2012.6.光纤通信期末复习

2012.6.光纤通信复习资料?整理人:章施月

第一章 概论

1、谁提出了现代光纤通信?【高锟&霍克哈姆】 2、光纤通信用的是【近红外光】(波长约1μm,频率约300THz) 3、光纤是由绝缘的【石英(SiO2)】材料制成的。 4、【简答题】光纤通信的优点(6点)? 答:①容许频带很宽,传输容量很大;②损耗很小,中继距离很长且误码率很小;③重量轻、体积小;④抗电磁干扰性能好;⑤泄漏小,保密性能好;⑥节约金属材料,有利于资源合理使用。

第二章 光纤和光缆

1、光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。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。

2、光纤结构:(由内到外)纤芯,包层,涂覆层。

作用:①纤芯:光能量传输的通道;

②包层:为光的传输提供反射面和光隔离以及机械保护作用;

③涂覆层:保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤。一般为硅橡胶材料或聚丙乙烯。

3、光纤分类:①按光纤的制造材料不同分类:石英光纤和塑料光纤;

②按光纤的折射率分布不同分类:阶跃型光纤和渐变型光纤; ③按光纤传播模式分类:多模光纤(MMF)和单模光纤(SMF);

模式:光纤可以看成是导引电磁能量沿光纤长度方向传播的光波导,被导电磁波称为导波模式。 多模光纤:当纤芯远大于光波波长(约1um)时,传输会存在多个传输模式,光纤称为多模光纤。

④按工作波长分类:短波长光纤和长波长光纤。

⑤按照ITU-T建议分类:G.651光纤(多模渐变型光纤)、G.652光纤(标准单模光纤)、G.653光纤(色散位移光纤)、G.654光纤(衰减最小光纤)、G.655光纤(非零色散光纤)等。【选择题,书本P35】

4、光纤类型:①突变型多模光纤(多模阶跃折射率光纤);

纤芯直径2a=50~80μm,光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播,特点是信号畸变大。带宽只有10~20 MHz·km,一般用于小容量(8 Mb/s以下)短距离(几km以内)系统。 ②渐变型多模光纤(多模渐变折射率光纤);

这种光纤一般纤芯直径2a为50μm,光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播,特点是信号畸变小。渐变型多模光纤的带宽可达1~2 GHz·km,适用于中等容量(34~140 Mb/s)中等距离(10~20 km)系统

1

③单模光纤。

折射率分布和阶跃型光纤相似,纤芯直径只有8~10 μm,光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式(只传输主模),所以称为单模光纤,其信号畸变很小。

5、全反射:

数值孔径:根据全反射原理,定义临界角θc的正弦为数值孔径(NA)

(n0=1)

NA表示光纤接收和传输光的能力。

1)NA越大,纤芯对光能量的束缚越强,光纤抗弯曲性能越好;

NA的选择 2)NA越大,经光纤传输后产生的信号畸变越大。

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 【计算题】

设光纤的纤芯折射率n1=1.500,包层折射率n2=1.485。求: 1)相对折射率差Δ;(2)数值孔径NA;(3)入射临界角θmax 。

n?n1.500?1.485解:(1)相对折射率差Δ: ? ? 1 2 ? ? 0.01

n11.500

(2)数值孔径NA: NA ? ? ? 1 .500 2 ? 0 ? 0.21 n 1 2.01

(3)入射临界角θmax: ? m ax ? sin ? 1 ( NA ? 1 ( 0 .21 12.12° ) ?sin) ?------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6、时间延迟差:?τ=

L2n1

θc =2nc

2

L

1 c

NA 2≈

n1Lc

?

这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽,或称为信号畸变 7、自聚焦效应:不同入射角相应的光线,虽然经历的路程不同,但是最终都会聚在P点上,这种现象称为自聚焦效应。

P点

2

8、归一化频率V: V?

2??2an12?n2V:光纤的归一化频率; n1:纤芯折射率; 2 ?单模传输条件:归一化频率 V ? n 1 ? 2 .405 Δ :相对折射率差; ? λ:传输光波长。

gg?2222)akn1??()9、 传输模数(模的数量): M?(g?2g?22 2对于阶跃(突变型)光纤,g=∞,其模式数目为 M?

V2对于渐变型光纤, g=2,其模式数目为 M?4

2V对于三角分布, g=1,其模式数目为 M?6

2?aV2-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 【计算题】

如果纤芯直径 d ? 62 .5 um , 数值孔径NA=0.275,工作波长 ? ? 1300 nm , 计算渐变折射率的模式数量。 解: 2??6?922?(3.14?62.5?10?0.275)/1300?10?41.5V?an?n12 ?

V2 M??4314

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 10、色散:色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号,由于不同成分的光的传播时间不同而产生的一种物理效应。

模式色散 11、色散的分类 材料色散 色度色散(波长色散) 波导色散 (波导色散为负色散,纤芯半径越小,折射率差越大,波导色散也越负)

12、多模光纤:模式色散占主要地位;

单模光纤:材料色散和波导色散共同影响总色散。

13、单模光纤的波长色散用D(λ) 表示,即单位波长间隔(1nm)的两个频率成分在光纤中传播1km时 所产生的群时延差。

?????色散的单位: D(?)?(ps/(nm?km)??

??为光波长间隔,?????为光波长间隔对应的群时延差。

单位皮秒每千米每纳米

3

14、光纤损耗: 损耗系数:??10Pilg(dB/km) LP0损耗的分类:①吸收损耗(是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的)

②散射损耗(主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纤结

构缺陷(如气泡)引起的散射产生的)

③辐射损耗(光纤的几何形状有关)

第三章 通信用光器件

1、光与物质的三种相互作用:受激吸收,自发辐射和受激辐射。

受激辐射的光子与原光子具有相同的波长、相位和传播方向 受激吸收:(产生光放大的主要原因)光经过晶体时,受激吸收占主要地位,光被衰减吸收。 2、【简答题】受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同:

答:①受激辐射光的频率、相偏振态和传播方式与入射光相同,这种光称相干光;

②自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的,其频率和方向分布在一定范围内,相位和偏振态是混乱的,这种光称为非相干光。 3、【简答题】什么是粒子(电子)数反转分布?

答:如果N2>N1,即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。N2>N1的分布和正常状态(N1>N2)的分布相反,所以称为粒子(电子)数反转分布。

4、粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件,但还不能产生激光。只有把激活物质置于

光学谐振腔中,对光的频率和方向进行选择,才能获得连续的光放大和激光振荡输出。 产生激光的三个必要条件:激活物质、谐振腔、激励系统。

2nLccq5、相位平衡条件: ?=或f==q?2nL

n为激活物质的折射率4

6、纵模的频率间隔是: ? f?2nL

c纵模波长间隔与频率间隔关系: ?f???2?---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 【计算题】 c?f?理论指出,LD的纵模频率间隔 2 nL ,其中n是谐振腔内半导体材料的折

射率,L是谐振腔长度。若某一GaAs激光二极管的λ=850nm,L=0.5mm,n=3.7,试求该激光器的纵模波长间隔。 解: 222??0.85 ????f???0.195?10?3μm?0.195nm c2nL2?3.7?500---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

7、半导体激光器发射波长:

8、半导体激光器温度特性:

①阈值电流??th随温度的升高而加大

②外微分量子效率????随温度的升高而减小

温度升高时,??th增大,????减小,输出光功率明显下降,达到一定温度时,激光器就不激射了。

图3.12示出脉冲调制的激光器,由于温度升高引起阀值电流增加和外微分量子效率减小,造成的输出光功率特性P-I曲线变化。

图3.12 P-I曲线随温度的变化

9、发光二极管(LED)

①发光二极管(LED)的工作原理与激光器(LD)不同,LD发射的是受激辐射光,LED发射的是自发辐射光;

②LED与LD结构相似,采用双异质结(DH)结构;

正面发光型LED

③LED分类

侧面发光型LED

④和激光器相比,发光二极管输出光功率较小,光谱宽度较宽,调制频率较低; 但发光二极管性能稳定,寿命长,输出光功率线性范围宽,而且制造工艺简单,价格低廉; LED在小容量短距离系统中发挥重要作用。

10、光检测器:①PIN光电二极管;②雪崩光电二极管(APD)。 ①PIN光电二极管:两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体; ②雪崩光电二极管(APD):增加了一个附加层,倍增区或增益区,以实现碰撞电离产生二

次电子-空穴对。

增加了一个倍增区

5

c1eV=1.6?10?19J

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