1，利用光导纤维传输光波信号的通信方式称为光纤通信。（填空）
2，目前光纤通信的实用工作波长在近红外区，即0.8～1.8μm的波长区，对应的频率为167～375THz（太赫兹），目前光纤通信的使用工作波长，即0.85μm，1.31μm，及1.55μm。 3，光纤通信的优越性：
答：1，传输频带宽，通信容量大；
2，传输损耗小，中继距离长； 3，抗电磁干扰能力强；
4，光纤线径细，重量轻，而且制作光纤的资源丰富。 4，光纤通信网络的发展趋势： 答：1，全光网（AON）；
2，SDH技术； 3，波分复用技术； 5，光纤通信的关键技术
答：1，大容量，超长距离传输技术；
1） 正交频分复用； 2） 光时分复用； 3） 偏振复用。 2，全光缓存器； 3，光层调度技术。
该系统主要由光发射机、光纤、光接收机以及长途干线上必须设置的光中继器组成。（如下图）
6，光纤的结构，涂敷层，包层，纤芯。（填空） 7，光纤的分类：
横截面折射率划分：1.阶跃型光纤；
2.渐进型光纤；
传输模式划分：1.单模管钱； 2.多模光纤。
8，全反射：若入射角θ再增大，光就不再进入第二种介质了，入射光全部被反射回来，这种现象称为全反射。 9，自聚焦：渐变型光纤中，不同射线具有相同轴向速度的现象称之为自聚焦现象。
10，在导波系统中，截止波长最长的模式最低哦，称之为基模，其余所有模式均为高次模。LP01最低工作模，LP11第一个高次模 0 12，单模光纤的双折射：在单模光纤中，电场沿x方向或y方向偏振的偏振模LPx及LPy，当它们的相位常数不相等是（即βx≠βy），这种现象称为模式的双折 射。 13，模式色散：光纤中的不同模式，在同一波长下传输，各自的相位常数βmn不同，它所引起的色散称之为模式色散。 材料色散：由于光纤材料本身的折射指数n和波长λ呈非线性关系，从而使光的传播速度随波长而变化，这样引起的色散称为材料色散。 波导色散：光纤中同一模式在不同的频率下传输时，其相位常数不同，这样引起的色散称为波导色散。 14，光孤子通信：光纤中所传输的光信号能够保持其脉冲波形的稳定，从而提高系统的传输距离。这种技术是通过光孤子来实现的，因而称为光孤子通信技术。 15，费米能级：物质中的电子不停地做无规则的运动，它们可以在不同的能级之间跃迁，费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律，它反映了物质中的电子 按一定规律占据能级。 16，自发辐射：处于高能级的电子在未受到外界激发的情况下自发地跃迁到低能级，在跃迁过程中，发射出一个能量为hv=E2-E1的光子。称之为自发辐射。 17，受激吸收：物质在外来电子的激发下，低能级上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过程叫做受激吸收。 18，受激辐射：处于高能级的电子，当受到外来电子的激发而跃迁到低能级时，发出一个能量为hv的光子。称之为受激辐射。 19，激光器组成：工作物质，泵浦源和光学谐振腔。 20，PIN光电二极管：在P-N结光二极管的P-N结两端材料做成重掺杂的P+层和N+层，这种结构的光电二极管称之为PIN光电二极管。 21，APD雪崩光电二极管：在二极管P-N结上加高反向电压，形成强电场；高场区光生载流子被加速，获得动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到能量；越过禁带到导带，产生了新的电子----空穴对；新产生的电子----空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子----空穴对…….循环下去，像雪崩 1 / 9 一样的发展。 22，响应时间：指半导体光电二极管产生的光电流随入射光信号变化快慢的状态。 23，暗电流：在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。 24，光放大器，优点，原理，结构图。将传输中已衰减和产生畸变的光信号转变为电信号，经放大，再生后恢复原来信号的形状和幅度，然后再转换为光信号继续传输的中继器。 25，耦合器：光纤通信系统或光纤测试中，如需要从光纤的主传输信道中取出部分光信号，作为监测，控制等使用；或需要把两个不同方向来的光信号合起来送入一根光纤中传输，完成上述功能的称之为光定向耦合器。 26，光隔离器，保证光信号只能正向传输的器件。 27，光环形器，保证光信号只能正向传输的器件，并有多个端口的器件。 28，光滤波器：光纤通信系统中，只允许一定波长的光信号通过的器件称为光滤波器。 29，光开关，能够控制传输通路中光信号通或断或进行光路切换作用的器件。 30，波长转换器：能够使信号从一个波长转换到另一个波长的器件。 31，波分复用：在一根光纤中能同时传输多波长光信号的技术。 32，光波分复用系统的结构与工作原理： 答：光波分复用器对不同波长光波的光信号进行合成与分离的器件，结构上分为单纤单向WDM系统和单纤多向WDM系统。 答：图3-47. 单纤单向WDM传输系统 33，光波分复用器的工作原理：光波分复用器对不同波长光波的光信号进行合成与分离的器件，同时器件的各端口可以作为输入端口，也可以作为输出端口。， 1.阶跃型光纤和渐变型光纤的主要区别是什么？ 答：阶跃型光纤的纤芯折射率n1沿半径方向保持一致，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而纤芯和包层的折射率在边界处呈阶段型变化。 渐变型光纤的纤芯折射率n1随半径加大而减小，而包层中的折射率n2是均匀的 2.什么是弱导波光纤？为什么标量近似解只适用于弱导波光纤？ 答：纤芯折射率n1与包层折射率n2差极小时，这种光纤称为弱导波光纤 在弱导报光纤中，光射线几乎与光纤轴平行，因此弱导波光纤中的E和H几乎与光纤轴线垂直，所以对于弱波导光纤中的E和H分布是一种近似的TEM波，这种波具有横向场的极化方向在传输过程中保持不变的横电磁波，可以看成为线极化波。而E和H近似在横截面上，而且空间指向基本不变，这样就可把一个大小和方向都沿传输方向变化的空间矢量E变为沿传输方向其方向不变的标量E，因此，它将满足标量的亥姆霍兹方程 3.什么是光纤的数值孔径？在阶跃型光纤中，数值孔径为什么等于最大射入角的正弦？ 答：光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为光纤的数值孔径 在阶跃型光纤中，由于纤芯中的折射指数n1是不变的，因此纤芯中的各点数值孔径不随半径r变化，所以只要小于最大入射角的所有射线均可被光捕捉 4.什么是光纤的归一化频率？如何判断某种模式能否在光纤中传输？ 答：光纤的归一化频率是一个直接与光的频率成正比的无量纲的重要参量，它仅仅决定于光纤的结构参数和波长。定义为它的平方为导波的径向归一化相位常数与导波的径向归一化衰减常数的平方和 对于阶跃型光纤，运用标量解的特征方程解出方程中的U（或W），从而确定传输常数β，分析其传输特性；对于渐变型光纤，也是通过确定出传输常数β，从而分析其传输特性 5.为什么说采用渐变型光纤可以减小光纤中的模式色散？ 答：模式色散是由于不同模式的光功率脉冲沿不同轨迹传输，由于每个模式的轴向传输速度不同，于是它们在相同的光纤长度上到达某一点所需要的时间不同，从而使得沿光纤行进的脉冲在时间上展宽。而渐变型光纤利用了n随r变化的特点，消除了模式色散 6.试推导渐变型光纤子午线的轨迹方程 答：P18 Z?? 如式：2-2-18 n0N0n(r)?nN22020dr?c 7. 什么是单模光纤？其单模传输条件是什么？ 答：单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单一基模的光纤 2 / 9 在阶跃单模光纤中，只传输LP01（或称HE11）模。 因为 LP01模的归一化截至频率为 Vc(LP11)=2.40483 而模式的传输条件是V>Vc可传，V≤Vc截至，因此，要保证光纤中只传输LP01一个模式则必须要求： VC(LP01) 答：在单模光纤中，电场沿x方向或y方向偏振的偏振模LPx及LPy，当它们的相位常数不相等时（即βx≠ βy），这种现象称为模式的双折射 9. 什么是光纤的色散？色散的大小用什么来描述？色散的单位是什么？ 答：光纤中传送的信号是由不同的频率成分和不同的模式成分构成的，它们有不同的传输速度，将会引起脉冲波形的形状发生变化。从波形在时间上展宽的角度去理解，也就是光脉冲在光纤中传输，随着传输距离的加大，脉冲波形在时间上发生了展宽，这种现象称为光纤的色散 10.什么是模式色散？材料色散？波导色散？ 答：模式色散：光纤中的不同模式，在同一波长下传输，各自的相位常数βmn不同所引起的色散 材料色散：由于光纤材料本身的折射指数n和波长λ呈非线性关系，从而使光的传播速度随波长而变化所引起的色散 波导色散：光纤中同一模式在不同的频率下传输时，其相位常数不同所引起的色散 11.什么是光纤的非线性效应？ 答：在强光场的作用下，光波信号和光纤介质相互作用的一种物理效应。主要包括两类：一类是由于散射作用而产生的非线性效应，如受激拉曼散射及布里渊散射；另一类是由于光纤的折射指数随光强度变化而引起的非线性效应 12.什么是受激拉曼散射和受激布里渊散射？ 答：如设入射光的频率为f0，介质分子振动频率为fv，则散射光的频率为：fs=f0士fv，这种现象称为受激拉曼散射 受激布里渊散射与受激拉曼散射相比较物理过程很相似，都是在散射过程中通过相互作用，光波与介质发生能量交换，但受激布里渊散射所产生的斯托克斯波在声频范围，其波的方向和泵浦光波方向相反，而受激拉曼散射所产生的斯托克斯波在光频范围，其波的方向和泵浦光波方向一致 13.自相位调制、交叉相位调制以及四波混频的基本概念是什么？ 答：光脉冲在传输过程中由于自身引起的相位变化而导致光脉冲频谱展宽的这种现象称为自相位调制 由光纤中某一波长的光强对同时传输的另一不同波长的光强度所引起的非线性相移，称为交叉相位调制 由三阶电极化率x参与的三阶参量过程，由于光纤中非线性效应的存在，光波之间会产生能量交换，三阶电极化率将会引起第四种频率的光波出项，该光波可以是三个入射光波频率的各种组合，因而产生四波混频现象 14.什么是光孤子通信？ 答：光孤子通信是利用光孤子来实现在光纤中所传输的光信号能够保持其脉冲波形的稳定，从而提高系统的传输距离 15.弱导波阶跃光纤纤芯和包层的折射指数分别为n1=1.5，n2=1.45，试计算： （1）纤芯和包层的相对折射指数差 （2）光纤的数值孔径NA 解：（1） 是弱导波光纤 n1?n2 n1 代入n1，n2得：??0.0333 可用公式：??（2）?NA?n12?n22?n12? ??0.01、纤芯半径a=25μm，若λ0=1μm，计算光纤的归一化频率值及其中传播的模数量。 ?Mmax ?代入数据可得归一化频率为：V?代入（1）中的 可得：NA?0.3873 16.已知阶跃光纤纤芯的折射指数为n1=1.5，相对折射指数差 解： ?V?2?n1k0a 又 ?k0?2??0?32.3216 V2?4代入数据可得：?Mmax?261 17.阶跃型光纤，若n1=1.5，λ0=1.31μm， 3 / 9 （1）若??0.01，当保证单模传输时，纤芯半径a应取多大？ （2）若去纤芯半径a=5μm，保证单模传输时，?应怎样选择？ 解：（1） 要保证单模传输，则要求： 0 ?V?2?n1k0a ?0?2?n1k0a?2.40483 0?2?0.01?1.5?代入数据可得： 2??0a?2.40483 ?得：0?a12?2.36358(?m) r??n(r)?n(0)?1?2?()a?a??18.渐变型光纤的折射指数分布为 求出光纤的本地数值孔径 aa?2?2NA(r)?n(0)1?2?()??n(a)22??NA(r)?n(r)?n(a)r??解： 得： a?a?a?????NA(r)?n2(0)?1?2?()a??n2(0)?1?2?()a??NA(r)?2n2(0)??1?()a?r?a? r????其中r为光纤纤芯中任一点到轴线之间的距离 1.光与物质间的相互作用存在哪三种基本物理过程？它们各自的特点是什么？ 答：三种基本物理过程：自发辐射、受激吸收以及受激辐射 自发辐射的特点： （1）这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，是自发跃迁 （2）由于发射出光子的频率决定于所跃迁的能级，而发生自发辐射的高能级不是一个，可以是一个系列的高能级，因此，辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽 （3）即使有些电子是在相同的能级差间进行跃迁的，也就是辐射出的光子的频率相同，但由于它们是独立地、自发地辐射，因此它们的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干光 受激吸收的特点： （1）这个过程必须在外来光子的激发下才会产生 （2）外来光子的能量等于电子跃迁的能级之差 （3）受激跃迁的过程不是放出的能量，而是消耗外来光能 受激辐射的特点： （1）外来光子的能量等于跃迁的能级之差 （2）受激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、偏振方向和传播方向都相同，因此称它们是全同光子 （3）这个过程可以使光得到放大。因为受激过程中发射出来的光子与外来光子是全同光子，相叠加的结果使光增加，使入射光得到放大，所以受激辐射引起光放大，是产生激光的一个重要的基本概念 2. 什么是粒子数反转分布？怎样才能实现光放大？ 答：低能级上的粒子密度大于表示高能级上的粒子密度，这种粒子数一反常态的分布称为粒子数反转分布。 为了使物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也就是必须使N2>N1，而在正常状态时N2 3.构成激光器必须具备的条件是什么？ 答：激光器必须包括以下三部分：能够产生激光的工作物质，能够使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。 4.什么是激光器的阈值条件？ 答：激光器需满足一定的条件才可以发出激光，要使激光器产生自激振荡，最低限度应要求激光器的增益刚好能抵消它的衰减。将激光器能产生激光振荡的 4 / 9 最低限度称为激光器的阈值条件 阈值条件为：Gt????i?11ln2lr1r2 5.简述半导体的光电效应？ 答：光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电子—空穴对，又称光电子载流子。 光生载流子在外加负偏压和内建电电场的作用下，在外电路中出现光电流，从而在电阻R上有信号电压产生。这样，就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用。 6.什么是雪崩增益效应？ 答：在半导体的P-N结上加高反向电压，在结区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了能量；越过禁带到导带，产生了新的-空穴对；新产生的电子-空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子-空穴对……如此循环下去，像雪崩一样的发展，从而使光电流在管子内部获得了倍增，这种现象叫做雪崩增益效应 7.试比较P-N结光电二极管、PIN光电二极管以及APD雪崩光电二极管的优缺点 答：P-N结光电二极管优点：简单； 缺点：P66 第一段 在P-N结中，由于有内建电场的作用（对应在图3-23（b）中，内建电场使耗尽层的能带形成一个“斜坡”----位垒）， 光电子和光空穴的运动速动加快，从而使光电流能快速地跟着光信号变化，即响应速度快。然而，在耗尽层以外产生的光电子和光空穴，由于没有内建电场的加速作用，运动速度慢，因而相应速度低，而且容易发生复合，使光电转换效率低，这是不希望的。 PIN光电二极管优点：P66 第二段；为了改善光电检测器的相应速度和转换效率，显然，适当加大耗尽层的宽度是有利的。为此，在制造时，在P型材料和N型材料之间加一层掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic，本征的）层，如图3-24所示。由于是轻掺杂，因此电子浓度很低，经扩散作用后可形成一个很宽的耗尽层。 缺点：P76 第五段；在长途光纤通信系统中，仅有毫瓦数量级的光功率从发射机输出，经过几十千米光纤的传输衰减，到达光接收机 处的光信号将变得十分微弱。为了能使数字光接收机的判决电路正常工作，需要采用放大器。放大器将引入噪声，从而使光接收机的信噪比降低，光接收机的灵敏度降低。 APD雪崩光电二极管优点：P76 最后一段和P77 第一段；雪崩光电二极管的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加高方向电压（一般为几十伏或几百伏），在结区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到能量；越过禁带到导带，产生了新的电子----空穴对；新产生的电子----空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子----空穴对…….循环下去，像雪崩一样的发展，从而使光电流在管子内部获得了倍增。 缺点：P77 倒数第二段；雪崩倍增效应的随机性会带来它的不利方面，就是这种随机性将引入噪声。 8.画出EDFA的结构示意图，并简述各部分的主要作用。 答： P71 图3-27 掺铒光纤放大器结构示意图： 主要作用：在图3-27下的五段 光耦合器是：将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来的无源光器件，一般采用波分复用器（WDM）。 光隔离器是：防止反射光影响光放大器的工作稳定性，保证光信号只能正向传输的器件。 掺铒光纤是：一段长度为10～100m的掺铒石英光纤。将稀土元素饵离子Er3+注入到纤芯中，浓度约为25mg/kg. 泵浦光源为：半导体激光器，输出光功率为10～100mW，工作波长为0.98μm。 光滤波器：的作用是滤除光放大器的噪声，降低噪声对系统的影响，提高系统的信噪比。 9.简述EDFA的工作原理 答： P71-P72 （2）EDFA的工作原理中内容 工作原理就是在泵浦的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大。 10.EDFA的主要特征指标是什么？说明其含义。 答： P72 “3.EDFA的主要特征参数” 这一部分 功率增益：定义为（功率增益=10log×输出光功率/输入光功率（dB）），它表示了光放大器的放大能力，增益的大小与泵浦光功率以及光纤长度等诸多因素有关。 5 / 9
光纤通信复习题
