2024年光纖通信系統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)總結(jié)

分析光纖中的傳輸，可用兩種理論：射線光學(xué)（即幾何光學(xué)）理論和波動(dòng)光學(xué)理論。依照光纖橫截面上折射率分布的情況來(lái)分類，光纖可分為階躍折射率型和漸變折射率型。數(shù)值孔徑NA=，表示光纖的集光能力。最大時(shí)延差L為光纖的長(zhǎng)度相對(duì)折射率差單位長(zhǎng)度光纖的最大群時(shí)延差損耗和色散是光纖的兩個(gè)重要的傳輸特性。色散可分為：模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散。采取內(nèi)包層的作用：1減小基模的損耗，2得到纖芯半徑較大的單模光纖。0.85m，1.3m和1.55m左右是光纖通信中常用的低損耗窗口。色散可分為模式色散，材料色散以及波導(dǎo)色散。在所有的導(dǎo)模中，只有HE11模式的截止頻率為0，亦即截止波長(zhǎng)為無(wú)窮大。HE11是任何光纖中都能存在、永不截止的模式，稱為基?；蛑髂?。最常用的光源是半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管用半導(dǎo)體激光器的原因：1）半導(dǎo)體光源體積?。?）發(fā)射波長(zhǎng)適合在光纖中低損耗傳輸；3）能夠直接進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制；4）可靠性較高。原子中的電子能夠通過(guò)和外界互換能量的方式發(fā)生量子躍遷，或稱為能級(jí)躍遷，若電子躍遷中互換的能量是熱運(yùn)動(dòng)的能量，稱為熱躍遷，若互換的能量是光能，則是光躍遷。放大媒質(zhì)：N2>N1，受激輻射占主導(dǎo)地位，r（v）>0，光波通過(guò)媒質(zhì)時(shí)強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律增加，光波被放大。的媒質(zhì)是一中處在非熱平衡狀態(tài)下的反常情況，稱之為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)或布居反轉(zhuǎn)，這種媒質(zhì)對(duì)應(yīng)于激光型放大的情況。在半導(dǎo)體物理中，一般把形成共價(jià)鍵的價(jià)電子所占據(jù)的能帶稱為價(jià)帶，把價(jià)帶上面鄰近的空帶（自由電子占據(jù)的能帶）稱為導(dǎo)帶。導(dǎo)帶和價(jià)帶之間，被寬度為Eg的禁帶所分開。原子的電離以及電子與空穴的復(fù)合發(fā)光等過(guò)程，重要發(fā)生在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間。光子能量滿足Eg<hv<e0V的光子有放大作用。對(duì)大量原子組成的體系來(lái)說(shuō)，將同時(shí)存在著光的自發(fā)發(fā)射、受激輻射、和受激吸取3個(gè)過(guò)程。自發(fā)發(fā)射：處在高能級(jí)E2上的電子按照一定的概率自發(fā)地躍遷到低能級(jí)E1上，并發(fā)射一個(gè)頻率為v、能量為hv=E2—E1的光子，這個(gè)過(guò)程稱為光的自發(fā)發(fā)射過(guò)程。自發(fā)發(fā)射的光是一個(gè)非相干光。受激輻射：處在高能級(jí)E2上的電子在光場(chǎng)的感應(yīng)下（感應(yīng)光子的能量為hv=E2—E1）發(fā)射一個(gè)和感應(yīng)光子一模同樣的光子，而躍進(jìn)到低能級(jí)E1，這個(gè)過(guò)程稱為光的受激輻射。受激吸?。禾幵诟吣芗?jí)E1上的電子在感應(yīng)光場(chǎng)的作用下（感應(yīng)光子的能量為hv=E2—E1），吸取一個(gè)光子而躍遷到高能級(jí)E2，這個(gè)過(guò)程稱為光的受激吸取過(guò)程。受激躍遷（包括受激吸取和受激輻射）和自發(fā)發(fā)射區(qū)分：1.自發(fā)發(fā)射只存在從高能級(jí)到低能級(jí)的過(guò)程，從E1到E2自發(fā)躍遷遷率為零；受激躍遷同時(shí)存在著E2E1和E1E2兩個(gè)過(guò)程，且受激吸取概率與受激輻射概率相同。2.自發(fā)躍遷概率和光場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)光，而受激躍遷概率和感應(yīng)光場(chǎng)的強(qiáng)度成正比。自發(fā)發(fā)射、受激輻射、和受激吸取對(duì)應(yīng)的器件分別是：發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器和光電二極管。產(chǎn)生穩(wěn)定激光的兩個(gè)條件：1）有源區(qū)里產(chǎn)生足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布；2）存在光學(xué)諧振機(jī)制，并在有源區(qū)里建立起穩(wěn)定的振蕩。半導(dǎo)體材料的禁帶寬帶（Eg）決定了激光器的發(fā)射波長(zhǎng)。制作半導(dǎo)體激光器的材料，是直接帶隙的半導(dǎo)體材料直接帶隙是指引帶的最低點(diǎn)和價(jià)帶的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)著相同的波數(shù)k（波矢量的模）。發(fā)光二極管基本性質(zhì)：發(fā)射譜線和發(fā)散角，響應(yīng)速度，熱特性，優(yōu)點(diǎn)（壽命長(zhǎng)、可靠性高、調(diào)制電路簡(jiǎn)單、成本低）。激光輸出與注入電脈沖之間存在一個(gè)時(shí)間延遲，稱為電光延遲時(shí)間。電流脈沖注入激光器以后，輸出光脈沖體現(xiàn)出衰減式的振蕩，稱之為張弛振蕩。某些激光器在某些注入電流下發(fā)生的一個(gè)連續(xù)振蕩，稱為自脈動(dòng)現(xiàn)象。在某些功率-電流曲線有明顯扭折的激光器中，常出現(xiàn)自脈動(dòng)現(xiàn)象。光調(diào)制可分為直接調(diào)制和間接調(diào)制。直接調(diào)制措施僅適合用于半導(dǎo)體光源（LD和LED），這種措施是把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入LD或LED，從而取得對(duì)應(yīng)的光信號(hào)，因此是采取電源調(diào)制措施。IM:光強(qiáng)度調(diào)制光源的各種調(diào)制措施調(diào)制方式調(diào)制法所利用的物理效應(yīng)間接調(diào)制電光調(diào)制電光效應(yīng)磁光調(diào)制磁光效應(yīng)聲光調(diào)制聲光效應(yīng)其他電吸取效應(yīng)，共振吸取效應(yīng)直接調(diào)制電源調(diào)制消光比是指激光器在全“0”碼時(shí)發(fā)射的功率與全“1”碼時(shí)發(fā)射的功率之比或光源的消光比直接影響接收機(jī)的靈敏度，為不使接收靈巧敏度明顯下降，消光比一般應(yīng)小于10%。激光發(fā)射極組要組成部分?jǐn)?shù)字信號(hào)入線路編碼調(diào)制電路（控制電路）LD光信號(hào)線路編碼作用：將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在光纖中傳輸?shù)男问健＿x擇直流預(yù)偏置電流應(yīng)考慮（兼顧到電光延遲、張弛振蕩、碼型效應(yīng)以及激光器的消光比、散粒噪聲）：1加大直流偏置電流使其逼近閾值，能夠大大減小電光延遲時(shí)間，同時(shí)使張弛振蕩得到一定程度的抑制。較小的調(diào)制脈沖電流就能得到足夠的輸出光脈沖。加大直流偏置電流會(huì)使激光器的消光比惡化。與光電二極管不一樣，雪崩光電二極管（APD）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上已考慮到使它能承受高反向偏壓，從而在PN結(jié)內(nèi)部形成一個(gè)高電場(chǎng)區(qū)。熱噪聲的電阻能夠有兩種等效方式：①等效為一個(gè)無(wú)噪聲的電阻和一個(gè)噪聲電流源并聯(lián)；②把帶有噪聲的電阻等效為一個(gè)理想的電阻和一個(gè)噪聲電壓源串聯(lián)。場(chǎng)效應(yīng)管（FET）重要噪聲源：散粒噪聲和溝道熱噪聲。場(chǎng)效應(yīng)管的散粒噪聲遠(yuǎn)小于溝道噪聲。雙極晶體管的噪聲源：散粒噪聲，基區(qū)電阻的熱噪聲，分派噪聲，和1/f噪聲。前置放大器重要有3種類型：低阻型前置放大器，高阻型前置放大器，跨阻型前置放大器。輸入端偏置電阻越大，放大器的輸入電阻越高，輸出端噪聲就越小。靈敏度是指確保達(dá)成給定的誤碼率的條件下，光接收機(jī)需要輸入的最低光功率。均衡濾波器能夠消除碼間干擾的影響。接收機(jī)電路具備良好的均衡能力，能將輸出波形均衡為無(wú)碼間干擾的、具備升余弦頻率譜的波形。最佳的輸入脈沖波形是單位脈沖輸入脈沖波形越窄，它的頻譜越寬，接收機(jī)的頻帶就能夠窄某些，有利于限制高頻噪聲，提升接收靈敏度。脈沖有無(wú)限寬的頻譜，因此輸入脈沖時(shí)，放大器的噪聲最小，靈敏度最高。光纖通信中，輸出波形常常被均衡成升余弦頻譜（相頻特性為線性的）。接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍是指在接收機(jī)正常工作的前提下，所允許的接收光功率的變化范圍，它也是接收機(jī)的一個(gè)重要的性能指標(biāo)。PHD的一、二、三次群PCM復(fù)接設(shè)備的輸出碼型是HDB3碼，4次群復(fù)接設(shè)備的輸出碼型是CMI碼。常用的光線路碼型大體能夠歸納為3類：擾碼二進(jìn)制、字變換碼、插入型碼。最經(jīng)典的字變換碼，在我國(guó)也最常用的是mBnB。誤碼性能一般用長(zhǎng)期平均誤碼率（簡(jiǎn)稱誤碼率）、誤碼的時(shí)間百分?jǐn)?shù)和誤碼秒百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。數(shù)字信號(hào)（包括時(shí)鐘信號(hào)）的各個(gè)有效瞬間對(duì)于標(biāo)按時(shí)間位置的偏差，稱為抖動(dòng)（或漂動(dòng)），10Hz如下的長(zhǎng)期相位變化稱為漂動(dòng)，10Hz以上的則稱為抖動(dòng)。抖動(dòng)的單位是UI，它表示單位時(shí)隙。抖動(dòng)性能參數(shù)：輸入抖動(dòng)容限，輸出抖動(dòng)，抖動(dòng)轉(zhuǎn)移特性。輸入抖動(dòng)容限：光纖通信系統(tǒng)的各次群的輸入接口必須允許輸入信號(hào)含有一定的抖動(dòng)，系統(tǒng)所許的輸入信號(hào)的最大抖動(dòng)范圍。輸出抖動(dòng)：當(dāng)系統(tǒng)無(wú)輸入抖動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)輸出口的信號(hào)抖動(dòng)特性。抖動(dòng)轉(zhuǎn)移也稱為抖動(dòng)傳遞，定義為系統(tǒng)輸出信號(hào)的抖動(dòng)與輸入信號(hào)中具備對(duì)應(yīng)頻率的抖動(dòng)之比。系統(tǒng)性能的測(cè)試要用（常用儀表：）光功率計(jì)，可變光衰減器，（專用儀表：）誤碼測(cè)試儀，誤碼分析儀，數(shù)字傳輸分析儀，SDH分析儀等。SDH的塊狀幀結(jié)構(gòu)(P228)段開銷（SOH：SectionOverhead）是為了確保信息凈負(fù)荷正常、靈活地傳送所必須的附加字節(jié)，重要供網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、管理和維護(hù)使用。管理單元指針：AUPTR（AdministrativeUnitPointer）SDH中的指針在復(fù)用映射過(guò)程中的作用：1）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處在同時(shí)工作狀態(tài)時(shí)，指針用來(lái)進(jìn)行同時(shí)信號(hào)間的相位校準(zhǔn)；2）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)失去同時(shí)時(shí)，指針用作頻率和相位校準(zhǔn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處在異步工作時(shí)，指針用作頻率跟蹤校準(zhǔn)；3）指針還能夠用來(lái)容納網(wǎng)絡(luò)中的頻率抖動(dòng)和漂移。自愈環(huán)形網(wǎng)就是無(wú)需人為干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)就能在極短時(shí)間內(nèi)從失效故障中自動(dòng)恢復(fù)所攜帶的業(yè)務(wù)，使用戶感覺不到網(wǎng)絡(luò)已出了故障。自愈環(huán)結(jié)構(gòu)分為兩大類：通道倒換環(huán)和復(fù)用段倒換環(huán)。再生段距離設(shè)計(jì)分兩種情況：1損耗受限系統(tǒng)，即再生距離有發(fā)、收之間光通道的損耗決定；2色散受限系統(tǒng)，即再生距離由S和R點(diǎn)之間光通道總色散所限定，需要進(jìn)行功率預(yù)算和色散預(yù)算。頻率啁啾單縱模激光器工作于直接調(diào)制狀態(tài)時(shí)，因?yàn)樽⑷腚娏鞯淖兓鹩性磪^(qū)載流子濃度變化，進(jìn)而使有源區(qū)折射率發(fā)生變化。成果導(dǎo)致諧振波長(zhǎng)伴隨時(shí)間偏移，產(chǎn)生頻率啁啾。受激輻射光放大器的基礎(chǔ)工作原理是利用受激輻射效應(yīng)完成光子倍增、實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大的。EDFA（摻鉺光纖放大器）的3種基本泵浦結(jié)構(gòu)方式：同向泵浦，反向泵浦，雙向泵浦。采取同向泵浦，可取得很好的噪聲性能；反向泵浦，取得較高的輸出功率；雙向泵浦，使EDFA的增益和噪聲性能都優(yōu)于單向泵浦。雙泵浦源方式：980nm的泵浦源工