光通信整理

一、填空题

序号	内容
1	1966 年，在英国标准电信实验室工作的华裔科学家高锟首先提出用石英玻璃纤维作为光纤通信的媒质，为现代光纤通信奠定了理论基础。
2	光纤传输是以光波作为信号载体，以光纤作为传输媒质的传输方式。
3	光纤通常由纤芯、包层和涂覆层三部分组成。
4	根据光纤横截面上折射率分布的不同将光纤分为阶跃型和渐变型。
5	光纤色散主要包括材料色散、模式色散、波导色散和偏振模色散。
6	光纤通信的最低损耗波长是 1550 nm，零色散波长是 1310 nm。
7	数值孔径表示光纤的集光能力，其公式为 $NA=\sqrt{n_1^2 -n_2^2}$。
8	阶跃孔径的相对折射率差公式为 $\Delta=\frac{n_1 -n_2}{n_1}$。
9	光纤通信中常用的低损耗窗口为 850nm、1310nm、1550nm。
10	$V$ 是光纤中的重要结构参量，称为归一化频率，其定义式为 $V=\frac{2\pi a}{\lambda_0}\sqrt{n_1^2 -n_2^2}$。
11	LP 模式是任何光纤中都能存在、永不截止的模式，称为基模或主模。
12	阶跃折射率光纤单模传输条件为 $V<2.405$。
13	电子在两能级之间跃迁主要有 3 个过程，分别为自发发射、受激辐射和受激吸收。
14	光纤通信中最常用的光源为半导体激光器和发光二极管。
15	光调制可分为直接调制和间接调制两大类。
16	光纤通信中最常用的光电检测器是光电二极管和雪崩光电二极管。
17	掺铒光纤放大器 EDFA 采用的泵浦源工作波长为 1480nm 和 980nm。
18	STM-1 是 SDH 中基本同步传输模块，其标准速率为 155.520Mbit/s。
19	单信道光纤通信系统功率预算和色散预算的设计方法有两种：统计设计法和最坏值设计法。
20	光纤通信是以光波为载频，以光纤为传输介质的通信方式。
21	光纤单模传输时，其归一化频率应小于等于 2.405。
22	数值孔径表示光纤的集光能力，其公式为：$NA=\sqrt{n_1^2 -n_2^2}$。
23	所谓模式是指能在光纤中独立存在的一种电磁场分布形式。
24	传统的 0/E/0 再生器具有 3R 功能，即在再整形、再定时和再生功能。
25	按射线理论，阶跃型光纤中光射线主要有子午光线和斜射线两类。
26	光纤中的传输信号由于受到光纤的损耗和色散的影响，使得信号的幅度受到衰减；波形出现失真。
27	半导体材料的能级结构不是分立的单值能级，而是有一定宽度的带状结构，称为能带。
28	半导体 P-N 结上外加负偏压产生的电场方向与内电场方向一致，这有利于耗尽层的加宽。
29	采用渐变型光纤可以减小光纤中的模式色散。
30	SDH 网中，为了便于网络的运行、管理等，在 SDH 帧结构中设置了开销比特（或管理比特）。
31	SDH 的 STM-N 是块状帧结构，有 9 行，270×N 列。
32	处于粒子数反转分布状态的工作物质称为激活物质（或增益物质）。
33	EDFA 的泵浦结构方式有：a、同相泵浦结构；b、反相泵浦结构；c、双向泵浦结构。
34	灵敏度和动态范围是光接收机的两个重要特性指标。
35	随着激光器温度的上升，其输出光功率会减少。
36	目前，通信光纤的纤芯和包层绝大多数是由石英材料构成的。
37	在阶跃型（弱导波）光纤中，导波的基模为 $LP_{01}$。
38	根据光纤中的传输模式数量分类，光纤可分为多模光纤和单模光纤。
39	LD 是一种阈值器件，它通过受激发光发光，而 LED 通过自发发射发光。
40	光纤色散主要包括模式色散、材料色散和偏振模色散。
41	常见的光线码型大体可以归纳为 3 类：扰码二进制、字变换码和插入型码。
42	在一根光纤中同时传播多个不同波长的光载波信号称为光波分复用。
43	允许单模传输的最小波长称为截止波长。
44	在 1.3 μm 波段进行光放大常用掺镨光纤放大器，1.55 μm 波段通常用掺铒光纤放大器。
45	导模的传播常数的取值范围为：$k_0n_2<β<k_0n_1$。
46	量子效率是用来衡量激光器的转换效率的高低，其主要分为内量子效率、外量子效率和外微分量子效率。
47	典型的光电瞬态响应有：光电延迟、张弛振荡和自脉动。
48	掺铒光纤放大器 EDFA 采用的泵浦源工作波长为 1480nm 和 980nm。
49	自愈环结构可以分为两大类：通道倒换环和复用段倒换环。
50	一般来说，无电中继传输距离超过 1000km 的系统被称为长距离传输系统，超过 2000 km 的被称为很长距离，超过 3000 km 被称为超长距离传输系统。
51	系统容量和传输距离（无电中继）是衡量长距离 WDM 光传输系统性能的两个基本指标。

二、名词解释

序号	内容
1	瑞利散射是光纤材料的本征散射，它是由于光纤中折射率在微观上的随机起伏所引起。石英光纤在加热拉制过程中，由于热骚动，使原子得到的压缩不均匀，这使物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀，这种不均匀性在冷却的过程中被固定下来。这种不均匀度与波长相比是小尺寸的，因此产生的散射称为瑞利散射。
2	一种将零色散移到波长 1.55 μm 而该处损耗又最小的光纤。
3	处于高能级的电子，在受到外来能量为 $h\nu=(E_2–E_1)$ 的光子激发的情况下，跃迁到低能级，从而发射出一个和激发光子相同的光子的过程称为受激辐射。
4	将激光器 LD 或发光二极管 LED 的驱动电流用叠加在偏置电流上的电信号进行调制，由此实现对 LD 或 LED 输出的光强度进行调制的方式称为直接调制。使 LD或 LED 在一定的驱动电流下输出固定强度的光，再通过光调制器使输出光的信息随电信号而变化，将这种调制方式成为间接调制。
5	处在一个子午面（包含光纤轴线的平面）内，经过光纤的轴线在周围边界界面间作内部全反射的光线称为子午光线。
6	纤芯折射率与包层折射率差极小的光纤。
7	当 LD 注入电流达到将产生激光时的电流值称为阈值电流。
8	最坏值设计法是系统设计中最常用的方法，这种方法在设计再生段距离时，将所有参考值都按最坏值选取，而不管其统计分布如何。

二、名词解释：

1. 瑞利散射：是光纤材料的本征散射，由于光纤中折射率在微观上的随机起伏所引起。石英光纤在加热拉制过程中，由于热骚动，使原子得到的压缩不均匀，这使物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀，这种不均匀性在冷却的过程中被固定下来。这种不均匀度与波长相比是小尺寸的，因此产生的散射称为瑞利散射。

2. 色散位移光纤：一种将零色散移到波长1.55μm而该处损耗又最小的光纤。

3. 受激辐射：处于高能级的电子，在受到外来能量为hγ=(E₂−E₁)的光子激发的情况下，跃迁到低能级，从而发射出一个和激发光子相同的光子的过程称为受激辐射。

4. 直接调制和间接调制：将激光器LD或发光二极管LED的驱动电流用叠加在偏置电流上的电信号进行调制，由此实现对LD或LED输出的光强度进行调制的方式称为直接调制。使LD或LED在一定的驱动电流下输出固定强度的光，再通过光调制器使输出光的信息随电信号而变化，将这种调制方式称为间接调制。

5. 子午光线：处在一个子午面（包含光纤轴线的平面）内，经过光纤的轴线在周围边界面间作内部全反射的光线。

6. 弱导波光纤：纤芯折射率与包层折射率差极小的光纤。

7. 阈值电流：当LD注入电流达到将产生激光时的电流值。

8. 最坏值设计法：最坏值设计法是系统设计中最常用的方法，这种方法在设计再生段距离时，将所有参考值都按最坏值选取，而不管其统计分布如何。

三、简答题：

1. 光纤通信发展至今经历了哪些里程碑？

参考答案：

1. （1）20世纪60年代初期，光纤通信发展史上迎来了第一个里程碑，世界上第一台相干振荡光源红宝石激光器问世，给光通信带来了新的希望；（2）1966年华裔科学家C. K. Kao博士和G. A. Hockham，对光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的论文，1970年，美国康宁玻璃公司的Kapron博士等人研制出传输损耗仅为20dB/km的光纤，这是光纤通信发展史上的一个里程碑。（3）1985年，南安普敦大学的Mears等人制成了掺铒光纤放大器(EDFA)（4）1993年K. Hill等人提出了使用相位掩膜法制造光纤光栅，使得全光器件的研制和集成成为可能，光纤光栅、全光纤光子器件、平面波导器件及其集成的出现是光纤通信史上的又一个里程碑。

2. 应用于光纤通信系统的光源应该具备什么要求？

参考答案：

2. 光纤通信系统均采用半导体发光二极管（LED）和激光二极管（LD）作为光源。这类光源具有尺寸小、耦合效率高、发射波长在光纤中低损耗传输，响应速度快、波长和尺寸与光纤适配，并且可在高速条件下直接调制等优点。

3. 由P-I曲线知，半导体激光器是阈值型器件，简述激光器随着注入电流的不同而经历的几个典型阶段。

参考答案：

3. 半导体激光器是一个阈值器件，它的工作状态随注入电流的不同而不同。当注入电流较小时，有源区里不能实现粒子数反转，自发发射占主导地位，激光器发射普通的荧光，其工作状态类似于一般的发光二极管。随着注入电流的加大，有源区里实现了粒子数反转，受激辐射占主导地位，但当注入电流小于阈值电流时，谐振腔里的增益还不足以克服损耗，不能在腔内建立起一定模式的振荡，激光器发射的仅仅是较强的荧光，这种状态称之为“超辐射”状态。只有注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐、模式明确的激光。

4. 光纤中产生损耗的主要因素是什么？光纤中有哪些损耗？

参考答案：

4. 由于吸收和散射的原因使光纤发生损耗。光纤中发生损耗的原因，有来自光纤本身的损耗，也有光纤与光纤的耦合损耗以及光纤之间的连接损耗，如熔接损耗，弯曲损耗，端面损耗，光学损耗等。光纤本身的损耗有吸收损耗（本征吸收、杂质吸收）和散射损耗（瑞利散射、结构缺陷散射）。本征损耗是光纤基础材料固有的吸收，并不是杂质或者缺陷所引起的。本征损耗特点是确定了某一种材料吸收损耗的下限，与波长有关。

5. 简述雪崩光电二极管的工作原理。

参考答案：

5. 当在光电二极管上加反向电压，使其耗尽区内的电场强度大于105V/cm时，光生载流子在强电场作用下高速通过耗尽区向两极移动。在移动过程中，由于碰撞游离而产生更多的新载流子，形成雪崩现象，从而使流过二极管的光电流成百倍地增加。利用光生载流子雪崩效应工作的PN结光电二极管就是APD。

6. 光纤通信技术的特点。

参考答案：

6. 传输容量大；传输损耗小，中继距离长；抗干扰性好，保密性强，使用安全；材料资源丰富，可节约金属材料；重量轻，可绕性好，敷设方便；缺点是组件昂贵，光纤质地脆，机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小。

7. 单模光纤中有那几种色散？色散对光纤通信系统有什么影响？

参考答案：

7. 单模光纤中有材料色散、波导色散和偏振色散。色散使得输出光信号脉冲被展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量和传输距离。

8. 半导体激光器产生激光需要那些条件？光纤通信对半导体发光器件有哪些基本要求？

参考答案：

8. 条件：1）粒子反转分布条件（粒子能从“价带”泵浦到“导带”上）。2）阈值条件（要有足够的能量使粒子泵浦到一定程度）。3）选频机制（筛成单色光）。

基本要求：1）光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口：即短波长波段的0.85μm和长波长波段的1.31μm和1.55μm。2）能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。3）与光纤耦合效率高。4）光源的谱线宽度窄。5）寿命长，工作稳定。

9. 简述掺铒光纤放大器的工作原理。

参考答案：

9. 掺铒光纤放大器的工作原理：在掺铒光纤中，低能级的电子吸收泵浦光的能量，由基态跃迁至处于高能级的泵浦态。由于泵浦态上载流子的寿命时间只有1μs，电子迅速以非辐射方式由泵浦态豫驰至亚稳态，在亚稳态上载流子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现了粒子数反转分布。信号光使得亚稳态上的电子以受激辐射的方式跃迁到基带上，对应于每一次跃迁，都将产生一个与信号光子一样的光子，此信号光子与电子（受激辐射）一起发射出去，实现了光放大。

10. 请写出激光产生的必要充分条件，并加以简单论述。

参考答案：

10. 答：激光产生的必要条件：

1）粒子数反转分布（1分）

当光束通过原子或分子系统时，一般情况下绝大部分粒子数处于基态；而如果激发态的电子数远远多于基态电子数，就会使激光工作物质中受激发射占支配地位，这就是工作物质“粒子反转分布”状态。（2分）

2）减少振荡模式数（1分）

想要得到方向性很好、单色性很好的激光，仅有激活介质是不够的，这是因为：第一，在反转分布能级间的受激发射可以沿各个方向产生，第二，激发出的光可以有很多频率，对应很多模式，难以形成单色亮度很强的激光。欲使光束进一步加强，就必须使光束来回往复地通过激活介质，使之不断地沿某一方向得到放大，并减少振荡模式数目。（2分）

激光产生的充分条件：

1）起振条件——阈值条件（1分）

光在谐振腔内传播时，光在镜面上总有一部分透射损失，且镜面和腔内激活介质总还存在着吸收、散射等损失，因而只有光的增益能超过这些损失时，光波才能被放大，从而在腔内振荡起来，称这个条件为振荡阈值条件。（2分）

2）稳定振荡条件——增益饱和效应（1分）

当入射光强增加到一定程度时，增益系数将随光强的增大而减小并最终达到稳定，这种现象称为增益饱和效应。（2分）