光纤通信期末考试简答.docx

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光纤通信期末考试简答

光纤通信期末考试简答

简答题

1、画出光纤通信系统的基本组成框图。

2、光纤通信系统中，电信号对光的调制的实现方式有哪两种？

简述各自含义及特点。

答：

电信号对光的调制的实现方式分别为直接调制和外调制。

直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。

这种方案的特点是技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。

外调制是把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。

外调制的特点是调制速率高，但技术复杂，成本较高。

因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。

3、简述半导体激光器工作原理。

答：

半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。

4、简述数字通信系统和模拟通信系统的区别。

答：

数字通信系统用参数取值离散的信号（如脉冲的有和无、电平的高和低等）代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；

模拟通信系统则用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。

这种基本特征决定着两种通信方式的优缺点和不同时期的发展趋势。

5、什么是电光延迟和张弛振荡？

会产生什么样的后果？

答：

（1）输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间td，其数量级一般为ns；

（2）当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为张弛振荡；

（3）产生的后果：

张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。

6、光纤通信有哪些优点？

答：

（1）容许频带很宽，传输容量很大；

（2）损耗很小，中继距离很长且误码率很小；

（3）重量轻、体积小；

（4）抗电磁干扰性能好；

（5）泄漏小，保密性能好；

（6）节约金属材料，有利于资源合理使用。

7、基本光纤传输系统有哪几部分组成？

简述各部分的主要功能及主要组成部分。

答：

基本光纤传输系统由光发送机、光纤线路和光接收机三部分组成。

（1）光发送机的主要功能：

是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地注入光纤线路。

主要组成部分包括光源、驱动器和调制器。

（2）光纤线路的主要功能：

是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变（失真）和衰减传输到光接收机。

主要组成部分包括光纤、光纤接头和光纤连接器。

（3）光接收机的主要功能：

是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。

主要组成部分包括光电检测器，放大器，耦合器，解调器和相关电路。

8、光纤损耗产生的原因及其危害是什么？

答：

光纤损耗的原因包括吸收损耗和散射损耗两部分。

吸收损耗：

是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。

散射损耗：

主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射产生的。

瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。

损耗的危害就是会使光信号幅度减小，以致于限制系统的传输距离。

9、光纤通信为什么向长波长、单模光纤方向发展？

答：

从多模突变型（SIF）、渐变型（GIF）光纤到单模（SMF）光纤，损耗依次减小。

在0.8～1.55μm波段内，除吸收峰外，光纤损耗随波长增加而迅速减小。

在1.39μmOH-吸收峰两侧1.31μm和1.55μm存在两个损耗极小的波长“窗口”。

另一方面，从色散的讨论中看到：

从SIF、GIF光纤到SMF光纤，色散依次减小（带宽依次增大）。

石英单模光纤的零色散波长在1.31μm，还可以把零色散波长从1.31μm移到1.55μm，实现带宽最大损耗最小的传输。

正因为这些特性，使光纤通信从SIF、GIF光纤发展到SMF光纤，从短波长（0.85μm）“窗口”发展到长波长（1.31μm和1.55μm）“窗口”，使系统技术水平不断提高。

10、根据下图说明光隔离器的工作原理？

答：

具有任意偏振态的入射光首先通过一个空间分离偏振器（SWP:

SpatialWalkoffPolarizer）。

这个SWP的作用是将入射光分解为两个正交偏振分量，让垂直分量直线通过，水平分量偏折通过。

两个分量都要通过法拉弟旋转器，其偏振态都要旋转45°。

法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片。

这个半波片的作用是将从左向右传播的光的偏振态顺时针旋转45°，将从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转45°。

因而法拉弟旋转器与半波片的组合可以使垂直偏振光变为水平偏振光，反之亦然。

最后两个分量的光在输出端由另一个SWP合在一起输出，如图（a）所示。

另一方面，如果存在反射光在反方向上传输，半波片和法拉弟旋转器的旋转方向正好相反，当两个分量的光通过这两个器件时，其旋转效果相互抵消，偏振态维持不变，在输入端不能被SWP再组合在一起，如图（b）所示，于是就起到隔离作用。

11、数字通信系统和模拟通信系统的优点分别有哪些？

答：

（1）数字通信系统的优点如下：

①抗干扰能力强，传输质量好。

②可以用再生中继，传输距离长。

③适用各种业务的传输，灵活性大。

④容易实现高强度的保密通信。

⑤数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。

（2）模拟通信系统的优点如下:

占用带宽较窄外，电路简单易于实现、价格便宜等。

12、光纤通信系统中对光检测器的具体要求有哪些？

答：

光纤通信系统中对光检测器的具体要求是：

（1）波长响应要和光纤低损耗窗口（0.85μm、1.31μm和1.55μm）兼容；

（2）响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流；

（3）噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；

（4）性能要稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。

13、数字光发射机和数字光接收机的主要功能有哪些？

答：

数字光发射机的主要功能是把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号（电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的）；并用耦合技术有效注入光纤线路。

数字光接收机的主要功能是是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。

14、数字光接收机中主放大器放大器的作用是什么？

答：

主放大器一般是多级放大器，它的作用是：

（1）提供足够的增益

（2）并通过它实现自动增益控制（AGC），使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。

15、数字光接收机中均衡和再生电路的主要功能是什么？

答：

均衡的功能：

1、对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变（失真）的电信号进行补偿；

2、使输出信号的波形适合于判决（一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形），以消除码间干扰，减小误码率。

再生电路包括：

判决电路和时钟提取电路。

功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。

16、数字光接收机中的前置放大器常用类型有哪些？

各有什么特点？

答：

数字光接收机中的前置放大器常用类型有：

双极型晶体管前置放大器、场效应管前置放大器和跨阻型前置放大器三种类型。

双极型晶体管前置放大器的主要特点是输入阻抗低，电路时间常数RC小于信号脉冲宽度T，因而码间干扰小，适用于高速率传输系统。

场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高，噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。

跨阻型前置放大器最大的优点是改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。

17、数字光接收机的灵敏度指的是什么？

其大小主要取决于哪些因素？

答：

灵敏度是指在保证通信质量（限定误码率或信噪比）的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率〈P〉min，并以dBm为单位。

由定义得到

它是衡量光接收机质量的综合指标，反映接收机调整到最佳状态时，接收微弱光信号的能力。

灵敏度主要取决于以下三个因素：

①组成光接收机的光电二极管和放大器的噪声；

②传输速率、光发射机的参数和光纤线路的色散的影响；

③系统要求的误码率或信噪比。

18、理想光接收机的灵敏度是指什么？

答：

假设光检测器的暗电流为零，放大器完全没有噪声，系统可以检测出单个光子形成的电子-空穴对所产生的光电流，这种接收机称为理想光接收机。

理想光接收机的灵敏度只受到光检测器的量子噪声的限制，因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声，只要有光信号输入，就有量子噪声存在。

这是光接收机可能达到的最高灵敏度，这个极限值是由量子噪声决定的，所以也称为量子极限。

19、数字光纤通信系统对线路码型的主要要求有哪些？

答：

数字光纤通信系统对线路码型的主要要求是保证传输的透明性，具体要求有：

（1）能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。

这样就可以减小基线漂移、提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，有利于提高光接收机的灵敏度。

（2）能给光接收机提供足够的定时信息。

因而应尽可能减少连“１”码和连“0”码的数目，使“1”码和“0”码的分布均匀，保证定时信息丰富。

（3）能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码监测和公务通信。

但对高速光纤通信系统，应适当减少冗余码，以免占用过大的带宽。



20、在进行mBnB码的编码中，什么是码字代数和？

nB码的选择原则是什么？

答：

（1）码字代数和WDS：

在nB码的码字中，用“-1”代表“0”码，用“+1”代表“1”码，整个码字的代数和即为WDS。

（2）nB码的选码规则：

尽可能选用码字代数和|WDS|最小的码字，禁止使用|WDS|最大的码字。

21、简述mBnB码的优缺点。

答：

mBnB码是一种分组码，设计者可以根据传输特性的要求确定某种码表。

优点是：

（1）码流中“0”和“1”码的概率相等，连“0”和连“1”的数目较少，定时信息丰富；

（2）高低频分量较小，信号频谱特性较好，基线漂移小；

（3）在码流中引入一定的冗余码，便于在线误码检测。

缺点是：

传输辅助信号比较困难。

因此，在要求传输辅助信号或有一定数量的区间通信的设备中，不宜用这种码型。

22、受激辐射和自发辐射产生的光的特点有何区别？

答：

受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。

自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。

23、光电检测器的检测方式有哪两种？

简述各自含义及其特点。

答：

光电检测器的检测方式有直接检测和外差检测两种。

（1）直接检测是指用检测器直接把光信号转化为电信号。

这种检测设备简单，经济实用，是当前光纤通信系统普遍采用的方式。

（2）外差检测要设置一个本地振荡器和光混频器，使本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输出中频光信号，再由光检测器把中频光信号转换为电信号。

这种检测方式具有很高的接收灵敏度。

但是需要频率非常稳定、相位和偏振方向可控制、谱线宽度很窄的单模激光源。

24、简述色散的定义及种类，并说明各种类型色散的成因及其决定因素。

答：

色散是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。

色散的种类：

模式色散、材料色散和波导色散三种。

模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生。

取决于光纤折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。

材料色散是由于光纤折射率随波长改变，以及模式的内部不同波长成分的光，其时间延迟不同而产生。

取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。

波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的。

取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。

25、根据下图阐述光纤损耗的机理。

单模光纤损耗谱

答：

这是单模光纤的损耗谱，图中示出了各种机理产生的损耗与波长的关系，这些机理包括吸收损耗和散射损耗两部分。

（1）吸收损耗：

是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。

由材料电子跃迁引起的吸收带发生在紫外（UV）区，由分子振动引起的吸收带发生在红外（IR）区，由于SiO2是非晶体材料，两种吸收带从不同方向伸展到可见光区。

由此产生的固有吸收很小，在0.8~1.6μm波段，小于0.1dB/km，在1.3~1.6μm波段，小于0.03dB/km。

光纤中的杂质主要有过渡金属（例如Fe2+，Co2+，Cu2+）和氢氧根（OH-）离子，这些杂质是早期实现低损耗光纤的障碍。

由于技术的进步，目前过渡金属离子的含量已经降低到其影响可以忽略的程度。

由氢氧根（OH-）离子产生的吸收峰出现在0.95μm、1.24μm和1.39μm波长，其中以1.39μm的吸收峰影响最为严重。

（2）散射损耗：

主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射产生的。

结构缺陷散射产生的损耗与波长无关。

瑞利散射损耗与波长四次方成反比，是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。

26、简述光缆的四种基本型式及各种型式的构成。

答：

光缆的四种基本型式包括层绞式、骨架式、中心束管式和带状式。

（1）层绞式：

把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。

（2）骨架式：

把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。

（3）中心束管式：

把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。

（4）带状式：

把带状光纤单元放入大套管内，形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。

27、何为光学谐振腔？

有哪些作用？

答：

光学谐振腔是指光波在其中来回反射，从而提供光能反馈的空腔。

主要作用包括1、提供反馈能量；2、选择光波的方向和频率。

28、耦合器的功能是什么？

常用耦合器的类型有哪些，各有什么特点？

答：

耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。

耦合器类型：

T形耦合器、星形耦合器、定向耦合器、波分复用器/解复用器

（1）T形耦合器是把一根光纤输入的光信号按一定比列分配给两根光纤，或把两根光纤输入的光信号组合在一起，输入一根光纤。

用途：

不同分路比的功率分配器或功率组合器。

（2）星形耦合器是把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀的分配给m根光纤，m和n不一定相等。

用途：

通常用作多端功率分配器。

（3）定向耦合器是分别取出光纤中向不同方向传输的光信号。

光信号从端1传输到端2，一部分由端3输出，端4无输出；光信号从端2传输到端1，一部分由端4输出，端3无输出。

用途：

可用作分路器，不能用作合路器。

（4）波分复用器/解复用器是把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光纤；解复用器是把一根光纤输出的多个不同波长的光信号，分配给不同的接收机。

用途：

提高系统容量。

29、光发射机中对通信用光源的要求有哪些？

答：

光发射机中对通信用光源的要求如下：



（1）发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。

光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。



（2）电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。

发射光束的方向性要好，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之间的耦合效率。

（3）允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统的大传输容量的要求。



（4）器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好可靠性高，寿命长。

（5）此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。

以上各项中，调制速率、谱线宽度、输出光功率和光束方向性，直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离，是光源最重要的技术指标。

30、电光延迟和张弛振荡现象分别指什么？

它们都有什么特点？

会产生哪些危害？

可以采取什么措施尽量消除其影响。

答：

半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟（开通延迟）时间td，其数量级一般为ns。

当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为张弛振荡（弛豫振荡），其振荡频率fr（=ωr/2π）一般为0.5~2GHz。

张弛振荡和电光延迟均与激光器有源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关。

产生的不良后果是：

限制调制频率。

当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最高调制频率应低于张弛振荡频率。

一般采用为LD施加一个偏置电流来抑制张弛振荡和电光延迟。

施加偏置电流，有利于提高张弛振荡频率ωr，减小其幅度衰减时间τo，以及减小电光延迟时间td，因此对LD施加偏置电流是非常必要的，可以有效避免这种现象的发生。

31、请根据下图阐述ATC电路的工作原理。

答：

ATC电路主要由R1、R2、R3和热敏电阻RT组成“换能”电桥，通过电桥把温度的变化转换为电量的变化。

运算放大器A的差动输入端跨接在电桥的对端，用以改变三极管V的基极电流。

在设定温度（例如20度）时，调节R3使电桥平衡，A、B两点没有电位差，传输到运算放大器A的信号为零，流过致冷器TEC的电流也为零。

当环境温度升高时，LD的管芯和热沉温度也升高，使具有负温度系数的热敏电阻RT的阻值减小，电桥失去平衡。

这时B点的电位低于A点的电位，运算放大器A的输出电压升高，V的基极电流增大，致冷器TEC的电流也增大，致冷端温度降低，热沉和管芯的温度也降低，因而保持温度恒定。

