光纤通信系统简要复习

光纤通信就是用光作为信息的载体，以光纤作为传输介质的一种通信方式

光纤通信系统中起主导作用的是激光器和光纤

三个低损耗窗口和损耗值：850nm 3db/km; 1310nm 0.4db/km; 1550nm 0.2db/km

STM-1: 155.520Mbit/s

光纤通信系统的组成
光发送机、通信信道、光接收机等基本单元组成
还包含一些互连与光信号处理部件，如光连接器、
隔离器、调制器、滤波器、光开关、中继器等

光纤的主要材料是SiO₂

光纤由纤芯、包层、涂层组成

纤芯的作用是提高折射率，是光的传输通道

包层的是降低折射率，将光信号封闭在纤芯内，保护光纤

涂层的作用是提高机械强度和柔软性

纤芯的折射率高于包层的折射率

单模光纤的纤芯直径8um~12um，包层直径125um
多模光纤的纤芯直径50um，包层直径125um

折射率在纤芯和包层界面突变的光纤称为阶跃光纤

折射率在纤芯内按某种规律逐渐降低的光纤为渐变光纤

全反射是指从光密介质入射到光疏介质，全部被反射回原介质的现象

全反射的条件是从光密到光疏，入射角大于或等于临界角 theta=arcsin(n2/n1)

数值孔径反映了光纤收集光的能力

数值孔径等于入射临界角的正弦值

渐变光纤中，当折射率按平方率分布，使不同入射角的全部光纤以同样
的轴向速度在光纤中传播，同时到达光纤轴上的某点，即所有的光线
都有相同的空间周期，这种现象称为自聚焦

相对纤芯包层折射率差

导模传播常数

归一化频率

多模阶跃模式数

多模渐变模式数

光纤色散是光纤中传输的光信号，随着传输距离的增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应

材料色散：光纤材料的折射率随光频率呈非线性变化的色散

波导色散，某个导模在不同波长下的群速度不同引起的色散，它与光纤的结构
和波导效应有关，因此又称结构色散

模式色散：多模光纤由于各个导模之间群速度不同造成的模间色散

偏振模色散：实际单模光纤存在少量的不对称性，造成两个偏振模的群速度不同，

在1310nm处决定因素是材料色散和波导色散

G.652 SSF
G.653 DSF 零色散波长从1310nm移至1550nm
G.654 CSF 进一步降低1550nm损耗，零色散波长仍为1310nm

光纤的最大时延差n1delta_nL/C

已知波长、谱宽知道怎么求材料色散造成的脉冲展宽

损耗的表达式

损耗的类型：吸收损耗、散射损耗、辐射损耗

光纤通信向长波长、单模传播方向发展的原因是
长波长的损耗和色散比短波长小，单模没有模式色散，总色散小于多模，且单模
长波长可以实现零色散

w和dbm的转换关系

损耗常数alpha，Pout=Pinexp（-alphaL)

光缆分类：层绞式、骨架式、带状式、束管式

光纤制造流程：制棒->拉丝->涂敷->成缆

受激吸收、 受激发射、自发发射

双异质结：势垒限制空穴进入n、限制电子进入p、折射率差光波导效应

波尔兹曼公式 N2/N1=exp(-hv/kT)

面发射LED：输出功率较大、发散角120°、与光纤耦合效率低

边发射LED：发散角30°，输出耦合效率高

LED内量子效率

产生激光的条件：粒子数反转、提供光反馈、满足激光振荡的阈值条件

LED输出非想干光、谱宽宽、入纤功率小，调制速率低、适合短距离低速系统
LD输出想干光、谱宽窄，入纤功率大，调制速率高，适合长距离高速系统

模式数 m=2nl/namda

纵模间隔delta_v=c/2nl

抑制张弛振荡、减小光延迟的简单方法是预偏置在阈值附近
，这样可以减小td，缩短载流子寿命tsp，有利于提高调制速率

光驱动电路的基本结构是由调制电路和控制电路组成
提供恒定的偏置电流和调制信号，采用伺服保持平均
光功率不变

APC
ATC

光发射机由输入电路、驱动电路、光源、光调制器、保护报警、自动偏置组成

光检测器外加工作电压反向偏置，使本征区中的载流子完全耗尽，形成高电场耗尽区，
使入射到检测器上的光子能高速度、高效率转换成光生电子

PIN没有倍增，使用简单，工作偏压低，不需要任何控制，噪声性能优越；
APD具有很高的内部倍增因子，灵敏度高，偏压大，需要AGC对偏压精细控制
小功率注入下噪声性能优越

光电检测器的量子效率η=(Ip/e)/(R0/hv)=(Ip/p0)*(hc/eλ)
响应度R0=Ip/P0=ηeλ/hc=ηλ/1.24

光接收机的线性通道包括高增益放大器、低通滤波器；带宽由低通滤波器决定。

数据重建由判决电路和时钟恢复电路组成，其任务是把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号

光接收机中存在散粒噪声和热噪声
散粒噪声包括光检测器的量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD倍增噪声
热噪声主要指负载电阻RL产生的热噪声，放大器噪声

PIN和APD的信噪比表达式，什么条件下光接收机信噪比占优势
SNR_PIN
①散粒噪声限制下
SNR随入射光功率线性增加，只与量子效率、光子能量和带宽有关
②热噪声限制下
SNR随入射功率平方倍变化，增加负载可以提高信噪比
SNR_APD
①散粒噪声限制下

②热噪声限制下

光接收机的灵敏度定义为：接收工作于某一误码率条件下所需的最小平均接收光功率

误码率定义为接收机判决电路错误确定一个比特的概率，标准BER 小于e-9

光接收机的极限灵敏度表达式

引起光接收机灵敏度恶化的因素
消光比、强度噪声、取棒时间抖动

光电混合中继原理图

3R中继器：均衡放大、识别再生、再定时
2R中继器
1R中继器

光放大器种类
SOA、光纤放大器、非线性光纤放大器、最常用EDFA

光放大器可能的应用
在线放大器、功率放大器、前置放大器、LAN放大器

EDFA的优点：高增益、高功率、宽带宽、低噪声、低插损

EDFA的主要应用方式：发送机功率提升放大、光接收机前置放大器、和替代
3R光电–中继器的光中继放大

EDFA的关键技术是掺铒光纤和泵浦源技术

掺铒光纤放大器的基本结构
前向或正向泵结构、后向或反向泵结构、双向泵结构

EDFA的噪声主要噪声：信号光的散粒噪声、ASE光谱信号光之间的差拍噪声、ASE光谱间的差拍噪声