光纤选修总结.docx

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光纤选修总结

第一章概述

1.光纤的通信优点?

（1）．传输频带宽，通信容量大

（2）．传输损耗小,中继距离长

（3）．抗电磁干扰能力强，无串话（保密性好,不易被窃听）

（4）．光纤细，光缆轻（体积小、重量轻、便于施工）

（5）．原材料丰富，节约有色金属和能源

（6）．均衡容易（重量轻,安全）

（7）．经济效益好

（8）．抗腐蚀、不怕潮湿（适应环境,寿命长）

2．工作窗口？

（光纤的谱线特性中有3个低损耗的传输窗口）

①第一低损耗窗口短波长0.85μm附近；

②第二低损耗窗口长波长1.31μm附近；

③第三低损耗窗口长波长1.55μm附近；

3.“光纤之父”的称号

出生于上海的英藉华人高锟（K.C.Kao）博士

第二章光纤和光缆

1.光纤光学特性参数？

相对折射率差和数值孔径NA

2.光纤传输损耗的原因？

（1）材料的吸收损耗

一,材料的吸收损耗

（1）材料的吸收损耗（材料本身固有）

本征吸收损耗是由于光纤材料本身吸收光能量产生的。

主要存在红外波段的分子振动吸收和紫外波段的电子跃迁吸收。

杂质吸收损耗主要是由于光纤中含有的各种过渡金属离子和氢氧根（OH-）离子在光的激励下产生振动，吸收光能量造成。

金属离子吸收损耗

光纤中金属杂质,如Cr、Mn、Fe、Ni、Co等的电子结构产生边带吸收峰，造成损耗。

（2）光纤的散射损耗

光纤的散射损耗

散射损耗是指在光纤中传输的一部分光由于散射而改变传输方向，从而使一部分光不能到达收端所产生的损耗。

主要包含瑞利散射损耗、非线性散射损耗和波导效应散射损耗。

瑞利散射损耗是由于光纤材料折射率分布小尺寸的随机不均匀性所引起的本征损耗。

瑞利散射损耗与波长的四次方成反比，即波长越短，损耗越大。

因此对短波长窗口影响较大。

非线性散射损耗是当光强度大到一定程度时，产生非线性喇曼散射和布里渊散射，使输入光信号的能量部分转移到新的频率成分上而形成损耗。

因此非线性散射损耗是随广播频率变化的。

在常规光纤中由于半导体激光器发送光功率较小，该损耗可忽略。

但在DWDM系统中，由于总功率很大，就必须考虑其影响。

波导效应散射损耗是由于光纤波导结构缺陷引起的损耗，与波长无关。

光纤波导结构缺陷主要由熔炼和拉丝工艺不完善造成。

（3）辐射损耗

辐射损耗（弯曲损耗）

弯曲损耗是由于光纤中部分传导模在弯曲部位成为辐射模而形成的损耗。

它与弯曲半径成指数关系，弯曲半径越大，弯曲损耗越小。

弯曲半径应超过光纤包层125

的长期150倍即19mm短期100倍即13mm。

3.光纤传输特性？

光纤的损耗特性,机械特性、温度特性

二,光纤的色散特性:

色散:

脉冲在通过光纤传播期间，其波形在时间上发生了展宽，这种观象就称为色散。

色散的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差。

时延差Δτ可以表示光纤的色散程度：

Δτ=DΔλL

式中：

D为色散系数，单位为ps/（nm·km），Δλ为光源谱宽，L为传输的距离，时延差越大，色散越严重。

三,光纤的传输带宽

4.什么叫相干光？

（特点）

相干光——是由两个激光器产生的具有空间叠加、相互干涉特性的激光。

相干光通信——就像传统的无线电和微波通信一样，在发射端对光载波进行幅度、频率或相位调制，在接收端，则采用零差检测或外差检测等相干检测技术进行信息接收的通信方式。

相干光通信的特点

（1）灵敏度提高10～20dB，线路功率损耗可增加到50dB。

（2）若在系统中周期性加入EDFA，即可实现长距离传输，适合于干线网使用。

（3）具有出色的信道选择性和灵敏度，和光频分复用相结合，可以实现大容量传输，适合于CATV分配网使用。

（4）必须使用频率稳定度和频谱纯度很高的激光器作信号光源和本振光源。

（5）要求信号光与本振光混频时满足严格的匹配条件以获得高混频效率。

四,机械特性:

目前构成光纤的材料是SiO2，要被拉成125μm的细丝。

在拉丝过程中，光纤的抗拉强度约为10～20kg/mm2，如拉丝后立即在光纤表面进行涂覆，抗拉强度可达400kg/mm2。

这里所说光纤的强度是指抗张强度，当光纤受到的张力超过它的承受能力时，光纤就将断裂

对于光纤抗断强度，它和涂覆层的厚度有关，当涂覆厚度为5～10μm时，抗断强度为330kg/mm2，只有强度符合要求的光纤才能用来成缆。

五,温度特性:

光纤的温度特性:

通常情况下，光纤的特性受温度影响不大，但是在温度很低时，损耗随温度降低而增加，尤其是在温度非常低时，损耗急剧增加，所以高寒地区工作的光缆应注意到这个特性。

产生这种现象的原因是光纤的热膨冷缩。

构成光纤的二氧化硅（SiO2）的热膨胀系数很小，在温度降低时几乎不收缩。

而光纤在成缆过程中必须经涂覆和加上一些其他构件，涂覆材料及其他构件的膨胀系数较大，当温度降低时，收缩比较严重，所以当温度变化时，材料的膨胀系数不同，将使光纤产生微弯，尤其表现在低温区。

随着温度的降低，光纤的附加损耗逐渐增加，当温度降至-55℃左右，附加损耗急剧增加。

因此，在设计光纤通信系统时，必须考虑光缆的高、低温循环试验，以检验光纤的损耗是否符合指标要求。

附加:

对光缆有如下基本要求：

①不能因成缆而使光纤的传输特性恶化；

②在成缆过程中光纤不断裂；

③缆径细、重量轻；

④便于施工和维护

5.什么叫光纤损耗？

用什么来表示？

光波在光纤传输，随着距离的增加，光功率会逐渐减小，这种现象称为光纤损耗

损耗的大小可以用衰减常数α定义。

通常α表示成dB/km为单位的形式。

例题：

一个通信系统使用

的光纤，如果输入功率是1mw，而且链路长15Km,求输出光功率？

解：

由

得:

代入数据得0.178mw.

6.给n1及Δ，求n2及NA？

数值孔径NA：

表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为光纤的数值孔径，用NA表示。

由于

所以

对于阶跃型光纤，假设是

是包层折射率，

是纤芯折射率，且n1＞n2，n1和n2的差值大小直接影响光纤的性能。

故引入相对折射率差Δ表示其相差程度。

对于通信光纤，

，上式简化成为:

对于渐变型光纤，若轴心处（r=0）的折射率为n（0），包层的折射率

来表示，则相对折射率差定义为

第三章有源器件（光检测器和光接收机）

1.光电检测器类型？

工作原理？

1）依材料分类

2）依检测器的波段分类

3）依器件结构分类

4）依内部增益分类

光电检测器有两种半导体光电二极管：

PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。

光检测器是光信号的接收器件，是将光信号转变为电信号的一种有源器件。

是利用半导体的光电效应制成。

光检测的工作原理是基于光辐射与材料相互作用所产生的光电效应来实现的。

（1）半导体的光电效应

半导体材料的光电效应是指：

光照射到外加反向偏压半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，这些电子-空穴对在耗尽层内建电场作用下形成漂移电流，同时在耗尽层两侧部分电子-空穴对由于扩散运动进入耗尽层，在电场作用下形成扩散电流，这两部分电流之和为光生电流。

2.光电检测转换效率性能参数？

1）响应度和量子效率

响应度和量子效率都是描述这种器件光电转换能力的物理量

响应度R0定义为：

A/W

式中，

----光电检测器的平均输出电流

----光电检测器的平均输入功率

量子效率

定义为：

而光生电子空穴对数=

（e为电子电荷量）

入射光子数=

（

为一个光子能量）

所以：

※说明二极管的响应度和量子效率与入射光波频率有关

2）响应时间

表征光检测器对光信号变化响应速度快慢的是它的响应时间，通过用光检测器受阶跃光脉冲照射时，输出脉冲前沿的10%点到90%点之间的时间间隔（即上升时间）来衡量。

光电检测器的响应时间受三个因素影响：

（1）渡越时间（耗尽区内产生光生载流子穿越耗尽层）

（2）扩散时间的影响（扩散区电场小扩散时间长）

（3）电路的影响（电路时间常数RT,CT）

3）、暗电流Id

暗电流是指在PIN规定的反向电压或者APD的90%击穿电压时，在无入射光情况下器件内部的反向电流。

在理想条件下，当没有光照时，光电检测器应无光电流输出。

但是，实际上由于热激励、宇宙射线或放射性物质的激励，在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。

严格说暗电流还包括器件表面的漏电流。

据理论研究，暗电流将引起光接收机噪声增大。

因此，人们总是希望器件的暗电流越小越好。

4、倍增特性

APD的雪崩倍增因子用G表示定义为：

有雪崩倍增时电流的平均值，

无雪崩倍增时电流的平均值PIN无倍增效应，所以G=1。

APD的倍增因子G随反向电压V的升高而增大。

APD可以达到的最大倍增因子用Gmax表示。

5、过剩噪声系数F（G）

在APD中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，这将导致倍增增益产生波动。

这种波动是额外的倍增噪声的主要根源。

通常用过剩噪声系数F（G）来表示。

过剩噪声指数x越大，则F（G）越大，所以应选择APD的x小的管子。

第四章无源器件

1.无源器件有哪些？

连接器、分路器与耦合器、衰减器、隔离器、滤波器、波分复用器、光开关和调制器等。

2.波分复用的原理？

波分复用器把不同波长的光信号复合注入到一根光纤中；或者把复合的多波长信号解复用，把不同波长的信号分离出来。

第五章光端机

1．接收机性能参数？

光接收机的误码率和灵敏度是描述光接收机准确检测光信号能力的性能指标

光接收机的误码率

光接收机的误码率BER定义为：

BER=错误接收的码元数/传输的码元总数。

那么光接收机的误码是如何产生的?

若I＞ID，采样值为“1”，若I＜ID，采样值则为“0”。

如果传输的信码为“1”，可是I＜ID，则发生错误。

同样传输的信码为“0”，可是I＞ID，则同样发生错误，这两个错误都将引起误码。

光接收机的灵敏度和动态范围

光接收机的灵敏度可以用满足给定的误码率指标条件下而可靠工作所需要的最小平均光功率Pmin来表示。

最小平均光功率Pmin,在国际单位制中，它的单位是瓦（W）。

工程上，光接收机的灵敏率常用光功率相对值来表示，单位是分贝毫瓦（dBm）。

二者的换算关系为：

光接收机的动态范围：

是在保证系统的误码率指标要求下，光接收机最低输入光功率Pmin和最大允许光功率Pmax的变化范围。

这个范围用D来表示，一般在工程上用二者（用dBm描述）之差来表示。

一台质量好的光接收机应有较宽的动态范围。

2．什么叫暗电流？

暗电流是指在PIN规定的反向电压或者APD的90%击穿电压时，在无入射光情况下器件内部的反向电流。

3.直接强度调制光接收机原理框图及个部分功能？

光接收机前端

光接收机前端的作用是将光纤线路末端耦合到光电检测器的光比特流转变为时变电流，然后进行预放大，以便后一级进一步处理。

线性通道

光接收机的线性通道由一个高增益的主放大器和一个均衡滤波器组成，还应包括峰值检测和自动增益控制（AGC）电路，用来控制放大器增益。

数据恢复

数据恢复电路由判决电路和时钟恢复电路组成，如果需要与电端机接口，还需要解码、解扰和编码电路

判决电路和时钟恢复电路的任务是把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号。

4.光中继器的方式？

通常有两种中继方法：

一种是传统方法，采用光-电-光转换方式，亦称光电光混合中继器；

另一种采用光放大器对光信号进行直接放大的中继器。

5.光接收机组成的三部分？

光接收机的前端、线性通道和数据恢复

6.LD,LED调制框图（P-I）？

LD模拟调制原理

LD数字调制原理

LDP-I曲线

自发辐射是荧光,

P与I线性关系对于LD,

越低越好

LED模拟调制原理：

LED数字调制原理：

7.直接强度调制光接收机原理框图包括输入电路部分及个部分功能？

组成发射机各部分功能

驱动电路——用经过编码的数字信号对光源进行直接光强度调制，完成电/光转换。

光源——光源的作用是产生作为光载波的光信号，光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。

电路的设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映输入电信号。

自动温度控制电路ATC——保持光源的温度恒定在室温左右，以稳定LD的阈值电流，从而稳定发送光功率。

自动功率控制电路APC——检测发送光功率变化，动态调节光源的偏置电流，以稳定发送光功率。

其余保护及告警检测电路——实现LD过流保护、LD无光告警及寿命告警。

输入电路由图所示电路组成：

图5.8输入电路方框图

均衡——补偿经电缆传输后产生的数字电信号失真。

码型变换——将电端机送入的信号码型从HDB3或CMI码变为NRZ码。

扰码——将信号中的长连“0”或“1”有规律地进行消除。

扰码改变了“１”码与“0”码的分布，从而改善了码流的一些特性。

例如：

扰码前：

1100000011000…

扰码后：

1101110110011…

时钟提取——提取与网络同步的时钟供给扰码与线路编码等电路。

编码——对经过扰码以后的信码流进行编码，变为适合在光纤线路中传送的线路码型。

6什么叫接收机的灵敏度？

动态范围？

灵敏度定义为：

在保证一定误码率的条件下，光接收机所需接收的最小光功率

光接收机的动态范围是在保证系统的误码率指标要求下，光接收机最低输入光功率Pmin和最大允许光功率Pmax的变化范围。

这个范围用D来表示

7.PPT的两道例题

例1：

在满足一定误码率条件下，光接收机最大接收光功率为0.1mW，最小接收光功率为1000nW。

（1）求接收机灵敏度和接收机动态范围。

（2）已知某个接收机的灵敏度为-40dBm（BER=10-10）,动态范围为20dB，若接收到的光功率为2μW，问系统能否正常工作？

解：

（1）

动态范围:

（2）根据灵敏度为-40dBm可求得Pmin=0.1μW,由动态范围为20dB,可求得Pmax为10μW，因为10μW＞2μW＞0.1μW，故能正常工作。

例2:

某光纤通信系统中光源平均发送光功率为-24dBm,光纤线路传输距离为20km，损耗系数为0.5dB/km,

（1）试求接收端收到的光功率为多少？

（2）若接收机灵敏度为-40dBm，试问该信号能否被正常接收？

（3）若光源平均发送光功率增大至-10dBm，光接收机刚好能将其正常接收，试求光接收机动态范围为多少？

解：

1）接收端收到的光功率

P=-24dBm-0.5dB/km×20km=-24dBm-10dB=-34dBm

2）-34dBm>-40dBm能正常接收。

3）Pmax=-10dBm-0.5dB/km20km=-10dBm-10dB=-20dBm

接收机动态范围

D=Pmax-Pmin=-20dBm-（-40dBm）=20dB

8.误码的相关内容

光接收机的误码率

光接收机的误码率BER定义为：

BER=错误接收的码元数/传输的码元总数

那么光接收机的误码是如何产生的?

光接收机的误码率分析

第六章系统

1.光纤通信系统性能参数？

最主要的两大性能参数：

误码性能：

系统的误码性能是衡量系统优劣的一个非常重要的指标，它反映数字信息在传输过程中受到损伤的程度。

抖动性能：

所谓数字信号的抖动一般指定时抖动，它是数字传输中的一种不稳定现象，即数字信号在传输过程中，脉冲在时间间隔上不再是等间隔的，而是随时间变化的一种现象，这种现象就称为抖动。

2.适合在光线中传输的码型有哪些？

适合于光纤线路传输的线路码，这个过程称为线路编码。

常用的码型有：

分组码、伪双极性码、插入比特码。

3.HDB3码为什么不能在光纤中传输?

HDB3称为三阶高密度双极性码，这种码型的特点之一是具有双极性，即具有+1、-1、0三种电平，这种双极性码由于采取了一定措施，使码流中的+1和-1交替出现，因而没有直流分量，于是在PCM系统的中继器与电缆线路连接时，可以使用变量器，从而实现远端供电，同时，这种码型又可利用其正、负极性交替出现的规律进行自动误码监测等。

PCM中传输的码型，并不适合在光纤数字通信系统中传输，比如HDB3，（光没有-1状态）

4.什么叫输入抖动？

什么叫输出抖动？

1输入抖动容限：

是系统能容忍的输入信号中引入的抖动最大值。

该参数反映系统对抖动的承受能力。

2输出抖动容限：

是系统在无输入抖动的条件下允许输出信号中产生的抖动最大值。

该参数反映了系统本身引入的抖动程度。

5.SD帧结构？

各部分名称，fb速率如何得来？

STM-N速率多少？

整个帧结构可以分为三个主要区域：

1）段开销（SOH）区域

所谓段开销是指SDH帧结构中为了保证信息正常灵活传送所必需的附加字节，主要用于网络的运行、管理和维护功能。

例如误码监视、帧定位、数据通信、公务通信和自动保护倒换字节等。

2）信号净负荷区域

信息净负荷区域主要用于存放各种业务信息比特，也存放了少量可用于通道性能监视、管理和控制的通道开销（POH）字节。

3）管理单元指针区域

管理单元指针（AU-PTR）是一种指示符，在SDH帧结构图7-2-2中位于第四行共9N个字节，用作管理单元指针（AU-PTR），它主要用来指示信息净负荷的第一个字节STM-N帧内的准确位置，以便在接收端正确地。

以便接收端正确地分分离净负荷。

SDH帧结构是一种以字节为基本单元的矩形块状帧结构，其由9行和270×N列字节组成，帧周期为125us。

帧结构中字节的传输是：

由上往下逐行发送，每行先左后右。

对于STM-1而言，其信息结构为9行×270列的块状帧结构，传输速率：

fb=9×270×8×8000=155.520Mbit/s。

从结构组成来看，整个帧结构可分成3个区域，分别是段开销区域、信息净负荷区域和管理单元指针区域。

同步传送模块STM-N.国际标准化N的取值为N=1，4，16，64，…，

STM-1155.520Mbit/s

STM-4622.080Mbit/s

STM-162488.320Mbit/s

STM-649953.280Mbit/s

6.误码的相关内容

误码性能：

系统的误码性能是衡量系统优劣的一个非常重要的指标，它反映数字信息在传输过程中受到损伤的程度。

对于PCM而言，误码率对话音的影响程度如下表：

通常用长期平均误码率、误码的时间百分数和误码秒百分数来表示。

长期平均误码率简称误码率（BER：

BitErrorRate）它表示传送的码元被错误判决的概率，但它不能反映反统是否有突发性、成群的误码存在，为了有效地反映系统实际的误码特性，还需引入误码的时间百分数和误码秒百分数。

常用的有劣化分百分数（DM）和严重误码秒百分数（SES）。

误码率对话音影响程度

第七章新技术

1．EDFA（掺铒光纤放大器）工作原理？

2.EDFA工作形式？

工作波长范围？

EDFA具体的应用形式有以下四种。

线路放大（LineAmplifier）：

在光纤线路中每隔一段距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离。

功率放大（BoosterAmplifier）：

放在光发射机后，以提高发射光功率，对其噪声要求不高，饱和输出功率是主要参数。

前置放大（Preamplifiev）：

放在光接收机之前，放大微弱的光信号，以改善光接收灵敏度，对噪声要求苛刻。

LAN放大（LANAmplifier）：

光纤局域网中用作分配补偿放大器、增加光节点数目。

工作波长处在1.53～1.56μm范围

3.光波分复用概念？

光波分复用的定义：

波分复用是光纤通信中特有的一种传输技术，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，将光纤的低损耗窗口划分成若干个波段，每个波段用作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。

每个波长的光波都可以单独携带语音、数据和图像信号，因此，波分复用技术可以让单根光纤的传输容量获得倍增。