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1、第一章：概 论1. 任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输 离。2. 光纤通信用的近红外光（波长约1呻）的频率（约300 THz）比微波（波长为0.1 m1 mm）的频 率（3300 GHz）高3个数量级以上。为便于比较，图1.1给出了相关部分的电磁波频谱。光 纤通信用的近红外光（波长为0.71.7 pm）频带宽度约为200 THz，在常用的1.31 gm和1.55 gm两个波长窗口频带宽度也在20 THz以上。3. 光纤通信的优点：（1）容许频带很宽，传输容量很大（汗牛充栋）（2）损耗很小，中继距离很长且误码率很小（特快列车）（3）重量轻、体积小（瘦身专家
2、）（4）抗电磁干扰性能好（百毒不侵）4. 光纤通信系统的基本组成（单向传输）发射卜乩本光纤传输系统T接收电信号.光信字,佶号输入输出.输入电信?输出.5. 基本光纤传输系统：光发射机、光纤线路和光接收机6. 光发射机由光源、驱动器和调制器组成，光源是光发射机的核心。目前广泛使用的光源 有半导体发光二极管（LED）和半导体激光二极管（或称激光器）（LD）。7. 光发射机把电信号转换为光信号的过程（常简称为电/光或E/O转换），是通过电信号对光 的调制而实现的。目前有直接调制和间接调制（或称外调制）两种调制方案（1）直接调制：用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电 信号变
3、化而实现的。这种方案技术简单、成本较低、容易实现，但调制速率受激光器的频率 特性所限制。（2）外调制：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。 外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和 相干光通信系统中使用。8. 对光参数的调制，原理上可以是光强（功率）、幅度、频率或相位调制，但实际上目前大多 数光纤通信系统都采用直接光强调制。9. 光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变（失真）和衰减传输到光接 收机。10. 在0.85 um、1.31 um和1.55 um有三个损耗很小的波长“窗口”。11. 光接收机的功能是
4、把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并 经其后的电接收机放大和处理后恢复成基带电信号。光接收机由光检测器、放大器和相关电 路组成，光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。12. 目前广泛使用的光检测器有两种类型：在半导体PN结中加入本征层的PIN光电二极管 （PIN-PD）和雪崩光电二极管（APD）。第二章：光纤和光缆1. 光纤结构：光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供 反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。2
5、, 光纤类型：(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；(c)单模光纤3. 光线传输原理：斯奈尔(Snell)定律:nOsin 9 =n1sin。1=n1cos W 1数值孔径：定义临界角Oc的正弦为数值孔径(NA，Numerical Aperture)NA = In1 - n 2 w n 蜀2人 221NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或9 c)越大，光纤接收光的能力越强，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。4. 自聚焦效应：不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚的 点上， 这种现象称为自聚焦(Self Focusing)效应。渐
6、变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射 角相应的光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。5. 损耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传 输带宽。6. 光纤色散：色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的传播时间不 同而产生的一种物理效应。从频域上看，色散限制了传输信号的带宽(Bandwith)；从时域 上看，色散引起信号脉冲的展宽(Pulse Broadening)。色散一般包括模式色散、材料色散和 波导色散。模式色散是由于不同模式的传播时间不同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和 光纤材料折射率的波长特性有关
7、。材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光(实际光 源不是纯单色光)，其传播时间不同而产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性 和光源的谱线宽度。波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的 相对折射率差。7. 材料色散和波导色散总称为色度色散(Chromatic Dispersion)，常简称为色散，它是传播时 间随波长变化产生的结果。8. 光纤损耗机理包括吸收损耗和散射损耗两部分：吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的；散射损耗 主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纤结构缺
8、陷 (如气泡)引起的散射产生的。9. 光缆结构：光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。10. 光缆可分为四种基本型式：层绞式、骨架式、中心束管式、带状式 第三章：通信用光器件1. 电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式：(a)受激吸收；(b)自发辐射；(c)受激辐射2. 电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即E2E1=hf12式中，h=6.628X 10 34 J s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。3. 价带、导带半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体。在这种晶体中，由于邻近原子的
9、 作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带，如图3.2。能量低的能带称为价带，能 量高的能带称为导带。4. 半导体激光器的发射波长和光谱特性半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似 等于禁带宽度Eg(eV)，h f=Eg式中，f=c/入，f (Hz)和入m)分别为发射光的频率和波长，c=3X108 m/s为光速，h=6.628 X 10-34 Js为普朗克常数，1 eV=1.6X1019 代入上式得到1 hc 1.24 人=5. 半导体激光器的温度特性：温度升高时；Ith增大，nd减小，输出光功率明显下降，达 到一定温度时，激光器就不激射了。6. 发光二
10、极管(LED)的工作原理与激光器(LD)有所不同，LD发射的是受激辐射光，LED发 射的是自发辐射光。7. 和激光器相比，发光二极管输出光功率较小，光谱宽度较宽，调制频率较低。但发光二 极管性能稳定，寿命长，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。因此，这种器件在小容量短距离系统中发挥了重要作用。8. LD、LED应用场合：LED通常和多模光纤耦合，用于1.3 um(或0.85 um)波长的小容量短距离系统LD通常和G.652或G.653规范的单模光纤耦合，用于1.3 um或1.55 um大容量长距离系 统9. 雪崩效应含义：高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电
11、子空 穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩 式倍增。有这种效应的光电二极管称雪崩光电二极管(APD)o10. 常见光无源器件：耦合器、连接器、光开关，连接器件是光纤通信领域最基本、应用最 广泛的无源器件。第四章：光端机1.数字光发射机的功能：把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路，电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。2.数字光发射机方框图3. 直接光强调制的数字光发射机主要电路有调制电路、控制电路和线路编码电路4. 弛张振荡含义、危害及避免当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡
12、，称为弛张振荡；弛 张振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真 严重，会使光接收机在抽样判决时增加误码率；将最高调制频率应低于弛张振荡频率5. 码型效应含义、危害、避免电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使“0”码过后的 第一个“1”码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“1”码丢失，这种现象称 为“码型效应”；用适当的“过调制”补偿方法可以消除码型效应。6. 自脉动现象含义、危害、避免某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现 持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象；自脉动频率可达2
13、 GHz，严重影响LD的 高速调制特性；避免：选用内部增益均匀、内部吸收均匀的激光器。7. 数字光接收机的功能是：把经光纤传输后幅度被衰减、波形被展宽的微弱光信号转换为 电信号，并放大处理，恢复为原始的数字码流。8. 光接收机的噪声有两部分：一部分是外部电磁干扰产生的，这部分噪声的危害可以通过 屏蔽或滤波加以消除；另一部分是内部产生的，这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入 的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。9. 灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。灵敏度Pr的定义是，在保证通信质量(限定误码 率或信噪比)的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率
14、Pmin，并以dBm为单位。10. 理想光接收机的灵敏度：假设光检测器的暗电流为零，放大器完全没有噪声，系统可以 检测出单个光子形成的电子-空穴对所产生的光电流，这种接收机称为理想光接收机。它的 灵敏度只受到光检测器的量子噪声的限制，因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声，只要有 光信号输入，就有量子噪声存在。11. 量子极限：当允许误码率达最高值时(Pe=109)，光接收机达到最高灵敏度极限，这 个极限值是由量子噪声决定的，所以称为量子极限。第五章：数字光纤通信系统1. 两种传输体制：准同步数字系列(PDH)和同步数字系列(SDH)。2. SDH特点：(1) SDH采用世界上统一的标准传输速率等
15、级(2) SDH各网络单元的光接口有严格的 标准规范(3)在SDH帧结构中，有丰富的开销比特(4)采用数字同步复用技术，其最小的 复用单位为字节(八比特组)，不必进行码速调整(5)采用数字交叉连接设备DXC可以对各 种端口速率进行可控的连接配置，对网络资源进行自动化的调度和管理，既提高了资源利用 率，又增强了网络的抗毁性和可靠性。3. SDH帧结构：SDH帧结构是实现数字同步时分复用、保证网络可靠有效运行的关键。图5.5给出SDH 帧的一般结构。一个STM-N帧有9行，每行由270XN个字节组成。这样每帧共有9X270 XN个字节，每字节为8 bit。帧周期为125 us，即每秒传输8000帧。对于STM-1而言， 传输速率为9X270X8X8000=155.520 Mb/s。字节发送顺序为：由上往下逐行发送，每行 先左后右。4. SDH帧大体可分为三个部分:(1)段开销(SOH) (2)信息载荷(Payload) (3)管理单元指 针(AU-PTR)5. 抖动：抖动是数字信号传输过程中产生的一种瞬时不稳定现象。抖动的定义是：数字信号 在各有效瞬时对标准时间位置的偏差。抖动产生抖动的原因很多，主要与定时提取电路的质量、输入信号的状态和输入码流中 的连“0”码数目有关。6. 从损耗限制和色散限制两个计算结果中，选取较短的距离，作为中继
