光纤通信复习材料(

光纤通信复习材料(2015年12月11日)一、填空题(仅供参考，个人乱感觉，)1、1966年，在英国标准电信实验室工作的华裔科学家高锟首先提出用石英玻璃纤维作为光纤通信的媒质，为现代光纤通信奠定了理论基础2、光纤传输是以激光光波作为信号载体，以光纤作为传输媒质的传输方式。3、光纤通常由纤芯、包层和涂敷层三部分组成的。4、光纤色散主要包括材料色散、模式色散、波导色散和偏振模色散。5、（波导色散）是指由光纤的光谱宽度和光纤的几何结构所引起的色散6、采用渐变型光纤可以减小光纤中的模式色散。7、光纤通信的最低损耗波长是1.55um，零色散波长是1.31um8、光纤通信中常用的低损耗窗口为0.85um、1.31um、1.55um。9、HE11模式是任何光纤中都能存在、永不截止的模式，称为基模或主模。10、色散的常用单位是ps/(km.nm)，G.652光纤的中文名称是标准单模光纤，它的0色散点在1.31微米附近。（G.651多模渐变型、G.653色散移位光纤、G.6541.55um损耗最小的单模光纤、G.655非色散移位光纤）11、光电检测器的噪声主要包括暗电流噪声、量子噪声、热噪声和放大器噪声等。12、光与物质作用时有受激吸收、受激辐射和自发辐射三个物理过程13、光纤通信系统中最常用的光检测器有：PIN光电二极管和雪崩光电二极管14、激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的（阈值条件）。15、光缆由缆芯、(加强元件(或加强芯))和外护层组成。16、在光纤通信中，中继距离受光纤损耗和色散的制约17、LD是一种阈值器件，它通过受激发射发光，而LED通过自发发射发光。二、简答题(个人感觉觉得7、11、12、13比较重要，)1、光纤通信的优点①容许频带很宽，传输容量很大②损耗很小，中继距离很长且误码率很小③重量轻，体积小④抗电磁干扰能力好⑤泄露小，保密性能好2、数字光纤通信的优点①抗干扰能力强，传输质量好②可以用再生中继，延长传输距离③适用各种业务传输，灵活性大④容易实现高强度的保密通信⑤数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化，微型化，增强设备可靠性3、DFB激光器与F-P激光器相比，具有以下优点(课本57页)①单纵模激光器②光谱宽度窄，波长稳定性好③动态谱特性好④线性好4、发光二极管具有的工作特性(课本58页)①光谱特性②光束的空间分布③输出光功率特性④频率特性5、光隔离器的工作原理(课本72页)隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值越大越好，目前插入损耗的典型值约为1dB，隔离度的典型值的大致范围为40～50dB。工作原理图如下6、光发射机的基本组成①光源②调制电路和控制电路③线路编码电路7(1)在码流中，出现“１”码和“0”码的个数是随机变化的，因而直流分量也会发生随机波动(基线漂移)，给光接收机的判决带来困难。(2)在随机码流中，容易出现长串连“１”码或长串连“0”码，这样可能造成位同步(3)不能实现在线(不中断业务)的误码检测，不利于长途通信系统的维护。采用要进行线路编码的原因(2点)以及数字光纤通信线路编码要求(3点)数字光纤通信系统对线路码型的主要要求是保证传输的透明性，具体要求有：(1)能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。这样就可以减小基线漂移、提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，有利于提高光接收机的灵敏度。(2)能给光接收机提供足够的定时信息。因而应尽可能减少连“１”码和连“0”码的数目，使“1”码和“0(3)能提供一定的冗余度，用于平衡码流、误码监测和公务通信。但对高速光纤通信系统，应尽量减小冗余度，以免占用过大的带宽。8、SDH帧结构和功能(课本106页，问字节数)SDH帧结构是实现数字同步时分复用、保证网络可靠有效运行的关键。图5.5给出SDH帧的一般结构。一个STM-N帧有9行，每行由270×N个字节组成。这样每帧共有9×270×N个字节，每字节为8bit。帧周期为125μs，即每秒传输8000帧。对于STM-1而言，传输速率为9×270×8×8000=155.520Mb/s。字节发送顺序为：由上往下逐行发送，每行先左后右。9、EDFA掺铒光纤放大器的优点(工作原理和应用习题7-1有)EDFA(1)(1500～1600nm)；其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小，只有0.1dB(2)增益高，约为30～40dB;饱和输出光功率大，约为10～15dBm;增益特性与光偏振状态无关。(3)噪声系数小，一般为4～7dB;用于多波长信道传输时，隔离度大，串扰小，适用于波分复用系统。10、WDM光波分复用技术的概念其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。11、WDM的主要特点①充分利用光纤的巨大带宽资源②同时传输多种不同类型的信号③节省线路投资④降低器件的超高速要求⑤高度的组网灵活性、经济性、和可靠性12、相干光系统的优点和关键技术(1)灵敏度提高了10～20dB，线路功率损耗可以增加到50dB。(2)由于相干光系统出色的信道选择性和灵敏度，和光频分复用相结合，可以实现大容量传输，非常适合于CATV分配网使用。(1)必须使用频率稳定度和频谱纯度都很高的激光器作为发射光源和接收机本振光源。(2)匹配技术。相干光系统要求信号光和本振光混频时满足严格的匹配条件，才能获得13、要实现OTDM，需要解决的关键技术有:①超短光脉冲光源②超短光脉冲的长距离传输和色散抑制技术③帧同步及路序确定技术④光时钟提取技术⑤全光解复用技术1-1光纤通信的优缺点各是什么？与传统的金属电缆通信、磁波无线电通信相比，光纤通信具有如下有点：（1）通信容量大。首先，光载波的中心频率很高，约为2×1014Hz，最大可用带宽一般取载波频率的10%，则容许的最大信号带宽为20000GHz（20THz）；如果微波的载波频率选择为20GHz，相应的最大可用带宽为2GHz。两者相差10000倍。其次，单模光纤的色散几乎为零，其带宽距离（乘）积可达几十GHz*km；采用波分复用（多载波传输）技术还可使传输容量增加几十倍至上百倍。目前，单波长的典型传输速率是10Gb／s，一个采用128个波长的波分复用系统的传输速率就是1.28Tb／s。（2）中继距离长。中继距离受光纤损耗限制和色散限制，单模光纤的传输损耗可小于0.2dB／km，色散接近于零。（3）抗电磁干扰。光纤由电绝缘的石英材料制成，因而光纤通信线路不受普通电磁场的干扰，包括闪电、火花、电力线、无线电波的干扰。同时光纤也不会对工作于无线电波波段的通信、雷达等设备产生干扰。这使光纤通信系统具有良好的电磁兼容性。（4）传输误码率极低。光信号在光纤中传输的损耗和波形的畸变均很小，而且稳定，噪声主要来源于量子噪声及光检测器后面的电阻热噪声和前置放大器的噪声。只要设计适当，在中继距离内传输的误码率可达10-9甚至更低。此外，光纤通信系统还具有适应能力强、保密性好以及使用寿命长等特点。当然光纤通信系统也存在一些不足：(1)有些光器件(如激光器、光纤放大器)比较昂贵。(2)光纤的机械强度差。为了提高强度，实际使用时要构成包含多条光纤的光缆，在光缆中要有加强件和保护套。(3)不能传送电力。有时需要为远处的接口或再生的设备提供电能，光纤显然不能胜任。为了传送电能，在光缆系统中还必须额外使用金属导线。(4)光纤断裂后的维修比较困难，需要专用工具。1-2光纤通信系统由哪几部分组成?简述各部分作用。光纤通信系统由发射机、接收机和光纤线路三个部分组成(参看图1．4)。发射机又分为电发射机和光发射机。相应地，接收机也分为光接收机和电接收机。电发射机的作用是将信(息)源输出的基带电信号变换为适合于信道传输的电信号，包括多路复接、码型变换等：光发射机的作用是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光发射机由光源、驱动器、调制器组成，光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本取决于光源的特性；光源的输出是光的载波信号，调制器让携带信息的电信号去改变光载波的某一参数(如光的强度)。光纤线路把来自于光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。光接收机把从光纤线路输出的产生畸变和衰减的微弱光信号还原为电信号。光接收机的功能主要由光检测器完成，光检测器是光接收机的核心。电接收机的作用一是放大，二是完成与电发射机相反的变换，包括码型反变换和多路分接等。1-4简述未来光网络的发展趋势及关键技术。未来光网络发展趋于智能化、全光化。其关键技术包括：长波长激光器、低损耗单模光纤、高效光放大器、WDM复用技术和全光网络技术。1-5光网络的优点是什么?答光网络具有如下的主要优点：(1)可以极大地提高光纤的传输容量和结点的吞吐量，以适应未来宽带(高速)通信网的要求。(2)光交叉连接器(oXC)和光分插复用器(OADM)对信号的速率和格式透明，可以建立一个支持多种业务和多种通信模式的、透明的光传送平台。(3)以波分复用和波长选路为基础，可以实现网络的动态重构和故障的自动恢复，构成具有高度灵活性和生存性的光传送网。光网状网具有可重构性、可扩展性、透明性、兼容性、完整性和生存性等优点，是目前光纤通信领域的研究热点和前沿。3-20什么是粒子数反转?什么情况下能实现光放大？答假设能级E1和E2上的粒子数分别为N1和N2，在正常的热平衡状态下，低能级E1上的粒子数N1是大于高能级E2上的粒子数N2的，入射的光信号总是被吸收。为了获得光信号的放大，必须将热平衡下的能级E。和E：上的粒子数N1和N：的分布关系倒过来，即高能级上的粒子数反而多于低能级上的粒子数，这就是粒子数反转分布。当光通过粒子数反转分布激活物质时，将产生光放大。3-21什么是激光器的阈值条件?答对于给定的器件，产生激光输出的条件就是阈值条件。在阈值以上，器件已经不是放大器，而是一个振荡器或激光器。3-24什么是雪崩倍增效应?答雪崩光电二极管工作时外加高反向偏压(约100~150V)，在PN结内部形成一高电场区，入射光功率产生的电子空穴对经过高场区时不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子或空穴在运动过程中与价带中的束缚电子碰撞，使晶格中的原子电离，产生新的电子空穴对。新的电子空穴对受到同样加速运动，又与原子碰撞电离，产生电子空穴对，称为二次电子空穴对。如此重复，使载流子和反向光生电流迅速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。4-1激光器(LD)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？应如何消除这两种现象的产生?答当电流脉冲注人激光器后，输出光脉冲出现幅度逐渐衰减的振荡，称为弛张振荡。弛张振荡的后果是限制调制速率。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，因此实际中最高调制频率应低于驰张振荡频率。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幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象。自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的高速调制特性。4-2LD为什么能够产生码型效应?其危害及消除办法是什么？答半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲和输入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为光电延迟时间。当光电延迟时间与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1”码的脉冲宽度变窄，幅度减小。严重时可能使“1”码丢失，这种现象称为码型效应。码型效应的特点是在脉冲序列中，较长的连“0”码后出现“1”码，其