光纤通信系统第三版

1、光纤通信作业（2016.1.30 ）1.1光纤通信有哪些特点？1、光纤通信的优点：（1）传输容量大。（2）传输损耗小， 中继距离长。（3）信号泄漏小, 保密性好。（4）节省有色金属。（5）抗电磁干扰性能好。（6）重量 轻，可挠性好，敷设方便。2、光纤通信的缺点：（1）抗拉强度低。（2）连接困难。（3）怕水。1.2简述光纤通信系统的主要组成部分。光纤通信系统的主要组成部分为：（1）光纤光缆、（2）光源（光发送机）、（3 ）光检测器（光接收机） 、（4 ）无源 器件、（5）光放大器（光中继器）。1.4为什么使用石英光纤的光纤通信系统中，工作波长只能 选择 850nm、1310nm、1550nm 三

2、种？由于目前使用的光纤均为石英光纤，而石英光纤的损耗波长特性中有三个低损耗的波长区，即波长为850nm、1310nm、1550nm三个低损耗区。为此，光纤通信系统的工作波长只能是选择在这三个波长窗口。损耗系数对通信有什么影响?(2 )散收困难。2.2在一个光纤通信系统中，经过5km长的光纤线路传输后，光纤的损耗系数为多少？光源波长为 1550nm，光波其光功率下降了25%，则该2.3光脉冲在光纤中传输时，为什么会产生瑞利散射？瑞利散射损耗的大小与什么有关？瑞利散射是由于光纤内部的密度不远匀引起的，从而使 折射率沿纵向产生不均匀，其不均匀点的尺寸比光波波长还 要小。光在光纤中传输时，遇到这些比波

3、长小，带有随机起 伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生了散射。2、瑞利散射损耗的大小与成正比。2.4光纤中产生色散的原因是什么？色散对通信有什么影响？1、光纤的色散是由于光纤中所传输的光信号不同的频 率成分和不同模式成分的群速度不同而引起的传输信号畸 变的一种物理现象。2、 色散会导致传输光脉冲的展宽，继而引起码间干扰, 增加误码。对于高速率长距离光纤通信系统而言，色散是限制系统性能的主要因素之一。2.5光纤中色散有几种？单模传输光纤中主要是什么色散？多模传输光纤中主要存在什么色散？1、从产生机理而言，光纤中的色散主要包括：（1 ）材料色散、（2）波导色散和（3）模式间色散。2、单模光纤中主

4、要是波导色散。3、多模光纤中主要是模式间色散。注：偏振模色散可以理解为是：特殊的模式色散，但在速率较低的系统中影响较小。2.8何谓模式截止？光纤单模传输的条件是什么？单模么矢量模?光纤中传输的是什么模式？其截止波长为多大？阶跃折射 率光纤中线性极化模LP11模对应的是什1、对每一个传播模来说，在包层中它应该是衰减或很大，不能传输。如果一个传播模，在包层中不衰减，也就是表明该模是传过包层而变成了辐射模，则就认k为该传播模被截止。所以一个传播模在包层中的衰减常数时，表示导模截止。单模光纤传输条件：归一化频率V2.405单模光纤中传输的是 LPO1模，p矢量模是HE11模。截止波长由下式计算：11模

5、对应的矢量模是:LPTE , TM010-HE213.1比较半导体激光器（ LD）和发光二极管（LED ）的异 同。LD有哪些特性？ LED有哪些特性？1、（ 1）、相同点：LD和LED都可以用作通信光源。（2）、不同点：LD原理是受激辐射，而LED是自发辐射。2、 LD有以下特性：LD是阈值器件，需要较完善的驱动和 外围的电路，其发出的光谱线窄，适宜于高速率系统。3、LED有以下特性：LED没有阈值，结构简单，但其谱线 较宽，适用于要求较低的场合。3.2为什么LD要工作在正向偏置状态？何谓激光器的阈值电流？激光器的阈值电流与激光器的使用温度、使用时间有 什么关系?1、 LD加正向偏置电压用以

6、克服PN结中自建场的影响, 从而降低势垒，以形成粒子数反转分布。2、激光器阈值电流是指：满足克服谐振腔内损耗而产生激光的最小的外加激励电流。3、激光器的阈值电流与温度和使用时间成正比关系。3.4已知半导体材料GaAs （镓砷）的禁带宽度 Eg=1.43ev ,InGaAsP （铟镓砷磷）的Eg=096ev，分别求由这两种材料组成的半导体激光器的发射波长（普朗克常数h=6.626 X10-34J 1$34530637x121、（ 1）镓砷GaAs组成的半导体激光器的发射频率为:（2八发射波长为：“厂 0.34530637 册（|/$）&68793703X10%)就 86肠)2、（ 1 ）

7、铟镓砷磷InGaAsP组成的半导体激光器的发射频率为:4626x10x 1.6x10 j)20.2318l407xl0lj(l/231.ta)3.6在光纤通信系统中对LD驱动电路和偏置电路有什么要求？在LD驱动电路中为什么一定要加偏置电流？偏置电流 应加多大才合适？若偏置电流加得过大或过小，对LD的调制特性会产生什么影响？1、对LD驱动电路和偏置电路的要求是：（1 ）输出的光脉冲峰值保持恒定。（2）光脉冲的通断比应 >>10。（3）激光发射的时间必须远短于码无时间。（4）采用阻尼电路以避免张弛振荡。2、 因为半导体激光器（LD）是阈值器件，只有外加驱 动电流超过阈值后，才能发出激光

8、，为使得较小的数据电流亦可产生足够的光输出，因此，需要加偏置电流。3、偏置电流的选取原则是略小于阈值电流。4、（ 1 ）偏置电流太小了，需要较大的数据电流才能满足阈值条件。（2 ）偏置电流太大了，会引起消光比性能下降，同时，较高的电流也会产生较大的热量，以及寿命的缩短。3.7某数字光纤通信系统，在实际使用中，发现半导体激 光器（LD ）的输出光功率慢慢下降，试分析其原因并提出解 决办法。1、 激光器的阈值电流会随温度升高及老化（使用时间长） 而提高，阈值电流增加以后，输出光功率就会下降。所以输出光功率慢慢下降，原因可能是：（1）温度升高,（2）使用时间长（老化） 。2、（ 1）如果是温度升高引

9、起输出光功率慢慢下降，可以使用自动温度控制电路（ATC）致冷来解决。（2）如果是使用时间长（老化）引起输出光功率慢慢下降，可以使用自动功率控制电路（ APC ）增加偏置电流来解 决。3.9在数字光纤通信系统中，选择线路码型时，要考虑哪几个因素？字变换码（mBnB码）和插入码（Mb1H码）各有什 么特点？采用mBnB码或Mb1H码时，线路码速将比原来的信号 码速提高多少？某数字光纤通信系统中，信息码速为139.264Mbit/s，若采用5B6B码其线路码速为多少？若采用4B1H线路码速又为多少？1、线路码型选取的基本原则包括：1） 应有足够的定时含量，即应尽量减少连“0”和连 “ 1 ”数，便于

10、时钟提取。2）应有不中断业务，进行误码检测的能力。3）应力求降低线路传输的码率，或线路传输码率的提咼应尽可能少。4）应具有较好的抗干扰性能，满足一定接收机性能所需检测的光功率最小。5）应具有尽可能简单和经济的变换方案。6）传输中发生误码时，误码扩散范围和误码增值低。常用的线路码型包括：（1）扰码、（2）字变换码和 （3）插入码三种类型。2、（ 1）字变换码（mBnB码）的特点：将输入二进制码分解成一个“码字”，输出用对应的另一种“码字”来代替。常用字变换码为mBnB码，即将输入码流每m比特为一组，然后变换成另一种排列规则的n比特为一组的码流。字变换码中的n、m均为正整数，且 n > m。

11、（2）插入码（mB1H码）的特点：把输入原始码流分成每m比特（mB） 组，然后在每组 mB码末尾按一定的规律插入一个码， 组成m+1个码为一组的线路码流。根据插入码的规律，可以分为：mB1C码mB1H码mB1P码等。（3）除扰码外，字变换码和插入码都会提高线路传输速率。3、（ 1）米用mBnB码时，线路码速将比原来的信号 码速提高n/m倍。（2）米用mB1H码时，线路码速将比原来的信号码速 提高（m+1 ） /m倍。4、 （ 1）采用 5B6B码时，线路码速为：139.264 X6/5=167.1168 Mbit/s 。（2）采用4B1H码时，线路码速为：139.264 X（4+1）/4=17

12、4.08 Mbit/s 。4.1光纤通信系统对光检测器有什么要求？比较PIN和APD各自的特点。1、 光纤通信系统对光检测器的主要要求包括：（1 ）灵 敏度高。（2）响应速度快。（3）噪声小。（4）稳定可靠。2、（ 1）PIN的特点：增大了耗尽区的宽度，减小了扩 散运动的影响，提高了响应速度。绝大部分的入射光在本征层内（I层内）被吸收（受激吸收），并产生大量的电子一空穴对。PIN用于短距离小容量光纤通信系统。PIN没有增益，用在灵敏度要求不高的场合。（2）APD的特点：电子一空穴对多次碰撞产生雪崩光倍增效应。APD是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏 度要求较高的场合，用APD有利于延长系统的

13、传输距离。APD用于长距离大容量光纤通信系统。4.2.光敏二极管为什么必须工作在反向偏压状态？1、在扩散区内，因为光生载流子的扩散速度比耗尽区 内光生载流子的漂移速度慢得多，这部分光生载流子的扩散 运动的时延，将使检测器输出电流脉冲后沿的拖尾加长，这 影响了光敏二极管的响应时间，就限制了光电转换速度。2、在反向偏压情况下，增加了耗尽区的宽度，缩小了 耗尽区两侧扩散区的宽度，从而减小了光生电流中的扩散分 量，反向偏压也增强了耗尽区内的电场，加快了光生载流子 的漂移速度，有利于加快光敏二极管的响应时间。4.4何谓暗电流？暗电流是怎么产生的？暗电流的存在 对信号的接收会产生什么影响？1、处于反向偏压

14、下的半导体光电二极管， 在无光照时, 仍有电流流过，这部分电流称为暗电流。2、暗电流是由载流子的热扩散形成的，或者是由器件 表面和内部的缺陷以及有害的杂质引起的。暗电流的大小由 半导体材料及掺杂浓度决定。3、暗电流与光源无信号时的残留光一样，在接收机中 产生噪声。暗电流的存在限制了光敏二极管所能检测的最小 光功率，也就是降低了接收机的灵敏度。4.5试述雪崩光敏二极管（APD ）的工作原理。 何谓“雪崩效应”？ APD电流增益系数 G与什么有关？1、处于反向偏置的耗尽层光电二极管，当外加的反向偏压不断增加时，耗尽层内产生的光生载流子在强电场作用 下得到加速，获得很大的功能。高能的截流子与半导体晶

15、体内的原子相碰撞，将束缚在价带中的电子激发到民带，从而在耗尽层内产生新的电子一 空穴对，这种现象称为碰撞电离。碰撞电离的第二代载流子在耗尽层的强电场的加速下， 再次引起碰撞电离而产生第三代载流子。2、碰撞电离的反复循环使耗尽层内的载流子数雪崩似 的急剧增加，通过二极管的电流也就猛增，这就是雪崩倍增 效应。3、雪崩光电二极管（ APD ）就是利用雪崩倍增效应实现 内部电流增益的半导体光电转换器件。4、 APD的电流增益系数G 一般在40100之间，其变 化规律与外加的偏压有关。5.1光纤连接器应用在什么地方？影响光纤连接器损耗的因素有哪些？1、光纤连接器是使一根光纤与另一根光纤之间完成活 动连接

16、的器件，主要用于光源器件尾纤输出或光电检测器尾 纤输入与传输光纤之间的连接。2、 光纤连接时，引起的损耗与多种因素有关，诸如：（1）光纤的结构参数（如纤芯直径、数值孔径等）、（2）光纤的相对位置（如横向位移、纵向间隙等）以及（3 ）端面状态（如形状、平行度）等叙述FC型光纤活动连接器5.2光纤连接器有哪些种类, 的原理。1、光行连接器的种类有：（1）FC型光纤连接器；（2）SC型光纤连接器；（3）ST型光纤连接器；（4）双锥型连接器；（5）DIN光纤连接器;（6）MT-RJ型连接器；（7）LC型连接器；（8）MU型连接器。2、FC型光纤活动连接器的原理：其外部加强方式采用金属套，紧固方式为螺丝

17、扣。采用的陶瓷插针的对接端面是平面接触方式。后来，对该类型连接器做了改进，采用对接端面呈球形的插针（SPC），而外部结构没有改变5.4怎么定义光纤耦合器的插入损耗，附加损耗、耦合比和串扰?1、插入损耗Li :是指一个指定输入端口（1或2 ）的输入光功率Pi和一个指定的输出端口（ 3或4）的输出功率Po的2）的输入光功率Po总和比值，用分贝（dB）表示2、附加损耗Le :是指全部输入端口的比值，用分贝（dB）表示Pi总和与全部输出端口（ 33、耦合比CR :是指某一个输出端口（ 3或4）的输出光功 率Po与全部输出端口（ 3或4）的输出光功率Po总和的 的比值，用分贝（dB）表示4、串扰LC :

18、是指一个输入端口（1）的输入光功率Pi与由耦合器泄漏到其他输入端口值，用分贝（dB）表示2 ）的光功率Pr总和的的比W5.5光衰减器有几种，各有什么作用？1、光衰减器是一种用来降低（改变）光功率的器件， 可分为：（1）可变光衰减器和（2 ）固定光衰减器。2、（ 1）可变光衰减器主要用于调节光线路电平，在测 量光接收机灵敏度时，需要用可变光衰减器进行连续调节来 观察接收机的误码率。在校正光功率计时，也需要光可变衰 减器。（2）固定光衰减器主要用于调整光纤通信线路电平， 若光纤通信线路的电平太高，就需要串入固定光衰减器。6.1光放大器主要有几种？各自的实现机理是怎样的？1、 光放大器主要有： 1）

19、、半导体激光放大器， 2）掺杂 稀土元素光放大地对空，3）光纤布里渊放大器（ FBA），4） 光纤拉曼放大器（FRA ）。2、各自实现机理是：1 ）半导体激光放大器：利用受激辐射对进入增益介质 的光信号进行直接放大，其结构相当于一个处于高增益状态 下的无谐振腔的半导体激光器。2 ）掺杂稀土元素光放大器：掺杂稀土元素光放大器主要是：（1）掺铒光纤放大器（EDFA ）和（2）掺镨光纤放大器（PDFA ）。掺铒光纤放大器能放大光信号的机理：在于铒 离子能吸收泵浦光的能量，实现粒子数反转，当信号光通过 已被激活的掺铒光纤时，亚稳态上的粒子以受激辐射的方式 跃迁到基态。对应于每一次跃迁，都将产生一个与激

20、发该跃 迁的光子完全一样的光子，从而实现了信号光在掺铒光纤的 传播过程中不断放大。3）光纤布里渊放大器（ FBA）:受激布里渊散射是光纤 内的一种非线性现象，起源于光纤的三阶电极化率，其光增 益是由泵浦光的受激布里渊散射产生的。受激布里渊效应导 致一部分泵浦光功率转移给信号光，使信号光得到放大。4） 光纤拉曼放大器（FRA）:可采用同向、反向或双向 泵浦。目前，FRA主要用做分布式放大器，辅助掺铒光纤放大器（EDFA ）进行信号放大。但FRA也可单独使用，放大EDFA不能放大的波段。6.3掺铒光纤放大器 （EDFA ）在应用上有哪几种形式，对性能参数的要求有何异同？1、 掺铒光纤放大器（EDF

21、A ）的具体应用形式有三种：（1 ）线路放大（LA ）、（ 2 ）功率放大（BA ）、（ 3 ）前 置放大（PA ）。2、EDFA的主要性能参数包括：增益、噪声系数等。（1）线路放大（LA）:要求增益要高。（2）功率放大（BA）:要求增益要高。（3）前置放大（PA）:要求增系和噪声系数更高。6.6光纤拉曼放大器（FRA）与掺铒光纤放大器（ EDFA ）相比，优缺点分别有哪些？1、拉曼放大器（FRA ）的优缺点：1）FRA的优点：（1 ）带宽较宽。（2 ）设计简单。（3）低 噪声。（4）可以通过灵活排列泵浦光的频率来对信号进行放大。2）FRA的缺点：其主要缺点就是对合适波长的高功率泵 浦源要求较

22、高。2、掺铒光纤放大器（EDFA ）的优缺点:1） EDFA的优点：（1）工作波长处于1.531.56卩m范围,与光纤最小损耗波长窗口一致。（2）对掺铒光纤进行激励所需要的泵浦光功率较低，仅需数十毫瓦。（3）增益高、噪声低、输出功率高。（4）连接损耗低。（5） EDFA已经成为高速 大容量光纤通信系统中不可缺少的部分。2） EDFA固有的缺点：（1 ）波长固定，只能放大 1.55卩m 左右的光波，换用其他基质的光纤时，铒离子能级也只能发 生很小的变化， 可调节的波长有限，只能换用其他元素。（2）增益带宽不平坦，在波分复用（ WDM ）系统中，需要采用特 殊的手段来进行增益谱补偿。7.2说明同步

23、数字体系（ SDH ）复用结构中，容器（C）、虚容器（VC）和管理单元（ AU）的主要功能。1、容器（C）:是一种用来装载各种速率的业务信号的信息结构。针对准同步数字体系（PDH ）速率系列，国际电联电信标准化部门（ITU-T ）建议 G 707规定了 C-11、C-12、C-2、C-3和C-4五种标准容器2、虚容器（VC）:是用来支持同步数字体系（ SDH ）的通道层连接的信息结构，也是SDH通道的信息终端。 其信息由容器（C）的输出和通道开销（POH ）组成，即 VC-n =C-n+VC-nPOH 。3、管理单元（AU ）:是提供高阶通道层和复用层之间适配的信息结构。有AU-3和AU-4两种管理单元。其信息AU-n由一个相应的高阶VC-n和相应的管理单元指针AU-nPTR组成， 即：AU-n = VC-n+AU-nPTR （ n=3 或 4 ）。一个或多个管理单元（AU ）的集合称为管理单元组（AUG）7.3计