光纤通信(第2版)刘增基复习提纲

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.光纤通信和电通信的区别。（1）电通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。（2）电通信用电缆传输信号，光通信用光纤传输信号。光缆具有比电缆更小的高频率传输损耗3.基本光纤通信系统的组成和各部分作用。基本光纤传输系统由光发射机、光纤线路和光接收机三个部分组成1.光发射机功能：是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。核心：光源。要求光源输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。2.光纤线路功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤线路的性能主要由缆内光纤的传输特性决定。3.光接收机功能：把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。核心：光检测器。对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。光接收机把光信号转换为电信号的过程，是通过光检测器的检测实现的。检测方式有直接检测和外差检测两种。第二章1、光能量在光纤中传输的必要条件。设折射率，纤芯为n1；包层为n2,则光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。2、突变多模光纤数值孔径的概念及计算。1.突变型多模光纤(全反射导光)(1)相对折射率指数差（纤芯和包层折射率分别为n1和n2）定义：弱导波光纤中n1和n2相差很少，则n1+n2=2n12121212))((nnnnn2122212nnn所以有：121/)(nnn定义临界角θc的正弦为数值孔径(NumericalAperture,NA)。根据定义和斯奈尔定律设Δ=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21或θc=12.2°。NA表示光纤接收和传输光的能力。1）NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。2）NA越大经光纤传输后产生的信号畸变越大3、弱导波光纤的概念。纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=50~80μm，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。带宽只有10~20MHz·km，一般用于小容量（8Mb/s以下）短距离（几km以内）系统。4、相对折射率指数差的定义及计算。参考25、突变多模光纤的时间延迟。现在我们来观察光线在光纤中的传播时间。根据图2.4，入射角为θ的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所经历的路程为l(oy)，在θ不大的条件下，其传播时间即时间延迟为式中c为真空中的光速。由式(2.4)得到最大入射角(θ=θc)和最小入射角(θ=0)的光线之间时间延迟差近似为6、渐变型多模光纤自聚焦效应的产生机理。渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数，对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角θ0，其周期Λ=2π/A=2πa/，取决于光纤的结构参数(a,Δ)，而与入射角θ0无关。这说明不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在P点上，这种现象称为自聚焦(SelfFocusing)效应。渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。这是因为(1)光线传播速度v(r)=c/n(r)(c为光速)，入射角大的光线经历的路程较长，但大部分路程远离中心轴线，n(r)较小，传播速度较快，补偿了较长的路程。(2)入射角小的光线情况正相反，其路程较短，但速度较慢。所以这些光线的时间延迟近似相等。7、突变光纤和平方律渐变光纤传输模数量的计算。2sin12221nnnNAC)21(sec211111cLncLnclncLnNAcnLcnLc12121)(2222)2()2(2122vggnkaggM对于突变型光纤，g→∞，M=V2/2；对于平方律渐变型光纤，g=2，M=V2/4。8、归一化频率的表达式。（1）用脉冲展宽表示时，光纤色散可以写成Δτ=(Δτ2n+Δτ2m+Δτ2w)1/2式中Δτn、Δτm、Δτw分别为模式色散、材料色散和波导色散所引起的脉冲展宽的均方根值。将归一化频率响应|H(f)/H(0)|下降一半或减小3dB的频率定义为光纤3dB光带宽f3dB课本是441（分子）9、单模条件和截止波长。单模传输条件为V=可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个临界波长λc，当λλc时，是多模传输，当λλc时，是单模传输，这个临界波长λc称为截止波长。由此得到10、三种色散的定义。模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光(实际光源不是纯单色光)，其时间延迟不同而产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。11、3dB带宽的表达式及相关计算。同812、光纤损耗产生的机理。光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。各种机理产生的损耗与波长的关系，这些机理包括吸收损耗和散射损耗两部分。（1）吸收损耗1）SiO2引起的固有吸收（本征损耗）由电子跃迁引起的紫外吸收；由分子振动引起的红外吸收2）杂质引起的吸收。过渡金属(例如Fe2+、Co2+、Cu2+)、氢氧根(OH-)离子（2）散射损耗1）瑞利(Rayleigh)散射（本征损耗）主要由材料微观密度不均匀引起，与波长λ四次方成反比。f3dB=)(440ZMH405.222221nna405.222221nnaC2.405V405.2cCV或2）由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射13、非零色散光纤。是一种改进的色散移位光纤。在密集波分复用(WDM)系统中，当使用波长1.55μm色散为零的色散移位光纤时，由于复用信道多，信道间隔小，出现了一种称为四波混频的非线性效应。这种效应是由两个或三个波长的传输光混合而产生的有害的频率分量，它使信道间相互干扰。如果色散为零，四波混频的干扰十分严重，如果有微量色散，四波混频反而减小。这种光纤在密集波分复用和孤子传输系统中使用，实现了超大容量超长距离的通信14、光缆缆芯的结构类型。保护光纤固有机械强度的方法，通常是采用塑料被覆和应力筛选。光缆一般由缆芯和护套两部分组成，光缆的传输特性取决于被覆光纤。1.缆芯通常包括：被覆光纤(或称芯线)加强件通常用杨氏模量大的钢丝或非金属材料例如芳纶纤维(Kevlar)做成。2.护套护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力缆芯结构的特点，光缆可分为四种基本形式。（1）层绞式把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成，采用松套光纤的缆芯可以增强抗拉强度，改善温度特性（2）骨架式把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。这种结构的缆芯抗侧压力性能好，有利于对光纤的保护。（3）中心束管式把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。这种结构的加强件同时起着护套的部分作用，有利于减轻光缆的重量。（4）带状式把带状光纤单元放入大套管内，形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。带状式缆芯有利于制造容纳几百根光纤的高密度光缆，这种光缆已广泛应用于接入网。15、光纤特性参数的测量方法。（光纤的特性参数很多，基本上可分为几何特性、光学特性和传输特性三类。）每个特性参数有多种不同的测量方法基准法：严格按照定义进行测量的方法。替代法：在某种意义上与定义相一致的测量方法。当两者有争议时，应以基准法为准。光纤损耗测量有两种基本方法：一种是测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插入法；另一种是测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法。（看书）第三章1、光纤通信中常用的半导体激光器的种类。半导体激光二极管（LD）发光二极管（LED）DFB2、半导体激光器的主要由哪三个部分组成？限制层有源层限制层3、电子吸收或辐射光子所要满足的波尔条件。电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式：受激吸收自发辐射受激辐射电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，E2-E1=hf12(3.1)式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。4、什么是粒子数反转分布？设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是N1N2。吸收物质：如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减。激活物质：如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用。N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。5、理解半导体激光产生激光的机理和过程。由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内。书本52页6、静态单纵模激光器。随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加而产生的。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。7、半导体激光器的温度特性。注：激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：一是激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大，二是外微分量子效率ηd随温度升高而减小。温度升高时，Ith增大，ηd减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化。8、DFB激光器的优点。①单纵模激光器。②谱线窄，波长稳定性好。③动态谱线好。④线性好。广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统中。想详细点就看书（57）)exp(1212kTEENN9、LD与LED的主要区别（课件只是两点，可看课后小结）（1）LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。（2）LED不需要光学谐振腔，没有阈值。10、常用光电检测器的种类。PIN光电二极管雪崩光电二极管（APD）11、光电二极管的工作原理。光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。（课本61）12、PIN和APD的主要特点。由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。当反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。APD就是根据这种特性设计的器件参考课本66有性能的比较，上面只是概念13、耦合器的功能。功能：把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。对光纤线路的影响：插入损耗，反射和串扰噪声14、光耦合器的结构种类。1）T形耦合器功能是把一根光纤输入的光信号按一定比例分配给两根光纤，或把两根光纤输入的光信号组合在一起，输入一根光纤。主要用作不同分路比的功率分配器或功率组合器2）星形耦合器功能是把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤，m和n不一定相等。这种耦合器通常用作多端功率分配器。3）