光纤通信系统第三版沈建华机械工业出版社.docx
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光纤通信系统第三版沈建华机械工业出版社
《光纤通信》作业（2０１6、１、30）
１、1 光纤通信有哪些特点?
1、光纤通信得优点:
（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、光纤通信得缺点:
（1）抗拉强度低。
（2）连接困难。
（3）怕水。
1、２简述光纤通信系统得主要组成部分。
光纤通信系统得主要组成部分为:
（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得光纤通信系统中，工作波长只能选择850ｎm、131０nm、1550ｎm三种?
由于目前使用得光纤均为石英光纤，而石英光纤得损耗——波长特性中有三个低损耗得波长区，即波长为850nm、13１0nｍ、155０ｎｍ三个低损耗区。
为此,光纤通信系统得工作波长只能就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得原因就是什么？
光纤得损耗系数对通信有什么影响？
１、光纤产生能量衰减得原因包括:
（1）吸收、（２）散射与（3）辐射。
２、光纤得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长得光纤线路传输后,其光功率下降了25%,则该光纤得损耗系数为多少？
2、3光脉冲在光纤中传输时,为什么会产生瑞利散射？
瑞利散射损耗得大小与什么有关？
瑞利散射就是由于光纤内部得密度不远匀引起得，从而使折射率沿纵向产生不均匀，其不均匀点得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,带有随机起伏得不均匀物质时,改变了传输方向,产生了散射.
2、瑞利散射损耗得大小与成正比。
２、4 光纤中产生色散得原因就是什么？
色散对通信有什么影响？
1、光纤得色散就是由于光纤中所传输得光信号不同得频率成分与不同模式成分得群速度不同而引起得传输信号畸变得一种物理现象。
２、色散会导致传输光脉冲得展宽,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,色散就是限制系统性能得主要因素之一.
2、５光纤中色散有几种?
单模传输光纤中主要就是什么色散？
多模传输光纤中主要存在什么色散？
１、从产生机理而言,光纤中得色散主要包括：
（１）材料色散、
（2）波导色散与（3）模式间色散.
2、单模光纤中主要就是波导色散。
3、多模光纤中主要就是模式间色散。
注:
偏振模色散可以理解为就是：
特殊得模式色散,但在速率较低得系统中影响较小。
２、8何谓模式截止？
光纤单模传输得条件就是什么?
单模光纤中传输得就是什么模式？
其截止波长为多大?
阶跃折射率光纤中线性极化模LP11模对应得就是什么矢量模?
1、对每一个传播模来说,在包层中它应该就是衰减很大,不能传输。
如果一个传播模，在包层中不衰减,也就就是表明该模就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得衰减常数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、单模光纤中传输得就是LP01模，对应得矢量模就是HE11模．
4、截止波长由下式计算：
５、ＬP1１模对应得矢量模就是:
TE01，TＭ01,ＨE２1。
3、1比较半导体激光器（ＬＤ）与发光二极管（LED）得异同．ＬD有哪些特性?
LED有哪些特性?
1、
（1）、相同点:
ＬD与LED都可以用作通信光源。
（2）、不同点：
ＬD原理就是受激辐射,而LED就是自发辐射。
２、LD有以下特性:
LD就是阈值器件，需要较完善得驱动与外围得电路,其发出得光谱线窄,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,适用于要求较低得场合．
3、２为什么LD要工作在正向偏置状态？
何谓激光器得阈值电流?
激光器得阈值电流与激光器得使用温度、使用时间有什么关系?
1、LD加正向偏置电压用以克服ＰN结中自建场得影响,从而降低势垒，以形成粒子数反转分布。
2、激光器阈值电流就是指:
满足克服谐振腔内损耗而产生激光得最小得外加激励电流。
3、激光器得阈值电流与温度与使用时间成正比关系。
3、4 已知半导体材料GaAs（镓砷）得禁带宽度Eｇ=1、４3ev,IｎＧaAsＰ（铟镓砷磷）得Ｅg=０、96ev,分别求由这两种材料组成得半导体激光器得发射波长.（普朗克常数h=6、6２6×10-34J·S,1ｅｖ=1、6×10—１9Ｊ）
1、
（1）镓砷GａAs组成得半导体激光器得发射频率为:
（2）、发射波长为:
2、
（1）铟镓砷磷InＧａAｓP组成得半导体激光器得发射频率为:
（2）发射波长为：
３、6在光纤通信系统中对LＤ驱动电路与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得调制特性会产生什么影响？
１、对LD驱动电路与偏置电路得要求就是：
（1）输出得光脉冲峰值保持恒定。
（2）光脉冲得通断比应＞〉１０。
（3）激光发射得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）就是阈值器件,只有外加驱动电流超过阈值后，才能发出激光,为使得较小得数据电流亦可产生足够得光输出,因此，需要加偏置电流.
3、偏置电流得选取原则就是略小于阈值电流。
4、（１）偏置电流太小了，需要较大得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,较高得电流也会产生较大得热量,以及寿命得缩短.
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）得输出光功率慢慢下降，试分析其原因并提出解决办法。
1、激光器得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，原因可能就是：
（1）温度升高,
（2）使用时间长（老化）。
２、（１）如果就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）如果就是使用时间长（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）与插入码（Ｍb１H码）各有什么特点？
采用ｍBnB码或Mb１H码时,线路码速将比原来得信号码速提高多少?
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、线路码型选取得基本原则包括：
1）应有足够得定时含量，即应尽量减少连“0”与连“１”数,便于时钟提取。
2）应有不中断业务，进行误码检测得能力。
3）应力求降低线路传输得码率,或线路传输码率得提高应尽可能少。
4）应具有较好得抗干扰性能,满足一定接收机性能所需检测得光功率最小。
5）应具有尽可能简单与经济得变换方案.
6）传输中发生误码时，误码扩散范围与误码增值低.
常用得线路码型包括:
（1）扰码、
（2）字变换码与（3）插入码三种类型.
2、（１）字变换码（mBnB码）得特点:
将输入二进制码分解成一个“码字”，输出用对应得另一种“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得n比特为一组得码流.字变换码中得n、m均为正整数,且n>m。
（2）插入码（mB1H码）得特点:
把输入原始码流分成每m比特（mB）一组，然后在每组mB码末尾按一定得规律插入一个码，组成m+1个码为一组得线路码流。
根据插入码得规律，可以分为:
①mＢ1C码②mB1H码③mB1P码等。
（3）除扰码外,字变换码与插入码都会提高线路传输速率。
3、
（1）采用mBnB码时,线路码速将比原来得信号码速提高n/m倍。
（2）采用mＢ1Ｈ码时,线路码速将比原来得信号码速提高（ｍ＋1）/m倍。
4、（１）采用５Ｂ６B码时，线路码速为:
139、2６4×6/5=167、1168Mbｉｔ/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与APD各自得特点。
1、光纤通信系统对光检测器得主要要求包括：
（1）灵敏度高.（２）响应速度快。
（3）噪声小。
（4）稳定可靠。
2、（１）PＩN得特点：
增大了耗尽区得宽度，减小了扩散运动得影响，提高了响应速度.绝大部分得入射光在本征层内（I层内）被吸收（受激吸收）,并产生大量得电子－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得场合。
（2）APD得特点:
电子－空穴对多次碰撞产生雪崩光倍增效应。
ＡPD就是有增益得光电二极管，在光接收机灵敏度要求较高得场合，用AＰD有利于延长系统得传输距离。
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,因为光生载流子得扩散速度比耗尽区内光生载流子得漂移速度慢得多,这部分光生载流子得扩散运动得时延,将使检测器输出电流脉冲后沿得拖尾加长，这影响了光敏二极管得响应时间，就限制了光电转换速度。
2、在反向偏压情况下,增加了耗尽区得宽度,缩小了耗尽区两侧扩散区得宽度,从而减小了光生电流中得扩散分量,反向偏压也增强了耗尽区内得电场，加快了光生载流子得漂移速度，有利于加快光敏二极管得响应时间．
4、4何谓暗电流？
暗电流就是怎么产生得?
暗电流得存在对信号得接收会产生什么影响?
１、处于反向偏压下得半导体光电二极管,在无光照时，仍有电流流过，这部分电流称为暗电流。
2、暗电流就是由载流子得热扩散形成得,或者就是由器件表面与内部得缺陷以及有害得杂质引起得.暗电流得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得残留光一样，在接收机中产生噪声。
暗电流得存在限制了光敏二极管所能检测得最小光功率,也就就是降低了接收机得灵敏度。
4、５试述雪崩光敏二极管（APD）得工作原理。
何谓“雪崩效应”?
ＡＰD电流增益系数G与什么有关？
1、处于反向偏置得耗尽层光电二极管，当外加得反向偏压不断增加时,耗尽层内产生得光生载流子在强电场作用下得到加速，获得很大得功能。
高能得截流子与半导体晶体内得原子相碰撞,将束缚在价带中得电子激发到民带,从而在耗尽层内产生新得电子一空穴对,这种现象称为碰撞电离。
碰撞电离得第二代载流子在耗尽层得强电场得加速下,再次引起碰撞电离而产生第三代载流子。
２、碰撞电离得反复循环使耗尽层内得载流子数雪崩似得急剧增加,通过二极管得电流也就猛增,这就就是雪崩倍增效应。
3、雪崩光电二极管（AＰD）就就是利用雪崩倍增效应实现内部电流增益得半导体光电转换器件。
４、APD得电流增益系数G一般在40~100之间,其变化规律与外加得偏压有关。
5、1 光纤连接器应用在什么地方？
影响光纤连接器损耗得因素有哪些？
1、光纤连接器就是使一根光纤与另一根光纤之间完成活动连接得器件,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得连接.
2、光纤连接时，引起得损耗与多种因素有关,诸如:
（1）光纤得结构参数（如纤芯直径、数值孔径等）、
（2）光纤得相对位置（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型光纤活动连接器得原理.
１、光行连接器得种类有:
（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型光纤活动连接器得原理:
其外部加强方式采用金属套,紧固方式为螺丝扣。
采用得陶瓷插针得对接端面就是平面接触方式.后来,对该类型连接器做了改进，采用对接端面呈球形得插针（SPC）,而外部结构没有改变。
5、4怎么定义光纤耦合器得插入损耗,附加损耗、耦合比与串扰?
１、插入损耗Ｌi:
就是指一个指定输入端口（1或2）得输入光功率Ｐi与一个指定得输出端口（3或4）得输出功率Pｏ得比值,用分贝（dB）表示
2、附加损耗Le：
就是指全部输入端口（1或２）得输入光功率Pi总与与全部输出端口（３或４）得输出光功率Pｏ总与得比值,用分贝（dB）表示
3、耦合比CＲ：
就是指某一个输出端口（3或4）得输出光功率Ｐo与全部输出端口（３或4）得输出光功率Po总与得得比值,用分贝（ｄB）表示
4、串扰LC：
就是指一个输入端口
（1）得输入光功率Pｉ与由耦合器泄漏到其她输入端口
（2）得光功率Pｒ总与得得比值，用分贝（dB）表示
5、5光衰减器有几种,各有什么作用?
１、光衰减器就是一种用来降低（改变）光功率得器件,可分为：
（1）可变光衰减器与
（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得误码率。
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，若光纤通信线路得电平太高,就需要串入固定光衰减器。
6、１光放大器主要有几种？
各自得实现机理就是怎样得？
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、各自实现机理就是:
1）半导体激光放大器:
利用受激辐射对进入增益介质得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得无谐振腔得半导体激光器。
2）掺杂稀土元素光放大器：
掺杂稀土元素光放大器主要就是:
（1）掺铒光纤放大器（EDFA）与
（2）掺镨光纤放大器（PDFＡ）.掺铒光纤放大器能放大光信号得机理：
在于铒离子能吸收泵浦光得能量,实现粒子数反转,当信号光通过已被激活得掺铒光纤时,亚稳态上得粒子以受激辐射得方式跃迁到基态。
对应于每一次跃迁,都将产生一个与激发该跃迁得光子完全一样得光子,从而实现了信号光在掺铒光纤得传播过程中不断放大.
3）光纤布里渊放大器（ＦＢA）:
受激布里渊散射就是光纤内得一种非线性现象，起源于光纤得三阶电极化率,其光增益就是由泵浦光得受激布里渊散射产生得。
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不能放大得波段。
６、3 掺铒光纤放大器（EＤFＡ）在应用上有哪几种形式,对性能参数得要求有何异同?
1、掺铒光纤放大器（ＥDFA）得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得主要性能参数包括:
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）:
要求增系与噪声系数更高。
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）得优缺点：
1）ＦＲA得优点:
（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得频率来对信号进行放大。
２）ＦＲＡ得缺点:
其主要缺点就就是对合适波长得高功率泵浦源要求较高。
2、掺铒光纤放大器（ＥDＦA）得优缺点:
1）EＤＦA得优点:
（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得泵浦光功率较低，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得部分。
2）EDFA固有得缺点:
（1）波长固定，只能放大1、55μm左右得光波，换用其她基质得光纤时，铒离子能级也只能发生很小得变化,可调节得波长有限,只能换用其她元素。
（2）增益带宽不平坦,在波分复用（WDＭ）系统中,需要采用特殊得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）与管理单元（AU）得主要功能。
1、容器（C）:
就是一种用来装载各种速率得业务信号得信息结构。
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—12、Ｃ—2、C-3与C－4五种标准容器
2、虚容器（ＶC）:
就是用来支持同步数字体系（SDＨ）得通道层连接得信息结构，也就是SDH通道得信息终端。
其信息由容器（Ｃ）得输出与通道开销（POH）组成，即VＣ－ｎ=C－n＋VC-nPOH.
３、管理单元（AU）:
就是提供高阶通道层与复用层之间适配得信息结构。
有AU—3与AU-4两种管理单元。
其信息AU—ｎ由一个相应得高阶VC-n与相应得管理单元指针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）得集合称为管理单元组（ＡUG）。
7、3计算STM—1帧结构中RSＯＨ、MSOH与AUPＴR得速率。
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
AUPTＲ:
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。
哪种映射得效率最高?
哪种映射得效率最低？
哪种映射方式最为灵活?
１、根据复用路径不同,可以有Ｃ４、C3与Ｃ１2三条路径，对应得最终等效业务容量分别就是64、48与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）网同步得工作模式。
同步数字体系（ＳDＨ）网同步得工作模式有：
（1）主从同步与
（2）伪同步两种。
什么就是“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、四波混频就是指当多个频率得光波以很大得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得一种物理过程,这种能量转移不仅导致信道中光功率得衰减,而且引起各信道之间得彼比干扰。
2、在WＤM系统中,FWM能够引起信道间得窜话,从而限制了WDM系统得通信质量.因此,在WＤM通信中将尽量降低FＷM现象。
3、G·653光纤在１5５０nm波长附近就是零色散,易产生四波混频效应,所以光G·65３纤不适宜用于ＷDM系统。
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