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光纤通信思维导图

光导纤维通信原理是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。本导图讲述了光纤通信系统发展现状、光纤传输原理、光源器件、光发射机、DWDM的基本概念、PTN的基本概念等。

编辑于2021-08-10 16:01:58

光纤通信
传输信号

六小小

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光纤通信

第一章

1.1 光纤通信系统发展现状

通信发展两大目标

远距离传输

大容量通信

光纤通信与电缆或微波等通信方式的区别

💙光纤通信与电通信的主要差异

光纤通信的优点

（1）容量大

（2）损耗低、中继距离长

（3）抗干扰能力强

（4）体积小、重量轻

（5）光纤的原材料取之不竭

💙光纤的特点及应用

P2 表1.2

光纤系统组成

💙光纤通信系统组成及各部分功能

1.2 光纤通信网络发展现状

通信网概念 P6

光纤通信网络模型 P7

组成

作用

不仅适用于电信业务网，而且广泛用于有线电视网、计算机局域网、光互联网等信息网络

1.3 光纤通信发展与演变的趋势

主要手段

实现高速化、大容量的主要手段是采用时分复用，波分复用和频分复用

💙哪些途径可以提高光纤通信系统的传输容量

P11

第二章

2.1 光纤和光缆的结构及类型

光导纤维（光纤）

结构 P19

作用

类型

多模光纤

光纤中传输多个模式

适用于中距离、中容量的光纤通信系统

单模光纤

光纤中传输单个模式

适用于长距离、大容量的光纤通信系统

光缆 P22

应该大概了解就可

2.2 光纤传输原理分析

基本光学定律

反射定律

折射定律

光纤中光的传播

💙用射线理论描述阶跃型光纤的导光原理 P29

2.4 光纤的传输特性

损耗特性 P39-41

光纤损耗规律

光纤衰减系数

光纤总衰减

吸收损耗

散射损耗

附加损耗

💙使用过程中影响光纤损耗的原因 P40

色散特性 P42

根据原因可分为

模式色散

在多模光纤中传输，不同模式沿光纤轴向传播的速度是不同的，到达终端时，必定有先后，出现时延差，从而引起脉冲宽度展宽与畸变，形成...

材料色散

由于构成纤芯材料对不同光波长呈现不同的折射率造成

波导色散

光纤的波导结构对不同波长的光信号产生的色散

偏振模色散（单模光纤特有）

在理想的单模光纤中，由于只传输一种模式，故不存在模式色散，但存在偏振模色散

产生原因

在单模光纤中实际上传输的是两个相互正交的偏振模，它们的电场各沿x,y方向偏振，其相位常数不同，相应的群速度不同，它们沿光纤传输产生时延差，导致脉冲展宽。

危害

对数字信号，经光纤传播一段距离后，色散会引起光脉冲展宽或信号畸变，严重时，前后脉冲将互相重叠，形成码间干扰，导致误码率增加。因此，色散决定了光纤的传输带宽，限制系统的传输速率或中继距离。

光纤的带宽

💙色散的程度用什么表示，单位？

脉冲展宽，单位ps。 P45

💙简述光纤色散的种类、产生的原因及危害，并说明色散为什么会限制系统的通信容量 P42

光纤非线性效应

受激散射

定义

光场把部分能量转移给非线性物质

包括受激拉曼散射和受激布里渊散射

折射率扰动

第三章

3.1 光源器件

光源器件是光发射机的核心，其作用是将电信号转换成光信号

半导体激光器工作原理（LD）

1.光的辐射和吸收

（1）自发辐射

概念

在没有外界影响的情况下，处在高能级E2粒子自发地向低能级E1跃迁，并发射出一个频率为f，能量:为D的光子。发射出的光子的能量为两级的能量之差。

特点

1⃣️高能级粒子的自发行为，与是否存在外界激励作用无关

2⃣️独立、随机的。各列波的相位和偏振方向都不相同，并向四面八方传播，为非相干光

（2）受激吸收

概念

原处于低能级E1的粒子当受到外来的频率f=（E1-E2）/h的光子照射时，会吸收光子的能量从低能级E1向高能级E2跃迁

受激条件

外来光子的激励，且每个外来光子的能量hf≥E1-E2.

（3）受激辐射

激光器的物理基础

概念

处于高能级E2的粒子受到外来光子的激发（感应），发射一个与感应光子一模一样的全同光子，即频率、相位、偏振方向和传播方向相同并受激辐射发出光为相干光。

辐射条件

每个外来光子的能量hf=E2-E1

特点

外来光子与感应光子为全同光子

光放大现象 P53

雪崩

💙简述光与物质相互作用的三种基本过程的特点

（4）粒子数反转分布

高能级粒子数N2大于低能级粒子数N1（N2〉N1），总效果是受激辐射比受激吸收占优势。

（5）光放大

2.激光产生的条件

（1）放大（激活）物质

处于粒子数反转分布的激光工作物质

激励源

泵浦源

（2）频率选择及正反馈

（3）阈值条件和相位条件 P54

3.半导体的能带及PN结能带结构

LD发光原理是受激辐射

光发射的物理机理 P56

电致发光

半导体激光器基本结构

俺觉得不考

分布反馈式半导体激光器和可调谐式半导体激光器

1.分布反馈式半导体激光器（动态单纵模激光器）

优点

（1）单纵模特性好

（2）光谱线宽窄

（3）温度特性好

（4）调制特性好

2.可调谐式半导体激光器

半导体激光器的主要特性 P61-P64

1.阈值稳态特性（P-I特性）

2.温度特性

3.转换效率

4.发光波长和光谱特性

5.光电延迟和张弛振荡现象

6.自脉动现象（等幅振荡）

半导体发光二极管（LED）

主要特性

1.P-I特性曲线 P65

LED无阈值，发光功率随工作电流增大

工作温度升高时，同样的工作电流下LED输出功率下降

💙LD. LED 的工作原理、P - I特性曲线的差异

LED与LD的区别

发光二极管不存在阈值，输出功率与注入电流之间呈线性关系

发光二极管的光谱宽度较宽

光束发散角较大，与光纤耦合效率也较低

输出的光功率比较低

温度特性好

没有谐振腔，是以自发辐射为主的非相干光

2.光谱特性和发散角

LED的光谱宽度较宽，使光信号在光纤中传输时材料色散和波导色散较严重，而发散角大使LED和光纤的耦合效率低

3.2 光检测器件（光电效应原理）

PD光电二极管

基于PN结的光电效应把光信号转换为电信号的器件

💙光电效应原理

指一定波长的光照射到半导体PN结上，且光子能量大大于半导体材料的禁带宽度时，价带电子吸收光子能量跃迁到导带，使导带中带有电子，价带中有空穴，从而使PN结中产生光生载流子，在场的作用下形成光电流的一种现象

PIN光电二极管

PD光电二极管的基础上改进

加大耗尽区宽度，从而使入射光尽可能的在耗尽区被吸收

APD雪崩光电二极管

具有内部电流增益的光电转换器件，可以用于检测微弱光信号

当耗尽区吸收光子时，激发出来的光生载流子经过高场区被加速，以极高的速度与耗尽区的晶格发生碰撞，使晶体中的原子电离，从而产生新的光生载流子，并发生连锁反应，使载流子迅速增加，光电流在APD管内部获得增益，形成雪崩倍增效应

💙简述雪崩增益效应

光电二极管的主要特性 P68-P70

1.光电效应条件和波长响应范围

2.光电转换效率

3.光电响应速度和频率特性

3.3 光纤放大器（直接对传输光信号进行放大）

基本原理图（受激辐射） P71

分类

半导体光放大器

拉曼散射、布里渊散射光光纤放大器

掺杂光纤放大器

掺铒（EDFA）

光纤通信系统最佳放大器

掺谱

掺铌

EDFA的结构及原理

1.EDFA的基本结构

EDFA主要由掺铒光纤、泵浦源、WDM、光隔离器等组成

💙2.EDFA的工作原理

P72-P73绿色笔划线

💙 EDFA的主要特性

1.增益特性（越大越好）

P73

2.输出功率特性

3.噪声特性

3.4 光纤连接器

主要性能指标 P76-P77

💙1.插入损耗（越小越好）

原因

（1）相互连接的两光纤结构参数（模场直径、数值孔径、折射率指数）不匹配

（2）光纤的耦合不完善、有缺陷

减少插入损耗的措施

（1）使光纤结构参数匹配

（2）减少横向偏移、间隙端面不平整的情况

2.回波（反射）损耗（越大越好）

3.重复性和互换性

用dB表示

实现光纤与光纤之间、光纤与光模块或仪表、光纤与其他光无源器件之间的可拆卸连接

3.5 光分路耦合器和波分复用器

光分路耦合器（与波长无关）

1.基本结构 P77-P78

X状耦合器

Y状耦合器

星状耦合器

树状耦合器

2.主要性能指标

都是些公式 P79

3.功能

把一个输入的光信号分配给多个或两个输出，或把多个或两个光信号输入组合成一个输出。

💙简述光纤定向（分路）耦合器和光开关的种类及用途

波分复用器 WDM （与波长有关）

分类

光栅型

角色散型器件

当含有多波长的光信号在通过光栅时产生衍射，不同波长成分的光信号将以不同角度出射

主要用于解复用器中，分离各个波长

多层介质膜型 P81

结构

滤光片

多层膜介质构成，实现多个波长的分波和合波

自聚焦透镜

准直或汇聚光束

熔融拉锥全光纤型

概念

将两根靠贴在一起适度熔融而成的一种表面交互式器件

通过控制融合段的长度和不同光纤之间的互相靠近程度，实现不同波长的复用或解复用

集成光波导波分复用器

概念 P81

波分复用器的性能指标 P83-P84

1.插入损耗

指由于增加光波分复用器而产生的附加损耗

定义

该无源器件的输入与输出端口之间的光功率之比

2.串扰

指其他信道的光信号耦合进某一信道，并使该信道传输质量下降的影响程度

3.回波损耗

指无源器件的输入端口光功率与输入端口返回的光功率之比

4.工作波长范围

WDM器件能够按规定的性能要求工作的波长范围

5.信道宽度（信道带宽）

指各光源之间为避免串扰应具有的波长间隔

💙简述各种波分复用器的工作原理，比较其性能和特点 P80-P83

3.6 光隔离器与光环行器

光隔离器 P84-P85

性能指标

插入损耗L和隔离度I

光环行器 P85

3.7 光衰减器和光开关

光衰减器

功能

在光信息传输过程中对光功率进行预定量的光衰减

工作原理

1.位移型光衰减器

2.反射型光衰减器

3.衰减片型光衰减器

主要要求

精度高、衰减量的重复性好、可靠性高、衰减量随波长的变化小、体积小、质量轻

💙光开关（实现光路转换）

1.定义

一种具有“单刀双掷”或“单刀多掷”可选通断的光学器件

2.分类

机械式光开关

原理

利用电磁铁或步进电机移动光纤或棱镜、反射镜等中间物实现光路转换

非机械式光开关

原理

利用磁光、电光或声光及热光效应来改变波导折射率，实现光路转换

3.8 偏振控制器

第四章

4.2 光发射机

1.光源调制 P91-P94

直接模拟调制

💙LED和LD直接调制原理图 P92 图4-1

直接数字调制

间接（外）调制

2.光发射机结构及原理

基本组成 P94

光源

LD：有线路编码、调制电路、控制电路等部分

LED：将复杂的控制电路改为补偿电路