光纤通信(考试一页纸)

SiO2玻璃片透镜透镜光纤输出透镜透镜531241，2，3，4，5增益介质反射镜面有源区PN注入电流光子电子导带hfc/e价带eU空穴Eg光纤光纤的结构：光纤的基本结构一般是双层或多层的同心圆柱，其中心部分是纤芯，纤芯外面的部分是包层，纤芯的折射率高于包层的折射率，从而形成一种光波导效应，使大部分的光被束缚在光纤中传输，实现光信号的长距离传输。防护层：分为缓冲涂层，加强材料涂覆层以及套塑层。套塑方法有两种：紧套（光纤在二次套管内不能自由松动，优点是性能稳定，外径较小但机械性能不如松套，易受外力影响）和松套（有一定活动范围，温度性能优于紧套，制作容易，但外径加大，为避免水分，需要填充半流质油膏来提高光缆的纵向封闭性能）。光纤的主要成分：纤芯：石英中掺入折射率高于石英的掺杂剂（GeO2,P2O5）；外包层：掺入折射率低于石英的掺杂剂（B2O3,F）常用光缆的典型结构：层绞式、骨架式、带状式、束管式光纤端面的折射率分布根据光纤横截面上折射率分布的情况来分类，光纤可分为阶跃光纤和渐变光纤。阶跃光纤：在纤芯中折射率分布是均匀的，常用n1表示，在纤芯和包层的界面上折射率发生突变；渐变光纤：在纤芯中折射率的分布是变化的，而包层中的折射率通常是常数。在渐变光纤中，包层中的折射率常数常用n2表示，纤芯中折射率分布可用方幂律式表示其中g是折射率变化的参数，a是纤芯半径，r是光纤中任一点到衷心的距离，Δ是渐变折射率光纤的相对折射率差，Δ=(n1-n2)/n1,当g=2时折射率分布为抛物线分布，g=∞为阶跃光纤光在阶跃光纤中的传播速度𝐯=𝐜/𝒏𝟏光纤的数值孔径NA：从空气中入射到光纤纤芯端面上的光线被光纤捕获成为束缚光线的最大入射角𝜃𝑚𝑎𝑥为临界光锥的半角，称其为光纤的数值孔径（NumericalAperture）,记为NA。对于阶跃光纤，NA=sin𝜃𝑐=√𝑛12−𝑛22=𝑛1√2Δ,式中Δ=（𝑛12−𝑛22）/(2𝑛12)是光纤纤芯和包层的相对折射率差。光纤的限光能力（捕捉光线能力的大小）。对于集光能力来说，Δ越大，集光能力越强。对于较大的Δ，将出现较严重的多径色散光纤介质的特性：1、响应的局部性：在介质中，介质对所加电场响应是局部的，即介质在某处的极化P只与该处所加的电场E有关，而其他部分所加的电场E对P没有影响；2、各向同性与各向异性（双折射），各向同性是指其电磁特性（如折射率、偏振、传播常数等）在所有的方向都是一样的，如果材料的折射率在任意两个方向上不同，则称为双折射；3、线性与非线性特性，；4、均匀性与不均匀性，若介质在其所有点上的电磁特性都相同，则介质称为均匀介质，光纤不是均匀介质，对于阶跃光纤，纤芯域和包层域分别是均匀介质；5、无损耗特性，尽管光纤不是无损耗介质，但其损耗较小，可以忽略不计。模的概念：满足边界条件的电磁场波动方程解，即电磁场的稳态分布。这种空间分布的传播过程中只有相位的变化，没有形状的变化，且始终满足边界条件，每一种这样的分布对应一个模式。一个模式由它的传播常数唯一决定。V=2πa/λ∙（n12−n22）0.5多模光纤中的模式数目光纤中传导模总数M=(𝑉22⁄)∙(𝑔(2+𝑔)⁄)，式中V为光纤归一化频率，g为纤芯的折射率分布参数，阶跃光纤(g=∞)M≈𝑉22⁄，渐变光纤(g=2)M=𝑉24⁄，三角分布(g=1)M≈𝑉26⁄控制纤芯中折射率分布可以减少光纤中传播的模式数目。多模光纤是一种传播多个模的光纤，即它能允许多个模通过。多模光纤有两种结构，即多模阶跃和多模渐变光纤单模光纤的传播模：只能传播一种模式的光纤称为单模光纤，其满足截止条件V=(2𝜋𝜆⁄)𝑎√𝑛12−𝑛222.045模间时延差δτ=𝜏𝑚𝑎𝑥−𝜏𝑚𝑖𝑛=𝐿𝑠𝑖𝑛𝜃⁄𝑐𝑛1⁄−𝐿𝑐𝑛1⁄=𝐿𝑛12𝑐𝑛2Δ=𝐿𝜏,τ为单位长度时延模间色散的减少：由于不同的光线在光纤中传输的时间不同，因而输入一个光脉冲时其能量在时间上相对集中，经光纤传输后到达输出端，输出一个光脉冲其能量在时间上相对弥散，这种现象称为模式色散。属于同一波长的光信号由于存在多个模式，存在模间色散。单模光纤由于速度不同而引起的光脉冲的展宽现象称为波长色散光波长不同色度色散。材料色散：由于石英材料的折射率随波长变化而引起的，而实际的光源谱是有一定宽度的，因而不同的波长由于速度不同相互之间有延迟，导致输入光纤的窄脉冲输出时变宽。波导色散：由于光纤中模式的传播常数是频率的函数引起的，不仅与光源的谱宽有关，还与光纤的结构参数有关。色散补偿：1、零色散波长光纤。在某一波长范围，如λ1.27μm，由于材料色散与波导色散符号相反，因而在某一波长上可以完全相互抵消；2、色散位移光纤DSF。减少光纤的纤芯使波导色散增加，可以把零色散向长波长方向移动，从而在光纤最低损耗窗口λ=1.55μm附近得到最小色散。3、色散平坦光纤DFF，在λ=1.30μm和λ=41.55μm范围内，色散接近于零的光纤；4、色散补偿光纤DCF，在特定波长范围内DCF光纤的色散符号与普通单模光纤相反，即为负色散，这样当DCF光纤与普通单模光纤混合使用时色散得到了补偿；5、色散补偿器如光纤光栅FG、光学共轭相位OPC等。原理是让原先跑得快的波长经过补偿器时慢下来减少不同波长由于速度不同而导致的延时。光源与光检测器考虑一个具有二能级的原子系统，能级为E1和E2，且E2E1，如果照在其上的光波频率为fc，且光子的能量hfc满足hfc=E2-E1,h为普郎克常数,h＝6.63×10-9(J·s)，则引起原子在不同的能级E1和E2之间的跃迁，E1→E2和E2→E1之间的跃迁是同时发生的。原子吸收了光子的能量从E1跃迁到E2，原子从E2跃迁到E1放出一个光子，其能量与入射光子的能量hfc一样，前者称为受激吸收，后者称为受激辐射粒子数反转分布低能级E1上的粒子数N1是小于高能级E2上的粒子数N2F-P腔半导体激光器将放大器置于F-P腔内，就构成了一个F-P腔放大器。F-P腔实际上是由两个平行的平面反射镜构成的，它使得只有与腔内谐振波长相对应的波的增益增高。换句话说,F-P腔具有波长选择性。其右端面将一部分光透射过去，另一部分光被反射回来后在其左端面又反射回来。与腔内谐振波长相对应，通过右端面发送出去的所有光波其相位相互叠加。相位叠加的结果是发送出去的光波其幅度比其他波长的光波得到了很大的增强，因而，端面的部分反射作用使光放大器的增益变成了波长的函数。光源的输出光功率LD形成稳定激光振荡，输出波长条件光波长应在增益谱内；谐振腔长度为半波长整数倍纵模间隔：∆=c/(2nL)激光器原理半导体LED自发辐射LED主要有五种结构类型，在光纤通信中获得广泛应用有两种，即面发光二极管(SLED)和边发光二极管(ELED)。P-I特性：LED的输出光功率P与电流I的关系。LED是非阈值器件，其发光功率随工作电流的增大而增大，并在大电流时逐渐饱和。LED的工作电流通常为50～100mA，这时偏置电压为1.2～1.8V，输出功率约为几毫瓦。工作温度提高时，同样工作电流下LED的输出功率要下降。例如当温度从20℃提高到70℃时，输出功率将下降约一半。但相对LD而言，温度的影响较小。频谱特性：半功率点全宽FWHM光源与光纤的耦合发散角越大，耦合效率越低，数值孔径NA越大，耦合效率越高光检测器光检测器的基本工作原理如图所示。光检测器由半导体材料制成，当光照射到其表面时，价带中的电子吸收光子，获得能量的电子跃迁到导带，同时在价带中留下了空穴。在外加偏置电压的情况下，电子空穴对的运动形成了电流，这个电流常称为光生电流。分类：光电倍增管、热电探测器、光电二极管，常见半导体光检测器：PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极（APD）。根据量子力学原理可知，每个在能级之间跃迁的电子只能吸收一个光子。要产生光电流,入射光子的能量必须至少等于禁带宽度，这导致了对光频率fc或波长λ的限制。设半导体材料的禁带宽度为Eg，则𝑐=/𝜆𝑔，式中,c为光速，e为电子电荷。满足该限制条件的最大波长称为截止波长λ截止。噪声：热噪声、暗电流噪声、漏电流噪声、散弹噪声光电转换效率与响应度高，响应速度快，噪声低PIN为了进一步提高光检测器的量子效率和响应速度，在P型半导体和N型半导体之间加入一种轻微掺杂的本征半导体，这样的光电二极管称为PIN光电二极管。I的含义是指中间这一层是本征半导体。PIN光电二极管的耗尽层很宽,几乎是整个本征半导体的宽度，而P型半导体与N型半导体的宽度与之相比是很小的，因而大部分光均在此区域被吸收，从而提高了量子效率和响应速度。APD常用拉通型雪崩光电二极管（APD）可以对尚未进入后面放大器的输入电路的初级光电流进行内部放大。这样可以显著地增加接收机的灵敏度，因为在还没有遇到接收机电路的热噪声之前就已放大了光电流。为了达到载流子的倍增，光生载流子必须穿过一个具有非常高的电场的高场区。在这个高场区，光生电子或空穴可以获得很高的能量，因此它们高速碰撞在价带上的电子使之产生电离，从而激发出新的电子—空穴对，这种载流子倍增的机理称为碰撞电离。新产生的载流子同样由电场加速，并获得足够的能量从而导致更多的碰撞电离产生，这种现象就是所谓的雪崩效应。当偏置电压低于二极管的击穿电压时，产生的载流子总数是有限的。偏置电压高于击穿电压时，产生的载流子就可以无限多了。光纤连接：接头，连接器。轴向位移、连接间隔、倾斜位移、截面不平整；插入损失、回波损失（与插入矛盾）、可重复性光纤耦合器N路光信号合路再向M路或N路分配。两根光纤并行放置，然后熔化和拉伸，产生一个耦合区。N×N所需开关数M=（N/2）（lgN/lg2）波分复用/解复用（复用/解复用器）性能指标：1、插入损耗2.信道隔离度与串扰：信道i对信道j的串扰表示为：WDM合波/分波器多层介质薄膜MDTFF：这种器件依赖于从薄层束反射的许多光波之间的干涉效应。如果每层的厚度是λ／4，那么，当入射角等于零即垂直入射时，波长为λ的光在通过每层后得到相位位移π。因此，反射波与入射波相位相反，它们将成相消性干涉，也就是相互抵消。换句话说，波长为λ的光将不被反射，这意味着这个光通过，所有其他的光将被反射，这就是滤波。如果每层厚度等于λ／2，那么反射波将成相长干涉，也就是它们和入射波将同相位并相互相加。这就使它变成了一个高反射镜。典型的多层介质膜滤波器利用楔状玻璃镀λ1、λ2、λ3、λ4和λ5滤光膜,当λ1～λ5的光从同一根光纤输入时,首先λ1通过滤波器输出,其余被反射，继而λ2通过滤波器输出,依此类推，达到解复用的目的。这种结构中,棒透镜主要起构成平行光路的作用。如改变传输方向,则起波长分割复用的作用。MDTFF复用器典型的多层介质膜滤波器利用楔状玻璃镀λ1、λ2、λ3、λ4和λ5滤光膜,当λ1～λ5的光从同一根光纤输入时,首先λ1通过滤波器输出,其余被反射，继而λ2通过滤波器输出,依此类推，达到解复用的目的。这种结构中,棒透镜主要起构成平行光路的作用。如改变传输方向,则起波长分割复用的作用。光纤光栅滤波器型波分复用器光纤光栅是利用光纤的光折变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。目前主要的制作方法是紫外激光写入法。光纤光栅根据其折射率分布形式有光纤Bragg光栅、啁啾光栅、取样光栅以及长周期光栅，滤波特性各不相同。光纤Bragg光栅（FBG）工作原理：将n个布拉格波长λB（λB=2neH^）分别等于λ1~λn的FBG级联起来n个波长依次通过各个FBG从把相应的波长的光反射回来，然后通过环形器把该波长分离出来。光放大器1半导体型放大器SOA（法布里帕罗、非谐振的行波放大器TWA）根据半导体激光器的工作原理制成的光放大器。将半导体激光器两端的反射腔去除，就成为没有反馈的半导体行波放大器。它能适合不同波长的光放大，缺点是耦合损耗大，增益受偏振影响大，噪声及串扰大。光纤型放大器（EDFA）在