光纤通信简明教程课后思考题答案-原荣

1-1用光导纤维进行通信最早在哪一年由谁提出答：1966年7月英籍华人高锟提出用光导纤维可进行通信。1-2光纤通信有哪些优点光纤通信具有许多独特的优点，他们是：1.频带宽、传输容量大；2.损耗小、中继距离长；3.重量轻、体积小；4.抗电磁干扰性能好；5.泄漏小、保密性好；6．节约金属材料，有利于资源合理使用。1-3简述光纤通信系统的分构成及各部分的作用电信号光信号调制光源解调光中继器光探测器光纤光纤电信号用光纤传输信息的过程大致是这样的，在发送端，把用户要传送的信号（如声音）变为电信号，然后使光源发出的光强随电信号变化，这个过程称为调制，它把电信号变为光信号，最后用光纤把该光信号传送到远方；在接收端，用光电探测器接收光信号，并把光信号还原为携带用户信息（如声音）的电信号，这个过程称为解调，最后再变成用户能理解的信息（如声音）。1-4光纤通信系统结构分类1213N245123b)a)c)…a)点对点b)一点对多点c)网络1-5光纤通信网络分类依据网径的大小可分为宽域网(WAN)、城域网(MAN)和局域网(LAN）)光的本质是什么，什么是相位差？光是一种电磁波，即由密切相关的电场和磁场交替变化形成的一种偏振横波，它是电波和磁波的结合。它的电场和磁场随时间不断地变化，分别用Ex和Hy表示，在空间沿着z方向并与z方向垂直向前传播，这种波称为行波假如波沿着z方向依波矢量k传播，如式（1.5.1）所示，被z分开的两点间的相位差可用kz简单表示，因为对于每一点t是相同的。假如相位差是0或2的整数倍，则两个点是同相位，于是相位差可表示为kz或2z2-1简述光纤的结构光纤由玻璃（石英SiO2）制成的纤芯和包层组成，为了保护光纤，包层外面还增加尼龙外层。纤芯材料主要成分为掺杂的二氧化硅（SiO2），纯度达99.999%，其余成分为极少量的掺杂剂如二氧化锗（GeO2）等，以提高纤芯的折射率。2-2由折射率的径向分布分为阶跃和渐变2-3实用的单模和多模2-4多模光纤有哪两种？单模光纤又有哪几种答：多模光纤有折射率阶跃光纤和渐变光纤。单模光纤有G.652、G.653、G.654、G.655、G.656、G.657光纤和色散补偿光纤。2-5光纤从折射率较大的介质以不同的入射角进入折射率较小的介质时，会出现哪三种不同的情况？ikrktkirt入入入入入入入入入入入入入入ikrktktccikrkci21n2n1nn2-6解释光纤传光原理射线理论认为，光在光纤中传播主要是依据全反射原理。光线垂直光线端面射入，并与光纤轴心线重合时，光线沿轴心线向前传播。光的传播就是通过电场、磁场的状态随时间变化的规律表现出来。2-7光纤的传输特性用哪几个参数表示答：单模光纤的传输特性有衰减、色散和带宽。在传输高强度功率条件下，则还要考虑光纤的非线性光学效应。2-8什么是光纤的色散？对通信有何影响？多模光纤的色散由什么色散决定？单模光纤色散又有什么色散决定答：色散是由于不同成分的光信号在光纤中传输时，因群速度不同产生不同的时间延迟而引起的一种物理效应。光信号分量包括发送信号调制和光源谱宽中的频率分量，以及光纤中的不同模式分量。如果信号是模拟调制，色散限制了带宽。如果信号是数字脉冲，色散使脉冲展宽。对于多模光纤，主要是模式色散。对于单模光纤，由于只有一个模式在光纤中传输，所以不存在模式色散，只有色度色散和偏振模色散。对于制造良好的单模光纤，偏振模色散最小。在DWDM和OTDM系统中，随着光纤传输速率的提高，高阶色散也必须考虑。2-9G.652光纤在1.3m的损耗是多少？答：G.652光纤在1.3m波段的损耗较大，为0.3~0.4dB/km。2-10造成光纤传输损耗的主要因素有哪些？哪些是可以改善的？最小损耗在什么波长范围内答：引起衰减的原因是光纤对光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗，如图2.3.1所示。光纤是熔融SiO2制成的，光信号在光纤中传输时，由于吸收、散射和波导缺陷等机理产生功率损耗，从而引起衰减。吸收损耗有纯SiO2材料引起的内部吸收和杂质引起的外部吸收。内部吸收是由于构成SiO2的离子晶格在光波（电磁波）的作用下发生振动损失的能量。外部吸收主要由OH离子杂质引起。散射损耗主要由瑞利散射引起。瑞利散射是由在光纤制造过程中材料密度的不均匀（造成折射率不均匀）产生的。3-1连接器和跳线的作用是什么？接头的作用又是什么答：连接器是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间可拆卸（活动）连接的器件。跳线用于终端设备和光缆线路及各种光无源器件之间的互连，以构成光纤传输系统。接头是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性（固定）连接。接头用于相邻两根光缆（纤）之间的连接，以形成长距离光缆线路。3-2耦合器的作用是什么？它有哪几种耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出。耦合器有T形耦合器、星形耦合器、方向耦合器和波分耦合器。3-3光滤波器的定义及作用光滤波器是从包含多个波长的输入信号中提取出所需要波长的信号，功能是从许多不同频率的输入光信号中，选择出一个特定频率的光信号。可分为干涉型、衍射型和吸收型三类3-4法布里玻罗（FP）滤波器的构成和工作原理由两块平行镜面组成的谐振腔构成，一块镜面固定，另一块可移动，以改变谐振腔的长度。镜面是经过精细加工并镀有金属反射膜或多层介质膜的玻璃板。一束光入射进法布里-珀罗谐振腔，谐振腔由部分反射和透射的两个相互平行的平板镜组成，因此入射光的一部分进入腔长为L的谐振腔。只有特定腔模的光才能在腔内建立起振荡，其他波长的光因产生相消干涉而不能存在。于是，假如入射光中有一个波长的光与谐振腔中的一个腔模对应，它就可以在腔内维持振荡，并有一部分光从右边反射镜透射出去，变成输出光。3-5简述马赫-曾德尔干涉滤波器构成和工作原理由两个3dB耦合器串联组成一个马赫-曾德尔干涉仪，干涉仪的ΔL。马赫-曾德尔干涉滤波器的原理是基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。3-6波分复用/解复用器的作用波分复用器(WDM)的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号复合在一起,并注入到一根光纤。解复用器的功能与波分复用器正好相反。3-7阵列波导光栅（AWG）复用/解复用器工作原理AWG光栅工作原理是基于马赫-曾德尔干涉仪的原理，即两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。3-8对光的调制有哪两种？简述它们的区别答：调制有直接调制和外调制两种方式。前者是信号直接调制光源的输出光强，后者是信号通过外调制器对连续输出光进行调制。直接调制是激光器的注入电流直接随承载信息的信号而变化，但是用直接调制来实现调幅（AM）和幅移键控（ASK）时，注入电流的变化要非常大，并会引入不希望有的线性调频（啁啾）。外调制把激光的产生和调制过程分开，完全可以避免这些有害影响。图3.5.1调制方式比较3-9简述马赫-曾德尔幅度调制器的工作原理答：最常用的幅度调制器是在晶体表面用钛扩散波导构成的马赫-曾德尔（M-Z）干涉型调制器，如图3.5.5所示。使用两个频率相同但相位不同的偏振光波，进行干涉的干涉仪，外加电压引入相位的变化可以转换为幅度的变化。在图3.5.5（a）表示的由两个Y形波导构成的结构中，在理想的情况下，输入光功率在C点平均分配到两个分支传输，在输出端D干涉，所以该结构扮演着一个干涉仪的作用，其输出幅度与两个分支光通道的相位差有关。两个理想的背对背相位调制器，在外电场的作用下，能够改变两个分支中待调制传输光的相位。由于加在两个分支中的电场方向相反，如图3.5.5（a）的右上方的截面图所示，所以在两个分支中的折射率和相位变化也相反，例如若在A分支中引入的相位变化，那么在B分支则引入相位的变化，因此A、B分支将引入相位的变化。假如输入光功率在C点平均分配到两个分支传输，其幅度为A，在输出端D的光场为tAtAtAEcoscos2coscosoutput（3.5.5）输出功率与2outputE成正比，所以由式（3.5.5）可知，当0时输出功率最大，当2π时，两个分支中的光场相互抵消干涉，使输出功率最小，在理想的情况下为零。于是2outoutcos0PP（3.5.6）图3.5.5马赫-曾德尔幅度调制器由于外加电场控制着两个分支中干涉波的相位差，所以外加电场也控制着输出光的强度，虽然它们并不成线性关系。3-10光开关的作用是什么？主要分为哪两类答：光开关的功能是转换光路，以实现光信号的交换。光开关可以分为两大类：一类是利用电磁铁或步进电动机驱动光纤或透镜来实现光路转换的机械式光开关，也包括微机械光开关；另一类光开关是利用固体物理效应（如电光、磁光、热光和声光效应）的固体光开关。3-11光放大中继器的作用？是在光路上对光信号进行直接放大，然后再传输，即用一个全光传输中继器代替目前的这种光-电-光再生中继器，3-12EDFA的结构示意图，并简述各部分的作用答：图6.3.1（a）为一个实用光纤放大器的构成方框图。光纤放大器的关键部件是掺铒光纤和高功率泵浦源，作为信号和泵浦光复用的波分复用器（WDM），以及为了防止光反馈和减小系统噪声在输入和输出端使用的光隔离器。EDFA的工作原理答：若掺铒离子的能级图用三能级表示，如图6.3.2（a）所示，其中能级E1代表基态，能量最低，能级E2代表中间能级，能级E3代表激发态，能量最高。若泵浦光的光子能量等于能级E3与E1之差，掺杂离子吸收泵浦光后，从基态E1升至激活态E3。但是激活态是不稳定的，激发到激活态能级E3的铒离子很快返回到能级E2。若信号光的光子能量等于能级E2和E1之差，则当处于能级E2的铒离子返回基态E1时就产生信号光子，这就是受激发射，使信号光放大获得增益。图6.3.2（b）表示EDFA的吸收和增益光谱。为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到能级E3。从以上分析可知，能级E2和E1之差必须是相当于需要放大信号光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态E1跃迁到激活态E3。EDFA的主要特性指标是EDFA的主要特性指标有泵浦特性、增益频谱、小信号增益、增益饱和（或压缩）特性和放大器噪声。3-13光纤拉曼放大器工作原理和特性基于非线性光学效应，利用强泵浦光通过光纤传输时产生受激拉曼散射，使组成光纤的石英晶格振动和泵浦光之间发生相互作用，产生比泵浦光波长还长的散射光（斯托克斯光）。3-14什么是SOA，如何使LD变为SOA1）半导体光放大器的机理与激光器的相同，即通过受激发射放大入射光信号。光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。2）减小LD界理端面反射反馈，使4211017.0RR，就可以制出行波半导体光放大器（SOA）。使条状有源区与正常的解理面倾斜或在有源层端面和解理面之间插入透明窗口区就可以使反射率小至104，从而使LD变为SOA。3-15简述波导光栅解复用器的工作原理阵列波导光栅由N个输入波导、N个输出波导、两个具有相同结构的NN平板波导星形耦合器以及一个平板阵列波导光栅组成，如图3.4.4所示。这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差L，由式（1.2.8）可知，其相邻波导间的相位差为Lneffπ2（3.4.6）式中，是信号波长，是路径长度差，通常为几十微米，effn为信道波导的有效折射率，它与包层的折射率差相对较大，使波导有大的数值孔径，以便提高与光纤的耦合效率。输入光从第一个星形耦合器输入，在输入平板波导区（即自由空间耦合区）模式场发散，把光功率几乎平均地分配到波导阵列输入端中的每一个波导，由阵列波导光栅的输入孔阑捕捉。由于阵列波导中的波导长度不等，由式（3.4.6）可知，不同波长的输入信号产生的相位延迟也不等。AWG光栅工作原理是基于马赫-曾德尔干涉仪的原理，即两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论，所以输出端口与波长有一一对应的关系，也就是说，由不同波长组成的入射光束经阵列波导