光纤通信技术考前辅导

一、考试方式：本学期《光纤通信技术》这门课程期末考试方式，开卷考试。二、考试题型：考试题型分为四种类型：（1）选择、填空题；（2）简答题；（3）原理分析题；（4）计算题。（1）选择、填空题占15% ；（2）简答题占15%（3）原理分析题占35% ；（4）分析计算题占35%。试题的易、中、难比例是65%：20%：15%。试题覆盖面《光纤通信技术》第一章至第七章内容。第一章第一章概论五、复习的重点难点：下面对本课程每章复习的重点难点进行辅导重点：理解光在电磁波谱中的位置、光纤通信所用光波的波长范围；光纤可用频带的计算。难点：理解光在电磁波谱中的位置。 第一章第一章基本概念：1、目前光纤通信的波长范围是多少？位于电磁波的哪个波段？目前光纤通信所用光波的波长范围为0.8μm至1.8μm，属于电磁波谱中的近红外区。（1）近红外区：波长范围为：0.76至15μm；（2）中红外区：波长范围为：15至25μm；（3）远红外区：波长范围为：25至300μm；第一章1005020105.02.01.00.50.20.1600800100012001400波长(nm)16001800200080年代第二窗口第三窗口第一窗口2、光纤通信中，短波长、长波长波段范围在光纤通信中，常将0.8μm至0.9μm称为短波长，而将1.0μm至1.8μm称为长波长。3、光纤通信中常用的三个低损耗窗口的中心波长0.85μm、1.31μm和1.55μm左右是光纤通信中常用的三个低损耗窗口。 第一章突变型(SIF)光纤70年代20105.02.01.00.5光纤损耗随信号波长变化的曲线渐变型(GIF)光纤第1窗口第2窗口标准光纤第3窗口90年代单模(SMF)光纤0.20.1600800100012001400160018002000波长(nm) 第二章（一）基本概念：1、典型光纤的组成及各部分的作用。光纤结构光纤的典型结构是多层同轴圆柱体，如图所示，自内向外由纤芯、包层和涂敷层三部分组成。重点：1、分析光纤的导光原理；2、理解第二章光纤与导光原理掌握光纤损耗和色散的概念及其对光纤通信系统的影响；3、光在光纤中的模式传输。4、有关光纤方面的计算。难点：光纤色散的计算。 纤芯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。 第二章2、什么是突变型光纤？什么是渐变型光纤？突变型光纤在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形突变，纤芯的折射率和包层的折射率是均匀常数。折射率分布包层涂敷层纤芯突变型光纤涂覆层涂覆层保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤。n2n1n1n2 第二章第二章渐变型光纤纤芯的折射率随着半径的增加而按一定规律(如平方律、双曲正割曲线等) 逐渐减少，到纤芯与包层交界处为包层折射率，纤芯的折射率不是均匀常数。折射率分布包层涂敷层3、什么是单模光纤？什么是多模光纤？单模光纤只传输一种模式（只传输主模），单模光纤纤芯直径较细，通常在4μm～10μm 范围内。渐变型光纤n2n1纤芯n2n1多模光纤可传输多种模式，多模光纤纤芯直径较粗，典型尺寸为50μm左右。 第二章第二章4、光纤可以传输几种模式？什么是光纤的主模？什么是高次模？光纤中可以传输横电模TEon、横磁模TMon、混合模EHmn和HEmn等四种模式；HE11模是光纤的主模；除HE11模外，其他的模式称为高次模。5、光纤损耗及其对光纤通信系统的影响。光波在光纤中传输，随着距离的增加光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。光纤损耗直接关系到光纤通信系统传输距离的长短，是光纤最重要的传输特性之一。产生光纤损耗的原因主要分为三种：吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。 第二章6、光纤色散及其对光纤通信系统的影响。按照色散产生的原因，光纤色散可分为模光纤色散是指输入光脉冲在光纤中传输时由于各波长光波的群速度不同而引起光脉冲展宽的现象。光纤色散的存在使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽。即影响了光纤通信的传输容量和传输距离。模式色散光纤这四种色散的大小有如下关系：式色散，材料色散、波导色散和极化色散。??材料色散?波导色散?极化色散 7、色散的表示在多模光纤中，有模式色散和波长色散，而以模式色散为主。在单模光纤中，不存在模式色散，而只存在材料色散、波导色散和极化色散。由于极化色散很小，一般忽略不计。色散的大小常用时延差(脉冲展宽)来表示，而时延差是光脉冲的不同模式或不同波长成分传输同样距离所需的时间。用脉冲展宽表示时，光纤色散可以写成222?????n???m???w 第二章222?????n???m???w8、G.652 、G.653、G.655光纤的性能及应用。G.652光纤称为常规单模光纤，其性能特点：Δτn——模式色散；Δτm——材料色散；Δτw——波导色散（1）在1310nm波长处的色散为零；（2）在波长为1550nm附近衰减系数最小，约为0.22dB/km，但在1550nm附近其具有最大色散系数，为17ps/(nm·km)； 第二章第二章G.652光纤称为常规单模光纤，其性能特点：（3）这种光纤工作波长即可选在1310nm波长区域，又可选在1550nm波长区域，它的最佳工作波长在1310nm区域。G.652 光纤是当前使用最为广泛的光纤。G.653光纤称为色散位移单模光纤。色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状，力求加大波导色散，从而将零色散点从1310nm位移到1550nm，实现1550nm处最低衰减和零色散波长一致。这种光纤工作波长在1550nm区域。它非常适合于长距离单信道光纤通信系统。 第二章第二章G.655光纤在1550nm波长处色散不为零，故其被称为非零色散位移单模光纤。它在1550nm波长区域具有合理的低色散，足以支持10Gbit/s的长距离传输而无需色散补偿，其色散值又保持非零特性来抑制四波混频和交叉相位调制等非线性效应的影响。这种光纤主要适用密集波分复用传输系统。0.70.620100.50.40.30.20.1110012001300G652G655G653G655-202400-1001400150016001700波长(nm)第二章 1.突变型多模光纤导光原理（二）原理分析1、分析突变型多模光纤导光原理；2、分析渐变型多模光纤导光原理。 第二章由此可见，只有在半锥角为θi≤θmax的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。2、渐变型多模光纤导光原理渐变型多模光纤中的光线轨迹方程为r(z)?r?0An(0)sin(Az)?ricos(Az)oθrioz半锥角（1）当θ0=0时，光线平行光纤轴入射，得当ri=0时，光线在r=0，z=0处以不同的入射角射入光纤，得 r(z)?r(z)?ricos(Az)?0An(0)sin(Az)它描述的光线轨迹是传输距离z的余弦函数。它描述的光线轨迹是传输距离z的正弦函数。计算公式 （三）分析计算1、光纤的数值孔径、相对折射率差；2、光纤损耗；3、光纤色散；4、光纤传输容量；5、光纤归一化频率；6、光纤单模传输的条件。1、光纤的数值孔径、相对折射率差。（1）、光纤的数值孔径2NA?n0sin?max?n12?n2?n12?光纤的数值孔径NA仅决定于光纤的折射率n1和n2 ，与光纤的直径无关。，与光纤的 （2）、对于突变型多模光纤，相对折射率差2n12?n2??2n122、光纤的损耗若长度为(km)的光纤，输入光功率为Pi，输出Po光功率为表示，光纤的损耗系数为弱导光纤，有n1?n2，此时22????n?nn1?n2?n12n122110PilgLP0（dB/km） 3、光纤色散光纤的色散分为:多模光纤的色散单模光纤的色散多模光纤的色散分为:突变型多模光纤的色散渐变型多模光纤的色散多模光纤的色散计算公式：（1）、长度为L 突变型多模光纤的色散为Ln12????cn2?Ln1?c（弱导光纤n1?n2） （2）、长度为L 渐变型多模光纤的色散为单模光纤的色散计算公式：由单模光纤色散系数定义：1L?n(0)2????2cn(0)：纤芯轴线的折射率D(?)?1??L??得单模光纤的色散为：???LD????--光源均方根谱宽 4、光纤传输容量的计算（1）、多模阶跃光纤的传输容量为（2）、多模渐变光纤的传输容量为BL?弱导光纤，有cn2?n12c1?n1BL?式中：2n2(0)?n2??2n2(0)2cn(0)?2n1?n2，此时BL?n(0)为纤芯轴线的折射率。B为系统的比特率。式中：B为系统的比特率。 5、光纤归一化频率第三章无源光器件V?(2?a?2)(n12?n2)?2?a?n12?重点：理解掌握光纤连接器、光耦合器、光滤波器、光隔离器等几种常用的无源光器件的作6、光纤单模传输的条件用。V?2.405 第三章第三章(1)光纤连接器光纤连接器是用于光纤和设备之间，光纤和光纤之间, 光纤与其它部件之间，设备和设备之间的连接。光源尾纤光跳线光中继光耦合器光测试仪器(2)光耦合器光耦合器的功能是对光信号实现分路、合路、插入、分配的一种无源器件。分路合路光检测器插入分配 第三章第三章(3)光滤波器光滤波器一般是采用多层介质膜滤波片作为光滤波器，使某一波长的光通过，而其他波长的光被阻止。λ1λ2λ1(4)光隔离器光隔离器主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往反方向传输。λ2多层膜滤波片光隔离器 第四章第四章光源和光检测器（一）基本概念：重点：理解掌握光源和光检测器的概念及其在光纤通信系统中作用；1、激光器LD、发光二极管LED的发光机理；2、光电二极管PIN、雪崩光电二极管APD等的工作原理及其主要特性。难点：理解激光器的发光机理。1、光源、光检测器各自作用是什么？光源的作用是将电信号电流变换为光信号功率，即实现电/光转换；光检测器的作用是将接收的光信号功率变换为电信号电流，即实现光/电转换； 第四章第四章2、激光器主要由几部分组成？各部分的作用是什么？激光器主要由激活物质、光学谐振腔、泵浦源组成；在激光器中，光的放大是通过粒子数反转分布的激活物质来实现；光学谐振腔起选频与反馈的作用；要实现粒子数反转分布，必须外加泵浦源。3、什么叫粒子数的反转分布？什么叫激活物质？粒子数的反转分布当高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数时，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。 第四章第四章E2E2E1E1N1> N2分布称为粒子数正常分布N2> N1的分布，称为粒子数反转分布 第四章第四章激活物质如果高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数时，受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。4、半导体发光二极管与半导体激光器的本质区别是什么？半导体发光二极管是自发辐射为主，其产生的是荧光而不是激光。发光二极管LED的结构中，没有谐振腔，因此不存在阈值问题。 第四章第四章（二）原理分析：半导体激光器LD的是经受激辐射放大的光，其产生是激光半导体激光器的结构中，PN结作激活区，用半导体天然解里面作为反射镜组成光子谐振腔，外加正向偏压作为泵浦源。半导体激光器是阈值器件。+EcEvEfv激活区1、分析PN结半导体激光器的工作原理。p----++++N-EfcEcEv