资源描述
MSTP红色：重点、绿色：了解第1章1、光纤通信的基本概念：以光波为载频，用光纤作为传输介质的通信方式。光纤通信工作波长在于 近红外区： 0.852.00m的波长区， 对应频率: 167375THz。对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工作波长，即 0.85m、 1.31m 1.55m 及 1.625m2、光纤通信系统的基本组成：P5 图1-3目前采用比较多的系统形式是 强度调制/直接检波（IM/DD）的光纤数字通信系统。该系统主要由 光发送设备（光发射机）、 光纤传输线路、 光接收设备（光接收机） 、光中继器 以及各种耦合器件组成。各部件功能：电发射机：对来自信源的信号进行模/数转换和多路复用处理；光发送设备：实现电/光转换；光接收机：实现光/电转换；光中继器：将经过光纤长距离衰减和畸变后的微弱光信号放大、整形、再生成具有一定强度的光信号，继续送向前方，以保证良好的通信质量。信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本光纤传输系统光纤线路接 收发 射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出3、光纤通信的特点：（可参照P1、2）优点：（1），传输容量大。（2）传输损耗小，中继距离长。（3）保密性能好：光波仅在光纤芯区传输，基本无泄露。（4）抗电磁干扰能力强：光纤由电绝缘的石英材料制成，不受电磁场干扰。（5）体积小、重量轻。（6）原材料来源丰富、价格低廉。缺点：1）弯曲半径不宜过小；2）不能远距离传输；3）传输过程易发生色散。4、适用光纤：P11G.652 和G.654：常规单模光纤，色散最小值在1310nm处，衰减最小值在1550nm处。常见的结构有阶跃型和下凹型单模光纤。G.653：色散位移光纤，色散最小值在1550nm处，衰减最小值在1550nm处。难以克服FWM混频等非线性效应带来的影响。G.655：非零色散光纤，色散在1310nm处较小，不为0；衰减最小值在1550nm处。可以尽量克服FWM混频等非线性效应带来的影响。补充：1、1966年7月，英籍华人（高锟）博士从理论上分析证明了用光纤作为传输介质以实现光通信的可能性。2、数字光纤通信系统有准同步数字体系（PDH）和同步数字体系（SDH） 两种传输体制。3、一个完整的通信网：由用户终端设备、传输设备、交换设备和相应的信令、协议、标准等软件构成。通信网的基本结构：网状、星状、复合型、环状和总线型等。光纤通信网：按电信业务来分：电话网、电报网、传真通信网、计算机数据网、图像通信网和有线电视网；按服务区域来分：长途骨干网、本地网和用户接入网。4、（1）光纤通信在通信网中的未来发展趋势：信道容量不断增加；超长距离传输；光传输与交换技术的融合；光纤接入网（广义上包括：数字环路载波系统（ODLC）和无源光网络(PON)）。光接入网络的核心：全数字化、软件控制、高度集中和智能化。 （2）实现高速化、大容量的主要技术手段：时分复用 TDM；波分复用 WDM；频分复用FDM。（3）技术现状：PDH、SDH、WDM、光电收发器、EPON第2章1、光纤的结构：光纤是由两种不同折射率的玻璃材料拉制而成。由 涂覆层、纤芯、包层 组成。 折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n1，直径为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为n2，直径为2b。 纤芯：位于光纤的中心部位（直径d1= 5 80m）。多模光纤的纤芯为5080m，单模光纤的纤芯为510m。作用：以极小的能量损耗传输载有信息的光信号。包层：位于纤芯的周围（直径d2= 125m）。作用：保证全反射只发生在纤芯内使光信号封闭在纤芯中传输。（要求纤芯折射率比包层折射率稍大些，这是光纤结构的关键）涂敷层：位于光纤最外层。作用：增加光纤的机械强度与可弯曲性。2、光纤的分类：参照P15图2-2目前在通信中使用较为广泛的光纤有两种：紧套光纤与松套光纤 。1）、按照光纤横截面折射率分布不同来划分：阶跃型光纤：纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，称为：均匀光纤。 渐变型光纤：如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为：非均匀光纤。 2）按照纤芯中传输模式的数量划分：多模光纤：在一定的工作波下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可采用渐变折射率分布多模光纤的纤芯直径约为5080m。模式色散，仅适用于低速率、短距离通信 单模光纤：光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤单模光纤的纤芯直径较小，约为810m。适用于大容量、长距离的光纤通信。 3）按照传输波长分类：短波长光纤和长波长光纤4）按照使用材料的不同来分：玻璃光纤、全塑光纤、石英系列光纤。3、阶跃型光纤的导光原理 1）相对折射指数差： 弱导波光纤： 2）数值孔径NA：表示光纤捕捉入射光线的能力。例题参照P24导光原理：光纤之所以导光，就是利用纤芯折射率略高与包层折射率的特点，使落在数值孔径角内的光线都能收集到光纤中，并都能在纤芯包层界面处以内形成全反射，从而将光限制在光纤中传播，这就是光纤的导光原理。5、用波动理论法分析光纤的导光原理 （1）阶跃型光纤的标量近似解法 归一化频率和截止波长：P30 单模传输条件： 0V2.4048例题：已知：阶跃型光纤，若n1=1.5，0=1.31m， （1）若 =0.01，当保证单模传输时，纤芯半径a应取多大？ （2）若纤芯半径a=5m，应怎样选择才能保证单模传输？解：（1）单模传输的条件 0V2.404832）若纤芯半径a=5m 0 2* 1.5 * * 5 能够产生激光的工作物质 泵浦源：使粒子数反转分布（N1 能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数发转分布，成为激活物质，从而有光的放大作用。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。 3、半导体激光器的结构、工作原理及工作特性 1）光纤通信对半导体发光器件 LD/LED 的基本要求： a、光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口 b、能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。 c、与光纤的耦合效率高。 d、光源的谱线宽度窄。 e、寿命长，工作稳定。 2）LD的结构：从光振荡的形式上来看，激光器分为：布里-珀罗谐振腔（F-P腔）激光器和分布反馈型（DFB）激光器。常用的光纤通信激光器 铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结条形激光器 。它的特点：注入电流小，发光强度大。 DFB激光器优点：单纵模特性好、线宽窄、温度特性好和调制特性好。 LED结构：没有光学谐振腔，发光仅限于自发辐射发出的是荧光，是非相干光。 3 ）比较 LD、LED： 4、常用的半导体光电检测器：PD光电二极管、 PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管 1）APD工作特性：具有光/电转换作用； 具有内部放大作用；（通过管子内部的雪崩倍增效应完成） 2）APD的雪崩倍增效应： 当耗尽区吸收光子时，激发出来的光生载流子经过高场区被加速，以极高的速度与耗尽区的晶格发生碰撞，使晶体中的原子电离，从而产生新的光生载流子，并连锁反应，使载流子迅速增加，光电流在APD管内部获得倍增，形成雪崩倍增效应。 5、光放大器：由放大工作介质、泵浦源组成。 光放大器分类： 半导体光放大器，拉曼散射、布里渊散射光纤放大器和掺杂光纤放大器 光纤放大器：非线性光纤放大器（如：拉曼放大器）和掺铒光纤放大器（EDFA）。 1）EDFA的优点：高增益、高输出、宽频带、低噪声 2）EDFA的基本结构：由掺铒光纤、泵浦源、WDW、光隔离器、滤波器等组成。各器件功能参照P70 WDW：将不同波长的浦源光和信号光混合送入掺铒光纤。 光隔离器：抑制光反射对光放大器的影响，保证系统稳定工作。 滤波器：滤除放大器的噪声，提高系统的信噪比。 泵浦源：提供足够的光功率使掺铒光纤处于粒子反转分布。 掺铒光纤：有一定的长度和增益。 EDFA的泵浦形式有三种：同向泵浦、反向泵浦双向泵浦。 主要特性：增益特性、输出功率特性和噪声特性。 3）EDFA的工作原理：在泵浦源的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数发转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大。 6、无源光器件：光定向耦合器、光隔离器、光环行器、光滤波器、光开关、波长转换器、波分复用器。 7、WDM波分复用器：在一根光纤中能同时传输多波长光信号的技术，称为光波分复用技术（WDM）。 1）光波分复用器（光分路耦合器）是对光波波长进行合成与分离的光器件。主要有光栅型、多层介质模型和熔融拉锥全光纤型。 性能指标：插入损耗、附加损耗、分光比和隔离度。 2）优点：复用器结构简单、体积小、可靠性高；提高光纤的频带利用率；降低对器件的速率要求；提供透明的传送通道；可更灵活地进行光纤通信组网。 缺点：存在插入损耗和串光等问题。 习题4、7、12、15 第4章 光纤通信系统 1、光纤通信系统 按传输信号种类来分：模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。 按光调制方式来分：直接（强度）调制直接检波系统和间接调制检波系统。 直接调制适用于LD、LED器件，间接调制除了适用于LD、LED外，还适用于气体、液体、晶体激光器。 间接调制是利用调制元件的光电效应、磁光效应、声光效应来实现激光辐射调制的。 数字通信的优点：抗干扰能力强、易于集成、转换交换方便。 光调制：就是用电信号去改变光载波的某一特征参量，使其输出的特征参量随电信号而变化。可分为直接调强度制IM和间接调制。 掌握IM/DD光纤通信中的线路码型： 交换机（内部，电信号，PCM，采用NRZ码）传输系统 脉冲编码调制(PCM)通信系统中的接口码型: HDB3码、CMI码 PCM系统中的码型并不都适于在数字光纤通信系统中传输。 2、了解IM/DD光纤通信系统： 将光发、光中继、光收、备用系统、监控系统、电源（供电系统）结合起来就形成一个完整的光纤通信系统。 3、掌握直接调制和间接调制 1）直接调制：用电信号直接调制LED或LD的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现。它的特点是：成本低，易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限。 2）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而实现的。它的特点是：调制速率高，但技术复杂，成本较高。只用在大容量的波分复用和相干光通信系统中。 4、低速的光纤通信系统：采用IM/DD技术 新型光纤通信系统：采用多信道复用技术 第5章 SDH 1、SDH网的主要特点：（1）有标准光接口；（2）同步字节复用；（3）强大的网络管理功能；（4）有世界统一的数字信号速率和帧结构标准；（5）SDH和PDH有完全的兼容性。缺点：频带利用率不如PDH系统；采用指针调整技术，使技术和设备复杂；易造成系统瘫痪。 SDH网由基本网络单元组成：终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、再生中继器（REG）、数字交叉连接设备（DXC）等。 1）四种网元的区别：TM只是简单的复用。ADM可以实现自由灵活地上下话路功能。DXC具有ADM所有功能，还具有交叉连接，实现电路群的调度，成本较ADM高。REG只起放大信号的作用。 2）终端复用器（TM）：提供由G.703（即 PDH接口）接口到STM-1输出的简单复用功能；提供由若干STM-N复用到STM-M（MN）的复用功能； 3）分插复用器（ADM）：利用分接功能将输入信号所承载的信息分成两部分：一部分直接转发，另一部分卸下给本地用户，然后信息又通过复接功能将转发部分和本地上送的部分合成输出。主要用于SDH网络的转接站点处 4）数字交叉连接器（DXC）：完成STMN信号的交叉连接功能，多端口器件。相当于交叉矩阵，完成各个信号间的交叉连接。可将输入的m路信号交叉连接到输出的n路信号上 SDH对模型的下列几个方面做了规定：（1）网络节点接口（2）同步数字体系的速率（3）帧结构。 SDH网模型： 1）网络节点接口 传输设备：光缆传输系统设备；微波传输系统设备；卫星传输系统设备。 网络节点：只有复用功能（简单）；复用、交叉连接多种功能（复杂）。 2）速率：同步传输模块：STM-N，N1、4、16等。 STM-1 155.520Mbit/s 155Mbit/s STM-4 622.080Mbit/s 622Mbit/s STM-16 2488.320Mbit/s 2.5Gbit/s STM-64 9953.280Mbit/s 10Gbit/s STM-256 39813.12Mbit/s 40Gbit/s 3）帧结构：SDH帧为块状帧结构，共有9行，270列，以字节为单位 传输方向：从左到右，从上到下。 传输时间（帧长）：Ts125s。 STM-1速率获得：比特数：9270N8=927018=19440b 速率 ：19440b/Ts155.520Mb/s。STM-N速率同理 3、STM-N帧包括三个部分：SOH、AU-PTR、PAYLOAD 1）段开销SOH： RSOH，再生段开销：13行。 MSOH，复用段开销：59行区别：监管范围不同。如：若光纤上传输2.5G信号，RSOH监控STM-16整体的传输性能。MSOH监控每一个STM-1的传输性能。2）管理指针AU-PTR：指示净负荷PAYLOAD中信息的起始字节位置，便于接收端从正确的位置分解出有效传输信息。3）信息净负荷PAYLOAD：存放有效信息，并由一部分POH组成。POH用于通道监视控制SDH复用映射结构：容器C：具有一定格式的帧结构，用来接收相应速率等级的PDH信号，并进行速率适配。虚容器VC：由容器C的帧信息加上相应的通道开销POH而构成。支路单元TU：由低阶VC和相应的支路单元指针TU PTR构成。支路单元组TUG：由1个TU直接构成，或由多个TU复用（按单字节交错间插）而构成。管理单元AU：由高阶VC（VC-4或在AU支路中的VC-3）和相应的管理单元指针AU PTR构成。管理单元组AUG：由3个AU-3复用（按单字节交错间插）而构成，亦可由1个AU-4直接构成AUG。5、SDH的网同步：定义：网络的所有设备的时钟频率和相位的偏差都控制在容许的范围内，这样可以保证通信网内的数字信号的正常交换与传输。方式：主从同步方式（我国）、相互同步方式、准同步方式。 第六章1、波分复用定义：把不同波长的光信号复用到一根光纤中进行传输的方式。DWDM:指光纤同一低损耗窗口的相邻波长间隔较小的多个光波复用。DWDM系统的主要器件：光转发器（OUT）、光合波器/分波器、光纤放大器。2、DWDM基本网络单元设备：光终端复用设备（OTM），光线路放大设备（OLA）,光分插复用设备（OADM）和光交叉连接设备（OXC）.3、光传送网的分层：光信道层（OCh）、光复用段层（OMS）和光传输断层（OTS） 第七章1、光接入网OAN：以光纤作为传输媒质来取代传统的双绞线接入网。作用范围：用户端通信设备 局端交换机设备 （电话、调制解调器、计算机） （语音交换机、数据交换机） 用户端设备将电信转成光信号，称ONU。 局端交换机必须要将电信号转成光信号，称OLT。 光接入网OAN = ONUOLT，实现双向业务传送。 拓扑结构：单星型、总线型、环形、双星型2、ODN：用于无源光网络PON，用无源光器件实现； 优点：运营成本较低，对业务透明，便于升级。 缺点：有衰减，OLT和ONU距离受到限制。 ODT：用于有源光网络AON，复用和解复在电层： 优点：可克服衰减影响，距离较远、容量较大。 缺点：成本较高。3、OAN应用类型：光纤到路边(FTTC)、光纤到大楼(FTTB)、光纤到家(FTTH)4、PON的功能结构：区别：OLT应该具有数字交叉连接功能，上行至网络 ONU应该具有用户和服务复用功能，下行至用户ODN：由光连接器、光分路器、波分复用器、光衰减器和光滤波器组成5、接入网的分层：电路层、通道层、传输媒质层。第八九章1、全光网：网络中用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即端到端保持全光路，中间没有光电转换器。2、全光网中的关键技术：光交换技术：空分光交换；时分光交换；波分/频分光交换；ATM光交换全光中继技术全光器件全光网的管理控制与操作。交换方式：3、光路交换：以波长为单位进行交换。分组交换：利用分组进行交换，属于同一数据流的分组分成若干个进行传输和交换，到达目的地以后再进行重组。光突发交换：也利用分组，但是数据信息和控制信息分组进行传送。数据信息称为突发。光分组流交换：也是利用分组进行交换，不同于光分组交换，分组流是将属于同一数据流的分组看成一个整体进行传输和交换。装订线20102011学年一学期光纤通信期末考试一、填空题（每空1分，共20分）1、1966年7月，英籍华人（高锟）博士从理论上分析证明了用光纤作为传输介质以实现光通信的可能性。2、光在光纤中传输是利用光的（ 折射 ）原理。3、数值孔径越大，光纤接收光线的能力就越( 强 )，光纤与光源之间的耦合效率就越( 高 )。4、目前光纤通信所用光波的波长有三个，它们是：（ 0.85m ）、（ 1.31m ）、（ 1.55m ）。5、光纤通信系统中最常用的光检测器有：（ PIN光电二极管 ）、（ 雪崩光电二极管 ）。6、要使物质能对光进行放大，必须使物质中的( 受激辐射 )强于( 受激吸收 )，即高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数。物质的这一种反常态的粒子数分布，称为粒子数的反转分布。7、在多模光纤中，纤芯的半径越( 大 )，可传输的导波模数量就越多。8、光缆由缆芯、( 加强元件 )和外护层组成。9、（ 波导色散 ）是指由光纤的光谱宽度和光纤的几何结构所引起的色散。10、按光纤传导模数量光纤可分为多模光纤和( 单模光纤 )。11、PDH的缺陷之一：在复用信号的帧结构中，由于(开销比特 )的数量很少，不能提供足够的运行、管理和维护功能，因而不能满足现代通信网对监控和网管的要求。12、光接收机的主要指标有光接收机的动态范围和（灵敏度 ）。13、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 ）。14、光纤的（ 色散 ）是引起光纤带宽变窄的主要原因，而光纤带宽变窄则会限制光纤的传输容量。15、误码性能是光纤数字通信系统质量的重要指标之一，产生误码的主要原因是传输系统的脉冲抖动和（ 噪声 ）。二、选择题：（每小题2分，共20分。1-7:单选题，8-10：多选题）1、光纤通信是以（ A ）为载体，光纤为传输媒体的通信方式。A、光波 B、电信号 C、微波 D、卫星2、要使光纤导光必须使（B ）A、纤芯折射率小于包层折射率 B、纤芯折射率大于包层折射率 C、纤芯折射率是渐变的 D、纤芯折射率是均匀的3、（ D ）是把光信号变为电信号的器件A、激光器 B、发光二极管 C、光源 D、光检测器4、CCITT于（C）年接受了SONET概念，并重新命名为SDH。A、1985 B、1970 C、1988 D、1990 5、SDH传输网最基本的同步传送模块是STM-1，其信号速率为（A）kbits。A、155520 B、622080 C、2488320 D、99532806、掺铒光纤放大器（EDFA）的工作波长为（ B ）nm波段。A、1310 B、1550 C、1510 D、8507、发光二极管发出的光是非相干光，它的基本原理是（ B ）。A、受激吸收 B、自发辐射 C、受激辐射 D、自发吸收8、光纤通信系统的是由（ ABCD ）组成的。A、电端机 B、光端机 C、中继器 D、光纤光缆线路9、要精确控制激光器的输出功率，应从两方面着手：一是控制（ BD ）；二是控制（ ）。A、微型半导体制冷器 B、调制脉冲电流的幅度 C、热敏电阻 D、激光器的偏置电流10、光纤传输特性主要有（AB ）A、色散 B、损耗 C、模场直径 D 、截止波长三、简答题（1、2题各6分，3题8分，共20分。）1、什么是光纤色散？光纤色散主要有几种类型？其对光纤通信系统有何影响？答：由于光纤中传输的信号包含不同的频率成分或各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真、脉冲展宽的物理现象称为色散。(2分)光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。(2分)从机理上说，光纤色散分为材料色散、波导色散和模式色散。前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一种色散由于信号不是单一模式所引起。(2分)2、什么是直接调制？什么是间接调制？各有何特点？答：直接调制是用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源发出的光功率随信号而变化。光源直接调制的优点是简单、经济、容易实现，但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制。光纤通信中光源多采用直接调制方式。(3分)间接调制一般是基于电光、磁光、声光效应，让光源输出的连续光载波通过光调制器，电信号通过调制器实现对光载波的调制。间接调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统。(3分)3、画图分析说明掺铒光纤放大器主要由几部分构成？各部分的作用是什么？答：(2分)掺铒光纤放大器主要由一段掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器及光隔离器等构成(2分)。采用掺铒单模光纤作为增益物质，在泵浦光激发下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大(2分)。泵浦光和信号光一起通过光耦合器注入掺铒光纤(1分)；光隔离器作用是只允许光单向传输，用于隔离反馈光信号，提高稳定性。(1分)四、计算分析题（1、2题各15分，3、4题各5分，共40分）1、某SI型光纤，光纤的芯径d=2a为100m，折射率n1=1.458，包层的折射率n2=1.450，在该光纤中传输的光波的波长=850nm。 （1）计算该光纤的V参数 （2）估算在该光纤内传输的模式数量（3）计算该光纤的数值孔径（4）计算该光纤单模工作的波长解：(1) 由于归一化频率 (4分)(2)传播的模式总数 (3分)(3)该光纤的数值孔径: (4分)(4)该光纤单模工作的波长: (m)(4分2、有一GaAlAs半导体激光器，其谐振腔长为300，材料折射率n=3.0，两端的解理面的反射率为0.35。(1)求因非全反射导致的等效损耗系数。(2)求相邻纵模间的频率间隔和波长间隔。(3)若此激光器的中心波长=1310nm，与此相应的纵模序数。2、解 ： 已知 (1分)1) 因非全反射导致的等效损耗系数 (mm-1) (4分)2)由 q=1,2,3. (Hz) 波长间隔 (m) (6分) 3）由 1374 (4分)3、设140Mb/s的数字光纤通信系统，工作波长1300 nm，其他参数如下：发射光功率为-3dBm，接收机的灵敏度为-38 dBm （BER=10-9），系统余量为4 dB，连接器损耗为0.5 dB /个，平均接头损耗为0.05 dB/km，光纤损耗为0.4 dB/km，试计算损耗限制传输距离。解：根据题意得， (2 分)/个 ,由 (2 分)得 4、分光比为3：1的定向耦合器，假设从输入口0输入的功率为1mW，从输入口0到输入口1的插入损耗为1.5dB，求两个输出口的输出光功率。解：由题意得 即 (1分)故有 (1分)已知 (1分)得 由于 所以 (1分) (1分)
展开阅读全文