光纤通信系统与应用(胡庆)复习总结
MSTP
红色：重点、绿色：了解
第1章
1、光纤通信的基本概念：以光波为载频，用光纤作为传输介质的通信方式。
光纤通信工作波长在于近红外区：0.85～2.00μm的波长区，
对应频率: 167～375THz。
对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工
作波长，即0.85μm、 1.31μm 1.55μm及 1.625μm
2、光纤通信系统的基本组成：P5 图1-3
目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD）的光纤数字通
信系统。该系统主要由光发送设备（光发射机）、光纤传输线路、光接收
设备（光接收机）、光中继器以及各种耦合器件组成。
各部件功能：
电发射机：对来自信源的信号进行模/数转换和多路复用处理；
光发送设备：实现电/光转换；
光接收机：实现光/电转换；
光中继器：将经过光纤长距离衰减和畸变后的微弱光信号放大、整形、再生成具
有一定强度的光信号，继续送向前方，以保证良好的通信质量。
3、光纤通信的特点：（可参照P1、2）
优点：（1），传输容量大。（2）传输损耗小，中继距离长。
（3）保密性能好：光波仅在光纤芯区传输，基本无泄露。
（4）抗电磁干扰能力强：光纤由电绝缘的石英材料制成，不受电磁场干扰。
（5）体积小、重量轻。（6）原材料来源丰富、价格低廉。
缺点：1）弯曲半径不宜过小；2）不能远距离传输；3）传输过程易发生色散。
4、适用光纤：P11
G.652 和G.654：常规单模光纤，色散最小值在1310nm处，衰减最小值在1550nm
处。常见的结构有阶跃型和下凹型单模光纤。
G.653：色散位移光纤，色散最小值在1550nm处，衰减最小值在1550nm处。难
以克服FWM混频等非线性效应带来的影响。
G.655：非零色散光纤，色散在1310nm处较小，不为0；衰减最小值在1550nm
处。可以尽量克服FWM混频等非线性效应带来的影响。
补充：1、1966年7月，英籍华人（高锟）博士从理论上分析证明了用光纤作为
传输介质以实现光通信的可能性。
2、数字光纤通信系统有准同步数字体系（PDH）和同步数字体系（SDH）两种传
输体制。
信
息
宿
3、一个完整的通信网：由用户终端设备、传输设备、交换设备和相应的信令、协议、标准等软件构成。
通信网的基本结构：网状、星状、复合型、环状和总线型等。
光纤通信网：按电信业务来分：电话网、电报网、传真通信网、计算机数据网、图像通信网和有线电视网；按服务区域来分：长途骨干网、本地网和用户接入网。
4、（1）光纤通信在通信网中的未来发展趋势：信道容量不断增加；超长距离传输；光传输与交换技术的融合；光纤接入网（广义上包括：数字环路载波系统（ODLC）和无源光网络(PON)）。
光接入网络的核心：全数字化、软件控制、高度集中和智能化。
（2）实现高速化、大容量的主要技术手段：时分复用TDM；波分复用WDM；频分复用FDM。
（3）技术现状：PDH、SDH、WDM、光电收发器、EPON
第2章
1、光纤的结构：光纤是由两种不同折射率的玻璃材料拉制而成。由涂覆层、纤芯、包层组成。
折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n1，直径为2a；
折射率低的外围部分称为包层，其折射率为n2，直径为2b。
纤芯：位于光纤的中心部位（直径d1= 5 ～80μm）。
多模光纤的纤芯为50～80μm，单模光纤的纤芯为5～10μm。
作用：以极小的能量损耗传输载有信息的光信号。
包层：位于纤芯的周围（直径d2= 125μm）。作用：保证全反射只发生在纤芯内使光信号封闭在纤芯中传输。（要求纤芯折射率比包层折射率稍大些，这是光纤结构的关键）
涂敷层：位于光纤最外层。作用：增加光纤的机械强度与可弯曲性。
2、光纤的分类：参照P15图2-2
目前在通信中使用较为广泛的光纤有两种：紧套光纤与松套光纤。
1）、按照光纤横截面折射率分布不同来划分：
①阶跃型光纤：纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，称为：均匀光纤。
②渐变型光纤：如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为：非均匀光纤。
2）按照纤芯中传输模式的数量划分：
多模光纤：在一定的工作波下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。
多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可采用渐变折射率分布
多模光纤的纤芯直径约为50～80μm 。
模式色散，仅适用于低速率、短距离通信
单模光纤：光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤
单模光纤的纤芯直径较小，约为8～10μm 。适用于大容量、长距离的光纤通信。
3）按照传输波长分类：短波长光纤和长波长光纤
4）按照使用材料的不同来分：玻璃光纤、全塑光纤、石英系列光纤。
3、阶跃型光纤的导光原理
1）相对折射指数差： 弱导波光纤： 2）数值孔径NA ：表示光纤捕捉入射光线的能力。
例题参照P24
导光原理：光纤之所以导光，就是利用纤芯折射率略高与包层折射率的特点，使
落在数值孔径角内的光线都能收集到光纤中，并都能在纤芯包层界面处以内形成
全反射，从而将光限制在光纤中传播，这就是光纤的导光原理。
5、用波动理论法分析光纤的导光原理
（1）阶跃型光纤的标量近似解法 归一化频率和截止波长：P30
单模传输条件： 0 例题：已知：阶跃型光纤，若n1=1.5，λ0=1.31μm ， （1）若 △=0.01，当保证单模传输时，纤芯半径a 应取多大？ （2）若纤芯半径a=5μm ，应怎样选择△才能保证单模传输？ 解：（1）单模传输的条件 0 2）若纤芯半径a=5μm 0< √2△* 1.5 * * 5 <2.4 8、光纤的传输特性： （1）光纤的损耗特性 分类：吸收损耗、散射损耗和附加损耗 —— 吸收损耗定义：光波通过光纤材料时，一部分光能被消耗转换成其他形 式的能量而形成。 原因：本征吸收、杂质吸收和结构缺陷吸收 ——散射损耗定义：由于材料的不均匀，使光散射将光能辐射出光纤外的损耗。。 分类：线性散射损耗、非线性散射损耗。（瑞利散射、米氏散射、受激拉 曼散射、受激布里渊散射、附加结果缺陷散射、弯曲散射和泄漏等） 212221 2n n n -=?121n n n -≈?a k n V 012?= 002λπ=k a k n V 012?= 40483.22001 ?线性散射损耗主要包括：瑞利散射、材料不均匀引起的散射 ?非线性散射主要包括：受激拉曼散射、受激布里渊散射等。 ①瑞利散射损耗 ?瑞利散射损耗也是光纤的本征散射损耗。 ?这种散射是由光纤材料的折射率随机性变化而引起的。 ?瑞利散射损耗与1/λ4成正比，它随波长的增加而急剧减小，所以在长波长工作时，瑞利散射会大大减小。 ②材料不均匀所引起的散射损耗 ?结构的不均匀性以及在制作光纤的过程中产生的缺陷也可能使光线产生散射。 ——附加散射：来自外部的损耗。最主要的是光纤宏弯曲损耗 （2）光纤的色散特性 光纤中，信号的不同模式和不同频率在传输时具有不同的群速度，因而信号达到终端时会出现传输时延差，从而引起信号畸变，这种现象称为光纤的色散。结论：光源的谱线宽度越宽，信号的时延差就越大，引起的色散也就越严重。 光纤中的色散 ?模式色散：光纤中的不同模式，在同一波长下传输，各自的相位常数βmn不同，它所引起的色散称为模式色散。 ?材料色散：由于光纤材料的折射率随光波长的变化而变化，使得光信号各频率的群速度不同，引起传输时延差的现象，称为材料色散。 ?波导色散：光纤中同一模式在不同的频率(波长)下传输时，其相位常数不同，从而群速度不同。这样引起的色散称为波导色散。 ?偏振色散：单模光纤特有的一种色散。 ?补充：光缆结构形式：层绞式、骨架式，中心管式和带状式。 ?光缆特性：几何参数、光学特性、传输特性、机械特性和环境特性。 ?光缆机械性能指标：拉伸、压扁、冲击、反复弯曲、扭转、曲饶等受力状态。 ?习题1、6、9、11 ? ?第3章光纤通信器件 ?1、光源器件是光发射机的核心，作用是将电信号转换成光信号。半导体光源的种类：半导体激光器LD和半导体发光二极管LED。优点：体积小、重量轻、使用寿命长、与光耦合效率高、调制简便。 ?光和物质的相互作用：可参照P49 ?1）自发辐射的特点： ?①在没有外界作用的条件下自发产生的过程 ?②辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。 ?③电子的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。 ?2）受激吸收的特点： ?①在外来光子的激发下发生跃迁过程 ?②外来光子的能量等于电子跃迁的能级之差 ?③受激跃迁是一个消耗外来光能的过程 ?3）受激辐射的特点： ?①外来光子的能量等于跃迁的能级之差。 ?②受激过程中发射出来的光子与外来光子频率、相位、偏振方向、传播方向相同 ?③这是一个使光得到放大的过程。 ?激光产生的条件：光放大、频率选择及正反馈、阈值条件（P51式3.4）和相位特性 ?2、1）激光器的工作原理：激光器是能够产生激光的自激振荡器。发出振荡光的前提是受激辐射作用大于受激吸收作用。受激辐射是产生激光的关键。在热平衡条件下，物质不可能有光放大作用。粒子数发转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。 ?2）激光器的基本组成： ?——> 能够产生激光的工作物质 ?——> 泵浦源：使粒子数反转分布（N1 < N2）的外界激励源。?——> 能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 ?工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数发转分布，成为激活物质，从而有光的放大作用。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。?3、半导体激光器的结构、工作原理及工作特性 ?1）光纤通信对半导体发光器件LD/LED 的基本要求： ?a、光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口 ?b、能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。 ?c、与光纤的耦合效率高。 ?d、光源的谱线宽度窄。 ?e、寿命长，工作稳定。 ?2）LD的结构：从光振荡的形式上来看，激光器分为：布里-珀罗谐振腔 （F-P腔）激光器和分布反馈型（DFB）激光器。常用的光纤通信激光器——铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结条形激光器。它的特点：注入电流小，发光强度大。 ?DFB激光器优点：单纵模特性好、线宽窄、温度特性好和调制特性好。?LED结构：没有光学谐振腔，发光仅限于自发辐射发出的是荧光，是非相干光。 ? 3 ）比较LD、LED： ? ?4、常用的半导体光电检测器：PD光电二极管、PIN光电二极管、APD 雪崩光电二极管 ?1）APD工作特性：具有光/电转换作用； ?具有内部放大作用；（通过管子内部的雪崩倍增效应完成） ?2）APD的雪崩倍增效应： ?当耗尽区吸收光子时，激发出来的光生载流子经过高场区被加速，以极高的速度与耗尽区的晶格发生碰撞，使晶体中的原子电离，从而产生新的光生载流子，并连锁反应，使载流子迅速增加，光电流在APD管内部获得倍增，形成雪崩倍增效应。 ? ?5、光放大器：由放大工作介质、泵浦源组成。 ?光放大器分类：半导体光放大器，拉曼散射、布里渊散射光纤放大器和掺杂光纤放大器 ?光纤放大器：非线性光纤放大器（如：拉曼放大器）和掺铒光纤放大器（EDFA）。 ?1）EDFA的优点：高增益、高输出、宽频带、低噪声 ?2）EDFA的基本结构：由掺铒光纤、泵浦源、WDW、光隔离器、滤波器等组成。各器件功能参照P70 ?WDW：将不同波长的浦源光和信号光混合送入掺铒光纤。 ?光隔离器：抑制光反射对光放大器的影响，保证系统稳定工作。 ?滤波器：滤除放大器的噪声，提高系统的信噪比。 ?泵浦源：提供足够的光功率使掺铒光纤处于粒子反转分布。 ?掺铒光纤：有一定的长度和增益。 ?EDFA的泵浦形式有三种：同向泵浦、反向泵浦双向泵浦。 ?主要特性：增益特性、输出功率特性和噪声特性。 ? ?3）EDFA的工作原理：在泵浦源的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数发转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大。 ?6、无源光器件：光定向耦合器、光隔离器、光环行器、光滤波器、光开关、波长转换器、波分复用器。 ?7、WDM波分复用器：在一根光纤中能同时传输多波长光信号的技术，称为光波分复用技术（WDM）。 ?1）光波分复用器（光分路耦合器）是对光波波长进行合成与分离的光器件。主要有光栅型、多层介质模型和熔融拉锥全光纤型。 ?性能指标：插入损耗、附加损耗、分光比和隔离度。 ?2）优点：复用器结构简单、体积小、可靠性高；提高光纤的频带利用率； 降低对器件的速率要求；提供透明的传送通道；可更灵活地进行光纤通信组网。 ?缺点：存在插入损耗和串光等问题。 ?习题4、7、12、15 ?第4章光纤通信系统 ?1、光纤通信系统 ?按传输信号种类来分：模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。 ?按光调制方式来分：直接（强度）调制——直接检波系统和间接调制——检波系统。 ?直接调制适用于LD、LED器件，间接调制除了适用于LD、LED外，还适用于气体、液体、晶体激光器。 ?间接调制是利用调制元件的光电效应、磁光效应、声光效应来实现激光辐射调制的。 ?数字通信的优点：抗干扰能力强、易于集成、转换交换方便。 ?光调制：就是用电信号去改变光载波的某一特征参量，使其输出的特征参量随电信号而变化。可分为直接调强度制IM和间接调制。 ?掌握IM/DD光纤通信中的线路码型： ?交换机（内部，电信号，PCM，采用NRZ码）——>传输系统 ?脉冲编码调制(PCM)通信系统中的接口码型: HDB3码、CMI码 ?PCM系统中的码型并不都适于在数字光纤通信系统中传输。 ?2、了解IM/DD光纤通信系统： ?将光发、光中继、光收、备用系统、监控系统、电源（供电系统）结合起来就形成一个完整的光纤通信系统。 ?3、掌握直接调制和间接调制 ?1）直接调制：用电信号直接调制LED或LD的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现。它的特点是：成本低，易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限。 ?2）间接调制：把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。它的特点是：调制速率高，但技术复杂，成本较高。只用在大容量的波分复用和相干光通信系统中。 ?4、低速的光纤通信系统：采用IM/DD技术 ?新型光纤通信系统：采用多信道复用技术 ?第5章SDH ?1、SDH网的主要特点：（1）有标准光接口；（2）同步字节复用；（3）强大的网络管理功能；（4）有世界统一的数字信号速率和帧结构标准；（5）SDH和PDH有完全的兼容性。缺点：频带利用率不如PDH系统；采用 指针调整技术，使技术和设备复杂；易造成系统瘫痪。 ?SDH网由基本网络单元组成：终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、再生中继器（REG）、数字交叉连接设备（DXC）等。 ?1）四种网元的区别：TM只是简单的复用。ADM可以实现自由灵活地上下话路功能。DXC具有ADM所有功能，还具有交叉连接，实现电路群的调度，成本较ADM高。REG只起放大信号的作用。 ?2）终端复用器（TM）：提供由G.703（即PDH接口）接口到STM-1输出的简单复用功能；提供由若干STM-N复用到STM-M（M>N）的复用功能； ?3）分插复用器（ADM）：利用分接功能将输入信号所承载的信息分成两部分：一部分直接转发，另一部分卸下给本地用户，然后信息又通过复接功能将转发部分和本地上送的部分合成输出。主要用于SDH网络的转接站点处 ?4）数字交叉连接器（DXC）：完成STM—N信号的交叉连接功能，多端口器件。相当于交叉矩阵，完成各个信号间的交叉连接。可将输入的m 路信号交叉连接到输出的n路信号上 ?SDH对模型的下列几个方面做了规定：（1）网络节点接口（2）同步数字体系的速率（3）帧结构。 ?SDH网模型： ?1）网络节点接口 ?传输设备：光缆传输系统设备；微波传输系统设备；卫星传输系统设备。 ?网络节点：只有复用功能（简单）；复用、交叉连接多种功能（复杂）。?2）速率：同步传输模块：STM-N，N＝1、4、16等。 ?STM-1 155.520Mbit/s 155Mbit/s ?STM-4 622.080Mbit/s 622Mbit/s ?STM-16 2488.320Mbit/s 2.5Gbit/s ?STM-64 9953.280Mbit/s 10Gbit/s ?STM-256 39813.12Mbit/s 40Gbit/s ?3）帧结构：SDH帧为块状帧结构，共有9行，270列，以字节为单位 ? ?传输方向：从左到右，从上到下。 ?传输时间（帧长）：Ts＝125μs。 ?STM-1速率获得：比特数：9×270×N×8=9×270×1×8=19440b ?速率：19440b/Ts＝155.520Mb/s。STM-N速率同理?3、STM-N帧包括三个部分：SOH、AU-PTR、PAYLOAD ?1）段开销SOH：RSOH，再生段开销：1～3行。 ?MSOH，复用段开销：5～9行 区别：监管范围不同。如：若光纤上传输2.5G信号，RSOH监控STM-16整体的传输性能。MSOH监控每一个STM-1的传输性能。 2）管理指针AU-PTR：指示净负荷PAYLOAD中信息的起始字节位置，便于接收端从正确的位置分解出有效传输信息。 3）信息净负荷PAYLOAD：存放有效信息，并由一部分POH组成。POH用于通道监视控制 SDH复用映射结构： 容器C：具有一定格式的帧结构，用来接收相应速率等级的PDH信号，并进行速率适配。 虚容器VC：由容器C的帧信息加上相应的通道开销POH而构成。 支路单元TU：由低阶VC和相应的支路单元指针TU PTR构成。 支路单元组TUG：由1个TU直接构成，或由多个TU复用（按单字节交错间插）而构成。 管理单元AU：由高阶VC（VC-4或在AU支路中的VC-3）和相应的管理单元指针AU PTR构成。 管理单元组AUG：由3个AU-3复用（按单字节交错间插）而构成，亦可由1个AU-4直接构成AUG。 5、SDH的网同步： 定义：网络的所有设备的时钟频率和相位的偏差都控制在容许的范围内，这样可以保证通信网内的数字信号的正常交换与传输。 方式：主从同步方式（我国）、相互同步方式、准同步方式。 第六章 1、波分复用定义：把不同波长的光信号复用到一根光纤中进行传输的方式。 DWDM:指光纤同一低损耗窗口的相邻波长间隔较小的多个光波复用。 DWDM系统的主要器件：光转发器（OUT）、光合波器/分波器、光纤放大器。 2、DWDM基本网络单元设备：光终端复用设备（OTM），光线路放大设备（OLA）,光分插复用设备（OADM）和光交叉连接设备（OXC）. 3、光传送网的分层：光信道层（OCh）、光复用段层（OMS）和光传输断层（OTS） 第七章 1、光接入网OAN：以光纤作为传输媒质来取代传统的双绞线接入网。 作用范围：用户端通信设备<——> 局端交换机设备 （电话、调制解调器、计算机）（语音交换机、数据交换机）用户端设备将电信转成光信号，称ONU。 局端交换机必须要将电信号转成光信号，称OLT。 光接入网OAN = ONU＋OLT，实现双向业务传送。 拓扑结构：单星型、总线型、环形、双星型 2、ODN：用于无源光网络PON，用无源光器件实现； 优点：运营成本较低，对业务透明，便于升级。 缺点：有衰减，OLT和ONU距离受到限制。 ODT：用于有源光网络AON，复用和解复在电层： 优点：可克服衰减影响，距离较远、容量较大。 缺点：成本较高。 3、OAN 应用类型：光纤到路边(FTTC)、光纤到大楼(FTTB)、光纤到家(FTTH) 4、PON 的功能结构： 区别：OLT 应该具有数字交叉连接功能，上行至网络 ONU 应该具有用户和服务复用功能，下行至用户 ODN ：由光连接器、光分路器、波分复用器、光衰减器和光滤波器组成 5、接入网的分层：电路层、通道层、传输媒质层。 第八九章 1、全光网：网络中用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即端 到端保持全光路，中间没有光电转换器。 2、全光网中的关键技术： ①光交换技术：空分光交换；时分光交换；波分/频分光交换；ATM 光交换 ②全光中继技术③全光器件④全光网的管理控制与操作。 交换方式： 3、光路交换：以波长为单位进行交换。 分组交换：利用分组进行交换，属于同一数据流的分组分成若干个进行传输和交 换，到达目的地以后再进行重组。 光突发交换：也利用分组，但是数据信息和控制信息分组进行传送。数据信息称 为突发。 光分组流交换：也是利用分组进行交换，不同于光分组交换，分组流是将属于同 一数据流的分组看成一个整体进行传输和交换。 2010－2011学年一学期《光纤通信》期末考试 一、填空题（每空1分，共20分） 1、1966年7月，英籍华人（高锟）博士从理论上分析证明了用光纤作为传输介质以实现光通信的可能性。 2、光在光纤中传输是利用光的（ 折射 ）原理。 3、数值孔径越大，光纤接收光线的能力就越( 强 )，光纤与光源之间的耦合效率就越( 高 )。 4、目前光纤通信所用光波的波长有三个，它们是：（ 0.85μm ）、（ 1.31μm ）、（ 1.55μm ）。 5、光纤通信系统中最常用的光检测器有：（ PIN 光电二极管 ）、（ 雪崩光电二极管 ）。 ——————————————装———————————————— 订 ——————— 6、要使物质能对光进行放大，必须使物质中的( 受激辐射 )强于( 受激吸收 )，即高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数。物质的这一种反常态的粒子数分布，称为粒子数的反转分布。 7、在多模光纤中，纤芯的半径越( 大 )，可传输的导波模数量就越多。 8、光缆由缆芯、( 加强元件 )和外护层组成。 9、（波导色散）是指由光纤的光谱宽度和光纤的几何结构所引起的色散。 10、按光纤传导模数量光纤可分为多模光纤和( 单模光纤 )。 11、PDH的缺陷之一：在复用信号的帧结构中，由于(开销比特 )的数量很少，不能提供足够的运行、管理和维护功能，因而不能满足现代通信网对监控和网管的要求。 12、光接收机的主要指标有光接收机的动态范围和（灵敏度）。 13、激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的（阈值条件）。 14、光纤的（色散）是引起光纤带宽变窄的主要原因，而光纤带宽变窄则会限制光纤的传输容量。 15、误码性能是光纤数字通信系统质量的重要指标之一，产生误码的主要 原因是传输系统的脉冲抖动和（噪声）。 二、选择题：（每小题2分，共20分。1-7:单选题，8-10：多选题） 1、光纤通信是以（A ）为载体，光纤为传输媒体的通信方式。 A、光波 B、电信号 C、微波 D、卫星 2、要使光纤导光必须使（B ） A、纤芯折射率小于包层折射率 B、纤芯折射率大于包层折射率 C、纤芯折射率是渐变的 D、纤芯折射率是均匀的 3、（ D ）是把光信号变为电信号的器件 A、激光器 B、发光二极管 C、光源 D、光检测器 4、CCITT于（C）年接受了SONET概念，并重新命名为SDH。 A、1985 B、1970 C、1988 D、1990 5、SDH传输网最基本的同步传送模块是STM-1，其信号速率为（A）kbit ／s。 A、155520 B、622080 C、2488320 D、9953280 6、掺铒光纤放大器（EDFA）的工作波长为（ B ）nm波段。 A、1310 B、1550 C、1510 D、850 7、发光二极管发出的光是非相干光，它的基本原理是（B ）。 A、受激吸收 B、自发辐射 C、受激辐射 D、自发吸收 8、光纤通信系统的是由（ABCD ）组成的。 A、电端机 B、光端机 C、中继器 D、光纤光缆线路 9、要精确控制激光器的输出功率，应从两方面着手：一是控制（BD ）；二是控制（）。 A、微型半导体制冷器 B、调制脉冲电流的幅度 C、热敏电阻 D、激光器的偏置电流 10、光纤传输特性主要有（AB ） A、色散 B、损耗 C、模场直径 D 、截止波长 三、简答题（1、2题各6分，3题8分，共20分。） 1、什么是光纤色散？光纤色散主要有几种类型？其对光纤通信系统有何影响？答：由于光纤中传输的信号包含不同的频率成分或各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真、脉冲展宽的物理现象称为色散。(2分) 光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。(2分)从机理上说，光纤色散分为材料色散、波导色散和模式色散。前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一种色散由于信号不是单一模式所引起。(2分) 2、什么是直接调制？什么是间接调制？各有何特点？ 答：直接调制是用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源发出的光功率随信号而变化。光源直接调制的优点是简单、经济、容易实现，但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制。光纤通信中光源多采用直接调制方式。(3分) 间接调制一般是基于电光、磁光、声光效应，让光源输出的连续光载波通过光调制器，电信号通过调制器实现对光载波的调制。间接调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统。(3分) 3、画图分析说明掺铒光纤放大器主要由几部分构成？各部分的作用是什么？答： (2分) 掺铒光纤放大器主要由一段掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器及光隔离器等构成(2分)。采用掺铒单模光纤作为增益物质，在泵浦光激发下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大(2分)。泵浦光和信号光一起通过光耦合器注入掺铒光纤(1分)；光隔离器作用是只允许光单向传输，用于隔离反馈光信号，提高稳定性。(1分) 四、计算分析题（1、2题各15分，3、4题各5分，共40分） 1、某SI 型光纤，光纤的芯径d=2a 为100μm ，折射率n1=1.458，包层的折射率n2=1.450，在该光纤中传输的光波的波长λ=850nm 。 （1）计算该光纤的V 参数 （2）估算在该光纤内传输的模式数量 （3）计算该光纤的数值孔径 （4）计算该光纤单模工作的波长 解： (1) 由于归一化频率 22122V a n n πλ= - 22250 1.458 1.450.85 π=??- 56.36= (4分) (2)传播的模式总数2/2M V = 1588= (3分) (3)该光纤的数值孔径: 2212 NA n n =-0.153= (4分) (4)该光纤单模工作的波长: 221222.405 c a n n πλλ>=-22122.613a n n =-22122.61350n n =??-19.9=(μm ) (4分 2、有一GaAlAs 半导体激光器，其谐振腔长为300m μ，材料折射率n=3.0，两端的解理面的反射率为0.35。 (1)求因非全反射导致的等效损耗系数。 (2)求相邻纵模间的频率间隔和波长间隔。 (3)若此激光器的中心波长λ=1310nm ，与此相应的纵模序数。 2、解 ： 已知 错误！未找到引用源。 错误！未找到引用源。 错误！未找到引用源。 (1分) 1) 因非全反射导致的等效损耗系数错误！未找到引用源。 错误！未找到引用源。 (mm -1) (4分) 2)由 错误！未找到引用源。 q=1,2,3…. 错误！未找到引用源。 错误！未找到引用源。 (Hz) 波长间隔 错误！未找到引用源。 109.510 -? (m) (6分) 3）由 错误！未找到引用源。1374 (4分) 3、设140Mb/s 的数字光纤通信系统，工作波长1300 nm ，其他参数如下： 发射光功率为-3dBm ，接收机的灵敏度为-38 dBm （BER=10-9），系统余量为4 dB ，连接器损耗为0.5 dB /个，平均接头损耗为0.05 dB/km ，光纤损耗为0.4 dB/km ，试计算损耗限制传输距离。 解： 根据题意得 3 S P dBm =-，38 R P dBm =-，0. 4 /f dB km α=，0.0 5 /s dB km α=， (2 分) 0.5 c dB α=/个 , 4 M dB = 由2S R c f s P P L M L ααα-=+++ (2 分) 得2S R c f s P P M L ααα---= +()33820.540.40.05----?-=+66.7 km = 4、分光比为3：1的定向耦合器，假设从输入口0输入的功率为1mW ，从输入口0到输入口1的插入损耗为1.5dB ，求两个输出口的输出光功率。 解： 由题意得 R 3S =即121212:R P P S P P P P =++ (1分) 故有 123P P = (1分) 已知 10-10lg 1.5P P = (1分) 得 -0.151 10P P = 由于 0 1 mw P = 所以 -0.15 -0.15101010=0.70 mw P P == (1分) -0.152111100.23 mw 33P P === (1分) 湖南工业大学 课程设计 资料袋 计算机与通信学院（系、部）2013 ~ 2014 学年第 2 学期课程名称数字光纤通信指导教师刘丰年职称副教授学生姓名专业班级学号 题目图像、声音的光纤传输系统 成绩起止日期2014 年05月16 日～2014年05月22 日 目录清单 湖南工业大学 课程设计任务书 2013—2014学年第2学期 计算机与通信学院通信工程专业班级课程名称：数字光纤通信 设计题目：图像、声音的光纤传输系统 完成期限：自 2014 年 5 月 16日至 2014 年5月22 日共 1 周 指导教师（签字）：年月日 系（教研室）主任（签字）：年月日 数字光纤通信 设计说明书 声音、图像光纤传输系统 起止日期： 2014年 05 月 16 日至 2014年 05 月 22 日 学生姓名 班级 学号 成绩 指导教师(签字) 计算机与通信学院 2014年 05 月 22 日 指导教师（签字）：年月日系（教研室）主任（签字）：年月日 图像、声音光纤传输系统 一、设计原理 1、GT-RC-II 型光纤通信实验系统简介： （1）、电源模块：提供实验箱各模块电源。 （2）、1310nm光发送模块：实现模拟信号、数字信号在1310nm光发送机中的光传输及自动光功率控制功能（采用电路来实现）。 (3) 1550nm光发送模块：实现模拟信号、数字信号在1550nm光发送机中的光传输及自动光功率控制功能（采用专用芯片来实现）。 (4) 1310nm光接收模块：实现1310nm光纤传输信号的接收，实现接收信号光电转换，滤波及放大，将其恢复为标准的电脉冲数据信号。 （5）1550nm光接收模块：实现1550nm光纤传输信号的接收，实现接收信号光电转换，滤波及放大，将其恢复为标准的电脉冲数据信号。 实验系统主要由光发模块、光收模块、光无源器件和辅助通信模块等组成。光发端机完成将电信号直接调制至光载波上去，采用强度调制（IM）；光接收机完成光信号的解调，采用直接检测（DD），属于非相干解调。光载波由半导体光源产生，由半导体光检测器将光信号转换成电信号从而达到传输信号的目的。 2、模拟光纤通信系统的结构 模拟基带直接光强调制(DIM)光纤传输系统由光发射机(光源通常为发光二极管)、光纤线路和光接收机(光检测器)组成，这种系统的方框图如图1所示。 图1 模拟光纤通信系统由以下五个部分组成: （1）光发送机：光发送机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调 一. 1 光纤通信的基础：利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信。 光纤通信的载波是光波。光纤通信用的近红外光（波长为0.7-1.7um）频率约为300THZ 频带宽度约为200THZ,在常用的1.31um和1.55um两个波长窗口频带宽度也在20THZ以上. 2 光纤通信的优点：（1）容许频带很宽，传输容量很大（2）损耗很小，中继距离很长且误码率很小（3）重量轻，体积小（4）抗电磁干扰性能好（5）泄漏小，保密性能好（6）节约金属材料，有利于资源合理使用. 二 1 光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝. 纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输. 纤芯和包层的折射率若分别为n1和n2，光能量在光纤中的传输的必要条件：n1>n2 2 按折射率分类：突变型，浙变型按传输模式分：多模光纤，单模光纤 光纤的三种基本类型： （1）突变型多模光纤：纤芯直径2a=50-80um，光线以拆线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大. 适用于小容量，短距离传输. （2）渐变型多模光纤：纤芯直径2a为50um，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小，适用中等距离传输，中等容量 （3）单模光纤：纤芯直径只有8-10um，光线以直线型状沿纤芯中心轴线方向传播. 信号畸变小，适合长距离传输方式. 3 光纤传输原理：全反射 数值孔径NA=√（n1*n1-n2*n2)=n1√2△纤芯和包支的相对折射率差△=（n1-n2)/n1 NA表示光纤接收和传输光的能力，NA越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量. 时间延迟：θ不大时：τ=n1L/c=(n1L/c )*(1+θ1的平方/2) c为光速 最大入射角θc和最小入射角0： △τ=θc的平方L/2n1c=(NA*NA)L/2n1c=△n1L/c 4 自聚焦效应：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集在同一点上，而且这此光线的时间延迟也近似相等。 5 归一化频率：V=√（n1*n1-n2*n2)*2πa/λ 对于光纤传输模式有模式截止，模式远离截止 6 M是模式总数 M=（g/g+2)(akn1)的平方△=（g/g+2)V*V/2 单模传输条件：V=√（n1*n1-n2*n2)*2πa/λ<=2.405 临界波长（截止波长）λc λ<λc 多模传输>单模传输 7 光纤传输特性：（1）损耗（2）色散 色散是在光纤中传输的光信号，包括： 课程设计题目：外调制光纤通信系统设计 学院：信息科学与工程学院 年级专业：09级光电子1班 学号：xxxxxxxx 学生姓名：xxxxx 指导教师：xxx 一、设计要求 设计10Gpb速率的外调制光纤链路，保证链路能正常通信，误码率BER小于10-12，对应的品质因数Q大于7 二、设计技术参数 1）DFB-LD（SLM），光源中心波长λ0=1552.5nm（193.1Thz），谱线宽度Δλ=0.1 nm(12.5GHz) 2)光纤传输距离120km 3)光发射机发射光功率范围：10dBm～13dBm，可取10dBm 4)APD光接收机灵敏度范围：-25dBm～-9dBm ，可取-18dBm 5) G.652标准单模光纤，光纤的衰减系数α=0.2dB/km，色散系数D=17ps/nm/km 6) 色散补偿光纤衰减系数α=0.5dB/km, 色散系数D=-100ps/(nm.km) 7) 线路编码为NRZ 8) 连接器损耗α=1dB/个 二、设计要点 链路采用外调制的模式，系统通过电信号（NRZ码）控制光调制器产生光信号。产生的光信号通过光纤传输至信号接收端，经光电探测器转换为电信号，完成链路的传输。 衰减：在实际工作中，光纤有一个衰减系数，光信号会随着传输而衰减。为了使光信号传输到探测器时，信号的功率在光电探测器的灵敏度范围之内，链路设计放大模块将信号放大。 色散：不同频率的光波在光纤中传播的速度不同，频率较小的光传播速度快，频率较大的光传播速度慢。由于链路采用的光源激光器存在一定的带宽，因而光信号在传输过程中会产生色散，传输距离越长，色散现象越严重。针对色散问题，链路设计了色散补偿光纤来消除色散。 因此，设计链路所需要解决的主要问题是色散和衰减。通过改变色散光纤的长度和放大器的放大方法来消除传输中带来的色散问题和衰减问题。另外，在设计时，系统的噪声因素也应考虑在内。 三、链路设计 1.根据要求设计链路 通信链路由信号源、线路编码器、光源、连接器、光纤、必要补偿单元、连接器、光接收机组成。设计时，使用伪随机码发生器充当信号源，用连续波激光器和M-Z调制器组成外调制型光源，用1dB衰减器充当连接器，使用不同参数的光纤分别充当传输光纤和色散补偿光纤，使用7dB衰减器充当系统衰减富余量，使用眼图分析仪来观察链路传输的眼图、分析链路的误码率和品质因数。设计链路，初始时不添加色散光纤（色散光纤长度为0）和增益，检测系统的眼图和品质因数。如下图所示： 红色：重点、绿色：了解 第1章 1、光纤通信的基本概念：以光波为载频，用光纤作为传输介质的通信方式。光纤通信工作波长在于近红外区：0.85～2.00μm的波长区，对应频率: 167～375THz。 对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工作波长，即0.85μm、 1.31μm 1.55μm及 1.625μm 2、光纤通信系统的基本组成：P5 图1-3 目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD）的光纤数字通信系统。该系统主要由光发送设备（光发射机）、光纤传输线路、光接收设备（光接收机）、光中继器以及各种耦合器件组成。 各部件功能： 电发射机：对来自信源的信号进行模/数转换和多路复用处理； 光发送设备：实现电/光转换； 光接收机：实现光/电转换； 光中继器：将经过光纤长距离衰减和畸变后的微弱光信号放大、整形、再生成具有一定强度的光信号，继续送向前方，以保证良好的通信质量。 3、光纤通信的特点：（可参照P1、2） 优点：（1），传输容量大。（2）传输损耗小，中继距离长。 （3）保密性能好：光波仅在光纤芯区传输，基本无泄露。 （4）抗电磁干扰能力强：光纤由电绝缘的石英材料制成，不受电磁场干扰。（5）体积小、重量轻。（6）原材料来源丰富、价格低廉。 缺点：1）弯曲半径不宜过小；2）不能远距离传输；3）传输过程易发生色散。 4、适用光纤：P11 G.652 和G.654：常规单模光纤，色散最小值在1310nm处，衰减最小值在1550nm 处。常见的结构有阶跃型和下凹型单模光纤。 G.653：色散位移光纤，色散最小值在1550nm处，衰减最小值在1550nm处。难 以克服FWM混频等非线性效应带来的影响。 G.655：非零色散光纤，色散在1310nm处较小，不为0；衰减最小值在1550nm 处。可以尽量克服FWM混频等非线性效应带来的影响。 补充：1、1966年7月，英籍华人（高锟）博士从理论上分析证明了用光纤作为传输介质以实现光通信的可能性。 2、数字光纤通信系统有准同步数字体系（PDH）和同步数字体系（SDH）两种传输体制。 武汉大学电工电子信息学院实验报告 电子信息学院通信工程专业2015年 9 月17日 实验名称光纤通信的光传输指导教师易本顺 姓名徐佑宇年级2012级学号2012301200003成绩 一、预习部分 1.实验目的 2.实验基本原理 3.主要仪器设备(含必要的元器件、工具) 一、实验目的 1、通过光传输系统课程设计使学生熟悉常见的几种传输网络的特点及应用场 合； 2、了解ZXMP S325的具体硬件结构，加深对于光传输的理解； 3、掌握 ZXMP S325 的组网过程以及网管工具的使用，培养学生在传输组网工 程方面的实际应用技能。 二、实验设备 1、SDH设备：ZXMP S325； 2、实验用维护终端 三、实验原理 SDH技术是目前通信网络的主流技术，它以其突出的技术优势为网络提供优质、高效、可靠的通信业务，能够满足带宽数据及图像视频等多业务的传输需求，自愈功能强。 1、光传输原理及优势 SDH 全称同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy）， SDH 规范了数字信号的帧结构、复用方式、传输速率等级、接口码型特性，提供了一个国际支持框架，在此基础上发展并建成了一种灵活、可靠、便于管理的世界电信传输网。这种传输网易于扩展，适于新电信业务的开展，并且使不同厂家生产的设备互通成为可能，这正是网络建设者长期以来追求的目标。 其优势主要体现在以下几个方面： （1）接口方面 ·电接口：STM-1是SDH的第一个等级，又叫基本传输模块，比特率为155.520Mb/s，STM-N是SDH第N个等级的同步传送模块，比特率是STM-1的N倍（N=4n=1,4,16...）·光接口：仅对电信号扰码，光口信号码型是加扰的NRZ码，采用世界统一的7级扰码。 （2）复用方式 低速SDH信号以字节间插方式复用进高速SDH帧结构中，位置均匀、有规律，是可预见的 光纤通信复习重点 题型:填空、选择、判断(30’)、问答(40’)、计算(30’) 第一章 概论 1、2、2 光纤通信的优点(☆☆) 1）容许频带很宽,传输容量很大 2）损耗很小,中继距离很长,且误码率很小 3）重量轻,体积小 4）抗电磁干扰性能好 5）泄露小,保密性能好 6）节约金属材料,有利于资源合理使用 1、3 光纤通信系统的基本组成 基本光纤传输 接 收发 射 作用: 1）信息源:把用户信息转换为原始电信号,这种信号称为基带信号 2）电发射机:把信息源传递过来的模拟信号转换成数字信号(PCM) 3）光发射机:把输入电信号转换为光信号,并用耦合技术吧光信号最大限度地注入光纤线路。 4）光纤线路:把来自光发射机的光信号,以尽可能小的失真与衰减传输到光接收机。 5）光接收机:把从光纤线路输出、产生畸变与衰减的微弱光信号转换为电信号,并经其后的电接收机放大与处理后恢复成基带电信号。光接收机由光检测器、放大器与相关电路组成,光检测器就是光接收机的核心。光接收机最重要的特性参数数灵敏度; 6）电接收机:把接收的电信号转换为基带信号,最后由信息宿恢复用户信息; 说明:光发射机之前与光接收机之后的电信号段,光纤通信所用的技术与设备与电缆通信相同,不同的只就是由光发射机、光纤线路与光接收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输; 注:计算题3个,全来自第二第三章的课后习题 第二章 光纤与光缆 2、1、1 光纤结构 光纤就是由中心的纤芯与外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。(相对折射率差典型值△=(n1-n2)/n1,△越大,把光能量束缚在纤芯的能力越强,但信息传输 容量确越小) 2、1、2 光纤类型(三种基本类型) 图2、2 突变型多模光纤: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,特点就是信号畸变大。 渐变型多模光纤:纤芯中心折射率最大为n1,沿径向r 向外围逐渐变小,直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a 为50μm,光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播,特点就是信号畸变小。 单模光纤:折射率分布与突变型光纤相似,纤芯直径只有8~10 μm,光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式(两个偏振态简并),所以称为单模光纤,其信号畸变很小。 2、2 光纤传输原理 (展宽 衰减的原因) 2、2、1几何光学方法(几个基本物理量的计算、效应、单模就是重点) 1）突变型多模光纤 数值孔径:定义临界角θc 的正弦为数值孔径(NA) NA 表示光纤接收与传输光的能力,NA(或θc)越大,光纤接收光的能力越强,从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤,在θc 内的入射光都能在光纤中传输。NA 越大,纤芯对光能量的束缚越强,光纤抗弯曲性能越好。但NA 越大经光纤传输后产生的信号畸变越大,因而限制了信息传输容量。 时间延迟: 这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽,或称为信号畸变。由此可见,突变型多模光纤的信号畸变就是由于不同入射角的光线经光纤传输后,其时间延迟不同而产生的。 2）渐变型多模光纤 渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点。 自聚焦效应:不同入射角相应的光线,虽然经历的路程不同,但就是最终都会聚在同一点上。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。 2、2、2 光纤传输的波动理论 单模光纤的模式特性 1)单模条件与截止波长 ?≈-=212212n n n NA ?≈==?c L n NA c n L c n L c 12121)(22θτ （通信企业管理）第章_光纤通信系统的设计 第7章光纤通信系统 于前面几章中，我们已经学习了光纤通信系统中基本元器件的功能，从光源、光检测器、光放大器等有源器件到连接器、隔离器等无源器件。于这章里我们将讨论如何将这些器件通过光纤组合形成具有完整通信功能的系统。光纤通信系统就其拓扑而言是多种多样的，有星形结构、环形结构、总线结构和树形结构等，其中最简单是点到点传输结构。从应用的技术来见，分光同步传输网、光纤用户网、复用技术、高速光纤通信系统、光孤子通信和光纤通信于计算机网络中的应用等等。从其地位来分，又有骨干网、城域网、局域网等。不同的应用环境和传输体系，对光纤通信系统设计的要求是不壹样的，这里我们只研究简单系统的设计，即点到点传输的光纤通信系统。内容包括设计原则、数字和模拟通信系统的设计，最后给出了设计实例，以期读者对光纤通信方面的知识有壹全面了解。 6.1设计原则 6.1.1工程设计和系统设计 光纤通信系统的设计包括俩方面的内容：工程设计和系统设计。 工程设计的主要任务是工程建设中的详细经费概预算，设备、线路的具体工程安装细节。主要内容包括对近期及远期通信业务量的预测；光缆线路路由的选择及确定；光缆线路敷设方式的选择；光缆接续及接头保护措施；光缆线路的防护要求；中继站站址的选择以及建筑方式；光缆线路施工中的注意事项。设计过程大致可分为：项目的提出和可行性研究；设计任务书的下达；工程技术人员的现场勘察；初步设计；施工图设计；设计文件的会审；对施工现场的技术指导及对客户的回访等。 系统设计的任务遵循建议规范，采用较为先进成熟的技术，综合考虑系统经济成本，合理选用器件和设备，明确系统的全部技术参数，完成实用系统的合成。 6.1.2系统设计的内容 光纤通信系统的设计涉及到许多相互关联的变量，如光纤、光源和光检测器的工作特性、 光纤通信重要知识点总结 第一章 1.任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高,频带宽度越宽。 2.光纤：由绝缘的石英（SiO２）材料制成的,通过提高材料纯度和改进制造工艺,可以在宽波长范围内获得很小的损耗。 ３.光纤通信系统的基本组成：以光纤为传输媒介、光波为载波的通信系统,主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。光纤通信系统既可传输数字信号也可传输模拟信号。输入到光发射机的带有信息的电信号,通过调制转换为光信号。光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号,并将生成的光信号注入光纤。光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，如果是直接强度调制，可以省去调制器。 光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。它一般由光电检测器和解调器组成。光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介，将光信号由一处送到另一处。中继器分为电中继器和光中继器（光放大器）两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。为提高传输质量,通常把模拟基带信号转换为频率调制、脉冲频率调制或脉冲宽度调制信号,最后把这种已调信号输入光发射机。还可以采用频分复用技术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号（或数字基带信号）分别调制指定的不同频率的射频电波，然后把多个这种带有信息的RＦ信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机,由光载波进行传输。在这个过程中，受调制的RF 电波称为副载波，这种采用频分复用的多路电视传输技术，称为副载波复用技术。目前大都采用强度调制与直接检波方式。又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重,所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。 数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。发送端的电端机把信息进行模数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件LD，则LD就会发出携带信息的光波，即当数字信号为“１”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”。光波经低衰耗光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数模转换，恢复成原来的信息。这样就完成了一次通信的全过程。 4.光纤通信的优点:1通信容量大,一根仅头发丝粗细的光纤可同时传输1000亿个话路2中继距离长，光纤具有极低的衰耗系数，配以适当的光发送与光接收设备,可使其中继距离达数百千米以上,因此光纤通信特别适用于长途一、二级干线通信。３.保密性能好4．适应能力强５.体积小、重量轻、便于施工维护６.原材料资源丰富，节约有色金属和能源,潜在价格低廉，制造石英光纤的原材料是二氧化硅（砂子），而砂子在自然界中几乎是取之不尽、用之不竭的 5.光发射机：功能是把输入的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。光发射机由光源、驱动器和调制器组成。光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上取决于光源的特性,对光源的要求是输出光功率足够大，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。 6.实现光源调制的方法:直接调制和外调制。直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流,使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单，成本较低，容易实现,但调制速率受激光器的频率特性所限制。外调制是把激光的产生和调制分开,用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。 6.光纤线路:光纤线路的功能是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。光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少 课程设计报告 课程名称光纤通信 课题名称通信系统综合实验 一、设计内容与设计要求 1、设计内容 1）多路数据＋多路电话光纤综合传输系统的实现 2）多路数据＋多计算机＋单路图像/语音全双工光纤综合传输系统的实现3）*多路计算机＋双路图像/语音全双工光纤综合传输系统的实现 2、设计目的 掌握变速率时分复用的原理、实现方法； 学习并掌握计算机RS232通信技术； 掌握时分复用技术和波分复用技术的灵活搭配使用； 实现数字和语音同时通信。 3、实验仪器与设备 1.光纤通信实验系统2台。 2.示波器1台。 3.波分复用器2个。 4.电话2部。 I 5.FC/FC光纤跳线2根。 6.计算机若干台串口通信电缆若干根。 7.1310nm/1550nm波长波分复用器2个。 8.摄像头1个。 9.监视器1个（或用电话代替）。 4、设计原理 《多路数据＋多路电话光纤综合传输系统》综合了固定速率时分复用、解固定速率时分复用、PCM编译码、波分复用等几个子系统，具体的实验原理可以参看《光纤通信原理教学系统实验指导书》中的实验二十一、实验二十四、实验二十五、实验二十的方法； 《多路数据＋多计算机＋单路图像图像/语音全双工光纤综合传输系统》拟实现模拟图像、数据在同一光纤中传输。即在光纤中同时传输数字数据和模拟信号。一种解决方案综合了《光纤通信原理教学系统实验指导书》中的实验二十六、实验二十七、实验十六的知识； 《多路计算机＋双路图像/语音全双工光纤综合传输系统》综合了固定速率时分复用、解固定速率时分复用、变速率时分复用、解变速率时分复用、位时钟提取（数字锁相环DPLL）原理及实现五个实验，具体的实验原理可以参看《光纤通信原理教学系统实验指导书》中的实验二十一、实验二十三、实验二十四、实验二十五、实验二十六、实验二十七。 5、设计要求 掌握结构化系统设计的主体思想，以自下而上逐步完善的方法实现指定的通信系统功能，并按要求测试相关参数、波形等实验数据，以积累一些典型的通信子系统的功能、性能、参数等知识以及系统集成的知识。 (1)在规定的时间内以小组为单位完成相关的系统功能实现、数据测试和记录并进行适当的分析。 (2)按本任务书的要求，编写《课程设计报告》（Word文档格式）。并用A4纸打印并装订； II 光纤通信期末总复习 一、总述 题型：判断（15% ）（1.5×10）+选择（30%）（2.5×12）+简答计算（55%）（5~6题） 考试范围（第一章～第十章），重点第五章、第六章、第七章，第四章自学 （不考） 要求：考试可以用中文答题，但是要熟悉英文专业术语（已经将常用专业术 语做了整理，可在网络教学平台下载）， 平时每次作业一定要会做，期末总成绩=考试成绩×60%+实验成绩× 20%+平时成绩（讨论+作业）×20% 二、第一章 光纤通信系统 1、光通信所用波长（红外、可见、紫外）， 2、dB ，dBm 计算，光通信系统功率预算 3、分清波长，频率，介质中波长，介质中的频率 v f λ= 4、基本光通信系统构成（框图），各个模块的功能 4、光子能量（以J 为单位，eV 为单位），会计算光线中的光子数 5、光纤（光纤通信）优点与缺点 三、光学概要 1、Snell 定律：计算纤芯包层上临界角，空气和纤芯入射面入射光锥大小 2、数值孔径（NA ）定义，意义 3、什么是光斑尺寸 四、 波动学基础 1、α与γ的换算 Proof: :dB km 10lgexp(2)1dB 110lgexp(2)km -220=108.685ln10 2.3026dB L L L km dB km γααγ γααααγα 用表示的衰减值；：衰减系数 ：传输距离 当时值就是；单位为=-==--=≈- 2、带宽和谱宽的换算（频率范围和波长范围换算） 12212 112122c c f f f c f c then f f f c f f λλλλλλλλλλλλλλλλ??-?=-=- = ???????== ? ?? ?????? ?=??=?= ??? 3、色散，材料色散，波导色散定义，展宽计算，单位长度展宽计算 Dispersion （色散）: Wavelength dependent propagation velocity. 传输速度随波长 变化的特性称为色散 Material Dispersion （材料色散）: Dispersion caused by the material. Waveguide Dispersion （波导色散）: Dispersion caused by the structure of the waveguide. L L ττ??????= ??????? ''n M L c τλλλ?? ?=-?=-? ??? 4、光纤通信系统电带宽与光带宽关系 5、谐振腔（F-P 腔），纵模概念 1(1)222c m m c f f f m c mc c f Ln Ln Ln ??+=-+=-= 2c c o o c o c c o f f f f c c λλλλλλ?????== = 7、平面边界上的反射，全反射临界角计算 12 12 n n n n ρ-= + 3R具体指放大、整型、再生reamplifing、/retiming/reshaping 所有的只能目前都停留在电层，如何让光也变得智能？ 中继器有3R功能，而光放大器只有1R功能 光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器ADM 数字光纤通信以采用NRZ码为主，为什么？ RMS 均方根 Root Mean Square 实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗和色散，当信号强度较高时还存在非线性 阶跃型光纤会因为模间色散导致脉冲展宽和码间串扰，而渐变型光纤克服了阶跃型光纤的缺点。渐变型光纤降低了模间色散。 国际电信联盟ITU后面的-T是什么意思？ 全波光纤和全光网 光纤色散：信号能量中的各种分量由于在光纤中传输速度不同，而引起的信号畸变。将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量。 FWM是一种非线性效应，其效率与光纤的色散有关，零色散时混频效率最高，随着色散增加，混频效率迅速下降。 隔离器只允许光的单向传输，一般用在光源和放大器前面，目的是避免反射光损伤器件 激光器被视为20世纪的三大发明（还有半导体和原子能）之一 FC/PC是什么意思？ ?比起半导体激光器，因为LED不需要热稳定和光稳定电路，所以LED的驱动 电路相对简单，另外其制作成本低、产量高。 ?温度升高时性能下降，阈值电流随温度按指数增长,并且输出功率也会下降。 ?光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件 ?泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm ?波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。 ?光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作 ?固定连接器的连接方法：熔接法、V形槽法、套管法 ?雪崩二极管APD工作在高反向电压下 ?EDFA中将光信号和泵浦光混合起来送入掺铒光纤放大器的器件是光耦合器 ?光环形器的作用是什么？ ?光纤数字系统中不能传输HDB3码的原因是光源不能产生负信号。 ?数值孔径越大，光纤接收光的能力就越强，光纤和光源之间的耦合效率就越高 ?光纤通信系统中最常用的光检测器是PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管 ?要使物质能对光进行放大，就必须要求物质的受激辐射强于受激吸收，即高能 级上的粒子数要多于低能级上的粒子数。物质的这种反常态的粒子数分布，称为粒子数的反转分布。 ?OTDM是什么意思？ ?分析光纤传输原理的常用方法： 几何光学法 麦克斯韦波动方程法 几何光学法（射线光学）：是忽略波长的光学（波长趋近于0），用射线代表光能量传输路线的方法。 波动方程法：把光作为经典电磁场来处理，研究电磁波在光纤中的传输规律，得到光纤中的传播模式、长结构等。。。 ?常温下激光器工作和双异质有什么关系？ ?损耗受限和色散受限 ?数字光纤通信以采用NRZ码为主 ?均方根RMS？ ?FWHF四波混频带宽为3db带宽 《光纤通信》课程复习提纲 2014.6 1.光纤通信的优点 （1）. 容许频带很宽，传输容量很大 (2). 损耗很小， 中继距离很长且误码率很小 (3). 重量轻、 体积小 (4). 抗电磁干扰性能好 (5). 泄漏小， 保密性能好 (6). 节约金属材料， 有利于资源合理使用 2. 光纤通信系统的基本组成(单向传输) 3.光纤通信对光源的要求 对光源的要求：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。 4.直接调制和间接调制 直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。 这种方案技术简单， 成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。 外调制是把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。 5.光接收机由光检测器、 放大器和相关电路组成 光接收机由光检测器、 放大器和相关电路组成； 光检测器是光接收机的核心。 光接收机最重要的特性参数是灵敏度。 灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，它反映接收机调整到最佳状态时， 接收微弱光信号的能力。 6.检测方式有直接检测和外差检测的区别。 检测方式有直接检测和外差检测两种。直接检测是用检测器直接把光信号转换为电信号。这种检测方式设备简单、 经济实用， 是当前光纤通信系统普遍采用的方式。外差检测要设置一个本地振荡器和一个光混频器，使本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输出中频光信号，再由光检测器把中频光信号转换为电信号。外差检测方式的难点是需要频率非常稳定，相位和偏振方向可控制，谱线宽度很窄的单模激光源；优点是有很高的接收灵敏度。 基本光纤传输系统接 收发 射 光纤通信系统设计 1 概述 图 1.1 标准光纤通信系统架构 2 模拟系统设计 光纤系统中，各组件的累加损耗应足够低以符合探测器的阈值要求。模拟系统中，充足的功率意味着高SNR，另外，组件的组合应该提供足够的带宽以通过较高的调制频率，因此，应对单个器件的损耗和带宽进行分析，并计算整个系统的功率分配和带宽预算。 2.1 系统规格 2.1.1 初始方案 以设计简单的点对点视频系统为例，电视广播信号的带宽为6MHz，要求SNR为50dB。 表2.1 系统方案一：窄带宽和低功率 Carrier Source LED0.8-0.9um Information Channel MMF (SI or GRIN) Detector PIN-PD 表2.2 系统方案二：高带宽和高功率 Carrier Source LD 1.3um Information Channel SMF Detector APD 2.1.2 负载电阻计算 已知PIN-PD的电容和传输带宽，根据方程 求得负载电阻 取近似值，计算得为6.24MHz。 2.2 功率预算 2.2.1 平均光功率计算 标准的SNR方程是 由于使用PIN-PD作为光电探测器，假设系统是热噪声限系统，调制系数m为100%，SNR方程简化为 由于放大器噪声的存在，将实际温度T替换为等效噪声温度，假设环境温度T为300K，放大器噪声系数F为2，则，又已知PD响应率为，计算平均光功率P为 取P近似值为。 2.2.2 平均光电流计算 根据平均光功率P为，计算得PIN-PD的平均光电流，远大于暗电流（几个纳安），因此系统中暗电流的影响可以忽略，计算热噪声电流均方值 散粒噪声电流均方值 可以得到，热噪声功率是散粒噪声功率的近7倍，符合最开始采用热噪声限模型的假设。 预测平均光电流为时，并没有驱动探测器进入非线性区，最大饱和电流等于偏置电压与负载电阻的比值，使用5V偏压时，最大允许电流为（或），远远大于，系统不存在饱和问题。 2.2.3 详细方案 光源SE LED SI MMF 1、光纤通信的基本概念：利用光导纤维传输光波信号的通信方式。 光纤通信工作波长在于近红外区：0.8～1.8μm 的波长区，对应频率: 167～ 375THz 。 对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工 作波长，即0.85μm 、1.31μm 及1.55μm 。 2、光纤通信系统的基本组成：（P2图1-3） 目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD ）的光纤数字通信系 统。该系统主要由光发射机、光纤、光接收机以及长途干线上必须设置的光中继 器组成。 接 收发 射 1）在点对点的光纤通信系统中，信号的传输过程：由电发射机输出的脉码调制 信号送入光接收机，光接收机将电信号转换成光信号耦合进光纤，光接收机将光纤送过来的光信号转换成电信号，然后经过对电信号的处理以后，使其恢复为原 来的脉码调制信号送入电接收机，最后由信息宿恢复用户信息。 2）光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用半 导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管（LD)。 3）光接收机中的重要部件是能够完成光-电转换的光电检测器，目前主要采用光 电二极管（PIN ）和雪崩光电二极管（APD ）。特性参数：灵敏度 4）一般地，大容量、长距离光纤传输 : 单模光纤+半导体激光器LD 小容量、短距离光纤传输 : 多模光纤+半导体发光二极管LED 5）光纤线路系统： 功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。 组成：光纤、光纤接头和光纤连接器 要求：较小的损耗和色散参数 3、光纤通信的特点： 优点：（1），传输频带宽，通信容量大。（2）传输损耗小，中继距离长：石英光 纤损耗低达0.19 dB/km ，用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多。 （3）保密性能好：光波仅在纤芯中传输，基本无泄露。 （4）抗电磁干扰能力强：光纤由电绝缘的石英材料制成，不受电磁场干扰。 （5）体积小、重量轻。（6）原材料来源丰富、价格低廉。 缺点：1）不能远距离传输；2）传输过程易发生色散。 4、（1）光纤通信在通信网中的未来发展趋势：GFP 、ASON 、全光网 （? 波分复用技术（WDM ）? 相干光通信? 超长波长光纤通信 ? 光集成技术 ? 光孤子通信） （2）相应技术手段：时分复用 TDM ；波分复用 WDM ；光时分复用 OTDM ； 光放大技术；色散补偿技术。 （3）技术现状：PDH 、SDH 、WDM 、光电收发器、EPON 超高速度、超大容量以及超长距离传输的光纤通信一直是人们追求的目标，光纤 南京工程学院 通信工程学院 实验报告 课程名称光纤通信_________ 实验项目名称光纤通信实验_______ 实验学生班级通信（卓越）131_____ 实验学生姓名吴振飞_____ _____ 实验学生学号 208130429_________ 实验时间2016.6.15___ 实验地点信息楼C413_______ 实验成绩评定 ______________________ 指导教师签字 ______________________ 2016年 6月 19日 目录 实验一半导体激光器P-I特性测试实验 (1) 一、实验目的 (1) 二、实验仪器 (1) 三、实验原理 (1) 四、实验内容 (2) 五、实验步骤 (2) 六、注意事项 (2) 七、思考题 (3) 实验二光电探测器特性测试实验 (3) 一、实验目的 (3) 二、实验仪器 (3) 三、实验原理 (3) 四、实验内容 (4) 五、实验步骤 (4) 六、注意事项 (4) 实验三电话光纤传输系统实验 (4) 一、实验目的 (4) 二、实验内容 (5) 三、预备知识 (5) 四、实验仪器 (5) 五、实验原理 (5) 六、注意事项 (6) 七、实验步骤 (6) 九、思考题 (6) 实验一半导体激光器P-I特性测试实验 一、实验目的 学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理；了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系；掌握半导体激光器 P(平均发送光功率) -I(注入电流) 曲线的测试方法。 二、实验仪器 1、ZYE4301G 型光纤通信原理实验箱 1 台 2、光功率计1 台 3、FC/PC-FC/PC 单模光跳线 1 根 4、万用表(自带) 1 台 5、连接导线 20 根 三、实验原理 半导体激光二极管(LD) 或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，(处于高能级E2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E1，这个过程称为光的受激辐射，所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。) 是一种阈值器件。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率(≥10mW) 辐射，而且输出光发散角窄(垂直发散角为 30~50°，水平发散角为 0~30° )，与单模光纤的耦合效率高(约 30%~50%)，辐射光谱线窄(Δλ =0.1~1.0nm)，适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号(>20GHz) 直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。 对于线性度良好的半导体激光器，其输出功率可以表示为ηω (1-1) Pe=)(2thDIIq ?η其中intintaaamirmirD+=ηη，这里的量子效率ηint，表征注入电子通过受激辐射转化为光子的比例。在高于阈值区域，大多数半导体激光器的ηint接近于 1。 1-1 式表明，激光输出功率决定于内量子效率和光腔损耗，并随着电流而增大，当注入电流I>Ith时，输出功率与I成线性关系。其增大的速率即P-I曲线的斜率，称为斜率效率 dPη2DeqdIηω= (1-2) P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小， Ith对应P值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，而且不易产生光信号失真。并且要求P-I曲线的斜率适当。斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦; 斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出变化，是光纤通信中最重要的一种光源，半导体激光器可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放大机制，也即激活介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所有的损耗。将开始出现净增益的条件称为阈值条件。一般用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流Ith，当输入电流小于Ith时，其输出光为非相干的荧光，类似于LED发出的光，当电流大于Ith OptiSystem 仿真实例 目录 1光发送机（Optical Transmitters）设计 1.1光发送机简介 1.2光发送机设计模型案例：铌酸锂（LiNbO3）型Mach-Zehnder调制器的啁啾（Chirp） 分析 2光接收机（Optical Receivers）设计 2.1光接收机简介 2.2光接收机设计模型案例：PIN光电二极管的噪声分析 3光纤（Optical Fiber）系统设计 3.1光纤简介 3.2光纤设计模型案例：自相位调制（SPM）导致脉冲展宽分析 4光放大器（Optical Amplifiers）设计 4.1光放大器简介 4.2光放大器设计模型案例：EDFA的增益优化 5光波分复用系统（WDM Systems）设计 5.1光波分复用系统简介 5.2光波分复用系统使用OptiSystem设计模型案例：阵列波导光栅波分复用器（AWG ） 的设计分析 6光波系统（Lightwave Systems）设计 6.1 光波系统简介 6.2 光波系统使用OptiSystem设计模型案例：40G单模光纤的单信道传输系统设计 7色散补偿（Dispersion Compensation）设计 8.1 色散简介 8.2 色散补偿模型设计案例：使用理想色散补偿元件的色散补偿分析 8孤子和孤子系统（Soliton Systems） 9.1 孤子和孤子系统简介 9.2 孤子系统模型设计案例： 9结语 1 光发送机（Optical Transmitters ）设计 1.1 光发送机简介 一个基本的光通讯系统主要由三个部分构成，如下图1.1所示： 作为一个完整的光通讯系统，光发送机是它的一个重要组成部分，它的作用是将电信号转变为光信号，并有效地把光信号送入传输光纤。光发送机的核心是光源及其驱动电路。现在广泛应用的有两种半导体光源：发光二级管（LED ）和激光二级管（LD ）。其中LED 输出的是非相干光，频谱宽，入纤功率小，调制速率低；而LD 是相干光输出，频谱窄，入纤功率大、调制速率高。前者适宜于短距离低速系统，后者适宜于长距离高速系统。 一般光发送机由以下三个部分组成： 1) 光源（Optical Source ）：一般为LED 和LD 。 2) 脉冲驱动电路（Electrical Pulse Generator ）：提供数字量或模拟量的电信号。 3) 光调制器（Optical Modulator ）：将电信号（数字或模拟量）“加载”到光波上。以 光源和调制器的关系来看，可划分为光源的内调制和光源的外调制。采用外调制器，让调制信息加到光源的直流输出上，可获得更好的调制特性、更好的调制速率。目前常采用的外调制方法为晶体的电光、声光及磁光效应。 图1.2为一个基本的外调制激光发射机结构：在该结构中，光源为频率193.1Thz 的激光二极管，同时我们使用一个Pseudo-Random Bit Sequence Generator 模拟所需的数字信号序列，经过一个NRZ 脉冲发生器（None-Return-to-Zero Generator 转换为所需要的电脉冲信号，该信号通过一个Mach-Zehnder 调制器，通过电光 图1.1 光通讯系统的基本构成 1）光发送机 2） 传输信道 3）光接收机 图2 外调制激光发射机光纤通信课程设计
光纤通信期末复习重点
外调制光纤通信系统设计
光纤通信系统与应用(胡庆)复习总结
光纤通信实验报告2012301200003
光纤通信复习重点
(通信企业管理)第章_光纤通信系统的设计精编
光纤通信-重要知识点总结
毕业设计100光纤通信+课程设计报告
光纤通信期末复习提纲
光纤通信之学习总结
光纤通信复习重点 (2)剖析
光纤通信系统设计实例
光纤知识点归纳
光纤通信实验报告汇总
OptiSystem仿真实例