河地光纤通信题讲解Word文件下载.docx

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3.光纤的色散一般包含材料色散（单模），模式色散和波导色散（单模）。

4.某单模光纤n1=1.5，相对折射率差为0.01，则此光纤的数值孔径为0.212。

5.SDH的STM-N是块状帧结构，共有9行，270*N列。

6.目前最常用的半导体光源为半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）。

7.一般要求光发射机的消光比小于0.1。

8.目前国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向是掺铒光纤放大器（EDFA）+密集波分复用（WDM）+非零色散光钎（NZDSF）+光子集成技术。

9.在PIN光电二极管中，P型材料和N型材料之间加一层轻掺杂的N型材料，称为I层。

10.SDH的帧结构除行、列、字节、帧长等外，还包括断开销区域、信息载荷区域和管理单元指针区域。

11.对于SDH传输网，每秒钟能够传送8000帧STM-1信号。

11、光纤通信是光纤为传输媒质。

以光波为载波的通信方式。

光纤的工作波长为0.85μm,1.31μm,和1.55μm。

12、当调制频率接近激光器的驰豫频率时，数字调制会产生驰豫振荡。

13.半导体激光器主要特性有光谱特性、方向特性、P-I特性、频率特性、和温度特性。

14、某单模光纤n1=1.5，相对折射率差为0.01，则此光纤的数值孔径为0.212。

15、一个光传输系统的信道间隔限制在100GHz，在中心波长为1550nm即1500nm到1600nm频带内可用波长信道数为125。

16、一般要求光发射机的消光比小于 

0.1。

17、光接收机中的噪声主要来源于光检测器和放大电路，为抑制噪声，一般要求前置放大器应满足低噪声、低增益、和适当带宽的要求，目前常用的前置放大电路为跨阻型型。

18、形成激光的三个主要因素是粒子束反转、受激辐射

和正反馈。

19、WDM系统的基本构成主要有双纤单向传输和单纤双向传输。

20、一个光传输系统的信道间隔限制在100GHz，在中心波长为1550nm即1500nm到1600nm频带内可用波长信道数为125

1.数字光接收机的前置放大器主要有几种类型，选择的依据是什么？

多采用的是哪种类型的放大器？

答：

数字光接收机的前置放大器主要有双极型晶体管前置放大器（低阻型）也可简写为BJT型，场效应管前置放大器（高阻型）也可简写为FET型，跨阻型前置放大器。

选择的依据是：

噪声特性、放大量、和带宽。

前置放大器必须是低噪放大器

低阻型（BJT型）：

输入阻抗低，码间干扰小，适合高速率传输系统

高阻型（FET型）：

输入阻抗高、噪声小、适合低速率传输系统）

跨阻型：

频带宽、噪声低，动态范围大

常用的是跨阻型的

产生激光的三个基本条件是什么？

普通双异质结半导体激光器是如何满足这些条件的？

产生激光的三个条件：

（1）粒子数反转分布

（2）光的正反馈（3）受激辐射。

为了满足条件，双异质结半导体激光器采用正向偏压作为泵浦源实现粒子数反转分布，采用光学谐振腔作为光放大的正反馈，采用半导体材料制成工作物质产生受激辐射。

什么叫副载波复用光强调制？

具有哪两种调制方式？

系统的主要参数是什么？

任意举出两种常采用的光发射机。

SCM是在电域上实现频分复用，N路模拟基带信号分别对N路射频正波载波进行调制，然后将N个已调信号组合成一路，再对光载波进行调制。

然后将产生的已调光信号发送到光纤上，光纤传输后，接收机实现光电转换得到FDM信号，再经分离和解调，最后输出N路模拟基带信号。

具有VSB-AM和FM两种调制方式，系统的主要特性参数是载噪比和信号失真，目前可选择的光发射机有：

（1）直接调制1310nmDFB激光器光发射机

（2）外调制1550nmDFB激光器光发射机（3）外调制固体激光器光发射机（任意答出两种即可）

4.（12分）比较半导体激光器和发光二极管的异同。

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。

但是LED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主要的应用场合是小容量（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，结构类似，LD和LED大多采用双异质结结构，把有源层夹在P型和N型限制层之间。

5.激光器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？

如何消除这两种现象的产生？

当电流脉冲注入激光器后，输出的光脉冲出现振幅逐渐衰减的振荡，称之为弛张振荡。

弛张振荡的危害是限制系统调制速率。

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，因此在实际中最高调制频率应低于弛张振荡频率。

消除方式：

主要是对LD施加偏置电流，适当的增加注入电流。

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副的高频振荡，这种现象称为自脉动现象。

自脉动现象是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的。

危害是：

自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的高速调制特性。

消除的方法是尽量使LD工作在线性区。

（1分）

6.光交换有哪些方式？

光交换主要有三种方式：

空分光交换，时分光交换和波分光交换。

7.什么叫光纤色散？

试分析造成光脉冲展宽的原因？

光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。

（2分）

色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。

色散产生的根本原因是由于光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差造成的。

8.（3分）光纤通信系统中选择码型应考虑哪些因素？

选择光纤线路玛型应考虑以下因素

①能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频率分量。

②能给光接收机提供足够的定时信息。

③能提供一定的冗余码，实现主辅信号同时传输。

9、模拟光纤传输系统目前主要调制方式有哪几种？

其中哪种用于目前模拟电视光纤传输系统，有什么优点？

模拟光纤传输系统目前主要调制方式有：

模拟基带直接光强调制、模拟间接光强调制、频分复用光强调制。

频分复用光强调制因为对射频电信号进行调幅或者调频，然后进行频分复用，以光载波为主载波，射频信号为副载波，所以也称之为副载波复用。

被广泛用于目前模拟电视光纤传输系统的是副载波复用。

主要优点有：

1、有利于数/模混传和多种业务的综合分离。

2、灵敏度高、制造成本低。

3、可应用大功率LD满足多频道需求。

10、（9分）光纤的最主要传输特性有哪些，产生机理是什么？

分别会对光纤传输系统带来什么影响？

答：

损耗和色散是光纤的最主要传输特性。

色散是在光纤传输中的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。

色散包括模式色散、材料色散和波导色散。

色散限制系统的传输容量。

损耗是光在光纤中传输时，其强度或功率发生的衰减，称为损耗。

从产生机理上说主要由吸收损耗和散射损耗两种。

损耗主要限制光纤的传输距离。

1.请画出典型半导体激光器的光功率特性图

（1）指出图中不同曲线段代表的意义（自发辐射段，受激辐射段）

（2）给出阈值电流，说明什么是阈值条件

（3）当激光器的温度升高时，另外画出其对输出光功率的影响，并加以说明

（1）画图并标注

（2）Ith为阈值电流，产生激光输出的条件就是阈值条件。

在阈值以上，器件为振荡器或激光器。

（3）（画图）随着温度的升高，阈值电流增大，量子效应减少，使得输出光功率下降。

2.请画出同步数字系列的帧结构（STM-1）

（1）指出图中各部分的名称和具体作用。

（2）给出每部分的具体容量。

解：

画图并标注

（1）段开销：

主要用于运行、维护和管理，如帧定位、误码检测、公务通信、自动保护倒换以及网管信息传输。

信息载荷（Payload）：

SDH帧内用于承载各种业务信息，其中包含通道开销（POH）。

管理单元指针（AUPTR）：

用于指示Payload第一个字节在帧内的准确位置

（2）对于STM-1，段开销4.608Mb/s，信息载荷150.336Mb/s，管理单元指针0.576Mb/s

3.请画出LD光源的数字调制原理图

（1）给出阈值电流，说明什么是阈值条件。

（2）画出输入数字电信号与输出光信号，说明两者的关系（分为驱动电流小于阈值电流、大于阈值电流、远大于阈值电流的情

况）。

（3）给出光源的两个主要技术指标。

（1）Ith为阈值电流，产生激光输出的条件就是阈值条件。

。

（2）驱动电流小于阈值电流时激光器不受激、驱动电流大于阈值电流时输出光功率和驱动电流成线性关系，输出光功率和输入电流成正，驱动电流远大于阈值电流时激光器处于非线性状态，输出光信号不反映输入电信号。

（3分）

（3）谱线宽度、调制速率、输出光功率、光束方向性（任意两个均可）

4.请画出光纤的损耗特性曲线

（1）指出光纤通信系统的三个传输窗口的对应波长。

（2）指出零色散窗口，最小损耗窗口和OH-吸收峰

（1）虚线所对应波长分别为850nm，1310nm，1550nm。

此为光纤的三个传输窗口

（2）1310nm处为零色散窗口，1550nm处为最低损耗窗口，OH-吸收峰如图所示。

1.一个GaAsPIN光电二极管，平均每两个入射光子产生一个电子-空穴对，假设所有的电子都被收集。

（1）计算该器件的量子效率

（2）设在0.8μm波段的接收功率是10-7W，计算平均输出光电流和响应度（3）计算这个光电二极管的长波长截止点（已知GaAs的禁带宽度为1.42eV）

（1）由量子效率的定义得：

（2）由公式

得：

根据响应度的定义：

（3）根据光电效应的产生条件：

hf>

Eg可得

2.某光纤在1300nm处的损耗为0.6dB/km，在1550nm处的损耗为0.3dB/km。

假设下面两种信号同时进入光纤：

1300nm波长LD发射功率为200μW，与光纤之间的耦合效率为75%的光信号和1550nm波长LD发射功率为125μW，与光纤之间的耦合效率为80%的光信号，试问这两种光信号在8km和20km处的功率各为多少？

以μW为单位。

1300nm波长LD入纤功率为：

200μW×

75%=150μW

1550nm波长LD入纤功率为：

125μW×

80%=100μW

对于1300nm光纤，在8km处的损耗值为：

0.6dB/km×

8km=4.8dB

则8km处出纤功率为

在20km处的损耗值为：

20km=12dB

则20km处出纤功率为

对于1550nm光纤，在8km处的损耗值为：

0.3dB/km×

8km=2.4dB

20km=6dB

3.一阶跃折射率光纤，纤芯半径a=25μm，折射率n1=1.5，相对折射率差Δ=0.01，长度L=1km。

求

1.光纤的数值孔径？

2.子午光纤的最大时延差？

3.若将光纤的包层和涂敷层去掉，求裸纤的NA和最大时延差？

4.光纤的工作波长为0.85μm时，能够传输的导模数量是多少，若波长为1.31μm，导模数量又为多少？

（1）

（2）

（3）

（4）λ=0.85μm时，

所以，M=V2max/2=768.32（1分）传输769个模式

λ=1.31μm时，

所以，M=V2max/2=323.47（1分）传输324个模式

4、一阶跃折射率光纤，纤芯半径a=25μm，折射率n1=1.5，相对折射率差Δ=0.01，长度L=1km。

求：

光纤的数值孔径

子午光纤的最大时延差

若将光纤的包层和涂敷层去掉，求裸纤的NA和最大时延差

（3）

5.设计一条无中继的光纤线路，要求：

（1）长度为4千米

（2）传输速率为90Mb/s（3）要求BER达到10-9（4）采用归零码

已知有如下几种设备待选：

（1）1310nm的MLM-LD，谱宽1nm，发射功率0dBm，发射机上升时间0.2ns

（2）850nm的LED，谱宽50nm，发射功率-13dBm，发射机上升时间1.5ns（3）工作波长850nm的渐变折射率光纤，n1=1.43，Δ=0.015，光纤损耗为5dB/km，色散系数70ps/nm.km，出厂长度1km（4）工作波长1310nm的单模光纤，n1=1.50，Δ=0.01，光纤损耗为4dB/km，色散系数30ps/nm.km，出厂长度1km（5）PIN-PD，灵敏度为-30.3dBm，接收机上升时间1ns（6）APD接收机在相同传输速率和误码率下，灵敏度比PIN高出11dBm,接收机上升时间1ns

此外：

光纤连接器损耗0.5dB/对，要求的系统余量4dB，每个接头损耗0.05dB，每千米光纤损耗余量0.1dB

解：

（1）首先选择MLM-LD、单模光纤、APD接收机

计算功率余量：

P=0-（-30.3-11）-4=37.3dBm

系统总损耗：

0.5×

2+0.1×

4+0.05×

3+4×

4=17.55dB

由于功率余量大于系统总损耗，所以功率计算可满足要求

计算色散影响：

进行时间预算：

理论上升时间Tr=0.35/90=3.89ns

实际上升时间Tsr2=Ttr2+Tfr2+Trr2=0.04+0.01+Trr2

单模光纤Trr=TGVD=30×

4×

1=120ps=0.12ns

所以Tsr2=0.0644即Tsr=0.254

由于实际上升时间小于要求上升时间，所以时间计算可满足要求

（2）选择MLM-LD、单模光纤、PIN-PD

P=0-（-30.3）-4=26.3dBm

系统总损耗不变，所以功率计算可满足要求。

同样时间预算也不变，所以时间计算也可满足要求。

（3）选择LED、渐变折射率光纤、PIN接收机

P=-13-（-30.3）-4=13.3dBm

而系统总损耗是17.55dB所以不满足要求

综上所述：

从系统性能和价格等因素考虑应该选择MLM-LD、单模光纤、PIN-PD

6.（14分）设140Mb/s数字光纤通信系统发射光功率为-3dBm，理想接收机工作在1310nm波长，要求误码率为10-9，接收机量子效率为0.7，系统余量为4dB，连接器损耗为0.5dB/对，平均接头损耗为0.05dB/km，光纤衰减系数为0.4dB/km，光纤损耗余量为0.05dB/km。

假设线路码型为5B6B码，单模光纤色散系数为5ps/（nm.km），发射机的光源采用多纵模激光器，谱宽为3nm，计算中继长度L，并判断此系统为什么受限光纤系统。

首先计算理想接收机的灵敏度：

按照损耗受限中继距离计算：

系统总功率衰减

（2分）

则最长中继距离

（2分）

采用5B6B码，则线路码速率

多纵模激光器的ε=0.115（1分）

按照色散受限中继距离计算：

（3分）

可见在工程设计中，中继距离应该取45.6km。

中继距离主要受色散限制。

7、长途光纤系统各部分参数如下：

系数速率为564.992Mbit/s,码型为8BIH，光的发射功率2.7dBm,接收灵敏度-34dBm，接收机动态范围24dB，BER＝10-10，设备的富余度3dB，光缆线路富余度主0.08dB/km,光缆配线架连接器的损耗为0.5dB/个，光纤损耗为0.33dB/km，光纤接头损耗为0.04dB/km，光源采用MLM－LD，光源谱宽主1.6nm,光纤色散系数为2.5ps/nm.km,ε光通道功率参数取0.115。

试：

（1）对系统进行预算，确定出合适的中继距离范围。

（2）指出该系统是何种因素的限制系统。

（1）因为

，

所以选择其中较小的值，则中继距离取45.2km..

（2）该系统是色散限制系统。

（共2分）

EDFA的原理：

利用在光纤中参杂物质，主要是稀土元素引起的增益机制实现光放大。

优点：

工作波长与光纤最小损耗窗口一致增益高所需泵浦功率低结构简单噪声低带宽大工作稳定性好

光纤通信的优点：

1.传输频带宽，通信容量大传输损耗低2中继距离长，降低成本和出故障的可能性3.抗干扰能力强，保密性好4.直径细，重量轻5.材料资源丰富，节约有色金属6.抗化学腐蚀，不会产生短路火花，不受气候变化影响

1.红外吸收损耗可以忽略

2.泵浦光源的工作波长980nm

3.STM-16的传输速率为2.488Gbit/s

4.零色散波长为1310nm

5.副载波分复用光纤系统中，发射机组合：

LED+1550NMDFB-LD

6.光发送机的调制方式：

直接调制，间接调制（内、外调制）

7.检波方式：

直接检波，外差检波

8.光纤复用方式：

时分，波分，频分

11、简述数字光发射机的主要功能、基本组成和核心部件。

常用的调制方式有哪几种，各有什么特点？

数字光发射机的主要功能是将输入电信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。

基本组成为光源、调制和控制电路、线路编码电路。

其中光源为其核心部件。

常用的调制方式有直接调制和外调制（间接调制）。

直接调制成本低、易于实现，外调制调制速率高。

12.模拟光接收机量子极限的含义是什么？

假设系统除量子噪声外没有其他噪声存在，在这种情况下，灵敏度由平均信号电流决定，这样确定的灵敏度就是量子极限灵敏度。