-
.
光纤通信系统
第一章
所谓光纤通信，
就是用光作为信息的
载体
、
以光纤作为传输介质的一种通
信方式。通信系统的容量通常用比特率
—
距离积
BL
表示，
B
为比特率
,L
为中继间距。
三种低损耗窗
850nm
、
3dB/km
；
1310nm
、
0.4dB/k
m
；
1550nm
、
< br>0.2dB/km
4
、
PDH
和
SDH
各表
示什么？其速率等级标准是什么？
答：
PDH
表示准同步数字序列，即在低端基群采用同步，高次群复用采用异步；
SDH
表
示同步数字序列。
PDH
速率等级标准：
SDH
速率等级标准：
STM-1
：
155.520Mbit/s
STM-4
：
622.080
Mbit/s
STM-16
：
2.5
Gbit/
STM-64
：
10
Gbit/s
3
、
光纤通信有哪些优点？
答：
1
、频带宽，通信容量大
2
、损耗低，中继距离长
3
、抗电磁干扰
4
、无串音干扰，保密性好
5
、光纤线径细、重量轻、柔软
6
、光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料
7
、光纤具有耐腐蚀力强、抗核幅射、能源消耗小等
优点。
5
、图示光纤通信系统，解释系统基本结构。
答：
光纤
通信系统由光发送机、
光纤光缆与光接收机等基本单元组成。
系
统中包含一些互连
与光信号处理部件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关
及路由器等。在长距
离系统中还设置有中继器
(
混合或全光
)
。
.
.
1.
光纤由哪几部分构成？从横截面上看由三部分构成：纤芯、包层
、涂敷层；
2
、光纤中的纤芯折射率与包层折射率的关系？单模光纤和多模光纤中中两者的
芯经一
般分别为多少？
答：纤芯折射率大于包层折射率；
单
模光纤纤芯直径：
2a=8μm
～１２
μm
，包层直径：
2b=125μm
；
多模光纤
纤芯直径：
2a=50μm
，
包层直径：
2b=125μm
。
3
、根据芯、包折射率分布及模式传
播情况，指出有哪些典型形式光纤？
答：按照折射率：
折射率在纤芯与包
层介面突变的光纤称为阶跃光纤；
折射率在纤芯内按某种
规律逐
渐降低的光纤称为渐变光纤。
按照传输模式：
单模光纤和多模光纤。
5
、数值孔径
NA
的物理
意义？表达式是什么？
答：
光纤的数
值孔径
NA,
它的含义是反映光纤对光信号的集光能力
（接收能力）
，
NA
值
越大，对光信号集光（接收）能力越强。
NA
＝
sin
?
C
n
0
sin
?
0
?
n
1
< br>sin(90
0
?
?
c
)
n
0
?
1
sin
?
0
?
n
1
cos
?
c
?
n
1
1
?
sin
2
?
c
?
n
1
?
n<
/p>
1
n
?
n
?
2
n
1
2
?
2
1
2
2
2
n
2
1
?
2
n
1
2
2<
/p>
n
1
?
n
2
?
或
?
n
.
1
?<
/p>
?
?
2
2
?
NA
＝
n
1
?
n
2
或
?
n
1
< br>2
?
.
6
、什么
是光纤的自聚焦？产生在何种类型光纤里？产生自聚焦的条件？
答：
若折射率分布合适，
可以使以不同角度入射的全部光射线
以相同的轴向速度，
同时到达光纤轴上的某点，即所有光射线都具有相同的空间周期
L
，这种现象称
为自聚焦，具有自聚焦特性
的光纤称为自聚焦光纤；梯
自聚焦
-
--
以不同角度入射的光射线以相同的轴向速度，
具有相同的空
间周期
L
，
这种光纤称为自聚焦光纤。
产生在渐变（梯度）型光纤中；
<
/p>
当折射率分布按平方率分布（即双曲正割变化）
，可形成自聚焦特
性。
第二章
7
、
阶跃光纤的纤芯和包层折射率分别为
n
1
＝
1.46
和
n
2
＝
1.45
，试计算：
(a)
相对芯包折射率差△；
(b)
若该光纤的端面外为空气
(n
0
=1)
，计算允许的最大入射角
?
0
及数值孔径
NA
；
(c)
若该光
纤浸于水中
(n
0
=1.33)
，计算
?
0
及
NA
的大小。
解：
2
n<
/p>
1
2
?
n
2
(
a
)
?
?
?
0.00683<
/p>
2
2
n
1
(
b
)
2
n
1
2
?
n
2
?
0
?
arcsin(
)
?
9.8
0
(
n
0
?
1)
n
0
NA
?
n
0
sin
?
0
?
1
?
sin
9.8
0
?
0.17
(
c
)
2
n
1
2
?
< br>n
2
?
0
?
arcsin(
)
?
7.4
0
(
n
0
?
1.33)
n
0
NA
?
n
0
sin
?
0
?
1.33
?
sin
7.4
0
?
0.17
.
.
8
、有一
SI
型多模光纤的芯径为
50
?
m
，芯包折射率
分别为
n
l
=1.465
和
n
2
=1.46
。
计算与光纤轴线夹角最大的那条子午射线，
在
1m
的传输距离上共要反射多少次
?
解：
2.2
1
、导模的传播常数应满足什么条件？
k
0
n
2
?
?
?
k
0
n
1
答：
2
、归一化频率
V
与什么参量有关？其值与导模数的关系？
答由式（
2.2.21
）
，与自由空间
波数、芯经、波长、折射率和相对折射率差有关。
V
2
?
(
k
0
a
)
2
< br>(
n
2
1
?
n
2
2
)
v
M
?
4
2
v
2
M
?
2
3
、什么是单模光纤？实现单模传输的条件是什么？
答：单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单一基模的光纤。
当阶跃光纤的归一化频率
V <
2.405
时，实现单模传输。
2.4
什么是光纤色散？光纤色散包括哪些？零色散点所处的
波长在那儿？决定
什么因素？
a
）
光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同
成分的光传输时延不
同引起的脉冲展宽的物理效应。
（
b
）材料色散（模内）
、波导色散（模内）
、模式（模间）色散、偏振色散。
（
d
）在
1310
nm
处，决定因素是材料色散和波导色散。
.
.
全色散为两种色散的近似相加，即
D
＝
D
mat
+ D
W
[ps/()]
全色散为零的波长约在
1.31
?
m
。
2.5 1
< br>、
什么叫光纤损耗？写出损耗的表达式。
光纤损耗有哪几
种？
造成光纤损耗的原因是什么？
答：当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减
小，这种现象即称为光纤
的损耗。损耗一般用损耗系数α表示。
?
(
dB
/
km
)
?
?
10
P
out
lg
L
P
in
光纤损耗有：吸收损耗、散射损耗和
辐射损耗。
损耗产生的主要原因是光纤材料的吸收、
散射作用和光纤在使用
过程中由于连接、弯曲而导致附加光功率损失。<
/p>
光纤的衰
减机理主要有
3
种，
即光能量的吸收损
耗、
散射损耗和
辐射损耗。
吸收损耗与光纤材料有关；
散射损耗则与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关；
辐射损耗是由光纤几何形状的微观和宏观扰动引起的。
2.7
2
、光纤有那些类型？
G.652
、<
/p>
G.653
、
G.654
、
G.655
光纤各表示什么？
答：
G.652
光纤
（
SSF
）
：
常规单模光纤，
色散为零的波长约在
1310
nm
，
1550
nm
具有更低的损耗；
G.653
光纤
(DSF)
：色散位移光纤，将零色散波长从
1.3
?
m
移到
1.55
m
m
，
这种低损耗、低色散的光纤，无疑对长距离大容
量光纤通信来说是十分有利的。
.
.
G.654
光纤
(CSF)
：截止波长位移光纤，设计的出发点进一步降低
1550nm
处
的衰减，而零色散波长仍为
1310nm
。
G.655
光纤
(NZ-DSF)
：
非零色散位移光纤，
将零色散波长移至<
/p>
1550
nm
附近，
< br>目地是应用
DWDM
，克服非线性产物四波混频（
FWM
）
。
1
、按照成缆结构方式不同可分为哪几种光缆？
答：层绞式、骨架式、带状式、束管式
2
、光纤光缆制造的主要流程是什么？
答：制棒
---
拉丝
< br>---
涂敷
---
成缆
光纤预制棒制作方式：用气相沉积法（
MCV
D)
制造一根具有所需折射
率分布的预制棒。典型的预制棒长<
/p>
1m
，直径
2cm
，包含具有合适相对
尺寸的纤芯和包层。
3.1
2
、比较发光二极管与半导体激光器，指出各自特点？
答：发光二极管特点：以自发辐射为基础，发普通荧光，发散角大，是
无阈值的
器件，发射功率一般为微瓦级。
半导体激光器特点：以受激辐射为基础，发相干（激）光，是有阈值的器件
（电流大
于阈值点，发射线性激光；小于阈值点为自发辐射光）
，发射功率一般
< br>为毫瓦级。
1
、光和物质的相互作用是什么？
答：受激辐射、自发辐射、受激吸收
1
、半导体激光器产生激光输出的基本条件是哪些？
答：半导体激光器产生激光输出的基本条件是：
形成粒子数反转；
提供光反馈；
满足激光振荡的阈值条件。
3.2
1
、用于光纤通信的发光二极管有哪几类？特点是什么？
答：
LED
的基本结构
可分为两类：面发光
LED
和边发光
L
ED
。
面发光
LED
：
称为布鲁斯
(Burrus
)
型
LED
，这种
LED
发射面积限制在一个
小区域，
小区域的横向尺寸与光纤纤芯直径接近。
面发光管输出功率较大，
一般
.
.
注入电流
100mA
时可达几毫瓦，但光发
散角大，其水平发散角
θ
‖
≈120°
，垂直
发散角
θ
⊥
≈120°
，光束呈朗伯分布，与光纤耦合效率很低。
边发光
LED
：
采用条形半导体激光器的设计方案，其发散光束不同于面发<
/p>
光
LED
，它在垂直于结平面方向的发散
角仅为
30°
，所以边发光
LED
的输出耦
合效率比面发光
LED
高，调制带宽亦较大，可达约
200MHz
。
2
、
制张弛振荡
、减小电光延迟时间的简单方法是什么？
答：
把
LD
预偏置在
I
th
附近时，是减小
t
d
，缩短载流子寿
命
?
sp
，有
利于提高调制速率的简单方法。
所以，
无论是从减弱张弛振荡，
还是从缩短电光延迟时间来提高
调制
性能，
LD
都需要预偏置在阈值附近。
3.4 LD
的
Ith
随着工作温度的提高，
P-I
特性曲线向右
移动，
这
时阈值电流增大，斜率减小。
外量子效率
(
总效率
< br>)
调制特性
3.5
光发送机作用：将输入的电信号加载到光源的发
射光束上变
成光信号，送入光纤。
信
息由
LED
或
LD
发出的光波所携带，光波就是载波。把信息加载到
光波上的过程就是调制。
调制方式：
将电信号转变为光信号的方式通常
有两种：
直接调制和间
接调制。
.
.
直接调
制技术具有简单、
经济和容易实现等优点，
由于光源的输出光<
/p>
功率基本上与注入电流成正比，
因此调制电流变化转换为光频调制
是
一种线性调制。
1
、光驱动电路的基本结构是什么？特点是什么？
答：
光驱动电路由调制电路和控制电路组成，
即提供恒定的偏置电流
和调制信号，采用伺服回路保持平均光功率恒定不变。
分为
LED
、
LD<
/p>
光驱动电路两类。
数字电路通常由差分对管组成差
分电流开关电路，特点是速度快，电路易于调整，若用
LD
管还需提
供预偏电路。模拟电路由单管或多管构成，由于对线性要求较高，需
要复杂的补偿电路。
2
、
APC
与
ATC
电路起何作用？
答：
为了克服温度及老化造成的输出功率的下降，
在驱动电路中要采
取稳定补偿措施，这就是自动功率控制
(APC)
< br>和自动温度控制
(ATC)
。
ATC
控制利用
LD
< br>组件内的半导体致冷器及热敏电阻进行反馈控
制即可恒定
LD
芯片的温度。
APC
可通过两条途径来实现，一是自动跟踪
Ith
的变
化，使
LD
偏置在最佳状态；二是控制调制脉冲电流幅度
Im
，自动跟踪
?
d
（外
量子效率）的变化。由于一般
?<
/p>
d
随温度的变化不是非常大，因此简<
/p>
单的办法是通过检测直流光功率控制偏置电流，也能收到较好的效
果。
光源与光纤耦合效率的主要因素：
.
.
●
光源的发散角
发散角大，耦合效率低。
●
光纤的数值孔径
(NA)
NA
大，耦合效率高。
●
光源发光面、
光纤端面尺寸、
形状及二者间间距
也都直接影响耦合效率。
针对不同的因素，通常采用两类方法来实现光源与光纤的耦合
，即
直接耦合法：
直接耦合法：
是将光纤端面直接对准光源发
光面，当发光面大于纤芯面积时，这是一
种有效的方法。
透镜耦合法：
透镜耦合法：当光源发
光面积小于纤芯面积
时，
可在光源与光纤之间放置聚焦透镜，<
/p>
使更多的发散光线会聚进入
光纤来提高耦合效率。
4.1
光接收机作用是：将光信号转换
回电信号，恢复光载波所
携带的原信号。
光接收机主要由
3
部分电路组成，分别为
< br>
由光电二极管和前置放大
器构成的接收机前端，
由主放大器和均衡滤波器构成的线性通道及
由判决器和时钟恢复电路构成的再生电路
。
★光电检测器
(
光电二极管或雪崩光电二极管
)
对光信号解调，
将光信
号转换为电信号。
光电检测器的输出电流信号很小，必须由低噪声前置放大器进行放
大。
.
.
光电检测器和前置放大器构成光接收机前端，
其性能是决定接收
灵敏度的主要因素。
响应度和量子效率关系
1
、光纤
通信系统用的光检测器是怎样偏置外加工作电压的？
答：
反向偏置。
足够大的反向偏置电压，
目的是使本征区中的载流子完全耗尽，
形成高电场
耗尽区。使入射到检测器上的光子能量高速度、高效率转换成光生电子。
APD
管加上更高反向电压，可以形成雪崩倍增增益。
2
、比较
PIN
光电检测器与
APD
光电检测器，各自有那些特点？
答：
< br>（
1
）
PIN
光电二极管没有倍增，使用简单，工作偏压低
(5-10V)
< br>，不需
要任何控制。
在较大光
功率注入下，
PIN
接收机噪声性能要比
APD
接收机噪声性能（信噪
比降低
G
x
倍）优越。
（
2
）
APD
具有很高的内部倍增因子（通过合理设计，可以使
APD
工作在最
佳倍增状态）
，这样接收灵敏度比<
/p>
PIN
光检测器高。
< br>但由于
APD
需要较高的工作偏压
（
200V
）
以及其倍增特性受温度
的影响较严
重因此使用起来也比较复杂，
需要
< br>AGC
电路对
APD
的工作偏压
进行精细控制，
在
要求较高的数字光接收机中，还必须对
APD
采取温度补偿措施。
在较小光功率注入下，
APD
接收机噪声性能（信噪比
提高
G
2
倍
）要比
PIN
接收机噪声性能优越。
4.4
1
、光接收机的灵敏度是怎样定义的？
答：
光接收机的灵敏度是描述其准确检测光信号能力的一种性能
指标。
光接收机的灵敏度定义为接收机工作于某一误码率（<
/p>
BER
）条件下所要求的
最小平均接收光
功率。
.
.
2
、误码率如何定义？通常标准要求
是多少？
答：数字光接收机的误码率
(BER)
定义为接收机判决电路错误确定一个比特的概
率，<
/p>
1
×
10-6
的
BER
相应于每百万比特中平均有一个错码。
< br>
对数字光接收机通常使用的标准要求
BER
≤
10-9
，
这是通常实
际光波系统的
系统规范。
4
、引起光接收机灵敏度恶化因素是那些？
<
/p>
答：
1
、消光比引起的灵敏度恶化
2
、强度噪声引起的灵敏度恶化
3
、取样时间抖动引起的灵敏度恶化
4.5
光中继器原理图
5.1
光放大器的原理
光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大
的
一种器件，其机制与激光器完全相同。
实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光
器。
1
、光放大器有
哪几种类？应用最为普遍的是哪一种？
答：半导体光放大器
(SOA)
光纤放大器（掺稀土元素）
非线性光
纤放大器（光纤喇曼放大器
FRA
）
最常用的是掺铒光纤放大器
2
、掺铒光纤放大器（
EDFA
）有哪些优点？
.
.
答：其优点为：高增益、高功率、宽带宽、低噪声、低串音、低插损等优良特性
。
3
< br>、
EDFA
光放大器主要应用方式？
答：主要做为发送机功率提升放大器、光接收机前置放大器和替代
3R
光电—电
光中继器的光中继放大器。
4
、掺铒光纤放大器（
EDFA
）的关键技术是什么？<
/p>
答：是掺铒光纤和泵铺源技术
5.
光放大器在光波系统中的
4
种基本应用
1<
/p>
）将光放大器作为在线放大器代替光电光混合中继器，当光纤色散
和放大器自发辐射噪声累积尚未使系统性能恶化到不能工作时，
这种
代替是完全可行的，
特别是对多信道光波系统更具诱惑力，
可以节约
大量的设备投资。
2
）将光放大器接在光发送机后以提高光发送机的发送功率，增加传
输距
离，这种放大器称为功率放大器。
3
）将光放大器接在光接收机前，以提高接收功率和信噪比，增加通
信距离，这种放大器
称为前置放大器。
4
）将光放大器用
于补偿局域网中的分配损耗，以增大网络节点数。
还可以将光放大器用于光子交换系统等
多种场合，
这种放大器亦称为
功率放大器。
放大器的特性主要由掺杂元素决定，
而不是由起主介质作
用的石英光
纤决定。
图
5.11
掺铒光纤放大器的基本结构
.
.
(a)
前向或正向泵结构
EDFA
；
(b)
后向或反向泵结构
EDFA
；
(c)
双
向泵结
构
EDFA
。
泵浦光由半导体激光器（
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
）
。
光隔离器用于隔离反馈光信号，提高稳定性。
光滤波器用于滤除放大过程中产生的噪声。
为了提高
EDFA
的输出功率，泵浦激光亦可从
EDF
的末端（放大
器输出端）注入，或输入输出端同时注入，分别如图
5.11(
a)
、图
5.11(b)
、图
5.11(c)
所示。
这
3
种结构的
EDFA
分别称为前向泵、后向泵和双向泵掺铒光纤
放大器。
6.1
1
、无源器件主要有哪几种？
答：光纤连接器、光纤衰减器、光隔离器、光纤耦合器、自聚焦透镜
（
滤波器、分路器、复用器）
、光调制器及光开关等。
光无源器件有很多种类，
主要有光纤连接器、
光
纤耦合器、
光滤波器、
光隔离器、波分复用
/
解复用器、光开关、光衰减器、光环形器、偏
振选择与控
制器等。
光纤固定接头方法：熔接法，
V
形槽法，套管法。
2
、衰减器的作用是什么？光连接器
的作用是什么？
.
.
答：光衰减器的作用是对光功率进行衰减。
光连接器的作用是实现光纤与光纤之间可拆卸的连接。
光纤连接器的作用是实现系统中设备之间、
设备与仪表之间、
设
备与光纤之间及光纤与光纤之间的活动连接，
以便于系统的接续、
测
试和维护。
3
、光隔离器在光纤线路上作用是什
么？
答：
光隔离器在光纤线路上作用
是隔离反射光返回器件，
避免其对正
向光形成干扰。
构造
N
×
N
多星形耦合器：
采用多个
2
×
2
星形耦合器级联的方法构成
N
×
N
星形耦合器
。
8.1
2
、系统在什么条件下受色散限制？此时决定的因素是什么？
答：
当系统的损耗足够小，传输码速高时，传输距离主要受光纤色散等的限制。
即在光纤损耗较低，
码速较高时，<
/p>
对传输距离的限制往往主要来自色散造成
的系统上升时间的限制，
这种系统称为色散限制系统。
1
、简述
光纤通信系统发展情况并分别写出限制
BL
的因素。
答：
1. 0.85
μ
m
光波系统
,
采用低成本的多模光纤作为传输媒质。
限制
BL
主要的因素是光纤的模间色散。
.
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