2025年大學(xué)《系統(tǒng)科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——光電信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述光電信息系統(tǒng)的主要組成部分及其功能。說(shuō)明在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要進(jìn)行哪些關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)權(quán)衡（trade-off）。二、某相干光通信系統(tǒng)采用外差檢測(cè)方案，發(fā)射端使用調(diào)制器對(duì)連續(xù)波激光進(jìn)行相位調(diào)制。已知激光中心頻率為f_c，調(diào)制信號(hào)頻率為f_m(f_m<<f_c)，中頻為f_i。請(qǐng)解釋外差檢測(cè)的原理，并推導(dǎo)接收端混頻后中頻信號(hào)的瞬時(shí)相位表達(dá)式。三、在設(shè)計(jì)一個(gè)用于光纖傳感的光電系統(tǒng)中，需要選擇合適的探測(cè)器。比較PIN探測(cè)器和APD探測(cè)器在響應(yīng)度、暗電流、噪聲等效功率(NEP)和帶寬等特性上的主要區(qū)別。根據(jù)這些特性，分析在哪些應(yīng)用場(chǎng)景下優(yōu)先選擇APD探測(cè)器可能更合適。四、考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的光電信息系統(tǒng)框圖，包含光源、調(diào)制器、光纖信道、解調(diào)器和接收器。假設(shè)系統(tǒng)在傳輸過(guò)程中主要受到加性高斯白噪聲(AWGN)的干擾。請(qǐng)簡(jiǎn)述AWGN對(duì)接收信號(hào)質(zhì)量的影響，并說(shuō)明常用的性能指標(biāo)（如誤碼率BER）是如何定義的。列出影響系統(tǒng)BER的主要因素。五、在光電信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常常需要考慮功耗與性能的平衡。以光纖放大器（如EDFA）為例，簡(jiǎn)述其工作原理。討論提高EDFA放大增益的同時(shí)，可能對(duì)噪聲系數(shù)和功耗產(chǎn)生什么影響？提出至少兩種在實(shí)際系統(tǒng)中緩解這種矛盾的設(shè)計(jì)或應(yīng)用策略。六、論述系統(tǒng)建模在光電信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化中的作用。以一個(gè)簡(jiǎn)單的激光雷達(dá)（Lidar）距離測(cè)量系統(tǒng)為例，建立其基本的信號(hào)傳輸模型（考慮發(fā)射功率、接收面積、光束發(fā)散角、大氣衰減和目標(biāo)反射率等因素），并說(shuō)明該模型如何用于分析系統(tǒng)性能和進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。七、簡(jiǎn)述光放大器（如Raman放大器）在光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。與EDFA相比，Raman放大器有哪些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和局限性？討論其在分布式放大或放大器資源受限場(chǎng)景下的應(yīng)用潛力。八、描述光子晶體（PhotonicCrystal）的基本概念及其在光學(xué)器件設(shè)計(jì)中的潛在應(yīng)用。列舉至少三個(gè)利用光子晶體特性實(shí)現(xiàn)新型光學(xué)功能或器件的例子，并簡(jiǎn)述其工作原理。九、在設(shè)計(jì)高精度測(cè)量用的光電系統(tǒng)時(shí)，如何抑制環(huán)境噪聲（如溫度變化、振動(dòng)、電磁干擾等）對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響？請(qǐng)?zhí)岢鲋辽偃N不同的技術(shù)手段或設(shè)計(jì)考慮，并簡(jiǎn)要說(shuō)明其原理。十、結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，論述人工智能（AI）或機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)在光電信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化或智能運(yùn)維中可能的應(yīng)用方向。舉例說(shuō)明如何利用這些技術(shù)解決某個(gè)具體的系統(tǒng)問(wèn)題。試卷答案一、光電信息系統(tǒng)主要組成部分包括：光源（提供光信號(hào)）、調(diào)制器（將信息加載到光載波上）、傳輸介質(zhì)（如光纖，傳輸光信號(hào)）、放大器（補(bǔ)償信號(hào)衰減，如EDFA）、解調(diào)器（提取信息）、接收器（探測(cè)光信號(hào)）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)權(quán)衡主要包括：速率與帶寬的權(quán)衡、功率與功耗的權(quán)衡、靈敏度與動(dòng)態(tài)范圍的權(quán)衡、可靠性（如BER）與成本的權(quán)衡、尺寸與復(fù)雜性的權(quán)衡等。二、外差檢測(cè)原理：利用本地振蕩器產(chǎn)生的參考信號(hào)（通常頻率與發(fā)射信號(hào)中頻f_i相同，但相位可能不同）與接收到的中頻信號(hào)進(jìn)行混頻，將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻（零中頻或音頻）信號(hào)，便于后續(xù)處理。推導(dǎo)：設(shè)發(fā)射光相位受調(diào)制信號(hào)v(t)調(diào)制，瞬時(shí)相位為φ(t)=φ_0+kβv(t)，其中kβ為調(diào)制指數(shù)。發(fā)射光場(chǎng)表示為E_out(t)=E_0cos(2πf_ct+φ(t))。本地振蕩器信號(hào)E_ref(t)=E_rcos(2πf_ct+φ_0')。混頻器輸出（乘積）為E_out(t)*E_ref(t)=(E_0E_r/2)[cos(2πf_ct+φ(t)+2πf_ct+φ_0')+cos(2πf_ct+φ(t)-(2πf_ct+φ_0'))]。低通濾波后得到中頻信號(hào)分量：E_IF(t)=(E_0E_r/2)cos(2πf_it+φ_0+kβv(t)-φ_0')。瞬時(shí)相位表達(dá)式為φ_IF(t)=φ_0+kβv(t)-φ_0'。三、PIN探測(cè)器：工作原理基于半導(dǎo)體PN結(jié)的內(nèi)部光電效應(yīng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通常無(wú)放大作用。響應(yīng)度較高，通常在0.9-1.0A/W范圍。暗電流很小。噪聲等效功率(NEP)較低（通常pW級(jí)）。帶寬較寬。APD探測(cè)器：工作原理基于半導(dǎo)體PN結(jié)內(nèi)部光電倍增效應(yīng)（雪崩倍增）。通過(guò)高反向偏壓產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，使光子激發(fā)的載流子在倍增區(qū)發(fā)生雪崩倍增。增益較高（可達(dá)100-1000）。響應(yīng)度略低于PIN。暗電流較大。噪聲系數(shù)較高（高于PIN）。NEP相對(duì)較高（通常nW級(jí)）。帶寬相對(duì)較窄（受雪崩倍增噪聲限制）。選擇APD的場(chǎng)景：當(dāng)系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器的靈敏度要求極高，需要探測(cè)微弱光信號(hào)時(shí)，APD較高的內(nèi)部增益可以顯著改善信噪比，盡管其NEP較高。四、AWGN對(duì)接收信號(hào)質(zhì)量的影響：AWGN是一個(gè)與信號(hào)無(wú)關(guān)的隨機(jī)噪聲，它疊加在接收信號(hào)上，降低了信號(hào)的可辨識(shí)度，從而降低了系統(tǒng)的信息傳輸能力。主要表現(xiàn)為增加誤碼率(BER)。性能指標(biāo)BER定義：在傳輸?shù)囊欢〝?shù)量的比特中，錯(cuò)誤比特?cái)?shù)所占的比率。BER=(錯(cuò)誤比特?cái)?shù)/總傳輸比特?cái)?shù))。影響系統(tǒng)BER的主要因素：接收信號(hào)功率、噪聲功率、信噪比(SNR)、調(diào)制方式、信道特性（如衰減、相位噪聲）、解調(diào)器性能、碼字差錯(cuò)控制編碼等。五、EDFA工作原理：基于摻鉺光纖(EDF)中的稀土離子鉺(Er)受到泵浦光(通常為980nm或1480nm)激發(fā)，從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。當(dāng)傳輸光纖中的信號(hào)光通過(guò)摻鉺光纖時(shí)，高能級(jí)的鉺離子會(huì)以受激輻射的方式將能量傳遞給信號(hào)光，使信號(hào)光子能量增加，即實(shí)現(xiàn)光放大。提高增益對(duì)噪聲系數(shù)和功耗的影響：提高EDFA增益通常需要更高的泵浦功率，這會(huì)增加系統(tǒng)功耗。同時(shí)，更高的泵浦功率也可能導(dǎo)致更多的自發(fā)輻射噪聲(SpontaneousEmissionNoise)參與放大過(guò)程，從而惡化系統(tǒng)的噪聲系數(shù)(NF)。設(shè)計(jì)/應(yīng)用策略：采用級(jí)聯(lián)放大器結(jié)構(gòu)（如預(yù)放大器+主放大器+功率放大器）以優(yōu)化各階段信號(hào)功率；采用低噪聲、高效率的泵浦激光器；優(yōu)化摻鉺光纖的摻雜濃度和長(zhǎng)度；在光網(wǎng)絡(luò)中采用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)，按需分配泵浦功率，減少無(wú)用放大。六、系統(tǒng)建模作用：系統(tǒng)建模是將復(fù)雜的物理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)表達(dá)式或邏輯框架的過(guò)程。它有助于理解系統(tǒng)各組成部分的功能和相互作用，預(yù)測(cè)系統(tǒng)在不同條件下的行為和性能，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，評(píng)估不同設(shè)計(jì)方案的效果，并指導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化。Lidar距離測(cè)量系統(tǒng)模型：設(shè)激光發(fā)射功率為P_t，光束發(fā)散角為θ_d，目標(biāo)距離為R，目標(biāo)反射率為ρ，目標(biāo)有效散射面積為A_target=πr_target^2(假設(shè)為點(diǎn)目標(biāo))，大氣在路徑上的總衰減系數(shù)為α(單位長(zhǎng)度衰減)。接收器有效接收面積為A_rec。到達(dá)接收器的光功率P_r可以表示為：P_r=(P_t*(πω_r^2/(4πR^2))*ρ*A_target*10^(-αR))/A_rec，其中ω_r是接收器孔徑半徑。系統(tǒng)性能（如探測(cè)距離）與P_t,ω_r,R,ρ,α相關(guān)。該模型可用于計(jì)算不同參數(shù)下的探測(cè)距離，并優(yōu)化設(shè)計(jì)（如提高P_t,減小θ_d,增大ω_r,選擇高ρ目標(biāo)或低α大氣條件）。七、光放大器（如Raman放大器）應(yīng)用：主要用作分布式放大器，補(bǔ)償光纖中信號(hào)因色散和非線性效應(yīng)造成的損傷，尤其是在WDM系統(tǒng)中。Raman放大器利用光纖材料本身作為放大介質(zhì)，泵浦光在光纖中傳播時(shí)，通過(guò)受激拉曼散射(StimulatedRamanScattering)機(jī)制將能量轉(zhuǎn)移給信號(hào)光，實(shí)現(xiàn)放大。優(yōu)勢(shì)：放大譜寬極寬（可覆蓋整個(gè)C波段甚至更寬）；無(wú)需要求與信號(hào)波長(zhǎng)嚴(yán)格匹配的諧振腔；噪聲系數(shù)相對(duì)較低（尤其在低泵浦功率下）；放大增益可沿光纖長(zhǎng)度分布。局限性：泵浦功率需求高；存在反向斯托克斯散射(BackwardStimulatedRamanScattering,BSRS)，可能引起信號(hào)串?dāng)_和功率損耗；放大帶寬內(nèi)增益不均勻；可能存在非線性效應(yīng)（如四波混頻）。應(yīng)用潛力：在長(zhǎng)途、超大容量光網(wǎng)絡(luò)中作為色散補(bǔ)償或非線性抑制的分布式放大器；在傳感系統(tǒng)中作為信號(hào)放大器。八、光子晶體概念：一種周期性介電常數(shù)或折射率分布的人工結(jié)構(gòu)，其周期尺度與光波長(zhǎng)相當(dāng)。利用光子帶隙(PhotonicBandgap)特性，可以使特定頻率范圍內(nèi)的光波在晶體內(nèi)部無(wú)法傳播，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光傳播的調(diào)控。潛在應(yīng)用及原理：1.光子晶體光纖(PhotonicCrystalFiber,PCF)：通過(guò)設(shè)計(jì)空氣孔的排列和尺寸，打破傳統(tǒng)光纖的簡(jiǎn)單圓柱對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的傳輸特性，如超連續(xù)譜生成、非線性光學(xué)效應(yīng)增強(qiáng)、特殊模式支持等。2.光子晶體波導(dǎo)：可以設(shè)計(jì)具有低損耗、低模式耦合、特定方向耦合特性的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，用于集成光路。3.光子晶體諧振器：可作為高性能濾波器、開關(guān)、耦合器等器件的核心元件，利用其共振特性實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長(zhǎng)光的選模。4.透射式/反射式光子晶體光柵：用于光束分束、合束、光束偏轉(zhuǎn)等。九、抑制環(huán)境噪聲影響的技術(shù)手段或設(shè)計(jì)考慮：1.電磁屏蔽：使用金屬外殼、屏蔽線纜、接地等技術(shù)，隔離外部電磁場(chǎng)干擾，保護(hù)系統(tǒng)敏感部分。2.恒溫/恒濕設(shè)計(jì)：將關(guān)鍵器件（如光源、探測(cè)器、參考光路）放置在溫控或恒溫腔體中，減少溫度變化引起的參數(shù)漂移（如半導(dǎo)體的bandgap變化、折射率變化）。3.隔振/減振設(shè)計(jì)：采用主動(dòng)或被動(dòng)隔振結(jié)構(gòu)，減少地面振動(dòng)通過(guò)結(jié)構(gòu)傳播對(duì)精密光學(xué)元件（如透鏡、反射鏡）造成的影響，保證光路穩(wěn)定。4.隔熱/熱隔離：減少環(huán)境溫度波動(dòng)直接傳遞到熱敏感器件上。5.采用差分測(cè)量或平衡結(jié)構(gòu)：利用信號(hào)與噪聲的差異性，通過(guò)差分放大或平衡測(cè)量方式，抑制共模噪聲（如工頻干擾）。6.優(yōu)化布線：合理布局信號(hào)線、電源線、地線，避免平行鋪設(shè)，使用濾波器，減少線路間的串?dāng)_和電磁耦合。7.選擇低漂移元件：選用對(duì)環(huán)境變化不敏感的光電器件和電子元件。十、AI/ML在光電系統(tǒng)中的應(yīng)用方向及舉例：1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化：利用AI/ML算法（如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）自動(dòng)優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)（如激光功率、探測(cè)器偏壓、濾波器參數(shù)），以在滿足性能指標(biāo)的前提下最小化成本、功耗或尺寸。例如，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)BER的影響，指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.故障診斷與預(yù)測(cè)性維護(hù)：通過(guò)分析系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)（如光功率、噪聲譜、溫度），利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型識(shí)別異常模式，實(shí)現(xiàn)早期故障預(yù)警和診斷。例如，基于歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，預(yù)測(cè)激光器壽命或光纖鏈路故障。3.