光纤通信总结

光纤通信总结

第一章

短波长：0.85um

长波长：1.31um和1.55umλ=c/f=3108m/s

光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤为传输介质的一种通信方式。组成:

1)光发射机进行光/电转换，把数字

化的电脉冲信号码流转换成光脉冲信号码流并输入到光纤中进行传输。

2)光中继器补偿光能的衰减，恢复信

号脉冲的形状。

3)光纤把来自光发射机的光信号，以

尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。

4)光接收机进行光/电转换，将由光

纤传来的微弱光信号转换为电信号，经放大处理后，恢复成发射前的电信号。光纤通信的特点：

1)传输频带宽，通信容量大2)中继距离长

3)信道串扰小，保密性能好4)适应能力强

5)体积小、重量轻、便于施工和维护6)原材料来源丰富，潜在价格低廉第二章

光纤的结构：纤芯包层涂覆层1阶跃和渐变2紧套和松套折射率n=c/v相对折射率差：=

2122221

数值孔径NA：NA=2122=12最大数值孔径

:

=2122

归一化频率V≈2.405：V=

212

=012=0()

光纤色散→传输容量光纤损耗→传输距离

散射损耗指在光纤中传输的一部分光

由于散射而改变传输方向，从而使一部分光不能到达收端所产生的损耗。时延差指不同频率的信号，传输同样的距离，所需要的时间之差。光缆的组成：缆芯护层加强芯第三章

通信用光器件分为有源和无源两大类。光源的作用：将电信号转换成光信号并送入光纤线路中进行传输。

粒子反转分布：想要物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，也就是N2>N1，这种粒子数的反常态分布称。。。。。。。

△E=E2-E1=hf，h=6.628*10^-34JS激光振荡器必须具备的部件有产生激光的工作物质、工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源、能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。半导体激光器发射波长：hf=Eg（禁带宽度eV）、入=1.24/Eg(eV)um

温度特性：激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性。阈值电流随温度的升高而加大，一般每升10度，Ith增大5%~25%。随着激光器使用时间的增加，阈值电流也会逐渐加大。发光二极管和半导体激光器的区别：LED没有光学谐振腔，不能形成激光。LED的发光仅限于自发辐射，所发出的是荧光是非相干光，由于不是激光振荡，所以没有阈值。

光电检测器：完成光信号到电信号的转换功能。

光电二极管（PIN-PD）短距，小容量；雪崩光电二极管（APD）长距，大容量。PIN二极管的特性：响应度：R=Ip/Pin(A/W)

量子效率：R=eη/hf=eg入/hc=入g/1.24e=1.6*10^-19Jh=6.628*10^-34JS暗电流：由于热激励，在无光情况下，光电检测器仍有电流输出。

APD培增因子：g=I0/IpI0为有雪崩倍增时光电流平均值，Ip为无倍增效应时光电流平均值。噪声特性：PIN光电二极管的噪声：量子噪声和暗电流噪声，APD管还有倍增噪声。

无源光器件：未发生光电能量转换的部件。光耦合器的作用：把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。

光隔离器：保证光波只能正向传输的器件。

光放大器的主要功能：放大光信号，以补偿光信号在传输过程中的衰减，增加传输系统无中继距离。

半导体光放大器（SOA）和光纤放大器（FOA）第四章

光接收机的基本组成：光电检测器、放大器、均衡器、再生电路、自动增益控制第五章

SDH概念：一套可进行同步信息传输、服用、分插和交叉连接的标准化数字信号的结构等级。

SDH的速率：fb=9*270*8*800=155.520Mbit/s(STM-1)

SDH帧结构：能够满足对支路信号进行同步数字服用和交叉连接；支路信号在帧内的分布是均匀的、有规律和可控的，便于接入和取出；对PDH1.544Mbit/s系列和2.048Mbit/s系列信号，都具有统一的方便性喝实用性。3个区域：段开销区域、信息净负荷区域、管理单元指针区域第八章

光孤子是指经过长距离传输而保持形状不变的光脉冲

扩展阅读：光纤通信基本概念总结

目录

一、相应的名词解释...............................................................................................2二、问答题...............................................................................................................5

（一）简答部分...............................................................................................5

第一章部分................................................................................................5第二章部分................................................................................................8第三章部分..............................................................................................10第四章部分..............................................................................................12第五章部分..............................................................................................14第六章部分..............................................................................................15第七章部分..............................................................................................17（二）、回答下列简写的含义：...................................................................22

第二章部分..............................................................................................22第三章部分..............................................................................................23第四章部分..............................................................................................24第五章部分..............................................................................................24第六章部分..............................................................................................25第七章部分..............................................................................................25

三、设计题.............................................................................................................25四、论述题.............................................................................................................34

1

《光纤通信基础》部分习题及参考答案

一、相应的名词解释

1.1、光子学研究光子作为信息载体的科学，光子不仅是信息载体,也是能量载体

详细解释：光子学（PHOTONICS）是研究作为信息和能量载体的光子行为及其应用的科学。在理论上，它主要研究光子的量子特性及其在与物质（包括与分子、原子、电子以及与光子自身）的相互作用中出现的各类效应及其规律；在应用方面，它的研究内容主要包括光子的产生、传输、控制以及探测的规律等。

1.2、光纤通信以光导纤维（光纤）为传输媒质，以光波为载波，实现信息传输。

1.3、光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。2.1、单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单模光纤只能传输基模(最低阶模)，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。（只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。单模光纤的带宽一般都在几十GHzkm以上。）（单模光纤只传输一种模式，纤芯直径较细，通常在4μm～10μm范围内。）

2.2、多模光纤在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。（多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。）（多模光纤可传输多种模式，纤芯直径较粗，典型尺寸为50μm左右。）

2.3、色散由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。

2.4、模式色散用光的射线理论来说，就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延差。

2.5、光纤光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。

2.6、阶跃型光纤阶跃型光纤在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形突变，纤芯的折射率n1和包层的折射率n2是均匀常数。

2.7、渐变型光纤渐变型光纤纤芯的折射率nl随着半径的增加而按一定规律逐渐减少，到纤芯与包层交界处为包层折射率n2，纤芯的折射率不是均匀常数。

3.1、受激辐射发光现象处于粒子数反转分布状态的大多数电子，在受到外来入射光子激励时同步发射光子的现象，也就是说受激辐射的光子和入射光子，不仅波长相同而且相位、方向也相同。这样，由弱的入射光激励而得到了强的出射光，起到了光放大作用。3.2、有源光器件

---光纤通信使用的有源光器件是光端机的核心，有光源和光检测器两种。3.3、光源

---光源的作用是将信号电流变换为光信号功率，即实现电-光的转换，以便在光纤中传输。

目前光纤通信系统中常用的光源主要有：半导体激光器LD、半导体发光二极管LED、半导体分布反馈激光器DFB等。3.4、光检测器

---光检测器的作用是将接受的光信号功率变换为电信号电流，即实现光-电的转换。

光纤通信系统中最常用的光检测器有：半导体光电二极管、雪崩光电二极管。3.5、激光器

---激光器就是光的振荡器。激光振荡是建立在光与物质相互作用的基础上。

3.7、光与物质的相互作用

---光与物质的相互作用主要有三种基本过程:(1)受激吸收；(2)自发辐射；(3)受激辐射。3.8、粒子数的反转分布

---要使物质能对光进行放大，必须使物质中的受激辐射强于受激吸收，即高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数。物质的这一种反常态的粒子数分布，称为粒子数的反转分布

3.9、发光二级管半导体发光二极管是非阈值器件。它与半导体激光器

3

的本质区别是它没有光学谐振腔，不能形成激光振荡。发光二极管是非相干光源，发光以自发辐射为主。

3.10、半导体光电二极管是利用半导体材料的光电效应将入射光子转换成电子-空穴对，形成光生电流，即实现光-电的转换。3.11、PIN光电二极管一次电子空穴对＋光电转换

3.11、雪崩光电二极管（二次电子空穴对＋光电转换＋光放大）雪崩光二极管（APD)是利用载流子在高场区的碰撞电离形成雪崩倍增效应，使检测灵敏度大大提高，APD的雪崩增益随偏压的提高而增大。3.12、各种无源光器件的定义

4.1、直接调制直接调制是用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源发出的光功率随信号而变化。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。光纤通信中光源多采用直接调制方式。

4.2、外调制外调制一般是基于电光、磁光、声光效应，让光源输出的连续光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的调制。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。

4.3、模拟调制模拟调制可分为两类，一类是利用模拟基带信号直接对光源进行调制；另一类采用连续或脉冲的射频波作副载波，模拟基带信号先对它进行调制，再用该已调制的副载波去调制光载波。由于模拟调制的调制速率较低，均使用直接调制方式。

4.4、数字调制数字调制主要指PCM脉码调制。先将连续的模拟信号进行抽样、量化、编码，转化成一组二进制脉冲代码，对光信号进行通断调制。数字调制也可使用直接调制和外调制。

4.5、光接收机的线性通道由光电检测器、前置放大器、主放大器和均衡器构成的这部分电路，称为线性通道。在光接收机中，线性通道主要完成对信号的线性放大，以满足判决电平的要求。

4.6、光接收机灵敏度光接收机的灵敏度是指满足给定信噪比指标的条件下，光接收机所需要的最小接收光功率

4.7、mBnB码是把输入的二进制原始码流进行分组，每组有m个二进制码，记为mB，称为一个码字，然后把一个码字变换为n个二进制码，记为nB，并在同一个时隙内输出。

5.1、SDH同步数字传输体制，类似于PDH（准同步数字传输体制），均为数字信号传输体制。5.2、误码率相关定义

5.3、抖动数字信号在各有效瞬时对标准时间位置的偏差。

7.1、掺铒光纤放大器是将掺铒光纤在泵浦源的作用下而形成的光纤放大器。

7.2、复用技术是为了提高通信线路的利用率，而采用的在同一传输线路上同时传输多路不同信号而互不干扰的技术

7.3、光孤子(Soliton)是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲(ps数量级)。

7.4、光孤子通信利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。7.5、全光网络(All-OpticalNetworks，AON)技术是指光信息流在网络中的传输及交换时始终以光的形式存在。

二、问答题（一）简答部分

第一章部分

1.1、光纤通信的优点：

答A：1）光纤的容量大2）损耗低、中继距离长3）抗电磁干扰能力强4）保密性能好5）体积小，重量轻6）节省有色金属和原材料或B：光纤通信的优点有：

1）容许频带很宽，传输容量很大

2）损耗很小，中继距离很长且误码率很小3）重量轻、体积小4）抗电磁干扰性能好5）泄漏小，保密性能好

6）节约金属材料，有利于资源合理利用

1.2、光纤通信的缺点：

答：（1）.抗拉强度低；（2）.光纤连接困难；（3）.光纤怕水1.3、光纤通信的各种应用包括哪些方面？

答：可概括如下：①通信网,包括全球通信网、各种专用通信网、特殊通

信手段。②构成因特网的计算机局域网和广域网。③有线电视网的干线和分配网;自动控制系统的数据传输。④综合业务光纤接入网,分为有源接入网和无源接入网。

1.4、光纤通信系统的组成以及各组成部分的功能？答：主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成

系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，如果是直接强度调制可以省去调制器；

光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。它一般由光电检测器和解调器组成，对于直接强度调制解调器可以省略；光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介(信道)，将光信号由一处送到另一处；

中继器分为电中继器和光中继器(光放大器)两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。

1.5、传统上，以服务范围的大小把光纤通信网络分为哪几类？

答：（1）、LAN（光纤局域网）：服务范围2km，如以太网、信令网和信令

总线；

（2）、MAN（光纤城域网）：服务范围100km，如电话本地交换网或者电缆电视（CATV）分配系统；

（3）、WAN（广域网）：服务范围可达数千千米，如开发系统互连国际网络等。

1.6、光纤通信网络的两种发展趋势是什么？

答：（1）、光纤技术逐渐从骨干网向宽WAN和MAN发展，最后也将渗透

到本地网；

（2）、以太网技术逐渐从LAN向MAN和WAN发展，最后在骨干网

上也将可能传送的是国际互联网协议（IP）数据包。

这两种技术的结合，将有可能导致最终广泛采用综合了最好的光纤技术和以太网技术的光IP以太网（如：IPoverWDM）。它将是在一个平台上提供数据、视频和语音业务的主要工具。1.7、数字通信系统和模拟通信系统的区别？

答：数、模实质：数字通信系统用参数取值离散的信号（如脉冲的有和无、电平的高和低等）代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；而模拟通信系统则用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。1.8、数字通信系统的优点是什么？

答：数字通信系统的优点如下：①、抗干扰能力强，传输质量好。②、可以用再生中继，传输距离长。③、适用各种业务的传输，灵活性大。④、容易实现高强度的保密通信。

⑤、数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。1.9、光传送网的关键技术？

答：1）、全光放大中继技术2）、光多路传输技术3）、波长选择技术4）、光交换技术5）、光分插复用（OADM）技术6）、波长转换技术7）、网络控制和管理技术8）、集成光学和光纤光栅技术1.9、简述未来光网络的发展趋势及关键技术。答：未来光网络发展趋于智能化、全光化。

其关键技术包括：长波长激光器、低损耗单模光纤、高效光放大器、WDM复用技术和全光网络技术。1.10、光网络的优点是什么？答：（1）可以极大地提高光纤的传输容量和节点的吞吐量，以适应未来宽带（高速）通信网的要求。

（2）光交叉连接器（OXC）和光分叉复用器（OADM）对信号的速率和格式透明，可以建立一个支持多种业务和多种通信模式的、透明的光传输平台。

（3）以波分复用和波长选择为基础，可以实现网络的动态重构和故障的自动恢复，构成具有高度灵活性和生存性的光传输网。

光网状网具有可重构性、可扩展性、透明性、兼容性、完整性和生存性

等优点，是目前光纤通信领域的研究热点和前沿。第二章部分

2.1、光纤的结构由哪几部分组成？各有什么作用？答：光纤（OpticalFiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。2.2、简述光纤的类型包括哪几种以及各自特点？解：实用光纤主要有三种基本类型：1）、突变型多模光纤（StepIndexFiber,SIF），纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=50~80μm，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。2）、渐变型多模光纤（GradedIndexFiber,GIF），在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50μm，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。3）、单模光纤（SingleModeFiber,SMF），折射率分布和突变型光

纤相似，纤芯直径只有8~10μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式（两个偏振态简并），所以称为单模光纤，其信号畸变很小。2.3、色散的产生以及危害？

答：由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散；光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。2.4、光缆的结构分类？

答：(1)层绞式结构：层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆。

(2)骨架式结构：架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是V形、U形或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置5~10根一次涂覆光纤。

(3)束管式结构：束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松套管扩大为整个纤芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其中。(4)带状式结构：带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，然后将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。2.5、光缆的种类？

答：根据光缆的传输性能、距离和用途，光缆可以分为市话光缆、长途光

缆、海底光缆和用户光缆；根据光纤的种类，光缆可以分为多模光缆、单模光缆；

根据光纤套塑的种类，光缆可以分为紧套光缆、松套光缆、束管式新型光缆和带状式多芯单元光缆；

根据光纤芯数的多少，光缆可以分为单芯光缆和多芯光缆等等；根据加强构件的配置方式，光缆可以分为中心加强构件光缆(如层绞式光缆、骨架式光缆等)、分散加强构件光缆(如束管式光缆)和护层加强构件光缆(如带状式光缆)；

根据敷设方式，光缆可以分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆；

根据护层材料性质，光缆可以分为普通光缆、阻燃光缆和防蚁、防鼠光缆等。

2.6、目前光纤通讯为什么采用以下三个工作波长：1=0.85m，

2=1.31m，3=1.55m？

解：因为光纤通信的三个传输窗口分别为：0.85um（短波长），1.31um及1.55um（长波长）

2.7、光纤通讯为什么向长波长、单模光纤方向发展？

解：从多模突变型(SIF)、渐变型(GIF)光纤到单模(SMF)光纤，损耗依次减小。在0.8~1.55μm波段内，除吸收峰外，光纤损耗随波长增加而迅速减小；另一方面，从色散的讨论中看到：从多模SIF、GIF光纤到SMF光纤，色散依次减小(带宽依次增大)。正因为这些特性，使光纤通信从SIF、GIF光纤发展到SMF光纤，从短波长(0.85μm)“窗口”发展到长波长(1.31μm和1.55μm)“窗口”。

2.8、光纤色散产生的原因及其危害是什么？

解：色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。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。如果信号是模拟调制的，色散限制带宽(Bandwith)；如果信号是数字脉冲，色散产生脉冲展宽(Pulsebroadening)。2.9、光纤损耗产生的原因及其危害是什么？解：（1）、原因：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(Rayleigh)散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。（2）、由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字脉冲，其幅度都要减小；光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。

2.10、对光缆的基本要求是什么？

解：对光缆的基本要求是：保护光纤的机械强度和传输特性，防止施工过程和使用期间光纤短裂，保护传输特性稳定。2.11、简述光缆的结构和类型？

解：光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。根据缆芯结构的特点，光缆可分为四种基本型式：1）、层绞式；2）、骨架式；3）、中心束管式；4）、带状式。根据使用条件，光缆又可以分为许多类型：一般光缆有室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆等2.12、光纤的特性参数具体包括那些？

解：光纤的特性参数很多，基本上可分为几何特性、光学特性和传输特性三类。几何特性包括纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度；光学特性主要有折射率分布、数值孔径、模场直径和截止波长；传输特性主要有损耗、带宽和色散。

2.13、说明光纤损耗、带宽(色散)和截止波长这些特性参数测量的共同的特点以及测量系统的组成？

解：共同的特点是用特定波长的光通过光纤，然后测出输出端相对于输入端的光功率或幅度、相位等物理量的变化，再经过相应的数据处理而实现的。测量系统一般包括发射光源、注入装置和接收与数据处理设备。2.14.简述渐变光纤的折射率分布。

答：渐变光纤横截面的折射率分布，包层的折射率是均匀的，而在纤芯中折射率则随着纤芯的半径的加大而减小，是非均匀、且连续变化的。2.15.简述光纤材料色散的定义及其引起的原因。

答：由于光纤材料的折射率是波长λ的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此而引起的色散叫材料色散。

材料色散主要是由光源的光谱宽度所引起的。由于光纤通信中使用的光源不是单色光，具有一定的光谱宽度，这样，不同波长的光波传输速度不同，从而产生时延差，引起脉冲展宽。

第三章部分

3.1、半导体激光器发光的条件？答：（1）有源区里产生足够的粒子数反转分布；（2）在谐振腔里建立起稳定的振荡。

3.2、半导体发光二极管与半导体激光器的区别？

答：半导体发光二极管是非阈值器件。它与半导体激光器的本质区别是它没有光学谐振腔，不能形成激光振荡。发光二极管是非相干光源，发光以

自发辐射为主。

3.3、半导体激光器有哪些特性？

解：发射波长与半导体材料有关；光谱特性：在直流驱动下，随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄；在数字调制下，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变窄。

3.4、对光纤通信系统所用的光无源器件的特性的普遍要求是什么？

解：普遍要求插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜，许多器件还要求便于集成。

3.5、对光纤通信系统所用的光无源器件连接器的作用是什么？

解：连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件，主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。3.6、对光纤通信系统所用的光无源器件光耦合器的功能是什么？波分复用器的概念是什么？解：耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复用器/解复用器。3.7、对光纤通信系统所用的光无源器件光隔离器的主要作用是什么？解：隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。3.8、对光纤通信系统所用的光无源器件光开关的功能是什么？

解：光开关的功能是转换光路，实现光交换，它是光网络的重要器件。3.9.简述半导体激光器的光谱特性。

答：半导体激光器的光谱特性主要是由激光器的纵模决定。激光器的光谱会随着注入电流而发生变化。当注入电流低于阈值电流时，半导体激光器发出的是荧光，光谱很宽；当电流增大到阈值电流时，光谱突然变窄，光谱中心强度急剧增加，出现了激光；对于单纵模半导体激光器，由于只有一个纵模，其谱线更窄。

3.10.简述发光二极管的P－I特性。

答：发光二极管不存在阈值，输出光功率与注入电流之间呈线性关系，且线性范围较大。当注入电流较大时，由于PN结的发热，发光效率降低，出现饱和现象。在相同注入电流下，面发光二极管的发输出功率比边发光二极管大。

3.10、简述影响PIN光电二极管响应速度的主要因素。

答：影响响应速度的主要因素有：结电容和负载电阻的RC时间常数、载

流子在耗尽区里的渡越时间及耗尽区外产生的载流子的扩散时间。

第四章部分

4.1、光波的调制以及分类？

答：在光纤通信系统中，把随信息变化的电信号加到光载波上，使光载波按信息的变化而变化，这就是光波的调制。从调制方式与光源的关系上来分，强度调制的方法有两种：直接调制和外调制。从调制信号的形式来分，光调制又分为模拟调制和数字调制。

4.2、对数字信号进行编码的理由是什么？

答：为了使接收再生电路把相位或频率锁定到信号定时上因为光接收机采用电容耦合，接收机不能对直流或低频分量响应，使长连零信号的幅度逐渐下降，经判决电路后会产生误码

4.3、对数字信号进行编码的目的是什么？

答：使输出的二进制码不要产生长连“1”或长连“0”，而是使“1”码和“0”码尽量相间排列

4.4、进行码型变换的意义是什么？

答：在光纤通信系统中，从电端机输出的是适合于电缆传输的双极性码。光源不可能发射负光脉冲，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤通信系统传输的要求。

4.5、数字光纤通信系统常用的线路码型包括：扰码、mBnB码、插入码。4.6、mBnB码的基本特点是什么？

答：这种码型是把mB变换为nB，所以称为mBnB码，其中m和n都是正整数，n>m，一般选取n=m+1。mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等等。

4.7、激光器（LD）产生张弛振荡和自脉冲现象的机理是什么？它的危害是什么？应如何消除这两种现象？

解：半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间td，其数量级一般为ns。当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为张弛振荡；张弛振荡的后果是限制调制速率。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；自脉动现象是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的严重影响LD的高速调制特性。消除方法是对LD施加偏置电流

4.8、LD为什么能够产生码型效应？其危害及消除方法是什么？

解：当电光延迟时间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，幅度减小，严重时可能使单个“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。

4.9、在LD的驱动电路里，为什么要设置功率自动控制电路APC？功率自动控制实际是控制LD的哪几个参数？解：（1）、保证输出光功率有足够的稳定性（2）、功率、幅度、频率、相位。4.10、在LD的驱动电路里，为什么要设置温度自动控制电路ATC？具体措施是什么？控制电路实际是控制的是哪几个参数？解：（1）、半导体光源的输出特性受温度影响很大，特别是长波长半导体激光器对温度更加敏感。为保证输出特性的稳定，对激光器进行温度控制是十分必要的。（2）、温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成，致冷器的冷端和激光器的热沉接触，热敏电阻作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通过控制电路改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。（3）、电流、电压

4.11、光接收机前置放大器第一个晶体管选FET或BJT的依据是什么？解：放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型，根据放大器噪声等效电路和晶体管理论可以决定光接收机前置放大器第一个晶体管选FET或BJT。

4.12、为什么光接收机的前置放大器多采用跨阻型？

解：由于跨阻型前置放大器最大的优点是改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。

4.13、在数字光接收机中，设置均衡滤波网络的目的是什么？解：消除外部电磁干扰产生的噪声。

4.14、在数字光接收机中，为什么要设置AGC电路？解：因为主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。4.15、数字光接收机量子极限的含义是什么？

解：光接收机可能达到的最高灵敏度，其极限值是由量子噪声决定的，所以称为量子极限。

4.16、在数字光纤通信系统中，选择码型时应考虑哪几个因素？解：数字光纤通信系统对线路码型的主要要求是保证传输的透明性，具体要求有：(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)能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码监测和公务通信。

4.17.简述光纤通信中光接收机的主要作用。

光接收机的主要作用是将光纤传输后的幅度被衰减的、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端机。

第五章部分

5.1、中继器的组成和作用

答：中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行校正。

5.2、为什么要引入SDH？

解：SDH解决了PDH存在的问题，是一种比较完善的传输体制。5.3、SDH的特点有哪些？SDH帖中AUPTR表示什么？它有何作用？解：（1）、SDH具有下列特点：

SDH采用世界上统一的标准传输速率等级；SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范；

在SDH帧结构中，丰富的开销比特用于网络的运行、维护和管理，便于实现性能监测、故障检测和定位、故障报告等管理功能；采用数字同步复用技术，其最小的复用单位为字节，不必进行码速调整，简化了复接分接的实现设备，由低速信号复接成高速信号，或从高速信号分出低速信号，不必逐级进行；

采用数字交叉连接设备DXC可以对各种端口速率进行可控的连

接配置，对网络资源进行自动化的调度和管理，既提高了资源利用率，又增强了网络的抗毁性和可靠性。（2）、管理单元指针(AUPTR)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)5.4、数字光纤通信系统很适合于长距离、大容量和高质量的信息传输的原因？

解：数字光纤传输系统是一种通过光纤信道传输数字信号的通信系统，由于数字信号只取有限个离散值，可以通过取样、判决而再生，所以这种通信系统对信道的非线性失真不敏感，在通信全程中，即使有多次中续、失真（包括线性失真和非线性失真）和噪声也不会累积。因而，与模拟光纤通信相比，数字光纤通信系统对光源特性的线性要求与对接收信噪比的要求都不高，更能充分发挥光纤的优势，很适合于长距离、大容量和高质量

的信息传输。

5.5、光纤大容量数字传输目前普遍采用什么技术？它包括哪两种传输体制？

解：光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复用(TDM)技术，复用又分为若干等级，因而先后有两种传输体制：准同步数字系列(PDH)和同步数字系列(SDH)。

5.6、抖动的定义是什么？解：抖动是数字信号传输过程中产生的一种瞬时不稳定现象。抖动的定义是：数字信号在各有效瞬时对标准时间位置的偏差。

5.7、对数字光纤通信系统而言，系统设计的主要任务是什么？

解：对数字光纤通信系统而言，系统设计的主要任务是，根据用户对传输距离和传输容量(话路数或比特率)及其分布的要求，按照国家相关的技术标准和当前设备的技术水平，经过综合考虑和反复计算，选择最佳路由和局站设置、传输体制和传输速率以及光纤光缆和光端机的基本参数和性能指标，以使系统的实施达到最佳的性能价格比。

5.8、对数字光纤通信系统而言，在技术上，系统设计的主要问题是什么？中继距离的设计有哪三种方法？

解：技术上，系统设计的主要问题是确定中继距离，尤其对长途光纤通信系统，中继距离设计是否合理，对系统的性能和经济效益影响很大。中继距离的设计有三种方法：最坏情况法(参数完全已知)、统计法(所有参数都是统计定义)和半统计法(只有某些参数是统计定义)。5.9、光纤通信系统设计的任务以及它与工程设计的主要区别分别是什么？答：系统设计的任务是：遵循建议规范，采用先进、成熟技术，综合考虑系统经济成本，合理地选用器件和设备，明确系统的全部技术参数，完成实用系统的合成。

它与工程设计主要区别在于：首先系统设计与工程设计的区别表现在复杂程度上；其次系统设计与工程设计的区别表现在它们的任务不同。5.10、抖动产生的原因以及危害？

答：主要与定时提取电路的质量、输入信号的状态和输入码流中的连“0”码数目有关；抖动严重时，使得信号失真、误码率增大。第六章部分

6.1、模拟光纤通信系统的特点是什么？

解：模拟光纤通信系统是一种通过光纤信道传输模拟信号的通信系统，目前主要用于模拟电视传输。模拟光纤通信系统采用参数大小连续变化的信号来代表信息，要求在电/光转换过程中信号和信息存在线性对应关系，因

此，对光源功率特性的线性要求，对信号信噪比的要求都比较高。由于噪声的积累，和数字光纤通信相比，模拟光纤通信系统的传输距离较短。6.2、模拟光纤通信系统目前使用的主要调制方式是什么？其概念分别是什么？

解：包括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1）、模拟基带直接光强调制(DIM)是用承载信息的模拟基带信号，直接对发射机光源(LED或LD)进行光强调制，使光源输出光功率随时间变化的波形和输入模拟基带信号的波形成比例。2）、模拟间接光强调制方式是先用承载信息的模拟基带信号进行电的预调制，然后用这个预调制的电信号对光源进行光强调制(IM)。这种系统又称为预调制直接光强调制光纤传输系统。3）、频分复用光强调制方式是用每路模拟电视基带信号，分别对某个指定的射频(RF)电信号进行调幅(AM)或调频(FM)，然后用组合器把多个预调RF信号组合成多路宽带信号，再用这种多路宽带信号对发射机光源进行光强调制。

6.3、什么叫副载波复用（SCM）？副载波复用光纤通信有哪些优点？解：光载波经光纤传输后，由远端接收机进行光/电转换和信号分离。因为传统意义上的载波是光载波，为区别起见，把受模拟基带信号预调制的RF电载波称为副载波，这种复用方式也称为副载波复用(SCM)。SCM模拟电视光纤传输系统的优点：

(1)一个光载波可以传输多个副载波，各个副载波可以承载不同类型的业务，有利于数字和模拟混合传输以及不同业务的综合和分离。(2)SCM系统灵敏度较高，又无需复杂的定时技术

(3)在数字电视传输系统未能广泛应用的今天，这种系统不仅可以满足目前社会对电视频道日益增多的要求，而且便于在光纤与同轴电缆混合的有线电视系统(HFC)中采用。

6.4、副载波复用的实质是什么？解：载波复用的实质是利用光纤传输系统很宽的带宽换取有限的信号功率，也就是增加信道带宽，降低对信道载噪比(载波功率/噪声功率)的要求，而又保持输出信噪比不变。6.5、评价模拟信号直接光强调制系统的传输质量的最重要的特性参数是什么？

解：评价模拟信号直接光强调制系统的传输质量的最重要的特性参数是信噪比(SNR)和信号失真(信号畸变)。6.6、模拟基带直接光强调制光纤电视传输系统光发射机的功能是什么？对这种光发射机的基本要求是什么？

解：模拟基带直接光强调制光纤电视传输系统光发射机的功能是，把模拟

电信号转换为光信号。对这种光发射机的基本要求是：(1)发射(入纤)光功率要大，以利于增加传输距离；(2)非线性失真要小；(3)调制指数m(mTV)要适当大；(4)光功率温度稳定性要好。

6.7、副载波复用(SCM)模拟电视光纤传输系统的基本过程是什么？解：副载波复用(SCM)模拟电视光纤传输系统的基本过程是：N个频道的模拟基带电视信号分别调制频率为f1,f2,f3,…,fN的射频(RF)信号，把N个带有电视信号的副载波f1s,f2s,f3s，…,fNs组合成多路宽带信号，再用这个宽带信号对光源(一般为LD)进行光强调制，实现电/光转换。光信号经光纤传输后，由光接收机实现光/电转换，经分离和解调，最后输出N个频道的电视信号。第七章部分

7.1、光纤通信发展的目标是什么？

解：光纤通信发展的目标是提高通信能力和通信质量，降低价格，满足社会需要。

7.2、光放大器的类型及特点是什么？

解：光放大器有半导体光放大器和光纤放大器两种类型。半导体光放大器的优点是小型化，容易与其他半导体器件集成；缺点是性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。光纤放大器的性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损耗很小，因而得到广泛应用。光纤放大器实际上是把工作物质制作成光纤形状的固体激光器，所以也称为光纤激光器。7.3、EDFA的工作原理是什么？有哪些应用方式？解：（1）、EDFA的工作原理是：在掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)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(Pump,抽运)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(1→3)。但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态(2→1)，产生受激辐射光，因而信号光得到放大。（2）、EDFA的应用，归纳起来可以分为三种形式：中继放大器、前置放大器和后置放大器。7.4、对于980nm泵浦和1480nm泵浦的EDFA，哪种泵浦方式的功率转换效率高？哪种泵浦方式的噪声系数小？为什么？

解：对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为1480μm的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器，输出光功率高达100mW,泵浦光转换为信号光效率在6dB/mW以上。波长为980nm的泵浦光转换效率更高，

达10dB/mW，而且噪声较低，是未来发展的方向。7.5、光波分复用的概念及基本原理是什么？

解：光波分复用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。

7.6、WDM系统的基本构成主要有哪两种形式？

解：WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：(1)双纤单向传输。单向WDM传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。(2)单纤双向传输。双向WDM传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。

7.7、目前国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向是什么？

解：目前，“掺铒光纤放大器(EDFA)+密集波分复用(WDM)+非零色散光纤(NZDSF，即G.655光纤)+光子集成(PIC)”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。

7.8、光波分复用器的基本要求是什么？

解：对波分复用器的基本要求是：插入损耗小，隔离度大，带内平坦，带外插入损耗变化陡峭，温度稳定性好，复用通路数多，尺寸小等。7.9、光交换的作用以及光交换有哪些方式？解：（1）、在现有通信网络中，高速光纤通信系统仅仅充当点对点的传输手段，网络中重要的交换功能还是采用电子交换技术。传统电子交换机的端口速率只有几Mb/s到几百Mb/s，不仅限制了光纤通信网络速率的提高，而且要求在众多的接口进行频繁的复用/解复用，光/电和电/光转换，因而增加了设备复杂性和成本，降低了系统的可靠性。要彻底解决高速光纤通信网存在的矛盾，只有实现全光通信，而光交换是全光通信的关键技术。（2）、光交换主要有三种方式：空分光交换、时分光交换和波分光交换。7.10、光交换三种方式的概念及功能是什么？解：（1）、空分光交换的功能是使光信号的传输通路在空间上发生改变。空分光交换的核心器件是光开关；（2）、时分光交换是以时分复用为基础，用时隙互换原理实现交换功能的；（3）、波分光交换(或交叉连接)是以波分复用原理为基础，采用波长选择或波长变换的方法实现交换功能的。7.11、光孤子通信的概念及优点是什么？

解：光孤子(Soliton)是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲(ps数量级)；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

信的优点是：传输距离可达上万公里，甚至几万公里。

7.12、相干光通信技术的概念、优点及关键技术各是什么？解：（1）、所谓相干光，就是两个激光器产生的光场具有空间叠加、相互干涉性质的激光，利用相干光进行通信的技术称相干光通信。（2）、相干检测技术主要优点是可以对光载波实施幅度、频率或相位调制；（3）、相干光系统的关键技术是：a、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；b、相干光系统要求信号光和本振光混频时满足严格的匹配条件，才能获得高混频效率，这种匹配包括空间匹配、波前匹配和偏振方向匹配。

7.13、光纤通信的目标是什么？

解：提高速率和增大容量是光纤通信的目标。7.14、要实现光时分复用技术（OTDM），需要解决的关键技术是什么？解：要实现OTDM，需要解决的关键技术有：(1)超短光脉冲光源；(2)超短光脉冲的长距离传输和色散抑制技术；(3)帧同步及路序确定技术；(4)光时钟提取技术；(5)全光解复用技术。

7.15、在WDM光网络中使用波长变换技术的原因是什么？目前惟一成熟的波长变换技术是什么？解：（1）、在WDM光网络中使用波长变换技术的原因有：首先，信息可以通过WDM网络中不适宜使用的波长进入WDM网络；其次，在网络内部，可以提高链路上现有波长的利用率；最后，如果不同网络由不同的组织管理，并且这些网络没有协调一致的波长分配，那么在网络之间就可以使用波长变换器。（2）、波长变换的基本方法有两种：光/电/光方法和全光方法。将光信号经光/电转换变成电信号，电信号再调制所需波长的激光器，从而实现波长变换光/电/光方法，这是目前惟一成熟的波长变换技术。7.16、掺铒光纤的定义和作用？

答：掺铒光纤是一种向常规传输光纤的石英玻璃基质中掺入微量铒元素的特种光纤；掺入铒元素的目的，是促成被动的传输光纤转变为具有光放大能力的主动光纤，光放大的特性主要由掺铒元素决定。7.17、掺铒光纤放大器的光路结构

答：(1）、前向（同向）泵浦掺铒光纤放大器

----前向（同向）泵浦掺铒光纤放大器，表示信号光和泵浦光同向进入掺铒光纤。光隔离器用于隔离反馈光信号，提高稳定性。这种结构噪声特性较好。

(2）、后向（反向）泵浦掺铒光纤放大器

19

----后向（反向）泵浦掺铒光纤放大器，表示信号光和泵浦光从两个不同方向进入掺铒光纤。这种结构具有较高的输出信号功率，但噪声特性较差。(3)、双向泵浦掺铒光纤放大器

----双向泵浦掺铒光纤放大器，表示两个泵浦光从两个相反方向进入掺铒光纤。这种结构具有的输出信号功率最高，噪声特性也不差。7.18、光放大器的分类？

答：光放大器按原理不同大体上有三种类型。

(1)掺杂光纤放大器，就是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器；

(2)传输光纤放大器，其中有受激喇曼散射(StimulatedRamanScattering，SRS)光纤放大器、受激布里渊散射(StimulatedBrilliouinScattering，SBS)光纤放大器和利用四波混频效应(FWM)的光放大器等；

(3)半导体激光放大器。其结构大体上与激光二极管(LaserDiode，LD)相同。

7.19、掺饵光纤放大器的工作原理？

答：掺饵光纤放大器采用掺铒离子单模光纤作为增益物质，在泵浦光激发下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大7.20、EDFA固有的缺点是什么？

答：(1)波长固定，只能放大1.55μm左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素；

(2)增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。

7.21、简述各种复用技术的原理？

答：光波分复用(WDM)技术是在一芯光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号分开，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。

为了进一步提高光纤带宽利用率，相邻两光载波的间隔将越来越小，一般认为：当相邻光载波的间隔小到0.1nm(10GHz)以下时，此时的复用称为光频分复用。

光时分复用(OTDM)技术指利用高速光开关把多路光信号在时域里复用到

一路上的技术。

光副载波复用(OSCM)技术是将基带信号首先调制到GHz的副载波上，再把副载波调制到THz的光载波上。

光码分复用(OCDM)技术是CDM(CodeDivisionMultiplexing)技术和光纤通信技术相结合的产物，在这种复用技术中，每个信道不是占用一个给定的波长、频率或者时隙，而是以一个特有的编码脉冲序列方式来传送其比特信息。

7.22、光孤子的形成原理？

答：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。光纤非线性效应和色散单独起作用时，在光纤中传输的光信号都要产生脉冲展宽，对传输速率的提高是有害的。但是如果适当选择相关参数，使两种效应相互平衡，就可以保持脉冲宽度不变，因而形成光孤子。7.23.简述掺铒光纤放大器辅助电路部分的作用及其所包含的功能电路。答：辅助电路部分中的自动控制部分一般采用微处理器对EDFA的泵浦光源的工作状态进行监测和控制、对EDFA输入和输出光信号的强度进行监测，根据监测结果适当调节泵浦光源的工作参数，使EDFA工作在最佳状态。此外，辅助电路部分还包括自动温度控制和自动功率控制等保护功能的电路。

7.24.简述光波分复用技术（WDM）的工作原理。

答：WDM技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的信号组合起来(复用)，送入到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。

7.25.简述光时分复用（OTDM）需要解决的关键技术。

答：从目前的研究情况看，实现OTDM需要解决的关键技术如下：（1）高重复率超短光脉冲源；

（2）超短光脉冲的长距离传输和色散抑制技术；（3）时钟恢复技术；

（4）光时分复用和解复用技术；（5）帧同步及路序确定技术。7.26.简述WDM光传送网的特点。答：（1）波长路由；（2）透明性；

（3）网络结构的扩展性；

（4）可重构性；（5）可扩容性；（6）可操作性；

（7）可靠性和可维护性。（二）、回答下列简写的含义：

第二章部分

主要公式：1、纤芯和包层的相对折射率差Δ=（n1-n2）/n1

2、数值孔径NA2n12n2n12

n1ln1ln1L12sec1(1)3、时间延迟ccc24、时间延迟差（脉冲展宽）

nLL2Lc(NA)212n1c2n1cc5、归一化频率v2a2n12n2V26、模式总数a、阶跃型：M2b、渐变型：

ggv2222M()akn1()g2g22

7、单模传输条件：V2.405

主要缩写：1、SIFStep-IndexFiber~~突变型多模光纤

2、GIFGraded-IndexFiber~~渐变型多模光纤3、SMFSingle-ModeFiber~~单模光纤

4、DFFDispersion-FlattenedFiber~~色散平坦光纤5、DSFDispersion-ShiftedFiber~~色散移位光纤6、PCM～～脉冲编码调制

22

第三章部分

主要公式：1、波尔条件:E2E1hf12

f12--吸收或辐射的光子频率2、处于热平衡状态的系统存在的分布:

N1EE1exp(2)N2kT3、半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时

所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)：hf=Eg发射波长：hc1.24EgEg4、激光振荡的相位条件为：L=q

2n或2nLq式中：L谐振腔的长度；激光波长；n激活物质

的折射率；

q＝1，2，3称为纵模模数5、量子效率η:

IPIhf光生电子空穴对ea、一般：PP0入射光子数P0ehfb、器件表面反射率为零，P层和N层对量子效率的贡献可以忽略：1exp(())6、响应度:IPeA()

WP0hf7、脉冲响应时间：τ=τr=τf=2.2τ08、当光电二极管具有单一时间常数τ0时：fc=9、光电二极管的总均方噪声电流为：

23

1200.35r〈i2〉=2e(IP+Id)B+

4KTBR主要缩写：1、LDLaserDiode~~半导体激光二极管（或称激光器）

2、LEDLightEmittingDiode~~发光二极管（或称发光管）3、Nd：YAGYttniumAluminumGarnet~~掺钕钇铝石榴石YAG/LEDsource——钇铝石榴石/发光二极管光源

用于光纤传输的一种激光光源，它由发光二极管（LED）泵激的钇铝石榴石（YAG）晶体激光器组成。钇铝石榴石/发光二极管光源发射一个约200毫微米波长的窄光谱，但它效率低，体积大。

4、DFB-LDDistributedFeedback~~分布反馈激光器5、PDPhotoDetection~~光电二极管

6、PIN-PD~~在PN结中间设置了一层掺杂浓度很底的本征

半导体

7、APDAvalanchePhotodiode~~雪崩光电二极管

第四章部分

主要公式：1、灵敏度：Pr=10lg[Pmin(w)](dBm)3102、理想光接收机灵敏度:Pr=10lg

nhcfb2主要缩写：1、APCAutomaticPowerContrl~~自动功率控制

2、ATCAutomaticTemperatureContrl~~自动温度控制3、AGCAutomaticGainContrl~~自动增益控制4、FET——~~场效应管5、BJT——~~双极型晶体管

6、OEICOpto-electronicintegratedcircuit~~光电集成电

路第五章部分

主要公式：1、中继距离：L≤

ptpr2acMc

afasam24

主要缩写：1、TDMTime-DivisionMultiplexing～～时分复用

2、PDHPlesiochronousDigitalHierarchy～～准同步数字系

列

3、SDHSynchronousDigitalHierachy～～同步数字系列4、ISDNIntegrated-servicesDigitalNetwork～～综合业务

数字网

5、BERBit-errorrate～～(比特)误码率

6、BERth～～误码率门限值7、DM～～劣划分

8、SEC～～严重误码秒9、EC～～误码秒

10、BERav～～长期平均误码率

11、PCMPulse-CodeModulation～～脉（冲编）码调制12、D-IM～～模拟基带直接光强调制13、IM～～光强调制

第六章部分

主要缩写：1、SCMSynchronousDigitalHierachy～～副载波复用

2、FM、PM、AM～～调频（率）、调幅（度）、调相（位）第七章部分

主要缩写：1、EDFAErbium-DopedFiberAmplifier

~~掺铒（Er）光纤放大器

2、WDMWarelength-DivisionMultiplexing

~~光波分复用

3、OTDMOpticalTimeDivisionMultiplexing

~~光时分复用

4、WCWavelengthConversion~~波长交换

三、设计题

1.1、设计一个单项传输光纤通信系统，并回答系统中各组成部分的作用。

25

解：设计的一种光纤通信系统的基本组成(单向传输)参考答案：

发射信息源电发射机电信号输入光发射机基本光纤传输系统光纤线路光接收机接收电接收机电信号输出信息宿光信号输出光信号输入

3.1、设计一个衍射光栅型光合波和光分波的原理图。

3.2、设计一个棱镜型光合波和光分波的原理图。

3.3、设计一个波导型分波的原理图。

3.4、设计一个波导型分波的结构图。

3.5、设计一个干涉模分光器分光原理图。

3.6、设计一个带通滤波器原理图。

答：调整带通滤波器可以对2个波长的光按反射或者透过进行分离。

3.7、设计一个光隔离器的结构及工作原理图。

3.8、根据光隔离器的工作原理，构成一个三端口光环行器的结构，并说明各元件的作用？

解：具有光隔离器的光纤通信系统简图如下：

信号源发射机1发射机2接收机2接收机1显示装置其中：为隔离器，其内部结构如下：

端口1端口2

端口3

（解法1：）“理想”的环行器：

SWP端口1

法拉第旋转器半波片SWP端口2

半波片法拉第旋转器

法拉第旋转器半波片SWP端口3

（1）、具有任意偏振态的入射光首先通过一个空间分离偏振器(SWP:SpatialWalk-offPolarizer)。这个SWP的作用是将入射光分解为两个正交偏振分量，让垂直分量直线通过，水平分量偏折通过。（2）、两个分量都要通过法拉弟旋转器，其偏振态都要旋转45°。（3）、法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片（

plate或half-waveplate）。20这个半波片的作用是将从左向右传播的光的偏振态顺时针旋转45，将从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转45°。

因而法拉弟旋转器与半波片的组合可以使垂直偏振光变为水平偏振光，反之亦然。最后两个分量的光在输出端由另一个SWP合在一起输出。另一方面，如果存在反射光在反方向上传输，半波片和法拉弟旋转器的旋转方向正好相反，当两个分量的光通过这两个器件时，其旋转效果相互抵消，偏振态维持不变，在输入端不能被SWP再组合在一起，于是就起到隔离作用。解：（解法2：）“非理想”的环行器：

从端口1输入，从端口2输出的情况：双折射分离元件A将输入光束分离成正交偏振的寻常光线和非寻常光线。寻常光线继续沿着其原来的光路前进，而非寻常光线则向上位移。接着单向法拉第旋转器和相位延迟器的复合效应使两束光线的偏振方向反转。由于偏振反转，双折射分离元件B的作用与分离元件A的作用正好相反，它把两束光线重新复合，在端口2输出。

从端口2输入，从端口3输出的情况：输入光束被双折射分离元件B分成两个正交偏振光线，由于法拉第旋转器的非互易性，所以光线偏振不会在该方向上改变。这时分离元件A使两束光线更加分离，以致使它们偏离端口1的轴。但是两束光线分别通过偏振分束立方体透镜和反射棱镜后又重新组合，从端口3输出。

端口3单向法拉第旋转器偏振分束立方体透镜相位旋转器端口2

端口1

反射棱镜双折射分离元件A（SWP）

31

半波片双折射分离元件B（SWP）4.1、运用WDS（码字数字和）规律设计一个3B4B码表以及对应的码表存储器原理图，并说明你设计的依据。解：所谓“码字数字和”，是在nB码的码字中，用“-1”代表“0”码，用“+1”代表“１”码，整个码字的代数和即为WDS。如果整个码字“１”码的数目多于“0”码，则WDS为正；如果“0”码的数目多于“1”码，则WDS为负；如果“0”码和“1”码的数目相等，则WDS为0。

nB码的选择原则是：尽可能选择|WDS|最小的码字，禁止使用|WDS|最大的码字。以3B4B为例，应选择WDS=0和WDS=±2的码字，禁止使用WDS=±4的码字。下表示出根据这个规则编制的一种3B4B码表，表中正组和负组交替使用。

一种3B4B码表

信号码（3B）01234567

线路码（4B）模式1（正组）码字WDS+2+201*0+2+2模式2（负组）码字01000001010101101001101010000010WDS-2-201*0-2-201*00101001110010111011110111110010101101001101001111101码表存储编码器原理图如下：变换时钟并→串AB1B2B3B4PROMb1b2b3串→并待变换输入信号码流32

已变换的输出4B码流B组别变换C变前时钟

4.2、设计一个完整的LD组件内部结构原理图。

4.3、设计一个数字接收机的原理框图。

4.4、设计一个模拟接收机的原理框图。

5.1、设计一个实用光纤通信系统组成框图。

7.1、设计一个掺铒光纤放大器的工作原理框图。

四、论述题

2.1.阐述光纤受激散射效应的定义、表现形式及其主要区别。

（1）定义。受激散射效应是光通过光纤介质时，有一部分能量偏离预定的传播方向，且光波的频率发生改变，这种现象称为受激散射效应。

（2）表现形式。受激散射效应表现形式有两种，即受激布里渊散射和受激拉曼散射。这两种散射都可以理解为一个高能量的光子被散射成一个低能量的光子，同时产生一个能量为两个光子能量差的另一个能量子。（3）主要区别。两种散射的主要区别在于受激拉曼散射的剩余能量转变为光频声子，而受激布里渊散射转变为声频声子；光纤中的受激布里渊散射只发生在后向，受激拉曼散射主要是前向。受激布里渊散射和受激拉曼散

射都使得入射光能量降低，在光纤中形成一种损耗机制。在较低光功率下，这些散射可以忽略。当入射光功率超过一定阈值后，受激散射效应随入射光功率成指数增加。

2.2.阐述光纤的折射率扰动所引起的各种非线性效应。

答：折射率扰动主要引起自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)和光孤子形成四种非线性效应。（1）自相位调制。自相位调制是指光在光纤内传输时光信号强度随时间的变化对自身相位的作用。它导致光谱展宽，从而影响系统的性能。（2）交叉相位调制。交叉相位调制是任一波长信号的相位受其他波长信号强度起伏的调制产生的。交叉相位调制不仅与光波自身强度有关，而且与其他同时传输的光波的强度有关，所以交叉相位调制总伴有自相位调制。交叉相位调制会使信号脉冲谱展宽。（3）四波混频。四波混频是指由2个或3个不同波长的光波混合后产生新的光波的现象。其产生原因是某一波长的入射光会改变光纤的折射率，从而在不同频率处发生相位调制，产生新的波长。四波混频对于密集波分复用(DWDM)光纤通信系统影响较大，成为限制其性能的重要因素。

（4）光孤子形成。非线性折射率和色散间的相互作用，可以使光脉冲得以压缩变窄。当光纤中的非线性效应和色散相互平衡时，可以形成光孤子。光孤子脉冲可以在长距离传输过程中，保持形状和脉宽不变。

3.1.阐述光纤通信系统对光源的要求。答：（1）光源的发射波长应该与光纤的低损耗窗口一致，即为850nm、1310nm和1550nm的三个低损耗窗口；

（2）光源有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统中继距离的要求，一般为数十微瓦至数微瓦为宜；

（3）光源的光谱线宽要窄，即单色性好，以减小光纤色散对信号传输质量的影响；

（4）调制方法简单，且要响应速度快，以满足高速率传输的需要；（5）电光转换效率要高；（6）能够在室温下连续工作；

（7）体积小，重量轻，寿命长，工作稳定可靠。

3.2阐述光纤通信系统对光检测器的要求。

答：光检测器是把光信号变为电信号的器件，由于从光纤中传输过来的光信号一般是非常微弱且产生了畸变的信号，因此光纤通信系统对光检测器提出了非常高的要求。具体要求如下：

一是在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光检测器能输出尽可能大的光电流；

二是有足够高的响应速度和足够的工作带宽，即对高速光脉冲信号有足够

快的响应能力；

三是产生的附加噪声小；

四是光电转换线性好，保真度高；五是工作稳定可靠，工作寿命长；六是体积小，使用简便。

4.1.阐述半导体激光器控制电路中自动功率控制的手段和方法。答：（1）控制手段。要精确控制激光器的输出功率，应从两方面着手：一是控制激光器的偏置电流，使其自动跟踪阈值的变化，从而使激光器总是偏置在最佳的工作状态；二是控制激光器调制脉冲电流的幅度，使其自动跟踪外微分量子效率的变化，从而保持输出光脉冲信号的幅度恒定。（2）控制方法。自动功率控制方法有两种：一是通过光反馈来自动调整偏置电流的自动偏置控制法；二是峰值功率／平均功率控制法。

7.1.阐述掺铒光纤放大器（FDFA）的应用形式。

答：(1)系统线路放大器。将EDFA直接接入光纤传输链路中作为在线放大器，或光中继器取代光一电一光中继器，实现光一光放大。可广泛应用于长途通信、越洋通信和CATV分配网络等领域。

(2)功率放大器。将EDFA接在光发射机的光源之后对信号进行放大。由于增加了入纤的光功率，从而可延长传输距离。

(3)前置放大器。将EDFA放在光接收机的前面，可以提高光接收机的接收灵敏度。

(4)LAN放大器。将EDFA放在光纤局域网络中用作分配补偿器，以便增加光节点的数目，为更多的用户服务。

7.2.阐述光传送网中各子层的功能。答：（1）光信道层。光信道层负责为来自电复用段层的不同格式的客户信息选择路由和分配波长，为灵活的网络选路安排光信道连接，处理光信道开销，提供光信道层的检测、管理功能，提供端到端的连接，并在故障发生时，通过重新选路或直接把工作业务切换到预定的保护路由来实现保护倒换和网络恢复。（2）光复用段层。光复用段层保证相邻两个波长复用传输设备间多波长复用光信号的完整传输，为多波长信号提供网络功能。主要包括：为灵活的多波长网络选路重新安排光复用段功能；为保证多波长光复用段适配信息的完整性处理光复用段开销；为段层的运行和维护提供光复用段的检测和管理功能。

（3）光传输段层。光传输段层为光信号在不同类型的光媒质(如G652，G655光纤)上提供传输功能，同时实现对光放大器或中继器的检测和控制功能等。通常会涉及的问题是：功率均衡问题、EDFA增益控制问题和色散的积累和补偿问题。

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