《光纤通信系统》小结

参考书目：《光纤通信系统第二版》

一、填空题

按光纤中传导模数量分，光纤可分为单模光纤和多模光纤。
光纤由纤芯、包层和涂敷层三部分构成。
光纤的三个低损耗窗口的波长分别是：850nm、1310nm和1550nm。
按纤芯结构的不同，可将光缆分为层绞式光缆、骨架式光缆、束管式光缆和带状光缆。
光纤通信常用的光源有激光二极管和发光二极管两大类；光纤通信常用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管。
目前实用的光放大器可分为两类，分别是掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器。
在光纤通信系统中，EDFA通常用作：功率放大器、线路放大器和前置放大器。
按纤芯折射率分布方式分，光纤可分为阶跃光纤和渐变折射率光纤。
光纤的生产流程包括4步，分别是：原料提纯、熔炼制棒、拉丝涂覆、套塑成缆。
按光纤敷设方法的不同，可将光缆分为架空、直埋、管道和水下光缆四种。
对光源进行调制，可分为二种类型，分别是：直接调制与间接调制。
EDFA的光路部分由：光耦合器、掺铒光纤、泵浦源、光隔离器和光滤波器五大部分组成。
利用光波作为信息的载波，通过光导纤维来传输信息的通信方式称为什么？光纤通信
光纤的三大传输特性是什么？光纤的损耗特性、色散特性、非线性效应
光衰减器的用途是什么？用于光纤系统的指标测量、短距离通信系统的信号衰减以及系统试验等场合
最简单的光纤通信系统,由光发射机和其他哪三大部分构成？光接收机、光中继器、光纤光缆
光无源器件有哪些？光纤连接器、光耦合器、光开关、光调制器、光隔离器、光衰减器

二、名词解释

LD：半导体激光二极管(Laser Diode)
APD：雪崩光电二极管(Avalanche PhotoDiode)
EDFA：掺铒光纤(Erbium Doped Fiber Amplifier)
SBS：受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering)
DWDM：密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexer)
OADM：光分插复用器(Optical Add Drop Multiplexer)
LED：半导体发光二极管(Light Emitting Diode)
OBA：光功率放大器(Optical Booster Amplifier)
OLA：光线路放大器(Optical Line Amplifier)
FRA：拉曼光纤放大器(Fiber Raman Amplifier)
WDM：波分复用技术(Wavelength Division Multiplexer)
FWM：四波混频(Four-Wave Mixing)
DCF：色散补偿光纤(Dispersion Compensating Fiber)
SMF：单模光纤(Single Mode Fiber)
SLM：单纵模(Single Longitudinal Mode)
NA：数值孔径(Numerical Aperture)
XPM/CPM：交叉相位调制(cross-Phase Modulation)
OA：光放大(Optical Amplifier)
DSF：色散位移光纤(Dispersion Shifted Fiber)
OTDM：光时分复用技术(Optical Time Division Multiplexer)
PD：光电二极管
PON：无源光网络(Passive Optical Network)
SRS：受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering)
SPM：自相位调制(Self Phase Modulation)
DFB：分布反馈(Distributed Feed Back)
MQW：多量子阱(MultiQuantum Well)
MLM：多纵模激光器(Multiple Quantum Well)
DBR：分布布拉格反射(Distributed Bragg Reflector)
VCSEL：垂直腔表面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)
RIN：相对强度噪声(Relative Intensity Noise)
OXC：光交叉连接(Optical cross-Connect)

三、简答题

光纤通信的基本组成

光纤通信由电端机、光发送机、光纤光缆、光中继器与光接收机5部分组成

电端机的作用是把来自信源的信号进行处理，如模/数(A/D)变换、多路复用处理
光发送机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路
光纤光缆的功能是把来自光发送机的光信号以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机
光中继器将经过长距离光纤衰减和畸变后的微弱光信号经放大、整型、再生成一定强度的光信号，继续送向前方以保证良好的通信质量
光接收机的功能是把从光纤线路输出的产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号

光纤通信的优缺点

优点：
(1)频带宽、通信容量大
(2)损耗低、中继距离长
(3)保密性能好
(4)抗电磁干扰
(5)体积小、质量小、便于施工和维护
(6)价格低廉
缺点：
(1)光纤怕弯曲，容易折断
(2)光纤连接困难
(3)光纤通信过程中怕水、怕冰

光纤的分类

光纤的分类{按制造材料分{石英系光纤多组分玻璃光纤石英芯塑料包层光纤全塑料光纤氟化物光纤按传输模式分{单模光纤多模光纤按折射率分布分{阶跃型光纤渐变型光纤按工作波长分{短波长光纤长波长光纤按套塑类型分{紧套光纤松套光纤光纤的分类\begin{cases} 按制造材料分\begin{cases} 石英系光纤 \\ 多组分玻璃光纤 \\ 石英芯塑料包层光纤 \\ 全塑料光纤 \\ 氟化物光纤 \\ \end{cases} \\ 按传输模式分\begin{cases} 单模光纤 \\ 多模光纤 \\ \end{cases} \\ 按折射率分布分\begin{cases} 阶跃型光纤 \\ 渐变型光纤 \\ \end{cases} \\ 按工作波长分\begin{cases} 短波长光纤 \\ 长波长光纤 \\ \end{cases} \\ 按套塑类型分\begin{cases} 紧套光纤 \\ 松套光纤 \\ \end{cases} \\ \end{cases} 光纤的分类⎩⎨⎧按制造材料分⎩⎨⎧石英系光纤多组分玻璃光纤石英芯塑料包层光纤全塑料光纤氟化物光纤按传输模式分{单模光纤多模光纤按折射率分布分{阶跃型光纤渐变型光纤按工作波长分{短波长光纤长波长光纤按套塑类型分{紧套光纤松套光纤

光缆

由于裸露的光纤抗弯强度低，容易折断，为使光纤在运输、安装与敷设中不受损坏，必须把光纤成缆。
光缆的设计任务是：为光纤提供可靠的机械保护，使之适应外部使用环境，并确保在敷设与使用过程中光缆中的光纤具有稳定可靠的传输性能。
对光缆最基本的要求有5点：缆内光纤不断裂；传输特性不劣化；缆径细、质量小；制造工艺简单；施工简便、维护方便
光缆由光纤、导电线芯、加强芯和保护套等部分组成
光缆的分类{按应用场合分{室内光缆室外光缆按传输性能分{单模光缆多模光缆按加强筋和护套等是否含金属材料分{金属光缆非金属光缆按护套形式分{塑料护套综合护套铠装光缆按敷设方式分{架空直埋水下光缆按成缆结构方式分{层绞式骨架式束管式叠带式光缆的分类\begin{cases} 按应用场合分 \begin{cases} 室内光缆 \\ 室外光缆 \\ \end{cases} \\ 按传输性能分 \begin{cases} 单模光缆 \\ 多模光缆 \\ \end{cases} \\ 按加强筋和护套等是否含金属材料分 \begin{cases} 金属光缆 \\ 非金属光缆 \\ \end{cases} \\ 按护套形式分 \begin{cases} 塑料护套 \\ 综合护套 \\ 铠装光缆 \\ \end{cases} \\ 按敷设方式分 \begin{cases} 架空 \\ 直埋 \\ 水下光缆 \\ \end{cases} \\ 按成缆结构方式分 \begin{cases} 层绞式 \\ 骨架式 \\ 束管式 \\ 叠带式 \\ \end{cases} \\ \end{cases} 光缆的分类⎩⎨⎧按应用场合分{室内光缆室外光缆按传输性能分{单模光缆多模光缆按加强筋和护套等是否含金属材料分{金属光缆非金属光缆按护套形式分⎩⎨⎧塑料护套综合护套铠装光缆按敷设方式分⎩⎨⎧架空直埋水下光缆按成缆结构方式分⎩⎨⎧层绞式骨架式束管式叠带式

光纤的导光原理

利用纤芯折射率略高于包层折射率的特点，并在纤芯包层边界以内形成全反射，从而将光限制在光纤中传播。

G.651~G.655光纤分别叫什么名字？各有什么特点？

渐变型多模光纤(G.651)：其芯径较粗，衰耗较大，因多模传输带宽受限。
常规单模光纤(G.652)：在1310 nm工作时，理论色散值为零；在1550 nm工作时，传输损耗最低
色散位移光纤(G.653)：零色散点从1310 nm移至1550 nm；同时1550 nm处损耗最低
衰减最小光纤(G.654)：纤芯纯石英制造，在1550 nm处衰减极小(仅0.15dB/km)，用于长距离海底传输
非零色散位移光纤(G.655)：引入微量色散抑制光纤非线性，适于长途传输

什么是眼图？怎样判断眼图质量的好坏？

眼图是通过用示波器观察接收端的基带信号波形，来估计和调整系统性能的方法。
眼图的眼张开越大越好，线条越清晰越好，眼图稳定比抖动好，单线比多线好，希望交叉点在幅值的中间，图形对称。

光接收机的主要功能是什么？详细解释光接收机的动态范围的含义。

将光信号转换回电信号，恢复光载波所携带的原信号。
光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的要求下，接收机的最大输出光功率和最大允许输入光功率之差。

掺铒光纤放大器、拉曼光纤放大器工作原理

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，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。
利用光纤中的拉曼效应，即输入光纤中的短波长大功率光波与分子相互作用时发生能量转移，使传输的长波长光信号得到放大。

光纤的传输特性

光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性、色散特性和非线性效应
(1)光纤的损耗特性

光纤的传输损耗是指光信号通过光线传播时，其功率随传播距离的增加而减少的物理现象
光纤损耗{吸收损耗(与光纤材料有关){本征吸收{紫外谐振吸收红外谐振吸收非本征吸收{过渡金属粒子吸收羟基(OH−)离子吸收散射损耗(与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关){本征散射——瑞利散射非本征散射{非线性散射波导散射辐射损耗(由光纤几何形状的微观和宏观扰动引起){弯曲损耗微弯损耗接续损耗{光纤固定熔接损耗活动连接损耗光纤损耗\begin{cases} 吸收损耗(与光纤材料有关) \begin{cases} 本征吸收 \begin{cases} 紫外谐振吸收 \\ 红外谐振吸收 \\ \end{cases} \\ 非本征吸收 \begin{cases} 过渡金属粒子吸收 \\ 羟基(OH^-)离子吸收 \\ \end{cases} \\ \end{cases} \\ 散射损耗(与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关) \begin{cases} 本征散射——瑞利散射 \\ 非本征散射 \begin{cases} 非线性散射 \\ 波导散射 \\ \end{cases} \\ \end{cases} \\ 辐射损耗(由光纤几何形状的微观和宏观扰动引起) \begin{cases} 弯曲损耗 \\ 微弯损耗 \\ \end{cases} \\ 接续损耗 \begin{cases} 光纤固定熔接损耗 \\ 活动连接损耗 \\ \end{cases} \\ \end{cases} 光纤损耗⎩⎨⎧吸收损耗(与光纤材料有关)⎩⎨⎧本征吸收{紫外谐振吸收红外谐振吸收非本征吸收{过渡金属粒子吸收羟基(OH−)离子吸收散射损耗(与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关)⎩⎨⎧本征散射——瑞利散射非本征散射{非线性散射波导散射辐射损耗(由光纤几何形状的微观和宏观扰动引起){弯曲损耗微弯损耗接续损耗{光纤固定熔接损耗活动连接损耗
吸收损耗：组成光纤的材料及其中的杂质对光的吸收作用而产生的损耗
材料吸收损耗{本征吸收损耗——纯石英引起的损耗非本征吸收损耗——杂质引起的损耗材料吸收损耗\begin{cases} 本征吸收损耗——纯石英引起的损耗 \\ 非本征吸收损耗——杂质引起的损耗 \\ \end{cases} 材料吸收损耗{本征吸收损耗——纯石英引起的损耗非本征吸收损耗——杂质引起的损耗
散射损耗：光信号在光纤中遇到微小粒子或不均匀结构时发生的散射造成的损耗
辐射损耗：当理想的圆柱形光纤受到某种外力作用时，会产生一定曲率半径的弯曲，引起能量泄露到包层，这种由能量泄露导致的损耗称为辐射损耗

(2)光纤的色散特性

色散是不同成分(模式或波长)的光信号在光纤中传输，因其群速度不同产生不同的时间延迟而引起的一种物理效应
①模式色散：是指光在多模光纤中传输时存在着许多种传播模式，因为每种传播模式在传输过程中都具有不同的轴向传播速度，因此虽然在输入端同时发送脉冲信号，但到达接收端的时间却不同，于是产生了时延，使光脉冲发生展宽与畸变。
【模式色散仅对多模光纤有效，而单模光纤则不存在模式色散，只存在材料色散和波导色散】
②材料色散：由于构成纤芯的材料对不同波长的光波所呈现的不同折射率而造成的，波长短则折射率大，波长长则折射率小
③波导色散：指光纤的波导结构对不同波长的光产生的色散作用

(3)光纤的非线性效应
光纤的非线性{受激散射{受激拉曼散射(SRS)受激布里渊散射(SBS)折射率扰动{自相位调制(SPM)：在传输过程中光脉冲自身相位变化导致脉冲频谱展宽的现象交叉相位调制(CPM)：是一个脉冲对其他信道脉冲相位的作用四波混频(FWM)：两个或三个波长的光波混合后产生新的光波光纤的非线性\begin{cases} 受激散射 \begin{cases} 受激拉曼散射(SRS) \\ 受激布里渊散射(SBS) \\ \end{cases} \\ 折射率扰动 \begin{cases} 自相位调制(SPM)：在传输过程中光脉冲自身相位变化导致脉冲频谱展宽的现象 \\ 交叉相位调制(CPM)：是一个脉冲对其他信道脉冲相位的作用 \\ 四波混频(FWM)：两个或三个波长的光波混合后产生新的光波 \\ \end{cases} \\ \end{cases} 光纤的非线性⎩⎨⎧受激散射{受激拉曼散射(SRS)受激布里渊散射(SBS)折射率扰动⎩⎨⎧自相位调制(SPM)：在传输过程中光脉冲自身相位变化导致脉冲频谱展宽的现象交叉相位调制(CPM)：是一个脉冲对其他信道脉冲相位的作用四波混频(FWM)：两个或三个波长的光波混合后产生新的光波

什么情况下光纤在传输光信号时会发生非线性效应？光纤的非线性效分哪两种类型？

强光作用下由于介质的非线性极化而产生的效应
光纤的非线性效应可分为两类:受激散射和折射率扰动。

比较半导体激光器和发光二极管的异同，各有哪些特性？

同：LD和LED都可以用作通信光源。
异：LD原理是受激辐射，而LED是自发辐射。LD是阈值器件，需要较完善的驱动和外围电路，其发出的光谱线窄，适宜于高速率系统；LED没有阈值，结构简单，但其谱线较宽，适用于要求较低的的场合。

DWDM光纤通信系统的组成框图及工作原理

利用激光的波长按照比特位并行传输或者字符串行传输方式在光纤内传送数据。
DWDM系统结构图
①OBA：光功率放大器 ②OTU：光转发单元 ③OLA：光线路放大器 ④OSC：光监控信道 ⑤OPA：光前置放大器 ⑥Mux/Demux:复用器/解复用器

光纤典型的损耗曲线
半导体材料的禁带宽度Eg和所发送出来的光波长满足的关系式λ=hcEg=1.24Egλ=\frac{hc}{E_g}=\frac{1.24}{E_g}λ=Eghc=Eg1.24，其中c是真空中的光速，h是普朗克常数。
在一个光纤通信系统中，光源波长为1530nm，光波经过6km长的线路传输后，其光功率下降了30%，则该光纤的损耗系数α为多少？

a(λ)=10LlgPiPoa(\lambda)=\frac{10}{L}lg\frac{P_i}{P_o}a(λ)=L10lgPoPi，即a(1350nm)=106lgPi(1−30%)Pi≈0.26(dB/Km)a(1350nm)=\frac{10}{6}lg\frac{P_i}{(1-30\%)P_i}\approx 0.26(dB/Km)a(1350nm)=610lg(1−30%)PiPi≈0.26(dB/Km)

光谱线宽度为2nm的光脉冲经过长为30km，色散系数为4ps/km·nm的单模光纤传输后，展宽后的光脉冲为多少？

2nm×4ps/km·nm×30km=240nm

已知多模光纤的纤芯，折射率n1，包层的折射率n2，及该光纤中传输的光波的波长λ，计算：
(1)该光纤的数值孔径
(2)该光纤的V参数
(3)该光纤单模工作的截至波长

（1）NA=n12−n22=n1⋅ΔNA=\sqrt{n_1^2-n_2^2}=n_1 \cdot \sqrt \DeltaNA=n12−n22=n1⋅Δ
（2）n=2παλ⋅NAn=\frac{2\pi\alpha}{\lambda}\cdot N_An=λ2πα⋅NA
（3）V<2.405

某传输速率为2.5Gb/s的光纤数字系统，若平均2秒钟测得一个误码，试求其误码率

BERavg=错误接收的码元数m传输的总码元数n=12.5×109×2=2×10−9BER_avg=\frac{错误接收的码元数m}{传输的总码元数n}=\frac{1}{2.5×10^9×2}=2×10^{-9}BERavg=传输的总码元数n错误接收的码元数m=2.5×109×21=2×10−9

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