光纤通信总复习.docx
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光纤通信总复习
第一章
1光纤通信:
(1)利用光导纤维传输光波信号的通信方式;
P1
(2)工作在近红外区,其波长为0.8~1.8nm;
(3)以光波为载波,光纤做为传输媒质。
2点对点通信的构成框图P10
v信源编码:
A/D转换,将模拟信号转换成数字信号并编码;
vTDM:
多路数字信号进行时间分割复用,提高信道的利用率;
v信道编码:
将信息码元按照一定的规律重新排列,减少误码;
v调制:
将数字信号频谱搬移到较高频率的光波上;
v信道:
光纤
3电—光(E/O)转换:
光发送机将电端机来的电信号经编码后调制光源(直接调制)或驱动调制器调制光源输出的光波(外调制)产生载有信息的光信号。
光—电(O/E)转换:
接受的光信号由光检测器检测转换成电信号,然后放大解调,判决再生,送入电端机恢复出原信号。
(强度调制—直接检测)P10-11
4光纤通信的三个常用窗口P3
v短波长低损耗窗口(850nm)
v最小色散长波长低损耗窗口(1300nm)
v最低损耗长波长低损耗窗口(1550nm)
5商用光纤通信系统发展P4-5
v第一代(1980~):
850nm波长的多模光纤
v第二代(1983~):
1300nm波长的单模光纤
v第三代(1991~):
1550nm波长的单模光纤单频激光器
v第四代(1995~):
光放大器(OA)
v第五代光通信系统技术?
光纤孤子通信技术
孤子是基于色散与非线性的平衡,在无损耗光纤中传输时能始终保持其形状不变的一种光脉冲。
利用孤子可实现高速信号的长距离传输。
v第六代光通信系统技术?
量子光通信技术
6波分复用(WDM)技术,是使单根光纤上能同时传输几十至几百个波长信道,实现超高速、超大容量的传输的技术。
P3
7光纤通信的特点
(1)传输频带宽,通信容量大;
(2)中继距离远;(3)抗电磁干扰能力强,无串扰;
(4)光纤细,光缆轻;(5)资源丰富,节约有色金属和能源;(6)经济效益好;
(7)抗腐蚀,不怕潮湿
缺点:
质地脆,机械强度低,连接比较困难,分路耦合不方便等。
第二章
1光纤的结构、分类、尺寸P13
结构:
多层同轴圆柱体,自内向外为纤芯、包层及涂覆层。
分类
v按横截面上的折射率分布分为:
阶跃型<平均分布>(SI)和梯度型<平方律分布>(GI)
v按光纤中传输模式多少分布:
多模光纤、单模光纤;
v按材质分布:
石英、塑料等
尺寸
v多模光纤的芯径大多为50
v单模光纤芯径仅4—10
v它们的包层外径一般为125
2阶跃、梯度折射率分布公式P14
阶跃(SI):
梯度(GI):
按平方律分布
3光学方法简述多模光纤导光原理P15
光纤的导光特性基于光射线在芯包界面上的全反射,使光线限定在纤芯中传输。
4数值孔径P16
定义入射临界角θ0的正弦为数值孔径NA,
即NA=sin
=n1
数值孔径表示入射到光纤端面上的光线,只有与纤芯轴夹角为
圆锥体内的入射光线才能在纤芯内传输。
越大,NA越大,光纤聚焦能力愈强。
通常
≈0.01,则NA的值约为0.1~0.3
5自聚焦现象P18
如果折射率分布合适,就有可能使以不同角度入射的全部光线以同样的轴向速度在光纤中传输。
同时到达光纤轴上的某点,即所有光纤都有相同的空间周期L,这种现象称为自聚焦现象。
6平面光波导P20
定义:
媒质光波导是平面的称为平面光波导;
分类:
n1:
波导薄膜折射率n2:
衬底折射率n3:
包层折射率
(1)若n2=n3,对称平面光波导;n2≠n3,非对称平面光波导
(2)若n1在x方向是均匀的,均匀平面光波导;n1在x方向是渐变的,非均匀平面光波导
模式:
(a)包层辐射膜;(b)衬底辐射膜;(c)导膜(波导模式)
7弱导光纤:
芯包折射率差很小,即
<<1P24
8归一化变量P25
归一化频率:
归一化传播常数:
9线偏振模(LPmn)P29
对于一组m,n值,又一个确定的u值,从而对应一个模式,它有自己的场分布和传输特性。
这种标量模成为线偏振模,用LPmn表示。
最低阶模LP01模,VC=0;次最低阶模LP11模,VC=2
【注】例2.3.2P30
10单模传输条件:
当阶跃光纤的归一化频率V<2.405时,实现单模传输。
P33
模场直径:
用来表征在单模光纤的纤芯区域基模光的分布状态,是指光强降低到轴心线处最大光强的1/(e^2)的各点中两点最大距离。
模式双折射:
实际的单模光纤总可能存在一定的不完善,光纤内部残余应力、光线弯曲扭转等引起的折射率分布各向异性,使LP
和LP
模的兼并被破坏,
,这就是单模光纤的模式双折射。
P36
11损耗计算
【注】补充题P39
损耗类型(详见P39-41)
v光纤材料吸收损耗:
紫外损耗、红外吸收、杂质吸收(OH离子、金属离子)等(是一种本征吸收损耗);
v光纤散射损耗:
瑞利散射损耗、波导散射损耗、非线性损耗;
v辐射损耗:
弯曲损耗、微弯损耗
12色散:
对通信系统的影响:
光信号在光纤中传输时,波形会发生愈来愈大的失真,脉宽展宽,从而限制了光纤的最高信息传输速率。
色散包括:
(1)模间色散;
(2)波导色散;(3)材料色散;(4)偏振模色散
模间色散计算——模间色散造成脉冲展宽(只考虑阶跃,不考虑梯度)
13单模光纤的分类G.652—G.655P45-46
vG.652缺点:
最低损耗和最小色散不能同时取到;
vG.653色散位移光纤(DSF):
零色散波长从1.3
移到1.55
,不能用于波分复用系统;
vG.654色散平坦光纤(DFF):
很适合波分复用系统,缺点是损耗稍大,制造工艺复杂;
vG.655非零色散位移光纤(NZ-DSF):
工作窗口1.55
,针对复用系统。
可降低光纤网络铺设成本,也保证了未来网络扩容需要。
14单模光纤的非线性效应P52
产生:
在光纤通信系统中,随着发送光功率的增加,单模光纤的损耗又很低,高光强在光纤中能保持很长的距离,虽然石英材料并不是高非线性的,但单模光纤中的非线性效应仍变得十分强烈,其输入、输出特性将不再保持线性。
非线性影响愈来愈大的原因:
(1)光源性能提高及光放大器的广泛采用,使入纤功率达到10dBm甚至20dBm以上;
(2)WDM技术普遍采用,光纤的非线性效应使信道间产生严重的相互串扰;(3)单信道速率愈来愈高。
色散与非线性间的相互作用影响也愈来愈严重。
具体有:
受激拉曼散射、自相位调制、交叉相位调制、四波混频
15无源光器件:
连接器、衰减器、隔离器、滤波器、分路器、复用器、光开关和调制器等
(详见P68-73)
第三章
1光源工作原理基于光子的吸收、自发发射和受激发射。
2LED工作原理:
LED即发光二极管,由两个半导体P型和N型半导体加中间一个有源层组成。
当两端加上正负电压时电子开始移动和空穴(带正电的离子)结合产生辐射光。
3
v同质结:
同种材料构成的pn结
v异质结:
由带隙宽度及折射率都不同的两种半导体材料构成的pn结
v直接带隙:
带隙两边的电子和空穴有相同的动量
v间接带隙:
导带最小点与价带最大点能量对应于不同的动量
v发光效率:
4LD工作原理
5粒子数反转:
为了产生受激发射,必须建立非平衡的分布,即使二能级原子系统中上能级的粒子数大于下能级的粒子数,使受激发射大于受激吸收,这种状态叫做粒子数反转。
【注】补充题P97
6光学谐振腔起什么作用?
P94
把激光媒质置于光学谐振腔内,以提供必要的反馈及进行模式选择,提高相干性,构成激光振荡器。
7结发热效应
8LD与LED工作特性比较P79?
vLED输出的是非相干光,其谱宽宽,入纤功率小,调制速率低;
vLD是相干光输出,谱宽窄,入纤功率大,调制速率高。
9LD直接高速调制有哪些调制特性
频率响应、电光延迟、调制谱特性、频率啁啾
10光发送机框图、每部分功能P115
核心是光源及驱动电路。
数字通信中:
v输入电路:
将输入的PCM脉冲信号进行整形,变换成NRZ/NZ码;
v驱动电路:
调制光源(直接调制),给光源一个预偏置电流;
v光调制器:
调制光源输出连续光波(外调制);
v自动偏置控制及温控电路:
稳定输出的光功率和工作温度;
v报警电路:
对光源寿命及工作状态进行监测与报警
11消光比(EXT):
是指全“0”平均光功率与全“1”平均光功率之比。
P115
数字光脉冲的消光比EXT<0.1
12光载波调制方式:
直接调制、间接调制
第四章
1数字光接收机框图、每部分作用。
衡量光接收机性能指标P130(b)
衡量指标:
接受灵敏度、动态范围,此外还有工作在各种数据格式的能力、快速的响应时间、工作在各种码速下的能力、低功耗及价格等。
2PIN和APD工作原理
3量子效应和响应度的计算P136
v
v
最后一个等号后,
以
为单位。
可见,APD响应度要比PIN检测器提高了G倍
【注】例4.2.1P137
4解释光电效应,如何产生光电效应?
光电效应:
某些物质吸收光子后,物质内部的电子被光子激发出来形成电流,即光生电。
产生:
每一种金属产生光电效应都存在一极限频率,照射光的频率要大于极限频率,才能产生光电效应。
只要光的频率高于金属的极限频率,光的亮度无论强弱,光子的产生在瞬间即完成。
5接收机噪声源有哪些?
信噪比的计算
噪声源(P142):
量子噪声、暗电流噪声、倍增噪声、背景噪声、漏电流噪声、热噪声、放大器噪声
信噪比计算
v
vPIN光电二极管SNR=
【注】看补充题目P152-153
第五章
1光放大器分类
v半导体光放大器(SOA)
v掺稀土元素光纤放大器:
应用最广泛掺铒光纤放大器(EDFA)
v非线性光纤放大器:
主要是光纤拉曼放大器(FRA);还有光纤布里渊放大器(FBA)、
光纤参量放大器(OPA)
2EDFA工作原理P187
工作波长处于1550nm。
信号光与泵浦光在铒光纤内可以在同一方向(同向泵浦)、相反方向(反向泵浦)或两个方向(双向泵浦)传播。
当信号光与泵浦光同时注入到铒光纤中时,铒离子在泵浦光作用下激发到高能级上,并很快衰变到亚稳态能级上,在入射信号光作用下回到基态时发射对应于信号光的光子,使信号光得到放大。
3泵浦工作波长的选择
4光放大器噪声特性的衡量
v噪声系数
v自发发射(ASE)发射系数
,N1和N2分别为基态和激发态上的粒子数,
可见,
越大,ASP噪声功率也就越大。
5光放大器的应用P189
v可作为发送机的功率提升放大器以提高发送功率;
v可作为接收机的前置放大器以提高接受灵敏度;
v可代替传统的光—电—光中继器,延长传输距离;
v用于补偿局域网和分配网中的分配损耗
6EDFA结构P187
EDFA主要由源媒质(即掺铒石英光纤,芯径3~5
,掺杂浓度25~1000ppm、长度约几十米)、泵浦光源、光耦合器及光隔离器等组成。
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