光纤通信习题

第一章 概述

1、光纤通信的波谱在1.67×1014Hz~3.75×1014Hz之间(波长在0.8?m~1.8?m之间)，属红外波段，将0.8 ?m~0.9?m称为短波长，1.0?m~1.8?m称为长波长，2.0?m以上称为超长波长。 2、信道容量与信道带宽之间的关系，香农—哈特利(Shannon-Hartley)定理： C?Blog2(1?SNR)C为信道容量(单位为比特/秒，bps)，B为信道带宽(赫兹，Hz)，SNR为信噪比。 3、要实现受激发射需要两个条件：（一）粒子数反转，可通过向半导体激光二极管注入正向电流的方式来实现粒子数反转；（二）光子谐振腔，并在谐振腔里建立起确定的振荡。

14、最大比特率的计算式： Bmax?2??光纤色散是比特率受限的主要原因。

5、仅考虑光纤损耗，光信号沿光纤传输的最大距离 L 10PoutL?lg ?Prec

6、光纤通信系统的通信容量用比特率-距离积BL来表示，单位为(Mbit/s)·km；也可以用带宽-距离积来表示，单位是 MHz·km。它是系统的一个极限参数。一个系统设计完成以后，通信容量则是一个定值。其意义是：数据速率和传输距离可以变化，但必须满足两者的乘积为常数。

5、光脉冲传输距离 L 后的展宽应不超过系统比特周期的四分之一。 1

6、渐变折射率光纤大大降低了模式色散，提高了通信容量

7、提高通信容量的主要途径是减小信道间距、扩展带宽 以及采用混合复用技术。

第二章 光纤和光缆 1、光纤直径尺寸

2、阶跃型光纤SIF和渐变型光纤GIF；多模光纤MMF单模光纤SMF。 3、折射率为幂律分布的（渐变）多模光纤中传导模的数目为 ?V2N? ??222

4、相对折射率差：? = (n1 ? n22)/(2n12) ? (n1 ? n2)/n1

5、要使光线全部限制在渐变光纤纤芯中传播，入射角? 应满足下式：（证明或计算！） sin??n12?nc2

6、相位一致条件（证明！） 2k0n1acos? ? ? = N? 7、例1：已知某光纤参数如下：a = 4.1 ?m，? = 0.003，纤芯折射

率n1 = 1.48，试问此光纤能否传输波长? = 1.31 ?m的TE01 和TM01模？如要使TE01、TM01模能够传输，光波长应做 怎样的调整？（PPT）

第三章 光纤的传输特性

n1L???c4B1、多模光纤的折射率分布决定光纤带宽和连接损耗，单模光纤的折射率分布决定工作波长的选择。

2、数值孔径体现了光纤与光源之间的耦合效率。NA = sin?0= (n12 ?n22)1/2 （推导！） 3、了解“自聚焦”。对于传输光纤而言，模场直径(或有效面积)越大越好。

n114、时延差：

????1??2?1? ccos?1cos?2 n12n1???????max最大时延差的计算公式为 2cc25、截止波长：单模光纤中光信号能以单模方式传播的最小波长。

2?an1max ?ct?2?maxVc

式中Vc = 2.405。光纤单模工作条件为? ? ?ct ；光纤多模工作条件为? < ?ct。 6、光纤损耗：（分类及计算）?表示，单位dB/km 10P??lg1(dB/Km) LP27、色散的分类

8、阶跃型折射率光纤单模传输的条件：（计算！）V < Vc = 2.405 或

1

第四章 光无源器件

1、常用光有源、无源器件。

2、光纤连接器的基本由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管(适配器，Adapter)，耦合管起对准套管的作用，两个插头还要连接两根光纤尾纤(Pigtail)。主要指标：插入损耗、回波损耗、重复性和互换性。

3、在耦合区，纤芯直径变小，归一化频率下降，由前面的 2w = 2a +a/V 公式可知，V 值越小模场直径越大，也即模场超过光纤直径的部分越多。这样，一个光模式的更多部分在耦合区的包层部分传播，然后被耦合到另一根光纤的纤芯中。 4、各种参数指标的定义

5、机械式：插入损耗低，隔离度高，不受偏振和波长影响、开关时间较长(毫秒量级)，存在回跳抖动，重复性差、原理上有移动光纤、移动套管、移动准直镜、移动反光镜、移动棱镜、移动耦合器、MEMS等形式。

非机械式：开关时间短，体积小，易于集成；插损大，隔离度低，有的具有偏振和/或波长相关；原理上有电光、磁光、声光、热光等形式。 6、Kerr效应、干涉型光开关 7、隔离器由三个功能部件组成，输入偏振器(起偏器)、法拉第旋转器和输出偏振器(检偏器)。 8、光环形器为双向通信中的重要器件，它可以完成正反向传输光的分离任务。环形器的主要功能部件为双折射分离元件、法拉第旋转器和相位旋转器。

9、光滤波器按结构可分成两类，干涉滤波器和吸收滤波器。滤波器还可以分成固定滤波器和可调谐滤波器两大类。

2??na2??2.405

第五章 光源与光发送机

1、受激辐射:在外来光子的激励下，电子从高能级跃迁到低能级与空穴复合，同时释放出一个与外来光子同频、同相的光子。

2、LED与半导体激光器LD的差别是：LED发出的是荧光，因其无光学谐振腔，故不能形成激光；而LD是受激辐射，发出的是相干光，且有光学谐振腔以形成激光。

3、LED的谱宽较宽(50 ~ 100nm)，辐射角也较大。在低速率的数字通信和较窄带宽的模拟通信系统中，LED是可以选用的最佳光源，以将发光二极管分为三种类型结构：表面发光二极管、边发光二极管及超辐射发光二极管。 4、分布反馈机理激光二极管：基于分布反馈DFB(Distributed Feedback)机理的激光二极管单纵模激光器，通过谐振腔和具有频率选择反馈功能的光栅共同完成反馈作用，其边模抑制比MSR可达到30dB，谱宽可达到50MHz以下，具有非常好的单色性和方向性。 5、布拉格条件： Bm??2?

n

6、LD产生激光的阈值条件 127、通常LED的应用主要局限在低带宽和局域网上。调制带宽是衡量LED调制能力的参数，其定义是在保证调制度不变的情况下，当LED输出的交流光功率下降到低频率值的一半时(3dB)的频率间隔就是LED的调制带宽，可表示为：

8、LED与光纤的耦合一般采用两种方法，即直接耦合与透镜耦合。 9、边模抑制比SMSR P主SMSR?10lg

P边

c10、谱线也可以用频率为单位来表示，根据频率与波长的关系，可以得到： ???2???

11、LED通常和多模光纤耦合，用于1.31?m或0.85?m波长的小容量、短距离的光通信系统。LD通常和单模光纤耦合，用于1.31?m或1.55?m大容量、长距离光通信系统。

12、直接调制方式，是指直接将调制信号施加在光源上来完成光源参数的调制过程。间接调制方式是指通过外部调制器来完成光源参数的调制过程，这种调制方式具有极高的调制速率。间接调制不直接调制光源，而是基于晶体的电光、声光、磁光等效应或者晶体对光频的吸收作用，对LD所发出的光载波进行调制，即光辐射之后再加载调制电压，使经过调制器的光载波得到调制，这种调制方式又称作外调制。

第六章 光电检测器与光接收机

1、光电检测器是利用半导体材料光电效应实现光电转换，基本机理是光的吸收。PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。

2、PIN光检测器也称为PIN光电二极管，PIN的意义是表明半导体材料的结构，它是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间插入了一层轻掺杂的N型半导体材料(如Si)，称为

?rrexp[2(G??)L]?1?f?12??I(Intrinsic)层。

雪崩光电二极管APD不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成。

3、APD光电二极管雪崩后输出的光电流 IM 与未倍增时的初始光电流 IP 的比值： M = Ip /Ip0 = (I2 ? Id2)/(I1 ? Id1) 式中：M称为倍增因子 4、光检测器不具有通用性

5、光检测器的噪声主要有散粒噪声和热噪声，它们反映了光检测器的重要特征。 6、光接收机分为模拟光接收机和数字光接收机两类。 7、误码率定义:BER = 出错的比特数 / 总比特数

第七章 光放大器

1、EDFA在光纤通信系统中最重要的应用就是促使了波分复用技术WDM。光放大器的主要噪声来源是放大器的自发辐射ASE。工作波长在1550nm的掺铒光纤放大器EDFA和工作波长在1310nm的掺镨光纤放大器PDFA 。掺铒光纤的模场直径约为3~6?m，比常规光纤的9~11?m要小得多。这是为了提高信号光和泵浦光的 能量密度，从而提高其相互作用的效率。

2、为了获得较为平坦的增益特性和增大EDFA的带宽，有两种方法可以采用：一种是采用新型宽谱带掺杂光纤，如在纤芯中再掺入铝离子；另一种方法是在掺铒光纤链路上放置均衡滤波器。

3、光放大器是基于受激辐射或受激散射的原理来实现对微弱入射光进行放大，其机制有些与激光器类似。增益：G = Pout /Pin 4、光放大器带宽 1/2??ln21 ??A???g?????g?T2 ?go(?)L?ln2?5、泵浦方式：同向泵浦具有较好的噪声性能；反向泵浦，具有输出信号功率高的特点；双向泵浦输出光信号功率比单泵浦源要高，且放大特性与信号传输方向无关。

6、泵浦效率Wp可以用来衡量泵浦的有效性，其表达式如下：Wp = 放大器增益(dB)/泵浦功率(mW)

7、拉曼增益谱宽度很大，所以利用SRS效应可以在相当宽的波长范围对信号光进行放大。

第八章 光复用技术

1、复用技术是为了提高通信线路的利用率而在同一传输线路上同时传输多路不同信号而互不干扰的技术。目前复用技术主要指波分复用和时分复用技术。

2、光波分复用WDM技术在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路的同一根光纤中进行传输。在接收端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技术，简称光波分复用技术。一般认为：当相邻光载波的波长间隔小到0.1nm/10GHz以下时，此时的复用也称为光频分复用。光时分复用OTDM技术指利用高速光开关把多路光信号在时域里复用到一路中的技术。光码分复用OCDM技术中，每个信道不是占用一个给定的波长、频率或者时隙，而是以一个特有的编码脉冲序列方式来传送其比特信息。这些技术的使用目的就是增加线路容量，提高线路利用率。

3、一般来说，WDM系统主要由以下五部分组成：光发射机、光中继放大、光接收机、光

监控信道和网络管理系统。 4、粗波分复用或称疏波分复用CWDM(Coarse WDM)技术在系统成本、性能及可维护性等方面具有优势，正逐渐成为今后日益增长的城域网市场的主流技术。 5、DWDM 密集波分复用

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