光纤通信重点

第一章光纤通信系统概述

? 光纤通信的三个主要通信窗口的情况；

850nm：影响第一代光纤通信的主要因素是多模光纤中的模式色散 1330nm：影响第一代光纤通信的主要因素是多模光纤中的模式色散 1550nm：限制因素：在1.55μm处的非零色散. ? 光纤通信的主要特点；

1.光波系统的容量远大于电波系统

2.光波作为信息载体，提供高速大容量通信：光载波带宽远大于微波带宽 3.光纤作为传输介质，提供较小的中继距离：光纤损耗远小于同轴线的损耗 4.光纤作为对信号的封闭系统：抗电磁干扰、保密性好 5.光纤纤芯细质量极轻，制成设备质量轻体积小 6.光纤的缺点，抗拉强度低，光纤连接困难. 第二章光纤传输线理论 一、主要概念：

1、单模光纤、多模光纤；

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，适用于高码速传输

多模光纤的定义是：在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传输时，则称为多模光纤 2、子午光线、空间光线； 子午光线（Meridian Ray）：处在一个平面内（包括光纤轴线的平面，称之为子午面），经过光纤轴线在周围边界间作内部全反射的光线 空间光线（Skew Ray）：不交轴光线 3、相对折射率差、光纤的数值孔径； 相对折射率差：

数值孔径：表征一根光纤捕捉光的能力，4、模式色散、材料色散、波导色散； 模式色散：同一频率成分由不同模式组成 材料色散：一个光信号由不同频率组成， 波导色散：同一模式含有不同频率成分 5、光纤归一化频率；

6、色散位移光纤（DSF）、色散平坦光纤（DFF）、色散补偿光纤（DCF）；

色散位移光纤在1.550um处色散系统数接近于零，损耗的统一，克服了单模光纤的不足，是线性传输的首选光纤。

色散补偿光纤法就是用一段在1.550um处具有负色散系统数的光纤去抵消常规光纤或非零色散位移光线中的正色散系数 7、偏振模色散；

两个偏振方向的传输常数不同，导致的色散 二、主要技术原理及分析：

1、单模光纤的基本结构和主要特点。

2、渐变折射率光纤与阶跃折射率光纤相比，为何能够做到色散比较小、时延比较小。 渐变折射率光纤的折射率在纤芯中是连续变化的，适当地选择折射率的分布形式，可以使不同入射角的光线有大致相同的光程，从而大大减小群时延差。从渐变折射率光纤端面上平行入射的光线具有相同的传输时延，有自聚焦性质，使得色散比较小。

3、有关数值孔径的导出及其物理意义和其相关计算，以及相对折射率差的计算方法。

根据折射定律：

若要在纤芯与包层的界面（n1与n2的交界处）发生全反射，

需要满足：

取n0=1（空气）,并假设n1≈n2

关于数值孔径NA的若干结论

? 数值孔径与光纤几何尺寸无关（与一般光学系统不 同之处），只与其纤芯和包层的折射率分布有关。 ? 数值孔径越大，光纤的集光能力越强

? 实际分析表明，数值孔径并不是越大越好，这是因 为随着光纤入射功率的增大，色散亦将增加。

4、请简述光纤模式色散、材料色散、波导色散各自产生的原因及其主要区别。

模式色散：越小对应的模次越高，则沿z向的传输速度越低。所以说，不同模式具有不同的

群速，引起了色散。以不同角度入射的光线（不同模式）传过相同距离所需时间不同

波导色散是模式本身的色散，材料色散是材料d^2n/dl^2(l为波长)所造成的，而波导色散是因为某一模式的d^2B/ dl^2(B为相角l为波长)所形成的。 5、光纤最大时延差的相关分析和计算。

光纤单位长度最大时延差：

6、单模光纤、多模光纤、渐变折射率光纤中光线传播的差异。

7、光纤的LP模分析理论（掌握主要结论，不深入分析过程）、模式截止波长的计算及光纤单模传输条件的相关分析计算。

对称介质平板波导的单模传输条件为此时波导中只存在一个TE0模式。

光纤中的基模是LP01，次低次模是LP11，故能够进行单模传输的条件为

8、色散补偿光纤进行色散补偿的基本原理

（1）只要把信号通过两段具有相反符号色散的光纤，就可以对光纤进行色散补偿，从而消除GVD对信号的影响。 （2）DCF 就是这样一种与SMF具有相反色散的光纤，一般的SMF的色散参数为-16ps2/km，DCF的色散参数约为SMF的五倍为80ps2/km左右，因此在实际应用中常采用周期间隔等于光放大器间隔的分布式色散补偿，光信号在SMF中每传输一段距离（约50km左右）在经过一段DCF（约10km左右），两种光纤中的色散就可以相互抵消，从而实现对光信号的色散补偿。

9、射线光学和波动光学分析方法的特点

射线光学：应用条件，光纤几何尺寸远大于光的波长； 特点，简单、直观但是无法精确分析

波动光学：结果精确、可建立模式的概念、单模传输的条件但是计算复杂 第三章光源与光发送机 一、主要概念：

1、自发辐射、受激辐射、受激吸收；

自发辐射--在没有外界影响的情况下，处于高能级E2上的原子自发向低能级E1跃迁，并释放一个光子的过程

受激辐射——在外来光子（能量为hν=E2-E1 ）的作用下，处于高能级E2上的原子向低能级E1跃迁，并释放一个和入射光子完全相同（频率相同，动量相同，相位相同）的光子 吸收—— 在外来光子（ 能量为hν=E2-E1 ）的作用下，处于低能级E1上的原子向高能级E2跃迁，外来光子的能量被粒子吸收 2、粒子数反转分布；

对处于热平衡状态的物质施加能量，可以使处于低能级上的原子激发到高能级上，使得体系中高能级的粒子数远大于低能级，即N2>N1，称为粒子数反转分布 3、泵浦源；F‐P谐振腔

通过对处于热平衡状态的物质施加能量，可以使处于低能级上的原子激发到高能级上，从而实现粒子数反转分布，所需的外界能源称为泵浦源

F-P光学谐振腔的基本结构

4 、全同光子、微分量子效率；

和入射光子完全相同（频率相同，动量相同，相位相同）的光子

ηi 称为微分量子效率——阈值点以上，单位时间发

射的光子数与注入的电子-空穴对数之比。微分量子效率与输出特性曲线的斜率成正比。

5 、同质结、异质结、双异质结；

同质结：P区和N区是由同种半导体材料经过不同掺杂构成 异质结：P区和N区是由不同的半导体材料经掺杂构成

双异质结：

6 、同型异质结、反型异质结；

7 、半导体激光器的张驰振荡、码型效应、电光延迟时间、消光比；

张弛振荡——电流脉冲注入激光器后,输出的光功率表现为衰减式的振荡.是激光器内部存在 的固有特性。

电光延迟时间td —— 从注入电流到有激光输出所需的时间，一般为10-9s量级 脉码效应——指激光器在传输一系列脉冲信号时，后一个光脉冲的幅度大于前一个光脉冲的幅度，延迟时间比前一个的小 一般要求消光比<10% 9、掺铒光纤放大器；

EDFA的工作波长窗口为1559nm窗口，与光纤的低损耗窗口，是最具吸引力和最 为成熟的光纤放大器。 掺饵光纤是EDFA的核心，它以石英光纤作基础材料，在光纤芯子中掺入一定比例 的稀土元素——铒离子（Er3+）,形成掺铒光纤。 二、主要技术原理及分析：

1、自发辐射与受激辐射的相同之处和主要区别所在。 自发辐射：所发射的光子不相干，只有频率相同，动量不相同；因此所形成的光为非相干光。 受激辐射：所发射的光子为全同光子；因此所形成的光为相干光；这一过程可用于光放大： 2、一般激光器的结构组成及其各部分的主要功能及激光器的工作原理。 结构组成：工作物质（增益介质）、平面反射镜、泵浦源； 激光器产生相干光需要满足以下条件

? 相位匹配条件：1、2两路光的相位差为2π 的整数倍，产生相干叠加 ? 阈值条件：光的放大效应> 光的衰减效应

3、利用相位平衡条件分析激光器的谐振频率（能够根据所给条件确定特定激光器的纵模分布、纵模间隔等）；能够运用振幅平衡条件分析激光器工作的增益阈值条件。 每一个谐振频率对应腔中的一个振荡模式，称为纵模。

相邻两纵模频率之差为纵模间隔

对于一个确定的谐振腔（L,n一定）,纵模间隔Δf 是常数，即各纵模等间隔分布。

称为光学谐振腔的阈值条件

4、同质结、异质结半导体激光器，以及二者的主要区别。

5、试说明双异质结激光器阈值电流密度较小的主要原因。

A.P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不

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