光纖通信期末考試簡答

1、簡答題1、畫出光纖通信系統(tǒng)的基本組成框圖。 2、光纖通信系統(tǒng)中，電信號對光的調(diào)制的實現(xiàn)方式有哪兩種？簡述各自含義及特點。答：電信號對光的調(diào)制的實現(xiàn)方式分別為直接調(diào)制和外調(diào)制。直接調(diào)制是用電信號直接調(diào)制半導體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動電流，使輸出光隨電信號變化而實現(xiàn)的。 這種方案的特點是技術簡單，成本較低，容易實現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。外調(diào)制是把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實現(xiàn)的。外調(diào)制的特點是調(diào)制速率高，但技術復雜，成本較高。因此只有在大容量的波分復用和相干光通信系統(tǒng)中使用。3、簡述半導體激光器工作原理。答：半導體激光器是向半導體PN結注入電流，實現(xiàn)粒

2、子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。4、簡述數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)的區(qū)別。答：數(shù)字通信系統(tǒng)用參數(shù)取值離散的信號(如脈沖的有和無、電平的高和低等)代表信息，強調(diào)的是信號和信息之間的一一對應關系； 模擬通信系統(tǒng)則用參數(shù)取值連續(xù)的信號代表信息，強調(diào)的是變換過程中信號和信息之間的線性關系。這種基本特征決定著兩種通信方式的優(yōu)缺點和不同時期的發(fā)展趨勢。5、什么是電光延遲和張弛振蕩？會產(chǎn)生什么樣的后果？ 答：（1）輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個初始延遲時間，稱為電光延遲時間td，其數(shù)量級一般為ns； （2）當電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會出現(xiàn)幅度逐漸衰

3、減的振蕩，稱為張弛振蕩； （3）產(chǎn)生的后果：張弛振蕩和電光延遲的后果是限制調(diào)制速率。6、光纖通信有哪些優(yōu)點？ 答：（1） 容許頻帶很寬，傳輸容量很大； （2） 損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很?。?（3） 重量輕、體積?。?（4） 抗電磁干擾性能好； （5） 泄漏小，保密性能好； （6） 節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用。7、基本光纖傳輸系統(tǒng)有哪幾部分組成？簡述各部分的主要功能及主要組成部分。答：基本光纖傳輸系統(tǒng)由光發(fā)送機、光纖線路和光接收機三部分組成。（1）光發(fā)送機的主要功能：是把輸入的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并用耦合技術把光信號最大限度地注入光纖線路。主要組成部分包括光源、驅(qū)動器和調(diào)制器。（2

4、）光纖線路的主要功能：是把來自光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C。主要組成部分包括光纖、光纖接頭和光纖連接器。（3）光接收機的主要功能：是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復成發(fā)射前的電信號。主要組成部分包括光電檢測器，放大器，耦合器，解調(diào)器和相關電路。8、光纖損耗產(chǎn)生的原因及其危害是什么？ 答：光纖損耗的原因包括吸收損耗和散射損耗兩部分。 吸收損耗：是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。散射損耗：主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利散射和由光纖結構缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。瑞利散射損耗是光纖的固有損耗

5、，它決定著光纖損耗的最低理論極限。損耗的危害就是會使光信號幅度減小，以致于限制系統(tǒng)的傳輸距離 。9、光纖通信為什么向長波長、單模光纖方向發(fā)展？ 答：從多模突變型（SIF）、漸變型（GIF）光纖到單模（SMF）光纖，損耗依次減小。在0.81.55m波段內(nèi)，除吸收峰外，光纖損耗隨波長增加而迅速減小。在1.39m OH-吸收峰兩側(cè)1.31m和1.55m存在兩個損耗極小的波長“窗口”。另一方面，從色散的討論中看到：從SIF、GIF光纖到SMF光纖，色散依次減?。◣捯来卧龃螅Ｊ文９饫w的零色散波長在1.31m，還可以把零色散波長從1.31m移到1.55m，實現(xiàn)帶寬最大損耗最小的傳輸。正因為這些特性

6、，使光纖通信從SIF、GIF光纖發(fā)展到SMF光纖，從短波長（0.85m）“窗口”發(fā)展到長波長（1.31m和1.55m）“窗口”，使系統(tǒng)技術水平不斷提高。10、根據(jù)下圖說明光隔離器的工作原理？ 答：具有任意偏振態(tài)的入射光首先通過一個空間分離偏振器(SWP: Spatial Walk off Polarizer)。這個SWP的作用是將入射光分解為兩個正交偏振分量，讓垂直分量直線通過，水平分量偏折通過。兩個分量都要通過法拉弟旋轉(zhuǎn)器，其偏振態(tài)都要旋轉(zhuǎn)45°。法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟隨的是一塊半波片。這個半波片的作用是將從左向右傳播的光的偏振態(tài)順時針旋轉(zhuǎn)45°，將從右向左傳播的光的偏振態(tài)逆

7、時針旋轉(zhuǎn)45°。因而法拉弟旋轉(zhuǎn)器與半波片的組合可以使垂直偏振光變?yōu)樗狡窆?，反之亦然。最后兩個分量的光在輸出端由另一個SWP合在一起輸出，如圖(a)所示。另一方面，如果存在反射光在反方向上傳輸，半波片和法拉弟旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)方向正好相反，當兩個分量的光通過這兩個器件時，其旋轉(zhuǎn)效果相互抵消，偏振態(tài)維持不變，在輸入端不能被SWP再組合在一起，如圖(b)所示，于是就起到隔離作用。11、數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)的優(yōu)點分別有哪些？ 答：(1) 數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點如下： 抗干擾能力強，傳輸質(zhì)量好。 可以用再生中繼，傳輸距離長。 適用各種業(yè)務的傳輸，靈活性大。 容易實現(xiàn)高強度的保密通信。 數(shù)字通信

8、系統(tǒng)大量采用數(shù)字電路，易于集成，從而實現(xiàn)小型化、微型化，增強設備可靠性，有利于降低成本。 (2) 模擬通信系統(tǒng)的優(yōu)點如下: 占用帶寬較窄外，電路簡單易于實現(xiàn)、價格便宜等。 12、光纖通信系統(tǒng)中對光檢測器的具體要求有哪些？ 答：光纖通信系統(tǒng)中對光檢測器的具體要求是：（1）波長響應要和光纖低損耗窗口（0.85m、1.31m和1.55m）兼容； （2）響應度要高，在一定的接收光功率下，能產(chǎn)生最大的光電流； （3）噪聲要盡可能低，能接收極微弱的光信號； （4）性能要穩(wěn)定，可靠性高，壽命長，功耗和體積小。 13、數(shù)字光發(fā)射機和數(shù)字光接收機的主要功能有哪些？答：數(shù)字光發(fā)射機的主要功能是把電端機輸出的數(shù)字基

9、帶電信號轉(zhuǎn)換為光信號（電/光轉(zhuǎn)換是用承載信息的數(shù)字電信號對光源進行調(diào)制來實現(xiàn)的）；并用耦合技術有效注入光纖線路。 數(shù)字光接收機的主要功能是是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復成發(fā)射前的電信號。14、數(shù)字光接收機中主放大器放大器的作用是什么？答：主放大器一般是多級放大器，它的作用是： （1）提供足夠的增益 （2）并通過它實現(xiàn)自動增益控制(AGC)，使輸入光信號在一定范圍內(nèi)變化時， 輸出電信號保持恒定。15、數(shù)字光接收機中均衡和再生電路的主要功能是什么？答：均衡的功能： 1、對經(jīng)光纖傳輸、光/電轉(zhuǎn)換和放大后已產(chǎn)生畸變(失真)的電信號進行補償； 2、使輸出

10、信號的波形適合于判決(一般用具有升余弦譜的碼元脈沖波形)，以消除碼間干擾，減小誤碼率。 再生電路包括：判決電路和時鐘提取電路。功能是從放大器輸出的信號與噪聲混合的波形 中提取碼元時鐘，并逐個地對碼元波形進行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。 16、數(shù)字光接收機中的前置放大器常用類型有哪些？各有什么特點？答：數(shù)字光接收機中的前置放大器常用類型有：雙極型晶體管前置放大器、場效應管前置放大器和跨阻型前置放大器三種類型。雙極型晶體管前置放大器的主要特點是輸入阻抗低， 電路時間常數(shù)RC小于信號脈沖寬度T，因而碼間干擾小，適用于高速率傳輸系統(tǒng)。場效應管前置放大器的主要特點是輸入阻抗高， 噪聲小，高頻特性較差，

11、適用于低速率傳輸系統(tǒng)?？缱栊颓爸梅糯笃髯畲蟮膬?yōu)點是改善了帶寬特性和動態(tài)范圍，并具有良好的噪聲特性。17、數(shù)字光接收機的靈敏度指的是什么？其大小主要取決于哪些因素？答：靈敏度是指在保證通信質(zhì)量(限定誤碼率或信噪比)的條件下，光接收機所需的最小平均接收光功率Pmin ，并以dBm為單位。由定義得到它是衡量光接收機質(zhì)量的綜合指標，反映接收機調(diào)整到最佳狀態(tài)時，接收微弱光信號的能力。靈敏度主要取決于以下三個因素：組成光接收機的光電二極管和放大器的噪聲；傳輸速率、光發(fā)射機的參數(shù)和光纖線路的色散的影響；系統(tǒng)要求的誤碼率或信噪比。18、理想光接收機的靈敏度是指什么？答：假設光檢測器的暗電流為零，放大器完全沒有

12、噪聲，系統(tǒng)可以檢測出單個光子形成的 電子-空穴對 所產(chǎn)生的光電流， 這種接收機稱為理想光接收機。 理想光接收機的靈敏度只受到光檢測器的量子噪聲的限制，因為量子噪聲是伴隨光信號的隨機噪聲，只要有光信號輸入，就有量子噪聲存在。這是光接收機可能達到的最高靈敏度，這個極限值是由量子噪聲決定的，所以也稱為量子極限。 19、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的主要要求有哪些？答：數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的主要要求是保證傳輸?shù)耐该餍裕唧w要求有： (1) 能限制信號帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。這樣就可以減小基線漂移、提高輸出功率的穩(wěn)定性和減小碼間干擾， 有利于提高光接收機的靈敏度。 (2) 能給光接收機提供足

13、夠的定時信息。因而應盡可能減少連“”碼和連“0”碼的數(shù)目，使“1”碼和“0”碼的分布均勻， 保證定時信息豐富。 (3) 能提供一定的冗余碼，用于平衡碼流、誤碼監(jiān)測和公務通信。但對高速光纖通信系統(tǒng)，應適當減少冗余碼，以免占用過大的帶寬。 20、在進行mBnB碼的編碼中，什么是碼字代數(shù)和？nB碼的選擇原則是什么？ 答：(1) 碼字代數(shù)和WDS：在nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼，用“+1”代表“1”碼，整個碼字的代數(shù)和即為WDS。 (2) nB碼的選碼規(guī)則：盡可能選用碼字代數(shù)和|WDS|最小的碼字，禁止使用|WDS|最大的碼字。21、簡述mBnB碼的優(yōu)缺點。答：mBnB碼是一種分組碼，設計者

14、可以根據(jù)傳輸特性的要求確定某種碼表。優(yōu)點是： (1) 碼流中“0”和“1”碼的概率相等， 連“0”和連“1”的數(shù)目較少，定時信息豐富； (2) 高低頻分量較小，信號頻譜特性較好，基線漂移??； (3) 在碼流中引入一定的冗余碼， 便于在線誤碼檢測。 缺點是：傳輸輔助信號比較困難。因此，在要求傳輸輔助信號或有一定數(shù)量的區(qū)間通信的設備中，不宜用這種碼型。 22、受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點有何區(qū)別？答：受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。 自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。

15、23、光電檢測器的檢測方式有哪兩種？簡述各自含義及其特點。答：光電檢測器的檢測方式有直接檢測和外差檢測兩種。（1）直接檢測是指用檢測器直接把光信號轉(zhuǎn)化為電信號。這種檢測設備簡單，經(jīng)濟實用，是當前光纖通信系統(tǒng)普遍采用的方式。（2）外差檢測要設置一個本地振蕩器和光混頻器，使本地振蕩光和光纖輸出的信號光在混頻器中產(chǎn)生差拍而輸出中頻光信號，再由光檢測器把中頻光信號轉(zhuǎn)換為電信號。這種檢測方式具有很高的接收靈敏度。但是需要頻率非常穩(wěn)定、相位和偏振方向可控制、譜線寬度很窄的單模激光源。24、簡述色散的定義及種類，并說明各種類型色散的成因及其決定因素。答：色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，由于不同成分的光的時間延遲

16、不同而產(chǎn)生的一種物理效應。色散的種類：模式色散、材料色散和波導色散三種。模式色散是由于不同模式的時間延遲不同而產(chǎn)生。取決于光纖折射率分布，并和光纖材料折射率的波長特性有關。材料色散是由于光纖折射率隨波長改變，以及模式的內(nèi)部不同波長成分的光，其時間延遲不同而產(chǎn)生。取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜線寬度。波導色散是由于波導結構參數(shù)與波長有關而產(chǎn)生的。取決于波導尺寸和纖芯與包層的相對折射率差。25、根據(jù)下圖闡述光纖損耗的機理。單模光纖損耗譜 答：這是單模光纖的損耗譜，圖中示出了各種機理產(chǎn)生的損耗與波長的關系，這些機理包括吸收損耗和散射損耗兩部分。（1）吸收損耗：是由SiO2材料引起的固有吸收

17、和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。由材料電子躍遷引起的吸收帶發(fā)生在紫外（UV）區(qū)，由分子振動引起的吸收帶發(fā)生在紅外（IR）區(qū)，由于SiO2是非晶體材料，兩種吸收帶從不同方向伸展到可見光區(qū)。由此產(chǎn)生的固有吸收很小，在0.81.6m波段，小于0.1dB/km，在1.31.6m波段，小于0.03dB/km。光纖中的雜質(zhì)主要有過渡金屬（例如Fe2+，Co2+，Cu2+）和氫氧根（OH-）離子，這些雜質(zhì)是早期實現(xiàn)低損耗光纖的障礙。由于技術的進步，目前過渡金屬離子的含量已經(jīng)降低到其影響可以忽略的程度。由氫氧根（OH-）離子產(chǎn)生的吸收峰出現(xiàn)在0.95m、1.24m和1.39m波長，其中以1.39m的吸收峰影響最為嚴

18、重。（2）散射損耗：主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利散射和由光纖結構缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。結構缺陷散射產(chǎn)生的損耗與波長無關。瑞利散射損耗與波長四次方成反比，是光纖的固有損耗，它決定著光纖損耗的最低理論極限。26、簡述光纜的四種基本型式及各種型式的構成。答：光纜的四種基本型式包括層絞式、骨架式、中心束管式和帶狀式。（1）層絞式：把松套光纖繞在中心加強件周圍絞合而構成。 （2）骨架式：把緊套光纖或一次被覆光纖放入中心加強件周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構成。（3）中心束管式：把一次被覆光纖或光纖束放入大套管中，加強件配置在套管周圍而構成。（4）帶狀式：把帶狀光纖單元放入大套管內(nèi)，形成中心

19、束管式結構，也可以把帶狀光纖單元放入骨架凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)，形成骨架式或?qū)咏g式結構。27、何為光學諧振腔？有哪些作用？答：光學諧振腔是指光波在其中來回反射，從而提供光能反饋的空腔。主要作用包括1、提供反饋能量；2、選擇光波的方向和頻率。28、耦合器的功能是什么？常用耦合器的類型有哪些，各有什么特點？答：耦合器的功能是把一個輸入的光信號分配給多個輸出， 或把多個輸入的光信號組合成一個輸出。耦合器類型：T形耦合器、星形耦合器、定向耦合器、波分復用器/解復用器（1）T形耦合器是把一根光纖輸入的光信號按一定比列分配給兩根光纖，或把兩根光纖輸入的光信號組合在一起，輸入一根光纖。用途：不同分路比的功率分配器

20、或功率組合器。 （2）星形耦合器是把 n 根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻的分配給 m 根光纖，m 和 n 不一定相等。用途：通常用作多端功率分配器。（3）定向耦合器是分別取出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?。光信號從?傳輸?shù)蕉?，一部分由端3輸出，端4無輸出；光信號從端2傳輸?shù)蕉?，一部分由端4輸出，端3無輸出。用途：可用作分路器，不能用作合路器。（4）波分復用器/解復用器是把多個不同波長的發(fā)射機輸出的光信號組合在一起，輸入到一根光纖；解復用器是把一根光纖輸出的多個不同波長的光信號，分配給不同的接收機。用途：提高系統(tǒng)容量。29、光發(fā)射機中對通信用光源的要求有哪些？答：光發(fā)射機中對通信用光源的

21、要求如下： (1) 發(fā)射的光波長應和光纖低損耗“窗口”一致，即中心波長應在0.85m、 1.31m和1.55m附近。光譜單色性要好，即譜線寬度要窄，以減小光纖色散對帶寬的限制。 (2) 電/光轉(zhuǎn)換效率要高，即要求在足夠低的驅(qū)動電流下， 有足夠大而穩(wěn)定的輸出光功率，且線性良好。發(fā)射光束的方向性要好，即遠場的輻射角要小，以利于提高光源與光纖之間的耦合效率。 (3) 允許的調(diào)制速率要高或響應速度要快，以滿足系統(tǒng)的大傳輸容量的要求。 (4) 器件應能在常溫下以連續(xù)波方式工作，要求溫度穩(wěn)定性好 可靠性高，壽命長。 (5) 此外，要求器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價格便宜。 以上各項中，調(diào)制速率、譜線寬度、輸出光功率和光束方向性，直接影響光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離，是光源最重要的技術指標。30、電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象分別指什么？它們都有什么特點