内容发布更新时间 : 2024/12/27 13:31:07星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
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