光纤复习课(已修改)优秀课件

1光纤通信21、Numerical Aperture；2、Fiber Loss；3、Dispersion；4、Mode Dispersion；5、Polarization Mode Dispersion；6、Normalized Frequency；7、Extinction Ratio；8、Spontaneous Emission；9、Receiver Sensitivity；10、Bit Error Rate；11、Signal-to-Noise Ratio；12、Noise Figure一、名词解释名词解释3数值孔径（数值孔径（Numerical Aperture）入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度a的正弦值就称为光纤的数值孔径（NAsina），多模光纤 NA的范围一般在0.180.23之间，所以一般有sina=a，即光纤数值孔径NAa。在光学中，数值孔径是表示光学透镜性能的参数之一。用放大镜把太阳光汇聚起来，能点燃纸张就是一个典型例子。若平行光纤照射在透镜上，并经过透镜聚焦于焦点处时，假设从焦点到透镜边缘的仰角为，则取其正弦值，称之为该透镜的数值孔径。光纤损耗光纤损耗（Fiber Loss）光纤损耗（也可以称为信号衰减或信号损耗）是指光纤每单位长度上的衰减，单位为dBkm。它是光纤最重要的特性之一，因为它在很大程度上决定了在无需信号放大和再生的条件下，光发送机和光接收机之间所允许的最大距离。光纤中光功率的吸收损耗，散射损耗以及辐射损耗是导致光信号衰减的几个主要的因素。吸收损耗与制造光纤的材料有关；散射损耗除了与材料有关以外，还与光纤的结构缺陷相关；辐射效应导致的损耗则是源于光纤几何形状的微扰（包括微观和宏观的）。4Dispersion色散色散色散是光纤的传输特性之一。由于不同波长光脉冲在光纤中具有不同的传播速度，因此，色散反应了光脉冲沿光纤传播时的展宽。光纤的色散现象对光纤通信极为不利。光纤数字通信传输的是一系列脉冲码，光纤在传输中的脉冲展宽，导致了脉冲与脉冲相重叠现象，即产生了码间干扰，从而形成传输码的失误，造成差错。为避 免误码出现，就要拉长脉冲间距，导致传输速率降低，从而减少了通信容量。另一方面，光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越严重。因此，为了避免误 码，光纤的传输距离也要缩短。5模内色散模内色散：1、材料色散，纤芯中材料的折射率随波长变化导致了这种色散（有时也称为色度色散，因为它与三棱镜分解光谱是同一种效应）。2、波导色散（结构色散），这种色散的原因是单模光纤只有约80%的光功率在纤芯中传播，20%在包层中传播的光功率其速度要更大一些，这样就出现了色散。模间色散（模间色散（Mode Dispersion）：光纤的模式色散只存在于多模光纤中。它产生是因为即使在同一频率点上，不同模式的群速率（群实验）也不相同。每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象。偏振模色散（偏振模色散（PMDPMD）又称光的双折射）又称光的双折射：单模光纤只能传输一种基模的光。基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场HE11x和HE11y所组成。若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力 等，HE11x和HE11y存在相位差，则合成光场是一个方向和瞬时幅度随时间变化的非线性偏振，就会产生双折射现象，即x和y方向的折射率不同。因传播 速度不等，模场的偏振方向将沿光纤的传播方向随机变化，从而会在光纤的输出端产生偏振色散。PCVD工艺生产出的单模光纤具有极低的偏振模色散（PMD）。6归一化频率（归一化频率（Normalized Frequency）：）：归一化频率是光纤的最重要的结构参数，它能表征光纤中传播模式的数量。就是把的采样频率设为1，其它的频率按它的百分比表示。有时频率的范围会非常的大，使用时会很不方便，将之归一化后就转换到0,1之间了。这样做实现了一个统一的标准，有利于比较各个频率的分布情况。归一化的另一个目的是防止数据的 溢出。消光比（消光比（Extinction Ratio）对于数字脉冲光发射机，消光比这个指标很重要，它定义为“0”脉冲时所发送的光功率p0和“1”脉冲时所发送光功率p1之比，可用EXT表示，定义式如EXT=10lg(p1/p0)(dB)，消光比的不足容易引起对码元的误判等一系列问题。7自发辐射（自发辐射（Spontaneous Emission）：）：处于激发态的原子中，电子在激发态能级上只能停留一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出一个光子，这种辐射叫做自发辐射。自发辐射是不受外界辐射场影响的自发过程，各个原子在自发跃迁过程中是彼此无关的，不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性。因此自发辐射光是非相关的荧光，自发辐射光场的能量分布在一个很宽的频率范围内。普通光源的发光过程就是处于高能级的大量原子的自发辐射过程。接收机灵敏度（接收机灵敏度（Receiver Sensitivity）接收机灵敏度定义了接收机可以接收到的并仍能正常工作的最低信号强度。灵敏度是一个功率电平，通常用dBm表示（一般是一个较大的负dBm数）。如果链路方程的输出等于或大于接收机灵敏度的接收功率，则链路在起作用，也就是说接收机能正确地提取发射信号中所包含的信息。如果接收功率小于灵敏度电平，那么所提取的信息质量就达不到要求。8误码率（误码率（BER：bit error ratio）误码率是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。误码率=传输中的误码/所传输的总码数*100%。如果有误码就有误码率。另外，也有将误码率定义为用来衡量误码出现的频率。光纤电信系统的典型误码率范围是10（-9）到10（-12），这个误码率取决于接收机的信噪比（信号功率和噪声功率的比）。给定系统误码率事，由于接收机的噪声电平，使得在光检测器上的光信号功率有一个最低限。信噪比（信噪比（Signal to Noise Ratio）：）：又称为讯噪比。狭义来讲是指放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比，常常用分贝数表示，设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声越小，声音回放的音质量越高，否则相反。9噪声系数（噪声系数（Noise Figure）由于放大器本身就有噪声，输出端的信噪比和输入端信噪比是不一样的，为此，使用噪声系数来衡量放大器本身的噪声水平 公式表示为：噪声系数NF=输入端信噪比/输出端信噪比，单位常用“dB”。该系数并不是越大越好，它的值越大，说明在传输过程中掺入的噪声也就越大，反应了器件或者信道特性的不理想。在放大器的噪声系数比较低（例如NF1）的情况下，通常放大器的噪声系数用噪声温度（T）来表示。噪声系数与噪声温度的关系为：T=（NF-1）T0 或 NF=T/T0+1 其中：T0-绝对温度（290K）101、单模光纤中只能传输一个模式，即_，称为光纤的_。2、衡量接收机性能的主要指标是_、_、_和_。3、多模光纤的色散包括_ _，_ _和 _ _。4、光纤耦合器的主要指标是_、_、_和_。5、有两种方法实现光调制，它们是_和_。6、普通单模光纤G.652的零色散波长是_，色散位移光纤G.653的零色散波长是_ 。二、填空题（一）二、填空题（一）111、单模光纤中只能传输一个模式，即_HE11_，称为光纤的_基模_。2、衡量接收机性能的主要指标是 接收灵敏度、_误码率或信噪比_、带宽 和_动态范围_。3、多模光纤的色散包括 材料色散，_波导色散_和_模间色散_。4、光纤耦合器的主要指标是_插入损耗_、_附加损耗_、_分光比_和_串扰_。5、有两种方法实现光调制，它们是_直接调制_和_间接调制_。6、普通单模光纤G.652的零色散波长是1.31m，色散位移光纤G.653的零色散波长是 1.55m 。二、填空题（一答案）二、填空题（一答案）127、一台优良的光接收机，应该无失真地_和_弱信号的能力，这要求其前端应有低_、高_和足够的_。8、半导体激光器按波导机制可分为_和_两种。9、掺铒光纤放大器噪声系数F的极限值约为 _。10、光纤按传输模式的数量分类，可分为_ 光纤和 _ 光纤。决定光纤传输特性的两个主要因素是_ 和_ _。11、在光纤通信系统中，当需要保证在传输信道光的单向传输时，采用 。12、对半导体激光器，当外加正向电流小于阈值电流时，激光器发出的是_ 。二、填空题（二）二、填空题（二）137、一台优良的光接收机，应该无失真地_检测_和_恢复_弱信号的能力，这要求其前端应有低_噪声_、高_灵敏度_和足够的_带宽_。8、半导体激光器按波导机制可分为_增益导引_和_折射率导引_两种。9、掺铒光纤放大器噪声系数F的极限值约为 _3dB_。10、光纤按传输模式的数量分类，可分为_单模 光纤和 多模 光纤。决定光纤传输特性的两个主要因素是_损耗 和_色散_。11、在光纤通信系统中，当需要保证在传输信道光的单向传输时，采用 光隔离器 。12、对半导体激光器，当外加正向电流小于阈值电流时，激光器发出的是_非相干光 。二、填空题（二答案）二、填空题（二答案）14三、选择题（一）三、选择题（一）1、光源产生的光脉冲的载频随时间变化的现象称为（）A、啁啾 B、损耗 C、色散2、当PN结正向偏置时，电子和空穴在有源区的复合分为（）A、陷阱复合B、缺陷复合C、表面复合D、俄歇复合3、光缆能有效保护光纤防止（）A、啮齿动物的啃啮B、敷设过程中的应力C、粗心的挖掘D、挤压4、实际系统中，即使没有光纤传输也存在的造成接收机灵敏度恶化的因素有（）A、消光比B、强度噪声C、散粒噪声D、热噪声 5、下面（）是EDFA的优点。A、高增益B、对信号速率不敏感C、工作在1300nm附近D、增益带宽宽 15三、选择题（一答案）三、选择题（一答案）1、光源产生的光脉冲的载频随时间变化的现象称为（A）A、啁啾 B、损耗 C、色散2、当PN结正向偏置时，电子和空穴在有源区的复合分为（ABCD）A、陷阱复合B、缺陷复合C、表面复合D、俄歇复合3、光缆能有效保护光纤防止（ABD）A、啮齿动物的啃啮B、敷设过程中的应力C、粗心的挖掘D、挤压4、实际系统中，即使没有光纤传输也存在的造成接收机灵敏度恶化的因素有（AB）A、消光比B、强度噪声C、散粒噪声D、热噪声 5、下面（ABD）是EDFA的优点。A、高增益B、对信号速率不敏感C、工作在1300nm附近D、增益带宽宽 16三、选择题（二）三、选择题（二）6、光接收机中的散粒噪声包括（）A、量子噪声B、暗电流噪声C、漏电流噪声D、APD倍增噪声7、单模光纤只能传输一种模式，即（）。A、HE00 B、HE11 C、HE01D、HE108、多模光纤的色散包括（）A、材料色散 B、波导色散 C、模间色散 D、波长色散。9、光纤的导光原理与结构特性可用（）和（）两种方法进行分析。A、模式理论B、散射理论C、射线理论D、光电理论10、光放大器按应用场合分，一般有哪几种（）A、在线放大器 B、功率放大器 C、前置放大器 D、上述答案都不正确。17三、选择题（二答案）三、选择题（二答案）6、光接收机中的散粒噪声包括（ABCD）A、量子噪声B、暗电流噪声C、漏电流噪声D、APD倍增噪声7、单模光纤只能传输一种模式，即（B）。A、HE00 B、HE11 C、HE01D、HE108、多模光纤的色散包括（ABCD）A、材料色散 B、波导色散 C、模间色散 D、波长色散。9、光纤的导光原理与结构特性可用（A）和（C）两种方法进行分析。A、模式理论B、散射理论C、射线理论D、光电理论10、光放大器按应用场合分，一般有哪几种（ABC）A、在线放大器 B、功率放大器 C、前置放大器 D、上述答案都不正确。18四、判断题（一）四、判断题（一）1、光纤损耗系数的单位是dBm/km。2、温度升高时，激光器的阈值电流会增加。3、多模光纤指的是传输多路信号的光纤。4、接收机要求的最小平均光功率就是接收机的灵敏度。5、若PN结在结两边使用相同的半导体材料，则称为同质结。6、单模光纤没有模间色散。19四、判断题（一答案）四、判断题（一答案）1、光纤损耗系数的单位是dBm/km。2、温度升高时，激光器的阈值电流会增加。3、多模光纤指的是传输多路信号的光纤。4、接收机要求的最小平均光功率就是接收机的灵敏度。5、若PN结在结两边使用相同的半导体材料，则称为同质结。6、单模光纤没有模间色散。20四、判断题（二）四、判断题（二）7、数字光接收机接收到的光功率越大误码率则越小。8、光纤的弯曲半径不宜过小。9、光纤的数值孔径越小越好。10、归一化频率V值越小，能够传播的模式越多。11、接收机的带宽主要由前置放大器决定。12、接收系统中，APD的增益越大越好。21四、判断题（二答案）四、判断题（二答案）7、数字光接收机接收到的光功率越大误码率则越小。8、光纤的弯曲半径不宜过小。9、光纤的数值孔径越小越好。10、归一化频率V值越小，能够传播的模式越多。11、接收机的带宽主要由前置放大器决定。12、接收系统中，APD的增益越大越好。22五、简答题（一）五、简答题（一）1、什么是PIN的量子效率？如何提高其量子效率？2、EDFA中隔离器的作用是什么？3、色散位移光纤是如何实现的？4、EDFA光放大器的泵浦方式有哪几种？各有什么特点？5、光放大器与光电光中继器的主要区别是什么？232 2、隔离反射信号，提高、隔离反射信号，提高EDFAEDFA的稳定性。的稳定性。244、同向泵浦（噪声小）、反向泵浦（输出功率高）和双向泵浦（噪同向泵浦（噪声小）、反向泵浦（输出功率高）和双向泵浦（噪声小，输出功率高）。声小，输出功率高）。25五、简答题（二）五、简答题（二）6、激光器的内、外量子效率的联系和差别是什么？7、说明APD和PIN的主要区别？8、什么是模式分配噪声？9、光路中常用的无源器件有哪几种?10、半导体发光二极管的主要特点是什么?26 内量子效率是激光器把电子空穴对（注入电流）转换成光子（光）效率的直接表示，但要注意，并非所有光子都出射成为输出光，有些光子由于各种内部损耗而被重新吸收。外量子效率是激光二极管把电子空穴对（注入电流）转换成输出光的效率象征。外量子效率总是比内量子效率小。27光连接器、光衰减器、光耦合器、光波分复用器、光隔离器、光环行器等 a.光谱较宽；b.P-I 曲线的线性较好；c.与光纤的耦合效率低；d.寿命长；e.温度特性较好。模式分配噪声是由于半导体激光器纵模强度的波动而产生的，它是单模光纤中的主要噪声。半导体激光器发出的光一般会包含多个纵模，于是输出光就可能同时含有这些模式成分，或者从个(或一组)模式随机地转换到另一个或一组)模式。在多模光纤中，总的输出光强度波动可能在多个模式之中产生。由于不同模式之间存在轻微的波长差异，所以每个耦合进光纤的纵模有不同的衰耗和时延。28六、计算题（一）六、计算题（一）2122 1/2122(1)1.48(1 0.01)1.46522()394/2760/4/34.8%3cladnnaVnnMVPPM 分分29六、计算题（二）六、计算题（二）30六、计算题（三）六、计算题（三）10log(1/1)0inpmWmWdBm 0-(-42)=42 dBm=5+21+L1 L=35 km31六、计算题（四）六、计算题（四）1212NAn2211n cTBLBn 不是，因为尽管根据公式 可知，代表光纤接收光本领的数值孔径（NA）随相对折射率差的增大而增大，但是由公式可知，传输容量随相对折射率差的增大而减少，所以相对折射率差不是越大越好。32六、计算题（五）六、计算题（五）hcEdEdEdhcdEhcE22/所以，对于相同的测不准能量E，波长越长，其对应的线宽越宽。33六、计算题（六）六、计算题（六）34六、计算题（七）六、计算题（七）