光纤通信试卷(整理)

1、一 、填空题光接收机中,PIN光电二极管引入的主要噪声有(暗电流)噪声和(量子)噪声。光隔离器是一种只允许光沿(一个方向)通过而在(相反方向)阻挡光通过的光无源器件。光与物质的粒子体系的相互作用主要有三个过程是:(自发辐射) ,(受激吸收),(受激辐射)；产生激光的最主要过程是:(受激辐射)。光源的作用是将(电信号)变换为(光信号)。光检测器的作用是将 (光信号)转换为(电信号)。光中继器实现方式主要有(光-电-光中继器 )和(对光信号直接放大的中继器)两种。光纤传输衰减分为(材料的吸收)衰减、(光纤的散射)衰减和(辐射)衰减。光纤数字通信系统中,(误码)性能和(抖动)性能是系统传输性能的两个

2、主要指标。光纤中的传输信号由于受到光纤的(色散)和(损耗)的影响,使得信号的幅度受到衰减,波形出现失真。光与物质作用时有(输出功率与效率)、(输出光谱特性)和(响应速率与带宽)三个物理过程。光纤的主要材料是(二氧化硅),光纤的结构从里到外依次为(纤芯)、 (包层),其中(纤芯)部分是用来传导光信号的。光纤的传输特性是光纤的(损耗)特性、(色散)特性。光纤的色散分为(材料)色散、(波导)色散和(模式)色散。光纤的分类中按传输的模式来分可分为(单模)和(多模)光纤,按纤芯的折射率分布的不同来分可分为(阶跃型)和(渐变型)光纤。光纤通信中常用的三个低损耗窗口的中心波长:(0.85um ),(1.31

3、um),(1.55um),最低损耗窗口的中心波长是在(1.55um)。目前光纤通信所用光波的光波波长范围为(0.81.8um ),属于电磁波谱中的(近红外区)区。EDFA称为(掺铒光纤放大器),其实现放大的光波长范围是(1.531.56um)。光纤通信是以(光纤)为传输媒质。以(光波)为载波的通信方式。光纤通信系统的长期平均误码率定义为(传送错误的码元数占传送的总码元数的百分比),反映突发性误码,用(严重误码秒(SES)、(误码秒(ES)两个性能指标来评价。单模光纤是指在给定的工作波长上,只传输(单一基模)的光纤。单模光纤的波长色散分为(材料)色散、(波导) 色散和(光纤)色散。mBnB码又称

4、为(分组码),它是把(把输入码流中M 比特分为一组,然后变换为N比特)。PIN光电二极管,是在P型材料和N型材料之间加上一层(轻掺杂质的N型材料，I层)。WDM技术从传输方向分:有(双向结构)和(单向结构)两种基本应用形式。在热平衡条件下,一个电子占据一个能量为E的能级的概率f(E)的计算式为(f(E)=1/1+e(E-Ef)/KT)。在阶跃型光纤中,(LP01)模是最低工作模式,(LP11)是第一高阶模。在光纤通信系统中光接收机的基本功能是:(把接收来的光信号转变为原来的电信号)。在光接收机中,与光电检测器相连的放大器称为(前置放大器),它是(低噪声、髙增益)的放大器。渐变型光纤中,不同的射

5、线具有相同轴向速度的现象称为(光纤的自聚焦)现象。随着半导体激光器温度的上升,其输出功率会(降低)。发光二极管依靠(自发辐射)发光,半导体激光器依靠(受激辐射)发光。通常用的光纤绝大多数用(石英)材料制成,折射率高的中心部分叫做(纤芯),折射率稍低的外层称为(包层)。阶跃型光纤的单模传输条件是(0V2.405)。目前光纤通信的长波波长低损耗工作窗口是(波长1.31un附近)和(波长1.55附近)。工程上光接收机的灵敏度常用(光功率的相对值)表示,单位是(dBm)。表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为(数值孔径),用(NA)表示。对于半导体激光器,当外加正向电流达到某一值时,输出光功率将急剧增

6、加,这时输出的光为(激光) ,这个电流称为(阈值)电流。由于双异质结激光器在有源区两侧,既限制了(光波),又限制了(载流子),故它的光强分布基本被约束在有源区,而且(阈值)电流大大降低。根据ITU-T的建议,STM-1码速率分别=(155.520)Mb/s。二、选择题光纤单模传输条件,归一化频率V应满足(B)AV>2.405 BV<2.405 CV>3.832 DV<3.832激光是通过什么产生的？(A)A.受激辐射 B.自发辐射 C.热辐射 D.电流EDFA的泵浦光源的典型工作波长为(D)A.850 nm B.980 nm C.1310 nm D.1550 nm光隔离

7、器的工作原理是:(A)A基于法拉第旋转的非互易性 B基于多层电介质干涉膜的滤波原理C基于光栅的衍射原理 D基于圆柱形透镜的聚焦原理光隔离器的作用是(B)A.调节光信号的功率大小 B.保证光信号只能正向传输C.分离同向传输的各路光信号 D.将光纤中传输的监控信号隔离开光纤数字通信系统中不能传输HDB3码的原因是(A)?A.光源不能产生负信号光 B.将出现长连"1"或长连"0" C.编码器太复杂 D.码率冗余度太大在激光器中,光的放大是通过:(C)A 光学谐振腔来实现 B泵浦光源来实现 C粒子数反转分布的激活物质来实现 D外加直流来实现单模光纤中主要色散是(

8、)。多模光纤中主要色散是()。(A) A波长色散、模式色散 B波长色散 材料色散C材料色散、偏振模式色散 D偏振模式色散、模式色散目前光纤通信系统中广泛使用的调制检测方式是(D)A.相位调制相干检测 B.强度调制相干检测C.频率调制直接检测 D.强度调制直接检测光合波器是:(D)A将多个光波信号合成一个光波信号在一根光线中传输B将多路光信号合并成一路光信号在光纤中传输C将同波长的多个光信号合并在一起耦合到一根光纤中传输D将不同波长的多个光信号合并在一起耦合到一根光纤中传输光纤是利用光的()现象传送光信号的。(C)A、折射 B、散射 C、全反射 D、辐射光纤的纤芯折射率应()包层折射率,光纤才能

9、导光。(A)A、大于 B、小于 C、等于 D、大于等于通常,影响光接收机灵敏度的主要因素是:(B)A光纤色散 B光接收机噪声 C光纤衰减 D暗电流光纤相对折射指数差的定义为(C)A.=n1n2 B.=n2n1 C.=(n21n22)/2n21 D.=(n21n22)/n21阶跃型光纤中,某种模式截止时的归一化频率为Vc,则这种模式形成导模的传输条件为(C)A.V<Vc B.V>2.405 C.V>Vc D.V>0随着激光器温度的上升,其输出光功率会(A)A.减少 B.增大 C.保持不变 D.先逐渐增大,后逐渐减少在光纤通信系统中,EDFA以何种应用形式可以显著提高光接收

10、机的灵敏度(D)A.作前置放大器使用 B.作后置放大器使用 C.作功率放大器使用 D.作光中继器使用光接收机中,雪崩光电二极管引入的噪声为()D?A.光电检测器的暗电流噪声、雪崩管倍增噪声、光接收机的电路噪声B.量子噪声、雪崩管倍增噪声、光接收机的电路噪声C.量子噪声、光电检测器的暗电流噪声、光接收机的电路噪声D.量子噪声、光电检测器的暗电流噪声、雪崩管倍增噪声光中继器中均衡器的作用是(D)A.放大 B.消除噪声干扰 C.均衡成矩形脉冲 D.均衡成有利于判决的波形通常,影响光接收机灵敏度的主要因素是(B)A.光纤色散 B.光接收机噪声 C.光纤衰减 D.暗电流EDFA中用于降低放大器噪声的器件

11、是(C)A.光耦合器 B.波分复用器 C.光滤波器 D.光衰减器以下哪一样不是无源光器件。(C)A、光调制器 B、光纤连接器 C、LED D、光纤耦合器关于PIN和APD的偏置电压表述,正确的是(B)。A.均为正向偏置 B.均为反向偏置C.前者正偏,后者反偏 D.前者反偏,后者正偏处于高能级E2的电子,在未受外界激发的情况下,自发地跃迁到低能级E1,从而发射出一个能量为hf(=E2-E1)的光子的过程称为(A)A.自发辐射 B.受激吸收 C.受激辐射 D.非辐射复合目前在光纤通信系统中已获得广泛应用的光放大器是(B)A.半导体光放大器 B.掺铒光纤放大器 C.拉曼光纤放大器 D.布里渊光纤放大

12、器阶跃光纤中,子午线在包层和纤芯分界面上形成全反射的条件为(C)A. B.< C. D.<表示光纤色散程度的物理量是(C)A.时延 B.相位差 C.时延差 D.速度差STM-1每秒可传的帧数是(A)A.8000 B.4000 C.2000 D.1000处于高能级E2的电子,在未受外界激发的情况下,自发地跃迁到低能级E1,从而发射出一个能量为hf(=E2-E1)的光子的过程称为(A)A.自发辐射 B.受激吸收 C.受激辐射 D.非辐射复合PIN光电二极管,因无雪崩倍增作用,因此其雪崩倍增因子为。(C)A. G1 B. G1 C. G1 D. G0光纤通信系统中常用的光源主要有:(D)

13、A光检测器、光放大器、激光器B半导体激光器、光检测器、发光二极管CPIN光电二极管、激光、荧光D半导体激光器LD、半导体发光二极管STM1中信息净负荷的字节数为。(C)A. 576 B. 261 C. 2349 D. 4608光纤的连接分为(C) A固定连接和永久性连接 B固定连接和熔连接C固定连接和活动连接 D粘连接和熔连接从射线理论的观点看,在阶跃型光纤中,入射子午光线形成导波的条件是:光线在光纤端面上的入射角必须满足的条件为(B)A. arcsin B.0arcsin C. arcsin D.0arcsinEDFA的最大输出功率常用(B)来表示。A. 饱和输出功率 B. 3dB饱和输出功

14、率 C. 功率增益 D. 饱和功光发射机的消光比,一般要求小于或等于 (B)A.5 B.10 C.15 D.20EDFA中光滤波器的主要作用是(A)A.降低光放大器输出噪声 B.消除反射光的影响C.提高光放大器增益 D.使光信号再生为了使雪崩光电二极管正常工作,在其PN结上应加(D)A.高正向偏压 B.低正向偏压 C.低反向偏压 D.高反向偏压不属于无源光器件的是(B)A.光定向耦合器 B.半导体激光器 C.光纤连接器 D.光衰减器阶跃型光纤中数值孔径的计算式为(C)A. B. C. D.随着激光器使用时间的增长,其阈值电流会(C)A.逐渐减少 B.保持不变 C.逐渐增大 D.先逐渐增大,后逐

15、渐减少以下指标不是掺铒光纤放大器特性指标的是。(D)A.功率增益 B.输出饱和功率 C.噪声系数 D.倍增因子下述有关光接收机灵敏度的表述不正确的是(A)A. 光接收机灵敏度描述了光接收机的最高误码率B. 光接收机灵敏度描述了最低接收平均光功率C. 光接收机灵敏度描述了每个光脉冲中最低接收光子能量D. 光接收机灵敏度描述了每个光脉冲中最低接收平均光子数三、名词解释数值孔径:表示光纤捕捉光射线能力的物理量,用NA表示:,是光纤能捕捉的射线的最大入射角。mBnB码:又称分组码，它是把输入信码流中每m比特码分为一组,然后变换为n比特(nm)输出。瑞利散射损耗:光纤在加热制造过程中,热扰动使原子产生压

16、缩性的不均匀,造成材料密度不均匀,进一步造成折射率不均匀,这种不均匀性在冷却过程中固定下来并引起光的散射,造成瑞利散射损耗。 法拉第效应:不具有旋光性的材料在磁场作用下使通过该物质的光的偏振方向发生旋转,也称磁致旋光效应。 插入码:插入比特码是将信码流中每m比特划为一组,然后在这一组的末尾一位之后插入一个比特码输出.粒子数反转分布:在外界能量作用下,处于低能级的粒子将不断地被激发到高能级上去,从而使高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数,这种分布状态称为粒子数的反转分布。光纤色散:光信号通过光纤传播期间,波形在时间上发生展宽的现象称为光纤色散。光接收机的灵敏度:在保证一定误码率的条件下,光接收机

17、所需接收的最小光功率。光时分复用(OTDM):将多个通道的低速率数字信息以时间分割的方式插入到同一个物理信道(光纤)中,复用之后的数字信息成为高速率的数字流。抖动:所谓抖动一般指定时抖动，它是数字传输中的一种不稳定现象，即数字信号在传输过程中，脉冲在时间间隔上不再是等间隔，二是对时间变化的一种现象，这种现象就成为抖动。波分复用(WDM):是指将两种或多种各自携带有大量信息的不同波长的光载波信号，在发射端经复用器汇合，并将其耦合到同一根光纤中进行传输，在接收端通过解复用器对各种波长的光载波信号进行分离，然后由光接收机做进一步的处理，使原始信号复原。散射损耗:散射损耗通常是由于光纤材料密度的微观变

18、化，以及所含SiO2 、GeO2 和P2O5 等成分的浓度不均匀，使得光纤中出现一些折射率分布不均匀的局部区域，从而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部引起损耗。暗电流:是指在PIN规定的反向电压或者APDDE 90%击穿电压时，在无入射光情况下器件内部的反向电流。子午射线:过纤芯的轴线的平面称为子午面,在子午面的光线称为子午射线。光纤的自聚焦现象:具有不同条件的子午射线,从同一地点出发,达到相同的终端。这种现象称为光纤的自聚焦现象。分组码:分组码又称为mBnB 码。它是把输入信码流中每m 比特码分为一组，然后变换为n 比特(nm)输出。P-I曲线:P-I曲线指的是光源的总发射光功率与注

19、入电流的关系曲线。(P-I特性)量子噪声:光信息的传播是由大量的光量子传播来进行的,这些大量的光量子其相位都是随机的,因此光电检测器在某个时刻实际接收到的光子数,是在一个统计平均值附近浮动,因而产生了噪声。雪崩倍增效应:是在二极管的P-N结上加高反向电压形成的。此时在结区形成一个强电场，在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的院子发生碰撞，使带价的电子得到能量，越过禁带到导带，产生了新的电子-空穴对，如此下去，像雪崩一样的发展，从而使光电流在管子内部即获得了倍增。晶体的能带:晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分成若干组。每组中能级彼此靠的很近，组成有一定宽度的带，

20、成为能带。费米能级:费米能及不是一个可以被电子占据的实在能级，他是反应电子在各能级在建瓯那个分布情况的参量，具有能级的量纲。电光延迟:就是在电信号到来时，光信号相对于电信号的时间延迟。四、简答题简述掺铒光纤放大器(EDFA)工作原理。在掺铒光纤中，铒离子(Er3+)有三个能级：能级1代表基态，能量最低，能级2是亚稳态，处于中间能级，能级3代表激发态，能量最高，当泵浦光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态(13)。但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态(21)，

21、产生受激辐射光，因而信号光得到放大。这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果。为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态铒离子尽可能跃迁到激发态。简述半导体的光电效应。半导体材料的光电效应是指光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电子空穴对，它们总起来称作光生载流子。光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中出现光电流。从而在电阻R上有信号电压输出。这样，就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用。简述光纤通信系统对光发射机的要求：作用：光发射机的作用是把

22、电端机送来的电信号变为光信号送入光纤中传输。1 光源特性:包括发光波长、谱线宽度、P-I特性和寿命等。2 调制特性:可以采用直接调制和外调制。3 输出特性:包括光功率、稳定性、消光比。简述构成激光器的三个基本条件：(激光工作物质、激励、光学谐振腔)1 需要有合适的工作物质,具有合适的能级分布,可以产生合适波长的光辐射；2 需要可以实现工作物质粒子数反转分布的激励能源泵浦源；3 需要可以进行方向和频率选择的光学谐振腔。简述半导体激光器产生激光的机理：在有源区中高掺杂的PN结上，由于外加电压不断注入电子形成粒子反转分布，在有源区中产生受激辐射而发出激光。激光的产生需要满足三个条件：可实现粒子数反转

23、分布的增益介质，泵浦源到激发态，光学谐振腔，通过有源区两端的反射镜实现正反馈。半导体激光器也由三个部分构成,试分别加以说明。1 产生激光的工作物质，能够产生激光的工作物质,也就是处于粒子数反转分布状态的工作物质,它是产生激光的必要条件；2 能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源，使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源。物质在泵浦源的作用下,使粒子数从低能级跃迁到高能级,使得在这种情况下受激辐射大于受激吸收,从而有光的放大作用。这时的工作物质已被激活,成为激活物质或增益物质；3 有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。激活物质只能使光放大,只有把激活物置于光学谐振腔中,以提供必要的反馈

24、及对光的频率和方向进行选择,才能获得连续的光放大和激光振荡输出。简述形成光纤损耗的主要原因：(材料的吸收损耗、光纤的散射损耗、辐射损耗)1 材料的吸收损耗,包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收等,是材料本身所固有的,是一种本征吸收损耗。2 光纤的散射损耗,主要有瑞利散射损耗、波导散射损耗和散射损耗。3 辐射损耗,当理想的圆柱形光纤受到某种外力的作用时,会产生一定曲率半径的弯曲,导致能量泄漏到包层造成损耗。光纤通信的优点： 传输频带宽,通信容量大；中继距离远；抗电磁干扰能力强,无串话；光纤细,光缆轻；资源丰富,节约有色金属和能源；均衡容易；经济效益好；抗腐蚀、不怕潮湿。简述产生抖动的主要原因。由于噪

25、声引起的抖动;时钟恢复电路产生的抖动;其他原因引起的抖动。如数字系统的复接、分接过程，光缆的老化等。简述光中继器的功能和类型3R中继器：均衡放大、识别再生、再定时的功能；2R中继器：均衡放大、识别再生的功能;光中继器实现方式主要有光-电-光中继器和对光信号直接放大的中继器两种。简述线性偏振模LPmn的m、n的物理意义。它们表示相应模式的光纤截面上的分布规律，m表示沿圆周方向光场出现最大值的对数，而n表示沿半径方向光场的最大值的个数。简述STM-N主要由几部分构成,并阐述各部分的功能。由STM-N（N=1、4、16、64等）即同步传送模块，N=1时是基本分标准模块信号，其速率为155.52Mb/

26、s。简述雪崩光电二极管的雪崩倍增效应：在二极管的P-N结上加上高反向电压形成的，此时在结区形成一个强电场，在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到能量，越过禁带到导带，产生新的电子-空穴对，新产生的电子-空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子-空穴对如此下去，像雪崩一样的发展，从而使光电流在管子内部即获得了倍增。简述光电检测器的响应度和量子效率描述的是什么？二者有什么联系？响应度和量子效率都是描述这种器件光电转换能力的物理量。响应度R0 定义为:R0=IP·A/W·P0式中： IP：光电检测器的平均输出电流；P0：

27、光电检测器的平均输入功率。量子效率n定义为：n=（光生电子-空穴对数）/入射光字数。二者关系：R0=en/hf。这即是说，光电二极管的响应度和量子效率与入射光波频率有关。什么是渐变型光纤的最佳折射指数分布?写出平方律型折射指数分布光纤的折射指数表达式。从渐变型光纤的导光原理可知:只要n(r)取得合适,那么不同模式的光线就会具有相同的轴向速度。即具有不同条件的子午射线,从同一地点出发,达到相同的终端。利用渐变型光纤n随r变化的特点,可以减小模式色散。这种现象称为光纤的自聚焦现象,相应的折射指数分布称为最佳折射指数分布。折射指数选取平方律型分布形式：;式中: ;n(0)光纤轴线处(r=0)的折射率

28、;a纤芯半径。普通单模光纤的零色散波长大约为多少？色散位移光纤(DSF) 是利用什么原理制成的？普通单模光纤的材料色散系数Dm、波导色散系数Dw和总色散D随波长变化的曲线,总色散在1.31m附近为零,这个波长称为零色散波长。而在1.55m附近色散系数D=1518ps/(km·nm)。在1.55m附近的损耗最低,如果合理地设计光波导的结构就可以把零色散波长位移到1.55m附近,这样1.55m附近色散也最小,利用这种原理制成色散位移光纤(DSF)。无疑对长距离大容量的光纤通信是十分有利的。简述光接收机中噪声的主要来源：光接收机的噪声是与信息无关的随机变化量，分为:与信号光电检测器有关的噪

29、声包括量子噪声、雪崩倍增噪声、暗电流和背景噪声等；与光接收机电路有关的的噪声包括放大器噪声、负载热电阻噪声等。简述掺饵光纤放大器主要由几部分构成：掺饵光纤放大器主要由掺饵光纤、泵浦光源、光耦合器、光隔离器以及光滤波器等组成。光耦合器是将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来的无源光器件；光隔离器是保证光信号只能正向传输的器件；光滤波器的作用是滤除光放大器的噪声,降低噪声对系统的影响,提高系统的信噪比。光纤的数值孔径NAsinmax它的含义是什么？答:max是光纤纤芯所能捕捉的射线的最大入射角,意味着射入角小于max的所有射线均可以被光纤所捕捉,因此数值孔径NAsinmax表示光纤捕捉光射线的能

30、力。五、计算题用单色光照射到相距为a=0.2mm的双缝上,双缝与屏幕的垂直距离为1米。试求:(1)从第一级明纹到同侧第四级明纹的距离为7.5mm,求单色光的波长；(2)若入射光的波长为5x10-7m,求相邻两明纹间的距离。答:(1)xk=土kd'/d,k=0,1,2；x14=x4-x1=(k4-k1)d'/d；=dx14/d'(k4-k1)=500nm。(2)x=d'/d=2.5mm。用两块偏振片装成起偏器和检偏器,在它们的偏振化方向成1=30°时,观测一束单色自然光,又在2=60°时,观测另一单色自然光.设两次所得的透射光强度相等.求两束光

31、的强度之比.答:I'=Icos2,所以I1'=I1cos12,I2'=I2cos 22,I'=I1'=I2',I1cos602=I2cos302,I1/I2=3:1。弱导波阶跃光纤芯子和包层的折射指数分别为n1=1.5,n2=1.45,试计算:(1)纤芯和包层的相对折射指数差。(2)光纤的数值孔径NA。答:对于弱导波光纤:=(n1-n2)/n1=(1.5-1.45)/1.5=0.033;NA=n1(2)=1.5(2*0.033)=0.387。用平行单色可见光垂直照射到宽度为a=0.5mm的单缝上,在缝后放置一个焦距f=100cm的透镜,则在焦平面的屏幕上形成衍射条纹。若在屏上离中央明纹中心距离为1.5mm处的p点为一亮纹,试求:(1)入射光的波长(2)p点条纹的级数、该条纹对应的衍射角和狭缝波面可分成的半波带数目。(3)中央明纹的宽度。答:(1)asinQ=(2k+1)入/2，当Q较小时sinQ=x/f，入=2ax/f(2k+1)=1500/(2k+1)nm,当k=1时，入=500nm，当k=2时，入=300nm，因为k越大得到的波长越小，当k>=2时求出的