光纤通信技术期末复习提纲

光纤通信技术期末复习提纲

一，第一章：绪论

1.光纤通信基本概念

光纤通信是指利用 相干性和方向性极好的激光作为载波（光载波） 来携带信息，并利用 光导纤维（光纤） 进行传输的通信方式。

2.光纤通信的主要特点

(1)优点

• 1.频带宽，传输容量大
• 2.损耗小，中继距离长
• 3.重量轻，体积小
• 4.抗电磁干扰性能好
• 5.泄露小，保密性好

(2)缺点

• 1.光纤质地脆，机械强度差
• 2.光纤的切断和续接难度大
• 3.分路，耦合不灵活

3.光纤通信的三个低损耗窗口

850nm，1310nm，1550nm

二.第二章：光纤光缆技术

1.光纤的结构

• 1.纤芯：高纯度二氧化硅，掺杂少量磷或锗以提高折射率n1，作用为传输光信号
• 2.包层：高纯度二氧化硅，少量掺杂剂适当降低折射率n2，作用为提供反射面和光隔离，并有一定机械保护作用，使光信号封闭在纤芯中传输。
• 3.涂覆层：作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，延长光纤寿命。
  

2.光纤的相对折射率Δ

相对折射率Δ公式：
$$\Delta =\frac{(n_1^2-n_2^2)}{2n_1^2}\approx \frac{(n_1-n_2)}{n_1}$$
相对折射率物理意义：相对折射率Δ越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息的传输容量越小。

3.光纤的分类

(1)按折射率分

• 阶跃型光纤(SIF)
• 渐变型光纤(GIF)

(2)按传输模式分

• 多模光纤：光纤的几何尺寸（纤芯直径d1）远大于光波波长
• 单模光纤：光纤的几何尺寸（纤芯直径d1）较小，与光波波长在同一数量级

4.数值孔径NA

数值孔径NA计算公式：
$$N_A=n_1\sqrt{2\Delta }=\sqrt{n_1^2-n_2^2}$$
数值孔径物理意义：NA表示光纤接收和传输光的能力，NA越大，接收光的能力越强，耦合率越高，抗弯曲性能越好。

5.时延Δτ

单位距离时延Δτ：
$$\Delta \tau =\frac{n_1\Delta }{c}$$
总时延τs：
$${\tau }_s=\frac{n_1\Delta L}{c}(L为传输距离)$$

6.归一化频率V

归一化频率V计算公式：
$$V=\frac{2\pi a}{\lambda }{N}_A=\frac{2\pi a}{\lambda }{n}_1\sqrt{2\Delta }$$

7.传输模式及模的数量

当V<2.40483时，光纤单模传输
当V>2.40483时，光纤多模传输
当光纤为阶跃型光纤时，模式最大数量为：
$$M=\frac{V^2}{2}$$
当光纤为渐变型光纤时，模式最大数量为：
$$M=\frac{V^2}{4}$$

8.截止波长

截止波长λ计算公式：
$${\lambda }_c=\frac{2\pi a}{V_c}{N}_A$$

9.光纤的传输特性

(1)损耗特性(限制传输距离）

• 吸收损耗
• 散射损耗
• 弯曲损耗

衰减系数α：
$$\alpha =-10lg\frac{p_o}{p_i}(dB/km)$$
衰减系数表示光在单位长度光纤中传输时的衰耗量。

(2)色散特性(限制系统容量）

• 模式色散
• 材料色散
• 波导色散
• 偏振色散

一般色散的计算：
$$\Delta \tau =\sqrt{\Delta {\tau }_n^2+\Delta {\tau }_m^2+\Delta {\tau }_w^2}$$
$$\Delta {\tau }_n为模式色散\Delta {\tau }_m为材料色散\Delta {\tau }_w为波导色散$$

三.第三章：光源与光发射系统

1.激光器的基本组成与工作原理

（1）三个部分

• 能够产生激光的工作物质(激活物之/增益物质）
• 泵浦源：外加正向偏压
• 光学谐振腔：具有选择和反馈作用

（2）两个条件

• 光的增益和损耗应满足平衡条件，即阈值条件
• 谐振腔中的光往复反射得到增强应满足相位平衡条件

2.形成激光的五个条件

• (1)受激辐射占主导地位
• (2)实现粒子数的反转分布
• (3)亚稳态分布
• (4)光学谐振腔
• (5)增益大于损耗

3.半导体激光器的工作特性

• （1）阈值特性
• （2）光谱特性
• （3）温度特性
• （4）电光转换效率

4.半导体激光器与发光二极管的比较

• 半导体激光器的工作原理是受激辐射，发光二极管的工作原理是自发辐射
• 发光二极管是无阈值器件，不需要实现粒子数反转分布，而半导体激光器需要满足阈值电流条件
• 发光二极管中无光学谐振腔
• 半导体激光器产生的是相干的激光，发光二极管产生的是非相干的荧光

5.光发射机的组成

• (1)输入电路
• (2)驱动电路
• (3)光源
• (4)控制电路

四.第四章：光探测器与光接收系统

1.光电效应

光电效应定义：在入射光的照射下，材料的电学性质发生了变化的现象
PN结中的光电效应：入射光照射PN结中性区，由于受激吸收作用产生光生载流子对，由于内电场的作用发生漂移运动，电子流向N区，空穴流向P区，形成漂移电流。部分电子和光子由于浓度差的原因发生扩散运动进入耗尽区，然后因为内电场的作用形成与漂移电流同方向的扩散电流。光生电流为漂移电流和扩散电流之和。
通常给PN结施加反向电压以提高转换效率

2.PIN光电二极管

(1)工作原理

光电效应：漂移运动（主导）+扩散运动
增大耗尽层宽度，使光生电流中的漂移电流占主导地位，以增加响应速度

(2)主要特性

• 量子效率η：表征微观灵敏特性，通过结区载流子数与入射光子数之比
  $$\eta =\frac{I_p/e}{P/hv}$$
• 响应度ρ：表征宏观灵敏特性，平均入射电流与入射光功率之比
  $$\rho =I_p/P=\frac{\eta e}{hf}=\frac{\eta \lambda }{1.24}$$
• 响应时间：渡越时间+扩散时间+光电检测电路
• 噪声：散粒噪声（量子噪声+暗电流噪声），热噪声

3.光接收机的灵敏度Pr

定义：在保证通信质量的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pr，单位dBm
公式： P r = 10 l g [ < P > m i n ( w ) 1 0 − 3 ] ( d B m ) P_r=10lg[\frac{

_{min}(w)}{10^{-3}}](dBm) Pr​=10lg[10−3<P>min​(w)​](dBm)

4.光接收机的动态范围DR

定义：在限定误码率的条件下，光接收机所能承受的最大平均接收光功率和所需的最小平均接收光功率的比值，单位dB
公式： D R = 10 l g < P > m a x < P > m i n ( d B ) DR=10lg\frac{

_{max}}{

_{min}}(dB) DR=10lg<P>min​<P>max​​(dB)
$$接收机动态范围一般应大于15dB$$

例题：已知某光端机的接收灵敏度为-40dBm,动态范围为25dB，若光接收机功率为1μW，问系统能否正常工作?
P r = P r = 10 l g [ < P > m i n ( w ) 1 0 − 3 ] ( d B m ) = − 40 d B m P_r= P_r=10lg[\frac{

_{min}(w)}{10^{-3}}](dBm)=-40dBm Pr​=Pr​=10lg[10−3<P>min​(w)​](dBm)=−40dBm
$$解得P_{min}=1\ast 10^{-7}w<1\mu w故最小接收功率符合要求$$
$$P_{max}=-40dBm+25dB=-15dBm=1\ast 10^{-4.5}$$
$$所以P_{max}>P>P_{min}可以正常工作$$

5.光接收机的组成

• 1.光电检测器：作用是将接收的光信号转换成电信号（一般是PIN光电二极管或ADP雪崩二极管）
• 2.前置放大器：作用是改善信噪比，降低误码率
• 3.功率放大器：作用是提高信号电平，以达到抽样判决的判决门限
• 4.均衡滤波器：利用低通滤波器将信号波形变换成无码间干扰的信号波形（消除码间干扰）
• 5.再生器：作用是将接收的信号恢复成标准数字信号
• 6.ACG电路：可根据输入信号大小自动调整放大器增益，使输出信号恒定。作用是扩大接收机动态范围

五.第五章：光纤通信中的无源光器件

分类及作用

• 光连接器：将两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间可拆卸连接的器件
• 光纤耦合器：功能是将一个或多个输入光分配给多个或一个光输出，实现了输入光功率在不同输入端口的再分配。
• 光调制器：实现光信号的外调制
• 光开关：控制光路的通断
• 光纤光栅：WDM系统中用作复合和分离独立波长的器件
• 光衰减器：消除线路中过大的信号
• 光隔离器：光单向传输的非互易器件，置于光源后，抑制反射信号，防止后向传输光对系统影响
• 光环形器：等同于隔离器

六.第六章：光纤通信中的光放大器

1.光放大器的意义

光放大器的主要应用是促使了波分复用技术走向实用化
光放大器与再生中继器相比
优点：

• 系统设备简单，成本低
• 速率快，同时多路放大

缺点：

• 再生中继器信噪比高，而光放大器使光信号劣化

2.光放大器分类

• 半导体光放大器：单程增益无反射，受激辐射原理，没有反馈
• 掺杂光纤放大器：优点是增益高噪声低，输出功率高，频带宽
• 拉曼放大器：非线性器件，需要大功率泵浦源

3.掺铒光纤放大器EDFA

(1)工作原理

掺铒光纤放大器工作在1550nm的低损耗窗口，EDFA的工作原理基于受激辐射，需要受激吸收产生高能级与低能级之间的粒子数反转分布，然后由于受激辐射作用1550nm光信号通过EDFA时,亚稳态粒子以受激辐射的方式跃迁到基态，每一次跃迁产生与感应光子完全一样的光子，实现信号光不断放大。

(2)EDFA结构

• 掺铒光纤：实现输入光信号放大
• 泵浦光源：半导体激光器
• 耦合器：将信号光和泵浦光复合在一起
• 光隔离器：抑制光反射，防止光放大器自激，确保工作稳定
• 光滤波器：滤除光放大器的噪声，提高信噪比

前向泵浦结构：泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤，在掺铒光纤的输入端，泵浦光较强，增益系数大。但由于增益饱和使噪声增加。
反向泵浦结构：泵浦光与信号光从不同的方向输入掺铒光纤，不易达到噪声饱和，性能较好。
双向泵浦结构：采用多个泵浦光源从多个方向激励光纤，结合了前向泵浦和反向泵浦的优点，使增益分布均匀。

(3)优缺点

优点：

• 工作波长在1.5-1.6μm，与最小损耗窗口一致
• 与传输光纤的耦合损耗低
• 增益高，饱和输出功率达，增益特性与偏振态无关
• 噪声指数小，用于多信道传输时，隔离度大无串扰。
• 激励的泵浦光源功率低

缺点：

• 波长固定，只能当打1550nm附近的光波
• 增益带宽不平坦

4.光放大器的应用

1.功率放大器：后置放大，补偿损耗，提高发送光功率，延长传输距离。

2.前置放大器：提高接收机灵敏度。

3.线路放大器：中继放大器，用于长途通信。

七.第七章：光通信系统

1.中继距离的计算

最大中继距离取损耗与色散影响下的最小距离

(1)光纤衰减限制影响

计算公式：
$$L=\frac{P_T-P_{min}-n{\alpha }_c-(6-8)}{\alpha }$$
$$L为中继长度（km），P_T为入纤光功率（dBm），P_{min}为光接收机灵敏度（dBm）$$
$${\alpha }_c为一个光接头的损耗（dB），n为接头数，\alpha 为每千米衰减系数（dB/km）$$

(2)色散影响

计算公式：

$$L_D=\frac{\epsilon \times 10^6}{B\times \Delta \lambda \times D}$$
$$L_D为传输距离（km），B为线路码速率（Mbits/s），\Delta \lambda 为光谱宽度$$
$$D为色散系数,\epsilon 为与色散代价有关系数$$

2.SDH帧结构

• 净负荷：主要存放传送的信息码块，也存放管理，监视，控制的开销字节块。
• 段开销：保证信息净负荷正常灵活传送所必须附加的供网络运行，管理和维护使用的字节。
• 管理单元指针：用来指示信息净负荷第1个字节在帧内准确位置

速率：155.520Mbits/s