光纤通信简明教程课后思考题答案原荣Word格式文档下载.docx
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假如相位差是0或
kz
2z
2的整数倍，则两个点是同相位，于是相位差可表示为
n1n2
n2
ki
入入入
kr
t入入入
入入入入入
2-1简述光纤的结构
光纤由玻璃（石英SiO2）制成的纤芯和包层组成，为了保护光纤，包层外面还增加尼龙外层。
纤芯材料主要成分为掺杂的二氧化硅（SiO2），纯度达99.999%，其余成分为极少量的掺杂剂如二氧化锗（GeO2）等，以提高纤芯的折射率。
2-2由折射率的径向分布分为阶跃和渐变
2-3实用的单模和多模
2-4多模光纤有哪两种？
单模光纤又有哪几种
多模光纤有折射率阶跃光纤和渐变光纤。
单模光纤有G.652、G.653、G.654、G.655、G.656、G.657光纤和色散补偿光纤。
2-5光纤从折射率较大的介质以不同的入射角进入折射率较小的介质时，会出现哪三种不同的情况？
2-6解释光纤传光原理
射线理论认为，光在光纤中传播主要是依据全反射原理。
光线垂直光线端面射入，并与光纤轴心线重合时，光线沿轴心线向前传播。
光的传播就是通过电场、磁场的状态随
时间变化的规律表现出来。
2-7光纤的传输特性用哪几个参数表示
单模光纤的传输特性有衰减、色散和带宽。
在传输高强度功率条件下，则还要考虑光纤的非线性光学效应。
2-8什么是光纤的色散？
对通信有何影响？
多模光纤的色散由什么色散决定？
单模光纤色散又有什么色散决定
色散是由于不同成分的光信号在光纤中传输时，因群速度不同产生不同的时间延迟而引起的一种物理效应。
光信号分量包括发送信号调制和光源谱宽中的频率分量，以及光纤中的不同模式分量。
如果信号是模拟调制，色散限制了带宽。
如果信号是数字脉冲，色散使脉冲展宽。
对于多模光纤，主要是模式色散。
对于单模光纤，由于只有一个模式在光纤中传输，所以不存在模式色散，只有色度色散和偏振模色散。
对于制造良好的单模光纤，偏振模色散最小。
在DWDM和OTDM系统中，随着光纤传输速率的提高，高阶色散也必须考虑。
2-9G.652光纤在1.3m的损耗是多少？
G.652光纤在1.3m波段的损耗较大，为0.3~0.4dB/km。
2-10造成光纤传输损耗的主要因素有哪些？
哪些是可以改善的？
最小损耗在什么波长范围内
引起衰减的原因是光纤对光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗，如图2.3.1所示。
光纤是熔融SiO2制成的，光信号在光纤中传输时，由于吸收、散射和波导缺陷等机理产生功率损耗，从而引起衰减。
吸收损耗有纯SiO2材料引起的内部吸收和杂质引起的外部
吸收。
内部吸收是由于构成SiO2的离子晶格在光波（电磁波）的作用下发生振动损失的能量。
外部吸收主要由OH离子杂质引起。
散射损耗主要由瑞利散射引起。
瑞利散射是由在光纤制造过程中材料密度的不均匀（造成折射率不均匀）产生的。
3-1连接器和跳线的作用是什么？
接头的作用又是什么
连接器是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间可拆卸（活动）连接的器件。
跳线用于终端设备和光缆线路及各种光无源器件之间的互连，以构成光纤传输系统。
接头是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性（固定）连接。
接头用于相邻两根光缆（纤）之间的连接，以形成长距离光缆线路。
3-2耦合器的作用是什么？
它有哪几种耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出。
耦合器有T形耦合器、星形耦合器、方向耦合器和波分耦合器。
3-3光滤波器的定义及作用光滤波器是从包含多个波长的输入信号中提取出所需要波长的信号，功能是从许多不同频率的输入光信号中，选择出一个特定频率的光信号。
可分为干涉型、衍射型和吸收型三类
3-4法布里玻罗（FP）滤波器的构成和工作原理由两块平行镜面组成的谐振腔构成，一块镜面固定，另一块可移动，以改变谐振腔的长度。
镜面是经过精细加工并镀有金属反射膜或多层介质膜的玻璃板。
一束光入射进法布里-珀罗谐振腔，谐振腔由部分反射和透射的两个相互平行的平板镜组成，因此入射光的一部分进入腔长为L的谐振腔。
只有特定腔模的光才能在腔内建立起振荡，其他波长的光因产生相消干涉而不能存在。
于是，假如入射光中有一个波长的光与谐振腔中的一个腔模对应，它就可以在腔内维持振荡，并有一部分光从右边反射镜透射出去，变成输出光。
3-5简述马赫-曾德尔干涉滤波器构成和工作原理
由两个3dB耦合器串联组成一个马赫-曾德尔干涉仪，干涉仪的ΔL。
马赫-曾德尔干涉滤波器的原理是基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。
3-6波分复用/解复用器的作用
波分复用器（WDM）的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号复合在一起,并注入到一根光纤。
解复用器的功能与波分复用器正好相反。
3-7阵列波导光栅（AWG）复用/解复用器工作原理
AWG光栅工作原理是基于马赫-曾德尔干涉仪的原理，即两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。
3-8对光的调制有哪两种？
简述它们的区别
调制有直接调制和外调制两种方式。
前者是信号直接调制光源的输出光强，后者
是信号通过外调制器对连续输出光进行调制。
直接调制是激光器的注入电流直接随承载信息
的信号而变化，但是用直接调制来实现调幅（化要非常大，并会引入不希望有的线性调频完全可以避免这些有害影响。
AM）和幅移键控（ASK）时，注入电流的变啁啾）。
外调制把激光的产生和调制过程分开，
图3.5.1调制方式比较
3-9简述马赫-曾德尔幅度调制器的工作原理
最常用的幅度调制器是在晶体表面用钛扩散波导构成的马赫-曾德尔（M-Z）干涉型调制器，如图3.5.5所示。
使用两个频率相同但相位不同的偏振光波，进行干涉的干涉仪，外加电压引入相位的变化可以转换为幅度的变化。
在图3.5.5（a）表示的由两个Y形
波导构成的结构中，在理想的情况下，输入光功率在C点平均分配到两个分支传输，在输出端D干涉，所以该结构扮演着一个干涉仪的作用，其输出幅度与两个分支光通道的相位差有关。
两个理想的背对背相位调制器，在外电场的作用下，能够改变两个分支中待调制传输光的相位。
由于加在两个分支中的电场方向相反，如图3.5.5（a）的右上方的截面图所示，所以在两个分支中的折射率和相位变化也相反，例如若在A分支中引入的相位变化，那么在B分支则引入相位的变化，因此A、B分支将引入相位的变化。
假如输入光功率在C点平均分配到两个分支传输，其幅度为A，在输出端D的光场为
EoutputAcostAcost2Acoscost（3.5.5）
输出功率与Eo2utput成正比，所以由式（3.5.5）可知，当0时输出功率最大，当π2时，
两个分支中的光场相互抵消干涉，使输出功率最小，在理想的情况下为零。
于是
Pout
Pout0
cos2
3.5.6）
图3.5.5马赫-曾德尔幅度调制器
由于外加电场控制着两个分支中干涉波的相位差，所以外加电场也控制着输出光的强度，虽然它们并不成线性关系。
3-10光开关的作用是什么？
主要分为哪两类
光开关的功能是转换光路，以实现光信号的交换。
光开关可以分为两大类：
一类是
利用电磁铁或步进电动机驱动光纤或透镜来实现光路转换的机械式光开关，也包括微机械光开关；
另一类光开关是利用固体物理效应（如电光、磁光、热光和声光效应）的固体光开关。
3-11光放大中继器的作用？
是在光路上对光信号进行直接放大，然后再传输，即用一个全光传输中继器代替目前的这种光-电-光再生中继器，
3-12EDFA的结构示意图，并简述各部分的作用
图6.3.1（a）为一个实用光纤放大器的构成方框图。
光纤放大器的关键部件是掺铒光纤和高功率泵浦源，作为信号和泵浦光复用的波分复用器（WDM），以及为了防止光反
馈和减小系统噪声在输入和输出端使用的光隔离器。
EDFA的工作原理
若掺铒离子的能级图用三能级表示，如图6.3.2（a）所示，其中能级E1代表基态，
能量最低，能级E2代表中间能级，能级E3代表激发态，能量最高。
若泵浦光的光子能量等于能级E3与E1之差，掺杂离子吸收泵浦光后，从基态E1升至激活态E3。
但是激活态是不
稳定的，激发到激活态能级E3的铒离子很快返回到能级E2。
若信号光的光子能量等于能级E2和E1之差，则当处于能级E2的铒离子返回基态E1时就产生信号光子，这就是受激发射，使信号光放大获得增益。
图6.3.2（b）表示EDFA的吸收和增益光谱。
为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到能级E3。
从以上分析可知，能级E2和E1之差必须是相当
于需要放大信号光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态E1跃迁到
激活态E3。
EDFA的主要特性指标是EDFA的主要特性指标有泵浦特性、增益频谱、小信号增益、增益饱和（或压缩）特性和放大器噪声。
3-13光纤拉曼放大器工作原理和特性
基于非线性光学效应，利用强泵浦光通过光纤传输时产生受激拉曼散射，使组成光纤的石英晶格振动和泵浦光之间发生相互作用，产生比泵浦光波长还长的散射光（斯托克斯光）。
3-14什么是SOA，如何使LD变为SOA
1）半导体光放大器的机理与激光器的相同，即通过受激发射放大入射光信号。
光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。
2）减小LD界理端面反射反馈，使R1R20.17104，就可以制出行波半导体光放大器（SOA）。
使条状有源区与正常的解理面倾斜或在有源层端面和解理面之间插入透明窗口区就可以使反射率小至104，从而使LD变为SOA。
3-15简述波导光栅解复用器的工作原理
阵列波导光栅由N个输入波导、N个输出波导、两个具有相同结构的NN平板波导星形耦合器以及一个平板阵列波导光栅组成，如图3.4.4所示。
这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差L，由式（1.2.8）可知，其相邻波导间的相位差为
3.4.6）
2πneffL
式中，是信号波长，是路径长度差，通常为几十微米，neff为信道波导的有效折射率，它与包层的折射率差相对较大，使波导有大的数值孔径，以便提高与光纤的耦合效率。
输入光从第一个星形耦合器输入，在输入平板波导区（即自由空间耦合区）模式场发散，
把光功率几乎平均地分配到波导阵列输入端中的每一个波导，由阵列波导光栅的输入孔阑捕捉。
由于阵列波导中的波导长度不等，由式（3.4.6）可知，不同波长的输入信号产生的相位
延迟也不等。
AWG光栅工作原理是基于马赫-曾德尔干涉仪的原理，即两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论，所以输出端口与波长有一一对应的关系，也就是说，由不同波长组成的入射光束经阵列波导光栅传输后，依波长的不同就出现在不同的波导出口上。
此处设计采用对称结构，根据互易性，同样也能实现合波的功能。
4-1光发射机的关键器件是光源：
LED、LD
4-2直接调制注入调制电流实现光波强度调制外腔调制
通过外腔调制器对光的强度、相位或频率进行调制
4-3发光机理
在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。
如果占据高能带（导带）Ec的
电子跃迁到低能带（价带）E上，就将其间的能量差（禁带能量）EgEcEvvgcv以光的形式放出，如图4.1.1所示。
这时发出的光，其波长基本上由能带差E所决定。
能带差E和发出光的振荡频率vo之间有Ehv的关系，h是普朗克常数，等于6.6251034Js。
由cv得出
hc1.2398
（m）（4.1.1）
EE
式中，c为光速，E取决于半导体材料的本征值，单位是电子伏特（eV）。
4-4LD激光发射的条件
首要条件---粒子数反转，使有源区产生足够多的粒子数反转，这是使半导体激光器发射激光的首要条件。
另一个条件是半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。
4-5简述分布反馈（DFB）激光器的结构和工作原理
DFB激光器是单纵模（SLM）LD，即频谱特性只有一个纵模（谱线）的LD。
它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。
这是通过改进结构设计，使DFBLD内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡。
增益曲线首先和模式具有最小损耗的曲线接触的模开始起振，并且变成主模。
4-6阵列SOA集成光栅腔体波长可调激光器的工作原理
有源条的外部界面和光栅共同构成了谐振腔的反射边界。
右边的光栅由凹面反射界面组成，以便聚焦衍射返回的光到有源条的内部端面上。
这些条是直接位于波导芯上部的多量子阱（MQW）有源区
4-7简述pin光敏二极管的工作原理
光敏二极管工作时加有反向电压，没有光照时，其反向电阻很大，只有很微弱的反向饱和电流（暗电池）。
当有光照时，就会产生很大的反向电流（亮电流），光照越强，该亮电流就越大。
光敏二极管是一种光电转换二极管，所以又叫光电二极管。
4-8简述APD光敏二极管的工作原理
雪崩光电二极管（APD）是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。
光P区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离
新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多
次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。
4-9简述波导型探测器（WG-PD）的工作原理
在WG-PD中，光垂直于电流方向入射到探测器的光波导中，然后在波导中传播，传播过程中光不断被吸收，光强逐渐减弱，同时激发价带电子跃迁到导带，产生光生电子-
空穴对，实现了对光信号的探测。
其次，WG-PD的光吸收是沿波导方向进行的，其光吸收长度远大于传统型光电探测器。
WG-PD的吸收长度是探测器波导的长度，一般可大于10
m，而传统型探测器的吸收长度是InGaAs本征层的厚度，仅为1m。
所以WG-PD结构的内量子效率高于传统型结构PD。
但是，和面入射探测器相比，WD-PD的光耦合面积非
常小，导致光耦合效率较低，同时也增加了和光纤耦合的难度。
为此，可采用分支波导结构
增加光耦合面积，
4-10光接收机的作用是什么
光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入
信号。
它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电探测器。
数字光接收机主要由哪几部分组成
主放大（线
数字光接收机的原理由三部分组成，即由光电探测和前置放大器部分、性信道）部分以及数据恢复部分组成。
4-11接收机灵敏度的定义是什么
接收机灵敏度定义为保证比特误码率为时，要求的最小平均接收光功率（Prec）。
4-12监测光纤通信系统性能好坏通常采用什么最直观简单的方法
在实验室观察码间干扰判断系统性能好坏的最直观、最简单的方法是眼图分析法。
均衡滤波器输出的随机脉冲信号输入到示波器的Y轴，用时钟信号作为外触发信号，就可以观察到眼图。
眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响，当输出端信噪比很大时，张开度主要受码间干扰的影响。
因此，观察眼图的张开度就可以估计出码间干扰的大小，这给均衡电路的调整提供了简单而适用的观测手段。
4-13为什么要用相干检测
相干检测可使接收机灵敏度提高，与IM/DD系统相比可以改进20dB，从而在相同发射机功率下，允许传输距离增加100km；
另外使用相干检测也可以有效地利用光纤带宽，因为可以使波分复用WDM）各载波的波长间距减小。
补充：
4-14光探测器的作用和原理是什么
光探测器的作用是利用其光电效应把光信号转变为电信号。
光探测器的原理是，假如入射光子的能量超过禁带能量Eg，只有几微米宽的耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子-空穴对，发生受激吸收，如图5.1.1（a）所示。
在PN结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗
尽区，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N区进入正电极。
从而在外电路形成光生电流IP。
当入射功率变化时，光生电流也随之线
性变化，从而把光信号转变成电流信号。
5-1为什么要进行脉冲编码？
脉冲编码要进行哪三个过程？
脉冲编码调制（Pulse-CodeModulation，PCM）是光纤传输模拟信号的基楚。
解码后的基带信号质量几乎只与编码参数有关，而与接收到的SNR关系不大。
假如接收到的信号质量不低于一定的误码率，此时解码SNR只与编码比特数有关。
取样、量化和编码
5.2为什么要进行信道编码？
SDH干线采用何种码型？
为什么？
（1）为了使接收再生电路把相位或频率锁定到信号定时上；
（2）因为光接收机采用电容耦合，接收机不能对直流和低频分量响应，使长连零信号的幅度逐渐下降，经判决电路后会产生误码，大多数高性能干线系统使用扰码的NRZ码，如SDH干线
这种码型最简单，带宽窄，SNR高，线路速率不增加，没有光功率代价，无需编码，只要一个扰码器即可，使其最适合长距离系统应用
5.3常用哪几种信道复用？
SDH采用何种复用方式？
3g手机采用何种复用技术？
4G手机采用何种？
信道复用有时分复用（TDM）、频分复用（FDM）和正交频分复用（OFDM）、微波副载波复用（SCM）和码分复用（CDM）；
在光域内，与此相对应，信道复用也有光时分复用（OTDM）、光频分复用即波分复用（WDM）和光正交频分复用（O-OFDM），以及光码分复用（OCDM），如图5.1.5所示。
此外，还有空分复用，比如双纤双向传输就是空分复用。
SDH采用时分复用3g也是
4g是fdma跟tdma
5.4什么是直接强度光调制？
什么是外调制？
如何实现？
直接调制---信息直接调制光源的输出光强；
外调制---信息通过外调制器对连续输出光进行调制；
用快速上下移动快门，使光波间断通过遮光板的孔洞，从而实现光的脉冲调制。
5.5如果想从PDH和SDH码流中分插出一个2mbit/s之路信号给用户，简述各自的工作过程
采用SDH分插复用（ADM），可以利用软件直接一次分插出2Mb/s支路信号，
5.6SDH帧结构中有哪几个信息域？
各有何作用？
SDH帧大体可分为三个部分：
1）信息净负荷（payload）是用于存放各种信息业务容量的地方。
2）段开销（SOH）放置维护管理字节，它是指在STM帧结构中，为了保证信息正常灵活传送所必须的附加字节。
3）管理单元指针（AU-PTR）
管理单元指针是一种指示符，主要用来指示净荷的第1个字节在STM-N帧内的准确位置，以便接收端正确的分解。
5.7简述SDH等级复用的过程。
首先几个低比特率信号复用成STM-0信号，接着3个STM-0信号复用成STM-1信号，几个低比特率信号也可以直接复用成STM-1信号。
然后4个STM-1信号复用成STM-4信号，以此复用下去，最后4个STM-64信号复用成STM-256（39813.12Mb/s）信号。
5.8SDH有哪几种传输终端设备？
各有什么功能？
终端复用器、分插复用器、数字交叉连接设备、中继器终端复用器：
是将低速之路信号或者低速SDH信号复用进高速的SDH设备，分插复用器：
数字交叉连接设备：
是一种集复用、交叉连接、保护/恢复、监控和网管等功能为一体的传输设备。
中继器
5.9SDH采用哪两种同步方式？
各用在何处？
为什么要从STM过度到ATM?
时钟在局间分配的树形同步网结构
时钟在局内分配的星形同步网结构
人们就提出一种与同步传输模式（STM）技术相对应的异步传输模式ATM）技术。
ATM可支持可变速率
升级会员 