光纤通信复习题

1、光纤系统的基本组成？

答：光发射机,光纤,光接收机。

2、光纤系统最显著的优点是？

答：通信容量大，因为其传输频带宽，可以达到50Thz.

传输频带宽，通信容量大；损耗低，中继距离远；抗电磁干扰能力强，无串    话；保密性好；光纤细，光缆轻；资源丰富，节约有色金属和能源；经济效    益好；抗腐蚀、不怕潮湿。

3、光纤系统最主要的光源？

答：发光二极管LED和激光器LD.

4、光纤通讯系统中，色散分为几类？分别介绍各类的概念。

答：色散分为三类：模式色散，波导色散，材料色散。

模式色散：因多个不同模式的存在而引起的脉冲展宽称为模式色散或模间色散。

波导色散：由于光纤几何特性而使信号的相位和群速度随波长变化引起的色散。

材料色散：由于光纤材料的折射率是波长λ的非线性函数,从而使光的传输速度随波长的变化而变化,由此而引起的色散叫材料色散。

5、色散影响光纤通讯系统的哪些指标，具体如何影响。

答：在模拟光纤信号系统中影响:带宽。在数字光纤信号系统中影响：比特率。

如果色散加大，则带宽减小，比特率下降。

6、什么是光纤系统的损耗，其单位是什么？

答：所谓损耗是指光纤每单位长度上功率或强度的衰减，按引起光纤损耗的因素不同,其损耗主要有三种:1、吸收损耗；2、散射损耗；3、微扰损耗。公式：单位为：dB/km。

7、主要的光纤有哪几类？它们的应用范围是什么？

答：单模光纤和多模光纤。

单模光纤主要应用于：长距离；

多模光纤主要应用于：短距离；

8、光纤的非线性效应有哪些？他们会对系统有哪些恶劣影响。

答：自相位调制（SPM）；交叉相位调制(XPM)；受激拉曼散射（SRS）；受激布里渊散射（SBS）;四波混频（FWM）。

自相位调制：信号光强的瞬时变化引起其自身的相位调制,它会使信号频谱展宽。

交叉相位调制：交叉相位调制是指当两个或多个不同波长的光波在光纤中同时传播时，它们将通过光纤的非线性而相互影响，导致某个波长光信号的相位受到其他波长光信号功率的调制，引起信道间的串音。

受激散射：

四波混频：四波混频是指当多个具有较强功率的光波信号在光纤中混合传输时，将导致产生新的波长成分。四波混频不仅导致信道的光能损耗，信噪比下降，而且还会产生信道干扰，光纤通信系统的容量。

9、光纤由哪几部分构成，各部分的作用分别是什么？

答：主要由三部分构成：纤芯、包层、涂覆层。

作用：纤芯：作用时传输光信号；

      包层：束缚纤芯中传输的光；

      涂覆层：保护光纤，使其适应多种外界环境，防止磨损。

10、为什么光纤通信系统要选择850nm、1310nm、1550nm,三个通信窗口？

答：因为在这三个通信窗口处，其传输损耗最低。

11、如何搭建一个系统，测量光纤的损耗？

答：方法很多：有切断法；插入损耗法；背向散射法等。

以插入损耗为例：

需要的仪器有：光源、光功率计、标准跳线、光纤。

测量步骤：先使用一根短标准跳线连接光源和功率计，记录功率值，再用待测光纤代替短跳线，测量功率值，然后由公式，计算损耗。注意，再用待测光纤替换跳线是需尽可能保持光纤位置、弯曲程度、连接头等不变，并且保证光纤中的模式受到均匀激励。

12、各无源器件的主要技术指标是什么？其作用是什么？

答：对连接器：插入损耗；重复性；互换性；寿命。

对耦合器：插入损耗；附加损耗；分光比；隔离度。

对滤波器：插入损耗；偏振相关损耗；分辨率；可分辨信道数；调谐范围。

对隔离器：插入损耗；隔离度；工作波长；回波损耗；最大偏振灵敏度。

对环形器：典型插入损耗（0.7dB）；最大插入损耗（0.8dB）；隔离度。

对衰减器：中心波长；带宽；衰减精度；最小回波损耗；最大偏振灵敏度。

对光开关：插入损耗；回波损耗；串扰；偏振相关损耗；开关速度和寿命。

作用：

连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸（活动）连接的器件，主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其它光无源器件之间的连接。缺点是插入损耗大。

耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出， 或把多个输入的光信号组合成一个输出。这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声。

滤波器分为固定滤波器和可调谐滤波器两类，是一种波长选择的器件。

隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。

衰减器的功能是对光功率比进行预定量的衰减。

光环形器的作用是实现在一根光纤里传输两个方向的光信号。

光开关的功能是转换光路，实现光交换，它是光网络的重要器件。

13、光纤耦合器的功能是什么？解释3dB名字的由来。

答：光纤耦合器的主要功能是分功率。3dB的意思是：在每一千米的距离上,输出光强度衰减为输入光强的一半，由公式可以求出。

14、试比较熔锥型2x2的光纤耦合器与熔锥型2x2的波分复用器的相同点与不同点。

答：相同点：都是利用耦合模理论用熔融拉锥具体做成的。

不同点：熔锥型2x2的光纤耦合器主要是分功率，而熔锥型2x2的波分复用器主要是分波长。

15、光的调制方式有哪些？并比较他们有哪些优点和缺点。

答：有内调制（直接调制）和外调制（间接调制）。

内调制：优点：线路简单，制作成本低；

          缺点：产生频率啁啾。

外调制：优点：调制性能好，避免频率啁啾；

           缺点：线路复杂，制作成本高。

16、外调制有哪些调制方式?例举一种你所知道的电光调制器？

答：电光调制、声光调制、磁光调制。M-Z型电光强度调制器（画图）。

17、你所知道的光开光有哪几种？怎么样实现其功能？

答：机械式光开光：微光机电系统光开光（MEMS），金属薄膜光开关；

非机械式光开光：液晶光开关，电光效应光开光，热光效应光开光，半导体    光放大器光开关。

功能：

18、LD与LED有什么相同点与不同点（结构与工作特性）。

答：LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。

LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔， 没有阈值。

LED的谱宽较宽（30-60nm），辐射角也较大。在低速率的数字通信和较窄带宽的模拟通信系统中，LED是可以选用的最佳光源，与半导体激光器相比，LED的驱动电路较为简单，并且产量高，成本低。

19、简述半导体激光器产生激光的条件？画出工作特性曲线（Ｐ-Ｉ曲线，标出阈值电流？说明温度对半导体激光器的哪些工作特性有影响？

答：产生激光条件：增益介质；泵浦源；谐振腔；最后满足震荡条件。

{要有能实现电子和光场相互作用的工作物质

要由注入能量的泵浦源（光泵或者电泵浦）

要有一个F-P谐振腔

要满足振荡条件}

P-I特性

阈值电流Ith：开始受激辐射的电流值。阈值电流与腔的损耗、尺寸、有源区材料和厚度等因素有关。IIth，受激辐射，发出的是相干光。

温度的影响：温度对激光器的输出功率、输出波长以及阈值电流都有影响，如果没有温度控制电路，激光器的输出功率会随时间下降，输出波长会发生漂移，阈值电流会增加。

20、假如一个半导体激光器的阈值电流10毫安,饱和电流5０毫安，如果从８点开机到９点，输出功率不变，工作电流增加，这是为什么？

答：由于随着半导体激光器的工作时间加长，其阈值电流增加，导致输出功率随时间下降，所以为了稳定输出功率，只能增加工作电流。

21、色散的物理意义是脉冲展宽程度的一种量度，那么如何理解正色散与负色散？单模光纤有哪几种色散?

答：正常色散：

反常色散:

对于单模光纤而言，由于只有一种模式传输，所以不存在模间色散。只有材料色散和波导色散，且材料色散影响教波导色散影响要大，它们引起的单位长度的脉冲展宽为 ，，分别是材料色散系数和波导色散系数，为光源的线宽。 

22、一个100公里的光纤，接收机灵敏度为功率0.3Ｗ，知道每公里的损耗0.2dB/km，求连接损耗为多少？有多少个连接器？发送机的最小功率？

23、数字通信系统中的直接调制，其偏置电流与工作电流大小如何选择？

答：偏置电流不能选择在阈值电流附近，否则就会造成消光比过低，从而增大误码率，所以工作电流必须选在阈值电流与饱和电流之间。

24、通过分析ＰＮ结来分析半导体光电二级管实现光电检测的机制？（通过分析ＰＮ结来分析半导体激光器发光原理和光电二极管光电探测原理）

答：

25、比较PN型、PIN型、APD型的光电二极管（Photo-Diode）检测器。

答：PN型光电检测器是利用外加反向偏压的PN 结，当入射光作用时，发生受激吸收产生光生电子一空穴对，这些电子一空穴对在耗尽层内建电场作用下形成漂移电流，同时在耗尽层两侧部分电子一空穴对由于扩散运动进入耗尽层，在电场作用下形成扩散电流，这两部分电流之和为光生电流；PIN型它工作于反偏压，器件由PIN 三层组成，基本结构是PN 结。PIN 光电检测器是为提高光电转换效率而在 PN 结内部设置一层掺杂浓度很低的本征半导体（ I 层）以扩大耗尽层宽度的光电二极管;APD 光电检测器件的结构基本部分与 PIN 光电二极管相同，仍是 PN 结，不同之处是在 P 层和 N 层中掺杂量增大，再外加很高的反向偏压，在其结构中构造一个强电场区，当光入射到 PN 结后，光子被吸收产生电子一空穴对，这些电子一空穴对运动进入强电场区后获得能量做高速运动，与原子晶格产生碰撞电离出新的电子一空穴对，该过程反复多次后使载流子雪崩式倍增，进而形成大的光电流。

简而言之：PIN型光电检测器是在PN型的基础上设置一层掺杂浓度很低的本征半导体（ I 层）以扩大耗尽层宽度，从而提高了量子效率，同时增大了传输带宽；APD型光电检测器在PIN型的基础上，使P 层和 N 层中掺杂量增大，再外加很高的反向偏压，在其结构中构造一个强电场区，从而引起新载流子的雪崩过程，从而提高了APD型的灵敏度。

26、画出发送机与接收机的功能框图，并简要说明各部分的作用。

前端：由光电二极管和前置放大器组成。

作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，然后进行预放大（电流－电压转换），以便后级作进一步处理。是光接收机的核心。

要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽

27、简述掺铒放大器的工作原理，其具有哪些特点使它在WDM网络中起到非常重要的作用？

答：工作原理：简单地说，就是在泵浦源的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大。

优点：掺铒放大器工作在C波段，正好处于光纤的通信窗口波段；对光的放大模式是透明的，能够接收放大任何传输过来的光；对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦；增益高且特性稳定、噪声低、输出功率大。另外它是光纤放大器，不是半导体放大器，可以消除光纤和光纤之间的耦合问题；

28、光纤放大器有哪几种泵浦方式，其特点有哪些？

答：泵浦方式：同向泵浦结构；反向泵浦结构；双向泵浦结构。

同向泵浦结构：其优点是构成简单，具有较好的噪声性能。缺点是输出功率低。

反向泵浦结构：其优点是当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易达到饱和，输出功率高，但是噪声性能差。

双向泵浦结构：这种方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使泵浦光在光纤中均匀分布从而使其增益在光纤中均匀分布。

29、用几何光学分析阶跃光纤？单模光纤的传输条件是什么？

答：用射线光学中的理论来分析。射线光学即忽略波长的光学，是用光射线去代表光能量传输的方法。光纤就是利用全内反射现象来传输光波的。

1.数值孔径

2.传播的时延和时延差：入射角不同的光纤传输路径是不同的，如果使不同的光线所携带的能量到达终端的时间不同，从而产生了脉冲展宽，这就了光纤的传输容量。

3.通信容量：光纤通信系统的通信容量用比特率－距离积来表示。估算通信容量：光脉冲传输距离L后的展宽不超过系统比特周期的四分之一。

阶跃型折射率光纤单模传输的条件：

单模光纤的截止波长         

当单模光纤中的光波长满足，即可实现单模传输。

30、什么是带宽？什么是比特率？

答：带宽：带宽是一个频率范围，在这个频率范围之内，信号可以不失

真地进行传输，它反映了模拟传输系统运载信息的能力。

比特率：也称为信息速率，是信道上每秒钟内所传输的比特数，单位为比特/秒，写成b/s或bps，常用符号B表示。（光纤色散是比特率受限的主要原因。为了解决这个问题，研制出了多种类型的光纤和各种补偿色散的技术，如渐变折射率光纤，色散补偿光纤等。）

31、多模光纤传输电磁波的条件有哪两个？

答：1.必须符合相干加强 2.符合全反射条件。

32、造成光纤传输损耗的主要因素有哪些？哪些是可以改善的？最小损耗在什么波长范围内？

答：传输损耗：吸收损耗、散射损耗、辐射损耗；其中吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的，因此是可以改善的；最小损耗在1.55um波长范围内。

33、什么是光纤的色散？对通信有何影响？多模光纤的色散由什么色散决定？单模光纤的色散又由什么色散决定？

答：色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分（模式，频率等）的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散、波导色散。

对通信的影响：时间延迟，脉冲展宽。

多模光纤的色散主要由材料色散，即模间色散决定。

单模光纤的色散主要由色度色散决定。

34、光纤数值孔径的定义是什么？其物理意义是什么？

答：定义临界角θc的正弦为数值孔径(Numerical Aperture, NA)。

物理意义：

    NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或θc)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， 纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而了信息传输容量。

35、多模光纤有哪两种？单模光纤又有哪几种？

答：多模光纤：渐变型，突变型

 单模光纤：G.652光纤、G.653光纤、G.654光纤、G.655光纤