光纤通信原理教案新4

批准人：

年月日

光纤通信教案

光纤通信教案之四

教学提要

课目：光纤通信器件

目的：通过学习，了解光源的构造及工作原理，掌握光源的工作特性；了解光电转换原理，熟悉常用的两种光电

检测器；了解光的无源器件，掌握光纤连接器的作用

和使用要求。

内容：一、光源

二、光电转换原理，光电检测器

三、光无源器件

实施方法：利用多媒体手段进行理论讲解

教学对象：岗前士兵

时间：5学时

地点：多媒体教室

要求：集中精力，认真听讲；做好笔记，把握重点

教学保障：多媒体教具、电工示教板一套

教学进程

教学准备：

1．清点人数，整理教具；

2．宣布教学提要；

教学实施：

同志们好，大家还记得，前面在介绍光纤通信发展史中我们曾经提到，光纤通信要解决的两大问题是什么吗？今天我们就要学习光纤通信中的光源、光电检测器以及光的无源器件。在上课之前大家可以想想，光纤通信可以用什么来发光？怎样将接收到的光信号转换为电信号？

光纤通信器件特点：具有实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解复用、光路装换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光装换、光信号放大、光信号调制等功能。是构成光纤通信系统的必备元件。

一、光源

光源在光纤通信系统中具有重要地位，就像人的心脏，光源是光纤通信系统的“心脏”

通信对光源的要求

发光波长与光纤的低衰减窗口相符；2、光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10uw-几mW之间；3、高可靠性，工作寿命大于10万小时；4、光谱宽度窄，要利于传输高速脉冲；5、便于调制，调制速率应能适应系统的要求；6、电光转换效率高；7、省电、体积小。

光能的基本概念

1、波动二象性：在一定条件下，物质具有粒子性，在另外条件下，物质又具有波动性。例如有以下公式：E=hV P=h/λλ*V=C h:普朗克常数 6.63*10-34 E:电子质量V:频率P:功率λ:波长C:光速

2、原子能级

原子核外的电子轨道上电子的能量称为能级。如下图

图中的E1-En表示每一个轨道上的电子所具有的能量。E1的能量最

高，它上面的电子离原子核最远，电子数目最少；而En的能量最低，它上面的电子离原子核最近，电子数目最多

（一）光源的分类及构成

光纤通信中的光源分为半导激光器和半导体发光二极管。半导体激光器(LD)主要应用在长距离、大容量的光纤通信系统中，其基本结构如下图所示。

激励源的作用是激活工作物质，使其能级中电子的受激辐射优于受激吸收。即使高能级电子数多于低能级数目（常称为粒子数反转分布），从而对光具有放大作用。光学谐振腔的作用是完成频率选择及光的反馈。它实际是两个平行的反射镜构成的。工作物质作用是提供确定的能级系统，使激光器在需要的光波范围内辐射光子。

半导体发光二极管(LED)主要用于短距离、小容量的光纤通信系统中，它和半导体激光器结构的主要区别是没有谐振腔。

光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：首先，光源的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。第三，光源应具有高度可靠性，工作寿命至少在10万小时以上才能满足工程的需要。第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传输高速脉冲。第五，光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。第六，电—光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。第七，光源应省电，光源的体积、重量不应太大。

（二）光源的工作原理

1.半导体能带

当大量原子相互靠近形成半导体晶体时，不同原子的内外各电子运动轨道就有一定的交叠。相邻原子的最外运动轨道交叠最多，而内运动轨道交叠最少。由于电子运动轨道的交叠，电子不再局限于某一原子上，而可以从一个原子转移到相邻的原子上去，因而电子可以在整个半导体晶体中运动。这种运动称为电子的共有化运动。由于电子的共有化运动，使原来孤立原子中的离散能级变成了能带，低能级

自发辐射

受激辐射 上电子的共有化运动很弱，其能级分裂得到的能带较窄；高能级上的电子的共有化运动显著，所以能级分裂形成的能带很宽。严格地说，在绝对温度为零时，价电子占据的能带称为价带。晶体中的电子在受到激励时，会跳到（称为跃迁）更高的能带去，变成自由电子，从而使晶体的导电性增强。这个更高的能带（即自由电子占据的能带）称为导带。能带与能带之间不允许电子存在，一般称为禁带。禁带的能量间隔称为禁带宽度，通常用符号Eg 表示。内层电子形成的能带通常填满电子，并且激励状态下对半导体晶体的特性影响不大。因此，讨论时只画价带、导带及这两个能带间的禁带，而不再画出内层完全填满电子的能带。

2. 光与物质作用的三种形式

在研究原子与光子间相互作用时，可以发现有三种不同的基本过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射。如下图所示。

自发辐射：处于较高能级E2上的电子，总是力图向低能级E1跃迁，好象高处的物体有向下掉的趋势一样。因此，在没有任何外界作用的条件下，也可以自发地产生从高能级E2到低能级E1的跃迁。这叫作自发辐射。

受激吸收：设有一个处于低能级E1的电子，当一个频率为f21的外来光子趋近它时，这个电子就有可能吸收这个光子的能量，而跃迁到高能级E2上去。这个过程叫做受激吸收。

受激辐射：设有一个处于高能级E2的电子，当一个频率为f21=（E2-E1）/h的外来光子趋近它时，这个电子受到光子的“刺激”，也有可能从高能级E2跃迁到低能级E1，同时辐射出一个能量为E=E2-E1，频率为f21=（E2-E1）/h的光子来。这个过程叫做光的受激辐射。

3.半导体激光器粒子数反转分布

实际上，光的自发辐射、受激吸收和受激辐射是同时存在的。在通常情况下（即热平衡条件下，电子具有正常能级分布时），由于低能级上的电子数较多，所以总是光的受激吸收占优势，也就是光总是受到衰减。要获得光的放大，必须设法使光的受激辐射占优势。也就是说，要使电子在能级上的分布反常态，使处于高能级的电子数目远远多于低能级上的电子数目。通常把这种分布叫做“粒子数反转分布”。

怎样才能使电子分布处于“粒子数反转分布”呢？人们曾用光激励、放电激励、化学激励等方法，给物质加以能量，以求把处于低能级的电子激励到高能级上去。例如，可以用频率为f21的泵浦光进行激励。。

开始时，由于低能级E1上的原子数比高能级E2上的原子数多，所以受激吸收比受激辐射过程占优势，N2不断增加。但随着N2的增加，受激辐射过程也就逐渐加强，高能级上的电子数目增加缓慢了。

因此，即使泵浦光的激励再强，也只能得到N1=N2的情况，如图3.1.4

中的a和b两点所示。这时受激吸收过程与受激辐射过程（以及自发辐射过程）达到“动态平衡”，形成了所谓“激励饱和”的状态。在这种情况下，同一时间内有多少电子从低能级被激发到高能级，也就有同样数目的高能级电子跃迁到低能级上去，因而不能实现“粒子数反转分布”。

为了实现“粒子数反转分布”，人们进一步去寻找多能级体系。图3.1.5示出了有E1、E2、E3三个能级的电子体系。用频率为f31=（E3-E1）/h的泵浦光进行饱和激励，使得E3上的电子数增加△，而与E1上的电子数相等。这样，能级E3上的电子数就能够大于能级E2上的电子数，在E3和E2之间形成粒子数反转，从而可以放大频率为f32=(E3.E2)/h的光波。

半导体激光器中，怎样造成粒子数反转分布？其实半导体激光器的核心部分是一个PN结。与一般半导体二极管不同，为了造成粒子数反转分布，这个PN结是高掺杂的，P型半导体中空穴极多，N型半导体中自由电子极多，二者结合在一起，由于扩散便在交界面两侧形成“空间电荷区”，空间电荷区阻止电子空穴进一步扩散。当PN结加上足够大的正向电压，保证电流足够大时，P区的空穴和N区中的电子大量地向结区注入，在PN结的空间电荷区便形成了类似图3.1.7的状态，电子能量被提升位于导带，空穴居于价带，而且电子在导带极多，空穴在价带极多。于是在PN结的空间电荷区附近就存在一个

电子数反转分布的区域，这个区域叫做“有源区”或“作用区”。

4.谐振腔

实现光的放大，必须有“粒子数反转分布”的条件，但经历一

次光放大，远不能产生大功率、频率单一的激光来。于是人们利用两个平行的平面反射镜M1和M2来实现光的反馈放大，而把激光物质放在两个反射镜之间（见基本结构图1），产生受激辐射的光子流，射到谐振腔一端的部分反射镜M2上，再被反射回腔中，又继续沿轴线方向，向反射镜M1运动。在运动过程中，继续产生上述链锁反应，激发出许多光子，遇到反射镜M1又折回来朝M2运动，光子流就这样在谐振腔的两个反射镜之间来回反射，并不断加强。这相当于光在谐振腔得到了反馈放大，形成光振荡。被放大的光可以部分地通过透射镜M2，于是射出一束笔直的强光，这就是激光。谐振腔除了正反馈

外，还有对激光频率、相位、方向进行选择的功能。

5.光源的工作原理

半导体激光器是向高掺杂的半导体材料的PN结注入电流，实现结区的粒子数反转分布，产生受激辐射，利用谐振腔的正反馈产生光

波振荡，从而输出激光。

要产生激光，必须满足两个条件：

（1）产生足够的粒子数反转分布，使受激辐射大于受激吸收，并足以补偿光损耗。

（2）有产生正反馈作用的谐振腔。

半导体发光二极管与激光器的根本区别是它没有光学谐振腔，这就决定了它不能产生激光，主要是由自发辐射作用发光，因而发出的是荧光。

（三）光源的特性

1.P-I特性

发光二级管的P-I特性

激光器的P—I特性如上图所示。激光器的几个主要特性参数都可以从P—I特性来确定，P表示激光器的输出功率，I表示激光器的注入电流。由图可见，激光器注入电流逐渐增加，输出功率也逐渐增加，但不是直线关系。当注入电流增大到某一值时，输出功率急剧增加，并且发光特性也会发生很大的变化，产生激光振荡，我们称这个电流为阈值电流，常用Ith表示，它是P—I曲线拐点所对应的电流。不同的激光器，有不同的阈值电流。为了使光纤通信系统稳定可靠地工作，希望阈值电流越小越好。目前，较好的半导体激光器阈值电流在10～150mA范围。当注入电流大于阈值时，激光器发出激光；注入电流小于阈值时，激光器发荧光，相当于发光二极管的情况。在某些应用中，激光器在阈值电流以下工作，其特性接近于发光二极管，输出光功率较小，谱线宽度较宽。

从P—I特性曲线上还可以得到另外两个重要参数，一个是微分量子效率，一个是功率转换效率。微分量子效率定义为输出光子数的增量与注入电子数的增量之比。在室温下，GaAlAs激光器的微分量子效率一般为40～50%（不考虑尾纤），曲线越陡，微分量子效率越大。

激光器的功率转换效率定义为输出光功率与消耗的电功率之比，式中V是PN结的正向电压；Rs是激光器的串联电阻（包括半导体材

料的体电阻和接触电阻），GaAlAs激光器一般为0.5Ω。对于光纤通信用的半导体激光器，功率转换效率一般为5～10%。

发光二极管的P—I特性或称LED的输出特性，它表示发光二极管的输出光功率与注入电流的关系，如上图所示。由图可见，与激光器的P—I特性相比，具有线性较好的特点。在注入电流较小时，P—I特性曲线基本上是线性的。当注入电流较大时，由于P—N结的发热而出现饱和现象。

2.光源的温度特性

（1）半导体激光器的温度特性

半导体激光器的阈值电流、输出功率和发光波长随温度变化的特性称为温度特性。在长波长激光器中，温度变化对激光器特性的影响比短波长大。

阈值电流与温度的变化关系可以表示为：

式中T是工作温度；T0是器件的特征温度，它表示器件的温度特性（T0较大，表示器件的温度稳定性较好）。GaAlAs激光器一般在120～200K范围；InGaAsP激光器一般在50～70K范围。图3.1.12是InGaAsP 激光器的温度特性。对于GaAlAs激光器，一般是Ith(60℃)/Ith(20℃)＝13。对于InGaAsP激光器，一般为Ith(60℃)/Ith(20℃)＝2.3。可见，长波长半导体激光器的温度特性较差，而 1.55μm激光器比1.3μm激光器的温度特性还差。

由于温度的变化，将使半导体材料的能隙和折射率发生变化，因而使温度变化影响激光器的发光波长。随着温度的增加，激光器输出光波长向长波长漂移。对于GaAlAs激光器，变化率一般为2A/℃

左右；对于InGaAsP激光器，变化率一般为4～5A/℃。

温度变化对激光器特性的影响将会降低光纤通信系统的稳定性和可靠性。当温度变化超过某一定范围时，系统将无法正常工作。因此，在一般情况下，应对光源的工作温度进行自动控制。特别在外差通信系统中，对光源的温度稳定性要求更高，以保证光纤通信系统能在变化较大的环境温度下正常工作。

为了得到稳定的激光器输出特性，一般应使用各种自动控制电路来稳定激光器的阈值电流和输出功率。

（2）发光二极管的温度特性

发光二极管的工作状态对温度的依赖性要小于激光二极管。对于任何一种发光二极管在工作电流保持不变的情况下，输出功率总是随着温度升高而下降的。

发光二极管的温度特性的另一种表现是使发光二极管的输出功率随工作电流呈线性变化的规律受到限制，这主要是由于有源区内的内部量子效率和半导体材料的热导率均随温度升高近似于按指数规律降低。因而，对于给定的半导体材料来说，有一个对应着最大输出功率（发光二极管饱和状态）的有源区温度，称为临界温度。不管有源区的尺寸如何，最大输出功率总是由其临界温度决定的，但是工作电流使器件内阻发热引起的有源区温度升高与器件结构有十分密切的关系。因为有源区的临界温度保持不变，而小器件比大器件容易散热，所以小面积的发光二极管与大面积的发光二极管相比能够在较大的电流密度下工作，也就是具有较高的亮度。但是它的线性较差，即在较小的电流下就呈现非线性输出

二、光电检测器

（一）构成及分类

光纤通信中的光电检测器分为PIN光电检测器和APD。PIN光电检测器主要应用于短距离、小容量的光纤通信系统中；APD主要应用于长距离、大容量的光纤通信系统中。最简单的光检测器就是P-N结，但它存在许多缺点。光纤通信系统中采用较多的是PIN光电二极管（PIN-PD）及雪崩光电二极管（APD）。

APD与场效应管（FET）组合成为PIN-FET或APD-FET接收机组件，因为它们兼有光电转换和放大作用，在光纤通信接收机中获得广泛应用。它们的基本结构如上图。其中PN是一个基本的PN结，I为本征层，外加反偏电压，具体工作原理将在下面叙述。

（二）光电器件的工作原理

1.PIN光电检测器

见课本图3.2.2示出了光电二极管检测器原理图。PN结光电二极管的核心是一个P结。当PN结被光照射时，就产生了许多电子、空穴对。这些光生载流子扩散到结区时，受到结区内自建场的作用，电子漂移到N区，空穴漂移到P区。于是，在P区就有过剩空穴（正电荷）的积累，N区就有过剩电子（负电荷）的积累，如图所示。这样，在PN结两边就产生一个光生电动势，其极性如图所示。这一现象叫做光生伏特效应。如果把PN结的外电路接通、将会有光电流Is

流过电路。利用光生伏特效应制成的探测器，称为光生伏特检测器。当入射激光光波照射到PN结时，在PN结两边产生正比于入射光强的电压，这样在电路中形成了响应于入射光强的电流，从而完成了由光信号到电信号的变换。

为了提高PN结光电二极管的响应速度，人们在制造工艺上作了一些改进。如课本图3.2.3所示，以一块厚度为70～100μm的本征硅材料做本体，在本体的两边使用外延或扩散工艺分别形成很薄的P 层和N层，厚度有几个微米。这种本征硅材料做成的本体称为I层，它夹在PN结的中间，这种结构的光电二极管称为PIN光电二极管。如图所示，PIN光电二极管在反向偏压状态下使用。当入射光照射到PIN结时，在I层两边的P层和N层中，光激发产生的电子、空穴经过扩散和漂移，形成了通过PIN结的光电流。虽然I层较厚，但它处于一个强的反向电场作用下，载流子将以极快的漂移速度通过I层。载流子通过两边的P层、N层区内时，是以较慢的扩散运动前进的。但P层，N层都很薄，所以总地说来，载流子通过PIN结的时间很短，因而它的响应速度很快，可以探测高调制频率的光信号。

2.APD雪崩光电二极管

如果在制作PN结时，把其中N层或P层进行大量的掺杂，那么，在高反向偏压状态下使用时，入射光照到PN结激发出电子、空穴。其中电子载流子将在高反向偏压作用下，以极快的漂移速度通过PN 结，并在途中高速撞击半导体材料晶格上的原子，产生新的电子、空穴对。由于N区内电子浓度高，又产生出大量的电子载流子。这种过程不断的重复，在PN区内电流急剧倍增放大，最后产生“雪崩”现

象。这种利用“雪崩”现象的PN结光电二极管，叫做雪崩光电二极管。其结构如下图所示。当外加反偏压较小时，E的分布如图曲线(1)所示,峰值电场较低,不会发生雪崩；加大偏压，使峰值电场超出雪崩所需最低电场时，才会发生雪崩效应。它有高的灵敏度，但电流倍增时的噪声比较大。在作为探测器使用时，一般工作于接近雪崩的状态。根据实验得知，这种状态使用，噪声较小，灵敏度较高。加反向偏压

APD的结构及场强分布

雪崩光电二极管的量子效率和响应速度与普通的PIN光电二极管差不多，不同的是雪崩光电二极管的PN结内有光放大作用，PIN 光电二极管的PIN结无光放大作用，但雪崩光电二极管的最大电流增益受到带宽的限制。

（三）光电检测器的工作特性

1.响应度（R）

在给定波长的光照射下，光电检测器的输出平均电流与入射的平均光功率之比称响应率或响应度。简言之，即输入单位光功率产生

的平均输出电流，R的单位为A/W或μA/μW。其表达式为：

R=Ip/P

式中Ip为光电流的平均值；P为入射光功率平均值。

一般PIN-PD和APD的响应率在0.3～0.7μA/μW范围。习惯上将APD的响应率与倍增因子的乘积定义为APD的灵敏度。对无倍增的光电二极管灵敏度与响应率是一个含义。

2.量子效率

响应度是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性，而量子效率是内部呈现的微观灵敏特性。量子效率是能量为hν的每个入射光子所产生的电子空穴载流子对的数量：

η=R×hc/eλ(×100%)

R=η×eλ/ hc（μA/μW）

式中e是电子电荷；ν为光频。已知Ip/P=R，所以η与R可以相互换算（以ν=c/λ代入）：

按现有水平制作的光电二极管，入射100个光子可产生30～95电子、空穴对，所以η在30～95%之间。η与R都与波入λ有关。若将h、c、e的常数代入，并且未知波长λ以μm值代入，则可获得R和η的实用公式为：

η=R/λ×1.24(×100%)

R=ηλ/1.24（μA/μW）

3.响应速度

光电二极管的响应速度是指它的光电转换快慢。影响光电二极管响应

时间的因素有以下四点：

（1）零场区光生载流子的扩散时间；

（2）耗尽区光生载流子的漂移时间；

（3）雪崩倍增建立时间；

（4）RC时间常数。

其中（1）的量级最大。它发生在PN结的耗尽区外边，包括光敏面和收集极的部分。当入射光在这两个零场区内产生电子—空穴对时，要经过缓慢扩散后进入到耗尽区才能形成外部光电流。光电二极管要有快速响应，在结构上首先要减薄零场区，其次是减小结电容。采用同轴封装和微带结构以减小管壳电容，可进一步提高响应速度。

APD的倍增因子和倍增噪声

（1）APD倍增因子：

提高光接收机的灵敏度可从提高信噪比（S/N）着手。S/N的定义为：

PIN光电二极管具有很低的噪声，但它不能放大信号，S/N不大。雪崩光电二极管虽然噪声较大，但它的内部增益有利于提高S/N，所以较多地被采用。

雪崩光电二极管（APD）的电流增益，即倍增因子M可表示为：

式中Ip为APD倍增后的光电流；Ipo是未倍增时的原始光生电流。若无倍增时和有倍增时，APD电流分别为I1和I2，则应扣除当时的暗电流Id1和Id2后才能求出M。

APD的M随偏压加大而增加，但伴随的倍增噪声增长速度比M

还快，见图3.2.5。接近Vb时，会使器件噪声猛增。所以使用中，M 不要选得过大，应服从最佳工作状态，即工作在要求的动态范围内为好。所谓APD的倍增因子为M，并不意味着每一瞬时，光电流都倍增了M倍。M值是一个统计平均值。由于载流子碰撞电离是随机的，迫使外部光电流出现起伏。“起伏”就是噪声的本质。

（2）APD的倍增噪声：

APD光电检测器的噪声包括量子噪声、暗电流噪声和由倍增过程产生的倍增噪声。在这三种噪声中，一般是倍增噪声的影响较大，机理也比较复杂。我们仅讨论倍增噪声的简单机理和一些重要的结论。

APD的倍增噪声是由以下两个因素产生的：一是入射在光电检测器光敏面上的光子产生一次电子—空穴的随机性，即每个一次电子—空穴对产生二次电子—空穴对数是不能准确测定的，倍增因子是一个统计平均的概念。由此可见，APD的倍增噪声是一个复杂的随机函数，它与APD的类型、工作条件和空穴、电子离化率等许多因素有关，

其概率分布相当复杂，既不属于高斯分布，也不属于泊松分布。

4. 温度特性

环境温度的变化将对APD光电检测器的性能产生影响，主要是对倍增特性和暗电流的影响。不同温度时，APD倍增因子与外加偏压

的关系如下图所示。由图可知，APD的击穿电压Vb随温度而变化。当温度升高时，Vb也跟着上升。例如Si-APD的击穿电压Vb在20℃时为100V；当温度升高10℃时，Vb升高1伏。在一般情况下，其工作电压接近Vb。此时，曲线的斜变陡。在Vb随环境温度变化时，如果工作电压不变，倍增因子将发生变化，甚至可能使器件超出正常的工作区域。在一定的工作偏压下，随着温度的增加APD的倍增减小。

温度变化对APD光电检测器暗电流的影响也相当显著，结温每升高8℃左右，Si-APD的暗电流增大一倍左右。暗电流的增大将使接收机灵敏度下降。

三、光无源器件

（一）光纤连接器

光纤连接器又称光纤活动连接器，俗称活动接头。它用于设备（如光端机、光测试仪表等）与光纤之间的连接、光纤与光纤之间的的连接或光纤与其他无源器件的连接。它是组成光纤通信系统和测量系统不可缺少的一种重要无源器件。

光纤连接器的作用是将需要连接起来的单根或多根光纤芯线的端面对准、贴紧并能多次使用。光纤的芯径很细，是在微米级。因此，对其加工工艺和精度都有比较高的要求。为此，光纤连接器应满足如

下条件：

1.连接损耗要小：连接损耗是评价光纤连接器的主要指标。目前各种不同结构的单模光纤连接器的插入损耗为0.5dB左右。

2.装、折方便。

3.稳定性好：连接后，插入损耗随时间、环境的改变应变化不大。

4.重复性好：一般要求重复使用次数大于1000次。

5.互换性好：要求同一种型号的活动连接器可以互换。

6.体积小、成本低。

光纤连接器分为多芯连接和单芯连接，多芯连接可同时连接多对光纤，单芯连接则只能连接一对光纤。

光纤连接器又可分为活动连接器和固定连接器。活动连接器即可重复拆装，而固定连接器则一次成形。

在实用光纤通信系统中，光源与光纤的连接以及光纤与光电检测器的连接均采用光纤活动连接器。我国常用的有FC型活动连接器和PC型活动连接器，它是由一个珐琅盘和两个带尾纤单芯光缆的插针体组成的，由螺纹将其固定起来。FC型和PC型连接器之间的最大区别在于：FC型插针体光纤端面是平的，而PC型插针体端面是弧状的，反射很小。因此PC型活动连接器适用于高速光通信系统以及要求反射小的光纤系统。

另一种光纤活动连接器是插拔式活动连接器。它的连接方式是插拔式，不需旋螺纹，操作十分简单，有利于结构紧凑和容量大的配线架设计。实际上可将活动连接器的一端固定在设备或仪表的面板上，另一端可以自由插拔。

光纤通信原理与技术课程教学大纲

《光纤通信原理与技术》课程教学大纲 英文名称：Fiber Communication Principle and its Application 学时：51 学分：3 开课学期：第7学期 一、课程性质与任务 通过讲授光纤通信技术的基础知识，使学生了解掌握光纤通信的基本特点，学习光纤通信系统的三个重要组成部分：光源（光发射机）、光纤（光缆）和光检测器（光接收机）。通过本课程的学习，学生将掌握光纤通信的基本原理、光纤通信系统的组成和系统设计的基本方法，了解光纤通信的未来与发展，为今后的工程应用和研究生阶段的学习打下基础。 二、课程教学的基本要求 要求通过课堂认真听讲和实验课，以及课下自学，基本掌握光纤通信的基础理论知识和应用概况，熟悉光纤通信在电信、通信中的应用，为今后的工作打下坚实的理论基础。 三、课程内容 第一章光通信发展史及其优点（1学时） 第二章光纤的传输特性（2学时） 第三章影响光纤传输特性的一些物理因素（5学时） 第四章光纤通信系统和网络中的光无源器件（9学时） 第五章光纤通信技术中的光有源器件（3学时） 第六章光纤通信技术中使用的光放大器（4学时） 第七章光纤传输系统（4学时） 第八章光纤网络介绍（6学时） 第九章光纤通信原理与技术实验（17课时） 四、教学重点、难点 本课程的教学重点是光电信息技术物理基础、电光信息转换、光电信息转换，光电信息技术应用，光电新产品开发举例。本课程的教学难点是光电信息技术物理基础。

五、教学时数分配 教学时数51学时，其中理论讲授34学时，实践教学17学时。（教学时数具体见附表1和实践教学具体安排见附表2） 六、教学方式 理论授课以多媒体和模型教学为主，必要时开展演示性实验。 七、本课程与其它课程的关系 1.本课程必要的先修课程 《光学》、《电动力学》、《量子力学》等课程 2.本课程的后续课程 《激光技术》和《光纤通信原理实验》以及就业实习。 八、考核方式 考核方式：考查 具体有三种。根据大多数学生学习情况和学生兴趣而定其中一种。第一种是采用期末考试与平时成绩相结合的方式进行综合评定。对于理论和常识部分采用闭卷考试，期末考试成绩占总成绩的55％，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15％；第二种是采用课程设计（含市场调查报告）和平时成绩相结合的方式，课程设计占总成绩的55%，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15%。第三种是采用课程论文（含市场调查报告）和平时成绩相结合的方式，课程论文占总成绩的55%，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15%。 九、教材及教学参考书 1.主教材 《光纤通信原理与技术》，吴德明编著，科学出版社，第二版，2010年9月 2.参考书 （1）《光纤通信原理与仿真》，郭建强、高晓蓉、王泽勇编著，西南交通大学出版社，第一版，2013年5月 （2）《光通信原理与技术》，朱勇、王江平、卢麟，科学出版社，第二版，2011年8月

光纤通信原理

光纤通信原理作业 1、 LP01是单模光纤中的基模，它是一种B模。 A. 双折射 B. 线极化 C. 圆极化 D. 园双折 2、在目前的实用光纤通信系统中采用A调制方式，即将调制信号 直接作用在光源上，使光源的输出功率随调制信号的变化而变化。 B. 间接 C. 外 D. 分接 3、费米能级E f可视为能级被电子占据的界限，它是反映物质中电子在各能级 上A的参量。 A. 分布 B. 跃迁 C. 辐射 D. 放大 4、电子占据某能级的几率服从A分布。 A. 费米统计 B. 柏松 C. 指数 D. 平方 5、色散位移单模光纤是在A um处，实现衰减最小和色散最小. A. 1.55 B. 1550 C. 1560 D. 1.5１ 6、零色散光纤是指工作波长为A nm的单模光纤，可获得最小的衰 减特性和特性。 ，色散 B. 1310 ，色散 C. 1.55 ，放大 D. 1.51，复用 光电检测器是利用材料的B，来实现光电转换的器件。 A. 受激吸收

B. 光电效应 C. 非线性 D. 受激辐射 8、光学谐振腔中的纵模是指腔中驻波沿轴向的分布状态，纵模间隔Δf= B。A. B. C. D. 9、光纤色散包括C、和模式色散。 单纵模、多纵模 B. 极化色散、多纵模 C. 材料色散、波导色散 D. 双折射、圆极化 10、受激辐射中产生一个C。 A. 菲涅尔现象 B. 费米能级 C. 全同光子 D. 耦合模式 11、光纤通信的三个低损耗窗口是1310nm、850nm、C μm。 B. 1550 C. 1.55 D. 1.51 12、当光纤纤芯的折射率与包层的折射率C时，称为弱导波光纤。

2013年10月光纤通信原理试题

全国2013年10月高等教育自学考试 光纤通信原理试题 课程代码：02338 一、单项选择题(本大题共10小题，每小题1分，共10分) 在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。 1.随着温度的逐步升高，LD 的阈值电流（ ） A.逐渐降低 B.逐渐增大 C.不变 D.先降低后增大 2.在下列因素中，不属于．．． 影响接收机灵敏度的因素是（ ） A.光发射机的消光比 B.光电检测器响应度 C.光纤衰减 D.光电检测器噪声 3.速率为f b 的NRZ 码经4B1H 码型变换后，线路码的速率是（ ） A.b f B. b f 5 6 C.b f 54 D.b f 4 5 4.在STM-1信号的帧结构中，AU 指针区域的位置是在（ ） A.1～9列，第4行 B.1～9列，1～9行 C.1～3列，第4行 D.1～3列，1～9行 5.EDFA 中将光信号和泵浦光混合后送入掺铒光纤中的器件是（ ） A.光滤波器 B.光隔离器 C.光耦合器 D.光连接器 6.目前光纤通信三个实用的低损耗工作窗口是（ ） A.0.85μm ，1.20μm ，1.55μm B.0.85μm ，1.31μm ，1.55μm C.0.85μm ，1.20μm ，1.31μm D.1.05μm ，1.20μm ，1.31μm 7.薄膜波导中，导波的截止条件为（ ） A.λ0≥λc B.λ0＜λc C.λ0≥0 D.λ0≤1.55μm 8.薄膜波导中，导波的特征方程为（ ） A.2k 0d-2Φ12-2Φ13=2m π B.2k 1d-Φ12-Φ13=2m π C.2k 1z d-2Φ12-2Φ13=2m π D.2k 1x d-2Φ12-2Φ13=2m π 9.在下列特性参数中，不属于．．．单模光纤的特性参数是（ ） A.数值孔径 B.截止波长 C.衰减 D.折射率分布 10.在阶跃型弱导波光纤中导波的基模为（ ） A.LP 00 B.LP 11 C.LP 01 D.LP 12 二、填空题(本大题共15小题，每小题1分，共15分) 请在每小题的空格中填上正确答案。错填、不填均无分。

光纤通信的基本原理

光纤通信的基本原理 光纤是由单根玻璃光纤、紧靠纤心的包层、一次涂履层以及套塑保护层组成。纤芯和包层由两种光学性能不同的介质构成，内部的介质对光的折射率比环绕它的介质的折射率高，因此当光从折射率高的一侧射入折射率低的一侧时，只要入射角度大于一个临界值，就会发生反射现象，能量将不受损失。这时包在外围的覆盖层就象不透明的物质一样，防止了光线在穿插过程中从表面逸出。 由发光二极管LED 或注入型激光二极管ILD 发出光信号沿光纤传播，在另一端则有PIN 或APD 光电二极管作为检波器接收信号。为确保信号的有效传输，在光发送端之前需增加光放大器，以提高入纤的光功率，在接收端的光电检测器之后将微信号进行放大，以提高接收能力。 光纤类型 根据光在光纤中的传播方式可将光纤划分为两种类型：即多模光纤和单模光纤。多模光纤又根据其包层的折射率进一步分为突变型折射率光纤和渐变型折射率光纤。多模光纤主要用于短距离、低速率的通信，用于干线传输网建设的光纤主要有三种，即G.652 常规单模光纤、G.653 色散位移单模光纤和G.655 非零色散位移光纤。而其中的G.65 3 光纤除了在日本等国家的干线网上有应用之外，在我国的干线网上几乎没有应用。G.655 光纤中的新型光纤最多，如低色散斜率光纤、大有效面积光纤、无水峰光纤等。 G.652 单模光纤：在C 波段1530 ～1565 nm 和L 波段1565 ～1625nm 的色散较大，系统速率达到2.5 Gbit/s 以上时，需要进行色散补偿，在10 Gbit/s 时系统色散补偿成本较大，它是目前传输网中敷设最为普遍的一种光纤。 G.653 色散位移光纤：在C 波段和L 波段的色散很小，在1550nm 是零色散，系统速率可达到20 Gbit/s 和40 Gbit/s ，是单波长超长距离传输的最佳光纤。但是，由于其零色散的特性，在采用DWDM 扩容时会出现非线性效应，产生四波混频（FWM ），导致信号串扰，因此不太适用于DWDM 。 G.655 非零色散位移光纤：在C 波段和L 波段的色散较小，避开了零色散区，既抑制了四波混频，也可以开通高速系统。新型的G.655 光纤可以使有效面积扩大到一般光纤的1.5 ～2 倍，大有效面积可以降低功率密度，减少光纤的非线性效应。 光纤的优点 传输频带宽、通信容量大。 光纤传输损耗低、中继距离长。 光纤传输的信号不受电磁的干扰、保密性强、使用安全。 光纤具有抗高温和耐腐蚀的性能，因而可以抵御恶劣的工作环境。 光纤的体积小、重量轻，便于敷设。 制作光纤的原材料丰富，石英光纤的主要成分是二氧化硅（SiO 2 ）。 光缆的制造： 光缆的制造过程一般分以下几个过程： 光纤的筛选：选择传输特性优良和张力合格的光纤。 光纤的染色：应用标准的全色谱来标识，要求高温不退色不迁移。

光纤通信原理及应用

光纤通信原理及应用 摘要：光纤通信技术是利用半导体激光器等光电转换器将电信号转换成光信号，并使其在光纤中快速、安全地传输的一门新兴技术。光纤是一种理想的传输媒体，它具有传输时延低、高通信质量、高带宽、抗干扰能力强等特点。光纤在高速以太网中有着广泛的应用。论文主要分析了光电信号的转换、光纤通信的基本原理并介绍了光纤在通信领域中的一些应用。 关键词：光纤通信；光电转换；全反射 1. 引言 光纤是用光透射率高的电介质构成的光通路，它是一种介质圆柱光波导，它是用非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。光纤通信就是在发送端利用半导体激光转换器将电信号转换成光信号并利用光导纤维传递光脉冲来进行通信，光波通过纤芯以全反射的方式进行传导，有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0。同时，接收端利用光电二极管或半导体激光器做成光检测器，检测到光脉冲时将光信号还原成电信号。在由于可见光的频率非 常高，约为8 10MHz的量级，因此一能做到使用一根光个光纤通信系统的传输带宽远远大于其它的传输媒体的带宽。同时利用光的频分复用技术，就纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号，使得光纤的传输能力成倍地提高。 2.理论模型 在光纤通信系统的发送端使用光电信号检测电路将电信号转换成光信号，并使得光信号以大于某一角度入射到光通道，此时光信号在光纤以全反射的方式不断向前传输，并在接收端再将光信号转换成电信号进行进一步的处理。 2.1 光电信号检测电路的基本原理 光电检测电路主要由光电器件、输入电路和前置放大器组成。其中，光电检测器件是实现光电转换的核心器件，它把被测光信号转换成相应的电信号；输入电路为光电器件正常的工作条件，进行电参量的变换并完成前置放大器的电路匹配；前置放大器能够放大光电器件输出的微弱电信号，并匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。 2.1.1 光电信号输入电路的静态计算 图解计算法是利用包含非线性元件的串联电路的图解法对恒流源器件的输入电路进行计算。反射偏置电压作用下的光电二极管的基本输入电路如下：

全国高等教育自学考试光纤通信原理试题历年试卷

全国2007年1月高等教育自学考试光纤通 信原理试题历年试卷 全国2007年1月高等教育自学考试光纤通信原理试题.doc 试卷内容预览网站收集有1万多套自考试卷，答案已超过2000多套。我相信没有其他网站能比此处更全、更方便的了。 全国2007年1月高等教育自学考试 光纤通信原理试题 课程代码：02338 一、单项选择题(本大题共10小题，每小题1分，共10分) 在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。1．目前光纤通信三个实用的低损耗工作窗口是( ) A．0.85 μm,1.27 μm,1.31 μm B．0.85 μm,1.27 μm,1.55 μm C．0.85 μm,1.31 μm,1.55 μm D．1.05 μm,1.31 μm,1.27 μm 2．在薄膜波导中，导波的基模是( ) A．TE0B．TM0 C．TE1D．TM1

3．在SiO2单模光纤中，材料色散与波导色散互相抵消，总色散等于零时的光波长是( ) A．0.85 μmB．1.05 μm C．1.27 μmD．1.31 μm 4．在阶跃型光纤中，导波的传输条件为( ) A．V＞0B．V＞Vc C．V＞2.40483D．V＜Vc 5．半导体激光二极管(LD)的一个缺点是( ) A．光谱较宽B．温度特性较差 C．与光纤的耦合效率较低D．平均发光功率较小6．EDFA光纤放大器作为光中继器使用时，其主要作用是( ) A．使信号放大并再生B．使信号再生 C．使信号放大D．降低信号的噪声 7．目前，掺铒光纤放大器的小信号增益最高可达( ) A．40 dB左右B．30 dB左右 C．20 dB左右D．10 dB左右 8．STM-16信号的码速率为( ) A．155.520 Mb/sB．622.080 Mb/s C．2 488.320 Mb/sD．9 953.280 Mb/s 9．对于2.048 Mb/s的数字信号，1 UI的抖动对应的时间为( )

光纤通信原理试题讲解学习

1.决定光纤通信中继距离的主要因素是( B ) A.光纤的型号 B.光纤的损耗和传输带宽 C.光发射机的输出功率 D.光接收机的灵敏度 2.弱导光纤中纤芯折射率n1和包层折射率n2的关系是( A ) A.n1≈n2 B.n1=n2 C.n1>>n2 D.n1<

光纤通信原理试题__参考答案

光纤通信原理试题＿1 参考答案 一、单项选择题（本大题共10小题，每小题1分，共10分） 在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。 1. 光纤通信指的是（ B ） A 以电波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式； B 以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式； C 以光波作载波、以电缆为传输媒介的通信方式； D 以激光作载波、以导线为传输媒介的通信方式。 2.已知某Si-PIN 光电二极管的响应度R 0＝0.5 A/W ，一个光子的能量为2.24×10－19 J ，电子电荷量为1.6×10 －19 C ，则该光电二极管的量子效率为（ ） A.40％ B.50％ C.60％ D.70％ R 0=e 错误！未找到引用源。 /hf 3.STM-4一帧中总的列数为（ ） A.261 B.270 C.261×4 D.270×4 4.在薄膜波导中，要形成导波就要求平面波的入射角θ1满足（ ） A.θc13<θ1<θc12 B.θ1=0° C.θ1<θc13<θc12 D.θc12<θ1<90° 5.光纤色散系数的单位为（ ） A.ps/km B.ps/nm C.ps/nm.km ? D.nm/ps?km 6.目前掺铒光纤放大器的小信号增益最高可达（ ） A.20 dB B.30 dB C.40 dB D.60 dB 7.随着激光器使用时间的增长，其阈值电流会（ ） A.逐渐减少 B.保持不变 C.逐渐增大 D.先逐渐增大后逐渐减少 8.在阶跃型（弱导波）光纤中，导波的基模为（ ） A.LP00 值为0 B.LP01 C.LP11为第一高次模 D.LP12 9.在薄膜波导中，导波的截止条件为（ ） A.λ0≥λC B.λ0<λC C.λ0≥0 D.λ0≤1.55μm 10.EDFA 在作光中继器使用时，其主要作用是（ ） A.使光信号放大并再生 ? B.使光信号再生 C.使光信号放大 D.使光信号的噪声降低 二、填空题（本大题共20小题，每小题1分，共20分） 请在每小题的空格中填上正确答案。错填、不填均无分。 1.根据传输方向上有无电场分量或磁场分量，可将光（电磁波）的传播形式分为三类：一为_TEM_波；二为TE 波；三为TM 波。 2.对称薄膜波导是指敷层和衬底的_折射率相同_的薄膜波导。 3.光学谐振腔的谐振条件的表示式为__错误！未找到引用源。______。q L c n 2= λ 4.渐变型光纤中，不同的射线具有相同轴向速度的这种现象称为_自聚焦_现象。 5.利用_光_并在光纤中传输的通信方式称为光纤通信。 6.在PIN 光电二极管中，P 型材料和N 型材料之间加一层轻掺杂的N 型材料，称为本征层（I ）层。 7. 光源的作用是将 电信号电流变换为光信号功率 ；光检测器的作用是将 光信号功

《光纤通信》教学大纲

《光纤通信》教学大纲 一、课程描述 光纤通信是20世纪70年代开始发展起来的一种通信新技术。80年代以后，随着我国通信技术的迅速发展，光纤通信有了长足的发展，成为社会信息基础设施中不可缺少的一部分，广泛应用于各个领域。 《光纤通信》是结合光纤通信的发展，系统地介绍光纤通信系统的基本原理、基本概念、基本技术和基本分析设计方法，全面反映全光通信技术概貌的课程，为学生学习后续的光纤通信设备、光缆线路工程、综合布线工程、宽带接入技术及现代通信技术等通信专业课程奠定基础。 《光纤通信》是通信工程专业的一门专业任选课，包括光纤通信传输理论，光纤与光缆，光源与光发送机，光检测器与光接收机，无源光器件与集成光路，光纤系统中的信号传输和光纤通信系统等内容。先修课程是通信原理、信号与系统、高频电路。 二、课程目标 1、使学生掌握光纤通信的基本概念和基本原理，理解光发射机和光接收机的基本理论和特性。 2、理解和掌握光纤通信系统的构成、性能指标及光纤通信新技术。 三、课程内容和教学要求 这门学科的知识与技能要求分为知道、理解、掌握、学会四个层次。这四个层次的一般涵义表述如下： 知道——是指对这门学科的基本知识、基本理论的认知。 理解——是指运用已了解的基本原理说明、解释一些现象。 掌握——是指利用掌握的理论知识对一些较复杂的功能线路进行解释，说明其工作过程，估计有关参数。 学会——是指在利用仪表和工具完成对某些功能线路的设计、组装、参数测量，并根据理论知识计算相关参数，理论与实验作比较。能识别操作中的一般差错。 教学内容和要求表中的“√”号表示教学知识和技能的教学要求层次。

本标准中打“*”号的内容可作为自学，教师可根据实际情况确定要求或不布置要求。 教学内容及教学要求表

10月光纤通信原理自考试题

2009年10月光纤通信原理自考试题 全国2009年10月光纤通信原理自考试题 一、单项选择题(本大题共10小题，每小题1分，共10分)在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。 1.随着温度的逐步升高，LD的阈值电流（） A.逐渐降低 B.逐渐增大 C.不变 D.先降低后增大 2.在下列因素中，不属于影响接收机灵敏度的因素是（） A.光发射机的消光比 B.光电检测器响应度 C.光纤衰减 D.光电检测器噪声 3.在STM-1信号的帧结构中，AU指针区域的位置是在（） A.1～9列，第4行 B.1～9列，1～9行 C.1～3列，第4行 D.1～3列，1～9行 4.EDFA中将光信号和泵浦光混合后送入掺铒光纤中的器件是（） A.光滤波器 B.光隔离器 C.光耦合器 D.光连接器 5.目前光纤通信三个实用的低损耗工作窗口是（） A.0.85μm，1.20μm，1.55μm B.0.85μm，1.31μm，1.55μm C.0.85μm，1.20μm，1.31μm D.1.05μm，1.20μm，1.31μm

6.薄膜波导中，导波的截止条件为（） A.λ0≥λc B.λ0＜λc C.λ0≥0 D.λ0≤1.55μm 7.薄膜波导中，导波的特征方程为（） A.2k0d-2Φ12-2Φ13=2mπ B.2k1d-Φ12-Φ13=2mπ C.2k1zd-2Φ12-2Φ13=2mπ D.2k1xd-2Φ12-2Φ13=2mπ 8.在下列特性参数中，不属于单模光纤的特性参数是（） A.数值孔径 B.截止波长 C.衰减 D.折射率分布 9.在阶跃型弱导波光纤中导波的基模为（） A.LP00 B.LP11 C.LP01 D.LP12 二、填空题(本大题共15小题，每小题1分，共15分)请在每小题的空格中填上正确答案。错填、不填均无分。 10.光发射机主要由输入电路和________两大部分组成。 11.半导体激光器中光学谐振腔的作用是提供必要的________以及进行频率选择。 12.雪崩光电二极管具有________效应，使光电流在管子内部即获得了倍增。 13.光接收机中判决器和________合起来构成脉冲再生电路。 14.在光纤通信系统中，利用光纤来传输监控信号时，通常可

光纤通信基本理论

光纤通信基本理论 第四章光纤通信基本理论 一、填空题 1．光纤通信中所使用的光纤是截面很小的可绕透明长丝，它在长距离内具有(束缚)和传输光的作用。 2．光具有波粒二像性，既可以将光看成光波，也可以将光看作是由光子组成的(粒子流)。 3．波动光学是把光纤中的光作为经典(电磁场)来处理。 4．光纤色散是指由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，由于不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，从而导致(信号畸变)的一种物理现象。 5．在数字光纤通信系统中，色散使(光脉冲)发生展宽。 6．波导色散主要是由光源的光谱宽度和光纤的(几何结构)所引起的。 7、光纤的非线性可以分为两类，即受激散射效应和（折射率扰动）。 8．当光纤中的非线性效应和色散(相互平衡)时，可以形成光孤子。 9．单模光纤的截止波长是指光纤的第一个(高阶模)截止时的波长。 10．单模光纤实际上传输两个(相互正交)的基模。 11、光纤通信是以（光波）为载频，以光纤为（传输媒介）的通信方式。 12、目前光纤通信在（1550nm）波段附近的损耗最小。 13、（数值孔径）表征了光纤的集光能力。 14、G．653光纤又称做色散位移光纤是通过改变折射率的分布将(1310)nm 附近的零色散点，位移到(1550)nm附近，从而使光纤的低损耗窗口与零色散窗口重合的一种光纤。 15、G．655在1530-1565nm之间光纤的典型参数为：衰减<（0.25）dB/km;

色散系数在(1-6ps/nm·km)之间。 16、克尔效应也称作折射率效应，也就是光纤的折射率n随着光强的变化而变化的（非线性）现象。 17、在多波长光纤通信系统中，克尔效应会导致信号的相位受其它通路功率的（调制），这种现象称（交叉相位调制）。 18、当多个具有一定强度的光波在光纤中混合时，光纤的（非线性）会导致产生其它新的波长，就是（四波混频）效应。 19、G．652光纤有两个应用窗口，即1310nm和1550nm,前者每公里的典型衰耗值为（0.34dB）,后者为（0.2dB）。 20、单模光纤的（模场直径）是作为描述单膜光纤中光能集中程度的度量。 二、单项选择题 1．将光纤的低损耗和低色散区做到1 450～1 650 rim波长范围，则相应的带宽为( B)THz。 A.2．5 B．25 C．5.0 D．50 2．阶跃光纤中的传输模式是靠光射线在纤芯和包层的界面上( B )而使能量集中在芯子之中传输。 A．半反射B．全反射 C．全折射D．半折射 3．多 模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是( A )的。 A．连续变化B．恒定不变C．间断变化D．基本不变 4．目前，光纤在( B )nm处的损耗可以做到0．2dB／km左右，接近光纤损耗的理论极限值。 A．1050 B．1550 C．2050 D．2550 5．石英光纤材料的零色散系数波长在( B )nm附近。

(整理)光纤通信原理及基础知识

偏振模色散受限的最大理论传输距离 B 当比特率大于10Gbs 偏振模色散必须考虑降低光纤偏振模色散值 改进光纤的几何形状导致裸纤的旋转 10 PMD ps4 km 25 Gbs 10 Gbs 40 Gbs 30 180km llkm lkm 10 1600 km 100 km 6km 05 6400 km 400 km 25km 02 40000 km 2500 km 156km 光纤的光学及传输特 性参数之一------偏振模色散受限的最大理 论传输距离光纤的基本参数固有和非固有的偏振模色散原因包层 中心为椭圆包层偏心进入气体侧压涂层椭圆涂层偏心非固有 原因侧压弯曲扭曲光纤的光学及传输特性参数之一------偏振 模色散光纤的基本参数定义光纤作为单模光纤工作的最 短波长工作波长超过此波长时只能传输基模此时光纤为单模光纤工作波长低于此波长 时除基模外高次模也可传输此时光纤为多模光纤光纤的光学及 传输特性参数之一------截止波长光纤的基本参数弯曲损耗 宏观弯曲损耗是指光纤在以远远大于光纤外径的曲率半径弯曲时所 引入的附加损耗微观弯曲损耗是指光纤受到不均匀应力的 作用光纤轴产生的微小不规则弯曲所引入的附加损耗光纤的光学及 传输特性参数之一------弯曲损耗光纤的基本参数衰减系数 色散系数截止波长弯曲损耗 1310nm波长处036dBkm 1550nm 波长处022dBkm 1310nm波长处 0ps nmkm 1550nm波长处19ps nmkm cc1260nm 以75mm为直径松绕100圈1550nm波长处附加衰减005dB

光纤通信原理光纤传输原理图

光纤通信原理光纤传输原理图 光纤通信原理 光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维 中的全反射原理而达成的光传导工具。掺铒光纤是在石英光纤中掺入了少量的稀土元素铒(Er)离子的光纤，它是掺铒光纤放大器的核心。从20世纪80年代后期开始，掺铒光纤放大器的研究工作不断取得重大的突破。WDM技术、极大地增加了光纤通信的容量。成为当前光纤通信中应用最广的光放大器件。 光纤放大器是光纤通信系统对光信号直接进行放大的光放大器件。在使用光纤的通信系统中，不需将光信号转换为电信号，直接对光信号进行放大的一种技术。掺铒光纤放大器(EDFA即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子Er3 + 的光信号放大器)是1985年英国南安普顿大 学首先研制成功的光放大器，它是光纤通信中最伟大的发明之一。掺铒光纤放大器的工作原理： 铒光纤放大器主要是由一段掺铒光纤（长约10-30m）和泵浦光源组成。其工作原理是：掺铒光纤在泵浦光源（波长980nm或1480nm）的作用下产生受激辐射，而且所辐射的光随着输入光信号的变化而变化，这就相当于对输入光信号进行了放大。研究表明，掺铒光纤放大器通常可得到15-40db的增益，中继距离可以在原来的基础上提高

100km以上。那么，人们不禁要问：科学家们为什么会想到在光纤放大器中利用掺杂铒元素来提高光波的强度呢？我们知道，铒是稀土元素的一种，而稀土元素又有其特殊的结构特点。长期以来，人们就一直利用在我学器件中掺杂稀土元素的方法，来改善光学器件的性能，所以这并不是一个偶然的因素。另外，为什么泵浦光源的波长选在980nm或1480nm呢？其实，泵浦光源的波长可以是520nm、650nm、980nm、和1480nm，但证明波长980nm的泵浦光源激光效率最高，次之是波长1480nm的泵浦光源。 掺铒光纤放大器的基本结构： EDFA的基本结构，它主要由有源媒质(几十米左右长的掺饵石英光纤，芯径3-5微米，掺杂浓度(25-1000)x10-6)、泵浦光源(990或1480nm LD)、光耦合器及光隔离器等组成。信号光与泵浦光在铒光纤内可以在同一方向(同向泵浦)、相反方向(反向泵浦)或两个方向(双向泵浦)传播。当信号光与泵光同时注入到铒光纤中时，铒离子在泵光作用下激发到高能级上，三能级系统)，并很快衰变到亚稳态能级上，在入射信号光作用下回到基态时发射对应于信号光的光子，使信号得到放大。其放大的自发发射(ASE)谱，带宽很大(达20-40nm)，且有两个峰值分别对应于1530nm和1550nm。 掺铒光纤放大器的优点:

光纤通信教案

课程教案 （2015—2016学年第二学期） 课程名称：光纤通信 授课学时： 44学时 授课班级：电子信息工程13级 任课教师：

教案（首页）

第2章光纤与光缆 （一）教学内容： 基本光学定律和定义，光纤模式和结构，光纤波导传输的基本原理，圆波导的模式理论，单模光纤的基本原理，光纤材料和制造基本原理。 重点：光纤模式和结构，光纤波导传输的基本原理，单模光纤的基本原理，光 纤材料和制造基本原理。 难点：圆波导的模式理论 （四）概述 对光纤的结构和分类做简单介绍,对光纤的导光原理采用射线法和标量近似解法进行重点分析。对单模光纤的结构特点、主模及单模传输条件进行讨论。介绍光纤的传输特性及特殊光纤。

教学环节教学过程 引言 本章课程的讲授 在整个通信技术的发展中传输介质始终是人们需要不断研究和改进的课题，光通信从19世纪前就已得到应用，但由于没有找到合适的传输介质，使得光通信无法充分发挥其优点。1966年英籍华人科学家C.K.Kao发表论文提出可以利用纯度极高的石英玻璃作为传输煤质来传送光信号，从而拉开了光纤通信技术飞速发展的序幕（C.K.Kao博士也因此成就获得2009年Nobel物理学奖）。近半个世纪来，人们对光纤的结构、制造工艺不断改善，使得光纤的传输性能越来越优良，光纤已经成为现代长途干线网络信息传输的首选传输介质。 本章将对光纤进行详细的讨论，使学生对光纤通信课程建立较好的基本理解。 在讲授基本内容之前请学生回答自己对实际生活中所接触的光纤光缆的认识和理解，大家在什么地方用过光纤呢？家里或宿舍上网时信息是通过什么进行传输或如何进行传输的呢？通过提问对学生进行较好的引导，让学生上课时很快提高兴趣。 2.1 光纤的结构和分类 2.1.1 光纤的结构 光纤有不同的结构形式。目前，通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心玻璃体，外层玻璃的折射率比内层稍低。折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为，直径为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为，直径为2b。 让学生自行思考为何要采用这种结构？提问！强调纤芯和包层的折射率很接近、差值不能太大。 采用芯包结构的目的： （1）进行全反射，减小散射损耗。 （2）增加纤芯的机械强度。 （3）保护纤芯不受外界的污染。 1 n 2 n

光纤通信原理期末复习题

1.1966年由英籍华人高锟和霍克哈姆提出可以使用 光纤作为传输介质。 2.在光电二极管中只有入射波长λ< λ（>,<或=）的光入 c 射才能产生光电效应，所以 λ称为截止波长。 c 3.分析光纤中光的传输特性时有两种理论：射线光学理论和 波动光学理论。 4.光纤与光纤的连接方法有两大类：一类是活动连接，另 一类是固定连接。 5.单模传输条件是归一化参量满足归一化频率 V≤2.405 。 6.LED和LD在结构上的最大差异是：LD具有谐振腔。 7.光发送机主要由光源、驱动电路和辅助电路组成。 8.接收机中存在的噪声源可分为两类：散粒噪声和热噪声。 9.光放大器是基于受激辐射原理，实现入射光信号放大的 一种器件，其机制与激光器完全相同。 10.是无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比。 A 插入损耗 B回波损耗 C反射系数 D偏振相关损耗 11.指利用高速光开关把多路光信号在时域里复用 到一路上的技术。[ B ] A 光波分复用技术 B 光时分复用技术 C 光频分复用技术 D 码分复用技术 12.若输入光发射机的信号全为“0”时，输出光发射机的平 均光功率为 P；输入信号全为“1”时，输出的平均光功率为 P，则消光比EXT的表达式是。[ C ] 1

A 0110lg P P B 00110lg P P P + C 1010lg P P D 10110lg P P P + 13. 波分复用光纤通信系统在发射端，N 个光发射机分别发 射 。 [ D ] A N 个相同波长的光信号，经过光波分复用器WDM 合到一 起，耦合进单根光纤中传输 B N 个不同波长的光信号，经过光波分复用器WDM 变为波 长相同的光信号，耦合进单根光纤中传输 C N 个相同波长的光信号，经过光波分复用器WDM 变为波 长不同的光信号，耦合进单根光纤中传输 D N 个不同波长的光信号，经过光波分复用器WDM 合到一 起，耦合进单根光纤中传输 14. 决定了光纤放大器所能放大的波长。 [ C ] A 光纤传导模式 B 光纤的衰减 C 掺杂到纤芯中的稀土离子的特性 D 光纤纤芯的直径 15. STM-4的速率约为 Mb/s 。 [ B ] A STM-1 155 B STM-4 622 C STM-16 2488 D STM-16 9953 16. 当使用雪崩光电二极管时，由于倍增过程的随机特性所产生 的附加噪声，称为 。[ ] A 散粒噪声 B 暗电流噪声 C 量子噪声 D APD 倍增噪声 19. 掺铒光纤放大器中泵浦光源的作用是 。[ ] A 叠加加强信号光 B 叠加削弱信号光 C 使掺铒光纤处于粒子数反转分布状态 D 对信号光进行调制

最新光纤通信原理试题

1.决定光纤通信中继距离的主要因素是( B ) A.光纤的型号 B.光纤的损耗和传输带 C.光发射机的输出功率 D.光接收机的灵敏度 2.弱导光纤中纤芯折射率n1和包层折射率n2的关系是( A ) A.n1≈n2 B.n1=n2 C.n1>>n2 D.n1<

《光纤通信原理》测试题

光纤通信原综合测试题（一） 一、填空题：(30分，每题1分) 1、光纤通信系统基本组成部分有、和。光纤的三个工作波长分 别为、和。G、652光纤的波长为，G、655光纤的波长为。 2、光纤的主要损耗是和，其色散主要有、、。 3、目前常用的光源有LD和LED，其中LD是物质发生过程而发光，而LED是因 物质发生过程而发光，在数字光纤通信系统中对光源采用 调制，而收端采用方法进行检测。 4、影响接收灵敏度的主要是光电检测器的和噪声，以及放大电路 的噪声。 5、光无源器件主要有、、和。 6、SDH的复用过程主要步骤是、和。其主要设备 有、、和。 二、名词解释（2*2=4分） 1、 SES 2、消光比

三、判断题(每题2分，共计10分) 1、渐变型多模光纤具有自聚焦特性，故其没有模式色散。（） 2、接收机能接收的光功率越高，其灵敏度越高。（） 3、一个STM—1中能装入63个2Mb/s的信号，故其频带利用率比PDH高。（） 4、LED的P-I特性呈线性，故无论用模拟信号和数字信号对其进行调制均不需要加 偏置电流。（） 5、SDH采用同步字节间插复用方式，故能实现一次性上下低速信号。（） 四、简答题（每题6分，共计18分） 1、 1、什麽是自愈网？画图表示二纤单向复用段倒换环的工作原理。 2、 2、温度对LD有什麽样的影响？采用什麽方法可以抑制温度对它的影响？ 3、OTDR是什麽？在光纤通信中有何用途？ 五、计算题（38分） 1、（12分）已知阶跃型多模光纤的包层折射率为1、48，相对折射率差为1%，试求：（1）① 纤芯折射率为多少？ （2）② 数值孔径为多少？ （3）③ 在5km长的光纤上，脉冲展宽为多少？

光纤通信原理题库1

一填空题 1光波属于电磁波范畴,包括、和。 2.目前实用通信光纤的基础材料是。 3.目前光纤通信采用比较多的系统形式是的光纤数字通信系统。 4.光发射机的主要作用是耦合进光纤。 5.光接收机的主要作用是将光纤送过来的光信号转换成电信号。 6.目前光纤通信的实用工作波长在近红外区，即波长区，对应频率。 7.目前光纤通信的三个实用窗口为、及。 8.在传播方向上既无电场分量也无磁场分量，称为。 9.在传播方向上有磁场分量但无电场分量，称为。 10.在传播方向上有电场分量但无磁场分量，称为。 11.光纤损耗的单位是。 12.单位长度光纤传输带宽的单位是。 13.光接收机中的重要部件是能够完成光/电转换任务的光电检测器，目前主要采用 和。 14.光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用 或。 15.光纤纤芯的折射率n1包层折射率n2。 16.按照光纤横截面折射率分布不同来划分，光纤可分为和。 17.按照纤芯中传输模式的多少来划分，光纤可分为和。 18.单模光纤的纤芯直径约为。 19.多模光纤的纤芯直径约为。 20.光缆的结构可分为、和三大部分。 21.影响光纤最大传输距离的主要因素是光纤的和。 22.光纤损耗包括：光纤的损耗，光纤与的耦合损耗，光纤之间的损耗等。 23.色散的大小用来表示。 24.色散的程度用时延差来表示，时延差越大，色散就会。 25.时延差的单位是。 26.单模光纤中的色散不存在，只有和。 27.光纤通信系统中，性能和性能是传输性能中的两个主要指标。 28.抖动的程度原则上可以用、、来表示，现在多数情况是用 。 29.抖动容限可分为容限和容限。 30.掺铒光纤放大器的英文缩写是。 31.渐变型光纤由于芯子中的折射指数n1是随半径r变化的，因此子午线是。 32.渐变型光纤靠原理将子午线限制在芯子中，沿轴线传输。 33.弱导波光纤中的光线几乎与光纤轴。 34.弱导波光纤中的光波是近似的。 35.在阶跃型光纤中，不论是子午线还是斜射线，都是根据原理，使光波在芯子和包层的界面上全反射，而把光波限制在中向前传播的。 36.导波传输常数的变化范围。 37.当时，电磁场能量不能有效地封闭在纤芯中，而向包层辐射，这种状态称为导波的临界状态。