光纤通信复习重点

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（少^）

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

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，以尽可能小的失真和衰减传输到光接收机。

5）光接收机：把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经其

后的电接收机放大和处理后恢复成基带电信号。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：光发射机之前和光接收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备和电缆通信相同，不同的只是由光发射机、光纤线路和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

第二章光纤和光缆

2.1.1 光纤结构

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。（相对折射率差典型值△ =（n 1-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卩m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。

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50卩m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。

单模光纤：折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有8~io卩m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n（展宽衰减的原因）

1）突变型多模光纤

2）数值孔径：定义临界角B c的正弦为数值孔径（NA

NA表示光纤接收和传输光的能力，NA或B c）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B c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。W o

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。

3）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3但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）单模条件和截止波长L 2 L 2 n L

传输模式数目随V值的增加而增多。当值减小时?不断发生模式截止，模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当VV2.405时，只有HE11（LP01）—个模式存在，其余模式全部截止。HE11称为基模，由两个偏振态简并而成。由此得到单模传输条件为

可以看到，对于给定的光纤（n 1、n2和a确定），存在一个临界波长入c,当入＜入c时, 是多模传输，当入＞入c时，是单模传输，这个临界波长入c称为截止波长。

2）光强分布和模场半径

通常认为单模光纤基模HE11的电磁场分布近似为高斯分布W （r）=Aexp 式中，A为场的幅度，r 为径向坐标，w0为高斯分布1/e点的半宽度，称为模场半径。

3）双折射

把两个偏振模传输常数的差（B x- B y）定义为双折射AB, 通常用归一化双折射B来表示式中，=（B x+B y）/2为两个传输常数的平均值。把两个正交偏振模的相位差达到 2 n的光纤长度定义为拍长Lb=

2.3光纤传输特性

损耗和色散是光千最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输

dz

容量

☆☆☆☆☆）三种色散

模式色散是由于不同模式的传播时间不同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材

料折射率的波长特性有关。

4

材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光（实际光源不是纯单色光），其传播时间不同而产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。

波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。

说明：色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不同。从频域上看，色散限制了传输信号的带宽；从时域上看，色散引起信号脉冲的展宽。

理想的单模光纤没有模式色散，只有材料色散和波导色散。材料色散和波导色散总称为色度色散，常简称为色散，它是传播时间随波长变化的产生的。

2.3.2光纤损耗

光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。

在最一般的条件下，在光纤内传输的光功率P随距离z的变化，可以用

表示。a是损耗系数。

吸收损耗：由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。

散射损耗：主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷引起。

光纤总损耗a与波长入的关系可以表示为：

a = +B+CW（入）+IR（入）+UV（入）

A为瑞利散射系数，B为结构缺陷散射产生的损耗，CW@）、IR（入）和UV（入）分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。

第三章通信用光器件

3.1光源

光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。半导体激光器是向半

导体PN节注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，在利用谐振腔的正反馈，实

现光放大而产恒激光震荡的工作原理：半导体激光器是向半导体PN结注入电流实现粒子数翻转分布，产生受激辐射，

实现光放大，在利用谐振腔的正反馈而产生激光振荡的。

基本结构：结构中间有一层厚0.1~0.3卩m的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片（衬底）上，前后两个晶体解理面作为反射

镜构成法布里-珀罗（FP）谐振腔。

三种跃迁：

受激吸收：处于低能级E1的电子，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级

E2 上;

自发辐射：在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去；

受激辐射：在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射；

能级跃迁：

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=hf 12,其中h=6.628 X 10-34J ? s，为普朗克常数，仏为吸收或辐射的光子频率；受激辐射和自发辐射光的区别：它们的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。

粒子数分布：

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

竺exp（E2 E1）（k=1.381*10 -23为玻尔兹曼常数，T为热力学温度）N1 kT

N1>N2即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物

质称为吸收物质；（正常状态）

N2>N1即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物

质称为激活物质。（粒子数反转分布）

如何实现粒子数反转分布：

半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布；

发射波长：半导体激光器的发射波长取决于倒带的电子跃迁到价带时所释放的能量。这个

能量近似等于禁带宽度；竺124（不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg,所以有不同

Eg Eg

的发射波长）

光谱特性：随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄；

随着调制电流增大，纵模模数增多，光谱密度变宽。

弛张频率：弛张频率f r是调制频率的上限，在接近f r处，数字调制要产生弛张震荡，模拟调制要产生非线性失真。

温度特性：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I th随温度升高而增大，二是外微分量子效率n d随温度升高而减小。

温度升高时，I th增大，n d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，在一定温度范围内，可以表示为i th l0exp（T）

T

o （I o为常数，T为结区的热力学温度，T o为激光器材料的特征温度）

3.1.4发光二极管（对应的看看就可以）

发光二极管（LED）的工作原理与激光器（LD）有所不同，LD发射的是受激辐射光，LED 发射的是自发辐射光。

发光二极管的优点：和激光器相比，发光二极管输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺

简单，价格低廉。

3.2光检测器

3.2.1 光电二极管工作原理（光电效应）

光电效应：在PN结界面上，由于电子和空穴的扩散运动，形成内部电场。内部电场使电子和空穴产生与扩散运动方向相反的漂移运动，最终使能带发生倾斜，在PN结界面附近

形成耗尽层。在耗尽层，会形成光生漂移电流。在中性区会形成光生扩散电流。当与P层和N层连接的电路断开时，便会在两端产生电动势。

说明：光生漂移电流分量和光生扩散电流分量的总和即为光生电流；

3.3光无源器件（小知识点考小题无计算）

连接器：实现光纤与光纤之间可拆卸连接

接头：实现光纤与光纤之间的永久性连接

光耦合器：把一个输入的光信号分配给多个输出，或者把多个输入的光信号复合成一个输出。分为：T型耦合器.星型耦合器.定向耦合器.波分复用器/解复用器光隔离器：非互易器件，只允许光波向一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传播。

环形器：有多个接口的光隔离器;

外调制器：为了解决直接调制激光器会产生线性调频的问题;

光开关：转换电路，实现光交换。

4.1光发射机

4.1.1光发射机基本组成（相应的模块 源的要求：（简单题1号嫌疑犯） 1）发射的光波长应和光纤低损耗“窗口 ”一致 ，即中心波长应在0.85卩m 1.31卩m 和 1.55卩m 附近。光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制 2）电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有足够大而稳定的输出光功率， 且线性良好。发射光束的方向性要好，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之间 的耦合效率。

3） 允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统的大传输容量的要求。

4） 器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好，可靠性高，寿命长。

5） 此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。

发射机的电路部分： 作用：电路的设计应该以光源为依据，使输出光信号准确反映输入电信号； 对调制电路和控制电路的要求：

1） 输出光脉冲的通断比应大于10,以保证足够的光接收信噪比。

2） 输出光脉冲的宽度应远大于电光延迟时间，光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟时

间应足够短，以便在高速率调制下，输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形 .

3） 对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较咼速率调制下可能出现的张弛振荡，保 证发射机正常工作。

4）应采用自动功率控制（APC ）和自动温度控制（ATC ），以保证输出光功率有足够的稳定性。 线路编码电路必要的原因：因为电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光 源不能发射负脉冲。

4.1.2 调制特性（效应 小知识）

码型效应：当电光延迟时间td 与数字调制的码元持续时间 T/2为相同数量级时，会使“0” 码过后

的第一个“ 1码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“1”码丢失，这 对光源有什么要求、电路的作用）☆☆

鼻制

光源

光佶号■输出

t

1控稠电邸1 对光

种现象称为“码型效应”；

码型效应的特点：在脉冲序列中较长的连“ 0”码后出现的“ 1”码，其脉冲明显变小，而且连“0”码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。可以采用“过调制”补偿方法，消除码型效应；

弛张震荡：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震荡。

自脉动现象：某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象叫做自脉动现象；

温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流I th和外微分量子效率n d产生温度升高，阈值电流增加，外微分量子效率减小，输出光脉冲幅度下降；

4.2光接收机

☆☆☆☆☆☆

测器的要求：

1）波长相应要和光纤低损耗窗口（0.85卩m 1.31卩m和1.55卩m）兼容;

2）响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生尽可能大的光电流；

3）噪声要尽可能低，能接收微弱光信号，；

4）性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。

均衡的目的是：对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变的（电信号进行补偿，使输出信号的波形适

[10 3（ 5^）

nhcf b

光接收机所需的最小平均接收光功率P min,并以

计算公式：定义公式：Pr=10lg

理想光接收机灵敏度：Pr=10lg

基本概念：

因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声，只要有光信号输入，就有量子噪声存在;

合于判决，以消除码间干扰减小误码率'

I

灵敏度的定义：在保证通信质量的条件下

dBm为单位。