光纤通信 第5章 光源与光发送机
西北工业大学_光纤通信作业答案
答案第一章：光纤通信1、什么是光纤通信？光纤通信及系统的组成光纤通信使用光导纤维作为传输光波信号的通信方式。
光纤通信系统通常由电发射机、光发射机、光接收机、电接收机和由光纤构成的光缆等组成。
2、什么事光通信光通信就是以光波为载波的通信。
3、光纤通信的优点？①传输频带宽，通信容量大。
②传输衰减小，传输距离长。
③抗电磁干扰，传输质量好。
④体积小、重量轻、便于施工。
⑤原材料丰富，节约有色金属，有利于环保4、光纤通信的工作波长？光源：近红外区波长：0.8—1.8μm频率：167—375THz5、WDM是指什么？DWDM指什么？WDM：波分复用DWDM：密集波分复用6、光纤从材料上可以分为哪几种？从材料上分为石英光纤、多组份玻璃光纤、氟化物光纤、塑料光纤等7、光纤活动连接器从连接方式来看分为哪几种？常见的插针端面有哪几种？PC、APC、SPC（球面、斜面、超级抛光端面呈球面的物理接触）8、按缆芯结构分，光缆分为哪几种？层绞式、单位式、骨架式、带状式9、光线的制造分哪几个步骤？I 材料准备与提纯II 制棒III 拉丝、涂覆IV 塑套其中制棒分为：（1）MCVD改进的化学气相沉淀法（2）PCVD等离子化学气相沉淀法10、按材料光纤分几种？同611、无源器件的种类连接器、分路器与耦合器、衰减器、隔离器、滤波器、波分复用器、光开关和调制器等第二章：光纤通信的物理学基础1、通过哪些现象可以证明光具有波动性？光的波动性可以从光的干涉、光的衍射和光的偏振等现象证明2、什么叫光电效应？光电效应具有哪些试验规律？由于光的照射使电子从金属中溢出的现象称为光电效应⑴ 每种金属都有一个确定的截止频率γ0，当入射光的频率低于γ0 时，不论入射光多强，照射时间多长，都不能从金属中释放出电子。
⑵ 对于频率高于γ0的入射光，从金属中释放出的电子的最大动能与入射光的强度无关，只与光的频率有关。
频率越高释放出的电子的动能就越大。
⑶ 对于频率高于γ0的入射光，即使入射光非常微弱，照射后也能立即释放出电子。
光纤通信复习（各章复习要点）
光纤通信复习（各章复习要点）光纤通信复习（各章复习要点）第⼀章光纤的基本理论1、光纤的结构以及各部分所⽤材料成分2、光纤的种类3、光纤的数值孔径与相对折射率差4、光纤的⾊散5、渐变光纤6、单模光纤的带宽计算7、光纤的损耗谱8、多模光纤归⼀化频率，模的数量第⼆章光源和光发射机1、光纤通信中的光源2、LD的P-I曲线，测量Ith做法3、半导体激光器的有源区4、激光器的输出功率与温度关系5、激光器的发射中⼼波长与温度的关系6、发光⼆极管⼀般采⽤的结构7、光源的调制8、从阶跃响应的瞬态分析⼊⼿，对LD数字调制过程出现的电光延迟和张弛振荡的瞬态性质分析（p76）9、曼彻斯特码10、DFB激光器第三章光接收机1、光接收机的主要性能指标2、光接收机主要包括光电变换、放⼤、均衡和再⽣等部分3、光电检测器的两种类型4、光电⼆极管利⽤PN结的什么效应第四章光纤通信系统1、光纤通信系统及其⽹管OAM2、SDH系统3、再⽣段距离的设计分两种情况4、EDFA第五章⽆源光器件和WDM1、⼏个常⽤性能参数2、波分复⽤器的复⽤信道的参考频率和最⼩间隔3、啁啾光纤光栅4、光环形器的各组成部分的功能及⼯作原理其他1、光孤⼦2、中英⽂全称：DWDM 、EDFA 、OADM 、SDH 、SOA第⼀章习题⼀、单选题1、阶跃光纤中的传输模式是靠光射线在纤芯和包层的界⾯上（B）⽽是能量集中在芯⼦之中传输。
A、半反射B、全反射C、全折射D、半折射2、多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是（A）的。
A、连续变化B、恒定不变C、间断变换D、基本不变3、⽬前，光纤在（B）nm处的损耗可以做到0.2dB/nm左右，接近光纤损耗的理论极限值。
A、1050B、1550C、2050D、25504、普通⽯英光纤在波长（A）nm附近波导⾊散与材料⾊散可以相互抵消，使⼆者总的⾊散为零。
A、1310B、2310C、3310D、43105、⾮零⾊散位移单模光纤也称为（D）光纤，是为适应波分复⽤传输系统设计和制造的新型光纤。
《光纤通信》习题解答
第1章1.光通信的优缺点各是什么答：优点有：通信容量大；传输距离长；抗电磁干扰；抗噪声干扰；适应环境；重量轻、安全、易敷设；保密；寿命长。
缺点：接口昂贵；强度差；不能传送电力；需要专用的工具、设备以及培训；未经受长时间的检验。
2.光通信系统由哪几部分组成，各部分功能是什么答：通信链路中最基本的三个组成部分是光发射机、光接收机和光纤链路。
各部分的功能参见节。
3.(4.假设数字通信系统能够在载波频率1%的比特率下工作，试问在5GHz的微波载波和μm的光载波上能传输多少路64kb/s的音频信道答：5GHz×1％/64k＝781路（3×108/×10-6）×1％/64k＝3×107路5.SDH体制有什么优点答：主要为字节间插同步复用、安排有开销字节用于性能监控与网络管理，因此更加适合高速光纤线路传输。
6.简述未来光网络的发展趋势及关键技术。
/答：未来光网络的发展趋势为全光网，关键技术为多波长传输和波长交换技术。
7.简述WDM的概念。
答：WDM的基本思想是将工作波长略微不同，各自携带了不同信息的多个光源发出的光信号，一起注入同一根光纤，进行传输。
这样就充分利用光纤的巨大带宽资源，可以同时传输多种不同类型的信号，节约线路投资，降低器件的超高速要求。
8.解释光纤通信为何越来越多的采用WDM+EDFA方式。
答：WDM波分复用技术是光纤扩容的首选方案，由于每一路系统的工作速率为原来的1/N，因而对光和电器件的工作速度要求降低了，WDM合波器和分波器的技术与价格相比其他复用方式如OTDM等，有很大优势；另一方面，光纤放大器EDFA的使用使得中继器的价格和数量下降，采用一个光放大器可以同时放大多个波长信号，使波分复用（WDM）的实现成为可能，因而WDM＋EDFA方式是目前光纤通信系统的主流方案。
9.！10.WDM光传送网络（OTN）的优点是什么答：（1）可以极大地提高光纤的传输容量和节点的吞吐量，适应未来高速宽带通信网的要求。
光纤通信
光纤通信的优缺点：优点：1.通信容量大，2.中继距离长3.抗电磁干扰4.传输误码率极低缺点:1.有些光器件比较昂贵2.光线的机械强度差3.不能传输电力4.光线断裂后维修比较困难。
基本光纤传输系统组成：1：光发射机（光源[直接调制，间接调制]、驱动器、调制器）：把电信号转换为光信号的过程是通过电信号对光的调制实现的。
2，光纤线路（光纤，光线接头，光纤连接器）：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。
3.光接收机（光检测器，放大器，相关电路）：把从光纤线路传输，产生畸变和衰减的微弱光信号转变为电信号，并经其后的电接收机放大和处理后恢复成基带信号。
单模光纤：只能传输一个模式（两个偏振态兼并），所以称为单模光纤，信号畸变很小。
色散：（模式色散，材料色散，波导色散）在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的传播时间不同而产生的一种物理效应。
光纤损耗类型：吸收损耗：主要是由二氧化硅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:主要有材料微观密度不均匀引起的瑞丽散射和光纤结构缺陷引起的散射产生的。
光线的损耗是系统的传输距离受到限制，大损耗不利于长距离光纤通信。
光与物质作用三种形式：受激吸收，自发辐射，受激辐射。
LD（半导体激光器）产生激光的条件：hf>=Eg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。
内部电场是电子和空穴产生与扩散运动相反的漂移运动，最终是能带发生倾斜，在PN结界面附近形成耗尽层，当入射光作用在PN结时，如果光子的能量大于带隙，便发生受激吸收，在耗尽层由于内部电场的作用电子向N区运动空穴向P区运动形成光生漂移电流，在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层然后在电场的作用下，形成光生扩散电流，当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这就是光电效应.光无源器件：连接器和接头，光耦合器，光隔离器和光环形器，光调制器，光开关。
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图1.2 反射波导和透镜波导
1966年，英籍华人高锟(K.C.Kao，当 时工作于英国标准电信研究所)博士深入研 究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题， 发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因 是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属 离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺 技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所 引起的折射率不均匀，他还发现一些玻璃 纤维在红外光区的损耗较小。
根据光纤的传导模数量，光纤通信系 统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤 通信系统。
根据系统的工作波长，光纤通信系统 可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤 通信系统和超长波长光纤通信系统。
第二章 光纤和光缆
光纤作为光纤通信系统的物理传输媒 介，有着巨大的优越性。
本章首先介绍光纤的结构与类型，然 后用射线光学理论和波动光学理论重点分 析光在阶跃型光纤中的传输情况，最后简 要介绍光缆的构造、典型结构与光缆的型 号。
系统中光发送机的作用是将电信号转 换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。 光发送机一般由驱动电路、光源和调制器 构成，如果是直接强度调制可以省去调制 器，这些将在后续章节中详细介绍。
光接收机的作用是将光纤送来的光信 号还原成原始的电信号。它一般由光电检 测器和解调器组成，对于直接强度调制解 调器可以省略。
1.2 光纤通信的主要特性
1.2.1 光纤通信的优点
1. 光纤的容量大
光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载 波的通信系统，其载波—光波具有很高的 频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信 容量。
2. 损耗低、中继距离长
目前，实用的光纤通信系统使用的光 纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长 区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其 他通信线路的损耗都低得多，因此，由其 组成的光纤通信系统的中继距离也较其它 介质构成的系统长得多。
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光纤与光缆
全反射现象
n2
3
1
折射光
n1
入射光
光的全反射现象
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光纤与光缆
光在光纤中的传播 光在光纤中以“Z”形轨迹传播及沿纤芯与包层 的分界面掠过
n2
n1
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光纤与光缆
光纤的工作波长（工作窗口） 光线路信号在光纤上传送的波长：850nm、 1310nm、1550nm。 850nm窗口只用于多模传输 1310nm和1550nm窗口 用于单模传输。
PIN光二极管： – 特性参数：灵敏度、响应时间 – 优点：噪声小、工作电压低 – 缺点：没有倍增效应。PIN的光接收机灵敏度不 高，适宜用于短距通信。 APD光二极管： – 特性参数：倍增因子G（平均增益），倍增噪声 因子 – APD光二极管的最大优点是倍增效应，即输入同 样大小的光功率信号能获得比PIN光二极管多几 十倍的光电流，大大提高了光接收机的灵敏度 （比PIN光接收机提高约10dB以上）。
光纤通信概论
典型的数字光纤通信系统方框图
光发送机 光纤 中继器 光纤 光接收机
华为技术
发送端的电端机把信息（ 如话音）进行模/数转换，用转 电端机（模/ 换后的数字信号去调制发送机 电端机（模/ 数） 数） 中的光源器件LD，输出发出携 带信息的光波。光波经光纤传 输后到达接收端，光接收机把 数字信号从光波中检测出来送 模拟信号 模拟信号 给电端机，而电端机再进行数/ 模拟信号 模转换，恢复成原来的信息。
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光接收机各功能框介绍
判决再生电路： 对均衡器输出的脉冲流逐个进行判决，并再生成波 形整齐的脉冲码流。 时钟提取电路： 提取时钟，以保证收发同步。 自动增益控制（AGC）： 控制前置放大器与主放大器的增益，使光接收机有 一个规定的动态范围。 偏压电路： 向APD光二极管提供反向偏压。
第5章 常用光学元件1
振幅: r tan / A
周期： 2 / A
振幅取决于入射高度
当透镜长度等于半周期长的整数倍时，入射平行光出射仍 为平行光线；当透镜长度等于1/4周期长度的奇数倍时，入射 光平行于透镜光轴，出射光将在透镜出射端面的轴心处会聚； 反之，若点光源置于它的轴心处，其出射光为平行光线。
0.25P
隔离和定向传输的作用。
光环流器的工作原理与隔离器类似。典型的环行器一般有 三个或四个端口。在四端口环行器中，端口1输入的光信号 在端口2输出，端口2输入的光信号在端口3输出，端口3输入 的光信号在端口4输出，端口4输入的光信号由端口1输出。
光环流器实现的 一种实际结构：
光环流器的主要性能参数：（1）输入输出的插入损 耗（≤1.0dB，越小越好）；（2）一端对其它端的隔离 度（≥35dB，越大越好，）。
作业：
5-14：什么是自聚焦透镜？其主
要特点是什么？
5.3.2 光纤定向耦合器
光纤定向耦合器是一种用于传送和分配光信号的光无源 器件，它有时也被称为“分路器”或“合路器”。
通常，光信号功率由耦合器的一个端口输入，然后按照 一定的比例分配至几个指定端口输出，称之为“分路”，光 信号功率由几个端口输入，经耦合器进入同一个端口输出， 称之为“合路”。
光纤移动式光开关
棱镜转动式光开关，内部采 用机电方式控制16个棱镜的 用与不用，就可把输入光路 中的一条与输出光路的任一 条接通。
液晶光开关：基 于液晶的旋光性。 尺寸可做小，低 压低功耗驱动， 但开关速度不高。
磁光开关：利用法拉弟磁致旋光特性实现光开关功能。 通过改变旋光介质上的磁场方向，实现光开关。
3、模场耦合式光纤定向耦合器
依据光纤中传输的模式场分布相互耦合来实现光信号的分路 与合路。
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★★第一章★★★光纤通信：是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。
★光纤通信工作在什么区，其波长和频率：目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为SiO2的光纤。
它是工作在近红外区，波长为0.8～1.8μm，对应的频率为167～375THz。
★光纤通信的主要优点：1 通信容量大；2 中继距离远；3 抗电磁干扰能力强，无串话；4 光纤细，光缆轻；5 资源丰富，节约有色金属和能源。
光纤还具有均衡容易、抗腐蚀、不怕潮湿的优点。
因而经济效益非常显著。
★光纤通信系统：光发送设备、光接收设备、光传输设备。
1 光发送设备：主要有驱动器和光源，其作用试吧店端机输入的信号对光源进行调制，使光源产生出与电信号相对应的光信号进入光纤。
2 光接收设备：主要有光检测器和光放大器，3 光传输设备：短距离的是电缆，长距离时要加中继器。
4 中继器：由光检测器、电信号放大器、判决再生电路、驱动器和光源等组成。
作用是将光信号变成电信号。
★★第二章★★★光与物质的作用实质上就是光与原子的相互作用，这种相互作用有三种主要过程：自发辐射、受激辐射、受激吸收。
自发辐射：该过程与外界作用无关，各个原子的辐射是自发地、独立地进行，彼此毫无关联。
（LED）受激辐射：在受激辐射中，通过一个光子的作用，可以得到两个特征完全相同的光子，如果这两个光子再引起其他原子产生受激辐射，就可以得到四个特征完全相同的光子，…，如此进行下去，将形成“雪崩”反应。
（LD）受激吸收：该过程对外来光有严格的频率选择性。
★形成粒子反转的条件：首先要有能实现粒子数反转分布的物质，也就是激光器的工作物质，它具有对光信号放大的能力；其次，要实现粒子数反转，还必须从外界输入能量，使工作物质中有尽可能多的粒子吸收能量后从低能级跃迁到高能级上去。
这一过程也称为激励。
当激励强度足够大时，便可在一堆激光能级之间实现粒子数反转。
★★第三章★★★通信光纤的纤芯通常是折射率为n1的高纯度SiO2，并有少量掺杂剂，以提高折射率。
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为了描述光纤中传输的模式数目，在
此引入一个非常重要的结构参数，即光纤
的归一化频率，一般用V表示，其表达式 如下：
V k 0 n m a2 2 0n m a2 C n m a2
1. 多模光纤
顾明思义，多模光纤就是允许多个模 式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤 中允许存在多个分离的传导模。
光纤的作用是为光信号的传送提供传 送媒介(信道)，将光信号由一处送到另一 处。
中继器分为电中继器和光中继器(光放 大器)两种，其主要作用就是延长光信号的 传输距离。
1.3.2 光纤通信系统的分类
根据调制信号的类型，光纤通信系统 可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通 信系统。
根据光源的调制方式，光纤通信系统 可以分为直接调制光纤通信系统和间接调 制光纤通信系统。
1.2 光纤通信的主要特性
1.2.1 光纤通信的优点
1. 光纤的容量大
光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载 波的通信系统，其载波—光波具有很高的 频率(约1014Hz)损耗低、中继距离长
目前，实用的光纤通信系统使用的光 纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长 区 的 损 耗 可 低 到 0 . 1 8 dB/km， 比 已 知 的 其 他通信线路的损耗都低得多，因此，由其 组成的光纤通信系统的中继距离也较其它 介质构成的系统长得多。
图2.2 光纤的折射率分布
光纤的折射率变化可以用折射率 沿半径的分布函数n(r)来表示。
n r n n 1 2
r a r a
2. 按传输模式的数量分类
按光纤中传输的模式数量，可以将光 纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF) 和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。
光传输通信基本原理
第一部分光传输通信基本原理第一章、光纤通信原理第一节、光纤通信的概念一、光纤通信的概念光纤通信概念：利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的; 典型的光纤通信系统方框图如下：数字光纤通信系统方框图从图中可以看出,数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成;发送端的电端机把信息如话音进行模/数转换,用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件LD,则LD就会发出携带信息的光波;即当数字信号为“1”时,光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时,光源器件发送一个“空号”不发光;光波经低衰耗光纤传输后到达接收端;在接收端,光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机,而电端机再进行数/模转换,恢复成原来的信息;就这样完成了一次通信的全过程;其中光发送机的调制方式有两种：直接调制也称内调制一般速率小于等于S时；间接调制也称外调制一般速率大于S时;二、光纤通信的特点1、通信容量大2、中继距离长3、保密性能好2、适应能力强5、体积小、重量轻、便于施工和维护6、原材料来源丰富,潜在的价格低廉第二节、光纤的导光原理一、全反射原理我们知道,当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的,但在到达两种不同介质的分界面时,会发生反射与折射现象,如图所示;图 光的反射与折射根据光的反射定律,反射角等于入射角;根据光的折射定律：n Sin n Sin 1222θθ=其中n 1为纤芯的折射率,n 2为包层的折射率;显然,若n 1>n 2,则会有θ2>θ1;如果n 1与n 2的比值增大到一定程度,则会使折射角θ2≥90°,此时的折射光线不再进入包层,而会在纤芯与包层的分界面上掠过θ2=90°时,或者重返回到纤芯中进行传播θ2>90°时;这种现象叫做光的全反射现象,如图所示;图：光的全反射现象人们把对应于折射角θ2等于90°的入射角叫做临界角;很容易可以得到临界角θKSinnn=-121;不难理解,当光在光纤中发生全反射现象时,由于光线基本上全部在纤芯区进行传播,没有光跑到包层中去,所以可以大大降低光纤的衰耗;早期的阶跃光纤就是按这种思路进行设计的;第三节、光纤与光缆基本概念一、光纤的结构光纤呈圆柱形,由纤芯直径约9-50um、包层直径约125um与涂敷层直径约1.5cm三大部分组成,如下图：纤芯主要采用高纯度的SiO2二氧化硅,并掺有少量的掺杂剂,提高纤芯的光折射率n1；包层也是高纯度的二氧化硅,也掺杂一些掺杂剂,主要是降低包层的光折射率n2；涂敷层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙,增加机械强度和可弯曲性;二、光纤的分类方式光纤有以下的分类方式：1、按折射率分布分类A、阶跃光纤SI定义：在纤芯与包层区域内,折射率的分布分别是均匀的,其值分别是n1与n2,但在纤芯与包层的分界处,其折射率的变化是阶跃的;其折射率分布的表达式为：n1 r小于等于a1时nr=n2 r式中：n1为光纤纤芯区的折射率n2为包层区的折射率a1为纤芯半径a2为包层半经B、渐变光纤GI定义：光纤蛛心处的折射率最大,但随横截面的增加而逐渐变小,其变化规律一般符合抛物线规律,到了纤芯与包层的分界处,正好降到与包层区域的折射率相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的;2、按传输的模式分类多模光纤定义：传输光波的模式不止一种;多模光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长,一般在50um左右,光信号是以多个模式方式进行传播的,光信号的波长以主纵模为准;不同的传播模式会具有不同的传播速度和相位,因此经过长距离的传播之后会产生时延,导致光脉冲变宽,叫做光纤的模式色散或模间色散;由于模式色散影响较严重,降低了多模光纤的传输容量和距离,多模光纤仅用于较小容量、短距离的光纤传输通信;单模光纤定义：传输光波的模式只有一种;目前主用当光纤的几何尺寸可以于光波长相比拟时,即纤芯的几何尺寸与光信号波长相差不大时,一般为5~10um,光纤只允许一种模式在其中传播,其余的高次模全部截止,这样的光纤叫做单模光纤;单模光纤只允许一种模式在其中传播,从而避免了模式色散的问题,故单模光纤具有极宽的带宽,特别适用于大容量的光纤通信;对于单模光纤,由于光纤的几何尺寸小,使V的值小于,这样N的值就为1,只有一种模式3、按工作波长分类短波长光纤定义：习惯上把波长在600-900nm范围内呈现低衰耗光纤称做短波长光纤;长波长光纤定义：习惯上把波长在1000-2000nm范围内的光纤称做短波长光纤;2、套塑类型分类A、紧套光纤定义：指二次、三次涂敷层与予涂敷层及光纤的纤芯、包层等紧密的结合在一起的光纤;目前居多;B、松套光纤定义：指经过予涂敷层的光纤松散的放在一塑料管中,不再进行二次、三次涂敷;三、光纤的种类以及应用状况①、光纤1310nm性能最佳光纤色散未移位光纤;它有二个波长工作区：1310nm与1550nm;在1310nm波长：色散最小未移位,小于；但损耗较大,为~km;在1550nm波长：色散较大,为20ps/；但损耗很小,为~km;在我国占99﹪以上;虽称1310nm性能最佳光纤,但绝大部分却用于1550nm,其原因是在1310nm无实用化光放大器;它可会传输2.5G或以2.5G为基群的WDM系统；但传输TDM的10G ,面临色散受限的难题色度色散与PMD;②、光纤1550nm性能最佳光纤色散移位光纤;它主要用于1550nm波长工作区;在1550nm波长,色散较小色散移位,为；损耗也很小,为~km;但它不能用于WDM方式,因会出现四波混频效应FWM;③、光纤1550nm损耗最小光纤;它主要用于1550nm波长工作区,其损耗为~km；主要用于海缆通信;④、光纤它是为克服光纤的FWM效应而设计的新型光纤;其性能与光纤类似,但既能用于WDM,又能传输TDM方式的10G;理想情况：A、低色散：2~10ps/；B、色散斜率小于,便于色散补偿；C、大的有效面积,可避免出现非线性效应;目前,光纤尚无国际统一规范;---大的有效面积,会有效地避免非线性效应,但将导致色散斜的增加;---小的色散斜率将会便于色散的补偿；但其有效面积却减小;四、光缆结构层绞式、骨架式、束管式、带状式第四节、光纤的特性与参数一、光纤的三大特性光纤的特性参数可以分为三大类即几何特性参数、光学特性参数与传输特性参数;二、光纤的衰耗①衰耗系数a衰耗系数是光纤最重要的特性参数之一;因为在很大程度上决定了光纤通信的中继距离;衰耗系数的定义为：每公里光纤对光功率信号的衰减值;其表达式为：apPiO10lg dB/km其中Pi为输入光功率值瓦特PO为输出光功率值瓦特如某光纤的衰耗系数为a=3dB/km,则这就意味着,经过一公里的光纤传输之后,其光功率信号减少了一半;长度为L公里的光纤的衰耗值为A = aL ;②光纤的衰耗机理使光纤产生衰耗的原因很多,但可归纳如下：本征吸收吸收衰耗：杂质吸收线性散射衰耗：散射衰耗：非线性散射结构不完整散射其它衰耗微弯曲衰耗本征吸收：定义：构成光纤材料本身所固有的吸收作用;纯二氧化硅对光的吸收作用所引起的光纤衰耗是比较小,在600-900NM波长范围稍大,但小于1dB/km,而在1000-1800波长范围,几乎为零;杂质吸收:光纤中的杂质对光的吸收作用,是造成光纤衰耗的主要原因;光纤中的杂质大致可以分为二大类,即过渡金属离子与氢氧根离子;过渡金属离子包括铜、铁、铬、钴、锰、镍离子等,这些离子在光的作用下会发生震动而吸收光能量；每种离子都有自己的吸收峰波长,上述过渡金属离子的吸收峰波长都落在600~1800nm波长范围;氢氧根离子对光的吸收峰波长落在1000~1800nm波长范围；因此在此波长范围氢氧根离子的含量多少对光纤的衰耗具有重大影响;散射衰耗:定义：所谓散射衰耗是指光在光纤中发生散射时所引起的衰耗;光的散射现象可分为线性散射与非线性散射;A.线性散射衰耗-----瑞利散射所谓线性散射,是指光波的某种模式的功率线性地与其功率成正比转换成另一种模式的功率,但光的波长不变;线性散射会把光功率辐射到光纤外部而引起衰耗;瑞利散射是典型的线性散射,它与波长的2次方成反比,即光波长越长,瑞利散射衰耗越小;光纤材料不均匀,会造成其折射率会布不均匀,易产生瑞利散射;B.非线性散射衰耗所谓非线性散射,是指某光波长模式的部分功率非线性地转换到其它的波长中;布里渊散射与拉曼散射是典型的非线性散射;如果光纤中的光功率过大,就会出现非线性散射现象;因此防止发生非线性散射的根本方法,就是不要使光纤中的光功率信号过大,如不超过+25dBm;其它衰耗其它衰耗包括微弯曲衰耗与连接衰耗等；它们占的比例很小;总之,在影响光纤衰耗的诸多因素中,最主要的是杂质吸收所引起的衰耗;光纤材料中的杂质如氢氧根离子与过渡金属离子对光的吸收能力极强,它们是产生光纤衰耗的主要因素;因此要想获得低衰耗光纤,必须对制造光纤用的原材料二氧化硅等进行非常严格的化学提纯,使其杂质的含量降到几个PPb以下;三、光纤的色散：当一个光脉冲从光纤输入,经过一段长度的光纤传输之后,其输出端的光脉冲会变宽,甚至有了明显的失真;这说明光纤对光脉冲有展宽作用,即光纤存在着色散色散是沿用了光学中的名词;光纤的色散是引起光纤带宽变窄的主要原因,而光纤带宽变窄则会限制光纤的传输容量;对于多模光纤引起色散的原因主要有三种：模式间色散、材料色散与波导色散;对于单模光纤,因只有一种传输模式HE11,LP01,所以没有模式间色散,而只有材料色散与波导色散;模式间色散因为光在多模光纤中传输时会存在着许多种传播模式,而每种传播模式具有不同的传播速度与相位,因此虽然在输入端同时输入光脉冲信号,但到达到接收端的时间却不同,于是产生了脉冲展宽现象;材料色散Δτλ所谓材料色散是指组成光纤的材料即二氧化硅本身所产生的色散;波导色散Δτw所谓波导色散是指由光纤的波导结构所引起的色散;对多模光纤而言,其波导色散的影响甚小;四、光纤的带宽带宽系数的定义为：一公里长的光纤,其输出光功率信号下降到其最大值直流光输入时的输出光功率值的一半时,此时光功率信号的调制频率就叫做光纤的带宽系数;如下图所示：需要注意的是,由于光信号是以光功率来度量的,所以其带宽又称为3dB光带宽;即光功率信号衰减3dB时意味着输出光功率信号减少一半;而一般的电缆之带宽称为6dB电带宽,因为输出电信号是以电压或电流来度量的;引起光纤带宽变窄的主要原因是光纤的色散;注意,单模光纤没有带宽系数的概念,仅有色散系数的概念;五、光纤的数值孔径NA数值孔径是多模光纤的重要参数,它表征光纤端面接收光的能力,其取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影响;CCITT建议多模光纤的数值孔径取值范围为～,其对应的光纤端面接收角θc=10°～13°;六、模场直径d模场直径表征单模光纤集中光能量的程度;由于单模光纤中只有基模在进行传输,因此粗略地讲,模场直径就是在单模光纤的接收端面上基模光斑的直径实际上基模光斑并没有明显的边界;七、截止波长λc要实现单模传输还必须使光波波长大于某个数值,即λ≥λc,这个数值就叫做单模光纤的截止波长;因此,截止波长λc的含义是,能使光纤实现单模传输的最小工作光波波长;也就是说,尽管其它条件皆满足,但如果光波波长不大于单模光纤的截止波长,仍不可能实现单模传输;第五节、光源对光器件的要求一、光纤通信对光源器件的要求1、发射光波长适中光源器件发射光波的波长,必须落在光纤呈现低衰耗的μm、μm和μm附近;2、发射光功率足够大光源器件一定要能在室温下连续工作,而且其入纤光功率足够大,最少也应有数百微瓦,当然达到一毫瓦以上odBm更好;在这里我们强调的是入纤光功率而不指单纯的发光功率;因为只有进入光纤后的光功率才有实际意义,由于光纤的几何尺寸极小单模光纤的芯径不足10微米,所以要求光源器件要具有与光纤较高的耦合效率;3、温度特性好光源器件的输出特性如发光波长与发射光功率大小等,一般来讲随温度变化而变化,尤其是在较高温度下其性能容易劣化;在光纤通信的初期与中期,经常需要对半导体激光器加致冷器和自动温控电路,而目前一些性能优良的激光器可以不需要任何温度保护措施;2、发光谱宽窄光源器件发射出来的光的谱线宽度应该越窄越好;因为若其谱线过宽,会增大光纤的色散,减少了光纤的传输容量与传输距离色散受限制时;例如对于长距离、大容量的光纤通信系统,其光源的谱线宽度应该小于2nm;5、工作寿命长光纤通信要求其光源器件长期连续工作,因此光源器件的工作寿命越长越好;光源器件寿命的终结并不是我们所想象的完全损坏,而是其发光功率降低到初始值的一半或者其阈值电流增大到其初始值的二倍以上;目前工作寿命近百万小时约100年的半导体激光器已经商用化;6、体积小重量轻光源器件要安装在光发送机或光中继器内,为使这些设备小型化,光源器件必须体积小、重量轻;目前,光纤通信中经常使用的光源器件可以分为二大类,即发光二极管LED和激光二极管LD;当然LD又可以包括异质结激光二极管、分布反馈型激光二极管和多量子阱式激光二极管等就结构而言;第六节、光发送机与光接收机的性能指标一、光发送机1、光功率单位顺便介绍一下3个单位之间换算关系;xdB=ydBm-zdBm=10lgymW/zmW dB是以dBm为单位的两个光信号功率的差值;xdBm=10lgymW/1mW dBm是以mW为单位光信号功率的一种换算单位2、发送光功率Ps在规定伪随机码序列的调制下,光发送机在参考点S的平均发光功率;如-3~+2dBm;二、光接收机1、接收灵敏度定义为R点处为达到1×10-10的BER值所需要的平均接收功率的最小值;一般开始使用时、正常温度条件下的接收机与寿命终了时、处于最恶劣温度条件下的接收机相比,灵敏度余度大约为2—2dB;一般情况下,对设备灵敏度的实测值要比指标最小要求值最坏值大3dB左右灵敏度余度;2、过载光功率定义为在R点处为达到1×10-10的BER值所需要的平均接收光功率的最大值;因为,当接收光功率高于接收灵敏度时,由于信噪比的改善使BER变小,但随着光接收功率的继续增加,接收机进入非线性工作区,反而会使BER下降,如图6-3所示;BER曲线图图中A点处的光功率是接收灵敏度,B点处的光功率是接收过载功率,A—B之间的范围是接收机可正常工作的动态范围;第七节、光接口特性一、光接口类型与代码①第一类光接口不含光放大器以及线路速率低于10G/s的接口;光接口代码：W:I-代表局内通信；S-代表短距离通信；L-代长距离通信；V-代表甚长距离通信；U-代表超长距离通信;Y:代表STM等级,Y=1、2、16、62;Z：代表使用光纤类型与工作窗口；光纤,工作波长为1310nm；光纤,工作波长为1550nm；光纤,工作波长为1550nm；光纤,工作波长为1550nm;例：：工作在光纤的1550nm波长区,传输速率为2.5G的长距离光接口;：工作在光纤的1310nm波长区,传输速率为2.5G的短距离光接口;应用代码：I 表示局内通信,S 表示短距离、L 表示长距离、V 表示甚长距离、U 表示超长距离局间通信;字母后第一位数字表示STM 等级,第二位数字表示光纤类型和工作波长;应用代码：I 表示局内通信,S 表示短距离、L 表示长距离、V 表示甚长距离、U 表示超长距离局间通信;字母后第一位数字表示STM 等级,第二位数字表示光纤类型和工作波长;。