光纤通信总结西理工光信刘增基
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光纤通信_第二版_刘增基_参考答案光纤通信第二版刘增基
光纤通信_第二版_刘增基_参考答案光纤通信第二版刘增基1-1光纤通信的优缺点各是什么？答与传统的金属电缆通信、磁波无线电通信相比，光纤通信具有如下有点：14（1）通信容量大。
首先，光载波的中心频率很高，约为2×10Hz，最大可用带宽一般取载波频率的10%，则容许的最大信号带宽为20000 GHz（20 THz）；如果微波的载波频率选择为20 GHz，相应的最大可用带宽为2GHz。
两者相差10000倍。
其次，单模光纤的色散几乎为零，其带宽距离（乘）积可达几十GHz*km；采用波分复用（多载波传输）技术还可使传输容量增加几十倍至上百倍。
目前，单波长的典型传输速率是10 Gb／s，一个采用128个波长的波分复用系统的传输速率就是1.28 Tb／s。
（2）中继距离长。
中继距离受光纤损耗限制和色散限制，单模光纤的传输损耗可小于0.2 dB／km，色散接近于零。
（3）抗电磁干扰。
光纤由电绝缘的石英材料制成，因而光纤通信线路不受普通电磁场的干扰，包括闪电、火花、电力线、无线电波的干扰。
同时光纤也不会对工作于无线电波波段的通信、雷达等设备产生干扰。
这使光纤通信系统具有良好的电磁兼容性。
（4）传输误码率极低。
光信号在光纤中传输的损耗和波形的畸变均很小，而且稳定，噪声主要来源于量子噪声及光-9检测器后面的电阻热噪声和前置放大器的噪声。
只要设计适当，在中继距离内传输的误码率可达10甚至更低。
此外，光纤通信系统还具有适应能力强、保密性好以及使用寿命长等特点。
当然光纤通信系统也存在一些不足：(1) 有些光器件(如激光器、光纤放大器)比较昂贵。
(2) 光纤的机械强度差。
为了提高强度，实际使用时要构成包含多条光纤的光缆，在光缆中要有加强件和保护套。
(3) 不能传送电力。
有时需要为远处的接口或再生的设备提供电能，光纤显然不能胜任。
为了传送电能，在光缆系统中还必须额外使用金属导线。
(4) 光纤断裂后的维修比较困难，需要专用工具。
光纤通信刘增基第5章摘要
交叉连接设备与交换机的区别有：
(1) DXC 的输入输出不是单个用户话路， 而是由许多话路组 成的群路；
(2) 两者都能提供动态的通道连接，但连接变动的时间尺度是 不同的。前者按大量用户的集合业务量的变化及网络的故障 状况来改变连接，由网管系统配置；后者按照用户的呼叫请求 来建立或改变连接，由信令系统实现呼叫连接控制。
3. 复用原理
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。
图 5.6 载荷包络与SDH帧的一般关 系
ITUT规定了SDH的一般复用映射结构。
所谓映射结构，是指把支路信号适配装入虚容器的过程，其 实质是使支路信号与传送的载荷同步。
假设参考数字连接（HRX）由各级交换中心和许多假设参 考数字链路(HRDL)组成。
假设参考数字链路（HRDL）由许多假设参考数字段(HRDS 组成。
标准数字HRX的总性能指标按比例分配给HRDL，HRDL的性 能指标再进一步分配给假设参考数字段HRDS，并再度分配给 线路和设备。这样在系统设计时进行性能预算就变得大大简 化。
指针处理
复用 定位校准 映射
AU -3
VC -3
×3
×1
TUG
×7
光纤通信刘增基第8章
• PDH系统采用的线路保护倒换方式是最简单的自愈网形 式。但是当光缆被切断时，往往是同一缆内的所有光纤(包括 主用和备用)都被切断，在这种情况下上述保护方式就无能为 力了。
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光纤通信刘增基第8章
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•
图 8.3
• (a) 分层概念； (b) 分割概念
光纤通信刘增基第8章
• 采用分割的概念可以方便地在同一网络层内对网络结构 进行规定，允许层网络的一部分被层网络的其余部分看作一 个单独实体；可以按所希望的程度将层网络递归分解表示， 为层网络提供灵活的连接能力，从而方便网络管理，也便于 改变网络的组成并使之最佳化。
光纤通信刘增基第8章
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2020/11/5
光纤通信刘增基第8章
第8章 光纤通信网络
• 8.1通信网的发展趋势
• 通信网总的发展趋势是数字化、综合化和宽带化。与光 纤通信关系最为密切的是宽带化，这是人类社会发展到信息时 代的迫切需求， 也是科技进步的必然产物。
• 数字化就是在通信网的各个部分(核心网和接入网)及各个 环节(传输、交换、接入、终端等)全面采用数字技术。目前核 心网(或称骨干网)已实现了数字化，采用了数字传输和数字交 换技术，其优越性已十分明显。 接入网的情况比较复杂，模 拟的东西还大量存在，如电话网从核心网边缘的端局交换机到 用户终端的用户环路，大量使用的还是模拟二线；有线电视系 统也基本上是模拟的；新近采用的非对称数字用户线(ADSL) 实际上是模数混合体制。
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光纤通信刘增基第8章
• 1. 传送网的分层和分割
• 传送网是分层的，由垂直方向的连续的传送网络层(即 层网络)叠加而成，从上而下分别为电路层、 通道层和传输媒 质层(又分为段层和物理层)。每一层网络为其相邻的高一层网 络提供传送服务，同时又使用相邻的低一层网络所提供的传 送服务。 提供传送服务的层称为服务者(Server)，使用传送服 务的层称为客户(Client)， 因而相邻的层网络之间构成了客户/ 服务者关系。
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光纤通信刘增基第8章
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图 8.3
• (a) 分层概念； (b) 分割概念
光纤通信刘增基第8章
• 采用分割的概念可以方便地在同一网络层内对网络结构 进行规定，允许层网络的一部分被层网络的其余部分看作一 个单独实体；可以按所希望的程度将层网络递归分解表示， 为层网络提供灵活的连接能力，从而方便网络管理，也便于 改变网络的组成并使之最佳化。
光纤通信刘增基第8章
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2020/11/5
光纤通信刘增基第8章
第8章 光纤通信网络
• 8.1通信网的发展趋势
• 通信网总的发展趋势是数字化、综合化和宽带化。与光 纤通信关系最为密切的是宽带化，这是人类社会发展到信息时 代的迫切需求， 也是科技进步的必然产物。
• 数字化就是在通信网的各个部分(核心网和接入网)及各个 环节(传输、交换、接入、终端等)全面采用数字技术。目前核 心网(或称骨干网)已实现了数字化，采用了数字传输和数字交 换技术，其优越性已十分明显。 接入网的情况比较复杂，模 拟的东西还大量存在，如电话网从核心网边缘的端局交换机到 用户终端的用户环路，大量使用的还是模拟二线；有线电视系 统也基本上是模拟的；新近采用的非对称数字用户线(ADSL) 实际上是模数混合体制。
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光纤通信刘增基第8章
• 1. 传送网的分层和分割
• 传送网是分层的，由垂直方向的连续的传送网络层(即 层网络)叠加而成，从上而下分别为电路层、 通道层和传输媒 质层(又分为段层和物理层)。每一层网络为其相邻的高一层网 络提供传送服务，同时又使用相邻的低一层网络所提供的传 送服务。 提供传送服务的层称为服务者(Server)，使用传送服 务的层称为客户(Client)， 因而相邻的层网络之间构成了客户/ 服务者关系。
光纤通信第二版刘增基第2章汇总
2 NA n1 n 2 2 n1 2
(2.3)
第2章
光纤和光缆
式中Δ=(n1－n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。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，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，θ小于θc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。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。
1 sin( AZ ) An(0)
r1
cos(Az)
0
(2.13)
这个公式是第3 自聚焦效应 为观察方便，把光线入射点移到中心轴线 (z=0, ri=0)，由式(2.12)和式(2.13)得到
r
An(0)
sin( Az)
(2.14a)
θ*=θ0cos(Az)
解这个二阶微分方程，得到光线的轨迹为 r(z)=C1sin(Az)+C2cos(Az) 式中，A=
(2.9)
(2.10)
2 / a ，C1和C2是待定常数，由边界条件确定。
设光线以θ0从特定点(z=0, r=ri)入射到光纤，并在任意点(z, r) 以θ*从光纤射出。由方程(2.10)及其微分得到 C2=r(z=0)=ri
第2章
光纤和光缆
双包层光纤 如图2.3(a)所示，折射率分布像W形，又
称为W型光纤。这种光纤有两个包层，内包层外直径2a′与 纤芯直径2a的比值a′/a≤2。适当选取纤芯、外包层和内包层 的折射率n1、n2和n3，调整a值，可以得到在1.3～1.6 μm之 间色散变化很小的色散平坦光纤(DFF，Dispersion Flattened Fiber)，或把零色散波长移到1.55 μm的色散移位光纤(DSF， Dispersion Shifted Fiber)。
精品文档-光纤通信(第二版)(刘增基)-第8章 SDH与WDM光网络
第8章 SDH与WDM光网络
3.管理单元指针（AUPTR）区 AUPTR位于帧结构第4行的第1到第9个字节，这一组数码 代表的是净负荷信息的起始字节的位置，接收端根据指示可以 正确地分离净负荷。这种指针方式的采用是SDH的重要创新， 可以使之在准同步环境中完成复用同步和STM-N信号的帧定位。 这一方法消除了常规准同步系统中滑动缓存器引起络 图8.4 STM-1段开销的字节安排
第8章 SDH与WDM光网络
A1、A2代表帧定位字节，其功能是识别帧的起始位置， 从而实现帧同步。A1=11110110，A2=00101000。
J0为再生段踪迹字节，该字节用来重复发送段接入点识别 符，以便段接收机据此确认其与指定的发射机是否处于连续的 连接状态。
(3) S-R点间的光通道参数规范:包括光通道衰减范围, 最大色散，回波损耗与反射系数。
第8章 SDH与WDM光网络
根据ITU-T的建议，这些定义的参数值均为最坏值，即在 设备终了时仍能达到的指标值。该设计目标是在最极端的光通 道衰减和色散条件下仍然满足每个再生段的误码比特率不劣于 1×10-10的要求。表8.2、表8.3、表8.4分别给出了STM-1、 STM-4、STM-16的光接口参数的具体规范，有关更详细的内容 请参见ITU-TG.957建议。
D1～D12为数据通信通路（DCC），D1～D12字节提供SDH 管理网（SMN）的传送链路。
E1、E2为公务联络字节，E1提供RSOH的公务联络的 64kb/s的语音通路，而E2提供MSOH公务管理的64kb/s的语音 通路。
第8章 SDH与WDM光网络
F1为使用者通路，留给使用者（通常是网络提供者），是 为特定维护目的而提供的临时数据/语音通路连接，速率为 64kb/s。
精品文档-光纤通信(第二版)(刘增基)-第4章 无源光器件
每种连接方法都受限于一些特定的条件， 它们在接头处都 将导致不同程度的光功率损耗。 这些损耗取决于一定参数， 如两根光纤的几何特性、 波导特性、 光纤端面的质量以及它 们之间的相对位置等。
第4章 无源光器件
4.1.1 光纤连接损耗 连接损耗可分为外部损耗和内部损耗。外部
损耗又称为机械对准误差或连接错位损耗，它顾名思义 是由于光纤之间的连接错位引起的损耗。内部损耗又称 为与光纤相关的损耗，这主要是由于光纤的波导特性和 几何特性差异导致的损耗。连接错位一般有以下几种情 况：轴向位移、连接间隔、倾斜位移、截面不平整。 这 些损耗如图4.1所示。
第4章 无源光器件
图4.3 光纤的熔接
第4章 无源光器件
在V型槽机械连接方法中，首先要将预备好的 光纤端面紧靠在一起，如图4.4所示。然后将两根光纤使 用粘合剂连接在一起或先用盖片将两根光纤固定。V型通 道既可以是槽状石英、塑料、陶瓷，也可以是金属基片 作成槽状。 这种方法的连接损耗在很大程度上取决于光 纤的尺寸(外尺寸和纤芯直径)变化和偏心度(纤芯相对于 光纤中心的位置)。
能无损耗， 因而功率传输矩阵函数为
且满足
T
a13 a23
a14
a24
a13+a14<1, a23+a24<1
(4.2)
其中, a13、 a14和a23、a24分别为输入端口1和2到输出端 口3和4的功率传输因子。
第4章 无源光器件
1） 附加损耗(excess loss) 附加损耗的定义为
Pex (dB) 10
第4章 无源光器件
图4.2 (a) D2>Ｄ1; (b) NA1>NA2; (c) MFD1>MFD2
第4章 无源光器件
第4章 无源光器件
4.1.1 光纤连接损耗 连接损耗可分为外部损耗和内部损耗。外部
损耗又称为机械对准误差或连接错位损耗，它顾名思义 是由于光纤之间的连接错位引起的损耗。内部损耗又称 为与光纤相关的损耗，这主要是由于光纤的波导特性和 几何特性差异导致的损耗。连接错位一般有以下几种情 况：轴向位移、连接间隔、倾斜位移、截面不平整。 这 些损耗如图4.1所示。
第4章 无源光器件
图4.3 光纤的熔接
第4章 无源光器件
在V型槽机械连接方法中，首先要将预备好的 光纤端面紧靠在一起，如图4.4所示。然后将两根光纤使 用粘合剂连接在一起或先用盖片将两根光纤固定。V型通 道既可以是槽状石英、塑料、陶瓷，也可以是金属基片 作成槽状。 这种方法的连接损耗在很大程度上取决于光 纤的尺寸(外尺寸和纤芯直径)变化和偏心度(纤芯相对于 光纤中心的位置)。
能无损耗， 因而功率传输矩阵函数为
且满足
T
a13 a23
a14
a24
a13+a14<1, a23+a24<1
(4.2)
其中, a13、 a14和a23、a24分别为输入端口1和2到输出端 口3和4的功率传输因子。
第4章 无源光器件
1） 附加损耗(excess loss) 附加损耗的定义为
Pex (dB) 10
第4章 无源光器件
图4.2 (a) D2>Ｄ1; (b) NA1>NA2; (c) MFD1>MFD2
第4章 无源光器件
光纤通信刘增基第1章
dB/km的衰减， 浓雾衰减高达120 dB/km。另一方面，大气的
密度和温度不均匀，造成折射率的变化，使光束位置发生偏移。
因而通信的距离和稳定性都受到极大的限制，不能实现“全天
候”通信。虽然，固体激光器(例如掺钕钇铝石榴石(Nd: YAG)
激光器)的发明大大提高了发射光功率，延长了传输距离，使
大气激光通信可以在江河两岸、海岛之间和某些特定场合使用，
表 1.3 世界成缆单模光纤市场销售量 年份 1998 1999 2000 2001 2002
2003
光纤销售 4110 总长度 /104 km
4600
5350
6230
7200
8110
完整版课件ppt
17
1.2 光纤通信的优点和应用
1.2.1
最大可能的信息传输容量和传输距离。通信系统的传输容量 取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越 宽。通信技术发展的历史，实际上是一个不断提高载波频率 和增加传输容量的历史。20世纪60年代，微波通信技术已经 成熟，因此开拓频率更高的光波应用，就成为通信技术发展 的必然。
完整版课件ppt
10
自从 1966 年高锟提出光纤作为传输介质的概念以来，光 纤通信从研究到应用，发展非常迅速：技术上不断更新换代， 通信能力(传输速率和中继距离)不断提高，应用范围不断扩大。 光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：
第一阶段(1966~1976年)，这是从基础研究到商业应用的 开发时期。在这个时期，实现了短波长(0.85 μm)低速率(45或 34 Mb/s)多模光纤通信系统，无中继传输距离约10 km。
由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质， 对光通信
的研究曾一度走入了低潮。
光纤通信刘增基课件(SDH)预备知识选编
注意: 抽样频率fs不 是越高越好， fs太 高时，将会降低信道 的利用率。
3. 量化 将时间域上幅度连续的样值序列变换为时间域上幅度离散 的样值序列信号。 量化分为均匀量化和非均匀量化两种。 (1)均匀量化 话音信号的概率密度分布曲线如图０一11所示。
均匀量化是在量化区内(即从一U～+U)均匀等分N个小间隔。N称为量化级 数，每一小间隔称为量化间隔△。由此可得:
相当于信源编码部分的A／D变换，具体包括抽样 、量化、编码三步。抽样—是把模拟信号在时 间上离散化，变为脉冲幅度调制(PAM)信号。 量化—是把PAM信号在幅度上离散化，变为量 化值(共有N个量化值)。
编码—是用二进码来表示N个量化值，每个量化值
(2) 信道部分
(3) 信道部分包括传输线路及再生中继器。由前面介绍的内容 可知再生中继器可消除噪声干扰, 所以数字通信系统中每 隔一定的距离加一个再生中继器以延长通信距离。
对于具体的数字通信系统，其方框图并非都与图0一4 方框图完全一样，例如:
①若信源是数字信息时，则信源编码或信源解码可去 掉，这样就构成数据通信系统。
②若通信距离不太远，且通信容量不太大时，信道一 般采用市话电缆，即采用基带传输方式，这样就不需 要调制和解调部分。
③传送话音信息时，即使有少量误码，也不影响通信 质量，一般不加信道编、解码。
3．数字通信系统的主要性能指标
衡量数字通信系统性能好坏的指标是有效性和可靠性两 项 （1）有效性指标 有效性指标具体包括以下三项内容。 ①信息传输速率(R) 信息传输速率简称传信率，也叫数码率(常用fb表示)。 它的定义是: 每秒所传输的信息量。 信息传输速率的定义也可以说成是: 一秒所传输的二进 制码元数，其单位为bit／s。 其中fs为抽样频率，n是复用的路数，l是编码的码位数 。
光纤通信(第二版)【刘增基】简答题总结
1.光纤通信的优缺点各是什么？优：通信容量大中继距离长抗电磁干扰传输误码率极低缺：有些光器件(如激光器、光纤放大器)比较昂贵光纤的机械强度差不能传送电力光纤断裂后的维修比较困难，需要专用工具2.光纤通信系统由哪几部分组成?简述各部分作用光纤通信系统由发射机、接收机和光纤线路三个部分组成发射机又分为电发射机和光发射机，接收机也分为光接收机和电接收机，电发射机的作用是将信(息)源输出的基带电信号变换为适合于信道传输的电信号，包括多路复接、码型变换等：光发射机的作用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。
光纤线路把来自于光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。
光接收机把从光纤线路输出的产生畸变和衰减的微弱光信号还原为电信号。
光接收机的功能主要由光检测器完成，光检测器是光接收机的核心。
电接收机的作用一是放大，二是完成与电发射机相反的变换，包括码型反变换和多路分接等。
3.光纤通信为什么向长波长、单模光纤方向发展?长波长、单模光纤比短波长、多模光纤具有更好的传输特性。
单模光纤没有模式色散。
4.光纤色散产生的原因及其危害是什么?光纤色散是由光纤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）。
5.光纤损耗产生的原因及其危害是什么?光纤损耗包括吸收损耗和散射损耗。
吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收的。
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。
6.半导体激光器（LD）有哪些特性?发射波长和光谱特性激光束空间分布特性转换效率和输出功率特性频率特性温度特性7.比较半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）的异同？LD和LED的不同之处：工作原理不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。
精品文档-光纤通信(第二版)(刘增基)-第6章 光发送机与光接收机
第6章 光发送机与光接收机
图6.8 实用化的LD数字驱动电路
第6章 光发送机与光接收机
6.3 外 调 制 器
6.3.1 电折射调制器 电折射调制器利用了晶体材料的电光效应，
常用的晶体材料有：铌酸锂晶体（LiNbO3）、钽酸锂晶 体（LiTaO3）和砷化镓（GaAs）。
电光效应是指由外加电压引起的晶体的非线性效应， 具体讲是指晶体的折射率发生了变化。当晶体的折射率 与外加电场幅度成正比时， 称为线性电光效应， 即普 克尔效应； 当晶体的折射率与外加电场的幅度平方成正 比变化时， 称为克尔效应。 电光调制主要采用普克尔 效应。
第6章 光发送机与光接收机
最基本的电折射调制器是电光相位调制器， 它是构 成其他类型的调制器如电光幅度、 电光强度、 电光频 率、 电光偏振等的基础。 电光相位调制器的基本原理 框图如图6.9所示。
第6章 光发送机与光接收机
图6.9 电光相位调制器的基本原理框图
第6章 光发送机与光接收机
当一个A sin(ωt+Φ0)的光波入射到电光调 制器（Z=0）， 经过长度为L的外电场作用区后， 输出 光场(Z=L)即已调光波为A sin(ωt+ Φ0 +ΔΦ)， 相位 变化因子ΔΦ受外电压的控制从而实现相位调制。
第6章 光发送机与光接收机
6.2 直接调制IM光发送机
直接强度调制是光纤通信中最简单、 最经济、 最容易实现的调制方式， 适用于半导体激光器LD和发光 二极管LED， 这是因为它们的输出功率与注入电流成正 比（LD阈值以上）， 只需通过改变注入电流就可实现光 强度调制。 光功率的变化能够响应注入电流信号的高速 变化。
第6章 光发送机与光接收机
图6.5 LED模拟驱动电路 （a)基本模拟信号驱动电路； (b)线性模拟信号驱动电路；(c)高速模拟信号驱动电路
光纤通信(第2版)刘增基复习提纲
第一章1.什么是光纤通信？光纤通信，是指利用光纤来传输光波信号的一种通信方式2.光纤通信和电通信的区别。
（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3.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。
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。
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。
光接收机把光信号转换为电信号的过程，是通过光检测器的检测实现的。
检测方式有直接检测和外差检测两种。
第二章1、光能量在光纤中传输的必要条件。
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。
1. 突变型多模光纤(全反射导光)(1)相对折射率指数差（纤芯和包层折射率分别为n1和n2）定义：2121212))((n n n n n +-= 弱导波光纤中n1和n2相差很少，则 n1+n2 =2 n1 2122212n n n -=∆有121/)(n n n -≈∆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。
光纤通信课件刘增基第二版第1章
第1章 概论
光纤通信用激光器的发展进程
1970 年，美国、日本和前苏联先研制成功室温下连续振 荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器。
虽然寿命只有几个小时，但其意义是重大的，它为半导 体激光器的发展奠定了基础。
1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。
1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10 万小时(约11.4年)，外推寿命达到100万小时，完全满 足实用化的要求。
在这个时期，实现了1.55 μm色散移位单模光纤通信系 统。采用外调制技术，传输速率可达2.5－10 Gb/s， 无中继传输距离可达150－100km。实验室可以达到 更高水平。
目前，正在开展研究的光纤通信新技术，例如，超 大 容 量 的 波 分 复 用 (Wavelength Division Multiplexing, WDM)光纤通信系统（实现）和超长 距离的光孤子(Soliton)通信系统，将在第 7章作介绍。
1972年，康宁公司高纯石英多模光纤将损耗降低到4 dB/km。
1973 年，美国贝尔(Bell)实验室将光纤损耗降低到2.5dB/km。 1974 年降低到1.1dB/km。
1976 年，日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2μm)。
1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限。
因此还有3个数量级以上的带宽潜力可以挖掘。
第1章 概论
传 输 损 /耗(dB·km － 1)
10 00
10 0 10
标38准mm同海轴底同轴
1
51 mm波导器
光纤
0.1 10 M 100 M 1 G
10 G 100 G 1 T 10 T 100 T 1000 T
光纤通信刘增基版第六章.
1. 信噪比
正弦信号直接光强调制系统的信噪比主要受光接收机性能的 影响，因而输入到光检测器的信号非常微弱，所以对系统的SNR 影响很大。
2.
为使模拟信号直接光强调制系统输出光信号真实地反映输 入电信号，要求系统输出光功率与输入电信号成比例地随时间 变化， 即不发生信号失真。
一般说，实现电/光转换的光源， 由于在大信号条件下工 作，线性较差，所以发射机光源的输出功率特性是D-IM系统 产生非线性失真的主要原因。
6.1.3 频分复用光强调制
频分复用光强调制方式
用每路模拟电视基带信号，分别对某个指定的射频(RF)电信 号进行调幅(AM)或调频(FM)，然后用组合器把多个预调RF信号 组合成多路宽带信号，再用这种多路宽带信号对发射机光源进行 光强调制。
光载波经光纤传输后，由远端接收机进行光/电转换和信号分 离。
第 6 章 模拟光纤通信系统
6.1 调制方式 6.2 6.3 副载波复用光纤传输系统
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6.1
模拟光纤传输方式主要有以下几种方式： • 模拟基带直接光强调制(D-IM) • 模拟间接光强调制方式 • 频分复用光强调制方式
6.1.1 模拟基带直接光强调制
模拟基带直接光强调制(D-IM)
是用承载信息的模拟基带信号，直接对发射机光源(LED或 LD)进行光强调制，使光源输出光功率随时间变化的波形和输 入模拟基带信号的波形成比例。
因为传统意义上的载波是光载波，为区别起见，把受模拟基 带信号预调制的RF电载波称为副载波，这种复用方式也称为副载 波复用(SCM)。
SCM模拟电视光纤传输系统的优点：
• 一个光载波可以传输多个副载波，各个副载波可以承载 不同类型的业务。
• SCM系统灵敏度较高，又无需复杂的定时技术， 制造 成本较低。
正弦信号直接光强调制系统的信噪比主要受光接收机性能的 影响，因而输入到光检测器的信号非常微弱，所以对系统的SNR 影响很大。
2.
为使模拟信号直接光强调制系统输出光信号真实地反映输 入电信号，要求系统输出光功率与输入电信号成比例地随时间 变化， 即不发生信号失真。
一般说，实现电/光转换的光源， 由于在大信号条件下工 作，线性较差，所以发射机光源的输出功率特性是D-IM系统 产生非线性失真的主要原因。
6.1.3 频分复用光强调制
频分复用光强调制方式
用每路模拟电视基带信号，分别对某个指定的射频(RF)电信 号进行调幅(AM)或调频(FM)，然后用组合器把多个预调RF信号 组合成多路宽带信号，再用这种多路宽带信号对发射机光源进行 光强调制。
光载波经光纤传输后，由远端接收机进行光/电转换和信号分 离。
第 6 章 模拟光纤通信系统
6.1 调制方式 6.2 6.3 副载波复用光纤传输系统
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6.1
模拟光纤传输方式主要有以下几种方式： • 模拟基带直接光强调制(D-IM) • 模拟间接光强调制方式 • 频分复用光强调制方式
6.1.1 模拟基带直接光强调制
模拟基带直接光强调制(D-IM)
是用承载信息的模拟基带信号，直接对发射机光源(LED或 LD)进行光强调制，使光源输出光功率随时间变化的波形和输 入模拟基带信号的波形成比例。
因为传统意义上的载波是光载波，为区别起见，把受模拟基 带信号预调制的RF电载波称为副载波，这种复用方式也称为副载 波复用(SCM)。
SCM模拟电视光纤传输系统的优点：
• 一个光载波可以传输多个副载波，各个副载波可以承载 不同类型的业务。
• SCM系统灵敏度较高，又无需复杂的定时技术， 制造 成本较低。
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第一章光纤通信的优点：容许频带很宽，传输容量很大损耗很小，中继距离很长且误码率很小重量轻、体积小抗电磁干扰性能好泄漏小，保密性能好节约金属材料(有色金属)，SiO2提高光纤容量方式：提高波长速率增加复用波数偏振复用加倍光纤通信应用：通信网数据网数据网有线电视网接入网AN光纤传感器光发射调制方式：内调制一一直接调制(简单、实用、低速)外调制--- 间接调制(高速)第二章纤芯和包层的相对折射率差△ = (n 1-n2) /n1光纤基本类型：突变型多模光纤(Step Index Fiber, SIF ) 渐变型多模光纤(Graded Index Fiber, GIF )单模光纤(Single Mode Fiber, SMF )W型光纤一一(色散平坦光、色散位移光纤、保偏光纤) 塑料光纤光子晶体光纤数值孔径_ NA_NA 二n； - n；:厲一2时间延迟2二皿二Msec—匹(1 玉)c c c 2时间延迟差.逬—(NA)^ niL :2|>。
2n ；c c° V Z> -V - 0麦克斯韦方程组：I 2浹黒.u (n2k2—Z) E z(r)=O dr r dr r其中:k=2 n / 入=2 n f/c= w /cu A 2=a A 2(n"2*kA2- 3 A 2) w A 2=a A2*( 3 A2-n2A2*kA2) vA2=uA2+wA2=aA2*kA2*( n"2-门人2)纤芯方程：2 2 2d E a (r) 1 dE z (r) (uv 、匚(r) (2 2)E z (r )dr r dr ar包层方程：光能量要在纤芯(0w r w a)中传输， 在r=0处，电磁场应为有限实数；在包层 (r > a),光能量沿径向r 迅速衰减，当r is 时，电磁场应消逝为零。
光纤传输模式的电磁场分布和性质取决于特征参数u 、w 和3的值。
横向传输常数：u 和w 决定纤芯和包层横向(r)电磁场的分布，称为横向传输常数； 纵向传输常数：3决定纵向(z)电磁场分布和传输性质，所以称为(纵向)传输常数。
n2k w 3 w n1k光纤归一化频率：2 7.a —2 22 ?.av m - n 2. n 1 •. 2 - 2.405'1 ' 0光纤传输模式非常重要两种情况：一种是模式截止，另一种是模式远离截止。
光纤传输特性： 几何、光学、机械等特性，传输损伤，色散、损耗，非线性。
色散：光在介质中传播速度 v 随波长(或频率)而变化的现象。
色散一般包括：模式色散、材料色散和波导色散。
色散用 脉冲展宽 表示：A T =( A T nA2+ △ T mA2+ △ T 可人2)1/2信号通过光纤后产生的 脉冲展宽d =下；一拧或A T = ,7~1 -：■：. 2 , A T 1和A T 2分别为输入脉冲和输出脉冲的FWHM 。
3dB 光带宽为f3 dB =:H 441(MHZ )2 二传输常数:(群折射率)色散系数：D,，：：；宀-D L • 电磁波在波导折射率： n2w n efw n1偏振模色散PMDd 2E a (r)1 dE z (r)dr 2r dr2w(2 a)E z (r)(r > a)(O w r < a)‘n群时延:l(n 罟) d e d两个参量表示光纤色散：群速度；相速度V p = — O光纤损耗：输入输出功率关系：Po=Pi*exp （- a L ）a - 10 lg -P L(dB / km) , a 为损耗系数 LP o吸收损耗：固有损耗，红外损耗，紫外损耗；杂志损耗 散射损耗：锐利散射；结构缺陷散射光纤标准G.651多模渐变型（GIF ）光纤 G.652常规单模光纤 G.653色散移位光纤 G.654用于海缆 G655非零色散位移光纤损耗的机理该机理包括吸收损耗和散射损耗两部分吸收损耗是由SiO2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（Rayleigh ）散射和由光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射产生的。
瑞利散射：在介质中传播的光波，由于材料的原子或分子结构随距离变化而引起的散射。
（或：尺度远小于入射光波长的粒子所产生的散射现象。
分子散射强度与入射光的波长四次方成反比，且各方向的散射光强度是不一样的。
）瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。
单模传输条件为：V= 2"』"-n f <2.405 ,对于给定的光纤（n1、n2和a 确定），存在一个临界波长 入C ,当入 < 入c 时，是多模传输，当 入 > 入c 时，是单模传输，这个临界波长入c 称为截止波长模式（mode ）:s … 441 小…r 、 0.441 〜色散与带宽关系：f3 dB (MHZ) (GHZ)A T (ns) A T ( ns )DPMD 偏振模色散系数二 ^PMD 二在一定边界条件下电磁场方程之解。
弱导光纤：纤芯中最大折射率和均匀包层最小折射率之差很小的一类光纤。
光纤损耗测量方法：测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插入法；光纤损耗系数a二訓土卿畑）,L为被测光纤长度（km）, P1和P2分别为输入光功率和输出光功率（mW或W）;装置：测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法。
瑞利散射光功率与传输光功率成比例。
利用与偏置电路光源t I 注入装置P1被测光纤•号P2传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方法，称为后向散射法。
正向和反向平均损耗系数： a =2=）©謊*dB/Km）光纤的长度L : L詈带宽测量_、E检测器放大器O 电平测量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；频域法是测量通过光纤的频率响应，又称扫频法。
量子效率：p产生电子_空穴对数T I p hf- 入射光子数p。
-p0 ehf响应度：光无源器件:连接器和接头光耦合器光隔离器与光环行器光调制器光开关第四章光发射机方框图：密厂妙日张弛振荡：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。
张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。
灵敏度：定义：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。
影响因素：噪声、速率、波长、消光比、色散。
动态范围(DR):定义：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。
A T = ； -i，f3 dB 二441 (MHZ )脉冲法「.(ns)第三章半导体激光器波长计算：：=罟=匚(24)( um)E g E g(ev)丄^hf八P-I特性曲线：P =叶.言(每对复合载流子产生的光子数：_l th),I> I th 激光；I< I th 荧光;(p - P th)/hf . ：p e p二(I -I th)/e A I hf雪崩光电二极管倍增因子：I p通过PIN测量: I p = ：-PoI阈值电流(APD)根据定义：DR=10lg :p max（dB ）,动态范围是光接收机性能的另一个重要指标， P 'min它表示光接收机接收强光的能力。
要求大小：数字光接收机的动态范围一般应 大于15 dB 。
线路编码：类型：扰码、mBnB 码、插入码。
二电平码的缺点：直流分量也会发生随机波动（基线漂移） 容易出现长串连“1”码或长串连“ 0”码，给定时提取造成困难或产生较大的定时误差。
不能实现在线（不中断业务）的误码检测， 不利于长途通信系统的维护怎样提升速率：mBnB 码在相同时隙内，传输 1比特变为传输2比特，码速提高了 1 倍。
（？）mB nB 码换算（自己看）：第五章准同步数字系列（PDH ）:PCM 的 32个时隙：TsO Tsl k 、 、Tsl6 k 、、 Ts31jryi 汀卄“和和r （线状1-4 次群速率：2.408Mb/s, 8.448 Mb/s, 34.368 Mb/s, 139.264 Mb/s.SDH 的 155M/s 来源：=9 （行）X 270 X 8 （ bit ）X 8000 （=1/125us ） =155.520 Mb/s 3个速率：段开销（SOH ）：对于STM 1而言，SOH 共使用9X 8（第4行除外）=72 Byte 相应于576bit 。
由于每秒传输 8000帧，所以SOH 的容量为576 X 8000=4.608 Mb/s信息载荷（Payload ）:对于STM1而言，Payload 有9 X 26仁2349 Byte, 相应 于 2349X8X 8000=150.336 Mb/s 勺 容工：管理单元指针（AU PTR ）:对于STM1而言，AU PTR 有9个字节（第4行）,相中国标准:传输话路数：一次群- >30路（？）（一路速率 64Kb/s ）。
同步数字系列（SDH ）:SDH 帧结构：段开销（SOH ）;信息载荷（Payload ）; 管理单元指针（AU PTR ）PDH 与 SDH 的上下路区别（图）140/34 Mb/sPDH34/140 Mb/s分接34/8 Mb/s8/34 Mb/s复接光信号8/2 Mb/s 2/8 Mb/s 分接 ——一 复接光信号分接 复接2 Mb/s （电信号）SDHADM155 Mb/s光接口（电信号）应于9X 8 X 8000=0.576 Mb/s。
SDH 3种设备：终端复用设备TM分插复用设备ADM数字交叉连接设备DXCa f + a s + a m式中，Pt为平均发射光功率(dBm), Pr为接收灵敏度(dBm),Me为系统余量(dB) , a f为光纤损耗系数(dB/km),(dB/km), a m为每km光纤线路损耗余量(dB/km), L 为中继距离(km)6 受色散限制的中继距离L: . ；10L = --------Fb是线路码速率(Mb/s) F b c0c ,C0加吒纤的◎：'血免戰(ps/(nm • km))d入为光源谱线宽度(nm)£:对于MLM-LD, £=0.115 ; 对于SLM-LD, £=0.306第八早调制方式模拟基带直接光强调制模拟间接光强调制频率调制(FM)脉冲频率调制(PFM)方波频率调制(SWFM)频分复用光强调制副载波复用模拟电视光纤传输系统方框图SCM模拟电视光纤传输系统的优点：一个载波可以传输多个副载波，各个副载波可以承载不同类型业务，有利于数字和模拟混合传输以及不同业务的综合和分离。
SCM系统灵敏度较高，又无需复杂的定时技术，FM/SCM可以传输60~120路模拟电视节目，制造成本较低，因而在带式传输网中竞争力强，发展速度快。