光纤通信系统中常用的调制方法

第一篇：光纤通信系统中常用的调制方法

光纤通信系统中常用的调制方法

一． 光纤通信概况 1.发展

1966年，美籍华人高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表论文，预见了低损耗的光纤能够用于通信，敲开了光纤通信的大门，引起了人们的重视。1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20dB／km的光纤，光纤通信时代由此开始。由于光纤通信具有损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点，备受业内人士青睐，发展非常迅速。光纤通信系统的传输容量从1980年到202_年增加了近一万倍，传输速度在过去的10年中大约提高了100倍。2.基本组成

光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。最基本的光纤通信系统由光发射机、光纤线路和光接收机组成，具体如下图所示

二． 光调制与解调 1.基本概念

类似于电通信中对高频载波的调制与解调，在光通信中叶对光信号进行调制与解调。不管是模拟系统还是数字系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号。光载波经过光纤线路传输到接收端，再由接收机通过解调把光信号转换为电信号。2.常用的调制方式

根据调制和光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两类。

直接调制方法是把要传送的信息转变为电信号注入LD或LED，从而获得相应的光信号，是采用电源调制的方法。

间接调制是利用晶体的光电效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制，有电光调制、磁光调制、声光调制、电吸收效应和共振吸收效应等。本文将详细介绍现在常用的是电光调制和声光调制两种。

三、调制方式的详细介绍 1.直接调制

（1）调制原理

直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流的大小来改变激光器输出光波的强弱。传统的 PDH 和 2.5Gbit/s 速率以下的 SDH 系统使用的 LED 或 LD 光源基本上采用的都是这种调制方式。

(2)优缺点

a.优点：结构简单、损耗小、成本低。

b.缺点：由于调制电流的变化将引起激光器发光谐振腔的长度发生变化，引起发射激光的波长随着调制电流线性变化，这种变化被称作调制啁啾，它实际上是一种直接调制光源无法克服的波长（频率）抖动。啁啾的存在展宽了激光器发射光谱的带宽，使光源的光谱特性变坏，限制了系统的传输速率和距离。

（3）应用场合

宽带，3G蜂窝技术，军用设备，测试测量的应用。

(4)有关产品

a.法国3S推出1915 LMA直接调制模拟激光器，具有RIN低，输出功率10mW, 工作带宽从10MHz到20GHz，成本低等特点，适合针对各种射频光传输系统应用。

b.e1接口光纤 Modem，e1光纤modem是将非成帧或成帧的e1数据信号直接调制到单模或多模光纤上传输，用户可选择任意fe1时隙。适用于在不同光纤链路上传输带内管理通道，可以和v.35光纤modem或以太网光纤modem成对使用。是世界首个以直接调制方式实现远距离传送的10Gbps光收发器。2.声光调制（1）调制原理

利用光波被介质中的超声波衍射来实现的。声光调制器包括光介质、电声换能器等部分。调制电信号加在由某些压电晶体（如石英、铌酸鋰等）做成的电声换能器上，转换为超声波；当超声波在声光介质中传播时，介质密度将会发生疏密交替的变化，相当于一个条纹间隔等于超声波波长的衍射光栅。使得通过介质的光波强度、频率和方向都将随超声波发生变化，即起到了调制的作用。目前主要有两种声光调制器：自由空间声光调制器和光纤耦合声光调制器。(2)优缺点

a.优点：有更小的体积、重量和更好的输出波形，可以获得较高的对比度，所需要的驱动功率也远比电光调制小。比直接调制技术有高得多的调制频率，有更高的消光比（一般大于1000：1），更低的驱动功率，更优良的温度稳定性和更好的光点质量以及低的价格

b.缺点：它的调制带宽不如电光调制。

（3）应用场合

a.预(光)刻伺服磁道技术的研究，利用激光微斑记录特性使磁盘存储器的道密度得到大幅提高，而在预(光)刻伺服录写装置中，一个重要的任务就是对激光束进行光强调制集光脉冲调制。而通常采用的既是声光调制。

b.激光印刷机中，激光束的偏转调制器就是应用声光调制布拉格衍射原理实现的。利用高频驱动电路可以产生高频电振荡，通过超声转换能器形成超声波，通过快速控制超声波，实现声光器件调制激光束的目的。

c.在军事上，它也有广泛应用。例如一种新式探测器:雷达波谱分析器。空军飞行员可以利用它分析射到飞机上的雷达信号来判断飞机是否被敌方跟踪。外来的雷达信号与本机内半导体激光器产生的振荡信号经混频，放大后，驱动声光调制器，产生超声波，当外来信号变化时，超声波长也变化，衍射光的角度也变化，反映在二极管列阵上，我们可以很容易的识别敌方雷达信号。

(4)有关产品

a.美国CTI公司生产的声光调制器AOM，用于调节与控制激光的光强。

b.光纤耦合声光调制器（全光纤声光调制器）

3.电光调制

（1）调制原理

电光调制是基于线性电光效应（普克尔效应）即光波导的折射率正比于外加电场变化的效应。电光效应导致的相位调制器中光波导折射率的线性变化，使通过该波导的光波有了相位移动,从而实现相位调制。单纯的相位调制不能调制光的强度。由包含两个相位调制器和两个Y分支波导构成的马赫－泽德（Mach-Zehnder）干涉仪型调制器能调制光的强度。

电光调制器是利用某些晶体材料在外加电场的作用下所产生的电光效应而制成的器件。常用的有两种方式：一种是加在晶体上的电场方向与通光方向平行，称纵向电光效应（也称为纵向运用）；另一种是通光方向与所加电场方向相垂直，称横向电光效应（也称为横向运用）。下图为横向光电调制器的结构：

(2)优缺点

a.横向调制:优点是可以增加材料的长度，减少厚度，来减小斑驳电压。缺点是会由自然双折射引起相移，对温度敏感。

b.纵向调制:优点是结构简单，工作稳定，无自然双折射的影响，不需进行补偿。缺点是半波电压太高，功率损耗较大。一般横向调制器横向运用时其半波电压要低于纵向运用 ,但由于存在着自然双折射引起的相位延迟，且随温度的漂移而改变，往往使已调波发生畸变，常采用“组合调制器”来进行补偿。（3）应用场合

a.调节激光束功率，速度如激光印刷，数字数据传输速度记录，或高光通信

b.主动锁模

c.开关脉冲脉冲采摘，再生放大器和腔倒空激光器

(4)有关产品

a.美国ConOptics公司生产的高重频/高速普克尔盒系统，用于锁模激光器和再生放大系统，实现500—2000nm光谱范围MHZ以上频率开关，消除EMI效应。系统由光调制器、调制器驱动和同步电路组成。

b.英国Leysop公司生产的低电压电光调制器，这是一款低电压ADP横向模式调制器，该器件可工作在整个可见光波段，并且没有电压共振现象，具有较高的温度稳定性，但在需要长期直流幅度的地方，它应该在恒温条件下使用。调制频率不受该器件本身特性的限制，而是受电容的限制。四． 参考文献

《浅论光纤通信技术的特点和发展趋势》（中国论文下载中心 作者：何召舜 编辑：studa090420）《光纤通信（第二版）》（刘增基、周洋溢、胡辽林、任光亮、周绮丽编著

西安电子科技大学出版社

202_年）

《光纤通信》（原荣编著

电子工业出版社

202_年）

《光纤通信系统》（顾畹仪、李国瑞编著

北京邮电大学出版社

1999年）

《光纤通信——通信用光纤、器件和系统》（美国光学学会 Michael bass主编

人民邮电出版社

202_年）

第二篇：光纤通信系统

第一章

1、实现光纤通信的关键器件与技术是什么？

答：（1）低损耗、宽带宽的光纤。

（2）高可靠性、长寿命的光源及高响应的光检测器件。

（3）光测量及光纤连接技术。

2、光纤通信使用光源的波长范围是什么？

答：在近红外区内，即0.8~1.8um。

第二章

5、光纤的损耗机理及危害是什么？

答：损耗机理：主要有吸收损耗、散射损耗及辐射损耗。

吸收损耗与光纤材料有关。散射损耗与光纤材料及光波导中的结构缺陷、非线性效应有关，这两种损耗是光纤材料固有的。辐射损耗则与光纤几何形状的扰动有关。

危害：由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字脉冲，其幅度都要减小。光纤损耗是光纤传输系统中中继距离的主要限制因素之一。

6、光纤的色散机理及危害是什么？

答：色散机理：由于光纤中所传信号的不用频率成分或不同模式成分，在传播的过程中因群速度不同互相散开，并且造成它们到达光纤终端的时间各不相同，从而引起传输信号波形失真、脉冲展宽。光线的色散，主要有材料色散、波导色散和模式色散。

危害：由于信号的各频率成分和各模式成分的传输速度不同，当它在光纤中传输一定的距离后，将互相散开，致使光脉冲展宽。若脉冲展宽过大将会造成码间干扰，从而使误码率增加，通信质量下降。由于脉冲宽度与频带宽度成反比，脉冲展宽越大，表示带宽能力越小。

7、光缆的主要结构是什么？答：光纤芯线、护套和加强部件。

第三章

3、半导体激光器发光的基本条件是什么？

答：向半导体P-N结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡输出激光。

4、能级跃迁有那几种形式？

答：热跃迁、光跃迁（自发发射、受激辐射、受激吸收）。

5、半导体激光器的工作电压是正向还是反向？

答：正向。

8、比较半导体激光器和发光二极管的异同。

答：不同之处：(1)工作原理不同，半导体激光器是受激辐射，再利用谐振腔的正反馈。而发光二极管是自发辐射，不需要光学谐振腔，没有阈值。(2)发光二极管工艺简单、成本低、可靠性好。适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统。半导体激光器适用于长距离大容量的光纤通信系统。

相同之处：使用的半导体材料相同，结构相似。

11、光电探测器的主要特性是什么？

答：（1）要有高的光电转化效率，或者具有高的增益因子。

（2）对应于使用波长的光波，要有高的灵敏度，即响应度要高。

（3）要有足够宽的带宽，即检测器输出的电信号能不失真地反映出接受的光信号。

（4）要求稳定、可靠、便宜。

12、光电探测器的工作电压是正向还是反向？

答：反向。

16、试说明APD和PIN在性能上的主要区别。

答：PIN光电二极管响应频率高，可高达10GHZ，响应速度快，供电电压低，工作十分稳定。

APD雪崩二极管灵敏度高，响应快，但需要上百伏的工作电压，而且性能和入射光功率有关，当入射光功率大时，增益引起的噪声大，带来电流失真。

17、无源光器件的种类有哪些？

答：无源光器件大致可分为连接用的部件和功能性部件两大类。

连接用的部件有各种光连接器，它们不仅可用做光纤和光纤的连接，而且还可以组成功能部件及设备的一部分，用于部件（设备）和光纤、或部件（设备）和部件（设备）的连接。

功能性部件有分路器、耦合器、光分波合波器、光衰减器、光开关和光隔离器等，它们主要用于光的分路、耦合、复用、衰减、开关、防反射等方面。

第四章

1、数字信号调制半导体激光器时，直流偏置应如何设置？

2、数字信号调制发光二极管时，直流偏置应如何设置？

4、在数字光纤通信中，线路编码的基本要求是什么？

答：（1）要便于在不中断通信业务的条件下进行误码检测，这就要求码型有一定的规律性。

（2）码率增加要少，如码速提高过多，会使系统信噪比因带宽增大而减小，这对于高次群系统特别重要。

（3）尽量减少码流中连0、连1码的个数，便于定时信号的提取。

（4）要有利于减少码流的基线漂移，即要求码流中的“1”、“0”码分布均匀，否则不利于接收端的再生判决。

（5）接收端将线路码还原后，误码增值要小。

（6）电路简单，体积小，耗电少。

6、现有码流信号为***011110110，采用8B1P编码方式，请分别给出P为奇校验码和偶校验码时的码流信号。

（1）P为奇校验码：

8B码***011110110

8B1P码 ***101111101101

（2）P为偶校验码：

8B1P码 ***1001111011007、现有码流信号为***011110110，采用4B1C编码方式，请给出编码后的码流信号。4B码***011110110

4B1C码******

10、SDH帧结构可分为哪几个部分？

答：（1）段开销。（2）信息载荷。（3）管理单元指针。

17、数字光接收机的主要性能指标是什么？

答：（1）光接收机的灵敏度。（2）光接收机的噪声。（3）数字光接收机的误码率。（4）模拟光接收机的性噪比。（5）动态范围。（6）抖动。

18、设计数字光纤通信系统的中继距离时，应该考虑哪些因素？

答：（1）发射光功率。（2）光接收机灵敏度。（3）光纤的每公里损耗。（4）光纤的色散。

第五章

1、什么叫做基带—光强调制？

答：模拟信号没有经过任何电的调制就是基带信号如电视信号。基带信号直接对光源进行强度调制就称为基带—光强调制。

2、什么叫做副载波调幅—光强调制？

答：原始的电信号先对某一电载波进行调幅，然后再对光源进行调制。

3、什么叫做副载波调频—光强调制？

答：原始的电信号先对某一电载波调频，然后再对光源调制。

4、什么叫做脉冲调制—光强调制？

答：首先用原始的模拟信号对脉冲副载波进行预调制，然后再对光源进行强度调制。

8、什么叫做调幅频分多路技术？

答：首先将各频道的视频基带信号对各自的副载波进行残留边带调幅，组成频分多路信号，然后对光源进行强度调制。

9、什么叫做调频频分多路技术？

答：首先是将各频道的视频基带信号对各自的副载波进行调频，组成频分多路信号，再对光源进行强度调制。

10、什么叫做副载波复用（SCM）技术？

答：将数字视频基带信号对各自的副载波进行调制（如FSK、PSK、QAM等），组成频分多路信号，再对光源进行强度调制。

第六章

1、EDFA的工作原理是什么？有哪些应用方式？

答：工作原理：在掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有三个能级： 能级1代表基态，能量最低，能级2是亚稳态，处于中间能级，能级3代表激发态，能量最高，当泵浦(Pump, 抽运)光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态(1→3)。但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态(2→1)，产生受激辐射光，因而信号光得到放大。由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果。为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态铒离子尽可能跃迁到激发态。

应用方式：线路放大、接收端前路放大、发射端放大。

3、EDFA的基本种类有哪些？

答：线路放大器、前置放大器、功率放大器。

4、半导体激光放大器的种类有几种？主要原理分别是什么？

答：FP型（FPA）和行波型（TWA）

FPA：两端的发射系数较高，在两端面间产生正反馈谐振放大，因此要求输入信号与FP腔间有严格的频率匹配。在略低于阈值电流偏置时，设单次通过的增益为Gs，放大器的内增益可达20~30dB。只有靠近阈值时才能获得高增益。由于FPA的高度谐振性，它必然是一个窄带放大器。

TWA：虽然也是与FPA一样的LD芯片构成，但其端面反射系数要低得多。只有当端面的反射系数为零时才能被称作行波放大器。而实际情况下，只能说只能说工作在接近行波状态。

第七章

1、什么是波分复用系统？

答：为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率不同，可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器），将不同规定波长的信号光载波合并起来，送入一根光纤进行传输，在接收端再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开。由于不同波长的光载波信号可以看做互相独立，从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。

2、WDM技术的主要特点是什么？

答：（1）可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍。

（2）使N个波长复用起来在单模光纤中传输，在大容量长途传输时可以大量节约光纤。另外，对于早期安装的芯数不多的电缆，芯数较少，利用波分复用不必对原有系统作较大的改动即可比较方便的进行扩容。

（3）由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合和分离，以及PDH信号和SDH信号的综合与分离。

（4）波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关。一个WDM系统可以承载多种格式的“业务”信号，ATM、IP或者将来有可能出现的信号。WDM系统完成的是透明传输，对于“业务”层信号来说，WDM的每个波长就像“虚拟”的光纤一样。

（5）在网络扩充和发展中，是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务的方便手段，增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量。

（6）利用WDM技术选路来实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的光网络。

（7）在国家骨干网的传输中，EDFA的应用可以大大减少长途干线系统SDH中继器的数目，从而减少成本。距离越长，节省成本就越多。

5、光频分复用系统和光波分复用系统的区别是什么？

答：在波分复用系统中，合波器与分波器实质上是一个光波的滤波器，它们是在光波波段上将各信道的光波分隔出来。但是，这种光波的滤波器实际上做出来的通带较宽，因而两个光源间的波长间隔不能靠的太近，所以光波的频带利用率较差。

光频分复用系统在方案上恰恰避开了上述弱点，不在光波波段上将各信道分开，而在较低的波段上用电的滤波器将各信道分开。显然，这个频段上电的滤波器的选择性能要较光波器件好得多。因而，在这种复用系统中相邻信道的间隔就可取得小。所以，同样带宽的光纤就可容纳更多的信道。

第八章

1、简述什么是光交换？

答：光交换机中交换的信息是光信息，速率高，能抗电干扰，提供大的带宽，能够实现透明技术，便于扩展业务。很适合于高速、宽带系统。

2、光交换系统分类有几种？分别是哪些？

答：3种。空分光交换、时分光交换和波分光交换。

3、在全光网络的中间节点中，为什么要进行波长转换？

答：为了适应相应波长的信息传输模式，需要把携带有信息的一定波长信号通过处理，转载到另外一个波长上去。

4、波长转换技术主要有哪几种？

答：光/电/光波长转换技术、全光波长转换技术。

5、什么是光孤子通信？

答：光孤子通信是一种全光非线性通信方案，其基本原理是光纤折射率的非线性效应导致对光脉冲的压缩，可以与群速色散引起的光脉冲展宽相平衡，在一定条件下，光孤子能够长距离不变形地在光纤中传输。它完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制，其传输容量比当今最好的通信系统高出1~2个数量级，中继距离可达几百公里，它被认为是下一代最有发展前途的传输方式之一。

6、什么是相干光通信技术？

答：在发送端，采用外光调制方式将信号以调幅、调相或调频的方式调制到光载波上，再经光匹配器送入光纤中传输。当信号光传输到达接收端时，首先与一本振光信号进行相干混合，然后由探测器进行探测。

第三篇：光纤通信系统及网络练习题

光纤通信系统及网络

一、单项选择题（11题，每题2分，共22分）

3.光纤柔软，可弯成直径（B）左右的圆形也不会断裂，但不能进行锐角弯曲。

A.1mmB.2mm

C.3mmD.4mm

4.根据纤芯折射率在横截面上的分布形状来分，光纤可分为有阶跃光纤和（D）。

A.制造光纤B.多组分玻璃光纤

C.石英玻璃光纤D.渐变型光纤

5.制造石英光纤的主体原料是四氯化硅，约占到（B）。

A.95%B.100%

C.90%D.85%

6.损耗是光纤的一个重要传输参量，由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字脉冲，其幅度都要（A）。

A.减小B.增大

C.不变D.先增大后变小

7.所谓长波长光探测器，主要是指（D）的光电探测器。

A.1.0～1.2μmB.1.1～1.3μm

C.1.1～1.2μmD.1.0～1.3μm

8.对于调频分多路信号所用的激光器参数中，最高调制频率（B）。

A.1～3GHzB.2～3GHz

C.2～4GHzD.3～4GHz

9.当今，光纤的通信技术日新月异，其突出特点表现在传输速度（A）。

A.越来越高B.一层不变

C.越来越慢D.非常不稳定

10.光纤的通信技术是在（B）兴起的一门高新技术。

A.20世纪70年代中期B.20世纪70年代初期

C.20世纪60年代初期D.20世纪70年代末期

11.光纤的外径一般为（A），它是利用光的全反射原理来传光的。

A.125～140μmB.126～140μm

C.125～141μmD.124～140μm

10.对FM-FDM信号所用的激光参数中输出光功率（A）。

A.大于3mWB.小于4mW

C.大于4mWD.大于5mW

11.目前实际应用中的光纤一般是用石英玻璃制成的，其传输损耗可低于(D)

A.0.6dB/kmB.2.5dB/km

C.0.65dB/kmD.0.5dB/km

二、多项选择题（5题，每题3分，共15分）。

1.根据光缆芯的结构特点，光缆可分为（ABCD）。

A.层绞式B.骨架式

C.中心束管式D.带状式

2.光缆的特性有（ABCD）。

A.拉力特性B.压力特性

C.弯曲特性D.温度特性

3.光端机包括有（BD）。

A.光纤传输系统B.光发射机

C.光驱D.光接收机

4.测距方法主要包括（ABC）。

A.扩频法测距B.带外法测距

C.带内开窗测距D.自动调度

5.对于调频分多路信号所用的激光器参数有如下哪些（ABCD）。

A.输出光功率大于3mWB.张弛震荡频率大于13GHz

C.RIN＜-155dB/HzD.最高调制频率2～3GHz

4.EPON系统的互通可以分为（ACD）。

A.EPON基本功能的互通

B.多点控制MAC子层的基本功能互通

C.业务承载相关功能的互通以及运行

D.运行、管理和维护功能的互通

5.线路码的主要性能参数有（ABCD）。

A.码速提升率RB.最大同码连续数N

C.误码增值系数GD.冗余度

三、填空题（10题，每题3分，共30分）

2.光纤很细，质量很轻，便于搬运和施工。成缆后，6～12芯光缆外径约12mm，重量约为150kg/km，而标准同轴电缆外径为47mm，18管同轴电缆重量为11t/km。

3.当前，光纤接入网的日益普及使用得楼内用的光缆的需求不断增长，对于楼内分支型用户光缆的主要要求是：结构简单、分支方便、接续快捷、施工费用低等。

4.辅助系统包括管理系统、公务通讯系统、自动倒换系统、告警处理系统和电源供给系统等。

5.目前我国的CATV系统传输带宽国标只到300MHz，行标只到450MHz，550MHz和750MHz，系统的频率配置正在制定标准。

6.光网络是承载光信号传输的实体。光纤通信对光网络的具体技术要求是：业务格式透明、传输距离长、传输速度高、传输容量大、组网灵活、可靠的网络保护等。

7.EPON系统功能的实现离不开各种关键技术，这些技术主要包括测距、系统同步、QoS以及动态带宽分配等。

8.光网络器件的基本性能有插入损耗、回波损耗、偏振相关损耗、消光比、隔离度。

9.非重构型OADM性能可靠、延时小、造价低，但是灵活性差。

10.光纤光栅的滤波特性：通带平坦、过滤带陡峭、阻带抑制高度、信道间隔非常小、温度稳定性优良、便于设计制造、成本功效高等优先。

9.光纤光栅的典型指标为：1560 nm的温度系数为0.01 nm/℃，滤波器滚降斜率为150 Db/nm，带外抑制比可达50 dB。

10.EDFA已成为光纤通信、光缆电视、光信息网络系统中的关键设备之一。

四、名词解释（5题，每题3分，共15分）

2.光栅是指在一块能够投射或反射的平面上蚀刻平行且等距的槽痕，形成许多具有相同间隔的狭缝的器件。

3.光的散射是指光通过密度或折射率等不均的物质时，除了在光的传播方向以外，在其他方向也可以看到光。

4.组合二次差拍是指在多频道传输系统中，由于设备非线性传输特性中的二阶项引起的所有互调产物。

5.光接收机的灵敏度是指在满足给定信噪比指标的条件下，光接收机需要的最小接收功率。

4.光接收机的动态范围是指光接收机灵敏度与最大可允许输入光功率的电平差。

5.组合三次差拍是指在多频道传输系统中，由于设备非线性传播特性中的三阶项引起的所有互调产物。

五、简答题（3题，每题6分，共18分）。

1.在光发射电路中，由于光纤通信系统的传输媒介是光纤，因此作为光源的发光器件，因满足哪些要求？

（1）发射的光波波长应位于光纤的三个低损耗窗口，即0.58μm、1.31μm和1.55μm波段。

（2）体积小，与光纤之间有较高的偶和效率。

（3）可以进行光强调制。

（4）可靠性高，工作寿命长，工作稳定性好，具有较高的功率稳定性、波长稳定性和光谱稳定性。

（5）发射的光功率足够高，以便传输较远的距离。

（6）温度稳定性好，即温度变化时，输出光功率以及波长变化应在允许的范围内。

3.光纤连接器应用的具体位置的实例包括哪些地方。

（1）设备与局域网络的接口。

（2）与建筑物内短的数据线路的连接。

（3）在一个建筑物内部的光信号分配的接线板的连接。

（4）一个通信系统进入一座建筑物的连接。

（5）网络与终端设备的连接等。

3.OADM的主要功能可以简单的概括为哪些？

1）光信号直通能力。

2）光通道的上路和下路能力。

3）支配功能：端口对不同通道的选接能力。

4）组网的自愈保护倒换能力。

5）对信号的不平坦进行功率均衡。

6）贵光信号进行放大。

第四篇：光纤通信系统发展综述

光纤通信系统发展综述

摘要： 光纤通信技术（optical fiber communications）从光通信中脱颖而出,已成为现代通信的主要支柱之一,在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术,其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的,也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。

仅在过去5年中，光纤技术领域取得了大量突破性进展，其中包括10Gbit/s网络的构建和单根光纤上每秒太比特容量的成功演示。不久前，业内成功演示了40Gbit/s和80Gbit/s网络。这些演示进一步突出了对速度更高、容量更大的网络的需求和期望。

一、光纤通信的发展史

世界光纤通信发展史

光纤的发明，引起了通信技术的一场革命，是构成21世纪即将到来的信息社会的一大要素。

1966年出生在中国上海的英籍华人高锟，发表论文《光频介质纤维表面波导》，提出用石英玻璃纤维（光纤）传送光信号来进行通信，可实现长距离、大容量通信。

于1970年损失为20db/km的光纤研制出来了。据说康宁公司花费3000万美元，得到30米光纤样品，认为非常值得。这一突破，引起整个通信界的震动，世界发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信。1976年，美国贝尔实验室在亚特兰大到华盛顿间建立了世界第一条实用化的光纤通信线路，速率为45Mb/s，采用的是多模光纤，光源用的是发光管LED，波长是0.85微米的红外光。在上世纪70年代末，大容量的单模光纤和长寿命的半导体激光器研制成功。光纤通信系统开始显示出长距离、大容量无比的优越性。

按理论计算：就光纤通信常用波长1.3微米和1.55微米波长窗口的容量至少有25000GHz。自然会想到采用多波长的波分复用技术WDM（WavelengthDivisionMultiplex）。1996年WDM技术取得突破，贝尔实验室发展了WDM技术，美国MCI公司在1997年开通了商用的WDM线路。光纤通信系统的速率从单波长的2.5Gb/s和10Gb/s爆炸性地发展到多波长的Tb/s(1Tb/s=1000Gb/s)传输。当今实验室光系统速率已达10Tb/s，几乎是用之不尽的，所以它的前景辉煌。

中国光纤通信发展史

1973年，世界光纤通信尚未实用。邮电部武汉邮电科学研究院（当时是武汉邮电学院）就开始研究光纤通信。由于武汉邮电科学研究院采用了石英光纤、半导体激光器和编码制式通信机正确的技术路线，使我国在发展光纤通信技术上少走了不少弯路，从而使我国光纤通信在高新技术中与发达国家有较小的差距。

我国研究开发光纤通信正处于十年**时期，处于封闭状态。国外技术基本无法借鉴，纯属自己摸索，一切都要自己搞，包括光纤、光电子器件和光纤通信系统。就研制光纤来说，原料提纯、熔炼车床、拉丝机，还包括光纤的测试仪表和接续工具也全都要自己开发，困难极大。武汉邮电科学研究院，考虑到保证光纤通信最终能为经济建设所用，开展了全面研究，-1-

除研制光纤外，还开展光电子器件和光纤通信系统的研制，使我国至今具有了完整的光纤通信产业。

1978年改革开放后，光纤通信的研发工作大大加快。上海、北京、武汉和桂林都研制出光纤通信试验系统。1982年邮电部重点科研工程“八二工程”在武汉开通。该工程被称为实用化工程，要求一切是商用产品而不是试验品，要符合国际CCITT标准，要由设计院设计、工人施工，而不是科技人员施工。从此中国的光纤通信进入实用阶段。

在20世纪80年代中期，数字光纤通信的速率已达到144Mb/s，可传送1980路电话，超过同轴电缆载波。于是，光纤通信作为主流被大量采用，在传输干线上全面取电缆。经过国家“六五”、“七五”、“八五”和“九五”计划，中国已建成“八纵八横”干线网，连通全国各省区市。现在，中国已敷设光缆总长约250万公里。光纤通信已成为中国通信的主要手段。在国家科技部、计委、经委的安排下，1999年中国生产的8×2.5Gb/sWDM系统首次在青岛至大连开通，随之沈阳至大连的32×2.5Gb/sWDM光纤通信系统开通。202_年3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通，是至今世界容量最大的实用线路。

中国已建立了一定规模的光纤通信产业。中国生产的光纤光缆、半导体光电子器件和光纤通信系统能供国内建设，并有少量出口。

有人认为，我国光纤通信主要干线已经建成，光纤通信容量达到Tbps，几乎用不完，再则202_年的IT泡沫，使光纤的价格低到每公里100元，几乎无利可图。因此不要发展光纤通信技术了。

实际上，特别是中国，省内农村有许多空白需要建设；3G移动通信网的建设也需要光纤网来支持；随着宽带业务的发展、网络需要扩容等，光纤通信仍有巨大的市场。现在每年光纤通信设备和光缆的销售量是上升的。

二、光纤通信的原理及其优点

光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息．

光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看,构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外,在应用中,光纤常按用途进行分类,可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种,而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤,并常以某种功能器件的形式出现。光纤通信之所以发展迅猛,主要缘于它具有以下特点:

(1)通信容量大、传输距离远;一根光纤的潜在带宽可达20THz。采用这样的带宽，只需一秒钟左右，即可将人类古今中外全部文字资料传送完毕。目前400Gbit/s系统已经投入商业使用。光纤的损耗极低，在光波长为1.55μm附近，石英光纤损耗可低于0.2dB/km，这比目前任何传输媒质的损耗都低。因此，无中继传输距离可达几

十、甚至上百公里。

(2)信号串扰小、保密性能好;

(3)抗电磁干扰、传输质量佳,电通信不能解决各种电磁干扰问题，唯有光纤通信不受各种电磁干扰。

(4)光纤尺寸小、重量轻,便于敷设和运输;

(5)材料来源丰富,环境保护好，有利于节约有色金属铜。

(6)无辐射,难于窃听,因为光纤传输的光波不能跑出光纤以外。

(7)光缆适应性强,寿命长。

(8)质地脆，机械强度差。

(9)光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。

(10)分路、耦合不灵活。

(11)光纤光缆的弯曲半径不能过小（>20cm）

(12)有供电困难问题。

利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式．由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点，光纤通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光－光纤通信．

光纤通信是现代通信网的主要传输手段，它的发展历史只有一二十年，已经历三代：短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤．采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光纤通信．中国光纤通信已进入实用阶段．

光纤通信的诞生和发展是电信史上的一次重要革命与卫星通信、移动通信并列为20世纪90年代的技术。进入21世纪后，由于因特网业务的迅速发展和音频、视频、数据、多媒体应用的增长，对大容量（超高速和超长距离）光波传输系统和网络有了更为迫切的需求。光纤通信就是利用光波作为载波来传送信息，而以光纤作为传输介质实现信息传输，达到通信目的的一种最新通信技术。

通信的发展过程是以不断提高载波频率来扩大通信容量的过程，光频作为载频已达通信载波的上限，因为光是一种频率极高的电磁波，因此用光作为载波进行通信容量极大，是过去通信方式的千百倍，具有极大的吸引力，光通信是人们早就追求的目标，也是通信发展的必然方向。

光纤通信的应用领域是很广泛的，主要用于市话中继线，光纤通信的优点在这里可以充分发挥，逐步取代电缆，得到广泛应用。还用于长途干线通信过去主要靠电缆、微波、卫星通信，现以逐步使用光纤通信并形成了占全球优势的比特传输方法；用于全球通信网、各国的公共电信网（如我国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线）；它还用于高质量彩色的电视传输、工业生产现场监视和调度、交通监视控制指挥、城镇有线电视网、共用天线（CATV）系统，用于光纤局域网和其他如在飞机内、飞船内、舰艇内、矿井下、电力部门、军事及有腐蚀和有辐射等中使用。

三、近几年技术大突破

要全面发挥互联网的潜力，我们必须不断提高网络可靠性、速度和灵活性。这就要求我们构想一种非常可靠、可以灵活地支持新应用和业务而且成本低廉的网络。有一套真正的端到端

解决方案，对于构建更可靠、速度更高而且更灵活的互联网也至关重要。

此外，我们还需要智能网络，它必须提供动态的带宽管理、集成的分组和光纤联网以及通过一体化解决方案实现的协调一致的故障排除功能。将来的网络还必须提供可扩展、可实现业务的多太比特连接管理解决方案，它应该可以集合和整理（groom）波长和子波长（sub wavelength）业务并提供灵活的恢复机制来满足业务需要。

超高容量和超远距离（4000km）解决方案对于演进长途网络也很关键，而先进的DWDM系统则是城域解决方案的一个重要组成部分。可靠性不再是一个业务差分因素，它已成为一项必备要求，而光纤层保护和恢复则是它的一部分。光纤和分组层上采用的经过实践验证的功能恢复方法可以更可靠、智能地根据根本原因处理网络性能下降情况。

要在一个业务要求瞬息万变的环境中提供灵活性，模块化光纤系统是一项必备条件。从收集层到高速核心网之间，我们需要提供多样化的上高速路（OnRamp）手段，使得我们能处理不同的协议和不同的传输速率。这是收集层波分复用设备非常重要的要求。

时分复用（TDM）和密集波分复用（DWDM）技术的发展帮助我们顺利演进了网络以处理业务容量问题。这两种技术可以提高光纤吞吐量模块性，而DWDM还可以提供一种解决容量问题的方法，因为它使服务供应商可以在一根光纤上合并和发送多个光信号。这样，服务供应商便可以灵活地增加专为增加光纤容量而设计的下一代TDM技术，以便通过将时间划分为更短的时间段和增加每秒传输的比特数量来处理比特率。

然而，寻求实现2.5Gbit/s和10Gbit/s以上线路速率的服务供应商还必须满足这一要求。服务供应商们正在寻求可以支持更高光纤核心传输速率的解决方案，以便实现高性能骨干太比特容量并有效管理带宽增长，同时降低在光纤上将每比特业务传输1英里所需的成本。下一代技术的发展可以提高光纤层的容量和效率，而且还可以在一根传输线路速率为40Gbit/s的光纤上支持高达64Tbit/s的容量。这种结构可以扩展到80Gbit/s甚至更高。与DWDM网络设备协同使用时，全新的40G解决方案实现的太比特容量可以实现一种非常优化的解决方案来缓解网络核心的业务拥塞和瓶颈。

40Gbit/s平台可以提高网络的经济高效性，扩大光纤覆盖范围，同时降低对传统网络单元的需求。它在每英里上传输1比特业务的成本最低而且设计小巧，可以减少在中心局中所需的空间。一个完整的40Gbit/s平台将可以集成一个智能ASON（自动交换式光纤网络），以提供在传输层管理容量的功能，同时实现将带宽设置和多种端到端业务迅速重新路由至网络任何地方的灵活性。这有助于确保需求可以得到经济高效的满足。

光纤组件的其它进步和一体化网状体系结构的建立将为服务供应商带来更高效的解决方案。网状网的灵活性可以提高网络效率，同时降低总投资成本。网状体系结构允许进行多种灵活的网络配置，每一种配置都可以支持基于智能光纤交换机的电路设置和所请求保护级别上对不同多级别业务的路由。

多重路由功能允许经济高效的业务设置，而且可以通过缩短恢复时间提高网络的整体可靠性。灵活的带宽管理还使服务供应商可以在必要时租用不同波长。另外，可调谐的发射机将为光纤核心带来更大的灵活性，并通过在所有波长上使用相同激光器来降低库存成本。

四、光通信器件的介绍

光通信器件是光通信的关键部分，对光通信的发展起到了制约的作用，直接影响到整个光纤通信系统设备的技术水平和市场竞争力。随着密集波分复用系统、光传送网和光纤接入网的发展，对器件的质量要求越来越高，并且不断向交换、无线通信、光互连和传感器等领域扩展。

光纤通信器件分为有源器件、无源器件，其中有源器件包括激光器及组件、光纤放大器（以掺铒光纤放大器为主）、发送器、接收器等；无源器件可分为波分复用器、光开关、连接器、衰减器、准直器 隔离器等。

随着目前全光网络、太比特速率以及密集波分复用技术等光纤通信新技术的涌现，由光电集成和光子集成组成的光纤通信器件在整个光纤通信系统中所起的作用越来越重要，用量大增，其占据光纤通信市场份额迅速上升。在202_年，有源器件在整个光通信市场份额占40%，无源器件占9%。同时，光纤通信技术能否持续发展，很大程度取决于器件水平。可以说光纤通信进步的基础在于光器件。

五、光通信材料的介绍

一般而言，新材料的研制开发大多来源于新兴器件技术的需求，对于光纤（Optical Fiber）材料也有类似情形，玻璃作为传输介质的研制探索已有近一个世纪的历史，目的主要在于改善宽频带（Broadband）的长途通信（Teleconmunication），使得借助玻璃纤维传输的光信号优于通过金属电线传导的电信号．

早期的电话是通过电线传输的直流信号，它的强度（音量大小）由碳话筒（Car－fon Microphone）产生的电阻变化而调制．随着真空管（Vacuum Tube）的出现，声信号通过交流载波器（Carrier）而调幅，并建立起间隔为4000Hz的十二个交流载波器组成的频率体系（Frequency Hierarchy）．越高的载波频率允许越大的信息承载容量．由于金属电线的阻抗随频率增高而变大，该系统在高于IMHk频率就不能使用．这种限制在二战后被克服，采用单边带微波无线电（Single Sideband MicrowaveRadio）明显地增大了单个传输通道的带宽容量，它们早先通过塔杆而后使用卫星进行传送．后来，可用的频带限制了其增长，人们的汪意力转向波导（Waveguide）以及同轴电缆（Coaxial Cable）的研制开发。

不久同轴电缆就用在大容量的中继主干线路（Trunk Line），但因高损耗而在间距

一、两公里就需放大处理．寻求更有效的系统导致了毫米波导的开发．相比起同轴系统传输600对声音信号，每个波导可提供多达238，000对声音回路．但是，波导系统的复杂性和调节的紧密性使得系统非常昂贵，光通信设想早已被注意，原因在于 10 12 Hz频率的光可提供几乎无限的带宽．然而，主要的障碍在于获得透明的传输介质．最早的实验利用空气来传输，但因雾。烟、雨等干扰而未能实用化．然后，尝试用铝管中的压缩空气来传输，纯净的空气透光性好，不过用于补偿光束发散的透镜会导致高的反射损耗．一种巧妙发明的气体透镜，可对称地加热管中的气体引起密度因而折射率（Refractiv Index）的梯度变化，从而起到聚焦作用，这种通过加热金属管的传输系统同样不大经济．

采用头发丝细的玻璃纤维可以代替气体作为传输质．这种圆柱形纤维中高折射率的内芯，被低折射率的包覆层围绕，从而使光线芯子与包覆层的界面发生全反射，并且无反射损耗地传输．由这种光学特性可以预计，光纤能在比金属波导低的生产和安装成本下达测望的适应性能．若低于lppm的过渡金属杂质，则透明石英光纤能达到小于20 dB／km的损耗．

六、光纤通信的发展前景

FTTH（光纤到家庭）是光纤通信进一步发展的方向，它被公认为理想的宽带接入网。目前，所谓宽带业务，大多是500kbps的影视节目。运营商为了充分利用铜线资源，采用ADSL技术就可提供，这使FTTH成为接入网主流的时间有所推迟。不久的将来，在HDTV普及的情况下，ADSL不能满足要求，而先进的ADSL2+也许可满足1chHDTV/户。如果4chHDTV/户采用FTTH比较合理。在双向业务广泛应用的情况下，上下行不对称的ADSL难以对应。目前，发达国家FTTH建设普遍开展，日本、韩国和美国比较发达，采用各种无源光网PON和以太网技术。中国的运营商和房地产开发商已对FTTH进行了试点。近来出现了所谓的网络电视（IPTV），电信运营商提出IPTV的初衷是考虑到有计算机的人少而有电视机的人多。提出的IPTV是采用专用的机顶盒连接电视机可直接浏览电信网的内容，而不要计算机。IPTV具有常规电视并兼有点播和时移电视的功能，可能会取代常规电视。由于IPTV的发展，影响光纤接入网和FTTH的构建。另外，也产生电信运营商和广播运营商的利益冲突。尽管有限制发牌照政策以保护广播运营商，但大势所趋，不可阻挡。实际上，许多广播运营商也开始改造其广播网为数字双向，也具备了发展IPTV的功能。广播运营商和电信运营商的界限开始有些模糊。

七、总结：

光纤通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。用户要传输的信息多种多样，一般有话音、图像、数据或多媒体信息。光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。在任何一种通信网络中，光纤是核心和关键。现代通信系统的发展日新月异，新技术、新产品的不断出现，它迅速改善和提高了人们的生活水平

参考文献： 光纤通信 刘增基 周洋溢西安电子科技大学出版社

光纤光学刘明德中国科学出版社

光纤通信系统欣婉仪北京邮电大学出版社

第五篇：光纤通信系统试题二

试卷二

一、单项选择题（在每小题的备选答案中选出一个正确的答案，并将正确答案的序号填在题干的括号内。每小题1分，共10分）

1．单模光纤的直径约为（）

A．4~10μmB．10~20μmC．15~20μmD．50μm

2．薄膜波导中要保证单模传输，则波长λ0必须满足的条件是()

A．λC(TM0)＜λ0＜λC(TE1)B．λC(TM1)＜λ0＜λC(TE1)

C．λC(TM0)＜λ0＜λC(TE0)D．λC(TE0)＜λ0＜λC(TM0)

3．与光纤归一化频率无关的参数是：（）。

A．纤芯半径aB．纤芯的折射率n1

C．包层的折射率n2D．包层的半径b

4．关于渐变型光纤的本地数值孔径，下列说法正确的是：（）

A．沿着纤芯半径方向，本地数值越来越小。

B．沿着纤芯半径方向，本地数值越来越大。

D．沿着纤芯半径方向，本地数值保持不变。

C．在纤芯和包层的交界面上本地数值孔径最大。

5．目前常用的光衰减器主要是采用金属蒸发膜来（）光能，从而进行光衰减。

A．散射B．吸收C．反射D．会聚

6．电子从低能级到高能级的过程发生在（）

A．自发辐射B．受激辐射

C．受激跃迁D．以上答案都不正确

7．关于半导体激光器，说法正确的是（）

A．只能发激光B．只能发荧光

C．工作特性与温度无关D．转化效率与阈值电流有关

8．光发射机不具备的功能是（）。

A．解码B．编码

C．扰码D．解扰

9．监控系统中的副控站（）。

A．不能发送信息B．不能采集信息

C．可收集其它被控站的信息D．可以发送控制指令

10．对于含有8个码元的一组码组10011101，若编为mB1P码，其结果是（）。

A．100111010B．100111011C．110011101D．010011101

二、填空题（每小题1分，共10分）

11．在传播方向上有电场分量但无磁场分量的电磁波称为

12．所谓“导波截止”是指条件被破坏，产生衬底辐射模。

13．用导波的14．光缆是由缆芯、和外护层组成。

15．光隔离器的基本原理是

16．半导体中原子最外层电子的轨道相互重叠，使得其能级不是分立的而是一个

17．扰码的主要作用是。

18．光子的能量为hf，半导体光电材料的禁带宽度是Eg，若要能产生光电流，则必须要

19．光接收机的前置放大器要求是具有

20．抖动的程度多用数字周期来表示，即用符号

三、名词解释（每小题3分，共15分）

21．敷层辐射模

22．材料色散

23．光强

24．激光器的阈值电流

25．光电检测器的量子效率

四、简答题（每小题5分，共20分）

26．薄膜波导中导波是怎样形成的?

27．简述激光产生的过程。

28．光接收机噪声的主要来源有哪些？

29．光纤通信中选择线路传输码型的主要要求是什么？

五、画图题（第30小题5分，第31、32小题各10分，共25分）

30．画出下凹型单模光纤折射率分布的示意图。

31．画出光纤式定向耦合器的结构示意图。

32．画出光发射机的原理方框图。

六、计算题（每小题10分，共20分）

33．阶跃型光纤，若n1=1.50，n2=1.48，传输的光波波长λ0=1.3μm。

（1）求相对折射率指数差△。50

（2）若要保证光纤单模传输，光纤半径a应取多大？

33．已知某光纤通信系统的光纤损耗为0.4 dB/km，光纤接头平均损耗为0.1 dB/km，光源入纤功率为-8dBm，系统的最大无中继传输距离为60km。系统的富余度为7dB，求光接收机灵敏度为多少dBm？