光纤通信(第二版)【刘增基】简答题总结

1.光纤通信的优缺点各是什么？

优：通信容量大中继距离长抗电磁干扰传输误码率极低

缺：有些光器件(如激光器、光纤放大器)比较昂贵光纤的机械强度差不能传送电力

光纤断裂后的维修比较困难，需要专用工具

2.光纤通信系统由哪几部分组成?简述各部分作用

光纤通信系统由发射机、接收机和光纤线路三个部分组成

发射机又分为电发射机和光发射机，接收机也分为光接收机和电接收机，电发射机的作用是将信(息)源输出的基带电信号变换为适合于信道传输的电信号，包括多路复接、码型变换等：光发射机的作用是把输入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。光纤线路把来自于光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。光接收机把从光纤线路输出的产生畸变和衰减的微弱光信号还原为电信号。光接收机的功能主要由光检测器完成，光检测器是光接收机的核心。电接收机的作用一是放大，二是完成与电发射机相反的变换，包括码型反变换和多路分接等。

3.光纤通信为什么向长波长、单模光纤方向发展?

长波长、单模光纤比短波长、多模光纤具有更好的传输特性。单模光纤没有模式色散。

4.光纤色散产生的原因及其危害是什么?

光纤色散是由光纤中传输的光信号的不同成分光的传播时间不同而产生的。

光纤色散对光纤传输系统的危害有：若信号是模拟调制的，色散将限制带宽；若信号是数字脉冲，色散将使脉冲展宽，限制系统传输速率（容量）。

5.光纤损耗产生的原因及其危害是什么?

光纤损耗包括吸收损耗和散射损耗。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光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射产生的。光纤损耗使系统的传输距离受到限制，大损耗不利于长距离光纤通信。

6.半导体激光器（LD）有哪些特性?

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7.比较半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）的异同？

LD和LED的不同之处：工作原理不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。LED不需要光学谐振腔，而LD需要。和LD相比，LED输出光功率较小，，光谱较宽，调制频率较低。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。所以，LED的主要应用场合是小容量（窄带）短距离通信系统；而LD主要应用于长距离大容量（宽带）通信系统。

LD和LED的相同之处：使用的半导体材料相同、结构相似，LED和LD大多采用双异质结（DH）结构，把有源层夹在P型和N型限制层之间。

8.试说明APD和PIN在性能上的主要区别？

APD用于光接收机要求灵敏度较高的场合，利于延长系统的传输距离，用于短波长光纤通信PIN用于灵敏度不高的场合，性能非常稳定，用于长波长系统。

9.光与物质间的互作用过程有哪些?

光与物质之间的三种相互作用包括受激吸收、自发辐射和受激辐射

10.什么是粒子数反转?什么情况下能实现光放大？

假设能级E1和E2上的粒子数分别为N1和N2，在正常的热平衡状态下，低能级E1上的粒子数N1是大于高能级E2上的粒子数N2的，入射的光信号总是被吸收。为了获得光信号的放大，必须将热平衡下的能级E。和E：上的粒子数N1和N：的分布关系倒过来，即高能级上的粒子数反而多于低能级上的粒子数，这就是粒子数反转分布。当光通过粒子数反转分布激活物质时，将产生光放大。

11.光检测过程中都有哪些噪声？

光检测器的噪声主要包括由光生信号电流和暗电流产生的散粒噪声以及负载电阻产生的热噪声。热噪声来源于电阻内部载流子的不规则运动。散粒噪声源于光子的吸收或者光生载流子的产生，具有随机起伏的特性。光生信号电流产生的散粒噪声，称为量子噪声，这种噪声的功率与信号电流成正比，因此不可能通过增加信号光功率提高信噪比。在没有外界入射光的作用下，光检测器中仍然存在少量载流子的随机运动，从而形成很弱的散粒噪声，称为暗电流噪声。所以在有信号光作用的时间内，主要考虑量子噪声和热噪声；而在没有信号光的期间，主要考虑暗电流噪声和热噪声。

12.激光器(LD)产生弛张振荡和自脉动现象的机理是什么？它的危害是什么？应如何消除

这两种现象的产生?

当电流脉冲注人激光器后，输出光脉冲出现幅度逐渐衰减的振荡，称为弛张振荡。弛张振荡的后果是限制调制速率。当最高调制频率接近弛张振荡频率时，波形失真严重，会使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际中最高调制频率应低于驰张振荡频率。某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象。自脉动频率可达2 GHz，严重影响LD的高速调制特性。

13.LD为什么能够产生码型效应?其危害及消除办法是什么？

半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲和输入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为光电延迟时间。当光电延迟时间与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1”码的脉冲宽度变窄，幅度减小。严重时可能使“1”码丢失，这种现象称为码型效应。码型效应的特点是在脉冲序列中，较长的连“0”码后出现“1”码，其脉冲明显变小而且连“0”码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。码型效应的消除方法是用适当的“过调制”补偿方法。

14.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

LD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。功率自动控制实际是控制LD的偏置电流、输出光功率、激光器背向光平均功率。

15.在LD的驱动电路里，为什么要设定温度自动控制电路?具体措施是什么?控制电路实际

控制的是哪几个参数？

在LD的驱动电路里，设置自动温度控制电路是因为半导体光源的输出特性受温度影响很大，特别是长波长半导体激光器对温度更加敏感，为保证输出特性的稳定，对激光器进行温度控制是十分必要的。温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成。致冷器的冷端和激光器的热沉接触，热敏电阻作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通过控制电路改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。控制电路实际控制的是：换能电桥的输出、三极管的基极电流和致冷器的电流。

16.在数字光接收机中，设置均衡滤波网络的目的是什么？

在数字光接收机中，设置均衡滤波网络的目的是对经光纤传输、光/电转换和放大后产生畸变（失真）的信号进行补偿，以减小或消除码间干扰，并使输出信号的波形（一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形）适合于判决，减小误码率。

17.在数字光接收机中，为什么要设置AGC电路?

自动增益控制(AGC)使光接收机具有较宽的动态范围，以保证在入射光强度变化时输出电流基本恒定。由于使用条件不同，输入光接收机的光信号大小会发生变化，为实现宽动态范围，采用AGC是十分有必要的。AGC一般采用接收信号强度检测（一般设在放大器输出端）及直流运算放大器构成的反馈控制电路来实现。对于APD光接收机，AGC控制光检测器的偏压和放大器的增益；对于PIN光接收机，AGC只控制放大器的增益。