光线通信(刘增基,第二版)部分问答题答案

1.2光纤通信系统有几部分组成？简述各部分作用？

答光纤通信系统由发射机、接收机和光纤线路三个部分组成。发射机又分为电发射机和光发射机。相应地，接收机也分为光接收机和电接收机。电发射机的作又分为电发射机和光发射机。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，并用藕合技术把光信号最大限度地注人光纤线路．光发射机由光源、驱动器、调制器组成，光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本取决于光源的特性；光源的输出是光的载波信号，调制器让携带信息的电信号去改变光载波的某一参数（如光的强度）．光纤线路把来自于光发射机的光信，能小的畸变（失真）和衰减传输到光接收机．光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤线路的主体，接失和连接器是不可缺少的器件．光接收机把从光线路输出的产生畸变和衰减的微弱光信号还原为电信号．光接收机的功能主要由光检测器完成，光检测器是光接收机的核心。电接收机的作用一是放大，二是完成与电发射机换，包括码型反变换和多路分接等。

2.5光纤通信为什么向长波长、单模光纤方向发展?

答长波长、单模光纤比短波长、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 ）由光纤损耗和波长的关系曲线知，随着波长的增大，损耗呈下降趋势，且在1.31µm 和1 . 55µm 处色散很小，故目前长距离光纤通信一般工作在1 . 55µm.

2.6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光的传播时间不同而产生的。光纤色散对光纤传输系统的危害有：若信号是模拟调制的，色散将限制带；是数字脉冲，色散将使脉冲展宽，限制系统传输速率（容量）

2.7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密度不均匀引起的瑞利胜射和光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射产生的。光纤损耗使系统的传输距离受到限制．大损耗不利于长距离光纤通信。

3.4比较半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）的异同

答：LD和LED的不同之处：

工作原理不同，LD发射的是受激辐射光，LED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短距离通信系统，而LD主要应用于长距离大容量通信系统。LD和LED的相同之处：使用的半导体材料相同，结构相似，LED和LD大多采用双异质结结构，把有源层夹在P型和N 型限制层中间。

3.19光与物质间的互作用过程有哪些？

答：光与物质之间的三种互相作用包括受激吸收，自发辐射，受激辐射。（1）受激吸收。在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光的作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁成为受激吸收

（2）自发辐射。在高能级的E2上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动跃迁到低能级E1上与空穴复合，设防的能量转换成光子辐射出

去，这种跃迁成为自发辐射。

（3）受激辐射。在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到E1上与空穴复合，释放的能量产生辐射，这种跃迁称为受激辐射。

3.20什么是粒子束反转?什么情况下能实现光放大？

答：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上的粒子数N1是大于高能级E2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E1和E2上的粒子数N1和N2的分布光系倒过来。即高能级上的粒子数份儿多于能级上的粒子数，这就是粒子数的反转分布，当光通过粒子数反转分布激活物质时，将产生光放大。3.21什么是激光器的阈值条件？

答：对于给定的器件，产生激光输出的条件就是阈值条件，在阈值以上，器件已经不是放大器，而是一个震荡器或激光器。

2.24什么是雪崩倍增效应？

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厂区时不断被加速而活得很高的能量，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的加速运动，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。

3.25设PIN光电二极管的量子效率为80%，计算在1.3um和1.55um波长时的响应度，并说明为什么在1.55um处光电二极管比较灵敏。

对于PIN光电二极管，其响应度R定义为光生电流Ip（A）与输入功率P(W)之比：p=I/P

3.26光检测过程中都有哪些噪音？

主要包括由光生信号电流和暗电流产生的散粒噪音以及负载电阻产生的热噪音。热噪音来源于电阻内部载流子的不规则运动。散粒噪音源于光子的吸收或光生载流子的产生，具有随机起伏的特性。光生信号电流产生的散粒噪音，称为量子噪音，这种噪音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音，称为暗电流噪音。所以在有信号光作用的时间内，主要考虑量子噪音和热噪音；在没有信号光的期间，主要考虑暗电流噪音和热噪音。

4.1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频率。当最高调制频率接近弛张振荡频率的时候，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。自脉动现象可达2GHz，严重影响了LD的高频调制特性。

4.2LD为什么能够产生码型效应？其危害和消除办法是什么？

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脉冲的马原持续时间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