光纤通信第四章复习

《光纤通信》第四章光端机讲课提纲浙江传媒学院陈柏年一、光发射机（一）概要1、功能：完成电/光转换（E/O），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。

2、组成：由光源、驱动器和调制器组成。

3、光源：光发射机的核心。

主要使用的光源器件是半导体激光器LD、半导体发光二极管LED和固体YAG激光器。

4、光源的调制方法：以光波作为载波，利用调制器将电信号调制到光的参数如光强、相位等。

目前主要使用光强度调制IM。

（1）直接调制：由电调制信号直接控制激光器的驱动电流，注入调制电流实现输出光波的强度调制。

直接调制会引入频率啁啾（光脉冲的载频随时间变化）。

（2）间接调制：利用晶体电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对光源辐射的强度调制。

指激光形成之后，在激光器外的光路上放置光调制器，用调制信号改变光调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制。

如马赫-曾德尔M-Z波导调制器。

（二）数字光发送机1、功能：把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路，电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。

2、组成：主要有光源和电路两部分组成。

具体由输入电路（输入盘）和电／光转换电路（发送盘）组成。

（1）均衡放大：用以补偿由电缆传输所产生的电信号的衰减和畸变，保证电、光端机间信号的幅度、阻抗适配。

（2）码型变换：将电端机送入的信号码型从双极性的HDB3或CMI码变为单极性的NRZ码。

（3）复用扰码：复用是用一个大传输信道同时传送多个低速信号的过程。

扰码是使信号达到“0”、“1”等概率出现，利于时钟提取。

（4）时钟提取：提取与网络同步的时钟供给扰码与线路编码等电路。

（5）线路编码：以提取定时信息，提高误码检测能力。

（6）驱动电路（调制电路）：用经过编码的数字信号对光源进行直接光强度调制，完成电/光转换，是电／光转换电路的核心。

（7）光源：LD或LED，产生作为光载波的光信号。

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。

光放大器类型光纤放大器掺稀土元素放大器非线性效应放大器特性。

泵浦和增益系数光放大器的能源是由外界泵浦提供的。

根据掺杂物能级结构的不同，泵浦可以分为三能级系统和四能级系统。

在两种系统中，掺杂物都是通过吸收泵浦光子而被激发到较高能态，再快速驰豫到能量较低的激发态，使储存的能量通过受激辐射被释放出来放大光信号。

两种泵浦原理示意图泵浦激光发射放大器增益随输出功率的变化放大器噪声所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（低，其降低程度通常用噪声指数式中的SNR 是由光接收机测得的，因此所得n F =铒的吸收和辐射特性EDFA 增益特性增益特性表示了放大器的放大能力，其定义为输出功率与输入功率之比。

EDFA的增益大小与多种因素有关，通常为15～EDFA 噪声特性EDFA的输出光中，除了有信号光外，还有自发辐射光，它们一起被放大，形成了影响信号光的噪声源，的噪声主要有以下四种：①信号光的散粒噪声；②被放大的自发辐射光的散粒噪声；③自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；④自发辐射光谱间的差拍噪声。

以上四种噪声中，后两种影响最大，尤其是第三种噪EDFA基本结构EDFA的内部按泵浦方式分，有三种基本的结构：即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。

同向泵浦信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构，也称为前向泵浦。

反向泵浦泵浦光WDM系统中的增益带宽增益平坦增益特性优化噪声系数和饱和输出功率EDFA对光纤传输系统的影响非线性问题光浪涌问题色散问题光纤线路的长期可靠性问题受激拉曼散射原理FRA工作原理在许多非线性介质中，受激拉曼散射将一小部分入射功率由一光束转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为受激拉曼效应。

量子力学描述为入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁，入射光作为泵29混合拉曼/掺铒光纤放大器拉曼放大器和掺铒光纤放大器各有其独特的特点，将FRA 和EDFA 结合起来构成混合拉曼大器（HFA ），也是提高拉曼放大器性能的一种重要方法。

4.1 电介质平板波导 4.2 对称平板波导中的模式 4.3 非对称平板波导中的模式 4.4 波导的耦合4.5 平板波导的色散和失真4.6 集成光器件 4.7 总结和讨论第4章 集成光波导4.5 平板波导的色散和失真除了材料色散导致的脉冲展宽以外，在波导中还有另外两种情况导致的脉冲展宽现象：波导色散和多模失真。

2▪波导膜厚度d 固定，对于线宽为Δλ=λ2-λ1光源，等效折射n eff率随波长变化，因此其波导中的速度也发生变化，最终导致脉冲展宽，该种现象称为波导色散。

4.5.1 波导色散 32λd λd ▪波导色散与材料色散同时存在▪波导色散与材料色散拥有同样的公式形式4波导色散： ()()24.4 /''λλλτ∆-=∆-=∆g eff M n cL ()()14.3 /''λλλτ∆-=∆-=∆M n cL 材料色散： 4.5.1 波导色散54.5.1 波导色散 ▪集合了材料色散和波导色散的总脉冲展宽可以写成：()()λτ∆+-=∆g M M L /▪因为材料色散M 有可能为负值(例如在石英玻璃中，当工作波长超过1300nm 时)，由色散引起的总脉冲展宽实际上有可能会因为波导色散的存在反而减小。

再次说明了为什么远距离高速传输时光源波长都比较大。

模式不同则传输路径不同，考虑一下这种现象的最糟情况， 即最低阶模式以90°角传播，最高阶模式以临界角传播。

设L 为波导长度。

注意，两个模式具有相同的波长。

4.5.2 多模失真n 1n 2 n 1 > n 2 最低阶模 L 2n 2θc高阶模L 1轴向模式传输时间：22112sin L L n L n θ==c (4.25)cLn v L t 1==轴向传输对于临界角传输：21sin L L θ=c 4.5.2 多模失真 所以临界角传输的总传输路径为c n Ln c n n Ln v n Ln 22112121t =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=临界角传输(4.26)临界角传输的总时间为：⎪⎪⎭⎫⎝⎛21n n L 4.5.2 多模失真总延时为：2211)(cn n n n L -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆τ这就是同一波长的光波在波导中以不同模式传输时单位长度上的模式脉冲展宽时间。

复习提纲第一章知识点小结：1.什么是光纤通信？3、光纤通信和电通信的区别.2.基本光纤通信系统的组成和各部分作用。

第二章知识点小结1、光能量在光纤中传输的必要条件（对光纤结构的要求)。

2、突变多模光纤数值孔径的概念及计算.3、弱导波光纤的概念。

4、相对折射率指数差的定义及计算.5、突变多模光纤的时间延迟.6、渐变型多模光纤自聚焦效应的产生机理。

7、归一化频率的表达式.8、突变光纤和平方律渐变光纤传输模数量的计算。

第三章知识点小结1、纤通信中常用的半导体激光器的种类.2、半导体激光器的主要由哪三个部分组成？3、电子吸收或辐射光子所要满足的波尔条件.4、什么是粒子数反转分布？5、理解半导体激光产生激光的机理和过程。

6、静态单纵模激光器。

7、半导体激光器的温度特性. 8、DFB激光器的优点。

9、LD与LED的主要区别10、常用光电检测器的种类。

11、光电二极管的工作原理。

12、PIN和APD的主要特点。

13、耦合器的功能。

14、光耦合器的结构种类。

15、什么是耦合比？16、什么是附加损耗？17、光隔离器的结构和工作原理.第四章知识点小结1、数字光发射机的方框图。

2、光电延迟和张驰振荡。

3、激光器为什么要采用自动温度控4、数字光接收机的方框图。

5、光接收机对光检测器的要求。

6、什么是灵敏度？7、什么是误码和误码率？8、什么是动态范围？9、数字光纤通信读线路码型的要求. 10、数字光纤通信系统中常用的码型种类。

第五章知识点小结1、SDH的优点。

2、SDH传输网的主要组成设备。

3、SDH的帧结构(STM-1）。

4、SDH的复用原理。

5、三种误码率参数的概念.6、可靠性及其表示方法。

7、损耗对中继距离限制的计算。

8、色散对中继距离限制的计算。

第七章点知识小结1、光放大器的种类2、掺铒光纤放大器的工作原理3、掺铒光纤放大器的构成方框图4、什么WDM？5、光交换技术的方式6、什么是光孤子？7、光孤子的产生机理8、相干光通信信号调制的方式9、相干光通信技术的优点光纤通信复习第一章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。

《光纤通信技术》复习提纲第1章：1.光纤通信的三个波长窗口2.光纤通信的概念，数字光纤通信系统的组成及各部分的主要作用。

第2章：1.光纤的结构2.光纤按传输波长、折射率分布、传输模式的分类。

3.光纤的折射和折射率、全反射现象。

4.阶跃型光纤中子午线在光纤里全反射地进行传输的条件。

5.光纤中传播模式的截止频率及截止条件，阶跃型光纤单模传输的条件及截止波长。

6.什么是光纤的损耗，光纤损耗特性产生的原因是什么？单模光纤的两个低损耗区域是什么？7.什么是光纤的色散？色散分为哪几种？为什么色散会导致码间干扰？8.光缆的结构第3章：1.有源光器件与无源光器件的区别。

2.光源的作用，光源器件的分类及应用。

3.激光器的工作原理（课本P53～P56第二段）4.半导体激光器的工作原理5.发光二极管的工作原理6.光电检测器的作用，光电检测器的分类及应用。

7.光电检测器的工作原理8.九种无源光器件的作用或功能9.光放大器的概念与分类10.EDFA的基本结构与应用第4章：1.光发送机和光接收机的功能及组成框图2.直接调制和间接调制的基本概念3.两种类型的光中继器的区别和优缺点第5章：1.SDH和SDH网络的基本概念2.SDH的速率与帧结构3.SDH的通用复用映射结构和我国的SDH复用映射结构中各单元的名称及作用，根据复用映射结构能分析某种速率信号的映射复用过程。

4.基本复用映射步骤5.SDH目前主要采用哪种映射方式？如何将139.264Mbit/s信号异步映射进VC-4？6.如何将N个AU-4复用成STM-N帧？7.PDH四次群信号（139.264Mbit/s信号）至STM-1的形成过程8.我国SDH网络结构与我国数字同步网的网络结构。

第6章：1.波分复用（WDM）技术的概念及基本原理，WDM系统的基本组成2.WDM的两种工作方式和两种系统类型3.WDM系统的基本结构及各部分作用4.哪种光复用器和光解复用器最适合超高速、大容量WDM系统使用？5.各种光纤在WDM系统中应用的区别第8章：MSTP、ASON、光接入网、全光网、相干光通信的基本概念，光孤子通信的工作原理。

光纤通信复习资料第一章光纤通信总览1、频率、波长、折射率：λ＝c/f 、n=c/v2、光纤通信的三个窗口：850nm 、1310nm 、1550nm3、绝对功率单位dBm 与mW 的转换（3dBm 、-3dBm 、0dBm)分贝毫瓦（dBm ）：功率电平（dBm ）0dBm=1mW ，3dBm=2mW ，-3dBm=0.5mW4、相对功率dB 概念（3dB 、 -3dB 、 0dB)分贝（dB ）：功率比功率比（dB ）12lg 10P P = 分贝（dB ）：相对功率功率加倍即表示3dB 的增益（功率电平增加了3dB ），而功率减半则表示3dB 的损耗（功率电平降低了3dB ）。

功率比为1，就是0dB 。

5、NRZ 和RZ 码的区别NRZ 码：NRZ 码中，传输的数据占满一个比特周期，充满一个完整周期的电流脉冲或光脉冲为1，没有脉冲发送则代表0。

没有误差监控和纠错能力。

RZ 码：每个数据比特编为两个光线路码比特。

单极RZ 码中，“1”码由一个在比特周期的前半部或后半部的半周期光脉冲表示，“0”码则由比特周期内无信号表示。

第二章光纤：结构、导播原理和制造1、光纤基本概念（1）、数值孔径物理意义：数值孔径表示光纤的集光能力。

数值孔径越大，就表示光纤捕捉光射线能力越强。

数值孔径NA=2221n n -。

（2）、截止波长判断光纤中是否是单模工作方式，只有当工作波长大于此截止波长时，才能保证单模工作。

截止波长2221405.22n n a c -=πλ。

对阶跃折射率光纤，V ＝2.405，在该波长处，只有LP01模能在光纤中传输。

1mW P 10log =（3）、单模光纤（V<=2.405)单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单一基模（HE11或LP01）的光纤。

光纤的归一化频率405.2222210≤-=n n a V λπ。

（4）、光纤的信息容量度量脉冲展宽的最终结果是相邻的脉冲相互交叠，交叠到一定程度后，在接收端无法将相邻的脉冲区分开，发生误码。

第4章光检测器与光放大器
代高凯201027209 通信103班
4-8.EDFA的泵浦方式有哪些，各有什么优缺点？
答：目前商用化的光放大器一般都采用如下3中泵浦方式：同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。

①同向泵浦——优点：构成简单、噪声性能较好；
缺点：在同样的泵浦方式下，同向泵浦光的输出最低。

②反向泵浦——优点：当光信号放大到很强的时候，泵浦光也强，不易达到饱和，
因而具有较高的输出功率；
缺点：随着输出功率或者光线长度的增加，反向泵浦的噪声系数
递增较快且比另外两种方式较大；
③双向泵浦——优点：这种方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使得泵浦光
在光纤中均匀分布，从而使其增益在光纤中也均匀分布。

这种配置具有更高的输出信号功率，最多可以比上述单向
泵浦型高6dB，而且EDFA的性能与信号传输方式无关；
缺点：由于增加了一个泵浦激光器及相应的控制电路，成本较高。

4-12.EDFA在光纤通信系统中的应用形式有哪些？
答：EDFA在光纤通信系统中的应用形式可以分为3种：
①中继放大器（LA）—在光纤线路上每隔一定距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离。

②前置放大器（PA）—此放大器置于光接收机前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度，作为前置放大器，对噪声要求非常苛刻。

③后置放大器（BA）—此放大器置于光发射机后面，以提高发射光功率，对后置放大器噪声要求不高，而饱和输出光功率是主要参数。

第 4 章无源光器件1.光纤的连接损耗有哪些？如何降低连接损耗？解：连接损耗可分为外部损耗和内部损耗。

外部损耗主要有轴向位移、连接间隔、倾斜位移、截面不平整。

内部损耗主要是由于光纤的波导特性和几何特性差异导致的损耗，包括纤芯的直径、纤芯区域的椭圆度、光纤的数值孔径、折射率剖面等。

采用较好的连接方法，改善连接器的性能。

2•试用2X2耦合器构成一个8Xg空分开关阵列，画出连接图和输入输出端口信号间流向，计算所需开关数。

解：123456781234578需开关数12 个。

3.讨论图 5.22 所示平面阵列波导光栅的设计思想和方法。

解：设计思想：将同一输入信号分成若干路分别经历不同的相移后又将它们合在一起输出；设计方法：将N个输入波导和N个输出波导，二个聚焦平面波导（星型耦合器）和通道阵列波导，集成在单一衬底上。

使得输入／输出波导的位置和阵列波导的位置满足罗兰圆规则。

4.简述光耦合器和WDM 分波器有什么不同。

解：在宽带光纤耦合器中，通常通过改变熔融拉锥工艺，使耦合器输出端口的分光比不受波长的影响。

相反，在WDM 器件中则改变熔融拉锥工艺，使分光比随波长急剧变化。

5.光滤波器有哪些种类，滤波器应用在什么场合？解：光滤波器主要有F-P腔滤波器、M-Z干涉滤波器、阵列波导光栅滤波器、声光可调滤波器，光纤光栅滤波器。

光滤波器用于滤出特定波长的光信号。

6.光开关有哪些性能参数，在光纤通信中有什么作用？解：光开关的性能参数主要有开关时间、通断消光比、插入损耗、串扰、偏振依赖损耗；光开关在光纤通信技术中作光路切换之用，如系统的主备切换等。

它是光交换的关键器件，在光网络中有许多应用场合。

7•简述F-P腔可调谐滤波器的工作原理。

解：F-P腔型滤波器的主体是F-P谐振腔，是由一对高度平行的高反射率镜面构成的腔体，当入射光波的波长为腔长的整数倍时光波可形成稳定振荡，输出光波之间会产生多光束干涉，最后输出等间隔的梳状波形。

通过改变腔长L 或腔内的折射率n 来改变滤波器的中心波长。

练习题4答案一、名词解析1、动态范围：初始背向散射电平与噪声电平的差值2、背向散射：光纤自身反射和的光信号3、反射事件：引起反射和损耗幅度较大的事件4、盲区：由反射事件引起的OTDR接收端饱和而带来的一系列“盲点”5、幻峰：是指在光纤末端之后出现的光反射峰6、熔接法：在待接光纤轴对准后，用电弧放电的加热方式熔接光纤端面的方法（P236）7、光缆线路障碍：是指由于光缆在用光纤中的一根或以上的光纤中断或光纤性能发生变化而影响正常通信的事故。

（P301）8、全阻障碍：是指光缆的纤芯全部中断或光纤性能发生变化而备用纤芯的倒通时间超过10分钟的障碍。

（P301）9、光缆抢代通：就是迅速地用应急光缆代替原有的障碍光缆，实现通信临时性恢复。

（P312）二、填空1、稳定光源、白色光源、可见光源2、仪表的采样间隔、时钟精度、光纤折射率、光缆的成揽因素3、光缆线路工程、光缆线路维护（P260）4、单盘测试、竣工测试（P260）5、切断法、后向法、插入法（P262）6、传输脉冲时延法、反射脉冲时延法（P270）7、省光缆线路维护主管部门、线务站、光缆段（P291）8、一般障碍、逾限障碍、全阻障碍、重大障碍（P301）9、先一级、二级，后本地网等；先抢通，后修复（P312）10、查修（P312）11、3个（P312）12、200（P312）13、先抢代通，后修复三、简答1、（1）光纤类型不匹配，采用与被测光纤同种模式的光纤（及匹配）（2）伪增益现象：双向测试，取平均值（3）盲区即OTDR饱和现象，消除盲区（4）幻峰，平整、清晰端面。

（P227-228）2、（1）开机（2）参数设置（3）按测试键（4）存储曲线（5）曲线分析（P231-232）3、（1）、准备工作，包括技术准备、器材准备和光缆准备（2）、接续位置的确定（3）、开剥光缆（4）、加强芯、金属护层的固定处理（5）、剥松套管，穿套光纤保护套管，清洁光纤，制作光纤端面，光纤的接续（6）、光纤连接损耗的监测（7）、光纤余留长度的收容处理（8）、封装光缆接头盒（9）、光缆接头盒的安装固定、清理现场。