光纤复习总结.docx

第一章光纤的基本理论

1 ?光纤的结构

纤芯、包层、涂覆层

2 ?纤芯和包层的作用

纤芯：位于光纤屮心，直径2a 为5?75 u m,作用是传输光波。

包层：位于纤芯外层，直径2b 为:L00?150 u m z 作用是将光波限制在纤芯中。

3 ?阶跃光纤纤芯折射率和包层折射率的定性关系

为了使光波在纤芯中传送，应对材料进行不同掺杂，使包层材料折射率n2比纤芯材料折射率nl 小，即光纤导光的条件能nl>n2。

4 ?按照支持的模式数量对光纤进行分类

单模光纤：单模光纤在给定的工作波长上只传输单一基模。

多模光纤：多模光纤纤芯内传输多个模式的光波。

5. 对光纤中传输的光采用射线光学分析法的前提：光纤尺寸与光波长的定性关系

射线光学理论：当光波导尺寸远大于光波长时，对忽略光波长用光射线代表光能量传输路线的方法。

波动光学理论：求解满足边界条件的麦克斯韦方程组的光场。

6?阶跃光纤的子午光线传输路径（以最大入射角为临界角分析各种情况）

7?数值孔径的定义，计算，及其与光纤聚光能力、模式色散的定性关系

数值孔径：表征光纤的聚光能力

NA = sin ^max = - V2A 由此可以看出，比、n?差别越大，即△越大，光纤收集射线的能力越强。

最大群时延差与相对折射率差△成正比，使用弱导波光纤有助于减少模式色散。时延差限制了多模阶跃折射率光纤的传输带宽。 △越大，模式色散越大，限制光纤传输带宽

8?渐变折射率光纤对阶跃光纤的哪个缺点进行了改善（采用渐变折射率光纤的目的是减小多模光纤的模式色散）

① 、同样的入射角，传输路径变短（入射角为零除外），从而减小最大群时延差。

② 、离轴心越远，传播速度越快（v=c/n ）,进一步减小最大群时延差。

适当选择折射率分布，可以使不同入射角的光线有人致相等的光程。

9?阶跃光纤的归一化频率计算（只有特定入射角的光波才会在光纤中传递能量）

V — Vt/2 + W 2 — Hj 2 — nfka — V2An ）Z:06Z k （） = -

人）

U —导波的归一化径向相位常数，W —导波的归一化径向哀减常数，a —光纤的半径，△—光纤的相对折射率差，叫一纤芯折射率，入一 工作波长 V-8值情况下的儿点结论：

① 、W-*8：w>0,光纤导波。

② 、U= u m n 为使得Jm （x ）=0的第n 个根。

③ 、V-8：场完全集中在纤芯屮，包层屮的场为零。

光场在包层小服从第二类修正贝塞尔畅数迅速衰减，光场在纤芯内服从贝塞尔畅数振荡传播

10?单模传播条件：从光纤的归一化频率角度分析

W 2 >0导波。 W 2 <0能量己不能很好地集中在纤芯Z 中，这时的波叫做辐射波。

W 2 =0导波截止的临界状态 w 2=o^v ；=u^+w （2=u ；

结论：对于某一光纤，每个模式都有一个相应的截止波长，当光波波长小丁?截止波长2 < A-时，该模式可传输。

0

11. 光纤中某个传播模式能在光纤中传导的条件，即入射光波频率与该模式对应得截止频率的定性关系

V 2 2兀 /—

阶跃光纤中导模总数：M ?—— V =——/?^V2A

2 入）

结论：光纤的芯径越大，纤芯的折射率越大，相对折射率差越大，工作频率越高，支持的传输模式数量越多。

12. 光纤的损耗特性对光纤通信系统的影响

在光纤通信系统小，光纤损耗是限制无小继通信距离的重要因素Z —。它在很人程度上决定着传输系统的屮继距离。

13?损耗系数的定义，及计算

损耗系数：单位长度（km ）光纤引起的光功率衰减。

io p

a （2） = —lg 」（dB/如7）&（2）—波长2处的衰减系数；片一输入光纤的光功率；片）一光纤输出的光功率；厶一光纤的长度

入 V.

匕一归—?化截止频率

L

14. 光纤的三个低损耗窗口分别位于哪个波段

850nm 波段一短波长波段、1310nm 波段和1550nm 波段一长波长波段

15. 光纤的色散分类，及光纤色散对光纤通信系统的影响

光纤的色散是在光纤屮传输的光信号随传输距离增加，山于不同频率成分或不同传播模式的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。

（色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。）

模式色散、材料色散、波导色散、偏振模色散（单模光纤屮）

光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信质量和通信距离。

16. 光纤的非线性效应产生的原因

原因：单位体枳的光功率密度过大 第2章光源和光发射机

1. 自发辐射、受激辐射、受激吸收的原理

自发辐射：处在高能级E 2上的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能级d 上，并发射一个频率为V 的光子

特点：处丁?高能级电子的口发行为，与外界激励作用无关；口发辐射可以发生在导带和价带之间，因此光谱范用很宽。（典型应用：发光 二极管）

受激辐射：处在高能级E?上的电子在外来光场的感应下（外来感应光子的能Shv = ￡2-￡,）发射出一个和感应光子一模一样的光子, 而跃迁到低能级E 、

特点：感应光子的能最等于两个跃迁能级之差；受激辐射产生的光子与外来感应光子全是同光子，不仅频率相同，而且相位、偏振方向、 传播方向都相同，因此它们是相干的；受激辐射过程实质上是对外來入射光的放大过程。（典型应用：半导体激光器）

受激吸收：处在高能级〔2上的电子在感应光场作用下（感应光子的能Mhv = E 2-E 1）,吸收一个光子而跃迁到高能级丘2

特点：受激吸收时需要消耗外來光能：受激吸收过程是一种外來入射光了被吸收，生成电了一空穴对的光电转换过程。（典和应用：光电 二极管）

2. 粒子数反转的概念

设介质小低能级d 上的电了密度为高能级d 上的电了密度为“2,当N2>N ］时，受激吸收过程占主导地位，光波经过介质时强 度按指数规律衰减，光波被吸收。所有处于热平衡状态下的介质对入射光束都有吸收作用。“2 >N ］的情况是种处于非热平衡状态下的 反常情况，称Z 为粒子数反转分布，这种情况必须通过外界的泵浦才能实现。

实现粒子数反转分布的条件：（A ）激励（又称泵浦）一光激励、电激励、化学激励、热激励。（B ）合适的能级结构

3. 直接带隙半导体光源材料的禁带宽度与光源发射光波的频率之间的定量关系

Eg < hv < e 0V

4. 激光激射的三个条件

（1） .要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；

（2） ?有一个合适的光学谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生从而产生激光震荡；

（3） ?要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。

5. 半导体激光器的P/I 特性（LD 是一种阈值器件）

阈值电流、功率线性度、光输出饱和度、激光器效率、特征温度

6?在直流电流的激励下，LD 的光谱纵模数、谱宽与注入电流的定性关系

在直流电流的激励下，随注入电流的增加纵模数减少，谱宽变窄

7?温度对LD 发射波长的影响

当温度増加时，峰值波K 向长波段漂移。

8?纵模决定了激光器的频谱特性，横模决定了光束的空间分布特性，它直接影响到与光纤的耦合效率。

9?半导体发光二极管（LED ）的P/I 特性（不是阈值器件）。

不是阈值器件，对温度不敏感

口发辐射，光谱较宽（儿十nm ）

半导体发光二极管的基木性质：①发射谱线和发散角：光谱较宽?光纤色散严重；发散角大，与光纤的耦合效率较低；②响应速度：调制 速率低，适用丁?低速传输网络。③热特性：温度特性较好，无需温控电路。④寿命长，可靠性高。

10. LD 和LED 的特点比较：是否温度敏感，受激辐射还是自发辐射，光谱宽度（单色性），方向性

11?光调制的概念

在发送端将信息加载到光源输出的光束上的过程。

在光纤通信系统中，通常以电信号的形式呈现信息，故光调制是将电信号加载到光源输出的光束上的过程。

12 ?光调制的分类

LED 是因白发辐射而发光的，发射的光子频率、 相位、偏振状态及传播方向是无规律的，输出具

有鮫宽的频率范围的非相干光。

LD 是因为受激发射而发光，发射的光子同频、同 相、同偏振方向，输出相干光。

II接调制、间接调制

13?直接调制原理

原理：将要传递的信息转变为驱动电流控制光源的发光过程。

特点：强度调制(IM):只适用于半导体光源；简单方便，价格便宜，但动态谱线的展宽严重，不适合高速、长距离传输系统。

14 ?间接调制原理

原理：利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应和电吸收效应等性质来实现对激光辐射的调制。

特点：碉啾小，适用T 10Gb/s及更高速率传输系统；有些调制器偏振札I关。

15 ?张弛振荡危害的频段

张弛振荡频率一般在几百MHz至2GHz的数量级

第三章光接收机

1 ?光接收机的分类

直接检测接收机、相干检测接收机

光信号在光纤中经过长距离传输,会受到损耗、色散和非线性的影响,不仅幅度被衰减，而且脉冲的波形被展宽和变形。因此，光接收机的首要任务是：1 ?要能探测到微弱光信号，按照某种规律将光信号转换成电信号(光电转换)。2?要能对光电转换生产的电信号进行幣形. 放大以及再生。

2 ?光电检测器的功能

光电检测器负责对光进行解调，实现将光信号转换成电信号的光电转换功能。

光纤通信系统对光电检测器的要求：

(1)波长响丿应耍和光纤低损耗窗口(0.85 u m> 1.31pm 1.55 U m)相一?致；

⑵ 响应度要高，在一定的接收光功率下能产生最大的光电流；

⑶ 响应速度快，满足高工作码速要求；

(4) 噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；

⑸ 性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。

3. 光生电流由那两部分组成，它们产生的机制是什么？

光生电流山漂移电流和扩散电流

漂移电流：电了一空穴对在自建电场和外加电场的作用下，电了向N区漂移，空穴向P区漂移，形成漂移电流。

扩散电流：热运动引起PN结外的中性区的空穴和电孑扩散至PN结中，在高场力的驱使下运动产生了与漂移电流方向相同的扩散电流。

4. 产生漂移电流的条件

(1) 产生电子一空穴对：当入射光子能量大于禁带宽度hv>Eg能量；

⑵产生电流：施加反向电压。

5 ?耗尽层宽度对光电检测其的光电转换效率和光电二极管响应时间的影响

光电转换效率：尽量减小光子在表而层的反射率，增加入射到光电二极管中的光子数；尽量减小中性区的片度，增加耗尽层的宽度，使光子尽可能多地在耗尽层被吸收。

光电二极管的响应时间：载流子穿越耗尽层需要时间，尽量减小中性区的厚度，增加耗尽层的宽度，不仅可以提高PIN的光电转换效率，而且可以加快PIN的响应速度；渡越时间与耗尽层宽度和反向电压有关(増加反向电压，减小耗尽层宽度)

6. 反向电压大小对光电二极管响应时间的影响

增加反向电压，减小耗尽层宽度，响应时间越快

7. PIN的结构特点：耗尽层的宽度，电场分布

1 ?增加光电转换效率： 2.提高响应速度：

(1)I层很宽，P+> N+区很薄。I层是一个接近于本征半导体的低掺杂N区，反向电压

(2)P+区表面镀有抗反射牍。完全施加在I区，P+、N+为零场区

8?光电二极管上截止波长与入射光波波长满足什么条件时才会产生光生电流

he

上截止波长：受:激吸收的条件hv>E n或久< ——，所以上截止波长定义为：

& 化

he 1 24

4 =—=—:——(“加入射光的波长必须小于某个临界值，才会发生光电效应。

血耳(W)

只冇波长小于上截止波长的光子才冇足够的能量驱使电子跃迁到导带上，形成载流子。

光电二极管利用半导体材料的光电效应将入射光了转换成电了一空穴对，形成光生电流。

9. PIN光电二极管的响应度的定义和计算

响应度：定义为光生电流与入射光功率之比。

/? = —= —生电流人)一入射光功率

P()hv

10?雪崩光电二极管(APD)的工作原理：光电效应+碰撞电离

11. APD的平均雪崩增益的定义和计算

光电二极管的平均雪加增益G的定义为：G =也,式中：/，忖是雪加用益后输出电流的平均值。/p是未倍增时的初始光生屯流。由此

1 r>

町见，APD的响应度比PIN增加了G倍，一般APD的倍增因子在40?100 Z间。要想获得足够的雪别增益，反向偏压必须在接近击穿屯丿总

12. 直接检测光接收机的原理框图及其各个模块的功能 功能:

时钟恢复：为了粘确地确定“判决时刻”，需要从信号码流中提収准确的时钟 信息

作为标定，以保证与发送端一致。

译码器：若判决结果为“1”，则由再生电路重新产生一个矩形地“1”脉冲； 如果判决

结果为“0”，则由再生电路产生一个“0”。如果在发射端进行了线 路编码（或扰乱），

在接收端需耍有和应的译码（或解扰）电路。

影响接收机灵敏度的主要因素： ① 光电检测其的散粒噪声与放大器热噪声的影响（垂要因索）

② 比特速率对接收机灵砍度的影响：随着比特速率的增加，放大器和均衡滤波器的带宽增加，噪声等效带宽也随之增大，造成光电检测器 和放大器引入的噪声影响加剧，导致光接收机灵敏度下降。

③ 输入波形对接收机灵敏度的影响：1 ?在比特速率一定的情况下，输入脉冲波形越窄，所需的接收机灵敏度越高。

2?在比特速率一定的悄况下，发送归零码型时接收机所需的灵敏度比非归零码型要高。

④ 消光比对接收机灵敏度的影响：随着消光比的增加，接收机灵敏度下降。

14?光接收机的动态范围定义，计算

光接收机的动态范围D ：在保证系统的误码率指标要求下，接收机的最低输出光功率（用dBm 來描述）和最大允许输入光功率（用dBm

來描述）Z 差。 D = 101g （九込）dB

^nin

低于这个动态范围的下限（即灵敏度），将产生过人的谋码；高于这个动态范围的上限（即接收机的过载功率），在判决时亦将造成过人的 谋码。数字光接收机的动态范I 羽一般应大-f 15dBo

笫四章光纤通信系统

1 ?损耗受限系统的再生段长度主要由什么决定

由S 和R 点之间的光通道损耗决定

损耗受限系统的最大再生段距离或者称作最人中继距离可以用下式来估算：L\=（P T _P R -2A C — Pp ）KAj. + 4$ + L f + M c ） 其中，每二工勺/〃人二工九心-1）

/=1 /=1

2. 色散受限系统的再生段长度主要由什么决定

山S 和R 点之间的光通道总色散所决定

色散受限系统最大无再生传输距离的最坏值可以用下式佔算：L d = D SR /D m

-H'l', D SR 为选定的标准光接口的S 和R 点Z 间允许的鼓大色散值：D m 为允许工作波长范围内的最大光纤色散值，单位为ps/（nm 咔m ）。

3. 掺饵光纤放大器（EDFA ）的泵浦光波长

EDFA 的工作波长窗口为1550nm 窗口

常用泵浦光的波长：980nm 和1480nm

4. 掺饵光纤放大器放大光波波段

5. 掺饵光纤放大器的三种泵浦形式

EDFA 三种泵浦形式：同向泵浦 反向泵浦 双向泵浦

6 ?掺饵光纤放大器的三种基本应用形式

① 线路放人:也称“在线”放人，是指将EDFA 直接插入到光纤传输线路中对信号进行中继放人的应用形式

② 功率放大:指将EDFA 放在发射光源之后对信号进行放大的应用形式

线性通道 ！ 整形、放大.再生

数据恢复 直接检测（DD ）的数字光接收机框图

光检测器：把接收到的光信号转化成电信号。

前置放大：对光电检测器产生的微弱电流信号进行放大。

主放大器：提供高的增益，将前置放人器的输出信号放人到适合于判决电路所 需的

电平。（主放大器的输出信号-?般为IV ?3V （峰/峰值）。）

均衡滤波：对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行密形，使之成为最有利 于判决、码间干扰最小的升余弦波形。 AGC 电路：控制主放人器的増益，在接收机平均入射功率很人时把放人器的削益 自动控制在固定的输出电平上。（变换成与输入信号的峰值成比例的直流信号） 判决器：判决均衡器输出的码是“0”还是“1” O 13?光接收机灵敏度定义，计算 定义：在一定谋码率条件（BERJO —9）下，接收机能检测 到的最小平均信号光功率Pmino 在工程上常用相对功率值 （dBm ）来表示,即: P ? S 「= ioig （严）dBm r IO"3

—AGC 电路?

].时钟 I 恢复

③前置放大:指将EDFA放在光接收机的前面以捉高光接收机的接收灵敏度

7?喇曼光纤放大器（RFA ）的工作原理：生成低频斯托克斯光子和声子的能级跃迁

8 ?喇曼光纤放大器的放大光波波段

这种放人器可以提供整个光纤波长波段的放人，通过适当改变泵浦激光光波波长可达到在任意波段进行光放人的宽带放人器，甚至可以在 1270nm ?1670nm 整个光纤波段内提供光放大。

9?掺饵光纤放大器和喇曼光纤放大器的比较：放大光谱谱宽，增益

第五章波分复用技术

1?光波复用的基本原理（光波分复用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。）

在发送端将不同波长的光信号组介起來（复用），并耦介到光缆线路上的同一根光纤小进行传输，在接收端又将组介波长的光信号分开（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。

2 ?光波复用的分类及其标准

光频分复用（OFDM ）：光频（信）道间距小TO.lnm 的频分复用（致密的WDM ）。

密集波分复用（DWDM ）:光频（信）道间距小于10nm 的波分复用，D:Dense （密集）。

粗波分复用（CWDM ）：光频（信）道间距大于10nm 的波分复用,C: Coarse （粗），也称稀疏波分复用。

3 ?由中心波长和波段宽度计算光纤带宽

4.当前主要的波分复用波长范围

光纤具冇I 从j 个低损耗窗口，即1310 nm 和1550 nmo

在这两个低损耗窗口中均可进行波分复用，但是由于忖前的光放人器EDFA 的工作波长范围为1530?1565 nm,因此忖前波分复用的波 长范I 羽为 1530-1565 nmo

第七章扩展容屋和増加功能的新光通信技术

1?大容量WDM 系统超长传输技术

新型光纤技术

新型光调制技术

分布式光放大技术

前向纠错编码技术

光孤子技术

2?非色散位移光纤（常规单模光纤）的零色散波长

零色散波长在1310nm 附近

3?色散位移光纤优点：低损耗和底色散 零色散区域和最低损耗区域都在1550nm 附近；

单波长超长距离传输的最佳媒质

在多波长悄况下于1550nm 区域冇很强的FWM 、SPM 、XPM 等非线性效应，不适用于WDM 系统。

4 ?光时分复用的工作原理

光时分复用（OTDM ）:采用超短光脉冲在时间上间插复用的方法來提窩单个波长的传输速率，其速率可达每秒几百吉比特，人大超过了 预计的电子速率的极限。

OTDM 技术把各个支路光信号变换成高速率、窄超短脉冲信号，然后间插到复川信道中C 分配好的时隙上。

5?光波分复用和光时分复用的区别：WDM 扩大了单根光纤中的传输容量，OTDM 提高单个波长上的传输容量。

6 ?量子通信的定义

光既冇粒子性乂冇波动性，即波粒二彖性。利用光的量子性进行通信，即量子通信。

量了通信是量?了理论和信息科学相结合的产物;利用光在微观上的粒了特性?通过光子或纠缠的光了对作为信息载体:特点是,在理论上 可实现超大容量的信息传递，并能生成理论上无法破译的密钥。

7.量子通信的两种实现方法

① 直接传递量子态的通信方式：将信息转换到粒子的量子态上，通过量子信道直接将粒子传递到对端。

② 通过量了纠缠态的间接通信方式：在通信的双方共享一对处于量了纠缠状态的粒子，通过需发送的信息改变发送端的粒子状态，进而影 响和改变在接收端的另一个粒子的状态，于是实现信息的传递。

例题：某光纤在1300nm 处的损耗为0.6dB/km,在1550nm 处的损耗为0.2dB/km 。假设下血两种光信号同时进入光纤：1300nm 波长的150

W 光信号和1550nm 波长的100 W 光信号，试问这两种信号在（a ） 8km 和（b ） 20km 处得功率各是多少？并分别用dBm 和 W 为 单位表示。 解：对于1300nm 波长的光信号,在8km 和20km 处的功率各是

= />10

?L/1° = 150X 10-°48^W , 150X 10" 对于1550nm 波长的光信号，在8km 和20km 处的功率各是

佗話 10如° =100x10~°24jLiW t 100x1 O'0-6JL/W

例题：一段10km 长的光纤线路，如果在接收端保持0.3 W 的接受光功率：

（a ） 若光纤损耗^1.5dB/km,,则发送端的功率至少为多少？

（b ） 若光纤损耗为2?5dB/km,,贝0发送端的功率至少乂为多少？

解：（a ）根据损耗系数定义

大容量超长距WDM 系统对光纤特性的要求: 很小的衰减 宽而平坦的光谱 适当的色散 较大的有效面积 很低的PMD 理想的弯曲特性 存在可做色散补偿的色散互逆单元等?

得到发送端的功率至少为人=用10也门° =0.3X 10T ?5“W

（b ）如果光纤的损耗变为2.5/dBkm,贝IJ 所需的输入光功率为* =￡10皿"=0.3x10公“W

2- 1、光与物质间的作用有哪三种基本过程？它们各自的特点是什么？

答：（1）自发辐射：可自发光，是非相干光，不受外界影响。

（2） 受激辐射：吸收外來光子能量，发相干光，产生全同光子，产生光放人。

（3） 受激吸收：吸收外來光子能量，不发光。

2-2、什么是粒子数反转分布？

答：处丁?高能态的粒子数多丁?处丁?低能态的粒子数。

2-6、激光器激射的条件？这些条件导致了激光器的那些性质？

（1）有源区里产生足够的粒子数反转分布；（2）存在光学谐振机制，并在有源区里建立起稳定的激光振荡 3）画出强度训制数字光接收机的方框图，并简述填入的各部分的功能。

光电检测器：将接收到的光信号转变为电倡号.

均衡器：将放大后的信号均衡为无码间干扰的升余弦波形。

判决器：将均衡器输出的信号判为“1”或“0”码。

自动増益控制电路：利用电反馈环路來控制主放大器的増益。

3- 1.分析光电二极管和APD 的工作原理。

答：光电二极管：受激吸收，电子一空穴対运动；APD ：电子一空穴对多次碰撞产生雪崩光倍增。 3- 2试说明APD 和PIN 在性能上的主要区别。

答：PIN 即光电二极管，APD 即雪崩光电二极管。APD 和PIN 在性能上的主要区別冇：（1） APD 具冇雪崩増益，灵敏度高，冇利于延长 系统传输距离。（2） APD 的响应时间短。（3） APD 的雪购效应会产生过剩噪声，因此要适当控制雪加増益。（4） APD 要求较高的工 作电压和复杂的温度补偿电路，成本较高。

分析光电二极管和APD 性能参数上的异同点。

答：APD 是有增益的光电二极管.在光接收机灵敏度要求较高的场合，用APD 有利于延长系统的传输距离，在灵敏度耍求不高的场合.一 般用没有增益的PIN 光电检测器。

4- 4.光纤放大器有哪些类型？

答：半导体光放大器、掺钩光放人器、拉曼放大器。

7-1、列举延长WDM 系统传输距离和增大其容量的技术主要包括哪些？

7-7、请解释0TDM 和WDM 的区别。0TDM 的复用方式主要有哪些？各有什么特点？

WDM 技术通过增加单根光纤中的信道数来提高传输容量，OTDM 技术提高的是单信道上的传输速率。 备部分的功能:

光纤 输出至

电端机

电