光纤期末考复习整理

1.P21966年，英籍华裔学者高锟（光纤通信之父）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，奠定光纤通信的基础。（填空）2.P5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。虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。光纤通信用的近红外光（波长约为1µm）的频率（约300THz）比微波（波长为0.1m~1mm）的频率（3~300GHz）高3个数量级以上。（填空）3.P5什么是光纤通信？光纤通信的优点？以光波为载波，以光纤作为传输介质的通信方式；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）泄露小，保密性能好。6）节约金属材料，有利于资源合理使用。（简答）4.P14光纤的结构：纤芯、包层、（涂覆层）。设纤芯和包层的折射率分别为n1、n2，光能量在光纤传输的必要条件是n1n2。运用全反射原理。（填空）5.P15按折射率，光纤类型可分为：突变（阶跃）型和渐变型突变型多模光纤：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。渐变型多模光纤：直径2a=50µm，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。单模光纤：直径只有8~10µm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播，其信号畸变很小。图2.2，看图选择6.P17根据传播条件，定义临界角c的正弦为数值孔径。NA=n0sin(θmax)=212221nnn（n0为空气的折射率=1）。式中为相对折射率差121/)(nnn。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例题：设光纤的纤芯折射率n1=1.500，包层折射率n2=1.485。求:（1）相对折射率差Δ；500.1485.1500.1121nnn0.01（2）数值孔径NA；01.02500.121nNA0.21（3）入射临界角θmax。)21.0(sin)(sin11maxNA12.12o7.只只有有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。8.P24（多模）传输模数（模的数量）2)2()2(22122ggnkaggMg为光纤中纤芯的折射率分布参数。V为归一化频率。（a为半径）对于阶跃光纤，g＝∞，其模式数目为22VM对于渐变光纤,g＝２，其模式数目为42VM例：如果纤芯直径数值孔径NA=0.275,工作波长,1300nm计算渐变折射率的模式数量。9.P25单模传输条件为405.2221naV例：已知某阶跃型光纤参数Δ=0.003，n1=1.46，光波长λ=1.31µm，求单模传输时光纤应具有的纤芯半径。10.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带宽。产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。11.P27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（传播速度）不同而产生的一种物理效应。一般包括模式色散、材料色散和波导色散。多模光纤:模式色散占主要地位.单模光纤:材料色散和波导色散共同影响总色散.材料色散和波导色散通称为色度色散（波长色散）。色散系数的单位为：ps/(nm·km)12.P35G.651多模渐变型光纤：这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统。（只有G.651为多模光纤）G.652常规单模光纤:是第一代单模光纤，其特点是在波长零色散波长1.31μm色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。这种光纤既可用于1.31μm波长区，也可用于1.55μm波长区，是一种可供双窗口应用的单模光纤。（使用得最多）G.653色散位移单模光纤：是第二代单模光纤，其特点是在波长零色散波长1.31μm色22212nnaV22212nnaV5.41101300/)275.0105.6214.3(9643142VM221222.405Vann612.4052.4051.31104.44μm2221.4620.003an散为零，损耗有最小。之中光纤适用于大容量长距离通信系统。可用于海底传输。G.654：这种光纤实际是一种用于1.55μm该进的常规单模光纤，目的是增加传输距离。G.655：非零色散光纤，是一种该进的色散移位光纤。13.P32光纤的损耗：是影响光纤传输特性的一个重要指标。由于损耗的存在，将会减小传输光信号的能量，使信号传输的距离受到限制。主要包括：吸收损耗、散射损耗和辐射损耗通信中习惯用损耗系数表示损耗)/(lg100kmdBPPLi14.P37光缆一般由缆芯和护套两部分组成。第三章通信用光器件15.P48通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。有源器件包括光源、光检测器和光放大器，这些器件是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着基本光纤传输系统的水平。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，这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。16.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）17.有源器件的物理基础是光和物质的相互作用的效应。主要有：受激吸收、受激辐射、自发辐射。18.P49晶体中电子按能级的分布通常情况下，N2N1，高能级上的电子数少。光经过晶体时，受激吸收占主要地位，光被衰减吸收。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，这种物质称为激活物质。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。为了使物质发光，必须进行粒子数反转分布，有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态(泵浦技术），这些方法包括光激励方法、电激励方法等。或按书本答案表述：假设能级E1和E2,上的粒子数分别为N1和N2，在正常的热平衡状态下，低能级E1上的粒子数N1是大于高能级E2上的粒子数N2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E1和E2上的粒子数N1和N2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，将产生放大。19.P51粒子数反转分布是受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光震荡输出。2nccq=f==q2nnLL或为激活物质的折射率基本的光学谐振腔由两个放射率分别为R1和R2的平行反射镜构成，并被称为法布里—珀罗谐振腔。20.P51激光震荡的相位条件为：L为谐振腔的长度。21.相邻两纵模之间的频率之差：纵模的波长间隔与频率间隔的关系是：22.P57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（相干光），LED发射的是自发辐射光（非相干光）。LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结构，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。发光二极管有两种类型：一类是正面发光型LED，另一类是侧面发光型LED。（如果有三个空格的话，则第三类填超辐射发光二极管。）23.扩展内容：LD和LED的差别激光器被视为20世纪的三大发明（还有半导体和原子能）之一，特别是半导体激光器LD倍受重视。光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LD和发光二极管LED。主要差别：发光二极管输出非相干光（自发辐射）；半导体激光器输出相干光（受激辐射）。比起半导体激光器，因为LED不需要热稳定和光稳定电路，所以LED的驱动电路相对简单，另外制作成本低、产量高。LED的主要工作原理对应光的自发辐射过程，因而是一种非相干光源。LED发射光的谱线较宽、方向性较差，本身的响应速度又较慢，所以只适用于速率较低的通信系统。在高速、大容量的光纤通信系统中主要采用半导体激光器LD作光源。24.P60光检测器是光接收机的关键器件，它的功能是把光信号转换为电信号。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）25.P61PIN光电二极管的工作原理和结构见书中图3.20和3.21.中间的I层是N型参杂浓度很低的本征半导体，两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体。I层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部而产生大量电子—空穴队对，因而大幅度提高了光电转换效率。而两侧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。26.P64雪崩光电二极管（APD）:光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系如书图。随着反向偏压的增加，开始电流基本不保持不变。当方向偏压增加到一定数值是，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。27.P65倍增因子g定义为APD输出光电流I0和一次光生电流IP的比值。g=I0/IP28.P71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2cfnL2cf2nccq=f==q2nnLL或为激活物质的折射率成一个输出。插入损耗IL——是指定输出端的光功率Pouti和全部输入光功率Pin和的比值。附加损耗EL——是全部输入端光功率总和和全部输出端光功率总和的比值。分光比或耦合比CR——是一个指定输出端的光功率和全部输出端的光功率总和的比值。隔离度I——某一光路对其它光路中的信号的隔离能力。例：2×2双锥形光纤耦合器的输入功率为Pin=200µW,另外三个端口的输出功率分别为P1=90µW，P2=85µW，P3=6.3nW，试计算光纤耦合器的主要性能参数。解：分光比为:附加损耗为:29.P72光隔离器是一种非互易性器件,只允许光波往一个方向传输,阻止光波往其他方向尤其是反方向传输。一般用在激光器或光放大器后，插入损耗值为1dB，隔离度的典型值为40--50dB。（光隔离器的工作原理略）第四章光端机30.P79数字光发射机方框图：10lg()outiiinPILdBP10lg()outiiinjPELdBP100%outoutiPCRP10lg()tinPIdBP190100%51.43%9085端口1285100%48.6%9085端口290+85log=0.58dB200EL=-1090110log3.47dB200IL输入端口到端口的插入损耗8510log3.72dB200IL输入端口到端口2的插入损耗20010log=-45dB-36.310隔离度电信号输入输入接口线路编码调制电路光源控制电路光信号输出光发射机由光源、调制器和信道耦合器组成。光信号是用电信号调制光载波产生的。31.P80直接调制时，激光输出与注入电脉冲之间存在电光延迟；（结合书本图）激光器在瞬态过程中存在张弛振荡；由于电光延迟现象，在电脉冲过后，载流子有一定的存储时间，导致高速数字调制时出现码型效应（适当的“过调制”补偿方法，可以消除码型效应）；某些激光器在某些注入电流下还会出现自脉动现象。其频率可达2GHz。32.P85数字光接收机方框图：33.P86光接收机的噪声有两部分：一部分是外部电磁干扰产生的，另一部分是内部产生的；其主要来源是光检测器的噪声和前置放大器的噪声34.P87常用的三种前置放大器：1）双极型晶体管前置放大器2）场效应管前置放大器3）跨阻型前置放大器。35.P88光接收对码元误判的概率称为误码率。误码率可以用在足够长