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

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

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

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△

=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

光纤类型三种基本类型图

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8~10 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;

光纤传输原理 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θc 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,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; 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

传输模式数目随V 值的增加而增多;当V 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V<时,只有HE11LP01一个模式存在,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; 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 Ψr=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βx-βy 定义为双折射Δβ, 通常用归一化双折射β来表示

∆

≈-=212212n n n NA ∆

≈==∆c

L n NA c n L c n L c 12121)(22θτ405

.222

221≤-n n a λπ]

)([2

w r -β

βββ

ββ)

(y x -=

∆=

式中, =βx+βy/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2π的光纤长度定义为拍长Lb= 光纤传输特性

损耗和色散是光纤最重要的传输特性;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;

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;

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;α是损耗系数;

吸收损耗：由SiO 2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α与波长λ的关系可以表示为： α= +B+CW λ+IR λ+UV λ

A 为瑞利散射系数,

B 为结构缺陷散射产生的损耗,CW λ、IR λ和UV λ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 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

β

β∆2

ap

dz dp -=4

λA