光纤通信复习资料必看1

复习提纲

第一章知识点小结： 1. 什么是光纤通信？

2. 基本光纤通信系统的组成和各部分作用。

基本光纤传输系统由光发射机、光纤线路和光接收机三个部分组成。

1. 光发射机

功能：是把输入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。

核心：光源。要求光源输出光功率足够大，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。

目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(或称激光器)(LD)

2. 光纤线路

功能：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。

光纤线路的性能主要由缆内光纤的传输特性决定。对光纤的基本要求是损耗和色散这两

个传输特性参数都尽可能地小，而且有足够好的机械特性和环境特性，

3. 光接收机

功能：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，并经放大和处理后

恢复成发射前的电信号。

核心：光检测器。对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。

3、光纤通信和电通信的区别。

光纤通信和电通信的主要差别：

（1）电通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。（2）电通信用电缆传输信号，光通信

用光纤传输信号，光缆具有比电缆更小的高频率传输损耗。

第二章知识点小结

1、光能量在光纤中传输的必要条件（对光纤结构的要求）。 光纤结构 纤芯：光能量传输的通道。

包层：为光的传输提供反射面和光隔离以及机械保护作用。

设折射率，纤芯为n1；包层为n2,则光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。

2、突变多模光纤数值孔径的概念及计算。

设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1， 纤芯中心轴线与z 轴一致，如

图2.4定义临界角θc 的正弦为数值孔径(Numerical Aperture, NA)。根据定义和斯奈尔定律

设Δ=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21或θc=12.2°。

NA 表示光纤接收和传输光的能力。

1）NA 越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯

曲性能越好。

2）NA 越大 经光纤传输后产生的信号畸变越大

本光纤传输接 收发 射?≈-==2sin 12221n n n NA C θ

3、弱导波光纤的概念。

4、相对折射率指数差的定义及计算。

相对折射率指数差（纤芯和包层折射率分别为n1和n2）

定义： 弱导波光纤中n1和n2相差很少，则 n1+n2 2 n1

所以有：

5、突变多模光纤的时间延迟。

由式(2.4)得到最大入射角(θ=θc)和最小入射角(θ=0)的光线之间时间延迟差近似为

6、渐变型多模光纤自聚焦效应的产生机理。 渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z 的正弦函数 θ*=θ0cos(Az)

对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角θ0，

其周期Λ=2π/A=2πa/

， 取决于光纤的结构参数(a, Δ)， 而与入射角θ0无关。这说明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，这种现象称为自聚焦(Self Focusing)效应。

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。这是因为

(1)光线传播速度v(r)=c/n(r)(c 为光速)，入射角大的光线经历的路程较长，但大部分路程远离中心轴线，n(r)较小，传播速度较快，补偿了较长的路程。(2)入射角小的光线情况正相反，其路程较短，但速度较慢。 所以这些光线的时间延迟近似相等。 7、归一化频率的表达式。V= 由式可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a 确定)，存在一个临界波长λc ，当λ<λc 时，是多模传输，当λ>λc 时，是单模传输，这个临界波长λc 称为截止波长。由此得到

8、突变光纤和平方律渐变光纤传输模数量的计算。

第三章知识点小结

1、纤通信中常用的半导体激光器的种类。

半导体激光二极管 或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)

2、半导体激光器的主要由哪三个部分组成？

主要由激励源、激光物质和谐振腔组成

2121212))((n n n n n +-=2122212n n n -=?1

21/)(n n n -≈??≈==?c L n NA c n L c n L c 12121)(22θτ)sin()

0(Az An r θ=405.222221≤-n n a λπ405.222221=-n n a C

λπ 2.405

V 405.2λλλλ==c C V 或

3、电子吸收或辐射光子所要满足的波尔条件。

受激辐射是受激吸收的逆过程。 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=hf12 (3.1)

式中，h=6.628×10-34J·s ，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。

受激辐射：产生相干光，辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同。

自发辐射：产生非相干光，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的。

4、什么是粒子数反转分布？

设在单位物质中，处于低能级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：

式中， k=1.381×10-23J/K ，为波尔兹曼常数，T 为热力学温度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。

吸收物质：如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质，光强按指数衰减。 激活物质：如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质，会产生放大作用。 N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。

5、理解半导体激光产生激光的机理和过程。

6、静态单纵模激光器。

7、半导体激光器的温度特性。P53

8、DFB 激光器的优点。P54

① 单纵模激光器。② 谱线窄， 波长稳定性好。③ 动态谱线好。④ 线性好。

9、LD 与LED 的主要区别 P55

（1）LD 发射的是受激辐射光，LED 发射的是自发辐射光。

（2）LED 不需要光学谐振腔， 没有阈值。

10、常用光电检测器的种类。P58

目前常用的光检测器有PIN 光电二极管和雪崩光电二极管（APD ）

11、光电二极管的工作原理。P58

12、PIN 和APD 的主要特点。P59~P63

PIN :

为改善器件的特性，在PN 结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I)

主要特性：(1) 量子效率和光谱特性。(2) 响应时间和频率特性。(3) 噪声。

APD:电子和原子多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增的器件

主要特性：1. 倍增因子。2. 过剩噪声因子

)exp(1212kT

E E N N --=

13、耦合器的功能。

功能：把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。

14、光耦合器的结构种类。

比较实用和有发展前途的有光纤型、光子器件型、微器件型和波导型。

15、什么是耦合比？ 耦合比CR 是一个指定输出端的光功率Poc 和全部输出端的光功率总和的比值，用%表示。 由此可定义功率分路损耗Ls ： Ls=10lg

16、什么是附加损耗？

附加损耗Le 由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的光功率总和Pit 和全部输出端的光功率总和Pot 的比值，用分贝表示 Le=10lg 17、光隔离器的结构和工作原理。P70

第四章知识点小结

1、数字光发射机的方框图。P75

数字光发射机的方框图如图4.2所示，主要有光源和

电路两部分。光源是实现电/光转换的关键器件，在很

大程度上决定着光发射机的性能。电路的设计应以光

源为依据，使输出光信号准确反映输入电信号。

2、光电延迟和张驰振荡。P77

输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间td ，其数量级一般为ns 。

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振荡，称为张弛振荡，其振荡频率fr(=ωr/2π)一般为0.5~2 GHz 。

3、激光器为什么要采用自动温度控 P79

温度通过阈值电流和外微分量子效率引起的输出光脉冲的变化：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。 ∑===N n on oc Ot OC p p P P CR 1)1(CR ?

?????=∑

∑==N n N

n ot it Pin Pin p P 11lg 10阻塞入射光偏振器SOP

温度对输出光脉冲的另一个影响是“结发热效应”。

由于激光器结区温度的变化使得输出光脉冲的

形状发生变化，这种效应称为“结发热效应”。

温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和

控制电路组成， 图示出温度控制装置的

方框图。致冷器的冷端和激光器的热沉接触，

热敏电阻作为传感器，探测激光器结区的温度，

并把它传递给控制电路，通过控制电路改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。

4、数字光接收机的方框图。P82

直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于图4.14，主要包括光检测器、前置

放大器、主放大器、均衡器、 时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。

5

光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。对光检测器的要求如下：

(1) 波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 μm 、 1.31 μm 和1.55 μm)兼容；

(2) 响应度要高， 在一定的接收光功率下， 能产生最大的光电流；

(3) 噪声要尽可能低， 能接收极微弱的光信号；

(4) 性能稳定， 可靠性高， 寿命长， 功耗和体积小。 目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN 光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。

6、什么是灵敏度？P86

灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。

灵敏度Pr ： 在保证通信质量(限定误码率或信噪比)的条件下， 光接收机所需的最小平均接收光功率〈P 〉min ，并以dBm 为单位。由定义得到 Pr=10lg 灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时， 能够接收微弱光信号的能力。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号

7、什么是误码和误码率？ P84

误码：把发射的“0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。

误码率：光接收机对码元误判的概率称为误码率(在二元制的情况下，等于误比特率，BER)， 用较长时间间隔内，在传输的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。

8、什么是动态范围？P89

动态范围(DR)的定义是：在限定的误码率条件下，光接收机所能承受的最大平均接收光功率〈P 〉max 和所需最小平均接收光功率〈P 〉min 的比值，用dB 表示。根据定义 DR=10lg 动态范围是光接收机性能的另一个重要指标，它表示光接收机接收强光的能力，数字光接收机的动态范围一般应大于15 dB 。

码流)](10

)min([3dBm w P -><)(min max dB p p ><><

9、数字光纤通信读线路码型的要求。P89

数字光纤通信系统对线路码型的具体要求有：

(1) 能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。这样就可以减小基线漂移、提高输

出功率的稳定性和减小码间干扰，有利于提高光接收机的灵敏度。

(2) 能给光接收机提供足够的定时信息。因而应尽可能减少连“１”码和连“0”码的数目，

使“1”码和“0”码的分布均匀，保证定时信息丰富。

(3) 能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码监测和公务通信。但对高速光纤通信系

统，应适当减少冗余码，以免占用过大的带宽。

10、数字光纤通信系统中常用的码型种类。P90

有扰码、mBnB码和插入码

第五章知识点小结

1、SDH的优点。P100

与PDH相比，SDH具有下列特点：

(1) SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。最低的等级也就是最基本的模块称为

STM-1，传输速率为155.520Mb/s；4个STM1 同步复接组成STM-4，传输速率为4×155.52

Mb/s=622.080 Mb/s。

(2) SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范。因此，光接口成为开放型接口，任何网

络单元在光纤线路上可以互连，不同厂家的产品可以互通，

(3) 在SDH帧结构中，丰富的开销比特用于网络的运行、维护和管理，便于实现性能监测、

故障检测和定位、故障报告等管理功能。

(4) 采用数字同步复用技术，其最小的复用单位为字节，不必进行码速调整，简化了复接分

接的实现设备，由低速信号复接成高速信号，或从高速信号分出低速信号，不必逐级进行。(5) SDH采用了DXC后，大大提高了网络的灵活性及对各种业务量变化的适应能力。

2、SDH传输网的主要组成设备。P98

SDH传输网由SDH终端设备、分插复用设备ADM、数字交叉连接设备DXC等网络单元以

及连接它们的（光纤）物理链路构成

3、SDH的帧结构（STM-1）。P101

送顺序

可靠有效运行的关键。图给出SDH帧一个Array STMN帧有9行，每行由270×N个字节组成。

这样每帧共有9×270×N个字节，每字节为8 bit。

帧周期为125μs，即每秒传输8000帧。对于

STM1 而言，传输速率为9×270×8×

发送，每行先左后右

4、SDH的复用原理。P101

将低速支路信号复接为高速信号的方法有两种：

（1）正码速调整法优点是容许被复接的支路信号有较大的频率误差；缺点是复接与分接相

当困难。

（2）固定位置映射法是让低速支路信号在高速信号帧中占用固定的位置。这种方法的优点

是复接和分接容易实现，但由于低速信号可能是属于PDH的或由于SDH网络的故障，低速

信号与高速信号的相对相位不可能对准，并会随时间而变化。

SDH采用载荷指针技术，结合了上述两种方法的优点，付出的代价是要对指针进行处理。超大规模集成电路的发展，为实现指针技术创造了条件。

5、三种误码率参数的概念。P106

6、可靠性及其表示方法。P109

7、损耗对中继距离限制的计算。P111

8、色散对中继距离限制的计算。P112

第七章点知识小结

1、光放大器的种类P138

(1)半导体光放大器（SOA）半导体光放大器的优点是小型化，容易与其他半导体器件集成；缺点是性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。

(2)光纤放大器

掺铒光纤放大器（EDFA）

分布光纤拉曼放大器（DRA）——非线性光纤放大器

2、掺铒光纤放大器的工作原理P138

3、掺铒光纤放大器的构成方框图P139

图7.3(a)为光纤放大器构成原理图，主要构成部件及功能为：

（1）光隔离器：防止反射光影响光放大器的工作稳定性。

（2）光耦合器（波分复用器）：把信号光和泵浦光混合起来。

（3）掺珥光纤：长约10~100m，Er 3+浓度约为25mg/kg。

（4）泵浦光源：形成粒子数反转分布。光功率为10~100mW，工作波长为0.98 μm。

4、什么WDM？P142

光波分复用(WDM：Wavelength Division Multiplexing)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。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(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。

5、光交换技术的方式P159

光交换主要有三种方式：（1）空分光交换（2）时分光交换（3）波分光交换

6、什么是光孤子？P161

光孤子(Soliton)：经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲(ps数量级)。

光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。光孤子通信的传输距离可达上万公里，甚至几万公里，目前

还处于试验阶段。

7、光孤子的产生机理P162

光纤非线性效应和色散单独起作用时，在光纤中传输的光信号都要产生脉冲展宽，对传输速率的提高是有害的。但是如果适当选择相关参数，使两种效应相互平衡，就可以保持脉冲宽度不变，因而形成光孤子

8、相干光通信信号调制的方式P167

对于模拟信号，有三种调制方式：幅度调制AM、FM、PM

对于数字信号，有三种调制方式：幅移键控ASK、FSK、PSK

9、相干光通信技术的优点P165或者P172

(1) 灵敏度提高了10～20 dB，线路功率损耗可以增加到50 dB。如果使用损耗为0.2 dB/km 光纤，无中继传输距离可达250 km。

由于相干光系统通常受光纤损耗限制，周期地使用光纤放大器，可以增加传输距离。实验表明，当每隔80 km加入一个掺铒光纤放大器，25 个EDFA可以使2.5 Gb/s系统的传输距离增加到2200 km以上，非常适合干线网使用。

(2) 由于相干光系统出色的信道选择性和灵敏度，和光频分复用相结合，可以实现大容量传输。

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