光纤通信复习资料

第一章

1光纤通信是以光波为载波，以光纤作为传输媒质的通信方式。主要包括收发信电缆机、光发送接收机端机、传输光纤等几个部分。

2 光纤通信工作在近红外区，工作频段167-375THz ，工作波长 0.8-1.8um。

3光纤通信有3个低损耗窗口，850nm的短波长窗口和1310nm、1550nm的长波长窗口。850nm 是多模窗口，1310nm是单模零色散窗口，1550nm是单模最低损耗窗口。

4光纤通信的特点： 1 传输频带宽，通信容量大 2中继距离远，误码率小 3抗电磁干扰能力强，无串话 4 质量轻，体积小，经济效益好 5 资源丰富，节约有色金属和能源 6 保密性好 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

5光纤通信技术的基本内容： 1 光纤传输理论与技术、光纤器件 2信号传输原理、调制解调方式、信号编码及信道复用等 3 光源与光发送机 4 光检测机与光接收机 5 光纤通信系统的设计、结构及应用 6 光纤通信技术如光放大器技术、 WDM 技术、全光网络技术

6目前光纤通信采用的系统：采用光放大器的 WDM 第四代系统

7光纤多址通信系统即为波分复用系统WDM ：几个-几百个波长在单根光纤中一起传输，用光放大器作中继放大，使传输容量提高成千上百倍。

第二章 1 光纤的典型结构式多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯、包涂覆层。光纤的纤芯通常是折射

率为n1的高纯SiO2，并有少量掺杂剂，以提高折射率。包层的折射率为n2（

2光纤根据传输的模式可分为单模和多模，单模光纤纤芯的芯径是4-10um ，多模光纤纤芯

的芯径为50um,两者的包层一般为125um ,涂覆层为5-40um ,根据横截面上的折射率可分为阶跃光纤 SI 和梯度光纤 GI 。按材料分为石英光纤、塑料光纤和纳米光纤。

3 数值孔径 NA 定义：入射临界角 &0 的正弦即 NA=SIN&0=N1 根号下芯包折射率差值的两倍。物理意义：表示入射到光纤端面上的光线，只有与纤芯轴夹角为&0 ，圆锥角内的入射

光线才能在纤芯内传输。

芯包折射率差值=（n1的平方-n2的平方）/2n1的平方=（n1-n2）/n1,n1为纤芯折射率n2为包层折射率

4为了使分析具有一般性，引进几个无量纲变量。令V的平方=（k0*a）的平方（n 1-n2）的平方，式中 a 为纤芯半径， V 称为归一化频率。 b=（B 的平方 /k0 的平方 -n2 的平方）/（n1 的平方 -n2 的平方）,这是归一化传播常数，它随频率的变化衡量光纤的色散特性0<=b<=1 ， b=0 时模截止， b=1 时极端情况。在多模阶跃光纤导模数 M=V 的平方 /2，在多模梯度光纤导模数 M=V

的平方 /4。对导模传输条件： kOn2<=B<=kOn1, 则 O<=b<=1, 当 b=O 时 B=kOn2,m=O 模截止。

5当阶跃光纤的归一化频率

V<2.405时实现单模传输，单模光纤中传输的是 LP01模,LP01

模无截止现象。 6单模传输的条件：对于阶跃光纤归一化频率 V<2.405即可实现单模传输，因为 Vc=根号下

（k0a ）的平方（n1的平方-n2的平方）=k0a 根号下（n1的平方-n2的平方）=2波长an1根号下2倍 的芯包折射率差值/波长c=2.405,所以波长c=2Pln1a 根号下2倍的芯包折射率差值/Vc=2.6n1a 根号下2倍的芯包折射率差值 当波长 >波长c 时为单模传输。

7 单模光纤中的光束实际上没有严格的横截面边界的，但中心部分最强。单模光纤中的横向

场分布为高斯场分布：E （r ）=E （O ）exp （-r 的平方/wO 的平方）.E （O ）为中心场强，2w0为场强下降到 E （0）/e 点的宽度，称模场直径。模场直径是指基模场强在空间上分布的集中程度。归一化模

场半径 wO/a=O.65+1.619V 的-1.5次方 +2.879V 的-6 次方

8 在单模光纤中实质上传输偏振方向互相垂直的两个模式

LPO1X 和 LPO1Y 。在理想的单模 光纤中，这两个模式传播常数 Bx=By,这两个模式完全兼并，但实际的单模光纤中总可能存

在一定的不完善， 光纤内部残余应力， 光纤弯曲扭转等引起的折射率分布各向异性， 和

LPO1Y 模的兼并被破坏，这就是单模光纤的模式双折射。

9 在光纤内部引起光纤损耗的主要机理是光能量的吸收损耗散射损耗及辐射负耗， 与光

纤材料有关； 散射与光纤材料及光波导中的结构缺陷非线性效应有关； 几何形状的扰

动关系，吸收与散射损耗是光纤材料所固有的。 1O 引起光纤损耗的主要机理是：材料吸收 （紫外吸收，红外吸收，杂质吸收 散射，波导散射，非线性损耗 ）辐射损耗 （由光纤的弯曲造成 ） 11 色散是导模在不

同群速度下引起的，包括：模间色散：多模光纤中由于各个导模之间群 速度不同导致模间色散， 在发送端多个导模同时激励时， 各个导模具有不同的群速到达接收 端时刻不同（单模光纤没有模间色散） ； 波导色散：某个导模在不同波长下的群速率不同引起的色散； 材料色散：这是由于光纤材料的折射率随光频率随着光频率呈非线性变化而光源有一定谱 宽，于是不同的波长引起不同的群速率； 偏振模色散：单模光纤中的不对称性，造成两个偏振模的群时延不同从而导致偏振模色散 单模光纤没有模间色散， 波导色散与材料色散是主要的； 多模光纤模间色散与材料色散是主 要的，波导色散可忽略不计。

12单模光纤的种类：（1）G.652 零色散波长为1.3um,低色散,损耗高；（2）G.653零色散波长为

1.55um 低损耗低色散如色散位移光纤 DSF （3）G.655零色散波长为1.525um 和1.585um ，低损 耗低色散如非零色散位移光纤 NZ-DSF （4）G .654低损耗广信（5）全波光纤:利用OH-吸收，消除 光纤里的损耗 13光纤中的非线性效应将主要归结为三阶非线性效应，主要有受激拉曼散射

SPS 、受激布

里渊散射SBS 、四波混频FWM 及自相位调制 SPM 。单模光纤中的这些非线性效应可分为是 LP01X 吸收损耗 辐射则与光纤的

）散射损耗 （瑞利

两大类；一类为受激散射效应，另一类为非线性折射率调制效应，包括自相位调制

波混频 FWM 及交叉相位调制 XPM 14 无源光器件 (1) 光纤连接器：实现系统中设备之间、设备与仪表之间、设备与光纤之间、 光纤与光纤之间的活动连接，以便于系统的连接、测试和维护 (2) 光纤分路器及耦合器：实 现光信号的分配与合成， 光信号的提取与检测等， Y 型分路器将一路信号分成两路， 不一定 是完全相同的两路， X 型 2*2 定向耦合器：光功率从一根光纤耦合到另一根上

(3) 光隔离器：

只允许单向光通过，以此来阻止反射光

(4) 光开关：实现各种开关功能 (5)光环型器 第三章 1. 光源的工作原理基于光子的吸收、自发发射和受激发射三种原子跃迁过程。受激吸收：原 子吸收 hf=E2-E1 的能量后从低能级跃迁到高能级；自发发射：原子在高能级上不稳定，当 它跃迁回低能级时，放出能量为 hf 的光子；受激发射：原子原来处于高能级上，这时又有 能量为 hf 的光子入射，在它的激发下原子返回低能级并发射光子，发射的光子和入射的光 子具有相同的能量、状态。

2. 发光二极管 LED 的 P-I 特性： LED 是非阀值器件，发光功

率随工作电流的增加而增大， 并在大电流时逐渐饱和。工作温度

提高时同样工作电流下 工作电流通常为 50~100mA ，这时偏置电压 1.2~1.8V ， 到几十微瓦。

LED 的谱特性： 1 线宽随有源层掺杂浓度增加而增加 的线宽

大，使光纤色散严重，限制了传输距离和速率。 由于半导体材

料的导带和价带都由许多不同的能级组成， 隙上，但也有一些

复合发生在最低及最高能级之间，因此

占据较大的范围。定义光强下降一半的波长变化为输出谱线宽

度，这就是光源的线宽△

入 LED 的调制特性(数字调制时不需预偏置，模拟调制时要预偏置到 Idc 上) 1线性：注入电 流小时线性相当好 2带宽：LED 的3dB 调制带宽：f 差值3dB(电)=1/2Pit, f 差值3dB(光)=根 号下 3/2Pit,t 为 LED 及驱动电路的时间常数等掺杂浓度高以减小 3 半导体激光器 LD 的 P-I 特性： LD 是阀值器件，当工作电流大于阀值电流 Ith 时产生激光 输出，而且在 Ith 以上， LD 的输出功率与注入电流近似成正向线性。随着工作温度的提高 P-I 曲线向右移， Ith 增大斜率减小， P 减小。

LD 谱特性：多纵模时谱宽宽，单纵模时谱宽窄

LD 模式特性： 1 模式的稳定性 2 单纵模有利于减小光纤色散 3LD 的设计及结构上应保证基 横模工作

LD 输出有限线宽是因为 1 激光腔内自发发射事件引起的光场相位脉动 2 载流子浓度脉动引 起折射率变化，使光腔谐振频率产生变化

LD 的调制特性：不但可以进行直接幅度调制，也可以进行直接频率调制、直接电流调制。 但 LD 是阀值器件，数字调制时通常先预偏置在阀值附近以上 P-I 特性曲线中段。 频率响应、电光延迟、调制谱特性、动态线宽加宽 -频率啁啾。当 LD 进行高速脉冲调制时，

会出现复杂的瞬态特性，如张弛震荡与电光延迟、自脉动及码型效应。 无论是从减弱张弛震荡还是从缩短电光延迟时间来提高调制性能， LD 都需要预偏置在阀值SPM,四

2 线宽随温度升高而加宽。由于 LED LED 的工作基于半导体的自发发射。 大多数的载流子复合发生在平均带 LED 的发射波长在其中心值附近 LED 的输出功率要下降。 LED 的 输出功率约几毫瓦，而入纤功率在几

t 。

附近，这样还可以消除码型效应、降低啁啾等。高速光纤总希望单纵模最低次横模工作。

4.LED 与 LD 比较： 1.LED 是非

阀值器件， 调制速率低，输出非

相干光； 适合于短距离低速系统， LD LED 与 LD 区别：工作原理： 受激发射和光子被放大的过

程， 馈及满足激光振荡的阀值条

件。

工作特性：1P-I 特性：LED 是非阀

值器件I 越大P 越大直至大电流时饱和，

当输入大于 Ith 时才能输出且 P 与 I 近似成正比。此外 LED 与 LD 的 P 在温度提高时相同 I 下都会下降，但 LD 比 LED 敏感。 2 谱特性： LED 线宽大色散影响严重，限制了传输距离

和速率，LD 线宽有限。3调制特性：LD 与LED 均可直接调制，但在数字调制时

LED 无需 预偏置 LD 需加预偏置至阀值附近。 5. 数字光发送机框图：电信号 -＞ 输入电路 -＞驱动电路 -＞光源 -＞光调制器 -＞光信号 输入电路：将输入的 PCM 脉冲信号进行整形，变换成 NRZ/RZ 码；驱动电路：直接调制光 源，给光源一个预偏置；光调制器：调制光源输出的连续光波（外调制） ；保护报警：对光 源寿命及工作状态进行检测和报警；自动偏置：稳定输出的平均光功率和工作温度。 光发送机的性能： 1光源性能包括波长、频宽、 P-I 特性及寿命等 2调制方式，模拟、数字 或外调制 3 传输速率或带宽 4 输出光功率入纤平均光功率 0.01-10mW 稳定度在 5%-10% 左 右 5 数字光脉冲的消光比 EXT ＜0.16 无张弛振荡

6.

光载波的调制方式：模拟调制和数字调制（主要方式） 。模拟调制分为两类：一类是用模

拟基带信号直接对光源进行强度调制。 另一类采用连续或脉冲的射频波作为副载波， 模拟基 带信号先对它的幅度、频率或相位等进行调制，再用该受调制的副载波去强度调制光源。 按调制方式和光源的关系来分，数字调制分为：直接调制和外调制。

直接用电调制信号来控制半导体光源的振荡参数得到光频的调幅波或调频波， 这种调制称内 调制（直接调制） ；让光源输出的幅度与频率等恒定的光载波通过光调制器，电信号通过调 制器实现对光载波的幅度、频率及相位的调制，称为外调制。

外调制需要调制器， 结构复杂， 但可获得优良的调制性能尤其适合高速率下使用； 优点是简

单，但调制速率受到载流子寿命及高速率下性能退化的限制（频率啁啾） 7.消光比 EXT 定义为

全“ 0”平均功率与全“ 1”平均功率之比。 第四章

1 模拟光接收机组成框图：光信号 -＞光检测器 -＞前置放大器 -＞主放大器 -＞滤波器 -＞电信号 数字光接收机组成框图：光信号 -＞光检测器 -＞前置放大器 -＞主放大器 -＞均衡器 -＞判决再生 -＞ 电信号 光检测器： 把接收到的光信号转换成光电流； 前置放大器：对光电流进

行低噪声放大； 大器：把前端输出的毫伏级信号放大到后面信号处理电路所需的

电平， 理电路； 均衡滤波器： 消除放大器及其他部件引起的信号波形失真，

最小；定时提取电路：负责对抽样所需时钟进行恢复；自动增益电路 大器增益以

提高接收机的动态范围；判决再生电路：减小信号误码率。

LD 是阀值器件。 2.LED 的谱线宽，入纤功率小， LD 谱线窄，入纤功率大，调制速率高，输出相干光。 3.LED 适合于长距

离高速系统 LED 的工作基于半导体的自发发射， LD 的工作基于光的吸收、 LD 产生激光输出的基本条件是形成粒子数反转、提供光反 工作状态： LED 作光源时可直接调制， LD 必须进行预偏置。 LD 是阀值器件，

内调制的

主放 其余电路都是信号处 使噪声及码间干扰减到 AGC ：控制 APD 及放

2.接收机性能的主要指标是接收灵敏度及动态范围，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、低功耗及低价格等。 接收灵敏度：达到指定误码率或信噪比时的最小接收信号光功率，通常用 范围：最大允许的接收光功率及最小可接收光功率之差。

光纤通信系统对光检测器的要求： 1 工作波长上光电转换效率高 2 检测过程中带来的

附加噪 声尽可能小 3响应速度快， 线性好及频带宽， 使信号失真尽量小 4高可靠长寿命， 尺寸可与 光纤直径相配，工作电压低 3 光检测器是两种半导体光电二极管：光电二极管

PIN 的结构：由中间被掺杂极低接近本征的材料

PIN 工作原理： 入射到检测器上的光子能量等于或大于半导体材料的带隙宽度时， 价带中电 子吸收光子能量跃迁到导带， 产生自由电子空穴对， 又被高耗尽区分开， 各自向相反方向漂 移，到达耗尽区边缘时被收集，从而在外电路中产生光电流 Ip.

APD 工作原理：足够高的场强使电子空穴对的增加具有了雪崩效应，从而使光电流得到了 倍增。

雪崩效应： 入射功率产生的电子、 空穴运动过程中与晶格中原子碰撞使之电离， 产生的额外 电子空穴对，新产生的电子和空穴也被加速发生新的碰撞和电离，产生更多的电子空穴对， 这成为雪崩效应。

3. 如图所示 P132 图

4.2.1，Si-PlN 光电二极管由中间被掺杂极低接近本征的材料 i 层隔开的

pn 结构成。 工作原理：工作时器件上加足够大的反向偏置电压（

5~10V ）,使本征区中载 流子完全消耗， 形成消耗区。 当入射到检测器上的光子能量等于或大于半导体材料的带隙宽 度时，价带中的电子吸收了光子能量而跃迁到导带，产生自由的电子 -空穴对。一旦电子空

穴对产生后， 高的耗尽区电场使他们立即分开， 各自向相反方向漂移， 到达耗尽区边缘时被 收集。在外电路中产生电流，即光电流 lp

4.雪崩光电二极管 APD 的工作原理：当耗尽区中场强足够大时，入射光功率产生的电子或 空穴将被加速到很高的速度。 这些电子与空穴在运动过程中与晶格中的原子碰撞时， 离，产生

额外的电子空穴对，这些新产生的电子和空穴也被加速， 产生更多的电子空穴对。 （雪崩效应）

6.光接收机中的噪声源： 1.量子噪声（或散弹噪声）

5.倍增噪声

6.热噪声

7.放大器噪声 7. 光检测器信噪比计算（参考 P148 例 4.3.1 及习题

8?检测器的响应时间计算（P138公式4.210及4211及习题4-3）

第五章 1.EDFA 工作波长处于最低损耗窗口 1550nm ，其放大的自发发射谱带宽很大且有两个峰值 1530nm 和1550nm 。 EDFA 的主要优点是增益高、带宽大、输出功率高、泵浦效率高、插入 损耗低、对偏振不敏感。 EDFA 要使用的最佳两个泵浦源波长为 980nm 和 1480nm 。 泵浦方式： 同向泵浦、反向泵浦、双向泵浦； 分别为信号光与泵浦光在铒光纤内可以在同一 方向、向相反反向、在两个方向上传播。

dBm 表示；动态

PIN 和雪崩二极管 APD ； i 层隔开的 PN 结构成。

使之电 发生新的碰撞和电离，并 5 PlN 光电二极管的量子效率 的光电子数与入射光子数之比。 PlN 的 响 应 度 定 义 为 平 均 输 出 光 功 R0=lp/p0=n e/hf= neA/hc=nA/1.24（A/W ）, 得到n=R0hc/e^.具体计算例题4.2.1

n 表示入射光子转换成光电子的效率， N=I p*hf/（ p0*e ）=l p*hc/（ p0

*e^）; 率与平均

定义为单位时间内产生 入射光功率之比。

2.暗电流噪声

3.漏电流噪声

4.背景噪声

4-5)

2.EDFA 基本结构：主要由源介质、泵浦光源和耦合器及光隔离器组成。

3.EDFA 的基本应用形式： 1线路放大 2 功率提升放大 3前置放大器 4LAN 放大。此外还有多个 EDFA 级联实现 WDM 信号的长距离传输。（接收机的前置放大器、发送机的功率提升放大器、在线光中继器，在应用在 WDM 波分复用系统中）

4光放大器作用： 1 作为发送机的功率提升放大器以提高发送功率 2 作为接收机的前置放大器以提高接收灵敏度 3 代替传统的光 -电-光中继器，延长传输距离，实现全光通信 4 用于局域网或分配网进行多信道同时放大 5 同步数字系列 SDH ：它是一种能很好的将高速大容量光纤传输技术和智能网技术结合的新体制，既适用于光纤也适用于微波和卫星传输的通用技术体制。

SDH 和 PDH 的区别： 1用标准化的信息等级结构即同步传送模块STM-N ，将 PDH 的两种

不同体制在 STM-1 上得到兼容 2 采用规律很强的帧结构，净负荷与网络是同步的，业务上下方便，设备大为简化，不需像 PDH 网中那样的逐级分配 3SDH 可实现分布式管理及高可靠的自愈环网结构 4SDH 采用标准的光接口，便于网络阻止和调度 5SDH 网络具有信息净负荷和透明性 6SDH 网不但与传统的 PDH 网完全兼容还能接纳新业务

STM-1 155.520Mb/S STM-4 622.080Mb/S STM-16 2488.320Mb/S