光纤通信资料

1、光纤通信系统第一章所谓光纤通信， 就是用光作为信息的载体、以光纤作为传输介质的一种通信方式。通信系统的容量通常用比特率距离积BL表示， B 为比特率,L 为中继间距。三种低损耗窗 850nm、3dB/km；1310nm、0.4dB/km；1550nm、0.2dB/km4、 PDH和SDH各表示什么？其速率等级标准是什么？答： PDH表示准同步数字序列，即在低端基群采用同步，高次群复用采用异步；示同步数字序列。PDH速率等级标准：SDH表SDH速率等级标准：STM-1： 155.520Mbit/sSTM-4： 622.080 Mbit/sSTM-16： 2.5 Gbit/STM-64： 10 G

2、bit/s3、 光纤通信有哪些优点？答： 1、频带宽，通信容量大2、损耗低，中继距离长3、抗电磁干扰4、无串音干扰，保密性好5、光纤线径细、重量轻、柔软6、光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料7、光纤具有耐腐蚀力强、抗核幅射、能源消耗小等优点。5 、图示光纤通信系统，解释系统基本结构。答：光纤通信系统由光发送机、 光纤光缆与光接收机等基本单元组成。 系统中包含一些互连与光信号处理部件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器等。在长距离系统中还设置有中继器( 混合或全光 ) 。精选文库1. 光纤由哪几部分构成？从横截面上看由三部分构成：纤芯、包层、涂敷层；2、光纤中的纤芯折射

3、率与包层折射率的关系？单模光纤和多模光纤中中两者的芯经一般分别为多少？答：纤芯折射率大于包层折射率；单模光纤纤芯直径： 2a=8m m，包层直径： 2b=125m；多模光纤纤芯直径： 2a=50m，包层直径： 2b=125m。3、根据芯、包折射率分布及模式传播情况，指出有哪些典型形式光纤？答：按照折射率：折射率在纤芯与包层介面突变的光纤称为阶跃光纤； 折射率在纤芯内按某种规律逐渐降低的光纤称为渐变光纤。按照传输模式：单模光纤和多模光纤。5、数值孔径 NA 的物理意义？表达式是什么？答：光纤的数值孔径NA, 它的含义是反映光纤对光信号的集光能力（接收能力），NA 值越大，对光信号集光（接收）能力

4、越强。NA sin Cn0 sin0n1 sin(900c )Q n01sin 0n1 coscn11sin2cn11n22n12n1n12n222n2n12n12或 n1 2NAn12n22或n12-2精选文库6、什么是光纤的自聚焦？产生在何种类型光纤里？产生自聚焦的条件？答：若折射率分布合适， 可以使以不同角度入射的全部光射线以相同的轴向速度，同时到达光纤轴上的某点，即所有光射线都具有相同的空间周期 L，这种现象称为自聚焦，具有自聚焦特性的光纤称为自聚焦光纤；梯自聚焦 - 以不同角度入射的光射线以相同的轴向速度， 具有相同的空间周期 L ，这种光纤称为自聚焦光纤。产生在渐变（梯度）型光纤中

5、；当折射率分布按平方率分布（即双曲正割变化），可形成自聚焦特性。第二章7、阶跃光纤的纤芯和包层折射率分别为n11.46 和 n2 1.45，试计算：(a)相对芯包折射率差；(b)若该光纤的端面外为空气(n0=1)，计算允许的最大入射角0 及数值孔径NA ；(c)若该光纤浸于水中 (n0=1.33)，计算 0 及 NA 的大小。解：n12n22(a)2n120.00683(b)0arcsin(n12n22) 9.80 (Q n 1)n00NA n0 sin01sin 9.800.17(c)0arcsin(n12n22)7.40 (Q n0 1.33)n0NAn0 sin01.33sin 7.40

6、0.17-3精选文库8、有一 SI 型多模光纤的芯径为50m，芯包折射率分别为nl=1.465 和 n2=1.46。计算与光纤轴线夹角最大的那条子午射线，在 1m 的传输距离上共要反射多少次?解：2.21、导模的传播常数应满足什么条件？k0n2k0n1答：2、归一化频率 V 与什么参量有关？其值与导模数的关系？答由式（），与自由空间波数、芯经、波长、折射率和相对折射率差有关。V 2(k0 a)2 ( n21 n2 2 )v2v2MM423、什么是单模光纤？实现单模传输的条件是什么？答：单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单一基模的光纤。当阶跃光纤的归一化频率V < 2.405时，实现单模

7、传输。2.4什么是光纤色散？光纤色散包括哪些？零色散点所处的波长在那儿？决定什么因素？a）光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。（ b）材料色散（模内） 、波导色散（模内） 、模式（模间）色散、偏振色散。（ d）在 1310nm处，决定因素是材料色散和波导色散。-4精选文库全色散为两种色散的近似相加，即DDmat + D Wps/(nm.km)全色散为零的波长约在1.31m。2.51、什么叫光纤损耗？写出损耗的表达式。光纤损耗有哪几种？造成光纤损耗的原因是什么？答：当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象

8、即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数表示。(dB / km)10 lg PoutL Pin光纤损耗有：吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。损耗产生的主要原因是光纤材料的吸收、 散射作用和光纤在使用过程中由于连接、弯曲而导致附加光功率损失。光纤的衰减机理主要有 3 种，即光能量的吸收损耗、 散射损耗和辐射损耗。吸收损耗与光纤材料有关；散射损耗则与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关；辐射损耗是由光纤几何形状的微观和宏观扰动引起的。2.72、光纤有那些类型？ G.652、G.653、G.654、 G.655 光纤各表示什么？答： G.652 光纤（ SSF）：常规单模光纤， 色散为零的波长约在1310 nm

9、，1550 nm具有更低的损耗；G.653 光纤 (DSF)：色散位移光纤，将零色散波长从1.3m移到 1.55 mm ，这种低损耗、低色散的光纤，无疑对长距离大容量光纤通信来说是十分有利的。-5精选文库G.654 光纤 (CSF)：截止波长位移光纤，设计的出发点进一步降低1550nm处的衰减，而零色散波长仍为1310nm。G.655 光纤 (NZ-DSF)：非零色散位移光纤， 将零色散波长移至1550 nm附近，目地是应用 DWDM，克服非线性产物四波混频（FWM）。1、按照成缆结构方式不同可分为哪几种光缆？答：层绞式、骨架式、带状式、束管式2、光纤光缆制造的主要流程是什么？答：制棒 - 拉

10、丝 - 涂敷 - 成缆光纤预制棒制作方式：用气相沉积法（MCVD)制造一根具有所需折射率分布的预制棒。典型的预制棒长1m，直径 2cm，包含具有合适相对尺寸的纤芯和包层。3.12、比较发光二极管与半导体激光器，指出各自特点？答：发光二极管特点：以自发辐射为基础，发普通荧光，发散角大，是无阈值的器件，发射功率一般为微瓦级。半导体激光器特点：以受激辐射为基础，发相干（激）光，是有阈值的器件（电流大于阈值点，发射线性激光；小于阈值点为自发辐射光） ，发射功率一般为毫瓦级。1、光和物质的相互作用是什么？答：受激辐射、自发辐射、受激吸收1、半导体激光器产生激光输出的基本条件是哪些？答：半导体激光器产生激

11、光输出的基本条件是：形成粒子数反转；提供光反馈；满足激光振荡的阈值条件。3.21、用于光纤通信的发光二极管有哪几类？特点是什么？答： LED 的基本结构可分为两类：面发光LED 和边发光 LED。面发光 LED ：称为布鲁斯 (Burrus)型 LED ，这种 LED 发射面积限制在一个小区域，小区域的横向尺寸与光纤纤芯直径接近。面发光管输出功率较大， 一般-6精选文库注入电流 100mA 时可达几毫瓦，但光发散角大，其水平发散角120，°垂直发散角 120，°光束呈朗伯分布，与光纤耦合效率很低。边发光LED ：采用条形半导体激光器的设计方案，其发散光束不同于面发光 LED

12、 ，它在垂直于结平面方向的发散角仅为 30°，所以边发光 LED 的输出耦合效率比面发光 LED 高，调制带宽亦较大，可达约 200MHz 。2、 制张弛振荡、减小电光延迟时间的简单方法是什么？答： 把 LD 预偏置在 I th 附近时，是减小t d，缩短载流子寿命sp ，有利于提高调制速率的简单方法。所以，无论是从减弱张弛振荡， 还是从缩短电光延迟时间来提高调制性能， LD都需要预偏置在阈值附近。3.4LD的 Ith随着工作温度的提高， P-I 特性曲线向右移动， 这时阈值电流增大，斜率减小。外量子效率 (总效率 )调制特性3.5光发送机作用：将输入的电信号加载到光源的发射光束上变

13、成光信号，送入光纤。信息由 LED或 LD发出的光波所携带，光波就是载波。把信息加载到光波上的过程就是调制。调制方式：将电信号转变为光信号的方式通常有两种：直接调制和间接调制。-7精选文库直接调制技术具有简单、 经济和容易实现等优点， 由于光源的输出光功率基本上与注入电流成正比， 因此调制电流变化转换为光频调制是一种线性调制。1、光驱动电路的基本结构是什么？特点是什么？答：光驱动电路由调制电路和控制电路组成，即提供恒定的偏置电流和调制信号，采用伺服回路保持平均光功率恒定不变。分为 LED、LD 光驱动电路两类。 数字电路通常由差分对管组成差分电流开关电路，特点是速度快，电路易于调整，若用 LD

14、 管还需提供预偏电路。模拟电路由单管或多管构成，由于对线性要求较高，需要复杂的补偿电路。2、APC与 ATC电路起何作用？答：为了克服温度及老化造成的输出功率的下降，在驱动电路中要采取稳定补偿措施，这就是自动功率控制(APC)和自动温度控制 (ATC)。ATC控制利用 LD 组件内的半导体致冷器及热敏电阻进行反馈控制即可恒定 LD 芯片的温度。APC可通过两条途径来实现，一是自动跟踪Ith的变化，使LD偏置在最佳状态；二是控制调制脉冲电流幅度Im，自动跟踪d （外量子效率）的变化。由于一般d随温度的变化不是非常大，因此简单的办法是通过检测直流光功率控制偏置电流，也能收到较好的效果。光源与光纤耦

15、合效率的主要因素：-8精选文库 光源的发散角发散角大，耦合效率低。 光纤的数值孔径 (NA)NA大，耦合效率高。 光源发光面、光纤端面尺寸、 形状及二者间间距也都直接影响耦合效率。针对不同的因素，通常采用两类方法来实现光源与光纤的耦合，即直接耦合法： 直接耦合法：是将光纤端面直接对准光源发光面，当发光面大于纤芯面积时，这是一种有效的方法。透镜耦合法： 透镜耦合法：当光源发光面积小于纤芯面积时，可在光源与光纤之间放置聚焦透镜， 使更多的发散光线会聚进入光纤来提高耦合效率。4.1光接收机作用是：将光信号转换回电信号，恢复光载波所携带的原信号。光接收机主要由3 部分电路组成，分别为由光电二极管和前置

16、放大器构成的接收机前端，由主放大器和均衡滤波器构成的线性通道及由判决器和时钟恢复电路构成的再生电路。光电检测器 ( 光电二极管或雪崩光电二极管) 对光信号解调，将光信号转换为电信号。光电检测器的输出电流信号很小，必须由低噪声前置放大器进行放大。-9精选文库光电检测器和前置放大器构成光接收机前端，其性能是决定接收灵敏度的主要因素。响应度和量子效率关系1、光纤通信系统用的光检测器是怎样偏置外加工作电压的？答：反向偏置。足够大的反向偏置电压， 目的是使本征区中的载流子完全耗尽，形成高电场耗尽区。使入射到检测器上的光子能量高速度、高效率转换成光生电子。 APD 管加上更高反向电压，可以形成雪崩倍增增益

17、。2、比较 PIN 光电检测器与 APD光电检测器，各自有那些特点？答：（1）PIN 光电二极管没有倍增，使用简单，工作偏压低 (5-10V) ，不需要任何控制。在较大光功率注入下， PIN 接收机噪声性能要比APD接收机噪声性能（信噪x比降低 G 倍）优越。（2）APD 具有很高的内部倍增因子（通过合理设计，可以使 APD工作在最佳倍增状态），这样接收灵敏度比 PIN 光检测器高。但由于 APD需要较高的工作偏压 （200V）以及其倍增特性受温度的影响较严重因此使用起来也比较复杂， 需要 AGC电路对 APD的工作偏压进行精细控制， 在要求较高的数字光接收机中，还必须对 APD采取温度补偿措

18、施。在较小光功率注入下， APD接收机噪声性能（信噪比提高 G2 倍）要比 PIN 接收机噪声性能优越。4.41、光接收机的灵敏度是怎样定义的？答：光接收机的灵敏度是描述其准确检测光信号能力的一种性能指标。光接收机的灵敏度定义为接收机工作于某一误码率（ BER）条件下所要求的最小平均接收光功率。-10精选文库2、误码率如何定义？通常标准要求是多少？答：数字光接收机的误码率 (BER)定义为接收机判决电路错误确定一个比特的概率， 1×10-6 的 BER相应于每百万比特中平均有一个错码。对数字光接收机通常使用的标准要求 BER10-9 ，这是通常实际光波系统的系统规范。4、引起光接收机

19、灵敏度恶化因素是那些？答： 1、消光比引起的灵敏度恶化2、强度噪声引起的灵敏度恶化3、取样时间抖动引起的灵敏度恶化4.5光中继器原理图5.1光放大器的原理光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件，其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。1、光放大器有哪几种类？应用最为普遍的是哪一种？答：半导体光放大器 (SOA)光纤放大器（掺稀土元素）非线性光纤放大器（光纤喇曼放大器FRA）最常用的是掺铒光纤放大器2、掺铒光纤放大器（ EDFA）有哪些优点？-11精选文库答：其优点为：高增益、高功率、宽带宽、低噪声、低串音、低插损等优良特性。3

20、、EDFA光放大器主要应用方式？答：主要做为发送机功率提升放大器、光接收机前置放大器和替代3R光电电光中继器的光中继放大器。4、掺铒光纤放大器（ EDFA）的关键技术是什么？答：是掺铒光纤和泵铺源技术5. 光放大器在光波系统中的 4 种基本应用1）将光放大器作为在线放大器代替光电光混合中继器，当光纤色散和放大器自发辐射噪声累积尚未使系统性能恶化到不能工作时，这种代替是完全可行的， 特别是对多信道光波系统更具诱惑力，可以节约大量的设备投资。2）将光放大器接在光发送机后以提高光发送机的发送功率，增加传输距离，这种放大器称为功率放大器。3）将光放大器接在光接收机前，以提高接收功率和信噪比，增加通信距

21、离，这种放大器称为前置放大器。4）将光放大器用于补偿局域网中的分配损耗，以增大网络节点数。还可以将光放大器用于光子交换系统等多种场合，这种放大器亦称为功率放大器。放大器的特性主要由掺杂元素决定，而不是由起主介质作用的石英光纤决定。图 5.11 掺铒光纤放大器的基本结构-12精选文库(a) 前向或正向泵结构 EDFA；(b) 后向或反向泵结构 EDFA；(c) 双向泵结构 EDFA。泵浦光由半导体激光器（ LD）提供，与被放大信号光一起通过光耦合器或波分复用耦合器注入掺铒光纤（ EDF）。光隔离器用于隔离反馈光信号，提高稳定性。光滤波器用于滤除放大过程中产生的噪声。为了提高 EDFA的输出功率，

22、泵浦激光亦可从 EDF的末端（放大器输出端）注入，或输入输出端同时注入，分别如图 5.11(a) 、图5.11(b) 、图 5.11(c) 所示。这 3 种结构的 EDFA分别称为前向泵、后向泵和双向泵掺铒光纤放大器。6.11、无源器件主要有哪几种？答：光纤连接器、光纤衰减器、光隔离器、光纤耦合器、自聚焦透镜（滤波器、分路器、复用器） 、光调制器及光开关等。光无源器件有很多种类， 主要有光纤连接器、 光纤耦合器、光滤波器、光隔离器、波分复用 / 解复用器、光开关、光衰减器、光环形器、偏振选择与控制器等。光纤固定接头方法：熔接法，V 形槽法，套管法。2、衰减器的作用是什么？光连接器的作用是什么？

23、-13精选文库答：光衰减器的作用是对光功率进行衰减。光连接器的作用是实现光纤与光纤之间可拆卸的连接。光纤连接器的作用是实现系统中设备之间、 设备与仪表之间、 设备与光纤之间及光纤与光纤之间的活动连接， 以便于系统的接续、 测试和维护。3、光隔离器在光纤线路上作用是什么？答：光隔离器在光纤线路上作用是隔离反射光返回器件，避免其对正向光形成干扰。构造 N×N多星形耦合器：采用多个 2×2 星形耦合器级联的方法构成N×N星形耦合器。8.12、系统在什么条件下受色散限制？此时决定的因素是什么？答：当系统的损耗足够小，传输码速高时，传输距离主要受光纤色散等的限制。即在光纤损

24、耗较低， 码速较高时，对传输距离的限制往往主要来自色散造成的系统上升时间的限制，这种系统称为色散限制系统。1、简述光纤通信系统发展情况并分别写出限制BL的因素。答： 1. 0.85 m光波系统 ,采用低成本的多模光纤作为传输媒质。限制 BL 主要的因素是光纤的模间色散。-14精选文库多模阶跃型光纤：cBL=多模渐变型光纤：BL=2cn1 22. 1.3 m光波系统，早期单模光纤，限制 BL主要的因素是光源的谱宽。1BL4 D3. 1.55 m光波系统，第三代光波系统工作在损耗最小的 1.55 m 波长。限制 BL 主要的因素是光纤色散。B2L1162第二章4、有一 SI 型单模光纤，其截止波长

25、为1.4m ，芯包折射率分别为 nl =1.465 ，n2=1.46 ，计算它的纤芯半径及在波长分别为0.85 及 1.3m 的模式数。解:从式（）得到此时纤芯半径为-15精选文库5、有一阶跃光纤， NA=0.2，当=850m时可支持 1000 个左右的模式，计算：(a) 纤芯直径；(b) 在 =1310 nm波长时的传输模式数；(c) 在 =1550 nm波长时的传输模式数。解：将式代入式-16精选文库3、已知一弱导波阶跃型光纤，纤芯和包层的折射率分别为n11.5 ， n21.45 ，纤芯半径 a4 m， 1.31m， L 1km。计算：（ 1） 光纤的数值孔径；（ 2） 光纤的归一化频率；

26、（ 3） 光纤中传输的模数量；（ 4） 光纤的最大时延差。解：（ 1） NAsinmax（ n21n22） 1/2 0.38（ 2）式（） p24V2 n1a 22 a n12n2224( m) 1.521.4521.31( m)7.37（3）MV2/2 7.37 2 /2 27式 (2.2.23)（ 4）式L n12TC n2n12n220.0328Q2n121.520.0328 1(km)2.25 0.0328 11.453105 (k m / s)4.35 1050.01710 5 (s)=170ns4、有一个波长为 1310nm LED，其谱宽 45 nm。则光纤材料色散造成的单位长度

27、脉冲展宽是多少 ?若是谱宽为 2 nm 的 LD，则脉冲展宽又是多少 ?解：由式（）得DM1.22(10)1.2730.034 ps / nmkm.1.22(1)1.31代入式（ 2.4.28 ）得到 LED 脉冲展宽：LEDD L0.034 ( ps/ nm km) 1(km)45(nm) 1.55ps同理得到 LD 脉冲展宽：LDDL0.034 ( ps / nm km)1(km)2(nm)0.068ps-17精选文库3、有一个 13001550 nm的 WDM系统，在 1300nm和 1550 nm波长上的入纤信号光功率分别为150w和 100w。若这两个波长上的光纤损耗分别为 O.5

28、dB km和 0.25dBkm，试计算当光纤长度为50 km时它们的输出光功率。解：4、设一长度L = 1km 的光纤，其损耗常数2.3 ×105cm，光纤输入端的功率为l mw。计算光纤输出端的功率。解：-18精选文库第三章3、设激光器的高能级和低能级的能量各为E1 和 E2 ，频率为 ，相应能级上的粒子密度各为 N1 和 N2 。试计算：（1）当频率 = 300MHz T=300K 时， N2 N1为多少？（2）当波长 =1，m T=300K 时， N2 N1为多少？（3）当波长 =1，m若 N2 N1 = 0.1，环境温度 T 为多少？（按玻尔兹曼分布规律计算）解：(3.1.2

29、)式 (P62)(1)N2exp(hv110.9995)hv6.626 10346N1kT3000 10Hze kTe1.38 10 23300(2)N2exp(hc11.431021N1)hckTekTN2hc(hc)(3)exp(ekT0.1N1)kT(hc )hcQ ln ekT;ln 0.12.303kThcT6255k2.303-19精选文库2、有一个双异质结 InGaAsP LED，中心发光波长为 1310nm，其材料的辐射复合率为 50ns，非辐射复合率为 70ns。试计算：(a) 发光时的内量子效率int ；(b) 设驱动电流为 100mA，计算该 LED 的内部发光功率；(c

30、) 若该 LED 芯片与多模光纤的直接耦合效率为 -14dB，计算入纤的光功率大小。解：(a) 由式（ 3.1.14 ）得110.583in1 501 rr70nr(b) 由式（ 3.2.1）得Pintint (h/ q)Iint ( hcI )55.29mwq(c) 由式（）得Peextint0.0455.292.2mw3、分别画出用发光二极管和激光器进行数字调制的原理图。解：-20精选文库5、有一个 GaAs LD，工作波长 870 nm，其纵模之间的间隔为278 GHz，GaAs的折射率， n13.6 ，计算其光腔的长度及纵模数。解：cQ vL2nLc3108 (m / s)150 mL

31、(2 3.6)(278 1092n vL/ s)由式（ 3.3.3）得cmcvm2nL2nL(2 3.6) 150 mm0.871241m-21精选文库1、画出半导体激光器的L-I 特性曲线。若调制信号为脉冲型，试画出调制图。解：3、一个 GaAsAl一 LD在 1502C时的阈值电流密度为3000 Acm。计算在条形接触为 20 m×100m 、阈值温度系数为T0=180 K 及工作温度为 600C时的阈值电流。解：因为-22精选文库第四章3、光电检测器转换能力的物理量有哪些？写出其表达式。答： 量子效率和响应度 R0I P / eI PhcP0 / hfP0eR0I Pe(A/W

32、)P0hc1.24注意：以m 为单位4、现有 1011 个光子秒， 光子能量为 1.28 × 10-19 J，入射到一个理想的光电二极管上，计算：(a) 入射光波长；(b) 输出光电流大小；(c) 若这是一个 APD，其 G=18，计算光电流。解：1554nm-23精选文库5、有一个 PIN 光电二极管，其 =O.9， =1300 nm，入射光功率 P0=-37 dBm。计算：(a) 光电流大小；(b) 当负载电阻 RL 等于 50 ， 1000 及 lOM 时的输出电压。解： 0.94 （A/W）-24精选文库光电流为I PR0 P0(0.94 A / W)( 37dBm)0.94 2 10 70.188 A(b)负载电阻 RL 上的输出电压为RL50 时， V=IPRL(0.18810 6 A)(50 )9.4 VRL1000时， V=IPRL(0.18810 6 A)(1000 )188