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光纤 大题 总结 光纤大题总结2-4目前光纤通信为什么采用以下三个工作波长1=0.85m，2=1.31m，3=55m?答1=0.85m，2=1.31m，3=1.55m附近是光纤传输损耗较少或最小的波长“窗口”，相应的损耗分别为2-3dB/km、0.5dB/km、0.2dB/km，而在这些波段目前有成熟的光器件（光源、光检测器等）。 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1.55m处有最低损耗值；而且在1.31m和1.55m处的色散很小，故目前长距离光纤通信一般都工作在1.55m.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。 2-24一段12km长的光纤线路，其损耗为1.5dB/km。 试问 （1）如果在接收端保持0.3W的接受光功率，则发送端的工功率至少为多少？ （2）如果光纤的损耗变为2.5dB/km，则需要的输入光功率为多少？解 （1）光纤线路总损耗为1.5dB/km*12km=18dB，则发送18端功率最小值为0.3W*101018.93W。 （2）光纤的损耗变为2.5dB/km时，光纤线路总损耗为2.5dB/km*12km=30dB，30则发送端功率最小值为0.3W*1010300W。 3-1设激光器激活物质的高能级和低能级的能量各为E2和E1，频率为f，相应能级上的粒子密度各为N2和N1。 试计算 （1）当f=3000MHz，T=300K时，N2/N1=？ （2）当=1m，T=300K时，N2/N1=？ （3）当=1m，若N2/N1=0.1，环境温度T=？（按玻尔兹曼分布规律计算）解由玻尔兹曼条件得E2-E1=hf，其中h=6.628*10-34Js （1）f=3000MHz,T=300K时，E2-E1=hf=6.628*10-34？*3*1092.0*10-24，所以N2/N1=exp（-E2-E1kT）=exp(-2?10-24/1.38110-23300)=0.9995 (2)当=1m，T=300K时，E2-E1=hc/=6.62810-343108/10-6=1.98810-19,所以N2/N1=exp（-E2-E1kT）=1.4510-21 (3)当=1m，若N2/N1=0.1时，求得T=-E2-E1k?ln(N2/N1)=6.251014(K)3-3半导体激光器（LD）有哪些特性？答LD的主要特性有 （1）发射波长和光谱特性发射波长=1.24/Eg;激光振荡可能存在多种模式，即在多个波长上满足激光振荡的相位条件，表现为光谱包含多条谱线。 而且随着调制电流的增大，光谱变宽，谱特性变坏。 （2）激光束空间分布特性远场光束横截面成椭圆形。 （3）转换功率和输出功率特性?Pd=?I?ehfP=Pdhfth+(I-Ith)，e （4）频率特性在接近弛张频率fr处，数字调制要产生弛张振荡，模拟调制要产生非线性失真。 （5）温度特性:Ith=I0?exp(T T)0。 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的主要应用场合时小容量（窄带）短距离通信系统，而LD主要应用于长距离大容量（宽带）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（DH）结构，把有源层夹在P型和N型限制层中间。 3-9半导体激光器的发射光子的能量近似等于材料的禁带宽度，已知GaAS材料的Eg=1.43eV，某一InGaAsP材料的Eg=0.96eV,求它们的发射波长。 解对于GaAs材料的LD=1.24/Eg0.867m，对于InGaAsP材料的LD=1.24/Eg1.29m。 3-11短波长LED又材料Ga1-x,ALxAs制成，其中x表示成分数，这样的材料的带隙能量Eg（eV）=1.424+1.266x+0.266x2已知x必须满足0x0.37，求这样的LED能覆盖的波长范围。 解由Eg（eV）=1.424+1.266x+0.266x2，0x0.37得1.424Eg1.93由=1.24/Eg，得0.64m0.87m3-19光与物质间的互作用过程有哪些？答光与物质之间的三种相互作用包括受激吸收、自发辐射和受激辐射。 （1）受激辐射。 在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。 （2）自发辐射。 在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。 （3）受激辐射。 在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。 3-20什么是粒子数反转？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，必须将热平衡下的低能级E1和E2上的粒子数N1和N2的分布关系倒过来，即高能级上的粒子数反而多于低能级上的粒子数，这就是粒子数发转分布。 当光通过粒子数发转分布激活物质时，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，而是一个振荡器或激光器。 3-23试画出APD雪崩二极管结构示意图，并指出高场区及耗尽层的范围。 答先把一种高阻的P型材料作为外延层，沉积在P+材料上（P+是P型重掺杂），然后在高阻区进行P型扩散或电离掺杂（叫层），最后一层是一个N+（N+是N型重掺杂）层。 高场区是P区，耗尽区是P区。 3-25设PIN光电二极管的量子效率为80%，计算在1.3m和1.55m波长时的响应度，说明为什么在1.55m处光电二极管比较灵敏。 解1.3m时的响应度为R=(m)1.24=0.8?1.31.24=0.84A/W；1.55m时的响应度为R=(m)=0.8?1.551.241.24=1A/W。 由上式可知，在量子效率一定时，响应度正比于波长，故在1.55m处光电二极管比1.3m处灵敏。 3-26光检测过程中都有哪些噪声？答光检测器的噪声主要包括由光生信号电流和暗生电流产生的散粒噪声以及负载电阻产生的热噪声。 热噪声电阻内部载流子的不规则运动。 散粒噪声源于光子的吸收或者光生载流子的产生，具有随机起伏特性。 光生信号电流产生的散粒噪声，称为量子噪声，这种噪声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声，称为暗电流噪声。 所以在有信号光作用的时间内，主要考虑量子噪声和热噪声；而没有信号光的期间，主要考虑暗电流噪声和热噪声。 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速率。 当最高调制速率接近弛张振荡频率时，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。 自脉动频率可达到2GHz，严重影响LD的高速调制特性。 4-2LD为什么能够产生码型效应？其危害及消除办法是什么？答半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲和愉人电流脉冲之间存在延迟时间，称为光电延迟时间。 当光电延迟时间与数字调制的码元持续时间T/2量级时，会使“0”码过后的第一个“l”码的脉冲宽度变窄，幅度减小严重时可能使“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“1”码丢失，其脉冲明显变小而且连“0”码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显码消除方法是用适当的“过调制”补偿方法4-3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？答在LD的驱动电路里，设置功率自动控制电路（APC）是为了调节LD的偏流，是输出光功率稳定。 功率自动控制实际是控制LD的偏置电流、输出光功率、激光器背向光平均功率。 4-8在数字光接收机中，为什么要设置AGC电路？答自动增益控制（AGC）使光接收机具有较宽的动态范围，以保证在入射光强度变化时输出电流基本恒定。 由于使用条件不同，输入光接收机的光信号大小会发生变化，为实现宽动态范围，采用AGC是十分有必要的。 AGC一般采用接收信号强度检测（一般设在放大器输出端）及直流运算放大器构成的反馈控制电路来实现。 对于APD光接收机，AGC控制光检测器的偏压和放大器的增益；对于PIN光接收机，AGC只控制放大器的增益。 4-9数字光接收机量子极限的含义是什么？答光接收机可能达到的最高灵敏度，这个极限值是由量子噪声决定的，所以称为量子极限。 4-10已测得某数字光接收机的灵敏度为10m，求对应的dBm值解Pr=10lgmin(mW)=-20dBm4-12光接收机中有哪些噪声？答光接收机中主要有两种噪声第一种光检测器的噪声，包括量子噪声、暗电流噪声及由APD的雪崩效应产生的附加噪声。 这是一种散粒噪声，由光子产生光生电流过程的随机性所引起，即使输入信号光功率恒定时也存在。 第二种热噪声及前置放大器的噪声，热噪声是在特定温度下由电子的热运动产生，任何工作于绝对零度以上的器件都是存在的，在光接收机中主要包括光检测器负载电阻、前置放大器输入电阻的热噪声。 前置放大器的噪声，严格说来，也是一种散粒噪声，但因这是由电域的载流子的随机运动引起的，可以通过噪声系数或噪声等效温度与热噪声一并进行计算，因此将前置放大器的噪声和电阻热噪声合称为前置放大器的噪声。 4-15光发射机中外调制方式有哪些类型？内调制和外调制各有什么优缺点？答外调制有电折射调制器、电吸收MQW调制器和M-Z干涉型调制器。 内调制的优点是简单、经济、易实现，适用于半导体激光器LD和发光二极管LED；缺点是带来了输出光脉冲的相位抖动，使光纤的色散增加，限制了容量的提高。 外调制的优点的可以是可以减少啁啾，不但可以实现OOK方案，也可以实现ASK、FSK、PSK等调制方案；缺点是成本高，不易实现。 5-1为什么要引人SDH?答目前光纤大容量数字传输都采用同步时分复用（TDM）技术，复用又分级，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)。 PDH早在1976年就实现了标准化，目前还大量使用。 随着光纤通信技术和网络的发展，PDH许多困难。 在技术迅速发展的推动下，美国提出了同步光纤网（SONET)。 1988年，ITU-T（原CCITT）参照SONET的概念,提出了被称为同步数字系列（S DH）的规范建议,解决了PDH存在的问题，是一种比较完善的传输体制，现已得到大量应用，这种传输体制不仅适用于光纤信道，也适用于微波和卫星干线传输。 5-4设140Mb/s数字光纤通信系统发射光功率为-3dBm，接收机-38dBm，系统余量为4dB，连接器