第三章 光通信信道
专业通信103班 代高凯 201027209 3-2.什么是阶跃光纤？什么是渐变光纤？
答：光纤按照折射率的分布分类，可分为阶跃光纤和渐变光纤。
(1).阶跃光纤是指在纤芯和包层区域内，其折射率分布分别是均匀的，其值分别是n1与n2，但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的，折射率分布的表达式为
?????≤<≤=2
1)2()1()1()(a r a n a r n n r ，， 阶跃光纤是早起光纤的结构方式，后来在多模光纤中逐渐被渐变光纤取代，但是它用来解释光波在光纤中的传播还是比较形象的。
(2).渐变光纤是指光纤轴心处的折射率n1最大，而随沿剖面径向的增加而逐渐减小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分界处，正好降到与包层区域的折射率n2相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的，即为n2
?????≤<≤?-=212
1211)()(21a r a n a r a r n n r ，， 式中，n1为光纤轴心处的折射率；n2包层区域的折射率；a1为纤芯半径；121n n n -=
?称为相对折射率差。
3-4.什么是单模光纤？什么是多模光纤？
答：光纤按照传播的模式分类，可分为多模光纤和单模光纤。
(1).当光纤的几何尺寸（主要是纤径直径d1）远远大于光波波长（约1μm ）时，光纤中会存在着几十种乃至几百种传播模式。不同的传播模式会有不同的传播速度与相位，因此经过长距离的传输之后会产生时延，导致光脉冲变宽。这种现象叫做光纤的模式色散（又叫模间色散）。计算多模光纤中除传播模式数量的经典公式为4/2V N =，其中V 为归一化频率。模式色散会使许多多模光纤的带宽变窄，降低其传输容量，因此多模光纤仅适用于较小容量的光纤通信。多模光纤的折射率分布大都为抛物线分布，即渐变折射率分布，其纤芯直径d1大约为50μm 。
(2)根据电磁场理论与求解麦克斯韦方程组发现，当光纤的几何尺寸（主要是芯径）可以与波长相比拟时，如芯径d1在5~10μm 范围，光纤只允许一种模式（基模HE11）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤，由于它只允许一种模式在其中传播，从而避免了模式色散的问题，故单模光纤具有极宽的带宽，特别适用于大容量的光纤通信，但是必须满足 归一化频率4048.221
≤=NA a V λπ
光纤的纤芯半径NA
a πλ2024.11≤ 3-7.光纤损耗主要有几种原因？其对光纤系统有何影响？
答：光纤损耗主要包括：
（1）吸收损耗(Absorbtion)—由制造光纤材料本身及其中的过渡金属离子和氢氧根粒子（OH-）等杂质对光的吸收而产生的损耗，包括本征吸收损耗、杂质吸收损耗、原子缺陷吸收损耗。
（2）散射损耗(Scattering)—线性散射损耗：任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤传播模式散射性的损耗，由于这类损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率呈线性关系，所以称为线性散射损耗，包括瑞利散射和在制造过程导致的波导散射损耗；非线性散射损耗：光纤中存在两种非线性损耗，它们都与石英光纤的震动激发态有关，分别为受激拉曼散射和受激布里渊散射。
（3）弯曲损耗(Bending Losses)—一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲称为微弯。
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，光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。
3-8.光纤色散主要有哪几种类型？其对光纤通信系统有何影响？
答：色散是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应，主要包括模式色散、材料色散和波导色散等。
（1）
材料色散 L D m m λλλτ?=)()(
色度色散
波导色散
单模光纤中的色散
偏振模色散(PMD)
（2）多模光纤中的色散—主要是模式色散，就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延差，它取决于光纤的折射分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。 最大模式时延差
τθττδτL cn Ln n c L n c L ==-=-=22
111min max /sin // 光纤色散是光纤通信中的一个重要特性，光纤的色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量。因此，制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统容量和加大传输距离是非常重要的。
3-13.某阶阶跃折射率光纤的纤芯折射率n1=1.50，相对折射率差△=0.01，试求：
（1）光纤的包层折射率n2=？
（2）该光纤的数值孔径NA=？
解：
（1）由相对折射率1
21n n n -=? 得 485.150.1*)01.01()1(12=-=??-=n n （2）数值孔径212.001.0*2*50.12sin 12221≈=?=-==n n n NA c θ
光纤通信概论 一、单项选择题 1、光纤通信指的就是: 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 光纤通信所使用的波段位于电磁波谱中的: A 近红外区 B 可见光区 C 远红外区 D 近紫外区 3 目前光纤通信所用光波的波长范围就是: A 0、4～2、0 B 0、4～1、8 C 0、4～1、5 D 0、8～1、6 4 目前光纤通信所用光波的波长有三个,它们就是: A 0、85、1、20、1、80 ; B 0、80、1、51、1、80 ; C 0、85、1、31、1、55 ; D 0、80、1、20、1、70。 6 下面说法正确的就是: A 光纤的传输频带极宽,通信容量很大;
B 光纤的尺寸很小,所以通信容量不大; C 为了提高光纤的通信容量,应加大光纤的尺寸; D 由于光纤的芯径很细,所以无中继传输距离短。 二、简述题 1、什么就是光纤通信？ 2、光纤的主要作用就是什么？ 3、与电缆或微波等电通信方式相比,光纤通信有何优点？ 4、光纤通信所用光波的波长范围就是多少？ 5、光纤通信中常用的三个低损耗窗口的中心波长分别就是多少？ 光纤传输特性测量 一、单项选择题 1 光纤的损耗与色散属于: A 光纤的结构特性; B 光纤的传输特性; C 光纤的光学特性; D 光纤的模式特性。 2 光纤的衰减指的就是: A 由于群速度不同而引起光纤中光功率的减少; B 由于工作波长不同而引起光纤中光功率的减少; C光信号沿光纤传输时,光功率的损耗; D 由于光纤材料的固有吸收而引起光纤中光功率的减少。
光纤通信 分题型复习 前言 水平有限，仅供参考。如有错误，敬请纠正。 （一）选择填空判断或名词解释 第一章 1、利用光导纤维传输光波信号的通信方式称为光纤通信。 2、属于光波范围之内的电磁波主要包括紫外线、可见光和红外线。目前光纤通信使用的工作波长0.85μm （损耗2dB/km ）,1.31μm （损耗0.5dB/km ）和 1.55μm （损耗0.2dB/km ）（0.8~1.8μm ），对应的频率是167~375THz 。 3、光纤通信系统的形式：强度调制/直接检波（IM/DD ），主要由光发射机，光纤，光接收机，及光中继器组成。（光发射机将电信号转化成光信号耦合进光纤，光接收机将光信号转换成电信号，中继器分为光-电-光和光层上直接进行放大的光放大器）。 4、光纤通信优越性：1、传输频带宽，通信容量大，2、传输损耗小，中继距离长。3、抗电磁干扰能力强。4、光纤细，重量轻，制作资源丰富。 第二章 1、外层的折射率比内层低。折射率高的叫纤芯，其折射率为n 1，直径为2a ，折射率低的叫包层，其折射率为n 2，直径为2b 。n 1>n 2。 2、光纤的分类：1、按光纤横截面折射率分布不同：阶跃型光纤（均匀光纤）和渐变型光纤（非均匀光纤）。2、按纤芯中的传输模式:单模光纤 (直径较小，为4~10μm ，纤芯较小，适合于大容量，长距离)，多模光纤（直径约为50μm ，传输多种模式） 3、反射定律：θ1=θ1'，反射角=入射角。折射定律：n 1 sin θ1=n 2 sin θ2 。 4、全反射的条件： n 1>n 2； θc <θ1<90o 。 5、弱波导光纤：1 21n n -n ≈? 。 6、数值孔径:光纤捕捉光射线能力的物理量，用NA 表示。?=-==2n n n sin 121max 22φNA 7、全反射形成导波的条件：221n n sin 2-≤φ ，是入射角。 8、渐变型光纤的本地数值孔径：()()()a n r n r 22-= NA ， 9、光纤的自聚焦：渐变型光纤中，不同射线具有相同的轴向速度的现象。 10、截止：光纤中出现了辐射模时，即认为导波截止。 11、0 本技术新型公开了一种自由空间光通信系统的光学天线，属于光通信技术领域。该光学天线包括可360°旋转的设置于一伸缩杆顶部的天线传输头外壳，该伸缩杆通过可沿底座表面旋转的转轴链接于底座表面；其中，天线传输头外壳内部远离伸缩杆顶部一侧依次设有消杂光光阑、瞄准器、副镜开孔的卡塞格伦天线、预准直装置和激光发射接受装置；所述激光发射接受装置包括半导体激光器和接收器；瞄准器包括三个呈中心对称的探测器，该探测器内设有激光光强感应器。本技术新型光学天线的激光束采用空间转直角坐标变换初步对准后，利用以探测器形成的等边三角形的三个顶点为基础，逐一进行对准的方法进行精确对准，可以针对任何变形和信息丢失的波形。 技术要求 1.一种自由空间光通信系统的光学天线，包括天线传输头外壳（1），其特征在于：天线传输头外壳（1）可360°旋转的设置于一伸缩杆（2）顶部，该伸缩杆（2）通过可沿底座（4）表面旋转的转轴（3）链接于底座（4）表面；所述天线传输头外壳（1）内部远离伸缩杆（2）顶部一侧依次设有消杂光光阑（7）、瞄准器（8）、卡塞格伦天线（9）、预准直装置（10）和激光发射接受装置（11）；所述激光发射接受装置（11）包括半导体激光器（11-1），半导体激光器（11-1）靠近预准直装置（10）一侧底部设有接收器（11-3），半导体激光器（11-1）与接收器（11-3）之间设有半透半反玻璃（11-2），接收器（11-3）接收到的激光信息输入电脑进行解码分析；所述卡塞格伦天线（9）包括主镜（9-1）和副镜（9-2），其中副镜（9-2）开孔；所述瞄准器（8）包括三个呈中心对称的探测器（8-1），该探测器（8-1）由可在天线传输头外壳（1）径向移动的支撑柱（8-2）和支撑柱（8-2）底部的激光光强感应器（8-3）构成，整个光学天线系统的控制电路设于各部件内部由电脑控制。 2.根据权利要求1所述的一种自由空间光通信系统的光学天线，其特征在于：所述天线传输头外壳（1）前端设有防尘玻璃（6），前端顶部设有遮光檐（5）。 3.根据权利要求1所述的一种自由空间光通信系统的光学天线，其特征在于：所述消杂光光阑（7）由若干内孔径依次减小的遮光圈构成。 技术说明书 一种自由空间光通信系统的光学天线 技术领域 本技术新型属于光通信技术领域，具体是一种自由空间光通信系统的光学天线。 背景技术 Fiber Optic Communications Review Guideline This guideline is aimed to provide a list of concepts covered in this course. It is advised that students should obtain a thorough understanding of the concepts, and test your understanding by answering related questions and homework problems. Chapter 1-4 ●Optical Fiber Basics ?Critical angle ?Acceptance angle ?NA ?Causes for transmission attenuation ?V-number calculation ?Estimation of mode numbers ?Bandwidth & bit rate ●Measurement ?dB and dBm ●Dispersion ?Intermodal ?Intramodal ◆Chromatic D(λ) ◆Waveguide ◆PMD ?Dispersion compensation fiber ?Dispersion->Pulse spread -> Bandwidth ●Three wavelengths: ?Unbounded wavelength λ=v/f ?Guided wavelength λg=λ/[1-(fc/f)2]1/2 ?Cutoff wavelength λc=v/fc ●Phase and group velocity ●Modes and power distributions ?LP Modes ?Mode classification Chapter 5-6 ?Single mode fiber basics ?MFD ?Cutoff wavelength ?Waveguide dispersion and dispersion flattening ?Loss(causes etc.) 要自信，绝对的自信，无条件的自信，时刻自信，即使在错的时候！！！ 《光纤通信》选择题练 习公布 精选精炼+课后精讲（QQ在线讲解） 张延锋 2014/8/1 忍人之所不能忍，方能为人知所不能为！！！ 选择题练习 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．在阶跃型光纤中，传输模式的传输条件为 A.V＞0 B.V＞Vc C.V＞2.40483 D.V＜Vc 3．在阶跃型光纤中，当模式处于截止的临界状态时，其特性参数 A.W＝0 B.β＝0 C.V＝0 D.U＝0 4. 下列不属于影响光电二极管响应时间的因素是 A.零场区光生载流子的扩散时间 B.有场区光生载流子的漂移时间 C.RC时间常数 D.器件内部发生受激辐射的时间 5．通常，影响光接收机灵敏度的主要因素是 A．光纤色散B．噪声C．光纤衰减D．光缆线路长度6．目前实用光纤通信系统普遍采用的调制─检测方式是 A. 相位调制—相干检测 B. 直接调制—相干检测 C. 频率调制—直接检测 D. 直接调制—直接检测7．下列属于掺铒光纤放大器泵浦光源的典型工作波长是 A.1550 nm B.1310 nm C.980 nm D.850 nm 8．下列属于描述光电检测器光电转换效率的物理量是 A. 响应度 B. 灵敏度 C. 消光比 D. 增益 9．下列属于有源光器件的是 A.光定向耦合器 B.半导体激光器 C. 光纤连接器 D. 光隔离器 10．在下列的传输码型中，不属于插入比特码的是 A. mB1P B. 4B1H C. 5B6B D. mB1C 11. 在激光器中，光的放大是通过 A．粒子数反转分布的激活物质来实现的B．光学谐振腔来实现的C．泵浦光源来实现的D．外加直流来实现的12. 下列哪一项不是要求光接收机有动态接收范围的原因? A．光纤的损耗可能发生变化 B．光源的输出功率可能发生变化 C．系统可能传输多种业务 D．光接收机可能工作在不同系统中 13. 光纤通信中光需要从光纤的主传输信道中取出一部分作为测试用时，需用 A．光衰减器B．光耦合器C．光隔离器D．光纤连接器14. 使用连接器进行光纤连接时，如果接头不连续时将会造成 A．光功率无法传输 B．光功率的菲涅耳反射 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： 自由空间光通信的现状与发展趋势 自由空间光通信的现状与发展趋势（一） 1 前言 20世纪90年代后期，随着全光接入网的发展，人们对传输速率的要求越来越高；随着通信范围的延伸，人们对快捷通信链路建立的兴趣进一步提高。自由空间光通信技术因其具有独到的优势，在固定无线宽带技术中，能为宽带接入的快速部署提供一种灵活的解决方案，又得到了极大的关注。其应用范围已从军用和航天逐渐迈入民用领域，其技术本身也在不断的完善中。 自由空间光通信可在以下一些范围发挥重要作用。1）可以作为光纤通信和微波通信冗余链路的备份；2）可以应用于移动通信基站间的互连，无线基站数据回传；3）应用于城域网的建设以及最后一公里接入；4）在技术上或经济上不宜敷设光缆的地区，在不宜采用或限制使用无线电通信的地方；5）在军事设施或其他要害部门需要严格保密的场合6）在企业内部网互连和数据传输。 2 自由空间光通信的基本原理及其特点 自由空间光通信系统（FSO）是以大气作为传输媒质来进行光信号的传送的。只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，通信就可以进行。 系统所用的基本技术是光电转换。在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工的通信。光发射机的光源受到电信号的调制，并通过作为天线的光学望远镜，将光信号经过大气信道传送到接收端的望远镜。高灵敏度的光接收机，将望远镜收到的光信号再转换成电信号。由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别，可以选用透过率较好的波段窗口。光的无线系统通常使用850nm或1550nm的工作波长。同时考虑到1500nm的光波对于雾有更强的穿透能力，而且人眼更安全，所以1550nm波长的FSO系统具有更广阔的使用前景。 自由空间光通信与微波技术相比，它具有调制速率高、频带宽、不占用频谱资源等特点；与有线和光纤通信相比，它具有机动灵活、对市政建设影响较小、运行成本低、易于推广等优点。自由空间光通信可以在一定程度弥补光纤和微波的不足。它的容量与光纤相近，但价格却低得多。它可以直接架设在屋顶，由空中传送。既不需申请频率执照，也没有敷设管道挖掘马路的问题。使用点对点的系统，在确定发收两点之间视线不受阻挡的通道之后，一般可在数小时之内安装完 一. 1 光纤通信的基础：利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信。 光纤通信的载波是光波。光纤通信用的近红外光（波长为0.7-1.7um）频率约为300THZ 频带宽度约为200THZ,在常用的1.31um和1.55um两个波长窗口频带宽度也在20THZ以上. 2 光纤通信的优点：（1）容许频带很宽，传输容量很大（2）损耗很小，中继距离很长且误码率很小（3）重量轻，体积小（4）抗电磁干扰性能好（5）泄漏小，保密性能好（6）节约金属材料，有利于资源合理使用. 二 1 光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝. 纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输. 纤芯和包层的折射率若分别为n1和n2，光能量在光纤中的传输的必要条件：n1>n2 2 按折射率分类：突变型，浙变型按传输模式分：多模光纤，单模光纤 光纤的三种基本类型： （1）突变型多模光纤：纤芯直径2a=50-80um，光线以拆线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大. 适用于小容量，短距离传输. （2）渐变型多模光纤：纤芯直径2a为50um，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小，适用中等距离传输，中等容量 （3）单模光纤：纤芯直径只有8-10um，光线以直线型状沿纤芯中心轴线方向传播. 信号畸变小，适合长距离传输方式. 3 光纤传输原理：全反射 数值孔径NA=√（n1*n1-n2*n2)=n1√2△纤芯和包支的相对折射率差△=（n1-n2)/n1 NA表示光纤接收和传输光的能力，NA越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量. 时间延迟：θ不大时：τ=n1L/c=(n1L/c )*(1+θ1的平方/2) c为光速 最大入射角θc和最小入射角0： △τ=θc的平方L/2n1c=(NA*NA)L/2n1c=△n1L/c 4 自聚焦效应：不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在P点上渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应的光线会聚集在同一点上，而且这此光线的时间延迟也近似相等。 5 归一化频率：V=√（n1*n1-n2*n2)*2πa/λ 对于光纤传输模式有模式截止，模式远离截止 6 M是模式总数 M=（g/g+2)(akn1)的平方△=（g/g+2)V*V/2 单模传输条件：V=√（n1*n1-n2*n2)*2πa/λ<=2.405 临界波长（截止波长）λc λ<λc 多模传输>单模传输 7 光纤传输特性：（1）损耗（2）色散 色散是在光纤中传输的光信号，包括： 《光纤通信技术》复习题 一．基本概念 1．什么样的电磁波叫做“光”？目前的光纤通信用的是什么光？波长是多少？ 答：光是一种电磁波，光频为10E14HZ量级，波长为μm 量级。可见光大约指0.4μm ~0.76μm 波长范围的电磁波。光通信采用的波长0.85μm、1.31μm和1.55μm。即在电磁波近红外区段。 2．光纤通信的特点？ 答：一、传输频带宽，通信容量大 二、传输损耗低，中继距离长 三、不怕电磁干扰 四、保密性好，无串音干扰 五、光纤尺寸小,重量轻,利于敷设和运输 六、节约有色金属和原材料 七、抗腐蚀性能好 3．光纤的NA和LNA各是什么意义？什么是光线模式的分立性？ 答：入射最大角称为孔径角，其正弦值称为光纤的数值孔径。数值孔径表示光纤采光能力的大小。 在光纤端面上芯区各点处允许光线射入并形成导模的能力是不一样的，折射率越大的位置接收入射光的能力越强。为了定量描述光纤端面各点位接受入射光的能力，取各点位激发最高次导模的光线入射角度为局部孔径角θ’C (r) ，并定义角的正弦值为该点位的局部数值孔径LNA。 光是有一定波长的，将光线分解为沿轴向和径向的两个分量，传输光波长λ也被分为λZ和λr。沿径向传输的光波分量是在相对的芯/包层界面间（有限空间）往返传输，根据波形可以稳定存在的条件——空间长度等于半波长的整数倍，而空间长度已由光纤结构所确定，所以径向波长分量λr不能随意了，从而导致它们夹角不能随意也即不能连续变化，即光线模式的分立性。 4．什么是光纤的色散？光纤的色散分为哪几种？在单模光纤中有哪些色散？ 答：脉冲信号在光纤中传输时被展宽的现象叫光纤的色散。分为模间色散和模内色散。模内色散又分为材料色散和波导色散。多模光纤：模式色散和材料色散；单模光纤：材料色散和波导色散。 5．归一化频率V和截止频率VC各如何定义？有何区别和联系？ 答：归一化频率见书28页，截止频率见27页。实际光纤中能够传输的导模模式必须满足V>Vc。 《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 自由空间光通信技术的 发展现状与未来趋势 易成林 (华中科技大学武昌分校,湖北武汉430070) 摘 要:自由空间光通信(Free2Space Optical Columniation,简称FSO)是一种通过激光在大气信道中实现点对点、点对多点或多点对多点间语音、数据、图像信息的双向通信技术,介绍了自由空间光通信的国内外研究现状,分析了应用现状和未来发展趋势。 关键词:自由空间;光通信技术;现状;趋势 中图分类号:F623 文献标识码:A 文章编号:167223198(2007)0920263202 1 自由空间光通信的研究现状 1.1 基于光电探测器直接耦合的FSO系统 早在30多年前,自由空间光通信曾掀起了研究的热潮,但当时的器件技术、系统技术和大气信道光传输特性本身的不稳定性等诸多客观因素却阻碍了它的进一步发展。与此同时,随着光纤制作技术、半导体器件技术、光通信系统技术的不断完善和成熟,光纤通信在20世纪80年代掀起了热潮,自由空间光通信一度陷入低谷。然而,随着骨干网的基本建成以及最后一公里问题的出现,以及近年来大功率半导体激光器技术、自适应变焦技术、光学天线的设计制作及安装校准技术的发展和成熟,自由空间光通信的研究重新得到重视。 在国外,FSO系统主要在美英等经济和技术发达的国家生产和使用。到目前为止,FSO己被多家电信运营商应用于商业服务网络,比较典型的有Terabeam和Airfiber公司。在悉尼奥运会上,Terabeam公司成功地使用FSO设备进行图像传送,并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用FSO设备向客户提供10OMb/s的数据连接。该公司还计划4年内在全美建设100个FSO城市网络。而Airfiber公司则在美国波士顿地区将FSO通信网与光纤网(SON ET)通过光节点连接在一起,完成了该地区整个光网络的建设。 目前商用的FSO系统(见图1)通常采用光源直接输出、光电探测器直接耦合的方式,这种系统有以下几点缺点: (l)半导体激光器出射光束在水平方向和垂直方向的发散角不同,且出射光斑较粗,因此我们需要先将出射光束整形为圆高斯光束再准直扩束后发射,这样发射端的光学系统就较为复杂,体积也会相应增大。 (2)在接收端,光斑经光学天线会聚之后直接送入PD 转化为电信号。通常,我们需要提供点到点的,双向的通信系统,这样,FSO系统的每个终端都包括了激光器,探测器,光学系统,电子元器件和其中有源器件所需要的电源。这种系统的体积通常比较大,重量大,成本也比较高。从FSO 系统终端的内部结构图中可以看出,完成一个简单的点到点的链路需要6个OE转换单元。随着人们对带宽的需求越来越高,PD的成本也越来越高,6个O E转换单元大大增加了成本闭。 (3 )FSO终端设备一般安装于楼顶,如果终端中含有大量的有源设备,会给我们的安装带来了很多不方便。 (4)系统的可扩展性很小。如果用户所需要的带宽增加,那么封装在一起的整个FSO系统终端都需要被新的终端取代,安装新设备的过程需要再次对准,整个升级过程所需要的时间很长,给人们带来巨大的损失。 图1 基于PD直接接受的FSO系统 1.2 基于光纤耦合技术的FSO系统 光纤输出、光纤输入的自由空间光通信系统(见图2 ),激光器输出的高斯光束耦合至光纤再经准直出射,传输一定距离后,光束通过合适的聚焦光学系统聚焦在光纤纤芯上,沿着光纤传输后经PD接收还原信号。这样我们通过在发射和接收端都采用光纤连接的方式,只需要在楼顶放置光学天线系统,而将其他的控制系统通过光纤放置于室内就可以实现点到点的连接,整个系统结构简单,易于安装。 图2 基于光纤的FSO系统 这种新型的FSO系统具有以下优点:①减少了不必要的E一O转换,一条链路现在只需要2个O E接口即可,大大降低了成本。②光学系统较为简单,光纤出射的光束一般为圆高斯光,不需要整形,简化了光学系统,减小了体积,易于安装。③易于升级及维护,当用户的带宽增加时,我们只需要对放置在室内的系统进行升级即可,免去了复杂繁琐的对准过程。④基于光纤耦合的空间光通信系统能够很 — 3 6 2 — 2014-2015年度《光纤通信技术》期末考试试题 1 .用图示的方法介绍现代数字光纤通信系统构成，并简述各主 要部分的功能？（10分） 1、答：X 光发送机 0 ?---------------------------- □----------------------------- □ （1）光发送机功能：将数字或者模拟电信号加载到光波上，并耦合进光纤中进行传输（2）光放大器功能：补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的传输距离 （3）光接收机功能：将光信号转换回电信号，恢复光载波所携带的原信号 2 .用图示的方法介绍光发射机的构成，并简要说明各部分的功 能？简单阐述直接调制和外调制的区别？（10分） 3.请用图示的方法简述光纤的构成，比较单模与多模光纤的区另 U?光纤数值孔径是衡量光纤什么的特性物理量？对于光纤 输入信号光 掺钳光纤 光隔离器. + 八 光隔离器光滤波器！ Z\ 输出 !信号光 通信系统而言，是否光纤数值孔径越大越好？（10分） 4.由于光纤本身导致通信系统性能下降的因素有哪些？如何克 服？（10分） 5.用图示的方法说明掺钥光纤放大器EDFA的工作原理和构成, 各 部分的作用是什么？掺钳光纤放大器级联后增益不平坦情 况恶化，列举两种解决方法？（10分） 1.掺钳光纤放大器主要由一段掺钳光纤，泵浦光源，光隔离器，光耦合器构成5'。采用掺 银单模光纤作为增益物质，在泵浦光激发下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大；2'泵浦光和信号光一起由光耦合器注入光纤：2'光隔离器的作用是只允许光单向传输，用于隔离反馈光信号，提高性能。2， 滤波器均衡技术：采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦° 2' 增益钳制技术:监测放大器的输入光功率，根据其大小调整泵浦源功率,从而实现增益钳制，是目前最成熟的方法° 2 6 .请简要阐述波分复用技术的工作原理，并用图示的方法说明？ （10 分） 7.简述受激布里渊散射与受激拉曼散射的概念？它们有什么区 另U? （io分） 8.请说出五种你所了解的无源光器件的名称，并简述其用途？ 光耦合器 专业通信103班 201027209 代高凯 1-3 与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信有何优点？ 答：1.通信容量大； 2.中继距离长； 3.保密性能好； 4.适应能力强； 5.体积小、重量轻、便于施工维护； 6.原材料资源丰富，节约有色金属和能源，潜在价格低廉。 总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，而且在经济上具有巨大的竞争力，因此其在信息社会中将发挥越来越多重要的作用。 1-8 空间光通信的关键技术有哪些？ 答：1.激光器技术-半导体激光器、固体激光器、光纤激光器； 2.捕获、瞄准、跟踪技术； 3.调制、接收技术； 4.空间环境（尤其是空间辐射环境）适应性技术； 5.小型、轻量、低功耗一体化设计和制造技术； 2.浅谈电磁波(EM waves)、光波(Ray)、光子(Photons)的异同点和联系。 答：电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。按照频率分类，从低频率到高频率，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X-射线和伽马射线等等。电磁波不需要依靠介质传播，各种电磁波在真空中速率固定，速度为光速。电磁波具有能量，电磁波是一种物质。 光波是一种波长很短频率很高的电磁波，可见光的波长范围约为0.4~0.76μm ，其频率范围约为7.5*10^14~3.9*10^14Hz 。光具有波粒二象性——从微观来看，由光子组成，具有粒子性；从宏观来看又表现出波动性。 光是由光子组成的，光子不仅具有能量，而且具有质量和动量等一般粒子共有的特性， 光子的质量可以由相对论的质能关系式求出：λ?c h c hv c E m ===22 光子的动量为：λ ?h c hv c m p === 以上两个式子将描述光的粒子特性的能量和动量与描述其波动特性的频率和波长之间，通过普朗克常量紧密的联系了起来。 自由空间光通信及可见光通信市场分析 什么是自由空间光通信? 无线通信经常面临带宽限制和低速数据传输等难题。但是，作为航空和国防领域有名的无线技术，自由空间光通信(FSO)则消除了传统无线通信系统所面临的诸多问题。该技术目前适用于卫星连接、深空探测器、偏远地区通信、无人机(UAVs)以及飞行器等。自由空间光通信适用于视线内的点对点通信。它使用不同的调制技术，如振幅与相位调制，用于将输入信息转化为数字信号，进而实现进一步传输。自由空间光通信的最新趋势受限于旨在改善通信传输数据流程和质量的先进编码方案的引入和发展。 自由空间光通信：市场推动力和限制因素 自由空间光通信由于其提供的诸多好处而越来越受欢迎，包括安装成本低、带宽利用率高、数据传输速度快、连接性提高等。此外，自由空间光学技术也适用于军事和商业应用，如电信。自由空间光通信的工作原理与光纤技术相同，只不过它使用空气作为传输信息的媒介，而不是光纤光缆。与此同时，自由空间光学通信的设置只需几个小时的安装。这些都是影响自由空间光通信市场发展的重要因素。然而，自由空间光学通信市场面临着一些挑战。例如，在两点之间部署自由空间光学通信设置之前，两者之间的视线内必须没有任何障碍物，如树木或建筑物等。此外，由于雾和大气湍流等因素，自由空间传播可能会受到干扰。由于光波的吸收、散射和反射，雾的存在会严重阻碍光波的传播特性。大气湍流可以引起闪烁，从而进一步增加比特误码率。这也是制约自由空间光通信市场发展的一些因素。 自由空间光通信：市场细分 自由空间光通信市场可以根据组件、数据类型、调制类型、应用、终端用户和区域进行细分。从组件方面来看，可以将市场细分为发射机、接收器、收发器、调制器、解调器等。发射器和接收器用于单向通信，而收发器则用于双向通信。使用自由空间光通信传输的不同类型的数据包括图像、声音以及视频等。从调制方面来看，自由空间光通信市场可以分割为振幅、频率、相位和偏振。此外，从应用方面来看，可以将市场细分为航空航天和国防、电信、医疗保健、灾害管理、存储区域网络(SAN) 等。从终端用户方面来看，可以将市场细分为企业和商业 自由空间光通信技术的发展现状与未来趋势 自由空间光通信（Free-Space Optical Columniation，简称FSO）是一种通过激光在大气信道中实现点对点、点对多点或多点对多点间语音、数据、图像信息的双向通信技术，介绍了自由空间光通信的国内外研究现状，分析了应用现状和未来发展趋势。 标签：自由空间；光通信技术；现状；趋势 1 自由空间光通信的研究现状 1.1 基于光电探测器直接耦合的FSO系统 早在30多年前，自由空间光通信曾掀起了研究的热潮，但当时的器件技术、系统技术和大气信道光传输特性本身的不稳定性等诸多客观因素却阻碍了它的进一步发展。与此同时，随着光纤制作技术、半导体器件技术、光通信系统技术的不断完善和成熟，光纤通信在20世纪80年代掀起了热潮，自由空间光通信一度陷入低谷。然而，随着骨干网的基本建成以及最后一公里问题的出现，以及近年来大功率半导体激光器技术、自适应变焦技术、光学天线的设计制作及安装校准技术的发展和成熟，自由空间光通信的研究重新得到重视。 在国外，FSO系统主要在美英等经济和技术发达的国家生产和使用。到目前为止，FSO己被多家电信运营商应用于商业服务网络，比较典型的有Terabeam 和Airfiber公司。在悉尼奥运会上，Terabeam公司成功地使用FSO设备进行图像传送，并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用FSO设备向客户提供10OMb/s 的数据连接。该公司还计划4年内在全美建设100个FSO城市网络。而Airfiber 公司则在美国波士顿地区将FSO通信网与光纤网（SONET）通过光节点连接在一起，完成了该地区整个光网络的建设。 目前商用的FSO系统（见图1）通常采用光源直接输出、光电探测器直接耦合的方式，这种系统有以下几点缺点： （l）半导体激光器出射光束在水平方向和垂直方向的发散角不同，且出射光斑较粗，因此我们需要先将出射光束整形为圆高斯光束再准直扩束后发射，这样发射端的光学系统就较为复杂，体积也会相应增大。 （2）在接收端，光斑经光学天线会聚之后直接送入PD转化为电信号。通常，我们需要提供点到点的，双向的通信系统，这样，FSO系统的每个终端都包括了激光器，探测器，光学系统，电子元器件和其中有源器件所需要的电源。这种系统的体积通常比较大，重量大，成本也比较高。从FSO系统终端的内部结构图中可以看出，完成一个简单的点到点的链路需要6个OE转换单元。随着人们对带宽的需求越来越高，PD的成本也越来越高，6个OE转换单元大大增加了成本闭。 一、填空题（20分) 1、目前光纤通信所用光波得光波波长范围为:0、８～1、8μm,属于电磁波谱中得近红外区。 2、光纤得典型结构就是多层同轴圆柱体，它由、与三部分组成. 3、光纤通信中常用得三个低损耗窗口得中心波长就是: , ，；最低损耗窗口得中心波长就是在: 。 4、光纤得色散分为色散色散与色散。 5、光与物质得粒子体系得相互作用主要有三个过程就是：，，；产生激光得最主要过程就是: 。６、光源得作用就是将变换为；光检测器得作用就是将转换为. 二、单项选择题(15分） 1光纤通信指得就是：［Ｂ] A以电波作载波、以光纤为传输媒介得通信方式； B 以光波作载波、以光纤为传输媒介得通信方式; C 以光波作载波、以电缆为传输媒介得通信方式; D 以激光作载波、以导线为传输媒介得通信方式。 2 光纤单模传输条件，归一化频率V应满足：［Ｂ］ -－－-A—V>2、40５——--—－B－V〈２、405-——－－-C- V＞3、832————－D- Ｖ〈3、832 3 使用连接器进行光纤连接时,如果接续点不连续，将会造成:[Ｃ］ A 光功率无法传输； B 光功率得菲涅耳反射; Ｃ光功率得散射损耗； D 光功率得一部分散射损耗，或以反射波形式返回发送端。 4 在激光器中，光得放大就是通过：［Ｃ] A 光学谐振腔来实现; B 泵浦光源来实现； C粒子数反转分布得激活物质来实现; D 外加直流来实现. ５掺铒光纤得激光特性：［B] A主要由起主介质作用得石英光纤决定; B 主要由掺铒元素决定; C 主要由泵浦光源决定; D 主要由入射光得工作波长决定. 三、（15分)如图所示,用射线理论分析子午光线在阶跃光纤中得传输原理. 《光纤通信技术》习题 第一章概述 1、填空题 光纤通信是以 为载频，以 为传输介质的通信方式 1966年7月，英籍华人 博士从理论上分析证明了用光纤作为传输介质以实现光通信的可能性；1960年7月，美国科学家 发明了红宝石激光器 光纤通信系统的短波长窗口为 ，长波长窗口为 。光纤通信系统的通信窗口波长范围为 。 在光通信发展史上， 和 两个难题的解决，开创了光纤通信的时代。 2、简答题 光纤通信为什么能够成为一种主要的通信方式？ 光纤通信系统由哪几部分组成？并说明各部分在系统中所完成的功能。现有光纤通信使用的光波长有哪几种？对应的频率是多少？它们在整个电磁波谱中处在什么位置？ 第二章光纤及其导光原理 1、填空题 光纤的导光原理与结构特性可用 理论与 理论两种方法进行分析。 单模光纤中不存在 色散，仅存在 色散，具体来讲，可分为 和 。 光纤色散参数的单位为 ，表示两个波长间隔为 的光波传输 后到达时间的延迟 对纯石英光纤，在λ= 处，色散参数D=D M+D W=0，这个波长称 为 。 在单模光纤中，由于光纤的双折射特性使两个正交偏振分量以不同的群速度传输，也将导致光脉冲展宽，这种现象称为 色散。 单模传输条件是归一化参量V 。 允许单模传输的最小波长称为 。 数值孔径（NA）越大，光纤接收光线的能力就越 ，光纤与光源之间的耦合效率就越 2、简答题 光纤由哪几部分构成？各起什么作用？ 简述G.651、G.652、G.653、G.654、G.655光纤的特性。 简述光纤的传输特性 3、计算题 阶跃折射率分布的光纤的芯径d=2a为100μm，折射率n1=1.458，包层的折射率n2=1.450，在该光纤中传输的光波的波长λ=850nm。 （1）计算该光纤的V参数？ （2）估算在该光纤内传输的模式数量是多少？ （3）计算该光纤的数值孔径？ （4）计算该光纤单模工作的波长？（考试试卷A卷计算题） 已知均匀光纤纤芯的折射率为n1=1.5，相对折射率差△=0.01，芯半径a=25μm，试求： （1）LP01、LP02、LP11和LP12模的截止波长各为多少？ （2）若λ0=1μm，光纤的归一化频率V以及其中传输的模式数量M各等于多少 均匀光纤，若n1=1.5，λ0=1.3μm，试计算： （1）若△=0.25，为了保证单模传输，其纤芯半径应取多大？ （2）若取a=5μm，为了保证单模传输，△应取多大？ 1概论 1、光纤通信的主要优点是什么？ 1频带宽、传输容量人；2损耗小、中继距离长；3重量轻、休积小； 4抗电磁十扰性能好；5泄漏小、保密性好；6节约金属材料，有利于资源合理使用。 2、光纤通信系统有哪几个基木组成部分？ 点对点光纤通信系统通常由光发射机、光纤、光中继器和光接收机四部分组成 3、什么是NRZ和RZ码？ NRZ：非归零码RZ：归零码 NRZ码的信号带宽仅为RZ的一半 NRZ的占空比等于1, RZ的占空比小于或等于0.5 2光纤和光缆 1、用光线光学方法简述光纤的导光原理。 光波从折射率较大的介质入射到折射率较小的介质时，当入射角大于临界角时，在 边界处发生全反射。 2、光纤的种类有哪些？什么叫多模光纤？什么叫单模光纤？它们的尺寸及使用场合有什么不同？多模光纤有哪两种？单模光纤又有哪几种？ 种类：按折射率分布的变化来分为阶跃光纤和渐变折射率光纤；按其中传播的光波模式数量分为单模光纤和多模光纤。 多模单模：如果光纤只支持一个传导模式，则称该光纤为单模光纤。支持多个传导模式的光纤称为多模光纤 尺寸：单模光纤芯径小（10um左右）,多模光纤芯径大（62.5um或50u m）。单模光纤传输适合高速大容量长距离传输。多模光纤适用于低速短距离传输。 多模光纤有阶跃多模光纤和渐变多模光纤。 单模光纤有G.652光纤、G653光纤、G654光纤、G.655光纤、全波光纤和色散补偿光纤 3、光纤数值孔径的定义是什么？其物理意义是什么？ 用数值孔径NA表示光线的最大入射角（）max；NA = sin 0 max= — 2/ NA =（2△庐,A =咗二阻= 2nr n. NA表示光纤接收和传输光的能力。NA（或（）max）越人，光纤接收光的能力越强, 1、光通信与光纤通信的含义一样吗？ A.光通信的范围大于光纤通信 B.两者完全一样 C.两者根本不是一回事 D.光纤通信的范围大于光通信 正确答案：A 2、早期光通信与现代意义的光纤通信最主要的区别主要是什么？ A.早期光通信传输内容（信息）无法量化、传输易受外部环境影响；现代意义光纤通信传输内容经过编码，可以可靠地进行长距离传输。 B.早期光通信是模拟的，现代意义的光纤通信是数字的。 C.早期光通信噪声大，现代意义的光纤通信噪声小。 D.早期光通信传输距离远，现代意义的光纤通信传输距离近。 正确答案：A 3、2009年，高琨因为光纤通信理论上的巨大贡献，获得了哪一项诺贝尔奖？ A.医学奖 B.化学奖 C.物理奖 D.数学奖 正确答案：C 4、按照光纤通信系统所使用的传输频段（信号波长）进行分类，以下哪一个不属于光纤通信系统？ A.超长波长系统。 B.短波长系统。 C.长波长系统。 D.射频波长系统。 正确答案：D 5、下面不属于光纤通信系统三个基本组成部分的是 A.光放大器 B.光发射机 C.光纤 D.光接收机 正确答案：A 1、光源的作用是：( ) A.产生输入光波信号 B.将电信号电流变换为光信号功率，即实现电-光转换 C.产生输入光功率 D.光波对电信号进行调制，使其载荷信息在光纤中传输 正确答案：B 解析：A、描述不够准确C、和选项A一样D、同选项A一样，不够准确完整 2、光电二极管的主要作用是：( ) A.将接收的光功率全部转换为电功率，即满足能量守恒定律 B.将接收的光信号功率转换为倍增电流，即实现信号的放大 C.将接收的光功率一部分转换为电功率，一部分转换为热量 D.将接收的光信号功率变换为电信号电流，即实现光-电转换自由空间光通信系统的光学天线的制作方法
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