光纤通信简答

1、光纤通信的优缺点是什么？优点:通信容量大；中继距离长；抗电磁干扰；传输误码率低；适应能力强；保密性好；使用寿命长。缺点：有些光器件比较昂贵；光纤的机械强度差；不能传送电力。2、光纤通信系统有哪几部分组成？简述各部分作用。光纤通信由光发射机、接收机和光纤三个部分组成。发射机又分为电发射机和光发射机，相应的，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源发出的基带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，并用耦合技术把光信号最大限度的注入光纤线路。光纤线路把来自于光发射机的光信号以尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。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。电接收机的作用一是放大，而是完成与电发射机相反的变换，包括码型反变换和多路分接等。3、目前光纤通信为什么采用以下三个工作波长：λ1=0.85μm，λ2=1.31μm，λ3=1.55μm？答：λ1=0.85μm，λ2=1.31μm，λ3=1.55μm附近是光纤损耗较小或最小的波长“窗口”，相应的损耗分别为2~3dB/km、0.5dB/km、0.2dB/km，而且在这些波段前有成熟的光器件。4、光纤通信为什么向长波长、单模光纤方向发展？答：长波长、单模光纤比短波多模光纤具有更好的传输特性。（1）单模光纤没有模式色散，不同成分光经过单模光纤的传播时间不同的程度显著小于经过多模光纤时不同的程度。（2）有光纤损耗和波长的关系曲线知，随着波长增大，损耗呈下降趋势，且在1.55μm处有最低损耗值：而且1.13μm和1.55μm处的色散很小。故目前长距离光纤通信一般都工作在1.55μm。5、光纤色散产生的原因及其危害是什么？答：光纤色散是由光纤中传输的光信号的不同成分的光的传播时间不同而产生的。危害：若信号是模拟调制的，色散将限制带宽；若信号是数字脉冲，色散将使脉冲展宽，限制系统传输速率。6.光纤损耗产生的原因及其危害是什么？答：光纤损耗包括吸收损耗和散射损耗。吸收损耗是由Sio2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和光纤结构缺陷引起的散射产生的。危害：光纤损耗使系统的传输距离受到了限制，大损耗不利于长距离光纤通信。7、半导体激光器（LD）有哪些特性？答：LD的主要特性有：（1）发射波长和光谱特性：发射波长λ=1.24/；激光震荡可能存在多种模式（多纵模），即在多个波长上满足激光振荡的相位条件，表现为光谱包含多条谱线。而且随着调制电流的增大，光谱变宽。谱特性变坏。（2）激光束空间分布特性：远场光束横截面呈椭圆形。（3）转换效率和输出功率特性：=*，P=+（I-）（4）频率特性：在接近驰张频率处，数字调制要产生弛张振荡，模拟调制要产生非线性失真。（5）温度特性：=*exp（T/）8、比较半导体激光器（TD）和发光二极管（LED）的异同。答：工作原理不同，LD发射的是受激辐射光，TED发射的是自发辐射光。LED不需要光学谐振腔，而LD需要。和LD相比，LED输出光功率较小，光谱较宽，调制频率较低。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。所以，LED的主要应用场合是小容量（窄带）短距离通信系统；而LD主要应用于长距离大容量（宽带）通信系统。LED和LD相同之处：使用的半导体材料相同、结构相似，LED和LD大多采用双异质结（DH）结构，把有源层夹在P型和N型限制层中间。9、光与物质间的互作用过程有哪些？答：光与物质间的三种互作用包括受激吸收、自发辐射和受激辐射。（1）受激吸收。在正常状态下，电子处于低能级，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级上，这种跃迁称为受激吸收。（2）自发辐射。在高能级的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。（3）受激辐射。在高能级的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。10、什么是粒子反转数？什么情况下能实现光放大？答：假设能级上的粒子数分别为N1和N2，在正常的热平衡状态下，低能级上的粒子数N1是大于高能级上的粒子数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上的粒子数N1和N2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。当光通过离子数反转分布激活物质时，将产生光放大。11、什么事激光器的阈值条件？答：对于给定的器件，产生激光输出的条件就是阈值条件。在阈值条件上，器件已经不是放大器，而是一个振荡器或激光器。12、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100~150V），在PN结内部形成一高电厂区，入射光功率产生的电子空穴对经过高电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对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。13、光检测过程中都有哪些噪声？答：光检测器的噪声主要包括由光生信号电流和暗电流产生的散粒噪声以及负载电阻产生的热噪声。热噪声主要来源于电阻内部载流子的不规则运动。散粒噪声源于光子的吸收或者光生载流子的产生，具有随机起伏的特性。（光生信号电流产生的散粒噪声，称为量子噪声，这种噪声的功率与信号电流成正比，因此不可能通过增加信号光功率提高信噪比。在没有外界入射光的作用下，光检测器中仍然存在少量载流子的随机运动，从而形成很弱的散粒噪声，称为暗电流噪声。所以在有信号光功率作用的时间内，主要考虑量子噪声和热噪声；而在没有信号光的期间，主要考虑暗电流噪声和热噪声。）14、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：当电流脉冲注入激光器后，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。当最高调制速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弛张振荡频率。某些激光器在脉冲调制甚至是直流驱动下，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2GHz，严重影响LD的高速调制特性。15、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/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。16、在LD驱动电路里，为什么要设置功率自动控制电路APC？功率自动控制实际上是控制LD的那几个参数？答：在LD驱动电路里，设置功率自动控制电路APC是为了调节LD的偏流，使输出光功率稳定。功率自动控制实际是控制LD的偏置电流、输出光功率、激光器背向光平均功率。17、在数字光接收机中，为什么要设置AGC电路？答：自动增益控制（AGC）使光接收机具有较宽的动态范围，以保证在入射光强度变化时输出电流基本恒定。由于使用条件不同，输入光接收机的光信号大小会发生变化，为实现宽动态范围，采用AGC是十分有必要的。AGC一般采用接收信号强度检测（一般设在放大器输出端）及直流运算放大器构成的反馈控制电路来实现。对于APD光接收机，AGC控制光检测器的偏压和放大器的增益；对于PIN光接收机，AGC只控制放大器的增益。18、数字光接收机量子极限的含义是什么？答：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。19、光接收机中有哪些噪声？答：光接收机中主要有两种噪声：（1）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。（2）热噪声级前置放大器的噪声。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；前置放大器的噪声，严格来说也是一种散粒噪声，由电域的载流子的随机运动引起的。20、光纤通信中常用的线路码型有哪些？答：光纤通信中常用的线路码型有扰码、mBnB码和插入码。21、光发射机中外调制方式用哪些类型？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M-Z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。外调制的有点事可以减少啁啾，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。22、为什么要引入SDH？答：SDH解决了PDH存在的问题，是一种比较完善的传输体制，现已得到了大量的应用。这种传输体制不仅适用于光纤信道，也适用于微波和卫星干线传输。23、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：参见23中（2）SDH帧中的AUPTR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）。24、简述PDH和SDH的特点。答：（1）PDH的特点：PDH的高次群是异步复接，每次复接要进行一次码速调整，使得复用结构相当复杂，缺乏灵活性；没有统一的光接口；PDH预留的插入比特较少，无法适应新一代网络的要求；PDH没有考虑组网要求，缺少保证可靠性和抗毁性的措施。（2）SDH的特点：SDH有一套世界上统一的标准传输速率等级结构；SDH的帧结构是矩形块状结构，低速率支路的分布规律性极强，使得上下话路变得极为简单；SDH帧结构中拥有丰富的开销比特，用于不同层次的OAM，预留的备用字节可以进一步满足网络管理和智能网络发展的需求；SDH具有统一的网络接口节点，可以实现光路上的互通；SDH采用同步和灵活的复用方式，便于网络调度；SDH可以承载现有的TDM业务，也可以支持ATM和IP等异步业务。25、EDFA工作原理是什么？有哪些应用方式？答：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。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，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。（此放大器至于光接收机前面，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，以提高发射光功率。）26、对于980nm泵浦和1480nm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？答：980nm泵浦方式的功率转换效率高，980nm泵浦的噪声系数小，因为更容易达到激发态。27、光波分复用原理。答：在发送端将不同波长的光信