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文檔簡(jiǎn)介

1、羅老師劃得十道題: 8、光纖的色散有幾種?與什么有關(guān)? 16、 簡(jiǎn)述 LED 的工作原理。 18、 LD 的工作原理。 26、 PIN 光電二極管的工作原理。 27、 APD 的工作原理。 33、設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)時(shí)要考慮哪些參數(shù)? 41、 SOA 的工作原理 42、 EDFA 的工作原理 45、光纖通信系統(tǒng)為什么需要進(jìn)行色散管理(補(bǔ)償)? 46、有哪些技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償? 65、解釋 Gordon-Haus 抖動(dòng)的起源。 光濾波器和調(diào)制器是如何減小這種定時(shí)抖動(dòng)的? 70、利用 LiNbO3 電光晶體如何實(shí)現(xiàn) ASK,PSK,FSK 調(diào)制? 可能出的另外兩道題: 1、光纖通信系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

2、及其發(fā)展歷程。 2、光纖通信的優(yōu)點(diǎn)? 14、在光纖通信系統(tǒng)中, 常見(jiàn)下列符號(hào), 請(qǐng)指出其名稱(chēng)。 G652,G653,G654 ,G655。 51、什么是 WDM ? 53、什么是 OTDM? 67、相干光通信系統(tǒng)與非相干光通信系統(tǒng)的區(qū)別? 答案: 8、光纖的色散有幾種?與什么有關(guān)? (1)模式色散。 模式色散存在于多模光纖中, 是因不同模式的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生 的,它取決于光纖的折射率分布, 并和光纖材料折射率的波長(zhǎng)特性有關(guān)。 (2)材料色散。材料色散是由于光纖纖芯的折射率隨傳輸?shù)墓獠úㄩL(zhǎng)變化而造成的。 實(shí)際光源不是純單色光,由于光纖纖芯對(duì)不同的光波長(zhǎng)有不同的折射率,因而有不 同的傳播速度,這

3、樣就造成了光脈沖展寬現(xiàn)象,稱(chēng)為材料色散。 (3)波導(dǎo)色散。 波導(dǎo)色散是由光纖的幾何結(jié)構(gòu)決定的色散,它取決于波導(dǎo)尺寸和纖 芯與包層的相對(duì)折射率差。 16、 簡(jiǎn)述 LED 的工作原理。 半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED )因自發(fā)輻射而發(fā)光,也即當(dāng)原子處于高能級(jí)E2時(shí),不靠 外界作用自發(fā)地返回到低能級(jí) E1 時(shí),會(huì)發(fā)射出光子的過(guò)程。 發(fā)射的光子頻率、 相位、 偏振狀態(tài)及傳播方向是無(wú)規(guī)律的, 輸出具有較寬頻率范圍的非相干光。 18、 LD 的工作原理。 半導(dǎo)體激光器( LD )因受激發(fā)射而發(fā)光,也即當(dāng)原子處于高能級(jí) E2 時(shí),若受到能 量為hfi2 E2 E1的外來(lái)光子照射而躍遷到低能級(jí)E1時(shí),會(huì)發(fā)射出光子的

4、過(guò)程。 發(fā)射的光子是與外來(lái)光子同頻、同相、同偏振、同方向的相干光。 26、pin光電二極管的工作原理。 當(dāng)PIN結(jié)加上負(fù)偏壓后,入射光主要在耗盡層內(nèi)被吸收并產(chǎn)生電子空穴對(duì),在耗盡 層反電場(chǎng)作用下,電子以極快的速度向N區(qū)漂移,空穴以極快的速度向 P區(qū)漂移, 形成了漂移電流。電子和空穴載流子通過(guò)兩邊的P層和N層區(qū)內(nèi)時(shí),因沒(méi)有電場(chǎng)作 用,故以較慢的速度做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),但由于P層和N層都很薄,所以總的來(lái)說(shuō),載流 子通過(guò)PIN結(jié)的時(shí)間很短,因而提高了它的響應(yīng)速度,可以檢波出高調(diào)制頻率的光 信號(hào)。由于PIN光電二極管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可在20v左右的低電壓下工作等優(yōu)點(diǎn), 所以被廣泛地應(yīng)用于光接收機(jī)靈敏度要求不太高

5、的中、短距離的光纖通信系統(tǒng)中。 27、APD的工作原理。 入射光功率產(chǎn)生的電子空穴對(duì)經(jīng)過(guò)高場(chǎng)區(qū)時(shí)不斷被加速而獲得很高的能量,這些高 能量的電子或空穴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與價(jià)帶中的束縛電子碰撞,使晶格中的原子電離, 產(chǎn)生新的電子空穴對(duì), 稱(chēng)為二次電子空穴對(duì)。 二次電子空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)中又被加速, 再次碰撞,又激發(fā)出新的電子空穴對(duì)。如此多次碰撞,產(chǎn)生連鎖反應(yīng),從而使光電 流雪崩式倍增,由于雪崩光電二極管是一個(gè)高靈敏度的光電檢測(cè)器,它的響應(yīng)度高, 且器件的體積小,工作電壓不太高(約為100v左右),所以常常被用于長(zhǎng)距離的光 纖通信系統(tǒng)中。 33.光通信系統(tǒng)需要考慮哪些參數(shù)?并畫(huà)圖加以說(shuō)明。 位移光纖 下面按照

6、光通信系統(tǒng)各部分進(jìn)行討論 1. 一般光源有兩種選擇,分別是半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管 其主要參數(shù)是光源的工作波長(zhǎng),發(fā)送功率和光譜特性。 半導(dǎo)體激光器 LD 和發(fā)光二極管 LED 的發(fā)光波長(zhǎng)與光通信系統(tǒng)信道 ( 0.8um,1.3um,1.55um )適配而用作光源。 LED 常用于低速,短距離光波系 統(tǒng)中。 LED 發(fā)光是非相干光,具有較寬的譜寬。而高速,長(zhǎng)距離光波系統(tǒng)使 用LD做光源,因?yàn)長(zhǎng)D的發(fā)送功率比LED大得多,是受激輻射產(chǎn)生的相干光 源,線寬很窄。而且其調(diào)制能力更強(qiáng)。光發(fā)送機(jī)另一個(gè)重要參數(shù)是光源的光 譜特性。最大均方根寬度用以衡量光脈沖在頻域的集中程度,相對(duì)于單縱模 激光器而言,多縱模

7、激光器和 LED頻域能量比較分散。而單縱模激光器主要 能量集中在主模上,因此其半高全寬很窄。并且要獲得較好的單縱模激光, 需控制其最小邊模抑制比,使幾乎所有能量集中在主模上。 按照光源的調(diào)制方式可分兩種,內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制方式。外調(diào)制比內(nèi)調(diào)制速率 快得多,使用馬赫-曾德LiNbO3光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的調(diào)制器,調(diào)制速率可達(dá) 20GHz 2. 光纖可分為單模,多模光纖。其主要參數(shù)是損耗和色散。損耗直接影響通信 距離,色散會(huì)使得脈沖展寬,碼間串?dāng)_,降低通信距離和容量。應(yīng)根據(jù)具體 系統(tǒng)要求選擇不同種類(lèi)光纖。比如 G.652 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖,其零色散波長(zhǎng)為 1.3um,對(duì)于 1.55um 的波長(zhǎng)色散為 17-20ps

8、/(nm*km)。損耗約為 0.35dB/km。 由于實(shí)際光纖結(jié)構(gòu)并非完全對(duì)稱(chēng),會(huì)導(dǎo)致雙折射,引起偏振色散。當(dāng)入纖功 率很大時(shí),會(huì)引起光纖的非線性效應(yīng),導(dǎo)致折射率改變,自相位調(diào)制,受激 非彈性散射,四波混頻和參量過(guò)程。 3. 放大器包含光電光放大器和光放大器兩種。光電光放大器需要光電轉(zhuǎn)換,電 放大,再次產(chǎn)生光信號(hào),結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。而對(duì)于光放大器可以直接在線放大。 光放大器包含光纖拉曼,布里淵,參量和摻雜放大器。其主要參數(shù)包含光增 益,噪聲,頻帶寬度和輸出功率?,F(xiàn)在的光通信系統(tǒng)一般使用摻雜的光纖放 大器。如EDFA小信號(hào)增益大于40dB,輸出功率大于500mW增益帶寬為幾十納 米,并且增益和偏振態(tài)無(wú)

9、關(guān),噪聲低,泵浦效率高,可工作于C波段和L波 段。所以適合在線放大,提高光通信系統(tǒng)的中繼能力。摻鉺的光纖放大器工 作在1.55um處,摻錯(cuò)的光纖放大器工作在1.3um處。一般光放大器存在最佳 長(zhǎng)度,超過(guò)此長(zhǎng)度增益會(huì)下降,所以一般光放大器長(zhǎng)度在幾十米以?xún)?nèi)。放大 器之間間距一般為100k m左右,可以保證光信號(hào)不會(huì)因?yàn)閾p耗等原因而逐漸 惡化。 4. 色散管理系統(tǒng)一般使用色散補(bǔ)償和色散位移光纖。如色散位移光纖(DSF) G.653,零色散波長(zhǎng)為1.55um。對(duì)于色散補(bǔ)償光纖(DCF,在1.55um處色散 參數(shù)為-70到-200ps/(nm*km)。所以?xún)H使用幾公里長(zhǎng)的色散補(bǔ)償光纖就可抵 消長(zhǎng)途傳輸中

10、的色散。 5. 光電檢測(cè)器又稱(chēng)為光接收機(jī),主要是指PN光電二極管,PIN光電二極管,APD 雪崩光電二極管。其主要參數(shù)是接收機(jī)的探測(cè)波長(zhǎng),靈敏度,工作偏壓,噪 聲特性和信噪比。對(duì)于光接收機(jī)的響應(yīng)波長(zhǎng)要與光通信系統(tǒng)波長(zhǎng)匹配。對(duì)于 InGaAs材料制作的光接受機(jī)可工作于 1.3和1.55um的信道波長(zhǎng)處。APD的靈 敏度比PIN管更高,可用于探測(cè)很弱的光信號(hào)。但 APD工作時(shí)需加高壓。一 般而言APD具有高效率,高增益,寬帶寬和低噪聲的優(yōu)點(diǎn),所以可用于高速 光通信系統(tǒng)中作為光接收機(jī)。 41、SOA的工作原理 半導(dǎo)體及光放大器的放大特性主要決定于激光槍的反射特性與有源層的介質(zhì)特性。如圖: 圖乞4半導(dǎo)

11、體激光放大器分析模型圖 (a) FP腔;(b)增益特性。 LD兩端面構(gòu)成FP諧振腔,入射光從LD左端面進(jìn)入,通過(guò)具有增益的有源層, 到達(dá)右端面 后,部分從端面出射,部分從端面反射,再次通過(guò)有源層,然后反向通過(guò)有源層至左端面, 部分光從左端面出射,其余光從左端面反射,再次通過(guò)有源層,如此反復(fù),光得到放大。 42、EDFA的工作原理 EDFA采用摻鉺離子單模光纖作為增益介質(zhì),在泵浦光激發(fā)下產(chǎn)生粒子反轉(zhuǎn),在信號(hào)光誘導(dǎo) 下實(shí)現(xiàn)受激輻射放大,結(jié)構(gòu)如圖: 泵浦光有半導(dǎo)體激光器 LD提供,與被放大信號(hào)光一起通過(guò)光耦合器或波分復(fù)用耦合器注入 摻鉺光纖EDF。光隔離器用于反饋光信號(hào),提高穩(wěn)定性。光濾波器用于濾除

12、放大過(guò)程中產(chǎn) 生的噪聲。為提高 EDFA輸出功率,泵浦激光也可從 EDF末端(放大器輸出端)注入,或 輸入輸出端同時(shí)注入, 如圖a、b、c。稱(chēng)為前向泵,后向泵,雙向泵摻鉺光纖放大器。 45、光纖通信系統(tǒng)為什么需要進(jìn)行色散管理(補(bǔ)償)? 普通單模光纖在1.55卩m波長(zhǎng)附近色散很大;在使用多個(gè)頻率的光信號(hào)傳輸?shù)?波分復(fù)用系統(tǒng)中, 采用色散位移光纖工作在零色散波長(zhǎng)的方法并不現(xiàn)實(shí)。 光纖通信系統(tǒng)需要利用現(xiàn)存的在 20 世紀(jì) 80 年代建成的光纜網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)包含 超過(guò)5千萬(wàn)公里,最小色散波長(zhǎng)在1.3卩m附近的普通單模光纖。對(duì)1.55卩m的光纖 通信系統(tǒng),即使采用DFB光發(fā)射機(jī),傳輸距離由L(16| 3

13、2|B2)-1給出:根據(jù)典型值 3 2=-20ps2/km,傳輸速率B=10Gb/s,該色散受限系統(tǒng)的傳輸距離L將小于30km=因 此必須采取合適的技術(shù)來(lái)補(bǔ)償或管理色散。 46、有哪些技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償? 色散管理技術(shù)可以在發(fā)射機(jī),接收機(jī),或在光纖鏈路上實(shí)施。 在發(fā)射機(jī)端實(shí)施的是預(yù)啁啾技術(shù),對(duì)DFB激光器的頻率調(diào)制(FM ),幅度調(diào)制(AM ), 和兩者同時(shí)調(diào)制。非線性預(yù)啁啾技術(shù),半導(dǎo)體光放大器(SOA)工作在增益飽和區(qū),可以壓 縮脈寬;利用自相位調(diào)制(SPM)進(jìn)行預(yù)啁啾。 在接收機(jī)端實(shí)施的是后補(bǔ)償技術(shù), 使用外差式接收機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成微波格式, 再用微 波帶通濾波器消除 GVD 色散。 在光

14、纖鏈路中的色散管理,有以下幾種: 使用色散補(bǔ)償光纖, 或一種 Two-Mode DCFs (雙模色散補(bǔ)償光纖) ? 使用光學(xué)濾波器: F-P 干涉儀, M-Z 干涉儀, 啁啾光纖布拉格光柵, chirped mode couplers (啁啾模式耦合器)? 利用四波混頻產(chǎn)生的光學(xué)相位共軛進(jìn)行色散補(bǔ)償。 兩個(gè)問(wèn)號(hào)表示有疑問(wèn),在 ppt 里有提到,但沒(méi)印象,不知道要不要加上去,括號(hào)內(nèi)的中 文翻譯不知道對(duì)不對(duì)。 65、解釋 Gordon-Haus 抖動(dòng)的起源。光濾波器和調(diào)制器是如何減小這種定時(shí)抖動(dòng) 的? (1)摻鉺光纖放大器 ( EDFA) 的放大自發(fā)輻射 ( ASE) 噪聲將干擾類(lèi)明孤子穩(wěn)定傳輸

15、, 導(dǎo)致類(lèi) 明孤子脈沖到達(dá)檢測(cè)窗口時(shí)產(chǎn)生時(shí)間抖動(dòng)。 (2)在孤子傳輸線上,周期性地提取時(shí)鐘脈沖,控制接入線路的電光幅度調(diào)制器,對(duì)通過(guò)調(diào) 制器的孤子脈沖進(jìn)行整形和定時(shí), 實(shí)現(xiàn)抑制孤子到達(dá)時(shí)間抖動(dòng)的目的。 這是一種時(shí)域控制技 術(shù),不僅能克服 Gordon-Haus 效應(yīng)影響,對(duì)抑制相鄰孤子的相互作用亦十分有效。 70、什么是 ASK,PSK,FSK , DPSK ,利用 LiNbO3 電光晶體如何實(shí)現(xiàn) ASK,PSK,FSK 調(diào)制? (1) ASK : Amplitude-Shift Keying 幅移鍵控。 如果基帶數(shù)字信號(hào)只用來(lái)控制光載波的幅 度大小,稱(chēng)幅移鍵控( ASK ),最簡(jiǎn)單的 ASK

16、 就是 “1”碼時(shí)發(fā)送光載波, “0”碼時(shí)不 發(fā)送光載波,稱(chēng)通斷鍵控( OOK )。 PSK:Phase-Shift Keying 相移鍵控。 此時(shí)“1”碼和“0”碼分別送出兩個(gè)相位不一樣 (通 常相差 180 度)的信號(hào) FSK : Frequency-Shift Keying 頻移鍵控。如果基帶數(shù)字信號(hào)只用來(lái)控制光載波的頻 率,稱(chēng)頻移鍵控(FSK)。此時(shí)1 ”碼時(shí)送出一個(gè)光載波頻率 fl , 0”碼時(shí)送出另一個(gè) 光載波頻率 f2 。 DPSK :Differential Phase-Shift Keying 差分相移鍵控。 如果“1”碼和“0”碼送的是前后 相位的變化量(例如 “1”碼時(shí)光

17、載波相位改變 180度, “0”碼時(shí)不變),則稱(chēng)差分相移 鍵控( DPSK)。 ( 2)ASK : LiNbO3 電光材料的折射率指數(shù)隨外電壓而變化,電壓引起折射率變化,從 而破壞了該馬赫 -曾德?tīng)柛缮鎯x的相位特性,在一個(gè)臂上引起了附加相位變化,結(jié)果 是使通過(guò)光的強(qiáng)度變化。 (注:與光信號(hào)有關(guān)的電場(chǎng)表達(dá)式是: Es(t) As(t)COS 0ts(t)。As:幅值,s:相位,3 0:中心頻率。在 ASK 方式中,s保持不變,對(duì)幅值進(jìn)行調(diào)制。對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制,在大多數(shù)實(shí) 際情況下,0”碼傳輸時(shí),As=0 ; T傳輸時(shí),As=1 )當(dāng)兩臂間的相位差等于時(shí), 出現(xiàn)了相消干涉,此時(shí)光不會(huì)通過(guò)調(diào)制器,其結(jié)果是調(diào)制器的輸出光信號(hào)隨電比特 流而變化,進(jìn)而實(shí)現(xiàn) ASK 。 PSK :實(shí)現(xiàn)相移鍵控,要求一個(gè)使光相位隨施加信號(hào)電壓改變的外腔調(diào)制器。這種 調(diào)制器使用的物理機(jī)理是光電折射原理。 (注:相移與折射率變化的關(guān)系是: (2 / )( n)lm。 lm:施加的電壓引起折射率變化的波導(dǎo)長(zhǎng)度,折射率變化 Sn與施加的電壓成正比,選擇S n使3=n。在比特出現(xiàn)期間內(nèi),施加所需要的 電壓,可使光載波的相差達(dá)到n。)通常使用LiNbO3電光晶體和單個(gè)波導(dǎo)。相移鍵 控調(diào)制時(shí),調(diào)制光載波相位,產(chǎn)生光比特流,而保持光載波的幅值不變

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