光纤通信系统复习题

罗老师划得十道题：8、光纤的色散有几种？与什么有关？16、简述LED的工作原理。18、LD的工作原理。26、PIN光电二极管的工作原理。27、APD的工作原理。33、设计光纤通信系统时要考虑哪些参数？41、SOA的工作原理42、EDFA的工作原理45、光纤通信系统为什么需要进行色散管理（补偿）？46、有哪些技术可以实现色散补偿？65、解释Gordon-Haus抖动的起源。光滤波器和调制器是如何减小这种定时抖动的？70、利用LiNbO3电光晶体如何实现ASK,PSK,FSK调制？可能出的另外两道题：1、光纤通信系统的总体结构框图及其发展历程。2、光纤通信的优点？14、在光纤通信系统中，常见下列符号，请指出其名称。G652，G653，G654，G655。51、什么是WDM？53、什么是OTDM?67、相干光通信系统与非相干光通信系统的区别？答案：8、光纤的色散有几种？与什么有关？（1）模式色散。模式色散存在于多模光纤中，是因不同模式的时间延迟不同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。（2）材料色散。材料色散是由于光纤纤芯的折射率随传输的光波波长变化而造成的。实际光源不是纯单色光，由于光纤纤芯对不同的光波长有不同的折射率，因而有不同的传播速度，这样就造成了光脉冲展宽现象，称为材料色散。（3）波导色散。波导色散是由光纤的几何结构决定的色散，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。16、简述LED的工作原理。半导体发光二极管（LED）因自发辐射而发光，也即当原子处于高能级E2时，不靠外界作用自发地返回到低能级E1时，会发射出光子的过程。发射的光子频率、相位、偏振状态及传播方向是无规律的，输出具有较宽频率范围的非相干光。18、LD的工作原理。半导体激光器（LD）因受激发射而发光，也即当原子处于高能级E2时，若受到能量为1212EEhf的外来光子照射而跃迁到低能级E1时，会发射出光子的过程。发射的光子是与外来光子同频、同相、同偏振、同方向的相干光。26、PIN光电二极管的工作原理。当PIN结加上负偏压后，入射光主要在耗尽层内被吸收并产生电子空穴对，在耗尽层反电场作用下，电子以极快的速度向N区漂移，空穴以极快的速度向P区漂移，形成了漂移电流。电子和空穴载流子通过两边的P层和N层区内时，因没有电场作用，故以较慢的速度做扩散运动，但由于P层和N层都很薄，所以总的来说，载流子通过PIN结的时间很短，因而提高了它的响应速度，可以检波出高调制频率的光信号。由于PIN光电二极管具有结构简单、可在20v左右的低电压下工作等优点，所以被广泛地应用于光接收机灵敏度要求不太高的中、短距离的光纤通信系统中。27、APD的工作原理。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，称为二次电子空穴对。二次电子空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子空穴对。如此多次碰撞，产生连锁反应，从而使光电流雪崩式倍增，由于雪崩光电二极管是一个高灵敏度的光电检测器，它的响应度高，且器件的体积小，工作电压不太高（约为100v左右），所以常常被用于长距离的光纤通信系统中。33.光通信系统需要考虑哪些参数？并画图加以说明。下面按照光通信系统各部分进行讨论1.一般光源有两种选择，分别是半导体激光器和发光二极管。其主要参数是光源的工作波长，发送功率和光谱特性。半导体激光器LD和发光二极管LED的发光波长与光通信系统信道（0.8um,1.3um,1.55um）适配而用作光源。LED常用于低速，短距离光波系统中。LED发光是非相干光，具有较宽的谱宽。而高速，长距离光波系统使用LD做光源，因为LD的发送功率比LED大得多，是受激辐射产生的相干光源，线宽很窄。而且其调制能力更强。光发送机另一个重要参数是光源的光谱特性。最大均方根宽度用以衡量光脉冲在频域的集中程度，相对于单纵模激光器而言，多纵模激光器和LED频域能量比较分散。而单纵模激光器主要光源调制器信息源光纤放大器色散补偿/位移光纤光纤光电检测器解调器信号输出能量集中在主模上，因此其半高全宽很窄。并且要获得较好的单纵模激光，需控制其最小边模抑制比，使几乎所有能量集中在主模上。按照光源的调制方式可分两种，内调制和外调制方式。外调制比内调制速率快得多，使用马赫-曾德LiNbO3光波导结构的调制器，调制速率可达20GHz2.光纤可分为单模，多模光纤。其主要参数是损耗和色散。损耗直接影响通信距离，色散会使得脉冲展宽，码间串扰，降低通信距离和容量。应根据具体系统要求选择不同种类光纤。比如G.652标准单模光纤，其零色散波长为1.3um,对于1.55um的波长色散为17-20ps/(nm*km)。损耗约为0.35dB/km。由于实际光纤结构并非完全对称，会导致双折射，引起偏振色散。当入纤功率很大时，会引起光纤的非线性效应，导致折射率改变，自相位调制，受激非弹性散射，四波混频和参量过程。3.放大器包含光电光放大器和光放大器两种。光电光放大器需要光电转换，电放大，再次产生光信号，结构较复杂。而对于光放大器可以直接在线放大。光放大器包含光纤拉曼，布里渊，参量和掺杂放大器。其主要参数包含光增益，噪声，频带宽度和输出功率。现在的光通信系统一般使用掺杂的光纤放大器。如EDFA小信号增益大于40dB,输出功率大于500mW,增益带宽为几十纳米，并且增益和偏振态无关，噪声低，泵浦效率高，可工作于C波段和L波段。所以适合在线放大，提高光通信系统的中继能力。掺铒的光纤放大器工作在1.55um处，掺镨的光纤放大器工作在1.3um处。一般光放大器存在最佳长度，超过此长度增益会下降，所以一般光放大器长度在几十米以内。放大器之间间距一般为100km左右，可以保证光信号不会因为损耗等原因而逐渐恶化。4.色散管理系统一般使用色散补偿和色散位移光纤。如色散位移光纤（DSF）G.653，零色散波长为1.55um。对于色散补偿光纤（DCF），在1.55um处色散参数为-70到-200ps/(nm*km)。所以仅使用几公里长的色散补偿光纤就可抵消长途传输中的色散。5.光电检测器又称为光接收机，主要是指PN光电二极管，PIN光电二极管，APD雪崩光电二极管。其主要参数是接收机的探测波长，灵敏度，工作偏压，噪声特性和信噪比。对于光接收机的响应波长要与光通信系统波长匹配。对于InGaAs材料制作的光接受机可工作于1.3和1.55um的信道波长处。APD的灵敏度比PIN管更高，可用于探测很弱的光信号。但APD工作时需加高压。一般而言APD具有高效率，高增益，宽带宽和低噪声的优点，所以可用于高速光通信系统中作为光接收机。41、SOA的工作原理半导体及光放大器的放大特性主要决定于激光枪的反射特性与有源层的介质特性。如图：LD两端面构成FP谐振腔，入射光从LD左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面后，部分从端面出射，部分从端面反射，再次通过有源层，然后反向通过有源层至左端面，部分光从左端面出射，其余光从左端面反射，再次通过有源层，如此反复，光得到放大。42、EDFA的工作原理EDFA采用掺铒离子单模光纤作为增益介质，在泵浦光激发下产生粒子反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大，结构如图：泵浦光有半导体激光器LD提供，与被放大信号光一起通过光耦合器或波分复用耦合器注入掺铒光纤EDF。光隔离器用于反馈光信号，提高稳定性。光滤波器用于滤除放大过程中产生的噪声。为提高EDFA输出功率，泵浦激光也可从EDF末端（放大器输出端）注入，或输入输出端同时注入，如图a、b、c。称为前向泵，后向泵，双向泵掺铒光纤放大器。45、光纤通信系统为什么需要进行色散管理（补偿）？普通单模光纤在1.55μm波长附近色散很大；在使用多个频率的光信号传输的波分复用系统中，采用色散位移光纤工作在零色散波长的方法并不现实。光纤通信系统需要利用现存的在20世纪80年代建成的光缆网络，该网络包含超过5千万公里，最小色散波长在1.3μm附近的普通单模光纤。对1.55μm的光纤通信系统，即使采用DFB光发射机，传输距离由L(16|β2|B2)-1给出：根据典型值β2=-20ps2/km,传输速率B=10Gb/s，该色散受限系统的传输距离L将小于30km。因此必须采取合适的技术来补偿或管理色散。46、有哪些技术可以实现色散补偿？色散管理技术可以在发射机，接收机，或在光纤链路上实施。在发射机端实施的是预啁啾技术，对DFB激光器的频率调制（FM），幅度调制（AM），和两者同时调制。非线性预啁啾技术，半导体光放大器（SOA）工作在增益饱和区，可以压缩脉宽；利用自相位调制（SPM）进行预啁啾。在接收机端实施的是后补偿技术，使用外差式接收机将数据转换成微波格式，再用微波带通滤波器消除GVD色散。在光纤链路中的色散管理，有以下几种：使用色散补偿光纤，或一种Two-ModeDCFs（双模色散补偿光纤）？使用光学滤波器：F-P干涉仪，M-Z干涉仪，啁啾光纤布拉格光栅，chirpedmodecouplers（啁啾模式耦合器）？利用四波混频产生的光学相位共轭进行色散补偿。两个问号表示有疑问，在ppt里有提到，但没印象，不知道要不要加上去，括号内的中文翻译不知道对不对。65、解释Gordon-Haus抖动的起源。光滤波器和调制器是如何减小这种定时抖动的？(1)掺铒光纤放大器(EDFA)的放大自发辐射(ASE)噪声将干扰类明孤子稳定传输,导致类明孤子脉冲到达检测窗口时产生时间抖动。(2)在孤子传输线上，周期性地提取时钟脉冲，控制接入线路的电光幅度调制器，对通过调制器的孤子脉冲进行整形和定时，实现抑制孤子到达时间抖动的目的。这是一种时域控制技术，不仅能克服Gordon-Haus效应影响，对抑制相邻孤子的相互作用亦十分有效。70、什么是ASK,PSK,FSK，DPSK，利用LiNbO3电光晶体如何实现ASK,PSK,FSK调制？（1）ASK：Amplitude-ShiftKeying幅移键控。如果基带数字信号只用来控制光载波的幅度大小，称幅移键控（ASK），最简单的ASK就是“1”码时发送光载波，“0”码时不发送光载波，称通断键控（OOK）。PSK：Phase-ShiftKeying相移键控。此时“1”码和“0”码分别送出两个相位不一样（通常相差180度）的信号FSK：Frequency-ShiftKeying频移键控。如果基带数字信号只用来控制光载波的频率，称频移键控（FSK）。此时“1”码时送出一个光载波频率f1，“0”码时送出另一个光载波频率f2。DPSK：DifferentialPhase-ShiftKeying差分相移键控。如果“1”码和“0”码送的是前后相位的变化量（例如“1”码时光载波相位改变180度，“0”码时不变），则称差分相移键控（DPSK）。（2）ASK：LiNbO3电光材料的折射率指数随外电压而变化，电压引起折射率变化，从而破坏了该马赫-曾德尔干涉仪的相位特性，在一个臂上引起了附加相位变化，结果是使通过光的强度变化。（注：与光信号有关的电场表达式是：。As：幅值，Φs：相位，ω0：中心频率。在ASK方式中，Φs保持不变，对幅值进行调制。对于二进制数字信号调制，在大多数实际情况下，“0”码传输时，As=0；“1”传输时，As=1）当两臂间的相位差等于时，出现了相消干涉，此时光不会通过调制器，其结果是调制器的输出光信号随电比特流而变化，进而实现ASK。PSK：实现相移键控，要求一个使光相位随施加信号电压改变的外腔调制器。这种调制器使用的物理机理是光电折射原理。（注：相移与折射率变化的关系是：。lm：施加的电压引起折射率变化的波导长度，折射率变化δn与施加的电压成正比，选择δn使δΦ=π。在比特出现期间内，施加所需要的电压，可使光载波的相差达到π。）通常使用LiNbO3电光晶体和单个波导。相移键控调制时，调制光载波相位，产