光纤通信复习提纲
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第 1 页 共 15 页 第一章 概论 1、光纤通信的主要优点是什么? 2、光纤通信系统有哪几个基本组成部分? 3、PCM的原理 4、什么是NRZ和RZ码? 第二章 光纤和光缆 1、用光线光学方法简述光纤的导光原理。 2、光纤的种类有哪些? 什么叫多模光纤?什么叫单模光纤?它们的尺寸及使用场合有什么不同? 多模光纤有哪两种?单模光纤又有哪几种?G.652,G.653,G.655 3、光纤数值孔径的定义是什么?其物理意义是什么? 4、归一化频率的定义,光纤单模传输的条件是什么? 5、什么是光纤的色散?对通信有何影响?色散的种类有哪些?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? 6、材料色散和波导色散引起的时延差Δτ与色散系数D的关系是什么?色散系数D工程通常采用什么单位? 材料色散和波导色散引起的时延差Δτ与色散系数D成正比,色散系数D工程上单位采用ps/(nm·km) 7、普通单模光纤的零色散波长大约为多少?色散位移光纤(DSF) 是利用什么原理制成的? 图1普通单模光纤的材料色散系数Dm、波导色散系数Dw和总色散D随波长变化的曲线,总色散在1.31μm附近为零,这个波长称为零色散波长。而在第 2 页 共 15 页 1.55μm附近色散系数D=15~18ps/(km·nm)。 在1.55μm附近的损耗最低,如果合理地设计光波导的结构就可以把零色散波长位移到1.55μm附近,这样1.55μm附近色散也最小,利用这种原理制成色散位移光纤(DSF)。无疑对长距离大容量的光纤通信是十分有利的。
图1 普通单模光纤的DM、Dw和D随波长的变化曲线 8、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? 9、写出光纤的衰减系数表达式。衰减系数的单位是什么? 10、简述G.652光纤、G.653光纤、G.655光纤的特征及其用途。 11、目前光纤通信采用那几个工作波长?为什么? 12、光纤通信为什么向长波长、单模光纤方向发展? 13、什么是光纤的自聚焦现象? 14、如何判断光纤的正常色散区和反常色散区? 15、什么是弱导光纤?弱导光纤中纤芯和包层中光场的分布如何?单模光纤中横向场分布可以作怎样的近似? 16、什么是单模光纤的偏振色散? 17、光纤光栅在光通信中有什么用途? 第 3 页 共 15 页 第三章 光源与光发送机 1、光与半导体物质的三个基本作用过程是什么?半导体激光器、光检测器、光放大器分别基于哪个过程? 2、光纤通信广泛使用的光源有哪些?LED的光谱有什么特点,可以用于何种光纤系统? 发光二级管又称LED,广泛应用在各类电子设备中,也是光纤通信中经常使用的光源。它的优点在于较小的尺寸和较长的使用寿命。但它也具有发光亮度低,光谱宽等缺陷,故发光二极管(LED)通常使用在低速、短距离光通信系统。 3、试画出LED和LD的光输出功率P与注入电流I的关系曲线,即P-I曲线。它们有什么区别? LED是无阈值器件,它随注入电流的增加,输出光功率近似的线性增加。通常使用使用光输出功率P与注入电流I的关系,即P-I曲线,来描述LED的输出光功率特性。 LD是阈值器件。 4、LED和LD的主要区别是什么? LED本质上是非相干光源,它的发射光谱是半导体材料导带和价带的自发辐射谱线,所以谱线较宽;而LD是相干光源,它的谱线很窄。 5、什么是激光器的纵模? 6、光纤通信对半导体激光器有哪些主要要求? 半导体激光器(LD)是光纤通信最主要的光源,非常适合于高码速率长距离的光纤通信系统的基本要求有以下几点: (1)光源应在光纤的三个低损耗窗口工作,即发光波长为0.85μm、1.31μm或第 4 页 共 15 页 1.55μm。 (2)光源的谱线宽度较窄,Δλ=0.1~1.0nm。 (3)能提供足够的输出功率,可达到10mW以上。 (4)与光纤耦合效率高,30%~50%。 (5)能长时间连续工作,工作稳定,提供足够的输出光功率。 7、半导体激光器由哪三个部分构成? 8、DFB激光器与普通的F-P腔激光器结构上有什么不同?画出DFB-LD结构示意图。DFB激光器的输出波长由什么决定?DFB-LD光谱与普通的F-P腔LD的光谱有何不同? 分布反馈半导体激光器(DFB-LD),它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近,刻上波纹状的周期的光栅来构成的,如图3所示。
图3 分布反馈半导体激光器结构示意图 LD多模光谱和单模光谱的比较可以看出,单纵模LD中除了一个主模外,其它纵模都被抑制了,同时主模的谱线宽度非常窄,通常小于1nm,用于高速光纤通信系统是非常理想的。 9.FP-LD、DFB-LD、DBR-LD、VCSEL-LD的中文名是什么? DFB激光器的工作原理与F-P腔LD的工作原理不同? F-P腔的反射只发生在解理端面,在腔体的任一点,都是这些端面反射的左第 5 页 共 15 页 右行波的干涉;而DFB内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅,从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡。 DFB激光器在腔内的每一点都有反射,其腔体损耗与纵模有关。增益曲线首先和模式具有最小损耗的曲线接触的模开始起振,并且变成主模。其它相邻模式由于其损耗较大,不能达到阈值,因而也不会从自发辐射中建立起振荡。这些边模携带的功率通常占总发射功率的很小比例(<1%)。 10、半导体激光器的温度变化对阈值电流有什么影响?对输出功率有什么影响?怎么解决这个问题? 温度对激光器阈值电流影响很大,阈值电流随温度升高而加大。所以为了使光纤通信系统稳定、可靠地工作,一般都要采用自动温度控制电路,来稳定激光器的阈值电流和输出光功率。 11、光探测器的作用是什么? 光探测器的作用是利用光电效应把光信号转变为电信号。 12、光接收机的作用是什么? 光接收机的作用是把光信号转变为电信号,并放大、整形、再生成原输入信号 13、光纤通信中最常用的光电检测器是哪两种? 光纤通信中最常用的光电检测器是PIN和APD 14、PIN和APD探测器的主要区别是什么? PIN和APD探测器的主要区别是APD利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增,所以APD能够提供内部增益,而PIN却不能 15、光纤通信常用的光检测器有哪些?光检测器是利用半导体材料的什么原理制成的? 第 6 页 共 15 页 16、PIN光电二极管,是在P型材料和N型材料之间加上一层什么? 17、光耦合器的功能是什么? 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。 18、光隔离器的作用是什么? 光隔离器是一种只允许单方向传输光的器件,通常用于消除反射光的影响,使系统工作稳定。 19、什么是光源的直接调制和外调制?它们分别用于哪些光纤通信系统?光源的外部调制是如何实现的? 光源的间接调制通常称为光源的外部调制,它是由恒定光源输出激光后,外加光调制器对光进行调制来实现的。目前可以使用的外部调制方式有电光调制、声光调制和磁光调制。电光调制最容易实现,在光纤通信系统广泛使用。 20、最常用、最有用的光调制器是什么调制器?是利用什么效应工作的? 第四章 光检测器与光接收机 1、 光探测器的作用是利用光电效应把光信号转变为电信号。 2、 光接收机的作用是把光信号转变为电信号,并放大、整形、再生成原输入信号。 3、 光纤通信中最常用的光电检测器是PIN和APD。 4、 PIN和APD探测器的主要区别是APD利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增,所以APD能够提供内部增益,而PIN却不能。 5、 数字光接收机由前置放大器、线性放大以及数据恢复三部分组成。线性放大由主放大器、均衡器和自动增益控制电路组成,数据恢复又由判决电路和时钟恢复电路组成。 第 7 页 共 15 页 6、 通常数字光接收机要求BER是910。 7、 接收机灵敏度定义为保证比特误码率为109时要求的最小平均接收光功率(recP)。 8、 在实验室里观察码间干扰是否存在的最直观、最简单的方法是眼图分析法。 9、信号电平超过或低于判决门限电平,分别被判为什么码? 10、工程上光接收机的灵敏度常用单位是什么? 某光纤通信系统光发送端机输出光功率为0.5mW,接收端机灵敏度为0.2μW,若用dBm表示分别是多少? (提示lg2≈0.3)
解:dBmPT32lg105.0lg1010105.0lg10133 dBmPR37)10lg2(lg10)102lg(1010102.0lg104436
11、数字光纤通信系统中,按照“1”码时码元周期T的大小可分哪两种码型?它们的占空比分别是什么? 按照“1”码时码元周期T的大小,分为归零码(RZ码)与非归零码(NRZ码)两种,见图。显然,RZ码的占空比为0.5,而NRZ码的占空比为1。
图 数字光纤通信系统中的码元 12、什么是误码率? 第 8 页 共 15 页 13、数字光接收机主要由哪几部分组成? 数字光接收机由前置放大器、线性放大以及数据恢复三部分组成。线性放大由主放大器、均衡器和自动增益控制电路组成,数据恢复又由判决电路和时钟恢复电路组成。 14、通常数字光接收机要求BER是多少? 通常数字光接收机要求BER是910 15、接收机灵敏度的定义是什么? 接收机灵敏度定义为保证比特误码率为109时要求的最小平均接收光功率(recP)。 第五章 光放大器 1. 全光传输中继器和传统的再生中继器的主要区别 传统的再生中继器要完成光-电-光转换过程;而全光传输中继器不需要光-电-光变换,它直接对光信号进行放大。 2. EDFA是集中式放大,光纤喇曼放大器是分布式放大。EDFA工作在C波段,光纤喇曼放大器可以在光纤的全波段工作。 3. EDFA的增益特性与泵浦方式及光纤掺杂剂有关。 光纤喇曼放大器的增益频谱只由泵浦波长决定,而与掺杂物的能级电平无关,所以只要泵浦波长适当,就可以在任意波长获得信号光的增益。 EDFA的增益介质是掺铒光纤,光纤喇曼放大器的增益介质就是传输光纤本身。 4 光放大器对不同传输速率的数字和模拟信号都能放大。对PDH和SDH信号都能放大。对调制方式没有选择性。