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1、光纤通信第三版教学教材光纤通信(第三版)教学教材 光纤通信(第三版) 第一章 1用光导纤维进行通信最早在哪一年由谁提出？ 用光导纤维进行通信最早在1966年由英籍华人高锟提出 2光纤通信有哪些优点？ 光纤通信的优点是： 频带宽、传输容量大； 损耗小、中继距离长； 重量轻、体积小； 抗电磁干扰性能好； 泄漏小、保密性好； 节约金属材料，有利于资源合理使用。 3简述通信网络的份层结构. 4比较光在空气和光纤中传输的速度，哪个传输得快？ 光在光纤中传输的速度比在空气中传输得慢，慢n 倍，n 是光纤纤芯折射率。 5简述抗反射膜的工作原理 /复接层 层) /网络层 OADM: OXC ：o 光分插复用

2、光交叉连接 当光入射到光电器件的表面时总会有一些光被反射回来，除增加耦合损耗外，还会对系统 产生不利的影响，为此需要在器件表面镀一层电介质材料，以便减少反射 6简述电介质镜的工作原理 电介质镜由数层折射率交替变化的电介质材料组成，从界面上反射的光相长干涉，使反射光增强，如果层数足够多，波长为 的反射系数接近1 7简述分光镜的工作原理 两个三角棱镜A 和C 被一层低折射率薄膜B 分开，此时A 中的一些光线穿过薄膜B 进入C ，然后从立方棱镜出去。由于A 镜斜面阻止全反射的作用，导致产生透射光束，因此入射光束被分成两束。两种光束能量分配的比例取决于薄膜层厚度和它的折射率。 8说明为什么布拉格衍射的

3、条件是sin d m =? 假定入射光束是平行波，因此裂缝变成相干光源。并假定每个裂缝的宽度a 比把裂缝分开的距离d 更小，从两个相邻裂缝以角度 发射的光波间的路经差是d sin 9说明半波片相位延迟的工作原理 假如 L 是晶体片的厚度，寻常光（o ）和非寻常光（e ）通过晶体经历的相位变化不同。于是出射光束和分量通过相位延迟片产生的相位差是 = 是半波长延迟 10说明平面介质波导传输单模光线的条件 波导中有一个允许在其中传输的最大模数。最大模数m 必须满足等式A:()-V m 2 等式B ：()2122212n n a V -=V 数也叫V 参数，或归一化频率，在平面波导中也叫归一化厚 度。

4、对于给定的自由空间波长，V 数取决于波导几何尺寸(2a )和特性(1n 和2n )。当0=m ，2m 时，知道，从式A 得到2/)(+=m V 或2/。当2）时，没有透射光，只有反射光，这就是多模光纤波导传输光的原理。 2. 作为信息传输波导，实用光纤有哪两种基本类型？ 实用光纤有多模光纤和单模光纤。 3. 什么叫多模光纤？什么叫单模光纤？ 如果光纤只支持一个传导模式，则称该光纤为单模光纤。相反，支持多个传导模式的光纤称为多模光纤 4. 光纤传输电磁波的条件有哪2个？ 光纤传输电磁波的条件除满足光线在纤芯和包层界面上的全反射条件外，还需满足传输过程中的相干加强条件。 5. 造成光纤传输损耗的主

5、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？ 引起光纤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。吸收损耗是可以改善的。最小损耗在1.55m 波段内。 6. 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。 多模光纤的色散由模式色散决定，单模光纤色散由色度色散决定。 7. 光纤数值孔径的定义是什么？其物理意义是什么？ 用数值孔径NA 表示光线的最大入射

6、角max 0max NA sin n = NA sin max =（10=n 时） NA 表示光纤接收和传输光的能力。NA(或max )越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA 越大，经光纤传输后产生的输出信号展宽越大，因而限制了信息传输容量。 8. 单模光纤的传输特性用哪几个参数表示？ 单模光纤的传输特性用衰减、色散和带宽表示。 9.多模光纤有哪两种？单模光纤又有哪几种？ 多模光纤有阶跃多模光纤和渐变多模光纤。单模光纤有G.652光纤、G.653光纤、 G.654光纤、G.655光纤、全波光纤和色散补偿光纤。 10.简述G.6

7、52光纤、G.653光纤、G.654光纤、G.655光纤和全波光纤的特 征 G.652光纤是普通单模光纤，G.653光纤是色散移位光纤，G.654光纤是损耗 最小光纤，G.655光纤是非零色散移位光纤，全波光纤是无水峰光纤，色散补偿光纤是具有负的大色散光纤。 11.用后向散射法测量光纤损耗的依据是什么？ 瑞利散射光功率与传输光功率成正比。后向散射法就是利用与传输光方向相反的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的。 12.从物理概念来看，色散、脉冲展宽和光纤带宽三者之间的关系是什么？ 由于光纤色散，光脉冲经光纤传输后使输出脉冲展宽，从而影响到光纤的带宽 13.简述光时域反射计的用途 光时域反射计（O

8、TDR）不仅可以测量光纤损耗系数和光纤长度，而且还可以测量连接器和熔接头的损耗，观测光纤沿线的均匀性和确定光纤故障点的位置，在工程上获得了广泛地使用。 13.G.652光纤在1.3 um的损耗是多少？0.3-0.4 db/km 第三章 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。 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

9、多个或一个光输出。 3. 简述波导光栅解复用器的工作原理 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（AWG ）传输后，依波长的不同就出现在不同的波导出口上。公式： eff 2n L ?= 4. 简述介质薄膜干涉滤波器解复用器的作用。 在由四分之一波长厚的多层介质膜组成的电介质镜中，所有从前后相挨的两个界面上反射的波都具有相长干涉的特性(相位差为180度)，经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系数将达到 1。介质薄膜光滤波器解复用器就是利用光的干涉效应选择波长。连续反射光在前表面相长干涉复合，在一

10、定的波长范围内产生高能量的反射光束，在这一范围之外，则反射很小。 5. 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。 6. 简述马赫-曾德尔幅度调制器的工作原理 使用对两个波的频率相同但相位不同进行干涉的干涉仪，外加电压引入相位的变化可以转换为幅度的变化 7. 什么是差分正交相移键控（DQPSK ）调制器？ 一项被广泛视为40 Gb/s ，乃至串行100 Gb/s 的先进的调制方式是差分正交相移键控（DQPSK ）。这种调制技术同时调制信号的强度和相位，以尽可能减轻色散的影响。但DQPSK

11、 调制方式在实现的过程中需要一种QPSK 光调制器。 8. 什么是偏振复用差分正交相移键控（PM-DQPSK ）调制器？ 它同时调制信号的偏振和相位，在接收端使用相干检测。 9. 什么是电光效应？ 电光效应，是将物质置于电场中时，物质的光学性质发生变化的现象。 10.简述电吸收波导调制器（EAM）的工作原理。 电吸收调制器（EAM）是一种P-I-N半导体器件，其 I 层由多量子阱（MQW）波导构成, I 层对光的吸收损耗与外加的调制电压有关. 当调制电压使 p-i-n 反向偏置时，入射光完全被 i 层吸收，相当于输出“0” 码； 反之，当偏置电压为零时，势垒消失，入射光不被 i 层吸收而让其通

12、过，相当于输出“1” 码，从而实现对入射光的调制。 11.光开关的作用是什么？主要分为哪两类？ 光开关的作用是转换光路，实现光信号的切换。 光开关可以分为两大类: 一类是利用电磁铁或步进电机驱动光纤或透镜来实现光路转换的机械式光开关。近来出现的微机械光开关，采用机械光开关的原理，但又能象波导开关那样，集成在单片硅基底上，所以很有发展前途。 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。 12.简述光隔离器的作用。 光隔离器是一种只允许单方向传输光的器件，通常用于消除反射光的影 响，使系统工作稳定。 13.按其工作原理的不同磁光波导隔离器分哪几类？并简述其工作原理。

13、 根据目前已报道的磁光波导隔离器，按其工作原理的不同可分为： 模式 (TE/TM) 转换型：非互易变换与各向异性介质所产生的互易变换相互抵消，从而使得正向传输时，入射波能够在不发生变换的情况下直接通过波导。而对于反向光，非互易变换与各向异性介质所产生的互易变换是相加 的，因而发生模式变换，TM 模转换为TE 高阶模或辐射模而截至，从而实现隔离反向光的功能。 非互易损耗（SOA ）型：适当的给SOA 注入电流，对正向传输的光通过，而对反向传输的光衰减，起到光隔离的作用 非互易相移（MZI ）型：基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI ）原理 14. 简述光环形器的作用。 光环行器除了也是一种单向传输器件

14、，主要用于单纤双向传输系统和光分插复用器中。 15. 简述波导光栅在可重构光分插复用器（ROADM ）中的作用？ 用AWG 构成的N ?N 星形波长分插复用（ADM ）互联系统 第四章 1. 简述半导体发光原理。 半导体发光基理是，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)c E 的电子跃迁到低能带(价带)v E 上，就将其间的能量差(禁带能量)v c g E E E -=以光的形式放出，其波长由能带差E ?所决定。能带差E ?和 发出光的振荡频率o v 之间有 hv E =?的关系。 2. 简述激光器和光探测器的本质区别。 光探测器的原理是，低能带上的电子吸收入射光

15、子的能量后被激励跃迁到较高的能带上，在半导体结上外加电场的作用下，在外电路上可以取出处于高能带上的电子，使光能转变为电能。而激光器的原理是将电能转变为光能。这就是说他们的本质区别。 3. 自发辐射的光有什么特点？ 光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。 4. 受激发射的光有什么特点？ 受激发射生成的光子与原入射光子一摸一样，是指它们的频率、相位、偏振方向及传播方向都相同，它和入射光子是相干的。 5. 如何才可能实现实现光放大？ 处于粒子数反转分布的介质（叫激活介质）可实现光放大。 6. 说出产生激光的过程？ 激光的产生，必须有激光器，而激光器必须具备三个主要的组成部分。

16、 A.激活物质即被激励后能发生粒子数反转的工作物质，也称做激光工作物质。诸如氖、氩、CO2、红宝石及钕玻璃等。必须具备有亚稳态能级性质的物质。 B.激励装置能使激活介质发生粒子数反转分布的能源，既称为激励装置。如各种激光器所具备的电源。 C.光学谐振腔能使光子在其中重复振荡并多次被放大的一种由硬质玻璃制成的谐振腔。产生激光的过程可归纳为：激励激活介质（即工作物质）粒子数反转；被激励后的工作物质中偶然发出的自发辐射其它粒子的受激辐射光子放大光子振荡及光子放大激光产生。 7.激光器起振的阈值条件是什么？ 激光器起振的阈值条件是受激发射使腔内获得的光增益正好与腔内损耗相抵消。 8.激光器起振的相位条

17、件是什么？ 激光器起振的相位条件是谐振腔内的前向和后向光波发生相干 9.光学谐振腔存在哪些损耗？ 谐振腔存在着损耗，如镜面的反射损耗、工作物质的吸收损耗和散射损耗等。 10.实际使用中为什么总是用热电致冷器对激光器进行冷却和温度控制？ 激光器的阈值电流和输出功率对温度很敏感，所以在实际使用中总是用热电致冷器对激光器进行冷却和温度控制。 11.半导体激光器的基本特性是什么？ 半导体激光器的基本特性有阈值特性、温度特性和波长特性。 12.简述DFB激光器的工作原理。 DFB激光器的工作原理与F-P腔LD的工作原理不同。 F-P腔的反射只发生在解理端面，在腔体的任一点，都是这些端面反射的左右行波的干

18、涉； 而DFB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。 DFB激光器在腔内的每一点都有反射，其腔体损耗与纵模有关。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。其它相邻模式由于其损耗较大，不能达到阈值，因而也不会从自发辐射中建立起振荡。这些边模携带的功率通常占总发射功率的很小比例(1%)。 13.简述耦合腔波长可调谐激光器的工作原理。 耦合腔半导体激光器可以实现单纵模工作，这是靠把光耦合到一个外腔实现的。 14.简述阵列SOA集成光栅腔体波长可调激光器的工作原理。 其发射波长可以精确设置在指定位置，借助激活该器件的不同SOA

19、，不同 波长梳的任一波长均可发射，其波长间距可以精确地预先确定，除半绝缘电流 阻挡外，仅使用标准的光刻掩埋技术和干、湿化学腐蚀技术。 15.简述阵列波导光栅（AWG）PIC波长可调激光器的工作原理。 基于马赫-曾德尔干涉仪的原理：多个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。 输入光从第一个星型耦合腔输入，该耦合器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。 16. 简述VCSEL 激光器的工作原理。 腔体两端的反射器是由电介质镜组成，即由厚度为4/的高低折射率层交错组成。如 果组成电介质镜的高低介质层折射率1n 、2n 和1d 、2d 满足2 12211=+d n d n 该电介质

20、镜就对波长产生很强的选择性，从界面上反射的部分透射光相长干涉，使反射光增强。经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系数将达到1。因为这样的介质镜就像一个折射率周期变化的光栅，所以该电介质镜本质上是一个分布布拉格反射器。 17. LED 和LD 的主要区别是什么？ LED 和LD 的主要区别是， LED 本质上是非相干光源，它的发射光谱是半导体材料导带和价带的自发辐射谱线，所以谱线较宽；而LD 是相干光源，它的谱线很窄。 18. LED 是阈值器件吗？ LED 不是阈值器件, LD 是阈值器件。 第五章 1.光探测器的作用是什么和原理是什么？ 光探测器的作用是利用光电效应把光信号转变为电

21、信号。受激吸收。 2.简述半导体的光电效应 因光照而引起物体电学特性的改变。 3.什么是雪崩增益效应？ 当耗尽区中的场强达到足够高时，入射光产生的电子或空穴将不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子和空穴在运动过程中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，激发出新的电子空穴对。这些碰撞电离产生的电子和空穴在场中也被加速，也可以电离其它的原子，重复着这一过程。经过多次后电离，载流子迅速增加，形成雪崩倍增效应 4.光接收机的作用是什么? 光接收机的作用是把光信号转变为电信号，并放大、整形、再生成原输入信号。 5.光纤通信中最常用的光电检测器是哪两种？比较它们的优缺点。 光纤通信中最常用的光电检测器是P

22、IN 和APD 。 6.PIN和APD探测器的主要区别是什么? PIN和APD探测器的主要区别是APD利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增，所以APD能够提供内部增益，而PIN却不能。 7.单行载流子光电探测器（UTC-PD）为什么能够在高速系统中使用？ 只有电子充当载流子，空穴不参与导电，电子的迁移率远高于空穴，因而其载流子渡越时间比PIN的小。 8.简述波导型探测器（WG-PD）和行波型探测器（TW-PD）的工作原理。 WG-PD: 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

23、测。 TW-PD: 行波探测器是在波导探测器的基础上发展起来的，它的响应不受与有源面积有关的RC常数的限制；响应主要由光的吸收系数以及光的群速度和电的相速度不匹配决定。 这种器件的长度远大于吸收长度，但它的带宽基本与器件长度无关，所以具有更大的响应带宽积。 9.数字光接收机主要由哪几部分组成? 数字光接收机由前置放大器、线性放大以及数据恢复三部分组成。线性放大由主放大器、均衡器和自动增益控制电路组成，数据恢复又由判决电路和时钟恢复电路组成。10.说明前置放大器和主放大器的功能区别. 前置放大器是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型。 主放大器一般是多级

24、放大器，它的作用是提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制（AGC），以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。 11.光接收机中存在哪些噪声？ 各种噪声可分为散弹噪声和热噪声两大类。散弹噪声包括光检测器的量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD的倍增噪声；热噪声包括负载电阻上的热噪声和放大电路中产生的噪声。方值形式类似于PIN噪声特性中的各种表示。 12.通常数字光接收机要求BER是多少? 10-。 通常数字光接收机要求BER是9 13.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109-时要求的最小平均接收光功率( P

25、)。 rec 14.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？ 在实验室里观察码间干扰是否存在的最直观、最简单的方法是眼图分析法。 第六章 1.DFA的工作原理是什么？有哪些应用方式？ 光放大器通过受激发射放大入射光信号，其机理与激光器相同。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。 A.在线放大器 B.光放射机功率增强器 C.接收机前置放大器 D.在局域网中用于补偿分配损耗 2.EDFA有几种泵浦方式？哪种方式转换效率高？哪种噪声系数小？ 可使用多种不同波长的光来泵浦 EDFA，但是 0.98 m 和 1.48 m的半导体激光泵浦最

26、有效。使用这两种波长的光泵浦 EDFA 时，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达 30 40 dB 的放大器增益。 3.目前有几种光放大器?哪几种已商用化？请说出各自的优缺点。 掺铒光纤放大器（EDFA）: 利用掺铒光纤 分布光纤拉曼放大器（DRA）: 系统传输光纤基于非线性光学效应 半导体光纤放大器（SOA）: 当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。 4.什么是掺铒光纤放大器（EDFA）？ 使用铒离子作为增益介质的光纤放大器，称为掺铒光纤放大器(EDFA)。 5.画出EDFA的结构示意图，并简述各部分的作用？ (1) 掺铒光纤 光纤放大器的关键部件是具有增益放大特性的掺铒光纤，因而使掺

27、铒光纤的设计最佳化是主要的技术关键。EDFA的增益与许多参数有关，如铒离子浓度、放大器长度、芯径以及泵浦光功率等。 (2) 泵浦源 对泵浦源的基本要求是高功率和长寿命。它是保证光纤放大器性能的基本因素。几个波长可有效激励掺铒光纤。 最先使用1480 nm的 InGaAs 多量子阱(MQW)激光器，其输出功率可达 100 mW，泵浦增益系数较高。 随后采用980nm 波长泵浦，效率高, 噪声低，现已广泛使用 (3) 波分复用器 其作用是使泵浦光与信号光进行复合。对它的要求是插入损耗低，因而适用的WDM器件主要有熔融拉锥形光纤耦合器和干涉滤波器。 (4) 光隔离器 在输入、输出端插入光隔离器是为了

28、抑制光路中的反射，从而使系统工作稳定可靠、降低噪声。对隔离器的基本要求是插入损耗低、反向隔离度大。 6.EDFA有几种泵浦方式？ 0.98 um 和 1.48 um的半导体光泵浦最有效。 7.简述EDFA的工作原理 在掺铒离子的能级图中，E1是基态， E2 是中间能级，E3代表激发态。 若泵浦光的光子能量等于 E3 与 E1之差，铒离子吸收泵浦光后，从E1升至 E3。但是激活态是不稳定的，激发到E3 的铒离子很快返回到 E2。 若信号光的光子能量等于 E2 和 E1 之差，则当处于 E 2的铒离子返回E1 时则产生信号光子，这就是受激发射，结果使信号光得到放大。 8.EDFA的主要特性指标是什

29、么？说明其含义。 增益特性、输出功率特性、噪声的特性 9.EDFA在光纤通讯系统中有哪几种应用方式？ 三种主要应用方式：光功率放大、光中继放大（在线放大）和光前置放大 10.简述半导体光放大器的工作原理。 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。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。 11.如何使LD变SOA? 要想把半导体激光器（LD）变为半导体光放大器（SOA），必须把解理面的反射损耗减小到足够小。 12.什么是分布式拉曼放大器？有何应用？并简述它与EDFA的不同。 EDFA只能工作在1 5301 564 nm之间的C 波段； 光纤拉曼放大器可用

30、于全波光纤工作窗口。 因为分布式拉曼放大器的增益频谱只由泵浦波长决定，而与掺杂物的能级电平无关，所以只要泵浦波长适当，就可以在任意波长获得信号光的增益 光纤拉曼放大器已成功地应用于DWDM系统和无中继海底光缆系统中。 13.EDFA级联需要考虑哪些问题？ 光放大器级联可克服长距离通信系统（如海底光缆系统）的光纤损耗，从而可省去光信号的周期性光-电-光再生。 设计一个级联在线放大器光波系统，要求考虑许多因素。最重要的是放大器噪声、光纤色散以及光纤非线性。 14. 全光传输中继器和传统的再生中继器的主要区别是什么？ 全光传输中继器和传统的再生中继器的主要区别是： 传统的再生中继器要完成光-电-光转换过程；而全光传输中继器不需要光-电-光变换，它直接对光信号进行放大。 15. EDFA 和光纤喇曼放大器哪个是集中式放大？哪个是分布式放大？工作波段是什么？ EDFA 是集中式放大，光纤喇曼放大器是分布式放大。EDFA 工作在C 波段，光纤喇曼放大器可以在光纤的全波段工作。 16. EDFA 和光纤喇曼放大器的增益频谱由什么决定？增益介质有何不同？ EDFA 的增益特性与泵浦方式及光纤掺杂剂有关