光纤通信复习题要点.doc

第一章光纤通信：侠义上说：利用光载波在光纤中传播信息的过程广义上说：是以光纤或由光纤组成的光传输网、光处理器件、光处理设备为基础，并采用相关技术来对光波信息进行传输和处理的过程，是光通信的一个组成部分光通信发展受阻的原因：1.光向四面八方散射时，光强减弱 2.不能通过障碍物高锟指出，如果把材料中金属离子含量的比重降低到10-6以下，光纤损耗就可以减小到 10 dB/km。再通过改进制造工艺，提高材料的均匀性，可进一步把光纤的损耗减少到几dB/km。光纤通信得以快速发展重要条件：1. 低损耗光纤 2. 光源（半导体激光器）全波光纤：能够在1260 1675nm整个范围内都可用来进行DWDM光纤通信的光纤就是全波光纤光纤通信发展的重要里程碑1. 低损耗光纤的研制成功 2. 连续振荡半导体激光器的研制成功光纤是一种玻璃丝，其材料是石英（SiO2），是通信网络中信息的优良传输介质光纤通信的发展趋势1. 光纤技术逐渐从骨干网向广域网和城域络发展2. 从低速系统向高速系统发展3.从陆地向海地发展4.从光传输电交换向网络的全光化发展5.向光纤技术和以太技术结合的方向发展光纤通信的优点：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. 泄漏小、保密性好6. 节约金属材料，有利于资源合理使用传统上，以服务范围把网络分为三类:(1) 局域网，服务范围 2 km ，如以太网，信令环和信令总线;(2) 城域网，服务范围 100 km，如电话本地交换网或者有线电视)分配系统;(3) 广域网络，服务范围可达数千公里，如开放系统互连国际网络等。三代网络技术比较1. 全电网络，第一代网络，节点用电缆互连在一起，电缆是一种窄带线路，它的容量有限；2. 电光网络，第二代网络，用一段段光纤取代电缆后构成的网络，现在正被广泛使用，因节点内仍是对电信号进行交换，所以称为电光网络3. 全光网络，第三代网络，所有节点被不间断的光缆连接起来，节点内只对光信号进行交换，这就是未来的第三代网络。网络接入技术： 1.xDSL 2.HFC 3.APON/EPON 4.AON光具有两种特性：1. 波动性 2. 粒子性第二章全反射条件：当入射角超过临界角（）时，没有透射光，只有反射光，这种现象叫全反射，这就是光纤波导传输原理。光缆：光缆由缆芯和护套两部分组成；实用光纤有多模光纤和单模光纤。如果光纤只支持一个传导模式，则称该光纤为单模光纤。相反，支持多个传导模式的光纤称为多模光纤。光纤传输电磁波的条件除满足光线在纤芯和包层界面上的全反射条件外，还需满足传输过程中的相干加强条件。引起光纤衰减的原因：是光纤对光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。吸收损耗是可以改善的。最小损耗在1.55mm波段内。色散：是由于不同成分的光信号在光纤中传输时，因群速度不同产生不同的时间延迟引起的一种物理效应。光信号分量包括发送信号调制和光源谱宽中的频率分量，以及光纤中的不同模式分量。如果信号是模拟调制，色散限制了带宽；如果信号是数字脉冲，色散使脉冲展宽，从而影响系统传输的比特速率和光纤带宽。多模光纤的色散主要由模式色散决定，单模光纤色散由色度色散决定。光纤色散种类：1.模式色散2. 色度色散3. 偏振模色散用数值孔径NA表示光线的最大入射角（时）NA表示光纤接收和传输光的能力。NA(或)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA越大，经光纤传输后产生的输出信号展宽越大，因而限制了信息传输容量。单模光纤的传输特性用衰减、色散和带宽表示。多模光纤有阶跃多模光纤和渐变多模光纤。单模光纤有G.652光纤、G.653光纤、G.654光纤、G.655光纤、全波光纤和色散补偿光纤。 G.652光纤是普通单模光纤，G.653光纤是色散移位光纤，G.654光纤是损耗最小光纤，G.655光纤是非零色散移位光纤，全波光纤是无水峰光纤，色散补偿光纤是具有负的大色散光纤。光时域反射计（OTDR）不仅可以测量光纤损耗系数和光纤长度，而且还可以测量连接器和熔接头的损耗，观测光纤沿线的均匀性和确定光纤故障点的位置，在工程上获得了广泛地使用。第三章连接器：是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件连接损耗包括：1.固有损耗 2.外部损耗 对连接器的要求：连接损耗(插入损耗)小；回波损耗大；多次插拨重复性好；互换性好；环境温度变化时，性能保持稳定；并有足够的机械强度；连接器的基本结构包括接口零件、光纤插针和对中三部分。两插头与转接器的连接有：FC型、SC型和ST型接头是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接。接头连接方法： 1.热熔连接2.机械连接3.毛细管粘结连接耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出。波分复用器(WDM)的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号复合在一起,并注入到一根光纤。解复用器的功能与波分复用器正好相反。调制的方式：1. 直接调制用电信号（调制信号）控制注入调制电流，实现直接调制光源的输出光强 2. 外调制用电信号（调制信号）通过外腔调制器对光的强度（包络）、相位或频率进行调制根据调制原理的不同将其分为：强度调制器、相位调制器 、马赫-曾德尔幅度调制器 、QPSK光调制器、电吸收波导调制器光开关分类：第四章光发射机的关键器件是光源，最常用的光源是: LED 发光二极管、LD 激光器光纤通信对光源的要求1.光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内;2.有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中继段距离的要求;3.电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高;3.单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率；4.易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信号的传输;5.强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比;6.光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模拟调制信道。光发射机类型LD工作原理: 若注入激光器电流增加到一定值（阈值）后，使受激发射占主导地位，此时的P-N结区成为对光场有放大作用的区域(称为有源区)，光场迅速增强，从而形成激光发射，并在其内部光学谐振腔的作用下形成单色性和方向性好的激光束输出。LD 发射激光的二个条件：1.向激光器注入电流使粒子数反转2. 具有光学谐振腔并建立起稳定的振荡 根据激光器的结构不同分为： 同质结半导体激光器 异质结半导体激光器 量子限制激光器 分布反馈激光器 (DFB) 垂直腔表面发射激光器 (VCSEL) 掺铒光纤激光器 波长可调谐半导体激光器1. 半导体发光基理是，在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带(导带)的电子跃迁到低能带(价带)上，就将其间的能量差(禁带能量)以光的形式放出，其波长由能带差所决定。能带差和发出光的振荡频率之间有的关系。2. 光探测器的原理是，低能带上的电子吸收入射光子的能量后被激励跃迁到较高的能带上，在半导体结上外加电场的作用下，在外电路上可以取出处于高能带上的电子，使光能转变为电能。3 激光器起振的阈值条件是受激发射使腔内获得的光增益正好与腔内损耗相抵消。4. 激光器起振的相位条件是谐振腔内的前向和后向光波发生相干。5. 激光器的阈值电流和输出功率对温度很敏感，所以在实际使用中总是用热电致冷器对激光器进行冷却和温度控制。6. 半导体激光器的基本特性有阈值特性、温度特性和波长特性。7. LED和LD的主要区别是， LED本质上是非相干光源，它的发射光谱是半导体材料导带和价带的自发辐射谱线，所以谱线较宽；而LD是相干光源，它的谱线很窄。LED不是阈值器件, LD是阈值器件。第五章光纤通信中最常用的光电检测器是:1. PIN 光电二极管2. 雪崩光电二极管(APD)PIN和APD探测器的主要区别是APD利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增，所以APD能够提供内部增益，而PIN却不能。APD特点1.灵敏度2.能提供内部增益3.能承受高的反向偏压，从而在 PN 结内部形成一个高电场区。4.工作速度高，已广泛应用于光通信系统中5.本征相应带宽宽，可达20GHz光探测器的作用是利用光电效应把光信号转变为电信号。光接收机的作用是把光信号转变为电信号，并放大、整形、再生成原输入信号。数字光接收机由前置放大器、线性放大以及数据恢复三部分组成。线性放大由主放大器、均衡器和自动增益控制电路组成，数据恢复又由判决电路和时钟恢复电路组成。通常数字光接收机要求BER是。接收机灵敏度定义为保证比特误码率为时要求的最小平均接收光功率()。在实验室里观察码间干扰是否存在的最直观、最简单的方法是眼图分析法。第六章1. 全光传输中继器和传统的再生中继器的主要区别是：传统的再生中继器要完成光-电-光转换过程；而全光传输中继器不需要光-电-光变换，它直接对光信号进行放大。2.EDFA和光纤喇曼放大器哪个是集中式放大？哪个是分布式放大？工作波段是什么？EDFA是集中式放大，光纤喇曼放大器是分布式放大。EDFA工作在C波段，光纤喇曼放大器可以在光纤的全波段工作。3.EDFA和光纤喇曼放大器的增益频谱由什么决定？增益介质有何不同？EDFA的增益特性与泵浦方式及光纤掺杂剂有关。光纤喇曼放大器的增益频谱只由泵浦波长决定，而与掺杂物的能级电平无关，所以只要泵浦波长适当，就可以在任意波长获得信号光的增益。EDFA的增益介质是掺铒光纤，光纤喇曼放大器的增益介质就是传输光纤本身。4 光放大器对不同传输速率的数字和模拟信号都能放大。对PDH和SDH信号都能放大。对调制方式没有选择性。5 光放大器噪声指数定义为光放大前的光电流信噪比与放大后的光电流信噪比之比。6 EDFA噪声指数的理想值是3dB。7 光放大器可同时放大多个WDM信道吗？有无限制？光放大器可同时放大多个WDM信道，只要WDM波长在光放大器的增益带宽内。8 要想把半导体激光器（LD）变为半导体光放大器（SOA），必须把解理面的反射损耗减小到足够小。7 光放大器有四种主要用途：（1） 在长距离通信系统中，取代电中继器做在线放大器；（2） 把它插在光发射机之后，来增强光发射机功率；（3） 为了提高接收机的灵敏度，也可以在接收机之前，插入一个光放大器，对微弱光信号进行预放大，这样的放大器称为前置放大器；（4） 光放大器的另一种应用是用来补偿局域网（LAN）的分配损耗。第七章第八章 1. 光纤通信系统的基本结构有哪几种？点对点结构、树形、总线型、环形、星形等2. 试画出点对点光纤传输系统的构成。3. 什么是损耗限制系统？什么是色散限制系统？损耗限制系统:损耗是影响系统传输距离的主要因素的系统色散限制系统:色散是影响系统传输距离的主要因素的系统4 什么叫功率代价？功率代价因素有那些？发射机发射的光信号偏离理想状态的情况下，将引起接收机最小接收平均光功率的增加，这个增加的功率称为功率代价。产生功率代价的因素有：消光比、强度噪声、定时抖动、光纤模式噪声、LD的模式分配噪声、LD的频率啁啾、反射噪声等。5. 如何进行系统的功率预算？(8.2.1)式中是通信信道的所有损耗功率，为系统的功率余量, 和的单位为dBm，和的单位用dB表示6. 如何进行系统的带宽预算？7. 线性系统的上升时间怎样定义？与系统的电带宽关系怎样？上升时间定义为系统在阶跃脉冲作用下, 其输出的幅值从 10%上