文章目录

2.光纤和光缆
- 光纤的两种折射率分布
- 光纤中光的传播
- 相位一致条件
- 数值孔径
- 归一化频率
- 多模光纤中模的数目
- 截止波长
- 渐变折射率光纤中的自聚焦
- 全反射时，光纤中电磁场的特征
- 光纤中的最低阶模
3.光纤的传输特性
- 瑞利散射损耗
- 弯曲损耗
- 损耗谱
- 损耗系数的计算
- 模式色散
- 色度色散
- 总色散
- 色散与带宽的关系
- 几种典型的光纤
4.常用的光无源器件
- 光纤连接器
- 光纤耦合器
- 光开关
5.光源与光发送机
- 本征半导体、N型和P型半导体、PN结的概念
- 激光与半导体相互作用，光电效应，电光效应
- LED和LD
- 直接调制、间接调制的原理
- 光发送机
6.光电检测器与光接收机
- 光电二极管基本原理、最大波长
- 同质PIN、双异质PIN光电二极管
- APD光电二极管
- 响应度、量子效率
- 暗电流
- 量子噪声（散粒噪声）
- 暗电流噪声计算
- 光接收机信噪比
- 光接收机结构
7.光放大器
- EDFA基本原理、基本结构
- 增益的概念、增益谱的带宽、噪声系数
- 功率放大器、预放大器、在线放大器的概念
- EDFA优缺点
8.光复用技术
- 时分复用和副载波复用的概念
- 波分复用的概念、系统
- 光纤耦合器和光纤光栅波分解复用器的原理
- 光栅型、阵列波导光栅型波分解复用器的概念
9.光网络
- PDH和SDH的主要差别，PDH的三种速率；
- 2M的帧，SDH的帧
- STM-1速率的计算
- 字节间插，指针定位，映射的概念
- 中国的SDH基本复用映射结构（不要求背，理解）。
10.光纤通信系统设计
- 载噪比CNR
- 根据损耗设置传输距离
- 根据色散设置传输距离

2.光纤和光缆

光纤的两种折射率分布

光纤中光的传播

纤芯折射率n1大于包层折射率n2
使得位于数值孔径角的光线都能在光纤中实现全反射，进而实现在光纤内传输

相位一致条件

模式在A,B处相位相等，在A’和B’处相位相等或相差2π2\pi2π的整数倍

光经过传输后，其相位变化是2π2\pi2π的整数倍时，才会相干加强形成驻波，否则相干抵消

数值孔径

当光在光纤中恰好发生全反射时，入射光线与纤芯轴向的夹角称为数值孔径角
NA=n12Δ,Δ=n12−n222n12NA=n_1\sqrt{2\Delta},\Delta=\frac{n_1^2-n_2^2}{2n_1^2}NA=n12Δ,Δ=2n12n12−n22

归一化频率

多模光纤的归一化频率
V=k0aNA=2πλ0an12ΔV=k_0aNA=\frac{2\pi}{\lambda_0}an_1\sqrt{2\Delta}V=k0aNA=λ02πan12Δ

单模光纤的归一化截止频率
Vc=2.4051+2αV_c=2.405\sqrt{1+\frac{2}{\alpha}}Vc=2.4051+α2
阶跃型alpha=∞，抛物线型alpha=2

单模条件：V≤Vc

多模光纤中模的数目

传导模的数目 N=αα+2V22N=\frac{\alpha}{\alpha+2}\frac{V^2}{2}N=α+2α2V2

抛物线型光纤 N=V24N=\frac{V^2}{4}N=4V2

截止波长

恰好满足单模条件时的波长

V=2πλ0an12Δ<2.405V=\frac{2\pi}{\lambda_0}an_1\sqrt{2\Delta}<2.405V=λ02πan12Δ<2.405

渐变折射率光纤中的自聚焦

针对渐变型多模光纤
低阶模靠近轴线，传播速度慢；高阶模远离轴线，传播速度快
高低阶模之间的时延差得到补偿，减少色散

全反射时，光纤中电磁场的特征

纤芯中，电场沿x方向驻波分布，沿z方向行波传输；
包层中，电场沿x方向衰减，沿z方向行波传输

光纤中的最低阶模

Vc=0 HE11 无截止现象，最低阶横模
Vc=2.405 TE01,TM01,HE21

3.光纤的传输特性

瑞利散射损耗

不均匀颗粒引起传输光向各个方向散射，形成损耗，且尺度小于λ\lambdaλ的各向异性也会引起这种散射。
和波长的-4次方成正比

弯曲损耗

光纤弯曲后，光纤不再发生全反射，而是产生折射，进而引起损耗。

损耗谱

损耗=瑞利散射+结构缺陷损耗+杂质吸收+红外吸收+紫外吸收

损耗系数的计算

α=10LlgP1P2\alpha=\frac{10}{L}lg\frac{P_1}{P_2}α=L10lgP2P1 (α\alphaα:dB/km，P:W，L:km)

α=P1−P2L\alpha=\frac{P_1-P_2}{L}α=LP1−P2 (α\alphaα:dB/km，P:dB，L:km)

P2=P1e−αLP_2=P_1e^{-\alpha L}P2=P1e−αL (α\alphaα:1/m，P:W，L:m)

模式色散

色散：光信号由于不同模式、不同频率的光组成，这导致了在光纤中有不同的传播速度，进而引起脉冲波形展宽，即色散。

模式色散：不同模式具有的传播速度不同，导致脉冲展宽

阶跃型：

时延差=Ln1c(n1n2−1)\frac{Ln_1}{c}(\frac{n_1}{n_2}-1)cLn1(n2n1−1)

渐变型：由于自聚焦现象，其模式色散较小

时延差=12Ln(0)cδ2\frac{1}{2}\frac{Ln(0)}{c}\delta^221cLn(0)δ2

色度色散

1.概念
色度色散 = 材料色散 + 波导色散 人为无法去除

材料色散：由于光纤材料的折射率随光波长的变化而变化引起的脉冲展宽（材料中折射率越小，传播速率越快，v=cnv=\frac{c}{n}v=nc）

波导色散：由于光纤的几何特性而使信号的相位和群速度随波长变化而引起的色散

2. 计算

色散系数：单位波长间隔内各频率成分通过单位长度光纤所产生的色散

D(λ)=dtLdλD(\lambda)=\frac{dt}{Ld\lambda}D(λ)=Ldλdt

群速度色散：总色度色散

β2=d2βdω2\beta_2=\frac{d^2\beta}{d\omega^2}β2=dω2d2β

D<0D<0D<0 , β2>0\beta_2>0β2>0 , 负色散（正常色散区），长波传输快短波传输慢；
D>0D>0D>0 , β2<0\beta_2<0β2<0 , 正色散（反常色散区），长波传输慢短波传输快；

材料色散：Dm(λ)=−λcd2n1dλ2，τm=Dm(λ)∗Δλ∗LD_m(\lambda)=-\frac{\lambda}{c}\frac{d^2n_1}{d\lambda^2}，\tau_m=D_m(\lambda)*\Delta\lambda*LDm(λ)=−cλdλ2d2n1，τm=Dm(λ)∗Δλ∗L

波导色散：Dw(λ)=−n1ΔcλVd2(Vb)dV2，τw=Dw(λ)∗Δλ∗LD_w(\lambda)=-\frac{n_1\Delta}{c\lambda}\frac{Vd^2(V_b)}{dV^2}，\tau_w=D_w(\lambda)*\Delta\lambda*LDw(λ)=−cλn1ΔdV2Vd2(Vb)，τw=Dw(λ)∗Δλ∗L

色度色散：τc=τm+τw\tau_c=\tau_m+\tau_wτc=τm+τw

色散补偿：D1L1+D2L2=0D_1L_1+D_2L_2=0D1L1+D2L2=0
（传输带宽小于40Gbps情况下，使用色散补偿光纤；大于100Gbps，使用DSP算法补偿）

总色散

模式>>材料>波导>极化（偏振）
时延等于以上时延平方和相加开根号

色散系数：单位波长间隔内各频率成分通过单位长度光纤所产生的色散

D(λ)=dtLdλD(\lambda)=\frac{dt}{Ld\lambda}D(λ)=Ldλdt

τ总=τM2+τc2+τp2=τM2+(τm+τw)2+τp2\tau_总=\sqrt{\tau_M^2+\tau_c^2+\tau_p^2}=\sqrt{\tau_M^2+(\tau_m+\tau_w)^2+\tau_p^2}τ总=τM2+τc2+τp2=τM2+(τm+τw)2+τp2

色散与带宽的关系

色散在时域产生脉冲展宽，在频域限制带宽
模式色散引起模式畸变带宽，色度色散引起波长色散带宽

单根光纤：
总带宽 B3dB=2ln2πτ=441τ总（ps)GHzB_{3dB}=\frac{2ln2}{\pi\tau}=\frac{441}{\tau_总（ps)}GHzB3dB=πτ2ln2=τ总（ps)441GHz
输出脉冲宽度 τ2=τ12+(441B)2\tau_2=\sqrt{\tau_1^2+(\frac{441}{B})^2}τ2=τ12+(B441)2

多根光纤：
Bn=B∗L−γB_n=B*L^{-\gamma}Bn=B∗L−γ
BT=[∑n=1NBn−1γn]−γB_T=[\sum_{n=1}^N B_n^{-\frac{1}{\gamma_n}}]^{-\gamma}BT=[∑n=1NBn−γn1]−γ

N：光纤段数；γn\gamma_nγn：第n段光纤带宽距离指数

几种典型的光纤

G.651（渐变型多模光纤）：较大的芯径和数值孔径，有效于光源耦合，但输出带宽小；
G.652（常规单模光纤）：零色散在1.31um，最低损耗在1.55um；
G.653（色散位移光纤）：改变光纤的结构参数、折射率分布等，实现1.55um处即是零色散也是最低损耗；
G.654（截止波长光纤）：在1.55um波长工作窗口内衰减极小；
G.655（非零色散位移光纤）：在1.55um处呈现一定色散，抑制四波混频现象，为新一代密集波分复用系统设计；
DCF（色散补偿光纤）：具有负色散系数的光纤

4.常用的光无源器件

光纤连接器

概念：实现光纤和光纤之间可拆卸连接的器件，主要用于光纤与光发射机输出/光接收机输入之间，或光纤与其他无源光器件直接的连接。

分类：
FC型：具有螺旋口

SC型：直接插入、拔出

补充：黄色光跳线表示单模光纤，橙色跳线表示多模光纤。

特性：
① 插入损耗 Ac(dB)=Pi(dB)−Po(dB)Ac(dB)=Pi(dB)-Po(dB)Ac(dB)=Pi(dB)−Po(dB)（输入光功率 - 输出光功率）；

②回波损耗 Ad(dB)=PI(dB)−PR(dB)Ad(dB)=P_I(dB)-P_R(dB)Ad(dB)=PI(dB)−PR(dB) (输入光功率 - 后向反射光功率)

光纤耦合器

定义：将光信号进行分路、合路、插入、分配的一种器件。能使光信号在特殊区域发生耦合，并进行再分配的器件。

耦合方程：

dA1(z)dz=iβ1A1+iCA2\frac{dA_1(z)}{dz}=i\beta_1A_1+iCA_2dzdA1(z)=iβ1A1+iCA2

dA2(z)dz=iβ2A2+iCA1\frac{dA_2(z)}{dz}=i\beta_2A_2+iCA_1dzdA2(z)=iβ2A2+iCA1

两根光纤相同：

P1(z)=cos2(Cz)P_1(z)=cos^2(Cz)P1(z)=cos2(Cz)

P2(z)=sin2(Cz)P_2(z)=sin^2(Cz)P2(z)=sin2(Cz)

C取决于光纤参数（两个光纤芯之间的距离d）和光波长

原理：
① 单模光纤：当传导模进入融锥区，随着纤芯的不断变细，V值逐渐减小，越来越多的光功率深入光纤包层。在输出区，随着纤芯逐渐变粗，V值重新增大，光功率被两根光纤以特定比例“捕获”。

② 多模光纤：融锥区纤芯变细，V值减小，纤芯中束缚的模式数减少，较高阶的模进入包层形成包层模；耦合臂纤芯“捕获”包层中较高阶模，获得耦合光功率；直通臂纤芯中传输的低阶模，只能从直通臂输出。
多模耦合器两输出端的传导模一般不同，现在可使模式混合，各阶模均参与耦合过程，消除模式敏感。

特性：
① 插入损耗：单路输出光功率相对于输入光功率的减小值

ILi=Pin(dB)−Pouti(dB)IL_i=P_{in}(dB)-P_{outi}(dB)ILi=Pin(dB)−Pouti(dB)

② 附加损耗：总输出光功率相对于总输入光功率的减小值

EL=Pin(dB)−∑iPouti(dB)EL=P_{in}(dB)-\sum_iP_{outi}(dB)EL=Pin(dB)−∑iPouti(dB)

③ 分光比：单路输出光功率与总输出光功率的比值

CR=Pouti∑iPoutiCR=\frac{P_{outi}}{\sum_iP_{outi}}CR=∑iPoutiPouti

④ 隔离度：某一光路对其他光路中信号的隔离能力

I=Pin(dB)−Pt(dB)I=P_{in}(dB)-P_t(dB)I=Pin(dB)−Pt(dB)
(被检测光信号的输入功率-对应输出端检测到的其他光路信号的功率)

光开关

定义：进行光路切换，实现光通道的通断和转换

分类：
① 机械式光开关：（MEMS+optics）
输入光信号通过移动光纤端口的微反射镜，将光引入不同输出光纤，完成光的切换。

② 热光效应光开关：
利用加热光波导，改变光波导的折射率，使得主波导和支路波导进行耦合，在第二个耦合器处发生相长或相消干涉，使输出有或无，从而实现光开/关。

③ 波长选择开关WSS：
混合光+光栅+球面镜+MEMS镜阵列，通过反射最终将光进行分离。

特性参数：
① 开关时间
②隔离度：两个相隔离输出端口光功率的比值。
In,m=Pim−PinI_{n,m}=P_{im}-P_{in}In,m=Pim−Pin
n,m是光开关的两个输出端口，PinP_{in}Pin是光从i口输入时n口检测到的输出光功率。

5.光源与光发送机

本征半导体、N型和P型半导体、PN结的概念

本征半导体：完全纯净、结构完整的半导体，费米能级在导带和价带中间，常用的有Si和Ge
N型半导体：掺杂五价元素，多数载流子是电子，少数载流子是空穴，费米能级偏向导带，反映导带中电子密度；
P型半导体：掺杂三价元素，多数载流子是空穴，少数载流子是电子，费米能级偏向价带，反映价带中空穴密度；
PN结：由于浓度差导致的多数载流子扩散运动，与内建电场导致少数载流子的漂移运动，到达平衡，形成PN结。

激光与半导体相互作用，光电效应，电光效应

三种相互作用：自发辐射、受激辐射、受激吸收

产生光增益的条件：形成粒子数反转（即导带电子密度>价带电子密度），导致受激辐射速率>受激吸收速率。

光电效应：给PN结加反向电压（使得暗电流很小，电流主要是由光照产生的），当有光照射时，PN结区受激吸收，产生电子空穴对，在外加电场的影响下，电子向N区运动，空穴向P区运动，产生电流。

最大临界波长：λ=hcEg=1.24Eg(eV)(um)\lambda=\frac{hc}{E_g}=\frac{1.24}{E_g(eV)}(um)λ=Eghc=Eg(eV)1.24(um)

电光效应：给PN结加正向电压，降低势垒，多子扩散运动加剧，P区空穴和N区电子向对方移动，相遇复合，辐射产生光子（即在结区，辐射速率>吸收速率）。

为提高少数少数载流子的注入效率，可以采用禁带宽度不同的异质结。

LED和LD

	LED	LD
原理	PN结或双异质结的自发辐射	由自发辐射转变为受激辐射
特点	输出功率小，发射角大，与光纤的耦合效率低	方向性，高亮度，单色性（nL=mλ2nL=m\frac{\lambda}{2}nL=m2λ）
工作特性（P-I）	非阈值器件，会饱和	有阈值，受温度影响大
分析	同质结：由同一种半导体材料经不同掺杂形成， PN结两边半导体材料禁带宽度相同；异质结：由不同半导体材料经掺杂形成， PN结两边半导体禁带宽度不同。加正向电压后，在PN结区聚集大量电子和空穴，形成粒子数反转，自发辐射	由泵浦系统、增益介质、光学反馈系统组成泵浦系统：正向偏置，使增益介质产生粒子数反转；增益介质：PN结或双异质结；光学反馈系统：反射镜形成谐振腔

直接调制、间接调制的原理

光调制：实现电信号到光信号的转换
直接调制（内调制）：仅适用于半导体光源，因为LD和LED的输出光功率基本上与注入电流成正比，把要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED，从而获得对应光信号，调制速率低。

间接调制（外调制）：适用于多种激光器，在激光形成以后的光路上放置调制器，在调制器上加调制电压，使激光通过它的时候得到调制，调制速率高。

LED的调制带宽一般在100MHz以下，适合低速光通信系统；LD的调制带宽可达几百MHz~几十GHz，适合高速光通信系统。

光发送机

构成=驱动电路+光源+辅助电路

驱动电路：为光源提供已加载信号的驱动电流；

光源：实现电信号到光信号的转换，发出带有已加载信号的光信号；

辅助电路：包括自动功率控制、自动温度控制、光源保护等，消除温度变化和器件老化影响，稳定发射机性能。

模拟光发射机按波长分类：1310nm（色散为0波段，直接光调制发射机）和1550nm（最低损耗波段，间接调制光发射机）。

6.光电检测器与光接收机

光电检测器：用于光信号的检测或探测，即直接测量光电效应产生的电流，在通过计算得到光的强度，通常置于通信系统的接收端或传输光纤的末端。

光电检测器+控制电路=光接收机

光电二极管基本原理、最大波长

利用光电效应，将光转化成电流。

给PN结加反向电压，使得暗电流极小，再令结区接收光照，使得PN结区产生电子空穴对，在外加电场和内建电场的共同作用下，电子向N极移动，空穴向P极移动，即有光生电流产生。

相较于普通二极管，光电二极管PN结面积大，使得入射光照面积变大，同时电极面积小，PN结结深很深。

λc(um)=1.24Eg(eV)\lambda_c(um)=\frac{1.24}{E_g(eV)}λc(um)=Eg(eV)1.24

同质PIN、双异质PIN光电二极管

前沿滞后：载流子在耗尽区的渡越时间
后沿拖尾：耗尽层外载流子的扩散

PIN结构：通过增加耗尽层宽度，使大部分光功率在耗尽区吸收，可降低扩散的影响，提高后沿响应速度。

同质PIN结中I区是为了使光照产生的电子空穴对尽量出现在I区，被电场迅速分开，提高光电转换效率，改善后延响应，但会增加前沿响应。(反向偏压加速电子和空穴的迁移，减少电子和空穴的复合)。

双异质PIN结结构的P区和N区选用禁带宽度大的半导体材料，并使入射光的能量满足在两种禁带宽度之间，受激吸收作用全部发生在I区，即光照产生的电子空穴对仅仅限制在I区，大大提高光电转换速率和响应速度。

APD光电二极管

增加PN结上反向电压，耗尽层内的电场强度增加。当反向电压增加到一定值时，进入耗尽层的光生载流子被电场加速而获得足够大的动能，当其与晶格碰撞时使价带中的电子激发到导带形成新的电子-空穴对。重复上述步骤，使得耗尽层内载流子的数目剧增，发生雪崩效应，反向结电流倍增。

	PIN	APD
原理	受激吸收产生大量电子空穴对，被外加反向电场迅速分开形成光电流	受激吸收产生电子空穴对，漂移到雪崩区的时候被加速，与晶格反复碰撞电离，载流子数迅速增加，产生电流
结构
选择	应用于短距离、小容量的光纤通信系统	应用于长距离、大容量的光纤通信系统
优点	光电转换线性度好；响应速度快	接收机灵敏度高；能使原信号光电流发生倍增
缺点	不能使原信号光电流发生倍增	需要较高偏置电压；需要温度补偿电路

响应度、量子效率

反映光电效应的效率

响应度（宏观上）：
ρ=平均输出电流入射的平均光功率=IPP(A/W)\rho=\frac{平均输出电流}{入射的平均光功率}=\frac{I_P}{P}(A/W)ρ=入射的平均光功率平均输出电流=PIP(A/W)

量子效率（微观上）
η=通过结区的光生载流子数入射到器件上的光子数=IPePhν\eta=\frac{ 通过结区的光生载流子数 }{入射到器件上的光子数}=\frac{\frac{I_P}{e}}{\frac{P}{h\nu}}η=入射到器件上的光子数通过结区的光生载流子数=hνPeIP

η=ρhcλe\eta=\frac{\rho h c}{\lambda e}η=λeρhc

暗电流

暗电流：光电二极管的暗电流是指没有光入射时流过检测器的偏置电路的漂移电流，是体暗电流和表面暗电流之和。
体暗电流：光电二极管PN结区热产生的少数载流子形成的漂移电流，即反向电流；
表面暗电流：由表面缺陷、偏置电压大小、表面积的小等因素决定。
雪崩效应是一种体效应，反向漂移电流（即体暗电流）会倍增。在PINPD中，表面暗电流>体暗电流；APD中，体暗电流>表面暗电流。

量子噪声（散粒噪声）

定义：光信号入射到光检测器上，光电子的产生和收集过程具有随机性，产生的光电流随机起伏，这一起伏即量子噪声。

<iq2>=2eIpFM2B=nPD<i_q^2>=2eI_pFM^2B=n_{PD}<iq2>=2eIpFM2B=nPD

e:电子电荷；B:噪声带宽；F:倍增噪声系数；M:平均倍增因子；Ip:平均光电流

暗电流噪声计算

体暗电流噪声 <idb2>=2eIdbFM2B<i_{db}^2>=2eI_{db}FM^2B<idb2>=2eIdbFM2B
IdbI_{db}Idb：未倍增过的光检测器体暗电流

表面暗电流 <ids2>=2eIdsB<i_{ds}^2>=2eI_{ds}B<ids2>=2eIdsB

光接收机信噪比

SNR=(ρP)2nPD+nASNR=\frac{(\rho P)^2}{n_{PD}+n_A}SNR=nPD+nA(ρP)2

ρ:响应度，P:检测的光信号功率，nA:放大器输入等效噪声功率\rho:响应度，P:检测的光信号功率，n_A:放大器输入等效噪声功率ρ:响应度，P:检测的光信号功率，nA:放大器输入等效噪声功率

光接收机结构

非相干检测：直接检测，通过光电二极管直接将接收的光信号恢复成基本调制信号的过程

相干检测：将接收的光信号与一个光本地振荡器产生的信号进行光混频之后，再被光电检测器变换成一定要求的电信号，提高光电检测器的灵敏度。

7.光放大器

光放大器：将微弱光信号直接进行光放大的器件

根据放大原理不同，可分为：传输光纤放大器（非线性）、半导体激光放大器（LD无谐振腔）、掺杂光纤放大器。

EDFA基本原理、基本结构

EDFA概念：掺铒光纤放大器是将掺铒光纤在泵浦源的作用下，能够对某些波长的信号光进行放大的光纤放大器。
EDFA基本原理：

利用980nm波长的激光器做泵浦源，价带的电子受激吸收跃迁到第二激发态，但第二激发态能级寿命短，电子就迅速通过无辐射跃迁到了第一激发态；第一激发态能级寿命较长，使得在第一激发态和基态之间迅速形成粒子数反转分布，当信号光输入，受激辐射产生1520-1560nm波长的光子。
EDFA基本结构

掺铒光纤放大器=掺铒光纤+泵浦源+光耦合器+光隔离器+光滤波器
掺铒光纤：经过掺杂工艺形成的光纤，主要用于提供能级分布；
泵浦源：大功率半导体激光器，用于形成粒子数反转分布状态；
光耦合器：波分复用器，使泵浦光有效注入到掺铒光纤中；
光隔离器：防止反射光反向传输影响泵浦源和信号源的正常工作，两个光隔离器可防止光在掺铒光纤中形成光振荡；
光滤波器：滤除放大器的带外噪声以提高光放大器的信噪比，均衡光放大器的增益频谱以增强光放大器的级联性能。

几种泵浦：
同向泵浦、反向泵浦、双向泵浦

相同泵浦条件下，双向泵浦最好、反向泵浦接近双向泵浦、同向泵浦最差
但相同输出功率下，反向泵浦的噪声系数远高于其他二者，故不会用反向泵浦结构
光纤长度一定，效果 : 同向 > 双向 > 反向泵浦

增益的概念、增益谱的带宽、噪声系数

增益
放大器输出端功率比输入端功率
Pout=Pine(g−a)zP_{out}=P_{in}e^{(g-a)z}Pout=Pine(g−a)z
g：增益系数 a：吸收系数
带宽
小信号增益小于峰值小信号增益3dB的频率间隔称为放大器的带宽
噪声系数
定义为输入信噪比与输出信噪比之比
光纤放大器的噪声主要来自它的放大自发辐射，即噪声系数与粒子反转差有关。泵浦越充分，粒子数反转差越大，噪声越小。

功率放大器、预放大器、在线放大器的概念

功率放大器 OBA
将EDFA直接放在光发射机后提升输出功率。
预放大器/前置放大器 OPA
光信号进入接收机前，使它得到放大，以抑制接收机内的噪声。放大小信号，要求低噪声。
在线放大器 OLA
用EDFA实现全光中继代替原来的光-电-光中继

EDFA优缺点

优点：
1.工作波长正好落在光纤通信最佳波段1550nm附近；
2.主体是一段光纤，与传输光纤的耦合损耗很小；
3.增益高，噪声低；
4.频带宽（20-40nm），可进行多信道传输，有利于增加传输容量。

缺点：
1.波长固定，只能放大1550nm左右的光波；
2.增益带宽不平坦，需要进行增益谱补偿。

8.光复用技术

复用技术：为提高通信线路的利用率，而采用的在同一传输线路上同时传输多路不同信号且互不干扰的技术。

时分复用和副载波复用的概念

OTMD：在发送端的同一载波波长上，将时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙，根据一定的时隙分配原则，使每个信源在每帧内只能按指定的时隙向信道发送信号，接收端在同步条件下，分别在各个时隙取回各自信号而不混扰；

OSCM：将基带信号首先调制到GHz的副载波上，再把副载波调制到THz的光载波上。每个信道具有不同的副载波频率，占据光载波附近光谱的不同部分，从而保证各信道上信号互不干扰。

波分复用的概念、系统

WDM：在一光纤中传输多波长光信号的技术
原理：在发送端将不同波长的光信号组合起来，并耦合到光缆电路的同一根光纤中传输，在接收端将组合波长的光信号分开，恢复出原信号后送入不同终端。

分类：
双纤单向传输

单纤双向传输

WDM系统=光发射机+光中继放大+光接收机+光监控信道+网络管理系统

光监控信道：监控系统内各信道的传输情况
网络管理系统：通过光监控信道物理层传送开销字到其他节点，或接收其他节点的开销字节对WDM系统进行管理

光纤耦合器和光纤光栅波分解复用器的原理

光纤耦合器定义：将光信号进行分路、合路、插入、分配的一种器件。能使光信号在特殊区域发生耦合，并进行再分配的器件。

对波长敏感，不同臂对不同波长捕获效果不同

光栅型、阵列波导光栅型波分解复用器的概念

光栅是能等宽等间隔分割入射光波、具有空间周期性结构的光学元件。利用多缝衍射原理使光发生色散，即实现波分解复用器的作用。

阵列波导光栅型波分解复用器：含有多个波长的复用信号光经中心输入信道波导输出后，在输入平板波导内发生衍射，到达输入凹面光栅上进行功率分配，并耦合进入阵列波导区；不同波长的光在输出平板波导中发生衍射并聚焦到不同的输出信道波导位置，经输出信道波导输出后完成了波长分配即解复用功能。

9.光网络

PDH和SDH的主要差别，PDH的三种速率；

PDH：准同步数字系列，规范了数字信号的帧结构、复用方式、传输速率等级、接口码型等特性；
SDH：同步数字传输体制，是一整套可进行同步数字传输、复用和交叉连接的标准化数字信号的等级结构。

主要差别：帧结构不同、映射和复用路径不同、同步方式不同。
PDH、SDH用在交换网中

脉冲编码调制：通过对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生电脉冲数字信号的过程

中国PDH的三种速率：2Mb/s，34Mb/s，140Mb/s

SDH的优点：
1.真正的同步复用：整个网络各级时钟都来自一个非常精确的主时钟，便于上下业务；
2.标准光接口，便于横向兼容；
3.强大的网管能力，便于维护管理
SDH的缺点：
1.频带利用率不如PDH系统（大量开销字节及空字节）；
2.技术和功能上复杂性大大增加（指针调整技术）；

2M的帧，SDH的帧

32个时隙，每时隙8bit，125us（所有帧，无论长短，时长都是125us）
0和16时隙传同步码和随路信令，其他时隙传数据
传输速率=2.048Mb/s

STM-N帧结构

9行不变，列数是270的倍数字节组成，一个字节8bit
AU-PTR：管理单元-指针;
RSOH：中继段开销，监控整体信息；
MSOH：复用段开销，监控复用段层信息；
POH：通道开销
一行一行的传
帧周期125us
STM-1=9∗270∗8/(125∗10−6)=155.52Mb/s=9*270*8/(125*10^{-6})=155.52Mb/s=9∗270∗8/(125∗10−6)=155.52Mb/s
段开销(SOH)：STM帧中为了保证信息正常灵活传送所必须的附加字节，STM-1有72字节用于段开销

以字节交错间插方式构成STM-4开销时，第一个STM-1的段开销被完整保留，其余STM-1的段开销仅保留A1、A2和B2，其它均应略去。

STM-1速率的计算

155.52Mb/s

字节间插，指针定位，映射的概念

字节间插：低速SDH信号以字节间插方式复用进高速SDH信号的帧结构中，其中低速信号在高速信号的帧中是固定的、有规律的，可从高速信号中直接分/插出低速信号，使得SDH特别适合高速大容量的光纤通信系统。

指针定位：确定PDH在SDH信息包的固定位置，预见低速信号在帧中的位置。

SDH的兼容性：SDH把各种体制的低速信号在网络边界处（如SDH/PDH起点）复用进STM-1的帧结构中，在网络边界处（终点）再拆分出来。

SDH的三个步骤
1.映射
2.定位
二级指针定位（管理单元指针AU-PTR、支路单元指针TU-PTR），允许用户净荷在帧内浮动。

3.复用
字节间插复用

中国的SDH基本复用映射结构（不要求背，理解）。

管理单元=AU-n PTR+支路单元=TU-n PTR+虚容器=帧+通道开销

C-4：140M 9260
C-3：34M 984
C-12：2M 9*4

2M的复用步骤

10.光纤通信系统设计

载噪比CNR

平均接收光功率用W表示，不可用dB表示。

1.前置放大器的热噪声的影响：

(CNR)T与接收机输入功率的平方成正比。若输入功率增加1dB，则 (CNR)_T增加2dB。即便当接收机接受的光功率很大时，前置放大器的热噪声也能占主导地位。

2. 光电转换散弹噪声的影响：

(CNR)q与接收机输入功率的成正比。输入功率增加1dB， (CNR)q增加1dB。当接收机接受的光功率很小时，光电转换散弹噪声占主导地位。

3.激光器相对强度噪声的影响：

在半导体激光器中，输出光的幅度或强度的起伏产生了光强度噪声。这种随机的强度波动产生的噪声称为相对强度噪声（nRIN）。

(CNR)RIN与接收机输入功率的无关。

根据损耗设置传输距离

Ad：光通道代价（脉冲波形失真导致的接收机灵敏度下降）（dB）
——仅仅对数字系统才有；
Ai：某种损耗（dB）；
Me: 系统富余量；
αj：每公里光纤的某一种损耗（dB/km）。

根据色散设置传输距离

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