光纤通信答案

1.1.光纤通信：以光波为载频，以光纤为传播媒介的通信方式。

2.工作区域：近红外区，波长0.8～1.8μm ，对应的频率为167～375THz 。

3.光纤通信的优点：传输频带宽，通信容量大；损耗低，中继距离远；抗电磁干扰能力强，无串话；保密性好；光纤细，光缆轻；资源丰富，节约有色金属和能源；经济效益好；抗腐蚀、不怕潮湿。

4.光纤通信系统结构图及各部分作用：电端机对来自信源的信号进行处理，如模/数变换、多路复用处理。

光发送机吧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。

光纤光缆把来自光发送机的光信号以尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。

2.1光纤结构：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层。

2.光纤的分类及每类光纤的特点：按光纤中传输的模式数量，分为多模光纤（芯径大，容易注入光功率，可以使用LED 作为光源。

但存在模间色散，只能用于短距离传输）和单模光纤（单模光纤只能传输基模，它不存在模间时延差，色散小，这对于高码速长途传输是非常重要的。

但是芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器LD 激励）。

按光纤截面上折射率分布，阶跃型（光纤纤芯及包层的折射率都为一常数，为满足全反射条件，纤芯的折射率高于包层的）和渐变型（减少了模式色散，提高光纤带宽，增加传输距离）。

按ITU-T 建议分类，G.652光纤：在1310 nm 工作时，理论色散值为零。

在1550 nm 工作时，传输损耗最低。

G.653：零色散点从1310 nm 移至1550 nm ，同时1550 nm 处损耗最低。

G.654：纤芯纯石英制造，在1550 nm 处衰减最小(仅0.185dB/km)，用于长距离海底传输。

G.655：引入微量色散抑制光纤非线性，适于长途传输。

3.制造光纤的两种方法：直接熔化法、汽相氧化法。

4.光纤的两种传输原理方法：波动理论法，射线法。

5.光纤的光学特性：光纤的光学特性有折射率分布、最大入射角、最大理论数值孔径、模场直径及截止波长等。

6.数值孔径的计算：2/12221max )(n n NA -=∆≈21n （D = (n 2 – n 1)/n 1）物理意义：代表光纤的集光能力。

6.模式：每一个βmn 对应于一种能在光线中传输的光场的空间分布，这种空间分布在传输中只有相位的变化，没有形状的改变，始终满足边界条件，这种空间分布称为模式。

分类：TE 模、TM 模、EH mn 模、HE mn 模7.色散产生的原因：由于不同成分的光信号在光纤中传输时，因其群速度不同，产生不同的时间延迟而引起的一种物理效应。

分类：模式、材料、波导色散。

8.光纤损耗的原因：当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小。

分类：吸收损耗：组成光纤的材料及其中的杂志对光的吸收作用产生的损耗。

散射损耗：在光纤中传输的一部分光由于散射而改变传输方向，从而使一部分光不能到达收端所产生的损耗。

辐射损耗：光纤受到某种外力作用时，会产生一定曲率半径的弯曲。

弯曲后的光纤可以传光，但会使光的传播途径改变。

一些传输模变为辐射模，引起能量的泄漏导致的损耗。

连接损耗：由于进行光纤接续时端面不平整或光纤位置未对准等原因造成接头处出现损耗。

9.非线性效应的分类：非线性受激散射、折射率扰动。

10.单模光纤的性能指标：衰减系数、色度色散系数、零色散波长、零色散斜率。

种类：标准单模光纤、色散位移光纤、衰减最小光纤、非零色散光纤。

11.光缆的典型结构：层绞式、骨架式、束管式、叠带式。

12.光纤通信的三个通信窗口：0.85um约为2.5dB/km，1.31um约为0.5dB/km，1.55um约为0.2dB/km3.1光纤通信对光源的要求：光源发射的峰值波长应在光纤低损耗窗口之内；有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中继段距离的要求；单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率；易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信号的传输；噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比；光电转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高。

2.LD与LED的比较：。

3.原子能级之间的跃迁：自发辐射：处于高能态的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能态上，并发射一个能量为E2-El的光子。

受激辐射：在外来光子激励下电子被迫从高能级跃迁到低能级与空穴复合，同时释放出一个与外来光子同频、同相、同方向的全同光子受激吸收：在外来光子激励下电子吸收外来光子能量而从低能级跃迁到高能级，变成自由电子的过程。

4.LED的工作特性：光谱特性、P-I特性、耦合性、温度特性、调制特性LD的工作特性：阈值特性、光谱特性、温度特性，微分量子效率、功率转换效率，模式特性、调制特性，发射波长、耦合性、寿命5.LD的分类：半导体激光器的分类：按照构成半导体PN结材料的搭配及对载流子限制方式的不同，分为同质结和异质结半导体激光器以及量子限制半导体激光器等按照谐振腔的结构可分为法布里-珀罗激光器、分布反馈激光器、耦合腔激光器和多量子阱激光器等。

按照激光器出射光束方向与PN结的相对位置关系可分为侧面发射条形激光器和垂直腔表面发射激光器等。

按照性能分可分为多纵模激光器、单纵模激光器等。

6.光纤通信常用的调制方式及特点：按照光源与调制信号的关系划分：直接调制方式：用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源发出的光功率随信号而变化。

间接调制方式：光信号通过调制器实现对光载波的调制。

特点：直接调制——简单、经济、容易实现，但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制。

间接调制——需要调制器，结构复杂，可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统。

按已调制信号的性质划分：模拟调制方式：利用模拟基带信号直接对光源进行调制。

由于模拟调制的调制速率较低，均使用直接调制方式。

数字调制方式：主要指PCM脉码调制。

先将连续的模拟信号进行抽样、量化、编码，转化成一组二进制脉冲代码，对光信号进行通断调制。

数字调制也可使用直接调制和外调制7.LD的三种调制特性：电光延迟特性。

原因：载流子浓度达到激光阀值电流需要一定的时间。

减小措施：将偏置电流值设置在阀值电流附近。

驰豫振荡特性。

原因：激光器开始发光后，光子浓度达到它的稳态值需要一定的时间。

减小措施：增加直流偏置电流值。

码型效应特性。

原因：当两个相邻的波形相同的电脉冲调制LD时，输出的两个光脉冲会出现电光延迟时间不同、脉冲幅度不等的现象。

8.光纤与光源的耦合方法：直接耦合法和透镜耦合法9.光发送机的功能：完成电/光转换（E/O），将来自电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，即符合一定要求的光信号，再将已调光信号最大效率地耦合入光纤或光缆传输。

对光发送机的要求：合适的输出功率、良好的消光比、光谱特性要好、调制特性要好4.1光纤通信对光电检测器的要求：波长段内响应度或灵敏度要高；具有足够的带宽和响应速度；由检测器引入的附加噪声必须最低，暗电流、漏电流和并联电导必须最小；较低的偏压或偏流，具有高可靠性和长寿命；较小的几何尺寸，便于与光纤及其他电路组装。

2.光电检测器的原理：半导体光电检测器是利用半导体材料的光电效应来实现光电转换的。

光照射到半导体的PN结上，如果光子能量足够大，则半导体价带中的电子吸收光子能量，从价带越过禁带到达导带。

从而在导带中出现光电子，在价带中出现空穴，即产生了光电子-空穴对（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，对外电路表现为光电流，从而在电阻R上有输出。

如此，实现了输出电压随输入光信号变化的光电转换作用。

3.光接收机的检测方式：检测方式分为相干检测和非相干检测相干检测：首先将接收到的光信号与一个本地振荡器在光混频器混频之后再被光电检测器变换成一定要求的电信号非相干检测：直接将光信号通过光电检测器转换成电信号4.光接收机的组成及个部分功能：接收机前端：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，然后进行预放大（电流－电压转换），以便后级作进一步处理。

是光接收机的核心。

光接收机的线性通道：实现自动增益控制。

时钟提取与数据再生部分：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号。

5.光接收机噪声的分类：散粒噪声和热噪声6.接收灵敏度：接收机工作于某一误码率所要求的最小平均接收光功率。

误码率（BER）：接收机判决电路错误确定一个比特的概率。

P=PBER+)1/0()0/1()0()1(PP7.光中继器的功能：均衡放大、识别再生、再定时。

5.1各种光无源器件功能、性能指标及分类。

光纤连接器：主要用于光发送机光源器件尾纤输出或光接收机光电检测器尾纤输入等系统侧与线路传输侧光纤之间的连接。

插入损耗、回波损耗、重复性和互换性。

按传输媒介的不同可分为单模光纤连接器和多模光纤连接器，按结构的不同分为FC、SC、ST、D4、DIN、MU、MT、LC等，按连接器的插针端面可分为FC、PC、APC等，按光纤芯数分为单芯和多芯。

光纤耦合器：实现光信号的分路/合路，就是把一个输入的光信号分配给多个输出或者把多个输入的光信号组合成一个输出。

插入损耗、附加损耗、分光比、方向性、均匀性、隔离度。

从功能上，可分为光功率分配器和光波长分配（合/分波）耦合器。

从端口形式上，可分为X形（2×2）、Y形（1×2）、星形（N×N，N＞2）以及树形（1×N，N＞2）耦合器。

从工作带宽上，可分为单工作窗口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器和双工作窗口的宽带耦合器。

由于传导光模式的不同，又有多模光纤耦合器和单模光纤耦合器之分。

光开关：自动保护倒换、光网络监控、光纤通信器件测试、光交叉连接、光分插复用。

插入损耗、回波损耗、隔离度、远端串扰、近端串扰、消光比、开关时间。

光开关包括机械式光开关、非机械式光开关和半导体光开关等。

光调制器、光隔离器、光环行器、光衰减器6.1光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。

在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射（受激散射）实现对入射光的放大。

分类：半导体光放大器、非线性光纤放大器、掺铒光纤放大器。

应用范围:线路放大、功率放大、前置预放大、局域网的功率放大器。

6.2掺铒光纤放大器的工作原理：采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。

6.3掺饵光纤放大器的组成及各部分功能：掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。

半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。