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1、光传输设备开局与维护重修复习大纲一、光纤通信基础部分：A、光纤与光缆：1、名词解释：光纤通信、光纤通信的三个窗口。2、简述光纤组成及各部分功能。3、简述光纤导光的原理。4、简述光纤最大数值孔径的定义及物理含义。5、光纤波导的归一化频率的定义，它与什么有关？单模光纤单模传输的条件是什么？6、简述光纤的传输特性。B、光器件：1、简述激光器的组成及工作原理。2、从工作原理、特性、应用等方面说明 LD 与 LED 的区别。3、简述光电检测器的工作原理。4、常用光电检测器有哪两种，有何不同？5、简述光纤放大器 EDFA 的工作原理及特性。C、光端机：1、简述光纤通信系统组成及各部分功能；2、简述光源的两
2、种调制方法：直接调制、间接调制。3、简述光发射机、光接收机的主要指标。二、SDH 传输技术部分：1、简述 SDH 的速率等级、帧结构及各部分功能；2、简述 E4/E1 复用进 STM-N 的过程。 3、简述 SDH 四种设备的特点。 4、分析 SDH 线形网络的两种保护方式；5、分析 SDH 环形网络：两纤单向通道保护环网的工作机制；6、分析 SDH 环形网络：两纤双向复用段保护环网的工作机制。三、WDM 传输技术部分：1、画出 WDM 系统的基本结构图，简述各部分作用。2、简述 WDM 系统两种基本形式的特点。3、简述 WDM 的关键技术。重点知识点 光纤通信基础部分：1、光纤的组成及各部分
3、作用。光纤(光导纤维的简称)由纤芯、包层和涂覆层 3 部分组成。纤芯和包层的主要成分是 SiO2，掺有不同杂质，作用是提高纤芯折射率 n1，降低包层折射率 n2，使得包层折射率略低于纤芯的折射率，即 n1n2，使得光信号封闭在纤芯中传输。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，延长光纤寿命的作用。2、光纤的导光原理(光信号为什么能在光纤中传播)以及光纤数值孔径的含义？全反射是光信号在光纤中传播的必要条件。光线在光纤端面以不同入射角 k 从空气入射到纤芯，不是所有的光线能够在光纤内传输，只有一定角度范围内的光线，在射入光纤时，产生的折射光线才能在光纤中传
4、输。过程分析如下： 光线从空气入射到光纤端面（纤芯） ，发生折射，入射角为 k， 折射角为 1。设空气、纤芯、包层折射率为 n0、n1、n2。 若光从纤芯入射到包层时刚好处于临界状态，即 1 c(临界角)的光线将发生全反射，而 c 的光线将进入包层泄漏出去。利用临界状态求解： k=k max, 1 c。k max 表示最大入射角，只有在光纤端面入射角 k k max 的光线才能在光纤中传播。对光纤而言，这个最大的入射角叫做光纤的接受角，它仅与 n1、n2 有关。为此引入光纤数值孔径：表示光纤接收和传输光的能力 （捕捉光射线能力）的物理量，用 NA 表示。数值孔径的定义为： NA 越大，光纤接收
5、光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。但 NA 越大，经光纤传输后产生的输出信号展宽越0k13111sinsisin(90)cosn kmax1min102 22111sincoscos 2nn =， （ ） = 21sin2max11sinkNAn大，限制了信息传输容量。所以要根据使用场合，选择适当的 NA。3、光纤归一化频率的含义，以及光纤单模传输的条件？答：光纤的归一化频率定义：式中， a 为纤芯半径， 是传输光波的波长， n1、 n2 分别为纤芯和包层的折射率。可见光纤归一化频率不仅与光纤（ a、 n1、 n2）有关，还与传输的光波长有关
6、（ ） 。各传播模式都有其本身的归一化截止频率 Vc，描述了各模式的截止条件。某个模式在光纤中的导行、截止和临界条件为：导行条件： V Vc；截止条件：V Vc；临界条件： V Vc保证光纤单模传输的条件是只有基模可以导行，高阶模都被截止，即 V Vc0 ，且 V Vc1， 可得 0 V 2.4054、光纤的传输特性，它们分别对光传输主要产生什么影响？光纤的传输特性主要是指光纤的损耗特性和色散特性。 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的损耗（或衰减） 。光纤的损耗限制了光信号的最大无中继传输距离。描述光纤损耗的主要参数是衰减系数（损耗系
7、数） ，是指光在单位长度光纤中传输时的光功率的衰减量，单位一般用dB/km。光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗 3 种损耗。 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽（畸变） ，这就是光纤的色散。色散主要限制了光纤传输的码速率和传输距离。描述色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。脉冲展宽将使前后光脉冲发生重叠，形成码间干扰，码间干扰将引起误码。光纤的色散可分为模式色散、色度色散、偏振模色散。5、激光器的组成及工作原理。激光器主要由工作物质、激励源、光学谐振器三部分组
8、成。2110102 ()anVakkaNA 用半导体材料做成的激光器，当激光器 P-N 结上外加的正向偏压（激励源）足够大时，使得 P-N 结的结区出现高能级粒子多、低能级粒子少的粒子数反转分布状态，会产生自发辐射，继而引起受激辐射【与谐振腔轴线平行的自发辐射光子在前进过程中遇到高能级上的粒子，使之产生受激跃迁，放出一个全同光子，即产生光的放大作用】 。被放大的光在由P-N 结构成的 F-P 光学谐振腔【谐振腔的两个反射镜是由半导体材料的天然解理面形成的】中来回反射，不断增强，当满足阈值条件后，激光器即可发出稳定激光。6、从工作原理、特性、应用等方面说明半导体激光器（LD）与发光二极管（LED
9、）的区别。发光二极管（LED）没有解理面，即没有光学谐振腔，仅限于自发辐射，所发出的是荧光，是非相干光，不能形成激光。半导体激光器（LD）有光学谐振腔，是受激辐射，有阈值，发出的是激光。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，使用简单且安全，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。LED 通常和多模光纤耦合，用于 1.31m 或 0.85m 波长的中、低速小容量、短距离光通信系统。LD 通常和单模光纤耦合，用于 1.31m 或 1.55m 大容量、长距离光通信系统。7、半导体光电检测器的工作原理，常用的半导体光电检测器
10、有哪两种，有何不同？半导体光电检测器 P-N 结上外加反向偏压，外来光照射到半导体的 P-N 结上，若光子能量 hf 大于半导体材料的禁带宽度 Eg 时,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，即光生载流子。也即 P-N 结受到外来光照耀，发生受激吸收，产生一个光电子空穴对。光生载流子在外加负偏压和 PN 结内建电场的作用下定向运动，与外电路构成回路，形成光电流。常用的半导体光电检测器有两种，PIN 光电二极管和 APD 雪崩光电二极管。PIN 光电二极管在 P 型、N 型半导体之间，加了一层轻掺杂的 N 型材料，即 I 层，由于
11、电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，可吸收绝大多数光子,使光生电流增加，改善了光电检测器性能。 APD 雪崩光电二极管是在 P-N 结上加高反向电压，在结区形成一个强电场，利用雪崩碰撞效应使光电流在管子内部获得了倍增，即一个光子最终产生了许多的载流子，使得光信号在光电二极管内部就获得了放大。8、掺铒光纤放大器 EDFA 的基本结构、工作原理、特性及应用。 基本结构：主要由掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器、光隔离器及光滤波器等组成。 工作原理：在泵浦光源（半导体激光器）的作用下，掺铒光纤中铒离子产生了受激吸收，出现了粒子数反转分布；外来信号光使之产生了受激辐射，从而使信号光得到放大。 EDF
12、A 的功率增益大小与铒离子浓度、掺铒光纤长度和泵浦光功率有关。在光纤长度固定不变时，随泵浦功率的增加，增益迅速增加，但泵浦功率增加到一定值后，增益随泵浦功率的增加变得缓慢，甚至不变，EDFA 具有增益饱和特性。EDFA 的最大输出能力取饱和增益下降 3dB 时所对应的输出光功率值。EDFA 的噪声系数为放大器的输入信噪比与输出信噪比之比，一般噪声系数越小越好。 应用：用作光接收机的前置放大器时，可提高光接收机的灵敏度；、用在光发射机的输出端，做功率放大器，增加入纤光功率；用作线路放大器，代替传统的光/电/光中继器，直接放大线路光信号，延长中继距离。9、数字光纤通信系统的组成及各部分的作用。详细
13、光发送机、光接收机、光中继器原理图参见后面。数字光纤通信系统一般由光发送机、光纤、中继器和光接收机四部分组成。光发送机与光接收机统称为光端机，光端机位于电端机和光纤传输线路之间。光发送机的作用是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制， 成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆中去传输。光接收机作用是将光纤传输后的幅度被衰减的、波形产生畸变的光信号变换为电信号（光/电转换） ，并对电信号进行放大、整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端机。光纤或光缆：构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完
14、成传送信息任务。光中继器的作用是延长通信距离。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲进行整形。光接收机的两个重要特性指标是灵敏度和动态范围。光接收机的灵敏度 PR是指在系统满足给定误码率指标的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率 Pmin（mW） ，工程中常用毫瓦分贝（dBm）来表示。光接收机的动态范围 D 是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最低输入光功率（dBm）和最大允许输入光功率（dBm）之差（dB） 。10、光发送机里的自动功率控制 APC 电路与自动温度控制 ATC 电路的功能。自动功率控制 APC 电路能够解决由于器件老化和温
15、度升高较小引起的输出光功率减少的问题。自动温度控制 ATC 电路不能够解决由于器件老化引起的输出光功率减少的问题，但是可以解决由于温度升高较大引起的输出光功率减少的问题。激光器的输出光功率与温度变化和器件老化密切相关。温度变化会引起 LD 阈值电流的变化，从而使输出光功率变化。当温度变化不大时，通过自动功率控制 APC 电路可以对光功率进行调节，但如果温度升高较多时，会使得阈值电流增加很多，经过 APC 电路调节，偏置电流会有较大增加，会使 LD 的结温更高，以致烧坏。一般加自动温度控制 ATC 电路，使 LD 管芯的温度恒定在 20左右。ATC 只能控制温度变化引起的输出光功率的变化，不能控
16、制由于器件老化而产生的输出功率的变化。对于短波长激光器，一般只需加自动功率控制电路即可。对于长波长激光器，由于其阀值电流随温度的漂移较大，因此，一般还需加自动温度控制电路，以使输出光功率达到稳定。SDH、DWDM 光传输技术部分： PDH 主要缺陷：三种数字体制标准互不兼容；无统一的光接口，无法实现横向兼容；准同步结构缺乏灵活性；网管能力不强（各级帧中预留开销比特较少） ；上下支路困难。 SDH 具有如下明显的优点：SDH 核心特点是：同步复用、标准光接口、强大网管能力。同步复用，灵活的分插功能。强大的网络管理能力。有标准的光接口规范。强大的自愈能力。具有广泛的兼容性。1SDH 网络的 STM-N 帧速率分析。帧结构图参见后面 SDH 帧结构：一种以字节为基本单元的矩形块状帧结构。 帧长：一个 STM-N
