光纤通信期末复习题(湖二师物机学院)

光纤通信复习提纲第一章 光纤的基本理论一、基本概念1、什么叫数值孔径？光纤从光源获得的能量和数值孔径之间有何关联？入射到光纤端面的光并不能全部被光纤传输，只是在某个角度围的入射光才可以。

这个角度A 对应的正弦值就称做数值孔径。

数值孔径表征了光纤的激光能力。

数值孔径越大，光纤手机射线的能力越强获得的能量也越多。

NA=∆≈-212221n n n2、什么叫相对折射率差？如何计算？n1光纤纤芯的折射率，n2光纤包层的折射率。

▲=2122212/)(n n n -3、什么叫归一化频率？如何计算？ 表示在光纤中传输的模式数量V=a k n 012∆其中a 表示纤芯的半径 在阶跃光线中模式数量N=2/2V在渐变光纤中模式数量N=4/2V4、什么是自聚焦光纤？其主要特点是什么？折射率是渐变的，n （r ）随着半径r 的增加而减小。

折射率分布指数最佳时可以使全部的子午射线以同样的同样速度在光纤中传播，这种模式色散起了均衡作用从而消除了模式色散。

5、什么是单模光纤？什么是多模光纤？在光纤通信中各适用于什么情形？ 单模光纤：光纤中之传输一种模式（基模）纤芯直径为4-10um 适用于大容量的长距离的光纤通信系统多模光纤：光线中传输不止一个模式，纤芯直径一般为50um 包层外径为125um 多模光纤适用于中距离，中容量的光纤通信系统。

6、什么是模场直径？它对于光纤传输有何意义？光纤横截面上光功率减小到其最大值的1/e 的宽度，衡量光纤光斑大小的物理量模场直径大的光纤，能量在芯子中集中的程度较差包层中存在的光能量角度，光纤弯曲造成的损耗较大不利于光在光线中的传输。

模场直径小的光纤，能量在芯子中集中地程度较好光纤弯曲照成的损耗较小7、什么叫色散？光纤色散的来源有哪些？色散对光纤通信有何影响？光信号在光纤中传输是用于群速度的不同，产生时延差对模拟信号就会产生波形失真，对脉冲信号波形被展宽。

影响：产生误码，限制了光纤通讯线路的最高信息传输速率（通信容量）8、损耗的来源有哪些？光纤通信的三个低损耗窗口是什么？其中损耗最低的窗口是哪一个？这三个窗口主要由什么因素决定？405.2<归一化频率v 202.1/)(2221n n a c -=πλ吸收损耗，散射损耗，弯曲损耗。

低损耗的窗口是0.85um ，1.31um ，1.55um 左右最低的窗口是1.55um 的窗口。

主要因素是各种过度金属离子和OH-造成的9、什么叫色散系数？如何计算？常用单位是什么？单位线宽光源在单位长度光纤上引起的时延λτλ∆∆=gD )(；单位ps/km*nm 其中g τ∆表示单位长度光纤上的时延差，λ∆表示光源线宽10、什么叫模式色散？什么叫材料色散？什么叫偏振模色散？上述哪种色散在单模光纤中不存在？模式色散：再多摸光纤中不同模式沿光纤周详的传输速度不同到达接收端所用的时间不同，产生色散。

材料色散：由于光纤材料的折射率是波长的非线性函数，从而使光的传输速度岁波长的变化而变化引起的色散偏振色散用于实际光纤总存在一定的不完善行，使得沿着两个不同方向偏振的同一模式的相位常数beta 不同吃那个人导致两个模式传输不同步波导色散同一模式的相位常数beta 随波长而变化，即群速度随波长变化，由此一起的色散 模式色散在单模光纤中不存在11、什么叫非色散位移光纤，适用于什么情况？什么叫色散位移光纤，适用于什么情况？什么叫非零色散位移光纤，适用于什么情况？12、什么叫渐变折射率光纤？有何特点和应用？渐变折射率光纤是折射率随着纤芯半径r 的增加按一定规律减小。

采用渐变折射率光纤的目的是减小多模光纤的模式色散，能实在光纤中传输的子午光纤以同样的轴向速度在光纤中传输，这种模式色散起了均衡作用从而消除模式色散，形成自聚焦现象二、计算题类型1、关于光纤特征参数的计算（如数值孔径、归一化频率等）；纤芯直径、相对折射率、数值孔径、归一化频率相对折射率计算2122212n n n -=∆ 归一化频率V=∆201a k n ，1n 代表纤芯的折射率，0k 代表传播常数λπ/20=k 在阶跃光线中模式数量N=2/2V在渐变光纤中模式数量N=4/2V2、关于光纤单模条件的计算（包括单模条件下光纤的半径、截止波长等）单模条件：归一化频率小于2.405 单模光纤半径尺寸单模光纤的截止波长 单模光纤截止频率：)/(202.122210n n a c -=πλ)/(202.12221n n a c f c -=π)/(202.122210n n -πλ3、关于模式容量的计算；模式容量可以有归一化频率求出：N=22V ；V=∆201a k n 4、关于损耗的计算；5、关于最大时延差、带宽的计算；代表性题目示例：（1） 已知阶跃光纤折射率121.52, 1.49n n ==，求：光纤的数值孔径；求相对折射率差。

NA=∆21n ；NA=2221n n -=0.3005 相对折射率∆=2122212n n n -=0.0195 （2） 阶跃光纤纤芯的折射率1 1.5n =，包层折射率2 1.48n =，工作波长为1.31μm ，要保证单模传输，纤芯直径应为多大单模工作的光纤纤芯半径a= =2.0531um（3） 一段由阶跃光纤构成的20km 长的光纤链路，纤芯折射率1 1.45n =，相对折射率为0.004∆=，试求：接收端最快和最慢的模式之间的时延差；该光纤允许传播的传输带宽是多少？ 单位长度光纤的最大时延差用公式cn ∆=∆1max τ 得时延差τ∆=20* =380ps(4)阶跃型光纤的n 1=1.50,Δ=0.002，工作波长λ=0.85μm ，当纤芯半径a=30μm 时，求：此光纤中传输的导模数M 。

V=1.5*sqrt （2*Δ）*2pi/0.85*30=21.038N=V^2/2=221（5）光信号在光纤中传播10km 的功率损耗为20%，则该光纤的损耗为多少？一、基本概念1、发光二极管的优缺点各是什么？激光二极管的优缺点各是什么？二极管优点制造工艺难度小成本低、可在较宽的温度围正常工作。

可靠性好、工作寿命长。

缺点方向性差，发散度大、与光纤耦合效率低只有百分之几，发光功率小激光二极管的优点：带宽大调制速率高，光束方向性强，发三度小、与光纤耦合的效率高光谱较窄。

缺点制作难度大成本高，工作寿命短2、光发射机的主要技术要求有哪些？3、什么叫阈值电流？阈值电流是越大越好还是越小越好？激光器由自发辐射到开始受激振荡时的临界注入电流，称为阈值电流，越小越好越小越容易产生激光4、什么叫电光延迟？什么叫弛振荡？当阶跃电流I（I>Ith）时，有源区里电子密度n增加，但这段时间n小于阈值电流密度nth，激光并不会产生，所以光功率存在一个延迟时间，即电光延迟时间LD输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡；--激光器部光电相互作用所变现的固有特性5、正向偏置对激光二极管有何好处？正向偏置起到泵浦的作用，实现粒子数反转、消除码型效应。

6、什么是直接调制？什么是间接调制？各有什么优缺点？直接调制：把要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED，从而获得相应的光信号，采用的是电源调制方法。

间接调制：利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射信号的调制光源直接调制的优点是简单、经济、容易实现，但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制。

外调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统。

7、光源间接调制常用的方法有哪三种？利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应进行调制8、波导调制器的工作原理是什么？输入光信号在第一个3dB耦合器处被分成相等的两束分别进入两波导中传输。

波导用电光材料制成使两路光信号在第二个耦合器处相位延迟不同。

若两束光的光程差是波长的整数倍两光束加强，若两光束的光程差是半波长的期数倍，两束光相干抵消调制器输出很小9、什么是激光器的温度特性？激光器自动温度控制的基本原理是什么？半导体激光器对温度变化敏感，输出光功率随温度发生变化，主要表现为：外微分量子效率随温度升高而下降；温度对激光器数字调制将产生结发热效应热敏原件监测LD的芯片结温，与设定的基准温度比较，放大后驱动制冷器控制电路改变制冷量的大小。

10、光发射机为何采用正向偏置？和光接收机有何不同？11、异质结激光器是怎样降低阈值电流的？将有源层的厚度减少到德布罗意波长（50nm）以下，半导体的性质将发生根本的改变，出现量子效应。

由于量子阱结构中态密度分布曲线的底部非常平坦，所以很小的注入电流就能获得很大的增益12.激光器自动功率控制电路的基本工作原理是什么？探测激光器发射的平均功率，以此作为反馈信号控制偏置电流，从而维持输出光功率的恒定二、简单计算题1、计算发射波长gE 24.1=λ 2、计算电光延迟时间⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=th th sp d i i i t 1ln τ ，， 分别代表注入电流，阈值电流3、计算外微分量子效率 量子效率子空穴对数有源区里每秒注入的电子数有源区里每秒产生的光=i n 外量子效率IV P ex ==子空穴对数激光器每秒钟注入的电子数激光器每秒钟发射的光ex n 为激光的发生光功率分别为激光器的注入电流、加在pn 结上的外加电压第三章 光接收机一、基本概念1、什么叫光生载流子？能量大于半导体材料的禁带宽度时，价带上的电子发生受激吸收产生的光生电子空穴对2、什么叫暗电流？在无光的情况下，光电检测器仍有电流输出3、什么叫灵敏度？什么叫动态围？在限定的误码率条件下（在保证达到给定的误码率条件下），光接收机所需要输入的最小平均光功率⎪⎭⎫ ⎝⎛=-3min 10lg 10p s τ分母中的0.001代表是1mw 的功率 在保证系统的误码率指标要求下，接收机的最低输出光功率和最大允许光功率只差就是光接收机的动态围)lg(10minmax p p D =。

4、影响光接收机灵敏度的主要因素有哪些？光电检测的散粒噪声与放大器热噪声光电检测的散粒噪声与放大器热噪声是影响接收机灵敏度的重要因素一般来说当采用光电二极管作为检测器时散粒噪声可以忽略，放大器噪声是影响接收机灵敏度的主要因素。

而当采用APD 作为检测器时APD 的过生噪声成为影响接收机灵敏度的重要因素，放大器噪声对灵敏度的影响相对较小；比特率随着比特率的提高，放大器和均衡滤波器的带宽增加，噪声等效带宽也增加，放大器和光电检测器的噪声影响加剧，灵敏度会下降。

对比特速率较高的系统接收机灵敏度关系PIN 型比特率增加一倍，灵敏度大约下降4.5dB ，APD 型工作在最佳雪崩增益是，比特率增加一倍灵敏度下降3.5dB ；输入波形，在一定的比特率下接收机所需要的带宽是有输入波形所决定的输入波形约在他的频谱越宽这样有利于限制高频噪声提高接收机灵敏度；消光比消光比不为零时在0码是光源没有完0e h ηνℜ=全熄灭，调制脉冲相当于加在残余光上，而这部分残余光不仅对光电检测没有任何作用还会增加光电检测器的散粒噪声降低接收机的灵敏度5、什么是耗尽层？起什么作用？耗尽层长度越长越好还是越短越好，为什么?由于多数载流子在PN 结区域在宏观上已经耗尽，因此有不会发生运动的原子形成的离子自建电场的区域叫做耗尽层；形成一个高电阻的区域耗尽层越宽越好增加耗尽层宽度能提高二极管的光电转换效率，还能加快二极管的响应速度6、什么叫光生电流？什么叫漂移电流？什么叫扩散电流？电子空穴对在自建电场作用下电子向N 区漂移空穴向P 区漂移形成漂移电流。