光纤复习总结

1、第1章 光纤的基本理论1. 光纤的结构纤芯、包层、涂覆层2. 纤芯和包层的作用纤芯：位于光纤中心，直径2a为575m, 作用是传输光波。包层：位于纤芯外层，直径2b为100150m,作用是将光波限制在纤芯中。3.阶跃光纤纤芯折射率和包层折射率的定性关系为了使光波在纤芯中传送，应对材料进行不同掺杂，使包层材料折射率n2比纤芯材料折射率n1小，即光纤导光的条件是n1n2。4.按照支持的模式数量对光纤进行分类单模光纤：单模光纤在给定的工作波长上只传输单一基模。多模光纤：多模光纤纤芯内传输多个模式的光波。5. 对光纤中传输的光采用射线光学分析法的前提：光纤尺寸与光波长的定性关系射线光学理论：当光波导尺

2、寸远大于光波长时，可忽略光波长用光射线代表光能量传输路线的方法。波动光学理论：求解满足边界条件的麦克斯韦方程组的光场。6.阶跃光纤的子午光线传输路径（以最大入射角为临界角分析各种情况）7. 数值孔径的定义，计算，及其与光纤聚光能力、模式色散的定性关系数值孔径：表征光纤的聚光能力 由此可以看出，、差别越大，即越大，光纤收集射线的能力越强。最大群时延差与相对折射率差成正比，使用弱导波光纤有助于减少模式色散。时延差限制了多模阶跃折射率光纤的传输带宽。越大，模式色散越大，限制光纤传输带宽8. 渐变折射率光纤对阶跃光纤的哪个缺点进行了改善（采用渐变折射率光纤的目的是减小多模光纤的模式色散）、同样的入射角

3、，传输路径变短（入射角为零除外），从而减小最大群时延差。、离轴心越远，传播速度越快（v=c/n）,进一步减小最大群时延差。适当选择折射率分布，可以使不同入射角的光线有大致相等的光程。9. 阶跃光纤的归一化频率计算（只有特定入射角的光波才会在光纤中传递能量） U导波的归一化径向相位常数，W导波的归一化径向衰减常数，a光纤的半径，光纤的相对折射率差，纤芯折射率，工作波长V值情况下的几点结论：、W: W>0，光纤导波。、U=mn为使得Jm(x)=0的第n个根。、V: 场完全集中在纤芯中，包层中的场为零。光场在包层中服从第二类修正贝塞尔函数迅速衰减，光场在纤芯内服从贝塞尔函数振荡传播10. 单模

4、传播条件：从光纤的归一化频率角度分析 导波。 能量已不能很好地集中在纤芯之中，这时的波叫做辐射波。 导波截止的临界状态 归一化截止频率 截止波长结论：对于某一光纤，每个模式都有一个相应的截止波长，当光波波长小于截止波长<时，该模式可传输。模式单模传输 （归一化频率必须大于归一化截止频率才能传播）11. 光纤中某个传播模式能在光纤中传导的条件，即入射光波频率与该模式对应得截止频率的定性关系阶跃光纤中导模总数： 结论：光纤的芯径越大，纤芯的折射率越大，相对折射率差越大，工作频率越高，支持的传输模式数量越多。12. 光纤的损耗特性对光纤通信系统的影响在光纤通信系统中，光纤损耗是限制无中继通信距

5、离的重要因素之一。它在很大程度上决定着传输系统的中继距离。13. 损耗系数的定义，及计算损耗系数：单位长度（km）光纤引起的光功率衰减。 波长处的衰减系数；输入光纤的光功率；光纤输出的光功率；光纤的长度14. 光纤的三个低损耗窗口分别位于哪个波段850nm波段短波长波段、1310nm波段和1550nm波段长波长波段15. 光纤的色散分类，及光纤色散对光纤通信系统的影响光纤的色散是在光纤中传输的光信号随传输距离增加，由于不同频率成分或不同传播模式的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。（色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。）模式色散、材料色散、波导色散、偏振模色散（单模光纤中）光纤

6、的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信质量和通信距离。16. 光纤的非线性效应产生的原因原因：单位体积的光功率密度过大第2章 光源和光发射机1. 自发辐射、受激辐射、受激吸收的原理自发辐射：处在高能级上的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能级上，并发射一个频率为的光子特点：处于高能级电子的自发行为，与外界激励作用无关；自发辐射可以发生在导带和价带之间，因此光谱范围很宽。（典型应用：发光二极管）受激辐射：处在高能级上的电子在外来光场的感应下（外来感应光子的能量）发射出一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级特点：感应光子的能量等于两个跃迁能级之差；受激辐射产生的光子与外来感应

7、光子全是同光子，不仅频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向都相同，因此它们是相干的；受激辐射过程实质上是对外来入射光的放大过程。（典型应用：半导体激光器）受激吸收：处在高能级上的电子在感应光场作用下（感应光子的能量），吸收一个光子而跃迁到高能级特点：受激吸收时需要消耗外来光能；受激吸收过程是一种外来入射光子被吸收，生成电子空穴对的光电转换过程。（典型应用：光电二极管）2. 粒子数反转的概念设介质中低能级上的电子密度为，高能级上的电子密度为，当>时，受激吸收过程占主导地位，光波经过介质时强度按指数规律衰减，光波被吸收。所有处于热平衡状态下的介质对入射光束都有吸收作用。>的情况是一种处

8、于非热平衡状态下的反常情况，称之为粒子数反转分布，这种情况必须通过外界的泵浦才能实现。实现粒子数反转分布的条件：（A）激励（又称泵浦）光激励、电激励、化学激励、热激励。（B）合适的能级结构3. 直接带隙半导体光源材料的禁带宽度与光源发射光波的频率之间的定量关系4.激光激射的三个条件(1).要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；(2).有一个合适的光学谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生从而产生激光震荡；(3).要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。5.半导体激光器的P/I特性（LD是一种阈值器件）阈值电流、功率线性度、光输出饱和度、激光

9、器效率、特征温度6. 在直流电流的激励下，LD的光谱纵模数、谱宽与注入电流的定性关系在直流电流的激励下，随注入电流的增加纵模数减少，谱宽变窄7.温度对LD发射波长的影响当温度增加时，峰值波长向长波段漂移。8. 纵模决定了激光器的频谱特性，横模决定了光束的空间分布特性，它直接影响到与光纤的耦合效率。9. 半导体发光二极管（LED）的P/I特性（不是阈值器件）。不是阈值器件，对温度不敏感自发辐射，光谱较宽（几十nm）半导体发光二极管的基本性质：发射谱线和发散角：光谱较宽，光纤色散严重；发散角大，与光纤的耦合效率较低；响应速度：调制速率低，适用于低速传输网络。热特性：温度特性较好，无需温控电路。寿命

10、长，可靠性高。10. LD和LED的特点比较：是否温度敏感，受激辐射还是自发辐射，光谱宽度（单色性），方向性LED是因自发辐射而发光的，发射的光子频率、相位、偏振状态及传播方向是无规律的，输出具有较宽的频率范围的非相干光。LD是因为受激发射而发光，发射的光子同频、同相、同偏振方向，输出相干光。11. 光调制的概念在发送端将信息加载到光源输出的光束上的过程。在光纤通信系统中，通常以电信号的形式呈现信息，故光调制是将电信号加载到光源输出的光束上的过程。12. 光调制的分类直接调制、间接调制13. 直接调制原理原理：将要传递的信息转变为驱动电流控制光源的发光过程。特点：强度调制（IM）；只适用于半导

11、体光源；简单方便，价格便宜，但动态谱线的展宽严重，不适合高速、长距离传输系统。14. 间接调制原理原理：利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应和电吸收效应等性质来实现对激光辐射的调制。特点：啁啾小，适用于10Gb/s及更高速率传输系统；有些调制器偏振相关。15. 张弛振荡危害的频段张弛振荡频率一般在几百MHz至2GHz的数量级第3章 光接收机1. 光接收机的分类直接检测接收机、相干检测接收机光信号在光纤中经过长距离传输，会受到损耗、色散和非线性的影响，不仅幅度被衰减，而且脉冲的波形被展宽和变形。因此，光接收机的首要任务是：1.要能探测到微弱光信号，按照某种规律将光信号转换成电信号（光电转换）。

12、2.要能对光电转换生产的电信号进行整形、放大以及再生。2. 光电检测器的功能光电检测器负责对光进行解调，实现将光信号转换成电信号的光电转换功能。光纤通信系统对光电检测器的要求：(1) 波长响应要和光纤低损耗窗口（0.85m、1.31m和1.55m）相一致；(2) 响应度要高，在一定的接收光功率下能产生最大的光电流；(3) 响应速度快，满足高工作码速要求；(4) 噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；(5) 性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。3.光生电流由那两部分组成，它们产生的机制是什么？光生电流由漂移电流和扩散电流漂移电流：电子空穴对在自建电场和外加电场的作用下，电子向N区漂移，空穴

13、向P区漂移，形成漂移电流。扩散电流：热运动引起PN结外的中性区的空穴和电子扩散至PN结中，在高场力的驱使下运动产生了与漂移电流方向相同的扩散电流。4. 产生漂移电流的条件(1) 产生电子空穴对：当入射光子能量大于禁带宽度hv>Eg能量；(2) 产生电流：施加反向电压。5.耗尽层宽度对光电检测其的光电转换效率和光电二极管响应时间的影响光电转换效率：尽量减小光子在表面层的反射率，增加入射到光电二极管中的光子数；尽量减小中性区的厚度，增加耗尽层的宽度，使光子尽可能多地在耗尽层被吸收。光电二极管的响应时间：载流子穿越耗尽层需要时间，尽量减小中性区的厚度，增加耗尽层的宽度，不仅可以提高PIN的光电

14、转换效率，而且可以加快PIN的响应速度；渡越时间与耗尽层宽度和反向电压有关（增加反向电压，减小耗尽层宽度）。6. 反向电压大小对光电二极管响应时间的影响增加反向电压，减小耗尽层宽度，响应时间越快2.提高响应速度：I层是一个接近于本征半导体的低掺杂N区，反向电压完全施加在I区， P+、N+ 为零场区7. PIN的结构特点：耗尽层的宽度，电场分布 1.增加光电转换效率：（1）I层很宽，P+、N+区很薄。（2）P+区表面镀有抗反射膜。8.光电二极管上截止波长与入射光波波长满足什么条件时才会产生光生电流上截止波长：受激吸收的条件或，所以上截止波长定义为： 入射光的波长必须小于某个临界值，才会发生光电效

15、应。只有波长小于上截止波长的光子才有足够的能量驱使电子跃迁到导带上，形成载流子。光电二极管利用半导体材料的光电效应将入射光子转换成电子空穴对，形成光生电流。9. PIN光电二极管的响应度的定义和计算响应度: Â定义为光生电流与入射光功率之比。 光生电流 入射光功率10. 雪崩光电二极管（APD）的工作原理：光电效应+碰撞电离11. APD的平均雪崩增益的定义和计算光电二极管的平均雪崩增益G的定义为：，式中：是雪崩增益后输出电流的平均值。 是未倍增时的初始光生电流。由此可见，APD的响应度比PIN增加了G倍，一般APD的倍增因子在40100之间。要想获得足够的雪崩增益，反向偏压必须在接

16、近击穿电压功能：光检测器：把接收到的光信号转化成电信号。前置放大：对光电检测器产生的微弱电流信号进行放大。主放大器：提供高的增益，将前置放大器的输出信号放大到适合于判决电路所需的电平。（主放大器的输出信号一般为1V3V(峰峰值)。）均衡滤波：对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使之成为最有利于判决、码间干扰最小的升余弦波形。AGC电路：控制主放大器的增益，在接收机平均入射功率很大时把放大器的增益自动控制在固定的输出电平上。（变换成与输入信号的峰值成比例的直流信号）判决器：判决均衡器输出的码是“0”还是“1”。时钟恢复：为了精确地确定“判决时刻”，需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标

17、定，以保证与发送端一致。 译码器：若判决结果为“1”，则由再生电路重新产生一个矩形地“1”脉冲；如果判决结果为“0”，则由再生电路产生一个“0”。如果在发射端进行了线路编码（或扰乱），在接收端需要有相应的译码（或解扰）电路。 12. 直接检测光接收机的原理框图及其各个模块的功能13. 光接收机灵敏度定义，计算定义：在一定误码率条件（BER=109）下，接收机能检测到的最小平均信号光功率Pmin。在工程上常用相对功率值（dBm）来表示，即 ： 影响接收机灵敏度的主要因素：光电检测其的散粒噪声与放大器热噪声的影响（重要因素）比特速率对接收机灵敏度的影响：随着比特速率的增加，放大器和均衡滤波器的带宽

18、增加，噪声等效带宽也随之增大，造成光电检测器和放大器引入的噪声影响加剧，导致光接收机灵敏度下降。输入波形对接收机灵敏度的影响：1.在比特速率一定的情况下，输入脉冲波形越窄，所需的接收机灵敏度越高。2.在比特速率一定的情况下，发送归零码型时接收机所需的灵敏度比非归零码型要高。消光比对接收机灵敏度的影响：随着消光比的增加，接收机灵敏度下降。14. 光接收机的动态范围定义，计算光接收机的动态范围D：在保证系统的误码率指标要求下，接收机的最低输出光功率（用dBm来描述）和最大允许输入光功率（用dBm来描述）之差。 低于这个动态范围的下限（即灵敏度）,将产生过大的误码；高于这个动态范围的上限（即接收机的

19、过载功率），在判决时亦将造成过大的误码。数字光接收机的动态范围一般应大于15 dB。第4章 光纤通信系统1. 损耗受限系统的再生段长度主要由什么决定由S和R点之间的光通道损耗决定损耗受限系统的最大再生段距离或者称作最大中继距离可以用下式来估算：其中， 2. 色散受限系统的再生段长度主要由什么决定由S和R点之间的光通道总色散所决定色散受限系统最大无再生传输距离的最坏值可以用下式估算： 其中，为选定的标准光接口的S和R点之间允许的最大色散值；为允许工作波长范围内的最大光纤色散值，单位为ps/（nm·km）。 3. 掺饵光纤放大器（EDFA）的泵浦光波长EDFA的工作波长窗口为1550nm

20、窗口常用泵浦光的波长：980nm和1480nm4. 掺饵光纤放大器放大光波波段5.掺饵光纤放大器的三种泵浦形式EDFA三种泵浦形式：同向泵浦 反向泵浦 双向泵浦 6.掺饵光纤放大器的三种基本应用形式 线路放大 ：也称“在线”放大，是指将EDFA直接插入到光纤传输线路中对信号进行中继放大的应用形式 功率放大 ：指将EDFA放在发射光源之后对信号进行放大的应用形式 前置放大 ：指将EDFA放在光接收机的前面以提高光接收机的接收灵敏度 7.喇曼光纤放大器（RFA）的工作原理：生成低频斯托克斯光子和声子的能级跃迁8.喇曼光纤放大器的放大光波波段这种放大器可以提供整个光纤波长波段的放大，通过适当改变泵浦

21、激光光波波长可达到在任意波段进行光放大的宽带放大器，甚至可以在1270nm1670nm整个光纤波段内提供光放大。9.掺饵光纤放大器和喇曼光纤放大器的比较：放大光谱谱宽，增益第5章 波分复用技术1. 光波复用的基本原理（光波分复用技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。）在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用， 简称光波分复用技术。2. 光波复用的分类及其标准光频分复用(OFDM)：光频(信)道间距小于0.1nm的频

22、分复用（致密的WDM）。密集波分复用(DWDM):光频(信)道间距小于10nm的波分复用，D:Dense (密集)。粗波分复用(CWDM)：光频(信)道间距大于10nm 的波分复用, C: Coarse (粗)，也称稀疏波分复用。3. 由中心波长和波段宽度计算光纤带宽4. 当前主要的波分复用波长范围光纤具有两个低损耗窗口， 即1310 nm和1550 nm。 在这两个低损耗窗口中均可进行波分复用， 但是由于目前的光放大器EDFA的工作波长范围为15301565 nm， 因此目前波分复用的波长范围为15301565 nm。大容量超长距WDM系统对光纤特性的要求：很小的衰减宽而平坦的光谱适当的色散

23、较大的有效面积很低的PMD理想的弯曲特性存在可做色散补偿的色散互逆单元等。第七章 扩展容量和增加功能的新光通信技术1.大容量WDM系统超长传输技术新型光纤技术新型光调制技术分布式光放大技术前向纠错编码技术光孤子技术2. 非色散位移光纤（常规单模光纤）的零色散波长 零色散波长在1310nm附近3. 色散位移光纤优点：低损耗和底色散零色散区域和最低损耗区域都在1550nm附近；单波长超长距离传输的最佳媒质在多波长情况下于1550nm区域有很强的FWM、SPM、XPM等非线性效应，不适用于WDM系统。4.光时分复用的工作原理光时分复用（OTDM）：采用超短光脉冲在时间上间插复用的方法来提高单个波长的

24、传输速率，其速率可达每秒几百吉比特，大大超过了预计的电子速率的极限。OTDM技术把各个支路光信号变换成高速率、窄超短脉冲信号，然后间插到复用信道中已分配好的时隙上。 5.光波分复用和光时分复用的区别：WDM扩大了单根光纤中的传输容量，OTDM提高单个波长上的传输容量。6. 量子通信的定义光既有粒子性又有波动性，即波粒二象性。利用光的量子性进行通信，即量子通信。量子通信是量子理论和信息科学相结合的产物；利用光在微观上的粒子特性，通过光子或纠缠的光子对作为信息载体；特点是，在理论上可实现超大容量的信息传递，并能生成理论上无法破译的密钥。7.量子通信的两种实现方法直接传递量子态的通信方式：将信息转换

25、到粒子的量子态上，通过量子信道直接将粒子传递到对端。 通过量子纠缠态的间接通信方式：在通信的双方共享一对处于量子纠缠状态的粒子，通过需发送的信息改变发送端的粒子状态，进而影响和改变在接收端的另一个粒子的状态，于是实现信息的传递。例题： 某光纤在1300nm处的损耗为0.6dB/km，在1550nm处的损耗为0.2dB/km。假设下面两种光信号同时进入光纤：1300nm波长的150qW光信号和1550nm波长的100qW光信号，试问这两种信号在（a）8km 和 （b）20km处得功率各是多少？并分别用dBm和qW为单位表示。 解：对于1300nm波长的光信号，在8km和20km处的功率各是  , 对于1550nm波长的光信号，在8km和20km处的功率各是  , 例题：一段10km长的光纤线路，如果在接收端保持0.3qW的接受光功率: (a) 若光纤损耗为1.5dB/km，则发送端的功率至少为多少？(b) 若光纤损耗为2.5dB/km，则发送端