华南师范大学光纤通信复习资料

复习提纲

发 射基本光纤传输系统接 收

电光光电信信第一章知识点小结： 光纤线路发发接接息息射射收收1. 什么是光纤通信？利用光纤传输光波信号的通信方式。 源宿机机机机 电信号光信号光信号电信号输入输出输入输出2. 基本光纤通信系统的组成和各部分作用。

基本光纤传输系统由光发射机、光纤线路和光接收机三个部分组成。 1. 光发射机

功能：是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。 核心：光源。要求光源输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。

目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(或称激光器)(LD) 2. 光纤线路

功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。 光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。

光纤线路的性能主要由缆内光纤的传输特性决定。对光纤的基本要求是损耗和色散这两个传输特性参数都尽可能地小，而且有足够好的机械特性和环境特性， 3. 光接收机

功能：把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。

核心：光检测器。对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。

3、光纤通信和电通信的区别。 光纤通信和电通信的主要差别：

（1）电通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。（2）电通信用电缆传输信号，光通信用光纤传输信号，光缆具有比电缆更小的高频率传输损耗。 包层n2第二章知识点小结

1、光能量在光纤中传输的必要条件（对光纤结构的要求）。

纤芯光纤结构 n1 纤芯：光能量传输的通道。 包层：为光的传输提供反射面和光隔离以及机械保护作用。

设折射率，纤芯为n1；包层为n2,则光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。

2、突变多模光纤数值孔径的概念及计算。

设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1， 纤芯中心轴线与z轴一致，如图2.4定义临界角θc的正弦为数值孔径(Numerical Aperture, NA)。根据定义和斯奈尔定律

22 NA?sin?C?n1?n2?n12?设Δ=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21或θc=12.2°。 NA表示光纤接收和传输光的能力。

1）NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。

2）NA越大 经光纤传输后产生的信号畸变越大

1

3、弱导波光纤的概念。

纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=50~80 μm，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。带宽只有10~20 MHz·km，一般用于小容量（8 Mb/s以下）短距离（几km以内）系统。

4、相对折射率指数差的定义及计算。

相对折射率指数差（纤芯和包层折射率分别为n1和n2）

22 定义： (n1?n2)(n1?n2)n1?n2???22 2n12n1弱导波光纤中n1和n2相差很少，则 n1+n2 2 n1

??(n所以有： 1?n2)/n1

5、突变多模光纤的时间延迟。

由式(2.4)得到最大入射角(θ=θc)和最小入射角(θ=0)的光线之间时间延迟差近似为 L2Ln1L2?????(NA)??c 2n1c2n1cc?

r?sin(Az)6、渐变型多模光纤自聚焦效应的产生机理。 An(0)渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数 θ*=θ0cos(Az) 对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角θ0，

其周期Λ=2π/A=2πa/ ， 取决于光纤的结构参数(a, Δ)， 而与入射角θ0无关。这说明不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在P点上，这种现象称为自聚焦(SelfFocusing)效应。 渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。这是因为

(1)光线传播速度v(r)=c/n(r)(c为光速)，入射角大的光线经历的路程较长，但大部分路程远离中心轴线，n(r)较小，传播速度较快，补偿了较长的路程。(2)入射角小的光线情况正相反，其路程较短，但速度较慢。 所以这些光线的时间延迟近似相等。

2a?2n12?n2?2.405

?2a?7、归一化频率的表达式。V= 2n12?n2?2.405 ?C由式可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个临界波长λc，当λ<λc时，是多模传输，当λ>λc时，是单模传输，这个临界波长λc称为截止波长。由此得到

?V?

V?2.405C或?c? ?2.4058、突变光纤和平方律渐变光纤传输模数量的计算。

ggv

M?()a2k2n12??() g?2g?2222

对于突变型光纤，g→∞，M=V/2； 对于平方律渐变型光纤，g=2，M=V/4。 第三章知识点小结

1、纤通信中常用的半导体激光器的种类。

半导体激光二极管 或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)

2、半导体激光器的主要由哪三个部分组成？

2

主要由激励源、激光物质和谐振腔组成

3、电子吸收或辐射光子所要满足的波尔条件。

受激辐射是受激吸收的逆过程。 电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即

E2-E1=hf12 (3.1)

式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。

受激辐射：产生相干光，辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同。

自发辐射：产生非相干光，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的。

4、什么是粒子数反转分布？

设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：

N2E?E1

?exp(?2) N1kT式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。

吸收物质：如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质，光强按指数衰减。 激活物质：如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质，会产生放大作用。 N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。

5、理解半导体激光产生激光的机理和过程。

过程：由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒， 注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内。 书本52页

机理：半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡。

6、静态单纵模激光器。

随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少， 谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加而产生的。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。

注：激光器输出光功率随温度而变化有两个原因： 一是激光器的阈值电流Ith随温度升高

3

而增大，二是外微分量子效率ηd随温度升高而减小。温度升高时，Ith增大，ηd减小， 输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化。

8、DFB激光器的优点。 ① 单纵模激光器。

② 谱线窄， 波长稳定性好。 ③ 动态谱线好。

④ 线性好。广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统中。 想详细点就看书（57）

9、LD与LED的主要区别（课件只是两点，可看课后小结） （1）LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。 （2）LED不需要光学谐振腔， 没有阈值。

10、常用光电检测器的种类。

PIN光电二极管 雪崩光电二极管（APD）

11、光电二极管的工作原理。P58

光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。 （课本61）

12、PIN和APD的主要特点。P59~P63

PIN:为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I) 主要特性：(1) 量子效率和光谱特性。(2) 响应时间和频率特性。(3) 噪声。 APD:电子和原子多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增的器件 主要特性：1. 倍增因子。2. 过剩噪声因子

13、耦合器的功能。

功能：把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。

14、光耦合器的结构种类。

比较实用和有发展前途的有光纤型、光子器件型、微器件型和波导型。 15、什么是耦合比？ POCpocCR??N耦合比CR是一个指定输出端的光功率Poc POtpon和全部输出端的光功率总和的比值，用%表示。

1n?1(由此可定义功率分路损耗Ls： Ls=10lg )CR

16、什么是附加损耗？ 由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的光功率总和Pit和全部输出端的光功

?率总和Pot的比值，用分贝表示

?Pit?10lg?pot??Pinn?1Nn?1N???Pin?4

Le=10lg

17、光隔离器的结构和工作原理。（必考） 隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。

主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。 插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值越大越好

SOP

入射光

法拉弟 偏振器偏振器旋转器

反射光 阻塞

课本72

第四章知识点小结

1、数字光发射机的方框图。P75

数字光发射机的方框图如图4.2所示，主要有光源和电路两部分。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。

2、光电延迟和张驰振荡。P77

输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间td，其数量级一般为ns。

当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为张弛振荡，其振荡频率fr(=ωr/2π)一般为0.5~2 GHz。

3、激光器为什么要采用自动温度控 P79

温度通过阈值电流和外微分量子效率引起的输出光脉冲的变化：温度升高，阈值电流增加，外微分量子效率减小，输出光脉冲幅度下降。 激光器温度对输出光脉冲的另一个影响是“结发热效应”。由于激光器结区温度的变化使得输出光脉冲的 形状发生变化，这种效应称为“结发热效应”。 热敏电阻控制电路热导温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和

控制电路组成， 图示出温度控制装置的

方框图。致冷器的冷端和激光器的热沉接触，

致冷器热敏电阻作为传感器，探测激光器结区的温度，

并把它传递给控制电路，通过控制电路改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。 4、数字光接收机的方框图。P82

5

直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于图4.14，主要包括光检测器、前置

放大器、主放大器、均衡器、 时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。

前置放大器主放大器 光信号再生码流 光检测器均衡器判决器 AGC时钟偏压控制电路提取

5、光接收机对光检测器的要求。P82 光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。对光检测器的要求如下：

(1) 波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 μm、 1.31 μm和1.55 μm)兼容； (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) 噪声要尽可能低， 能接收极微弱的光信号；

(4) 性能稳定， 可靠性高， 寿命长， 功耗和体积小。 目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。

6、什么是灵敏度？P86

灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。

灵敏度Pr： 在保证通信质量(限定误码率或信噪比)的条件下， 光接收机所需的最小平均接收光功率〈P〉min，并以dBm为单位。由定义得到 Pr=10lg ? P ? min( w )

[](dBm)灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时， 10?3能够接收微弱光信号的能力。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号

7、什么是误码和误码率？ P84

误码：把发射的“0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。

误码率：光接收机对码元误判的概率称为误码率(在二元制的情况下，等于误比特率，BER)， 用较长时间间隔内，在传输的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。

8、什么是动态范围？P89

动态范围(DR)的定义是：在限定的误码率条件下，光接收机所能承受的最大平均接收光功率〈P〉max和所需最小平均接收光功率〈P〉min的比值，用dB表示。根据定义

?p? DR=10lg max ( dB )

?p? min 动态范围是光接收机性能的另一个重要指标，它表示光接收机接收强光的能力，数字光接收机的动态范围一般应大于15 dB。

9、数字光纤通信读线路码型的要求。 P89

数字光纤通信系统对线路码型的具体要求有：

(1) 能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。这样就可以减小基线漂移、提高输出功率的稳定性和减小码间干扰， 有利于提高光接收机的灵敏度。

(2) 能给光接收机提供足够的定时信息。因而应尽可能减少连“１”码和连“0”码的数目，使“1”码和“0”码的分布均匀， 保证定时信息丰富。

(3) 能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码监测和公务通信。但对高速光纤通信系统，应适当减少冗余码，以免占用过大的带宽。 10、数字光纤通信系统中常用的码型种类。P90

6

有扰码、mBnB码和插入码 第五章知识点小结

1、SDH的优点。P100 与PDH相比， SDH具有下列特点：

(1) SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。最低的等级也就是最基本的模块称为STM-1，传输速率为155.520Mb/s； 4个STM1 同步复接组成STM-4，传输速率为4×155.52 Mb/s=622.080 Mb/s。

(2) SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范。因此， 光接口成为开放型接口，任何网络单元在光纤线路上可以互连， 不同厂家的产品可以互通， (3) 在SDH帧结构中，丰富的开销比特用于网络的运行、 维护和管理，便于实现性能监测、故障检测和定位、故障报告等管理功能。

(4) 采用数字同步复用技术，其最小的复用单位为字节，不必进行码速调整，简化了复接分接的实现设备，由低速信号复接成高速信号，或从高速信号分出低速信号，不必逐级进行。 (5) SDH采用了DXC后，大大提高了网络的灵活性及对各种业务量变化的适应能力。

2、SDH传输网的主要组成设备。P98

SDH传输网由SDH终端设备、分插复用设备ADM、数字交叉连接设备DXC等网络单元以及连接它们的（光纤）物理链路构成

13、SDH的帧结构（STM-1）。P101 2SOH3SDH帧结构是实现数字同步时分复用、保证网络 AU-PTR4STM-N载荷发送顺序5(含POH)可靠有效运行的关键。图给出SDH帧一个

SOHSTMN帧有9行，每行由270×N个字节组成。 9这样每帧共有9×270×N个字节，每字节为8 bit。 9×N261×N帧周期为125μs，即每秒传输8000帧。对于

270×NSTM1 而言，传输速率为9×270×8×8000=155.520 Mb/s。字节发送顺序为：由上往下逐行发送，每行先左后右

4、SDH的复用原理。P101

将低速支路信号复接为高速信号的方法有两种： （1）正码速调整法 优点是容许被复接的支路信号有较大的频率误差；缺点是复接与分接相当困难。 （2）固定位置映射法 是让低速支路信号在高速信号帧中占用固定的位置。这种方法的优点是复接和分接容易实现，但由于低速信号可能是属于PDH的或由于SDH网络的故障，低速信号与高速信号的相对相位不可能对准，并会随时间而变化。

SDH采用载荷指针技术，结合了上述两种方法的优点，付出的代价是要对指针进行处理。超大规模集成电路的发展，为实现指针技术创造了条件。

5、三种误码率参数的概念。 P106

6、可靠性及其表示方法。P109

7、损耗对中继距离限制的计算。P111 8、色散对中继距离限制的计算。P112 第七章点知识小结

… 7

1、光放大器的种类P138

(1)半导体光放大器（SOA）半导体光放大器的优点是小型化，容易与其他半导体器件集成； 缺点是性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。 (2)光纤放大器

掺铒光纤放大器（EDFA）

分布光纤拉曼放大器（DRA）——非线性光纤放大器

2、掺铒光纤放大器的工作原理P138

3、掺铒光纤放大器的构成方框图 P139

图7.3(a)为光纤放大器构成原理图，主要构成部件及功能为：

（1）光隔离器：防止反射光影响光放大器的工作稳定性。 （2）光耦合器（波分复用器）：把信号光和泵浦光混合起来。 （3）掺珥光纤：长约10~100m， Er 3+浓度约为25mg/kg。

（4）泵浦光源：形成粒子数反转分布。光功率为10~100mW，工作波长为0.98 μm。

4、什么WDM？P142

光波分复用(WDM： Wavelength Division Multiplexing)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。其基本原理是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。

5、光交换技术的方式 P159

光交换主要有三种方式： （1）空分光交换（2）时分光交换（3）波分光交换

6、什么是光孤子？P161

光孤子(Soliton)：经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲(ps数量级)。 光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。 光孤子通信的传输距离可达上万公里，甚至几万公里，目前还处于试验阶段。

7、光孤子的产生机理 P162

光纤非线性效应和色散单独起作用时，在光纤中传输的光信号都要产生脉冲展宽，对传输速率的提高是有害的。但是如果适当选择相关参数，使两种效应相互平衡，就可以保持脉冲宽度不变， 因而形成光孤子

8、相干光通信信号调制的方式 P167

对于模拟信号，有三种调制方式：幅度调制AM、FM、PM 对于数字信号，有三种调制方式：幅移键控ASK、FSK、PSK 9、相干光通信技术的优点 P165或者P172

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(1) 灵敏度提高了10～20 dB，线路功率损耗可以增加到50 dB。如果使用损耗为0.2 dB/km光纤，无中继传输距离可达250 km。

由于相干光系统通常受光纤损耗限制，周期地使用光纤放大器，可以增加传输距离。实验表明，当每隔80 km加入一个掺铒光纤放大器，25 个EDFA可以使 2.5 Gb/s系统的传输距离增加到2200 km以上，非常适合干线网使用。

(2) 由于相干光系统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。

必看1

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