光通信復(fù)習(xí)題參考答案

一、填空：1、通信系統(tǒng)的容量通常用帶寬距離積表示，對(duì)于光纖通信系統(tǒng)，若僅從光纖的角度考慮，容量受光纖色散限制。2、G.652光纖有三個(gè)低損耗傳輸窗口，分別為850nm、1310nm與1550nm。3、多模光纖的色散主要是模式色散和色度色散，單模光纖色散主要包括：(1)材料色散，(2)波導(dǎo)色散。4、在階躍折射率分布光纖中，只傳輸單模的條件是歸一化頻率V小于2.405，此單模為基模。5、在光纖通信系統(tǒng)中，光功率通常用dBm來表示，如果耦合進(jìn)光纖中的光功率為-13dBm，則相當(dāng)于0.05mW光功率。6、光纖從橫截面上看由3部分組成，即：(1)纖芯，(2)包層，(3)涂敷層。7、光纖的數(shù)值孔徑代表光纖的接受和傳輸光的能力。(P17)8、光纜中護(hù)層的作用主要是避免光纖受機(jī)械和環(huán)境的破壞。(P37)9、色散位移單模光纖與G.652光纖的不同之處是其工作頻率為1.94×1014HZ,目的是將零色散區(qū)域移到損耗較低的波長(zhǎng)。10、從通信的角度看，單模光纖與多模光纖在性能上的主要區(qū)別為單模色散小，通信容量大。11、在光通信中，表征光纖性能的兩個(gè)主要參數(shù)是（1）色散，（2）損耗。12、非零色散位移光纖與色散位移光纖的區(qū)別是工作區(qū)域有適量色散，其目的是抑制非線性效應(yīng)。(P35)13、漸變折射率分布多模光纖相對(duì)于階躍折射率分布多模光纖的優(yōu)點(diǎn)是色散較小。(P14)14、在由于光纖通信中采用介質(zhì)波導(dǎo)來傳輸信號(hào)，而且光信號(hào)又是集中在纖芯中傳輸?shù)?，因此光纖通信具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力。15、從折射率的角度對(duì)光纖進(jìn)行分類，可分為：突變性多模光纖和漸變性多模光纖16、量子效率是描述光電檢測(cè)器光電轉(zhuǎn)換能力的一種物理量。(P62)17、單模光纖的群速度色散導(dǎo)致的光脈沖展寬與（1）光源的頻譜寬度2）調(diào)制帶寬關(guān)。18、從光纖的集光能力考慮，希望數(shù)值孔徑越大（填“大”或“小”）越好，而從通信速率角度考慮，則希望數(shù)值孔徑越?。ㄌ睢按蟆被颉靶　保┰胶?。19、單模光纖有色度色散及偏振模色散,后者一般只在高速系統(tǒng)中才考慮。20、漸變折射率分布光纖同普通多模光纖相比，可以減小色散，進(jìn)而提高帶寬。21、光纖損耗主要包括：輻射損耗、散射損耗和吸收損耗。22、群速度色散補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ校海?）基模色散補(bǔ)償光纖，（2）色散補(bǔ)償光纖光柵，（3）激光器啁啾調(diào)制。23、大有效面積光纖的優(yōu)點(diǎn)是降低單位面積的光功率，從而減少非線性效應(yīng)。24、階躍光纖中，在包層和纖芯分界面上形成全反射的條件為θ1<θc。（角度關(guān)系）25、處于高能級(jí)E2的電子，在未受外界激發(fā)的情況下，自發(fā)地躍遷到低能級(jí)E1，從而發(fā)射出一個(gè)能量為hf（=E2－E1）的光子的過程稱為自發(fā)輻射。26、形成激光振蕩的三個(gè)條件是：(1)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，(2)激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，(3)對(duì)光頻率和方向進(jìn)行選擇。半導(dǎo)體激光器只有當(dāng)注入電流大于閾值電流時(shí)，才能產(chǎn)生激光。27、數(shù)字光接收機(jī)的性能由靈敏度決定，它定義為在保證誤碼率的基礎(chǔ)上，光接收機(jī)所需的最小平均接受光功率。28、光纖耦合器是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)分路/合路的功能器件，是對(duì)同一波長(zhǎng)的光功率進(jìn)行分路/合路；波分復(fù)用/解復(fù)用器的功能是，將若干路不同波長(zhǎng)的信號(hào)復(fù)合后送入同一根光纖中傳送，或相反的作用。29、在以半導(dǎo)體激光器為光源的光發(fā)送機(jī)中，將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)有兩種調(diào)制方式，分別為直接調(diào)制與外調(diào)制。30、光電檢測(cè)過程的基本機(jī)制是半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)，當(dāng)入射光子能量超過帶隙時(shí)，每當(dāng)一個(gè)光子被半導(dǎo)體吸收就產(chǎn)生一個(gè)電子—空穴對(duì)，在外加電壓建立的電場(chǎng)作用下形成光生電流。31、波分復(fù)用器/解復(fù)用器有(1)布喇格(Bragg)光柵，(2)法布里—帕羅(Fabry-PerotP-F)濾波器，(3)馬赫—曾德爾(Mach-ZehnderM-Z)干涉儀等多種。32、對(duì)強(qiáng)度調(diào)制器性能的要求有（1）調(diào)制速率高，（2）無信號(hào)失真等。33、PIN光電二極管與普通PN管相比，其優(yōu)點(diǎn)是：（1）光電轉(zhuǎn)換效率高（2）響應(yīng)速度快。34、量子噪聲強(qiáng)度與平均入射功率有關(guān)，熱噪聲強(qiáng)度與（1）溫度及（2）負(fù)載電阻有關(guān)。35、當(dāng)溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，輸出功率降低（增大或降低），這是由于閥值電流增大及外微分量子效率減小引起的。36、在以半導(dǎo)體激光器為光源的光發(fā)送機(jī)中，采用直接調(diào)制，會(huì)產(chǎn)生電光延遲，增大脈沖展寬。37、N型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體中摻入5價(jià)雜質(zhì)形成的？PN結(jié)中的載流子存在（1）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與（2）飄移運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)。38、量子噪聲強(qiáng)度與平均入射功率有關(guān)，熱噪聲強(qiáng)度與（1）溫度及（2）負(fù)載電阻有關(guān)，從接收機(jī)靈敏度的角度考慮，希望采用高阻抗前端。39、數(shù)字光接收機(jī)中“均衡器”的功能是對(duì)光/電轉(zhuǎn)化和放大后已畸變(失真)的電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償；“時(shí)鐘提取”出的“時(shí)鐘”用來逐個(gè)地對(duì)碼元波形進(jìn)行抽樣判決，以得到原元發(fā)送的碼流。40、PIN光電二極管與普通PN管相比，其優(yōu)點(diǎn)是：（1）光電轉(zhuǎn)換效率高，（2）響應(yīng)速度快。APD光電管與PIN光電管的區(qū)別在于APD具有倍增效應(yīng)。41、P型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體中摻入3價(jià)雜質(zhì)形成的？PN結(jié)中的載流子存在（1）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與（2）漂移運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)。

二、計(jì)算題（光速C=3×1081、某階躍折射率分布光纖的纖芯折射率為n1=1.5，包層與纖芯的相對(duì)折射率差Δ=0.003，纖芯直徑2a=7μm，試問：(1)該光纖的第一高次模的截止波長(zhǎng)λc=?(2)當(dāng)分別用波長(zhǎng)為λ1=0.85μm及λ2=1.3μm的光波激勵(lì)該光纖時(shí)，能否實(shí)現(xiàn)單模傳輸？[解]:(1)由Δ=(n1-n2)/n1=0.003得n2=1.4955NA=(n12-n22)1/2=0.116λc=2πaNA/2.405=1.06(μm)(2)λ1<λc，多模λ2>λc，單模2、某多模光纖，纖芯直徑2a=50μm，纖芯折射率為n1=1.450，包層折射率為n2=1.448，則：(1)計(jì)算光纖端面的最大入射角。(2)當(dāng)工作波長(zhǎng)為λ=1.55μm時(shí)，可激勵(lì)多少個(gè)模式？[解]:(1)NA=(n12-n22)1/2=0.07613而NA=n0sinθc故θc=0.0762(2)V=2πaNA/λ=7.715(μm)M=V2/2=29.76[答]：30個(gè)

3、某多模光纖，纖芯直徑2a=50μm，纖芯折射率為n1=1.450，包層折射率為n2=1.448，則：(1)計(jì)算光纖的數(shù)值孔徑；(2)當(dāng)傳輸速率為15.0Mbit/s時(shí)，最大允許的傳輸距離是多少？[解]:(1)NA=(n12-n22)1/2=0.07613(2)根據(jù)Nyquist準(zhǔn)則:f3dB=15(MHz)而f3dB=441/ΔτΔτ=441/f3dB=29.4(ns)最后用Δτ=L/2n1c*NA2得L=4.413(km)4、某階躍折射率分布光纖的纖芯折射率為n1=1.50，包層折射率為n2=1.49，現(xiàn)有一光波在光纖端面軸線處以15的入射角進(jìn)入光纖，試問該入射光線能否成為傳導(dǎo)模？[解]:由NA=n0sinθc得θc=arcsinNA=arcsin(n12-n22)1/2 =0.17379=9o57’15>θc[答]:不能5、現(xiàn)有下列元件可以使用：(1)以1.55μm波長(zhǎng)工作的半導(dǎo)體激光器，能耦合進(jìn)單模光纖的平均功率為0.1mW。(2)25段光纖，每段長(zhǎng)度均為2Km，衰減為0.5dB/Km。(3)每段光纖之間用連接器連接，每個(gè)連接器的插入損耗為0.5dB。(4)一臺(tái)PIN光電管接收機(jī)，靈敏度為-40dBm；現(xiàn)在要利用這些元件設(shè)計(jì)一條50Km長(zhǎng)的光波系統(tǒng)。如果需要的系統(tǒng)富裕度為6dB，你認(rèn)為是否還需要其它的元件？如需要，請(qǐng)說明是何種元件，并給出關(guān)鍵指標(biāo)。[解]:Pt=0.1(mW)=-10(dBm)αfL=25*2*0.5=25(dB)2αc=(25+1)*0.5=13(dB)Me=6(dB)經(jīng)過傳輸后的功率為P=Pt-αfL-2αc-Me=-54(dBm)Pr-P=14(dB)[答]:還要一臺(tái)增益至少為14dB的放大器6、現(xiàn)有下列元件可以使用：(1)以1.3μm波長(zhǎng)工作的半導(dǎo)體激光器，能耦合進(jìn)單模光纖的平均功率為0.5mW。(2)25段光纖，每段長(zhǎng)度均為2Km，衰減為0.5dB/Km。(3)每段光纖之間用連接器連接，每個(gè)連接器的插入損耗為0.5dB。(4)一臺(tái)PIN光電管接收機(jī)，靈敏度為-40dBm；一臺(tái)APD光電管接收機(jī)，靈敏度為-59dBm?，F(xiàn)在要利用這些元件設(shè)計(jì)一條50Km長(zhǎng)100Mbit/s的光波系統(tǒng)。如果需要的系統(tǒng)富裕度為6dB，則應(yīng)選擇哪一種接收機(jī)？請(qǐng)給出選擇的理由。[解]:Pt=0.5(mW)=-3(dBm)αfL=25*2*0.5=25(dB)2αc=(25+1)*0.5=13(dB)Me=6(dB)經(jīng)過傳輸后的功率為P=Pt-αfL-2αc-Me=-47(dBm)需要Pr<或=P[答]:用APD光電管接收機(jī)7、現(xiàn)有下列元件可以使用：(1)以1.55μm波長(zhǎng)工作的半導(dǎo)體激光器，能耦合進(jìn)單模光纖的平均功率為0.1mW；(2)50段光纖，每段長(zhǎng)度均為2Km，衰減為0.5dB/Km；(3)每段光纖之間用連接器連接，每個(gè)連接器的插入損耗為0.5dB；(4)一臺(tái)PIN光電管接收機(jī)，靈敏度為-40dBm；(5)若干光放大器供選用，每臺(tái)光放大器增益為20dB?，F(xiàn)在要利用這些元件設(shè)計(jì)一條100km長(zhǎng)的光波系統(tǒng)。如果需要的系統(tǒng)富裕度為6dB，請(qǐng)從光功率預(yù)算角度分析，該系統(tǒng)至少需要幾個(gè)光放大器，以及在線路中如何放置，說明理由。[解]:Pt=0.1(mW)=-10(dBm)αfL=50*2*0.5=50(dB)2αc=(50+1)*0.5=25.5(dB)Me=6(dB)經(jīng)過傳輸后的功率為P=Pt-αfL-2αc-Me=-91.5(dBm)需要Pr<或=P設(shè)Pr=P*n*A即:-40=-91.5*n*20n=2.575[答]:要3個(gè)，平均放在12,24,368、現(xiàn)有下列元件可以使用：(1)以1.55μm波長(zhǎng)工作的半導(dǎo)體激光器，能耦合進(jìn)單模光纖的平均功率為0.1mW；(2)100段光纖，每段長(zhǎng)度均為2Km，衰減為0.5dB/Km；(3)每段光纖之間用連接器連接，每個(gè)連接器的插入損耗為0.5dB；(4)一臺(tái)PIN光電管接收機(jī)，靈敏度為-40dBm；(5)若干光放大器供選用，每臺(tái)光放大器增益為20dB?，F(xiàn)在要利用這些元件設(shè)計(jì)一條200km長(zhǎng)的光波系統(tǒng)。如果要求的系統(tǒng)富裕度為6dB，請(qǐng)從光功率預(yù)算角度分析，該系統(tǒng)至少需要幾個(gè)光放大器，以及在線路中如何放置，說明理由。[解]:Pt=0.1(mW)=-10(dBm)αfL=100*2*0.5=100(dB)2αc=(100+1)*0.5=50.5(dB)Me=6(dB)經(jīng)過傳輸后的功率為P=Pt-αfL-2αc-Me=-166.5(dBm)需要Pr<或=P設(shè)Pr=P*n*A即:-40=-166.5*n*20n=6.325[答]:要7個(gè)，平均放在12,24,36,48,60,72,84km三、論述分析題1、光纖通信系統(tǒng)的組成及其各部分的作用。光發(fā)送機(jī)，光接收機(jī)，光纖線路，光中繼機(jī)[答]：作用分別是：將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并將光信號(hào)最大效率地耦合到光纖中。把由光發(fā)送機(jī)發(fā)送的、經(jīng)光纖線路傳輸后輸出的已衰減和畸變的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)放大、再生恢復(fù)為原來的電信號(hào)。光信號(hào)的傳輸介質(zhì)，把來自光發(fā)送機(jī)的光信號(hào)以盡可能小的衰減和畸變傳送到接收機(jī)。為保證長(zhǎng)距離傳輸，光纖線路中間有光中繼機(jī)，將經(jīng)光纖長(zhǎng)距離傳輸后受到較大衰減和畸變的光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)行放大、整形、再生，最后變成一定強(qiáng)度的光信號(hào)繼續(xù)在光纖中傳輸。2、色散和損耗對(duì)通信系統(tǒng)的影響？多模光纖和單模光纖色散的種類？光纖損耗的種類？[答]：損耗限制系統(tǒng)的傳輸距離，色散則限制系統(tǒng)的傳輸容量。多模：模式色散，材料色散，波導(dǎo)色散單模：色度色散，偏振度色散損耗種類：輻射損耗，散射損耗，吸收損耗3、請(qǐng)分析光纖連接中產(chǎn)生插入損耗的原因。[答]：光檢測(cè)器偏壓控制光檢測(cè)器偏壓控制前置放大器AGC電路均衡器判決器時(shí)鐘提取再生碼流主放大器光信號(hào)4、說明強(qiáng)度調(diào)制——直接檢測(cè)數(shù)字光接收機(jī)的組成（畫出組成框圖）及各組成部分的功能。[答]：光檢測(cè)器是光接收機(jī)實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，其性能特別是響應(yīng)度和噪聲直接影響光接收機(jī)的靈敏度。前置放大器應(yīng)是低噪聲放大器，它的噪聲對(duì)光接收機(jī)的靈敏度影響很大。主放大器一般是多級(jí)放大器，它的作用是：（1）提供足夠的增益（2）并通過它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，使輸入光信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電信號(hào)保持恒定。主放大器和AGC決定著光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。均衡的目的：?對(duì)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(hào)進(jìn)行補(bǔ)償?使輸出信號(hào)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。5、請(qǐng)分析光纖連接中產(chǎn)生插入損耗的原因[答]：光纖活動(dòng)連接器插入損耗的主要起因可分為外因和內(nèi)因兩大類.外因有橫向錯(cuò)位、角度傾斜、端面間隙、端面質(zhì)量、端面反射.它們是連接手段不完善引起的.而內(nèi)因則是被連接光纖固有的不完善所引起的,即使光纖活動(dòng)連接器等的結(jié)構(gòu)非常完備也不可避免.典型的內(nèi)因有芯徑不一致、纖芯或包層的不圓整(橢圓性)、外徑的波動(dòng)、光纖幾何中心與模場(chǎng)中心的偏差。6、請(qǐng)介紹一種波分復(fù)用器/解復(fù)用器的工作原理。[答]：波分復(fù)用(WND)是將兩種或多種不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)(攜帶各種信息)在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器(亦稱合波器，Multiplexer)匯合在一起，并耦合到光線路的同一根光纖中進(jìn)行傳輸；在接收端，經(jīng)解復(fù)用器(亦稱分波器或稱去復(fù)用器，Demultiplexer)將各種波長(zhǎng)的光載波分離，然后由光接收機(jī)作進(jìn)一步處理以恢復(fù)原信號(hào)。(自己舉例)7、簡(jiǎn)述LED與LD在工作原理、輸出功率、注入電流特性及調(diào)制特性方面的差異。[答]：工作原理：LED是自發(fā)輻射，不需要光學(xué)諧振腔，沒有閥值，LD是受激輻射；輸出頻率：LED的輸出光功率較小，范圍較寬，LD反之；電流特性：LED沒有閥值電流，LD反之；調(diào)制特性：LED的光譜寬度較寬，調(diào)制頻率較低。8、說明數(shù)字光接收機(jī)中“均衡濾波器”的功能。[答]：均衡器的作用是對(duì)主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為最有利于判決、碼間干擾最小的升余弦波形9、某WDM系統(tǒng)共8個(gè)波長(zhǎng)信道，在一中間節(jié)點(diǎn)處需對(duì)其中兩個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行分插，試設(shè)計(jì)該OADM方案。[答]：在兩個(gè)環(huán)行器之間接入2個(gè)光纖光柵，在兩個(gè)環(huán)行器的端口3分別接入解復(fù)用器和復(fù)用器，這樣就可以分下和插入2個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)，最后還可以通過不同組合形式的光開關(guān)，從2個(gè)波長(zhǎng)中選取任意的分插波長(zhǎng)。10、請(qǐng)列舉導(dǎo)致光接受機(jī)靈敏度惡化的因素。[答]：消光比的影響，強(qiáng)度噪聲的影響，取樣時(shí)間抖動(dòng)的影響，模噪聲的影響，色散展寬的影響，模分配噪聲的影響，頻率啁啾的影響。11、光纖通信技術(shù)已經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段，請(qǐng)簡(jiǎn)述各階段系統(tǒng)的特點(diǎn)。[答]：第一