光纖通信重點(diǎn)

1、第一章光纖通信系統(tǒng)概述?光纖通信的三個主要通信窗口的情況；850nm :影響第一代光纖通信的主要因素是多模光纖中的模式色散1330nm ：影響第一代光纖通信的主要因素是多模光纖中的模式色散1550nm:限制因素：在 1.55 m處的非零色散.?光纖通信的主要特點(diǎn)；1光波系統(tǒng)的容量遠(yuǎn)大于電波系統(tǒng)2光波作為信息載體，提供高速大容量通信：光載波帶寬遠(yuǎn)大于微波帶寬3光纖作為傳輸介質(zhì)，提供較小的中繼距離：光纖損耗遠(yuǎn)小于同軸線的損耗4光纖作為對信號的封閉系統(tǒng)：抗電磁干擾、保密性好5光纖纖芯細(xì)質(zhì)量極輕，制成設(shè)備質(zhì)量輕體積小6光纖的缺點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度低，光纖連接困難第二章光纖傳輸線理論一、主要概念：1單模光纖、多

2、模光纖；單模光纖是只能傳輸一種模式的光纖，單模光纖只能傳輸基模最低階模，不存在模間時延差，具有比多模光纖大得多的帶寬，適用于高碼速傳輸多模光纖的定義是：在一定的工作波上，當(dāng)有多個模式在光纖中傳輸時，那么稱為多模光纖2、子午光線、空間光線；子午光線Meridian Ray :處在一個平面內(nèi)包括光纖軸線的平面，稱之為子午面，經(jīng)過光纖軸線在周圍邊界間作內(nèi)部全反射的光線空間光線Skew Ray：不交軸光線3、相對折射率差、光纖的數(shù)值孔徑；數(shù)值孔徑：表征一根光纖捕捉光的能力，伍4、模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散； 模式色散：同一頻率成分由不同模式組成 材料色散：一個光信號由不同頻率組成， 波導(dǎo)色散：同一模

3、式含有不同頻率成分5、光纖歸一化頻率；v = k詁賦-心d6、色散位移光纖DSF 、色散平坦光纖DFF 、色散補(bǔ)償光纖DCF ；色散位移光纖在1.550um處色散系統(tǒng)數(shù)接近于零，損耗的統(tǒng)一，克服了單模光纖的缺乏，是線性傳輸?shù)氖走x光纖。色散補(bǔ)償光纖法就是用一段在1.550um處具有負(fù)色散系統(tǒng)數(shù)的光纖去抵消常規(guī)光纖或非零色散位移光線中的正色散系數(shù)7、偏振模色散；兩個偏振方向的傳輸常數(shù)不同，導(dǎo)致的色散 二、主要技術(shù)原理及分析：1單模光纖的根本結(jié)構(gòu)和主要特點(diǎn)。2、漸變折射率光纖與階躍折射率光纖相比，為何能夠做到色散比擬小、時延比擬小。 漸變折射率光纖的折射率在纖芯中是連續(xù)變化的，適當(dāng)?shù)剡x擇折射率的分布

4、形式，可以使 不同入射角的光線有大致相同的光程，從而大大減小群時延差。從漸變折射率光纖端面上 平行入射的光線具有相同的傳輸時延，有自聚焦性質(zhì)，使得色散比擬小。根據(jù)折射定律：八叱小皿 ZZ假設(shè)要在纖芯與包層的界面n1與n2的交界處發(fā)生全反射，sin 需要滿足：cosL = 1 與 即cos, 叭%取n0=1 空氣，并假設(shè)n1 n2sin代二坷儷0 - nr=rtiti ss n.V n關(guān)于數(shù)值孔徑NA的假設(shè)干結(jié)論?數(shù)值孔徑與光纖幾何尺寸無關(guān)與一般光學(xué)系統(tǒng)不同之處，只與其纖芯和包層的折射率分布有關(guān)。?數(shù)值孔徑越大，光纖的集光能力越強(qiáng)?實(shí)際分析說明，數(shù)值孔徑并不是越大越好，這是因為隨著光纖入射功率的

5、增大，色散亦將增加。4、請簡述光纖模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散各自產(chǎn)生的原因及其主要區(qū)別。模式色散：越小對應(yīng)的模次越高，那么沿z向的傳輸速度越低。所以說，不同模式具有不同的群速，引起了色散。以不同角度入射的光線不同模式傳過相同距離所需時間不同 波導(dǎo)色散是模式本身的色散，材料色散是材料dA2n/dL2l為波長所造成的，而波導(dǎo)色散是因為某一模式的dA2B/ d|A2B為相角I為波長所形成的。5、光纖最大時延差的相關(guān)分析和計算。maxmin4痂一 Bn =Tvsinc光纖單位長度最大時延差:6、單模光纖、多模光纖、漸變折射率光纖中光線傳播的差異。橫戡面新射率分布輸入銀沖光藝傳權(quán)需徑輸出瞰沖A：Q 北

6、er Ba階躍折射率光纖b漸變折射率光纖 單模光纖7、光纖的LP模分析理論掌握主要結(jié)論，不深入分析過程、模式截止波長的計算及光纖單模傳輸條件的相關(guān)分析計算。對稱介質(zhì)平板波導(dǎo)的單模傳輸條件為此時波導(dǎo)中只存在一個TEO模式。光纖中的基模是LP01，次低次模是LP11，故能夠進(jìn)行單模傳輸?shù)臈l件為0K 2.405牛0N1，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布3、泵浦源；F- P諧振腔通過對處于熱平衡狀態(tài)的物質(zhì)施加能量，可以使處于低能級上的原子激發(fā)到高能級上， 從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，所需的外界能源稱為泵浦源F-P光學(xué)諧振腔的根本結(jié)構(gòu)4、全同光子、微分量子效率；和入射光子完全相同頻率相同，動量相同，相位相同的光子vph

7、P-Pth e P e7? = 14 v rt j jr I；，：n i稱為微分量子效率一一閾值點(diǎn)以上，單位時間發(fā)射的光子數(shù)與注入的電子-空穴對數(shù)之比。微分量子效率與輸出特性曲線的斜率成正比。5、同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)；同質(zhì)結(jié)：P區(qū)和N區(qū)是由同種半導(dǎo)體材料經(jīng)過不同摻雜構(gòu)成異質(zhì)結(jié)：P區(qū)和N區(qū)是由不同的半導(dǎo)體材料經(jīng)摻雜構(gòu)成雙異質(zhì)結(jié):辰型異岳結(jié)A-Qpr AlCJtiAs6、同型異質(zhì)結(jié)、反型異質(zhì)結(jié);7、半導(dǎo)體激光器的張馳振蕩、碼型效應(yīng)、電光延遲時間、消光比；張弛振蕩電流脈沖注入激光器后，輸出的光功率表現(xiàn)為衰減式的振蕩是激光器內(nèi)部存在的固有特性。電光延遲時間td 從注入電流到有激光輸出所需的時間，一

8、般為10-9S量級脈碼效應(yīng)指激光器在傳輸一系列脈沖信號時，后一個光脈沖的幅度大于前一個光脈沖的幅度，延遲時間比前一個的小一般要求消光比 光的衰減效應(yīng)3、利用相位平衡條件分析激光器的諧振頻率能夠根據(jù)所給條件確定特定激光器的縱模分 布、縱模間隔等；能夠運(yùn)用振幅平衡條件分析激光器工作的增益閾值條件。每一個諧振頻率對應(yīng)腔中的一個振蕩模式，稱為縱模。相鄰兩縱模頻率之差為縱模間隔(g + l)Q qc2nL 2nL對于一個確定的諧振腔L,n 一定，縱模間隔 f是常數(shù)，即各縱模等間隔分布。 宀如稱為光學(xué)諧振腔的閾值條件 4、同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，以及二者的主要區(qū)別。5、試說明雙異質(zhì)結(jié)激光器閾值電流密度

9、較小的主要原因。A. P層帶隙寬，導(dǎo)帶的能態(tài)比有源層高，對注入電子形成了勢壘，注入到有源層的電子不可能擴(kuò)散到P層。同理， 注入到有源層的空穴也不可能擴(kuò)散到N層。B.有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激光被限制在有源區(qū)內(nèi)，因而電/光轉(zhuǎn)換效率很高，輸出激光的閾值電流很小。6、發(fā)光二極管LED 和半導(dǎo)體激光管LD 的發(fā)光機(jī)制有何異同。半導(dǎo)體激光器：利用半導(dǎo)體 PN結(jié)，注入電子、空穴而發(fā)光的原理制作的激光器其核心局部 是一個PN結(jié)和FP光學(xué)諧振腔，能級躍遷發(fā)生在導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴之間 半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二級管的主要區(qū)別在于LD結(jié)構(gòu)上要形成光學(xué)諧振腔，它的作用是提供光學(xué)正反應(yīng)，以便在腔內(nèi)建立并維持

10、自激振蕩，控制輸出激光束的特性。半導(dǎo)體激光器在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于一個多層介質(zhì)波導(dǎo)諧振腔，當(dāng)注入電流大于閾值電流時， 輻射光在腔內(nèi)建立起來的電磁場模式成為激光器的模式。發(fā)光二級管的發(fā)發(fā)射過程主要是對應(yīng)光的自發(fā)發(fā)射過程；而半導(dǎo)體激光器那么是一個閾值器件，其工作狀態(tài)歲注入電流的不同而不同。當(dāng)注入電流較小時，自發(fā)發(fā)射占主導(dǎo)地位。當(dāng)注入電流大于閾值電流時，受激輻射占主導(dǎo)地位。7、穩(wěn)態(tài)電光延遲時間的求解分析，獲知延遲時間與閾值電流的關(guān)系。. j.1二兀Jn - =穩(wěn)態(tài)時，設(shè)直流預(yù)偏置電流密度是jo ,對應(yīng)的電子密度為1 JJ門 |p 丿11 十丿sp-cni tsp-cm 111 -J 丿山Jm Jo Jths

11、p-CTi In *IJ mJoJxhj =jO+jm , jm 為調(diào)制信號脈沖信號的幅值對應(yīng)的電流密度，當(dāng)j0= jth時，td = 0當(dāng)直流預(yù)偏置=閾值電流時，電光延遲時間等于零。8何謂半導(dǎo)體激光器的張馳振蕩、碼型效應(yīng)，其危害和消除方法各是什么。張弛振蕩：適當(dāng)?shù)脑龃箢A(yù)偏置電流；碼型效應(yīng)：危害，長的連“ 0碼后，出現(xiàn)“ 1碼時，脈碼效應(yīng)明顯；增加誤碼率。消除辦 法，可以在主電流脈沖的后面加上一個反相脈沖，使殘留和積累的多余電子消耗掉。9、半導(dǎo)體激光器工作時為何要進(jìn)行直流預(yù)偏置。10、激光器的內(nèi)調(diào)制與外調(diào)制的原理有何區(qū)別。內(nèi)調(diào)制Internal Modulation基帶信號作為 LD的驅(qū)動，采

12、用電源調(diào)制的方法，一般只能進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制外調(diào)制External Modulation利用介質(zhì)某些晶體的電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效 應(yīng)，在光源以外激光形成后的光路中，即在激光形成以后加載調(diào)制信號，對光進(jìn)行調(diào)制。11、摻鉺光纖放大器的使用方式主要有那幾種。前置放大叵亟叵后置放大E巨門 -分布式放大區(qū)12、摻鉺光纖放大器中存在那幾種類型的噪聲。信號的散彈噪聲、自發(fā)輻射的散彈噪聲、信號與自發(fā)輻射的差拍噪聲SI-SP、自發(fā)輻射差拍噪聲SP-SP第四章光檢測器與光接收機(jī)一、主要概念：1、光檢測器的響應(yīng)度和量子效率；響應(yīng)度R,定義：Ip光生電流，Pin輸入光功率，R表征光電轉(zhuǎn)換效率=,光生電子空穴對數(shù)ahv

13、入射光子數(shù)/ hv e量子效率n，定義：2、量子噪聲、暗電流噪聲、倍增噪聲；量子噪聲：入射光束橫截面積內(nèi)的光子數(shù)隨機(jī)起伏引起光生電子數(shù)的起伏 暗電流Id,指光電檢測器在無光照時產(chǎn)生的電流，Id的起伏會引起暗電流噪聲倍增噪聲：信號倍增過程中噪聲被放大3、APD管雪崩增益；PN結(jié)內(nèi)部形成一個高電場區(qū)，光生電子或空穴經(jīng)過高場區(qū)被加速，從而獲得足夠的能 量，發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生的新電子和空穴在高速場繼續(xù)被加速獲得能量經(jīng)過屢次碰撞電離， 載流子迅速增加，反向電流迅速增大，形成雪崩倍增效應(yīng)。G丄光電倍增因子 G 雪崩增益，定義：Io倍增輸出電流，Ip初級光生電流4、光接收機(jī)的極限靈敏度；極限靈敏度，定義：指

14、接受機(jī)系統(tǒng)不產(chǎn)生噪聲暗電流為0,僅考慮量子噪聲的理想情況下，信噪比為1時的輸入信號功率。二、主要技術(shù)原理及分析：1、光檢測器響應(yīng)度有關(guān)的分析計算。R匸二摩久 hv he2、與光檢測器量子效率、倍增因子有關(guān)的分析計算。G 丄二!7P . v-lrY1V : APD的反向偏壓VB: APD的擊穿電壓3、光電檢測器與前置放大器的等效電路的組成，及其每個元件的含義含噪聲Ip: 次光生電流源；IQ:量子噪聲源；ID:暗電流噪聲源SI:放大器等效電流噪聲源； SE:放大器等效電壓噪聲源；4、量子噪聲功率譜、暗電流噪聲功率譜、電阻熱噪聲功率譜的計算方法，以及其通過放大 器后的總的噪聲功率計算。注意APD的特

15、殊情形焉二叫G*焉=時熱噪聲功率譜密度2匚風(fēng)訓(xùn)9也輸出噪聲功率計算7、光檢測器的噪聲功率計算8模擬光接收機(jī)的信噪比計算。光接收機(jī)輸出的平均信號功率尺 光接收機(jī)輸由的平均噪聲功率慶出儉SNR =吠磚2 州人+ A9、數(shù)字光接收機(jī)的誤碼率分析計算。 = ber =卩0匸 p. idi + p 岡山5判為的槪皋 判為的概率i表示信號電流的瞬時值，pOi和p1i分別表示“ 0 “1碼的概率密度函數(shù)Ij是p0i和p1i相等時對應(yīng)的信號電流，即判決門限。D -1 I -D| cxpf-p2/0=5 唄=仏 5 BER= L_-_-%7,yjlTT Q10、數(shù)字光接收機(jī)誤碼率分析的高斯近似法分析的主要思想及

16、其缺乏之處，CCITT -玻爾松尼克方法對它的改進(jìn)思路高斯近似法主要思想：假設(shè)雪崩光電檢測過程中的概率密度函數(shù)為高斯函數(shù)，假設(shè)接收機(jī) 輸出總噪聲概率密度函數(shù)也為高斯函數(shù)，且其方差即為放大器和檢測器輸出噪聲功率之和。缺點(diǎn)和缺乏忽略了 “0與“1之間的碼間串?dāng)_，在光通信中色散會使脈沖展寬，造成嚴(yán)重的碼間串?dāng)_。 沒有考慮光信號的具體輸入波形。理想低通特性的假設(shè)是不符合實(shí)際情況的。噪聲概率密度的高斯分布假設(shè)不夠準(zhǔn)確。CCITT改進(jìn)方法在考慮到碼間串?dāng)_的實(shí)際情況下，認(rèn)為在判決時刻除判決碼元外，其余時刻都是全“1碼是不恰當(dāng)?shù)募僭O(shè)。因此改為，認(rèn)為在判決為“ 1 或“ 0時，其余時刻的“ 0和“ 1碼將 各占

17、一半。第五章光纖通信系統(tǒng)一、主要概念：1、波分復(fù)用WDM、DWDM ;WDM、DWDM本質(zhì)上都是光波長分割復(fù)用，只是復(fù)用信道波長間隔不同。WDM波長間隔一般在幾十到幾百納米。DWDM波長間隔為納米量級，標(biāo)準(zhǔn)的間隔為0.8nm的整數(shù)倍。波分復(fù)用WDM 技術(shù)可使一段光波頻率范圍內(nèi)不同波長的光波，按一定時間間隔排列在 一根光纖中傳送，然后在收端通過光濾儀器進(jìn)行解復(fù)用，以此方式來大幅度地提高傳輸?shù)?帶寬。而光密集波分復(fù)用DWDM 是波分復(fù)用WDM 技術(shù)中的一種方式，DWDM 使用溫度特性穩(wěn)定的激光作為中心波長的定位以及窄帶過慮，這樣就能提供高密度的間隔信 道，比擬適合于單一的光纖上傳輸大量的數(shù)字視頻信號。2、復(fù)用、解復(fù)用；復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)：將多條運(yùn)輸連接上的數(shù)據(jù)聚集到一條網(wǎng)絡(luò)連接上傳輸，使得具有高吞吐 量、高速率和低傳輸延遲、且高費(fèi)用的網(wǎng)絡(luò)可以支持用戶的低傳輸本錢的要求波分復(fù)用技術(shù)指不同波長的多個獨(dú)立光信號復(fù)用在一起，在同一個光纖中同時傳輸3、光纖通信系統(tǒng)的功率裕量；二、主要技術(shù)原理及分析：1、數(shù)字光纖通信的根本組成及其各組成局部的主要功能。電發(fā)射機(jī)、光發(fā)射機(jī)、中繼器 EDFA 、光接收機(jī)、電發(fā)射機(jī)電發(fā)送端發(fā)送端Transmitter內(nèi)調(diào)制/外調(diào)制光源+光涮制器v光軒f光信號傳輸】倍