光纖通信作業(yè)（2016.1.30）1.1 光纖通信有哪些特點(diǎn)？1、光纖通信的優(yōu)點(diǎn)：（1）傳輸容量大。（2）傳輸損耗小，中繼距離長。（3）信號泄漏小，保密性好。（4）節(jié)省有色金屬。（5）抗電磁干擾性能好。（6）重量輕，可撓性好，敷設(shè)方便。2、光纖通信的缺點(diǎn)：（1）抗拉強(qiáng)度低。（2）連接困難。（3）怕水。1.2 簡述光纖通信系統(tǒng)的主要組成部分。光纖通信系統(tǒng)的主要組成部分為：（1）光纖光纜、（2）光源（光發(fā)送機(jī)）、（3）光檢測器（光接收機(jī)）、（4）無源器件、（5）光放大器（光中繼器）。1.4為什么使用石英光纖的光纖通信系統(tǒng)中，工作波長只能選擇850nm、1310nm、1550nm三種？由于目前使用的光纖均為石英光纖，而石英光纖的損耗波長特性中有三個低損耗的波長區(qū)，即波長為850nm、1310nm、1550nm三個低損耗區(qū)。為此，光纖通信系統(tǒng)的工作波長只能是選擇在這三個波長窗口。2.1 光纖傳輸信號產(chǎn)生能量衰減的原因是什么？光纖的損耗系數(shù)對通信有什么影響？1、光纖產(chǎn)生能量衰減的原因包括：（1）吸收、（2）散射和（3）輻射。2、光纖的損耗系數(shù)會導(dǎo)致信號功率損失，造成信號接收困難。2.2 在一個光纖通信系統(tǒng)中，光源波長為1550nm，光波經(jīng)過5km長的光纖線路傳輸后，其光功率下降了25%，則該光纖的損耗系數(shù)為多少？2.3 光脈沖在光纖中傳輸時，為什么會產(chǎn)生瑞利散射？瑞利散射損耗的大小與什么有關(guān)？ 瑞利散射是由于光纖內(nèi)部的密度不遠(yuǎn)勻引起的，從而使折射率沿縱向產(chǎn)生不均勻，其不均勻點(diǎn)的尺寸比光波波長還要小。光在光纖中傳輸時，遇到這些比波長小，帶有隨機(jī)起伏的不均勻物質(zhì)時，改變了傳輸方向，產(chǎn)生了散射。2、瑞利散射損耗的大小與成正比。2.4 光纖中產(chǎn)生色散的原因是什么？色散對通信有什么影響？ 1、光纖的色散是由于光纖中所傳輸?shù)墓庑盘柌煌念l率成分和不同模式成分的群速度不同而引起的傳輸信號畸變的一種物理現(xiàn)象。2、色散會導(dǎo)致傳輸光脈沖的展寬，繼而引起碼間干擾，增加誤碼。對于高速率長距離光纖通信系統(tǒng)而言，色散是限制系統(tǒng)性能的主要因素之一。2.5 光纖中色散有幾種？單模傳輸光纖中主要是什么色散？多模傳輸光纖中主要存在什么色散？1、從產(chǎn)生機(jī)理而言，光纖中的色散主要包括：（1）材料色散、（2）波導(dǎo)色散和（3）模式間色散。2、單模光纖中主要是波導(dǎo)色散。3、多模光纖中主要是模式間色散。注：偏振模色散可以理解為是：特殊的模式色散，但在速率較低的系統(tǒng)中影響較小。2.8 何謂模式截止？光纖單模傳輸?shù)臈l件是什么？單模光纖中傳輸?shù)氖鞘裁茨Ｊ?？其截止波長為多大？階躍折射率光纖中線性極化模LP11模對應(yīng)的是什么矢量模？ 1、對每一個傳播模來說，在包層中它應(yīng)該是衰減很大，不能傳輸。如果一個傳播模，在包層中不衰減，也就是表明該模是傳過包層而變成了輻射模，則就認(rèn)為該傳播模被截止。所以一個傳播模在包層中的衰減常數(shù)W=0時，表示導(dǎo)模截止。2、單模光纖傳輸條件：歸一化頻率V2.4053、單模光纖中傳輸?shù)氖荓P01模，對應(yīng)的矢量模是HE11模。4、截止波長由下式計算：5、LP11模對應(yīng)的矢量模是： TE01, TM01, HE21。3.1 比較半導(dǎo)體激光器（LD）和發(fā)光二極管（LED）的異同。LD有哪些特性？LED有哪些特性？1、（1）、相同點(diǎn)：LD和LED都可以用作通信光源。 （2）、不同點(diǎn)：LD原理是受激輻射，而LED是自發(fā)輻射。2、LD有以下特性：LD是閾值器件，需要較完善的驅(qū)動和外圍的電路，其發(fā)出的光譜線窄，適宜于高速率系統(tǒng)。3、LED有以下特性：LED沒有閾值，結(jié)構(gòu)簡單，但其譜線較寬，適用于要求較低的場合。3.2 為什么LD要工作在正向偏置狀態(tài)？何謂激光器的閾值電流？激光器的閾值電流與激光器的使用溫度、使用時間有什么關(guān)系？ 1、LD加正向偏置電壓用以克服PN結(jié)中自建場的影響，從而降低勢壘，以形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。2、激光器閾值電流是指：滿足克服諧振腔內(nèi)損耗而產(chǎn)生激光的最小的外加激勵電流。3、激光器的閾值電流與溫度和使用時間成正比關(guān)系。3.4 已知半導(dǎo)體材料GaAs（鎵砷）的禁帶寬度Eg=1.43ev，InGaAsP（銦鎵砷磷）的Eg=0.96ev，分別求由這兩種材料組成的半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長。（普朗克常數(shù)h=6.62610-34JS，1ev1.610-19J） 1、（1）鎵砷GaAs組成的半導(dǎo)體激光器的發(fā)射頻率為：（2）、發(fā)射波長為：2、（1）銦鎵砷磷InGaAsP組成的半導(dǎo)體激光器的發(fā)射頻率為：（2）發(fā)射波長為：3.6 在光纖通信系統(tǒng)中對LD驅(qū)動電路和偏置電路有什么要求？在LD驅(qū)動電路中為什么一定要加偏置電流？偏置電流應(yīng)加多大才合適？若偏置電流加得過大或過小，對LD的調(diào)制特性會產(chǎn)生什么影響？ 1、對LD驅(qū)動電路和偏置電路的要求是：（1）輸出的光脈沖峰值保持恒定。（2）光脈沖的通斷比應(yīng)>>10。（3）激光發(fā)射的時間必須遠(yuǎn)短于碼無時間。（4）采用阻尼電路以避免張弛振蕩。2、因為半導(dǎo)體激光器（LD）是閾值器件，只有外加驅(qū)動電流超過閾值后，才能發(fā)出激光，為使得較小的數(shù)據(jù)電流亦可產(chǎn)生足夠的光輸出，因此，需要加偏置電流。3、偏置電流的選取原則是略小于閾值電流。4、（1）偏置電流太小了，需要較大的數(shù)據(jù)電流才能滿足閾值條件。（2）偏置電流太大了，會引起消光比性能下降，同時，較高的電流也會產(chǎn)生較大的熱量，以及壽命的縮短。3.7某數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，在實(shí)際使用中，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器（LD）的輸出光功率慢慢下降，試分析其原因并提出解決辦法。1、激光器的閾值電流會隨溫度升高及老化（使用時間長）而提高，閾值電流增加以后，輸出光功率就會下降。所以輸出光功率慢慢下降，原因可能是：（1）溫度升高，（2）使用時間長（老化）。2、（1）如果是溫度升高引起輸出光功率慢慢下降，可以使用自動溫度控制電路（ATC）致冷來解決。（2）如果是使用時間長（老化）引起輸出光功率慢慢下降，可以使用自動功率控制電路（APC）增加偏置電流來解決。3.9 在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，選擇線路碼型時，要考慮哪幾個因素？字變換碼（mBnB碼）和插入碼（Mb1H碼）各有什么特點(diǎn)？采用mBnB碼或Mb1H碼時，線路碼速將比原來的信號碼速提高多少？某數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，信息碼速為139.264Mbit/s，若采用5B6B碼其線路碼速為多少？若采用4B1H線路碼速又為多少？1、線路碼型選取的基本原則包括：1）應(yīng)有足夠的定時含量，即應(yīng)盡量減少連“0”和連“1”數(shù)，便于時鐘提取。2）應(yīng)有不中斷業(yè)務(wù)，進(jìn)行誤碼檢測的能力。3）應(yīng)力求降低線路傳輸?shù)拇a率，或線路傳輸碼率的提高應(yīng)盡可能少。4）應(yīng)具有較好的抗干擾性能，滿足一定接收機(jī)性能所需檢測的光功率最小。5）應(yīng)具有盡可能簡單和經(jīng)濟(jì)的變換方案。6）傳輸中發(fā)生誤碼時，誤碼擴(kuò)散范圍和誤碼增值低。常用的線路碼型包括：（1）擾碼、（2）字變換碼和（3）插入碼三種類型。2、（1）字變換碼（mBnB碼）的特點(diǎn)：將輸入二進(jìn)制碼分解成一個“碼字”，輸出用對應(yīng)的另一種“碼字”來代替。常用字變換碼為mBnB碼，即將輸入碼流每m比特為一組，然后變換成另一種排列規(guī)則的n比特為一組的碼流。字變換碼中的n、m均為正整數(shù)，且nm。（2）插入碼（mB1H碼）的特點(diǎn)：把輸入原始碼流分成每m比特（mB）一組，然后在每組mB碼末尾按一定的規(guī)律插入一個碼，組成m+1個碼為一組的線路碼流。根據(jù)插入碼的規(guī)律，可以分為：mB1C碼mB1H碼mB1P碼等。（3）除擾碼外，字變換碼和插入碼都會提高線路傳輸速率。3、（1）采用mBnB碼時，線路碼速將比原來的信號碼速提高n/m倍。（2）采用mB1H碼時，線路碼速將比原來的信號碼速提高（m+1）/m倍。4、（1）采用5B6B碼時，線路碼速為：139.2646/5=167.1168 Mbit/s。（2）采用4B1H碼時，線路碼速為：139.264(4+1)/4=174.08 Mbit/s。4.1 光纖通信系統(tǒng)對光檢測器有什么要求？比較PIN和APD各自的特點(diǎn)。1、光纖通信系統(tǒng)對光檢測器的主要要求包括：（1）靈敏度高。（2）響應(yīng)速度快。（3）噪聲小。（4）穩(wěn)定可靠。2、（1）PIN的特點(diǎn)：增大了耗盡區(qū)的寬度，減小了擴(kuò)散運(yùn)動的影響，提高了響應(yīng)速度。絕大部分的入射光在本征層內(nèi)（I層內(nèi)）被吸收（受激吸收），并產(chǎn)生大量的電子空穴對。PIN用于短距離小容量光纖通信系統(tǒng)。PIN沒有增益，用在靈敏度要求不高的場合。（2）APD的特點(diǎn)：電子空穴對多次碰撞產(chǎn)生雪崩光倍增效應(yīng)。APD是有增益的光電二極管，在光接收機(jī)靈敏度要求較高的場合，用APD有利于延長系統(tǒng)的傳輸距離。APD用于長距離大容量光纖通信系統(tǒng)。4.2.光敏二極管為什么必須工作在反向偏壓狀態(tài)？1、在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，因為光生載流子的擴(kuò)散速度比耗盡區(qū)內(nèi)光生載流子的漂移速度慢得多，這部分光生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動的時延，將使檢測器輸出電流脈沖后沿的拖尾加長，這影響了光敏二極管的響應(yīng)時間，就限制了光電轉(zhuǎn)換速度。2、在反向偏壓情況下，增加了耗盡區(qū)的寬度，縮小了耗盡區(qū)兩側(cè)擴(kuò)散區(qū)的寬度，從而減小了光生電流中的擴(kuò)散分量，反向偏壓也增強(qiáng)了耗盡區(qū)內(nèi)的電場，加快了光生載流子的漂移速度，有利于加快光敏二極管的響應(yīng)時間。4.4 何謂暗電流？暗電流是怎么產(chǎn)生的？暗電流的存在對信號的接收會產(chǎn)生什么影響？1、處于反向偏壓下的半導(dǎo)體光電二極管，在無光照時，仍有電流流過，這部分電流稱為暗電流。2、暗電流是由載流子的熱擴(kuò)散形成的，或者是由器件表面和內(nèi)部的缺陷以及有害的雜質(zhì)引起的。暗電流的大小由半導(dǎo)體材料及摻雜濃度決定。3、暗電流與光源無信號時的殘留光一樣，在接收機(jī)中產(chǎn)生噪聲。暗電流的存在限制了光敏二極管所能檢測的最小光功率，也就是降低了接收機(jī)的靈敏度。4.5 試述雪崩光敏二極管（APD）的工作原理。何謂“雪崩效應(yīng)”？APD電流增益系數(shù)G與什么有關(guān)？1、處于反向偏置的耗盡層光電二極管，當(dāng)外加的反向偏壓不斷增加時，耗盡層內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子在強(qiáng)電場作用下得到加速，獲得很大的功能。高能的截流子與半導(dǎo)體晶體內(nèi)的原子相碰撞，將束縛在價帶中的電子激發(fā)到民帶，從而在耗盡層內(nèi)產(chǎn)生新的電子一空穴對，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。碰撞電離的第二代載流子在耗盡層的強(qiáng)電場的加速下，再次引起碰撞電離而產(chǎn)生第三代載流子。2、碰撞電離的反復(fù)循環(huán)使耗盡層內(nèi)的載流子數(shù)雪崩似的急劇增加，通過二極管的電流也就猛增，這就是雪崩倍增效應(yīng)。3、雪崩光電二極管（APD）就是利用雪崩倍增效應(yīng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電流增益的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換器件。4、APD的電流增益系數(shù)G一般在40100之間，其變化規(guī)律與外加的偏壓有關(guān)。5.1 光纖連接器應(yīng)用在什么地方？影響光纖連接器損耗的因素有哪些？1、光纖連接器是使一根光纖與另一根光纖之間完成活動連接的器件，主要用于光源器件尾纖輸出或光電檢測器尾纖輸入與傳輸光纖之間的連接。2、光纖連接時，引起的損耗與多種因素有關(guān)，諸如：（1）光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如纖芯直徑、數(shù)值孔徑等）、（2）光纖的相對位置（如橫向位移、縱向間隙等）以及（3）端面狀態(tài)（如形狀、平行度）等。 5.2 光纖連接器有哪些種類，敘述FC型光纖活動連接器的原理。1、光行連接器的種類有：（1）FC型光纖連接器；（2）SC型光纖連接器；（3）ST型光纖連接器；（4）雙錐型連接器；（5）DIN光纖連接器；（6）MT-RJ型連接器；（7）LC型連接器；（8）MU型連接器。2、FC型光纖活動連接器的原理：其外部加強(qiáng)方式采用金屬套，緊固方式為螺絲扣。采用的陶瓷插針的對接端面是平面接觸方式。后來，對該類型連接器做了改進(jìn)，采用對接端面呈球形的插針（SPC），而外部結(jié)構(gòu)沒有改變。5.4 怎么定義光纖耦合器的插入損耗，附加損耗、耦合比和串?dāng)_？1、插入損耗Li：是指一個指定輸入端口（1或2）的輸入光功率Pi和一個指定的輸出端口（3或4）的輸出功率Po的比值，用分貝（dB）表示2、附加損耗Le：是指全部輸入端口（1或2）的輸入光功率Pi總和與全部輸出端口（3或4）的輸出光功率Po總和的比值，用分貝（dB）表示3、耦合比CR：是指某一個輸出端口（3或4）的輸出光功率Po與全部輸出端口（3或4）的輸出光功率Po總和的的比值，用分貝（dB）表示4、串?dāng)_LC：是指一個輸入端口（1）的輸入光功率Pi與由耦合器泄漏到其他輸入端口（2）的光功率Pr總和的的比值，用分貝（dB）表示5.5 光衰減器有幾種，各有什么作用？1、光衰減器是一種用來降低（改變）光功率的器件，可分為：（1）可變光衰減器和（2）固定光衰減器。2、（1）可變光衰減器主要用于調(diào)節(jié)光線路電平，在測量光接收機(jī)靈敏度時，需要用可變光衰減器進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)來觀察接收機(jī)的誤碼率。在校正光功率計時，也需要光可變衰減器。（2）固定光衰減器主要用于調(diào)整光纖通信線路電平，若光纖通信線路的電平太高，就需要串入固定光衰減器。6.1 光放大器主要有幾種？各自的實(shí)現(xiàn)機(jī)理是怎樣的？1、光放大器主要有：1）、半導(dǎo)體激光放大器，2）摻雜稀土元素光放大地對空，3）光纖布里淵放大器（FBA），4）光纖拉曼放大器（FRA）。2、各自實(shí)現(xiàn)機(jī)理是：1）半導(dǎo)體激光放大器：利用受激輻射對進(jìn)入增益介質(zhì)的光信號進(jìn)行直接放大，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個處于高增益狀態(tài)下的無諧振腔的半導(dǎo)體激光器。2）摻雜稀土元素光放大器：摻雜稀土元素光放大器主要是：（1）摻鉺光纖放大器（EDFA）和（2）摻鐠光纖放大器（PDFA）。 摻鉺光纖放大器能放大光信號的機(jī)理：在于鉺離子能吸收泵浦光的能量，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)信號光通過已被激活的摻鉺光纖時，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子以受激輻射的方式躍遷到基態(tài)。對應(yīng)于每一次躍遷，都將產(chǎn)生一個與激發(fā)該躍遷的光子完全一樣的光子，從而實(shí)現(xiàn)了信號光在摻鉺光纖的傳播過程中不斷放大。3）光纖布里淵放大器（FBA）：受激布里淵散射是光纖內(nèi)的一種非線性現(xiàn)象，起源于光纖的三階電極化率，其光增益是由泵浦光的受激布里淵散射產(chǎn)生的。受激布里淵效應(yīng)導(dǎo)致一部分泵浦光功率轉(zhuǎn)移給信號光，使信號光得到放大。 4）光纖拉曼放大器（FRA）：可采用同向、反向或雙向泵浦。目前，F(xiàn)RA主要用做分布式放大器，輔助摻鉺光纖放大器（EDFA）進(jìn)行信號放大。但FRA也可單獨(dú)使用，放大EDFA不能放大的波段。6.3 摻鉺光纖放大器（EDFA）在應(yīng)用上有哪幾種形式，對性能參數(shù)的要求有何異同？1、摻鉺光纖放大器（EDFA）的具體應(yīng)用形式有三種：（1）線路放大（LA）、（2）功率放大（BA）、（3）前置放大（PA）。2、EDFA的主要性能參數(shù)包括：增益、噪聲系數(shù)等。（1）線路放大（LA）：要求增益要高。（2）功率放大（BA）：要求增益要高。（3）前置放大（PA）：要求增系和噪聲系數(shù)更高。6.6 光纖拉曼放大器（FRA）與摻鉺光纖放大器（EDFA）相比，優(yōu)缺點(diǎn)分別有哪些？1、拉曼放大器（FRA）的優(yōu)缺點(diǎn)：1）FRA的優(yōu)點(diǎn)：（1）帶寬較寬。（2）設(shè)計簡單。（3）低噪聲。（4）可以通過靈活排列泵浦光的頻率來對信號進(jìn)行放大。2）FRA的缺點(diǎn)：其主要缺點(diǎn)就是對合適波長的高功率泵浦源要求較高。2、摻鉺光纖放大器（EDFA）的優(yōu)缺點(diǎn)：1）EDFA的優(yōu)點(diǎn)：（1）工作波長處于1.531.56m范圍，與光纖最小損耗波長窗口一致。（2）對摻鉺光纖進(jìn)行激勵所需要的泵浦光功率較低，僅需數(shù)十毫瓦。（3）增益高、噪聲低、輸出功率高。（4）連接損耗低。（5）EDFA已經(jīng)成為高速大容量光纖通信系統(tǒng)中不可缺少的部分。2）EDFA固有的缺點(diǎn)：（1）波長固定，只能放大1.55m左右的光波，換用其他基質(zhì)的光纖時，鉺離子能級也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波長有限，只能換用其他元素。（2）增益帶寬不平坦，在波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)中，需要采用特殊的手段來進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。7.2 說明同步數(shù)字體系（SDH）復(fù)用結(jié)構(gòu)中，容器（C）、虛容器（VC）和管理單元（AU）的主要功能。1、容器（C）：是一種用來裝載各種速率的業(yè)務(wù)信號的信息結(jié)構(gòu)。針對準(zhǔn)同步數(shù)字體系（PDH）速率系列，國際電聯(lián)電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU-T）建議G707規(guī)定了C-11、C-12、C-2、C-3和C-4五種標(biāo)準(zhǔn)容器2、虛容器（VC）：是用來支持同步數(shù)字體系（SDH）的通道層連接的信息結(jié)構(gòu)，也是SDH通道的信息終端。其信息由容器（C）的輸出和通道開銷（POH）組成，即VC-n = C-n+VC-nPOH。3、管理單元（AU）：是提供高階通道層和復(fù)用層之間適配的信息結(jié)構(gòu)。有AU-3和AU-4兩種管理單元。其信息AU-n由一個相應(yīng)的高階VC-n和相應(yīng)的管理單元指針AU-nPTR組成，即：AU-n = VC-n+AU-nPTR ( n=3或4 )。一個或多個管理單元（AU）的集合稱為管理單元組（AUG）。7.3 計算STM-1幀結(jié)構(gòu)中RSOH、MSOH和AU PTR的速率。對于STM-1，每幀為92702430字節(jié)，其中RSOH：3行9列8比特/字節(jié)8000幀/秒1.728Mb/SRSOH：5行9列8比特/字節(jié)8000幀/秒2.88Mb/SAU PTR：1行9列8比特/字節(jié)8000幀/秒0.576Mb/S 注：段開銷SOH區(qū)域中，第13行又被成為再生段開銷RSOH。第59行被稱為復(fù)用段開銷MSOH。7.4 將2Mbit/S映射復(fù)用進(jìn)同步數(shù)字體系（SDH），為什么會有三種結(jié)果容量。哪種映射的效率最高？哪種映射的效率最低？哪種映射方式最為靈活？1、根據(jù)復(fù)用路徑不同，可以有C4、C3和C12三條路徑，對應(yīng)的最終等效業(yè)務(wù)容量分別是64、48和63個2Mbit/S。2、C4路徑映射效率最高。3、C3路徑映射效率最低。4、C12路徑映射方式最為靈活。7.7 說明同步數(shù)字體系（SDH）網(wǎng)同步的工作模式。同步數(shù)字體系（SDH）網(wǎng)同步的工作模式有：（1） 主從同步和（2）偽同步兩種。 什么是“四波混頻（FWM）”效應(yīng)？“四波混頻”對于波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)有何影響？為什么G653光纖不適宜使用在WDM系統(tǒng)中？1、四波混頻是指當(dāng)多個頻率的光波以很大的功率在光纖中同時傳輸時，由于非線性效應(yīng)引發(fā)多個光波之間出現(xiàn)能量交換的一種物理過程，這種能量轉(zhuǎn)移不僅導(dǎo)致信道中光功率的衰減，而且引起各信道之間的彼比干擾。 2、在WDM系統(tǒng)中，F(xiàn)WM能夠引起信道間的竄話，從而限制了WDM系統(tǒng)的通信質(zhì)量。因此，在WDM通信中將盡量降低FWM現(xiàn)象。 3、G653光纖在1550nm波長附近是零色散，易產(chǎn)生四波混頻效應(yīng)，所以光G653纖不適宜用于WDM系統(tǒng)。