第1章概述
1、光纤通信的基本概念：利用光导纤维传输光波信号的通信方式。
光纤通信工作波长在于近红外区：0.8～1.8μm 的波长区， 对应频率: 167～375THz 。
对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工
作波长，即0.85μm 、1.31μm 及1.55μm 。
2、光纤通信系统的基本组成：（P2图1-3）
目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD ）的光纤数字通信系
统。该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。
1）在点对点的光纤通信系统中，信号的传输过程：由电发射机输出的脉码调制信号送入光接收机，光接收机将电信号转换成光信号耦合进光纤，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，最后由信息宿恢复用户信息。 2）光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用半
导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管（LD)。
3）光接收机中的重要部件是能够完成光-电转换的光电检测器，目前主要采用光
电二极管（PIN ）和雪崩光电二极管（APD ）。特性参数：灵敏度
4）一般地，大容量、长距离光纤传输 : 单模光纤+半导体激光器LD
小容量、短距离光纤传输 : 多模光纤+半导体发光二极管LED
5）光纤线路系统：
功能：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。
组成：光纤、光纤接头和光纤连接器
要求：较小的损耗和色散参数
3、光纤通信的特点：
优点：（1），传输频带宽，通信容量大。（2）传输损耗小，中继距离长：石英光
纤损耗低达0.19 dB/km ，用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多。
（3）保密性能好：光波仅在光纤芯区传输，基本无泄露。
（4）抗电磁干扰能力强：光纤由电绝缘的石英材料制成，不受电磁场干扰。
（5）体积小、重量轻。（6）原材料来源丰富、价格低廉。
缺点：1）不能远距离传输；2）传输过程易发生色散。
4、（1）光纤通信在通信网中的未来发展趋势：GFP 、ASON 、全光网
（? 波分复用技术（WDM ）? 相干光通信? 超长波长光纤通信 ? 光集成技术
? 光孤子通信）
（2）相应技术手段：时分复用 TDM ；波分复用 WDM ；光时分复用 OTDM ；
光放大技术；色散补偿技术。
（3）技术现状：PDH 、SDH 、WDM 、光电收发器、EPON
息源电发射机光发射机光接收机电接收机
信息
宿光纤线路接 收
发 射电信号输入光信号输出光信号输入电信号
输出
超高速度、超大容量以及超长距离传输的光纤通信一直是人们追求的目标，光纤到户和全光网是人们希望早日实现的梦想。目前1.6Tbit/s的WDM系统已经大量使用，随着技术和业务的不断发展，WDM技术正从长途传输领域向城域网领域扩展。未来的高速通信网是全光网。它是以光节点代替电节点，节点之间也是全光化，具有良好的透明性、开放性、兼容性以及可靠性，并且能够提供巨大的带宽，网络结构简单，组网非常灵活。
要形成一个已WDM技术与光交换技术为主的光网络层，建立起真正的全光网络，必须要解决的问题是消除电光瓶颈，而光纤到户FTTH是解决从Internet 主干网到用户的“最后一公里”瓶颈现象的最好方案。
第2章光导纤维
1、光纤的结构：目前，通信用的光纤绝大多数用石英材料做成的横截面积很小的双层同心圆柱体。光纤由涂覆层、纤芯、包层组成。
折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n1，直径为2a；
折射率低的外围部分称为包层，其折射率为n2，直径为2b。
纤芯：纤芯位于光纤的中心部位（直径d1= 9 ～50μm）。
多模光纤的纤芯为50μm，单模光纤的纤芯为9～10μm。
成份：高纯度的二氧化硅。还掺有极少量的掺杂剂（如二氧化锗，五氧化二磷）。作用：适当提高纤芯对光的折射率(n1)，用于传输光信号。
包层：位于纤芯的周围（直径d2= 125μm），含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。作用：适当降低包层对光的折射率(n2)，使之略低于纤芯的折射率，即n1> n2，这是光纤结构的关键，它是使光信号封闭在纤芯中传输。
涂敷层：由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成。
作用：增加光纤的机械强度与可弯曲性。
2、光纤的分类：
目前在通信中使用较为广泛的光纤有两种：紧套光纤与松套光纤。
1）、按照光纤横截面折射率分布不同来划分：
①阶跃型光纤：纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，称为：均匀光纤。
②渐变型光纤：如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为：非均匀光纤。
2）按照纤芯中传输模式的数量划分：
多模光纤：在一定的工作波下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。
多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可采用渐变折射率分布
多模光纤的纤芯直径约为50μm。
模式色散，仅适用于低速率、短距离通信
单模光纤：光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤
单模光纤的纤芯直径较小，约为4～10μm。适用于大容量、长距离的光纤通信。3）按照传输波长分类：
（1）短波长光纤：0.85μm （0.8～0.9μm)
作用：用于短距离市话中继线路或专用通信网等线路.
（2）长波长光纤：1.3～1.6μm （主要1.3μm 和1.55μm 两个窗口）
作用：用于干线传输。
4）按照使用材料的不同来分：玻璃光纤、全塑光纤、石英系列光纤。
3、阶跃型光纤的导光原理
1）相对折射指数差： 弱导波光纤： 2）导波：携带信息的光波在光纤的纤芯中，由纤芯和包层的界面引导前进，这
种波称为导波。
形成导波的条件：能在纤芯界面上产生全反射的子午线才能在纤芯中形成导波，
即子午射线只有满足:
才能在纤芯中形成导波（即满足全反射条件 ）。 3）数值孔径NA ：表示光纤捕捉入射光线的能力。
4）阶跃型光纤中的光射线种类
子午射线 ：子午线在端面上的投影是一条直线 斜射线：是不经过光纤轴线的空间折线。
4、渐变型光纤的导光原理
1）渐变型的子午线不是直线，而是曲线。在轴线处折射指数最大；在纤芯和包
层的交界面处折射指数最小为n2,即n2=n(a).
2）得到最佳折射指数分布的前提条件：（1）均匀的激励；（2）恒定的光中心波
长；（3）相同传输损耗的模式；
最佳折射指数分布：这种在最大程度上减少模式色散的 n(r) 分布，称为渐变型
光纤的最佳折射指数分布。双曲正割型和平方律型
3）渐变型（平方律）光纤的最佳折射指数分布表达为：
4）渐变型光纤的本地数值孔径 NA
渐变型光纤纤芯折射指数 n 1 随半径r 变化。因此，数值孔径NA 是纤芯端
面上位置的函数。故，渐变型光纤纤芯在某一点的数值孔径可表示为：
比较：阶跃型光纤的数值孔径
渐变型光纤的数值孔径 NA 表征的意义：
当折射指数越大时，本地数值孔径也越大，表示光纤捕捉射线的能力就越强。
轴线处的折射指数最大，捕捉射线的能力最强。 例题：已知：渐变型光纤的折射指数分布为： 试求：该光纤的本地数值孔径。
解： )(r n =2122212n n n -=?121n n n -≈?2221sin n n -≤φ)
()()(22a n r n r NA -=21)(21)0()(???????-=a a r n r n )()()(22a n r n r NA -= )()(21)0()(22a n r a n r NA a -?????
??-=
5、用波动理论法分析光纤的导光原理
（1）阶跃型光纤的标量近似解法
归一化频率：P26
导波的数量：P32
单模传输条件： 0 （2）渐变型光纤的标量近似解法 归一化频率：P26 最大导波数量：P37 截止条件V ＜Vc ；远离截止：V →∞ 例题：已知：渐变光纤纤芯的折射指数为n1=1.5，相对折射指数差△=0.01、纤 芯半径a=25μm 。若λ0 =1μm ，求：该光纤的归一化频率值及其中传播的模数 量。 解： 代入数据可得归一化频率为： 最大传播模式数量 = 261 例题：已知：阶跃型光纤，若n1=1.5，λ0=1.31μm ， （1）若 △=0.01，当保证单模传输时，纤芯半径a 应取多大？ （2）若纤芯半径a=5μm ，应怎样选择△才能保证单模传输？ 解：（1）单模传输的条件 0 2）若纤芯半径a=5μm 0< √2△* 1.5 * * 5 <2.4 6、阶跃光纤的折射率主要由于以下两方面的原因使得折射指数呈渐变趋势： —— 纤芯材料和包层材料各不同，在制造过程中，相互扩散渗透，使得在纤芯 包层交界处折射率由n 1逐渐过度到n 2，呈“圆形”变化 —— MCVD 工艺制造过程中，在预制棒制作阶段，使得纤芯r =0处，折射指数 ???????--???????-=∴a a a a n r a n r NA )(21)0()(21)0()(22??????-?=∴a r a n r NA )(1)0(2)(2a k n V 012?= 002λπ=k 3216.32=V a k n V 012?= a k n V 012?= a k n V 012?= 40483.22001 下陷。 7、单模光纤的特征参数：（1）衰减系数（2）截止波长λ c ：当λ＞λc时，光纤才能传输基模。（3）模场直径d：沿芯径方向上，相对该场强最大点功率下降了1/e的两点之间的距离，称为单模光纤的模场直径 四种新型单模光纤： 1）．色散位移单模光纤（DSF） 常规石英单模光纤：在1.55μm处损耗最小；在1.31μm时色散系数趋于零； 色散位移单模光纤（DSF）：将零色散点移到1.55μm 单模光纤的色散= 材料色散+ 波导色散。 实现方法：通过改变光纤的结构参数，加大波导色散值。 图示色散位移光纤的色散 ? 2）．非零色散光纤NZDF 存在问题：在色散位移光纤线路中采用光纤放大器会使得光纤中的光功率密度加大，引起非线性效应。当应用到WDM系统中造成光波间能量交换，引起信道间干扰。 解决方法：将零色散波长移至1.54-1.565范围内，减小其色散值。约为1.0～4.0PS/km·nm。 3）、色散平坦光纤DFF 为了挖掘光纤的潜力，充分利用光纤的有效带宽，最好使光纤在整个光纤通信的长波段（1.3～1.6μm）都保持低损耗和低色散，即研制了一种新型光纤为了实现在一个比较宽的波段内得到平坦的低色散特性，采用的方法是利用光纤的不同折射率分布来达到目的。 4）色散补偿光纤DCF ?色散补偿又称为光均衡，它主要是利用一段光纤来消除光纤中由于色散的存在使得光脉冲信号发生的展宽和畸变。 ?能够起这种均衡作用的光纤称为色散补偿光纤（DCF）。 ?如果常规光纤的色散在1.55μm波长区为正色散值，那么DCF应具有负的色散系数。使得光脉冲信号在此工作窗口波形不产生畸变。DCF的这一特性可以比较好地达到高速率长距离传输的目的。 适用光纤： G.652 和G.654：常规单模光纤，色散最小值在1310nm处，衰减最小值在1550nm 处。常见的结构有阶跃型和下凹型单模光纤。 G.653：色散位移光纤，色散最小值在1550nm处，衰减最小值在1550nm处。难 以克服FWM混频等非线性效应带来的影响。 G.655：非零色散光纤，色散在1310nm处较小，不为0；衰减最小值在1550nm 处。可以尽量克服FWM混频等非线性效应带来的影响。 综上所述，选择G.655作为WDM使用的光纤最为适宜。 8、光纤的传输特性： （1）光纤的损耗特性 分类：吸收损耗、散色损耗 ——吸收损耗定义：光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。 原因1：本征吸收。即光纤基本材料（SiO2）固有吸收。吸收损耗的大小与波长有关，对于SiO2石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，分别为紫外吸收带，和红外吸收带。 原因2：杂质吸收。材料的不纯净和工艺不完善造成的附加吸收损耗。尤为氢氧根离子的吸收。 ——散射损耗定义：由于光纤的材料、形状及折射指数分布等的缺陷或不均匀，光纤中传导的光散射而产生的损耗。 分类：线性散射损耗、非线性散射损耗。 ?线性散射损耗主要包括：瑞利散射、材料不均匀引起的散射 ?非线性散射主要包括：受激喇曼散射、受激布里渊散射等。 ①瑞利散射损耗 ?瑞利散射损耗也是光纤的本征散射损耗。 ?这种散射是由光纤材料的折射率随机性变化而引起的。 ?瑞利散射损耗与1/λ4成正比，它随波长的增加而急剧减小，所以在长波长工作时，瑞利散射会大大减小。 ②材料不均匀所引起的散射损耗 ?结构的不均匀性以及在制作光纤的过程中产生的缺陷也可能使光线产生散射。 （2）光纤的色散特性 一般将光功率降到峰值一半时所对应的波长范围称为光源的谱线宽度，用Δλ表示。一个理想的光源发出的应是单色光，即谱线宽度应为零。 光纤中传送的信号是由不同的频率成分和不同的模式成分构成的。它们有不同的传播速度，将会引起脉冲波形的形状发生变化。如果从波形在时间上展宽的角度去理解，也就是光脉冲在光纤中传输，随着传输距离的加大，脉冲波形在时间上发生了展宽，这种现象称为光纤的色散。 结论：光源的谱线宽度越宽，信号的时延差就越大，起的色散也就越严重。 光纤中的色散 ?模式色散：光纤中的不同模式，在同一波长下传输，各自的相位常数βmn不同，它所引起的色散称为模式色散。 ?材料色散：由于光纤材料本身的折射指数n和波长λ呈非线性系，从而使光的传播速度随波长而变化，这样引起的色散称为材料色散。 ?波导色散：光纤中同一模式在不同的频率下传输时，其相位常数不同，这样引起的色散称为波导色散。 材料色散和波导色散都属于频率色散，在多模光纤中存在频率色散和模式色散；在单模光纤中只存在频率色散。 比较：多模阶跃型光纤和多模渐变型光纤，依照时延差公式，在相同的条件下，渐变型光纤的色散较小。 9、色散对中继距离的影响： （1）码间干扰对中继距离的影响：“拖尾”现象引起。 （2）模分配噪声对中继距离的影响：高码速条件下，多纵模激光器产生的信号功率谱线随机分配，造成接收端判决困难。 （3）啁啾声对中继距离的影响：直接强度调制状态下，单纵模激光器在注入电流变化的时候，有源区的折射率指数发生变化使得振荡波长随时间偏移，即：频率啁啾。这种情况下，光脉冲经过光纤后，在色散作用下，光脉冲波形展宽，因此接收取样点所接收的信号就会存在随机成分，即：啁啾声。 10、衰减对中继距离的影响 11、最大中继距离的计算 （1）衰减受限系统：在衰减受限系统中，中继距离越长，则光纤通信系统的成本越低，获得的技术经济效益越高。在工程设计中，一般光纤通信系统的中继距离可以表示为：P112 （2）色散受限系统： 中继距离公式为： P114【例题4-1】若一个622Mbit/s单模光缆通信系统，其系统总体要求如下：系统中采用InGaAs隐埋异质结构多纵摸激光器，其阀值电流小于50mA，标称波长=1310mm，波长变化范围为=1295mm，=1325mm。光脉冲谱线宽度≤2nm.。发送光功率=2dBm。如用高性能的PIN-FET组件，可在BER=1×条件下得到接收灵敏度 =-30dBm，动态范围D≥20dB。那么考虑采用直埋方式情况下，光缆工作环境温度范围为0℃～26℃时，计算最大中继距离。 解：（1）衰减的影响： 若考虑光通道功率代价=1dB，光连接器衰减Ac=1dB（发送和接收各一个），光纤接头损耗As=0.1dB/Km，光纤固有损耗=0.28dB/Km，取M C=0.1dB/Km，M E=3.2dB,则： (2)色散的影响： 取光纤色散系数D≤2ps/(k m·nm)， 由上述计算可以看出，中继距离只能小于46km，对于大于46km的线段，可采用加中继站或光放大器的方法解决。 12、光纤的非线性效应 定义：在强光场的作用下，光波信号和光纤介质相互作用的一种物理效应。 包括：由于散射作用而产生的非线性效应。如，受激喇曼散射、布里渊散射； 由于光纤的折射指数随光强度变化引起的非线性效应。如，自相位调制SPM、交叉相位调制XPM、四波混频FWM等。 13、光孤子通信：为了使光纤中所传输的光信号能够保持其脉冲波形的稳定，从而提高系统的传输距离。这种技术称为光孤子通信。 光纤的损耗和色散是制约传输系统中继距离的主要因素，而光孤子通信技术可以解决色散问题。 第3章光纤通信器件 1、半导体光源的种类：半导体激光器LD和半导体发光二极管LED。 光和物质的相互作用： 1）自发辐射的特点： ①在没有外界作用的条件下自发产生的过程 ②辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。 ③电子的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。 2）受激吸收的特点： ①在外来光子的激发下发生跃迁过程 ②外来光子的能量等于电子跃迁的能级之差 ③受激跃迁是一个消耗外来光能的过程 3）受激辐射的特点： ①外来光子的能量等于跃迁的能级之差。 ②受激过程中发射出来的光子与外来光子频率、相位、偏振方向、传播方向相同 ③这是一个使光得到放大的过程。 2、1）激光器的工作原理：激光器是能够产生激光的自激振荡器。发出振荡光的前提是受激辐射作用大于受激吸收作用。受激辐射是产生激光的关键。在热平衡条件下，物质不可能有光放大作用。粒子数发转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。 2）激光器的基本组成： ——> 能够产生激光的工作物质 ——> 泵浦源：使粒子数反转分布（N1 < N2）的外界激励源。 ——> 能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数发转分布，成为激活物质，从而有光的放大作用。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。 3、半导体激光器的结构、工作原理及工作特性 1）光纤通信对半导体发光器件LD/LED 的基本要求： a、光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口 b、能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。 c、与光纤的耦合效率高。 d、光源的谱线宽度窄。 e、寿命长，工作稳定。 2）LD的结构：从光振荡的形式上来看，激光器分为：布里-珀罗谐振腔（F-P 腔）激光器和分布反馈型（DFB）激光器。常用的光纤通信激光器——铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结条形激光器。它的特点：注入电流小，发光强度大。 3 ）比较LD、LE： 4、常用的半导体光电检测器：PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管 1）APD工作特性：具有光/电转换作用； 具有内部放大作用；（通过管子内部的雪崩倍增效应完成）2）APD的雪崩倍增效应： 光生载流子在P-N结强电场处加速后与晶格的原子发生碰撞后使价带的电子得到了能量；越过禁带到达导带，产生新的电子—空穴对；电子—空穴对在强电场再次被加速，再次碰撞；循环过程，能量倍增。 5、光放大器分类：半导体光放大器和光纤放大器 光纤放大器：非线性光纤放大器（如：拉曼放大器）和掺铒光纤放大器（EDFA）。1）EDFA的优点：①工作波长接近于光纤低损耗窗口：1.53～1.56μm ②泵浦功率低，仅需几十毫瓦；③高增益：40dB④低噪声、噪声系数可低至3～4dB，大功率输出：14～20dBm。⑤连接损耗低：0.1dB。 2）EDFA的基本结构：由掺铒光纤、泵浦光源（主体部件）、光耦合器、光滤波器等组成。 3）EDFA的工作原理：在泵浦源的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数发转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大。 6、无源光器件：光定向耦合器、光隔离器、光环行器、光滤波器、光开关、波长转换器、波分复用器。 7、WDM波分复用：在一根光纤中能同时传输多波长光信号的技术，称为光波分复用技术（WDM）。 1）光波分复用器是对光波波长进行合成与分离的光器件。有光波分复用器构成的光波分复用系统，从结构上来分，可分为单纤单向WDM系统和单纤双向WDM系统（基本应用方式）。单向的扩容效率高，具有升级效应，不要求对原有的光纤设施进行改动；双向具有简化传输网络等方面的优点。 2）优点：复用器结构简单、体积小、可靠性高；提高光纤的频带利用率；降低对器件的速率要求；提供透明的传送通道；可更灵活地进行光纤通信组网。 缺点：存在插入损耗和串光等问题。 3）WDM 对光源和光电检测器的要求 对光源的要求：①激光器输出波长保持稳定②激光器应具有比较大的色散容纳值③采用外调制技术 对光检测器的要求：具备多波长检测能力 4）WDM监控和管理系统两个功能：对EDFA的监控与管理；对各波道工作状态的监控。 5）分类：WDM、DWDM密集波分复用、CWDM粗波分复用 根据波长间隔分类：WDM（约几十nm或者200nm）；CWDM（10nm）；DWDM（0.4～2nm）。我国采用100GHz和200GHz作为通路间隔标准。 6）WDM系统结构 ——光发射机输入：SDH的光信号；输出：WDM的光信号。 ——光接收机输入：WDM的光信号；输出：SDH的光信号。 ——光中继可以使用EDFA，也可以使用RFA。增益选取适当，不能过大避免光纤处于非线性状态 7）WDM 网络的关键设备 ①OADM（光分插复用器）：与SDH的ADM功能类似： 波长上、下话路的功能； 具有波长转换功能； 具有光中继放大和功率平衡功能； 提供复用段和通道保护倒换功能，支持各种自愈环； 具有多业务接入功能，比如SDH、Gbit。 不同之处：OADM是在光域上完成；ADM是在电域上完成 ②OXC（光数字交叉连接器）：用于完成光域上光信号的交叉连接 OXC实现的三种方式： ——光纤交叉连接（FXC）：以一根光纤所传输的总容量为基础进行交叉连接。 优点：交叉容量大。 缺点：缺乏灵活性。 ——波长交叉连接（WSXC）：能够转换从输入光纤到输出光纤的一个子集的波长信道。 优点：比FXC灵活，可提供波长业务等。 缺点：无波长转换，会遇到波长缺乏的情况。 ——波长转换连接（WIXC）：任意输入波长经转换到任意输出波长。 优点：任意波长转换，最灵活 8）采用光波分复用技术的高速光纤通信线路 影响波分复用系统性能的因素： (1)制作技术和成本限制：光器件制作成本高于电子器件，而且很多理论上没问题，实际部件难以实现。 (2)串扰影响：信道之间的串扰，引起误码。 (3)稳频：激光器的发射频率。 (4)阻塞特性：对OXC要求无阻塞特性。 9）与WDM系统设计有关的因素 最小光功率：光放输入端，要求到达最后一个光放至少需要多少功率。 最大光功率：光放输出端，以不出现SRS非线性效应为目标，控制功率输出。信噪比、通道间隔、总通道数对传输距离的影响。 第4章光纤通信系统 1、掌握IM/DD光纤通信中的线路码型： 交换机（内部，电信号，PCM，采用NRZ码）——>传输系统 脉冲编码调制(PCM)通信系统中的接口码型: HDB3码、CMI码 PCM系统中的码型并不都适于在数字光纤通信系统中传输。 2、了解IM/DD光纤通信系统： 将光发、光中继、光收、备用系统、监控系统、电源（供电系统）结合起来就形成一个完整的光纤通信系统。 备用系统：采用主备用、负荷分担等形式防止主系统故障。 电源：大多数通信机房电源采用-48V。 监控系统：监视系统的运行状态，比如：系统的温度、光功率等指标是否正常；控制系统的某些动作，比如：主备用系统切换指令等。 3、掌握直接调制和间接调制 1）直接调制：用电信号直接调制LED或LD的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现。它的特点是：成本低，易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限。2）间接调制：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。它的特点是：调制速率高，但技术复杂，成本较高。只用在大容量的波分复用和相干光通信系统中。 4、低速的光纤通信系统：采用IM/DD技术 新型光纤通信系统：采用多信道复用技术 第5章SDH&WDM 1、SDH网由基本网络单元组成：终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、再生中继器（REG）、数字交叉连接设备等。 1）四种网元的区别：TM只是简单的复用。ADM可以实现自由灵活地上下话路功能。DXC具有ADM所有功能，还具有交叉连接，实现电路群的调度，成本较ADM高。REG只起放大信号的作用。 2）终端复用器（TM）：提供由G.703（即PDH接口）接口到STM-1输出的简单复用功能；提供由若干STM-N复用到STM-M（M>N）的复用功能； 3）分插复用器（ADM）：利用分接功能将输入信号所承载的信息分成两部分：一部分直接转发，另一部分卸下给本地用户，然后信息又通过复接功能将转发部分和本地上送的部分合成输出。主要用于SDH网络的转接站点处 4）数字交叉连接器（DXC）：完成STM—N信号的交叉连接功能，多端口器件。相当于交叉矩阵，完成各个信号间的交叉连接。可将输入的m路信号交叉连接到输出的n路信号上 5）再生中继器：光传输网的再生中继器有两种： 一种是纯光的再生中继器，主要进行光功率放大以延长光传输距离； 一种是用于脉冲再生整形的电再生中继器，主要通过光/电变换，电信号抽样、判决、再生整形、电/光变换，以达到不积累线路噪声，保证线路上传送信号波形的完好性。 2、SDH网模型架构 SDH对模型的下列几个方面做了规定：（1）网络节点接口（2）同步数字体系的速率（3）帧结构。 1）网络节点接口 传输设备：光缆传输系统设备；微波传输系统设备；卫星传输系统设备。 网络节点：只有复用功能（简单）；复用、交叉连接多种功能（复杂）。 2）速率：同步传输模块：STM-N，N＝1、4、16等。 STM-1 155.520Mbit/s 155Mbit/s STM-4 622.080Mbit/s 622Mbit/s STM-16 2488.320Mbit/s 2.5Gbit/s STM-64 9953.280Mbit/s 10Gbit/s STM-256 39813.12Mbit/s 40Gbit/s 3）帧结构：SDH帧为块状帧结构，共有9行，270列，以字节为单位 传输方向：从左到右，从上到下。 传输时间（帧长）：Ts＝125μs。 STM-1速率获得：比特数：9×270×N×8=9×270×1×8=19440b 速率：19440b/Ts＝155.520Mb/s。STM-N速率同理 3、STM-N帧包括三个部分：SOH、AU-PTR、PAYLOAD 1）段开销SOH：RSOH，再生段开销：1～3行。 MSOH，复用段开销：5～9行。 区别：监管范围不同。如：若光纤上传输2.5G信号，RSOH监控STM-16整体的传输性能。MSOH监控每一个STM-1的传输性能。 2）管理指针AU-PTR：指示净负荷PAYLOAD中信息的起始字节位置，便于接收端从正确的位置分解出有效传输信息。 3）信息净负荷PAYLOAD：存放有效信息，并由一部分POH组成。POH用于通道监视控制。 4、SDH网的特点： （1）SDH由一系列网元构成（NE），可在光纤、微波、卫星等传输系统上进行同步信息传输、复用和交叉连接。 （2）有统一接口NNI。 （3）有统一信息格式STM-N。 （4）有丰富的管理比特，增加网络维护能力。 （5）可以兼容PDH、ATM、B-ISDN等信号，具有广泛适应性。 5、SDH的复用包括两种情况： （1）低阶的SDH信号复用成高阶SDH信号； （2）低速支路信号（例如PDH的2Mbit/s、34Mbit/s、140Mbit/s）复用成SDH 信号STM-N。 三个步骤：映射（信号打包）；定位（指针调整）；复用（字节间插复用）。 容器C：具有一定格式的帧结构，用来接收相应速率等级的PDH信号，并进行速率适配。 虚容器VC：由容器C的帧信息加上相应的通道开销POH而构成。 支路单元TU：由低阶VC和相应的支路单元指针TU PTR构成。 支路单元组TUG：由1个TU直接构成，或由多个TU复用（按单字节交错间插）而构成。 管理单元AU：由高阶VC（VC-4或在AU支路中的VC-3）和相应的管理单元指针AU PTR构成。 管理单元组AUG：由3个AU-3复用（按单字节交错间插）而构成，亦可由1个AU-4直接构成AUG。 6、SDH光传输系统 在SDH网络中广泛应用的两种类型的系统： 1）点到点系统：具有复用和光接口的线路终端；中继器（可以用半导体放大 器，也可以用光放大器） 2）环路系统：用户网：将各种业务接入环路ADM -> DXC->汇接网ADM。 汇接网：省内各地ADM成环路长距离干线网：全国各省ADM成环状。 7、SDH的网同步： 定义：网络的所有设备的时钟频率和相位的偏差都控制在容许的范围内，这样可以保证通信网内的数字信号的正常交换与传输。 方式：主从同步方式（我国）、相互同步方式、准同步方式。 8、SDH网络的自愈保护 （1）自动线路保护倒换：1）1＋1方式（两根光纤） 发端、收端永久和主用、备用信道相连接； STM-N可以同时在主备用信道中传送； 对两路信号同时监测，主用作为输出； 如果主用出现问题，MSP自动从备用信道接收信号。 MSA：复用段适配功能 MSP：复用段保护 MST：复用段终端（MSOH） RST ：再生段终端（RSOH） SPI ：SDH物理接口 2）1：n 方式 通过2SDH帧结构中的两个自动保护倒换字节K1、K2完成倒换保护操作（2）环路保护P166-168图5-38——41 类型划分：二纤单向通道倒换环；二纤单向复用段倒换环；二纤双向复用段倒换环；四纤双向复用段倒换环 9、光传送网： 1）分层结构：简单的划分为3层基本功能： 业务层：各种不同业务网络提供的业务。 电交换/复接层：提供业务服务，诸如交换等。 光传送层：信号传输。 三层之间的关系：下层为上层提供支持手段。 根据网元所起作用来划分： 2）交换方式： 光路交换：以波长为单位进行交换。 分组交换：利用分组进行交换，属于同一数据流的分组分成若干个进行传输和交换，到达目的地以后再进行重组。 光突发交换：也利用分组，但是数据信息和控制信息分组进行传送。数据信息称为突发。 光分组流交换：也是利用分组进行交换，不同于光分组交换，分组流是将属于同一数据流的分组看成一个整体进行传输和交换。 3）波长路由机制： ①波长通道（WP）：光通路的OXC没有波长转换功能。例：A-1-6-7-10-D始终用同一波长；此时，如有另外一个通道C-7-10-D则在7-10段产生冲突。 ②虚波长通道（VWP）：如果利用WDM，将上述例子中重复用到的7-10段，分别对不同通道的信号用不同的波长，则可解决波长冲突的问题。OXC需具备波长转换功能。 第6章城域光网络 1、城域网：在地域上覆盖城市及其郊区范围、为城域多业务提供综合传送平台 的网络，能实现语音、数据、图像、多媒体、IP等接入。 业务：文字、图像、多媒体等数据服务。 以后发展方向：实现语音、数据、多媒体均用IP承载。 采用可管理和可扩展的分层电信运营网络。 分为3层：核心层、汇聚层、接入层。 2、核心层： 1）基本功能：完成城域网内部信息的高速传送与交换，实现与其它网络的互连互通。 2）拓扑结构：星型+负荷分担模式 3）传输速度：网内传输链路采用155M、2.5G、100M、1G混合组网。 国家骨干采用2.5G高速传输。 3、汇聚层： 1）基本功能：完成信息的汇聚和分发任务，实现用户网络管理。 2）拓扑结构：星型+负荷分担模式 3）传输速度：155M、100M、1G混合组网。 4、接入层： 1）基本功能：为用户提供具体的接入手段。 2）接入方式：有线接入、无线接入等。 5、1）MAN传输至WAN采用的传输技术： IP over SDH、IP over WDM、GE、IP over ATM。 2）MAN中各个交换、路由设备采用的传输技术： MSTP、FE 和GE所使用的光电收发。其中，MSTP传输距离远，可靠性高，但是带宽利用率低。FE和GE的光电收发作为二层交换和汇聚常用方式6、①IP over ATM：有QoS保证；适应于多业务：呼叫处理能力较弱；封装开销 较高。 ②IP over SDH：保留因特网的无连接特性；简化网络体系结构；提高传输 效率；符合Internet业务特点；具有自愈功能；仅对IP业务支持良好； 缺乏QoS保证。 ③IP over WDM：简化层次；充分利用光纤的带宽资源；对传输码率、数据 格式和调制方式透明。 ④GE：基于IP业务；提高网络的带宽利用率；无QoS保证。 ⑤MSTP：适应于多业务；可实现带宽管理；具有保护机制； 能够支持VLAN、流量控制等功能 7、光接入网OAN：以光纤作为传输媒质来取代传统的双绞线接入网。 作用范围：用户端通信设备<——> 局端交换机设备 （电话、调制解调器、计算机）（语音交换机、数据交换机）用户端设备将电信转成光信号，称ONU。 局端交换机必须要将电信号转成光信号，称OLT。 光接入网OAN = ONU＋OLT，实现双向业务传送。 拓扑结构：单星型、总线型、环形、双星型 8、ODN：用于无源光网络PON，用无源光器件实现； 优点：运营成本较低，对业务透明，便于升级。 缺点：有衰减，OLT和ONU距离受到限制。 ODT：用于有源光网络AON，复用和解复在电层： 优点：可克服衰减影响，距离较远、容量较大。 缺点：成本较高。 9、OAN应用类型：光纤到路边(FTTC)、光纤到大楼(FTTB)、光纤到家(FTTH) FTTC：ONU 设置在路边的人孔或电线杆上的分线盒处，或者交接箱处。 FTTC一般采用双星形结构，从ONU到用户之间采用双绞线铜缆，若 要传送宽带业务则要用高频电缆或同轴电缆。 FTTB：将ONU直接放在大楼内，再由铜缆将业务分配到各个用户。适合高密度用户区，也更容易满足未来宽带业务传输的需要。 FTTH：是一种全光纤的光接入网，适于引入新业务，对传输制式、带宽和波长等基本上没有限制，并且ONU安装在用户处，供电、安装维护等都 比较方便 10、无源光网络PON的传输原理： ONU－>OLT：上行信号，采用OTDMA，OWDMA，OCDMA接入技术OLT－>ONU：下行信号，采用OTDMA技术。 1）OTDMA： ?上行信号传输时间分成若干时隙，每个ONU只能在其相应时隙才能发送分组信息。 ?缺点：由于每个ONU至无源光分路器的距离不同，导致传输时间和信号幅度有差别。 ?必须严格确定每个ONU信息的起始位置，避免出现混乱。 2）OWDMA： ?采用WDM技术，每个ONU使用不同波长作为载波。 ?光分路器处，不同波长被耦合进同一根光纤。 ?OLT处，使用光分波器分出不同波长的分组信号。 3）OCDMA： 每个用户分配一个码字，用户数据在OLT通过该指定的码字调制后发送到ONU，ONU采用同样的码字进行数据解调，所有操作均在光域完成，不需要单星形网 双星形网 总线形网 环形网 复杂的控制协议和时钟同步技术。由于不同的ONU数据采用不同的码字调制，因此信息的安全性非常高，用户接入方式也很灵活。 11、PON的功能结构： 区别：OLT应该具有数字交叉连接功能，上行至网络 ONU应该具有用户和服务复用功能，下行至用户 ODN：由光连接器、光分路器、波分复用器、光衰减器和光滤波器组成12、以太网无源光网络EPON的传输原理与帧结构 基本结构：OLT、ODN、ONU。其中OLT支持多种接口。 EPON为单纤双向系统。上行波长：1260nm～1360nm；下行波长：1480nm～1500nm；CATV业务（即，三波长应用）：1540nm～1560nm 13、EPON上行信号：采用TDMA技术。 每路信号占据一个指定时隙从而避免碰撞。 EPON下行信号：广播形式 帧的组成：同步标识符＋若干个长度可变的数据包 （信头＋净荷＋误码检测域） 14、EPON数据链路层和物理层的关键技术 难点：MPCP、ONU即插即用问题、OLT测距和延时补偿兼容性等问题。 MPCP：分配各个ONU带宽，目前采用轮询的方式，即ONU向OLT报告业务需求状况，比如优先等级和时延控制等来得到给定的带宽。 ONU的即插即用：任何一个ONU加入OLT后不会对其它ONU 正在运行业务产生影响。 OLT兼容性：协议的兼容。目前只采用只面向ONU。 15、IP over SDH：POS是通过SDH提供高速传输通道来直接传送IP分组。 用到两种技术： （1）SDH：帧结构经过扩展以后提供了将IP包直接封装进SDH帧的功能（2）IP：传输IP的速率可以达到SDH的数量级。 问题： （1）对于IP设备提出：转发至SDH设备的速率要达到Gbit级别。 （2）对于SDH设备提出：如何封装进IP包。 16、（1）数据封装 ?IP－>PPP-HDLC－>SDH ?IP是网络层，属于网络层的无连接协议，主要负责数据包的寻址和路由选择。 ?PPP+HDLC：主要进行帧的无误发送和接收并实现IP包封装至SDH帧?SDH主要是物理层协议，建立两点之间物理通道，实现二进制数据流在两点之间传送 （2）HDLC：高级数据链路控制协议是基于的一种数据链路层协议，使传送到下一层的数据在传输过程中能够准确地被接收 PPP：PPP帧格式以HDLC帧格式为基础。 二者主要区别：PPP是面向字符的，而HDLC面向位。PPP在点到 点串行线路上使用字符填充技术。所以，所有的帧的大小都 是字节的整数倍 （3）PPP-HDLC在SDH帧中的封装 （4）POS的特点： ?IP映射到SDH实现点到点的传输，保留Internet的无连接特性，简化网络体系结构，成本较低。 ?可以利用SDH技术本身的环路自愈功能进行链路保护从而防止链路故障而造成的网络中断，提高网络的稳定性。 ?仅对IP业务支持良好，扩展性不理想。只有业务分级而没有业务质量分级。 17、IP over WDM光网络分层体系结构 （1）WDM光层的分层： （2）光适配层位于IP电层与WDM光层之间，它负责向不同的高层提供光通道。 数据网络层提供数据的处理和传送； 光网络层负责提供网络，使数据网络和光网络相互独立。 数据网络层的组成设备主要包括ATM网络层交换机和路由器等，光网络层 考试题型 1. 填空题:10小题,每小题3分,共30分 2. 简答题:4小题,每小题10分,共40分 3.计算题:3小题,每小题10分,共30分 1. 1966年7月，英籍华人 高锟 博士从理论上分析证明了用光纤作为传输介质以实现光通信的可能性。 2. 光放大器是基于 受激辐射 或 受激散射 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。 3. 光纤通信的最低损耗波长是1.55m μ，零色散波长是1.31m μ。 4. 光纤耦合器是实现 光信号的合路/分路 功能的器件。 5. 在单模光纤中，由于光纤的双折射率特性使两个正交偏振分量以不同的群速度传输，也将导致光脉冲展宽，这种现象称为 偏振模色散 。 6. 在一根光纤中同时传输多个不同波长的光载波信号称为 光波分复用 。 7. 光缆大体上都是由 缆芯 、 加强元件 和护层三部分组成的。 8. 光纤通信是以 光波 为载频率，以 光纤 为传输媒质的一种通信方式。 9. 允许单模传输的最小波长称为 截至波长 。 10. 光纤的 色散 和 损耗 是限制光纤通信线路中继距离的主要因素。 11. 激光器工作必须离开热平衡状态，因此必须使用外部能源泵浦，以实现__ 粒子数反转_，这是激光器工作的先决条件。 1.什么是光纤的色散？光纤的色散分为哪几种？在单模光纤中有 哪些色散？ 2.简述光纤的损耗机理。 3.光纤通信系统由哪几部分组成？简述光纤通信系统的工作过程。 4.简述LD和LED的工作原理？ 5.简述LD与LED的差别。 6.说明APD与PIN的工作原理及主要区别。 7.简述掺铒光纤放大器的基本构成及各部分的功能。 8.简述数字光纤通信系统码型选择应满足的主要条件及扰码的作 用。 9.光端机主要由哪几部分构成？各部分的作用分别是什么？ 10.光发送电路的基本组成及主要性能指标是什么？ 11.光接收电路的基本组成及主要性能指标是什么？ 12.简述如何测量光端机的平均发送光功率？ 13.简述如何测量光纤数字通信系统的误码率？ 14.简述如何测量光接收机灵敏度及动态范围？ 15.简述为什么光纤令牌环局域网是一种自愈网？ 16.简述全光通信网的关键技术。 湖南工业大学 课程设计 资料袋 计算机与通信学院（系、部）2013 ~ 2014 学年第 2 学期课程名称数字光纤通信指导教师刘丰年职称副教授学生姓名专业班级学号 题目图像、声音的光纤传输系统 成绩起止日期2014 年05月16 日～2014年05月22 日 目录清单 湖南工业大学 课程设计任务书 2013—2014学年第2学期 计算机与通信学院通信工程专业班级课程名称：数字光纤通信 设计题目：图像、声音的光纤传输系统 完成期限：自 2014 年 5 月 16日至 2014 年5月22 日共 1 周 指导教师（签字）：年月日 系（教研室）主任（签字）：年月日 数字光纤通信 设计说明书 声音、图像光纤传输系统 起止日期： 2014年 05 月 16 日至 2014年 05 月 22 日 学生姓名 班级 学号 成绩 指导教师(签字) 计算机与通信学院 2014年 05 月 22 日 指导教师（签字）：年月日系（教研室）主任（签字）：年月日 图像、声音光纤传输系统 一、设计原理 1、GT-RC-II 型光纤通信实验系统简介： （1）、电源模块：提供实验箱各模块电源。 （2）、1310nm光发送模块：实现模拟信号、数字信号在1310nm光发送机中的光传输及自动光功率控制功能（采用电路来实现）。 (3) 1550nm光发送模块：实现模拟信号、数字信号在1550nm光发送机中的光传输及自动光功率控制功能（采用专用芯片来实现）。 (4) 1310nm光接收模块：实现1310nm光纤传输信号的接收，实现接收信号光电转换，滤波及放大，将其恢复为标准的电脉冲数据信号。 （5）1550nm光接收模块：实现1550nm光纤传输信号的接收，实现接收信号光电转换，滤波及放大，将其恢复为标准的电脉冲数据信号。 实验系统主要由光发模块、光收模块、光无源器件和辅助通信模块等组成。光发端机完成将电信号直接调制至光载波上去，采用强度调制（IM）；光接收机完成光信号的解调，采用直接检测（DD），属于非相干解调。光载波由半导体光源产生，由半导体光检测器将光信号转换成电信号从而达到传输信号的目的。 2、模拟光纤通信系统的结构 模拟基带直接光强调制(DIM)光纤传输系统由光发射机(光源通常为发光二极管)、光纤线路和光接收机(光检测器)组成，这种系统的方框图如图1所示。 图1 模拟光纤通信系统由以下五个部分组成: （1）光发送机：光发送机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调 光纤通信模拟试题1 一、选择题 1. 目前光纤通信中所使用的光波的波长区域是( ) A. 红外区 B. 远红外区 C. 紫外区 D. 近红外区 2. 表示光纤色散程度的物理量是( ) A. 时延 B. 频带带宽 C. 时延差 D. 相位差 3. 在外来光子的激发下，低能级E1上的电子吸收了光子的能量hf(=E2-E1)而跃迁到高能级 E2的过程称为( ) A. 自发辐射 B. 受激辐射 C. 受激吸收 D. 康普顿效应 4. EDFA中，光滤波器的主要作用是( ) A. 使泵浦光和信号光耦合 B. 滤除光放大器的输出噪声 C. 提高光放大增益 D. 使信号再生 5. 目前，掺铒光纤放大器的噪声系数可低达( ) A. -3 dB～0 dB B. 0 dB～3 dB C.4 dB～5 dB D. 10 dB～15 dB 二、填空题11. 利用光波作为载频的通信方式称为___________________。 12. 通常根据传播方向上有无电场分量或磁场分量，可将光(电磁波)的传播形态分成TE波， TEM波和___________________三类。 15. 按照射线理论，阶跃型光纤中光射线主要有___________________和斜射线两类。 16. 渐变型光纤中，子午射线的自聚焦是指光纤中不同的射线具有___________________的 现象。 17. 光纤是一种介质光波导,具有把光封闭在其中进行传播的导波结构。它是由直径大约只有 ___________________的细玻璃丝构成。 18. 处于粒子数反转分布状态的工作物质称为___________________。 19. 激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的___________________。 20. 随着激光器温度的上升，其输出光功率会___________________。 21. EDFA的输出饱和功率是指___________________时所对应的输出功率。 22. EDFA作为发射机功率放大器使用的主要作用是___________________。 23. 在光纤通信系统中，利用光纤来传输监控信号时，通常可采用频分复用和____________ _______两种传输方式。 24. 对光隔离器的主要要求是：插入损耗低和___________________。 25. 光纤通信系统中(武汉自考)常用的线路码型有：mBnB码、插入比特码和_____________ ______等。 26. STM-1帧结构中，管理单元指针的位置在___________________列中的第4行。 27. 虚容器是SDH中最重要的一种信息结构，它由容器输出的信息净负荷和_________来组 成。 28. STM-1信号中，一帧中包含的字节数为___________________。 29. 由光电检测器引入的噪声主要有量子噪声、___________________和雪崩管倍增噪声等 三种。 30. 在保证系统误码率指标的要求下，测得接收机的最低输入光功率为0.1 μW，最大允许 输入光功率为0.1 mW，则该接收机的动态范围为___________________dB。 三、名词解释题 读书破万卷下笔如有神 习题1 一、填空题 1?写出在真空的速度c、在介质中的速度V、和折射率n之间的关 系。 --------- 2?光由折射率为n1的光密媒质向折射率为n2的光疏媒质传播时 (n 1>n2),则全反射临界角的正弦为sin B = 。________ 3. 光纤通信三个实用的低损耗工作窗口是0.85um、和 4. 在光纤通信中，中继距离受光纤和的制约_______ 5. 色散的常用单位是°G.652光纤的中文名称是 ---------------------- 它的0色散点在1.31um附近。 6. 光子的能量与其频率的关系为E= 。原子中电子因受激辐-------- 射发生光跃迁时，这时感应光子与发射光子是一模一样的, 是指发射光子和感应光子不仅相同、相位相同，而且偏振和传输方向都______ 相同。 7. 光缆，是以一根或多根光纤束制成符合光学、机械和环境特性的结构，它由、护层和组成。___________________ 8光衰减器按其衰减量的变化方式不同分衰减器和衰减器两------ 种。 9. 光纤通信的光中继器主要是补偿 读书破万卷下笔如有神 衰减的光信号和对畸变失真信号进行整形等，它的类型只要有 - 和。 10. 光电检测器的噪声主要包括 、热噪声__________________________ 和放大器噪声等。. 读书破万卷下笔如有神_____________________________________ 11. 光与物质作用时有受激吸收、和三个物理过________ ____________ 程。 12. WDM中通常在业务信息传输带外选用一特定波长作为监控波长， 优先选用的波长为。 __________ 13半导体激光器工作时温度会升高，这时会导致阈值电流 -------- 输出光功率。----------- 14. WDM系统可以分为集成式系统和两大类。 15. 对于SDH勺复用映射单元中的容器，我国采用了三种分别 是：、C3 禾口。 _________ ______ 16. 数字光纤传输系统的两种传输体制为和。 二、选择题 1. 光纤包层需要满足的基本要求是（） A. 为了产生全反射，包层折射率必须比纤芯低 B. 包层不能透光，防止光的泄露 C必须是塑料，使得光纤柔软 D.包层折射率必须比空气低 2. 在激光器中，光的放大是通过（） B.光学谐振腔来实现的C泵蒲光源来实现的 武汉大学电工电子信息学院实验报告 电子信息学院通信工程专业2015年 9 月17日 实验名称光纤通信的光传输指导教师易本顺 姓名徐佑宇年级2012级学号2012301200003成绩 一、预习部分 1.实验目的 2.实验基本原理 3.主要仪器设备(含必要的元器件、工具) 一、实验目的 1、通过光传输系统课程设计使学生熟悉常见的几种传输网络的特点及应用场 合； 2、了解ZXMP S325的具体硬件结构，加深对于光传输的理解； 3、掌握 ZXMP S325 的组网过程以及网管工具的使用，培养学生在传输组网工 程方面的实际应用技能。 二、实验设备 1、SDH设备：ZXMP S325； 2、实验用维护终端 三、实验原理 SDH技术是目前通信网络的主流技术，它以其突出的技术优势为网络提供优质、高效、可靠的通信业务，能够满足带宽数据及图像视频等多业务的传输需求，自愈功能强。 1、光传输原理及优势 SDH 全称同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy）， SDH 规范了数字信号的帧结构、复用方式、传输速率等级、接口码型特性，提供了一个国际支持框架，在此基础上发展并建成了一种灵活、可靠、便于管理的世界电信传输网。这种传输网易于扩展，适于新电信业务的开展，并且使不同厂家生产的设备互通成为可能，这正是网络建设者长期以来追求的目标。 其优势主要体现在以下几个方面： （1）接口方面 ·电接口：STM-1是SDH的第一个等级，又叫基本传输模块，比特率为155.520Mb/s，STM-N是SDH第N个等级的同步传送模块，比特率是STM-1的N倍（N=4n=1,4,16...）·光接口：仅对电信号扰码，光口信号码型是加扰的NRZ码，采用世界统一的7级扰码。 （2）复用方式 低速SDH信号以字节间插方式复用进高速SDH帧结构中，位置均匀、有规律，是可预见的 2007-2008年度教学质量综合评估测验试卷 《光纤通信》试题 注：1、开课学院：通信与信息工程学院。 命题组：通信工程教研组·张延锋 2、考试时间：90分钟。 试卷满分：100分。 3、请考生用黑色或蓝色中性笔作答，考试前提前带好必要物件（含计算器）。 4、所有答案请写于相应答题纸的相应位置上，考试结束后请将试卷与答题 一、 选择题（每小题仅有一个选项是符合题意要求的，共10小题，每小题2分，共20分） 1、表示光纤色散程度的物理量是 A.时延 B.相位差 C.时延差 D.速度差 2、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 3、当平面波的入射角变化时，在薄膜波导中可产生的三种不同的波型是 A.TEM 波、TE 波和TM B.导波、TE 波和TM 波 C.导波、衬底辐射模和敷层辐射模 D.TEM 波、导波和TM 波 4、平方律型折射指数分布光纤中总的模数量等于 A. 121n n n - B. ?21n C. 22V D. 4 2 V 5、光接收机中将升余弦频谱脉冲信号恢复为“0”和“1”码信号的模块为 A. 均衡器 B. 判决器和时钟恢复电路 C. 放大器 D. 光电检测器 6、在光纤通信系统中，EDFA 以何种应用形式可以显著提高光接收机的灵敏度 A.作前置放大器使用 B.作后置放大器使用 C.作功率放大器使用 D.作光中继器使用 7、EDFA 中用于降低放大器噪声的器件是 A.光耦合器 B.波分复用器 C.光滤波器 D.光衰减器 8、关于PIN 和APD 的偏置电压表述，正确的是 A.均为正向偏置 B.均为反向偏置 C.前者正偏,后者反偏 D.前者反偏,后者正偏 9、下列哪项技术是提高每个信道上传输信息容量的一个有效的途径？ A.光纤孤子(Soliton)通信 B. DWDM C. OTDM D. OFDM 10、光纤数字通信系统中不能传输HDB3码的原因是 A.光源不能产生负信号光 B.将出现长连“1”或长连“0” C.编码器太复杂 D.码率冗余度太大 二、 填空题（本题共三部分，每部分6分，共18分） （一）、基本概念及基本理论填空（每空1分，共4小题6小空，共6分） 一、填空题（每空1分，共30分） （1）写出光在真空的速度c、在介质中的速度v、和折射率n之间的关系：。 （2）光由折射率为n1的光密媒质向折射率为n2的光疏媒质传播时(n1> n2)，全反射临界角的正弦为sinθIC= 。 （3）光纤通信三个实用的低损耗工作窗口是0.85μm、和。（4）光纤的色散分为色散、色散和色散。 （5）光纤的主要材料是，光纤的结构从里到外依次是____ 和_ __（6）光纤中的传输信号由于受到光纤的和_______影响，使得信号的幅度受到衰减，波形出现失真。 （7）半导体激光器工作时温度会升高，这时会导致阈值电流，输出光功率会。 （8）光衰减器按其衰减量的变化方式不同分________ 衰减器和______ _衰减器两种。 （9）光纤通信的光中继器主要是补偿衰减的光信号和对畸变失真信号进行整形等，它的类型主要有和。 （10）光纤通信是利用________波，在光导纤维中传播，实现信息传输的，它具有传输信息量大、不受外界电磁场干扰和____________等优点。 （11）光与物质作用时有受激吸收、和__________ 三个物理过程，产生激光的主要过程是__________。 （12）光纤的数值孔径NA=__________，其表征了光纤的_________能力，当相对折射率和色散值越大时，NA__________。 （13）光源的作用是将转换成；光检测器的作用是将转换成。 第 1 页共5 页 二、选择题（每小题2分，共20分） 1、光纤包层需要满足的基本要求是() A.为了产生全反射，包层折射率必须比纤芯低 B.包层不能透光，防止光的泄漏 C.必须是塑料，使得光纤柔软 D.包层折射率必须比空气低 2、在激光器中，光的放大是通过（） 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 3、为了使雪崩光电二极管能正常工作，需在其两端加上( ) A.高正向电压 B.高反向电压 C.低反向电压 D.低正向电压 4、光纤的数值孔径与( )有关。 A. 纤芯的直径 B. 包层的直径 C. 相对折射指数差 D. 光的工作波长 5、PIN光电二极管，因无雪崩倍增作用，因此其雪崩倍增因子为( )。 A. G＞1 B. G＜1 C. G＝1 D. G＝0 6、光接收机中将升余弦频谱脉冲信号恢复为“0”和“1”码信号的模块为( )。 A. 均衡器 B. 判决器和时钟恢复电路 C. 放大器 D. 光电检测器 7、EDFA中将光信号和泵浦光混合起来送入掺铒光纤中的器件是( ) A.光滤波器 B.光耦合器 C.光环形器 D.光隔离器 8、光时域反射仪（OTDR）是利用光在光纤中传输时的瑞利散射所产生的背向散射而制成 的精密仪表，它不可以用作（）的测量。 A.光纤的长度 B.光纤的传输衰减 C.故障定位 D.光纤的色散系数 9、光隔离器的作用是( ) A.调节光信号的功率大小 B.保证光信号只能正向传输 C.分离同向传输的各路光信号 D.将光纤中传输的监控信号隔离开 10、光纤数字通信系统中不能传输HDB3码的原因是( ) A.光源不能产生负信号光 B.将出现长连“1”或长连“0” C.编码器太复杂 D.码率冗余度太大 第 2 页共5 页 第一章 光纤通信：侠义上说：利用光载波在光纤中传播信息的过程 广义上说：是以光纤或由光纤组成的光传输网、光处理器件、光处理设备为基础，并采用相矢技术来对光波信息进行传输和处理的过程，是光通信的一个组成部分 光通信发展受阻的原因：1 ?光向四面八方散射时，光强减弱2.不能通过障碍物 高银指出，如果把材料中金属离子含量的比重降低到10上以下，光纤损耗就可以减小到10 dB/km 再通过改进制造工艺，提高材料的均匀性，可进一步把光纤的损耗减少到几dB/km o 光纤通信得以快速发展重要条件：1 ?低损耗光纤2.光源(半导体激光器) 全波光纤：能够在1260?1675nm整个范围内都可用来逬行DWD光纤通信的光纤就是全波光纤光纤通信发展的重要里程碑 1 ?低损耗光纤的研制成功2.连续振荡半导体激光器的研制成功光纤是一?种玻璃丝，其材料是石英(SiO2),是通信网络中信息的优良传输介质 光纤通信的发展趋势1 ?光纤技术逐渐从骨干网向广域网和城域络发展 2. 从^?速系统向高速系统发展 3. 从陆地向海地发展 4. 从光传输电交换向网络的全光化发展 5. 向光纤技术和以太技术结合的方向发展 光纤通信的优点： 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 传统上，以服务范围把网络分为三类: (1)局域网，服务范围2 km，如以太网，信令环和信令总线； ⑵ 城域网，服务范围100 km，如电话本地交换网或者有线电视)分配系统； (3)广域网络，服务范围可达数千公里，如开放系统互连国际网络等。 三代网络技术比较 1 ?全电网络，第一代网络，节点用电缆互连在一起，电缆是一种窄带线路，它的容量有限； 2. 电光网络，第二代网络，用一段段光纤取代电缆后构成的网络，现在正被广泛使用，因节点内仍是对电信号进行交换，所以称为电光网络 3. 全光网络，第三代网络，所有节点被不间断的光缆连接起来，节点内只对光信号逬行交换，这就是未来的第三代网络。 网络接入技术： 1 .xDSL 2.HFC 3.APON/EPON 4.AON 光具有两种特性:1.波动性2.粒子性 用光导歼錐进行迥倍址早就哪一年由谁提出爭 劭用密別禅(迸行通信盘卑祖1966年由英盈华人為锥提：1 课程设计报告 课程名称光纤通信 课题名称通信系统综合实验 一、设计内容与设计要求 1、设计内容 1）多路数据＋多路电话光纤综合传输系统的实现 2）多路数据＋多计算机＋单路图像/语音全双工光纤综合传输系统的实现3）*多路计算机＋双路图像/语音全双工光纤综合传输系统的实现 2、设计目的 掌握变速率时分复用的原理、实现方法； 学习并掌握计算机RS232通信技术； 掌握时分复用技术和波分复用技术的灵活搭配使用； 实现数字和语音同时通信。 3、实验仪器与设备 1.光纤通信实验系统2台。 2.示波器1台。 3.波分复用器2个。 4.电话2部。 I 5.FC/FC光纤跳线2根。 6.计算机若干台串口通信电缆若干根。 7.1310nm/1550nm波长波分复用器2个。 8.摄像头1个。 9.监视器1个（或用电话代替）。 4、设计原理 《多路数据＋多路电话光纤综合传输系统》综合了固定速率时分复用、解固定速率时分复用、PCM编译码、波分复用等几个子系统，具体的实验原理可以参看《光纤通信原理教学系统实验指导书》中的实验二十一、实验二十四、实验二十五、实验二十的方法； 《多路数据＋多计算机＋单路图像图像/语音全双工光纤综合传输系统》拟实现模拟图像、数据在同一光纤中传输。即在光纤中同时传输数字数据和模拟信号。一种解决方案综合了《光纤通信原理教学系统实验指导书》中的实验二十六、实验二十七、实验十六的知识； 《多路计算机＋双路图像/语音全双工光纤综合传输系统》综合了固定速率时分复用、解固定速率时分复用、变速率时分复用、解变速率时分复用、位时钟提取（数字锁相环DPLL）原理及实现五个实验，具体的实验原理可以参看《光纤通信原理教学系统实验指导书》中的实验二十一、实验二十三、实验二十四、实验二十五、实验二十六、实验二十七。 5、设计要求 掌握结构化系统设计的主体思想，以自下而上逐步完善的方法实现指定的通信系统功能，并按要求测试相关参数、波形等实验数据，以积累一些典型的通信子系统的功能、性能、参数等知识以及系统集成的知识。 (1)在规定的时间内以小组为单位完成相关的系统功能实现、数据测试和记录并进行适当的分析。 (2)按本任务书的要求，编写《课程设计报告》（Word文档格式）。并用A4纸打印并装订； II 1、1966年7月，英籍华人（高锟）博士从理论上分析证明了用光纤作 为传输介质以实现光通信的可能性。 2、光在光纤中传输是利用光的（折射）原理。 3、数值孔径越大，光纤接收光线的能力就越( 强)，光纤与光源之间的耦 合效率就越( 高)。 4、目前光纤通信所用光波的波长有三个，它们是：（0.85μm、1.31μm、 1.55μm）。 5、光纤通信系统中最常用的光检测器有：（PIN光电二极管；雪崩光电二极 管）。 6、要使物质能对光进行放大，必须使物质中的( 受激辐射)强于( 受激吸 收)，即高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数。物质的这一种反常态 的粒子数分布，称为粒子数的反转分布。 7、在多模光纤中，纤芯的半径越( 大)，可传输的导波模数量就越多。 8、光缆由缆芯、( 加强元件(或加强芯) )和外护层组成。 9、（波导色散）是指由光纤的光谱宽度和光纤的几何结构所引起的色散。 10、按光纤传导模数量光纤可分为多模光纤和( 单模光纤)。 11、PDH的缺陷之一：在复用信号的帧结构中，由于( 开销比特 )的数量很少，不能提供足够的运行、管理和维护功能，因而不能满足现代通信网对监控和网管的要求。 12、光接收机的主要指标有光接收机的动态范围和（灵敏度）。 13、激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的（阈值条件）。 14、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。 15、误码性能是光纤数字通信系统质量的重要指标之一，产生误码的主要 原因是传输系统的脉冲抖动和（噪声）。 二、选择题：（每小题2分，共20分。1-7:单选题，8-10：多选题） 1、光纤通信是以（A ）为载体，光纤为传输媒体的通信方式。 A、光波 B、电信号 C、微波 D、卫星 2、要使光纤导光必须使（ B ） A、纤芯折射率小于包层折射率 B、纤芯折射率大于包层折射率 C、纤芯折射率是渐变的 D、纤芯折射率是均匀的 3、（D ）是把光信号变为电信号的器件 A、激光器 B、发光二极管 C、光源 D、光检测器 4、CCITT于（C）年接受了SONET概念，并重新命名为SDH。 A、1985 B、1970 C、1988 D、1990 5、SDH传输网最基本的同步传送模块是STM-1，其信号速率为（ A ）kbit／s。 A、155520 B、622080 C、2488320 D、9953280 6、掺铒光纤放大器（EDFA）的工作波长为（B）nm波段。 A、1310 B、1550 C、1510 D、850 7、发光二极管发出的光是非相干光，它的基本原理是（B）。 A、受激吸收 B、自发辐射 C、受激辐射 D、自发吸收 8、光纤通信系统的是由（ABCD ）组成的。 A、电端机 B、光端机 C、中继器 D、光纤光缆线路 9、要精确控制激光器的输出功率，应从两方面着手：一是控制（B）；二是控制（D）。 A、微型半导体制冷器 B、调制脉冲电流的幅度 C、热敏电阻 D、激光器的偏置电流 10、光纤传输特性主要有（AB ） A、色散 B、损耗 C、模场直径 D 、截止波长 《光纤通信技术》复习题 一．基本概念 1．什么样的电磁波叫做“光”？目前的光纤通信用的是什么光？波长是多少？ 答：光是一种电磁波，光频为10E14HZ量级，波长为μm 量级。可见光大约指0.4μm ~0.76μm 波长范围的电磁波。光通信采用的波长0.85μm、1.31μm和1.55μm。即在电磁波近红外区段。 2．光纤通信的特点？ 答：一、传输频带宽，通信容量大 二、传输损耗低，中继距离长 三、不怕电磁干扰 四、保密性好，无串音干扰 五、光纤尺寸小,重量轻,利于敷设和运输 六、节约有色金属和原材料 七、抗腐蚀性能好 3．光纤的NA和LNA各是什么意义？什么是光线模式的分立性？ 答：入射最大角称为孔径角，其正弦值称为光纤的数值孔径。数值孔径表示光纤采光能力的大小。 在光纤端面上芯区各点处允许光线射入并形成导模的能力是不一样的，折射率越大的位置接收入射光的能力越强。为了定量描述光纤端面各点位接受入射光的能力，取各点位激发最高次导模的光线入射角度为局部孔径角θ’C (r) ，并定义角的正弦值为该点位的局部数值孔径LNA。 光是有一定波长的，将光线分解为沿轴向和径向的两个分量，传输光波长λ也被分为λZ和λr。沿径向传输的光波分量是在相对的芯/包层界面间（有限空间）往返传输，根据波形可以稳定存在的条件——空间长度等于半波长的整数倍，而空间长度已由光纤结构所确定，所以径向波长分量λr不能随意了，从而导致它们夹角不能随意也即不能连续变化，即光线模式的分立性。 4．什么是光纤的色散？光纤的色散分为哪几种？在单模光纤中有哪些色散？ 答：脉冲信号在光纤中传输时被展宽的现象叫光纤的色散。分为模间色散和模内色散。模内色散又分为材料色散和波导色散。多模光纤：模式色散和材料色散；单模光纤：材料色散和波导色散。 5．归一化频率V和截止频率VC各如何定义？有何区别和联系？ 答：归一化频率见书28页，截止频率见27页。实际光纤中能够传输的导模模式必须满足V>Vc。 2、光在光纤中传输是利用光的（折射）原理。 5、光纤通信系统中最常用的光检测器有：（ PIN光电二极管）、（雪崩光电二极管）。 6、要使物质能对光进行放大，必须使物质中的( 受激辐射 )强于( 受激吸收 )，即高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数。物质的这一种反常态的粒子数分布，称为粒子数的反转分布。 7、在多模光纤中，纤芯的半径越( 大 )，可传输的导波模数量就越多。 9、（波导色散）是指由光纤的光谱宽度和光纤的几何结构所引起的色散。 11、PDH的缺陷之一：在复用信号的帧结构中，由于( 开销比特 )的数量很少，不能提供足够的运行、管理和维护功能，因而不能满足现代通信网对监控和网管的要求。 12、光接收机的主要指标有光接收机的动态范围和（灵敏度）。 13、激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的（阈值条件）。 14、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。 15、误码性能是光纤数字通信系统质量的重要指标之一，产生误码的主要原因是传输系统的脉冲抖动和（噪声）。 二、选择题：（每小题2分，共20分。1-7:单选题，8-10：多选题） 4、CCITT于（）年接受了SONET概念，并重新命名为SDH。 A、1985 B、1970 C、1988 D、1990 6、掺铒光纤放大器（EDFA）的工作波长为（）nm波段。 A、1310 B、1550 C、1510 D、850 7、发光二极管发出的光是非相干光，它的基本原理是（）。 A、受激吸收 B、自发辐射 C、受激辐射 D、自发吸收 9、要精确控制激光器的输出功率，应从两方面着手：一是控制（ B ）； 光纤通信期中考试试题（简答） （开卷90分钟内完成，1~5题每题6分，6~15题每题7分，共100分） 1、光纤的结构分别由哪三部分构成，各部分作用是什么？ 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。直径d 1=4μm ～50μm ，单模光纤的纤芯为4μm ～10μm ，多模光纤的纤芯为50μm 。纤芯的成分是高纯度SiO2，作用是提高纤芯对光的折射率（n 1），以传输光信号。包层：包层位于纤芯的周围。 直径d 2=125μm ，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO 2。略低于纤芯的折射率，即n 1＞n 2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。 涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm 。 2、光缆的结构分别由哪三部分构成，各部分作用是什么？ 光缆由缆芯、护层和加强芯组成。 其中缆芯就是套塑光纤，护层对已成缆的光纤芯线起保护作用，避免受外界机械力和环境损坏。护层可分为内护层和外护层。内护层用来防潮。外护层起抗侧压、耐磨、抗紫外线、防湿作用，隔离外界的不良影响。加强芯主要承受敷设安装时所加的外力。 3、光纤的三个传输窗口是什么？光纤中的导波属于TM/TE/TEM/近似TEM 波？ 0.85μm 、1.31μm 、1.55μm 。 光纤中得电磁场近似为横电磁波（TEM 波） 4、什么是归一化频率V ，V 取值多少时光纤单模传输？什么叫光纤的截止波长？ 光纤的归一化频率V 012/1/)2(2λαπn ?=是一个综合性参数，与光纤的结构参数（纤芯的折射率n1、半径a 、折射率相对差△）和工作波长λ0有关。其数值大小决定了弱波导光纤中电磁场的分布和传输情况。 光纤单模传输的条件是0 《光纤通信》自测题 第一章 一、填空题 通信是为传输媒质。以为载波的通信方式。目前光纤通信所用光波的波长有三个，它们是、和。光纤通信所使用的波段位于电磁波谱中的区，波长范围为。 二. 选择题（有一个或者多个答案） 1. 目前光纤通信常用的窗口有（）。 A、0.85 μm B、2 μm C、1.31 μm D、1.55 μm 2. 目前纤光通信常用的光源有（）。 A、LED B、LD C、PCM D、PDH 3. 光纤通信是以光波为载波，以（）为传播介质的通信方式。 A、电缆 B、无线电磁波 C、光纤 D、红外线 三、简答题 1．光纤通信有哪些优点？ 2．为什么说光纤通信比电缆通信的容量大？ 3．光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作用。 答案： 一、光纤光波0.85 μm 1.31 μm 1.55 μm近红外区0.7～1.7μm 二、1、ACD 2、AB 3、C 三、1、通信容量大，中继距离长，保密性能好，抗电磁干扰，体积小、重量轻、便于施工和维护，价格 低廉。 2、光纤通信的载波是光波，电缆通信的载波是电波。虽然光波和电波都是电磁波，但频率差别很大。光纤通信用的近红外光（波长约1μm）的频率（约300THz）比电波（波长为0.1m～1mm）的频率（3～300GHz）高三个数量级以上。载波频率越高，频带宽度越宽，因此信息传输容量越大。 第2章 一、填空题： 1．光纤中的纤芯折射率必须包层折射率，单模光纤和多模光纤中中两者的相对折射率差一般分别为和。 2．单模光纤纤芯直径一般为，多模光纤纤芯直径为，光纤包层直径一般为。 3. 光纤通信的最低损耗波长是（），零色散波长是（）。 4.单模光纤中不存在（）色散，仅存在（）色散，具体来讲，可分为（）和（）。 5、光缆大体上都是由（）、（）和（）三部分组成的。 6、允许单模传输的最小波长称为（）。 7、数值孔径（NA）越大，光纤接收光线的能力就越（），光纤与光源之间的耦合效率就越（）。 二、选择题（多选） 1、从横截面上看，光纤基本上由３部分组成：（）、（）、（）。 A、折射率较高的芯区 B、折射率较低的包层 C、折射率较低的涂层 D、外面的涂层 E、外面的包层 南京工程学院 通信工程学院 实验报告 课程名称光纤通信_________ 实验项目名称光纤通信实验_______ 实验学生班级通信（卓越）131_____ 实验学生姓名吴振飞_____ _____ 实验学生学号 208130429_________ 实验时间2016.6.15___ 实验地点信息楼C413_______ 实验成绩评定 ______________________ 指导教师签字 ______________________ 2016年 6月 19日 目录 实验一半导体激光器P-I特性测试实验 (1) 一、实验目的 (1) 二、实验仪器 (1) 三、实验原理 (1) 四、实验内容 (2) 五、实验步骤 (2) 六、注意事项 (2) 七、思考题 (3) 实验二光电探测器特性测试实验 (3) 一、实验目的 (3) 二、实验仪器 (3) 三、实验原理 (3) 四、实验内容 (4) 五、实验步骤 (4) 六、注意事项 (4) 实验三电话光纤传输系统实验 (4) 一、实验目的 (4) 二、实验内容 (5) 三、预备知识 (5) 四、实验仪器 (5) 五、实验原理 (5) 六、注意事项 (6) 七、实验步骤 (6) 九、思考题 (6) 实验一半导体激光器P-I特性测试实验 一、实验目的 学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理；了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系；掌握半导体激光器 P(平均发送光功率) -I(注入电流) 曲线的测试方法。 二、实验仪器 1、ZYE4301G 型光纤通信原理实验箱 1 台 2、光功率计1 台 3、FC/PC-FC/PC 单模光跳线 1 根 4、万用表(自带) 1 台 5、连接导线 20 根 三、实验原理 半导体激光二极管(LD) 或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，(处于高能级E2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E1，这个过程称为光的受激辐射，所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。) 是一种阈值器件。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率(≥10mW) 辐射，而且输出光发散角窄(垂直发散角为 30~50°，水平发散角为 0~30° )，与单模光纤的耦合效率高(约 30%~50%)，辐射光谱线窄(Δλ =0.1~1.0nm)，适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号(>20GHz) 直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。 对于线性度良好的半导体激光器，其输出功率可以表示为ηω (1-1) Pe=)(2thDIIq ?η其中intintaaamirmirD+=ηη，这里的量子效率ηint，表征注入电子通过受激辐射转化为光子的比例。在高于阈值区域，大多数半导体激光器的ηint接近于 1。 1-1 式表明，激光输出功率决定于内量子效率和光腔损耗，并随着电流而增大，当注入电流I>Ith时，输出功率与I成线性关系。其增大的速率即P-I曲线的斜率，称为斜率效率 dPη2DeqdIηω= (1-2) P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小， Ith对应P值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，而且不易产生光信号失真。并且要求P-I曲线的斜率适当。斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦; 斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出变化，是光纤通信中最重要的一种光源，半导体激光器可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放大机制，也即激活介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所有的损耗。将开始出现净增益的条件称为阈值条件。一般用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流Ith，当输入电流小于Ith时，其输出光为非相干的荧光，类似于LED发出的光，当电流大于Ith 1.决定光纤通信中继距离的主要因素是( B ) A.光纤的型号 B.光纤的损耗和传输带宽 C.光发射机的输出功率 D.光接收机的灵敏度 2.弱导光纤中纤芯折射率n1和包层折射率n2的关系是( A ) A.n1≈n2 B.n1=n2 C.n1>>n2 D.n1< 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 光信号功光纤通信复习题
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