《光纤通信》作业(2016.1.28)2

《光纤通信》作业（2016.1.30）

1.1 光纤通信有哪些特点？

1、光纤通信的优点：

（1）传输容量大。（2）传输损耗小，中继距离长。（3）信号泄漏小，保密性好。（4）节省有色金属。（5）抗电磁干扰性能好。（6）重量轻，可挠性好，敷设方便。

2、光纤通信的缺点：

（1）抗拉强度低。（2）连接困难。（3）怕水。

1.2 简述光纤通信系统的主要组成部分。

光纤通信系统的主要组成部分为：（1）光纤光缆、（2）光源（光发送机）、（3）光检测器（光接收机）、（4）无源器件、（5）光放大器（光中继器）。

1.4为什么使用石英光纤的光纤通信系统中，工作波长只能选择850nm、1310nm、1550nm三种？

由于目前使用的光纤均为石英光纤，而石英光纤的损耗——波长特性中有三个低损耗的波长区，即波长为850nm、1310nm、1550nm三个低损耗区。为此，光纤通信系统的工作波长只能是选择在这三个波长窗口。

2.1 光纤传输信号产生能量衰减的原因是什么？光纤的损耗系数对通信有什么影响？

1、光纤产生能量衰减的原因包括：（1）吸收、（2）散射和（3）辐射。

2、光纤的损耗系数会导致信号功率损失，造成信号接收困难。

2.2 在一个光纤通信系统中，光源波长为1550nm，光波经过5km长的光纤线路传输后，其光功率下降了25%，则该光纤的损耗系数为多少？

2.3 光脉冲在光纤中传输时，为什么会产生瑞利散射？瑞利散射损耗的大小与什么有关？

瑞利散射是由于光纤内部的密度不远匀引起的，从而使折射率沿纵向产生不均匀，其不均匀点的尺寸比光波波长还要小。光在光纤中传输时，遇到这些比波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生了散射。

2、瑞利散射损耗的大小与成正比。

2.4 光纤中产生色散的原因是什么？色散对通信有什么影响？

1、光纤的色散是由于光纤中所传输的光信号不同的频率成分和不同模式成分的群速度不同而引起的传输信号畸变的一种物理现象。

2、色散会导致传输光脉冲的展宽，继而引起码间干扰，增加误码。对于高速率长距离光纤通信系统而言，色散是限制系统性能的主要因素之一。

2.5 光纤中色散有几种？单模传输光纤中主要是什么色散？多模传输光纤中主要存在什么色散？

1、从产生机理而言，光纤中的色散主要包括：（1）材料色散、（2）波导色散和（3）模式间色散。

2、单模光纤中主要是波导色散。

3、多模光纤中主要是模式间色散。

注：偏振模色散可以理解为是：特殊的模式色散，但在速率较低的系统中影响较小。

2.8 何谓模式截止？光纤单模传输的条件是什么？单模光纤中传输的是什么模式？其截止波长为多大？阶跃折射率光纤中线性极化模LP11模对应的是什么矢量模？

1、对每一个传播模来说，在包层中它应该是衰减很大，不能传输。如果一个传播模，在包层中不衰减，也就是表明该模是传过包层而变成了辐射模，则就认为该传播模被截止。

所以一个传播模在包层中的衰减常数W=0时，表示导模截止。

2、单模光纤传输条件：归一化频率V≤2.405

3、单模光纤中传输的是LP01模，对应的矢量模是HE11模。

4、截止波长由下式计算：

5、LP11模对应的矢量模是：TE01, TM01, HE21。

3.1 比较半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）的异同。LD有哪些特性？LED有哪些特性？

1、（1）、相同点：LD和LED都可以用作通信光源。

（2）、不同点：LD原理是受激辐射，而LED是自发辐射。

2、LD有以下特性：LD是阈值器件，需要较完善的驱动和外围的电路，其发出的光谱线窄，适宜于高速率系统。

3、LED有以下特性：LED没有阈值，结构简单，但其谱线较宽，适用于要求较低的场合。

3.2 为什么LD要工作在正向偏置状态？何谓激光器的阈值电流？激光器的阈值电流与激光器的使用温度、使用时间有什么关系？

1、LD加正向偏置电压用以克服PN结中自建场的影响，从而降低势垒，以形成粒子数反转分布。

2、激光器阈值电流是指：满足克服谐振腔内损耗而产生激光的最小的外加激励电流。

3、激光器的阈值电流与温度和使用时间成正比关系。

3.4 已知半导体材料GaAs（镓砷）的禁带宽度Eg=1.43ev，InGaAsP（铟镓砷

磷）的Eg=0.96ev，分别求由这两种材料组成的半导体激光器的发射波长。（普朗克常数h=6.626×10-34J·S，1ev＝1.6×10-19J）

1、（1）镓砷GaAs组成的半导体激光器的发射频率为：

（2）、发射波长为：

2、（1）铟镓砷磷InGaAsP组成的半导体激光器的发射频率为：

（2）发射波长为：

3.6 在光纤通信系统中对LD驱动电路和偏置电路有什么要求？在LD驱动电路中为什么一定要加偏置电流？偏置电流应加多大才合适？若偏置电流加得过大或过小，对LD的调制特性会产生什么影响？

1、对LD驱动电路和偏置电路的要求是：

（1）输出的光脉冲峰值保持恒定。

（2）光脉冲的通断比应>>10。

（3）激光发射的时间必须远短于码无时间。

（4）采用阻尼电路以避免张弛振荡。

2、因为半导体激光器（LD）是阈值器件，只有外加驱动电流超过阈值后，才能发出激光，为使得较小的数据电流亦可产生足够的光输出，因此，需要加偏置电流。

3、偏置电流的选取原则是略小于阈值电流。

4、（1）偏置电流太小了，需要较大的数据电流才能满足阈值条件。

（2）偏置电流太大了，会引起消光比性能下降，同时，较高的电流也会产生较大的热量，以及寿命的缩短。

3.7某数字光纤通信系统，在实际使用中，发现半导体激光器（LD）的输出光功率慢慢下降，试分析其原因并提出解决办法。

1、激光器的阈值电流会随温度升高及老化（使用时间长）而提高，阈值电流增加以后，输出光功率就会下降。

所以输出光功率慢慢下降，原因可能是：（1）温度升高，（2）使用时间长（老化）。

2、（1）如果是温度升高引起输出光功率慢慢下降，可以使用自动温度控制电路（ATC）致冷来解决。

（2）如果是使用时间长（老化）引起输出光功率慢慢下降，可以使用自动功率控制电路（APC）增加偏置电流来解决。

3.9 在数字光纤通信系统中，选择线路码型时，要考虑哪几个因素？字变换码（mBnB码）和插入码（Mb1H码）各有什么特点？采用mBnB码或Mb1H 码时，线路码速将比原来的信号码速提高多少？某数字光纤通信系统中，信息码速为139.264Mbit/s，若采用5B6B码其线路码速为多少？若采用4B1H线路码速又为多少？

1、线路码型选取的基本原则包括：

1）应有足够的定时含量，即应尽量减少连“0”和连“1”数，便于时钟提取。

2）应有不中断业务，进行误码检测的能力。

3）应力求降低线路传输的码率，或线路传输码率的提高应尽可能少。

4）应具有较好的抗干扰性能，满足一定接收机性能所需检测的光功率最小。

5）应具有尽可能简单和经济的变换方案。

6）传输中发生误码时，误码扩散范围和误码增值低。

常用的线路码型包括：（1）扰码、（2）字变换码和（3）插入码三种类型。

2、（1）字变换码（mBnB码）的特点：将输入二进制码分解成一个“码字”，输出用对应的另一种“码字”来代替。

常用字变换码为mBnB码，即将输入码流每m比特为一组，然后变换成另一种排列规则的n比特为一组的码流。字变换码中的n、m均为正整数，且n＞m。

（2）插入码（mB1H码）的特点：把输入原始码流分成每m比特（mB）一组，然后在每组mB码末尾按一定的规律插入一个码，组成m+1个码为一组的线路码流。根据插入码的规律，可以分为：①mB1C码②mB1H码③mB1P码等。

（3）除扰码外，字变换码和插入码都会提高线路传输速率。

3、（1）采用mBnB码时，线路码速将比原来的信号码速提高n/m倍。

（2）采用mB1H码时，线路码速将比原来的信号码速提高（m+1）/m倍。

4、（1）采用5B6B码时，线路码速为：139.264×6/5=167.1168 Mbit/s。

（2）采用4B1H码时，线路码速为：139.264×(4+1)/4=174.08 Mbit/s。

4.1 光纤通信系统对光检测器有什么要求？比较PIN和APD各自的特点。

1、光纤通信系统对光检测器的主要要求包括：（1）灵敏度高。（2）响应速度快。（3）噪声小。（4）稳定可靠。

2、（1）PIN的特点：增大了耗尽区的宽度，减小了扩散运动的影响，提高了响应速度。绝大部分的入射光在本征层内（I层内）被吸收（受激吸收），并产生大量的电子—空穴对。PIN用于短距离小容量光纤通信系统。PIN没有增益，用在灵敏度要求不高的场合。

（2）APD的特点：电子—空穴对多次碰撞产生雪崩光倍增效应。APD是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度要求较高的场合，用APD有利于延长系统的传输距离。APD用于长距离大容量光纤通信系统。

4.2.光敏二极管为什么必须工作在反向偏压状态？

1、在扩散区内，因为光生载流子的扩散速度比耗尽区内光生载流子的漂移速度慢得多，这部分光生载流子的扩散运动的时延，将使检测器输出电流脉冲后沿的拖尾加长，这影响了光敏二极管的响应时间，就限制了光电转换速度。

2、在反向偏压情况下，增加了耗尽区的宽度，缩小了耗尽区两侧扩散区的宽度，从而减小了光生电流中的扩散分量，反向偏压也增强了耗尽区内的电场，加快了光生载流子的漂移速度，有利于加快光敏二极管的响应时间。

4.4 何谓暗电流？暗电流是怎么产生的？暗电流的存在对信号的接收会产生什么影响？

1、处于反向偏压下的半导体光电二极管，在无光照时，仍有电流流过，这部分电流称为暗电流。

2、暗电流是由载流子的热扩散形成的，或者是由器件表面和内部的缺陷以及有害的杂质引起的。暗电流的大小由半导体材料及掺杂浓度决定。

3、暗电流与光源无信号时的残留光一样，在接收机中产生噪声。暗电流的存在限制了光敏二极管所能检测的最小光功率，也就是降低了接收机的灵敏度。

4.5 试述雪崩光敏二极管（APD）的工作原理。何谓“雪崩效应”？APD电流增益系数G与什么有关？

1、处于反向偏置的耗尽层光电二极管，当外加的反向偏压不断增加时，耗尽层内产生的光生载流子在强电场作用下得到加速，获得很大的功能。

高能的截流子与半导体晶体内的原子相碰撞，将束缚在价带中的电子激发到民带，从而在耗尽层内产生新的电子一空穴对，这种现象称为碰撞电离。

碰撞电离的第二代载流子在耗尽层的强电场的加速下，再次引起碰撞电离而产生第三代载流子。

2、碰撞电离的反复循环使耗尽层内的载流子数雪崩似的急剧增加，通过二极管的电流也就猛增，这就是雪崩倍增效应。

3、雪崩光电二极管（APD）就是利用雪崩倍增效应实现内部电流增益的半导体光电转换器件。

4、APD的电流增益系数G一般在40～100之间，其变化规律与外加的偏压有关。

5.1 光纤连接器应用在什么地方？影响光纤连接器损耗的因素有哪些？

1、光纤连接器是使一根光纤与另一根光纤之间完成活动连接的器件，主要用于光源器件尾纤输出或光电检测器尾纤输入与传输光纤之间的连接。

2、光纤连接时，引起的损耗与多种因素有关，诸如：（1）光纤的结构参数（如纤芯直径、数值孔径等）、（2）光纤的相对位置（如横向位移、纵向间隙等）以及（3）端面状态（如形状、平行度）等。

5.2 光纤连接器有哪些种类，叙述FC型光纤活动连接器的原理。

1、光行连接器的种类有：

（1）FC型光纤连接器；（2）SC型光纤连接器；（3）ST型光纤连接器；（4）双锥型连接器；（5）DIN光纤连接器；（6）MT-RJ型连接器；（7）LC型连接器；（8）MU型连接器。

2、FC型光纤活动连接器的原理：

其外部加强方式采用金属套，紧固方式为螺丝扣。采用的陶瓷插针的对接端面是平面接触方式。后来，对该类型连接器做了改进，采用对接端面呈球形的插针（SPC），而外部结构没有改变。

5.4 怎么定义光纤耦合器的插入损耗，附加损耗、耦合比和串扰？

1、插入损耗Li：是指一个指定输入端口（1或2）的输入光功率Pi和一个指

定的输出端口（3或4）的输出功率Po的比值，用分贝（dB）表示

2、附加损耗Le：是指全部输入端口（1或2）的输入光功率Pi总和与全部输出端口（3或4）的输出光功率Po总和的比值，用分贝（dB）表示

3、耦合比CR：是指某一个输出端口（3或4）的输出光功率Po与全部输出端口（3或4）的输出光功率Po总和的的比值，用分贝（dB）表示

4、串扰LC：是指一个输入端口（1）的输入光功率Pi与由耦合器泄漏到其他

输入端口（2）的光功率Pr总和的的比值，用分贝（dB）表示

5.5 光衰减器有几种，各有什么作用？

1、光衰减器是一种用来降低（改变）光功率的器件，可分为：（1）可变光衰减器和（2）固定光衰减器。

2、（1）可变光衰减器主要用于调节光线路电平，在测量光接收机灵敏度时，需要用可变光衰减器进行连续调节来观察接收机的误码率。在校正光功率计时，也需要光可变衰减器。

（2）固定光衰减器主要用于调整光纤通信线路电平，若光纤通信线路的电平太高，就需要串入固定光衰减器。

6.1 光放大器主要有几种？各自的实现机理是怎样的？

1、光放大器主要有：1）、半导体激光放大器，2）掺杂稀土元素光放大地对空，3）光纤布里渊放大器（FBA），4）光纤拉曼放大器（FRA）。

2、各自实现机理是：

1）半导体激光放大器：利用受激辐射对进入增益介质的光信号进行直接放大，其结构相当于一个处于高增益状态下的无谐振腔的半导体激光器。

2）掺杂稀土元素光放大器：掺杂稀土元素光放大器主要是：（1）掺铒光纤放大器（EDFA）和（2）掺镨光纤放大器（PDFA）。掺铒光纤放大器能放大光信号的机理：在于铒离子能吸收泵浦光的能量，实现粒子数反转，当信号光通过已被激活的掺铒光纤时，亚稳态上的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态。对应于每一次跃迁，都将产生一个与激发该跃迁的光子完全一样的光子，从而实现了信号光在掺铒光纤的传播过程中不断放大。

3）光纤布里渊放大器（FBA）：受激布里渊散射是光纤内的一种非线性现象，

起源于光纤的三阶电极化率，其光增益是由泵浦光的受激布里渊散射产生的。受激布里渊效应导致一部分泵浦光功率转移给信号光，使信号光得到放大。

4）光纤拉曼放大器（FRA）：可采用同向、反向或双向泵浦。目前，FRA主要用做分布式放大器，辅助掺铒光纤放大器（EDFA）进行信号放大。但FRA也可单独使用，放大EDFA不能放大的波段。

6.3 掺铒光纤放大器（EDFA）在应用上有哪几种形式，对性能参数的要求有何异同？

1、掺铒光纤放大器（EDFA）的具体应用形式有三种：

（1）线路放大（LA）、（2）功率放大（BA）、（3）前置放大（PA）。

2、EDFA的主要性能参数包括：增益、噪声系数等。

（1）线路放大（LA）：要求增益要高。

（2）功率放大（BA）：要求增益要高。

（3）前置放大（PA）：要求增系和噪声系数更高。

6.6 光纤拉曼放大器（FRA）与掺铒光纤放大器（EDFA）相比，优缺点分别有哪些？

1、拉曼放大器（FRA）的优缺点：

1）FRA的优点：（1）带宽较宽。（2）设计简单。（3）低噪声。（4）可以通过灵活排列泵浦光的频率来对信号进行放大。

2）FRA的缺点：其主要缺点就是对合适波长的高功率泵浦源要求较高。

2、掺铒光纤放大器（EDFA）的优缺点：

1）EDFA的优点：（1）工作波长处于1.53～1.56μm范围，与光纤最小损耗波长窗口一致。（2）对掺铒光纤进行激励所需要的泵浦光功率较低，仅需数十毫瓦。（3）增益高、噪声低、输出功率高。（4）连接损耗低。（5）EDFA已经成为高速大容量光纤通信系统中不可缺少的部分。

2）EDFA固有的缺点：（1）波长固定，只能放大1.55μm左右的光波，换用其他基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素。（2）增益带宽不平坦，在波分复用（WDM）系统中，需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。

7.2 说明同步数字体系（SDH）复用结构中，容器（C）、虚容器（VC）和管理单元（AU）的主要功能。

1、容器（C）：是一种用来装载各种速率的业务信号的信息结构。针对准同步数字体系（PDH）速率系列，国际电联电信标准化部门（ITU-T）建议G·707规定了C-11、C-1

2、C-2、C-3和C-4五种标准容器

2、虚容器（VC）：是用来支持同步数字体系（SDH）的通道层连接的信息结构，也是SDH通道的信息终端。其信息由容器（C）的输出和通道开销（POH）组成，即VC-n = C-n+VC-nPOH。

3、管理单元（AU）：是提供高阶通道层和复用层之间适配的信息结构。有AU-3和AU-4两种管理单元。其信息AU-n由一个相应的高阶VC-n和相应的管理单元指针AU-nPTR组成，即：AU-n = VC-n+AU-nPTR ( n=3或4 )。一个或多个管理单元（AU）的集合称为管理单元组（AUG）。

7.3 计算STM-1帧结构中RSOH、MSOH和AU PTR的速率。

对于STM-1，每帧为9×270＝2430字节，其中

RSOH：3行×9列×8比特/字节×8000帧/秒＝1.728Mb/S

RSOH：5行×9列×8比特/字节×8000帧/秒＝2.88Mb/S

AU PTR：1行×9列×8比特/字节×8000帧/秒＝0.576Mb/S

注：段开销SOH区域中，第1～3行又被成为再生段开销RSOH。第5～9行被称为复用段开销MSOH。

7.4 将2Mbit/S映射复用进同步数字体系（SDH），为什么会有三种结果容量。哪种映射的效率最高？哪种映射的效率最低？哪种映射方式最为灵活？

1、根据复用路径不同，可以有C4、C3和C12三条路径，对应的最终等效业务容量分别是64、48和63个2Mbit/S。

2、C4路径映射效率最高。

3、C3路径映射效率最低。

4、C12路径映射方式最为灵活。

7.7 说明同步数字体系（SDH）网同步的工作模式。

同步数字体系（SDH）网同步的工作模式有：

（1）主从同步和（2）伪同步两种。

什么是“四波混频（FWM）”效应？“四波混频”对于波分复用（WDM）系统有何影响？为什么G·653光纤不适宜使用在WDM系统中？

1、四波混频是指当多个频率的光波以很大的功率在光纤中同时传输时，由于非线性效应引发多个光波之间出现能量交换的一种物理过程，这种能量转移不仅导致信道中光功率的衰减，而且引起各信道之间的彼比干扰。

2、在WDM系统中，FWM能够引起信道间的窜话，从而限制了WDM 系统的通信质量。因此，在WDM通信中将尽量降低FWM现象。

3、G·653光纤在1550nm波长附近是零色散，易产生四波混频效应，所以光G·653纤不适宜用于WDM系统。