南邮光纤通信2018复习资料

第2章光纤与光缆1、（！）光纤的主要结构（纤芯、包层及涂覆层）①纤芯折射率大于包层折射率②纤芯单模7-9um，多模50-80um，包层直径125um，涂覆层250um。2、折射率分布方法①阶跃折射率光纤SI②渐变折射率光纤GI。3、成缆方式①层绞式：松套绕②中心骨架式：骨架（抗侧压）③中心束管式：松套至轴心（水下海底）④带状式：4-16→松套4、光纤单模传输的条件：①归一化频率v2.405②工作波长＞截止波长5、归一化频率和截止波长的意义和计算与①光纤本身的的参数②入射光信号有关公式1：公式2：6、基模的表示方法：精确矢量模HE11和线性极化模LP017、①全反射临界角：θ入↑，θ折↑当θ入继续↑时，由于θ折=90°即不能产生折射光只产生反射，此被称为全反射，此时θ入=θc，θc被称为全反射临界角。②最大可接收角：2θa（θa为光纤端面入射角的临界角）θ入≤θa时纤芯包层全反射。公式：（！）③数值孔径（NA）：sinθa×n0，其物理意义NA反应光纤接收和传输光的能力，过大发生模色散。公式：④四波混频FWM：在WDM系统中，假设3个频率为ω（i，j，k）的信道同时传输时，初始信道频率间相互混频并可能产生第四个频率为ωi±ωj±ωk的信号。8、损耗特性物理特性：描述单位长度光纤传输中的能量损失（总损耗A，单位长度损耗a）①A=10㏒Pi/Po②α=10/L㏒Pi/Po9、（！）引起损耗的三种原因（吸收、散射和辐射）①吸收：光纤材料（本征吸收，与光波长有关）和杂质（杂质吸收，特别是氢氧根离子）对光能的吸收。②散射：光纤的材料和结构存在不均匀与缺陷（1）瑞利散射产生机理：光纤内部密度不均匀→纤芯内部折射率沿纵向不均匀变化→改变光的传输方向与λ^4成反比（2）波导散射损耗④辐射：光纤中的传播模式由于外力引起的形变转换为辐射模和引起能量的泄露，这种由应力及形变导致的能量泄露产生的损耗称为辐射损耗。10、色散单位：ps/nm·km（单位波长间隔内不同波长成分的光脉冲传输单位距离后脉冲前后沿的时延变化量）物理意义：色散是导致光纤中信号畸变的主要性能参数，会使光脉冲随之而传输距离的增加而展宽，会使ISI误码率增加。11、引起色散的原因及分类（波导、材料、模式间和偏振模色散）原因：不同频率成分和不同模式成分的群速度不同分类：①材料：材料折射率n不同②模式间（多模）：各模式间传输系数不同③波导（单模）：某一模式本身包含不同频率成分12、G.652、G.653、G.655三种常用传输光纤的传输特性和应用场合（重点是1550nm波长处色散特性区别）①G.652（常规单模）：（1）1310nm损耗高，0色散（2）1550nm低损耗，高色散（3）应用场合：数据通信，图像传输。（高速大容量×）②G.653（DSF色散位移）1550nm低损耗，0色散（单信道，长距离）③G.655（非零色散位移）1550nm低色散，但不为0（低四波混频）应用：大于10Gbit/s波分复用系统第3章光源和光发送机1、激光产生的物理基础①能级：不同能量不连续的轨道②跃迁：在外界作用下从一个轨道跳到另一个轨道③辐射跃迁：电子由于发射或吸收光子从一个能级到另一个能级④费米能级：电子占据某个能级的概率⑤自发辐射：电子从基态到激发态处于较高能级，有天然自发的返回到基态的趋势，这被称为自发跃迁，发出光其辐射为自发辐射2、①受激吸收：低能级E1的电子收到光子能量为E=hf=E2-E1的外来入射光照射时，电子吸收一个光子能量跃迁到E2②受激辐射：高能级E2电子收到光子能量为E=hf=E2-E1的外来入射光照射时，电子跃迁回到E1，同时发射出一个与入射光子相同频率、相位和传播方向的光子，这个跃迁成为受激跃迁，其辐射成为受激辐射，光是相干光。③粒子数反转分布：高能级电子多于低能级电子（产生激光的必要条件）3、（！）激光器的主要结构3种（工作物质、光学共振腔和激励系统）①工作物质：发光物质，激光器组成核心②光学共振腔：激光震荡，输出激光③激励系统：将各种形式的外界能量转化为激光光能。4、半导体激光器和发光二极管的工作原理和工作特性半导体激光器①工作原理：PN结上加正向电压，破坏热平衡状态，粒子数反转分布，受激辐射大于受激吸收和各种损耗，不断产生受激辐射光子，在谐振腔内运动并最终输出形成激光。②效率：（1）功率效率：输出光功率/消耗电功率（2）量子效率：输出光子数/注入电子数公式：③温度特性：阈值电流和发光波长随温度增大④光谱特性：发光二极管（！）工作原理：和半导体激光器类似，但没有谐振腔。产生的不是受激辐射光而是自发辐射光。①阈值：无阈值，高功率区输出饱和。②光谱特性：没有选择波长的谐振腔，所以自发辐射光谱较宽。而且温度升高，谱线宽度增加。发射峰值波长向长波长方向漂移。③调制特性：信号码速率受其影响。5、发光二极管与半导体激光器的主要异同同：都为光源，原理类似。异：①发光二极管自发辐射低相干光，频谱较宽。而激光器受激辐射相干光，频谱窄。②发光二极管对温度不敏感，激光器阈值电流受温度影响性能变差。6、（！）直接调制和间接调制目的：将信息加载在光源上，用光信号传输信息。同：电信号信息调制到光信号上。异：直接调制（频率啁啾，即光脉冲的载频随时间变化）是把要传送的信息转变为驱动电流信号注入LD或LED，从而获得发光功率相应变化的光信号，基本思想是使光源发出的光载波功率大小在时间上随驱动电流变化而变化；间接调制：是利用晶体的光电效应，磁光效应，声光效应等性质来实现对光源发出的稳定激光进行调制，常采用外调制法，在激光器谐振腔外放置调制器，用于高速率和相干光通信。7、（！）激光器的通断比和消光比的概念通断比=全1码平均输出光功率/全0码消光比=全0/全18、光发送机的构成，线路码型变换的目的和主要方法输入电路包括：输入接口和线路码型变换线路码型变换目的：①连0，连1数过大，信号中离散定时分量减少，使接收机的时钟提取比较困难。②0,1分布不均导致基线漂移，影响判决电路对信号的再生。③没有额外冗余信息，难以进行不中断通信的误码检测和纠错。（总结：打乱0,1分布，减少直流分量起伏，插入冗余信息以便检错纠错）方法：①扰码：不改变光接口速率②字码变换：mBnB，速率为原来的n/m倍③插入码：速率为（m+1）/m倍，有mB1C，mB1H9、掌握LD发送电路构成，对光源驱动电路的要求和偏置电流的设置依据，构成：ATC，APC，驱动，光检测要求：①输出光脉冲峰值，即输出光功率保持稳定。②光脉冲的通断比=10（消光比=0.1）以免接收灵敏度收到损伤。③调制响应性能好设置依据：要求接近激光器的阈值电流，可以大大减小调制光输出的延迟，抑制激光器的驰张震荡，太大太小的偏置电流会使消光比恶化。驰张震荡：激光器是阈值器件，若阈值较大，要较大幅度的调制电流信号Id来进行驱动。而调制电流脉冲从0上升的时间至激光开始的时间存在延迟，在产生光脉冲的开始时间会产生暂态过击，然后又出现反复震荡现象。解法：加偏置电流IB，接近且略小于阈值电流，使激光器的输出特性工作在阈值电流附近，再加Id。10、APC和ATC电路设置目的和工作原理目的：阈值电流会随着温度的升高和老化而提高，如果此时加在激光器上的总驱动电流不变，则输出光功率下降，APC调整偏置电流，ATC降温，都是为了使激光器的输出功率保持稳定。工作原理①APC：通过光敏二极管PIN监测激光器的输出功率，一旦发现输出功率下降时，调整光源驱动电路中的偏置电流，使激光器输出功率保持稳定②ATC：采用半导体制冷，使激光器的结温保持稳定。第4章光检测器和光接收机1、光电二极管PIN和雪崩光电二极管APD的工作原理光敏二极管：在PN结之间掺杂一层浓度很低的N型半导体（几乎为本征I）增加耗尽区宽度，绝大部分入射光在I层内被吸收，并产生大量电子空穴对，而I层两侧掺杂浓度很高的P型半导体和N型半导体很薄，吸收入射光比例很小，因而在光生电流中漂移分量占主导地位。（！）雪崩二极管：通过在PN结上加高反向偏压，在结区附近形成强电场。耗尽区层内产生的光生载流子，在强电场的作用下得到加速获得很高的动能，与半导体晶体内的原子相碰撞，使束缚在价带中的电子获得能量激发到导带，产生的第二代电子空穴对，这种现象被称为碰撞电离。第二代载流子在强电场的加速下，可再次碰撞电离，产生第三代载流子，如此反复循环使得载流子数急剧增加，从而使光电流获得倍增，这就是雪崩效应，而雪崩二极管获得内部电流增益。对比：①PIN偏置电流低而APD要高偏置电流②由于APD反偏大，暗电流大，而PIN暗电流小③APD温度敏感性大（雪崩倍增会随温度增高而减小）2、PN结光电二极管反向偏压及光生载流子的产生机理反向偏压原因：扩散区内载流子的扩散速度比耗尽区内光生载流子的漂移速度慢很多，扩散运动的时延将导致检测器输出的电流脉冲后沿的拖尾拉长，影响光敏二极管的响应时间限制光电转换速度（加上反向偏压后等于间接增加耗尽区宽度，减小光生电流的扩散分量；也增强了耗尽区电场，加快漂移速度，从而加快反应时间）光生载流子产生机理：当能量大于禁带宽度的光子入射在PN结上形成受激辐射，价带电子吸收能力越过禁带到达导带，形成光生电子，价带中形成光生空穴，及光生载流子。3、PIN光电二极管的工作特性（截止波长和吸收系数、响应度、量子效率、饱和、暗电流和噪声）截止波长：入射光子能量hf半导体材料禁带宽度Eg才能产生光电效应。因此，对某种特定材料制造的光检测器存在一个满足光生电流入射光的下限频率fc和上限波长λc，λc被称为截止波长。λ＜λc才行吸收系数：随波长减小而变大。后果：一方面禁带宽度决定的截止波长要大于入射光波长，否则材料透明，无法光电转换，另一方面，吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率（！）响应度：平均输出电流/平均数出光功率。公式：（！）量子效率η：（光生电子-空穴对数）/入射电子数。公式：（！）两者关系：公式：（！）两者总结：响应度和量子效率是光敏二极管能量转换效率的参数，都显然与入射光的频率（波长）相关。暗电流：①定义：理想光敏二极管没有入射光时应无电流，但实际中处于反向偏压的半导体光敏二极管无光照时仍有电流流过，这部分电流称为暗电流②分类及产生原因：（1）体暗电流，是反向偏压下的反向饱和电流，由载流子的热扩散形成。（2）表面暗电流，由半导体表面缺陷引起的表面漏电流（暗电流随反向偏压的温度增大而增大；限制光敏二极管能检测的最小光功率，降低接收灵敏度）饱和：入射光功率太大时光生电流与入射光功率不成正比。噪声：噪声包括散粒噪声（量子噪声）和热噪声。（原因：前者因为光生电子空穴对的离散性和随机性；后者是负载电阻和输入电阻产生）4、光接收机的主要性能指标，灵敏度（三中表示方法及其换算），动态范围的定义和计算，影响灵敏度的因素。（！）光接收机的前端是指：光检查器和前置放大器（！）灵敏度：给定信噪比条件下光接收机接收微弱信号的能力三种形式:①输入最小平均光功率PR②每个光脉冲的最低平均光子数n0③每个光脉冲的最低平均能量Ed公式1：公式2：动态范围：光接收机适应光输出信号的能力——光接收机信号灵敏度（最小光功率）和过载功率间的差值影响灵敏度的因素：①码间干扰（多模：光纤带宽，单模：色散和非线性）②消光比（光发送机的直流偏置电流）③暗电流（光接收机的反向偏压）④量子效率、入射光波长、信号速率及各种噪声第5章无源光器件1、光纤连接器、光调制器①（！）光纤连接器：两根光纤之间完成活动连接的器件用途：各类有源及无源器件之间、光器件与光纤线路之间、各类测试仪器与光纤通信系统或光纤线路间的活动连接。②（！）光衰减器：用来降低/改变光功率的器件③光调制器：对光信号进行调制④光开关：实现光信号在不同光路上的快速切换第6章光放大器1、光放大器的工作原理和分类方法，基本工作原理：受激辐射或受激散射效应分类方法：光放大器=半导体光放大器（①）+光纤放大器（②+③）①半导体激光放大器（利用受激辐射），分为谐振式和行波式②掺杂稀土元素光放大器（掺铒EDFA，掺镨PDFA原理：利用稀土元素吸收泵浦