- 学校：西安邮电大学
- 学期：2023年秋季
- 教师：何华
- 教材：《光纤通信技术/21世纪高等院校信息与通信工程规划教材》，张新社 刘原华 何华 金蓉 编著，9787115331120
第一章
光纤通信的概念
光纤通信是指利用相干性和方向性极好的激光作为载波来携带信息，并利用光导纤维进行传输的通信方式。
光纤通信的6个特点
- 频带宽，传输容量大
- 损耗小，中继距离长
- 重量轻，体积小
- 抗电磁干扰性能好
- 泄露小，保密好
- 节约金属材料，有利于资源合理使用
直接调制和间接调制的概念
直接调制：利用电信号注入半导体激光器或发光二极管从而获得相应光信号的，其输出功率和大小随信号电流的大小而变化。这种方式较简单，容易实现。但调制速率受激光器特性所限制。
间接调制：把激光的产生和调制分开，在激光形成后再加载调制信号，是用独立的调制器对激光器的输出的激光进行调制。外调制方法在相干光通信中得到了应用。
第二章
光纤的组成
- 纤芯：位于光缆的中心部位
- 包层：位于纤芯的周围
- 涂覆层：光纤的最外层为涂覆层
光纤分类方式
- 按折射率分类：阶跃折射率光纤（SI）、渐变折射率光纤（GI）
- 按传输模式分类：多模光纤、单模光纤
光纤的损耗分类
- 吸收损耗：制造光纤的材料本身造成的损耗，包括紫外吸收红外吸收和杂散吸收。
- 散射损耗：由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷引起的散射产生的。
- 弯曲损耗：光纤的弯曲会引起辐射损耗。分为曲率半径比光线直径大得多的弯曲和微弯曲两种。
光纤的色散分类
- 材料色散：由于材料折射率随光信号频率的变化而不同，光信号不同频率成分所对应的群速度不同，由此引起的色散称为材料色散。
- 波导色散：由于光纤波导结构引起的色散称为波导色散。
- 模式色散：多模光纤中不同模式的光束有不同的群速度。在传输过程中，不同模式光束的时间延迟不同而产生的色散。
- 色度色散：由于光源的不同频率成分具有不同的群速度，在传输过程中，不同频率光束的时间延迟不同而产生的色散称为色度色散。色度色散包括材料色散和波导色散。
- 偏振色散：由于光信号的两个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称偏振模色散。
- 单模光纤主要是材料色散和波导色散，多模光纤主要是模式色散
低损耗工作窗口
- 损耗最小：1550nm
- 色散最小：1310nm
- 850nm
光缆
- 结构：缆芯、护层、加强芯
- 分类：层绞式结构光缆、骨架式结构光缆、带状结构光缆
第三章
光纤通信主要使用的光源
半导体激光器（LD），半导体发光二极管（LED）
光和物质的三种作用
受激吸收，受激辐射，自发辐射
激光器的基本组成
- 能够产生激光的工作物质：可以使粒子数处于反转分布状态的工作物质
- 泵浦源：使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源
- 光学谐振腔
费米能级
在温度大于绝对零度时，在费米能级之上，电子占据的概率较小，小于50%；在费米能级之下，电子占据的概率较大，大于50%。由此看出，费米能级是一个描述半导体中各能级被电子占据的状态的标志。费米能级越高，表明在较高的能级上有电子分布。
扩散
载流子扩散运动的结果是在PN结界面附近形成了一个空间电荷区。
半导体激光器特性
- 阈值特性：对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流值称为阈值电流，用I(th)表示。当输入电流小于阈值电流时，半导体激光器发出的光功率很小，为自发辐射所致，激光器发出的是荧光。当输入电流大于阈值电流时，激光器才发出激光。在输入电流大于阈值电流的一段范围内发射的光功率P与输入电流近似为线性关系。
- 光谱特性：半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。当电流小于阈值电流时，发出的是荧光，因此光谱很宽。当电流大于阈值电流时，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光。
LED与LD比较
与LD相比，LED的内部没有光学谐振腔，发光过程中PN结不一定需要实现粒子数反转，因此它是无阈值器件。工作原理是自发辐射，发出的是荧光，是非相干光源。
半导体激光器的调制特性
- 电光延迟：当有源区电子密度小于阈值电子密度时，激光器并不激射，因此输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个时间延迟，称为电光延迟时间。
- 张弛震荡：当电流脉冲注入激光器后输出光脉冲的顶部呈现幅度逐渐衰减的振荡，称为张弛振荡。
- 自脉动现象：某些激光器的 P-I 特性曲线有明显扭折，当注入电流落入该范围时，输出光脉冲出现一种持续等伏的高频振荡，这种现象称为自脉动现象。
- 电光延迟和张弛震荡的后果是限制了调制速率。
- 电光延迟会产生码型效应，“0”码后的第一个“1”码脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时会使单个“1”码丢失。解决方式是增加直流偏置电流。
结发热效应
由于调制电流的作用，激光器结区温度也会发生变化，因而使输出光脉冲的形状发生变化，这种效应称为“结发热效应”。
半导体光源的PI特性曲线
直接调制与外部调制光发射机框图
第四章
常用光检测机
光电二极管和雪崩光电二极管
PIN光电二极管的主要特性
- 量子效率：是器件内部呈现的微观灵敏特性
- 响应度：是器件在外部电路呈现的宏观灵敏特性
- 响应时间：表征光检测器对信号变化响应快慢，受渡越时间、扩散时间和光电检测电路影响
- 噪声：直接影响光检测机的灵敏度，主要是散粒噪声和热噪声
雪崩光电二极管原理
半导体材料的雪崩倍增效应。
均衡滤波作用
- 没有均衡滤波器会出现的问题：经过部件后矩形脉冲频谱中只有有限的频率分量可以通过，会产生很长的拖尾，使前后码元的波形重叠，产生码间干扰，严重时会产生误码。
- 有均衡滤波器的波形：即使输出波形仍有拖尾，这个拖尾在邻码判决的这个关键时刻为零，从而不干扰对邻码的判决。
第五章
光纤连接器
- 作用：把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间可拆卸连接的器件。
- 组成部分：连接器插头、转换器或适配器、变换器、光缆跳线、裸光纤转换器
- 分类：FC型连接器、SC型连接器、ST型连接器
- 参数：插入损耗、回波损耗
光纤耦合器
- 作用：一个或多个输入光分配给多个或一个光输出，实现了输入光功率在不同输入端口的再分配。
- 分类：T型耦合器（一分二）、星型耦合器（n分m）、定向耦合器（取出光纤中不同方向传输的光信号）、波分复用器（把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光纤）
- 参数：插入损耗、附加损耗
光开关
- 作用：控制光路的通断
- 分类：按工作介质分，可分为自由空间光开关和波长光开关；按工作原理分，可以分为机械式和非机械式
光纤光栅
- 组成部分：由一段折射率沿其长度周期性变化的光线结构所构成
光衰减器
- 作用：消除线路中过大信号
- 分类：根据工作原理：反射型光衰减器、耦合型光衰减器、吸收型光衰减器
光隔离器
- 作用：对正向传输光具有较低的插入损耗，而对反向传输光具有很大的衰减作用。
- 分类：偏振相关型光隔离器，偏振无关型光隔离器
- 非互易器件
光环形器
- 非互易器件
第六章
SOA 与 LD 结构类似，但没有谐振腔
EDFA 工作原理
- 光子直接激励电子使其达到激发态
- 泵浦源波长比信号波长短一些
- 工作波长 1550nm
EDFA 结构
掺铒光纤、泵浦光源、耦合器、光隔离器、光滤波器
分为前向泵浦方式、后向泵浦方式、双向泵浦方式
EDFA 应用
- 功率放大器：将EDFA直接放在光发射机的输出端用来提高光发射机的输出功率。
- 前置放大器：将EDFA放在光接收机前面，提高光接收机的灵敏度。
- 线路放大器：将EDFA直接插入到光纤传输链路中对信号进行放大。
第七章
常用的线路码型
- 扰码
- 字变换码
- 插入型码
扰码作用
抑制连0和连1，便于从线路信号中提取时钟信号。使线路码流中的“0”、“1”出现概率相等
分组码（mBnB码）
把输入码流中每m比特码分为一组，然后变换为n比特。输入码字可能有 2^m 种，输出码字可能有 2^n 种
误码性能参数
- 劣化分钟：每分钟误码率低于 10^(-6)
- 严重误码秒：每秒误码率劣于 10^(-3)
- 误码秒：出现误码数不为0的秒
SDH
- STM-1 基群速率 155.520Mbps
- 帧结构分为共9列的段开销（第1~3行再生段开销，第5~9行复用段开销），第4行共9列的管理单元指针，第10~270列的净负荷
三种EDFA结构
STM-1帧结构
第八章
光传输系统提高传输速率的方法
- 提高单信道传输速率
- 使用密集波分复用（DWDM）技术
WDM分为DWDM和CWDM
什么是光信噪比（OSNR）
光信号功率与噪声功率的比值，对于 10Gbps 的系统，接收端要求OSNR在25dB以上
光纤中的非线性效应
受激散射引起的非线性效应
- 受激拉曼散射（SRS）
- 受激布里渊散射（SBS）
非线性折射率引起的非线性效应
- 自相位调制（SPM）
- 交叉相位调制（XPM）
- 四波混频（FWM）
什么是大有效面积光纤
增加了光纤有效面积，提高了光纤承受最大光功率的能力，克服了光纤的非线性效应，改善了系统的光信噪比，延长了光放大器距离，增加了密集波分复用的信道数。
什么是低色散斜率光纤
通过降低色散斜率，可以改进短波长的性能而不必增加长波长的色散，使整个C波段和L波段的色散变化减至最小，同时可以降低C波段和L波段的色散补偿的成本和复杂度。
第九章
光时分复用（OTDM）的概念
OTDM 是用多路电信号调制具有同一个光频的不同光通道（时隙），经复用后在同一根光纤中传输的技术。
光波分复用（WDM）的概念
在一根光纤中传输多个波长信道的技术。
光频分复用和光波分复用在本质上一样，复用原理也相同。
DWDM系统的基本构成形式
- 双纤单向传输
- 单纤双向传输
- 光分路插入传输
光波长转换器OTU
为了把SDH系统接入到开放式DWDM复用系统中，开放式DWDM系统必须依靠波长转换器这一关键器件来实现波长转换。
- 光电型波长转换器
- 全光型波长转换器
电时分复用和光时分复用系统的比较
DWDM传输框图
第十章
FTTx 中文名
- FTTC 光纤到路边
- FTTB 光纤到大楼
- FTTO 光纤到办公室
- FTTH 光纤到户
接入网的定界
- 网络侧 -> 业务节点接口 SNI -> 业务节点（SN）
- 用户侧 -> 用户网络接口 UNI -> 用户
- 管理侧 -> Q3 接口 -> 电信管理网（TMN）
光纤接入网的基本功能模块/基本结构
- OLT 光线路终端
- ONU 光网络单元
- ODN 光分配网络