光纤通信复习总结

填空与选择

光接收机的最重要的特性参数是灵敏度。

固体激光器的发明大大提高了发射光功率，延长了传输距离。

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 ,1.31um,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0.8~1.8um ,属于电磁波谱中的近红外区。

EDFA称为掺铒光纤放大器,其实现放大的光波长范围是1.53~1.56um。

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。

mBnB码又称为分组码,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-E^f)/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0＜V＜2.405。

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=155.520Mb/s。

光纤单模传输条件,归一化频率V应满足 V<2.405

激光是通过什么产生的受激辐射

EDFA的泵浦光源的典型工作波长为1550 nm

光隔离器的工作原理是:基于法拉第旋转的非互易性

光隔离器的作用是保证光信号只能正向传输

码的原因是光源不能产生负信号光

光纤数字通信系统中不能传输HDB

3

在激光器中,光的放大是通过:粒子数反转分布的激活物质来实现

单模光纤中主要色散是波长色散。多模光纤中主要色散是模式色散

目前光纤通信系统中广泛使用的调制─检测方式是强度调制—直接检测

光合波器是: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

光纤是利用光的全反射现象传送光信号的。

光纤的纤芯折射率应大于包层折射率,光纤才能导光

通常,影响光接收机灵敏度的主要因素是:光接收机噪声

光纤相对折射指数差的定义为Δ=(n21－n22)/2n21

阶跃型光纤中,某种模式截止时的归一化频率为V c ,则这种模式形成导模的传输条件为V>Vc

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机的灵敏度作光中继器使用

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光接收机噪声

EDFA 中用于降低放大器噪声的器件是光滤波器

以下哪一样不是无源光器件。LED

隔离器的两个主要参数：插入损耗和隔离度

关于PIN 和APD 的偏置电压表述,正确的是均为反向偏置。

处于高能级E 2的电子,在未受外界激发的情况下,自发地跃迁到低能级E 1,从而发射出一个能量为

hf(=E 2-E 1)的光子的过程称为自发辐射

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1θ≥

12

1n n sin -

表示光纤色散程度的物理量是时延差

STM-1每秒可传的帧数是800

PIN 光电二极管,因无雪崩倍增作用,因此其雪崩倍增因子为 G ＝1 光纤通信系统中常用的光源主要有:半导体激光器LD 、半导体发光二极管

STM —1中信息净负荷的字节数为2349

光纤的连接分为固定连接和活动连接

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Φ

必须满足的条件为0≤Φ≤arcsin

2221n n - EDFA 的最大输出功率常用3dB 饱和输出功率来表示。

光发射机的消光比,一般要求小于或等于10％

EDFA 中光滤波器的主要作用是降低光放大器输出噪声

为了使雪崩光电二极管正常工作,在其P －N 结上应加高反向偏压

不属于无源光器件的是半导体激光器 阶跃型光纤中数值孔径的计算式为?2n 1

随着激光器使用时间的增长,其阈值电流会逐渐增大

以下指标不是掺铒光纤放大器特性指标的是。倍增因子

光耦的特性：耦合比、附加损耗、插入损耗、方向性DIR （隔离度）、一致性

下述有关光接收机灵敏度的表述不正确的是光接收机灵敏度描述了光接收机的最高误码率

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:

max sin φ=NA ,m ax φ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(n ＞m)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.

四波混频：由两个或三个波长的传输光混合而产生的有害的频率分量

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。

色度色散：理想单模光纤，没有模式色散，只有材料色散和波导色散。

光接收机的灵敏度:在保证一定误码率的条件下,光接收机所需接收的最小光功率。

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。

吸收损耗：是由SiO2材料引起的固有吸收和杂质引起的吸收产生的。

散射损耗:散射损耗通常是由于光纤材料密度的微观变化，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。

本征暗电流：载流子热扩散形成的

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。

P-I曲线:P-I曲线指的是光源的总发射光功率与注入电流的关系曲线。(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，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。

弛张振荡：电流注入激光器后，输出光脉冲出现幅度逐渐衰减的振荡。

码型效应：当电光延迟时间与数字调制的码元持续时间同数量及时，会使“0”码后的第一个“1”码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重的会使单个“1”码丢失。

自脉动：注入电流达到某个范围时，输出脉冲出现持续等幅的高频振荡

简答题

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。

简述光纤通信的优、缺点：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；缺点：部分光器件价格昂贵，光纤的机械强度差，不能传送电力，维修较为困难。

光纤系统的基本组成及各部分的作用：

光发射机：把输入的电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度的注入到光纤线路。

光纤线路：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的失真和衰减传到光接收机。

光接收机：把从光纤输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换成电信号，再由电接收机放大、处理后恢复为基带电信号。

光网的优点：光网具有可重构性、可扩展性、透明性、兼容性、完整性和生存性等优点。

简述产生抖动的主要原因。

由于噪声引起的抖动;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/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：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：2/12])(21)[0()(a r n r n ?-=;式中: )0(2)()0(222n a n n -=?;n(0)——光纤轴线

处(r=0)的折射率;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D m 、波导色散系数D w 和总色散D 随波长变化的曲线,总色散在1.31μm 附

近为零,这个波长称为零色散波长。而在1.55μm 附近色散系数D=15～18ps/(km ·nm)。

在1.55μm 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1.55μm 附近,这样1.55μm 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。 光纤的数值孔径NA ＝sin θmax 它的含义是什么？

答:θmax 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θmax 的所有射线均可以被光纤所捕捉,因此数值孔径NA ＝sin θmax 表示光纤捕捉光射线的能力。

半导体激光器的特性：发射波长和光谱特性；激光束空间分布特性；转换效率和输出功率特性；频率特性；温度特性。

在LD 的驱动电路里，为什么要设置功率自动控制电路APC ？功率自动控制实际是控制LS 的哪几个参数？

在LD 的驱动电路里，设置功率自动控制电路(APC)是为了调节LD 的偏流，使输出光功率稳定。功率自动控制电路实际是可控制LD 的偏置电流、输出光功率、激光器背向光平均功率。

如何理解误码性能参数DM 、SES 、ES ？

长期平均误码率BER ：在一段相当长的时间内出现的误码个数和总的传输码元数的比值。

劣化分DM ：特定的观测时间内BER 劣于10—6的分钟数，%

严重误码秒：特定的观测时间内BER 劣于10—3的秒数，%

误码秒：特定的观测时间内出现误码的秒数，%