1、光纖復習提綱光纖通信系統原理框圖（單向傳輸）光纖的組成光纖的基本結構主要由以下幾部分組成：折射率（n1 ）較高的纖芯部分、折射率（n2 ）較低的包層部分以及表面涂覆層。為保護光纖，在涂覆層外有二次涂覆層（又稱塑料 套管）。光纜分類層絞式、骨架式、中心束管式、帶狀式單模傳輸階躍折射率光纖的傳播模式是歸一化頻率V的函數。當V 二 2nvn2-n2 2.405八12時，光纖中傳播的唯一的模式為LP01模（即HE11模）光纖為單模傳輸。截止波長在前面的分析中已知，只有歸一化頻率V小于LP11模的截止頻率（Vcv2.4048 ）時，才能保證光纖中只傳輸基模（LP01模或HE11模），所以單模光纖理論截止

2、波長為九c2n ajn2 -n2八c（判斷光信號能傳的條件）射線方程射線光學理論基于反射定律和折射定律從射線方程導出的射線光學最重要的理論之一是斯涅爾（Snell ）定律,它應用于恒定折射率n1和n2區域時可寫成：反射定律：。入=反八iww 口數值孔徑數值孔徑為廠一-r-NA - nQ sin Oa -彳勺-n2 乂 n*2損耗特性*造成光纖中能量損失的原因是吸收損耗、散射損耗和輻射損耗。色散特性光纖的色散是由于光纖中所傳輸的光信號的不同的頻率成分和不同模式成分的群速不同 而引起的傳輸信號的畸變的一種物理現象。它將傳輸脈沖展寬，產生碼間干擾，增加誤碼率。 傳輸距離越長，脈沖展寬越嚴重，所以色散

3、限制了光纖的通信容量，也限制了無中繼傳輸距 離。光纖中的色散可分為材料色散、波導色散和偏振模色散等。單模光纖性能指標ITU-T規定的單模光纖包括：G.652光纖（常規單模光纖/標準單模光纖）、G .653 （色散位移光纖）、G.654 （低損耗光纖）、G.655 （非零色散位移光纖）、色散平坦光纖、 DCF （色散補償光纖）等。（名稱和縮寫要記）G.652光纖又稱為常規單模光纖或標準單模光纖（STDSMF ），被廣泛應用于數據通信 和圖像傳輸。在1310nm窗口處有零色散。在1550nm窗口處有較大的色散，達+18ps/nmkm，不利于高速率大容量系統。性 能模場 直徑 (pm)零色散 波長

4、(nm)專一損耗系數 (dB/km)色散系數 (ps/nmkm)1310nm1310nm1550nm1310nm 1550nm更求值9126013101310/15500.360.220G.653光纖又稱為色散位移光纖(DSF )，將在入=1310nm附近的零色散點，移至1550nm波 長處，使其在入= 1550nm波長處的損耗系數和色散系數均很小。主要用于單信道長距離海底或陸 地通信干線，其缺點是不適合波分復用系統。性 能模場 直徑 蝕)截止 波長零色散 波長 (nm)工作 波長 的)損耗系數(dB/km)色散系數(ps/nmkm)UlOnml3l0nm l550nmBlOnim 1550n

5、m要求值8.31270155015500.4&0.25-ia 匚)G.654光纖又稱為1550nm損耗最小光纖，它在入= 1550nm處損耗系數很小，a =0.2dB/km，光纖的彎曲性能好。主要用于無需插入有源器件的長距離無再生海底光纜系統。其缺 點是制造困難，價格貴。性 能模場 直徑 (啊)sat 波長 (nm)零色散 波長 (nm)工作 波長 (nm)損耗系數 (dB/km)色散系數 ps/nmkm)1310nm1310nm1550nnn1310nnn 1550nnn要求值10.51530131015500.40.20 2)0 +18G.655光纖稱為非零色散位移光纖(NZ DSF )。

6、G.655光纖在1550nm波長處有一低的色散(但 不是最小)，能有效抑制“四波混頻”等非線性現象。適用于速率高于10Gb/s的使用光纖放大器的 波分復用系統。性 能模場 直徑 (pm)截止 波長 (nm)零色散 波長 (nm)工作 波長 (nm)損耗系數 (dB/km)色散系數 (ps/nm-km)1310nm1310hiti l550nm1310nm 1550nm要 求 值8 1114801540-15651540-15650.5m。于是引進了 一定的富余度，以滿足線路碼的基本要求。插入碼是把輸入二進制原始碼流分成每m比特(mB )組 然后在每組mB碼末尾按一定 的規律插入一個碼，組成m

7、+1個碼為一組的線路碼流。根據插入碼的規律，可以分為mB1C 碼，mB1H碼和mB1P碼。對擾碼二進制線路速率不變口對字變換碼，如mBnB實際線路速率=標稱速率x( n/m)口對插入碼，如mB1H實際線路速率=標稱速率X (m+1)/m光驅動電路和偏置電路的要求輸出的光脈沖峰值必須保持恒定。不管溫度如何變化或激光器如何老化，都要保持脈沖恒定。 光脈沖的通斷比(即消光比)*應n 10，以免接收靈敏度受到損害。電流脈沖加上后，激光發射的時間必須遠短于每位碼元的時間段如加上的電流脈沖有較高的碼速，則輸出的光脈沖有可能引起弛張振蕩 這就必須予以阻尼防止 它對系統性能發生不良影響。*消光比(或通斷比)系

8、指光源全“1 ”和全“0 ”調制時對應輸出功率的比消光比和通斷比互為倒數，通斷比n 10則消光比0.1響應度公式響應度是表示光檢測器能量轉換效率的一個參數，是檢測器的平均輸出電流與平均輸入光功 率之比表示為：R.=Ip/Pq(A/W)式中：R0光檢測器的響應度IP光檢測器的平均輸出電流P0入射在檢測器光敏面上的平均光功率光電二極管工作原理最基本的半導體光檢測器是由反向偏置的PN結構成的。自建場的作用使電子和空穴產生了 與擴散方向相反的漂移運動。在PN結界面附近形成了高電場的耗盡區。在耗盡區兩邊，電場基本 為0，稱為擴散區。耗盡區和擴散區均為光子的吸收區，在入射光照射下可以吸收光能量產生光 生載

9、流子。光電二極管反向偏壓問題為了克服由于光生載流子擴散速度慢于漂移速度而引起的響應變慢現象，對光電二極管采用 反向偏壓。反向偏壓增加了耗盡區的寬度，從而減少了光生電流中的擴散分量，同時增強的電場也 會加快光生載流子的漂移速度，有利于加快光生載流子的響應時間。PIN光電二極管的主要特性截止波長和吸收系數、響應度和量子效率、響應速度、線性飽和、暗電流、噪聲APD的主要特性APD倍增因子g和平均倍增、電流增益-偏壓 溫度關系、過剩噪聲、響應度和量子效率、 線性飽和及暗電流PIN和APD兩者異同PIN光電二極管設計在p-n節中間引入一層本證半導體材料，由于i區具有較高電阻，因此外 加電壓基本落在該區，

10、使得壘區寬度增加，并可以控制i區的厚度來改變壘區寬度。特點：i區作為 吸收材料，提高了轉換效率；由于i區的高電場，提高了漂移速度，降低了渡越帶寬，提高了工作 帶寬；PIN采用臺面結構，降低了電容，進一步保證了帶寬。APD與PIN不同在于p區和n區都 進行了中摻雜，并在i去和n區引入另一層p區作為電離碰撞區以產生二次電子空穴對，在反向電 壓下，在p區形成較高電場，i區仍作為吸收光信號產生一次電子空穴對的區域，所產生的電子在 p區通過碰撞而形成更多的電子空穴對，從而實現一次光電流的放大作用。APD是有增益的光電二 極管，在光接收機靈敏度要求較高的場合，采用APD有利于延長系統的傳輸距離。但是采用A

11、PD 要求有較高的偏置電壓和復雜的溫度補償電路，結果增加了成本。因此在靈敏度要求不高的場合， 一般采用PIN光電探測器。24光接收機的主要噪聲光接收機中存在各種噪聲源，根據噪聲產生的不同機理噪聲可分為兩類：散粒噪聲和熱噪 聲。接收機中的噪聲源及其引入部位如圖所示。其中散粒噪聲包括光檢測器的量子噪聲、暗電流噪 聲、漏電流噪聲和APD倍增噪聲；熱噪聲主要指負載阻產生的熱噪聲，放大器噪聲（主要是前置 放大器噪聲）中，既有熱噪聲，又有散粒噪聲。信號輸入噪聲光電變 換負 載 信號輸入噪聲光電變 換負 載 電 阻放大器熱噪聲放大器噪聲量子噪聲 暗電流噪聲 倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲（1）隨信號而來的輸入噪聲

12、：這種噪聲是由光發送機和傳輸過程中產生的，例如發送光消光比的 影響，碼間干擾的作用等。（2）量子噪聲：光檢測器接受到光信號，由于光子激發出電子的過程是隨機過程，這種隨機過程 引起的噪聲稱為量子噪聲。（3）暗電流噪聲：光檢測器在沒有入射光照射時，仍會有一定的電流輸出，這種電流稱為暗電 流，由于暗電流干擾，會產生一種散粒噪聲。（4 ）倍增噪聲：有雪崩光電二極管（APD ）的倍增過程產生的噪聲。（5 ）漏電流噪聲：由光檢測器表面物理狀態不完善引起漏電流產生的噪聲。（6 ）浮在電流熱噪聲：由負載電阻的熱損耗引起的噪聲。（7 ）放大器噪聲：由放大器本身引起的噪聲。25接收機靈敏度光接收機靈敏度是表征光接

13、收機調整到最佳狀態時，接收微弱光信號的能力。它可用下列三 種物理量表示。在保證達到所要求的誤碼率（或信噪比）條件下，接收機所需的：口輸入的最小平均光功率PR ;每個光脈沖的最低平均光子數n ; 口口每個光脈沖的最低平均能量Ed。.式中：T為脈沖碼元時隙，T=1/ fbhf是個光子能量PR的單位為W，常用mW。若用dBm來表示靈敏度Sr 則為可寫為：光接收機的動態范圍動態范圍表征的是光接收機適應輸入信號變化的能力，即光接收機靈敏度和過載功率之間的 差值。如對于某接收機在保證Pe=10-9的條件下，所需接受的最小光功率為158 nW而正常工作時最大 接收功率為1MW則動態范圍為：影響靈敏度的主要因

14、素影響接收機靈敏度的因素有：碼間干擾、消光比、暗電流、量子效率、光波波長、信號速 率、各種噪聲等。下面只對碼間干擾、消光比、暗電流的影響進行分析。碼間干擾的影響在光纖通信系統中，光接收機的輸入光脈沖信號寬度與光發送脈沖及光纖的帶寬有關。在光 纖色散較大的情況下，光脈沖通過光纖時將被展寬，產生碼間干擾，降低光接收機的靈敏度。消光比的影響光源在直接強度調制下，由于要考慮一定的偏置電流，使得無信號脈沖時仍會有一定的輸出 功率。這種殘留的光將在接收機中產生噪聲，影響接收機靈敏度。定義參數消光比（EXT ）為：全“0”碼時平均輸岀光功率 全“1”碼時平均輸出光功率一般要求EXT 1 ）y 是該波長信號的

15、最大比特率（y =4或16分別代表STM - 4或STM-16 ）z 代表光纖類型（z =2 , 3 , 5分別代表G . 652 , G . 653或G.655光纖）。數字傳輸模型（記名稱和縮寫）模型分為：假設參考連接（HRX ）、假設參考數字鏈路（HRDL ）、假設參考數字段 （HRDS ）。誤碼特性的評定方法（具體見例題）（1 ）長期平均比特誤碼率平均誤碼率是指測量期間內收到的錯誤比特數與同一時期傳送的全部比特數之比。用長期 平均比特誤碼率的方法來評定誤碼，即是在較長的統計時間內，考查其平均比特誤碼率不超過某一 定值來衡量誤碼率的水平。長期平均誤碼率適用于誤碼是單個隨機發生的情況。(2)

16、誤碼的時間百分數誤碼時間率是以比特誤碼率超過規定閾值(BERT)的百分數來表示的。這是在一個較長的時 間TL內觀察誤碼，記錄每次平均取樣觀測時間0內的誤碼個數或誤碼率超過某一定值m的時間 百分數。誤碼性能的規范(1 ) N x 64Kbit/s數字連接的誤碼性能ITU T建議G 821定義了 2個參數來度量Nx64Kbit/s(N 1x10 - 3的秒。(提到嚴重要想到1x10 - 3 )(2)高比特率數字通道的性能TU-T所規定的3個高比特通道誤碼性能參數如下：誤塊秒比(ESR)嚴重誤塊秒比(SESR)背景誤塊比(BBER)高比特率通道全程誤碼指標分配|終結國 I中間國家(最貝個)|賽鬻終結

17、國IIII (例如口陽鋼II; I承載的通道)|I PTPIG I IG | IG IG | II 1GPTPi1 個轉接國 + 1% + l%/500km1 | |_ 國內部分111 175%11 + l%/500km1 國際部分1國內部分 11175%|127500km+ l%/500km|42抖動特性抖動是數字信號傳輸過程中的一種瞬時不穩定現象。抖動的定義是：數字信號的各有效瞬間 對其理想時間位置的短時偏移。漂移特性漂移的定義為數字信號的特定時刻（例如最佳抽樣）相對其理想時間位置的長時間偏移。 光纖通信系統四個參數：誤碼特性、抖動、飄移、延時。光纖系統的可用性（見例題）光接入網基本結構C

18、O/SN :端局或業務節點OLT :光線路終端ODN :光分配網絡ONU :光網絡單元泵浦作用當較弱的光信號和較強的泵浦光一起輸入進EDF時，泵浦光激活EDF中的鉺粒子，在信 號光子的感應下，鉺粒子產生受激輻射，躍遷到基態，將一粒一粒的光子注入進信號光中，完成放 大作用。EDFA的應用線路放大、功率放大、前置放大、LAN放大（主要記前三種）48色散補償光纖對光纖一階群速度色散（GVD ）完全補償的條件為：Dt（A）Lt+Dc（A）L=O。（刃一傳輸光纖在波長處的色散系數;2（久”-色散補償光纖在波長處的色散系數；L 傳輸光纖的長度； L色散補償光纖的長度。CDCF的品質因數DCF的品質因數FO