光纤通信复习

光纤通信复习第1章概论1、1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。2、1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器。3、1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(OpticalFiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。（指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向。）4、国内外光纤通信发展的现状：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85μm发展到1.31μm和1.55μm(短波长向长波长），传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。5、通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。6、光通信的主要特点：载波频率高；频带宽度宽。光通信利用的传输媒质-光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。（近红外线（10m）可见光线（1m））（频率：1THz）7、光纤通信的优点：（1）容许频带很宽，传输容量很大（2）损耗很小，中继距离很长且误码率很小（3）重量轻、体积小（4）抗电磁干扰性能好（5）泄漏小，保密性能好（6）节约金属材料，有利于资源合理使用。8、光纤通信的缺点：（1）质地脆，机械强度差；（2）光纤的切断和接续需要一定的工具设备和技术；（3）分路、耦合不灵活；（4）光纤光缆的弯曲半径不能过小（20cm）；（5）有供电困难问题。9、光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作用。答：下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。（1）发射部分：由信息源和电发射机组成，主要主要作用是信号的转换和调制，把基带信号转换为适合信道传输的信号，称为已调信号。（2）接受部分：由电接收机和信息宿组成，主要作用是把接受到的电信号解调制，转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信号。（3）基本光纤传输系统：由光发射机、光纤线路和光接受机三部分组成，光发射机的功能是把输入的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。光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变（失真）和衰减传输到光接受机。光接受机的功能是从光纤线路输出、产生畸变的和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经其后的电接收机放大和处理后恢复成基带信号。10、电信号对光的调制的实现方式：（1）直接调制：用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。（2）间接调制(外调制)：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。第2章光纤和光缆1、光纤结构：（1）光纤（OpticalFiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。（2）纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。（3）包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。（4）设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。2、光纤类型：突变型多模光纤（Step-IndexFiber,SIF）：只能用于小容量短距离系统。渐变型多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）：适用于中等容量中等距离系统。单模光纤（Single-ModeFiber,SMF）：用在大容量长距离的系统。（相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤）13、目前光纤通信为什么采用以下三个工作波长：mm55.1,31.1,m0.85321？答：mm55.1,31.1,m0.85321附近是光纤传输损耗较小或最小的波长“窗口”，相应的损耗分别为0.2dB/km0.5dB/km3dB/km~2、、，而且在这些波段目前有成熟的光器件（光源、光检测器等）。4、产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散，损耗和色散是光纤最重要的传输特性：损耗限制系统的传输距离；色散则限制系统的传输容量。5、光纤色散：色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。6、色散的种类：（1）模式色散：由于不同模式的传播时间不同而产生，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。（2）材料色散：取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。（3）波导色散：取决于波导尺寸和光纤纤芯和包层的相对折射率差。7、色散对光纤传输系统的影响：（1）频域上，色散限制了传输信号的带宽；（2）时域上，色散引起信号脉冲的展宽。8、光纤色散产生的原因及其危害是什么？答：产生：是由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。危害：若信号是模拟调制的，色散限制带宽；若信号是数字脉冲，色散将使脉冲展宽，限制系统的传输速率。9、光纤3dB光带宽dBf3：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dBf3。（|H(f3dB)/H(0)|=1/2）10、光纤带宽和脉冲展宽的定义：11、光纤损耗：损耗的存在光信号幅度减小限制系统的传输距离。12、光纤损耗产生的原因及其危害是什么？答：产生：包括吸收损耗和散射损耗两部分；（1）吸收损耗：是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。（2）散射损耗：主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。（瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。）危害：光纤损耗使系统的传输距离受到限制，大损耗不利于长距离光纤通信。第3章通信用光器件1、通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。（1）有源器件包括光源、光检测器和光放大器。（2）光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等。2、光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)，有些场合也使用固体激光器。3、半导体激光器（LD）工作原理：半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。4、基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成，并被称为法布里-珀罗(FabryPerot,FP)谐振腔。5、半导体激光器基本结构：双异质结(DH)平面条形结构。这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。结构中间有一层厚m0.3~0.1的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体介质里面作为反射镜构成法布里-珀罗(FP)谐振腔。26、半导体激光器的主要特性（1）驱动电流变大，纵模模数变小，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。）（2）激光器输出光功率随温度而变化有两个原因激光器的阈值电流thI随温度升高而增大外微分量子效率d随温度升高而减小。（温度升高时，thI增大，d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。）7、比较半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）的异同。答：相同之处：使用的半导体材料相同、结构相似，LED和LD大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间。不同之处：LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。LED不需要光学谐振腔，没有阈值；而LD需要。和LD相比，LED输出光功率较小，光谱较宽，调制频率较低。④但LED性能稳定，寿命长，输出功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。⑤所以，LED主要应用场合是小容量（窄带）短距离通信系统；而LD主要应用于长距离大容量（宽带）通信系统。8、光电二极管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。9、PIN光电二极管的工作原理和结构（1）中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体，用Π(N)表示；两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。（2）I层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子-空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。（3）两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。（4）另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度。10、PIN的量子效率量子效率定义为产生的电子-空穴对与入射光子数之比：)1)(1(//-)(seRhfPeIfinP每秒入射光子数空穴对每秒光生电子量子效率只与波长有关，而与inP无关。11、PIN的响应度光电二极管的性能常使用响应度来表征：)/(WAhePIinP12、试说明APD和PIN在性能上的主要区别。答：（1）APD具有雪崩增益，灵敏度高，有利于延长系统传输距离；（2）APD响应时间短；（3）APD的雪崩效应会产生过剩噪声，因此要适当控制雪崩增益；（4）APD要求较高的工作电压和复杂的温度补偿电路，成本较高。13、光电检测过程中都有哪些噪声？答：噪声包括散粒噪声(ShotNoise)(由信号电流和暗电流产生)热噪声(由负载电阻和后继放大器输入电阻产生)。热噪声来源于电阻内部载流子的不规则运动；散粒噪声来源于光子的吸收或者光生载流子的产生，电子和空穴的扩散运动PN结界面漂移运动内部电场场能带倾斜当入射光作用在PN结时发生受激吸收如果光子的能量大于或等于带隙（）在耗尽层内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动形成漂移电流3具有随机起伏的特性。光生信号电流产生的散粒噪声，称为量子噪声，这种噪声的功率与信号电流成正比，因此不可能通过增加信号光功率提高信噪比。在没有外在入射光的作用下，光检测器重仍然存在少量载流子的随机运动，从而形成很弱的散粒噪声，称为暗电流噪声。所以在有信号光作用的时间内主要考虑量子噪声和热噪声；而在没有信号光的期间，主要考虑暗电流噪声和热噪声。14、光耦合器：耦合器的功能是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。15、耦合器类型：①T形耦合器②星形耦合器③定向耦合器④波分复用器/解复用器。波分复用器：把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光纤解复用器：把一根光纤输出的多个不同波长的光信号，分配给不同的接收机。16、定向耦合器还可以制成波分复用/解复用器。17、光隔离器：①是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。②隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。③插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数。④对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值越大越好。18、光环行器：①除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。②典型的环行器一般有三个或四个端口。③在三端口环行器中，端口1输入的光信号在端口2输出，端口2输入的光信号在端口3输出，端口3输入的光信号由端口1输出。④主要用于光分插复用器中。19、光调制器：①调制器可以用电光效应、磁光效应或声光效应来实现。②调制器是利用线性电光效应实现的，因为折射率n随外加电场E(电压U)而变化，改变了入射光的相位和输出光功率。20、光开关：①光开关的功能是转换光路，实现光交换，它是光网络的重要器件。②分为两大类：机械光开关和固体光开关。第4章光端机1、电光延迟和弛张振荡现象：输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间dt，其数量级一般为ns。当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为弛张振荡，其振荡频率)2/(