光纤通信简明教程课后思考题答案原荣.docx

1、光纤通信简明教程课后思考题答案原荣1-1 用光导纤维进行通信最早在哪一年由谁提出答：1966年7月英籍华人高锟提出用光导纤维可进行通信。1-2 光纤通信有哪些优点光纤通信具有许多独特的优点，他们是：1. 频带宽、传输容量大；2. 损耗小、中继距离长；3. 重量轻、体积小；4. 抗电磁干扰性能好；5. 泄漏小、保密性好；6节约金属材料，有利于资源合理使用。1-3 简述光纤通信系统的分构成及各部分的作用用光纤传输信息的过程大致是这样的，在发送端，把用户要传送的信号（如声音）变为电信号，然后使光源发出的光强随电信号变化，这个过程称为调制，它把电信号变为光信号，最后用光纤把该光信号传送到远方；在接收端

2、，用光电探测器接收光信号，并把光信号还原为携带用户信息（如声音）的电信号，这个过程称为解调，最后再变成用户能理解的信息（如声音）。1-4光纤通信系统结构分类a) 点对点 b) 一点对多点 c) 网络 1-5 光纤通信网络分类依据网径的大小可分为宽域网(WAN)、城域网(MAN)和局域网(LAN）)光的本质是什么，什么是相位差？光是一种电磁波，即由密切相关的电场和磁场交替变化形成的一种偏振横波，它是电波和磁波的结合。它的电场和磁场随时间不断地变化，分别用Ex和Hy表示，在空间沿着z方向并与z方向垂直向前传播，这种波称为行波假如波沿着z方向依波矢量k传播，如式（1.5.1）所示，被分开的两点间的相

3、位差可用简单表示，因为对于每一点是相同的。假如相位差是0或2 的整数倍，则两个点是同相位，于是相位差可表示为 或 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答：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

4、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答：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答：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

5、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。2-9 G.652光纤在1.3 m的损耗是多少？答：G.652光纤在1.3 m波段的损耗较大，为0.30.4 dB/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

6、耗在什么波长范围内答：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答：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

7、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

8、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3 dB耦合器串联组成一个马赫-曾德尔干涉仪，干涉仪的两臂长度不等，光程差为

9、L 。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？简述它们的区别答：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

10、化，但是用直接调制来实现调幅（AM）和幅移键控（ASK）时，注入电流的变化要非常大，并会引入不希望有的线性调频（啁啾）。外调制把激光的产生和调制过程分开，完全可以避免这些有害影响。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答：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

11、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 （3.5.5）输出功率与成正比，所以由式（3.5.5）可知，当时输出功率最大，当时，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 （3.5.6

12、） 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？主要分为哪两类答：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，3-12 EDFA的结构示意图，并简述各部分

13、的作用答：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的工作原理答：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

14、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

15、的散射光（斯托克斯光）。3-14 什么是SOA，如何使LD变为SOA1）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，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，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N N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

16、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）式中， 是信号波长，是路径长度差，通常为几十微米，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

17、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、LD4-2 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）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）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所决定。能带差和发出光的振荡频率之间有的关系，h 是普

18、朗克常数，等于6.625 10 34 J s。由得出（ m） （4.1.1）式中，c 为光速，取决于半导体材料的本征值，单位是电子伏特（eV）。4-4 LD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DFB LD 内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，

19、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

20、。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。光生的电子 空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能量，它们在高速运动中与 P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子 空穴对。这种通过碰撞电离产生的电子 空穴对，称为二次电子 空穴对。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 答： 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

21、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1 m。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答：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

22、、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答：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、主放大（线性信道）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答：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（）。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答：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

23、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100 km；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答：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

24、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。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-Code Modulation，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

25、。 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）、

26、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tdma5.4什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

27、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2 Mb/s支路信号，5.6 SDH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

28、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（39 813.12 Mb/s）信号。5.8 SDH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5.9 SDH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

29、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可支持可变速率业务，支持时延要求较小的业务，具有支持多业务多比特率的能力，因此ATM接入系统能够完成不同速率的多种业务接入，它既能够提供窄带业务，又能提供宽带业务，即能提供全业务接入。5.10 STM和ATM各用什么方式复用？、STM采用面向位置的交换和复用，时隙复用ATM采用面向标志的交换和复用原理，标志复用5-11 比较ATM、STM和IP在传输线路上数据分组的不同？ATM信元都是定长的，在没有信息传送时，在线路上传送的是空闲信元，因此，如果我们观察一条B-ISDN中的通信线路，我们会发现，时间仍是被划分成一

30、个个等长的小时隙，每个小时隙都正好是一个ATM信元。这有些类似于SDH的同步时分复用情况，而不同于IP分组交换网中的情况5-12 SDH如何传输ATM信元？ATM本质上是一种高速分组传送模式，它将话音、数据及图像等所有的数字信息分解成长度一定的数据块，并在各数据块前加上信头（即信息发往的地址、丢弃优先级等控制信息）构成信元。 只要获得空闲信元，即可以插入信息发送出去。因插入的信息位置不固定，故称这种传送方式为异步传送模式（ATM）。 5-13 何谓IP？它有什么作用？提供什么服务？因特网协议（IP）是互联网的基本联网协议，也是当今世界上用得最广泛的联络技术。 以太网（Ethernet）的帧格式

31、与因特网协议（IP）一致，特别适合于传输IP数据。以太网和因特网均采用相同的传输控制协议（TCP）和简单网管协议（SNMP）；既可以用于低速同轴链路传输，也可以用于高速光纤线路传输。IP网络提供“尽力而为”服务，即IP网尽最大能力将一个数据包从它的发送地传输到目的地。5-14 因特网的网络结构？核心层是WDM网络，主要设备是光分插复用器、光交叉连接器（OXC）、光放大器等。5-15 简述IP进入光传送网的几种可能方式？现在IP通过SDH、ATM或WDM进入光通道传输网；未来IP进入光传输网波段的途径，IP可能依次通过SDH（或ATM、WDM）进入光通道，然后再接入光波段传输网，或者再通过光快速电路交换接入光波段。或许会有一种新协议取代IP，通过光快速电路交换进入光波段传输网。5-16 什么是HFC网？HFC用什么线传输？ADSL用什么线传输？信源前端到小区使用光缆，小区到用户使用同轴电缆传输的网络叫光纤/电缆混合网（HFC）通过光纤和电缆双绞线5-17 什么是WDM系统？简述WDM系统的工作过程？在同一根光纤上传输多个信道，是一种利用极大光纤容量的简单途径。就像电频分复用一样，在发射端多个信道调制各自的光载波，在接收端使用光频