光纤通信.doc

如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流1.2.3.4.5.6.7.8.9.10. 光纤通信【精品文档】第 6 页11. 光纤通信为什么能够成为一种主要的通信方式？光纤利用光波来传输数码信息，每秒传输信息以数十亿位计算，远超过铜线与同轴电缆可以提供的带宽，是网络时代必不可少的工具。而且光纤通讯还具有低损耗、高容量、不受电磁波干扰、以及保密性佳等一系列优点。12. 光纤通信系统由哪几部分组成？并说明各部分在系统中所完成的功能。一个完整的光纤通信系统包括两个光端机和一个中继站，由光纤组成的光缆作为其传输线路。光端机分为发送端和接收端。发送端的功能在于将电信号转换成光信号送入光纤进行传播。接收端的功能在于光检测，它将光信号还原成电信号。中继站的功能则是将接收的光信号转换为电信号，经过判决再生的电处理后，再把电信号转换成光信号，从而达到了延长传输距离之目的。3.现有光纤通信使用的光波长有哪几种？对应的频率是多少？它们在整个电磁波谱中处在什么位置？光纤通信系统的工作波长都选择在0.85 m、1.31 m 或1.55 m，特别是1.31 m和1.55 m应用更加广泛。 三个波长对应的频率分别为：352.9THz，229.0THz，193.5THz，在电磁波谱中都在近红外区域4.光纤通信系统采用怎样的光源？这类光源具有什么优点目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(或称激光器)(LD)；激光光源； 优点： 输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长5.什么是直接调制？什么是间接调制？各有什么特点直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的,如下图（a）所示；其特点是：技术简单， 成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制 间接调制是把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的，如图（b）所示。优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。6.常用的光无源器件有哪些？光隔离器，光环形器，光衰减器，光开关，光纤光栅等。7.对光纤连接有哪些技术要求？必须具备损耗低、体积小、重量轻、可靠性高、便于操作、重复性和互换性好以及价格低廉等优点。8.简述光衰减器的工作原理及作用作用：光衰减器是用来稳定地、准确地减小信号光功率的无源器件。它是光功率调节所不可缺少的器件。工作机理主要有三种：1）耦合型光衰减器。它是通过输入、输出光束对准偏差的控制来改变光耦合量的大小，从而达到改变衰减量的目的。（2）反射型光衰减器。它是在玻璃基片上镀反射膜作为衰减片。光透过衰减片时主要是反射和透射。由膜层厚度的不同来改变反射量的大小，从而达到改变衰减量的目的。为避免反射光的再入射影响衰减器性能的稳定，光线不能垂直入射到衰减片上，需将两块衰减片按一定倾斜角对称地排列为八字形。（3）吸收型光衰减器。它是采用光学吸收材料制成的衰减片，对光的作用主要是吸收和透射，其反射量很小。因而光线可垂直入射到衰减片上，而可简化结构和工艺，使器件体积和重量变得较小9.简述光隔离器的工作原理及作用光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件。它的作用是防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响。光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应：在光隔离器的结构中，起偏器与检偏器的透光轴之间成45°的夹角。旋光器在加电时可使通过的光的偏振方向发生45°的旋转（如图中逆光方向看逆时针旋转了45°）。当平行于纸面的偏振光按光隔离器通光方向入射时，由于该光与起偏器透光轴方向一致，因此全部通过。经旋光器后，其光轴旋转了45°角，恰好与检偏器透光轴的方向相同，也全部通过。因此，在光隔离器通光方向传输的光可以获得低损耗传输反之，逆光隔离器通光方向入射的光能到达旋光器的只是与检偏器光轴一致的那一部分光。这一部分光经过旋光器后偏振方向发生了45°角旋转，变成水平线偏振光，正好与透光轴垂直，被起偏器阻止而不能够通过。因此，在逆光隔离器通光方向上传输的光可以获得高损耗传输。 注：上面列举的是偏振相关光隔离器，还有一种是偏振无关型光隔离器10.简述光开关的工作原理及用途用途：光开关是一种光路控制器件，起着进行光路切换的作用，可以实现主/备光路切换，光纤、光器件的测试等，在光纤通信中有着广泛的应用。 原理：1.机械式光开关 机械式光开关是通过机械运动实现不同光纤端口之间的相对连接，解决的办法无非是相对移动光纤或相对移动光学元件。2.微机械式光开关（MEMS） 微机械式光开关可以看成是机械开关的微小尺寸实现，由于机械部件的尺寸大幅度缩小和其质量大幅度降低，这对于提高控制速度、缩小器件体积、增加集成度具有重要意义。3.液晶光开关 大部分液晶光开关是基于对偏振的控制，一路偏振光被反射，而另一路可以通过。通过用外电场控制液晶分子的取向，可以实现开关功能 4.气泡式光开关 这种光开关由许多交叉的硅波导和经过交叉点的沟道组成，沟道中填充特定的折射率匹配液。缺省条件下，入射光可沿着波导无交换地传输。当需要交换时，一个热敏硅片会在液体中波导交叉点处产生一个气泡，气泡将入射波导中的光信号全部反射至输出波导，以实现光路的选择、转换。11.光纤活动连接器的结构12. 光环形器的工作原理及特点 光环行器是一种多端口非互易光学器件。原理：当光由端口1输入时，光几乎毫无损失地由端口2输出，其它端口处几乎没有光输出；当光由端口2输入时，光几乎毫无损失地由端口3输出，其它端口处几乎没有光输出，以此类推。这N个端口形成了一个连续的通道。特点：光环形器的非互易性使其成为双向通信中的重要器件，它可以完成正反向传输光的分离任务。光环形器在光通信中单纤双向通信、上/下话路、合波/分波及色散补偿等领域有广泛的应用。13. 光环形器在单纤双向光纤通信中的应用14.光环形器在色散补偿方面的应用 如下图，为其原理图：长波长在近端反射，短的波长在远端反射，从而有不同的时延，即出现色散，这样就可对经过光纤系统传输的被展宽的脉冲进行色散补偿，恢复脉冲原有形状。15.应用于商用系统的波分复用器有哪几种？有何特点？波分复用/解复用器主要有光栅型、干涉滤波片型、阵列光波导型和熔锥型四种基本形式。特点如下：光栅形：其特点是能将大部分能量衍射到所需的能级上，器件插入损耗不随复用信道数的增加而增加，但是，闪耀光栅制造困难，成本高。 干涉滤波片型：除透过率高，带宽窄外，其中心波长温度系数可小于3pm/°C。同时，DWDM系统市场的日益增长也使多腔介质膜窄带滤光片的批量成本降低。另外，这种方案还可利用成熟的微光透镜耦合技术，因而从性能及成本上比较，目前干涉介质膜窄带滤光片型DWDM器件为市场普遍所接受。  阵列光波导型：就可以制造任意技术要求的波分复用器件，并且器件体积小，便于批量生产。光梳状滤波器：光梳状滤波器是一种三端口光分波/合波装置，用于光波分复用通信领域。熔锥型：利用消逝波耦合原理进行分波或合波。它的优点是制作容易，使用方便，缺点是复用的两波长差较大，不适合于密集波分复用。  16.光放大器分为哪几类？光放大器是采用光的各种受激放大机理制作的直接对光信号进行放大的设备。从工作介质上分类，光放大器有以下三类：（1）掺稀土元素光纤放大器，（2）非线性光学光纤放大器。（3）半导体光放大器（LD光放大器）17.简述掺铒光纤放大器的优点1.55m掺铒光纤放大器（EDFA）：有效率高、输出功率高、频带宽、噪声低、与偏振无关及与光纤耦合容易等特点。特别是，EDFA已经实用化和商品化。18、EDFA在光纤通信中的主要应用1、EDFA作为线路中继器 2、EDFA作为接收机前置放大器 3、 EDFA作为光发射机的后置放大4、EDFA作为光无源器件的补偿放大器19.简述掺铒光纤放大器（EDFA）的基本结构及其放大原理结构：前向泵浦结构，后向泵浦结构，双向泵浦结构。原理：利用光的受激放大原理对信号光进行放大工作介质先从泵浦源中吸收足够的能量储存在自身中，当输入信号光经过工作介质时两者将发生受激作用，输入光信号从工作介质中获得能量形成放大了的输出信号光，而工作介质中储存的能量也发生损失。紧接着，工作介质又从泵浦源中吸收能量，这样的过程不断重复，使源源不断的输入信号光的放大得以继续下去。20.光环形器在上下话路系统中的应用21.为何光纤通信中要进行色散补偿 自从光纤通信商用开始，至今20余年，国内外已大量敷设了常规单模光纤(G652)的光缆，这类光缆工作在1550nm波段时，有18ps/nm·km的色散，成为影响中继距离的主要因素。所以，对高速率长距离的系统必须要考虑色散补偿问题。22.EDFA中掺铒光纤结构及其广场分布EDF的铒浓度一般在1001000ppm间，集中在24m的纤芯中，EDF的长度一般在1030m。23.EDFA的泵浦波长根据掺铒光纤的能级特点，EDFA的泵浦波长有1.48m、0.98m、0.807m、 0.655m及0.514m。24.EDFA中的3dB饱和增益在理想的光放大器中，不管输入功率多高，光信号都能按同一比例被放大，而实际的光放大器并非如此：输入功率小时，光放大器的增益为一常数Gs（Gs称为小信号增益)，随着输入光功率的增加，光放大器的增益反而减小。我们把这种现象称为光放大器的增益饱和现象。增益Gs-3dB称为 3dB饱和增益。光放大器的最大输出功率常用3dB饱和输出功率P sat来表示Psat 定义为 3dB饱和增益所对应的输出信号光功率。25、DWDM（密集光波分复用）的优点和特点 波分复用技术可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几十倍甚至上百倍。在大容量长途传输时可以大量节约光纤，有效应付光纤耗尽现象，不必对原有系统作较大的改动即可比较方便地进行扩容26.为何DWDM系统中需要EDFA光信号在DWDM时，存在很大的损耗，光信号的功率会下降。传统的中继器采用光电光的转换方式对光信号进行放大，但它存在以下缺点：价格昂贵、设备复杂且可靠性不高、使用不便，不适应于DWDM光纤通信系统；掺铒光纤放大器（EDFA）有效率高、输出功率高、频带宽、噪声低、与偏振无关及与光纤耦合容易等特点。采用EDFA的DWDM系统可以大幅降低线路及中继器的成本，进而降低信息的传输成本27.设计一个DWDM系统光功率放大光波长复用器光波长分用器光功率放大光线路放大28.光栅光纤的结构特点和制造原理及方法应用 结构特点：折射率周期性变化 制造原理：基于光纤光栅的光敏特性，可以利用紫外光将特定的波导结构写入到光纤中，形成满足各种应用要求的光纤光栅器件 方法应用：色散补偿，EDFA的增益平坦，.光纤激光器，分布反馈式(DBF)激光器，光纤光栅传感器29.光纤光栅有哪两大结构特点，各对应什么应用分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅 。其中均匀光纤光栅为滤波型光栅，典型应用如下图所示：非均匀光纤光栅为色散补偿光栅，典型应用如下图所示：30.如何用光纤光栅和环形器构成的多波长分插复用器多路波长信号1，2，n进入环形器1的1端口，从其2端口输出，经过中心波长为1的光纤光栅，波长为1的信号被反射回去，进入环形器1的2端口，从环形器1的3端口输出，即从多波长信号中的下话路1输出。类似的，上话路信号1从环形器2的1端口输入，从其2端口输出，被光纤光栅反射回来又进入环形器2的2端口，从而与其它波长信号一起从环行器2的3端口输出，实现上话路。31.干涉滤波片型波分复用器从公共端光纤输入的八个波长的光信号被自聚焦透镜准直器入射到中心波长为1的干涉介质膜窄带滤光片上。滤光片与入射光束成一定夹角，使得窄带滤光片只透射1波长，并经第一信道的接收准直器后耦合进输出光纤，而其余波长的光信号则被反射到下一级滤光片。由此可依次选出相应的光波长/光信道。32. 光纤光栅和环形器构成的波分复用33.光发射机基本组成及方框图 基本组成：光源和电路两部分。方框图如下：34.数字光发射机的功能电端机输出的数字基带电信号转换为光信号用耦合技术注入光纤线路用数字电信号对光源进行调制 35.光接收机中对光检测器的要求(1) 波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 m、 1.31 m和1.55 m)兼容；(2) 响应度要高， 在一定的接收光功率下， 能产生最大的光电流。3) 噪声要尽可能低， 能接收极微弱的光信号；(4) 性能稳定，可靠性高， 寿命长， 功耗和体积小。 36.mBnB码 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。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37.“码字数字和”（WDS）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“”码，整个码字的代数和即为WDS。38.准同步数字系列（PDH）准同步数字系列有两种基础速率：以1.544 Mb/s为第一级(一次群，或称基群)基础速率，采用的国家有北美各国和日本；以2.048 Mb/s为第一级(一次群)基础速率， 采用的国家有西欧各国和中国，各次群的话路数按4倍递增，速率的关系略大于4倍。PDH各次群比特率相对于其标准值有一个规定的容差，而且是异源的，通常采用正码速调整方法实现准同步复用。39.同步数字系列（SDH）其英文名称为：synchronous digital hierarchy。它为国际光传送网标准。包括同步方式复用、交叉连接、传输，目的是使正确适配的净负荷在物理传输网上以固定比特率传输。SDH是在PDH的基础上发展起来的一种数字传输技术体制。在SDH方式中，各个系统的时钟在同步网的控制下处于同步状态，易于进行复用和分离。40.与PDH相比SDH具有的特点(1) SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。 最低的等级也就是最基本的模块称为STM-1，传输速率为155.520 Mb/s； 4个STM-1 同步复接组成STM-4，传输速率为622.080 Mb/s； 16个STM-1 组成STM-16, 传输速率为2488.320 Mb/s，以此类推。(2) SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范。因此， 光接口成为开放型接口，这有利于建立世界统一的通信网络。 标准的光接口综合进各种不同的网络单元，简化了硬件，降低了网络成本。(3) 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。(4) 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。(5) 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。41.SDH网络的主要特点是？端到端之间存在一条以上的路径，可同时构成一条以上的传输通道，通过DXC的灵活配置，使网络具有更好的抗毁性和更高的可靠性42.SDH网络的网元设备有哪些？ADM（分插复用设备），SDH终接设备（SDH终端复用器TM），DXC（数字交叉连接设备）。43.SDH帧结构(1) 段开销(SOH)。 段开销是在SDH帧中为保证信息正常传输所必需的附加字节(每字节含64 kb/s的容量)，主要用于运行、维护和管理，如帧定位、误码检测、公务通信、自动保护倒换以及网管信息传输。 (2) 信息载荷(Payload)。信息载荷域是SDH帧内用于承载各种业务信息的部分。在Payload中包含少量字节用于通道的运行、 维护和管理， 这些字节称为通道开销(POH)。(3) 管理单元指针(AU PTR)。管理单元指针是一种指示符， 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)。一个STM-N帧有9行，每行由270×N个字节组成。这样每帧共有9×270×N个字节， 每字节为8 bit。帧周期为125s， 即每秒传输8000帧。对于STM-1而言，传输速率为9×270×8×8000=155.520 Mb/s。注：字节发送顺序为：由上往下逐行发送，每行先左后右。