光纤通信(朱宗玖)习题解答

1、第一章1. 简述光纤通信的特点。答：（1）频带宽、信息容量大 （2）损耗低、传输距离长（3）体积小、重量轻、便于敷设（4）抗干扰性好、保密性强、使用安全（5）材料资源丰富2. 简述光纤通信系统中基本组成部分及其重要作用。答：基本组成部分：光纤通信系统是以光纤作为传输介质、光波作为载波的通信系统。它主要由光发射机、光纤、光中继器、光放大器、光接收机等组成，当然，一般系统中还包括一些连接器、隔离器、波分复用器、耦合器等器件。重要作用：光发射机的作用是将电信号转换成光信号，并通过连接器将光信号注入光纤。光接收机的主要作用是将光纤传输过来的光信号转换成发射端的电信号。光纤的作用是将光信号以尽可能小的衰

2、减及畸变传输到对端。中继器的作用是延长光信号的传输距离，分为光/电/光中继器和光中继器(或称光放大器)两种。3. 查阅相关资料，简述当前光纤研究的一些最新技术。答：高速光传输技术、宽带光接入技术、节点光交换技术、智能光联网技术、光波技术。第二章全光网络的优点是什么？答：能充分利用光纤的带宽资源，故容量大，传输质量好，开放性，易于实现网络的动态结构，可扩展性，结构简单，透明性，可靠性高，可维护性好1什么是单模光纤？什么是多模光纤？答：单模光纤是指只能传输基模(HE11)，即只能传输一个最低模式的光纤，其它模式均被截止。多模光纤是指可以传输多种模式的光纤，即光纤传输的是一个模群。2光纤和光缆的区别

3、？答：光纤，即光导纤维，是一种传输光能波导全介质，通常由纤芯和包层组成，利用光在玻璃及塑料中的全反射原理而被用于光传导工具。光缆由光导纤维和塑料保护套管及塑料外皮构成，光缆是一定数量的光纤按照一定方式组成缆心，外包有护套，有的还包覆外护层，用以实现光信号传输的一种通信线路，即由光纤经过一定的工艺而形成的线缆。3光纤的导光原理是怎么样的？答：光进入光纤后由于外包层的折射率低于芯层的折射率，光在芯层中进行传播，且损耗小。其中空气的折射率为n0(n01)，纤芯的折射率为n1,包层的折射率为n2，在空气与纤芯端面形成的界面1上，入射角为0，折射角为。在纤芯和包层形成的界面2上，入射角为1，折射角为2。

4、根据光的传输原理，我们知道光波在光纤中传输会出现临界状态、全反射状态和部分光进入包层三种状态。总之，利用纤芯与包层界面折射率(n1>n2)的关系，当光线在空气与纤芯界面上的入射角小于0时，就会纤芯与包层界面上出现全反射现象，光被封闭在纤芯中以“之”字形曲线向前传输，这时的入射角称为接收角。4什么是数值孔径，其表达式是怎么样的？答：接收角最大值0的正弦与n0的乘积，称为光纤的数值孔径，用NA表示。 5在损耗谱上有三个窗口指的是什么波长？答：（1）0=0.85m短波长波段（2）0=1.31m长波长波段（3）0=1.55m长波长波段6色散的定义是什么？用什么表示？其单位是什么？答：光脉冲在通过

5、光纤传播期间，其波形在时间上发生了展宽，这种现象就称为色散。色散用色散系数来表示，单位为ps/(nm·km)。7损耗的定义是什么？用什么表示？单位是什么？答：光能在光纤中传播时，会有一部分光能被光纤内部吸收，有一部分光可能辐射到光纤的外部，从而使光能减少，进而产生损耗。损耗用光纤损耗系数表示，单位为db/km8色散和带宽的关系。答：色散将导致光脉冲在光纤中传输时的脉冲展宽，从而限制了信号的频带宽度，通信距离变短。9光纤的制造有几种方法？答：光纤的制造工艺主要有原材料的提取、预制棒的熔炼、预制棒的拉丝涂覆以及光纤成品的测试四道工序。其中，预制棒的熔炼方法很多，常见的方法有：外部汽相氧化

6、法棒外汽相沉积法(OVPO)、改进的化学气相沉积法(MCVD)、气相轴向沉积法(VPAD)、等离子体激活化学气相沉积法(PCVD)。10光缆的敷设有几种方法？分别要注意什么？答：一般光缆线路的敷设要点(1) 敷设前按路由进行复测，对局部由于外界条件变化或其它原因影响光缆敷设的地方进行适当修正。(2) 施工方法：人工或机械。(3) 光缆布放时及安装后，其曲率半径：布放时，光缆的曲率半径不小于光缆外径的20倍；安装后，光缆的曲率半径不小于光缆外径的10倍。(4) 光缆布放时及安装后，其所受张力、侧压力不超过前述光缆机械性能要求指标要求。(5) 光缆的接续：采用专用接头盒: 光缆直埋或架空光缆接续时

7、，接头盒安排在人孔内。架空光缆与直埋光缆接续时，接头盒安排吊线上。光纤接续采用熔接法，一个中继段内，同一根光纤的接头损耗的平均值0.08dB/个。1.架空光缆的敷设(1) 架空光缆在平地敷设光缆时，使用挂钩吊挂，山地或陡坡敷设光缆，使用绑扎方式敷设光缆。光缆接头应选择易于维护的直线杆位置，预留光缆用预留支架固定在电杆上。(2) 架空杆路的光缆每隔3-5档杆要求作U型伸缩弯，大约每1公里预留15米。(3) 引上架空(墙壁)光缆用镀锌钢管保护，管口用防火泥堵塞。(4) 空吊线与电力线交叉处应增加三叉保护管保护，每端伸长不得小于1米。(6) 近公路边的电杆拉线应套包发光棒，长度为2米。(7) 为防止

8、吊线感应电流伤人，每处电杆拉线要求与吊线电气连接，各拉线位应安装拉线式地线，要求吊线直接用衬环接续，在终端直接接地。2.管道光缆的敷设(1) 按设计核对光缆占用的管孔位置，并将所用管孔清刷干净。(2) 施工前对光缆进行单盘检测。(3) 光缆布放时，采用一段牵引绳与光缆中间加强件相连，并用网套和胶带与护套相固定。管道光缆、引绳与光缆中间加强件间用一个装用牵引头，不直接拉光缆外护套牵引。(4) 对于2km以上段长的光缆的布放，不能一次性从头至尾放完，把光缆盘放在地段的中间向两头牵引。(5) 施工时光缆弯曲半径大于规定的弯曲半径，光缆严禁严重弯曲导致打死扣。3.直埋光缆的敷设(2) 直埋光缆与其它建

9、筑物及地下管线的距离，满足“电信网光纤数字传输系统工程施工及验收技术规定的要求。(3) 光缆敷设在坡度大于20度，坡长大于30度的斜坡地段采用“S”形敷设。(4) 直埋光缆接头按两端进出线方式安装，接头盒上方铺水泥盖板保护。4.水底光缆的敷设(1) 河床稳定、流速较小但河面宽度大于150m的一般河流或季节性河流，采用短期抗张强度为20000N的钢丝铠装光缆。(2) 河床不太稳定，流速大于3m/s或主要通航河道等，采用短期抗张强度为40000N的钢丝铠装光缆。(3) 河床不太稳定、流速较小、河面不宽的河道(含通航)，预埋塑料子管采用直埋光缆过河。(4) 水底光缆避免在水中设置接头。(5) 特大河

10、流设置备用水底光缆，主、备用水底光缆采用连接器箱或分支接头盒进行人工倒换。连接器箱应安装在水线终端房或专用入孔内。11如何将两根光纤熔接在一起？答：(1) 开剥光缆，并将光缆固定到接续盒内。注意不要伤到束管,开剥长度取0.8m左右，用卫生纸将油膏擦拭干净,将光缆穿入接续盒,固定钢丝时一定要压紧,不能有松动。否则,有可能造成光缆打滚折断纤芯。(2) 分纤将光纤穿过热缩管。将不同束管，不同颜色的光纤分开，穿过热缩管。剥去涂覆层的光纤很脆弱，使用热缩管，可以保护光纤熔接头。(3) 打开熔接机电源，采用预置的模式进行熔接，并在使用中和使用后及时去除熔接机中的灰尘，特别是夹具，各镜面和V型槽内的粉尘和光

11、纤碎末。CATV使用的光纤有常规型单模光纤和色散位移单模光纤，工作波长也有1310nm和1550nm两种。所以，熔接前要根据系统使用的光纤和工作波长来选择合适的熔接程序。如没有特殊情况，一般都选用自动熔接程序。(4) 制作光纤端面。光纤端面制作的好坏将直接影响接续质量，所以在熔接前一定要做好合格的端面。用专用的剥线钳剥去涂覆层，再用沾酒精的清洁棉在裸纤上擦拭几次，用力要适度，然后用精密光纤切割刀切割光纤，对0.25mm(外涂层)光纤，切割长度为8mm-16mm，对0.9mm(外涂层)光纤，切割长度只能是16mm。(5) 放置光纤。将光纤放在熔接机的V形槽中，小心压上光纤压板和光纤夹具，要根据光

12、纤切割长度设置光纤在压板中的位置，关上防风罩，即可自动完成熔接，只需11秒。(6) 移出光纤用加热炉加热热缩管。打开防风罩，把光纤从熔接机上取出，再将热缩管放在裸纤中心，放到加热炉中加热。加热器可使用20mm微型热缩套管和40mm及60mm一般热缩套管，20mm热缩管需40秒，60mm热缩管为85秒。(7) 盘纤固定。将接续好的光纤盘到光纤收容盘上，在盘纤时，盘圈的半径越大，弧度越大，整个线路的损耗越小。所以一定要保持一定的半径，使激光在纤芯里传输时，避免产生一些不必要的损耗。(8)密封和挂起。野外接续盒一定要密封好，防止进水。熔接盒进水后，由于光纤及光纤熔接点长期浸泡在水中，可能会先出现部分

13、光纤衰减增加。套上不锈钢挂钩并挂在吊线上。至此，光纤熔接完成。第三章1. 光纤连接器的作用是什么？答：光纤连接器是光纤与光纤之间进行可拆卸(活动)连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小，这是光纤连接器的基本要求。在一定程度上，光纤连接器也影响了光传输系统的可靠性和各项性能。2. 目前常用的光纤连接器有哪些类型？答：光纤连接器一般有两类：即活动型光纤连接器和固定型光纤连接器。3. 光耦合器的作用是什么？答：在光纤通信系统中，光的合束和分束是经常要考虑的，光纤耦合器（OC）的出现使光信号的

14、合束和分束变得十分方便。4. 什么是波分复用技术？答：波分复用技术（WDM）是将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在接收端再用某种方法，将各个不同波长的光信号分开的通信技术。这种技术可以同时在一根光纤上传输多路信号，每一路信号都由某种特定波长的光来传送，这就是一个波长信道。 5. 简述波分复用器的工作原理。答：答：光纤波分复用器（WDM）的工作原理与OC的工作原理是一样的，只是应该注意到上述结构作为WDM使用时，、两端各输入不同波长(频率)的光信号，原方程变为我们可以通过选择合适的、使得、，从而使端口的输出功率为， 、所对应的光波长是、。从上式可以看出，波长为、的光

15、信号各自从、两端输入时，在忽略插入损耗的情况下，无衰减的耦合到端口输出；反之，波长为、的光信号从端输入时，在忽略插入损耗的情况下，波长为的光信号将无衰减的耦合到端口、波长为的光信号将无衰减的耦合到端口输出。6. 光隔离器的功能是什么？答：在光纤通信中，为了使光信号单向传输，往往需要用到光隔离器；此外，某些不连续处的反射会影响光发射机中激光器工作的稳定性，这时也需要光隔离器。因此，光隔离器的作用是使光可以单方向传输。7. 简述光隔离器的组成及各部分的作用。答：光隔离器，其由依次设置的入端光纤头、隔离体、二个自聚焦透镜及出端光纤头构成，隔离体由依次设置的位移型晶体、45°法拉第旋转片、半

16、波片及位移型晶体固连构成，二个位移型晶体的走离平面平行、走离量相同且走离方向相反。入端光纤头与第一自聚焦透镜的相向面平行，出端光纤头与第二自聚焦透镜的相向面平行，二个自聚焦透镜的光轴平行、焦距相同且相邻焦面重合，入端光纤头的内端面与出端光纤头的内端面处于物像共轭位置上。8. 光衰减器有什么作用？答：光衰减器是用于对光功率进行衰减的器件，它主要用于以下几个方面：防止接收机达到饱和(使输入光功率在接收机的动态范围)、在WDM系统中的多路复用前和掺铒光纤放大器(EDFA)前的各波长功率的平衡、光纤系统的指标测量、短距离通信系统的信号衰减以及系统试验等场合。第四章1.计算一个波长为的光子能量，分别对1

17、MHz和100MHz的无线电波做同样的计算。答：由E(ev)1.2398(m)得：时，E=1.2398/1=1.2398ev由和E(ev)1.2398(m)得：E=1.2398f/Cf=1MHz时，E=1.2398×1×1063×108 =0.00413evf=100MHz时，E=1.2398×1×108 3×108 =0.41327ev2.粒子跃迁的方式有几种？各有何特点？答：(1)受激吸收：在正常状态下，电子处于低电能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级E1留下相

18、同数目的空穴。(2)自发辐射：处于高能级E2上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自发地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。自发辐射的特点是：各个处于高能级的粒子都是自发的、独立的进行跃迁，其辐射光子的频率不相同，所以自发辐射的频率范围是很宽的。即使有些粒子在相同的能级间跃迁，频率相同，但它们发射的方向和相位也是不同的。如普通的光、灯光等就是这种光，它们由不同频率、不同方向、不同相位和不同偏振方向的光子组成，叫做非相干光。(3)受激辐射：处于高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，产生两个光子

19、，这两个光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向、运动方向都相同，称它们为全同光子。这种跃迁称为受激辐射。因受激辐射而产生的光子与激发光子相叠加，可以使入射的光得到放大。固体激光器、液体激光器、气体激光器以及半导体激光器都是利用受激辐射过程来产生激光。受激辐射是受激吸收的逆过程。3.什么是粒子数反转？什么情况下可以实现光的放大？答：通常情况下，粒子具有正常能级分布，总是低能级上的粒子数比高能级的粒子数多。所以光的受激吸收比受激辐射强，因此，光总是受到衰减。要想获得光的放大，必须使受激辐射强于受激吸收。也就是说使N2>N1，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2>

20、N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。要想得到粒子数反转分布，一般采用光激励、放电激励、化学激励等方法，给物质能量，以求把低能级的粒子激发到高能级上去，这个过程叫泵浦(很多地方也称抽运)。4.半导体激光器(LD)有哪些特性?答：（1）P-I特性：当激光器注入电流增加时，受激发射量增加，一旦超过PN结中光的吸收损耗，激光器就开始振荡，于是光输出功率急剧增大，使激光器发生振荡时的电流称为阈值电流Ith，只有当注入电流等于或大于阈值，激光器才发射激光。（2）微分量子效率：激光器输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，定义为微分子效率，即：（3）光谱特性

21、：光源谱线宽度是衡量器件发光单色性的一个物理量。激光器发射光谱的宽度取决于激发的纵模数目，对于存在若干个纵模的光谱特性可画出包络线。其谱线宽度定义为输出光功率峰值下降3dB时的半功率点对应的宽度。对于高速率系统采用的单纵模激光器，则以光功率峰值下降20dB时的功率点对应的宽度评定。（4）温度特性：半导体激光器阈值电流随温度增加而加大。尤其是工作于波长波段的InGaAsP激光器，阈值电流对温度更敏感。5.比较半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)的异同。答：区别：（1）LED是利用注入有源区的载流子自发辐射复合发光，LD是受激辐射复合发光结（2）LD有光学谐振腔，使产生的光子在腔内振荡放大，

22、LED没有谐振腔。（3）LED没有阈值特性 ,光谱密度比LD高几个数量级 , LED输出光功率小,发散角大。 相同：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型限制层中间。6.光源的调制方式有哪些？答：从光源和调制器的关系来看，可分为直接调制和间接调制两种。直接调制分为模拟调制和数字调制；间接调制分为电光效应光调制、磁光效应光调制和声光效应调制。7.为何激光二极管比发光二极管的发光功率大？答：发光二极管(LED)的工作原理与激光器(LD)有所不同，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

23、夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。发光二极管有两种类型；一类是正面发光型LED，另一类是侧面发光型LED，和正面发光型LED相比，侧面发光型LED驱动电流较大，输出光功率较小，但由于光束辐射角较小，与光纤的耦合效率较高，因而入纤光功率比正面发光型LED大。8.激光二极管作为光源进行调制的时候可能会发生哪些效应？如何降低或者消除？答：（1）电光延迟和张弛振荡现象：电光延迟要产生码型效应，用适当的“过调制”补偿方法，可以消除码型效应。当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最高调制频率应低于张弛振荡频率。（

24、2）自脉动现象：自脉动现象是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的，往往和LD的P-I曲线的非线性有关，自脉动发生的区域和P-I曲线扭折区域相对应，因此在选择激光器时应特别注意。9.光发射机主要由哪几部分组成？各组成部分的作用是什么？答：主要有光源和电路两部分。光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。电路的设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映输入电信号。直接光强调制的数字光发射机主要电路有调制电路、控制电路和线路编码电路，采用激光器作光源时，还有偏置电路。线路编码之所以必要，是因为电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，所以要变换为适合

25、于光纤传输的单极性码。10.为了保证激光器的正常工作，需要增加什么电路？其工作原理是怎样的？答：偏置电路，对激光器应施加足够的偏置电流，以便控制在较高速率调制下可能出现的张弛振荡，保证正常工作。11.在光纤数字通信系统中，选择码型时应考虑哪几个因素?答：数字光纤通信系统对线路码型的主要要求是保证传输的透明性，具体要求有：(1) 能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量，这样就可以减小基线漂移，提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，有利于提高光接收机的灵敏度。(2) 能给光接收机提供足够的定时信息。因而应尽可能减少连“1”码和连“0”码的数目，使“1”码和“0”码的分布均匀，保证定时信息丰富。(3

26、) 能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码监测和公务通信。但对高速光纤通信系统，应适当减少冗余码，以免占用过大的带宽。第五章1. 光检测器有哪些类型？各有何特点？答：光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管(APD)2. 光检测器有哪些噪声？答：信号电流和暗电流产生的散粒噪声和由负载电阻和后继放大器输入电阻产生的热噪声3. 一个GaAsPIN光电二极管平均每三个入射光子，产生一个电子-空穴对。假设所有的电子都被收集，那么(1) 计算该器件的量子效率；(2) 当在0.8波段，接收功率是10-7W时，计算平均输出光电流；(3) 计算这个光电二极管的长波长截止点(超过此波长光电二极管将不工作)。答：(1

27、) 该器件的量子效率为1/3。(2) 由得到。(3) GaAsPIN的禁带宽度Eg=1.424eV，则截止波长为4. 为什么光接收机的前置放大器多采用跨阻型?答：改善带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。5. 在数字光接收机中，设置均衡滤波电路的目的是什么?答：对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决(一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形)，以消除码间干扰，减小误码率。6. 在数字光接收机中，为什么要设置AGC电路?答：使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定，AGC和主放大器决定着光接收机的动态范围。7. 光接收机的两个主要的性

28、能指标是什么？答：误码率和灵敏度。第六章1. 对于远距离光信号传输，有什么方法可以补偿光功率的减少？答：在大容量、远距离光纤通信系统中，每隔一段距离设置一个中继器，经放大和定时再生恢复原来数字电信号，再对光源进行驱动，产生光信号送入光纤继续传输。2. 光放大器包括哪些种类？各有何特点？答：（1）掺铒光纤放大器：工作在1.55m窗口的损耗系数较1.31m窗口的低，仅0.2dB/km。噪声低、增益曲线好、放大器带宽大，与波分复用(WDM)系统兼容，泵浦效率高，工作性能稳定，技术成熟，在现代长途高速光通信系统中备受青睐。（2）掺镨光纤放大器：工作在1.31m波段，已敷设的光纤90%都工作在这一窗口，

29、对现有通信线路的升级和扩容有重要的意义。目前已经研制出低噪声、高增益的PDFA，但是，它的泵浦效率不高，工作性能不稳定，增益对温度敏感，离实用还有一段距离。（3）非线性OFA：利用光纤的非线性实现对信号光放大的一种激光放大器。当光纤中光功率密度达到一定阈值时，将产生受激拉曼散射(SRS)或受激布里渊散射(SBS)，形成对信号光的相干放大。（4）半导体激光放大器：结构大体上与激光二极管相同。如果在法布里珀罗腔两个端面镀反射率合适的介质膜就形成了F-P型LD光放大，又叫驻波型光放大；如果在两端面根本不镀介质膜或者增透膜则形成行波型光放大。半导体激光器指的是前者，而半导体光放大器指的是后者。3. 光放大器级联后，对光信号传输有何影响？如何解决？答：由于光放大器对脉冲信号没