光纤通信系统知识点总结

分析光纤中的传输，可用两种理论：射线光学（即几何光学）理论和波动光学理论。

根据光纤横截面上折射率分布的情况来分类，光纤可分为阶跃折射率型和渐变折射率型。 数值孔径

NA=，表示光纤的集光能力。

最大时延差 L 为光纤的长度

相对折射率差 单位长度光纤的最大群时延差 损耗和色散是光纤的两个主要的传输特性。

色散可分为：模式色散、材料色散、波导色散。

采用内包层的作用：1减小基模的损耗，2得到纤芯半径较大的单模光纤。

0.85μm ，1.3μm 和1.55μm 左右是光纤通信中常用的低损耗窗口。

色散可分为模式色散，材料色散以及波导色散。

在所有的导模中，只有HE 11模式的截止频率为0，亦即截止波长为无穷大。HE 11是任何光纤中都能存在、永不截止的模式，称为基模或主模。

最常用的光源是半导体激光器和发光二极管

用半导体激光器的原因：1）半导体光源体积小；2）发射波长适合在光纤中低损耗传输；3）可以直接进行强度调制；4）可靠性较高。

原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发生量子跃迁，或称为能级跃迁，若电子跃迁中交换的能量是热运动的能量，称为热跃迁，若交换的能量是光能，则是光跃迁。

放大媒质：N2>N1，受激辐射占主导地位，r （v ）>0，光波经过媒质时强度按指数规律增加，光波被放大。

21N N >的媒质是一中处于非热平衡状态下的反常情况，称之为粒子数反转或布居反转，这种媒质对应于激光型放大的情况。

在半导体物理中，通常把形成共价键的价电子所占据的能带称为价带，把价带上面邻近的空带（自由电子占据的能带）称为导带。导带和价带之间，被宽度为Eg 的禁带所分开。原子的电离以及电子与空穴的复合发光等过程，主要发生在价带和导带之间。

光子能量满足 Eg

对大量原子组成的体系来说，将同时存在着光的自发发射、受激辐射、和受激吸收3个过程。 自发发射：处于高能级E2上的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能级E1上，并发射一个频率为v 、能量为hv=E2—E1的光子，这个过程称为光的自发发射过程。

自发发射的光是一种非相干光。

受激辐射：处于高能级E2上的电子在光场的感应下（感应光子的能量为hv=E2—E1）发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃进到低能级E1，这个过程称为光的受激辐射。

受激吸收：处于高能级E1上的电子在感应光场的作用下（感应光子的能量为hv=E2—E1），吸收一个光子而跃迁到高能级E2，这个过程称为光的受激吸收过程。

受激跃迁（包括受激吸收和受激辐射）和自发发射区别：1.自发发射只存在从高能级到低能级的过程，从E1到E2自发跃迁迁率为零；受激跃迁同时存在着E2→E1和E1→E2两个过程，且受激吸收概率与受激辐射概率相同。2.自发跃迁概率和光场强度无光，而受激跃迁概率和感应光场的强度成正比。

自发发射、受激辐射、和受激吸收对应的器件分别是：发光二极管、半导体激光器和光电二极管。 产生稳定激光的两个条件：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1122d Ln n n c n τ=-??12

1n n n -?=1d n c τ?

?=

有源区里建立起稳定的振荡。

半导体材料的禁带宽带（Eg ）决定了激光器的发射波长。

制作半导体激光器的材料，是直接带隙的半导体材料

直接带隙是指导带的最低点和价带的最高点对应着相同的波数k （波矢量的模）。

发光二极管基本性质：发射谱线和发散角，响应速度，热特性，优点（寿命长、可靠性高、调制电路简单、成本低）。

激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟，称为电光延迟时间。

电流脉冲注入激光器以后，输出光脉冲表现出衰减式的振荡，称之为张弛振荡。

某些激光器在某些注入电流下发生的一种持续振荡，称为自脉动现象。在一些功率-电流曲线有明显扭折的激光器中，常出现自脉动现象。

光调制可分为直接调制和间接调制。 直接调制方法仅适用于半导体光源（LD 和LED ），这种方法是把要传送的信息转变为电流信号注入LD 或LED ，从而获得相应的光信号，所以是采用电源调制方法。IM:光强度调制

光源的各种调制方法

消光比是指激光器在全“0”码时发射的功率与全“1”码时发射的功率之比，即 或

光源的消光比直接影响接收机的灵敏度，为不使接收机灵敏度明显下降，消光比一般应小于10%。 激光发射极组要组成部分 数字信号入→线路编码→调制电路→（控制电路→）LD →光信号 线路编码作用：将数字信号转换成适合在光纤中传输的形式。

选择直流预偏置电流应考虑（兼顾到电光延迟、张弛振荡、码型效应以及激光器的消光比、散粒噪声）：1 加大直流偏置电流使其逼近阈值，可以大大减小电光延迟时间，同时使张弛振荡得到一定程度的抑制。

2 较小的调制脉冲电流就能得到足够的输出光脉冲。

3 加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化。

与光电二极管不同，雪崩光电二极管（APD ）在结构设计上已考虑到使它能承受高反向偏压，从而在PN 结内部形成一个高电场区。

热噪声的电阻可以有两种等效方式：①等效为一个无噪声的电阻和一个噪声电流源并联；②把带有噪声的电阻等效为一个理想的电阻和一个噪声电压源串联。

场效应管（FET ）主要噪声源：散粒噪声和沟道热噪声。场效应管的散粒噪声远小于沟道噪声。 双极晶体管的噪声源：散粒噪声，基区电阻的热噪声，分配噪声，和1/f 噪声。

前置放大器主要有3种类型：低阻型前置放大器，高阻型前置放大器，跨阻型前置放大器。输入端偏置电阻越大，放大器的输入电阻越高，输出端噪声就越小。

灵敏度是指保证达到给定的误码率的条件下，光接收机需要输入的最低光功率。

均衡滤波器可以消除码间干扰的影响。接收机电路具有良好的均衡能力，能将输出波形均衡为无码间干扰的、具有升余弦频率谱的波形。

最佳的输入脉冲波形是单位脉冲()l t δ

P EXT P =全0全110lg P EX P =全1全0

输入脉冲波形越窄，它的频谱越宽，接收机的频带就可以窄一些，有利于限制高频噪声，提高接受

灵敏度。()l tδ

脉冲有无限宽的频谱，所以输入

()l tδ

脉冲时，放大器的噪声最小，灵敏度最高。

光纤通信中，输出波形常常被均衡成升余弦频谱（相频特性为线性的）。

接收机的动态范围是指在接收机正常工作的前提下，所允许的接收光功率的变化范围，它也是接收机的一个重要的性能指标。

PHD的一、二、三次群PCM复接设备的输出码型是HDB3码，4次群复接设备的输出码型是CMI 码。

常用的光线路码型大体可以归纳为3类：扰码二进制、字变换码、插入型码。

最典型的字变换码，在我国也最常用的是mBnB。

误码性能通常用长期平均误码率（简称误码率）、误码的时间百分数和误码秒百分数来表示。

数字信号（包括时钟信号）的各个有效瞬间对于标准时间位置的偏差，称为抖动（或漂动），10Hz 以下的长期相位变化称为漂动，10Hz以上的则称为抖动。抖动的单位是UI，它表示单位时隙。

抖动性能参数：输入抖动容限，输出抖动，抖动转移特性。

输入抖动容限：光纤通信系统的各次群的输入接口必须容许输入信号含有一定的抖动，系统所许的输入信号的最大抖动范围。

输出抖动：当系统无输入抖动时，系统输出口的信号抖动特性。

抖动转移也称为抖动传递，定义为系统输出信号的抖动与输入信号中具有对应频率的抖动之比。

系统性能的测试要用（常用仪表：）光功率计，可变光衰减器，（专用仪表：）误码测试仪，误码分析仪，数字传输分析仪，SDH分析仪等。

SDH的块状帧结构(P228)

段开销（SOH：Section Overhead）是为了保证信息净负荷正常、灵活地传送所必须的附加字节，主要供网络运行、管理和维护使用。

管理单元指针：AU PTR（Administrative Unit Pointer）

SDH中的指针在复用映射过程中的作用：1）当网络处于同步工作状态时，指针用来进行同步信号间的相位校准；2）当网络失去同步时，指针用作频率和相位校准，当网络处于异步工作时，指针用作频率跟踪校准；3）指针还可以用来容纳网络中的频率抖动和漂移。

自愈环形网就是无需人为干预，网络就能在极短时间内从失效故障中自动恢复所携带的业务，使用户感觉不到网络已出了故障。

自愈环结构分为两大类：通道倒换环和复用段倒换环。

再生段距离设计分两种情况：1损耗受限系统，即再生距离有发、收之间光通道的损耗决定；2色散受限系统，即再生距离由S和R点之间光通道总色散所限定，需要进行功率预算和色散预算。

频率啁啾

单纵模激光器工作于直接调制状态时，由于注入电流的变化引起有源区载流子浓度变化，进而使有源区折射率发生变化。结果导致谐振波长随着时间偏移，产生频率啁啾。

受激辐射光放大器的基础工作原理是利用受激辐射效应完成光子倍增、实现信号放大的。

EDFA（掺铒光纤放大器）的3种基本泵浦结构方式：同向泵浦，反向泵浦，双向泵浦。采用同向泵浦，可获得较好的噪声性能；反向泵浦，获得较高的输出功率；双向泵浦，使EDFA的增益和噪声性能都优于单向泵浦。

双泵浦源方式：980nm的泵浦源工作在放大器的前端，用以优化噪声性能，1480nm泵浦源工作在放大器的后端，以便获得最大的功率转换效率。

WDM波分复用DWDM密集波分复用OFDM光频分复用

在SCM（副载波复用）光波系统中，光波为载波，电的载波为副载波。

推荐例题P20、P32、P77、P143 P211