光纤通信原理及应用 摘要：光纤通信技术是利用半导体激光器等光电转换器将电信号转换成光信号，并使其在光纤中快速、安全地传输的一门新兴技术。光纤是一种理想的传输媒体，它具有传输时延低、高通信质量、高带宽、抗干扰能力强等特点。光纤在高速以太网中有着广泛的应用。论文主要分析了光电信号的转换、光纤通信的基本原理并介绍了光纤在通信领域中的一些应用。 关键词：光纤通信；光电转换；全反射 1. 引言 光纤是用光透射率高的电介质构成的光通路，它是一种介质圆柱光波导，它是用非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。光纤通信就是在发送端利用半导体激光转换器将电信号转换成光信号并利用光导纤维传递光脉冲来进行通信，光波通过纤芯以全反射的方式进行传导，有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0。同时，接收端利用光电二极管或半导体激光器做成光检测器，检测到光脉冲时将光信号还原成电信号。在由于可见光的频率非 常高，约为8 10MHz的量级，因此一能做到使用一根光个光纤通信系统的传输带宽远远大于其它的传输媒体的带宽。同时利用光的频分复用技术，就纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号，使得光纤的传输能力成倍地提高。 2.理论模型 在光纤通信系统的发送端使用光电信号检测电路将电信号转换成光信号，并使得光信号以大于某一角度入射到光通道，此时光信号在光纤以全反射的方式不断向前传输，并在接收端再将光信号转换成电信号进行进一步的处理。 2.1 光电信号检测电路的基本原理 光电检测电路主要由光电器件、输入电路和前置放大器组成。其中，光电检测器件是实现光电转换的核心器件，它把被测光信号转换成相应的电信号；输入电路为光电器件正常的工作条件，进行电参量的变换并完成前置放大器的电路匹配；前置放大器能够放大光电器件输出的微弱电信号，并匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。 2.1.1 光电信号输入电路的静态计算 图解计算法是利用包含非线性元件的串联电路的图解法对恒流源器件的输入电路进行计算。反射偏置电压作用下的光电二极管的基本输入电路如下：
《光纤通信原理与技术》课程教学大纲 英文名称：Fiber Communication Principle and its Application 学时：51 学分：3 开课学期：第7学期 一、课程性质与任务 通过讲授光纤通信技术的基础知识，使学生了解掌握光纤通信的基本特点，学习光纤通信系统的三个重要组成部分：光源（光发射机）、光纤（光缆）和光检测器（光接收机）。通过本课程的学习，学生将掌握光纤通信的基本原理、光纤通信系统的组成和系统设计的基本方法，了解光纤通信的未来与发展，为今后的工程应用和研究生阶段的学习打下基础。 二、课程教学的基本要求 要求通过课堂认真听讲和实验课，以及课下自学，基本掌握光纤通信的基础理论知识和应用概况，熟悉光纤通信在电信、通信中的应用，为今后的工作打下坚实的理论基础。 三、课程内容 第一章光通信发展史及其优点（1学时） 第二章光纤的传输特性（2学时） 第三章影响光纤传输特性的一些物理因素（5学时） 第四章光纤通信系统和网络中的光无源器件（9学时） 第五章光纤通信技术中的光有源器件（3学时） 第六章光纤通信技术中使用的光放大器（4学时） 第七章光纤传输系统（4学时） 第八章光纤网络介绍（6学时） 第九章光纤通信原理与技术实验（17课时） 四、教学重点、难点 本课程的教学重点是光电信息技术物理基础、电光信息转换、光电信息转换，光电信息技术应用，光电新产品开发举例。本课程的教学难点是光电信息技术物理基础。
五、教学时数分配 教学时数51学时，其中理论讲授34学时，实践教学17学时。（教学时数具体见附表1和实践教学具体安排见附表2） 六、教学方式 理论授课以多媒体和模型教学为主，必要时开展演示性实验。 七、本课程与其它课程的关系 1.本课程必要的先修课程 《光学》、《电动力学》、《量子力学》等课程 2.本课程的后续课程 《激光技术》和《光纤通信原理实验》以及就业实习。 八、考核方式 考核方式：考查 具体有三种。根据大多数学生学习情况和学生兴趣而定其中一种。第一种是采用期末考试与平时成绩相结合的方式进行综合评定。对于理论和常识部分采用闭卷考试，期末考试成绩占总成绩的55％，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15％；第二种是采用课程设计（含市场调查报告）和平时成绩相结合的方式，课程设计占总成绩的55%，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15%。第三种是采用课程论文（含市场调查报告）和平时成绩相结合的方式，课程论文占总成绩的55%，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15%。 九、教材及教学参考书 1.主教材 《光纤通信原理与技术》，吴德明编著，科学出版社，第二版，2010年9月 2.参考书 （1）《光纤通信原理与仿真》，郭建强、高晓蓉、王泽勇编著，西南交通大学出版社，第一版，2013年5月 （2）《光通信原理与技术》，朱勇、王江平、卢麟，科学出版社，第二版，2011年8月
光纤通信的基本原理 光纤是由单根玻璃光纤、紧靠纤心的包层、一次涂履层以及套塑保护层组成。纤芯和包层由两种光学性能不同的介质构成，内部的介质对光的折射率比环绕它的介质的折射率高，因此当光从折射率高的一侧射入折射率低的一侧时，只要入射角度大于一个临界值，就会发生反射现象，能量将不受损失。这时包在外围的覆盖层就象不透明的物质一样，防止了光线在穿插过程中从表面逸出。 由发光二极管LED 或注入型激光二极管ILD 发出光信号沿光纤传播，在另一端则有PIN 或APD 光电二极管作为检波器接收信号。为确保信号的有效传输，在光发送端之前需增加光放大器，以提高入纤的光功率，在接收端的光电检测器之后将微信号进行放大，以提高接收能力。 光纤类型 根据光在光纤中的传播方式可将光纤划分为两种类型：即多模光纤和单模光纤。多模光纤又根据其包层的折射率进一步分为突变型折射率光纤和渐变型折射率光纤。多模光纤主要用于短距离、低速率的通信，用于干线传输网建设的光纤主要有三种，即G.652 常规单模光纤、G.653 色散位移单模光纤和G.655 非零色散位移光纤。而其中的G.65 3 光纤除了在日本等国家的干线网上有应用之外，在我国的干线网上几乎没有应用。G.655 光纤中的新型光纤最多，如低色散斜率光纤、大有效面积光纤、无水峰光纤等。 G.652 单模光纤：在C 波段1530 ～1565 nm 和L 波段1565 ～1625nm 的色散较大，系统速率达到2.5 Gbit/s 以上时，需要进行色散补偿，在10 Gbit/s 时系统色散补偿成本较大，它是目前传输网中敷设最为普遍的一种光纤。 G.653 色散位移光纤：在C 波段和L 波段的色散很小，在1550nm 是零色散，系统速率可达到20 Gbit/s 和40 Gbit/s ，是单波长超长距离传输的最佳光纤。但是，由于其零色散的特性，在采用DWDM 扩容时会出现非线性效应，产生四波混频（FWM ），导致信号串扰，因此不太适用于DWDM 。 G.655 非零色散位移光纤：在C 波段和L 波段的色散较小，避开了零色散区，既抑制了四波混频，也可以开通高速系统。新型的G.655 光纤可以使有效面积扩大到一般光纤的1.5 ～2 倍，大有效面积可以降低功率密度，减少光纤的非线性效应。 光纤的优点 传输频带宽、通信容量大。 光纤传输损耗低、中继距离长。 光纤传输的信号不受电磁的干扰、保密性强、使用安全。 光纤具有抗高温和耐腐蚀的性能，因而可以抵御恶劣的工作环境。 光纤的体积小、重量轻，便于敷设。 制作光纤的原材料丰富，石英光纤的主要成分是二氧化硅（SiO 2 ）。 光缆的制造： 光缆的制造过程一般分以下几个过程： 光纤的筛选：选择传输特性优良和张力合格的光纤。 光纤的染色：应用标准的全色谱来标识，要求高温不退色不迁移。
一．单项选择题（每题1分,共20分） 1、在激光器中，光的放大是通过（Ａ） Ａ．粒子数反转分布的激活物质来实现的Ｂ．光学谐振腔来实现的 Ｃ．泵浦光源来实现的Ｄ．外加直流来实现的 2、下列哪一项不是要求光接收机有动态接收范围的原因?( B ) A．光纤的损耗可能发生变化B．光源的输出功率可能发生变化 C．系统可能传输多种业务D．光接收机可能工作在不同系统中 3、光纤通信中光需要从光纤的主传输信道中取出一部分作为测试用时，需用（Ｂ）Ａ．光衰减器Ｂ．光耦合器Ｃ．光隔离器Ｄ．光纤连接器 4、使用连接器进行光纤连接时，如果接头不连续时将会造成（D） Ａ．光功率无法传输Ｂ．光功率的菲涅耳反射 Ｃ．光功率的散射损耗Ｄ．光功率的一部分散射损耗或以反射形式返回发送端5、在系统光发射机的调制器前附加一个扰码器的作用是（A） A．保证传输的透明度B．控制长串“1”和“0”的出现 C．进行在线无码监测D．解决基线漂移 6、下列关于交叉连接设备与交换机的说法正确的是（A） A．两者都能提供动态的通道连接B．两者输入输出都是单个用户话路 C．两者通道连接变动时间相同D．两者改变连接都由网管系统配置 7、目前EDFA采用的泵浦波长是( C ) A．0.85μm和1.3μm B．0.85μm和1.48μm C．0.98μm和1.48μm D．0.98μm和1.55μm 8、下列不是WDM的主要优点是( D ) A．充分利用光纤的巨大资源B．同时传输多种不同类型的信号 C．高度的组网灵活性，可靠性D．采用数字同步技术不必进行玛型调整9、下列要实现OTDM解决的关键技术中不包括（ D ） A．全光解复用技术B．光时钟提取技术 C．超短波脉冲光源D．匹配技术 10、掺饵光纤的激光特性（A） Ａ．由掺铒元素决定Ｂ．有石英光纤决定 Ｃ．由泵浦光源决定Ｄ．由入射光的工作波长决定 11、下述有关光接收机灵敏度的表述不正确的是( A) A．光接收机灵敏度描述了光接收机的最高误码率 B．光接收机灵敏度描述了最低接收平均光功率 C．光接收机灵敏度描述了每个光脉冲中最低接收光子能量 D．光接收机灵敏度描述了每个光脉冲中最低接收平均光子数 12、光发射机的消光比，一般要求小于或等于（B） A．5％B．10％C．15％D．20％ 13、在误码性能参数中，严重误码秒（SES）的误码率门限值为（D） A．10-6B．10-5C．10-4D．10-3 14、日前采用的LD的结构种类属于（D） A．F-P腔激光器（法布里—珀罗谐振腔）B．单异质结半导体激光器 C．同质结半导体激光器D．双异质结半导体激光器 15、二次群PCM端机输出端口的接口码速率和码型分别为（B）
光纤通信原理实验 一、实验目的： 1、了解光纤通信系统的工作原理； 2、了解光纤通信的基本特点； 3、通过波分复用解复用器件（WDM）实现双波长单纤单向音频视频通信传输； 二、光纤通信的发展过程： 到了20世纪中页，出身上海的英藉华人高锟（K.C.Kao）博士，通过在英国标准电信实验室所作的大量研究的基础上，对光波通信作出了一个大胆的设想。他认为，既然电可以沿着金属导线传输，光也应该可以沿着导光的玻璃纤维传输。并大胆地预言，只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从每公里1000分贝降低到20分贝／公里，从而有可能用于通信。从此揭开了光纤通信的帷幕。光纤通信的发展过程如表1所示。 三、光纤通信优点： 1．光波频率很高，光纤传输的频带很宽，故传输容量很大，理论上可通上亿门话路或上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制等多种业务；目前的通信材料主要电缆、波导管、微波和光缆，电缆、波导管、微波和光缆通信容量的对比如表2所示。可以看出光缆的通信容量远远大于其它的通信材料。 表2电缆、波导管、微波和光缆通信容量的对比
2．不受电磁干扰，保密性好；损耗小，中继距离远。光纤是由非金属的石英介质材料构成的，它是绝缘体，不怕雷电和高压，不受电磁干扰，甚至包括太阳风暴也影响不到光纤通信，2000年6月8日的太阳风暴，差点使俄罗斯的一颗导航卫星失去方向。太阳风暴还会造成人造卫星的短路，许多靠卫星传播的通信业务可能因此停顿。1998 年5月，美国银河4号卫星因受太阳风暴影响而失灵，造成北美地区80%的寻呼机无法使用，金融服务陷入脱机状态，信用卡交易也中断了，有试验表明，在核爆炸发生时，地球上所有的电通信将中断，而唯有光通信几乎不受影响；光纤中传输的是频率很高的光波，而各种干扰的频率一般都比较低，所以它不能干扰频率比它高的多的光波。打个比方说，光纤中的光波好比是在万丈高空飞行的飞机，任凭地上行驶的火车、汽车如何得多，也不会影响到它的飞行。 3．光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属(如铜、铝)，且直径小、重量轻。相同话路的光缆要比电缆轻90%～95%(光缆重量仅为电缆重量的十分之一到二十分之一)，而直径不到电缆的五分之一。通21000话路的900对双绞线，其直径为3英寸，重量为8 吨/公里；通讯量为其十倍的光缆，直径仅0.5英寸，重量仅450磅/公里。 4．耐高温、高压、抗腐蚀，工作可靠等等优点就不一一罗列了。 四、光纤通信的原理： 光纤通信系统的工作原理如图1所示： 图1 光纤通信系统的工作原理
《光纤通信概论》的读书报告 摘要：光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。光纤通信以其带宽、大容量、低损耗、抗电磁干扰、体积小、重量轻等一系列优点，成为现代通信的主要支柱之一。范围很广：军事，经济，生活，铁路，公路，煤矿，铁矿，广电，移动，电信等领域。几乎所用跟通信有关的都涉及到了光纤。 关键词：光纤通信技术发展现状发展趋势 光纤通信是通信技术领域中的一个伟大的技术革命。信息在光域上的传输、存储、交换技术的突破，为构建起全球光网络奠定了物质基础。麦克斯韦早已揭示通信世界的巨大资源是电磁波谱。通信技术的技术演进史，既说明了通信技术利用电磁波谱（频率范围）经历了由低频率到高频率端的发展，也阑述了人类对带宽资源需求日益提高。各种通信技术的陆续诞生，充分证实人们在用各种方法利用电磁波谱创造巨大的财富。 光纤通信发展可以大致分为三个阶段：第一阶段是从基础研究到商业应用的开发时期。第二阶段是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。第三阶段是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。 1. 光纤通信的里程碑1966年7月，英籍华裔学者高锟博士在Proc. IEE杂志上发表了一篇十分著名的论文《用于光频的光纤表面波导》，该文从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，设计了通信用光纤的波导结构，更重要的是科学地予言了制造通信用低损耗光纤的可能性，即通过加强原材料提纯、加入适当的掺杂剂，可把光纤的衰减系数降低到20dB/km以下。而当时世界上只能制造用于工业、医学方面的光纤，其衰减系数在1000dB/km以上。在当时，对于制造衰减系数在20dB/km以下的光纤，被认为是可望而不可及的。以后的事实发展雄辩地证明了高锟博士论文的理论性和科学大胆予言的正确性，所以该文被誉为光纤通信的里程碑。 2. 导火线1970年美国康宁公司根据高锟论文的设想，用改进型化学汽相沉积法（MCVD法）制造出当时世界上第一根超低损耗光纤，成为光纤通信爆炸性发展的导火线。虽然当时康宁公司制造出的光纤只有几米长，衰减系数约20dB/km，但它毕竟证明了用当时的科学技术与工艺方法制造通信用超低损耗光纤的可能性，也就是说找到了实现低衰耗传输光波的理想媒体，这是光纤通信的重大实质性突破。 3.爆炸性发展 自1970年以后，世界各发达国家对光纤通信的研究倾注了大量的人力与物力，其来势之凶、规模之大、速度之快远远超出了人们的意料，从而使光纤通信技术取得了极其惊人的进展。 (1)光纤损耗1976年：0.5dB/km；1979年：0.2dB/km；1990年：0.14dB/km；它已经接近石英光纤的理论损耗极限值0.1dB/km。 (2)光器件1970年，美国贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下连续波工作的砷化镓铝半导体激光器，为光纤通信找到了合适的光源器件。后来逐渐发展到性能更好、寿命达几万小时的异质结条形激光器和现在的寿命达几十万小时分布反馈式单纵模激光器（DFB）以及多量子阱激光器（MQW）。光接收器件也从简单的硅PD光电二极管发展到量子效率达90％以上的Ⅲ-Ⅴ族雪崩光电二极管APD。 (3)光纤通信系统正是光纤制造技术和光电器件制造技术的飞速发展，以及大规模、超大规模集成电路技术和微处理器技术的发展，带动了光纤通信系统从小容量到大容量、从短距离到长距离、从旧体制（PDH）到新体制（SDH）的迅猛发展。1976年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通信系统，码速率仅为45Mbit/s，中继距离为10km。1985年，140Mbit/s多模光纤通信系统商用化，并着手单模光纤通信系统的现场试验工作。1990
光纤通信原理试题＿1 参考答案 一、单项选择题（本大题共10小题，每小题1分，共10分） 在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。 1. 光纤通信指的是（ B ） A 以电波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式； B 以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式； C 以光波作载波、以电缆为传输媒介的通信方式； D 以激光作载波、以导线为传输媒介的通信方式。 2.已知某Si-PIN 光电二极管的响应度R 0＝0.5 A/W ，一个光子的能量为2.24×10－19 J ，电子电荷量为1.6×10 －19 C ，则该光电二极管的量子效率为（ ） A.40％ B.50％ C.60％ D.70％ R 0=e 错误！未找到引用源。 /hf 3.STM-4一帧中总的列数为（ ） A.261 B.270 C.261×4 D.270×4 4.在薄膜波导中，要形成导波就要求平面波的入射角θ1满足（ ） A.θc13<θ1<θc12 B.θ1=0° C.θ1<θc13<θc12 D.θc12<θ1<90° 5.光纤色散系数的单位为（ ） A.ps/km B.ps/nm C.ps/nm.km ? D.nm/ps?km 6.目前掺铒光纤放大器的小信号增益最高可达（ ） A.20 dB B.30 dB C.40 dB D.60 dB 7.随着激光器使用时间的增长，其阈值电流会（ ） A.逐渐减少 B.保持不变 C.逐渐增大 D.先逐渐增大后逐渐减少 8.在阶跃型（弱导波）光纤中，导波的基模为（ ） A.LP00 值为0 B.LP01 C.LP11为第一高次模 D.LP12 9.在薄膜波导中，导波的截止条件为（ ） A.λ0≥λC B.λ0<λC C.λ0≥0 D.λ0≤1.55μm 10.EDFA 在作光中继器使用时，其主要作用是（ ） A.使光信号放大并再生 ? B.使光信号再生 C.使光信号放大 D.使光信号的噪声降低 二、填空题（本大题共20小题，每小题1分，共20分） 请在每小题的空格中填上正确答案。错填、不填均无分。 1.根据传输方向上有无电场分量或磁场分量，可将光（电磁波）的传播形式分为三类：一为_TEM_波；二为TE 波；三为TM 波。 2.对称薄膜波导是指敷层和衬底的_折射率相同_的薄膜波导。 3.光学谐振腔的谐振条件的表示式为__错误！未找到引用源。______。q L c n 2= λ 4.渐变型光纤中，不同的射线具有相同轴向速度的这种现象称为_自聚焦_现象。 5.利用_光_并在光纤中传输的通信方式称为光纤通信。 6.在PIN 光电二极管中，P 型材料和N 型材料之间加一层轻掺杂的N 型材料，称为本征层（I ）层。 7. 光源的作用是将 电信号电流变换为光信号功率 ；光检测器的作用是将 光信号功
光纤通信基本理论 第四章光纤通信基本理论 一、填空题 1．光纤通信中所使用的光纤是截面很小的可绕透明长丝，它在长距离内具有(束缚)和传输光的作用。 2．光具有波粒二像性，既可以将光看成光波，也可以将光看作是由光子组成的(粒子流)。 3．波动光学是把光纤中的光作为经典(电磁场)来处理。 4．光纤色散是指由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，由于不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，从而导致(信号畸变)的一种物理现象。 5．在数字光纤通信系统中，色散使(光脉冲)发生展宽。 6．波导色散主要是由光源的光谱宽度和光纤的(几何结构)所引起的。 7、光纤的非线性可以分为两类，即受激散射效应和（折射率扰动）。 8．当光纤中的非线性效应和色散(相互平衡)时，可以形成光孤子。 9．单模光纤的截止波长是指光纤的第一个(高阶模)截止时的波长。 10．单模光纤实际上传输两个(相互正交)的基模。 11、光纤通信是以（光波）为载频，以光纤为（传输媒介）的通信方式。 12、目前光纤通信在（1550nm）波段附近的损耗最小。 13、（数值孔径）表征了光纤的集光能力。 14、G．653光纤又称做色散位移光纤是通过改变折射率的分布将(1310)nm 附近的零色散点，位移到(1550)nm附近，从而使光纤的低损耗窗口与零色散窗口重合的一种光纤。 15、G．655在1530-1565nm之间光纤的典型参数为：衰减<（0.25）dB/km;
色散系数在(1-6ps/nm·km)之间。 16、克尔效应也称作折射率效应，也就是光纤的折射率n随着光强的变化而变化的（非线性）现象。 17、在多波长光纤通信系统中，克尔效应会导致信号的相位受其它通路功率的（调制），这种现象称（交叉相位调制）。 18、当多个具有一定强度的光波在光纤中混合时，光纤的（非线性）会导致产生其它新的波长，就是（四波混频）效应。 19、G．652光纤有两个应用窗口，即1310nm和1550nm,前者每公里的典型衰耗值为（0.34dB）,后者为（0.2dB）。 20、单模光纤的（模场直径）是作为描述单膜光纤中光能集中程度的度量。 二、单项选择题 1．将光纤的低损耗和低色散区做到1 450～1 650 rim波长范围，则相应的带宽为( B)THz。 A.2．5 B．25 C．5.0 D．50 2．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 )而使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 3．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．间断变化D．基本不变 4．目前，光纤在( B )nm处的损耗可以做到0．2dB／km左右，接近光纤损耗的理论极限值。 A．1050 B．1550 C．2050 D．2550 5．石英光纤材料的零色散系数波长在( B )nm附近。
光纤通信简答题 1-2 光纤通信有哪些优点 光纤通信具有许多独特的优点，他们是： 1. 频带宽、传输容量大； 2. 损耗小、中继距离长； 3. 重量轻、体积小； 4. 抗电磁干扰性能好； 5. 泄漏小、保密性好； 6．节约金属材料，有利于资源合理使用。 2-6 什么是光纤的色散？对通信有何影响？多模光纤 的色散由什么色散决定？单模光纤色散又有什么色散决定 答：色散是由于不同成分的光信号在光纤中传输时，因群速度不同产生不同的时间延迟而引起的一种物理效应。 对于多模光纤，主要是模式色散。对于单模光纤，只有色度色散和偏振模色散。 2-7 光纤数值孔径的定义是什么？其物理意义是什么 答：数值孔径（Numerical Aperture，NA）定义为 =（2.2.3） NA n NA表示光纤接收和传输光的能力，NA（或αmax）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。对无损耗光纤，在αmax 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能力越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA越大，经光纤传输后产生的输出信号展宽越大，因而限制了信息传输容量，所以要根据使用场合，选择适当的NA。 3-1 连接器和跳线的作用是什么？接头的作用又是什 么 答：1,、连接器是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间可拆卸活动连接的器件。 2、跳线用于终端设备和光缆线路及各种光无源器件之间的互连，以构成光纤传输系统。 3、接头是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性固定连接。
3-2 耦合器的作用是什么？它有哪几种 耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出。耦合器有T 形耦合器、星形耦合器、方向耦合器和波分耦合器。 3-6 简述马赫-曾德尔幅度调制器的工作原理 答：最常用的幅度调制器是在L iN b O 3晶体表面用钛扩散波导构成的 马赫-曾德尔（M-Z ）干涉型调制器，如图3.5.5所示。使用两个频率相同但相位不同的偏振光波，进行干涉的干涉仪，外加电压引入相位的变化可以转换为幅度的变化。在图3.5.5（a ）表示的由两个Y 形波导构成的结构中，在理想的情况下，输入光功率在C 点平均分配到两个分支传输，在输出端D 干涉，所以该结构扮演着一个干涉仪的作用，其输出幅度与两个分支光通道的相位差有关。两个理想的背对背相位调制器，在外电场的作用下，能够改变两个分支中待调制传输光的相位。由于加在两个分支中的电场方向相反，如图 3.5.5（a ）的右上方的截面图所示，所以在两个分支中的折射率和相位变化也相反，例如若在A 分支中引入π/2的相位变化，那么在B 分支则引入-π/2相位的变化，因此A 、B 分支将引入相位π的变化。 假如输入光功率在C 点平均分配到两个分支传输，其幅度为A ，在输出端D 的光场为 ()()()t A t A t A E ωφφωφωcos cos 2cos cos output =-++∝ （3.5.5） 输出功率与2output E 成正比，所以由式（3.5.5）可知，当0=φ时输出功率最大，当2π=φ时，两个分支中的光场相互抵消干涉，使输出功率最小，在理想的情况下为零。于是 ()() φφ2out out cos 0=P P （3.5.6） 由于外加电场控制着两个分支中干涉波的相位差，所以外加电场也控制着输出光的强度，虽然它们并不成线性关系。 3-11 光开关的作用是什么？主要分为哪两类 答：光开关的功能是转换光路，以实现光信号的交换。光开关可以分为两大类：一类是机械式光开关，也包括微机械光开关；另一类光开关是固体光开关。 4-1 简述半导体发光基理
偏振模色散受限的最大理论传输距离 B 当比特率大于10Gbs 偏振模色散必须考虑降低光纤偏振模色散值 改进光纤的几何形状导致裸纤的旋转 10 PMD ps4 km 25 Gbs 10 Gbs 40 Gbs 30 180km llkm lkm 10 1600 km 100 km 6km 05 6400 km 400 km 25km 02 40000 km 2500 km 156km 光纤的光学及传输特 性参数之一------偏振模色散受限的最大理 论传输距离光纤的基本参数固有和非固有的偏振模色散原因包层 中心为椭圆包层偏心进入气体侧压涂层椭圆涂层偏心非固有 原因侧压弯曲扭曲光纤的光学及传输特性参数之一------偏振 模色散光纤的基本参数定义光纤作为单模光纤工作的最 短波长工作波长超过此波长时只能传输基模此时光纤为单模光纤工作波长低于此波长 时除基模外高次模也可传输此时光纤为多模光纤光纤的光学及 传输特性参数之一------截止波长光纤的基本参数弯曲损耗 宏观弯曲损耗是指光纤在以远远大于光纤外径的曲率半径弯曲时所 引入的附加损耗微观弯曲损耗是指光纤受到不均匀应力的 作用光纤轴产生的微小不规则弯曲所引入的附加损耗光纤的光学及 传输特性参数之一------弯曲损耗光纤的基本参数衰减系数 色散系数截止波长弯曲损耗 1310nm波长处036dBkm 1550nm 波长处022dBkm 1310nm波长处 0ps nmkm 1550nm波长处19ps nmkm cc1260nm 以75mm为直径松绕100圈1550nm波长处附加衰减005dB
课程教案 （2015—2016学年第二学期） 课程名称：光纤通信 授课学时： 44学时 授课班级：电子信息工程13级 任课教师：
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第2章光纤与光缆 （一）教学内容： 基本光学定律和定义，光纤模式和结构，光纤波导传输的基本原理，圆波导的模式理论，单模光纤的基本原理，光纤材料和制造基本原理。 重点：光纤模式和结构，光纤波导传输的基本原理，单模光纤的基本原理，光 纤材料和制造基本原理。 难点：圆波导的模式理论 （四）概述 对光纤的结构和分类做简单介绍,对光纤的导光原理采用射线法和标量近似解法进行重点分析。对单模光纤的结构特点、主模及单模传输条件进行讨论。介绍光纤的传输特性及特殊光纤。
教学环节教学过程 引言 本章课程的讲授 在整个通信技术的发展中传输介质始终是人们需要不断研究和改进的课题，光通信从19世纪前就已得到应用，但由于没有找到合适的传输介质，使得光通信无法充分发挥其优点。1966年英籍华人科学家C.K.Kao发表论文提出可以利用纯度极高的石英玻璃作为传输煤质来传送光信号，从而拉开了光纤通信技术飞速发展的序幕（C.K.Kao博士也因此成就获得2009年Nobel物理学奖）。近半个世纪来，人们对光纤的结构、制造工艺不断改善，使得光纤的传输性能越来越优良，光纤已经成为现代长途干线网络信息传输的首选传输介质。 本章将对光纤进行详细的讨论，使学生对光纤通信课程建立较好的基本理解。 在讲授基本内容之前请学生回答自己对实际生活中所接触的光纤光缆的认识和理解，大家在什么地方用过光纤呢？家里或宿舍上网时信息是通过什么进行传输或如何进行传输的呢？通过提问对学生进行较好的引导，让学生上课时很快提高兴趣。 2.1 光纤的结构和分类 2.1.1 光纤的结构 光纤有不同的结构形式。目前，通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心玻璃体，外层玻璃的折射率比内层稍低。折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为，直径为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为，直径为2b。 让学生自行思考为何要采用这种结构？提问！强调纤芯和包层的折射率很接近、差值不能太大。 采用芯包结构的目的： （1）进行全反射，减小散射损耗。 （2）增加纤芯的机械强度。 （3）保护纤芯不受外界的污染。 1 n 2 n
一 绪论 1. 1966年英籍华裔学者高琨和霍克哈姆发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。 2. 光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85μm 发展到1.31μm ，传输速率从几十Mb/s 发展到几十Gb/s 。 3. 任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。 4. 电缆通信和微波通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。 5. 直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，是输出光随电信号变化而实现的，这种方案技术简单、成本较低、容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。外调制是把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的，这种调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高。 6. 目前，使用光纤通信系统普遍采用直接调制——直接检测方式，光接收机最重要的特性参数是灵敏度。 7. 光纤通信系统包括电信号处理部分和光信号传输部分。光信号传输部分主要由基本光纤传输系统组成，包括光发射机、光纤传输线路和光接收机三个部分。 光纤通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。 二 光纤和光缆 1、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。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一点的机械保护作用。 2、光纤类型：突变型多模光纤 、渐变性多模光纤、单模光纤 等等 3、损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输带宽。 色散是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。色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。 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变化，以及模式内部不同波长成分的光，其传播时间不同而产生的。 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。(27) 4、光纤损耗包括吸收损耗和散射损耗。 5、光纤带宽测量有时域和频域两种基本方法。时域法是测量通过光纤的光脉冲产生的脉冲展宽，又称脉冲法；频域法测量通过光纤的频率响应，又称扫频法。两种方法是等效的，扫频法通常用于多模光纤的测量。 6、光纤色散测量有相移法、脉冲时延法和干涉法等。 2-6光纤色散产生的原因及其危害是什么？ 答 :光纤色散是由光线中传输的光信号的不同成分光的传播时间不同而产生的。 光纤色散对光纤传输系统的危害有：若信号是模拟调制的，色散将限制带宽；若信号是数字脉冲，色散将使脉冲展宽，限制系统传输速率（容量） 2-7 光纤损耗产生的原因及其危害是什么? 答：光纤损耗包括吸收损耗和散射损耗。 吸收损耗是由2SiO 材料引起的固有吸收和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丽散射和光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射产生的。光纤损耗使系统的传输距离受到限制，大损耗不利于长距离光纤通信。 三 通信用光器件 1、有源器件包括光源、光检测器和光放大器，光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等。 2、有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。 （1）在正常状态下，电子处于低能级1E ，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级2E 上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级；留下相同数目的空穴。（2）在高能级2E 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1E 上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。（3）在高能级2E 的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级1E 上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。受激辐射是受激吸收的逆过程。光子在1E 和2E 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1212hf E E =- 式中，s J h ??=-3410628.6，为普朗克常数，12f 为吸收或辐射的光子频率。 受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。 6、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。LED 的结构和LD 相似，大多是采用双异质结结构，把有源层夹在P 和N 型限制层中间，不同的是LED 不需要光学谐振腔，没有阈值。（57） 7、LED 通常和多模光纤耦合，用于m μ3.1（或m μ85.0）波长的小容量短距离系统。
1.1966年由英籍华人高锟和霍克哈姆提出可以使用 光纤作为传输介质。 2.在光电二极管中只有入射波长λ< λ（>,<或=）的光入 c 射才能产生光电效应，所以 λ称为截止波长。 c 3.分析光纤中光的传输特性时有两种理论：射线光学理论和 波动光学理论。 4.光纤与光纤的连接方法有两大类：一类是活动连接，另 一类是固定连接。 5.单模传输条件是归一化参量满足归一化频率 V≤2.405 。 6.LED和LD在结构上的最大差异是：LD具有谐振腔。 7.光发送机主要由光源、驱动电路和辅助电路组成。 8.接收机中存在的噪声源可分为两类：散粒噪声和热噪声。 9.光放大器是基于受激辐射原理，实现入射光信号放大的 一种器件，其机制与激光器完全相同。 10.是无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比。 A 插入损耗 B回波损耗 C反射系数 D偏振相关损耗 11.指利用高速光开关把多路光信号在时域里复用 到一路上的技术。[ B ] A 光波分复用技术 B 光时分复用技术 C 光频分复用技术 D 码分复用技术 12.若输入光发射机的信号全为“0”时，输出光发射机的平 均光功率为 P；输入信号全为“1”时，输出的平均光功率为 P，则消光比EXT的表达式是。[ C ] 1
A 0110lg P P B 00110lg P P P + C 1010lg P P D 10110lg P P P + 13. 波分复用光纤通信系统在发射端，N 个光发射机分别发 射 。 [ D ] A N 个相同波长的光信号，经过光波分复用器WDM 合到一 起，耦合进单根光纤中传输 B N 个不同波长的光信号，经过光波分复用器WDM 变为波 长相同的光信号，耦合进单根光纤中传输 C N 个相同波长的光信号，经过光波分复用器WDM 变为波 长不同的光信号，耦合进单根光纤中传输 D N 个不同波长的光信号，经过光波分复用器WDM 合到一 起，耦合进单根光纤中传输 14. 决定了光纤放大器所能放大的波长。 [ C ] A 光纤传导模式 B 光纤的衰减 C 掺杂到纤芯中的稀土离子的特性 D 光纤纤芯的直径 15. STM-4的速率约为 Mb/s 。 [ B ] A STM-1 155 B STM-4 622 C STM-16 2488 D STM-16 9953 16. 当使用雪崩光电二极管时，由于倍增过程的随机特性所产生 的附加噪声，称为 。[ ] A 散粒噪声 B 暗电流噪声 C 量子噪声 D APD 倍增噪声 19. 掺铒光纤放大器中泵浦光源的作用是 。[ ] A 叠加加强信号光 B 叠加削弱信号光 C 使掺铒光纤处于粒子数反转分布状态 D 对信号光进行调制
光纤通信原理光纤传输原理图 光纤通信原理 光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维 中的全反射原理而达成的光传导工具。掺铒光纤是在石英光纤中掺入了少量的稀土元素铒(Er)离子的光纤，它是掺铒光纤放大器的核心。从20世纪80年代后期开始，掺铒光纤放大器的研究工作不断取得重大的突破。WDM技术、极大地增加了光纤通信的容量。成为当前光纤通信中应用最广的光放大器件。 光纤放大器是光纤通信系统对光信号直接进行放大的光放大器件。在使用光纤的通信系统中，不需将光信号转换为电信号，直接对光信号进行放大的一种技术。掺铒光纤放大器(EDFA即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子Er3 + 的光信号放大器)是1985年英国南安普顿大 学首先研制成功的光放大器，它是光纤通信中最伟大的发明之一。掺铒光纤放大器的工作原理： 铒光纤放大器主要是由一段掺铒光纤（长约10-30m）和泵浦光源组成。其工作原理是：掺铒光纤在泵浦光源（波长980nm或1480nm）的作用下产生受激辐射，而且所辐射的光随着输入光信号的变化而变化，这就相当于对输入光信号进行了放大。研究表明，掺铒光纤放大器通常可得到15-40db的增益，中继距离可以在原来的基础上提高
100km以上。那么，人们不禁要问：科学家们为什么会想到在光纤放大器中利用掺杂铒元素来提高光波的强度呢？我们知道，铒是稀土元素的一种，而稀土元素又有其特殊的结构特点。长期以来，人们就一直利用在我学器件中掺杂稀土元素的方法，来改善光学器件的性能，所以这并不是一个偶然的因素。另外，为什么泵浦光源的波长选在980nm或1480nm呢？其实，泵浦光源的波长可以是520nm、650nm、980nm、和1480nm，但证明波长980nm的泵浦光源激光效率最高，次之是波长1480nm的泵浦光源。 掺铒光纤放大器的基本结构： EDFA的基本结构，它主要由有源媒质(几十米左右长的掺饵石英光纤，芯径3-5微米，掺杂浓度(25-1000)x10-6)、泵浦光源(990或1480nm LD)、光耦合器及光隔离器等组成。信号光与泵浦光在铒光纤内可以在同一方向(同向泵浦)、相反方向(反向泵浦)或两个方向(双向泵浦)传播。当信号光与泵光同时注入到铒光纤中时，铒离子在泵光作用下激发到高能级上，三能级系统)，并很快衰变到亚稳态能级上，在入射信号光作用下回到基态时发射对应于信号光的光子，使信号得到放大。其放大的自发发射(ASE)谱，带宽很大(达20-40nm)，且有两个峰值分别对应于1530nm和1550nm。 掺铒光纤放大器的优点:
光纤通信的优点 (1)通信容量大、传输距离远;一根光纤的潜在带宽可达20THz。采用这样的带宽，只需一秒钟左右，即可将人类古今中外全部文字资料传送完毕。目前400Gbit/s 系统已经投入商业使用。光纤的损耗极低，在光波长为1.55μm附近，石英光纤损耗可低于0.2dB/km，这比目前任何传输媒质的损耗都低。因此，无中继传输距离可达几十、甚至上百公里。(2)信号串扰小、保密性能好; (3)抗电磁干扰、传输质量佳,电通信不能解决各种电磁干扰问题，唯有光纤通信不受各种电磁干扰。(4)光纤尺寸小、重量轻,便于敷设和运输; (5)材料来源丰富,环境保护好，有利于节约有色金属铜。(6)无辐射,难于窃听,因为光纤传输的光波不能跑出光纤以外。(7)光缆适应性强,寿命长。 光纤通信系统 本词条主要介绍光纤通信系统 光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。随着国际互联网业务和通信业的飞速发展，信息化给世界生产力和人类社会的发展带来了极大的推动。光纤通信作为信息化的主要技术支柱之一，必将成为21世纪最重要的战略性产业。 光纤 光纤通信技术和计算机技术是信息化的两大核心支柱，计算机负责把信息数字化，输入网络中去；光纤则是担负着信息传输的重任。当代社会和经
济发展中，信息容量日益剧增，为提高信息的传输速度和容量，光纤通信被广泛的应用于信息化的发展，成为继微电子技术之后信息领域中的重要技术。 基本光纤通信系统 最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包括所有的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号；光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波窗口有0.85、1.31和1.55。光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器EDFA等；而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。 数字光纤通信系统 光纤传输系统是数字通信的理想通道。与模拟通信相比较，数字通信有很多的优点，灵敏度高、传输质量好。因此，大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字传输方式。 在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲"0"码和"1"码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM（pulse code modulation），即脉冲编码调制。这种电的数字信号称为数字基带信号，由PCM电端机产生。 光纤通信系统基本构成 （1）光发信机 光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。 （2）光收信机 光收信机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。 （3）光纤或光缆 光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。 （4）中继器