子与原来的载流子一起再被强电场加速，再次发生碰撞电离而获得新的载流子，如此重复进行，使强电场区域的载流子成倍增加，而产生雪崩现象（即雪崩倍增效应，形成倍增的电流。6、声光调制：声和光的相互作用是声光调制的物理基础，这种作用表现为光波被介质中超声波衍射或散射，都随超声波场变化，结果使光波受到调制。第四章光无源器件实用型隔离器的原理：正向传输过程，具有任意偏振状态的入射光首先通过SWP

，SWP

将入射光分解为水平1 1和垂直的两个正交偏振分量，且让垂直分量直线通过，而水平分量偏折通过。两个分量都要通过法拉第旋转器和半波片，其偏振态都要顺时针旋转90°，使垂直偏振光变成水平偏振光，使水平偏振光变成垂直偏振光，最后由SWP2把两个分量的光合在一起输出，即完成正向无损传输。反向传输过程，具有任意偏振态的入射光首先通过SWP2，SWP2将入射光分解为水平和垂直的两个正交偏振分量，且让垂直分量直线通过，而水平分量偏折通过。由于半波片的作用，两个分量的偏振态都逆时针旋转45°，然后通过法拉第旋转器时，其偏振态又都要顺时针旋转45°法拉第旋转器后，其偏振态又转回原态，偏振态维持不变，在输出端不能被SWP1再组合在一起，于是实现了反射的隔离。第五章光纤放大器1、掺杂光纤中电子能级跃迁时对应着三种过程：电子由下能级向上能级跃迁，对应着光的吸收过程；由上能激光发射效率降低，信噪比劣化。因此在作为光纤激光器或放大器使用时，应采取措施避免ESA的发生。2、掺铒光纤放大器的工作原理：在掺铒光钎中，铒离子有三个工作能级：能量最低的称为基态，记作E1；处于中间能级的为亚稳态，记作E2

。在自然状态下，Er

处在最低能级上，当用泵浦光源的激光不断地激发光纤时，处于基态的粒子获得了能量就会向高能级跃迁，即由E1跃迁到E

，由于粒子在高能级上是不稳定的，它3将迅速以无辐射过程跃迁至亚稳态级上。粒子在亚稳态级上相对有较长的存活寿命，由于泵浦光源不断地激发，E1E=E2E1=hf的光信号，则亚稳态E2上的粒子将以受激辐射的形成跃迁到基态得的直接放大。第六章光纤通信系统1、相干检测原理：在相干光通信系统传输的信号可以是模拟信号，也可以是数字信号。光接收机接收的信号wIF=wS-wL的中频输出电信号，若wIF≠0wIF=0，则称为零差检测。2、光孤子的形成机理：如果光场很强，则光纤的特征参数将随光场呈非线性变化。光纤群速度色散（GVD）会变窄。光纤群速度色散和自相位调制达到平衡，则使光脉冲在传播中保持形状不变，即形成“”在光纤中长距离传输即实现了超大容量超长距离传输的光孤子通信系统。第七章光复用技术在接收端，再由另一波分复用器将这些不同信号的光载波分开。第八章光交换技术1SEEDPINI层是一MQWSEED的输入光SEEDSEEDSEED二极管处于最大吸收态，另一个处于最小吸收态，每一个SEED二极管相当于一个双稳器件。2、码分光交换：光码分复用是一种扩频通信技术，不同用户的信号用互成正交的不同码序列来填充，这样经就是将某个正交码上的光信号交换到另一个正交码上，实现不同码字之间的交换。计算题1n11

1.51n2

1.45a6m1.3m。NA和浸入水中（n0

1.33）的最大接收角。2n2n2121.5121.452解：数值孔径NA2n2n2121.5121.452c 1

0.4214见右图，由折射定律可得nsinn

sin （1）nsin90n1

sin

（2）要使光波能在光纤中传输，右图中的A点必须满足全反射条件。因此，当90时，式（2）变为ncos 2

（3）n1n2n2n212sin n

（4）0将题中已知参量代入式，得到n2nn2n212sin n0

0.31691.33arcsin0.3169即光从水中入射到光纤输入端面的光纤最大接收角为arcsin0.3169。2、有单模光纤，其截止波长为1.4m，芯包折射率分别为n21

1.465，n2

1.46，计算它的纤芯半径及波长分别为0.85m时的模式数。解：由Vkna01

，k 20 20

可知：a

V V

2.4051.4

4.43m0001 100kn kn 2n2n21223.14 1.46521.4622波长为时，由Vkna 2012n2n22n2n2121.46521.462Vkna01

a0

4.430.85

3.96即波长为0.85m时，模式数为3.96。3、已知，在一阶跃型光纤中，n1

1.50，n2

1.45。求经过20km后，光纤的最大延时差。nL

nL L 20103 解：1 11)1 (NA)2 1.5021.452 3.28106sc n c 2nc 21.5031082 14、设光电二级管的截止波长1.6m，求产生光电效应所需的最小光子能量E。hc 6.62610343108解：EEg

1.2410-19J 1.61065、已知1.3m，响应度0.6A/WPIN管的量子效率。I epP hfI解：量子效率 I epP hfIP

hfhc0.6 6.62610343108 0.57 e e 1.60210191.310 in in6SiPIN0.8，波长0.85m，求其响应度。解：响应度

e

e

0.85

0.55hf hc 1.24 1.247、已测得某光纤输入功率为Pi

80W，传输10kmPo

56W，求衰减系数。解：衰减系数

lgi10 10 o

0lg8010 568/km5对平均每个接头损耗为0.2dB，光源入纤功率为3dB，接收机灵敏度为56dB，求最大中继距离是多少？解：平均发射光功率Pt

3dB Pr

56dB Pd

0dB 系统余量Me

0dB光纤损耗系数 /km 连接损耗系数 0.4dBf c

每千米平均接头损耗 0dBs每千米光纤损耗余量m

0dBrPL trP

PMc