光纖通信期末考試簡答

1、簡答題1、畫出光纖通信系統(tǒng)的基本組成框圖。 2、光纖通信系統(tǒng)中，電信號(hào)對光的調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式有哪兩種？簡述各自含義及特點(diǎn)。答：電信號(hào)對光的調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式分別為直接調(diào)制和外調(diào)制。直接調(diào)制是用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流，使輸出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)的。 這種方案的特點(diǎn)是技術(shù)簡單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。外調(diào)制是把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實(shí)現(xiàn)的。外調(diào)制的特點(diǎn)是調(diào)制速率高，但技術(shù)復(fù)雜，成本較高。因此只有在大容量的波分復(fù)用和相干光通信系統(tǒng)中使用。3、簡述半導(dǎo)體激光器工作原理。答：半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒

2、子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。4、簡述數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)的區(qū)別。答：數(shù)字通信系統(tǒng)用參數(shù)取值離散的信號(hào)(如脈沖的有和無、電平的高和低等)代表信息，強(qiáng)調(diào)的是信號(hào)和信息之間的一一對應(yīng)關(guān)系； 模擬通信系統(tǒng)則用參數(shù)取值連續(xù)的信號(hào)代表信息，強(qiáng)調(diào)的是變換過程中信號(hào)和信息之間的線性關(guān)系。這種基本特征決定著兩種通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)和不同時(shí)期的發(fā)展趨勢。5、什么是電光延遲和張弛振蕩？會(huì)產(chǎn)生什么樣的后果？ 答：（1）輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個(gè)初始延遲時(shí)間，稱為電光延遲時(shí)間td，其數(shù)量級(jí)一般為ns； （2）當(dāng)電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會(huì)出現(xiàn)幅度逐漸衰

3、減的振蕩，稱為張弛振蕩； （3）產(chǎn)生的后果：張弛振蕩和電光延遲的后果是限制調(diào)制速率。6、光纖通信有哪些優(yōu)點(diǎn)？ 答：（1） 容許頻帶很寬，傳輸容量很大； （2） 損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很??； （3） 重量輕、體積小； （4） 抗電磁干擾性能好； （5） 泄漏小，保密性能好； （6） 節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用。7、基本光纖傳輸系統(tǒng)有哪幾部分組成？簡述各部分的主要功能及主要組成部分。答：基本光纖傳輸系統(tǒng)由光發(fā)送機(jī)、光纖線路和光接收機(jī)三部分組成。（1）光發(fā)送機(jī)的主要功能：是把輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并用耦合技術(shù)把光信號(hào)最大限度地注入光纖線路。主要組成部分包括光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器。（2

4、）光纖線路的主要功能：是把來自光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)。主要組成部分包括光纖、光纖接頭和光纖連接器。（3）光接收機(jī)的主要功能：是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號(hào)。主要組成部分包括光電檢測器，放大器，耦合器，解調(diào)器和相關(guān)電路。8、光纖損耗產(chǎn)生的原因及其危害是什么？ 答：光纖損耗的原因包括吸收損耗和散射損耗兩部分。 吸收損耗：是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。散射損耗：主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。瑞利散射損耗是光纖的固有損耗

5、，它決定著光纖損耗的最低理論極限。損耗的危害就是會(huì)使光信號(hào)幅度減小，以致于限制系統(tǒng)的傳輸距離 。9、光纖通信為什么向長波長、單模光纖方向發(fā)展？ 答：從多模突變型（SIF）、漸變型（GIF）光纖到單模（SMF）光纖，損耗依次減小。在0.81.55m波段內(nèi)，除吸收峰外，光纖損耗隨波長增加而迅速減小。在1.39m OH-吸收峰兩側(cè)1.31m和1.55m存在兩個(gè)損耗極小的波長“窗口”。另一方面，從色散的討論中看到：從SIF、GIF光纖到SMF光纖，色散依次減小（帶寬依次增大）。石英單模光纖的零色散波長在1.31m，還可以把零色散波長從1.31m移到1.55m，實(shí)現(xiàn)帶寬最大損耗最小的傳輸。正因?yàn)檫@些特性

6、，使光纖通信從SIF、GIF光纖發(fā)展到SMF光纖，從短波長（0.85m）“窗口”發(fā)展到長波長（1.31m和1.55m）“窗口”，使系統(tǒng)技術(shù)水平不斷提高。10、根據(jù)下圖說明光隔離器的工作原理？ 答：具有任意偏振態(tài)的入射光首先通過一個(gè)空間分離偏振器(SWP: Spatial Walk off Polarizer)。這個(gè)SWP的作用是將入射光分解為兩個(gè)正交偏振分量，讓垂直分量直線通過，水平分量偏折通過。兩個(gè)分量都要通過法拉弟旋轉(zhuǎn)器，其偏振態(tài)都要旋轉(zhuǎn)45。法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟隨的是一塊半波片。這個(gè)半波片的作用是將從左向右傳播的光的偏振態(tài)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45，將從右向左傳播的光的偏振態(tài)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45。因而法拉弟

7、旋轉(zhuǎn)器與半波片的組合可以使垂直偏振光變?yōu)樗狡窆猓粗嗳弧Ｗ詈髢蓚€(gè)分量的光在輸出端由另一個(gè)SWP合在一起輸出，如圖(a)所示。另一方面，如果存在反射光在反方向上傳輸，半波片和法拉弟旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)方向正好相反，當(dāng)兩個(gè)分量的光通過這兩個(gè)器件時(shí)，其旋轉(zhuǎn)效果相互抵消，偏振態(tài)維持不變，在輸入端不能被SWP再組合在一起，如圖(b)所示，于是就起到隔離作用。11、數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)分別有哪些？ 答：(1) 數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下： 抗干擾能力強(qiáng)，傳輸質(zhì)量好。 可以用再生中繼，傳輸距離長。 適用各種業(yè)務(wù)的傳輸，靈活性大。 容易實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的保密通信。 數(shù)字通信系統(tǒng)大量采用數(shù)字電路，易于集成，從而

8、實(shí)現(xiàn)小型化、微型化，增強(qiáng)設(shè)備可靠性，有利于降低成本。 (2) 模擬通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下: 占用帶寬較窄外，電路簡單易于實(shí)現(xiàn)、價(jià)格便宜等。 12、光纖通信系統(tǒng)中對光檢測器的具體要求有哪些？ 答：光纖通信系統(tǒng)中對光檢測器的具體要求是：（1）波長響應(yīng)要和光纖低損耗窗口（0.85m、1.31m和1.55m）兼容； （2）響應(yīng)度要高，在一定的接收光功率下，能產(chǎn)生最大的光電流； （3）噪聲要盡可能低，能接收極微弱的光信號(hào)； （4）性能要穩(wěn)定，可靠性高，壽命長，功耗和體積小。 13、數(shù)字光發(fā)射機(jī)和數(shù)字光接收機(jī)的主要功能有哪些？答：數(shù)字光發(fā)射機(jī)的主要功能是把電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)（電/光轉(zhuǎn)換是用

9、承載信息的數(shù)字電信號(hào)對光源進(jìn)行調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的）；并用耦合技術(shù)有效注入光纖線路。 數(shù)字光接收機(jī)的主要功能是是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號(hào)。14、數(shù)字光接收機(jī)中主放大器放大器的作用是什么？答：主放大器一般是多級(jí)放大器，它的作用是： （1）提供足夠的增益 （2）并通過它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，使輸入光信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)， 輸出電信號(hào)保持恒定。15、數(shù)字光接收機(jī)中均衡和再生電路的主要功能是什么？答：均衡的功能： 1、對經(jīng)光纖傳輸、光/電轉(zhuǎn)換和放大后已產(chǎn)生畸變(失真)的電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償； 2、使輸出信號(hào)的波形適合于判決(一般用具有升余

10、弦譜的碼元脈沖波形)，以消除碼間干擾，減小誤碼率。 再生電路包括：判決電路和時(shí)鐘提取電路。功能是從放大器輸出的信號(hào)與噪聲混合的波形 中提取碼元時(shí)鐘，并逐個(gè)地對碼元波形進(jìn)行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。 16、數(shù)字光接收機(jī)中的前置放大器常用類型有哪些？各有什么特點(diǎn)？答：數(shù)字光接收機(jī)中的前置放大器常用類型有：雙極型晶體管前置放大器、場效應(yīng)管前置放大器和跨阻型前置放大器三種類型。雙極型晶體管前置放大器的主要特點(diǎn)是輸入阻抗低， 電路時(shí)間常數(shù)RC小于信號(hào)脈沖寬度T，因而碼間干擾小，適用于高速率傳輸系統(tǒng)。場效應(yīng)管前置放大器的主要特點(diǎn)是輸入阻抗高， 噪聲小，高頻特性較差，適用于低速率傳輸系統(tǒng)。跨阻型前置放大

11、器最大的優(yōu)點(diǎn)是改善了帶寬特性和動(dòng)態(tài)范圍，并具有良好的噪聲特性。17、數(shù)字光接收機(jī)的靈敏度指的是什么？其大小主要取決于哪些因素？答：靈敏度是指在保證通信質(zhì)量(限定誤碼率或信噪比)的條件下，光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率Pmin ，并以dBm為單位。由定義得到它是衡量光接收機(jī)質(zhì)量的綜合指標(biāo)，反映接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，接收微弱光信號(hào)的能力。靈敏度主要取決于以下三個(gè)因素：組成光接收機(jī)的光電二極管和放大器的噪聲；傳輸速率、光發(fā)射機(jī)的參數(shù)和光纖線路的色散的影響；系統(tǒng)要求的誤碼率或信噪比。18、理想光接收機(jī)的靈敏度是指什么？答：假設(shè)光檢測器的暗電流為零，放大器完全沒有噪聲，系統(tǒng)可以檢測出單個(gè)光子形成的

12、電子-空穴對 所產(chǎn)生的光電流， 這種接收機(jī)稱為理想光接收機(jī)。 理想光接收機(jī)的靈敏度只受到光檢測器的量子噪聲的限制，因?yàn)榱孔釉肼暿前殡S光信號(hào)的隨機(jī)噪聲，只要有光信號(hào)輸入，就有量子噪聲存在。這是光接收機(jī)可能達(dá)到的最高靈敏度，這個(gè)極限值是由量子噪聲決定的，所以也稱為量子極限。 19、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的主要要求有哪些？答：數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的主要要求是保證傳輸?shù)耐该餍?，具體要求有： (1) 能限制信號(hào)帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。這樣就可以減小基線漂移、提高輸出功率的穩(wěn)定性和減小碼間干擾， 有利于提高光接收機(jī)的靈敏度。 (2) 能給光接收機(jī)提供足夠的定時(shí)信息。因而應(yīng)盡可能減少連“”

13、碼和連“0”碼的數(shù)目，使“1”碼和“0”碼的分布均勻， 保證定時(shí)信息豐富。 (3) 能提供一定的冗余碼，用于平衡碼流、誤碼監(jiān)測和公務(wù)通信。但對高速光纖通信系統(tǒng)，應(yīng)適當(dāng)減少冗余碼，以免占用過大的帶寬。 20、在進(jìn)行mBnB碼的編碼中，什么是碼字代數(shù)和？nB碼的選擇原則是什么？ 答：(1) 碼字代數(shù)和WDS：在nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼，用“+1”代表“1”碼，整個(gè)碼字的代數(shù)和即為WDS。 (2) nB碼的選碼規(guī)則：盡可能選用碼字代數(shù)和|WDS|最小的碼字，禁止使用|WDS|最大的碼字。21、簡述mBnB碼的優(yōu)缺點(diǎn)。答：mBnB碼是一種分組碼，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)傳輸特性的要求確定某種碼表。

14、優(yōu)點(diǎn)是： (1) 碼流中“0”和“1”碼的概率相等， 連“0”和連“1”的數(shù)目較少，定時(shí)信息豐富； (2) 高低頻分量較小，信號(hào)頻譜特性較好，基線漂移?。?(3) 在碼流中引入一定的冗余碼， 便于在線誤碼檢測。 缺點(diǎn)是：傳輸輔助信號(hào)比較困難。因此，在要求傳輸輔助信號(hào)或有一定數(shù)量的區(qū)間通信的設(shè)備中，不宜用這種碼型。 22、受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點(diǎn)有何區(qū)別？答：受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。 自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。23、光電檢測器的檢測方式有哪兩種？

15、簡述各自含義及其特點(diǎn)。答：光電檢測器的檢測方式有直接檢測和外差檢測兩種。（1）直接檢測是指用檢測器直接把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。這種檢測設(shè)備簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，是當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)普遍采用的方式。（2）外差檢測要設(shè)置一個(gè)本地振蕩器和光混頻器，使本地振蕩光和光纖輸出的信號(hào)光在混頻器中產(chǎn)生差拍而輸出中頻光信號(hào)，再由光檢測器把中頻光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這種檢測方式具有很高的接收靈敏度。但是需要頻率非常穩(wěn)定、相位和偏振方向可控制、譜線寬度很窄的單模激光源。24、簡述色散的定義及種類，并說明各種類型色散的成因及其決定因素。答：色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，由于不同成分的光的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。色散的種類

16、：模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散三種。模式色散是由于不同模式的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生。取決于光纖折射率分布，并和光纖材料折射率的波長特性有關(guān)。材料色散是由于光纖折射率隨波長改變，以及模式的內(nèi)部不同波長成分的光，其時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生。取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜線寬度。波導(dǎo)色散是由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長有關(guān)而產(chǎn)生的。取決于波導(dǎo)尺寸和纖芯與包層的相對折射率差。25、根據(jù)下圖闡述光纖損耗的機(jī)理。單模光纖損耗譜 答：這是單模光纖的損耗譜，圖中示出了各種機(jī)理產(chǎn)生的損耗與波長的關(guān)系，這些機(jī)理包括吸收損耗和散射損耗兩部分。（1）吸收損耗：是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。由材料電子

17、躍遷引起的吸收帶發(fā)生在紫外（UV）區(qū)，由分子振動(dòng)引起的吸收帶發(fā)生在紅外（IR）區(qū)，由于SiO2是非晶體材料，兩種吸收帶從不同方向伸展到可見光區(qū)。由此產(chǎn)生的固有吸收很小，在0.81.6m波段，小于0.1dB/km，在1.31.6m波段，小于0.03dB/km。光纖中的雜質(zhì)主要有過渡金屬（例如Fe2+，Co2+，Cu2+）和氫氧根（OH-）離子，這些雜質(zhì)是早期實(shí)現(xiàn)低損耗光纖的障礙。由于技術(shù)的進(jìn)步，目前過渡金屬離子的含量已經(jīng)降低到其影響可以忽略的程度。由氫氧根（OH-）離子產(chǎn)生的吸收峰出現(xiàn)在0.95m、1.24m和1.39m波長，其中以1.39m的吸收峰影響最為嚴(yán)重。（2）散射損耗：主要由材料微觀密

18、度不均勻引起的瑞利散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。結(jié)構(gòu)缺陷散射產(chǎn)生的損耗與波長無關(guān)。瑞利散射損耗與波長四次方成反比，是光纖的固有損耗，它決定著光纖損耗的最低理論極限。26、簡述光纜的四種基本型式及各種型式的構(gòu)成。答：光纜的四種基本型式包括層絞式、骨架式、中心束管式和帶狀式。（1）層絞式：把松套光纖繞在中心加強(qiáng)件周圍絞合而構(gòu)成。 （2）骨架式：把緊套光纖或一次被覆光纖放入中心加強(qiáng)件周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構(gòu)成。（3）中心束管式：把一次被覆光纖或光纖束放入大套管中，加強(qiáng)件配置在套管周圍而構(gòu)成。（4）帶狀式：把帶狀光纖單元放入大套管內(nèi)，形成中心束管式結(jié)構(gòu)，也可以把帶狀光纖單元放入

19、骨架凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)，形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。27、何為光學(xué)諧振腔？有哪些作用？答：光學(xué)諧振腔是指光波在其中來回反射，從而提供光能反饋的空腔。主要作用包括1、提供反饋能量；2、選擇光波的方向和頻率。28、耦合器的功能是什么？常用耦合器的類型有哪些，各有什么特點(diǎn)？答：耦合器的功能是把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出， 或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出。耦合器類型：T形耦合器、星形耦合器、定向耦合器、波分復(fù)用器/解復(fù)用器（1）T形耦合器是把一根光纖輸入的光信號(hào)按一定比列分配給兩根光纖，或把兩根光纖輸入的光信號(hào)組合在一起，輸入一根光纖。用途：不同分路比的功率分配器或功率組合器。 （2）星形耦合器是把

20、 n 根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻的分配給 m 根光纖，m 和 n 不一定相等。用途：通常用作多端功率分配器。（3）定向耦合器是分別取出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)。光信號(hào)從端1傳輸?shù)蕉?，一部分由端3輸出，端4無輸出；光信號(hào)從端2傳輸?shù)蕉?，一部分由端4輸出，端3無輸出。用途：可用作分路器，不能用作合路器。（4）波分復(fù)用器/解復(fù)用器是把多個(gè)不同波長的發(fā)射機(jī)輸出的光信號(hào)組合在一起，輸入到一根光纖；解復(fù)用器是把一根光纖輸出的多個(gè)不同波長的光信號(hào)，分配給不同的接收機(jī)。用途：提高系統(tǒng)容量。29、光發(fā)射機(jī)中對通信用光源的要求有哪些？答：光發(fā)射機(jī)中對通信用光源的要求如下： (1) 發(fā)射的光波長應(yīng)和

21、光纖低損耗“窗口”一致，即中心波長應(yīng)在0.85m、 1.31m和1.55m附近。光譜單色性要好，即譜線寬度要窄，以減小光纖色散對帶寬的限制。 (2) 電/光轉(zhuǎn)換效率要高，即要求在足夠低的驅(qū)動(dòng)電流下， 有足夠大而穩(wěn)定的輸出光功率，且線性良好。發(fā)射光束的方向性要好，即遠(yuǎn)場的輻射角要小，以利于提高光源與光纖之間的耦合效率。 (3) 允許的調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快，以滿足系統(tǒng)的大傳輸容量的要求。 (4) 器件應(yīng)能在常溫下以連續(xù)波方式工作，要求溫度穩(wěn)定性好 可靠性高，壽命長。 (5) 此外，要求器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價(jià)格便宜。 以上各項(xiàng)中，調(diào)制速率、譜線寬度、輸出光功率和光束方向性，直接影響光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離，是光源最重要的技術(shù)指標(biāo)。30、電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象分別指什么？它們都有什么特點(diǎn)？