光纖通信期末復習題(湖二師物機學院)

1、光纖通信復習提綱第一章 光纖的基本理論一、基本概念1、什么叫數(shù)值孔徑？光纖從光源獲得的能量和數(shù)值孔徑之間有何關聯(lián)？入射到光纖端面的光并不能全部被光纖傳輸，只是在某個角度范圍內(nèi)的入射光才可以。這個角度A對應的正弦值就稱做數(shù)值孔徑。數(shù)值孔徑表征了光纖的激光能力。數(shù)值孔徑越大，光纖手機射線的能力越強獲得的能量也越多。NA=2、 什么叫相對折射率差？如何計算？n1光纖纖芯的折射率，n2光纖包層的折射率。=3、 什么叫歸一化頻率？如何計算？表示在光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量V=其中a表示纖芯的半徑在階躍光線中模式數(shù)量N=在漸變光纖中模式數(shù)量N=4、 什么是自聚焦光纖？其主要特點是什么？折射率是漸變的，n（r）隨

2、著半徑r的增加而減小。折射率分布指數(shù)最佳時可以使全部的子午射線以同樣的同樣速度在光纖中傳播，這種模式色散起了均衡作用從而消除了模式色散。5、 什么是單模光纖？什么是多模光纖？在光纖通信中各適用于什么情形？單模光纖：光纖中之傳輸一種模式（基模）纖芯直徑為4-10um適用于大容量的長距離的光纖通信系統(tǒng)多模光纖：光線中傳輸不止一個模式，纖芯直徑一般為50um包層外徑為125um多模光纖適用于中距離，中容量的光纖通信系統(tǒng)。6、 什么是模場直徑？它對于光纖傳輸有何意義？光纖橫截面上內(nèi)光功率減小到其最大值的1/e的寬度，衡量光纖內(nèi)光斑大小的物理量模場直徑大的光纖，能量在芯子中集中的程度較差包層中存在的光能

3、量角度，光纖彎曲造成的損耗較大不利于光在光線中的傳輸。模場直徑小的光纖，能量在芯子中集中地程度較好光纖彎曲照成的損耗較小7、什么叫色散？光纖色散的來源有哪些？色散對光纖通信有何影響？光信號在光纖中傳輸是用于群速度的不同，產(chǎn)生時延差對模擬信號就會產(chǎn)生波形失真，對脈沖信號波形被展寬。影響：產(chǎn)生誤碼，限制了光纖通訊線路的最高信息傳輸速率（通信容量）8、 損耗的來源有哪些？光纖通信的三個低損耗窗口是什么？其中損耗最低的窗口是哪一個？這三個窗口主要由什么因素決定？吸收損耗，散射損耗，彎曲損耗。低損耗的窗口是0.85um，1.31um，1.55um左右最低的窗口是1.55um的窗口。主要因素是各種過度金屬

4、離子和OH-造成的9、 什么叫色散系數(shù)？如何計算？常用單位是什么？單位線寬光源在單位長度光纖上引起的時延；單位ps/km*nm其中表示單位長度光纖上的時延差，表示光源線寬10、 什么叫模式色散？什么叫材料色散？什么叫偏振模色散？上述哪種色散在單模光纖中不存在？模式色散：再多摸光纖中不同模式沿光纖周詳?shù)膫鬏斔俣炔煌竭_接收端所用的時間不同，產(chǎn)生色散。材料色散：由于光纖材料的折射率是波長的非線性函數(shù)，從而使光的傳輸速度歲波長的變化而變化引起的色散偏振色散用于實際光纖總存在一定的不完善行，使得沿著兩個不同方向偏振的同一模式的相位常數(shù)beta不同吃那個人導致兩個模式傳輸不同步波導色散同一模式的相位常數(shù)

5、beta隨波長而變化，即群速度隨波長變化，由此一起的色散模式色散在單模光纖中不存在11、 什么叫非色散位移光纖，適用于什么情況？什么叫色散位移光纖，適用于什么情況？什么叫非零色散位移光纖，適用于什么情況？12、什么叫漸變折射率光纖？有何特點和應用？漸變折射率光纖是折射率隨著纖芯半徑r的增加按一定規(guī)律減小。采用漸變折射率光纖的目的是減小多模光纖的模式色散，能實在光纖中傳輸?shù)淖游绻饫w以同樣的軸向速度在光纖中傳輸，這種模式色散起了均衡作用從而消除模式色散，形成自聚焦現(xiàn)象二、計算題類型1、關于光纖特征參數(shù)的計算（如數(shù)值孔徑、歸一化頻率等）；纖芯直徑、相對折射率、數(shù)值孔徑、歸一化頻率相對折射率計算歸一化

6、頻率V=，代表纖芯的折射率，代表傳播常數(shù)在階躍光線中模式數(shù)量N=在漸變光纖中模式數(shù)量N=2、 關于光纖單模條件的計算（包括單模條件下光纖的半徑、截止波長等）單模條件：歸一化頻率小于2.405單模光纖半徑尺寸單模光纖的截止波長單模光纖截止頻率：3、 關于模式容量的計算；模式容量可以有歸一化頻率求出：N=；V=4、關于損耗的計算；5、關于最大時延差、帶寬的計算；代表性題目示例：（1） 已知階躍光纖折射率，求：光纖的數(shù)值孔徑；求相對折射率差。NA=；NA=0.3005相對折射率=0.0195（2） 階躍光纖纖芯的折射率，包層折射率，工作波長為1.31m，要保證單模傳輸，纖芯直徑應為多大單模工作的光纖

7、纖芯半徑a= =2.0531um（3） 一段由階躍光纖構(gòu)成的20km長的光纖鏈路，纖芯折射率，相對折射率為，試求：接收端最快和最慢的模式之間的時延差；該光纖允許傳播的傳輸帶寬是多少？單位長度光纖的最大時延差用公式得時延差=20* =380ps(4)階躍型光纖的n1=1.50,=0.002，工作波長=0.85m，當纖芯半徑a=30m時，求：此光纖中傳輸?shù)膶?shù)M。V=1.5*sqrt（2*）*2pi/0.85*30=21.038N=V2/2=221（5）光信號在光纖中傳播10km的功率損耗為20%，則該光纖的損耗為多少？一、基本概念1、發(fā)光二極管的優(yōu)缺點各是什么？激光二極管的優(yōu)缺點各是什么？二極

8、管優(yōu)點制造工藝難度小成本低、可在較寬的溫度范圍內(nèi)正常工作?？煽啃院?、工作壽命長。缺點方向性差，發(fā)散度大、與光纖耦合效率低只有百分之幾，發(fā)光功率小激光二極管的優(yōu)點：帶寬大調(diào)制速率高，光束方向性強，發(fā)三度小、與光纖耦合的效率高光譜較窄。缺點制作難度大成本高，工作壽命短2、 光發(fā)射機的主要技術要求有哪些？3、 什么叫閾值電流？閾值電流是越大越好還是越小越好？激光器由自發(fā)輻射到開始受激振蕩時的臨界注入電流，稱為閾值電流，越小越好越小越容易產(chǎn)生激光4、 什么叫電光延遲？什么叫張弛振蕩？當階躍電流I（I>Ith）時，有源區(qū)里電子密度n增加，但這段時間n小于閾值電流密度nth，激光并不會產(chǎn)生，所以光功

9、率存在一個延遲時間，即電光延遲時間LD輸出光脈沖會出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩；-激光器內(nèi)部光電相互作用所變現(xiàn)的固有特性5、 正向偏置對激光二極管有何好處？正向偏置起到泵浦的作用，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、消除碼型效應。6、 什么是直接調(diào)制？什么是間接調(diào)制？各有什么優(yōu)缺點？ 直接調(diào)制：把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘栕⑷隠D或LED，從而獲得相應的光信號，采用的是電源調(diào)制方法。間接調(diào)制：利用晶體的電光效應、磁光效應、聲光效應等性質(zhì)來實現(xiàn)對激光輻射信號的調(diào)制光源直接調(diào)制的優(yōu)點是簡單、經(jīng)濟、容易實現(xiàn)，但調(diào)制速率受載流子壽命及高速率下的性能退化的限制。外調(diào)制方式需要調(diào)制器，結(jié)構(gòu)復雜，但可獲得優(yōu)良的調(diào)制性能，特別適合高速

10、率光通信系統(tǒng)。 7、 光源間接調(diào)制常用的方法有哪三種？利用晶體的電光效應、磁光效應、聲光效應進行調(diào)制8、 波導調(diào)制器的工作原理是什么？輸入光信號在第一個3dB耦合器處被分成相等的兩束分別進入兩波導中傳輸。波導用電光材料制成使兩路光信號在第二個耦合器處相位延遲不同。若兩束光的光程差是波長的整數(shù)倍兩光束加強，若兩光束的光程差是半波長的期數(shù)倍，兩束光相干抵消調(diào)制器輸出很小9、 什么是激光器的溫度特性？激光器自動溫度控制的基本原理是什么？ 半導體激光器對溫度變化敏感，輸出光功率隨溫度發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為：外微分量子效率隨溫度升高而下降；溫度對激光器數(shù)字調(diào)制將產(chǎn)生結(jié)發(fā)熱效應熱敏原件監(jiān)測LD的芯片結(jié)溫，與

11、設定的基準溫度比較，放大后驅(qū)動制冷器控制電路改變制冷量的大小。10、 光發(fā)射機為何采用正向偏置？和光接收機有何不同？11、 異質(zhì)結(jié)激光器是怎樣降低閾值電流的？將有源層的厚度減少到德布羅意 波長（50nm）以下，半導體的性質(zhì)將發(fā)生根本的改變，出現(xiàn)量子效應。由于量子阱結(jié)構(gòu)中態(tài)密度分布曲線的底部非常平坦，所以很小的注入電流就能獲得很大的增益12.激光器自動功率控制電路的基本工作原理是什么？探測激光器發(fā)射的平均功率，以此作為反饋信號控制偏置電流，從而維持輸出光功率的恒定二、簡單計算題1、計算發(fā)射波長2、計算電光延遲時間 ，分別代表注入電流，閾值電流3、 計算外微分量子效率內(nèi)量子效率外量子效率為激光的發(fā)

12、生光功率分別為激光器的注入電流、加在pn結(jié)上的外加電壓第三章 光接收機一、基本概念1、什么叫光生載流子？能量大于半導體材料的禁帶寬度時，價帶上的電子發(fā)生受激吸收產(chǎn)生的光生電子空穴對2、什么叫暗電流？在無光的情況下，光電檢測器仍有電流輸出3、什么叫靈敏度？什么叫動態(tài)范圍？在限定的誤碼率條件下（在保證達到給定的誤碼率條件下），光接收機所需要輸入的最小平均光功率分母中的0.001代表是1mw的功率在保證系統(tǒng)的誤碼率指標要求下，接收機的最低輸出光功率和最大允許光功率只差就是光接收機的動態(tài)范圍。4、 影響光接收機靈敏度的主要因素有哪些？光電檢測的散粒噪聲與放大器熱噪聲光電檢測的散粒噪聲與放大器熱噪聲是影

13、響接收機靈敏度的重要因素一般來說當采用光電二極管作為檢測器時散粒噪聲可以忽略，放大器噪聲是影響接收機靈敏度的主要因素。而當采用APD作為檢測器時APD的過生噪聲成為影響接收機靈敏度的重要因素，放大器噪聲對靈敏度的影響相對較小；比特率隨著比特率的提高，放大器和均衡濾波器的帶寬增加，噪聲等效帶寬也增加，放大器和光電檢測器的噪聲影響加劇，靈敏度會下降。對比特速率較高的系統(tǒng)接收機靈敏度關系PIN型比特率增加一倍，靈敏度大約下降4.5dB，APD型工作在最佳雪崩增益是，比特率增加一倍靈敏度下降3.5dB；輸入波形，在一定的比特率下接收機所需要的帶寬是有輸入波形所決定的輸入波形約在他的頻譜越寬這樣有利于限

14、制高頻噪聲提高接收機靈敏度；消光比消光比不為零時在0碼是光源沒有完全熄滅，調(diào)制脈沖相當于加在殘余光上，而這部分殘余光不僅對光電檢測沒有任何作用還會增加光電檢測器的散粒噪聲降低接收機的靈敏度5、 什么是耗盡層？起什么作用？耗盡層長度越長越好還是越短越好，為什么?由于多數(shù)載流子在PN結(jié)區(qū)域在宏觀上已經(jīng)耗盡，因此有不會發(fā)生運動的原子形成的離子自建電場的區(qū)域叫做耗盡層；形成一個高電阻的區(qū)域耗盡層越寬越好增加耗盡層寬度能提高二極管的光電轉(zhuǎn)換效率，還能加快二極管的響應速度6、 什么叫光生電流？什么叫漂移電流？什么叫擴散電流？電子空穴對在自建電場作用下電子向N區(qū)漂移空穴向P區(qū)漂移形成漂移電流。在耗盡層兩側(cè)由

15、于熱運動部分光生電子和空穴通過擴散運動可能進入耗盡層然后電場作用下形成和漂移電流相同方向的擴散電流。漂移電流和擴散電流的和就是光生電流7、 光電二極管的上截止波長是如何定義的？入射光的波長必須小于某個臨界值才會發(fā)生光電效應這臨界值就是截止波長8、 光接收機噪聲有哪些來源？其中散粒噪聲包含哪些？來源有量子噪聲，散粒噪聲，光電檢測器的暗電流噪聲，漏電流噪聲，APD倍增噪聲，電阻的熱噪聲，放大其中的噪聲。散粒噪聲包括光電檢測器中的量子噪聲，暗電流噪聲漏電流噪聲和APD倍增噪聲。熱噪聲主要指負載電產(chǎn)生的熱噪聲；放大器噪聲（主要是前置放大器噪聲）中，既有熱噪聲又有散粒噪聲9、 什么叫光接收機的響應度？它

16、和量子效率有何關系？光生電流與入射光功率之比響應度與量子效率成正比10、 前置放大器有三種常用的阻抗電路，請問是哪三種？低阻型放大器特點是線路結(jié)構(gòu)簡單，接收機不需要或只需要很少的均衡前置級的動態(tài)范圍較大噪聲也較大；高阻型放大器方法是盡量加大偏置電阻，把噪聲減小到盡可能小的值。高阻型前置放大器不僅動態(tài)范圍小，而且當比特率較高時，在輸入端信號的高頻分量損失太多這在實際中很難做到。高阻型前置放大器一般在碼速率較低的系統(tǒng)中使用；跨阻型放大器前置放大器實際上是電壓并聯(lián)負反饋放大器這是一個性能優(yōu)良的電流電壓轉(zhuǎn)換器，具有噪聲低，靈敏度搞高和頻帶較寬的有點。11、光接收機的相干檢測有哪兩種基本方式？各有何特點

17、？可以采用單臂或者雙臂的形式，雙臂檢測的性能高于單臂檢測單臂檢測器中包含了信號的幅度相位和頻率信息可以實現(xiàn)相干檢測，導師光電檢測器的輸出中包含直流成分，這個直流成分會抬高電平不便于信號的檢測雙臂相干檢測平衡接收機抵消了直流成分，兩個檢測器中的部分噪聲也可以被抵消輸出的電流中不僅保留了強度信息，還保留了相位信息12、 相干檢測與直接檢測相比，優(yōu)點是什么？相干檢測方式能檢測出信號的相位信息因而能檢測出更高的高階調(diào)制格式；相干光接收方式適合所有調(diào)制方式的通信13、 什么叫誤碼率？如何降低誤碼率？接收機判決電路錯誤確定一個比特的概率平均誤碼率在某一規(guī)定的觀測時間內(nèi)發(fā)生差錯的比特數(shù)和傳輸比特總數(shù)之比通常

18、2.5Gb/s系統(tǒng)的接收靈敏度對應于，10GB/S的接收靈敏度對應于。對信號進行高增益放大和整形能提高噪聲比減少誤碼率14、 均衡濾波電路的主要功能是什么？判決再生電路的主要功能是什么？在判決碼元時刻碼元的拖尾值為零從而消除碼間干擾把放大器輸出的升余弦波形恢復成數(shù)字信號。15、 影響靈敏度惡化的主要因素有哪些？在非理想條件下僅考慮接收機噪聲而導出的靈敏度值相比，接收機要求的最小平均光功率增大這個增量稱為靈敏度惡化主要因素：發(fā)射0碼時接收機功率不為零引入的功率代價；激光器強度噪聲引入的功率代價；光源、光纖系統(tǒng)噪聲引起的功率代價;時鐘抖動；輸入和輸出信號波形的影響二、計算題類型代表性題目示例：（1

19、） 假設PIN光檢測器在1550微米處的響應度為1微安/微瓦，檢測器電流饋入一個50千歐的電阻。試問：接收機的量子效率是多少？當電阻上功率為10微瓦時，入射光功率為多少？（2）假設有一個系統(tǒng)，其中的LED發(fā)射10mW,0.85微米的光波；光纜損耗為20dB；PIN光檢測器的響應度為0.5A/W，檢測器暗電流為2nA,其負載電阻為50千歐；接收機帶寬為10MHz，溫度為300K。放大器等效的噪聲溫度為350K。除了光纖損耗外，系統(tǒng)還包含光源耦合引起的14dB的功率降低，以及由多個接頭和連接器導致的10dB損耗。計算接收到的光功率、檢測信號電流和功率、散彈噪聲和熱噪聲功率以及信噪比。若將前述PIN

20、換成響應度為其160倍的雪崩光電二極管，重新求解上述結(jié)果。第四章 光纖通信系統(tǒng)一、基本概念1、數(shù)字光纖有兩種傳輸體制，是哪兩種？損耗受限系統(tǒng)，衍射受限系統(tǒng)2、什么叫色散受限系統(tǒng)？什么叫損耗受限系統(tǒng)？傳輸距離根據(jù)發(fā)送機和接收機之間的光通道順號決定，傳輸距離根據(jù)發(fā)送機和接收機之間的光通道色散決定3、光放大器的作用是什么？解決了光纖損耗對光傳輸網(wǎng)絡傳輸距離的限制么熱切在密集波分復用系統(tǒng)中采用光放大器可以對多達幾十路的不同波長信號同時放大，大大降低了系統(tǒng)設備成本和運行維護成本4、摻鉺光纖放大器的工作原理是什么？泵浦光起什么作用？泵浦光波長通常是多少？正三價的鉺離子在吸收980nm波長的光后在亞穩(wěn)態(tài)和基

21、態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當1550nm波段的光信號通過已形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的摻鉺光纖時，處于亞穩(wěn)態(tài)的鉺離子受激輻射產(chǎn)生一個激發(fā)光子大大增加了信號光中的光子數(shù)量從而實現(xiàn)信號在摻鉺光纖中的放大；泵浦光源微信號光的放大提供足夠的能量使摻鉺光纖達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，通常是980nm的光波5、常用的泵浦方式有幾種？各有什么特點？同向泵浦可獲得較好的噪聲性能，反向泵浦能夠獲得較高的輸出功率，采用雙向泵浦可使摻鉺光纖的增益性能優(yōu)于通向泵浦6、什么叫抖動？什么叫漂移？影響抖動的主要因素是什么？影響漂移的主要因素是什么？數(shù)字脈沖信號的特定時刻相對于其理想位置的短時間偏離；漂移數(shù)字脈沖的特定時刻相對于其理想時間位置的長時

22、間偏移。影響抖動的主要因素系統(tǒng)中時鐘的不穩(wěn)定，各種噪聲，碼間干擾以及SDH中的映射指針調(diào)整等；漂移的主要因素最普遍的環(huán)境溫度的變化，環(huán)境溫度的變化可能導致光纖傳輸性能的變化，時鐘變化、以及光電二極管發(fā)射波長的偏移。SDH網(wǎng)路中指針調(diào)整、時鐘噪聲、相位瞬變也會引起漂移7、PDH和SDH傳輸?shù)母鞔稳旱膫鬏斎萘看_定的依據(jù)是什么？二、計算題類型功率預算，最大中繼距離的計算。代表性示例：傳輸容量的簡單計算。如比特率-距離積為2.0 (Gb/s)·km，光纖長度為100km，則傳輸最大比特率為多少？第五章 光無源器件和WDM一、基本概念1、插入損耗、光隔離度、回波損耗都是如何定義，如何計算的？插入損耗：光通過連接器后，光功率損耗的大小，分別是發(fā)送到輸入端的光功率；回波損耗：光通過連接器后，后向反射光與入射光的比值光，是從同一個輸入端口接收道德返回光功率；隔離度：又應該被阻斷的管路中