光纖通信簡明教程課后思考題答案-原榮

..--用光導(dǎo)纖維進(jìn)行通信最早在哪一年由誰提出答：1966年7月英籍華人高錕提出用光導(dǎo)纖維可進(jìn)行通信。光纖通信有哪些優(yōu)點光纖通信具有許多獨特的優(yōu)點，他們是：頻帶寬、傳輸容量大；損耗小、中繼距離長；重量輕、體積??；抗電磁干擾性能好；泄漏小、保密性好；6簡述光纖通信系統(tǒng)的分構(gòu)成及各部分的作用光纖光纖光纖電信號光中繼器電信號調(diào)制光源光信號光探測器解調(diào)用光纖傳輸信息的過程大致是這樣的，在發(fā)送端，把用戶要傳送的信號（如聲音）變?yōu)殡娦盘?，然后使光源發(fā)出的光強隨電信號變化，這個過程稱為調(diào)制，它把電信號變?yōu)楣庑盘?，最后用光纖把該光信號傳送到遠(yuǎn)方；（如聲音）信號，這個過程稱為解調(diào)，最后再變成用戶能理解的信息（如聲音）。光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類221233121…54Na)b)c)a)點對點 b)一點對多點 c)網(wǎng)1-5光纖通信網(wǎng)絡(luò)分類依據(jù)網(wǎng)徑的大小可分為寬域網(wǎng)(WAN)、城域網(wǎng)(MAN)和局域網(wǎng)(LAN）)光的本質(zhì)是什么，什么是相位差？和表示，在空間沿著z方向并與z方向垂直向前傳播，這種波稱為行波假如波沿著z方向依波矢量k傳播，如式（1.5.1）所示，被z分開的兩點間的 相位差

k可用

簡單表示，因為對于每一點

是相同的。假如相位差是0 或2 的整數(shù)倍，則兩個點是同相位，于是相位差 可表示為 k

2z或 簡述光纖的結(jié)構(gòu)光纖由玻璃（石英SiO2）制成的纖芯和包層組成，為了保護(hù)光纖，包層外面還增加尼龍外層。纖芯材料主要成分為摻雜的二氧化硅（SiO2）純度達(dá)99.999%，其余成分為極少量的摻雜劑如二氧化鍺（GeO2）等，以提高纖芯的折射率。由折射率的徑向分布分為階躍和漸變實用的單模和多模多模光纖有哪兩種？單模光纖又有哪幾種G.652G.655、G.656、G.657光纖從折射率較大的介質(zhì)以不同的入射角進(jìn)入折射率較小的介質(zhì)時，會出現(xiàn)哪三種不同的情況？n n n1 2ntkt入入入入入入t2ktn入1kikirkicckrikrickr解釋光纖傳光原理光的傳播就是通過電場、磁場的狀態(tài)隨時間變化的規(guī)律表現(xiàn)出來。光纖的傳輸特性用哪幾個參數(shù)表示光纖的非線性光學(xué)效應(yīng)。什么是光纖的色散？對通信有何影響？多模光纖的色散由什么色散決定？單模光纖色散又有什么色散決定脈沖展寬。小。在DWDM和OTDMG.652光纖在1.3m的損耗是多少？答：G.652光纖在1.3m波段的損耗較大，為0.3~0.4dB/km。造成光纖傳輸損耗的主要因素有哪些？哪些是可以改善的？最小損耗在什么波長范圍內(nèi)答：引起衰減的原因是光纖對光能量的吸收損耗、散射損耗和輻射損耗，如圖2.3.1所示。光纖是熔融SiO2制成的，光信號在光纖中傳輸時，由于吸收、散射和波導(dǎo)缺陷等機理產(chǎn)生功率損耗，從而引起衰減。吸收損耗有純SiO2材料引起的內(nèi)部吸收和雜質(zhì)引起的外部吸收。內(nèi)部吸收是由于構(gòu)成SiO2的離子晶格在光波（電磁波）的作用下發(fā)生振動損失的能量。外部吸收主要由OH離子雜質(zhì)引起。散射損耗主要由瑞利散射引起。瑞利散射是由在光纖制造過程中材料密度的不均勻（造成折射率不均勻）產(chǎn)生的。連接器和跳線的作用是什么？接頭的作用又是什么（活動）連接（固定）連接。接頭用于相鄰兩根光纜（纖）之間的連接，以形成長距離光纜線路。耦合器的作用是什么？它有哪幾種耦合器的功能是把一個或多個光輸入分配給多個或一個光輸出。耦合器有T形耦合器、星形耦合器、方向耦合器和波分耦合器。光濾波器的定義及作用光濾波器是從包含多個波長的輸入信號中提取出所需要波長的信號，功能是從許多不同頻率的輸入光信號中，選擇出一個特定頻率的光信號?？煞譃楦缮嫘汀⒀苌湫秃臀招腿惙ú祭锊Ａ_（FP）濾波器的構(gòu)成和工作原理由兩塊平行鏡面組成的諧振腔構(gòu)成，一塊鏡面固定，另一塊可移動，以改變諧振腔的長度。鏡面是經(jīng)過精細(xì)加工并鍍有金屬反射膜或多層介質(zhì)膜的玻璃板。一束光入射進(jìn)法布里-珀羅諧振腔，諧振腔由部分反射和透射的兩個相互平行的平板鏡組成，因此入射光的一部分進(jìn)入腔長為L的諧振腔。只有特定腔模的光才能在腔內(nèi)建立起振蕩，其他波長的光因產(chǎn)生相消干涉而不能存在。于是，假如入射光中有一個波長的光與諧振腔中的一個腔模對應(yīng)，它就可以在腔內(nèi)維持振蕩，并有一部分光從右邊反射鏡透射出去，變成輸出光。簡述馬赫-曾德爾干涉濾波器構(gòu)成和工作原理由兩個3dB耦合器串聯(lián)組成一個馬赫-曾德爾干涉儀，干涉儀的兩臂長度不等，光程差為 ΔL 。馬赫-曾德爾干涉濾波器的原理是基于兩個相干單色光經(jīng)過不同的光程傳輸后的干涉理論。波分復(fù)用/解復(fù)用器的作用波分復(fù)用器(WDM)的功能是把多個不同波長的發(fā)射機輸出的光信號復(fù)合在一起,并注入到一根光纖。解復(fù)用器的功能與波分復(fù)用器正好相反。陣列波導(dǎo)光柵（AWG）復(fù)用/解復(fù)用器工作原理AWG光柵工作原理是基于馬赫-曾德爾干涉儀的原理，即兩個相干單色光經(jīng)過不同的光程傳輸后的干涉理論。對光的調(diào)制有哪兩種？簡述它們的區(qū)別答：調(diào)制有直接調(diào)制和外調(diào)制兩種方式。前者是信號直接調(diào)制光源的輸出光強，后者是信號通過外調(diào)制器對連續(xù)輸出光進(jìn)行調(diào)制和幅移鍵控時，注入電流的變（啁啾完全可以避免這些有害影響。圖3.5.1 調(diào)制方式比較簡述馬赫-曾德爾幅度調(diào)制器的工作原理答最常用的幅度調(diào)制器是在 表面用鈦擴(kuò)散波導(dǎo)構(gòu)成的馬-曾德（M-Z）干涉型調(diào)制器，如圖3.5.5所示。使用兩個頻率相同但相位不同的偏振光波，進(jìn)行干涉的干涉儀，外加電壓引入相位的變化可以轉(zhuǎn)換為幅度的變化。在圖3.5.5（a）表示的由兩個Y形波導(dǎo)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)中，在理想的情況下，輸入光功率在C點平均分配到兩個分支傳輸，在輸出端D干涉，所以該結(jié)構(gòu)扮演著一個干涉儀的作用，其輸出幅度與兩個分支光通道的相位差有關(guān)兩個理想的背對背相位調(diào)制器在外電場的作用下能夠改變兩個分支中待調(diào)制傳輸光的相位由于加在兩個分支中的電場方向相反如圖的右上方的截面圖所示所以在兩個分支中的折射率和相位變化也相反例如若在A分支中引入的相位變化那么在B分支則引入相位的變化，因此、B分支將引入相位 的變化。假如輸入光功率在C點平均分配到兩個分支傳輸，其幅度為，在輸出端D的光場為outputE AA2Acos （3.5.5）output輸出功率與E2output

0時，兩個分支中的光場相互抵消干涉，使輸出功率最小，在理想的情況下為零。于是P

2 （3.5.6）outcosP 0out圖3.5.5 馬赫-曾德爾幅度調(diào)制器由于外加電場控制著兩個分支中干涉波的相位差，所以外加電場也控制著輸出光的強度，雖然它們并不成線性關(guān)系。光開關(guān)的作用是什么？主要分為哪兩類（光放大中繼器的作用？是在光路上對光信號進(jìn)行直接放大，然后再傳輸，即用一個全光傳輸中繼器代替目前的這種光-電-光再生中繼器，EDFA的結(jié)構(gòu)示意圖，并簡述各部分的作用答：圖6.3.1（a）為一個實用光纖放大器的構(gòu)成方框圖。光纖放大器的關(guān)鍵部件是摻鉺光纖和高功率泵浦源，作為信號和泵浦光復(fù)用的波分復(fù)用器（WDM），以及為了防止光反饋和減小系統(tǒng)噪聲在輸入和輸出端使用的光隔離器。EDFA的工作原理所示，其中能級代表基態(tài)，能量最低，能級代表中間能級，能級代表激發(fā)態(tài)，能量最高。若泵浦光的光子能量等于能級與之差，摻雜離子吸收泵浦光后，從基態(tài)升至激活態(tài)。但是激活態(tài)是不穩(wěn)定的，激發(fā)到激活態(tài)能級的鉺離子很快返回到能級。若信號光的光子能量等于能級和之差，則當(dāng)處于能級的鉺離子返回基態(tài)信號光放大獲得增益。圖6.3.2（b）表示EDFA的吸收和增益光譜。為了提高放大器的增益，應(yīng)盡可能使基態(tài)鉺離子激發(fā)到能級和之差必須是相當(dāng)于需要放大信號光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必須保證使鉺離子從基態(tài)躍遷到激活態(tài)。EDFA的主要特性指標(biāo)是EDFA的主要特性指標(biāo)有泵浦特性、增益頻譜、小信號增益、增益飽和（或壓縮）特性和放大器噪聲。光纖拉曼放大器工作原理和特性什么是SOA，如何使LD變?yōu)镾OA半導(dǎo)體光放大器的機理與激光器的相同只是一個沒有反饋的激光器，其核心是當(dāng)放大器被光或電泵浦時，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益。減小LD界理端面反射反饋使 RR 0.17104就可以制出行波半導(dǎo)體光放大1 2器（SOA）。使條狀有源區(qū)與正常的解理面傾斜或在有源層端面和解理面之間插入透明窗口區(qū)就可以使反射率小至104，從而使LD變?yōu)镾OA。簡述波導(dǎo)光柵解復(fù)用器的工作原理陣列波導(dǎo)光柵由N個輸入波導(dǎo)N個輸出波導(dǎo)、兩個具有相同結(jié)構(gòu)的N N平板波導(dǎo)星形耦合器以及一個平板陣列波導(dǎo)光柵組成，如圖3.4.4所示。這種光柵相鄰波導(dǎo)間具恒定的路徑長度差 由式可知，其相鄰波導(dǎo)間的相位差為 2n L

（3.4.6） eff式中， 是信號波長

是路徑長度差，通常為幾十微米，neff為信道波導(dǎo)的有效折射率，它與包層的折射率差相對較大，使波導(dǎo)有大的數(shù)值孔徑，以便提高與光纖的耦合效率。（即自由空間耦合區(qū)把光功率幾乎平均地分配到波導(dǎo)陣列輸入端中的每一個波導(dǎo)（3.4.6）可知，不同波長的輸入信號產(chǎn)生的相位延遲也不等。AWG光柵工作原理是基于馬赫-曾德爾干涉儀的原理，即兩個相干單色光經(jīng)光發(fā)射機的關(guān)鍵器件是光源：LED、LD直接調(diào)制注入調(diào)制電流實現(xiàn)光波強度調(diào)制外腔調(diào)制通過外腔調(diào)制器對光的強度、相位或頻率進(jìn)行調(diào)制發(fā)光機理E在構(gòu)成半導(dǎo)體晶體的原子內(nèi)部存在著不同的能帶。如果占據(jù)高能帶（導(dǎo)帶） c 的E電子躍遷到低能帶（價帶）

（禁帶能量）Egvg

E Ec v以光的形式放出，如圖4.1.1所示。這時發(fā)出的光，其波長基本上由能帶差E

所決定。能帶差E和發(fā)出光的振蕩頻率vo

之間有Ehv的關(guān)系，h是普朗克常數(shù)，等于6.625 1034J s。由 cv得出hc 1.2398

（ m） （4.1.1）式中，c為光速，取決于半導(dǎo)體材料的本征值，單位是電子伏特。LD 激光發(fā)射的條件首要條件---粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使有源區(qū)產(chǎn)生足夠多的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這是使半導(dǎo)體激光器發(fā)首要條件---粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使有源區(qū)產(chǎn)生足夠多的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這是使半導(dǎo)體激光器發(fā)起穩(wěn)定的振蕩。簡述分布反饋（DFB）激光器的結(jié)構(gòu)和工作原理DFB激光器是單縱模(SLM)LD，即頻譜特性只有一個縱模（譜線）的 LD。它的諧振腔損耗與模式有關(guān)，即對不同的縱模具有不同的損耗。這是通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，使DFBLD 內(nèi)部具有一個對波長有選擇性的衍射光柵，從而使只有滿足布拉格波長條件的光波才能建立起振蕩。增益曲線首先和模式具有最小損耗的曲線接觸的模開始起振，并且變成主模。陣列SOA集成光柵腔體波長可調(diào)激光器的工作原理有源條的外部界面和光柵共同構(gòu)成了諧振腔的反射邊界。右邊的光柵由凹面反射界面組成，以便聚焦衍射返回的光到有源條的內(nèi)部端面上。這些條是直接位于波導(dǎo)芯上部的多量子阱（MQW）有源區(qū)簡述pin光敏二極管的工作原理流就越大。光敏二極管是一種光電轉(zhuǎn)換二極管，所以又叫光電二極管。4-8簡述APD光敏二極管的工作原理流就越大。光敏二極管是一種光電轉(zhuǎn)換二極管，所以又叫光電二極管。4-8簡述APD光敏二極管的工作原理雪崩光電二極管（APD）是利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度探測器。P離產(chǎn)生的電子空穴對，稱為二次電子空穴對。新產(chǎn)生的二次電子和空穴在高電場區(qū)里運動時又被加速，又可能碰撞別的原子，這樣多次碰撞電離的結(jié)果，使載流子迅速增加，反向電流迅速加大，形成雪崩倍增效應(yīng)。簡述波導(dǎo)型探測器（WG-PD）的工作原理答：在WG-PD中，光垂直于電流方向入射到探測器的光波導(dǎo)中，然后在波導(dǎo)中傳的光吸收是沿波導(dǎo)方向進(jìn)行的，其光WG-PD10InGaAs1mWG-PD結(jié)構(gòu)的內(nèi)量子效率高于傳統(tǒng)型結(jié)構(gòu)PD的光耦合面結(jié)構(gòu)增加光耦合面積，光接收機的作用是什么信號。它的主要器件是利用光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕墓怆娞綔y器。數(shù)字光接收機主要由哪幾部分組成答：數(shù)字光接收機的原理由三部分組成，即由光電探測和前置放大器部分、主放大（線性信道）部分以及數(shù)據(jù)恢復(fù)部分組成。接收機靈敏度的定義是什么答接收機靈敏度定義為保證比特誤碼率為 時要求的最小平均接收光功（P 。rec監(jiān)測光纖通信系統(tǒng)性能好壞通常采用什么最直觀簡單的方法均衡濾波器輸出的隨機脈沖信號輸入到示波器的Y軸，用時鐘信號作為外觸發(fā)信號，就可為什么要用相干檢測相干檢測可使接收機靈敏度提高，與 IM/DD 系統(tǒng)相比可以改20dB，從而在相同發(fā)射機功率下，允許傳輸距離增加100km；另外使用相干檢測也可以有效地利用光纖帶寬，因為可以使波分復(fù)用（WDM）各載波的波長間距減小。補充：光探測器的作用和原理是什么答：光探測器的作用是利用其光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。光探測器的原理是，假如入射光子的能量超過禁帶能量所示。在PN盡區(qū)，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，空穴和從負(fù)電極進(jìn)入的電子復(fù)合，電子則離開N區(qū)進(jìn)入正電極。從而在外電路形成光生電流IP。當(dāng)入射功率變化時，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)變成電流信號。5-1為什么要進(jìn)行脈沖編碼？脈沖編碼要進(jìn)行哪三個過程？脈沖編碼調(diào)制（Pulse-CodeModulation，PCM）是光纖傳輸模擬信號的基楚。解碼后的基帶信號質(zhì)量幾乎只與編碼參數(shù)有關(guān)，而與接收到的SNR關(guān)系不大。假如接收到的信號質(zhì)量不低于一定的誤碼率，此時解碼SNR只與編碼比特數(shù)有關(guān)。取樣、量化和編碼為什么要進(jìn)行信道編碼？SDH么？為了使接收再生電路把相位或頻率鎖定到信號定時上；的幅度逐漸下降，經(jīng)判決電路后會產(chǎn)生誤碼，大多數(shù)高性能干線系統(tǒng)使用擾碼的NRZ碼，如SDH干線這種碼型最簡單，帶寬窄，SNR高，線路速率不增加，沒有光功率代價，無需編碼，只要一個擾碼器即可，使其最適合長距離系統(tǒng)應(yīng)用常用哪幾種信道復(fù)用？SDH采用何種復(fù)用方式？3g手機采用何種復(fù)用技術(shù)？4G手機采用何種？信道復(fù)用有時分復(fù)用（TDM）、頻分復(fù)用（FDM）和正交頻分復(fù)用（OFDM）、微波副載波復(fù)用（SCM）和碼分復(fù)用（CDM）；在光域內(nèi)，與此相對應(yīng)，信道復(fù)用也有光時分復(fù)用復(fù)用（WDM）和光正交頻分復(fù)用（O-OFDM），以及光碼分復(fù)用（OCDM），如圖5.1.5所示。此外，還有空分復(fù)用，比如雙纖雙向傳輸就是空分復(fù)用。SDH采用時分復(fù)用3g也是4g是fdma跟tdma什么是直接強度光調(diào)制？什么是外調(diào)制？如何實現(xiàn)？直接調(diào)制---信息直接調(diào)制光源的輸出光強；外調(diào)制---信息通過外調(diào)制器對連續(xù)輸出光進(jìn)行調(diào)制；用快速上下移動快門，使光波間斷通過遮光板的孔洞，從而實現(xiàn)光的脈沖調(diào)制。PDHSDH2mbit/s信號給用戶，簡述各自的工作過程采用SDH分插復(fù)用（ADM），可以利用軟件直接一次分插出2Mb/s 路信號，SDH 幀結(jié)構(gòu)中有哪幾個信息域？各有何作用？SDH幀大體可分為三個部分：SDH幀大體可分為三個部分：1）信息凈負(fù)荷（payload）是用于存放各種信息業(yè)務(wù)容量的地方。2）段開銷（SOH）放置維護(hù)管理字節(jié)，它是指在STM幀結(jié)構(gòu)中，為了保證信息正常2）段開銷（SOH）放置維護(hù)管理字節(jié)，它是指在STM幀結(jié)構(gòu)中，為了保證信息正常靈活傳送所必須的附加字節(jié)。3）管理單元指針1STM-N位置，以便接收端正確的分解。SDHSTM-03STM-0STM-1STM-1信號。然后4個STM-1信號復(fù)用STM-44STM-64813.12Mb/s）信號。SDH終端復(fù)用器、分插復(fù)用器、數(shù)字交叉連接設(shè)備、中繼器SDHSDH分插復(fù)用器：數(shù)字交叉連接設(shè)備：是一種集復(fù)用、交叉連接、保護(hù)/一體的傳輸設(shè)備。中繼器SDHSTMATM?時鐘在局間分配的樹形同步網(wǎng)結(jié)構(gòu)時鐘在局內(nèi)分配的星形同步網(wǎng)結(jié)構(gòu)人們就提出一種與同步傳輸模式（STM）技術(shù)相對應(yīng)的異步傳輸模式（ATM）技術(shù)。ATM可支持可變速率業(yè)務(wù)，支持時延要求較小的業(yè)務(wù)，具有支持多業(yè)務(wù)多比特率的能力，因此ATM接入系統(tǒng)能夠完成不同速率的多種業(yè)務(wù)接入，它既能夠提供窄帶業(yè)務(wù)，又能提供寬帶業(yè)務(wù)，即能提供全業(yè)務(wù)接入。STMATMATM采用面向標(biāo)志的交換和復(fù)用原理，標(biāo)志復(fù)用、STMIP幀開銷125 幀開銷125 mst（a）同步時分復(fù)用（STM ，如 SDH ）可變長度數(shù)據(jù)包t（b）數(shù)據(jù)分組（如以太網(wǎng)幀）ATM 信元（53個字節(jié)）信頭t凈荷（c）ATM 數(shù)據(jù)傳送每個小時隙都正好是一個