光纤通信总结

一绪论1.1966年英籍华裔学者高琨和霍克哈姆发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤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。2.光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85m发展到1.31m，传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。3.任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。4.电缆通信和微波通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。5.直接调制是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，是输出光随电信号变化而实现的，这种方案技术简单、成本较低、容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。外调制是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，这种调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高。6.目前，使用光纤通信系统普遍采用直接调制——直接检测方式，光接收机最重要的特性参数是灵敏度。7.光纤通信系统包括电信号处理部分和光信号传输部分。光信号传输部分主要由基本光纤传输系统组成，包括光发射机、光纤传输线路和光接收机三个部分。光纤通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。二光纤和光缆1、光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。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。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一点的机械保护作用。2、光纤类型：突变型多模光纤、渐变性多模光纤、单模光纤等等3、损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输带宽。色散是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的传播时间不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。模式色散：是由于不同模式的传播时间不同而产生的，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变化，以及模式内部不同波长成分的光，其传播时间不同而产生的。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。(27)4、光纤损耗包括吸收损耗和散射损耗。5、光纤带宽测量有时域和频域两种基本方法。时域法是测量通过光纤的光脉冲产生的脉冲展宽，又称脉冲法；频域法测量通过光纤的频率响应，又称扫频法。两种方法是等效的，扫频法通常用于多模光纤的测量。6、光纤色散测量有相移法、脉冲时延法和干涉法等。2-6光纤色散产生的原因及其危害是什么？答:光纤色散是由光线中传输的光信号的不同成分光的传播时间不同而产生的。光纤色散对光纤传输系统的危害有：若信号是模拟调制的，色散将限制带宽；若信号是数字脉冲，色散将使脉冲展宽，限制系统传输速率（容量）2-7光纤损耗产生的原因及其危害是什么?答：光纤损耗包括吸收损耗和散射损耗。吸收损耗是由2SiO材料引起的固有吸收和杂质引起的吸收产生的。散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞丽散射和光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射产生的。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。三通信用光器件1、有源器件包括光源、光检测器和光放大器，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、有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。（1）在正常状态下，电子处于低能级1E，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级2E上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级；留下相同数目的空穴。（2）在高能级2E的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级1E上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。（3）在高能级2E的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级1E上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。受激辐射是受激吸收的逆过程。光子在1E和2E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。即1212hfEE式中，sJh3410628.6，为普朗克常数，12f为吸收或辐射的光子频率。受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。6、发光二极管（LED）的工作原理与激光器（LD）有所不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结结构，把有源层夹在P和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。（57）7、LED通常和多模光纤耦合，用于m3.1（或m85.0）波长的小容量短距离系统。LD通常和G.652或G.653规模的单模光纤耦合，用于m3.1或m55.1大容量长距离系统。（59）8、目前常用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。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光带二极管。APD是有增益的光电二极管，采用APD的光接收机具有较高的灵敏度，有利于延长系统的传输距离。典型例题3-3半导体激光器（LD）有那些特性？答：LD的主要特性有：（1）发射波长和光谱特性:发射波长gE/24.1；激光振荡可能存在多种模式（多纵模），即在多个波长上满足激光振荡的相位条件，表现为光谱包括多条谱线。而且随着调制电流的增大，光谱变宽，谱特性变坏。（2）激光束空间分布特性：远场光束横截面成椭圆形。（3）装换效率和输出功率特性：hfeIPd)(thdthIIehfPP（4）频率特性：在接近驰张频率rf处，数字调制要产生弛张振荡，模拟调制要产生非线性失真。（5）温度特性：)exp(00TTIIth3-4比较半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）的异同。答：LD和LED的不同之处：工作原理不同，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，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。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。所以，LED的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（带宽）通信系统。LD和LED的相同之处：使用的半导体材料相同、结构相似，LED和LD大多采用双异质结结构，把有源层夹在P型和N型限制层之间。3-7试说明APD和PIN在性能上的主要区别。答：APD和PIN在性能上的主要区别：（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的响应时间短（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。3-20什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？答假设能级1E和2E上的粒子数分别为1N和2N,在正常的热平衡状态下，低能级1E上的粒子数1N是大于高能级2E上的粒子数2N的，入射的光信号总是被吸收。为了获得光信号的放大，必须将热平衡下的能级1E和2E上的粒子数1N和2N的分布关系倒过来，即高能级上的粒子数反而多于低能级上的粒子数，这就是粒子数反转分布。当光通过粒子数反转分布激活物质时，将产生光放大。四光端机1、光端机包括光发射机和光接收机。2、调制分为直接调制和外调制两种方式。受调制的光源特性参数有功率、幅度、频率和相位。3、数字光接收机最主要的性能指标是灵敏度和动态范围。4、光接收机噪声的主要来源是光检测器的噪声和前置放大器的噪声。5、光源不可能发射负光脉冲，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤通信系统传输的要求。6、数字光纤通信系统对线路码型的主要要求是保证传输的透明性，具体要求有：（1）能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。（2）能给光接收机提供足够的定时信息。（3）能提供一定的冗余度，用于平衡码流、误码检测和公务通信。7、扰码的作用：将原始的二进制码序列加以变换，使其接近于随机序列。五数字光纤通信系统1、抖动是数字信号传输过程中产生的一种瞬时不稳定现象。抖动的定义是：数字信号在各有效瞬时对标准时间位置的偏差。3、SDH的帧结构包括段开销、管理单元指针和载荷三个部分。SDH采用标准容器和虚容器将低速信号复接为高速信号STM-N。数字光纤通信系统设计的主要任务是确定中继距离。5-8简述PDH和SDH的特点答：PDH的特点：我国和欧洲、北美、日本各有不同的PDH数字速率等级体系，这些体系互不兼容，使得国际互通很困难；PDH的高次群是异步复接，每次复接要进行一次码速调整，使得复用结构相当复杂，缺乏灵活性；没有统一的光接口；PDH预留的插入比特较少，无法适应新一代网络的要求；PDH没有考虑组网的要求，缺乏保证可靠性和抗毁性的措施。SDH的特点：SDH有一套标准的世界统一的数字速率等级结构；SDH的帧结构是矩形块状结构，低速率支路的分布规律性极强，使得上下话路变得极为简单；SDH帧结构中拥有丰富的开销比特，用于不同层次的OAM，预留的备用字节可以进一步满足网络管理和智能化网络发展的需要；SDH具有统一的网络结点接口，可以实现光路上的互通；SDH采用同步和灵活的复用方式，便于网络调度；SDH可以承接现有的TDM业务，也可以支持ATM和IP等异步业务。六、模拟光纤通信系统1、模拟光纤通信系统是一种通过光纤信道传输模拟信号的通信系统，目前主要用于模拟电视传输。2、模拟光纤传输系统目前使用的主要调制方式有模拟基带直接光强调制、模拟间接光强调制和频分复用光强调制三种。3、模拟间接光强调制方式是先用承载信息的模拟基带信号进行电的预调制，然后用这个预调制的电信号对光源进行光强调制（IM）。4、评价模拟信号直接光强调制系统的传输质量的最重要的特性参数是信噪比（SNR）和信号失真（信号畸变）。5、对于副载波复用模拟电视光纤传输系统，评价其传输质量的特性参数主要是载噪比（CNR）和信号失真。七、光纤通信新技术1、光纤通信发展的目标是提高通信能力和通信质量，降低价格，满足社会需要。2、新技术有：光放大、光波分复用、光交换、光孤子通信、相干光通信、光时分复用和光波长变换等。3、光放大器有半导体光放大器和光纤放大器两种类型。4、20世界80年代末期，波长为1.55μm的掺铒（Er）光纤放大器（EDFA）研制成功并投入实用。5、光纤通信系统中除了大家熟知的电时分复用（TDM）技术外，还出现了其他的复用技术，例如光时分复用（OTDM）、光波分复用（WDM）、光频分复用（OFDM）以及副载波复用（SCM）技术。6、光波分复用（WDM）技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。其原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用），并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波分分割复用，简称光波分复用技术。7、WDM系统的基本构成主要有两种形式：双纤单向传输和单纤双向传输。8、光交换主要有三种方式：空分光交换、时分光交换和波分光交换。9、光孤子是经光纤长距离传输后，其宽度保持不变的超短光脉冲。光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光孤子通信方式称为光孤子通信。光孤子通信的传输距离可达上万千米，甚至几万千米，目前还处于试验阶段。10、目前已经投入使用的光纤通信系统，都是采用光强度调制—直接检测（IM-DD）方式。11、相干光通信，像传统的无线电通信系统一样，在发射端对光载波进行幅度、频率或相位调制；在接收端，则采用零差检测或外差检测，这种检测技术称为相干检测。12、所谓相干光，就是两个激光器产生的光场具有空间叠加、相互干涉性质的激光。实现相干光通信，关键是要有频率稳定、相位和偏振方向可以控制的窄线谱激光器。13、选择SL，即0IF，这种情况称为零差检测。14、在WDM光网络中使用波长变换技术的原因有：首先信息可以通过WDM网络中不适宜使用的波长进入WDM网络。其次，在网络内部，可以提高链路上现有波长的利用率。最后，如果不同网络由不同的组织管理，并且这些网络没有协调一致的波长分配，那么在网络之间就可以使用波长变换器。波长变换的基本方