2020年光纤通信原理复习资料精品版
*激光的突出优点：为高度相干光；单色性好，波谱宽度窄；方向性极好；输出功率大。
*模拟信号与数字信号
模拟信号——信号幅度电平随时间连续变化。
技术指标：传输带宽、传输信噪比（SNR）或传输载噪比（CNR）、非线性等。频域特征：带宽、中心频率、幅度及幅度范围等。
数字信号——信号电平随时间周期呈离散分布。时域特征：信号的编码形式、幅度、脉宽以及上升与下降时间等。比特时间TB：每个码持续的时间。比特率B：每秒钟的比特数。B=1/T B 问题1：将模拟信号转换成数字信号传输，对信道带宽的要求将增加许多倍。
----解决方法：光纤具有巨大带宽资源
问题2：宽带模拟信号的数模转换困难。
----解决方法：光纤通信采用数字和模拟
两种传输方案
*直接调制：
用电信号直接调制光源的驱动电流，
使输出光随电信号变化而实现调制。
优点：技术简单，成本较低，容易实
现。
缺点：调制速率较低，受激光器的频
率特性限制。
*间接调制：
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。
优点：调制速率高。缺点：技术复杂，成本较
高。
使用场合：大容量的波分复用和相干通信系统。
*光纤的结构
纤芯的作用——光波主要传输通道。
包层的作用——为光的传输提供反射面和光隔离；提供一定的机械保护，使光纤的传输性能稳定。 涂敷层的作用——保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。
*渐变性折射率光纤
虽然沿光纤轴线传输路径最短，但轴线上折射率最大，光传播最慢。斜光线大部分路径在低折射率的介质中传播，虽然路径长，但传输快。
通过合理设计折射率分布，不同入射角度入射的光线以相同的轴向速度在光纤中传输，同时到达输出端，即所有光线具有相同的空间周期，从而降低模间色散。
*光纤中波动方程的解与模式
光纤中的模式为波动方程的一个特定解。满足一定的边界条件，空间分布不随传播方向而发生变化。 光纤中的模式分为：导模；泄漏模；辐射模。
导模：也称为约束模式。经历全反射，被局限在光纤纤芯中的模式。
泄漏模：部分约束于纤芯内，沿光纤传播时振幅会发生变化。功率由于连续辐射而发生衰减。
辐射模：也称为折射模式。不发生全内反射，这种模式的光会传播到纤芯之外。光在波导表面发生折射，由于包层半径有限，从纤芯辐射出去的部分光被包层俘获，形成所谓的包层模。当纤芯模以及包层模同时沿光纤传播时，出现两种模式的耦合，引起纤芯模的功率损耗。
光纤中的信号能量只能由导模携带。
*光纤中波动方程的解与模式
关系总结为：
（1）每一个LP0n由HE1n 导出。
（2）每一个LP1n由TE0n、TM0n 、HE2n导出。LP模式是传输模式在弱导条件下的近似解。 若将HE、EH模式线性叠加，可以得到直角坐标系下的线偏振模LP模。
（3）每一个LPmn由HEm+1,n和EHm-1,n导出。
由于每一个HEmn和EHmn都有两个不同的偏振方向，则LP0n的简并度为2， LPmn的模式简并度为4。 简并：不同的模式有不同的场结构，但如果它们具有相同（相近）的传输常数，就认为这些模式是简并的。
归一化频率V越大，能够传播的模式数就越多：V值较高的光纤可以支持较多的模式，称为多模光纤。模式数目随V的减小快速减少。V=5，7个模式。当V小于某个值，除HE11模式外，所有模式被截止。只支持一个模式（基模）的光纤被称作单模光纤。
*光纤中可传播的模式数M 与V 的关系：
*双折射现象带来的影响：
如果纤芯是理想圆柱形，这两个正交的模式将以相同的速度传播，并同时到达输出端。如果圆柱对称性出现了改变，这两个模式就会以不同的速度传播，导致脉冲展宽。偏振的不确定性对相干通信系统对信号的检测、接收将产生不良影响。
*波导色散：
产生原因：
与光纤波导效应有
关，取决于波导尺寸以及
纤芯与包层的相对折射
率差。
单模光纤中，携带信
息的光脉冲在纤芯和包
层间分布：主要部分在纤
芯中传输，剩余部分在包
层中传播。纤芯和包层拥
有不同折射率，两个部分
以不同的速度传播。光被
限制在一个拥有不同折
射率的结构－纤芯和包
层的组合中传播，脉冲会扩展。
注意：即使光纤材料没有色散特性，波导色散也会发生。纯波导色散仅因为将光限制在一个特定的结构中而产生。
波导色散与波长的关系：
波长越长，模场半径越大，同时包层中所传播的总脉冲功率的分量就越大。
脉冲的包层部分比纤芯部分传播更快，因为包层的折射率比纤芯的折射率要小。
因此，波长越长，包层中的脉冲分量引起展宽就越大。
*光纤的制备工艺
气相氧化法：气相轴向沉积法（VAD）
原理：石英玻璃微粒从喷灯口出来后沉积在一根石英玻璃棒横切端面上，玻璃棒同时作为输送杆。在输送杆沿轴向向上移动过程中，一根疏松预制棒即沿轴向生成。输送棒在向上移动的同时也匀速旋转，以保证沉积的预制棒具有轴对称性。疏松预制棒在向上移动的过程中经过一环形加热熔融区后即生成光纤预制棒。
优点： 1. 预制棒不再具有空洞2. 预制棒可以任意长3. 沉积室和熔融室紧密相连，可以保证制作环境清洁4. 单模光纤所含的OH-较低，因此损耗较低在0.2~0.4 dB/km。
*光纤损耗的测量
①剪断法：
优点：准确度高，测量设备简单。
缺点：测量方法具有破坏性，不适用于在线测试和测量已建成的光纤线路。
②插入法：
优点：可以根据工作环境，灵活运用。
缺点：测量中需要光纤多次连接替换，测量精度较低，需要修正连接损耗。
③后向散射法：
原理：光源发出一个窄脉冲光信号，通过光纤耦合器注入到光纤中。瑞利散射光中有一部分传输方向与入射光相反，这部分后向散射光通过耦合器进入光电探测器，经过处理得到后向散射测量曲线。
光时域反射仪（OTDR）：是利用后向散射法的原理设计的测量仪器。
用途：测量光纤损耗系数、光纤长度、连接器/接头损耗。观察光纤沿线的均匀性，确定故障点的位置。
优点：采用单端输入和输出，不破坏光纤，使用方便。
第三章
*半导体光电器件的工作原理：
半导体光源：在注入电流作用下，电子从低能态跃迁到高能态，形成粒子数反转，电子再从高能态跃迁到低能态产生光子而发光。
半导体光检测器：注入光作用下，电子从低能态跃迁到高能态，并在外加电场作用下形成光生电流。
半导体光源和光检测器优点：体积小；效率高；可靠性高；工作波长与光纤低损耗窗口相对应；便于光纤耦合；调制速率高。
*同质结和双异质结：
同质结：有源区对载流子和光子的限制作用很弱；载流子复合范围宽，载流子浓度低，发光效率不高。
异质结：带隙差形成的势垒将电子和空穴限制在激活区复合发光；折射率使光场（光子）有效地限制在激活区。
同质结：几乎所有直接带隙半导体材料都可以制成同质结，通过自发辐射发光；
异质结：要求：为了减小晶格缺陷，两种材料的晶格常数应匹配。
方法：通过将二元半导体材料的某些原子用其他原子代替，制成三元或四元半导体材料。晶格常数近似相等，带隙能量不同
结果：不同半导体材料构成的光源和光检测器具有不同发光波长和检波波长。
*LED
LED主要用于短途、低速率的本地网。
*LD
宽面半导体激光器:结构最简单的LD：一个薄的带隙能量较低的有源层夹在带隙能量较高的P型和N 型限制层中间。特点：正向电流沿整个结平面注入;光子和载流子在垂直方向受到限制，但是在平行方向没有受到限制，输出椭圆形光斑；缺点：电流在大面积注入，阈值电流高。且随沿激光器整个宽度上都存在光辐射，因此损耗大，且随电流发生不能控制的变化。
LD的温度特性：
①阈值电流随温度按指数增长（阈值电流和输出功率对温度很敏感，实际应用中采用热电制冷器对LD 冷却和温度控制）；
②发射波长随着温度发生变化；（原因：温度的变化改变材料的带隙和折射率。结果：随着温度的增加，激光器的输出波长向长波长方向漂移。）
LD调制特性：
激光模式与光场分布：
LD的横模：是一种稳定的电磁场分布，为激光器输出能量在横向上的稳定的分布。
LD基模的近场和远场分布均可拟合为高斯分布。近场分布------通常为横椭圆形状。远场分布---- 是激光器发散角的一种度量，对激光与光纤
的耦合有重要影响。
纵模特性：m不同，不同的频率对应不同的纵向模式，
*PN光电二极管：
工作原理：反向偏压下的PN结，势垒区内几乎没有自由载流子，内建电场阻止电子从N区到P区，空穴从P区到N区；当有光入射，通过吸收光产生电子－空穴对，并在内建电场作用下，电子和空穴分别漂移到N侧和P侧，产生与照射光功率成比例的电流流动；功率在势垒区外也被吸收，只有势垒区内被吸收的光才能产生光生电流。
重要技术指标：响应时间-----带宽特征；转换效率----光电转换的量子效率；
*PIN半导体光电二极管
结构：在PN结中间引入一层本征（或轻掺杂）半导体材料——I区。
工作原理：由于I层很厚，并且具有较高电阻，电压基本上落在该区，势垒区宽度增加，入射光容易进入材料内部被充分吸收而产生电子－空穴对，大幅度提高了光电转换效率。两侧P和N层很薄，吸收入射光比例小。
结果：光生电流中漂移分量占支配地位，减小扩散运动影响，提高了响应度。
PIN光电二极管势垒区宽度可通过控制I区厚度根据实际需要改变。
势垒区宽度的影响：较高的势垒区宽度W可以获得较高响应度。（原因：W越大，越多光被吸收）
随着W增大，渡越时间也会增大，使PIN响应速度（带宽）下降。
W需要在响应度和响应带宽之间进行最佳化。
*APD雪崩光电二极管：
工作原理：APD对光电流的放大基于电离碰撞效应。当光入射到PN结时，光子被吸收产生的一次电子－空穴对在高电场区获得足够能量而加速运动；被加速的电子和空穴与晶格碰撞，使晶格原子电离，产生的二次电子－空穴对再和原子碰撞；如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增。----雪崩倍增效应
结果：由光吸收产生的一对电子-空穴对可以形成大量的电子-空穴对，得到较大的二次光电流，这样APD 就获得了内部增益，提高了响应度。
增益的大小由材料的碰撞电离系数和施加的加速电场决定。
碰撞电离系数又与半导体材料及电场有关。
?APD的响应度比PIN提高了M倍。
关于APD噪声的结论：
①倍增效应将噪声电流也放大了，放大倍数为
②雪崩效应的随机性引起附加噪声增加的倍数为
③噪声功率与
④APD的x值一般在0.3～1之间。x=0，
*APD和PIN使用场合：
PIN：广泛应用于光纤通信系统。在灵敏度要求不高的场合，一般都采用PIN。
APD：在光接收机灵敏度要求较高的场合，采用APD。如：小信号测量。
第四章
*光调制
模拟信号调制：直接用连续的模拟信号对光源进行调制。
数字信号调制：主要指PCM编码调制。先将连续变化的模拟信号通过取样、量化和编码，转换成一组二进制脉冲代码。用矩形脉冲的有（“1”码）、无（“0”码）来表示信号。
将电信号转变为光信号的方式通常有两种：
直接调制：将模拟或数字信号放大直接调制LD 或LED 的驱动电流，实现对输出光功率的调制。调制后光波振幅的平方比例于调制信号（强度调制）。
优点：简单、经济、容易实现。
缺点：受到LD 输出功率、带宽和频率啁啾的限制。
应用场合：小功率（小于20mW）、较低速率（小于2.5Gbps）和较低带宽（小于2.5GHz）
间接调制：通过驱动电路驱动外调制器（波导调制器或电吸收调制器）对稳定的激光光源进行调制。
优点：啁啾小，调制速率高。
缺点：技术复杂，成本较高。
应用场合：大于10Gbps 速率或40GHz 以上的模拟带宽
目前技术上成熟并在实际通信系统得到广泛运用的是直接光强调制。
*功率与带宽的设计：
设计步骤：
确定系统设计要求达到的技术指标和应满足的性能指标。
技术指标：比特率、中继距离
性能指标：误码率（BER < 10-9）或信噪比
根据设计指标要求，决定工作波长和光纤类型。
850 nm—BL积小、成本低；– B < 100 Mb/s, L < 20 km（局域网）
1300 nm ～1600 nm—BL积大、成本高。– B > 200 Mb/s（长距离系统）
设计收发光端机的发射光功率和灵敏度以及收发系统的带宽。
第五章
*模拟光纤通信系统：通过光纤信道传输模拟信号的通信系统。
应用领域：当系统是受带宽限制而不是损耗限制，以及终端设备的价格为主要的考虑因素。例如：微波多路复用信号传输、用户环路应用、视频分配、天线遥感和雷达信号处理等
主要缺点：①对光源功率特性的线性要求、对系统信噪比的要求都比较高；②由于噪声的累积，模拟光纤通信系统的传输距离较短。
光发射机：
光源：LED、LD
调制：直接强度调制、脉冲频率调制、方波频率调制、副载波AM、FM及PM调制等调制方式。
光纤：单模光纤：在通带内应有平坦的幅度响应和群时延响应以消除非线性失真，同时均衡模分配失真造成的带宽限制。
光接收机：
光放大器：注意ASE
模拟光纤传输系统主要调制方式：
基带－光强调制（BB/IM）；
脉冲调制－光强调制；
频分复用光强调制；
副载波调幅 ----光强调制（AM/IM）
副载波调频 ----光强调制（FM/IM）。
模拟基带直接光强调制（D-IM）：
基带信号：模拟信号没有经过任何电的调制。比如音频信号、视频信号和雷达信号。
基带直接光强调制：用承载信息的模拟基带信号直接对光源（LED或LD）进行光强调制，使光源的输出光功率随时间变化的波形与输入模拟基带信号的波形成比例。
特点：采用一根光纤传输一路电视信号的方式。
优点：设备简单、价格低廉。——短距离传输
缺点：为了获得高的传输质量，需要较高信噪比，即接收灵敏度低。对光源线性度要求高，一般需要补偿。
对于广播电视节目：视频信号带宽(最高频率)是6 MHz，加上调频的伴音信号，这种模拟基带光纤传输系统每路电视信号的带宽为8 MHz。
用这种模拟基带信号对发射机光源（线性良好的LED）进行直接光强调制时：
若光载波波长为0.85 μm，传输距离不到4 km；
若为1.3 μm，传输距离也只有10 km左右。
脉冲调制-光强调制：
原理：首先用原始模拟基带信号对脉冲载波进行预调制，然后用脉冲载波再对光源进行调制。
特点：通过扩展信号带宽，提高传输质量的一种预调制强度调制方式。由于光纤的带宽极宽，因而这种预调制所增加的带宽对光纤通信来说不存在任何问题。
包括：脉冲调幅（PAM）、脉位调制（PPM）、脉宽调制（PWM）、脉冲间隔调制（PIM）、脉冲频率调制（PFM）、以及方波频率调制（SWFM）。
在这些调制方式中，除PAM外均不受光源非线性的影响，可进行高质量的传输，有些方式（如 SWFM 、PFM 、PIM）非常适合光纤模拟视频信号的传输。
频分复用光强调制：
原理：将基带模拟信号调制在副载波上，然后将多路副载波混合成射频信号，通过天线、电缆或光纤传输，在接收端对副载波信号进行解调还原得到基带模拟信号。
——副载波复用SCM （Subcarrier multiplexing）副载波：传统意义上的载波是光载波，为区别起见，把受模拟基带信号预调制的RF电载波称为副载波。包括：副载波调幅----光强调制（AM/IM ）；副载波调频-----光强调制（ FM/IM）。
副载波调幅-光强调制：
原理：原始电信号先对某一电载波进行调幅，然后再对光源进行调制。
残留边带调幅（AM-VSB）
副载波复用SCM好处：回避了对基带信号的直接传输，采用更高频率的副载波通过调幅、调频或调相传
输基带模拟信号。通过牺牲一定的带宽，换取了较小的相对带宽和较大的动态范围。
副载波复用SCM典型系统：有线电视传输系统；
电视卫星转发器；电视广播系统；微波通信系统。
第六章
* 什么是网络自愈功能：
网络自愈是指当业务信道损坏导致业务中断时，网络会自动切换到备用业务信道，使业务能在较短时间内（ITU-T规定为50ms以内）得以恢复正常传输。
注意：这里仅是指业务得以恢复，而发生故障的设备和发生故障的信道还是需要人去修复。
为达到网络自愈功能，需要：设备具有DXC功能（完成将业务从主用信道切换到备用信
道）、冗余的信道（备用信道）、冗余设备（备用设备）。
* 何谓通道和段？
例如，STM-1信号可复用进63×2Mb/s的信号，那么可将STM看成一条传输大道，在这条大路上又分成了63条小路。每条小路通过相应速率的低速信号，就相当于一个低速信号通道。通道开销的作用就可以看成监控这些小路的传送状况。这63个2M通道复合成STM-1信号这条大路——此处可称为“段”。*RSOH和MSOH的区别？
监管的范围不同。
RSOH是对相应的段进行监控，对应一个大的范围是对相应的段进行监控，对应一个大的范围STM-N 。
MSOH是对相应的层进行监控，对应这个大的范围中的一个小是对相应的层进行监控，对应这个大的范围中的一个小的范围STM-1 。
*管理单元指针（AU-PTR）：
用来指示信息净负荷的第一个字节在STM-N帧内准确位置的指示符，以便接收端根据这个指针值所指示的位置找到信息净负荷。
?管理单元指针位于STM-N 帧中第4 行的9×N 列，共9×N 个字节。
?对于STM-1 ：AU-PTR有9个字节（第4行），容量：9×8×8000=0.576 Mb/s。
?指针有高低阶之分。高阶指针是AU-PTR，低阶指针是TU-PTR （支路单元指针）。TU-PTR的作用类似于AU-PTR ，只不过所指示的单元更小一些而已。
?采用指针方式是SDH 的重要创新，消除了PDH 的延时和性能损伤。
*SDH的帧结构小节：
STM-N帧结构：9×270×N 字节/ 帧；
段开销：3×9×N 字节/ 帧RSOH；5×9×N 字节/ 帧MSOH；
信息载荷：9×261×N 字节/ 帧；
指针管理单元：9×N 字节/ 帧；
字节发送顺序：由上往下逐行发送，每行先左后右。
*SDH的复用情况
?将低阶的SDH信号复用成高阶的SDH信号
通过字节间插复用方式来完成，在复用过程中保持帧频不变，高一级的STM-N信号是低一级的STM-N
信号速率的4倍。在进行字节间插复用过程中，各帧的信息净负荷和指针字节按原值进行间插复用，而段开销则会有些取舍。
?将低速的支路信号（如PDH 的2Mbps、34Mbps 和140Mbps 数据流为主）和高速的信号（大于140Mbps 的数据流），复用成SDH的STM-N信号。
既能满足异步复用，又能满足同步复用，而且能方便地由高速STM-N 信号分/插出低速信号，同时不造成较大的信号时延和滑动损伤。
步骤：映射（相当于信号打包）、定位（相当于指针调整）、复用（相当于字节间插复用）
*SDH的基本复用单元
?信息容器C：将常用的PDH 信号适配进入标准容器。
各种不同速率的业务信号（PDH信号）首先通过码速调整等适配技术被装进一个适当的标准容器。
装载了信息的标准容器作为其后接入基本单元虚容器的信息净负荷。
?虚容器VC：用来支持SDH通道层连接的信息结构。由信息净负荷（信息容器C-n输出）和通道开销（VC-nPOH）组成，即VC-n=C-n+VC-nPOH。
虚容器分成低阶虚容器（VC-11，VC-12，VC-2和AU-4中的VC-3）和高阶虚容器（VC-4,AU-3中的VC-3）。
虚容器是SDH中可以用来传输、交换、处理的最小信息单元，是SDH通道的信息终端。除在网络边界处外，虚容器在SDH网中传输时保持完整不变。可以作为一个独立实体在通道中任一点插入或取出，十分方便和灵活地进行同步复接和交叉连接处理。
VC的输出将作为其后接入基本单元TU或AU的信息净荷。
VC帧起点的定位由相应指针值提供。
?支路单元（TU）和支路单元组（TUG）
支路单元TU：提供低阶通道层和高阶通道层之间适配的信息结构。
STM-N中有TU-11，TU-12 、TU-2、TU-3 四种支路。
TU-n分别由一个相应的低阶虚容器（VC-n）和支路单元指针（TU-n PTR），用于指示VC-n净荷起点相对于高阶VC帧起点间的偏移）组成，即TU-n＝VC-n＋TU-n PTR。
支路单元组TUG：在高阶VC净荷中固定占有规定位置的一个或多个支路单元的集合。
有TUG-2（1个TU-2或3个TU-12或4个TU-11字节交错间插复用）和TUG-3（1个TU-3或7个TUG-2）两种。
将不同规则的TU复用进一个TUG可增加传送网络的灵活性。
?管理单元（AU）和管理单元组（AUG）
管理单元AU：提供高阶通道层和复用段层之间适配的信息结构。
AU-n有AU-3、AU-4 两种。
AU-n由一个相应的高阶虚容器（VC-n）和管理单元指针（AU-nPTR，用于指示VC-n净荷起点相对于复用段帧起点间的偏移）组成，即AU-n＝VC-n＋AU-nPTR。
管理单元组AUG：在STM-N净荷中固定占有规定位置的一个或多个管理单元的集合。
一个AUG由一个AU-4或3个AU-3按字节交错间插复用而成。
AUG加上SOH组成STM-1信号。
*SDH映射工作模式：
①浮动VC模式：VC净荷在TU内的位置不固定，由TU-PTR指示其起点位置。
优点：不需要滑动缓存器就可以实现同步；引入的信号延时最小；安排通道开销，进行通道性能的端到端监测。
②锁定TU模式：信息净荷与网同步并处于TU帧内的固定位置。
优点：省去了TU-PTR；
缺点：需要滑动缓存器容纳频差和相位差；引入较大的信号延时；不能进行通道性能的端到端监测。*开销：
例如对2.5G系统的监控，再生段
开销对整个STM-16信号监控，复用
段开销细化到其中16个STM-1的任
一个进行监控，高阶通道开销再将其
细化成对每个STM-1中VC4的监控，
低阶通道开销又将对VC4的监控细
化为对其中63个VC12的任一个进
行监控。由此实现了从对 2.5Gbit/s
级别到2Mbit/s级别的多级监控手
段。
*指针
? 作用：就是定位。通过定位使收端能正确地从STM-N中拆离出相应的VC，进而通过拆VC的包封分离出PDH低速信号，也就是实现从STM-N信号中直接下低速支路信号的功能。
? TU或AU指针可以为VC在TU或AU帧内的定位提供了一种灵活动态的方法。TU或AU指针不仅能够容纳VC和SDH在相位上的差别，而且能够容纳帧速率上的差别。
第七章
*空分复用(SDM)
基本思想：利用空间分割，根据需求构成不同
信道进行光复用。
例如：两根光纤可以构成两个不同信道，或是
构成不同传输方向的系统。——目前普遍采用的
最简单、最早采用的复用方式。
向多路空分复用发展；N对光纤可以增加N倍
的传输容量。
* 目前，“掺铒光纤放大器（EDFA）+ 密集波分复用（WDM）+ 非零色散光纤（NZDSF）+光子集成（PIC）”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。
*波分复用器
光纤波分解复用器原理：对于波长λ1的信号，光纤a的输出最大时，光纤b的输出为0；对于λ2信号，当光纤a的输出为0时，b的输出最大。
第八章
*光放大器的性能指标：增益谱宽和放大器带宽、增益饱和与饱和输出光功率、光放大器噪声。
*增益饱和：当P增大至可与Ps 相比拟时，g(ω) 随着P增大而减小，同时放大器增益G(ω)也减小。*光放大器的分类和特征
半导体光放大器：
原理：半导体激光器芯片两端镀上增透膜形成行波放大器。
优点：单程增益高（载流子浓度高），小型化，容易与其他半导体器件集成。
缺点：性能与光偏振方向有关与光纤的耦合损耗大。
掺杂光纤放大器：
原理：掺杂离子在泵浦光作用下形成粒子数反转分布，当有入射光信号通过时，实现对入射光信号的放大作用。
优点：掺铒与掺镨光纤放大器具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高等优点，具有广泛的应用前景。
掺杂光纤放大器的特性主要由掺杂元素决定：掺铒(Er)光纤放大器(EDFA)：工作波长1550nm；掺镨(Pr)、掺钕(Nd)光纤放大器：1300nm；掺铥(Tm)光纤放大器(TDFA)：1400nm。
非线性光纤放大器
原理：利用光纤中的非线性效应，如受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS）实现对光信号的放大。
特点：需要对光纤注入泵浦光，泵浦光能量通过SRS或SBS传送到信号上，同时部分能量转换成分子震动（SRS）或声子（SBS）。
分类：喇曼光纤放大器（FRA）泵浦光与信号光可同向或反向传输，增益带宽约为6THz。
布里渊光纤放大器（FBA）泵浦光与信号光只能反向传输，增益带宽相当窄，为30~100MHz。*SOA的结构：
*降低端面反射的结构：
减反膜+倾斜有源区
–激活区端面制作成具有一定的角度，反射得到降低。
–与增透膜结合，反射率R<10-3。
窗面结构
–在激活区与端面之间有一个透明区，来自激活区的光束在经端面反射之前发生发散，反射之后发散更为严重，只有极少部分的光返回到激活区中。
–与增透膜结合，可使反射率R<10-4。
*半导体光放大器的性能：
噪声系数：
影响因素：
–自发辐射噪声——反转数因子；
–非辐射损耗——腔中自由载流子吸收和散射等腔内损耗使增益降低；
比理想值大，典型值：5dB ~ 7dB。放大器端面剩余反射率引起噪声系数增加。
偏振相关：
定义：放大器的增益随输入信号光的偏振态而变化的特性。
起因：有源层横截面呈扁长方形，对横向和竖向光场的约束不同。
解决方法：从放大器设计着手，采用宽度和厚度可比拟的有源层设计；从使用方法上着手，将两个相同的放大器组合或使信号两次通过同一放大器。
*掺铒光纤放大器工作原理与技术特点
信号光与波长较其短的光波( (泵浦光）同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。
… EDFA工作原理：
①铒离子有三个能级：能级1代表基态。能级2是亚稳态。能级3代表激发态。
②当泵浦光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，Er3+吸收泵浦光从基态跃迁到激发态。
③激发态不稳定，Er3+很快返回到能级2。
④如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，处于能级2的Er3+将跃迁到基态，产生受激辐射光，信号光得到放大。
*增益特性：
小信号增益：在开始阶段放大器小信号增益恒定，当信号功率达到－30dBm左右时，增益开始随信号功率的增加而下降，这是EDFA出现增益饱和的缘故。
饱和输出功率：依放大器的设计不同而不同，典型值为10～20mW。对于大功率EDFA功率放大器其饱和输出功率将达到1～10W。
*SBS和SRS的不同：
SBS参与的能量子为声学声子，只有后向散射。
SRS参与的能量子为光学声子（分子振动），以前向散射为主，但也有后向散射。
*FRA的结构与应用：
结构分类：
集中式FRA
?指标：作为高增益、高功率放大，其长度约1～2km，泵浦功率1～2W，可提供20～30dB的增益。?特点：作为独立元件与传输线路分开。要求具有较高的增益，采用高掺杂、低损耗、小有效面积的光纤作为增益介质。
?应用：与EDFA相比有一定差距，并且需要较长的光纤，因此主要用于放大一些EDFA不能放大的特殊波长，例如1310nm波段、1550nm的L和S波段。
分布式FRA
?特点:以传输光纤本身作为增益介质。
?应用：作为光纤传输系统中传输光纤损耗的分布式补偿放大，是光纤喇曼放大器主要的应用形式。FRA的结构与应用：
宽带放大应用：独立使用，采用多波长泵浦；
与EDFA组合使用，加上增益均衡器平坦增益。
*FBA的工作原理与增益带宽：
通过受激布里渊散射的作用把一部分泵浦光的能量转移给信号光，实现信号光的放大。
泵浦光束散射产生的斯托克斯光是由介质中产生的以声速传播的声波引起的。泵浦光通过电致伸缩产生声波，引起折射率周期性调制，形成一种折射率光栅。泵浦光又通过光栅散射产生斯托克斯光波，泵浦光、斯托克斯光和声子之间的参量相互作用，产生光增益。从量子物理观点看，受激布里渊散射过程可看作一个泵浦光子的湮灭，同时产生了一个斯托克斯光子和一个声学声子。
重要特征：1.仅当信号光传播方向与泵浦光相反时才能产生放大，即只能采用反向泵浦结构；2. SBS 的斯托克斯频移比SRS小三个数量级；3. SBS产生的增益谱相当窄，带宽<100MHz。
*FBA的性能及其应用：
性能：是一种高增益、低功率、窄带宽光放大器。
应用：
用作接收机前置放大器，提高接收机灵敏度，但其能放大信号的比特率一般比较低，如<100Mb/s。
作为一种选频放大器，在相干和多信道光波通信系统中有一定用处。
相干通信系统：可用FBA有选择性地放大光载波而不放大调制边带，利用放大后的光载波作为本振光，实现零差检测。
多信道通信系统：可在接收端注入一泵浦光，与多信道光信号相反传播，通过调节泵浦频率就可选
择不同信道的信号进行放大。但是由于其窄带特性，一般每信道的比特率亦限制在100Mb/s 以内。实际多信道系统中，SBS 过程通常要限制信道间隔和通道数，同时限制信号功率和通信距离，因此FBA 的应用受到多方面的限制。
第九章
相干光通信系统优点：极高的接收灵敏度，接近量子极限超长传输距离，可达上万km宽带传输，能够轻松完成10Gbps以上速率的传输。
*光孤子
孤子波：描述脉
冲包络在非线性
色散介质中类似
于粒子的特征，
在数学上是非线
性波动方程的局
域行波解。
光孤子：经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲(ps数量级)。
光孤子的产生：基于自相位调制SPM和群速度色散
GVD
、
光纤通信原理及应用
光纤通信原理及应用 摘要：光纤通信技术是利用半导体激光器等光电转换器将电信号转换成光信号，并使其在光纤中快速、安全地传输的一门新兴技术。光纤是一种理想的传输媒体，它具有传输时延低、高通信质量、高带宽、抗干扰能力强等特点。光纤在高速以太网中有着广泛的应用。论文主要分析了光电信号的转换、光纤通信的基本原理并介绍了光纤在通信领域中的一些应用。 关键词：光纤通信；光电转换；全反射 1. 引言 光纤是用光透射率高的电介质构成的光通路，它是一种介质圆柱光波导，它是用非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。光纤通信就是在发送端利用半导体激光转换器将电信号转换成光信号并利用光导纤维传递光脉冲来进行通信，光波通过纤芯以全反射的方式进行传导，有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0。同时，接收端利用光电二极管或半导体激光器做成光检测器，检测到光脉冲时将光信号还原成电信号。在由于可见光的频率非 常高，约为8 10MHz的量级，因此一能做到使用一根光个光纤通信系统的传输带宽远远大于其它的传输媒体的带宽。同时利用光的频分复用技术，就纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号，使得光纤的传输能力成倍地提高。 2.理论模型 在光纤通信系统的发送端使用光电信号检测电路将电信号转换成光信号，并使得光信号以大于某一角度入射到光通道，此时光信号在光纤以全反射的方式不断向前传输，并在接收端再将光信号转换成电信号进行进一步的处理。 2.1 光电信号检测电路的基本原理 光电检测电路主要由光电器件、输入电路和前置放大器组成。其中，光电检测器件是实现光电转换的核心器件，它把被测光信号转换成相应的电信号；输入电路为光电器件正常的工作条件，进行电参量的变换并完成前置放大器的电路匹配；前置放大器能够放大光电器件输出的微弱电信号，并匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。 2.1.1 光电信号输入电路的静态计算 图解计算法是利用包含非线性元件的串联电路的图解法对恒流源器件的输入电路进行计算。反射偏置电压作用下的光电二极管的基本输入电路如下：
光纤通信原理
光纤通信原理作业 1、 LP01是单模光纤中的基模，它是一种B模。 A. 双折射 B. 线极化 C. 圆极化 D. 园双折 2、在目前的实用光纤通信系统中采用A调制方式，即将调制信号 直接作用在光源上，使光源的输出功率随调制信号的变化而变化。 B. 间接 C. 外 D. 分接 3、费米能级E f可视为能级被电子占据的界限，它是反映物质中电子在各能级 上A的参量。 A. 分布 B. 跃迁 C. 辐射 D. 放大 4、电子占据某能级的几率服从A分布。 A. 费米统计 B. 柏松 C. 指数 D. 平方 5、色散位移单模光纤是在A um处，实现衰减最小和色散最小. A. 1.55 B. 1550 C. 1560 D. 1.5１ 6、零色散光纤是指工作波长为A nm的单模光纤，可获得最小的衰 减特性和特性。 ，色散 B. 1310 ，色散 C. 1.55 ，放大 D. 1.51，复用 光电检测器是利用材料的B，来实现光电转换的器件。 A. 受激吸收
B. 光电效应 C. 非线性 D. 受激辐射 8、光学谐振腔中的纵模是指腔中驻波沿轴向的分布状态，纵模间隔Δf= B。A. B. C. D. 9、光纤色散包括C、和模式色散。 单纵模、多纵模 B. 极化色散、多纵模 C. 材料色散、波导色散 D. 双折射、圆极化 10、受激辐射中产生一个C。 A. 菲涅尔现象 B. 费米能级 C. 全同光子 D. 耦合模式 11、光纤通信的三个低损耗窗口是1310nm、850nm、C μm。 B. 1550 C. 1.55 D. 1.51 12、当光纤纤芯的折射率与包层的折射率C时，称为弱导波光纤。
2013年10月光纤通信原理试题
全国2013年10月高等教育自学考试 光纤通信原理试题 课程代码：02338 一、单项选择题(本大题共10小题，每小题1分，共10分) 在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。 1.随着温度的逐步升高，LD 的阈值电流（ ） A.逐渐降低 B.逐渐增大 C.不变 D.先降低后增大 2.在下列因素中，不属于．．． 影响接收机灵敏度的因素是（ ） A.光发射机的消光比 B.光电检测器响应度 C.光纤衰减 D.光电检测器噪声 3.速率为f b 的NRZ 码经4B1H 码型变换后，线路码的速率是（ ） A.b f B. b f 5 6 C.b f 54 D.b f 4 5 4.在STM-1信号的帧结构中，AU 指针区域的位置是在（ ） A.1～9列，第4行 B.1～9列，1～9行 C.1～3列，第4行 D.1～3列，1～9行 5.EDFA 中将光信号和泵浦光混合后送入掺铒光纤中的器件是（ ） A.光滤波器 B.光隔离器 C.光耦合器 D.光连接器 6.目前光纤通信三个实用的低损耗工作窗口是（ ） A.0.85μm ，1.20μm ，1.55μm B.0.85μm ，1.31μm ，1.55μm C.0.85μm ，1.20μm ，1.31μm D.1.05μm ，1.20μm ，1.31μm 7.薄膜波导中，导波的截止条件为（ ） A.λ0≥λc B.λ0＜λc C.λ0≥0 D.λ0≤1.55μm 8.薄膜波导中，导波的特征方程为（ ） A.2k 0d-2Φ12-2Φ13=2m π B.2k 1d-Φ12-Φ13=2m π C.2k 1z d-2Φ12-2Φ13=2m π D.2k 1x d-2Φ12-2Φ13=2m π 9.在下列特性参数中，不属于．．．单模光纤的特性参数是（ ） A.数值孔径 B.截止波长 C.衰减 D.折射率分布 10.在阶跃型弱导波光纤中导波的基模为（ ） A.LP 00 B.LP 11 C.LP 01 D.LP 12 二、填空题(本大题共15小题，每小题1分，共15分) 请在每小题的空格中填上正确答案。错填、不填均无分。
光纤通信原理实验
光纤通信原理实验 一、实验目的： 1、了解光纤通信系统的工作原理； 2、了解光纤通信的基本特点； 3、通过波分复用解复用器件（WDM）实现双波长单纤单向音频视频通信传输； 二、光纤通信的发展过程： 到了20世纪中页，出身上海的英藉华人高锟（K.C.Kao）博士，通过在英国标准电信实验室所作的大量研究的基础上，对光波通信作出了一个大胆的设想。他认为，既然电可以沿着金属导线传输，光也应该可以沿着导光的玻璃纤维传输。并大胆地预言，只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从每公里1000分贝降低到20分贝／公里，从而有可能用于通信。从此揭开了光纤通信的帷幕。光纤通信的发展过程如表1所示。 三、光纤通信优点： 1．光波频率很高，光纤传输的频带很宽，故传输容量很大，理论上可通上亿门话路或上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制等多种业务；目前的通信材料主要电缆、波导管、微波和光缆，电缆、波导管、微波和光缆通信容量的对比如表2所示。可以看出光缆的通信容量远远大于其它的通信材料。 表2电缆、波导管、微波和光缆通信容量的对比
2．不受电磁干扰，保密性好；损耗小，中继距离远。光纤是由非金属的石英介质材料构成的，它是绝缘体，不怕雷电和高压，不受电磁干扰，甚至包括太阳风暴也影响不到光纤通信，2000年6月8日的太阳风暴，差点使俄罗斯的一颗导航卫星失去方向。太阳风暴还会造成人造卫星的短路，许多靠卫星传播的通信业务可能因此停顿。1998 年5月，美国银河4号卫星因受太阳风暴影响而失灵，造成北美地区80%的寻呼机无法使用，金融服务陷入脱机状态，信用卡交易也中断了，有试验表明，在核爆炸发生时，地球上所有的电通信将中断，而唯有光通信几乎不受影响；光纤中传输的是频率很高的光波，而各种干扰的频率一般都比较低，所以它不能干扰频率比它高的多的光波。打个比方说，光纤中的光波好比是在万丈高空飞行的飞机，任凭地上行驶的火车、汽车如何得多，也不会影响到它的飞行。 3．光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属(如铜、铝)，且直径小、重量轻。相同话路的光缆要比电缆轻90%～95%(光缆重量仅为电缆重量的十分之一到二十分之一)，而直径不到电缆的五分之一。通21000话路的900对双绞线，其直径为3英寸，重量为8 吨/公里；通讯量为其十倍的光缆，直径仅0.5英寸，重量仅450磅/公里。 4．耐高温、高压、抗腐蚀，工作可靠等等优点就不一一罗列了。 四、光纤通信的原理： 光纤通信系统的工作原理如图1所示： 图1 光纤通信系统的工作原理
光纤通信原理与技术课程教学大纲
《光纤通信原理与技术》课程教学大纲 英文名称：Fiber Communication Principle and its Application 学时：51 学分：3 开课学期：第7学期 一、课程性质与任务 通过讲授光纤通信技术的基础知识，使学生了解掌握光纤通信的基本特点，学习光纤通信系统的三个重要组成部分：光源（光发射机）、光纤（光缆）和光检测器（光接收机）。通过本课程的学习，学生将掌握光纤通信的基本原理、光纤通信系统的组成和系统设计的基本方法，了解光纤通信的未来与发展，为今后的工程应用和研究生阶段的学习打下基础。 二、课程教学的基本要求 要求通过课堂认真听讲和实验课，以及课下自学，基本掌握光纤通信的基础理论知识和应用概况，熟悉光纤通信在电信、通信中的应用，为今后的工作打下坚实的理论基础。 三、课程内容 第一章光通信发展史及其优点（1学时） 第二章光纤的传输特性（2学时） 第三章影响光纤传输特性的一些物理因素（5学时） 第四章光纤通信系统和网络中的光无源器件（9学时） 第五章光纤通信技术中的光有源器件（3学时） 第六章光纤通信技术中使用的光放大器（4学时） 第七章光纤传输系统（4学时） 第八章光纤网络介绍（6学时） 第九章光纤通信原理与技术实验（17课时） 四、教学重点、难点 本课程的教学重点是光电信息技术物理基础、电光信息转换、光电信息转换，光电信息技术应用，光电新产品开发举例。本课程的教学难点是光电信息技术物理基础。
五、教学时数分配 教学时数51学时，其中理论讲授34学时，实践教学17学时。（教学时数具体见附表1和实践教学具体安排见附表2） 六、教学方式 理论授课以多媒体和模型教学为主，必要时开展演示性实验。 七、本课程与其它课程的关系 1.本课程必要的先修课程 《光学》、《电动力学》、《量子力学》等课程 2.本课程的后续课程 《激光技术》和《光纤通信原理实验》以及就业实习。 八、考核方式 考核方式：考查 具体有三种。根据大多数学生学习情况和学生兴趣而定其中一种。第一种是采用期末考试与平时成绩相结合的方式进行综合评定。对于理论和常识部分采用闭卷考试，期末考试成绩占总成绩的55％，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15％；第二种是采用课程设计（含市场调查报告）和平时成绩相结合的方式，课程设计占总成绩的55%，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15%。第三种是采用课程论文（含市场调查报告）和平时成绩相结合的方式，课程论文占总成绩的55%，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15%。 九、教材及教学参考书 1.主教材 《光纤通信原理与技术》，吴德明编著，科学出版社，第二版，2010年9月 2.参考书 （1）《光纤通信原理与仿真》，郭建强、高晓蓉、王泽勇编著，西南交通大学出版社，第一版，2013年5月 （2）《光通信原理与技术》，朱勇、王江平、卢麟，科学出版社，第二版，2011年8月
全国高等教育自学考试光纤通信原理试题历年试卷
全国2007年1月高等教育自学考试光纤通 信原理试题历年试卷 全国2007年1月高等教育自学考试光纤通信原理试题.doc 试卷内容预览网站收集有1万多套自考试卷，答案已超过2000多套。我相信没有其他网站能比此处更全、更方便的了。 全国2007年1月高等教育自学考试 光纤通信原理试题 课程代码：02338 一、单项选择题(本大题共10小题，每小题1分，共10分) 在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。1．目前光纤通信三个实用的低损耗工作窗口是( ) A．0.85 μm,1.27 μm,1.31 μm B．0.85 μm,1.27 μm,1.55 μm C．0.85 μm,1.31 μm,1.55 μm D．1.05 μm,1.31 μm,1.27 μm 2．在薄膜波导中，导波的基模是( ) A．TE0B．TM0 C．TE1D．TM1
3．在SiO2单模光纤中，材料色散与波导色散互相抵消，总色散等于零时的光波长是( ) A．0.85 μmB．1.05 μm C．1.27 μmD．1.31 μm 4．在阶跃型光纤中，导波的传输条件为( ) A．V＞0B．V＞Vc C．V＞2.40483D．V＜Vc 5．半导体激光二极管(LD)的一个缺点是( ) A．光谱较宽B．温度特性较差 C．与光纤的耦合效率较低D．平均发光功率较小6．EDFA光纤放大器作为光中继器使用时，其主要作用是( ) A．使信号放大并再生B．使信号再生 C．使信号放大D．降低信号的噪声 7．目前，掺铒光纤放大器的小信号增益最高可达( ) A．40 dB左右B．30 dB左右 C．20 dB左右D．10 dB左右 8．STM-16信号的码速率为( ) A．155.520 Mb/sB．622.080 Mb/s C．2 488.320 Mb/sD．9 953.280 Mb/s 9．对于2.048 Mb/s的数字信号，1 UI的抖动对应的时间为( )
光纤通信原理试题讲解学习
1.决定光纤通信中继距离的主要因素是( B ) A.光纤的型号 B.光纤的损耗和传输带宽 C.光发射机的输出功率 D.光接收机的灵敏度 2.弱导光纤中纤芯折射率n1和包层折射率n2的关系是( A ) A.n1≈n2 B.n1=n2 C.n1>>n2 D.n1< 光纤通信原理试题＿1 参考答案 一、单项选择题（本大题共10小题，每小题1分，共10分） 在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。 1. 光纤通信指的是（ B ） A 以电波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式； B 以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式； C 以光波作载波、以电缆为传输媒介的通信方式； D 以激光作载波、以导线为传输媒介的通信方式。 2.已知某Si-PIN 光电二极管的响应度R 0＝0.5 A/W ，一个光子的能量为2.24×10－19 J ，电子电荷量为1.6×10 －19 C ，则该光电二极管的量子效率为（ ） A.40％ B.50％ C.60％ D.70％ R 0=e 错误！未找到引用源。 /hf 3.STM-4一帧中总的列数为（ ） A.261 B.270 C.261×4 D.270×4 4.在薄膜波导中，要形成导波就要求平面波的入射角θ1满足（ ） A.θc13<θ1<θc12 B.θ1=0° C.θ1<θc13<θc12 D.θc12<θ1<90° 5.光纤色散系数的单位为（ ） A.ps/km B.ps/nm C.ps/nm.km ? D.nm/ps?km 6.目前掺铒光纤放大器的小信号增益最高可达（ ） A.20 dB B.30 dB C.40 dB D.60 dB 7.随着激光器使用时间的增长，其阈值电流会（ ） A.逐渐减少 B.保持不变 C.逐渐增大 D.先逐渐增大后逐渐减少 8.在阶跃型（弱导波）光纤中，导波的基模为（ ） A.LP00 值为0 B.LP01 C.LP11为第一高次模 D.LP12 9.在薄膜波导中，导波的截止条件为（ ） A.λ0≥λC B.λ0<λC C.λ0≥0 D.λ0≤1.55μm 10.EDFA 在作光中继器使用时，其主要作用是（ ） A.使光信号放大并再生 ? B.使光信号再生 C.使光信号放大 D.使光信号的噪声降低 二、填空题（本大题共20小题，每小题1分，共20分） 请在每小题的空格中填上正确答案。错填、不填均无分。 1.根据传输方向上有无电场分量或磁场分量，可将光（电磁波）的传播形式分为三类：一为_TEM_波；二为TE 波；三为TM 波。 2.对称薄膜波导是指敷层和衬底的_折射率相同_的薄膜波导。 3.光学谐振腔的谐振条件的表示式为__错误！未找到引用源。______。q L c n 2= λ 4.渐变型光纤中，不同的射线具有相同轴向速度的这种现象称为_自聚焦_现象。 5.利用_光_并在光纤中传输的通信方式称为光纤通信。 6.在PIN 光电二极管中，P 型材料和N 型材料之间加一层轻掺杂的N 型材料，称为本征层（I ）层。 7. 光源的作用是将 电信号电流变换为光信号功率 ；光检测器的作用是将 光信号功 2009年10月光纤通信原理自考试题 全国2009年10月光纤通信原理自考试题 一、单项选择题(本大题共10小题，每小题1分，共10分)在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。 1.随着温度的逐步升高，LD的阈值电流（） A.逐渐降低 B.逐渐增大 C.不变 D.先降低后增大 2.在下列因素中，不属于影响接收机灵敏度的因素是（） A.光发射机的消光比 B.光电检测器响应度 C.光纤衰减 D.光电检测器噪声 3.在STM-1信号的帧结构中，AU指针区域的位置是在（） A.1～9列，第4行 B.1～9列，1～9行 C.1～3列，第4行 D.1～3列，1～9行 4.EDFA中将光信号和泵浦光混合后送入掺铒光纤中的器件是（） A.光滤波器 B.光隔离器 C.光耦合器 D.光连接器 5.目前光纤通信三个实用的低损耗工作窗口是（） A.0.85μm，1.20μm，1.55μm B.0.85μm，1.31μm，1.55μm C.0.85μm，1.20μm，1.31μm D.1.05μm，1.20μm，1.31μm 6.薄膜波导中，导波的截止条件为（） A.λ0≥λc B.λ0＜λc C.λ0≥0 D.λ0≤1.55μm 7.薄膜波导中，导波的特征方程为（） A.2k0d-2Φ12-2Φ13=2mπ B.2k1d-Φ12-Φ13=2mπ C.2k1zd-2Φ12-2Φ13=2mπ D.2k1xd-2Φ12-2Φ13=2mπ 8.在下列特性参数中，不属于单模光纤的特性参数是（） A.数值孔径 B.截止波长 C.衰减 D.折射率分布 9.在阶跃型弱导波光纤中导波的基模为（） A.LP00 B.LP11 C.LP01 D.LP12 二、填空题(本大题共15小题，每小题1分，共15分)请在每小题的空格中填上正确答案。错填、不填均无分。 10.光发射机主要由输入电路和________两大部分组成。 11.半导体激光器中光学谐振腔的作用是提供必要的________以及进行频率选择。 12.雪崩光电二极管具有________效应，使光电流在管子内部即获得了倍增。 13.光接收机中判决器和________合起来构成脉冲再生电路。 14.在光纤通信系统中，利用光纤来传输监控信号时，通常可 偏振模色散受限的最大理论传输距离 B 当比特率大于10Gbs 偏振模色散必须考虑降低光纤偏振模色散值 改进光纤的几何形状导致裸纤的旋转 10 PMD ps4 km 25 Gbs 10 Gbs 40 Gbs 30 180km llkm lkm 10 1600 km 100 km 6km 05 6400 km 400 km 25km 02 40000 km 2500 km 156km 光纤的光学及传输特 性参数之一------偏振模色散受限的最大理 论传输距离光纤的基本参数固有和非固有的偏振模色散原因包层 中心为椭圆包层偏心进入气体侧压涂层椭圆涂层偏心非固有 原因侧压弯曲扭曲光纤的光学及传输特性参数之一------偏振 模色散光纤的基本参数定义光纤作为单模光纤工作的最 短波长工作波长超过此波长时只能传输基模此时光纤为单模光纤工作波长低于此波长 时除基模外高次模也可传输此时光纤为多模光纤光纤的光学及 传输特性参数之一------截止波长光纤的基本参数弯曲损耗 宏观弯曲损耗是指光纤在以远远大于光纤外径的曲率半径弯曲时所 引入的附加损耗微观弯曲损耗是指光纤受到不均匀应力的 作用光纤轴产生的微小不规则弯曲所引入的附加损耗光纤的光学及 传输特性参数之一------弯曲损耗光纤的基本参数衰减系数 色散系数截止波长弯曲损耗 1310nm波长处036dBkm 1550nm 波长处022dBkm 1310nm波长处 0ps nmkm 1550nm波长处19ps nmkm cc1260nm 以75mm为直径松绕100圈1550nm波长处附加衰减005dB 光纤通信原理光纤传输原理图 光纤通信原理 光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维 中的全反射原理而达成的光传导工具。掺铒光纤是在石英光纤中掺入了少量的稀土元素铒(Er)离子的光纤，它是掺铒光纤放大器的核心。从20世纪80年代后期开始，掺铒光纤放大器的研究工作不断取得重大的突破。WDM技术、极大地增加了光纤通信的容量。成为当前光纤通信中应用最广的光放大器件。 光纤放大器是光纤通信系统对光信号直接进行放大的光放大器件。在使用光纤的通信系统中，不需将光信号转换为电信号，直接对光信号进行放大的一种技术。掺铒光纤放大器(EDFA即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子Er3 + 的光信号放大器)是1985年英国南安普顿大 学首先研制成功的光放大器，它是光纤通信中最伟大的发明之一。掺铒光纤放大器的工作原理： 铒光纤放大器主要是由一段掺铒光纤（长约10-30m）和泵浦光源组成。其工作原理是：掺铒光纤在泵浦光源（波长980nm或1480nm）的作用下产生受激辐射，而且所辐射的光随着输入光信号的变化而变化，这就相当于对输入光信号进行了放大。研究表明，掺铒光纤放大器通常可得到15-40db的增益，中继距离可以在原来的基础上提高 100km以上。那么，人们不禁要问：科学家们为什么会想到在光纤放大器中利用掺杂铒元素来提高光波的强度呢？我们知道，铒是稀土元素的一种，而稀土元素又有其特殊的结构特点。长期以来，人们就一直利用在我学器件中掺杂稀土元素的方法，来改善光学器件的性能，所以这并不是一个偶然的因素。另外，为什么泵浦光源的波长选在980nm或1480nm呢？其实，泵浦光源的波长可以是520nm、650nm、980nm、和1480nm，但证明波长980nm的泵浦光源激光效率最高，次之是波长1480nm的泵浦光源。 掺铒光纤放大器的基本结构： EDFA的基本结构，它主要由有源媒质(几十米左右长的掺饵石英光纤，芯径3-5微米，掺杂浓度(25-1000)x10-6)、泵浦光源(990或1480nm LD)、光耦合器及光隔离器等组成。信号光与泵浦光在铒光纤内可以在同一方向(同向泵浦)、相反方向(反向泵浦)或两个方向(双向泵浦)传播。当信号光与泵光同时注入到铒光纤中时，铒离子在泵光作用下激发到高能级上，三能级系统)，并很快衰变到亚稳态能级上，在入射信号光作用下回到基态时发射对应于信号光的光子，使信号得到放大。其放大的自发发射(ASE)谱，带宽很大(达20-40nm)，且有两个峰值分别对应于1530nm和1550nm。 掺铒光纤放大器的优点: 1.1966年由英籍华人高锟和霍克哈姆提出可以使用 光纤作为传输介质。 2.在光电二极管中只有入射波长λ< λ（>,<或=）的光入 c 射才能产生光电效应，所以 λ称为截止波长。 c 3.分析光纤中光的传输特性时有两种理论：射线光学理论和 波动光学理论。 4.光纤与光纤的连接方法有两大类：一类是活动连接，另 一类是固定连接。 5.单模传输条件是归一化参量满足归一化频率 V≤2.405 。 6.LED和LD在结构上的最大差异是：LD具有谐振腔。 7.光发送机主要由光源、驱动电路和辅助电路组成。 8.接收机中存在的噪声源可分为两类：散粒噪声和热噪声。 9.光放大器是基于受激辐射原理，实现入射光信号放大的 一种器件，其机制与激光器完全相同。 10.是无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比。 A 插入损耗 B回波损耗 C反射系数 D偏振相关损耗 11.指利用高速光开关把多路光信号在时域里复用 到一路上的技术。[ B ] A 光波分复用技术 B 光时分复用技术 C 光频分复用技术 D 码分复用技术 12.若输入光发射机的信号全为“0”时，输出光发射机的平 均光功率为 P；输入信号全为“1”时，输出的平均光功率为 P，则消光比EXT的表达式是。[ C ] 1 A 0110lg P P B 00110lg P P P + C 1010lg P P D 10110lg P P P + 13. 波分复用光纤通信系统在发射端，N 个光发射机分别发 射 。 [ D ] A N 个相同波长的光信号，经过光波分复用器WDM 合到一 起，耦合进单根光纤中传输 B N 个不同波长的光信号，经过光波分复用器WDM 变为波 长相同的光信号，耦合进单根光纤中传输 C N 个相同波长的光信号，经过光波分复用器WDM 变为波 长不同的光信号，耦合进单根光纤中传输 D N 个不同波长的光信号，经过光波分复用器WDM 合到一 起，耦合进单根光纤中传输 14. 决定了光纤放大器所能放大的波长。 [ C ] A 光纤传导模式 B 光纤的衰减 C 掺杂到纤芯中的稀土离子的特性 D 光纤纤芯的直径 15. STM-4的速率约为 Mb/s 。 [ B ] A STM-1 155 B STM-4 622 C STM-16 2488 D STM-16 9953 16. 当使用雪崩光电二极管时，由于倍增过程的随机特性所产生 的附加噪声，称为 。[ ] A 散粒噪声 B 暗电流噪声 C 量子噪声 D APD 倍增噪声 19. 掺铒光纤放大器中泵浦光源的作用是 。[ ] A 叠加加强信号光 B 叠加削弱信号光 C 使掺铒光纤处于粒子数反转分布状态 D 对信号光进行调制 1.决定光纤通信中继距离的主要因素是( B ) A.光纤的型号 B.光纤的损耗和传输带 C.光发射机的输出功率 D.光接收机的灵敏度 2.弱导光纤中纤芯折射率n1和包层折射率n2的关系是( A ) A.n1≈n2 B.n1=n2 C.n1>>n2 D.n1< 光纤通信原综合测试题（一） 一、填空题：(30分，每题1分) 1、光纤通信系统基本组成部分有、和。光纤的三个工作波长分 别为、和。G、652光纤的波长为，G、655光纤的波长为。 2、光纤的主要损耗是和，其色散主要有、、。 3、目前常用的光源有LD和LED，其中LD是物质发生过程而发光，而LED是因 物质发生过程而发光，在数字光纤通信系统中对光源采用 调制，而收端采用方法进行检测。 4、影响接收灵敏度的主要是光电检测器的和噪声，以及放大电路 的噪声。 5、光无源器件主要有、、和。 6、SDH的复用过程主要步骤是、和。其主要设备 有、、和。 二、名词解释（2*2=4分） 1、 SES 2、消光比 三、判断题(每题2分，共计10分) 1、渐变型多模光纤具有自聚焦特性，故其没有模式色散。（） 2、接收机能接收的光功率越高，其灵敏度越高。（） 3、一个STM—1中能装入63个2Mb/s的信号，故其频带利用率比PDH高。（） 4、LED的P-I特性呈线性，故无论用模拟信号和数字信号对其进行调制均不需要加 偏置电流。（） 5、SDH采用同步字节间插复用方式，故能实现一次性上下低速信号。（） 四、简答题（每题6分，共计18分） 1、 1、什麽是自愈网？画图表示二纤单向复用段倒换环的工作原理。 2、 2、温度对LD有什麽样的影响？采用什麽方法可以抑制温度对它的影响？ 3、OTDR是什麽？在光纤通信中有何用途？ 五、计算题（38分） 1、（12分）已知阶跃型多模光纤的包层折射率为1、48，相对折射率差为1%，试求：（1）① 纤芯折射率为多少？ （2）② 数值孔径为多少？ （3）③ 在5km长的光纤上，脉冲展宽为多少？ 一填空题 1光波属于电磁波范畴,包括、和。 2.目前实用通信光纤的基础材料是。 3.目前光纤通信采用比较多的系统形式是的光纤数字通信系统。 4.光发射机的主要作用是耦合进光纤。 5.光接收机的主要作用是将光纤送过来的光信号转换成电信号。 6.目前光纤通信的实用工作波长在近红外区，即波长区，对应频率。 7.目前光纤通信的三个实用窗口为、及。 8.在传播方向上既无电场分量也无磁场分量，称为。 9.在传播方向上有磁场分量但无电场分量，称为。 10.在传播方向上有电场分量但无磁场分量，称为。 11.光纤损耗的单位是。 12.单位长度光纤传输带宽的单位是。 13.光接收机中的重要部件是能够完成光/电转换任务的光电检测器，目前主要采用 和。 14.光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用 或。 15.光纤纤芯的折射率n1包层折射率n2。 16.按照光纤横截面折射率分布不同来划分，光纤可分为和。 17.按照纤芯中传输模式的多少来划分，光纤可分为和。 18.单模光纤的纤芯直径约为。 19.多模光纤的纤芯直径约为。 20.光缆的结构可分为、和三大部分。 21.影响光纤最大传输距离的主要因素是光纤的和。 22.光纤损耗包括：光纤的损耗，光纤与的耦合损耗，光纤之间的损耗等。 23.色散的大小用来表示。 24.色散的程度用时延差来表示，时延差越大，色散就会。 25.时延差的单位是。 26.单模光纤中的色散不存在，只有和。 27.光纤通信系统中，性能和性能是传输性能中的两个主要指标。 28.抖动的程度原则上可以用、、来表示，现在多数情况是用 。 29.抖动容限可分为容限和容限。 30.掺铒光纤放大器的英文缩写是。 31.渐变型光纤由于芯子中的折射指数n1是随半径r变化的，因此子午线是。 32.渐变型光纤靠原理将子午线限制在芯子中，沿轴线传输。 33.弱导波光纤中的光线几乎与光纤轴。 34.弱导波光纤中的光波是近似的。 35.在阶跃型光纤中，不论是子午线还是斜射线，都是根据原理，使光波在芯子和包层的界面上全反射，而把光波限制在中向前传播的。 36.导波传输常数的变化范围。 37.当时，电磁场能量不能有效地封闭在纤芯中，而向包层辐射，这种状态称为导波的临界状态。 1 全国2019年10月高等教育自学考试 光纤通信原理试题 课程代码：02338 一、单项选择题（本大题共10小题，每小题1分，共10分） 在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。 1.当平面波的入射角θ1变化时，在薄膜波导中可能产生的三种波是( ) A.TEM 波、TE 波和TM 波 B.导波、TE 波和TM 波 C.导波、衬底辐射模和敷层辐射模 D.TEM 波、导波和TM 波 2.速率为f b 的NRZ 码经5B6B 码型变换后的码速率是( ) A. f b B.65f b C. 56 f b D. 2f b 3.掺铒光纤放大器的工作波长范围是( ) A. 1.53μm ～1.56μm B. 0.85μm ～0.9μm C. 1.31μm ～1.35μm D. 1.45μm ～1.48μm 4.STM —4传输一帧所用的时间为( ) A.125μs B.250μs C.375μs D. 500μs 5.对称薄膜波导中，导波的截止波长λc=( ) A.13 222 1m n n d 2φ+π-π B. 12222 1m n n d 2φ+π-π C. m n n d 222 2 1- D. m n n d 2222 1-π 6.目前光纤通信系统中广泛使用的调制─检测方式是( ) A.相位调制—相干检测 B.强度调制—相干检测 C.频率调制—直接检测 D.强度调制—直接检测 7.在弱导波光纤中，和的分布是一种近似的( )波。 A.TE B.EH C.TM D.TEM 8.在阶跃型光纤中，导波的特性参数有( ) A.β、α、W B.U 、V 、α C.U 、W 、β D.V 、W 、α 9.为了使雪崩光电二极管能正常工作，需在其两端加上( ) A.高正向电压 B.高反向电压 C.低反向电压 D.低正向电压 一 填空题 1光波属于电磁波范畴,包括可见光、红外线和紫外线. 2.目前实用通信光纤的基础材料是 二氧化硅 . 3.目前光纤通信采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波的光纤数字通信系统. 4.光发射机的主要作用是将电信号转换成光信号耦合进光纤。 5.光接收机的主要作用是将光纤送过来的光信号转换成电信号。 6.目前光纤通信的实用工作波长在近红外区，即0.8～1.8μm 波长区，对应频率为 167~375THz 7.目前光纤通信的三个实用窗口为0.85μm 、1.31μm 及1.55μm 。 8.在传播方向上既无电场分量也无磁场分量，称为横电磁波。 9.在传播方向上有磁场分量但无电场分量，称为横电波。 10.在传播方向上有电场分量但无磁场分量，称为横磁波。 11. 光纤损耗的单位是dB/km 。 12. 单位长度光纤传输带宽的单位是MHz .km 。 13. 光接收机中的重要部件是能够完成光/电转换任务的光电检测器，目前主要采用光电二极管（PIN ）和雪崩光电二极管（APD ）。 14.光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用半导体激光器（LD ）或半导体发光二极管（LED ）。 15.光纤纤芯的折射率n 1大于包层折射率n 2。 16.按照光纤横截面折射率分布不同来划分，光纤可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。 17.按照纤芯中传输模式的多少来划分，光纤可分为单模光纤和多模光纤。 18. 单模光纤的纤芯直径约为4～10μm 。 19. 多模光纤的纤芯直径约为50μm 。 20.光缆的结构可分为缆芯、加强元件和护层三大部分。 21.影响光纤最大传输距离的主要因素是光纤的损耗和色散。 22.光纤损耗包括：光纤本身的损耗，光纤与光源的耦合损耗，光纤之间的连接损耗等。 23.色散的大小用时延差来表示。 24.色散的程度用时延差来表示，时延差越大，色散就会越严重。 25.时延差的单位是ps/km.nm 。 26.单模光纤中的色散不存在模式色散，只有材料色散和波导色散。 27.光纤通信系统中，误码性能和抖动性能是传输性能中的两个主要指标． 28.抖动的程度原则上可以用时间、相位、数字周期来表示，现在多数情况是用数字周期表示． 29.抖动容限可分为输入抖动容限和输出抖动容限． 30. 掺铒光纤放大器的英文缩写是EDFA 。 31.渐变型光纤由于芯子中的折射指数n 1是随半径r 变化的，因此子午线是曲线。 32.渐变型光纤靠折射原理将子午线限制在芯子中，沿轴线传输。 33.弱导波光纤中的光线几乎与光纤轴平行。 34.弱导波光纤中的光波是近似的横电磁波。 35.在阶跃型光纤中，不论是子午线还是斜射线，都是根据全反射原理，使光波在芯子和包层的界面上全反射，而把光波限制在芯子中向前传播的。 36.导波传输常数的变化范围 。 37.当 时，电磁场能量不能有效地封闭在纤芯中，而向包层辐射，这种状态0201k n k n β<<02k n β= 光纤通信原理参考答案 第一章习题 1-1 什么是光纤通信 光纤通信是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。 1-2 光纤通信工作在什么区，其波长和频率是什么 目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为SiO2的光纤。它是工作在近红外区，波长为～μm，对应的频率为167～375THz。 1-3 BL积中B和L分别是什么含义 系统的通信容量用BL积表示，其含义是比特率—距离积表示，B为比特率，L为中继间距。 1-4 光纤通信的主要优点是什么 光纤通信之所以受到人们的极大重视，是因为和其他通信手段相比，具有无以伦比的优越性。主要有： (1) 通信容量大 (2) 中继距离远 (3) 抗电磁干扰能力强，无串话 (4) 光纤细，光缆轻 (5) 资源丰富，节约有色金属和能源。 光纤还具有均衡容易、抗腐蚀、不怕潮湿的优点。因而经济效益非常显着。 1-5 试画出光纤通信系统组成的方框图。 一个光纤通信系统通常由电发射机、光发射机、光接收机、电接收机和由光纤构成的光缆等组成。 1-5 试叙述光纤通信的现状和发展趋势。 略 第二章习题 2-1 有一频率为Hz 13 103?的脉冲强激光束，它携带总能量W=100J ，持续 时间是τ=10ns(1ns=10-9s)。此激光束的圆形截面半径为r=1cm 。 求： (1) 激光波长； (2) 平均能流密度； (3) 平均能量密度； (4) 辐射强度； （1）m c 5 13 81010 3103-=??==νλ （2）2132 29/1018.3) 10(1010100 ms J S W S ?=???=?= --πτ （3）s m J c S w 2 5813/1006.110 31018.3?=??== （4）2 13 /1018.3ms J S I ?== 2-2 以单色光照射到相距为0.2mm 的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为1m 。 （1） 从第一级明纹到同侧旁第四级明纹间的距离为7.5mm ，求单色光的波长； （2） 若入射光的波长为6×10-7m ，求相邻两明纹间的距离。 （1）λδk D ax ±== a D x λ=1 a D x λ44= a D x x λ 314=- m D x x a 7141053) (-?=-= λ （2）m a D x 3103-?==?λ光纤通信原理试题__参考答案
10月光纤通信原理自考试题
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