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光纖 大題 總結(jié) 光纖大題總結(jié)2-4目前光纖通信為什么采用以下三個(gè)工作波長(zhǎng)1=0.85m，2=1.31m，3=55m?答1=0.85m，2=1.31m，3=1.55m附近是光纖傳輸損耗較少或最小的波長(zhǎng)“窗口”，相應(yīng)的損耗分別為2-3dB/km、0.5dB/km、0.2dB/km，而在這些波段目前有成熟的光器件（光源、光檢測(cè)器等）。 2-5光纖通信為什么向長(zhǎng)波長(zhǎng)、單模光纖方向發(fā)展?答長(zhǎng)波長(zhǎng)、單模光纖比短波長(zhǎng)、多模光纖具有更好的傳輸特性。 （1）單模光纖沒(méi)有模式色散，不同成分光經(jīng)過(guò)單模光纖的傳播時(shí)間不同的程度顯著小于經(jīng)過(guò)多模光纖時(shí)不同的程度(2）由光纖損耗和波長(zhǎng)的關(guān)系曲線知，隨著波長(zhǎng)的增大，損耗呈下降趨勢(shì)，且在1.55m處有最低損耗值；而且在1.31m和1.55m處的色散很小，故目前長(zhǎng)距離光纖通信一般都工作在1.55m.2-6光纖色散產(chǎn)生的原因及其危害是什么？答:光纖色散是由光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的不同成分光的傳播時(shí)間不同而產(chǎn)生的。 光纖色散對(duì)光纖傳輸系統(tǒng)的危害有若信號(hào)是模擬調(diào)制的，色散將限制帶；是數(shù)字脈沖，色散將使脈沖展寬，限制系統(tǒng)傳輸速率（容量）.2-7光纖損耗產(chǎn)生的原因及其危害是什么？答:光纖損耗包括吸收損耗和散射損耗。 吸收損耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。 散射損耗主要由材料微觀密度密度不均勻引起的瑞利勝射和光纖結(jié)構(gòu)缺陷（如氣泡）引起的散射產(chǎn)生的。 光纖損耗使系統(tǒng)的傳輸距離受到限制大損耗不利于長(zhǎng)距離光纖通信。 2-24一段12km長(zhǎng)的光纖線路，其損耗為1.5dB/km。 試問(wèn) （1）如果在接收端保持0.3W的接受光功率，則發(fā)送端的工功率至少為多少？ （2）如果光纖的損耗變?yōu)?.5dB/km，則需要的輸入光功率為多少？解 （1）光纖線路總損耗為1.5dB/km*12km=18dB，則發(fā)送18端功率最小值為0.3W*101018.93W。 （2）光纖的損耗變?yōu)?.5dB/km時(shí)，光纖線路總損耗為2.5dB/km*12km=30dB，30則發(fā)送端功率最小值為0.3W*1010300W。 3-1設(shè)激光器激活物質(zhì)的高能級(jí)和低能級(jí)的能量各為E2和E1，頻率為f，相應(yīng)能級(jí)上的粒子密度各為N2和N1。 試計(jì)算 （1）當(dāng)f=3000MHz，T=300K時(shí)，N2/N1=？ （2）當(dāng)=1m，T=300K時(shí)，N2/N1=？ （3）當(dāng)=1m，若N2/N1=0.1，環(huán)境溫度T=？（按玻爾茲曼分布規(guī)律計(jì)算）解由玻爾茲曼條件得E2-E1=hf，其中h=6.628*10-34Js （1）f=3000MHz,T=300K時(shí)，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)當(dāng)=1m，T=300K時(shí)，E2-E1=hc/=6.62810-343108/10-6=1.98810-19,所以N2/N1=exp（-E2-E1kT）=1.4510-21 (3)當(dāng)=1m，若N2/N1=0.1時(shí)，求得T=-E2-E1k?ln(N2/N1)=6.251014(K)3-3半導(dǎo)體激光器（LD）有哪些特性？答LD的主要特性有 （1）發(fā)射波長(zhǎng)和光譜特性發(fā)射波長(zhǎng)=1.24/Eg;激光振蕩可能存在多種模式，即在多個(gè)波長(zhǎng)上滿足激光振蕩的相位條件，表現(xiàn)為光譜包含多條譜線。 而且隨著調(diào)制電流的增大，光譜變寬，譜特性變壞。 （2）激光束空間分布特性遠(yuǎn)場(chǎng)光束橫截面成橢圓形。 （3）轉(zhuǎn)換功率和輸出功率特性?Pd=?I?ehfP=Pdhfth+(I-Ith)，e （4）頻率特性在接近弛張頻率fr處，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛張振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。 （5）溫度特性:Ith=I0?exp(T T)0。 3-4比較半導(dǎo)體激光器（LD）和發(fā)光二極管（LED）的異同。 答LD和LED的不同之處:工作原理不同，LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。 LED不需要光學(xué)諧振腔，而LD需要，和LD相比，LED輸出光功率較小，光譜較寬，調(diào)制頻率較低，但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，輸出功率線性范圍寬，而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，所以，LED的主要應(yīng)用場(chǎng)合時(shí)小容量（窄帶）短距離通信系統(tǒng)，而LD主要應(yīng)用于長(zhǎng)距離大容量（寬帶）通信系統(tǒng)。 LD和LED的相同之處使用的半導(dǎo)體材料相同，結(jié)構(gòu)相似，LED和LD大多采用雙異質(zhì)結(jié)（DH）結(jié)構(gòu)，把有源層夾在P型和N型限制層中間。 3-9半導(dǎo)體激光器的發(fā)射光子的能量近似等于材料的禁帶寬度，已知GaAS材料的Eg=1.43eV，某一InGaAsP材料的Eg=0.96eV,求它們的發(fā)射波長(zhǎng)。 解對(duì)于GaAs材料的LD=1.24/Eg0.867m，對(duì)于InGaAsP材料的LD=1.24/Eg1.29m。 3-11短波長(zhǎng)LED又材料Ga1-x,ALxAs制成，其中x表示成分?jǐn)?shù)，這樣的材料的帶隙能量Eg（eV）=1.424+1.266x+0.266x2已知x必須滿足0x0.37，求這樣的LED能覆蓋的波長(zhǎng)范圍。 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光與物質(zhì)間的互作用過(guò)程有哪些？答光與物質(zhì)之間的三種相互作用包括受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。 （1）受激輻射。 在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)E1，在入射光作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)E2上，這種躍遷稱(chēng)為受激吸收。 （2）自發(fā)輻射。 在高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒(méi)有外界的作用，也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱(chēng)為自發(fā)輻射。 （3）受激輻射。 在高能級(jí)E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱(chēng)為受激輻射。 3-20什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？什么情況下能實(shí)現(xiàn)光放大？答假設(shè)能級(jí)E1和E2上的粒子數(shù)分別為N1和N2，在正常的熱平衡狀態(tài)下，低能級(jí)E1上的粒子數(shù)N1是大于高能級(jí)E2上的粒子數(shù)N2的，入射的光信號(hào)總是被吸收。 為了獲得光信號(hào)的放大，必須將熱平衡下的低能級(jí)E1和E2上的粒子數(shù)N1和N2的分布關(guān)系倒過(guò)來(lái)，即高能級(jí)上的粒子數(shù)反而多于低能級(jí)上的粒子數(shù)，這就是粒子數(shù)發(fā)轉(zhuǎn)分布。 當(dāng)光通過(guò)粒子數(shù)發(fā)轉(zhuǎn)分布激活物質(zhì)時(shí)，將產(chǎn)生光放大。 3-21什么是激光器的閾值條件？答對(duì)于給定的器件，產(chǎn)生激光輸出的條件就是閾值條件。 在閾值以上，器件已經(jīng)不是放大器，而是一個(gè)振蕩器或激光器。 3-23試畫(huà)出APD雪崩二極管結(jié)構(gòu)示意圖，并指出高場(chǎng)區(qū)及耗盡層的范圍。 答先把一種高阻的P型材料作為外延層，沉積在P+材料上（P+是P型重?fù)诫s），然后在高阻區(qū)進(jìn)行P型擴(kuò)散或電離摻雜（叫層），最后一層是一個(gè)N+（N+是N型重?fù)诫s）層。 高場(chǎng)區(qū)是P區(qū)，耗盡區(qū)是P區(qū)。 3-25設(shè)PIN光電二極管的量子效率為80%，計(jì)算在1.3m和1.55m波長(zhǎng)時(shí)的響應(yīng)度，說(shuō)明為什么在1.55m處光電二極管比較靈敏。 解1.3m時(shí)的響應(yīng)度為R=(m)1.24=0.8?1.31.24=0.84A/W；1.55m時(shí)的響應(yīng)度為R=(m)=0.8?1.551.241.24=1A/W。 由上式可知，在量子效率一定時(shí)，響應(yīng)度正比于波長(zhǎng)，故在1.55m處光電二極管比1.3m處?kù)`敏。 3-26光檢測(cè)過(guò)程中都有哪些噪聲？答光檢測(cè)器的噪聲主要包括由光生信號(hào)電流和暗生電流產(chǎn)生的散粒噪聲以及負(fù)載電阻產(chǎn)生的熱噪聲。 熱噪聲電阻內(nèi)部載流子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。 散粒噪聲源于光子的吸收或者光生載流子的產(chǎn)生，具有隨機(jī)起伏特性。 光生信號(hào)電流產(chǎn)生的散粒噪聲，稱(chēng)為量子噪聲，這種噪聲的功率與信號(hào)電流成正比，因此不可能通過(guò)增加信號(hào)光功率提高信噪比。 在沒(méi)有外界入射光的作用下，光檢測(cè)器中仍然存在少量載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而形成很弱的散粒噪聲，稱(chēng)為暗電流噪聲。 所以在有信號(hào)光作用的時(shí)間內(nèi)，主要考慮量子噪聲和熱噪聲；而沒(méi)有信號(hào)光的期間，主要考慮暗電流噪聲和熱噪聲。 4-1激光器（LD）產(chǎn)生弛張振蕩和自脈動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)理是什么？它的危害是什么？應(yīng)如何消除這兩種現(xiàn)象的產(chǎn)生？答當(dāng)電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩，稱(chēng)為弛張振蕩。 弛張振蕩的后果是限制調(diào)制速率。 當(dāng)最高調(diào)制速率接近弛張振蕩頻率時(shí)，波形失真嚴(yán)重，會(huì)使光接收機(jī)在抽樣判決時(shí)增加誤碼率，因此實(shí)際中最高調(diào)制頻率應(yīng)低于弛張振蕩頻率。 某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)注入電流達(dá)到某個(gè)范圍時(shí)，輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩，這種現(xiàn)象稱(chēng)為自脈動(dòng)現(xiàn)象。 自脈動(dòng)頻率可達(dá)到2GHz，嚴(yán)重影響LD的高速調(diào)制特性。 4-2LD為什么能夠產(chǎn)生碼型效應(yīng)？其危害及消除辦法是什么？答半導(dǎo)體激光器在高速脈沖調(diào)制下，輸出光脈沖和愉人電流脈沖之間存在延遲時(shí)間，稱(chēng)為光電延遲時(shí)間。 當(dāng)光電延遲時(shí)間與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間T/2量級(jí)時(shí)，會(huì)使“0”碼過(guò)后的第一個(gè)“l(fā)”碼的脈沖寬度變窄，幅度減小嚴(yán)重時(shí)可能使“1”碼丟失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為碼型效應(yīng)。 碼型效應(yīng)的特點(diǎn)是在脈沖序列中，較長(zhǎng)的連“0碼后出現(xiàn)“1”碼丟失，其脈沖明顯變小而且連“0”碼數(shù)目越多，調(diào)制速率越高，這種效應(yīng)越明顯碼消除方法是用適當(dāng)?shù)摹斑^(guò)調(diào)制”補(bǔ)償方法4-3在LD的驅(qū)動(dòng)電路里，為什么要設(shè)置功率自動(dòng)控制電路APC?功率自動(dòng)控制實(shí)際是控制LD的哪幾個(gè)參數(shù)？答在LD的驅(qū)動(dòng)電路里，設(shè)置功率自動(dòng)控制電路（APC）是為了調(diào)節(jié)LD的偏流，是輸出光功率穩(wěn)定。 功率自動(dòng)控制實(shí)際是控制LD的偏置電流、輸出光功率、激光器背向光平均功率。 4-8在數(shù)字光接收機(jī)中，為什么要設(shè)置AGC電路？答自動(dòng)增益控制（AGC）使光接收機(jī)具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍，以保證在入射光強(qiáng)度變化時(shí)輸出電流基本恒定。 由于使用條件不同，輸入光接收機(jī)的光信號(hào)大小會(huì)發(fā)生變化，為實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍，采用AGC是十分有必要的。 AGC一般采用接收信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)（一般設(shè)在放大器輸出端）及直流運(yùn)算放大器構(gòu)成的反饋控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 對(duì)于APD光接收機(jī)，AGC控制光檢測(cè)器的偏壓和放大器的增益；對(duì)于PIN光接收機(jī)，AGC只控制放大器的增益。 4-9數(shù)字光接收機(jī)量子極限的含義是什么？答光接收機(jī)可能達(dá)到的最高靈敏度，這個(gè)極限值是由量子噪聲決定的，所以稱(chēng)為量子極限。 4-10已測(cè)得某數(shù)字光接收機(jī)的靈敏度為10m，求對(duì)應(yīng)的dBm值解Pr=10lgmin(mW)=-20dBm4-12光接收機(jī)中有哪些噪聲？答光接收機(jī)中主要有兩種噪聲第一種光檢測(cè)器的噪聲，包括量子噪聲、暗電流噪聲及由APD的雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的附加噪聲。 這是一種散粒噪聲，由光子產(chǎn)生光生電流過(guò)程的隨機(jī)性所引起，即使輸入信號(hào)光功率恒定時(shí)也存在。 第二種熱噪聲及前置放大器的噪聲，熱噪聲是在特定溫度下由電子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，任何工作于絕對(duì)零度以上的器件都是存在的，在光接收機(jī)中主要包括光檢測(cè)器負(fù)載電阻、前置放大器輸入電阻的熱噪聲。 前置放大器的噪聲，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，也是一種散粒噪聲，但因這是由電域的載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的，可以通過(guò)噪聲系數(shù)或噪聲等效溫度與熱噪聲一并進(jìn)行計(jì)算，因此將前置放大器的噪聲和電阻熱噪聲合稱(chēng)為前置放大器的噪聲。 4-15光發(fā)射機(jī)中外調(diào)制方式有哪些類(lèi)型？?jī)?nèi)調(diào)制和外調(diào)制各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？答外調(diào)制有電折射調(diào)制器、電吸收MQW調(diào)制器和M-Z干涉型調(diào)制器。 內(nèi)調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、易實(shí)現(xiàn)，適用于半導(dǎo)體激光器LD和發(fā)光二極管LED；缺點(diǎn)是帶來(lái)了輸出光脈沖的相位抖動(dòng)，使光纖的色散增加，限制了容量的提高。 外調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)的可以是可以減少啁啾，不但可以實(shí)現(xiàn)OOK方案，也可以實(shí)現(xiàn)ASK、FSK、PSK等調(diào)制方案；缺點(diǎn)是成本高，不易實(shí)現(xiàn)。 5-1為什么要引人SDH?答目前光纖大容量數(shù)字傳輸都采用同步時(shí)分復(fù)用（TDM）技術(shù)，復(fù)用又分級(jí)，先后有兩種傳輸體制準(zhǔn)同步數(shù)字系列（PDH）和同步數(shù)字系列（SDH)。 PDH早在1976年就實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，目前還大量使用。 隨著光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，PDH許多困難。 在技術(shù)迅速發(fā)展的推動(dòng)下，美國(guó)提出了同步光纖網(wǎng)（SONET)。 1988年，ITU-T（原CCITT）參照SONET的概念,提出了被稱(chēng)為同步數(shù)字系列（S DH）的規(guī)范建議,解決了PDH存在的問(wèn)題，是一種比較完善的傳輸體制，現(xiàn)已得到大量應(yīng)用，這種傳輸體制不僅適用于光纖信道，也適用于微波和衛(wèi)星干線傳輸。 5-4設(shè)140Mb/s數(shù)字光纖通信系統(tǒng)發(fā)射光功率為-3dBm，接收機(jī)-38dBm，系統(tǒng)余量為4dB，連接器