光纤通信复习提纲

-1、 光波是一种电磁波，其波长在微米级，频率在数量级 HZ高频。2、 折射率 n光在真空中的传输速度C，与光在介质中的传输速度V的比值 n=c/v3、 光波波谱光波是电磁波，光波*围包括红外线、可见光、紫外线，其波长*围为：300m6m。：光在一个周期中进展的距离,称波长。4、 光纤通信波谱在1.67Hz3.75Hz之间，即波长在0.8m1.8m之间，属于红外波段，将0.8m0.9m称为短波长，1.0m1.8m称为长波长，2.0m以上称为超长波长。5、 光纤通信三个通信窗口：0.85um 1.31um 1.55um6、 绝对功率单位dBm与mW的转换3dBm、 -3dBm、 0dBm) 功率电平dBm3dBm=2mW，-3dBm=0.5mW ，0dBm=1mW6、 相对功率dB概念3dB、 -3dB、 0dB) 功率比dB功率加倍即表示3dB的增益功率电平增加了3dB，而功率减半则表示3dB的损耗功率电平降低了3dB。 功率比为1，就是0dB。7、NRZ和RZ码的区别 NRZ码 NRZ码中，传输的数据占满一个比特周期，充满一个完整周期的电流脉冲或光脉冲为1，没有脉冲发送则代表0。没有误差监控和纠错能力。RZ码 每个数据比特编为两个光线路码比特。单极RZ码中，“1码由一个在比特周期的前半部或后半部的半周期光脉冲表示，“0码则由比特周期内无信号表示。3光曼彻斯特码对基带(NRZ-L)信号和时钟信号直接进展模二加(异或)运算所得。这种码的每个比特间隔的中心处都有电平变换：负向变换表示1比特，正向变换表示0比特。单极RZ格式的一个缺点是长的连0码会导致定时同步的丧失。光曼彻斯特码没有这种限制。 NA=光纤根本概念：数值孔径：定义光纤的数值孔径为物理意义：数值孔径表示光纤的集光能力。 数值孔径越大，就表示光纤捕捉光射线能力越强。截止波长、单模光纤V c时，光波截止 矩形波导主模：模圆波导主模：模双折射现象的存在，可能导致偏振色散的产生，对于单模光纤传输系统的带宽容量或中继距离会产生一定的影响。衰减，它是线路上决定中继距离长短的主要因素。衰减量大小用衰减系数表示，单位db/KmL：以公里为单位表示的光纤长度；Pi：输入光纤的光功率；P0：光纤输出的光功率；G.652、 G.653、 G.654、 G.655单模光纤的特点及应用1G.652光纤 G.652光纤，也称标准单模光纤SMF，是指色散零点即色散为零的波长在1 310nm附近的光纤。 它的折射率分布如图2-8所示。图a表示的阶跃折射率设计称为匹配包层型，图b表示的阶跃折射率设计被称为凹陷包层型。 2G.653光纤 G.653光纤也称色散位移光纤DSF，是指色散零点在1 550nm附近的光纤，它相对于G.652光纤，色散零点发生了移动，所以叫色散位移光纤。3G.654光纤 G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低1 550nm的衰减，其零色散点仍然在1 310nm附近，因而1 550nm窗口的色散较高。G.654光纤主要应用于海底光纤通信。 4G.655光纤 由于G.653光纤的色散零点在1 550nm附近，DWDM系统在零色散波长处工作易引起四波混频效应。为了防止该效应，将色散零点的位置从1 550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1 550nm附近的DWDM工作波长*围内。这种光纤就是非零色散位移光纤NDSF。 这四种单模光纤的主要性能指标是衰减、色散、偏振模色散 PMD和模场直径 。 另：G.653光纤是为了优化1 550nm窗口的色散性能而设计的，但它也可以用于1 310nm窗口的传输。由于G.654光纤和G.655光纤的截止波长都大于1 310nm，所以G.654光纤和G.655光纤不能用于1 310nm窗口。第三章光信号在光纤中传输时，其功率随着传输距离的增加以指数形式衰减。一般使用分贝每公里dB/km，其损耗系数为：吸收损耗：光波通过光纤材料时，有一局部光能变成热能，造成光功率的损失1、 本征吸收 本征吸收有两个吸收带 紫外吸收 石英玻璃在0.12um附近产生紫外吸收峰。 红外吸收2、 杂质吸收散射损耗 ：光纤的材料，形状，散射率分布等的缺陷或不均匀。瑞利散射 随波长的增加而急剧减小。因此在短波长0.85um处，对损耗影响最大 构造缺陷散射弯曲损耗 宏观弯曲曲率半径比光纤直径大微观弯曲光纤传输特性色散1.色散概念由于速度的不同而使得传播时间不同，因此造成光信号中的不同频率成分到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。 这种现象表现在传一个脉冲信号时，光脉冲将随着传输距离的延长，脉冲的宽度越来越被展宽。 失真是模式本身的色散和模式间的传播时延差造成的。 模内色散或色度色散是指在一个单独的模式内发生的脉冲展宽。 .产生模内色散主要有以下两个原因：材料色散材料色散的产生是因为折射率是光波长的函数，波导色散由于光纤的几何构造，形状等方面的不完善，使得光波一局部在纤芯中传输，而另一局部在包层中传输，由于纤芯和包层的折射率不同，造成脉冲展宽的现象.光纤中的损耗光信号传输的影响：光信号功率的减小色散对光信号传输的影响：脉冲展宽偏振模色散PDM：不同偏振状态的双折射现象是导致脉冲展宽的另一原因。模式色散：多模光纤中，不同模式在同一频率下传输，各自的相位相位常数ma*不同，群速不同，模式之间存在时延差模式色散。模间色散：同一频率点上不同模式具有不同的群时延。这种色散对单模光纤没有影响，但对多模光纤很重要三种跃迁过程 自发辐射：在未受到外界激发的情况下，高能级的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能级上，在跃迁过程中，根据能量守恒原理，发射出一个能量为h的光子。即： hE2E1 特点： 过程是在没有外界作用的条件下自发产生的。 发射出光子的频率决定于所跃迁的能级。 非相干光（2） 受激辐射：处在高能级E2上的电子，由于受到能量恰好为hE2E的外来光子的鼓励而跃迁到低能级E1，并发射一个与外来光子一模一样的光子 。受激辐射引起光放大，是产生激光的一个重要的根本概念。（3） 受激吸收 ：当外来光子的能量恰好等于原子的激发能时，处在低能级的电子就能在外来光子的鼓励下吸收外来光子而跃迁到高能级激发态，这一过程叫受激吸收。受激辐射与受激吸收的特点1外来光子能量等于跃迁的能级之差hE2E12受激过程中发射的光子与外来光子不仅频率一样，而且相位、偏振方向、传播方向都一样，称它们为全同光子。3过程可以使光得到放大。因为受激过程中发射出来的光子与外来光子是全同光子，相叠加的结果使光增强，使入射光得到放大。受激辐射是产生激光的关键 要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使N2 N1 高能级上的电子数多于低能级上的电子数，这种粒子数的反常态分布称为粒子电子数反转分布。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。构成激光器应包括三局部：1能够产生激光的工作物质激活物质 ；2能够使工作物质处于粒子数反转状态的鼓励源；3能够完成频率选择及反应作用的光学谐振腔激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。阈值条件：激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件。阈值条件激光器能产生激光振荡的最低限度。增益刚好抵消衰减阈值条件：Gt=i+(1/2L)ln(1/r1r2)纵模：谐振腔内部沿轴向形成的稳定的驻波场称为纵模。不同的频率波长构成不同模式，它与腔长L相关。横模：谐振腔横截面上场分布的分布形式。谐振频率对应纵模L为谐振腔的长度 频率间隔 波长间隔价带形成共价键的价电子所占据的能带导带价带上面邻近的空带即自由电子占据的能带禁带导带和价带之间被宽度为Eg的禁带所分开光辐射作为电子空穴复合的结果pn结型半导体p型半导体与n型半导体结合正向偏置使耗尽区变窄，多数载流子在结区内扩散半导体激光器LDLD工作原理及根本特性有源区里产生足够的粒子数反转分布； 存在光学谐振机制 增益区光放大阈值特性：阈值电流It当外加正向电流到达*一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，此时的电流称为阈值电流。IIt 激光器发出激光与LED的区别：激光二极管的激活区的厚度很小，典型值在0.1um数量级上；其次，激光二极管两端的外表被切开以起到镜子的作用。 发光二极管LED构造：最根本的组成就是一个正向偏置的pn结是非相干光源，是无阈值器件，它的根本工作原理是自发辐射。 发光二极管与半导体激光器差异是：发光二极管没有光学谐振腔，不能形成激光。仅限于自发辐射，所发出的是荧光，是非相干光。半导体激光器是受激辐射，发出的是相干光。由于LED是无阈值器件，因此温度特性较好。LED与LD相比，LED输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但LED性能稳定，寿命长，使用简单，输出光功率线性*围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。LED的光功率是与正向电流成比例耦合器、连接器、光衰减器、光隔离器在光路中的作用光定向耦合器从光纤的主传输信道中取出一局部光，作为检测、控制使用。有时也需要把两个不同方向来的光信号合起来送入一根光纤中传输，这些都需要定向耦合器来完成。 连接器用于设备光端机、光测试仪表等与光纤之间的连接，光纤与光纤之间的连接或光纤与其它无源器件的连接。光衰减器 当输入光功率超过*一*围时，需要对光信号进展一定程度的衰减，采用金属蒸发膜来吸收光能进展光衰减，衰减量大小与膜的厚度成正比光隔离器 保证光信号只能正向传输的器件，防止线路中由于各种因素而产生的反射光再次进入激光器，而影响激光器的工作稳定性。pin光电二极管P型材料区和n型材料区由轻微掺杂n型材料的本征i区隔开。正常工作时，器件加上足够大的反向偏置电压。负偏压：P接负，N接正。光照射到半导体的PN结上，假设光子的能量足够大即hEg，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即产生光电子空穴对。称为光生载流子当入射光子的能量小于Eg时，不管入射光多强，光电效应也不会发生。所以光电效应必须满足：hEg 或 hc/ Eg 当入射光波的波长c的光，才能使这种材料产生光生载流子。c称为截止波长。 雪崩光电二极管APD具有放大功能，类似光电倍增管。 在二极管的PN结上加反向电压，在结区形成一个强电场。在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到能量越过禁带到导带，产生了新的电子空穴对，新产生的电子空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子空穴对，如此循环下去，像雪崩一样的开展，从而使光电流获得了倍增。光检测器性能参数量子效率Ip：入射在光电二极管上的稳态平均光功率P0所产生的平均光电流。加大耗尽区的厚度，使得可以吸收大局部的光子，提高量子效率。但是耗尽区越厚，光生载流子越过反向偏置结的时间就越长，影响了光电二极管的响应速度。 响应度响应度是单位光功率产生的光电流的大小。光子能量一定时，二极管的量子效率和入射光功率无关。响应度是光功率的线性函数。光电流Ip正比于光功率P0。对于给定的波长给定的光子能量hv，响应度是一个常数。而在整个波长*围内的量子效率并不是一个常数，光子能量在改变响应时间响应速度：指光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态一般用响应时间上升时间和下降时间表示。 暗电流I0暗电流是指无光照时，光电二极管的反向电流。 理想情况下，当没有光照时，光电检测器无光电流输出。暗电流将引起光接收机噪音增大。所以I0 越小 越好 波长响应当入射光波的波长c的光，才能使这种材料产生光生载流子。c称为截止波长。 光接收机参数 误码率一定的时间间隔t内，区分发生过失的脉冲数Ne和在这个时间间隔内传输的总脉冲数Nt之比。其中B1/Tb 比特速率光纤电信系统典型误码率*围是10-9到10-12灵敏度指在一定比特误码率的情况下光电二极管所能检测到的最小光功率。 它可以用三种物理量来表达：1最低承受平均光功率；2每个光脉冲中最低承受光子能3每个脉冲中最低承受平均光子数。采用工程常用的物理量：最低平均光功率。光接收机的灵敏度，就是在满足给定能的误码率指标条件下，最低承受的平均光功率Pmin 。 光接收机灵敏度中的光功率在工程上常用绝对功率值dBm来表示，即 Pmin：最低承受光功率 103指1mw光功率 光接收机的动态*围是在保证系统的误码率指标要求下，接收机的最低输出光功率用dBm来描述和最大允许输入光功率用dBm来描述之差dB。之所以要求光接收机有一个动态*围，是因为当环境温度变化时，光纤的损耗将产生变化；随着时间的增长，光源输出光功率亦将变化。可能因一个按标准化设计的光接收机工作在不同的系统中，从而引起接收光功率不同。因此要求接收机有一个动态*围。低于这个动态*围的下限，即灵敏度，将产生过大的误码；高于这个动态*围的上限，在判决时亦将造成过大的误码。显然一台质量好的接收机应有较宽动态*围 点到点链路链路的功率预算、展宽时间预算、光纤链路的传输距离；总光功率损耗PT为： PT=Ps-PR=2lc+fL+系统充裕度 8.2Ps：尾纤端发出的光功率， PR：接收机的灵敏度， lc：连接器损耗，f：光纤衰减dB/km， L：传输距离， 系统充裕度：6dB展宽时间预算 总的系统展宽时间为： t sys = t t* 2+tmod2+tGVD 2+tr*21/2t t* ：发射机上升时间； t mod ：中继段光纤模式色散引起的上升时间；t GVD ：中继段光纤材料色散引起的上升时间；t r* ：光接收机引起的上升时间根据信元周期Ts确定系统上升时间 RZ t sys 0.35 Ts NRZ t sys20.35 Ts=0.7 Ts NRZ码 NRZ码中，传输的数据占满一个比特周期，充满一个完整周期的电流脉冲或光脉冲为1，没有脉冲发送则代表0。没有误差监控和纠错能力。RZ码 每个数据比特编为两个光线路码比特。单极RZ码中，“1码由一个在比特周期的前半部或后半部的半周期光脉冲表示，“0码则由比特周期内无信号表示。3光曼彻斯特码对基带(NRZ-L)信号和时钟信号直接进展模二加(异或)运算所得。这种码的每个比特间隔的中心处都有电平变换：负向变换表示1比特，正向变换表示0比特。. z