光纤通信复习材料汇总.doc

《光纤通信复习材料汇总.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤通信复习材料汇总.doc（7页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、 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0.85u

2、m、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.654 1.55um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

3、（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 容许频带很宽，传输容量很大 损耗很小，中继距离很长且误码率很小 重量轻，体积小 抗电磁干扰能力好 泄露小，保密性能好 2、数字光纤通信的优点 抗干扰能力强，传输质量好 可以用再生中继，延长传输距离 适用各种业务传输，灵活性大 容易实现高强度的保密通信 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、

4、DFB激光器与F-P激光器相比，具有以下优点(课本57页) 单纵模激光器 光谱宽度窄，波长稳定性好 动态谱特性好 线性好4、发光二极管具有的工作特性(课本58页) 光谱特性 光束的空间分布 输出光功率特性 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1 dB，隔离度的典型值的大致范围

5、为4050 dB。 工作原理图如下6、光发射机的基本组成光源 调制电路和控制电路 线路编码电路7、简单的二电平码会带来如下问题：(1) 在码流中，出现“”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“”码或长串连“0”码，这样可能造成位同步信息丢失，给定时提取造成困难或产生较大的定时误差。(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)

6、 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“”码和连“0”码的数目，使“1”码和“0”码的分布均匀，保证定时信息丰富。(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270N个字节组成。这样每帧共有9

7、270N个字节，每字节为8 bit。帧周期为125 s，即每秒传输8000帧。对于STM-1 而言，传输速率为927088000=155.520 Mb/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的主要优点有：(1)工作波长正好落在光纤通信最佳波段(15001600 nm)；其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小，只有0.1 dB。(2) 增益高，约为3040 dB; 饱和输出光功率大，约为1015 dBm; 增益特性与光偏振状态无关。(3) 噪声系数小，一般为47 dB; 用于多波长信道传输时，隔

8、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 充分利用光纤的巨大带宽资源 同时传输多种不同类型的信号 节省线路投资 降低器件的超高速要求 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相干光系统的主要优点是：(1) 灵敏度提高了1020 dB，线路功率损耗可以增加到50 dB。(2) 由

9、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。 相干光系统的关键技术是：(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，才能获得高的混频效率，这种匹配包括空间匹配、波前匹配和偏振方向匹配。13、要实现OTDM，需要解决的关键技术有: 超短光脉冲光源 超短光脉冲的长距离传输和色散抑制技术 帧同步及路序确定技术 光时钟提取技术 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

10、点：（1）通信容量大。首先，光载波的中心频率很高，约为21014Hz，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20000 GHz（20 THz）；如果微波的载波频率选择为20 GHz，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10 Gbs，一个采用128个波长的波分复用系统的传输速率就是1.28 Tbs。（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0.2 dBkm，色散接近于

11、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

12、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14)。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，

13、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

14、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

15、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

16、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100150 V)，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

17、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2 GHz，严重影响LD的高速调制特性。4-2 LD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/

18、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，其脉冲明显变小而且连“0”码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。码型效应的消除方法是用适当的“过调制”补偿方法。4-9 数字光接收机量子极限的含义是什么？光接收机可能达到的最高灵敏度，这个极限值是由量子噪声决定的，所以称为量子极限。4-10 已测得某数字光接收机的灵敏度为10 pw，求对应的dBm值。 解 Pw=10 lgmin(mW)=-20 dBm4-12 光接收机中有哪些噪声？ 答 光接收机中主要有两

19、种噪声： 第一种光检测器的噪声，包括量子噪声、暗电流噪声及由APD的雪崩效应产生的附加噪声。这是一种散弹（粒）噪声，由光子产生光生电流过程的随机性所引起，即使输入信号光功率恒定时也存在。 第二种热噪声及前置放大器的噪声，热噪声是在特定温度下由电子的热运动产生，任何工作于绝对零度以上的器件都是存在的，在光接收机中主要包括光检测器负载电阻、前置放大器输入电阻的热噪声。前置放大器的噪声，严格说来，也是一种散粒噪声，但因这是由电域的载流子的随机运动引起的，可以通过噪声系数或噪声等效温度与热噪声一并进行计算，所以在本书中就将前置放大器的噪声和电阻热噪声合称为前置放大器的噪声。4-15 光发射机中外调制方

20、式有哪些类型？内调制和外调制各有什么优缺点？ 答 外调制有电折射调制器、电吸收MQW调制器和MZ干涉型调制器。 内调制的优点是简单、经济、易实现，适用于半导体激光器LD和发光二极管LED；缺点是带来了输出光脉冲的相位抖动(即啁啾效应)，使光纤的色散增加，限制了容量的提高。外调制的优点是可以减少啁啾，不但可以实现OOK方案，也可以实现ASK、FSK、PSK等调制方案；缺点是成本高，不易实现。5-2 SDH的特点有哪些？SDH帧中AUPTR表示什么？它有何作用？答 与PDH相比，SDH具有下列特点：(1)SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。最低的等级也就是最基本的模块称为STM-1，传输速率为

21、155.520 Mb/s；4个STM-1同步复接组成STM-4，传输速率为4155.52 Mb/s = 622.080 Mb/s；16个STM-1组成STM-16，传输速率为2488.320 Mbs，以此类推。一般为STM-N，N=1，4，16，64。由于速率等级采用统一标准，SDH就具有了统一的网络结点接口，并可以承载现有的PDH（E1、E3等）和各种新的数字信号单元，如ATM信元、以太链路帧、IP分组等，有利于不同通信系统的互联。(2)SDH传送网络单元的光接El有严格的标准规范。因此，光接El成为开放型接口，任何网络单元在光纤线路上可以互联，不同厂家的产品可以互通，这有利于建立世界统一的

22、通信网络。另一方面，标准的光接口综合进各种不同的网络单元，简化了硬件，降低了网络成本。(3)在SDH帧结构中，丰富的开销比特用于网络的运行、维护和管理，便于实现性能检测、故障检测和定位、故障报告等管理功能。(4)采用数字同步复用技术，其最小的复用单位为字节，不必进行码速调整，简化了复接分接的实现设备，由低速信号复接成高速信号，或从高速信号分出低速信号，不必逐级进行。(5)采用数字交叉连接设备DXC可以对各种端口速率进行可控的连接配置，对网络资源进行自动化的调度和管理，这既提高了资源利用率，又增强了网络的抗毁性和可靠性。SDH采用了DXC后，大大提高了网络的灵活性及对各种业务量变化的适应能力，使

23、现代通信网络提高到一个崭新的水平。SDH帧中的AU PTR指的是管理单元指针，它是一种指示符。主要用于指示载荷包络的第一个字节在帧内的准确位置（相对于指针位置的偏移量）。采用指针技术是SDH的创新，结合虚容器的概念，解决了低速信号复接成高速信号时，由于小的频率误差所造成的载荷相对位置漂移的问题。7-1 EDFA工作原理是什么?有哪些应用方式? 掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理：在掺铒光纤(EDF)中，铒离子有三个能级：其中能级1代表基态，能量最低；能级2是亚稳态，处于中间能级；能级3代表激发态，能量最高。当泵浦光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态（1

24、-3）。但是激发态是不稳定的，铒离子很快返回到能级2。如果输入的信号光的能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的铒离子将跃迁到基态(2-1)，产生受激辐射光，因而信号光得到放大。由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光能量的结果。为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态铒离子尽可能跃迁到激发态。 EDFA的应用，归纳起来可以分为三种形式：(1)中继放大器。在光纤线路上每隔一定距离设置一个光纤放大器，以延长传输距离。(2)前置放大器。此放大器置于光接收机前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。作为前置放大器，要求噪声系数尽量小。(3)后置放大器。此放大器置于光发射机后面

25、，以提高发射光功率。对后置放大器的噪声要求不高，而饱和输出光功率是主要参数。 7-2对于980 nm泵浦和1480 nm泵浦的EDFA，哪一种泵浦方式的功率转换效率高?哪一种泵浦的噪声系数小?为什么?980 nm泵浦方式的功率转换效率高，980 nm泵浦的噪声系数小，因为更容易达到激发态。7-4光交换有哪些方式? 答 光交换主要有三种方式：空分光交换、时分光交换和波分光交换。 空分光交换的功能是使光信号的传输通路在空间上发生改变。空分光交换的核心器件是光开关。光开关有电光型、声光型和磁光型等多种类型，其中电光型光开关具有开关速度快、串扰小和结构紧凑等优点，有很好的应用前景。 时分光交换是以时分

26、复用为基础，用时隙互换原理实现交换功能的。时分复用是把时间划分成帧，每帧划分成N个时隙，并分配给N路信号，再把N路信号复接到一条光纤上。为了实现时隙互换，首先使时分复用信号通过分接器分离出各路信号，然后使这些信号通过不同的光迟延元件，最后用复接器把这些信号重新组合起来 波分光交换(或交叉连接)是以波分复用原理为基础，采用波长选择或波长变换的方法实现交换功能的。为了实现波分交换，N条输入光纤承载的波分复用光信号首先分别通过解复用器(分波器)分为W个不同波长的光信号，然后所有NW个波长用空分光交换器进行交叉连接，最后由复用器(合波器)复接到N条输出光纤上。在没有波长变换器的条件下，需对应每个波长配

27、置一个空分交换器，所以共需W个。 7-5光弧子通信的原理是什么? 光弧子是经光纤长距离传输后，其宽度保持不变的超短(ps数量级)光脉冲。光弧子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光弧子作为载体的通信方式称为光弧子通信。光弧子通信的传输距离可达上万千米，甚至几万千米，目前还处于试验阶段。光弧子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲，即光弧子流，作为信息的载体进入光调制器，使信息对光弧子流进行调制。被调制的光弧子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后，进入光纤进行传输。为克服光纤损耗引起的光弧子减弱，在光纤线路上周期地插入EDFA，向光弧子注入能量，以补偿因光纤传输而引起的能量消耗，确保光弧

28、子稳定传输。在接收端，通过光检测器和解调装置，恢复光弧子所承载的信息。光波分复用的原理光波分复用(WDM： Wavelength Division Multiplexing)技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。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光波分复用WDM技术的主要特点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降低器件的超高速要求4节省线路投资5高度的组

29、网灵活性、 经济性和可靠性相干光系统主要优点和关键技术(1) 灵敏度提高了1020 dB，线路功率损耗可以增加到50 dB。如果使用损耗为0.2 dB/km光纤，无中继传输距离可达250 km (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信号光源和本振光源。 (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，才能获得高混频效率，这种匹配包括空间匹配、波前匹配和偏振方向匹配。光时分复用原理和关键技术OTDM是在光域上进行时间分割复用， 一般有两种复用方式：比特间插(Bit-interleaved)和信元间插(Cell-interleaved), 比特间插是目前广泛被使用的方式，信元间插也称为光分组(Optical Packet)复用。 (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