第六章光纤通信(1)

第一章 概述1 用光导纤维进行通信最早在哪一年由谁提出? 1966年由英籍华人高锟提出。

2 光纤通信有哪些优点?频带宽、传输容量大；损耗小、中继距离长；重量轻、体积小； 抗电磁干扰性能好；泄漏小、保密性好；节约金属材料，有利于资源合理使用。

3 光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作用。

点对点光纤通信系统通常由光发射机、光纤、光中继器和光接收机四部分组成，如下图所示：光放大器光纤信息光发射机的作用是把电信号转变为光信号注入光纤传输，它通常由复用器、调制器和光源组成。

复用器的作用是把多路信息信号复用为时分复用（TDM ）信号或频分复用（FDM ）信号。

调制器的作用是用复用信号直接调制（IM ）激光器（LD ）的光强，或通过外调制器调制 LD 的相位。

光源是把电信号转换为光信号，以便在光纤中传输。

光接收机的作用是把经光纤传输后的微弱光信号转变为电信号，对其放大并解调出原基带信号。

光中继器的作用是对经光纤传输衰减后的信号进行放大。

光中继器有光-电-光中继器和全光中继器。

如需对业务进行分出和插入，可使用光-电-光中继器；如只要求对光信号进行放大，则可以使用光放大器。

光纤是光信号传输的介质。

4 简述通信网络的分层结构。

P125 简述通信网络的发展过程。

P8第二章 光纤和光缆1 用光线光学方法简述多模光纤导光原理。

当入射角超过临界角时，没有透射光，只有反射光，这就是多模光纤波导传输光的原理。

2 作为信息传输波导，实用光纤有哪两种基本类型？多模光纤和单模光纤3 什么叫多模光纤？什么叫单模光纤？如果光纤只支持一个传导模式，则称该光纤为单模光纤。

相反，支持多个传导模式的光纤称为多模光纤。

4 光纤传输电磁波的条件有哪2个？光纤传输电磁波的条件除满足光线在纤芯和包层界面上的全反射条件外，还需满足传输过程中的相干加强条件。

5 造成光纤传输损耗的主要因素有哪些？哪些可以改善的？最小损耗在什么波长范围内？引起光纤衰减的原因是光纤对光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。

光纤通信行业光纤传输与数据通信方案第一章光纤通信概述 (2)1.1 光纤通信的发展历程 (2)1.2 光纤通信的基本原理 (2)1.3 光纤通信的优势与挑战 (3)第二章光纤传输系统 (3)2.1 光纤的类型与特性 (3)2.2 光纤传输系统的构成 (4)2.3 光纤传输系统的功能指标 (4)第三章光源与探测器 (4)3.1 光源的工作原理及分类 (4)3.2 探测器的工作原理及分类 (5)3.3 光源与探测器的功能参数 (5)第四章光放大器技术 (6)4.1 光放大器的原理与分类 (6)4.2 光放大器的设计与优化 (6)4.3 光放大器的功能评估 (7)第五章波分复用技术 (7)5.1 波分复用技术的原理 (7)5.2 波分复用系统的设计 (7)5.3 波分复用技术的应用 (8)第六章光纤通信网络 (8)6.1 光纤通信网络的拓扑结构 (8)6.1.1 星型拓扑 (8)6.1.2 环型拓扑 (9)6.1.3 总线型拓扑 (9)6.1.4 树型拓扑 (9)6.1.5 网状拓扑 (9)6.2 光纤通信网络的规划与优化 (9)6.2.1 网络规划 (9)6.2.2 网络优化 (9)6.3 光纤通信网络的故障处理 (10)6.3.1 故障分类 (10)6.3.2 故障处理流程 (10)6.3.3 故障处理方法 (10)第七章数据通信协议 (10)7.1 数据通信协议概述 (10)7.2 常见数据通信协议介绍 (11)7.2.1 以太网协议（Ethernet） (11)7.2.2 传输控制协议/互联网协议（TCP/IP） (11)7.2.3 用户数据报协议（UDP） (11)7.2.4 虚拟专用网络（VPN）协议 (11)7.3 数据通信协议的选择与优化 (11)第八章数据加密与安全 (12)8.1 数据加密的基本原理 (12)8.2 常见数据加密算法 (12)8.2.1 对称加密算法 (12)8.2.2 非对称加密算法 (12)8.2.3 混合加密算法 (13)8.3 光纤通信数据安全策略 (13)第九章光纤通信设备的维护与管理 (13)9.1 光纤通信设备的日常维护 (13)9.2 光纤通信设备的故障处理 (14)9.3 光纤通信设备的管理策略 (14)第十章光纤通信行业的发展趋势与展望 (15)10.1 光纤通信行业的发展现状 (15)10.2 光纤通信行业的发展趋势 (15)10.3 光纤通信行业的未来展望 (15)第一章光纤通信概述1.1 光纤通信的发展历程光纤通信作为现代通信技术的重要组成部分，其发展历程可追溯至20世纪60年代。

光纤通信基本知识第一篇：光纤通信基本知识一、光纤通信的基本知识（一）光纤通信的概念1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。

结果使观众们大吃一惊。

人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。

这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研究，发现这是由于全反射的作用，由于水等介质密度由于比周围的物质（如空气）大，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。

表面上看，光好像在水流中弯曲前进。

后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。

由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。

（视频）光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。

（视频）（二）光纤通信的发展光纤通信是现代通信网的主要传输手段，它的发展历史只有一二十年，已经历三代：短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤。

采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光纤通信。

中国光纤通信已进入实用阶段。

（三）光纤通信的优缺点1、光纤通信的优点现代通信网的三大支柱是光纤通信、卫星通信和无线电通信，而其中光纤通信是主体，这是因为光纤通信本身具有许多突出的优点：①频带宽，通信容量大。

光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一对光纤能同时传输24192路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输30000多路电话。

第6章复习思考题参考答案6-1 EDFA的工作原理是什么？有哪些应用方式答：现在我们具体说明泵浦光是如何将能量转移给信号的。

若掺铒离子的能级图用三能级表示，如图6.3.2（a）所示，其中能级E1代表基态，能量最低，能级E2代表中间能级，能级E3代表激发态，能量最高。

若泵浦光的光子能量等于能级E3与E1之差，掺杂离子吸收泵浦光后，从基态E1升至激活态E3。

但是激活态是不稳定的，激发到激活态能级E3的铒离子很快返回到能级E2。

若信号光的光子能量等于能级E2和E1之差，则当处于能级E2的铒离子返回基态E1时就产生信号光子，这就是受激发射，使信号光放大获得增益。

图6.3.2（b）表示EDFA的吸收和增益光谱。

为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到能级E3。

从以上分析可知，能级E2和E1之差必须是相当于需要放大信号光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态E1跃迁到激活态E3。

图6.3.2 掺铒光纤放大器的工作原理EDFA可作为光发射机功率增强放大器、接收机前置放大器，或者取代光-电-光中继器作为在线光中继器使用。

在光纤系统中可延长中继距离，特别适用于长途越洋通信。

在公用电话网和CA TV分配网中，使用EDFA补偿分配损耗，可做到信号无损耗的分配。

另外，EDFA可在多信道系统中应用，因为EDFA的带宽与半导体光放大器（SOA）的一样都很宽（1~5 THz），使用光放大器可同时放大多个信道，只要多信道复合信号带宽比放大器带宽小就行。

EDFA具有相当大的带宽（∆λ = 20~40 nm，或∆f = 2.66~5.32 THz），这就意味着可用来放大短至皮秒级的光脉冲而无畸变。

从光波系统的应用观点出发，EDFA的潜在应用在于它们可放大ps级的脉冲而不发生畸变的能力。

6-2 EDFA有几种泵浦方式？哪种方式转换效率高？哪种噪声系数小答：使用0.98 μm和1.48 μm的半导体激光泵浦最有效。

★第一章概述问：1. 什么叫光纤通信？它与光通信有何区别？答：光纤通信是指利用光导纤维传输光波信号的通信方式。

光通信只是指以光波的形式携带信号传输的通信方式，并不要求光波信号一定要在光纤中传输。

问：2.光纤通信的低损耗窗口指什么？为什么叫窗口？答：光纤通信的低损耗窗口指0.85μm，1.31μm ，1.55μm。

由于用这三个波长传输信号时损耗很小，因此信号能够从发送端传送到接收端，就好像窗户能够透光一样，因此低损耗的波长可以称为窗口。

问：3. 光折射率的含义是什么？代表什么？答：光折射率可以用n表示，等于自由空间中的光速与光波在某一介质中的传播速度的比值。

n越大，表示光波所在的介质传播速度慢，可以理解成该介质粒子分布密集，n越小，表示光波所在的介质传播速度快，因此可以理解成该介质粒子分布稀疏。

★第二章光导纤维问：4. 色散如何理解？色散对信号有什么影响？答：光纤中传输的光信号是由不同的频率成份和不同的模式成份构成，它们有不同的传播速度，从而使波形在时间上发生展宽，这种现象称为色散。

色散会使光脉冲展宽，因此会造成波形展宽，从而产生码间干扰。

问：5.如何解释光纤中的模式色散、材料色散及波导色散？答：材料色散是由于材料本身的折射率随频率而变化，使得信号各频率成份的群速不同引起的色散。

波导色散是对于光纤某一模式而言，在不同的频率下，相位常数β不同，使得群速不同而引起的色散。

模式色散是指光纤不同模式在同一频率下的相位常数β不同，因此群速不同而引起的色散问：6. 请问多模光纤的多模指的是什么？答：多模指的是多个模式，模式是指能够独立存在、独立传输的电磁场的结构形式。

问：7. 请问多模光纤中有哪几种模式，各种模式有什么区别？答：多模光纤中可以有无穷多模式，主要看光纤尺寸、纤芯折射率、入射光波长等因素。

各模式的区别主要是电磁场的结构形式不同。

问：8. 一根多模光纤中可以存在多少模式？答：一根多模光纤中可以存在无穷多模式，主要看光纤尺寸、纤芯折射率、入射光波长等因素。

光纤通信第一章：1、什么是光纤通信：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2、光纤的主要作用是什么？引导光在光纤内沿直线或弯曲的途径传播。

Or（单模光纤的纤芯直径为4μm～10μm，适用于高速长途通信系统。

多模光纤的纤芯直径为50μm，适用于低速短距离通信系统）3、与电缆或微波等通信方式相比，光纤通信有何优缺点？光纤通信有何优点：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、体积小丶抗电磁干扰性能好泄漏小，保密性能好 节约金属材料，有利于资源合理使用or与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下：(1)传输频带极宽，通信容量很大(2)由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；(3)串扰小，信号传输质量高；(4)光纤抗电磁干扰，保密性好；(5)光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；(6)耐化学腐蚀；（7)光纤是石英玻璃拉制成形原材料来源丰富4、为什么说使用光纤通信可以节省大量有色金属？5、为什么说光纤通信具有传输频带宽，通信容量大？光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一堆光纤能同时传输24192路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输3000多路电话，频带宽对于各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则，无法满足未来宽带综合业务数字网（B-ISDN）发展的需要。

6、可见光是人眼能看见的光，其波长范围是多少？0.39~0.76μm7、红外线是人眼能看见的光，其波长范围是多少？0.76~300μm8、近红外区：其波长范围是多少？0.76~1.5μm9、光纤通信所用光波的波长范围是多少？0.8~1.6μm10、光纤通信中常用的三个低损耗的窗口的中心波长分别是多少？0.85,1.30,1.55μm第二章：1、典型光纤由几部分组成？各部分的作用是什么？光纤由纤芯、包层和涂覆层3部分组成。

其中纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。

光纤通信复习要点第⼀章1.光纤通信的定义光纤通信是采⽤光波作为信息载体，并采⽤光导纤维作为传输介质的⼀种通信⽅式。

2.光纤通信的优点频带宽，通信容量⼤；损耗低，中继距离长；抗电磁⼲扰；⽆串⾳⼲扰，保密性好；光纤线径细、重量轻、柔软；原材料资源丰富，可节约⾦属材料；耐腐蚀，寿命长。

3.光纤通信的缺点光纤质地脆、机械强度低；需要⽐较好的切割及连接技术；分路、耦合⽐较⿇烦；弯曲半径不宜太⼩。

第⼆章1.光纤的基本结构：折射率较⾼的芯区、折射率较低的包层、表⾯涂敷层。

2.光纤的分类按传播模式分类：单模光纤尺⼨：光纤的纤芯直径尺⼨扩展到⼏个波长（通常是8～12个波长），并且使纤芯包层折射率差很⼩，只允许传输⼀个基模的光纤。

纤芯直径2a=8～10µm(⽆实际意义)，包层直径2b=125µm 。

优点：带宽极宽、衰减⼩。

应⽤：适⽤于⼤容量的光纤通信。

多模光纤尺⼨：远⼤于光波波长，能传输多个模式的光纤。

纤芯直径2a=50µm，包层直径2b=125µm 。

优点：制造简单、接续容易。

缺点：存在模式⾊散，带宽窄。

应⽤：适应于较⼩容量的光纤通信。

3.光纤的传输特性：损耗特性、⾊散特性、⾮线性效应。

第三章简单题：1.半导体发光的机理：半导体材料具有能带结构⽽不是能级结构。

半导体材料的能带分为导带、价带与禁带。

电⼦从⾼能级范围的导带跃迁到低能级范围的价带，会释放光⼦⽽发光。

2.⾃发辐射由于位于⾼能级E2的原⼦是不稳定的，将⾃发地向低能级跃迁，并释放出能量为h ν = E1 - E2的光⼦，这种辐射称为⾃发辐射。

各个处于⾼能级的粒⼦都是⾃发的、独⽴地进⾏跃迁，其辐射光⼦的频率不同，所以⾃发辐射的频率范围很宽。

⾃发辐射产⽣⾮相⼲光。

3.受激辐射若原⼦原来处于⾼能级E2上，被能量为hv的光⼦激发，将向E1能级跃迁，并产⽣能量为hv的光⼦。

两者同频，同相，同偏振，为相⼲光。

这⼀辐射过程称为受激辐射。

现代通信技术辅导6第六章光纤通信一、知识点∙光纤通信概述。

∙光纤与光缆。

∙光纤通信系统。

二、重点难点内容（一）光纤通信概述本节介绍光纤通信的概念、发展、实用工作窗日以及光纤通信的特点。

光纤即为光导纤维的简称。

光纤通信是以光纤为传输媒质，以光信号为信息载体的通信方式。

1. 光纤通信的发展史1966年，英籍华人高馄指出：如果能够减少玻璃中的杂质含量，就可以制造出损耗低于20dB/km 的光纤。

1970 年是使光纤通信发展出现跨越的一年，美国康宁公司研制出了损耗系数为20dB / km的光纤。

同年，美贝尔公司研制出使用寿命长达几小时的半导体激光器，光纤通信从此进入飞速发展。

通过以上的发展时期可以把光纤通信的发展归纳为三个阶段：1966～1976年：从基础研究到商业应用的开发时期；1976～1986 年：以提高传输速率和增加传输距离为目的和大力推广的发展阶段；1986～1996年：以实现超大容量超长距离为目标，全面深入开展新技术的援救阶段。

2.目前光纤通信的实用工作波长光纤通信传输的信号是光波信号，光波是人们熟悉的电磁波，其波长在微米级，频率为1014Hz ～1015Hz数量级。

根据电磁波潜可知，紫外线、可见光、红外线均属于光波的范畴，μm ～1.8μm。

可分为短波长目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区，即波长为0.8μm，长波长波段是指波长为1.31μm和波段和长波长波段，短波长波段是指波长为0.85μm，这是目前光纤通信所采用的只个工作波长，也叫工作窗口。

1.553.光纤通信的特点目前光纤通信己经成为通信中的最主要的传输技术，以下优点。

( l ) 传输频带宽，通信容量大由信氨论知道，载波频率越高，通信容量越大。

它与其他通信传输系统相比，具有目前光纤通信使用的光载波频率在1014Hz ～1015Hz数量级，比常用的微波频率高104倍～105倍，因而，通信容量原则上比微披通信高104倍～105 倍。

( 2 ) 传输衰减小，传输距离长普通传输线的传输损耗，主要是由铜线的电阻以及导线间电容的漏电引起的，要想降低损耗，就得增大传输线的尺寸。

第一章 光纤通信概述1、 基本概念光纤通信：利用光导纤维传输光波信号的通信方式工作波长：目前光纤通信的实用工作波长在近红外区，即0.8—1.8um 的波长区。

对于SiO2光纤，有三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工作波长，即850nm(用于多模),1310nm （单模），1550nm （单模）。

2、系统的基本组成（物理组成及各部分作用）强度调制/直接检波（IM/DD ）的光纤数字通信系统。

主要由光发射机、光纤、光接收机以及长途干线上必须设置的光中继器组成。

光发射机：将电信号转换成光信号耦合进光纤。

光发射机中的重要器件半导体激光器（LD ）或半导体发光二级管（LED ）是能够完成电-光转换的半导体光源。

光接收机：将光纤送过来的光信号转换成电信号，然后经过对电信号的处理以后，使其恢复为原来的脉码调制信号送入电接收机。

光接收机中的重要器件光电二极管（PIN ）和雪崩二极管（APD ）是能够完成光-电转换的光电检测器。

光中继器：保证通信质量。

有两种形式：光-电-光转换形式的中继器和光信号上直接放大的光放大器。

3、优越性（体现在哪里）①传输频带宽，通信容量大②传输损耗小，中继距离长③在某些条件下，抗电磁干扰能力强④光纤线径细，重量轻，制作光纤的资源丰富4、 技术的现状（PDH 、SDH 、WDM 、光电收发器、EPON ）PDH 、SDH 、WDH 用于语音传输，光电收发器、EPON 用于数据传输 PDH ：用于低容量，近距离SDH ：用于中等距离，较大容量WDM ：用于远距离现在涌现出的EPON 已经商用5、 发展的发展方向（GFP 、ASON 和全光网等）第二章 光导纤维1、 光纤的结构和分类结构：石英材料做成的横截面很小的双层同心圆柱体，线芯、包层和涂敷层。

分类：按横截面折射率分布划分：阶跃型光纤和渐变性光纤；按纤芯中传输模式的多少划分：单模光纤（适用于大容量长距离光纤通信）和多模光纤（存在模色散，带宽窄，制造、耦合及连接都比单模光纤容易）2、 用射线理论分析光纤的导光原理（阶跃、渐变），推出几个重要的参数和指标阶跃：相对折射指数差：△=2122212/)(n n n - 数值孔径：∆=-==2sin 12221max n n n NA φ渐变：最佳折射指数分布：可以消除模式色散的n(r)分布。