光纤通信总结.docx
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光纤通信总结.docx
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光纤通信总结
光纤通信总结
光纤通信总结
第一章
短波长:
0.85um
长波长:
xxxxλ=c/f=3108m/s
光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤为传输介质的一种通信方式。
组成:
1)光发射机进行光/电转换,把数字
化的电脉冲信号码流转换成光脉冲信号码流并输入到光纤中进行传输。
2)光中继器补偿光能的衰减,恢复信
号脉冲的形状。
3)光纤把来自光发射机的光信号,以
尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。
4)光接收机进行光/电转换,将由光
纤传来的微弱光信号转换为电信号,经放大处理后,恢复成发射前的电信号。
光纤通信的特点:
1)传输频带宽,通信容量大2)中继距离长
3)信道串扰小,保密性能好4)适应能力强
5)体积小、重量轻、便于施工和维护6)原材料来源丰富,潜在价格低廉第二章
光纤的结构:
纤芯包层涂覆层1阶跃和渐变2紧套和松套折射率n=c/v相对折射率差:
=
xxxx
数值孔径NA:
NA=2122=12最大数值孔径
:
=2122
归一化频率V≈2.405:
V=
212
=012=0()
光纤色散→传输容量光纤损耗→传输距离
散射损耗指在光纤中传输的一部分光
由于散射而改变传输方向,从而使一部分光不能到达收端所产生的损耗。
时延差指不同频率的信号,传输同样的距离,所需要的时间之差。
光缆的组成:
缆芯护层加强芯第三章
通信用光器件分为有源和无源两大类。
光源的作用:
将电信号转换成光信号并送入光纤线路中进行传输。
粒子反转分布:
想要物质能够产生光的放大,就必须使受激辐射大于受激吸收,也就是N2>N1,这种粒子数的反常态分布称。
。
。
。
。
。
。
△E=E2-E1=hf,h=6.628*10^-34JS激光振荡器必须具备的部件有产生激光的工作物质、工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源、能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。
半导体激光器发射波长:
hf=Eg(禁带宽度eV)、入=1.24/Eg(eV)um
温度特性:
激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性。
阈值电流随温度的升高而加大,一般每升10度,Ith增大5%~25%。
随着激光器使用时间的增加,阈值电流也会逐渐加大。
发光二极管和半导体激光器的区别:
LED没有光学谐振腔,不能形成激光。
LED的发光仅限于自发辐射,所发出的是荧光是非相干光,由于不是激光振荡,所以没有阈值。
光电检测器:
完成光信号到电信号的转换功能。
光电二极管(PIN-PD)短距,小容量;雪崩光电二极管(APD)长距,大容量。
PIN二极管的特性:
响应度:
R=Ip/Pin(A/W)
量子效率:
R=eη/hf=eg入/hc=入g/1.24e=1.6*10^-19Jh=6.628*10^-34JS暗电流:
由于热激励,在无光情况下,光电检测器仍有电流输出。
APD培增因子:
g=I0/IpI0为有雪崩倍增时光电流平均值,Ip为无倍增效应时光电流平均值。
噪声特性:
PIN光电二极管的噪声:
量子噪声和暗电流噪声,APD管还有倍增噪声。
无源光器件:
未发生光电能量转换的部件。
光耦合器的作用:
把一个输入的光信号分配给多个输出,或把多个输入的光信号组合成一个输出。
光隔离器:
保证光波只能正向传输的器件。
光放大器的主要功能:
放大光信号,以补偿光信号在传输过程中的衰减,增加传输系统无中继距离。
半导体光放大器(SOA)和光纤放大器(FOA)第四章
光接收机的基本组成:
光电检测器、放大器、均衡器、再生电路、自动增益控制第五章
SDH概念:
一套可进行同步信息传输、服用、分插和交叉连接的标准化数字信号的结构等级。
SDH的速率:
fb=9*270*8*800=155.520Mbit/s(STM-1)
SDH帧结构:
能够满足对支路信号进行同步数字服用和交叉连接;支路信号在帧内的分布是均匀的、有规律和可控的,便于接入和取出;对PDH1.544Mbit/s系列和2.048Mbit/s系列信号,都具有统一的方便性喝实用性。
3个区域:
段开销区域、信息净负荷区域、管理单元指针区域第八章
光孤子是指经过长距离传输而保持形状不变的光脉冲
扩展阅读:
光纤通信基本概念总结
目录
一、相应的名词解释...............................................................................................2二、问答题...............................................................................................................5
(一)简答部分...............................................................................................5
第一章部分................................................................................................5第二章部分................................................................................................8第三章部分..............................................................................................10第四章部分..............................................................................................12第五章部分..............................................................................................14第六章部分..............................................................................................15第七章部分..............................................................................................17
(二)、回答下列简写的含义:
...................................................................22
第二章部分..............................................................................................22第三章部分..............................................................................................23第四章部分..............................................................................................24第五章部分..............................................................................................24第六章部分..............................................................................................25第七章部分..............................................................................................25
三、设计题.............................................................................................................25四、论述题.............................................................................................................34
1
《光纤通信基础》部分习题及参考答案
一、相应的名词解释
1.1、光子学研究光子作为信息载体的科学,光子不仅是信息载体,也是能量载体
详细解释:
光子学(xxxxCS)是研究作为信息和能量载体的光子行为及其应用的科学。
在理论上,它主要研究光子的量子特性及其在与物质(包括与分子、原子、电子以及与光子自身)的相互作用中出现的各类效应及其规律;在应用方面,它的研究内容主要包括光子的产生、传输、控制以及探测的规律等。
1.2、光纤通信以光导纤维(光纤)为传输媒质,以光波为载波,实现信息传输。
1.3、光纤通信系统是以光纤为传输媒介,光波为载波的通信系统。
2.1、单模光纤是只能传输一种模式的光纤,单模光纤只能传输基模(最低阶模),不存在模间时延差,具有比多模光纤大得多的带宽,这对于高码速传输是非常重要的。
(只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。
单模光纤只能传输基模(最低阶模),它不存在模间时延差,因此它具有比多模光纤大得多的带宽,这对于高码速传输是非常重要的。
单模光纤的带宽一般都在几十GHzkm以上。
)(单模光纤只传输一种模式,纤芯直径较细,通常在4μm~10μm范围内。
)
2.2、多模光纤在一定的工作波上,当有多个模式在光纤中传输时,则这种光纤称为多模光纤。
(多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤,或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。
)(多模光纤可传输多种模式,纤芯直径较粗,典型尺寸为50μm左右。
)
2.3、色散由于光纤中所传信号的不同频率成分,或信号能量的各种模式成分,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。
2.4、模式色散用光的射线理论来说,就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延差。
2.5、光纤光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。
2.6、阶跃型光纤阶跃型光纤在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形突变,纤芯的折射率n1和包层的折射率n2是均匀常数。
2.7、渐变型光纤渐变型光纤纤芯的折射率nl随着半径的增加而按一定规律逐渐减少,到纤芯与包层交界处为包层折射率n2,纤芯的折射率不是均匀常数。
3.1、受激辐射发光现象处于粒子数反转分布状态的大多数电子,在受到外来入射光子激励时同步发射光子的现象,也就是说受激辐射的光子和入射光子,不仅波长相同而且相位、方向也相同。
这样,由弱的入射光激励而得到了强的出射光,起到了光放大作用。
3.2、有源光器件
---光纤通信使用的有源光器件是光端机的核心,有光源和光检测器两种。
3.3、光源
---光源的作用是将信号电流变换为光信号功率,即实现电-光的转换,以便在光纤中传输。
目前光纤通信系统中常用的光源主要有:
半导体激光器LD、半导体发光二极管LED、半导体分布反馈激光器DFB等。
3.4、光检测器
---光检测器的作用是将接受的光信号功率变换为电信号电流,即实现光-电的转换。
光纤通信系统中最常用的光检测器有:
半导体光电二极管、雪崩光电二极管。
3.5、激光器
---激光器就是光的振荡器。
激光振荡是建立在光与物质相互作用的基础上。
3.7、光与物质的相互作用
---光与物质的相互作用主要有三种基本过程:
(1)受激吸收;
(2)自发辐射;(3)受激辐射。
3.8、粒子数的反转分布
---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
3.9、发光二级管半导体发光二极管是非阈值器件。
它与半导体激光器
3
的本质区别是它没有光学谐振腔,不能形成激光振荡。
发光二极管是非相干光源,发光以自发辐射为主。
3.10、半导体光电二极管是利用半导体材料的光电效应将入射光子转换成电子-空穴对,形成光生电流,即实现光-电的转换。
3.11、PIN光电二极管一次电子空穴对+光电转换
3.11、雪崩光电二极管(二次电子空穴对+光电转换+光放大)雪崩光二极管(APD)是利用载流子在高场区的碰撞电离形成雪崩倍增效应,使检测灵敏度大大提高,APD的雪崩增益随偏压的提高而增大。
3.12、各种无源光器件的定义
4.1、直接调制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。
4.2、外调制外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,光信号通过调制器实现对光载波的调制。
外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。
4.3、模拟调制模拟调制可分为两类,一类是利用模拟基带信号直接对光源进行调制;另一类采用连续或脉冲的射频波作副载波,模拟基带信号先对它进行调制,再用该已调制的副载波去调制光载波。
由于模拟调制的调制速率较低,均使用直接调制方式。
4.4、数字调制数字调制主要指PCM脉码调制。
先将连续的模拟信号进行抽样、量化、编码,转化成一组二进制脉冲代码,对光信号进行通断调制。
数字调制也可使用直接调制和外调制。
4.5、光接收机的线性通道由光电检测器、前置放大器、主放大器和均衡器构成的这部分电路,称为线性通道。
在光接收机中,线性通道主要完成对信号的线性放大,以满足判决电平的要求。
4.6、光接收机灵敏度光接收机的灵敏度是指满足给定信噪比指标的条件下,光接收机所需要的最小接收光功率
4.7、mBnB码是把输入的二进制原始码流进行分组,每组有m个二进制码,记为mB,称为一个码字,然后把一个码字变换为n个二进制码,记为nB,并在同一个时隙内输出。
5.1、SDH同步数字传输体制,类似于PDH(准同步数字传输体制),均为数字信号传输体制。
5.2、误码率相关定义
5.3、抖动数字信号在各有效瞬时对标准时间位置的偏差。
7.1、掺铒光纤放大器是将掺铒光纤在泵浦源的作用下而形成的光纤放大器。
7.2、复用技术是为了提高通信线路的利用率,而采用的在同一传输线路上同时传输多路不同信号而互不干扰的技术
7.3、光孤子(Soliton)是经光纤长距离传输后,其幅度和宽度都不变的超短光脉冲(ps数量级)。
7.4、光孤子通信利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。
7.5、全光网络(All-OpticalNetworks,AON)技术是指光信息流在网络中的传输及交换时始终以光的形式存在。
二、问答题
(一)简答部分
第一章部分
1.1、光纤通信的优点:
答A:
1)光纤的容量大2)损耗低、中继距离长3)抗电磁干扰能力强4)保密性能好5)体积小,重量轻6)节省有色金属和原材料或B:
光纤通信的优点有:
1)容许频带很宽,传输容量很大
2)损耗很小,中继距离很长且误码率很小3)重量轻、体积小4)抗电磁干扰性能好5)泄漏小,保密性能好
6)节约金属材料,有利于资源合理利用
1.2、光纤通信的缺点:
答:
(1).抗拉强度低;
(2).光纤连接困难;(3).光纤怕水1.3、光纤通信的各种应用包括哪些方面?
答:
可概括如下:
①通信网,包括全球通信网、各种专用通信网、特殊通
信手段。
②构成因特网的计算机局域网和广域网。
③有线电视网的干线和分配网;自动控制系统的数据传输。
④综合业务光纤接入网,分为有源接入网和无源接入网。
1.4、光纤通信系统的组成以及各组成部分的功能?
答:
主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成
系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号,并将生成的光信号注入光纤。
光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成,如果是直接强度调制可以省去调制器;
光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。
它一般由光电检测器和解调器组成,对于直接强度调制解调器可以省略;光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介(信道),将光信号由一处送到另一处;
中继器分为电中继器和光中继器(光放大器)两种,其主要作用就是延长光信号的传输距离。
1.5、传统上,以服务范围的大小把光纤通信网络分为哪几类?
答:
(1)、LAN(光纤局域网):
服务范围2km,如以太网、信令网和信令
总线;
(2)、MAN(光纤城域网):
服务范围100km,如电话本地交换网或者电缆电视(CATV)分配系统;
(3)、WAN(广域网):
服务范围可达数千千米,如开发系统互连国际网络等。
1.6、光纤通信网络的两种发展趋势是什么?
答:
(1)、光纤技术逐渐从骨干网向宽WAN和MAN发展,最后也将渗透
到本地网;
(2)、以太网技术逐渐从LAN向MAN和WAN发展,最后在骨干网
上也将可能传送的是国际互联网协议(IP)数据包。
这两种技术的结合,将有可能导致最终广泛采用综合了最好的光纤技术和以太网技术的光IP以太网(如:
IPoverWDM)。
它将是在一个平台上提供数据、视频和语音业务的主要工具。
1.7、数字通信系统和模拟通信系统的区别?
答:
数、模实质:
数字通信系统用参数取值离散的信号(如脉冲的有和无、电平的高和低等)代表信息,强调的是信号和信息之间的一一对应关系;而模拟通信系统则用参数取值连续的信号代表信息,强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。
1.8、数字通信系统的优点是什么?
答:
数字通信系统的优点如下:
①、抗干扰能力强,传输质量好。
②、可以用再生中继,传输距离长。
③、适用各种业务的传输,灵活性大。
④、容易实现高强度的保密通信。
⑤、数字通信系统大量采用数字电路,易于集成,从而实现小型化、微型化,增强设备可靠性,有利于降低成本。
1.9、光传送网的关键技术?
答:
1)、全光放大中继技术2)、光多路传输技术3)、波长选择技术4)、光交换技术5)、光分插复用(OADM)技术6)、波长转换技术7)、网络控制和管理技术8)、集成光学和光纤光栅技术1.9、简述未来光网络的发展趋势及关键技术。
答:
未来光网络发展趋于智能化、全光化。
其关键技术包括:
长波长激光器、低损耗单模光纤、高效光放大器、WDM复用技术和全光网络技术。
1.10、光网络的优点是什么?
答:
(1)可以极大地提高光纤的传输容量和节点的吞吐量,以适应未来宽带(高速)通信网的要求。
(2)光交叉连接器(OXC)和光分叉复用器(OADM)对信号的速率和格式透明,可以建立一个支持多种业务和多种通信模式的、透明的光传输平台。
(3)以波分复用和波长选择为基础,可以实现网络的动态重构和故障的自动恢复,构成具有高度灵活性和生存性的光传输网。
光网状网具有可重构性、可扩展性、透明性、兼容性、完整性和生存性
等优点,是目前光纤通信领域的研究热点和前沿。
第二章部分
2.1、光纤的结构由哪几部分组成?
各有什么作用?
答:
光纤(OpticalFiber)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。
2.2、简述光纤的类型包括哪几种以及各自特点?
解:
实用光纤主要有三种基本类型:
1)、突变型多模光纤(StepIndexFiber,SIF),纤芯折射率为n1保持不变,到包层突然变为n2。
这种光纤一般纤芯直径2a=50~80μm,光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播,特点是信号畸变大。
2)、渐变型多模光纤(GradedIndexFiber,GIF),在纤芯中心折射率最大为n1,沿径向r向外围逐渐变小,直到包层变为n2。
这种光纤一般纤芯直径2a为50μm,光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播,特点是信号畸变小。
3)、单模光纤(SingleModeFiber,SMF),折射率分布和突变型光
纤相似,纤芯直径只有8~10μm,光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。
因为这种光纤只能传输一个模式(两个偏振态简并),所以称为单模光纤,其信号畸变很小。
2.3、色散的产生以及危害?
答:
由于光纤中所传信号的不同频率成分,或信号能量的各种模式成分,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;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。
2.4、光缆的结构分类?
答:
(1)层绞式结构:
层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式,故又称为古典式光缆。
(2)骨架式结构:
架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中,槽的横截面可以是V形、U形或其他合理的形状,槽的纵向呈螺旋形或正弦形,一个空槽可放置5~10根一次涂覆光纤。
(3)束管式结构:
束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。
它相当于把松套管扩大为整个纤芯,成为一个管腔,将光纤集中松放在其中。
(4)带状式结构:
带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带,然后将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。
2.5、光缆的种类?
答:
根据光缆的传输性能、距离和用途,光缆可以分为市话光缆、长途光
缆、海底光缆和用户光缆;根据光纤的种类,光缆可以分为多模光缆、单模光缆;
根据光纤套塑的种类,光缆可以分为紧套光缆、松套光缆、束管式新型光缆和带状式多芯单元光缆;
根据光纤芯数的多少,光缆可以分为单芯光缆和多芯光缆等等;根据加强构件的配置方式,光缆可以分为中心加强构件光缆(如层绞式光缆、骨架式光缆等)、分散加强构件光缆(如束管式光缆)和护层加强构件光缆(如带状式光缆);
根据敷设方式,光缆可以分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆;
根据护层材料性质,光缆可以分为普通光缆、阻燃光缆和防蚁、防鼠光缆等。
2.6、目前光纤通讯为什么采用以下三个工作波长:
1=0.85m,
2=1.31m,3=1.55m?
解:
因为光纤通信的三个传输窗口分别为:
0.85um(短波长),xxxx(长波长)
2.7、光纤通讯为什么向长波长、单模光纤方向发展?
解:
从多模突变型(SIF)、渐变型(GIF)光纤到单模(SMF)光纤,损耗依次减小。
在0.8~1.55μm波段内,除吸收峰外,光纤损耗随波长增加而迅速减小;另一方面,从色散的讨论中看到:
从多模SIF、GIF光纤到SMF光纤,色散依次减小(带宽依次增大)。
正因为这些特性,使光纤通信从SIF、GIF光纤发展到SMF光纤,从短波长(0.85μm)“窗口”发展到长波长(xxxx)“窗口”。
2.8、光纤色散产生的原因及其危害是什么?
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