光纤传导技术知识要点.doc

1. 光纤通信的特点： 衰减低，频带宽，通信容量大 中继距离长 抗电磁干扰，保密性强 缆外径小，重量轻 资源丰富 抗腐蚀，不怕潮湿 施工，使用方便. 2. 光波通信系统已经发展了多少代？ 工作波段在0.85微米第一代光波系统 工作波段在1.31微米第二代光波系统 工作波段在1.55微米第三代光波系统 光放大器和频分与波分复用技术为特征的第四代 基于光孤子传输为基础的第五代光波系统 3. 最早是由谁提出可以通过光导纤维进行光通信? 1966年英籍华人高锟发表了一篇划时代的论文，开创了光纤通信的历史。 4. 全光网的概念？ 全光网络是光通信网络技术发展的最高阶段，要求信息流在网络中的传输始终以光的形式存在，而不需要经过光电、电光转换，也就是说信息从源结点到目的结点的传输过程始终在光域进行。 一般分为核心传输网、区域网和接入网3部分。其基本结构相似，都是由光传输系统、光放大器（OA）、光插分复用器（OADM）和光交叉连接设备（OXC）组成。 5.什么是光通信？ 所谓光通信是指信息以光信号的形式加以发送、传输及接收利用。目前主要的方式是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。 近代通信技术分为电通信和光通信两大类。电通信又分为有线通信和无线通信两种。光通信技术是当代通信技术发展的最高成就。 6. 光纤通信中的新技术 预测光通信容量可达40000Gb/s,目前我们实际只用了光纤巨大潜力的1/1000。为了充分发挥光纤的带宽潜力，克服光纤损耗及色散的影响、延长中继距离、扩大传输容量及降低成本，人们不断地开发新技术。主要有： 1)、光器件的集成化及模块化 提高速率与性能，简化结构，降低成本 2)、波分复用（WDM） 什么叫“波分复用”？所谓波分复用就是让不同波长的光信号同在一根光纤上传输而互不干扰。 因为目前光通信的光源在光通信的“窗口”上只占用了很窄的一部分，还有很大 的范围没有利用。如果利用多个波长适当错开的光源同时在一根光纤上传送各自携带 的信息，就可以大大增加所传输的信息容量。由于是用不同的波长传送各自的信息， 因此即使在同一根光纤上也不会相互干扰。在接收端转换成电信号时，可以独立地保 持每一个不同波长的光源所传送的信息。这种方式就叫做“波分复用”。 3)、光放大技术 由于光信号在光纤中传输时要受到损耗，因此每隔几十千米，就要设置“中继器”。它由光检测器、电信号放大器、判决再生电路、驱动器和光源等组成。 光 电 光 (电信号经过放大和再生) 随着光纤通信系统传输容量的增大，需要速率极高的电子器件。 能否去掉这种复杂的光电转换过程直接在光纤线路上对光信号进行放大，也就是用一个全光方式的放大器来代替现在的这种光 电 光型的再生中继器，即“光纤放大器” ？ 掺铒光纤放大器(EDFA)是利用在光纤中掺杂了稀土元素铒来实现光放大的。当用高能量的泵浦激光器激励掺饵光纤时，铒离子会发出频谱很宽的荧光带，这时光信号通过掺铒光纤时，荧光带的能量会转移到信号光上，使信号光得到增 强和放大。 掺铒光纤放大器的研制成功，使进入90年代的光纤通信容量又提高了一个数量级。这是光纤通信发展史的一个新的里程碑。 7、全光网 全光网络是光通信网络技术发展的最高阶段，它是一个应用灵活、可靠、性能稳定的网络，分为核心传输网、区域网和接入网3部分。其基本结构相似，都是由光传输系统、光放大器（OA）、光插分复用器（OADM）和光交叉连接设备（OXC）组成。 光传输系统由光源、传输介质（光纤）、光检测器组成。 它具有对信号的透明性，通过波长选择器件，实现路由选择。还具有可扩展性、可重构性和可操作性。 网络的上述性能要求信息流在网络中的传输始终以光的形式存在，而不需要经过光电、电光转换，也就是说信息从源结点到目的结点的传输过程始终在光域进行。 现在世界通信业务的90%需光纤传输，但是现阶段的光通信网络只不过是数据网和光传输网的结合，网络拓扑的模式没有改变，属于第二代通信网（第一代为纯电信网）。 为了和现在应用中的光通信网络相区别，我们把具有上述性能的光通信网络称为全光网。 8、光纤通信系统通常有几部分组成？ 收、发信电端机 光发送、接收机 传输光纤 具体有： 1）PCM电端机:是常规电通信的载波机、图像设备及计算机等终端设备。 对数字通信来说，信号在电端机内要进行A/D及D/A转换，变成数字信号。 2）光发送机 :电端机来的电信号经编码后调制光源，产生载有信息的光信号，完成电光(E/O)转换。 3）传输光纤或光缆 4）光接收机:接收的光信号由光检测器检测转换成电信号，然后放大解调，判决再生，送入电端机恢复出原信号。 5)在长途光纤通信系统中还须中继器。 光电光中继器 光放大器（目前常用的是EDFA) 9.数值孔径（NA） 反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能,即光纤捕捉光的能力。 意义：无论光源发射功率有多大，只有2i张角之内的光功率能被光纤接受传播。 大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。 10. 光缆的基本结构 光缆由缆芯、加强元件和外护层组成。 (1) 缆芯 缆芯由光纤芯线组成，它可分为单芯和多芯两种。 充实型 带状 单芯 多芯 管型 单位状二次涂覆光纤“Secondary Coated Optical Fiber”(SCOF).一次涂敷层是为了保护裸纤而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮树脂层，厚度一般为30150微米。套层又称二次涂覆或被覆层，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龙等材料。经过二次涂敷的裸光纤称为光纤芯线。 (2) 加强元件 光纤材料比较脆，容易断裂，为了使光缆便于承受 敷设安装时所加的外力等，因此在光缆中要加一根或多根加强元件位于中心或分散在四周。 加强元件的材料可用钢丝或非金属的纤维 增强塑料(FRP)等。 典型的海底光缆结构 :铠甲 (3) 护层 光缆的护层主要是对已经成缆的光纤芯线起保护作用， 避免由于外部机械力和环境影响造成对光纤的损坏。具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性。 内护层 护层 外护层 内护层：聚乙烯或者聚氯乙烯 外护层：根据敷设条件而定 典型的户外光缆结构 : 聚乙烯石油浆包装带1.温度特性 光纤在低温时，损耗随温度降低而增加，尤其时温度低于55C时，附加损耗急剧增加。 (dB/km) 附加损耗51015-10-20-30-40-50-60 温度（oC） 原因：构成光纤的各种材料的热胀冷缩效应。构成光纤的芯与包层的材料主要是二氧化硅， 其热膨胀系数很小，在温度降低时基本上不收缩，但涂覆材料及其他构件（如缓冲层及成缆 时用的加强元件）热膨胀系数较大，在低温区收缩比较严重。导致光纤产生弯曲形变。 实际中要求对光缆进行高低温循环试验，以检验光纤损耗是否达标。 2.机械特性 * 抗拉强度（抗张强度）是指光纤所能承受的最大张力值，超过此值，光纤就会断裂。 * 构成光纤的材料是SiO2 ，光纤的直径是125nm. * 光纤的抗张强度与涂覆层的厚度有关:拉丝过程中的裸光纤抗拉强度约为1020kg/mm ；若拉丝后立即涂覆，可达400 kg/mm 。当涂覆厚度为510微米时，为 330kg/mm ；涂覆厚度为100时,为30kg/mm 2。只有强度符合要求光纤才能用来成缆。 光纤的连接与光纤连接器 光纤与光纤的连接有两种：一种是永久性连接，另一种是活动连接。 1）永久性连接：通常采用高频电弧放电熔接的方法。 困难：高频电弧的温度控制和光纤的精确对接 -光纤的直径是125nm 激光器和光检测器的作用？ （2）活动连接：是通过光纤连接器来实现。 光纤连接器的作用 实现光纤与光纤之间的活动连接，可以实现系统中各设备之间、与仪表、与光纤之间的活动连接。 连接器的要求 损耗小，回波损耗大，多次插拔重复性好，互换性好，性能稳定，有足够的机械强度。大多用精密套筒来准直纤芯，以降低损耗。 12.光衰减器 当输入光功率超过某一范围时，为了使光接收机不产生失真，或为了满足光线路中某种测试的需要，就必须对输入光信号进行一定程度的衰减。 目前常用的光衰减器主要采用金属蒸发膜来吸收光能进行光衰减，衰减量的大小与膜的厚度成正比。 光衰减器可分为固定衰减器和可变衰减器两种。 衰减光功率的方法有：反射一部分光，吸收一部分光， 在空间遮挡一部分光，用偏振片选择光的偏振面等。 13、什么是光缆的温度特性和机械特性? 答: 光纤的温度特性是指光纤在低温下附加损耗随温度降低急剧增加的特性。此特性产生的原因是源于光纤与其他材料的膨胀系数的差别导致的热胀冷缩效应。 光纤的机械特性是指当光纤受到的张力超过它的抗张强度时，光纤将发生断裂的现象。其抗张强度与涂覆层厚度有直接关系。 14、几种光纤的特点 非色散位移光纤、色散位移光纤、 非零色散光纤、色散平坦光纤 均为单模光纤 几种光纤的比较： 常规光纤(G.652):工作波长1310nm，损耗较小，约 0.35dB/km,色散几乎为零。 色散位移光纤(DSF)：工作波长1550nm,损耗最小,通过加大光纤的波导色散实现材料色散和波导色散相互补偿在工作波长附近总色散为零(改变光纤的结构参数，以此加大波导色散)。只适合单信道系统(四波混频)。 非零色散光纤(NZDF)：工作波长在1.54-1.565m范围内，散和损耗都比较小，即可以实现超长距离传输又可以采用波分复用技术，是关于损耗和色散折中考虑的结果。 色散平坦光纤(DFF):工作波长范围为1.3-1.6m,色散和损耗都较小(改变光纤的折射率)，通过波分复用技术充分利用了光纤的有效带宽，发掘了光纤的潜力，是对NZDF的推广。 15、永久连接及活动连接器 采用高频电弧放电融接法 FC型螺丝扣连接、SC型轴向插拔矩外壳结构、ST型弹簧带键卡口结构 平面接触；PC型接触（球形端面接触）；APC型（精细抛光斜面接触，倾斜角8度） 16、分路器及耦合器（棱镜式、光纤式) T型耦合器和星型耦合器 22定向耦合器 特征参数：隔离度A；插入损耗L；分光比T 17、什么是3dB方向耦合器? 这是一种2*2的方向耦合器，其耦合度为3dB，即从端口1输入的光功率，被平均的分到两个出口2、3处，每个出口光功率为输入光功率的一半。-10log(1/2)=3.01dB 18、光隔离器的原理？ 光隔离器工作原理基于法拉第旋光效应，其工作物质具有大的旋光系数，工作物质前后端各放置一个相互垂直的偏振片以实现起偏与检偏。光信号通过工作物质单程引起的偏转角 为45度，这样双程产生的偏转角恰好为90度，从而避免了回波的通过，实现了隔离的目的。 19、试解释以下名词：MEMS；MZI；FBG；AOTF；EOTF；AWG MEMS是微机电系统 MZI是马赫-曾特干涉仪 FBG是光纤布拉格光栅 AOTF是声光可调滤波器 EOTF是点光可调滤波器 AWG是阵列波导光栅。 20、干涉滤光片型和FP型滤光片的联系和区别？ 共同点：均由两个高反射面构成，工作原理都是基于多光束干涉效应，FP腔也是半导体激光器的基本组成部分。 不同点：干涉滤光片是在一块介质片两边镀多层介质膜构成，而FP型滤波器是由两块镀有高反膜的介质片平行放置而成。前者固定间隙，因而中心波长仅能通过角度调谐而做微小的改变，后者可以通过改变间隙而作宽范围的中心波长调谐。 同质结与异质结 如果PN结是由同一种半导体材料构成的，P区、N区具有相同的带隙、接近相同的折射率（掺杂后折射率稍有变化，但很小），这种PN结称为同质结。 在同质结中，光发射在结的两边都可以发生，因此，发光不集中，强度低，需要较大的注入电流。器件工作时发热非常严重，必须在低温环境下工作，不可能在室温下连续工作。 为了克服同质结的缺点，需要加强结区的光波导作用及对载流子的限定作用，这时可以采用异质结结构。 所谓异质结，就是由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构成的PN结。 异质结可分为单异质结（SH）和双异质结（DH）。 异质结是利用不同折射率的材料来对光波进行限制，利用不同带隙的材料对载流子进行限制。 21. 边发光二极管的特点： 1). 减小光束发散，垂直于结平面方向发散角30左右。比面发光二极管光束窄，从侧面向光纤芯发射，易于光纤耦合 2). 相同注入电流下，有较小的载流子寿命，故比面发光二极管频率高(可达200MHz) 22.面发光二极管(SLED) 面发光二极管(SLED)即PN管面与发光面平行，SLED有如下特点：驱动电流较大，发光强度高，温度特性较好；但带宽较宽，单色性差。 与边发光二极管（ELED）结构上的区别： 1) 发光尺寸与光纤芯径相当，器件衬底腐蚀出小孔，插入光纤收集出光； 2).耦合效率由光纤数值孔NA径和LED与光纤距离决定； 3).在光纤末端放置透镜或形成球透镜以提高耦合效率。 23.面发光二极管典型结构： 1)双异质结生长在二极管顶部的n-GaAs衬底上，p-GaAs有源区厚度仅1-2m，与其两侧的n-GaAlAs和p-GaAlAs构成两个异质结，限制了有源区中载流子和光场的分布 2)有源层中产生的光发射穿过衬底耦合入光纤，由于衬底材料光吸收很大，用选择腐蚀的办法在正对有源区的部位形成一个凹坑，使光纤直接靠近有源区 3)在p+-GaAs一侧用SiO2掩模技术形成一个圆形的接触电极，从而限定了有源层中有源区的面积，其大小正好和纤芯面积相当 24、发光二极管(LED)的发光机理及特点 答:为电致发光。当PN结加上正向偏压时，PN结有源区注入的少数载流子与多数载流子复合而发光，发光过程是自发辐射。 特点：自发辐射，非阈值器件；单向导电；输出功率正比阈电流。 25、发光二极管(LED)类型有几种? 边发光二极管(ELED)、面发光二极管(SLED)、超辐射发光二级管(SLD)和高速发光二极管 26、直接带隙半导体与间接带隙半导体 答: 矢空间里若导带底和价带顶对应同一波矢位置,称为直接带隙材料。在直接带隙材料中，电子在价带和导带之间跃迁符合动量守恒条件，因此具有较大的跃迁几率。 在间接带隙材料中，电子在价带和导带之间跃迁不符合动量守恒条件，光子与电子的相互作用需要在声子的作用下才能完成，因此跃迁几率非常低。 所以间接带隙材料发光效率比较低，不适合于制作光源。 27、同质结、异质结和双异质结结构？ 答:PN结是由同一种半导体材料构成的，P区、N区具有相同的带隙、接近相同的折射率（掺杂后折射率稍有变化，但很小），这种PN结称为同质结。 异质结，就是由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构成的PN结。 28、边发射二极管ELED与面发射二极管SLED的区别 答:ELED光束发散相对较小，垂直于结平面方向发散角30左右。面发光二极管光束窄，从侧面向光纤芯发射，易于和光纤耦合。 SLED发光方向与pn结方向平行，发光为朗伯分布，发散角大，水平和垂直发散角都可达到120，与光纤的耦合效率低。 SLED一般在衬底腐蚀出小孔，插入光纤收集出光；通过在光纤末端放置透镜或形成球透镜以提高耦合效率。 光学谐振腔 在有源区实现粒子数反转以后，仍然不能产生激光。因为有源区内又自发辐射引起的初始光信号是无规则的，在其激励下发生的受激辐射是随机的，所辐射的光的位相、频率和传播方向等是不相关的。为了获得单色性和方向性都很好的激光，必须选择传播方向和频率一定的某一信号优先放大，而将其它频率的光信号加以抑制。 谐振腔对光束的作用 并非所有的光都满足谐振条件，只有某些频率的才能满足条件，实现光振荡。满足的条件是：L=k /2n, L为谐振腔长度，n为介质折射率，k为整数。 能够引起谐振的频率，仅仅是在原子发光的频率宽度范围内满足驻波条件的若干个频率。 光振荡的阈值条件 随着光振荡的获得，光能量的损失也随之出现要维持振荡并得到一定的激光输出，系统必须要满足的一定的能量条件。 激光的模式 (1) 纵模 谱线的频宽 原子从能级E2 向E1 跃迁产生辐射时，由于能级寿命、粒子碰撞和粒子热运动产生的多普勒效应等因素，所发射的谱线总有一定的宽度。光的单色性由表示 。 为什么激光有这么好的单色性？ 受激辐射的光在激光器两个反射镜间来回反射，使谐振 同时存在两个相向传播的光波，将发生干涉。 只有形成驻波的光才能实现振荡放大，产生激光： 2nl=k,k=1,2,3- n为谐振腔内介质的折射率，l为谐振腔的长度，k是纵模序 数。 相邻两个纵模的频率差 m称为纵模间隔: m= k+1 k=c/(2nl)纵模是等间隔分布的，m 是由腔长l决定的，与纵模序数无关。 频宽内的纵模的个数：N=/m N值决定激光器是单模激光器还是多模激光器。 (2)横模：由光的衍射效应产生。 29.实现粒子数反转的条件： 有实现粒子数反转的物质，即激活介质或增益介质。具有亚稳态。 从外界输入能量，使工作物质有尽可能多的粒子吸收能量后从低能级跃迁到高能级上。 30. 产生激光的基本条件： 有适合能级结构的工作物质。 有光学谐振腔，以维持光振荡