光纤通信原理复习大纲.docx

光纤通信原理复习大纲
第一章
1.什么叫光纤通信？光纤通信的发展大致分为哪几个阶段？
以光为载波，光纤为传输媒介的通信叫光纤通信。

发展分为5个阶段：
第一代：从基础研究到商业应用的开发时期（1966~1979）；
第二代:提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期（上世纪80年代早期）；
第三代:进一步提高传输速率和增加传输距离的时期（上世纪80年代后期初90年代初）；
第四代：以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期（上世纪90年代之后）；
第五代：以光孤子脉冲为通信载体，以光时分复用技术（OTDM）和波分复用技术（WDM）联合复用为通信手段，以超大容量、超高速率为特征。

2.光纤通信的优缺点是什么？
优点：（1）通信容量大：（2）损耗低、中继距离长；（3）抗干扰能力强；（4）传输误码率
极低；（5）保密性强；（6）体积小、重量轻；
缺点：（1）有些器件比较昂贵；（2）光纤的机械强度差；（3）不能传输电力；
（4）光纤断裂后修复比较困难，需要专用工具；
3.光纤通信系统有哪些部分组成？简述各部分的作用。

山发射机、接收机、光纤线路组成；
发射机又分为光发射机和电发射机；光发射机的作用是：将输入电信号转化为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度的注入到光纤线路。

电发射机的作用是：将信息源输出的基带电信号变换为适合在信道中传输的电信号。

接收机也分为光接收机和电接收机。

光接收机的作用：把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：放大和完成与电发射机相反的的变换，包括码型反变换和多路分接；
光纤线路：把来自于光发射机的光信号，已经可能小的畸变和衰减传输到光接收机。

第一早
1.光纤通信为什么向长波长、单模光纤方向发展？
由于单模光纤不存在模间色散，带宽大，可用于长途传输；又因为光纤的几何尺寸大小与传输
光波长在同一数量级，故光纤通信要向长波长和单模光纤发展。

2.子午光线是才旨始终在包含中心轴线的平面上传播的光线。

3.弱导光纤的含义为n2~ni?即sin 0c ~90 o
4.自聚焦效应是才旨：不同入射角相应的光线，虽经历的路程不同，但最终都会聚在同一
点的现象。

5.目前，通信用光纤的纤芯和包层构成的材料绝大多数是含有极少量掺杂剂的高纯
度Si02
6.按照光纤的射线光学（几何光学）理论，阶跃型光纤中光射线主要有了午光线和斜光线两类。

7.光纤是一种介质光波导，具有把光封闭在其中进行传播的导波结构。

它的直径大约是纤芯单模8-10um,多模50-80um,外径都采用125um,故直径大约是125um.
8.从射线理论的观点看，在阶跃型光纤中，入射子午线光纤形成导波的条件是：光线在光纤端面上的入射角必须满足： Q< QsinQ = n2/
9.光纤数值孔径的物理意义是：数值孔径(NA)表示光线接收和传输光的能力,NA越大，
光线接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。

10.弱导光纤中纤芯折射率nl和包层折射率n2的关系是：近似相等即
11.决定光纤通信中继距离的主要因素是：光纤的色散和损耗
12.在阶跃型弱导波光纤中，第一高次模用LP11表示。

13.阶跃型单模光纤的截止波长表达式为：X c = ^^n ia V2A
14.表示光纤色散程度的物理量是：时延差
15.目前光纤通信三个实用的低损耗工作窗口是0. 85um、1. 31um> 1. 55um。

16.按照光纤中传输模式的多少，可以将光纤分为多模光纤和单模光纤两类。

17.在薄膜波导中，导波的传输波长条件是不知道有大神知道全班共享！
18.造成光纤中传输的光波信号出现畸变的重要原因是：光线中存在色散。

19.在多模光纤中，纤芯的半径和可传输的导波模数量是：
V = —— (n^2— n.22)1/2 =二一NA它决定了光纤可以支持的模式总数，即半径越大, A A V越大，支持的导模数量越多。

20.光纤色散有哪几类？色散的危害是什么？什么叫偏振模色散？
模式色散、材料色散、波导色散三类；
危害：色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不同。

从频域上看，色散限制
了传输信号的带宽；从时域上看，色散引起信号脉冲的展宽。

偏振模色散：由于双折射的存在，将引起光波的偏振态沿光纤长度发生变化，使得两个正交的偏振模式的群速度不同，从而产生时延差，导致脉冲展宽，这就是偏振色散。

21.光纤损耗有吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三类
评价光纤损耗特性可以通过损耗系数来衡量，光纤的损耗系数定义为："'
22.光纤按国际电信联盟标准分为：
(1)G. 652光纤(常规单模光纤)
在1310 nm工作时，理论色散值为零
在1550 nm工作时，传输损耗最低
(2)G. 653光纤(色散位移光纤)
零色散点从1310 nm移至1550 nm,同时1550 nm处损耗最低
(3)G. 654光纤(衰减最小光纤)
纤芯纯石英制造，在1550 nm处衰减最小(仅0. 185 dB/km),用于长距离海底传输。

(4)G.655光纤(非零色散位移光纤)
引入微量色散抑制光纤非线性，适于长途传输。

23.光缆由缆芯和护套组成。

根据缆芯的特点可分为：层绞式、骨架式、中心束管式、带状式。

根据使用条件又可分为：室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆。

24.光纤损耗测量有两种基本方法：一种是测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插入法；另一种是测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法。

后向散射功率曲线各段的含义：
(1)输入端反射区；
(2)恒定斜率区，用以确定损耗系数；
(3)连接器、接头或局部缺陷引起的损耗；
(4)介质缺陷(例如气泡)引起的反射；
(5)输出端反射区，用以确定光纤长度。

第三四章
1. 在外来光子的激发下，低能级E1上的电子吸收了光子的能量hv(=E2-El)而跃迁到高能级E2的过程称为受激吸收现象.
2. LD和LED各属于什么辐射发光？
LD：受激辐射光
LED：自发辐射光
3. 受激辐射过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向都相同，因此，称它们为相干光子
4. 在半导体激光器的P—I曲线上，当I>It时，激光器发出的是受激辐射光
5. 什么叫激光器的阈值条件？
Y = a+l/2Llnl/RlR2激活介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所有的损耗, 将开始出现净阈增益的条件为阈值条件。

6. 随着激光器使用时间的增长，其阈值电流会增大。

7. 目前实用的光纤通信系统普遍采用的调制方式是直接光强调制。

8. 对LD的直接调制会产生附加线性调频，弓I起激光器产生喟啾会限制光纤通信系统
的传输速率和容量。

9. 如何用图形表示LED、LD直接强度调制的原理？
<a) LED数字调制原理(b) LD的数字调制原理
10. DFB 激光器与F —P 激光器相比具有哪些优点？ P57
A. 单纵模激光器
B. 光谱宽度窄，波长稳定性好
C. 动态谱特性好
D. 线性好
11.
光发射机主要由光源和电路两部分构成。

12. 画出光纤数字通信系统中光发射机的基本组成原理框图，并简述其工作原理 和各部分的作用。

光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。

电路的设计应以光源为依据，使输出信号准确反映输入信号。

13.
误码率(BER):光接收机对码元误判的概率(在二进制的情况下，等于误比特率)。

14. 光接收机灵敏度：灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。

灵敏度的定义是，在保 证通信质量(限定误码率或信噪比)的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率〈P 〉min, 并以dBm 为单位。

由定义得到R = 101g 尹命祟丝］(dBm)
15. 什么叫光电检测器的响应度？
响应度为一次光生电流L 和入射光功率Po 的比值 P =Ip / Po
16. 在PIN 光电二极管中，P 型材料和N 型材料之间加一层轻掺杂的N 型材料, 称为本征层或者I 层
17. APD 的雪崩放大效应具有随机性，由此产生的附加噪声用「=甘乂表示 18. 为了是雪崩光电二极管正常工作，应在其P-N 结上加反向偏压
19. 限制光接收机灵敏度的主要因素是噪声
20. 描述光电检测其光电转换能力的物理量有响应度，量子效率
21. 在保证系统误码率指标的要求下，测得接收机的最低输入光功率为0. 1PW, 最大允许输入光功率为0. lmW,则该接收机的动态范围为多少dB?
DR=101gP mx Mi…=101gl0M0
22. 为什么要求光接收机的接受光功率具有一定的动态范围？
因为光通信中，传送距离，光发射功率，介质损耗等，都不是常数，是在一定范围内变化的。

所以对光接收机的接收功率也必须有一定的动态范围，否则无法正常工作。

23.
在光接收机中，与光电检测器紧相连的放大器成为前置放大器
24. 简述APD 和PIN 的主要区别 (1) APD 具有雪崩增益，灵敏度高，有利于延长系统传输距离。

(2) APD 响应时间短
(3) APD 的雪崩效应会产生过剩噪声，因此要适当控制雪崩增益。

电信号输入 输入 接口 线路 编码 调制 电路 光源 光信号输出 控制电路
(4)APD要求较高的工作电压和复杂的温度补偿电路，成本较高。

25. 简述半导体激光器LD和发光二极管LED的异同。

工作原理不同：LED不需要光谐振腔，LD需要；LED比LD输出光功率要小，光谱较宽，调制频率较低；
相同：材料相同，结构相似，都采用双异质结构，把有源层夹在P和N型限制层中间。

26. 什么叫粒子数反转？什么情况下能实现光放大？
假设能级E1和E2上的粒子数分别为N1和N2,在正常的热平衡状态下，低能级E1上的粒了数N1是大于高能级E2上的粒了数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E1和E2上的粒子数N1和N2的分布关系反过来，即高能级E2上的粒子数多于低能级E1上的粒子数，这既是粒子数反转。

当通过粒子数反转分布激活物质时，将产生光放大。

27. 试画出APD的结构示意图，并指出高场区和耗尽区的范围。

W |
P |
i (兀)
p+ |
28. 什么叫雪崩效应？
雪崩光电二极管工作时外加高反向偏压，在PN结内部形成一高电场区，入射光功率产生的电子空穴对经过高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。

29. 光检测|过程中主要包括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。

30. 什么叫码型效应？其危害和消除办法？
当光电延迟时间td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，幅度变小，严重时可能使单个“1”码丢失，这种现象称为“码型效应”。

危害和消除：在脉冲序列中较长的连“0”码后出现的“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。

用适当的“过调制”补偿方法，可以消除码型效应。

31. 光纤通信中常用的线路码型有扰码、mBnB码和插入码
32. 在光纤通信系统中，选择码型应考虑哪几个因素？
(1)能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。

(2)能给光接收机提供足够的定时信息。

(3)能提供一定的冗余度，用于平衡码流、误码检测和公务通信。

但对高速光纤通信系统，应适当减小冗余度，以免占用过大的带宽。

33. 无源器件和有源器件的区别？各有哪些器件？
无源器件工作时其内部没有任何形式的电流，有源器件工作时其内部有电源存在；无源器件自身或损耗电能，或把电能转化为其他形式的能量，有源器件自身也损耗电能；无源器件只要输入信号，不需要外加电源就能正常工作，有源器件除了要加入信号意外，还必须外加电源才能正常工作。

有源器件包括光源、光检测器和光放大器。

光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等。

34. 无源器件的主要性能参数有哪些？对光隔离器的主要要求是什么？
无源器件的主要性能参数是插入损耗、反射损耗、工作温度、稳定性能、工作寿命等，对光隔离器的主要要求是插入损耗和隔离损耗，对正向入射光的插入损耗越小越好，对反向入射光的隔离度越大越好。

35. 何为电光效应？它在光纤通信中有哪些应用？
电光效应，是将物质置于电场中时，物质光学性质发生变化的现象。

某些各项同性的透明物质在电场作用下显不出各光学异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象称为电光效应。

在光纤通信中，电光效应主要用于调制器和光开光。

第五章
1、光纤数字通信系统中不能传输HDB3码的原因是激光器不能产生负信号光。

2、DXC X/Y的含义是表示一个DXC的配置类型，其中第一个数字X表示输入端口速率的最高等级，第二个数字Y表示参与交叉连接的最低速率等级，其中X>Yo
3、SDH的帧结构由哪几部分组成？各部分的作用是什么？
SDH的帧结构由段开销、信息载荷、管理单元指针组成
（1）段开销（SOH）o段开销是在SDH帧中为保证信息正常传输所必需的附加字节（每字节含64 kb/s的容量），主要用于运行、维护和管理，如帧定位、误码检测、公务通信、自动保护倒换以及网管信息传输。

（2）信息载荷（Payload）。

信息载荷域是SDH帧内用于承载各种业务信息的部分。

⑶管理单元指针（AU PTR）。

管理单元指针是一种指示符，主要用于指示Payload第一个字节在帧内的准确位置（相对于指针位置的偏移量）。

4.STM-1的帧结构中，管理单元指针处于1—9列中的第四行。

5.STM-1的帧结构中，段开销区域的位置是怎样？
1个STM-N帧共有9行。

段开销在除第四行外的另外8行。

6.SDH传输网中，STM-4的码速率为622.080Mb/S.
7.对STM-1信号来说，每秒可传的帧数为8000帧。

8.STM-N信号一帧的字节数为9X270XN
9.SDH传输网中，信号传输的特点是从左至右，从上往下。

10. 常用的SDH设备有AM、DXC、ADM
11. 数字光纤通信系统的抖动是指数字信号传输过程中产生的一种瞬时不稳定现象，即数字信号在各有效瞬时对标准时间位置的偏差。

12.1个单位间隔（UI）是指lbit传输信息所占的时间（数值上等于传输速率f的倒数）
13. 简述PDH和SDH的特点
PDH：我国和欧洲、北美、H本各自有不同的PDH数字速率等级体系，这些体系互不兼容, 使得国际互通很困难；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。

SDH：SDH有一套标准的世界统一的数字速率等级结构；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0AM,预留的备用字节可以进一步满足网络管理和智能化网络发展的需要；SDH 具有统一的网络结点接口，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。

14. 如何理解误码性能参数DM、SES、ES?
误码性能参数有以下四利，：
（1）长期平均误码率BER：是指在一段相当长的时间内出现的误码的个数和总的传输码元数的比值，可表示为BER=误码的个数/总的传输码元数。

长期平均误码率只能反映出测试时间内的平均误码结果，无法反映出误码的随机性和突发性。

（2）劣化分（DM）：是指特定的观测时间内BER劣于10-6的分钟数，用平均时间百分数表示。

误码率为1*10-6,指标＜10%平均误码率为6.2*10-7
（3）严重误码率（SES）：是指特定的观测时间内BER劣于10-3的秒数，指标＜0.2%,平均误码率为3*10-5
（4）误码秒（ES）：是指特定观测时间内出现误码的秒数。

BER不等于0的秒数，指标＜8%, 平均误码率1.2*10-6
15. 什么叫损耗受限系统和色散受限系统？如何估计中继距离？
系统的传输距离受光纤衰减的限制，此时光纤通信系统称为损耗受限系统系统的传输距离受色
散的限制，此时光纤通信系统称为色散受限系统L= （Ps-Pr-Ac-Ap-Me） /（Af+As）
第八早：
1.模拟光纤通信系统调制方式有模拟基带直接光强调制、模拟间接光强调制、频分复用光强调制三种
2.评价模拟信号直接光强调制系统的传输特性的最重要特性参数是什么？信号失真可用什么参数表示？
最重要的特性参数：信噪比（SNR）和信号失真（信号畸变）；
非线性失真一般用：幅度失真参数一微分增益（DG）和相位失真参数一微分相位（DP）表示；
3.什么是副载波复用（SCM）光纤通信系统？他有什么优点？
原理：副载波复用是在电域上实现的频分复用（FDM）。

N路模拟基带信号分别对射频正弦载波fl, f2, f3, . .., fn进行调制，然后把这N个已调信号组合成一路信号，再把这个复用电信号对光载波进行调制，然后将产生的已调光信号发送到光纤上。

光信号经光纤传输后，由光接收机实现光/电转换，得到FDM电信号，再经分离（一般采用带通滤波器）和解调，最后输出N路模拟基带信号。

优点:P125
4.什么是载噪比？
把满负载、无调制的等幅载波置于传输系统，在规定的带宽内特定频道的载波功率（C）和噪声功率（Np）的比值，并用dB为单位。

5.副载波复用模拟电视光纤传输系统的信号失真用组合二阶互调（CS0）和组合三阶差拍（CTB）失真两个参数表示
6.在模拟光纤传输系统中，为什么宁可采用扩展信号带宽的调制方式来增大传输距离，而不采用增设中继站的方法？
原因：在模拟光纤通信中，存在噪声积累效应，信噪比随中继器数目的增加而下降。

因此, 在输出信噪比指标一定的情况下，中继器数目受到限制，即传输距离较短。

而采用扩展信号带宽的调制方式，如调频，存在制度增益，可以提高输出信噪比；而在要求信噪比一定的情况下，就可以增大传输距离。

第七章
1.目前研制的光放大器有光放大器有半导体光放大器和光纤放大器两种类型
2.按照泵浦方式的不同，EDFA可分为正向泵浦结构、反向泵浦结构、双向泵浦结构
3.EDFA在光纤通信系统中有中继放大器、前置放大器、后置放大器三种应用形式
4.EDFA中，光滤波器的主要作用是滤掉AES噪声
5.EDFA为前置放大器时的主要作用是放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度
6.掺钥光纤放大器泵浦光源的典型工作波长是980nm和1480nm
7.EDFA放大的波长范围1550nm
8.目前，掺饵光纤放大器的噪声系数可低达4dB
9.什么叫波分复用系统？它有几种基本形式？
波分复用系统就是在一根光纤中同时传输多个光信号来提高光纤频带利用率的系统
它有两种基本形式：双纤单向传输和单纤双向传输
10.波分复用器的性能参数有插入损耗、串扰、回波损耗、反射系数、工作波长范围、信道宽度、偏振相关损耗
11.光纤布拉格光栅的工作原理是什么？
光纤布拉格光栅是一种反射型光纤光栅，光栅使正向传输模(单模光纤中即为基模)同反向传输模之间发生耦合，光栅的波矢应等于传输模波矢的2倍，也就是说，光栅的周期应等于传输光波在光纤内部的波长一半，这种光纤光栅只对在布拉格波长及其附近很窄的波长范围内的光发生反射，而不影响其他波长的光通过。

12.WDM系统中监控信道的作用是什么？
主要功能是监控系统内各信道的传输情况，在发送端，插入本结点产生的波长为X s(1510nm) 的光监控信号，与承载业务信息的多路光信号合波输出；在接收端，将接收到的光信号分离，输出X s (1510nm)波长的光监控信号和业务信道光信号。

13.光交换有空分光交换、时分光交换、波分光交换三种方式。

14.密集波分复用系统中参考波长为1550nm;标准的信道间隔是0. 8nm0
15.设计一个32波长，1550nm波段、双纤单向传输的波分复用系统，并简述其工作原理？
在发送端将载有各种信息的、具有不同载波波长的已调光信号入1,入2..—*32通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。

由于各信号是通过不同波长的光载波携带的, 因而彼此之间不会混淆。

在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。

反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。

16.设计一个前向泵浦的掺弭光纤放大器，画出其框图并简述其工作原理。

Signal
三：P UJO^J laser
前向泵浦掺钳放大器主要由一段掺钳光纤、泵浦光源、光耦合器及光隔离器等构成。

采用掺钳离子单模光纤作为增益物质，半导体（LD）提供泵浦光，信号光和泵浦光同向通过光耦合器进入掺钳光纤（EDF）,在泵浦光激发下产生粒子数反转，在信号诱导下实现受激辐射放大，光隔离器只允许光单向传输，用于隔离反馈光信号，提高稳定性。

光滤波器用于滤除放大过程中产生的噪声。

这种结构噪声特性较好。

17.简述光孤子通信原理。

光孤子是经过光纤长距离传输后，其宽度保持不变的超短（ps数量级）光脉冲。

光孤子的形成是
光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。

利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子
通信。

光孤子通信的传输距离可达上万千米，甚至几万年千米，目前还处于试验阶段。

光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲，即光孤子流，作为信息的载体进入光调制器, 使信
息对光孤子流进行调制。

被调制的光孤子流经掺钳光纤放大器和光隔离器后，进入光纤进行传输。

为克服光纤损耗引起的光孤子减弱，在光纤线路上周期地插入EDFA,向光孤子注入能量，
以补偿因光纤传输而引起的能量消耗，确保光孤子稳定传输。

在接收端，通过光检测器和解调
装置，恢复光孤子所承载的信息。

18.简述光纤通信中产生嗯啾的原因。

频移使脉冲频率改变分布，其前部（头）频率降低，后部（尾）频率升高这种情况称脉冲产生线
性调频，或称嗯啾。

19.简述相干光通信的基本原理。

在发送端，采用外调制方式将信号调制到光载波上进行传输。

当信号光传输到达接收端时，首先与一本振光信号进行相干耦合，然后由平衡接收机进行探测。

相干光通信根据本振光频率
与信号光频率不等或相等，可分为外差检测和零差检测。

前者光信号经光电转换后获得的是中
频信号，还需二次解调才能被转换成基带信号。

后者光信号经光电转换后被直接转换成基带信号，不用二次解调，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光的
相位锁定。

20.简述相干光通信的优点和关键技术。

优点：（1）灵敏度提高了10〜20 dB,线路功率损耗可以增加到50 dBo如果使用损耗为0.
2 dB/km光纤，无中继传输距离可达250 km。

（2）由于相干光系统出色的信道选择性和灵敏度，和光频分复用相结合，可以实现大容量传输。

关键技术：（1）必须使用频率稳定度和频谱纯度都很高的激光器作为信号光源和本振光源。

（2）匹配技术。

21.什么叫光时分复用？
光时分复用（0TDM）是在光域上进行时间分割复用。

22.简述光纤通信中使用波长变换技术的原因。

⑴信息可以通过WDM网络中不适宜使用的波长进入WDM网络。

例如在现阶段光纤通信中大。