《光纖通信技術(shù)》綜合練習

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1、《光纖通信技術(shù)》綜合練習 1 概述 一、填空題 1.目前光纖通信所使用的光波的波長范圍是（0.8~1.8μm），對應的頻率范圍是（167THz~375THz）。其中三個低損耗工作波長是：短波長為（0.85μm），長波長為（1.31μm ）和（1.55μm），對應的損耗值約為（2dB/km），（0.5dB/km）和（0.2dB/km）。 2.光纖通信是以（光波）作為載波，以（光纖）為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。 3.目前實用的光纖通信系統(tǒng)，普遍采用的調(diào)制方式是（強度調(diào)制）和檢波方式是（直接檢波）。 4.光纖數(shù)字長途通信系統(tǒng)主要有（光發(fā)送機）、（光接收機）、（光纜）和（放大器）四大部分組成

2、。 5.通常根據(jù)傳播方向上有無電場或磁場分量，可將光（電磁波）的傳播形態(tài)分為（TE）波、（TM）波和（TEM）波三類。 二、名詞解釋題 1.光纖通信 光纖通信是以光波作載波，以光纖為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。 三、簡答題 1.何為TEM波，TE波和TM波？ 答：通常，根據(jù)傳播方向上有無電場分量或磁場分量，可將光（電磁波）的傳播形態(tài)分成如下三類： TEM波：在傳播方向上沒有電場和磁場分量，稱為橫電磁波。 TE波：在傳播方向上有磁場分量但無電場分量，稱為橫電波。 TM波：在傳播方向上有電場分量而無磁場分量，稱為橫磁波。 任何光都可以用這三種波的合成形式表示出來。

3、2.光纖通信的主要優(yōu)點？ 答：（1）傳輸頻帶寬、通信容量大。 （2）傳輸損耗小。 （3）抗電磁干擾能力強。 （4）線徑細、重量輕。 （5）資源豐富。 3.簡述光纖通信技術(shù)的發(fā)展趨勢。 答：光纖通信的發(fā)展趨勢，可以通過以下幾個方面展望： （1）為了實現(xiàn)越來越大的信息容量和長距離傳輸，必須使用低損耗和低色散的單模光纖。 （2）為了適應WDM系統(tǒng)的需要，近年已開始研制多波長光源器件（MLS）。 （3）對于光纖通信系統(tǒng)的接收端機，它的光電監(jiān)測器和前置放大器，主要是向高速率或?qū)掝l帶響應方向發(fā)展。 （4）光纖通信系統(tǒng)中的以點到點傳輸?shù)腜DH系統(tǒng)已不能適應現(xiàn)代電信網(wǎng)的發(fā)展，因此，光

4、纖通信向聯(lián)網(wǎng)化發(fā)展（SDH）已成為必然趨勢。 （5）光纖接入網(wǎng)是當前重要的研究課題，有望FTTH早日實現(xiàn)。 四、畫圖題 請畫出光纖數(shù)字通信系統(tǒng)的原理方框圖。 P.24 圖1-2 預備知識 一、簡答題 1.麥克斯韋方程組各方程式的含義是什么？ 答：方程組中，各式的物理意義為 式（0-1）與式（0-5） ——表示電場隨時間變化將產(chǎn)生變化磁場，稱為全電流定律。 式（0-2）與式（0-6）——表示變化的磁場將感應出變化電場，稱為電磁感應定律，又稱法拉第定律。 式（0-3）與式（0-7）——表示磁力線是閉合的，無頭無尾的，稱為磁通連續(xù)性定理。

5、 式（0-4）與式（0-8）——表示電位移矢量與源之間的關(guān)系。稱為高斯定理。 2.當平面波投射到兩種介質(zhì)分界面時，將產(chǎn)生什么現(xiàn)象？用什么定律來說明？其表示式是什么？ 答：平面波沿k1方向由介質(zhì)I射到兩介質(zhì)的分界面上，這時將產(chǎn)生反射和折射。一部分能量沿k1′方向反回原來的介質(zhì)，這稱為反射波；一部分能量沿k2方向進入第二種介質(zhì)，稱為折射波。入射線、反射線、折射線各在k1， k1′，k2方向， θ1， θ1′，θ2為入射線、反射線、折射線與法線之間的夾角，分別稱為入射角、反射角和折射角。 反射和折射的基本規(guī)律是由斯奈耳定律和菲涅爾公式表示的，下面我們給出最后結(jié)果，即表示式為： θ1=θ

6、1′ n1sinθ1= n2sinθ2 斯奈耳定律說明反射波、折射波與入射波方向之間的關(guān)系。 水平極化波： 垂直極化波： 菲涅爾公式表明反射波、折射波與入射波的復數(shù)振幅之間的關(guān)系。 3.什么是臨界角？全反射的條件是什么？ 答：我們把折射角剛好達到90o時的入射角稱為臨界角，用θc表示。利用折射定律可得出 全反射的條件是： 4.寫出介質(zhì)I和介質(zhì)II中合成波的表示式？并說

7、明其物理意義？ 答：介質(zhì)I中既有入射波，又有反射波，合成應為二者的疊加。下面以水平極化波的電場分量為例來進行分析 此式即為在全反射情況下，介質(zhì)I中合成波的表達式。從式中可得出以下兩個結(jié)論：（1）第一項cos(k1xx+Φ1)是合成波表達式的幅度中的一部分，由物理的波動學知道，這是一種駐波的形式，說明合成波沿X方向按三角函數(shù)規(guī)律變化，呈駐波分布；（2）第二項 ，，，在表達式中是相位成分，可看出相位隨z增加而落后，即相位隨傳播距離z的增大而越落后。顯然表示是一個沿Z傳播的成份。即沿Z是呈行波狀態(tài)。 介質(zhì)II中只有折射波E2，現(xiàn)仍以水平極化波為例來進行分析

8、 此式即為在全反射情況下，介質(zhì)II中水平極化波電場分量的表示式。從式中可得出以下兩個結(jié)論：（1）式中包含兩個因子，隨Z方向變化的相位因子為 ，它說明沿Z方向呈行波狀態(tài)，其相位常數(shù)k2z與介質(zhì)I中的相位常數(shù)相同。說明介質(zhì)I中的波和介質(zhì)II中的波是一個統(tǒng)一波型的兩部分，它們用同樣的速度沿Z方向傳播。（2）隨x方向變化的因子是 ，它是描述幅度情況的因子。說明介質(zhì)II中波的幅度隨離開界面的距離越遠而呈指數(shù)式的減少，減小的速度以參量a來決定，稱為X方向的衰減常數(shù)。 5.什么是導行波？ 答：當衰減常數(shù)a足夠大時，d很小，介質(zhì)II的波將只存在于介質(zhì)I表面的附近，所以

9、稱為表面波。又因為它是沿與界面平行的方向傳播，又被介質(zhì)表面所導行，因而也叫導行波，簡稱為導波。 2 光纖與光纜 1、填空題 1.按照射線理論的觀點，階躍型光纖是根據(jù)光線在纖芯與包層分界面上的（全反射）原理將光線束縛在纖芯中沿光纖軸向傳輸?shù)摹? 2.階躍型光纖中，子午線在包層與纖芯分界面上形成全反射的條件是（ ）。 3.階躍光纖中，子午光線是指（位于光纖子午面內(nèi)）的光線，它的傳輸特點是子午光線在傳輸過程中始終位于（同一子午面內(nèi)）。 4.從射線理論的觀點，在階躍型光纖端面上的光線在纖芯中形成導波的條件是：光線在光纖端面上的投射角必須滿足關(guān)系式（ ）。 5.所謂弱導波光纖是指纖芯折射

10、率（稍大于）包層折射率的光纖。 6.按照光纖折射率分布的不同，光纖可以分為（階躍型光纖）和（漸變型光纖）；按照光纖中傳輸模式的多少，光纖可以分為（多模光纖）和（單模光纖）。 7.在階躍型（弱導波）光纖中，導波的主模為（），第一高次模為（），其單模傳輸條件是（）。 8.階躍型單模光纖的截止波長（），它是以（）模的歸一化截止頻率Vc而給出的。 9.所謂光纖的最佳折射指數(shù)分布是指（可以使光纖中產(chǎn)生自聚焦現(xiàn)象）的折射指數(shù)分布。 10.漸變型光纖中，子午光線的自聚焦是指光纖中不同的光線具有（相同的軸向速度）的現(xiàn)象。 11.形成光纖損耗的原因，歸結(jié)起來主要包括（吸收損耗）和散射損耗兩大類。

11、12.單模光纖中不存在（模式）色散，只有材料色散和波導色散。 13.表示光纖色散程度的物理量是（時延差）。 14.造成光纖傳輸衰減的原因是（光纖損耗）它主要可以分為（材料吸收損耗）和（材料散射損耗）兩大類。 15.在階躍型光纖中，導波的傳輸條件是（V>VC）而截止條件是（V≤VC）。 16.光纜主要由纜芯、（加強元件）和護層等幾部分組成。 17.常用通信光纜的纜芯結(jié)構(gòu)有層絞式、單位式、（帶狀式）和骨架式等幾種。 18.對標準單模光纖（G.625），在（1.31μm）處，色散系數(shù)D=Dm+Dw=0，這個波長稱為（零色散波長）。 19.按照射線理論，階躍型光纖中的光纖主要有（子午線）

12、和斜射線兩種。 二、名詞解釋題 1.相對折射率差 2.數(shù)值孔徑 ，它表示光纖端面的集光能力。 3.弱導波光纖 弱導波光纖是指纖芯折射率（n1）稍大于包層折射率（n2）的光纖。 4.光纖的子午面 通過光纖軸線的平面稱為光纖的子午面。 5.子午光線 子午光線就是位于光纖子午面內(nèi)的光線。 6.導波的基模 在光纖所有導模中，歸一化截止頻率最小的模式稱為導波的基模，亦稱主模。 7.LP模 LP模是線極化模的英文縮寫，所謂線極化就是電磁波的電場強度矢量的端點隨時間變化的軌跡為一條直線。 8.自聚焦 漸變型光纖中不同射線，具有相同軸向速度的現(xiàn)象。 9.本地數(shù)值孔徑

13、 在漸變型光纖中，把射入纖芯某點r處的光線的數(shù)值孔徑稱為本地數(shù)值孔徑。 10.材料色散 材料色散是由于材料本身的折射率隨頻率而變化，使信號各頻率成分的群速度不同而引起色散。 11.波導色散 波導色散是對于光纖某一個模式而言，在不同的頻率下，相位常數(shù)β不同，使得群速度不同而引起的色散。 12.線極化波 電場矢量空間取向不變，即其端點的軌跡為一直線的波稱為線級化波。 13.單模光纖的零色散波長 單模光纖的色散系數(shù)（D）等于零時所對應的光波長稱為它的零色散波長。 三、簡答題 1.何謂弱導波光纖？它對光纖的數(shù)值孔徑和模式色散分別會產(chǎn)生什么影響？ 答：弱導波光纖指纖芯折射率

14、n1稍大于包層折射率n2的階躍型光纖。由于比較小，所以和都比較小。 2.何謂漸變型光纖的最佳折射指數(shù)分布？最佳折射指數(shù)分布形式又是什么？ 答：可以使光纖中產(chǎn)生自聚焦時的折射率分布稱為最佳折射指數(shù)分布。折射指數(shù)按雙曲正割型分布是最佳折射指數(shù)分布形式。嚴格來講，只有折射指數(shù)按雙曲正割型分布時的光纖，才可使光纖中子午線產(chǎn)生自聚焦，而由于平方律型折射指數(shù)分布光纖的折射率分布，接近于雙曲正割型光纖的折射率分布，因此可以認為平方律型折射指數(shù)分布光纖，具有較小的模式色散的特點。它的折射率分布形式，接近于最佳折射指數(shù)分布。其表示式為： 式中 3.何謂漸變

15、型光纖的本地數(shù)值孔徑？ 答：漸變型光纖芯子中的折射指數(shù)n1，隨半徑r而變化，因此其數(shù)值孔徑是芯子端面上位置的函數(shù)。所以把射入纖芯某點r處的光線的數(shù)值孔徑，稱為該點的本地數(shù)值孔徑，記作NA(r)。只有當入射光線的端面入射角Φ<Φmax的射線，才可成為導波。漸變型光纖芯子中某點的數(shù)值空間可根據(jù)是（2-5），可寫為： 式中，r為光纖芯子中任一點到軸線之間的距離，n(r)為該點的折射指數(shù)。 4.給出漸變型光纖中導波相位常數(shù)β的解析表示式。 答：在前面分析階躍光纖中標量模特性時，曾確定傳輸常數(shù)β的變化范圍為 對于導波，應限制在纖芯中，

16、此時，當后，導波截止。 分析漸變型光纖中的導波，一個很重要的目的是找出各模式的相位常數(shù)β的解析式，可利用它分析光纖中的色散特性。 β的解析式，可由式（2-47）求出， 如令，則有p個m和n的組合，可以得到相等的β值。將p代入式（2-58）得出 可以看出，對于m和n不同，但p相同的模式，它們的相位常數(shù)相同，因此，這些模式是相互簡并的。所有β值相同的模式，就構(gòu)成了一個模式群，而p是模式群的編號。 5.給出平方律型折射指數(shù)分布光纖的模數(shù)量。 答：經(jīng)分析可知，又，所以平方律型折射指數(shù)分布光纖中總的模數(shù)量為 從式中看出，漸變型光

17、纖中的模數(shù)量與光纖的歸一化頻率的平方成正比，相同V的情況下，它比階躍光纖中的模數(shù)量減少一半。 6.何謂單模光纖的雙折射？ 單模光纖中，兩個互相正交的偏振模LP01x和LP01y，它們的相位常數(shù)不同，即，這就稱為單模光纖的雙折射現(xiàn)象。 7.單模光纖的雙折射是如何引起的？ 單模光纖中的雙折射是由于實際光纖的形狀、折射率和應力分布等不均勻，從而造成光波在互相正交的兩個偏振方向上呈現(xiàn)出折射率不同，即，以致使得相位常數(shù)。 8.何謂單模光纖？在階躍型光纖中要實現(xiàn)單模傳輸必須滿足什么條件？ 在給定的工作波長上，只傳單一基模的光纖稱為單模光纖。在階躍型光纖中單模傳輸?shù)臈l件是光纖參數(shù)歸一化頻率V必須

18、滿足0

19、別是什么？ ，稱為導波的徑向歸一化相位常數(shù)；，稱為導波的徑向歸一化衰減常數(shù)。 四、畫圖題 1.分別畫出階躍型光纖和漸變型光纖的折射率剖面分布的示意圖。 見教材P.27圖2-2。 2.分別畫出階躍型光纖和漸變型光纖中子午光線傳輸路徑的示意圖。 見教材P.30圖2-6、P.41圖2-8。 五、計算題 1.已知階躍型光纖的，，工作波長，纖芯半徑a=25μm。 求：（1）相對折射率差。 （2）數(shù)值孔徑。 （3）光纖中傳輸?shù)膶?shù)是多少？ （4）若要實現(xiàn)單模傳輸。則纖芯半徑a應如何選擇？ （5）10公里光纖的模式色散值。 解：（1） 式中，△稱為相對折射指數(shù)差，

20、其定義見P.29。當與差別極小時，這種光纖稱為弱導波光纖，此時 （2） 式中，NA稱為數(shù)值孔徑，其定義見P.30。數(shù)值孔徑大表示捕捉射線的能力強?？梢韵胍娙鯇Рü饫w的△很小，所以NA也不太大。 （3） 而 所以（個） 式中，M稱為光纖中傳輸?shù)膶?shù)，其定義見P.41。而V稱為光纖的歸一化頻率，其定義見P.35~P.39。在光纖中，當不能滿足單模傳輸條件（0

21、解出a為 （5） 式中，稱為最大時延差，即模式色散值。其定義見P.66。弱波導光纖由于△很小，所以也較小。即可以減小模式色散。 2.已知階躍光纖的，，，光纖中的導模數(shù)M=8。 求：纖芯半徑a。 解：因為 所以 而 所以 即 3.已知階躍型光纖的，，，纖芯半徑a=7μm。 求：光纖中可以傳輸哪幾種模式？ 解： 因為 可見0

22、軸向相位常數(shù)β。 解：（1）因為 而 從上式解出W可得： 所以 （2）因為， 所以 5.已知漸變型光纖的纖芯折射率分布為。 求：本地數(shù)值孔徑。 解：因為 已知，從此式可得： 所以 6.階躍型光纖中，已知纖芯折射指數(shù)為，相對折射指數(shù)差，纖芯半徑，工作波長。 求：（1）光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量； （2）若要實現(xiàn)單模傳輸，則纖芯半徑應如何選擇？ 解：（1）∵ 而

23、 （2）∵階躍型光纖中的單模條件為 而 ∴ 7.階躍型光纖中，已知纖芯和包層折射指數(shù)分別為，，纖芯半徑，工作波長。 求：（1）光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量； （2）每公里長度光纖的模式色散。 解：（1） 而

24、 ∴ （2） 3光端機-發(fā)射機 1、填空題 1.在外來光子的激發(fā)下，低能級E1上的電子吸收了光子的能量hf(=E2-E1)而躍遷到高能級E2的過程，稱為（受激吸收）。 2.隨著激光器使用時間的增長，其閾值電流會（逐漸增大）。 3.在外來光子的激發(fā)下，低能級E1上的電子吸收了光子的能量hf(=E2-E1)而躍遷到

25、高能級E2的過程，稱為（受激吸收）。 4.對光發(fā)射機的消光比指標，一般要求為小于或等于（10%）。 5.隨著溫度的逐步升高，LD的閾值電流（逐漸增大）。 6.激光器主要由能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)、（泵浦源）和光學諧振腔等三部分構(gòu)成。 7.半導體發(fā)光二極管和半導體激光器在結(jié)構(gòu)上的根本區(qū)別是（發(fā)光二極管沒有光學諧振腔）。 8.激光器光學諧振腔的諧振波長的表達式為（）。 9.光發(fā)射機主要有輸入電路和（電光轉(zhuǎn)換電路）兩大部分組成。 10.半導體激光器中光學諧振腔的作用是提供必要的（光反饋）以及進行頻率選擇。 11.光發(fā)射機光接口的主要性能參數(shù)是輸出光功率和（消光比）。 12.光發(fā)射機的

26、消光比過大，會使接收機的（接收靈敏度）特性變壞。 13.半導體激光器的溫度特性是指（輸出光功率）和閾值電流隨溫度變化的特性。 14.LED適用于（中低速率，短距離）的光纖通信系統(tǒng)。 15.在熱平衡條件下，一個電子占據(jù)一個能量為E的能級的概率f(E)=（）。 16.光纖通信中，光源的作用和目前常用的半導體光源主要有（提供光載波，半導體發(fā)光二極管（LED），半導體激光二極管（LD））；（實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，PIN光電二極管（PIN），雪崩光電二極管（APD））。 17.半導體發(fā)光二極管與半導體激光二極管在結(jié)構(gòu)上的根本區(qū)別是LED（沒有光學諧振腔），它所發(fā)出的光是（熒光）。 18.光和物質(zhì)相互

27、作用時存在的三種基本躍遷過程是（自發(fā)輻射）、（受激輻射）和（受激吸收）。 19.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是指（物質(zhì)中高能級的粒子數(shù)大于低能級的粒子數(shù)）。此時，受激輻射的概率（大于）受激吸收的概率。在外來光子的激發(fā)下，就會產(chǎn)生光的（放大）作用。 20.處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)稱為（增益物質(zhì)（或激活物質(zhì)））。 21.為了獲得穩(wěn)定的激光輸出，激光器必須滿足（振幅平衡）和（相位平衡）兩個條件。 22.在由LD組成的光發(fā)送機中，一般都需要采用（溫度）和（功率）自動控制電路來穩(wěn)定激光器的（輸出光功率）和（閾值電流）。 二、名詞解釋題 1.受激輻射 處于高能級E2的電子，當受到外來光子的激發(fā)而躍

28、遷到低能級E1，同時放出一個能量為hf的光子的過程。 2.光源的直接強度調(diào)制 直接在光源上進行調(diào)制，即直接調(diào)制半導體激光器的注入電流。 3.光發(fā)射機的消光比 答： 4.光源的間接強度調(diào)制 間接調(diào)制是指不直接對光源調(diào)制，而是在光源輸出的通路上外加調(diào)制器來對光波進行調(diào)制的方式。 5.自發(fā)輻射 處于高能級E2的電子，在未受到外界激發(fā)的情況下，自發(fā)地躍遷到低能級E2，在躍遷過程中，發(fā)射出一個能量為hf(=E2-E1)的光子，這一過程稱之自發(fā)輻射。 6.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 物質(zhì)中處于高能級的粒子數(shù)N2大于處于低能級的粒子數(shù)N1的分布狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 7.增益物質(zhì)（或激活物質(zhì)）

29、 處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)稱為增益物質(zhì)，亦稱為激活物質(zhì)。 8.激光器的閾值條件 閾值條件就是激光器能產(chǎn)生激光振蕩時的最低增益系數(shù)值,可以表示為。 三、簡答題 1.光纖通信系統(tǒng)對半導體光源的基本要求是什么？ 答：（1）光源的發(fā)光波長應符合目前光纖的三個低損耗窗口；（2）能長時間連續(xù)工作，并提供足夠的輸出光功率；（3）與光纖的耦合效率高；（4）光源的譜線寬度窄；（5）壽命長、工作穩(wěn)定；（6）體積小、重量輕。 2.光纖通信系統(tǒng)對光發(fā)射機有哪些要求？ 答：a.有合適的輸出光功率；b.有較好的消光比；c.調(diào)制特性好；d.電路盡量簡單、成本低、光源壽命長。 3.激光器諧振腔內(nèi)的激光振蕩

30、是如何產(chǎn)生的？ 答：激光器光學諧振腔中的工作物質(zhì)在泵浦源的作用下變成激活物質(zhì)后有了放大作用，被放大的光在諧振腔的兩個互相平行的反射鏡面之間來回反射，進一步得到放大。但是在這一過程中也要消耗一部分光能（腔內(nèi)損耗和反射損耗），當放大足以抵消損耗時，激光器就形成激光振蕩。 4.激光器主要由哪幾部分組成，各部分的主要功能是什么？ 答：主要由能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)、泵浦源和光學諧振腔三部分組成。工作物質(zhì)的主要功能是能處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，從而產(chǎn)生激光；泵浦源是使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵源；光學諧振腔提供必要的光反饋以及進行頻率選擇。 5.何謂光源直接調(diào)制方式？其主要特點是什么？

31、答：直接調(diào)制是指直接在光源上進行調(diào)制的調(diào)制方式，即直接調(diào)制半導體激光器的注入電流的調(diào)制方式，這要特點為簡單方便；但這種調(diào)制方式會使激光器的動態(tài)譜線增寬，造成在傳輸時色散影響加大，從而限制了通信容量和傳輸速率。 6.簡述半導體激光器產(chǎn)生激光的機理。 答：在半導體激光器的P-N結(jié)上外加的正向偏壓足夠大時，將使得結(jié)區(qū)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，即出現(xiàn)受激輻射大于受激吸收的情況，可以產(chǎn)生光的放大作用。被放大的光在光學諧振腔中來回反射，不斷加強。當滿足閾值條件后，即可發(fā)出激光。 7.LED和LD的工作特性有哪些不同？在光纖通信中，它們各有什么應用？ 答：相對于LD而言，LED有下列優(yōu)缺點： （1

32、）光譜較寬 由于LED屬于自發(fā)輻射光，因此，其譜線寬度要比LD寬得多，這一點對于高速信號的傳輸是不利的。 （2）光源輸出特性曲線（P~I）的線性較好 這是LED的優(yōu)點，在進行調(diào)制時，其動態(tài)范圍大，信號失真小。 （3）與光纖的耦合效率較低 （4）壽命長 （5）溫度特性較好，一般不需要加溫控電路 因此LED適用于中低速短距離光纖通信系統(tǒng)，而LD適用于高速長距離光纖通信系統(tǒng)。 8.什么是半導體的光電效應？ 答：當光照射到半導體的P-N結(jié)上，如果光子能量大于半導體材料的禁帶寬度Eg時，則半導體材料價帶上的電子吸收光子的能量躍遷到導帶，這樣在導帶中就出現(xiàn)

33、電子，在價帶中出現(xiàn)空穴，這種過程就稱為光電效應。其中，光電子一空穴對，總起來稱為發(fā)生截流子。 四、畫圖題 1.畫出數(shù)字信號對LD的直接調(diào)制的原理圖。 P(mw) P(mw) 0 0 t Ib It I(mA) t1 t2 t3 t4

34、 t1 t2 圖中：It——閾值電流 t3 Ib——偏置電流 t4 t 2.畫出光發(fā)射機輸入盤的原理方框圖。 輸入盤 編碼 擾碼 碼型變換 均衡 時鐘 3.畫圖表示光與物質(zhì)相互作用的三個基本物理過程，即自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射。 E2

35、 ● E2 E2 ● Z → hf =E2-E1 Z → hf =E2-E1 E1 E1 ● E1 E2 ○ E2 ● E2 ○ hf =E2-E1 Z →

36、hf =E2-E1 Z → Z → E1 ● E1 ○ E1 ● （a）原子的自發(fā)輻射 （b）原子的受激吸收 （c）原子的受激輻射 4.畫出直接強度調(diào)制直接檢波光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中光發(fā)射機的發(fā)送盤的原理方框圖。 A T C 發(fā)送盤 驅(qū) 動 光 源

37、 光纖 A P C 光監(jiān)測 告警輸出 5.分別畫出半導體發(fā)光二極管和半導體激光器的典型輸出特性曲線，并在LD的輸出特性曲線上標出閾值電流點以及熒光區(qū)和激光區(qū)的范圍。 P(mW) P(mW) 激光

38、 熒光 0 I(mA) 0 It I(mA) （a）LED的P-I特性 （b）LD的P-I特性 6.畫出用模擬電信號對LED光源直接強度調(diào)制的原理圖。 見教材P.98圖3-20。 7.畫出強度調(diào)制-直接檢波光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，光發(fā)送機的基本組成框圖。 見教材P.107圖3-2

39、8。 3光端機-接收機 1、填空題 1.為了得到較高的信噪比，對光接收機中前置放大器的要求是（高增益、低噪聲）。 2.影響光接收機靈敏度的一個主要因素是（光電檢測器噪聲）。 3.為了使APD正常工作，在其P-N結(jié)上應加（高反向偏壓）。 4.PIN光電二極管的響應度R0的單位是（A/W）。 5.雪崩光電二極管具有（雪崩倍增）效應，使光電流在管子內(nèi)部即獲得了倍增。 6.光接收機中，判決器和時鐘恢復電路合起來構(gòu)成（脈沖再生）電路。 7.在PIN光電二極管中，P型材料和N型材料之間加的一層輕摻雜N型材料，稱為（本征）層。 8.光接收機中，由APD引入的噪聲主要有量子噪聲、暗電流

40、噪聲和（雪崩倍增噪聲）等三種。 9.量子效率和（響應度）都是描述光電檢測器光電轉(zhuǎn)換能力的一種物理量。 10.在光接收機中，與光電檢測器緊相連的放大器稱為（前置放大器）。 二、名詞解釋題 1.光電檢測器的響應時間 響應時間是指半導體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信號變化快慢的狀態(tài)。一般用上升時間和下降時間來表示。 2.APD的雪崩倍增因子 在忽略暗電流影響的條件下，有雪崩倍增時光電流的平均值與無雪崩倍增時光電流的平均值之比。 3.雪崩倍增噪聲 由雪崩管光電倍增作用的隨機性而引起雪崩管輸出信號的浮動，從而引入的噪聲。 4.光接收靈敏度 在滿足給定的誤碼率指標的條件下，光

41、接收機的最低接收平均光功率。 5.光接收機的動態(tài)范圍 是指在保證系統(tǒng)的誤碼率指標要求下，接收機的最低輸入光功率（用dBm來描述）和最大允許輸入光功率（用dBm來描述）之差（dB）。 6.光電檢測器的暗電流 暗電流是指沒有光照射時光電檢測器所輸出的電流。 三、簡答題 1.在數(shù)字光接收機電路中，為什么要采用均衡器？ 答：在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，送到發(fā)送光端機進行調(diào)制的數(shù)字信號是一系列矩形脈沖，具有無窮的帶寬。這種脈沖從發(fā)送光端機輸出后要經(jīng)過光纖、光電檢測器，放大器等部件，這些部件的帶寬卻是有限的，這樣，矩形脈沖頻譜中只有有限的頻率分量可以通過，從接收機主放大器輸出的脈沖形狀

42、不再會是矩形的了，將可能出現(xiàn)很長的拖尾，從而使前后碼元的波形重疊產(chǎn)生碼間干擾，嚴重時，造成判決電路誤判，產(chǎn)生誤碼。因此，在數(shù)字光接收機電路中要采用均衡器。 2.什么是APD的雪崩倍增效應？ 答：在二極管的P-N結(jié)上加高反向電壓時，會在結(jié)區(qū)形成一個強電場，在高場區(qū)內(nèi)光子載流子被強電場加速，獲得高的功能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價帶的電子得到能量，越過禁帶到導帶，產(chǎn)生了新的電子一空穴對，新產(chǎn)生的電子一空穴對在強電場中又被加速，再次碰撞，又激發(fā)出新的電子一空穴對……，如此循環(huán)下去，像雪崩一樣發(fā)展，使光電流在管子內(nèi)部即獲得了倍增，這種現(xiàn)象稱為雪崩倍增效應。 3.為什么要求數(shù)字光接收機的接收光功率

43、具有一定的動態(tài)范圍？ 答：因為當環(huán)境溫度變化時，光纖的損耗將發(fā)生變化；而隨著時間的增長，光源輸出光功率也將變化；也有可能因一個按標準化設(shè)計的光接收機工作在不同的系統(tǒng)中。這些因素都會引起接收光功率的不同。因此，要求光接收機的接收光功率具有一定的動態(tài)范圍，才能確保接收機在不同應用條件下正常工作。 4.光接收機電路中自動增益控制的主要作用是什么？ 答：在實際的系統(tǒng)中，接收到的光信號有強有弱，這會導致到達判決器的信號大小不穩(wěn)定，不利于判決，嚴重時導致誤碼。采用自動增益控制后，可根據(jù)接收信號的強弱，通過反饋電路來控制主放大器的增益（或APD的雪崩增益），從而使到達判決器的信號穩(wěn)定，有利于判決。

44、5.什么是半導體材料的光電效應？ 答：當光照射到半導體的P-N結(jié)上時，若光子能量足夠大，則半導體材料中價帶的電子吸收光子的能量，從價帶越過禁帶到達導帶，在導帶中出現(xiàn)光電子，在價帶中出現(xiàn)光空穴，即產(chǎn)生光生載流子，這種現(xiàn)象稱為半導體材料的光電效應。 6.光接收機都有哪些噪聲？ 答：光接收機中的噪聲的主要來源有光電檢測器引入的噪聲和光接收機的電路噪聲。前者包括了量子噪聲，光電檢測器的暗電流噪聲以及雪崩倍增噪聲。 四、畫圖題 1.畫出光接收機中，自動增益控制的工作原理框圖。 判決器 均衡器 主放大器 前置放大器 光電檢測 光信號 峰值檢波器 AGC

45、放大器 APD高壓電路 AGC電路 2.畫出在光接收機中，單個脈沖在均衡器前后的波形。 h(t) 0 t (a)均衡前的脈沖波形 h(t)

46、 0 TB 2TB 3TB t 本碼判決時刻 鄰碼判決時刻 （b）均衡后的脈沖波形 3.畫出強度調(diào)制直接檢波光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中光接收機的基本組成方框圖。 光纖 編 碼 解 擾 解 碼 判 決 器 均 衡 器 主 放 大 器 前 置 放 大 器 光 電 檢 測 器

47、 輸出至 光信號 電 電端機 信 號 時 鐘 恢 復 自 動 增 益 控 制 五、計算題 4 光纖通信系統(tǒng) 1、填空題 1.在誤碼性能參數(shù)中，嚴重誤碼秒（SES）的誤碼門限值為（10-3）。 2.對于8448 kb/s碼速率的數(shù)字信

48、號，UI的抖動對應的時間為（118 ns）。 3.二次群PCM端機輸出端口的接口碼速率和接口碼型分別為（8.488 Mb/s，HDB3）。 4.在下列數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的線路碼型中，屬于分組碼的碼型是（5B6B）。 5.在光纖通信系統(tǒng)的光中繼器中，均衡器的作用是（均衡成有利于判決的波形）。 6.三次群PCM端機輸出端口的接口碼速率和接口碼型分別為（34.368 Mb/s，HDB3）。 7.速率為的NRZ碼經(jīng)4B1H碼型變換后，線路碼的速率是（）。 8.抖動的定義為數(shù)字信號的（有效瞬間）與其理想時間位置的短時間偏離。 9.光纖通信系統(tǒng)中的監(jiān)控信號除了可借助光纜中的金屬導線傳輸外，還可

49、利用（光纖）來傳輸。 10.光定向耦合器的主要特性參數(shù)有插入損耗、（分光比）和隔離度等。 11.光纖通信系統(tǒng)的輸入抖動容限是指系統(tǒng)（輸入脈沖）產(chǎn)生抖動的范圍。 12.根據(jù)功能不同，光纖通信的監(jiān)控系統(tǒng)大致可分為對一個數(shù)字段進行監(jiān)控、（對多方向進行監(jiān)控）和對跨越數(shù)字段進行監(jiān)控等三種。 13.光纖數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼性能和（抖動性能）是傳輸性能中的兩個主要指標。 14.對光隔離器的主要要求是插入損耗低和（隔離性能好）。 15.在輸入信號無抖動的情況下，光纖數(shù)字通信系統(tǒng)輸出信號的抖動范圍稱為（輸出抖動容限）。 16.在光纖通信系統(tǒng)中，利用光纖來傳輸監(jiān)控信號時，通?？刹捎妙l分復用和（時分復用

50、）兩種傳輸方式。 17.光纖通信中常用的線路碼型主要有（mBnB）、（偽雙極性碼）、（插入比特碼）、（加擾二進碼）。 18.mBlH碼是在m比特信碼流以后插入（一個混合碼（H碼））。 19.mBlP碼是在每m比特信碼流以后插入（一個奇、偶校正碼（P碼））。 20.mBlC碼是在每m比特信碼流以后插入（一個反碼（C碼））。 21.根據(jù)功能的不同，光纖通信監(jiān)控系統(tǒng)的三種基本組成方式是（對一個數(shù)字段的監(jiān)控）、（對多方向的監(jiān)控）和（對跨越數(shù)字段的監(jiān)控）三種。 22.在光纖通信的監(jiān)控系統(tǒng)中，用光纖傳輸監(jiān)控信號的方式可以分為（頻分復用傳輸方式）和（時分復用傳輸方式）兩種。 23.在光纖通信的

51、保護倒換系統(tǒng)中，保護方式主要有（m:n主備比方式）和（1+1保護方式）兩種。 24.在一個實用的光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，需要在發(fā)送端設(shè)置（脈沖插入）和接收端設(shè)置（脈沖分離）電路，以便用來傳送（監(jiān)控信號）、（公務聯(lián)絡信號）、（區(qū)間通信信號）以及其它信號。 25.對于64kb/s速率。系統(tǒng)參考模型有（假設(shè)參考連接（HRX））、（假設(shè)參考數(shù)字鏈路（HRDL））和（假設(shè)參考數(shù)字段（HRDS））三種假設(shè)形式。 26.一個標準的假設(shè)參考連接（HRX）包含14個（假設(shè)參考數(shù)字鏈路）和13個（數(shù)字交換點），全長（27500公里），它是一個全數(shù)字的（64kb/s）的連接。 27.對于HRDL，我國長途一級干

52、線的標準長途為（5000公里）；對于HRDS，我國長途一級干線的標準長度為（420公里），長途二級干線的標準長度為（280公里），市話的標準長度為（50公里）。 28.在數(shù)字通信系統(tǒng)中，表示誤碼性能的參數(shù)主要有（誤碼秒比）和（嚴重誤碼秒比）分別用于（數(shù)據(jù)通信）和（電話）通信。 29.在光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，表示抖動性能參數(shù)主要有（輸入抖動容限）、（無輸入抖動時的輸出抖動容限）和（抖動轉(zhuǎn)移特性）。 30.衡量抖動大小的物理是（抖動峰一峰值）其單位是（數(shù)字周期（U I））。 二、名詞解釋題 1.mB1H碼 將信碼流中每m比特碼分為一組，然后在其末位之后插入一個混合碼。 2.比特誤碼

53、率 誤碼率（BER）的定義為 3.單位間隔（UI） 一個比特傳輸信息所占的時間。 4.輸出抖動容限 輸出抖動容限是指在輸入信號無抖動的情況下，光纖數(shù)字通信系統(tǒng)輸出信號的抖動范圍。 5.插入比特碼 將信碼流中每m比特劃為一組，然后在這一組的末尾一位之后插入1個比特碼，這樣的碼型稱之插入比特碼。 6.抖動 數(shù)字信號的有效瞬間與其理想時間位置的短時間偏離。 7.mBnB碼 mBnB碼又稱分組碼，它是把輸入信碼流中每m比特分為一組，然后在相同時隙內(nèi)變換為n比特，并且n>m。 8.誤碼秒比 9.嚴重誤碼秒比 10.假設(shè)參考數(shù)字鏈路 見教材P.208 11.假設(shè)

54、參考數(shù)字段 見教材P.208 12.誤碼率 見教材P.209 13.抖動 見教材P.212 14.抖動峰—峰值 見教材P.212 15.數(shù)字周期（UI） 見教材P.212 16.輸入抖動容限 見教材P.213 17.光通道色散代價 見教材P.156第2行 18.傳輸系統(tǒng)的可靠性和可靠度 見教材P.165 三、簡答題 1.簡述光隔離器的主要作用和要求。 答：光隔離器的主要作用是只允許正向光信號通過，阻止反向光返回。對光隔離器的主要要求是插入損耗低、隔離性能好。 2.數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，線路碼型應滿足哪些條件？ 答：應滿足以下幾個條件： （1）避免在

55、信碼流中出現(xiàn)長“0”和長“1”； （2）能進行不中斷業(yè)務的誤碼監(jiān)測； （3）盡量減少信碼流中直流分量的起伏。 3.光纖連接器的主要作用和要求是什么？ 答：光纖連接器用于設(shè)備與光纖之間的連接、光纖和光纖之間的連接或光纖與其它無源器件的連接。對它的要求是：連接損耗小，穩(wěn)定性好，重復性和互換性好，裝、拆方便，體積小，成本低。 4.在光纖通信系統(tǒng)設(shè)計中涉及哪些系統(tǒng)部件的選擇？ 答：涉及下列系統(tǒng)部件的選擇（1）工作波長的選擇；（2）光源的選擇；（3）光電檢測器的選擇；（4）光導纖維的選擇。 5.光纖定向耦合器有哪幾個主要參數(shù)？它們的物理含義是什么？ 答：主要參數(shù)有隔離度，插入損耗和

56、分光比等。隔離度表示耦合器兩個輸入端口間的隔離程度；插入損耗表示耦合器損耗的大?。环止獗鹊锐詈掀鲀蓚€輸出端口的光功率之比。 6.在我國采用的準同步數(shù)字體系中，PCM端機輸出端口的接口速率和接口碼型分別是什么？ 答：群路等級 一次群（基群） 二次群 三次群 四次群 接口速率 2.048 8.448 34.368 139.264 接口碼型 HDB3 HDB3 HDB3 CMI 四、畫圖題 1.畫出最簡單的光中繼器原理方框圖。 前置 放大器 調(diào) 制 電

57、路 主放大 均 衡 判 決 光 源 發(fā)送光

58、 信號 自動增 益控制 時 鐘 提 取 自動增 益控制 光電 檢測器 接收光 信號 五、計算題 1.已知一單模光纖通信系統(tǒng)，其光發(fā)射機的平均發(fā)送光功率為1mW，接收機靈敏度為一35dBm，全程光纖平均接頭損耗為0.05dB/km。系統(tǒng)富裕度取為6dB。若系統(tǒng)中繼傳輸距離為80km，則應選擇光纖每公里損耗上限為多少？ 解：根據(jù)題意可得，，，，。 由 由

59、 2.已知一光纖通信系統(tǒng)發(fā)射機的平均發(fā)送光功率為0.5mW，接收機靈敏度為-38dBm，光纖損耗為0.34dB/km，全程光纖平均接頭損耗為0.05dB/km，設(shè)計要求系統(tǒng)富裕度為6dB。試核算該系統(tǒng)的無中繼傳輸距離是否滿足100km的要求。 解：根據(jù)題意可得，，，，。 由 由

60、 ∴ 該系統(tǒng)的無中繼傳輸距離不能滿足100km的要求 3.一光纖通信系統(tǒng)的光纖損耗為0.33dB/km，光發(fā)射機的平均發(fā)送光功率為1dBm，全程光纖平均接頭損耗為0.04dB/km。設(shè)計要求系統(tǒng)富裕度為6dB，無中繼傳輸距離為80km?，F(xiàn)選擇一接收機，在滿足系統(tǒng)誤碼率指標條件下，其允許的最小接收光功率為1μW，試核算該接收機能否滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。 解：根據(jù)已知可得：，，，，，。 由 由

61、 ∵ ∴ 該接收機不能滿足系統(tǒng)設(shè)計要求 4.已知一個565Mb/s單模光纖傳輸系統(tǒng)，其系統(tǒng)總體要求如下： （1）光纖平均衰減系數(shù)為0.4dB/km，光纖平均接續(xù)損耗為0.1dB/km，光發(fā)送機的平均輸出光功率為-3dBm，光接收機靈敏度為-56dBm； （2）光纖線路上的線路碼型為5B6B，光纖色散系數(shù)為2ps/km.nm，采用多縱模激光器，其譜線寬度為1.8nm。設(shè)計中，取一個光纖活動連接器的損耗為1dB。光纜富裕度為0.1dB/km，設(shè)備富裕度為5dB，光通道色散代價為

62、1dB。 求：最大中繼距離。 解：據(jù)題意可知：，，，，，，， ，， （多縱模激光器） 因為 而 可見 所以取 5.某光纖通信系統(tǒng)，在保證誤碼率為10-9指標下，光接收機所要求的最低光功率為-44dBm，光發(fā)送機平均發(fā)送光功率為1mw；又知光纖的平均衰減系數(shù)和接續(xù)損耗分別為0.3dB/km和0.1dB/km。設(shè)計中，取一個光纖活動接頭的損耗為1dB，光纜富裕度為0.1dB/km，設(shè)備富裕度為5dB，光通道色散代價為1dB。 求：最大中繼距離。 解：據(jù)題意可知：， ，，，，， 6.在某光纖傳輸系統(tǒng)，已知光接收機靈敏度為0.1uw，光纖衰減系數(shù)

63、為0.4dB/km，光纖接續(xù)損耗為0.1dB/km。設(shè)計中，取一個光纖活動接頭的損耗為1dB，光纜富裕度為0.1dB/km。設(shè)備富裕度為6dB，光通道色散代價為1dB。 試問當最大中繼距離為45km時，要求光發(fā)送機的平均發(fā)送光功率是多少？ 解：據(jù)題意可知：，，， ，，，， 因為 從上式解出可得： 所以 7.某光纖傳輸系統(tǒng)，已知光發(fā)送機的平均發(fā)送光功率為-3dBm，光接收機所允許的最大光功率為-16 dBm，光纖平均衰減系數(shù)為0.3 dB/km，光纖接續(xù)損耗系數(shù)為0.1 dB/km，最大中繼距離為50 km。設(shè)計中，取一個光纖活動連接器的損耗為1

64、dB，光纜富裕度0.1 dB/km，設(shè)備富裕度為5 dB，光通道色散代價為1 dB。 求：光接收機的靈敏度和動態(tài)范圍各是多少？ 解：因為 式中 上述公式中表示發(fā)送光功率（dBm），表示接收靈敏度（dBm）, 和分別表示線路系統(tǒng)發(fā)送端和接收端活動連接器的接續(xù)損耗（dB），是設(shè)備富余度（dB），是光纜富余度（dB/km），是單盤光纖長度（km），n是中繼段內(nèi)所用光纜的盤數(shù)，是單盤光纜的衰減系數(shù)（dB/km），則是中繼段的平均光纜衰減系數(shù)（dB/km），是光纖各個接頭的損耗（dB），則是中繼段平均接頭損耗（dB），是由光纖色散模分配噪聲和啁啾聲所引起的色散代

65、價（dB）（功率損耗），通常應小于1dB。 據(jù)題意可知，，， ， ，，，（令），， 則 從上式可解出為 而 所以 7 光放大器 1、填空題 1.目前，摻鉺光纖放大器小信號增益的最高值可達（40dB左右）。 2.摻鉺光纖放大器中，用于降低放大器噪聲的器件是（光濾波器）。 3.EDFA中將光信號和泵浦光混合起來送入摻鉺光纖中的器件是（光耦合器）。 4.隨著輸入光功率的逐步增加，EDFA功率增益的變化趨勢為（先逐步增大，后不變）。 5.目前，EDFA噪聲系數(shù)的范圍約在（3dB--4dB）。 6.

66、EDFA作光中繼器使用時，其主要作用是使（光信號放大）。 7.隨著輸入光功率的逐步增加，EDFA輸出光功率的變化趨勢為（先逐步增大，后保持不變）。 8.EDFA的工作波長所處的范圍是（1.53μm—1.56μm）。 9.摻鉺光纖放大器作前置放大器使用時，其主要作用是（提高光接收機靈敏度）。 10.按照泵浦方式的不同，EDFA可分為（同向泵浦結(jié)構(gòu)）、反向泵浦結(jié)構(gòu)和雙向泵浦結(jié)構(gòu)等三種形式。 11.EDFA功率增益的定義式為（）。 12.目前，EDFA采用的泵浦光波長有0.98μm和（1.48μm）兩種。 13.EDFA的主要特性指標是功率增益、輸出飽和功率和（噪聲系數(shù)）。 14.摻鉺光纖放大器在光纖通信系統(tǒng)中的應用主要有作為（前置放大器）、（功率放大器）和（光中繼器）。 15.摻鉺光纖放大器的優(yōu)點之一是工作波長處在（1530~1565nm(或1.53~1.56μm)）范圍，與光纖最低損耗窗口一致。 二、名詞解釋題 1.摻鉺光纖放大器的功率增益、輸出飽和功率和噪聲系數(shù) 見教材P.260，P.261，P.262 三、簡答題 1.在摻鉺光纖放大器中，摻鉺光