EDFA光纤放大器原理及应用(5)_图文_百度文库
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EDFA光纤放大器原理及应用(5)
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你可能喜欢要自信，绝对的自信，无条件的自信，时刻自信，即使；《光纤通信》画图题练；习公布；精选精炼+课后精讲（QQ在线讲解）；张延锋；；忍人之所不能忍，方能为人知所不能为！！！；画图题练习；一、常规题练习；1.请画出光纤系统的组成，尽量的细化；2.请画出最基本的能带图；3.请画出半导体中光的自发辐射基本原理图；4.请画出半导体中光的吸收基本原理图；5.
要自信，绝对的自信，无条件的自信，时刻自信，即使在错的时候！！！
《光纤通信》画图题练
精选精炼+课后精讲（QQ在线讲解）
忍人之所不能忍，方能为人知所不能为！！！
画图题练习
一、 常规题练习
1. 请画出光纤系统的组成，尽量的细化。
2. 请画出最基本的能带图。
3. 请画出半导体中光的自发辐射基本原理图。
4. 请画出半导体中光的吸收基本原理图。
5. 请画出半导体中光的受激发射基本原理图。
6. 请画出模拟、数字电流信号对激光器的调制曲线图。
7. 请画出直接调制及外调制的基本原理图。
8. 请画出阶跃型光纤的基本结构。
9. 请画出数字信号在光纤链路上传输示意图。
10. 试画出光放大器的基本原理图。
11. 试画出阶跃折射光纤最低阶模式HE11的横向电场截面分布示意图。
12. 试画出阶跃折射光纤最低阶模式TE01的横向电场截面分布示意图。
13. 试画出阶跃折射光纤最低阶模式TM01的横向电场截面分布示意图。
14. 试画出阶跃折射光纤最低阶模式HE21的横向电场截面分布示意图。
15. 试画出线性啁啾光栅补偿色散的工作原理示意图。
16. 试画出晶体中的能级分布示意图。
17. 请画出双异质结的结构示意图。
18. 请画出半导体激光器的P-I特性曲线示意图。
19. 试对激光器的瞬态特性作出一定图解。
20. 试画出超辐射发光二极管的P-I特性曲线示意图。
21. 试画出面发光二极管的P-I特性曲线示意图。
22. 试画出边发光二极管的P-I特性曲线示意图。
23. 请画出发光二极管的调制原理图。
24. 请画出数字光发射机的组成示意图。
25. 试画出外调制光发射机的基本组成示意图。
26. 请画出光检测器的工作原理示意图。
27. 试画出模拟光接收机的原理框图。
28. 试画出数字光接收机的原理框图。
29. 试画出EDFA的典型结构示意图。
30. 试画出EDFA的工作原理示意图。
31. 请对EDFA中的均衡滤波器的作用作出一定的图解。
32. 试画出光纤耦合器的几种结构示意图。
33. 请画出WDM的工作原理框图。
34. 试画出光纤网络的几种拓扑结构示意图。
35. 请画出SONET的基本帧结构示意图。
36. 请画出STM-1的帧结构示意图。
二、 新增题型练习：据图回答问题
1. 阅读下图，按要求完成各题。
（1）上图为
的构成方框图。
（2）上图中的
作用是防止反射光影响光放大器的工作稳定性。
（3）其中光耦合器（在上图中是）的作用是把信号光和泵浦光混合起来。
（4）其中的掺珥光纤：长约10-100m， Er3+浓度约为
（5）泵浦光源使得形成粒子数反转分布，光功率为10-100mW，工作波长
2. 阅读下图，按要求完成各题。
（1）在2.5Gb/s 的高速率光纤通信系统中，不采用直接调制方式，而必须使用
外调制器的原因是。
（2）外调制下的光源是在
（选填“直流”或“交流”）状态下工作，
因而避免了激光器的
（3）光纤通信系统对调制的要求是：①高的调制效率和
；②低的驱动电压；③低的
3. 阅读下图，按要求完成各题。
（1）如上图在掺铒光纤链路上放置均衡滤波器的目的是。
（2）结合上图及题意暗含内容，画出图（a）和图（b）的内容。
4. 阅读下图，按要求完成各题。
（1）上图为光的
机理过程图。
（2）实现上述过程需要两个条件：一是
状态称为粒子数反转，可采用通过向半导体激光二极管注入
的方式来实现粒子数反转；二是半导体激光器必须存在
并在其内建立起确定的振荡，从而得到
的激光输出。（
（3）试依上图画出光的自发辐射（发光二极管）机理过程。
5. 阅读下图EDFA的结构，按要求完成各题。
图（b） （1是EDFA的核心部件，它以石英光纤作为基质，在纤芯中掺入固
体激光工作物质――
（2）掺铒光纤的模场直径为3--6μm，比常规光纤小很多，这是为了提高信号光
和泵浦光的能量密度，从而提高其
。但由于其芯径的减小其
与常规光纤模场不匹配，解决方法有：①在纤芯中掺入
接时进行一定处理减小
（填英文缩写）的不匹配。
（3）实用的EDFA泵浦源都是LD，其泵浦波长有980nm和
nm；两种，
应用较多的是980nm泵浦源，其优点是
（4）其泵浦方式按泵浦所在位置分为三种：①如图（a）为
如图（b）为
；③双向泵浦。
（5）双向泵浦对信号的放大特性与信号传输方向
。（填“有关”或“无关”）
6. 阅读下图，按要求完成各题。
（1）上图显然为
的工作原理。
（2）在掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有三个能级：能级1代表基态， 能量最
低；能级2是
，处于中间能级；能级3代表
， 能量最高。
（3）据图分析，请阐述该工作原理：
（4）从该工作原理可以看出，光放大是由于
的能量转换为信号光的
结果。为提高放大器增益， 应提高对
7. 阅读下图，按要求完成各题。
（1）上图为
、直接检测方式的数字光接收机方框图。
（2）主放大器和AGC决定着光接收机的
（3）图中的均衡器目的是对放大器出来的
的电信号进行补偿，使
输出信号的波形适合于判决，以消除
，减小误码率。
（4）图中的
就是我们所谓的再生电路，它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取
，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。时钟提取的目的是为了
8. 阅读下图同学的，按要求完成各题。
（1）SOA表示-珀罗放大器FPA和行波放大器
TWA两大类。
（2）图（a）中
放大器的增益频谱是一条振荡的曲线，其R=0.3；
放大器的增益频谱就为
型曲线，其R=0。且R代表的内容是
（3）图（b）中，?1是
放大器的带宽，通常该值不超过
放大器的带宽。
（4）SOA的增益依赖于输入信号的偏振状态的原因是
（5）一般减少SOA的偏振增益差可采用：①是有源区的横截面成
（选填“串联”或“并联”或“串联或并联”）两个SOA来补偿增益差。
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SDH的帧结构（STM-1）。
SDH帧结构是实现数字同步时分复用、保证网络可靠有效运行的关键。图给出SDH帧一个STMN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125μs，即每秒传输8000帧。对于STM1 随机运动，从而形成很弱的散粒噪声，成为暗电流噪声。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，而在没有信号光的期间，主要考虑暗电流噪声和热噪声。
（SONET）.1988年，ITU-T参照SONET的概念，提出了被称为同步数字系列（SDH）的规范建议。SDH解决了PDH存在的问题，是一种比较完善的传输体制，现在得到大量应用。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。
5.8简述PDH和SDH的特点。 答：PDH的特点：我国和欧洲、北美、日本各自起的光孤子减弱，在光纤线路上周期地插入EDFA， 向光孤子注入能量，以补偿因光纤传输而引起的能量消耗，确保光孤子稳定传输。在接收端，通过光检测器和解调装置，恢复光孤子所承载的信息。
4.1激光器产生驰张震荡和自脉动现象的机理是什么？它的危害是什么？应如何消除这两种光纤通信考试题
一、简答题（50分）
而言，传输速率为9×270×8× Mb/s。字节发送顺序为：由上往下逐行发送，
每行先左后右
4、SDH的主要复用步骤是
6、我国STM－1复用结构允许哪些支路接口？如果所有的支路信息都来源于2Mbit/s,问STM－1信息流中可传输多少2Mbit/s信号？相当于可传输多少个话路？ 7、已知SDH系统STM－1模块的帧结构为9行270列字节,每字节8bit,帧周期125μs,计算STM－1模块的比特传输速率. 9*270*8*mb/s 8、VC－4是STM－1帧结构中的信息负荷区域,计算比特传输速率. 第三章 3.4比较半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）
答：不同之处：工作原理不同，LD发光是受激
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
的主要应用场合是小容量短距离通信系统，而
LD主要用于长距离大容量通信系统。相同之处：
使用的半导体材料相同，结构相似，LED和LD
大多使用双异质结结构，把有源层夹在P型和N
型限制层中间。
3.19光与物之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。
受激吸收：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，这种状态称为受激吸收。 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，也会自动的跃迁到低级能级E1上与空穴复合，释放的能量装换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。 受激辐射：在高能级E2的电子，收到入射光的作用，被迫跃迁到底能级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，这就是粒子数反转分布。 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。 3.24什么是雪崩倍增效应？ 答：雪崩光电二极管工作是外加高反向偏压，在PN结内部形成一高电场区，入射功率产生的电子空穴对经过高场区时不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子或空穴在运动过程中与价带中的束缚电子碰撞，使晶格中的原子电离，产生新的电子空穴对。新的电子空穴对受到同样加速运动，又与原子碰撞电离，产生电子空穴对，称为二次电子空穴对。如此重复，使载流子和反向光生电流迅速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。 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
和暗电流产生的散粒噪声以及负载电阻产生的
热噪声。热噪声来源于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，具有随机欺负的特性。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
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震荡，称为驰张震荡，它出现的后果是限制调制速率，当最高调制频率接近驰张震荡频率时，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驰张振荡频率。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震荡，这种现象称为自脉动现象，自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的告诉调制特性。 4.2LD为什么能产生码型效应？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，输出光脉冲和输入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，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为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1”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，其脉冲明显变小而且连“0”码数目较多，调制速率越高，这种效应越明显，码型效应的消除
方法是用适当的“过调制”补偿方法。
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是十分必要的。AGC一般采用接收信号
强度检测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10μW，
求对应的dBm值
解：Pr=10lg??Pmin?mW??
4.11在数字光纤通信系统中，选择码型时应考虑那几个因素？ 答：能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量；能给光接收机提供足够的定时信息；能提供一定的冗余度，用于平衡码流，误码检测和公务通信，但对高速光纤通信系统，应适当减小冗余度，以免占用过大的带宽。 4.12光接收机有哪些噪声？ 答：主要有两种：一是光检测噪声，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，这是一种散弹噪声，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。二是热噪声及前置放大器的噪声，热噪声是在特定的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，在共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，严格来说也是一种散粒噪声，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，所以经前置放大器的噪声和电阻热噪声合称为前置放大器噪声 4.14光纤通信中常用的线路码型有扰码，mBnB码和插入码。 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；缺点是带来输出光脉冲的相位抖动，是光纤的色散增加，限制了容量的提高。外调制的优点是可以减少啁啾，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。 第五章 5.1为什么要引入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，复用又分为若干等级，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遇到了许多困难。在技术迅速发展的推动下，美国提出了同步光纤网有不同的PDH数字速率等级体系，这些体系互不兼容，使得国际互通很困难；PDH的高次群是异步复接，每次复接要进行一次码速调整，使得复用结构相当复杂，缺乏灵活性；没有统一的光接口；PDH预留的插入比特较少，无法适应新一代网络的要求；PDH没有考虑组网要求，缺少保证可靠性和抗毁性的措施。
SDH的特点：SDH有一套标准的世界统一的数字传输速率等级结构;SDH的帧结构是矩形块状结构，低速率支路的分布规律性极强，使得上下话路变得极为简单；SDH帧结构中拥有丰富的开销比特，用于不同层次的OAM，预留的备用字节可以进一步满足网络管理和智能化网络发展的需要；SDH具有统一的网络点接口，可以实现光路上的互通;SDH采用同步和灵活的复用方式，便于网络调度；SDH可以承载现有的TDM业务，也可以支持ATM和IP等异步业务。
7.1EDFA的工作原理是什么？有哪些应用方
答：掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理：在掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有三个能级： 能级1代表基态， 能量最低，能级2是亚稳态，处于中间能级，能级3代表激发态， 能量最高，当泵浦(Pump, 抽运)光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态(1→3)。但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。
如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态(2→1)，产生受激辐射光，因而信号光得到放大。由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果。为提高放大器增益， 应提高对泵浦光的吸收，使基态铒离子尽可能跃迁到激发态。
EDFA的应用方式：o中继放大器：在光纤线路上每隔一定的距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离）o前置放大器：置于光接收机的前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。作为前置放大器，对噪声要求非常苛刻。o后置放大器：置于光接收机的后面，以提高发射机功率。对后置放大器噪声要求不高，而饱和输出光功率是主要参数。
7.2对于980nm泵浦和1480nm泵浦的EDFA，哪一种泵浦方式的功率转换效率高？哪一种泵浦的噪声系数小？为什么？
答：980nm泵浦方式的功率转换效率高，980nm泵浦的噪声系数小，因为更容易达到激发态。 7.4、光交换有哪些方式？
答：光交换主要有三种方式：空分光交换、时分光交换、波分光交换
空分光交换的功能是：使光信号的传输通路在空间上发生改变。空分光交换的核心器件是光开关。光开关有电光型、 声光型和磁光型等多种类型，其中电光型光开关具有开关速度快、串扰小和结构紧凑等优点，有很好的应用前景。 时分光交换是以时分复用为基础，用时隙互换原理实现交换功能的。时分复用是把时间划分成帧，每帧划分成N个时隙， 并分配给N路信号，再把N路信号复接到一条光纤上。首先使时分复用信号经过分接器，然后使这些信号分别经过不同的光延迟器件，最后用复接器把这些信号重新组合起来。
波分光交换(或交叉连接)是以波分复用原理为基础，采用波长选择或波长变换的方法实现交换功能的。为了实现波分交换，N条输入光纤承载的波分复用光信号首先分别通过解复用器分为W个不同波长的光信号，然后所有N*W个波长用空分光交换器进行交叉连接，最后复用器复接到N条输出光纤上，在没有波长变换器的条件下，需对应每个波长配置一个空分交换器，所以共需W个。
7.5光孤子通信的原理是什么？
答：光孤子(Soliton)是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲(ps数量级)。光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。 光孤子通信的传输距离可达上万公里，甚至几万公里，目前还处于试验阶段。光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲，即光孤子流，作为信息的载体进入光调制器， 使信息对光孤子流进行调制。被调制的光孤子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后，进入光纤进行传输。为克服光纤损耗引
1什么叫光纤损耗？造成光纤损耗的原因是什么？硅光纤的光谱衰减曲线表明存在三个低损耗窗口，这三个窗口分别是多少。（5分） 2什么是色散？色散对光信号有什么影响？单模光纤中有哪几种色散？多模光纤中有哪几种色散？单模光纤的零色散波长在什么位置？色散位移光纤是采用什么原理制成的？（10分） 3构成激光器的三个基本条件是什么？半导体激光器的PN结工作在什么偏置状态？何谓激光器的阈值电流？激光器的阈值电流与使用温度、使用时间有什么关系？（10分）
4光检测器使用时加什么样的偏压？什么是半导体的光电效应？什么是雪崩倍增效应？（10分）
5PDH的基群的复接是采用的字节间插时分复用还是比特间插时分复用方式得到的？高次群呢？ SDH的主要复用步骤是什么？SDH网络的常用设备主要包括什么？（5分）
6EDFA的典型泵浦波长是多少？EDFA的工作波长是多少？画出EDFA的工作能级图，简述EDFA的工作原理。（10分） 二、计算题（50分） 7光纤纤芯直径为8μm，纤芯折射率n1＝1.468，包层折射率n2=1.464,工作波长为1300nm，计算下列参数.4682
?0.分） （1）光纤参数V，它是单模光纤吗？（2）该光纤变成多模工作的波长？ （3）数值孔径；（4）最大可接受角。
8注入单模光纤的半导体激光器功率为1mW，在光纤输出端光电探测器的最小接受光功率为10nW，在1.3μm波段工作，光纤衰减系数是0.5dB /km，问无需中继器的最大光纤长度。（5分）
9已知半导体材料GaAs的Eg=1.43eV, InGaP的Eg=0.96eV，分别求出这两种材料组成的半导体
激光器的发射波长。1 eV = 1.6 × 10-19
J (焦耳）（5分）
10、有64个10Gb/s信道使用WDM技术复用到同一根光纤上，系统的中继距离为100km，求系统的容量是多少？（5分）
11、光电二级管的响应度为0.85A/W，饱和输入光功率为1.5mW，当入射光功率为1mW时，产生的光电流是多少？（5分）
12、对于长度为80km，色散系数为17.46ps/nm.km的单模光纤，需要多长的色散系数为－65ps/nm.km的色散补偿光纤进行补偿？（5分）
13、EDFA的噪声指数为5，增益是25dB，输入信号信噪比SNR=30dB, 输入信号功率为10μW，计算EDFA的输出信号功率（用dBm）和信噪比（用dB表示）。lg2=0.3（10分）
14、已知SDH系统STM－16模块的帧结构为9行270×16列字节，每字节8bit，帧周期125μs，计算STM－16模块的比特传输速率。（5分）
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