光纤通信期末复习题(湖二师物机学院)

1、光纤通信复习提纲第一章 光纤的基本理论一、基本概念1、什么叫数值孔径？光纤从光源获得的能量和数值孔径之间有何关联？入射到光纤端面的光并不能全部被光纤传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度A对应的正弦值就称做数值孔径。数值孔径表征了光纤的激光能力。数值孔径越大，光纤手机射线的能力越强获得的能量也越多。NA=2、 什么叫相对折射率差？如何计算？n1光纤纤芯的折射率，n2光纤包层的折射率。=3、 什么叫归一化频率？如何计算？表示在光纤中传输的模式数量V=其中a表示纤芯的半径在阶跃光线中模式数量N=在渐变光纤中模式数量N=4、 什么是自聚焦光纤？其主要特点是什么？折射率是渐变的，n（r）随

2、着半径r的增加而减小。折射率分布指数最佳时可以使全部的子午射线以同样的同样速度在光纤中传播，这种模式色散起了均衡作用从而消除了模式色散。5、 什么是单模光纤？什么是多模光纤？在光纤通信中各适用于什么情形？单模光纤：光纤中之传输一种模式（基模）纤芯直径为4-10um适用于大容量的长距离的光纤通信系统多模光纤：光线中传输不止一个模式，纤芯直径一般为50um包层外径为125um多模光纤适用于中距离，中容量的光纤通信系统。6、 什么是模场直径？它对于光纤传输有何意义？光纤横截面上内光功率减小到其最大值的1/e的宽度，衡量光纤内光斑大小的物理量模场直径大的光纤，能量在芯子中集中的程度较差包层中存在的光能

3、量角度，光纤弯曲造成的损耗较大不利于光在光线中的传输。模场直径小的光纤，能量在芯子中集中地程度较好光纤弯曲照成的损耗较小7、什么叫色散？光纤色散的来源有哪些？色散对光纤通信有何影响？光信号在光纤中传输是用于群速度的不同，产生时延差对模拟信号就会产生波形失真，对脉冲信号波形被展宽。影响：产生误码，限制了光纤通讯线路的最高信息传输速率（通信容量）8、 损耗的来源有哪些？光纤通信的三个低损耗窗口是什么？其中损耗最低的窗口是哪一个？这三个窗口主要由什么因素决定？吸收损耗，散射损耗，弯曲损耗。低损耗的窗口是0.85um，1.31um，1.55um左右最低的窗口是1.55um的窗口。主要因素是各种过度金属

4、离子和OH-造成的9、 什么叫色散系数？如何计算？常用单位是什么？单位线宽光源在单位长度光纤上引起的时延；单位ps/km*nm其中表示单位长度光纤上的时延差，表示光源线宽10、 什么叫模式色散？什么叫材料色散？什么叫偏振模色散？上述哪种色散在单模光纤中不存在？模式色散：再多摸光纤中不同模式沿光纤周详的传输速度不同到达接收端所用的时间不同，产生色散。材料色散：由于光纤材料的折射率是波长的非线性函数，从而使光的传输速度岁波长的变化而变化引起的色散偏振色散用于实际光纤总存在一定的不完善行，使得沿着两个不同方向偏振的同一模式的相位常数beta不同吃那个人导致两个模式传输不同步波导色散同一模式的相位常数

5、beta随波长而变化，即群速度随波长变化，由此一起的色散模式色散在单模光纤中不存在11、 什么叫非色散位移光纤，适用于什么情况？什么叫色散位移光纤，适用于什么情况？什么叫非零色散位移光纤，适用于什么情况？12、什么叫渐变折射率光纤？有何特点和应用？渐变折射率光纤是折射率随着纤芯半径r的增加按一定规律减小。采用渐变折射率光纤的目的是减小多模光纤的模式色散，能实在光纤中传输的子午光纤以同样的轴向速度在光纤中传输，这种模式色散起了均衡作用从而消除模式色散，形成自聚焦现象二、计算题类型1、关于光纤特征参数的计算（如数值孔径、归一化频率等）；纤芯直径、相对折射率、数值孔径、归一化频率相对折射率计算归一化

6、频率V=，代表纤芯的折射率，代表传播常数在阶跃光线中模式数量N=在渐变光纤中模式数量N=2、 关于光纤单模条件的计算（包括单模条件下光纤的半径、截止波长等）单模条件：归一化频率小于2.405单模光纤半径尺寸单模光纤的截止波长单模光纤截止频率：3、 关于模式容量的计算；模式容量可以有归一化频率求出：N=；V=4、关于损耗的计算；5、关于最大时延差、带宽的计算；代表性题目示例：（1） 已知阶跃光纤折射率，求：光纤的数值孔径；求相对折射率差。NA=；NA=0.3005相对折射率=0.0195（2） 阶跃光纤纤芯的折射率，包层折射率，工作波长为1.31m，要保证单模传输，纤芯直径应为多大单模工作的光纤

7、纤芯半径a= =2.0531um（3） 一段由阶跃光纤构成的20km长的光纤链路，纤芯折射率，相对折射率为，试求：接收端最快和最慢的模式之间的时延差；该光纤允许传播的传输带宽是多少？单位长度光纤的最大时延差用公式得时延差=20* =380ps(4)阶跃型光纤的n1=1.50,=0.002，工作波长=0.85m，当纤芯半径a=30m时，求：此光纤中传输的导模数M。V=1.5*sqrt（2*）*2pi/0.85*30=21.038N=V2/2=221（5）光信号在光纤中传播10km的功率损耗为20%，则该光纤的损耗为多少？一、基本概念1、发光二极管的优缺点各是什么？激光二极管的优缺点各是什么？二极

8、管优点制造工艺难度小成本低、可在较宽的温度范围内正常工作。可靠性好、工作寿命长。缺点方向性差，发散度大、与光纤耦合效率低只有百分之几，发光功率小激光二极管的优点：带宽大调制速率高，光束方向性强，发三度小、与光纤耦合的效率高光谱较窄。缺点制作难度大成本高，工作寿命短2、 光发射机的主要技术要求有哪些？3、 什么叫阈值电流？阈值电流是越大越好还是越小越好？激光器由自发辐射到开始受激振荡时的临界注入电流，称为阈值电流，越小越好越小越容易产生激光4、 什么叫电光延迟？什么叫张弛振荡？当阶跃电流I（IIth）时，有源区里电子密度n增加，但这段时间n小于阈值电流密度nth，激光并不会产生，所以光功率存在一

9、个延迟时间，即电光延迟时间LD输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡；-激光器内部光电相互作用所变现的固有特性5、 正向偏置对激光二极管有何好处？正向偏置起到泵浦的作用，实现粒子数反转、消除码型效应。6、 什么是直接调制？什么是间接调制？各有什么优缺点？ 直接调制：把要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED，从而获得相应的光信号，采用的是电源调制方法。间接调制：利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射信号的调制光源直接调制的优点是简单、经济、容易实现，但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制。外调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信

10、系统。 7、 光源间接调制常用的方法有哪三种？利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应进行调制8、 波导调制器的工作原理是什么？输入光信号在第一个3dB耦合器处被分成相等的两束分别进入两波导中传输。波导用电光材料制成使两路光信号在第二个耦合器处相位延迟不同。若两束光的光程差是波长的整数倍两光束加强，若两光束的光程差是半波长的期数倍，两束光相干抵消调制器输出很小9、 什么是激光器的温度特性？激光器自动温度控制的基本原理是什么？ 半导体激光器对温度变化敏感，输出光功率随温度发生变化，主要表现为：外微分量子效率随温度升高而下降；温度对激光器数字调制将产生结发热效应热敏原件监测LD的芯片结温，与设定的基

11、准温度比较，放大后驱动制冷器控制电路改变制冷量的大小。10、 光发射机为何采用正向偏置？和光接收机有何不同？11、 异质结激光器是怎样降低阈值电流的？将有源层的厚度减少到德布罗意 波长（50nm）以下，半导体的性质将发生根本的改变，出现量子效应。由于量子阱结构中态密度分布曲线的底部非常平坦，所以很小的注入电流就能获得很大的增益12.激光器自动功率控制电路的基本工作原理是什么？探测激光器发射的平均功率，以此作为反馈信号控制偏置电流，从而维持输出光功率的恒定二、简单计算题1、计算发射波长2、计算电光延迟时间 ，分别代表注入电流，阈值电流3、 计算外微分量子效率内量子效率外量子效率为激光的发生光功率

12、分别为激光器的注入电流、加在pn结上的外加电压第三章 光接收机一、基本概念1、什么叫光生载流子？能量大于半导体材料的禁带宽度时，价带上的电子发生受激吸收产生的光生电子空穴对2、什么叫暗电流？在无光的情况下，光电检测器仍有电流输出3、什么叫灵敏度？什么叫动态范围？在限定的误码率条件下（在保证达到给定的误码率条件下），光接收机所需要输入的最小平均光功率分母中的0.001代表是1mw的功率在保证系统的误码率指标要求下，接收机的最低输出光功率和最大允许光功率只差就是光接收机的动态范围。4、 影响光接收机灵敏度的主要因素有哪些？光电检测的散粒噪声与放大器热噪声光电检测的散粒噪声与放大器热噪声是影响接收机

13、灵敏度的重要因素一般来说当采用光电二极管作为检测器时散粒噪声可以忽略，放大器噪声是影响接收机灵敏度的主要因素。而当采用APD作为检测器时APD的过生噪声成为影响接收机灵敏度的重要因素，放大器噪声对灵敏度的影响相对较小；比特率随着比特率的提高，放大器和均衡滤波器的带宽增加，噪声等效带宽也增加，放大器和光电检测器的噪声影响加剧，灵敏度会下降。对比特速率较高的系统接收机灵敏度关系PIN型比特率增加一倍，灵敏度大约下降4.5dB，APD型工作在最佳雪崩增益是，比特率增加一倍灵敏度下降3.5dB；输入波形，在一定的比特率下接收机所需要的带宽是有输入波形所决定的输入波形约在他的频谱越宽这样有利于限制高频噪

14、声提高接收机灵敏度；消光比消光比不为零时在0码是光源没有完全熄灭，调制脉冲相当于加在残余光上，而这部分残余光不仅对光电检测没有任何作用还会增加光电检测器的散粒噪声降低接收机的灵敏度5、 什么是耗尽层？起什么作用？耗尽层长度越长越好还是越短越好，为什么?由于多数载流子在PN结区域在宏观上已经耗尽，因此有不会发生运动的原子形成的离子自建电场的区域叫做耗尽层；形成一个高电阻的区域耗尽层越宽越好增加耗尽层宽度能提高二极管的光电转换效率，还能加快二极管的响应速度6、 什么叫光生电流？什么叫漂移电流？什么叫扩散电流？电子空穴对在自建电场作用下电子向N区漂移空穴向P区漂移形成漂移电流。在耗尽层两侧由于热运动

15、部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层然后电场作用下形成和漂移电流相同方向的扩散电流。漂移电流和扩散电流的和就是光生电流7、 光电二极管的上截止波长是如何定义的？入射光的波长必须小于某个临界值才会发生光电效应这临界值就是截止波长8、 光接收机噪声有哪些来源？其中散粒噪声包含哪些？来源有量子噪声，散粒噪声，光电检测器的暗电流噪声，漏电流噪声，APD倍增噪声，电阻的热噪声，放大其中的噪声。散粒噪声包括光电检测器中的量子噪声，暗电流噪声漏电流噪声和APD倍增噪声。热噪声主要指负载电产生的热噪声；放大器噪声（主要是前置放大器噪声）中，既有热噪声又有散粒噪声9、 什么叫光接收机的响应度？它和量子效

16、率有何关系？光生电流与入射光功率之比响应度与量子效率成正比10、 前置放大器有三种常用的阻抗电路，请问是哪三种？低阻型放大器特点是线路结构简单，接收机不需要或只需要很少的均衡前置级的动态范围较大噪声也较大；高阻型放大器方法是尽量加大偏置电阻，把噪声减小到尽可能小的值。高阻型前置放大器不仅动态范围小，而且当比特率较高时，在输入端信号的高频分量损失太多这在实际中很难做到。高阻型前置放大器一般在码速率较低的系统中使用；跨阻型放大器前置放大器实际上是电压并联负反馈放大器这是一个性能优良的电流电压转换器，具有噪声低，灵敏度搞高和频带较宽的有点。11、光接收机的相干检测有哪两种基本方式？各有何特点？可以采

17、用单臂或者双臂的形式，双臂检测的性能高于单臂检测单臂检测器中包含了信号的幅度相位和频率信息可以实现相干检测，导师光电检测器的输出中包含直流成分，这个直流成分会抬高电平不便于信号的检测双臂相干检测平衡接收机抵消了直流成分，两个检测器中的部分噪声也可以被抵消输出的电流中不仅保留了强度信息，还保留了相位信息12、 相干检测与直接检测相比，优点是什么？相干检测方式能检测出信号的相位信息因而能检测出更高的高阶调制格式；相干光接收方式适合所有调制方式的通信13、 什么叫误码率？如何降低误码率？接收机判决电路错误确定一个比特的概率平均误码率在某一规定的观测时间内发生差错的比特数和传输比特总数之比通常2.5G

18、b/s系统的接收灵敏度对应于，10GB/S的接收灵敏度对应于。对信号进行高增益放大和整形能提高噪声比减少误码率14、 均衡滤波电路的主要功能是什么？判决再生电路的主要功能是什么？在判决码元时刻码元的拖尾值为零从而消除码间干扰把放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号。15、 影响灵敏度恶化的主要因素有哪些？在非理想条件下仅考虑接收机噪声而导出的灵敏度值相比，接收机要求的最小平均光功率增大这个增量称为灵敏度恶化主要因素：发射0码时接收机功率不为零引入的功率代价；激光器强度噪声引入的功率代价；光源、光纤系统噪声引起的功率代价;时钟抖动；输入和输出信号波形的影响二、计算题类型代表性题目示例：（1） 假设

19、PIN光检测器在1550微米处的响应度为1微安/微瓦，检测器电流馈入一个50千欧的电阻。试问：接收机的量子效率是多少？当电阻上功率为10微瓦时，入射光功率为多少？（2）假设有一个系统，其中的LED发射10mW,0.85微米的光波；光缆损耗为20dB；PIN光检测器的响应度为0.5A/W，检测器暗电流为2nA,其负载电阻为50千欧；接收机带宽为10MHz，温度为300K。放大器等效的噪声温度为350K。除了光纤损耗外，系统还包含光源耦合引起的14dB的功率降低，以及由多个接头和连接器导致的10dB损耗。计算接收到的光功率、检测信号电流和功率、散弹噪声和热噪声功率以及信噪比。若将前述PIN换成响应

20、度为其160倍的雪崩光电二极管，重新求解上述结果。第四章 光纤通信系统一、基本概念1、数字光纤有两种传输体制，是哪两种？损耗受限系统，衍射受限系统2、什么叫色散受限系统？什么叫损耗受限系统？传输距离根据发送机和接收机之间的光通道顺号决定，传输距离根据发送机和接收机之间的光通道色散决定3、光放大器的作用是什么？解决了光纤损耗对光传输网络传输距离的限制么热切在密集波分复用系统中采用光放大器可以对多达几十路的不同波长信号同时放大，大大降低了系统设备成本和运行维护成本4、掺铒光纤放大器的工作原理是什么？泵浦光起什么作用？泵浦光波长通常是多少？正三价的铒离子在吸收980nm波长的光后在亚稳态和基态之间形

21、成粒子数反转。当1550nm波段的光信号通过已形成粒子数反转的掺铒光纤时，处于亚稳态的铒离子受激辐射产生一个激发光子大大增加了信号光中的光子数量从而实现信号在掺铒光纤中的放大；泵浦光源微信号光的放大提供足够的能量使掺铒光纤达到粒子数反转状态，通常是980nm的光波5、常用的泵浦方式有几种？各有什么特点？同向泵浦可获得较好的噪声性能，反向泵浦能够获得较高的输出功率，采用双向泵浦可使掺铒光纤的增益性能优于通向泵浦6、什么叫抖动？什么叫漂移？影响抖动的主要因素是什么？影响漂移的主要因素是什么？数字脉冲信号的特定时刻相对于其理想位置的短时间偏离；漂移数字脉冲的特定时刻相对于其理想时间位置的长时间偏移。

22、影响抖动的主要因素系统中时钟的不稳定，各种噪声，码间干扰以及SDH中的映射指针调整等；漂移的主要因素最普遍的环境温度的变化，环境温度的变化可能导致光纤传输性能的变化，时钟变化、以及光电二极管发射波长的偏移。SDH网路中指针调整、时钟噪声、相位瞬变也会引起漂移7、PDH和SDH传输的各次群的传输容量确定的依据是什么？二、计算题类型功率预算，最大中继距离的计算。代表性示例：传输容量的简单计算。如比特率-距离积为2.0 (Gb/s)km，光纤长度为100km，则传输最大比特率为多少？第五章 光无源器件和WDM一、基本概念1、插入损耗、光隔离度、回波损耗都是如何定义，如何计算的？插入损耗：光通过连接器后，光功率损耗的大小，分别是发送到输入端的光功率；回波损耗：光通过连接器后，后向反射光与入射光的比值光，是从同一个输入端口接收道德返回光功