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光纤通信复习整理
第一章
1什么是光纤通信？
光纤通信是以光波作载波，以光纤为传输媒介的通信方式。
2什么是光纤通信系统？
光纤通信系统是以光波作载波，以光纤为传输媒介的通信系统。
3光纤通信系统的组成
强度调制/直接检波（IM/DD）的光纤数字通信系统，主要由发送机，信道，接收机以及长途干线上必须设置的光中继器组成。
（1）信源：
将非电信号转换成电信号
（2）调制器（模拟/数字）：
将电信号转换成适合传输的形态，将这种信号加载到由载波源产生的载波上。
（3）载波源：
产生携带信息并与之一起传播（用LED/LD产生光载波）
（4）信道耦合器：
将功率送进信道（低损耗，较大的光接收角）
（5）光放大器：
放大弱信号的功率
（6）中继器（数字系统中）：
将微弱的并已失真的信号转换成电信号，然后还原成原来的数字脉冲串。
（7）信道：
发送机和接收机之间的传输路径
（8）检测器：
将光波转换成电流
（9）信号处理器：
对信号的放大和滤波
（10）信宿：
接收来自信号处理器的信号，必要时将其转换成声波或者可视图像
信源——调制器——载波源——信道耦合器——光放大器——中继器——光放大器——检测器——光放大器——信号处理器——信宿
4dB/dBm的换算
级联系统：
令P1=1mw，并且P2也以mw为单位时，可得dBm值。
5什么是3dB损耗？
功率变化-3dB时，称为3dB损耗。
6光的属性
波动性：
将光看成振荡频率很高，波长极短的电磁波（红外光，可见光，紫外光）
粒子性：
将光看成是由许多的光子组成
7光纤的优点
（1）传输频带宽，通信容量大
（2）传输损耗小，中继距离长
（3）具有抗射频干扰和抗电磁干扰能力
（4）无串音干扰，一定程度可以保证通信的安全性和私密性
（5）光纤线径细，重量轻，机械强度大，柔韧性好
（6）原材料资源丰富，可节约金属材料
（7）耐腐蚀，寿命长
（8）绝缘性
（9）成本低
8光纤工作波长
目前光纤通信的实用工作波长在近红外区，即0.85um，1.26—1.75um的波长区（传输窗口）。
对于SiO2光纤，有三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用波长，即850nm（用于多模）,1310nm（单模）,1550nm（单模）。
9根据P3页图，各部分处于什么位置，起什么作用？
信源：
将非电信号转换成电信号
调制器：
（1）将电信号转换成适合传输的形态
（2）将这种信号加载到由载波源产生的载波
上。
载波源：
产生携带信息并与之一起传播的波（载波）。
在光纤通信系统中，使用半导体激光器（LD（阈值发光））或发光二极管（LED（正向电流发光））产生光载波。
（两者又称光振荡器，具有尺寸小，功率要求低的优点，但相干性不如氦氖激光器）
信道耦合器：
将功率送进信道
信道（包括光放大器和中继器）：
发送机和接收机之间的传输路径
（光发大器：
放大弱信号的功率中继器：
将微弱的并已失真的光信号转换成电信号）
检测器：
将光波转换成电流（半导体光电二极管）
信号处理器：
对信号进行放大，滤波和判决（放大器，滤波器，判决电路）
信宿：
对信息进行输出
10光纤的应用
陀螺仪水听器
第二章
1射线理论（几何光学）
认为光波能量集中在一条极细的通道（射线或光线）中传播。
遵循规则：
（1）真空中，射线的传播速率为
，其他媒质中，
（2）射线在均匀媒质中沿直线路径传播
（3）在两种媒质的分界面上，射线被反射，反射角等于入射角
（4）
2透镜
3什么是数值孔径？
最大接收角：
数值孔径：
，用于衡量光学系统收集一定角度范围的入射光线的能力
4NA的物理意义
（1）NA越大
光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率就越高；
对于无损耗光纤，在临界角在
内的入射光都能在光纤中传输；
纤芯对光能量的束缚能力越强，光纤抗弯曲能力越强。
（2）但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息的传输容量。
第三章
1电磁波的电场可以写为：
：
峰值幅度
:
角频率k:
传播因子
Kz:
波传播z距离后产生的相移
是波的相位
2什么是色散？
波的速度随波长变化的特性。
3色散的分类，定义
材料色散：
材料特性引起的脉冲展宽
波导色散：
波导结构引起的脉冲展宽
（模式色散：
多个模式在光纤或波导中传输时，各个模式到达输出端的时间不同，从而使得波形被展宽。
）
4色散的影响及解决方案
影响：
色散会导致脉冲畸变，传输得越远，展宽越严重；
使模拟信号产生失真，如减小了信号的幅度变化，而信息包含在幅度变化之中。
降低色散的方法：
工作在零色散波长上；
光源谱宽更窄；
使用滤波器；
材料和结构；
采用光孤子传输技术。
5什么是带宽，谱宽，频谱？
带宽：
信号功率为最高功率一半时的频率宽度
谱宽：
实际光源在一个特定的波长范围内发光，这个范围称为光源的线宽，或谱宽。
频谱：
一个信号的波长或频率构成，称为其频谱。
脉冲宽度：
功率升到峰值的一半到降低到峰值一半的时间间隔。
6什么是3-dB电带宽？
什么是3-dB光带宽？
3-dB电带宽：
光电检测器的输出电功率表变为原来的一半对应的频率宽度。
3-dB光带宽：
LED输出光功率变为原来的一半对应的频率宽度。
7光带宽和电带宽的关系
（光）
（电）
8归零码和不归零码的系统带宽
9公式
材料色散导致的脉冲展宽：
相邻纵模的频率间隔：
光垂直入射时的反射比：
反射系数：
全反射临界角：
10什么是倏逝波？
倏逝波通常是指由于全反射而在两种不同介质的分界面上产生的一种电磁波，又叫消逝波，其幅值随与分界面相垂直的深度的增大而呈指数形式衰减。
（当光大于但接近临界角入射时，所产生的消逝波慢慢衰减，在第二种介质中穿透地较深，但当光以远大于临界角入射时，消逝场在第二种介质中传播很短距离后就消失了。
）
11什么是消逝场？
入射波和反射波之间的干涉在入射区域形成驻波分布，尽管所有的功率都被反射回来，但在第二种介质中仍然存在光场，其场强随着到边界距离的增加而迅速消逝，这样一个消逝的，不携带能量的场，称为消逝场。
第四章
1导波的条件
（角度位于临界角到
之间）；
一个完整来回传输所产生的相移等于2
的整数倍，即
。
（相移包括传输路径产生的相移，反射界面上产生的相移）
2纵向传播因子
3什么是单模传输？
单模传输的条件是什么？
单模传输时传输的是哪一个模式？
单模传输：
单模传输的条件：
传输的是HE11模。
4什么是数值孔径？
公式是什么？
为波导的接收角
5什么是相对折射率差？
公式是什么？
当
和
很接近时，
6模式的分类
（1）导模：
（2）辐射模：
在波导中，没有被束缚在中心薄膜中的光沿z字形上下传播，每次反射中都有辐射损失，其幅度不断减少
（i）包层模:
有的光线在上层波导材料和下层波导材料的外边界以临界角全反射而被束缚在波导内
（ii）泄露模：
由斜光纤产生的，斜光纤不通过光纤轴，但是环绕光纤轴以螺旋式传输
7波导有哪几种耦合方式？
（1）边耦合：
如一个半导体激光器或发光二极管在中心薄膜的边缘与波导直接相连
注意问题：
（i）光源的发光面积不大于中心薄膜端面的面积
（ii）光源辐射的横模式与波导允许传播模式之间的差异
额外的损耗：
（i）中心薄膜端面不平滑或不干净
（ii）入射到波导中光的场模式与传播模的场模式不匹配
（2）棱镜耦合（适合于单模激励，最大耦合效率81%）：
一准直的激光束入射，进入棱镜后在底边以临界角反射，入射波与反射波之间发生干涉，从而在棱镜中产生驻波分布，另外在棱镜底部的空气区域还存在一个消逝场，同时，波导中传播莫的场会延伸到中心薄膜上方的空气中，两者互相耦合。
（最优耦合：
输入光束实际上超过棱镜末端少许时同步条件：
棱镜中波的纵向传播因子必须与中心薄膜中波的纵向传播因子相等）
（3）光栅耦合（i）周期电介质条阵列
（ii）折射率呈周期性变化的电介质层
光栅会将入射光衍射成一个或多个传输波，如果这些波中的任何一个具有与传播模式相同的纵向传播因子会发生耦合。
8平板波导中的色散的分类，定义，引起的原因
（1）波导色散：
色散由波导自身的结构引起的，有效折射率随波长变化。
（2）多模色散：
不同模式相对于波导轴的传输速度不一致，从而使得波形被展宽。
（3）材料色散：
脉冲展宽由材料的某些性质引起，在介质中折射率随波长而变化。
9平板波导中损耗（？
脉冲展宽）的计算
模式脉冲展宽：
色散脉冲展宽：
=
当两种介质折射率接近时，可以使用数值孔径将上式改写成
总的脉冲展宽：
10有源器件和无源器件的定义是什么？
各举一些例子。
有源器件：
主动光电器件
（i）控制光：
光偏转器，光调制器
（ii）转换光:
光检测器
无源器件：
被动器件，无外接能量输入
集成光定向耦合器，集成光功分器
：
耦合长度，能量从上面的波导完全转移到下面的波导所需的长度
11m阶TE模的截止模式
12波导中可传播的最高阶模的模式序数
13总传播模数量
补充：
11什么是驻波模式？
向上传播的波和向下传播的波之间相互干涉
12等效折射率的公式
13什么是横电波，什么是横磁波？
横电波（TE偏振）：
s偏振态（垂直偏振态），电场指向x轴方向，电场所在平面与波传播方向垂直。
横磁波（TM偏振）：
p偏振态（水平偏振态），磁场指向x轴方向，磁场所在平面与波传播方向垂直。
14高阶模：
相邻模式归一化厚度差值：
第五章
1光纤的分类（按折射率，传播模式，材料）
按折射率：
（1）SI阶跃型
（2）GRIN渐变型激励点越靠近光纤中心轴时的耦合效率越高（101页）（在纤芯直径和相对折射率差相同的条件下，阶跃折射率光纤的耦合效率要更高）
按传播模式
（1）单模
（2）多模
按光纤的材料
（1）纤芯和包层都使用玻璃材料50/125100/140200/230
（2）纤芯使用石英玻璃，包层使用塑料PCS200
（3）塑料纤芯而包层使用另一种塑料POF
各种光纤的使用范围和性能：
99页
2几种损耗的机理
（1）材料吸收损耗（i）本征吸收：
光纤材料的固有吸收，它与电子及分子的谐振有关
对于石英材料，固有吸收区在紫外波段和红外波段
（ii）杂质吸收：
由OH离子等杂质造成的附加吸收损耗称为杂质吸收。
杂质是主要的损耗源，最主要的杂质是过渡金属离子和OH离子。
（iii）原子缺陷吸收：
由于加热过程或者由于强烈的辐射造成，玻璃材料因受激而产生原子的缺陷，引起吸收光能，造成损耗。
（2）散射损耗（i）瑞利散射损耗：
散射体的尺寸比光波长小
（ii）米氏散射损耗：
不均匀性，大尺度的散射体引起，损耗与波长无关
（3）弯曲损耗（辐射损耗）（i）宏弯：
弯曲半径远大于光纤直径（ii）微弯：
光纤成缆时轴向产生的随机性微弯
3V参数（归一化频率）
模的数量
4单模传播的条件（HE11模）
V<2.405
5模的半径与等效高斯光束的光斑尺寸的关系
6光纤中的脉冲畸变和信息速率
功率受限系统：
当损耗是系统的主要限制因素时，这样的系统称为功率受限系统
带宽受限系统：
在一些线路中，虽然信号功率足够大，但信号波形的严重畸变影响了传输信号的准确还原，这样的系统称为带宽受限系统。
阶跃折射率光纤中的畸变：
多模脉冲展宽为：
，但实际小于该值，原因是由于模式混合（模式之间的功率交换）和选择型衰耗等原因引起的。
模式畸变不取决于光源的波长或谱宽。
在多模阶跃折射率光纤中，占主导地位。
约为67ns/Km
材料色散和波导色散导致的信号畸变与光源的波长和谱宽密切相关，正比于光源的线宽，使用窄线宽的半导体激光器可降低畸变。
单模光纤中：
1.3
处出现零脉冲展宽，原因是该点处材料色散使得光源光谱中较短波长的传输速度较快，而波导色散则使较短波长的传输速度减慢。
渐变折射率光纤中：
多模失真比阶跃小。
，约为0.45ns/Km
短波长区域，材料色散占主导
7什么是HE和EH模式？
HE模式和EH模式是混合模式，每一种模都包含沿光纤轴方向的电场和磁场分量
8常用光纤的尺寸范围（单模，多模）
单模
多模
9石英光纤和塑料光纤的性能及使用范围的对比
10单模和多模光纤分别涉及到哪些色散
单模：
波导色散材料色散
多模：
波导色散材料色散模式色散
11光缆结构：
光纤；缓冲管：
保护光纤免受环境损害的第一层结构；加强芯：
安装光纤时，释放光纤承受的机械压力；外套：
保护整个机构，以适应恶劣的环境；（防潮层，油膏，开锁等）
光缆特性：
拉力特性；压力特性；弯曲特性；温度特性
光缆对光纤采取的强化和保护措施
（1）抗张力强度
（2）抗挤压能力
（3）过度弯曲保护
（4）损伤保护
（5）振动隔离
（6）防潮和防化学侵蚀
光缆的类型：
按缆芯结构特点分类：
层绞式，骨架式，中心束管式，带状式
按使用条件分类：
室内光缆，架空光缆，埋地光缆，管道光缆
特种光缆：
架空地线复合光缆；海底光缆；阻燃光缆；军用光缆
12什么是双折射色散（偏振模色散）？
两个偏振方向相互垂直的HE11模可以同时在单模光纤中传播，由于存在双折射，这两个模式的传播速度可能不同，这种效应能够导致脉冲展宽，即通常所说的偏振模色散。
13光纤的制造方法
双坩埚法；管中棒法；掺杂沉积石英法；外部沉积法；内部沉积法
14什么是色散位移光纤，什么是非零色散位移光纤
色散位移光纤：
具有三角形折射率分布的单模光纤。
非零色散位移光纤：
拥有类似色散平坦光纤的特性，但色散不为零的光纤时非零色散位移光纤。
15渐变折射率光纤与零色散位移光纤的区别
渐变折射率光纤的折射率分布是近抛物线型的，其零色散点在1.3
，
零色散位移光纤的折射率分布是三角形的，其零色散点在1.55
16光纤的连接
固定连接：
永久性，用于光纤线的连接，损耗小，小于0.1dB。
常用电弧熔接。
活动连接：
可拆卸，用于收发端机与光纤的连接及实验室中，损耗较大，0.2dB。
第六章
1什么是pn结？
它的工作原理是什么？
Pn结：
采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将p型半导体与N型半导体制作在同一块半导体基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结。
工作原理：
n型半导体中有大量的自由电子，而p型半导体中有大量的自由空穴。
在零偏置时，没有电荷的定向移动。
正向偏置电压v使得两种材料的费米能级分离。
正向偏置电压增加了n区势能，降低了p区势能，从而使势垒降低。
如果外电源提供的能量（ev）与禁带宽度Wg相同，则自由电子和自由空穴将有足够的能量进入结区。
当自由电子与自由空穴在结区相遇时，自由电子将落到价带与空穴复合。
在跃迁过程中，电子损失的能量将以发射一个光子的形式转变成光能。
简单说：
LED的辐射是在正向偏置条件下注入结区的电子和空穴复合而产生的。
2同质结，异质结和它们的区别
同质结：
其pn结由同一种半导体材料构成
异质结：
其pn结采用不同半导体材料构成
双异质结：
在宽带隙的p型和N型半导体材料之间插入一薄层窄带隙的材料
区别：
同质结LED有源区对载流子和光子的限制作用很弱；
异质结LED:
（1）带隙差形成的势垒将电子和空穴限制在有源区复合发光
（2）折射率光场有效地限制在有源区
3蚀刻阱
光能量通过有源层的表面或边缘面耦合进光纤的一种有效的耦合方式。
4LEDLD的特性曲线（p144,p154,p156），及它们的应用范围，光谱宽度等参数的对比
LED的P-I特性：
在低注入电流范围内其线性程度比LD好，且不存在阈值，所以LED适合用在光纤模拟通信系统中
LED的光谱特性：
自发辐射光，没有谐振腔对光谱的选择，为相干光，谱线较宽
LED的方向特性：
LED的发散角比LD大，LED与光纤的耦合效率通常小于10%
LED的调制特性：
LED的可调制频率比LD低。
其中，面发光型的LED的可调制频率仅为几十MHZ，边发光型的LED的可调制频率可达200MHZ。
寿命：
LED的寿命比LD长，可达百万个小时以上。
LED是非阈值器件，发射的光功率与正向驱动电流呈线性关系，逐渐饱和，温度上升，功率下降，相对而言，温度的影响比LD小。
LED方向特性：
（1）面发光LED
（2）边发光LED
LED适用范围：
低速率，短距离光波系统
LED通过自发发射过程发射非相干光
LED优点：
结构简单，成本低，寿命长，可靠性高，随温度变化小
缺点：
输出功率低，输出光束发散角大，耦合效率低，光源谱线较宽，相应速度较慢。
LD:
LD的P-I特性：
当激光器的注入电流I小于阈值电流
时，激光器发出荧光，当I大于
时，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，激光器发出激光。
I一般大于
20-40mA，典型输出功率1-10mW。
LD的调制特性：
数字调制：
直流偏置电流在阈值附近，
模拟调制：
直流偏置电流在阈值附近，
LD的温度特性：
输出光功率随温度增大而减小，产生原因有两个，一是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分量子效率随温度升高而减小，稳定功率的两种方法：
（1）使用热电冷却器保持环境温度
（2）增大偏置电流补偿阈值变化
LD的光谱特性：
（1）单模激光：
光谱只有一根谱线，谱线峰值波长称为中心波长，谱线宽度小于0.1nm,光谱很窄
（2）多模激光：
光谱有多根谱线，对应于多个中心波长，其中最大峰值称为主中心波长，该模式也称为主模，其它的模式称为边摸，谱线宽度为几个纳米
在阈值电流以下，随驱动电流的增加，输出光功率也非常缓慢地增加（在复合层中电子自发辐射引起的非相干辐射所致），在阈值状态下，正向电流随激光器电压的增加而迅速增加，超过阈值后，电压只要略微增加一点就可以使电流达到预定的工作点。
5对LED的数字调制和模拟调制
（1）数字调制：
发光二极管通过一个电流源进行调制
（2）模拟调制：
加一定的直流偏置电流
注入电流：
输出光功率：
低频调制下，
高频调制下，
（pn结的结电容和寄生电容会短路信号中的高频成分，从而导致交流功率降低）
LED的3-dB调制带宽（电带宽）：
3-dB电带宽与光源上升时间关系为：
6LED与LD的区别
（1）半导体激光器比LED的相应速度快得多，原因是LED上升时间主要取决于材料的固有自发辐射的寿命，而半导体激光器的上升时间则取决于受激辐射寿命
（2）LD的典型线宽是1nm~5nm，比LED的输出谱宽要小很多
（3）LD产生非对称辐射，LD的辐射角度范围远小于LED，使得光更容易和光纤耦合，而且耦合效率更高
（4）LED发射非相干光，LD发射相干光
激光二极管发光二极管
1．输出光功率较大，几mW一几十mw。
输出光功率较小，一般仅1mw一2mW。
2．带宽大，调制速率高，几百MHz一几十GHz。
带宽小，调制速率低，几十一200MHz。
3．光束方向性强，发散度小。
方向性差，发散度大。
4．与光纤的耦合效率高，可高达80％以上。
与光纤的耦合效率低，仅百分之几。
5．光谱较窄。
光谱较宽。
6．制造工艺难度大，成本高。
制造工艺难度小，成本低。
7．在要求光功率较稳定时，需要APC和ATC。
可在较宽的温度范围内正常工作。
8．输出特性曲线的线性度较好。
在大电流下易饱和。
9．有模式噪声。
无模式噪声。
10．可靠性一般。
可靠性较好。
11．工作寿命短。
工作寿命长。
7DFB（分布反馈型半导体激光器）DBR（布拉格反射型激光器）
（1）DFB:
激光振荡由折射率周期性变化的波纹光栅提供
工作波长：
适合长距离，高带宽传输:
（i）具有更好的温度特性（ii）具有窄带宽特性，线性相应p160
（2）DBR:
工作波长：
可调谐范围：
三个区域：
增益区，相位区和布拉格区
增益电流IG决定有源区的放大量，进而决定激光器的输出功率
相位电流IP控制布拉格区的反馈
电流IB控制布拉格区域的温度，从而控制布拉格波长
8激光器的原理
产生激光的三个先决条件：
（1）激励源——是能量的提供者，实现粒子数反转
（2）激活物质——是产生激光的物质基础，提供光放大（3）光学谐振腔——提供光反馈
要产生激光还应满足：
（1）光的增益和损耗间应满足平衡条件——阈值条件
（2）在谐振腔中，光波反复反射能得到加强，从而能够存在，应满足相位条件
9光放大器的分类，原理，泵浦波长，它们的参数：
增益和噪声
分类：
半导体光放大器掺铒光纤放大器掺铒波导放大器拉曼放大器
掺铒光纤放大器（EDFA）:
原理：
EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数翻转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。
具体阐述：
由980nm的激光器提供的泵浦光和信号光通过波分复用器（具有波长选择性的方向耦合器）耦合进掺铒光纤，泵浦光被铒离子吸收，使之上升到激发态，并实现粒子数翻转。
受激态的铒原子如果被1550nm的光子激励，可以放大信号。
信号光泵浦光一起从左侧进入光纤，信号光能量在泵浦光能量减少的同时持续增加，第二个波分复用器和泵浦激光器在末端沿反方向注入泵浦光子并激发铒原子，使器件能够充分放大信号。
特性：
高增益（>30dB）宽带（约100nm）低噪声（4~6dB）偏振不敏感高输出功率（>16dBm）
工作波长1.55um（C波段1530-1565nm；L波段1565-1625nm）；泵浦波长980nm或1480nm；增益介质
。
典型长度几十米。
增益：
指信号被放大的倍数
增益饱和：
增益饱和是放大器放大能力的一种限制因素，接近饱和时，增益成非线性，达到饱和后，信号便无法再放大
噪声指数（NF）：
用来量化经放大器后的信噪比比劣化指标
主要噪声源：
放大的自发辐射噪声
应用：
（1）发射放大
（2）在线放大（3）前置放大
10拉曼放大器的原理
物理机制：
A光纤拉曼散射效应（SRS）：
一个入射光子的湮灭，产生一个下移stoke频率的光子和另一个具有相当能量和动量的光学光子
B与pump光子相差stokes频率的信号光子，经受激过程被放大
具体介绍：
频率为wp和ws的泵浦光和信号光通过耦合器输入光纤，当这两束光在光纤中一起传输时，泵浦光的能量通过SRS效应转移给信号光，使信号光得到放大。
11几种光放大器性能的对比
第七章
1响应度和响应速度
响应度:
检测器的输出电流与入射光功率的比值
量子效率：
谱响应：
指检测器响应度和波长之间的函数关系
上升时间：
指在入射光功率呈阶跃变化的前提下，检测器的输出电流从最大值的10%上升到90%所用的时间
2PIN型（最常用的，p180~p185页）（需要补充）
定义：
PIN二极管在位于P区和n区之间的区域是一层较厚的本征半导体材料
PIN的量子效率正比于耗尽层宽度
工作原理：
入射光从P侧进入，在耗尽区光吸收产生的电子—空穴对在内建电场作用下分别向左右两侧运动，产生光电流
截止波长：
材料：
硅：
短波长（800nm~900nm），暗电流最小锗：
暗电流最大INGaAs
响应速度：
受到渡越时间即自由电荷穿越耗尽层的时
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