光纖通信復習大綱(09級).doc

第一章1 光纖通信系統(tǒng)的分類：按傳輸信號的類型分：數(shù)字光纖通信系統(tǒng)和模擬光纖通信系統(tǒng)。按信號調(diào)制方式分：直接強度調(diào)制光纖通信系統(tǒng)和間接調(diào)制（外差光纖通信系統(tǒng)）現(xiàn)常用直接強度調(diào)制方式。按光纖的傳輸特性分：多模光纖系統(tǒng)和單模光纖通信系統(tǒng)按使用波長分：短波長、長波長、超長波長2 基本光纖通信系統(tǒng)的組成：光發(fā)射機、光纖線路、光接收機、數(shù)字復用設(shè)備、光中繼器。光發(fā)射機：把輸入的電信號轉(zhuǎn)換成為光信號，并用耦合技術(shù)把光信號最大限度地注入光纖線路。它的核心器件是光源（LD或LED）。光纖線路：用于傳輸光信號。由光纖、光纖接頭、光纖連接器組成。光接收機：把從光纖線路輸出產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復成發(fā)射前的電信號。它的核心器件是光檢測器（PIN或APD）。3 光纖通信使用的頻段范圍：近紅外光(波長為0.8-1.8um),頻帶寬度為200THz.主要使用850nm 1310nm 1550nm三個窗口. 第二章光纖和光纜1光纖結(jié)構(gòu)纖芯、包層、涂敷層.纖芯的折射率略高于包層的折射率. 涂敷層的折射率高于包層.2光纖的種類：單模光纖、多模光纖（階躍和漸變）單模光纖、階躍折射率和梯度折射率光纖的比較1)芯徑: 單模光纖在10um以下,多模光纖在幾十um2)損耗: 單模光纖0.3dB左右 多模光纖4dB左右3)色散: 多模光纖色散大,主要是模間色散起作用. 階躍折射率光纖的色散梯度折射率光纖比大單模光纖色散沒有模間色散,主要是模內(nèi)色散和偏振模色散.色散較小. 4)帶寬: 單模光纖的帶寬比多模光纖的帶寬大.多模梯度折射率光纖的帶寬比多模階躍折射率光纖大.3 階躍光纖的相對折射指數(shù)差4階躍光纖的數(shù)值孔徑的物理意義及公式光纖的數(shù)值孔徑與纖芯與包層直徑無關(guān)，只與兩者的相對折射率差有關(guān)。若纖芯和包層的折射率差越大，NA值就越大，即光纖的集光能力就越強。5 光纖歸一化頻率 階躍光纖中傳光的電磁波模式總數(shù)：M=V/2 漸變型光纖中傳光的電磁波模式總數(shù)：M=V/46 模式傳輸?shù)臈l件：VVc 或者是c模式截止的條件：VVc或者是c 臨界條件：V=Vc7單模光纖傳輸?shù)臈l件（只傳輸基模）：基模：標量模LP01 矢量模HE118、光纖波導中有哪些損耗？有以下三大類損耗:1)吸收損耗l 由于光纖材料本身吸收光能量產(chǎn)生的。主要存在紅外波段的分子振動吸收和紫外波段的電子躍遷吸收。紅外吸收對長波長有影響，紫外吸收對短波長有影響。l 雜質(zhì)吸收損耗:主要是由于光纖中含有的各種過渡金屬離子和氫氧根（OH-）離子在光的激勵下產(chǎn)生振動，吸收光能量造成。 （OH-）離子的吸收對光通信的長波長影響比較大（主要在1.38um)。2) 散射損耗l 瑞利散射損耗:是由于光纖材料折射率分布小尺寸的隨即不均勻性所引起的本征損耗。瑞利散射損耗與波長的四次方成反比，即波長越短，損耗越大。因此對短波長窗口影響較大。l 非線性散射損耗:是當光強度大到一定程度時，產(chǎn)生非線性喇曼散射和布里淵散射，使輸入光信號的能量部分轉(zhuǎn)移到新的頻率成分上而形成損耗。因此非線性散射損耗是隨廣播頻率變化的。在常規(guī)光纖中由于半導體激光器發(fā)送光功率較小，該損耗可忽略。但在DWDM系統(tǒng)中，由于總功率很大，就必須考慮其影響。l 波導效應(yīng)散射損耗:是由于光纖波導結(jié)構(gòu)缺陷引起的損耗，與波長無關(guān)。光纖波導結(jié)構(gòu)缺陷主要由熔煉和拉絲工藝不完善造成。3) 其他損耗v 連接損耗是由于進行光纖接續(xù)是端面不平整或光纖位置未對準等原因造成接頭處出現(xiàn)損耗。其大小與連接使用的工具和操作者技能有密切關(guān)系。v 彎曲損耗是由于光纖中部分傳導模在彎曲部位成為輻射模而形成的損耗。它與彎曲半徑成指數(shù)關(guān)系，彎曲半徑越大，彎曲損耗越小。v 微彎損耗是由于成纜時產(chǎn)生不均勻的側(cè)壓力，導致纖芯與包層的界面出現(xiàn)局部凹凸引起。損耗限制了光纖傳輸?shù)膫鬏斁嚯x。9、光纖波導中有哪些色散，產(chǎn)生的原因，1) 模間色散v 即使在同一頻率的光，不同的模式群速率不一樣，也產(chǎn)生色散。它主要取決于光纖的折射率分布。v 模間色散主要存于多模光纖中。2) 模內(nèi)色散v 材料色散：纖芯的材料的折射率隨波長的變化導致色散。折射率隨波長的變化,使不同波長的群速度不同，造成時延差,發(fā)生脈沖展寬。在1.27um處最小v 波導色散：原因是由于光纖中只有80%的光功率在纖芯中傳播，20%在包層中傳播，如果包層中傳播速率大于纖芯，就出現(xiàn)色散。波導色散的大小取決于光纖的設(shè)計材料色散與波導色散的疊加在1.31um處最小3) 偏振模色散:光場的兩個分量在變形的纖芯中以不同的速度傳輸產(chǎn)生色散.只存在于單模光纖中.色散限制了光纖傳輸?shù)膫鬏斎萘俊?0、色散的表示方式：時延差11、光纜的結(jié)構(gòu)光纜一般由纜芯、加強元件和護層三部分組成。光纜結(jié)構(gòu)分類：層絞式、骨架式、中心管束、帶狀12、G.652 G.653 G.655光纖的性能指標及應(yīng)用（見書P53）第三章1、光源的種類有： LD、 LED 、固體激光器三種2、激光二極管LD和發(fā)光二極管(LED)的特性曲線。 LED的特性曲線 LD的特性曲線 3、受激幅射、受激吸收、受激發(fā)射。v 自發(fā)輻射無外界激勵而高能級電子自發(fā)躍遷到低能級，同時釋放出光子。v 受激輻射高能級電子受到外來光作用，被迫躍遷到低能級，同時釋放出光子，且產(chǎn)生的新光子與外來激勵光子同頻同方向，為相干光。v 受激吸收低能級電子在外來光作用下吸收光能量而躍遷到高能級。 4、發(fā)射激光的必要條件： v 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布v 光反饋(光學諧振腔)v 激光振蕩的閾值條件（閾值電流隨著溫度的升高和使用的老化而升高）5、光源材料與發(fā)射波長的關(guān)系v 光源材料帶隙的大小決定著光源發(fā)射光波的波長 6、LD數(shù)字信號調(diào)制原理圖（見書P73 3-28圖）7、調(diào)制特性電光延遲、張馳振蕩、碼型效應(yīng)、結(jié)發(fā)熱效應(yīng)、自脈動現(xiàn)象電光延遲：由于有源區(qū)電子密度n的增加與時間呈指數(shù)關(guān)系，而當n小于閾值密度nth時，激光器不激射，這樣使激光輸出與注入電脈沖之間存在一個時間延遲，稱為電光延遲。8、光纖通信系統(tǒng)采用的線路編碼：擾碼、字變換碼（mBnB）、插入碼（mB1C mB1P）9、光發(fā)射機的性能指標：平均發(fā)射功率PT、消光比 消光比對光接收機靈敏度的影響：消光比越大，靈敏度降低10、光纖線路編碼的基本原則：1)應(yīng)有足夠的定時含量，減少連“0”和連“1”數(shù)，便于時鐘提取。2）應(yīng)有不中斷業(yè)務(wù)進行誤碼檢測能力3）盡量減少碼流中的低頻分量與直流基線的隨機起伏4)線路傳輸碼率的提高應(yīng)盡量的少5)便于實現(xiàn)輔助信息的通信6）誤碼增值低第四章1、光檢測器的種類作用、適合通信用的光檢測器光檢測器的作用是：檢測出入射在其上面的光功率，且將光功率轉(zhuǎn)化相應(yīng)的電流適合通信用的光檢測器：光電二極管(主要有 Pin光電二極管和雪崩光電二極管)2、反向偏壓的優(yōu)點 可以加寬耗盡層、加快載流子的漂移速度，提高響應(yīng)速度。3、 光檢測器噪聲源有哪些，PIN的主要噪聲和APD的噪聲光電二極管噪聲包括信號電流和暗電流產(chǎn)生的散彈噪聲和有負載電阻和后繼放大器輸入阻抗產(chǎn)生的熱噪聲散彈噪聲包括量子噪聲，暗電流噪聲和表面漏電流噪聲。（如果是APD管，還包含倍增附加噪聲） 4、光檢測器的波長響應(yīng)范圍v 只有當光子能量h大于半導體材料禁帶寬度Eg才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。v 上限載止波長為 . 體管引入噪聲5 光接收機的組成光檢測器 將光信號轉(zhuǎn)變成電信號,由PIN和APD完成.要求有高轉(zhuǎn)換效率.前置放大器 應(yīng)是低噪聲放大器，它的噪聲對光接收機的靈敏度影響很大。前放的噪聲取決于放大器的類型，通常采用場效應(yīng)管和雙極晶體管. 場效應(yīng)管前置放大器: 輸入阻抗高,靈敏度高,噪聲小,但高頻特性差 雙極晶體管放大器: 輸入阻抗低,噪聲大,高頻特性好 跨阻型前置放大器:最大的優(yōu)點是改善了帶寬特性和動態(tài)范圍，并具有良好的噪聲特性。主放大器：它的作用是提供足夠的增益， 并通過它實現(xiàn)自動增益控制(AGC)，以使輸入光信號在一定范圍內(nèi)變化時， 輸出電信號保持恒定。均衡濾波器：是對經(jīng)光纖傳輸、光/電轉(zhuǎn)換和放大后已產(chǎn)生畸變(失真)的電信號進行補償，使輸出信號的波形適合于判決(一般用具有升余弦譜的碼元脈沖波形)，以消除碼間干擾，減小誤碼率 再生電路：包括判決電路和時鐘提取電路，它的功能是從放大器輸出的信號與噪聲混合的波形中提取碼元時鐘，并逐個地對碼元波形進行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。 AGC 控制主放大器的增益或APD 管的雪崩增益,使輸出信號在一定范圍內(nèi)不受輸入信號的影響. 譯碼器：在發(fā)射機端進行了線路編碼,因此需解碼,恢復出原數(shù)字序列6、數(shù)字接收機性能指標：接收靈敏度、動態(tài)范圍靈敏度:：在給定誤碼率的條件下，光接收機能夠接收的最小光功率動態(tài)范圍 ：在給定誤碼率的條件下，光接收機接收信號靈敏度和過載功率之間的差值。Dr= PMAX-PMIN （dB） 第五章1、光隔離器的作用和主要參數(shù)作用：只允許光波往一個方向傳輸，阻止光波反方向或其它方向傳輸。主要用在激光器和光放大器的后面，以避免反射光返回導致器件性能變壞。主要參數(shù)：插入損耗和隔離度2、光隔離器的工作原理 P126 第20行-26行第六章1、SDH標準速率等級。STM-N的標準速率分別為：STM-1155 520Mbit/sSTM-4622 080Mbit/sSTM-162 488 320Mbit/sSTM-649 953 280Mbit/s第七章1、波分復用系統(tǒng)的組成p 光發(fā)送機將來自不同終端的多路光信號分別由光轉(zhuǎn)發(fā)器（OTU）轉(zhuǎn)換為各自特定波長的光信號后，經(jīng)光合波器合成組合光信號，再通過光功率放大器（BA）放大輸出至光纖中傳輸。p 光中繼放大用采用了增益平坦技術(shù)的EDFA（LA）實現(xiàn)對不同波長光信號的相同增益放大。p 光接收機先由前置光放大器（PA）放大經(jīng)傳輸衰減的主信道光信號，再用分波器從主信道光信號中分出不同特定波長的光信號。p 光監(jiān)控信道（OSC）監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各信道的傳輸情況。在發(fā)送端，插入本節(jié)點產(chǎn)生的波長s為的光監(jiān)控信號（如幀同步、公務(wù)及各種網(wǎng)管開銷字節(jié)），與主信道的光信號合波輸出；在接收端，將收到的光信號進行分離，輸出為s波長的光監(jiān)控信號和業(yè)務(wù)信道光信號。p 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)通過光監(jiān)控信道物理層傳送的開銷字節(jié)到其他結(jié)點或接收來自其他結(jié)點的開銷字節(jié)對WDM進行管理，實現(xiàn)配置、故障、安全、性能管理等功能，并與上級管理系統(tǒng)通信。2、波分復用系統(tǒng)的工作波長范圍為15301565nm,因為目前常用的EDFA的工作波長在這個范圍。根據(jù)通道間隔的大小，波分復用可以分為三種：CWDM、 DWDM、光頻分復用。第八章1、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的性能指標：誤碼率（平均誤碼率、嚴重誤碼秒）、抖動（輸入抖動容限、輸出抖動容限、抖動轉(zhuǎn)移） 可靠性。2、誤碼率、抖動的概念（P199和P204）3、鏈路的功率預算Pt：光發(fā)送機平均發(fā)光功率，以dBm為單位Pr：光接收機靈敏度，以dBm為單位Ac：活動連接器的損耗，一般取值A(chǔ)c=0.5 dB。ME：設(shè)備富余度，一般取ME3 dBa：光纖的損耗系數(shù)as：平均每公里接續(xù)損耗，每個熔接點的衰耗可以保證在0.05dB以下mc：光纜富余度，一般取值為mc =0.10.2 dB/km 第十章 1、光放大器種類種類：(1)半導體放大器：易與其他半導體器件集成，但性能與光偏振方向有關(guān)，器 件與光纖的耦合損耗大。（2）光纖喇曼放大器（FRA）它是利用石英光纖的非線性效應(yīng)而制成。在合適波長的強光作用下，石英光纖會出現(xiàn)受激喇曼散射（SRS）效應(yīng)，當光信號沿著這受激發(fā)的一段光纖中傳輸時，可以使其實現(xiàn)光放大。（3）摻鉺光纖放大器（EDFA）鉺（Er）是一種稀土元素。將它注入到纖芯中，即形成了一種特殊光纖，它在泵浦光的作用下可直接對某一波長的光信號進行放大。EDFA的主要優(yōu)點有：工作波長處在15301565nm范圍，與光纖最小損耗窗口一致；對摻鉺光纖進行激勵的泵浦功率低，僅需幾十毫瓦；連接損耗低，耦合效率高。因為它是光纖型放大器，因此易于與光纖耦合連接，且連接損耗可低至0.1dB。增益高且特性穩(wěn)定、噪聲低、輸出功率大。增益可達40dB，且在100內(nèi)增益特性保持穩(wěn)定，也與偏振無關(guān)。噪聲系數(shù)可低至34dB，輸出功率可達1420dBm；對各種類型、速率與格式的信號傳輸透明。2、EDFA的結(jié)構(gòu)及各部分的功能 EDFA的結(jié)構(gòu)：摻鉺光纖放大器主要由摻鉺光纖（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔離器以及光濾波器等組成光隔離器光耦合器光隔離器光濾波器泵浦光源摻鉺光纖輸入光信號輸出光信號光隔離器：是防止反射光影響光放大器穩(wěn)定工作，保證光信號只能正向傳輸?shù)钠骷?。光濾波器的作用是濾除光放大器的噪聲、降低噪聲對系統(tǒng)的影響,提高系統(tǒng)的信噪比.。光耦合器：是將輸入光信號和泵浦光源輸出的光波混合起來的無源光器件，一般采用波分復用器。摻鉺光纖：是一段長度大約為10100m的石英光纖，將稀土元素鉺離子注入到纖芯中，濃度約為25/。泵浦光源：為半導體激光器，輸出的光功率為10100mW，