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1、光纖通信系統(tǒng) 第一章 所謂光纖通信，就是用光作為信息的載體 、以光纖作為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。通信系統(tǒng)的容量通常用比特率距離積 BL 表示，B 為比特率 ,L 為中繼間距。三種低損耗窗850nm、3dB/km；1310nm、0.4dB/km；1550nm、0.2dB/km4、PDH和SDH各表示什么？其速率等級標準是什么？答：PDH表示準同步數(shù)字序列，即在低端基群采用同步，高次群復(fù)用采用異步；SDH表示同步數(shù)字序列。PDH速率等級標準：SDH速率等級標準：STM-1：155.520Mbit/sSTM-4：622.080 Mbit/sSTM-16：2.5 Gbit/STM-64：10 Gbit

2、/s3、 光纖通信有哪些優(yōu)點？答：1、頻帶寬，通信容量大2、損耗低，中繼距離長 3、抗電磁干擾4、無串音干擾，保密性好5、光纖線徑細、重量輕、柔軟6、光纖的原材料資源豐富，用光纖可節(jié)約金屬材料7、光纖具有耐腐蝕力強、抗核幅射、能源消耗小等優(yōu)點。5 、圖示光纖通信系統(tǒng)，解釋系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。答：光纖通信系統(tǒng)由光發(fā)送機、光纖光纜與光接收機等基本單元組成。系統(tǒng)中包含一些互連與光信號處理部件，如光纖連接器、隔離器、調(diào)制器、濾波器、光開關(guān)及路由器等。在長距離系統(tǒng)中還設(shè)置有中繼器(混合或全光)。1. 光纖由哪幾部分構(gòu)成？從橫截面上看由三部分構(gòu)成：纖芯、包層、涂敷層；2、光纖中的纖芯折射率與包層折射率的關(guān)系？單

3、模光纖和多模光纖中中兩者的芯經(jīng)一般分別為多少？答：纖芯折射率大于包層折射率；單模光纖纖芯直徑：2a=8mm，包層直徑：2b=125m；多模光纖纖芯直徑：2a=50m，包層直徑：2b=125m。3、根據(jù)芯、包折射率分布及模式傳播情況，指出有哪些典型形式光纖？答：按照折射率：折射率在纖芯與包層介面突變的光纖稱為階躍光纖；折射率在纖芯內(nèi)按某種規(guī)律逐漸降低的光纖稱為漸變光纖。按照傳輸模式：單模光纖和多模光纖。5、數(shù)值孔徑NA的物理意義？表達式是什么？答：光纖的數(shù)值孔徑NA,它的含義是反映光纖對光信號的集光能力（接收能力），NA值越大，對光信號集光（接收）能力越強。NAsinqC6、什么是光纖的自聚焦？

4、產(chǎn)生在何種類型光纖里？產(chǎn)生自聚焦的條件？答：若折射率分布合適，可以使以不同角度入射的全部光射線以相同的軸向速度，同時到達光纖軸上的某點，即所有光射線都具有相同的空間周期L，這種現(xiàn)象稱為自聚焦，具有自聚焦特性的光纖稱為自聚焦光纖；梯自聚焦-以不同角度入射的光射線以相同的軸向速度，具有相同的空間周期 L，這種光纖稱為自聚焦光纖。 產(chǎn)生在漸變（梯度）型光纖中；當折射率分布按平方率分布（即雙曲正割變化），可形成自聚焦特性。第二章7、階躍光纖的纖芯和包層折射率分別為n11.46和n21.45，試計算： (a)相對芯包折射率差； (b)若該光纖的端面外為空氣(n0=1)，計算允許的最大入射角q0及數(shù)值孔徑

5、NA；(c)若該光纖浸于水中(n0=1.33)，計算q0及NA的大小。解：8、有一SI型多模光纖的芯徑為50 mm，芯包折射率分別為nl=1.465和n2=1.46。計算與光纖軸線夾角最大的那條子午射線，在1m的傳輸距離上共要反射多少次?解：2.2 1、導(dǎo)模的傳播常數(shù)應(yīng)滿足什么條件？答：2、歸一化頻率V與什么參量有關(guān)？其值與導(dǎo)模數(shù)的關(guān)系？答由式（2.2.21），與自由空間波數(shù)、芯經(jīng)、波長、折射率和相對折射率差有關(guān)。3、什么是單模光纖？實現(xiàn)單模傳輸?shù)臈l件是什么？答：單模光纖是在給定的工作波長上，只傳輸單一基模的光纖。當階躍光纖的歸一化頻率V 2.405時，實現(xiàn)單模傳輸。2.4 什么是光纖色散？光

6、纖色散包括哪些？零色散點所處的波長在那兒？決定什么因素？a）光纖的色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，隨傳輸距離增加，由于不同成分的光傳輸時延不同引起的脈沖展寬的物理效應(yīng)。（b）材料色散（模內(nèi)）、波導(dǎo)色散（模內(nèi)）、模式（模間）色散、偏振色散。（d）在1310nm處，決定因素是材料色散和波導(dǎo)色散。全色散為兩種色散的近似相加，即DDmat + DW ps/(nm.km)全色散為零的波長約在1.31mm。2.5 1、什么叫光纖損耗？寫出損耗的表達式。光纖損耗有哪幾種？造成光纖損耗的原因是什么？ 答：當光在光纖中傳輸時，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸減小，這種現(xiàn)象即稱為光纖的損耗。損耗一般用損耗系數(shù)表示。 光

7、纖損耗有：吸收損耗、散射損耗和輻射損耗。損耗產(chǎn)生的主要原因是光纖材料的吸收、散射作用和光纖在使用過程中由于連接、彎曲而導(dǎo)致附加光功率損失。光纖的衰減機理主要有3種，即光能量的吸收損耗、散射損耗和輻射損耗。吸收損耗與光纖材料有關(guān)； 散射損耗則與光纖材料及光纖中的結(jié)構(gòu)缺陷有關(guān)； 輻射損耗是由光纖幾何形狀的微觀和宏觀擾動引起的。2.7 2、光纖有那些類型？G.652、G.653、G.654、G.655光纖各表示什么？ 答： G.652光纖（SSF）：常規(guī)單模光纖，色散為零的波長約在1310 nm ，1550 nm具有更低的損耗；G.653光纖(DSF)：色散位移光纖，將零色散波長從1.3mm移到1.

8、55mm ，這種低損耗、低色散的光纖，無疑對長距離大容量光纖通信來說是十分有利的。G.654光纖(CSF)：截止波長位移光纖，設(shè)計的出發(fā)點進一步降低1550nm處的衰減，而零色散波長仍為1310nm。G.655光纖(NZ-DSF)：非零色散位移光纖，將零色散波長移至1550 nm附近，目地是應(yīng)用DWDM，克服非線性產(chǎn)物四波混頻（FWM）。1、按照成纜結(jié)構(gòu)方式不同可分為哪幾種光纜？答：層絞式、骨架式、帶狀式、束管式2、光纖光纜制造的主要流程是什么？答：制棒-拉絲-涂敷-成纜光纖預(yù)制棒制作方式：用氣相沉積法（MCVD)制造一根具有所需折射率分布的預(yù)制棒。典型的預(yù)制棒長1m，直徑2cm，包含具有合適

9、相對尺寸的纖芯和包層。3.1 2、比較發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器，指出各自特點？答：發(fā)光二極管特點：以自發(fā)輻射為基礎(chǔ)，發(fā)普通熒光，發(fā)散角大，是無閾值的器件，發(fā)射功率一般為微瓦級。半導(dǎo)體激光器特點：以受激輻射為基礎(chǔ)，發(fā)相干（激）光，是有閾值的器件（電流大于閾值點，發(fā)射線性激光；小于閾值點為自發(fā)輻射光），發(fā)射功率一般為毫瓦級。 1、光和物質(zhì)的相互作用是什么？答：受激輻射、自發(fā)輻射、受激吸收1、半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光輸出的基本條件是哪些？答：半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光輸出的基本條件是：形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；提供光反饋；滿足激光振蕩的閾值條件。3.2 1、用于光纖通信的發(fā)光二極管有哪幾類？特點是什么？答：LED的基本

10、結(jié)構(gòu)可分為兩類：面發(fā)光LED和邊發(fā)光LED。面發(fā)光LED：稱為布魯斯(Burrus)型LED，這種LED發(fā)射面積限制在一個小區(qū)域，小區(qū)域的橫向尺寸與光纖纖芯直徑接近。面發(fā)光管輸出功率較大，一般注入電流100mA時可達幾毫瓦，但光發(fā)散角大，其水平發(fā)散角120，垂直發(fā)散角120，光束呈朗伯分布，與光纖耦合效率很低。邊發(fā)光LED：采用條形半導(dǎo)體激光器的設(shè)計方案，其發(fā)散光束不同于面發(fā)光LED，它在垂直于結(jié)平面方向的發(fā)散角僅為30，所以邊發(fā)光LED的輸出耦合效率比面發(fā)光LED高，調(diào)制帶寬亦較大，可達約200MHz。2、制張弛振蕩、減小電光延遲時間的簡單方法是什么？答： 把LD預(yù)偏置在Ith附近時，是減小

11、td，縮短載流子壽命tsp，有利于提高調(diào)制速率的簡單方法。所以，無論是從減弱張弛振蕩，還是從縮短電光延遲時間來提高調(diào)制性能，LD都需要預(yù)偏置在閾值附近。3.4 LD的 Ith 隨著工作溫度的提高，P-I特性曲線向右移動，這時閾值電流增大，斜率減小。外量子效率(總效率)調(diào)制特性3.5 光發(fā)送機作用：將輸入的電信號加載到光源的發(fā)射光束上變成光信號，送入光纖。信息由LED或LD發(fā)出的光波所攜帶，光波就是載波。把信息加載到光波上的過程就是調(diào)制。調(diào)制方式：將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘柕姆绞酵ǔＳ袃煞N：直接調(diào)制和間接調(diào)制。直接調(diào)制技術(shù)具有簡單、經(jīng)濟和容易實現(xiàn)等優(yōu)點，由于光源的輸出光功率基本上與注入電流成正比，因此

12、調(diào)制電流變化轉(zhuǎn)換為光頻調(diào)制是一種線性調(diào)制。1、光驅(qū)動電路的基本結(jié)構(gòu)是什么？特點是什么？答：光驅(qū)動電路由調(diào)制電路和控制電路組成，即提供恒定的偏置電流和調(diào)制信號，采用伺服回路保持平均光功率恒定不變。分為LED、LD光驅(qū)動電路兩類。數(shù)字電路通常由差分對管組成差分電流開關(guān)電路，特點是速度快，電路易于調(diào)整，若用LD管還需提供預(yù)偏電路。模擬電路由單管或多管構(gòu)成，由于對線性要求較高，需要復(fù)雜的補償電路。2、APC與ATC電路起何作用？答：為了克服溫度及老化造成的輸出功率的下降，在驅(qū)動電路中要采取穩(wěn)定補償措施，這就是自動功率控制(APC)和自動溫度控制(ATC)。ATC控制利用LD組件內(nèi)的半導(dǎo)體致冷器及熱敏電

13、阻進行反饋控制即可恒定LD芯片的溫度。APC可通過兩條途徑來實現(xiàn)，一是自動跟蹤Ith的變化，使LD偏置在最佳狀態(tài)；二是控制調(diào)制脈沖電流幅度Im，自動跟蹤hd（外量子效率）的變化。由于一般hd 隨溫度的變化不是非常大，因此簡單的辦法是通過檢測直流光功率控制偏置電流，也能收到較好的效果。光源與光纖耦合效率的主要因素： 光源的發(fā)散角 發(fā)散角大，耦合效率低。 光纖的數(shù)值孔徑(NA) NA大，耦合效率高。 光源發(fā)光面、光纖端面尺寸、形狀及二者間間距也都直接影響耦合效率。針對不同的因素，通常采用兩類方法來實現(xiàn)光源與光纖的耦合，即 直接耦合法： 直接耦合法：是將光纖端面直接對準光源發(fā)光面，當發(fā)光面大于纖芯面

14、積時，這是一種有效的方法。 透鏡耦合法： 透鏡耦合法：當光源發(fā)光面積小于纖芯面積時，可在光源與光纖之間放置聚焦透鏡，使更多的發(fā)散光線會聚進入光纖來提高耦合效率。4.1 光接收機作用是：將光信號轉(zhuǎn)換回電信號，恢復(fù)光載波所攜帶的原信號。光接收機主要由3部分電路組成，分別為 由光電二極管和前置放大器構(gòu)成的接收機前端， 由主放大器和均衡濾波器構(gòu)成的線性通道及 由判決器和時鐘恢復(fù)電路構(gòu)成的再生電路 。光電檢測器(光電二極管或雪崩光電二極管)對光信號解調(diào)，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。 光電檢測器的輸出電流信號很小，必須由低噪聲前置放大器進行放大。 光電檢測器和前置放大器構(gòu)成光接收機前端，其性能是決定接收靈敏度的

15、主要因素。 響應(yīng)度和量子效率關(guān)系1、光纖通信系統(tǒng)用的光檢測器是怎樣偏置外加工作電壓的？答：反向偏置。足夠大的反向偏置電壓，目的是使本征區(qū)中的載流子完全耗盡，形成高電場耗盡區(qū)。使入射到檢測器上的光子能量高速度、高效率轉(zhuǎn)換成光生電子。APD管加上更高反向電壓，可以形成雪崩倍增增益。2、比較PIN光電檢測器與APD光電檢測器，各自有那些特點？ 答：（1）PIN 光電二極管沒有倍增，使用簡單，工作偏壓低(5-10V)，不需要任何控制。在較大光功率注入下，PIN接收機噪聲性能要比APD接收機噪聲性能（信噪比降低Gx 倍）優(yōu)越。（2）APD 具有很高的內(nèi)部倍增因子（通過合理設(shè)計，可以使APD工作在最佳倍增

16、狀態(tài)），這樣接收靈敏度比PIN光檢測器高。但由于APD需要較高的工作偏壓（200V）以及其倍增特性受溫度的影響較嚴重因此使用起來也比較復(fù)雜，需要AGC電路對APD的工作偏壓進行精細控制，在要求較高的數(shù)字光接收機中，還必須對APD采取溫度補償措施。在較小光功率注入下，APD接收機噪聲性能（信噪比提高G2 倍）要比PIN接收機噪聲性能優(yōu)越。4.4 1、光接收機的靈敏度是怎樣定義的？答：光接收機的靈敏度是描述其準確檢測光信號能力的一種性能指標。光接收機的靈敏度定義為接收機工作于某一誤碼率（BER）條件下所要求的最小平均接收光功率。2、誤碼率如何定義？通常標準要求是多少？答：數(shù)字光接收機的誤碼率(BE

17、R)定義為接收機判決電路錯誤確定一個比特的概率，110-6的BER相應(yīng)于每百萬比特中平均有一個錯碼。對數(shù)字光接收機通常使用的標準要求BER10-9，這是通常實際光波系統(tǒng)的系統(tǒng)規(guī)范。4、引起光接收機靈敏度惡化因素是那些？答：1、消光比引起的靈敏度惡化2、強度噪聲引起的靈敏度惡化3、取樣時間抖動引起的靈敏度惡化4.5 光中繼器原理圖5.1 光放大器的原理 光放大器是基于受激輻射或受激散射原理實現(xiàn)入射光信號放大的一種器件，其機制與激光器完全相同。 實際上，光放大器在結(jié)構(gòu)上是一個沒有反饋或反饋較小的激光器。 1、光放大器有哪幾種類？應(yīng)用最為普遍的是哪一種？答：半導(dǎo)體光放大器(SOA)光纖放大器（摻稀土

18、元素）非線性光纖放大器（光纖喇曼放大器FRA）最常用的是摻鉺光纖放大器2、摻鉺光纖放大器（EDFA）有哪些優(yōu)點？答：其優(yōu)點為：高增益、高功率、寬帶寬、低噪聲、低串音、低插損等優(yōu)良特性。3、EDFA光放大器主要應(yīng)用方式？ 答：主要做為發(fā)送機功率提升放大器、光接收機前置放大器和替代3R光電電光中繼器的光中繼放大器。4、摻鉺光纖放大器（EDFA）的關(guān)鍵技術(shù)是什么？答：是摻鉺光纖和泵鋪源技術(shù)5.光放大器在光波系統(tǒng)中的4種基本應(yīng)用1）將光放大器作為在線放大器代替光電光混合中繼器，當光纖色散和放大器自發(fā)輻射噪聲累積尚未使系統(tǒng)性能惡化到不能工作時，這種代替是完全可行的，特別是對多信道光波系統(tǒng)更具誘惑力，可以

19、節(jié)約大量的設(shè)備投資。2）將光放大器接在光發(fā)送機后以提高光發(fā)送機的發(fā)送功率，增加傳輸距離，這種放大器稱為功率放大器。 3）將光放大器接在光接收機前，以提高接收功率和信噪比，增加通信距離，這種放大器稱為前置放大器。4）將光放大器用于補償局域網(wǎng)中的分配損耗，以增大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)。還可以將光放大器用于光子交換系統(tǒng)等多種場合，這種放大器亦稱為功率放大器。放大器的特性主要由摻雜元素決定，而不是由起主介質(zhì)作用的石英光纖決定。圖5.11摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)(a) 前向或正向泵結(jié)構(gòu)EDFA； (b) 后向或反向泵結(jié)構(gòu)EDFA； (c) 雙向泵結(jié)構(gòu)EDFA。 泵浦光由半導(dǎo)體激光器（LD）提供，與被放大信號光一起通

20、過光耦合器或波分復(fù)用耦合器注入摻鉺光纖（EDF）。 光隔離器用于隔離反饋光信號，提高穩(wěn)定性。 光濾波器用于濾除放大過程中產(chǎn)生的噪聲。 為了提高EDFA的輸出功率，泵浦激光亦可從EDF的末端（放大器輸出端）注入，或輸入輸出端同時注入，分別如圖5.11(a)、圖5.11(b)、圖5.11(c)所示。這3種結(jié)構(gòu)的EDFA分別稱為前向泵、后向泵和雙向泵摻鉺光纖放大器。 6.1 1、無源器件主要有哪幾種？答：光纖連接器、光纖衰減器、光隔離器、光纖耦合器、自聚焦透鏡（濾波器、分路器、復(fù)用器）、光調(diào)制器及光開關(guān)等。光無源器件有很多種類，主要有光纖連接器、光纖耦合器、光濾波器、光隔離器、波分復(fù)用/解復(fù)用器、光

21、開關(guān)、光衰減器、光環(huán)形器、偏振選擇與控制器等。 光纖固定接頭方法：熔接法，V形槽法，套管法。2、衰減器的作用是什么？光連接器的作用是什么？ 答：光衰減器的作用是對光功率進行衰減。光連接器的作用是實現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸的連接。光纖連接器的作用是實現(xiàn)系統(tǒng)中設(shè)備之間、設(shè)備與儀表之間、設(shè)備與光纖之間及光纖與光纖之間的活動連接，以便于系統(tǒng)的接續(xù)、測試和維護。3、光隔離器在光纖線路上作用是什么？答：光隔離器在光纖線路上作用是隔離反射光返回器件，避免其對正向光形成干擾。構(gòu)造NN多星形耦合器：采用多個22星形耦合器級聯(lián)的方法構(gòu)成NN星形耦合器。8.1 2、系統(tǒng)在什么條件下受色散限制？此時決定的因素是什么？答

22、：當系統(tǒng)的損耗足夠小，傳輸碼速高時，傳輸距離主要受光纖色散等的限制。即在光纖損耗較低，碼速較高時，對傳輸距離的限制往往主要來自色散造成的系統(tǒng)上升時間的限制，這種系統(tǒng)稱為色散限制系統(tǒng)。1、簡述光纖通信系統(tǒng)發(fā)展情況并分別寫出限制BL的因素。答：1. 0.85m光波系統(tǒng), 采用低成本的多模光纖作為傳輸媒質(zhì)。限制BL主要的因素是光纖的模間色散。2. 1.3m光波系統(tǒng)，早期單模光纖，限制BL主要的因素是光源的譜寬。3. 1.55m光波系統(tǒng)，第三代光波系統(tǒng)工作在損耗最小的1.55m波長。限制BL主要的因素是光纖色散。第二章 4、有一SI型單模光纖，其截止波長為1.4 mm ，芯包折射率分別為nl=1.46

23、5，n2=1.46，計算它的纖芯半徑及在波長分別為0.85及1.3 mm 的模式數(shù)。 解:從式（2.2.21）得到此時纖芯半徑為5、有一階躍光纖，NA=0.2，當l=850 mm時可支持1000個左右的模式，計算： (a)纖芯直徑； (b)在l=1310 nm波長時的傳輸模式數(shù)；(c)在l=1550 nm波長時的傳輸模式數(shù)。解：將式(2.2.21)代入式(2.2.23)3、已知一弱導(dǎo)波階躍型光纖，纖芯和包層的折射率分別為n11.5，n21.45，纖芯半徑a4mm，l1.31mm，L1km。計算：（1） 光纖的數(shù)值孔徑；（2） 光纖的歸一化頻率；（3） 光纖中傳輸?shù)哪?shù)量；（4） 光纖的最大時延

24、差。解：（1）NAsinqmax（n21n22）1/20.38 （2）式（2.2.21） p24（3）MV2/27.372/227 式(2.2.23)（4）式(2.1.5) 4、有一個波長為1310nm LED，其譜寬45 nm。則光纖材料色散造成的單位長度脈沖展寬是多少?若是譜寬為2 nm的LD，則脈沖展寬又是多少?解：由式（2.4.13）得代入式（2.4.28）得到LED 脈沖展寬：同理得到LD脈沖展寬：3、有一個13001550 nm的WDM系統(tǒng)，在1300nm和1550 nm波長上的入纖信號光功率分別為150 mw和100 mw。若這兩個波長上的光纖損耗分別為O.5 dBkm和0.25

25、dBkm，試計算當光纖長度為50 km時它們的輸出光功率。解：4、設(shè)一長度L = 1km的光纖，其損耗常數(shù)a2.3105cm，光纖輸入端的功率為l mw。計算光纖輸出端的功率。 解：第三章3、設(shè)激光器的高能級和低能級的能量各為E1和E2 ，頻率為，相應(yīng)能級上的粒子密度各為N1和N2 。試計算：（1） 當頻率 = 300MHz T=300K時， N2 N1為多少？（2） 當波長 =1 m ，T=300K時，N2 N1為多少？（3） 當波長 =1 m ，若N2 N1 = 0.1 ，環(huán)境溫度T為多少？（按玻爾茲曼分布規(guī)律計算）解：2、有一個雙異質(zhì)結(jié)InGaAsPLED，中心發(fā)光波長為1310nm，其

26、材料的輻射復(fù)合率為50ns，非輻射復(fù)合率為70ns。試計算：(a) 發(fā)光時的內(nèi)量子效率hint；(b) 設(shè)驅(qū)動電流為100mA，計算該LED的內(nèi)部發(fā)光功率；(c) 若該LED芯片與多模光纖的直接耦合效率為-14dB，計算入纖的光功率大小。解：3、分別畫出用發(fā)光二極管和激光器進行數(shù)字調(diào)制的原理圖。解：5、有一個GaAsLD，工作波長870 nm，其縱模之間的間隔為278 GHz，GaAs的折射率，n13.6，計算其光腔的長度及縱模數(shù)。解：1、畫出半導(dǎo)體激光器的L-I特性曲線。若調(diào)制信號為脈沖型，試畫出調(diào)制圖。解：3、一個GaAsAl一LD在15 0C時的閾值電流密度為3000 Acm2。計算在條形接觸為20mm100 mm 、閾值溫度系數(shù)為T0=180 K及工作溫度為600C時的閾值電流。解：因為第四章3、光電檢測器轉(zhuǎn)換能力的物理量有哪些？寫出其表達式。 答：量子效率h和響應(yīng)度R04、現(xiàn)有1011個光子秒，光子能量為1.2810-19J，入射到一個理想的光電二極管上，計算： (a)入射光波長； (b)輸出光電流大?。?c)若這是一