2022年光纤通信系统与应用复习总结word版本 .docx
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1、MSTP红色: 重点、 绿色: 明白第 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 :0.85 2.00 m的 波 长 区 , 对应频率 : 167 375THz;对于 SiO2 光纤,在上述波长区内的三个低损耗窗口,是目前光纤通信的有用工作波长,即0.85m、1.31 m1.55m 及 1.625m 2、光纤通信系统的基本组成 :P5 图 1-3目前采纳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)
2、、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柔弱光信号放大、整形、再生成具有肯定强度的光信号,连续送向前方,以保证良好的通信质量;3、光纤通信的特点:(可参照 P1、2)信优点:(1),传输容量大;(2)传输损耗小,中继距离长;宿息( 3)保密性能好:光波仅在光纤芯区传输,基本无泄露;(4) )抗电磁干扰才能强: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
3、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白用光纤作为传输介质
4、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、运算机数据网、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将来 进展趋势 :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);
5、光接入网络的核心: 全数字化 、软件掌握、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 50 80m,单模光纤的纤芯为 510m;作用:以微小的能量损耗传输载有信息的
6、光信号;包层:位于纤芯的四周(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)、依据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 沿半径方向保持肯定, 包层折射率 n2 沿半径方向也保持肯定,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:匀称光纤;渐变型光纤 :假如纤芯折射率 n1 随着半径加
7、大而逐步减小,而包层中折射率n2 是匀称的,这种光纤称为渐变型光纤,又称为:非匀称光纤;2)依据纤芯中传输模式的数量划分:多模光纤:在肯定的工作波下,多模光纤是能传输多种模式的介质波导;多模光纤可以采纳阶跃折射率分布,也可采纳渐变折射率分布多模光纤的纤芯直径约为 50 80m;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 8 10m;适用于大容量、 长距离的光纤通信;3) 依据传输波长分类: 短波长光纤和长波长光纤4) 依据使用材料的不同来分:玻璃光纤、全塑光纤、石英系列光纤;nn3、阶跃型光纤的导光原理1) 相对折射指数差
8、 :22弱导波光纤:n1n21122n2n12) 数值孔径 NA :表示光纤捕获入射光线的才能;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 : 0V2.40482V2 n1k0ak00例题:已知:阶跃型光纤,如 n1=1.5, 0=1.31m,(1) 如 =0.01 ,当保证单模传输时,纤芯半径 a 应取多大?(2
9、) 如纤芯半径 a=5m,应怎样挑选才能保证单模传输? 解:( 1)单模传输的条件 0V2.40483V2 n1k0a02n1k0a2.40483020.011.52a02.404830a2.363582) 如纤芯半径 a=5 m202* 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 能够完成频率挑选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
10、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,并能供应足够的光输出功率;.c、与光纤的耦合效率高;.d、光源的谱线宽度窄;.e、寿命长,工作稳固;.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
11、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 :.当耗尽区吸取光子时,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,使载流子快速增加,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
12、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,保证系统稳固工作;.滤波器:滤除放大器的噪声,提高系统的信噪比;.泵浦源:供应足够的光功率使掺铒光纤处于粒子反转分布;.掺铒光纤: 有肯定的长度和增益;.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
13、纤中显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) 是对光波波进步行合成与分别的光器件;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:复用器结构简洁、体积小、牢靠性高;提高光纤的频带利用率; 降低对器件的速率要求; 供应透亮的传送通道; 可更敏捷地进行光纤通信组网;.缺点:存在插入损耗和串光
14、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,仍适用于气体、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:抗干扰才能强、易于集成、转换交换便利;.光调制:就是用电信号去转变光载波的某一特点参量, 使其输出的特点参量随电信号而变化;可分为直接调强度制IM 和间接调制;.把握 IM/D
15、D 光纤通信中的线路码型:.交换机(内部,电信号, PCM,采纳 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、明白 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、把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
16、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:采纳 IM/DD 技术.新型光纤通信系统:采纳多信道复用技术.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)强大的网络治理功能;( 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;采纳指针调整技术,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
17、交叉连接设备( DXC )等;.1)四种网元的区分: TM 只是简洁的复用; ADM 可以实现自由敏捷地上下话路功能; DXC 具有 ADM 全部功能,仍具有交叉连接,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 ):供应由 G.703(即 PDH 接口)接口到 STM-1 输出的简洁复用功能;供应由如干 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
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