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练习题
光纤通信练习题
一、填空题
1.单模光纤中不存在 模式 色散，仅存在 波长 色散，具体来讲，可分为 波导色散 和 材料色散 。
2. 光纤中的最低阶非线性效应起源于 三 阶电极化率，它是引起 三次谐波 、 四波混频 、非线性折射 和 自相位调制 等现象的原因。
3．光纤通信中常用的三个低损耗窗口的中心波长为1.31um ，0.85um ， 1.55um 最低损耗窗口的中心波长是在 1.55um 。
4.数值孔径（NA）越大，光纤接收光线的能力就越 强 ，光纤与光源之间的耦合效率就越 高 。
5．光与物质的粒子体系的相互作用主要有三个过程是 自发辐射 ， 受激吸收 ， 受激辐射 ；产生激光的最主要过程是 受激辐射 。
6．光纤单模传输条件，归一化频率V应满足 V小于2.4048 。
7、光源的作用是将 电信号 变换为 光信号 ；光检测器的作用是将 光信号 转换为 电信号 。
8. 散射损耗与 光纤自身缺陷 及 材料不均匀 有关。
9. 单模光纤只能传输一个模式，即 HE11模 ，称为光纤的基模。
10. 光缆的种类很多，但是不论它的具体结构如何，都是由缆芯 、 护套 和 加强元件 组成。
11. 限制光纤传输容量（BL积）的两个基本因素是 带宽 和 长度 。
12. LD是一种 光源 器件，它通过 受激 发射发光，具有输出功率 大 、输出光发散角 窄 、与单模光纤耦合效率 高 、辐射光谱线 窄 等优点。
13. PIN二极管的特点包括 响应速度快 、 转换效率高 和 量子效率高 。
14. LED的主要特性参数为 频谱特性 、 温度特性 和 调制特性
15. 光纤和光纤连接的方法有两大类 永久性连接 和 可拆卸连接 。
16. 影响光纤耦合性能的主要因素有 插入损耗 、 功率耦合系数 、 隔离度 和 分光比 。
17. 在光波系统中得到广泛应用的两种光检测器是 PIN光电二极管 和 APD光电二极管 。
18. 光发送机主要由 光源 、 驱动器 和 调制器 组成。
19. 接收机中存在的噪声源可分为 光电检测器 和 光接收机的电路 组成。
20. 构成SDH网络的基本单元称为 网元 。该设备有 TM（终端复用器） 、 ADM（分/插）复用器 、 REG（再生中继器）和 DXC(数字交叉连接设备） 四种。
21. 段开销可以实现再生断层监控 、 复用段层监控、 低阶通道段层监控 和 高阶通道层监控 等功能。
22. 对于码速率不同的信号，如果进行复接，则会出现 重叠 和 错位 现象。
23. 数字复接中的码速调整有 正马速调节 、 正负马速调节 和 正负零马速调节 三种方式。
24.光传输设备包括 光发送机 、 光中继 和 光接收机 等。
25. 1.7Gb/s的单个比特间隔是 0。0685 ns。
26. 光纤衰减为0.00435dB/m，则10km长光纤的总衰减为 43.5db 。
27. SDH线路码型一律采用 加扰的NRZ码 。
二、简答
1. 光接收机前端的作用是什么？有哪三种不同的前端设计方案？各有何特点？
前端的作用：实现光/电转换，并实现低噪声的前置放大。
三种前置放大器：
1双极性晶体管，码间干扰小，适用于高速传输系统。
2场效应管型，噪音小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。
3跨阻型，改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪音特性。

2. 论述光纤损耗和色散对系统设计的限制。
答：1.光线的损耗特性是一个非常重要的对光信号的传播产生制约作用的特性光线的损耗限制了光信号的传播距离。
2.光线色散是光纤通信的另一个重要特性，光线的色散会使输入脉冲在传输过程中展宽产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量。

3、 WDM系统是按什么标准进行分类的？各自的特点是什么？
答：WDM系统的工作原理是在发送端将1300～1600nm波段中许多不同波长的光信号经光合波器复用在一起，复用信号经过同一根光纤传输到接受端，在接收端又将组合波长的光信号经光分波器分离成单一的光信号送入不同的终端。
WDM带来的好处有充分的利用光纤的带宽资源；多种信号的透明传输；组网的高度灵活性、经济性和可靠性；扩容升级简单方便，费用低廉；支持全光交换。
4、光接收机中存在哪些噪声？
答：光接收机的噪声有两部分：一部分是外部电磁干扰产生的；另一部分是光接收机内部产生的随机噪声。光接收机噪声的主要来源是光检测器的噪声和前置放大器的噪声。
光接收机内部的噪声分为两类：散弹噪声(又称散粒噪声)和热噪声。散弹噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD倍增噪声。热噪声包括光检测器偏置电阻的热噪声和放大器的噪声。
5. 光放大器的作用？它在哪些方面得到应用？
答：光放大器的作用是在长距离传输中补偿光信号在光纤中传输时的损耗。即对信号进行放大和再生。
其主要应用有：
1. 功率放大器：配置在发送端激光管输出之后，其主要作用是提高光功率的。
2. 前置放大器：配置在接收端检测器输入之前，作为接收端的预放大。
3. 线路放大器：配置在远离局站处进行在线远端放大。

6. 试比较PN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：在半导体材料的PN结中，由于有内建电场的作用，光电子和光空穴的运动速度加快，从而使光电流能快速地跟着光信号变化，即响应速度快。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，因而响应速度低，而且容易发生复合，使光电转换效率差。
改善PIN光电二极管的工作特性更有效的方法是采用异质结结构，轻掺杂的I层采用InGaAs(铟砷化镓)材料，I层两端重掺杂的P＋层和N＋层采用InP材料。由于InP材料对入射光几乎透明，从而进一步提高了量子效率。另一方面，由于光的吸收发生在由InGaAs材料构成的耗尽区内，所以，这种PIN光电二极管的上截止波长λc增大，其波长响应特性也有所改善(可以检测长波长的光信号)。同时，其暗电流也远小于硅(或锗)半导体光电二极管。PIN光电二极管的量子效率可以高达90％左右。
雪崩光电二极管（APD）是一种具有把微弱光信号变成电信号并在管子内部进行放大的器件，它可以在有效地检测微弱光信号的同时，输出与检测的光信号呈线性变化的较大的光生电信号。拉通型雪崩光电二极管（RAPD）具有光电转换效率高、响应速度快和附加噪声低等优点。
7、 在设计一个光纤通信系统时，路由、系统传输速率及光纤的类型如何选择？
答：最大中继距离受光纤本身的损耗和色散限制。
在实际的系统中，功率预算和色散预算都需要进行计算，取其中较小者为最大中继距离。
8、 简要描述自愈环两类结构的工作特点。
答：根据自愈环业务保护的范围的不同，自愈环结构可分为两大类：通道倒换环和复用段倒换环。
通道倒换环属于子网连接保护，其业务量的保护是以通道为基础，是否倒换以离开环的每一个通道信号质量的优劣而定，通常利用通道AIS信号来决定是否应进行倒换。
复用段倒换环属于路径保护，其业务量的保护以复用段为基础，以每对结点的复用段信号质量的优劣来决定是否倒换。
三、计算
1、 阶跃光纤的纤层和包层的折射率指数分别为n1 =1.46, n2 =1.45,试计算：（1）光纤纤层和包层的相对折射指数差△；（2）光纤的数值孔径NA；（3）在1km光纤上，由于子午光线的光程差所引起的最大时延△max；(4)若将△max减小为10ns/km，n2的取值。
(1)Δ==1.46-1.45/1.46=0.007
(2)NA= =0.171
(3)ΔT==0.00000333*1.47*0.007=0.000000034s
(4) ==4.97

2、 已知阶跃光纤纤层的折射率n1=1.465，相对折射率差△=0.01，纤芯半径a=25um.。试求：（1）LP01, LP02, LP11, LP12模的截止波长；（2）若0=1.3um,计算光纤的归一化频率V及光纤中传输的模的数量。
解 1）

查表得到的值。

的截止波长分别为：0，8.493 , 4.511 , 1.965
2）

3、 多模光纤芯径为100um,在=0.85 um，折射率n1=1.457，n2=1.455情况下，求：（1）光纤V参数，估计允许传输的模式数量；（2）单模工作的波长；（3）数值孔径；（4）最大可接受角；（5）若方均根色散=0.29，是全宽，计算模式色散以及比特速率和距离的成绩BL。
（1）

v=28.48 个
（2）实现单模传输的条件是0<v<2.405,即0<<2.405
=10.1um
(3)
(4)
最大可接受角=174.88
(5)

,
,

设距离为1000m 有：

4、 如果一个光纤的零色散波长在1312nm处，零色散斜率为0.090ps/(nm2.km),长度为100km,工作于1310nm，计算由色度色散引起的脉冲扩展。其中LD的光谱宽度为1nm.
解：
=1312nm =1310nm L=100km =1nm
= =18ps
5、 对于某激光器的工作物质谱线展宽的跃迁线宽为1.5GHZ，，激光器的F-P腔长为0.5m,该激光器会出现几种模式？如若实现单纵模输出，应该采取什么办法？此时的腔长为多少？
解：

=0.3GHZ<1.5GHZ
会出现纵模和横模两种。若实现单纵模输出，应降低腔长，使大于跃迁线宽。
L<=0.1m

6、 一半导体激光器，谐振腔长L=300um，工作物质的损耗系数a=1mm，谐振腔两镜面的反射率R1R2=0.330.33，求激光器的阈值增益系数。若后腔镜的反射率提高到R2=0.9，求阈值增益系数的变化，并解释原因。
解：=3666.67m
=2023.3m
增大，将减小，进而减小，所以减小。

7、 若光发送电路输出全“1”码时的平均输出光功率为10nW，输出全“0”时的平均输出光功率为1nW，求该光端机的消光比。
解：
8、 一个GaAsPIN光电二极管平均每三个入射光子产生一个电子-空穴对。假设所有的电子都被收集，那么请回答下列问题：
（1） 试计算该器件的量子效率；
（2） 当在0.8um波段、接收功率是10-7W时，计算平均输出光电流。
（3） 若禁带宽度Eg=1.424Ev,计算这个光电二极管的上截止波长c。
解：(1)量子效率
(2)平均输出光电流

(3)上截止波长λc

9、 设PIN光电二极管的量子效率为80%，计算在1.3 um和1.55 um波长时的响应度，说明为什么在1.55 um处光电二极管比较灵敏。
解：1.3μm波长时的响应度

1.55μm波长时的响应度

10、 已知某光接收机的灵敏度为—40dBm(BER=10-10)，动态范围为20dB，若接收到的光功率为2 uW，问系统能否正常工作？为什么？
答：根据已知条件，系统能正常工作时以W为单位的光功率变化范围为0.1μW～10μW，所以若接收到的光功率为2μW，系统能正常工作。

12、 某数字光纤通信系统的误码率为10-9，理想PIN光接收机的量子效率=0.7，接收波长=0.85 um，码速fb=8.44Mb/s的光脉冲信号。求此时理想光接收机的灵敏度为多少dBm?
解：此时理想光接收机的灵敏度

13、 已知PIN光接收机的工作参数如下：光波长=0.85um，速率fb=8.448Mb/s，光电二极管响应度R0=0.4，互阻抗前置放大器(FET)的nA≈10-18。要求误码率Pe=10-9,即超扰比Q=6,求实际光接收机的灵敏度为多少dBm?
解：实际光接收机的灵敏度

14、假设光纤连接器两端的光纤参数完全一样，连接精度也非常好，但连接端面上有8%的光反射回来，试计算此光纤连接器的连接损耗及回波损耗。
答：根据连接损耗的计算公式可得连接损耗为，计算得0.36dB。
回波损耗为，计算得10.97dB。

15、 有一根1.5km长的国产多模光纤，测出输入、输出光脉冲的宽度分别为3ns和5ns，试求光纤总宽和每千米光纤的带宽。
解：根据已知，先求光纤的展宽宽度Δτ

于是得到光纤总带宽

每公里光纤的带宽

16、 现已测得光纤的色散系数为120ps/(nm.km)，当光源的谱线宽度时2.5nm时，此时光纤的3dB带宽有多宽？
解：时延差

光纤的3dB带宽

17、．一个PIN光电二极管，它的P+接触层为1um(1*10-6)厚。假设仅仅在耗尽区里（I区）吸收的光子才能有效地转换成光电流。当波长为0.9um时，a=5×104m-1忽略反射损耗，求：
(1)此光电二极管可以得到的最大量子效率；95%
（2）为使量子效率达到80%，耗尽区厚度最小应为多少？37um