[光纤通信]西电第二版课后习题答案.doc

1．光纤通信的优缺点各是什么？
答：优点有：带宽资源丰富，通信容量大；损耗低，中继距离长；无串音干扰，保密性好；适应能力强；体积小、重量轻、便于施工维护；原材料来源丰富，潜在价格低廉等。
缺点有：接口昂贵，强度差，不能传送电力，需要专门的工具、设备以及培训，未经受长时间的检验等。
2．光纤通信系统由哪几部分组成？各部分的功能是什么？
答：光纤通信系统由三部分组成：光发射机、光接收机和光纤链路。
光发射机由模拟或数字电接口、电压—电流驱动电路和光源组件组成。光源组件包括光源、光源—光纤耦合器和一段光纤（尾纤或光纤跳线）组成。
模拟或数字电接的作用是实现口阻抗匹配和信号电平匹配（限制输入信号的振幅）作用。光源是LED或LD，这两种二极管的光功率与驱动电流成正比。电压—电流驱动电路是输入电路与光源间的电接口，用来将输入信号的电压转换成电流以驱动光源。光源—光纤耦合器的作用是把光源发出的光耦合到光纤或光缆中。
光接收机由光检测器组件、放大电路和模拟或数字电接口组成。光检测器组件包括一段光纤（尾纤或光纤跳线）、光纤—光检波器耦合器、光检测器和电流—电压转换器。
光检测器将光信号转化为电流信号。常用的器件有PIN和APD。然后再通过电流—电压转换器，变成电压信号输出。模拟或数字电接口对输出电路其阻抗匹配和信号电平匹配作用。
光纤链路由光纤光缆、光纤连接器、光缆终端盒、光缆线路盒和中继器等组成。
光纤光缆由石英或塑料光纤、金属包层和外套管组成。光缆线路盒：光缆生产厂家生产的光缆一般为2km一盘，因而，如果光发送与光接收之间的距离超多2km时，每隔2km将需要用光缆线路盒把光缆连接起来。光缆终端盒：主要用于将光缆从户外（或户内）引入到户内（或户外），将光缆中的光纤从光缆中分出来，一般放置在光设备机房内。光纤连接器：主要用于将光发送机（或光接收机）与光缆终端盒分出来的光纤连接起来，即连接光纤跳线与光缆中的光纤。
6．简述WDM的概念。
答：波分复用的基本思想是将工作波长略微不同、各自携带了不同信息的多个光源发出的光信号，一起注入到同一根光纤中进行传输。
3．弱导阶跃光纤纤芯和包层折射率分别为，，试计算
（1）纤芯和包层的相对折射率；
（2）光纤的数值孔径。
解：阶跃光纤纤芯和包层的相对折射率差为

光纤的数值孔径为

5．一根数值孔径为0.20的阶跃折射率多模光纤在850nm波长上可以支持1000个左右的传播模式。试问：
（1）其纤芯直径为多少？
（2）在1310nm波长上可以支持多少个模？
（3）在1550nm波长上可以支持多少个模?
解：（1）由，得到纤芯直径为

（2）当，有

得到模的个数为

（3）当，得到模的个数为

7．有阶跃型光纤，若，，那么
（1）若，为保证单模传输，光纤纤芯半径应取多大？
2）若取芯径，保证单模传输时，应怎么选择？
解：（1）由归一化频率得到

为了保证光纤中只能存在一个模式，则要求，则要求光纤纤芯半径

（2）若取芯径，保证单模传输时，则

10．一段12km长的光纤线路，其损耗为。试回答：
（1）如果在接收端保持的接收光功率，则发送端的功率至少为多少？
（2）如果光纤的损耗变为，则所需的输入光功率为多少？
解：（1）根据损耗系数定义

得到发送端的功率至少为

（2）如果光纤的损耗变为，则所需的输入光功率为

4．光与物质间的相互作用过程有哪些？
答：受激吸收，受激辐射和自发辐射。
5．什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？
答：粒子数反转分布是指高能级粒子布居数大于低能级的粒子布居数。处于粒子数反转分布的介质（叫激活介质）可实现光放大。
6．什么是激光器的阈值条件？
答：阈值增益为

其中是介质的损耗系数，分别是谐振腔反射镜的反射系数。当激光器的增益时，才能有激光放出。（详细推导请看补充题1、2）
9．一个GaAsPIN光电二极管平均每三个入射光子产生一个电子空穴对。假设所以的电子都被收集，那么
（1）计算该器件的量子效率；
（2）在波段接收功率是，计算平均是输出光电流；
（3）计算波长，当这个光电二极管超过此波长时将停止工作，即长波长截止点。
解：（1）量子效率为
（2）由量子效率得到

（3）GaAsPIN的禁带宽度为，则截止波长为

10．什么是雪崩增益效应？
答：一次光生载流子穿过一个具有非常高的电场高场区。在这个高场区，光生电子－空穴可以获得很高的能量。他们高速碰撞在价带上的电子，使之电离，从而激发出新的电子－空穴对。新产生的的载流子同样由电场加速，并获得足够的能量，从而导致更多的碰撞电离产生，这种现象叫雪崩效应。
12．光检测过程中都有哪些噪声？
答：量子噪声，暗电流噪声，漏电流噪声和热噪声。
补充题1．一束光在介质中传播时，其光强随传播距离的变化通常表示为，其中为初始光强，为光强增益系数，为光强损耗系数。试推到这个式子，并说明此式成立条件。
解：设光束通过厚度为的一层介质时，其光强由变为，在光放大时，可写成，即，若为常数，则积分得到；
在衰减时，，可写成，即，若为常数，则积分得到；
所以，当光放大和光衰减同时存在时，便有。
显然，此式成立的条件是：都与无关。

《光纤通信》第4章课后习题及答案
1．光纤的连接损耗有哪些？如何降低连接损耗？
答：光纤连接器引入的损耗有插入损耗（insertion loss）和回波损耗（return loss）。插入损耗是由光纤端接缺陷造成的光信号损失，插入损耗越小越好。回波损耗是由于光波在光纤端接的界面处产生菲涅耳反射，反射波对光源造成干扰，故回波损耗越大越好。ITU建议回波损耗值不小于38dB。
由径向偏移产生的损耗比纵向偏移大得多，因而首先要保证光纤轴心对准、靠紧。
2．试用2×2耦合器构成一个8×8空分开关阵列，画出连接图和输入、输出端口信号间的流向，计算所需要开关数。
解：由，得到

5．光滤波器有哪些种类？滤波器应用在什么场合？
答：光滤波器种类有：1.F-P腔型光滤波器：光纤型F-P腔滤波器，铁电液晶光滤波器，微机械F-P滤波器；2.马赫-曾德干涉型光滤波器：3.基于光栅的滤波器：声光可调滤波器，电光可调滤波器，光栅滤波器，光纤布拉格光栅滤波器；4.介质膜滤波器；5.有源滤波器；6.原子共振滤波器。光滤波器主要应用于DWDM系统中。
1．光放大器包括哪些种类？简述它们的原理和特点。EDFA有哪些优点？
答：光放大器包括半导体光放大器、光纤放大器（由可分为非线性光纤放大器和掺杂光纤放大器）。
1）半导体光放大器
它是根据半导体激光器的工作原理制成的光放大器。将半导体激光器两端的反射腔去除，就成为没有反馈的半导体行波放大器。它能适合不同波长的光放大，缺点是耦合损耗大，增益受偏振影响大，噪声及串扰大。
2）光纤放大器
（1）非线性光纤放大器
强光信号在光纤中传输，会与光纤介质作用产生非线性效应，非线性光纤放大器就是利用这些非线性效应制作而成。包括受激拉曼放大器（SRA）和受激布里渊放大器（SBA）两种。
（2）掺杂光纤放大器（常见的有掺铒和掺镨光纤放大器）
在泵浦光作用下，掺杂光纤中出现粒子数反转分布，产生受激辐射，从而使光信号得到放大。
EDFA优点：高增益、宽带宽、低噪声及放大波长正好是在光纤的最低损耗窗口等。
7．EDFA的主要性能指标有哪些？说明其含义？
答：（1）增益，是指输出功率与输入功率之比G=Pout/Pin，如果用分贝作单位定义为G=10log10（Pout/Pin）；
（2）噪声系数，是指输入信号的信噪比与输出信号的信噪比Fn＝（SNR）in/（SNR）out 。
8．分别叙述光放大器在四种应用场合时各自的要求是什么？
答：（1）在线放大器：当光纤色散和放大器自发辐射噪声的累积，尚未使系统性能恶化到不能工作时，用在线放大器代替光电光混合中继器是完全可以的。特别是对多信道光波系统，节约大量设备投资。（2）后置放大器：将光放大器接在光发送机后，以提高光发送机的发送功率，增加通信距离。（3）前置放大器：将光放大器接在光接收机前，以提高接收机功率和信噪比，增加通信距离。（4）功率补偿放大器：功率补偿放大器的运用场合：A.用于补偿局域网中的分配损耗，以增大网络节点数；B.将光放大器用于光子交换系统等多种场合。
1．光接收机中有哪些噪声？
答：热噪声、散粒噪声和自发辐射噪声。
4．光源的外调制都有哪些类型？内调制和外调制各有什么优缺点？
答：光源的外调制类型有：电折射调制、电吸收MQW调制、M-Z型调制。内调制器简单且廉价，这种调制会引起输出光载波的频率啁啾；外调制器可以有更高的速率工作，并且有较小的信号畸变。
5．假定接收机工作于1550nm，带宽为3GHz，前置放大器噪声系数为4dB，接收机负载为，温度，量子效率，，，设计，即，试计算接收机的灵敏度。
解：接收机工作于1550nm，则电离系数比为，，则散粒噪声系数为

热噪声电流方差为
（带数据自己计算）
接收机灵敏度为
（带数据自己计算）
习题七

6．一直有一个565Mb/s单模光纤传输系统，其系统总体要求如下：
（1）光纤通信系统的光纤损耗为0.1dB/km，有5个接头，平均每个接头损耗为0.2dB，光源的入纤功率为-3dBm，接收机灵敏度为-56dBm（BER=10-19）。
（2）光纤线路上的线路码型是5B6B，光纤的色散系数为2ps/（km.nm），光源光谱宽度为1.8nm。
求：最大中继距离是多少？
注：设计中选取色散（功率）代价为1dB，光连接器损耗为1dB（发送和接收端各一个），光纤富于度为0.1dB/km，设备富于度为5.5dB。
解：（1）把，，，，，，代入

其中右边分子上的1是指色散（功率）代价。于是可通过计算得到损耗限制的最大中继距离。
（2）受色散限制的最大传输距离为

由于是单模光纤，所以，，，分子上的是为了和分母的的单位相匹配，的单位一定要用Mb/s。代入数据就可以求出的值来。其中。
求出受色散限制的最大传输距离，然后与损耗限制的最大中继距离相比，取最小值，就是最大中继距离。
7．一个二进制传输系统具有以下特性：
（1）单模光纤色散为15ps/(nm.km)，损耗为0.2dB/km。
（2）发射机用的GaAs激光源，发射平均光功率为5mW，谱宽为2nm。
（3）为了正常工作，APD接收机需要平均1000个光子/比特。
（4）在发射机和接收机处耦合损耗共计3dB。
求：
a．数据速率为10和100Mb/s时，找出受损耗限制的最大传输距离。
b．数据速率为10和100Mb/s时，找出受色散限制的最大传输距离。
c．对这个特殊系统，用图表示最大传输距离与数据速率的关系，包括损耗和色散两种限制。
解：a。由“为了正常工作，APD接收机需要平均1000个光子/比特”得到APD的接收功率为

其中是普朗克常数，是光速，是波长。
又已知，把发射功率和接收功率用dBm表示出来。
受损耗限制的最大传输距离为

其中
b．受色散限制的最大传输距离为

由于是单模光纤，所以，，，分子上的是为了和分母的的单位相匹配，的单位一定要用Mb/s。代入数据就可以求出的值来。
c．对这个特殊系统，用图表示最大传输距离与数据速率的关系，包括损耗和色散两种限制。用matlab很容易表示。
8．画图比较下面两个速率为100Mb/s的系统其损耗受限的最大传输距离。
系统1工作在850nm：
（1）GaAlAs半导体激光器：0dBm(1mW)的功率耦合进光纤；
（2）硅雪崩光电二极管：灵敏度为-50dBm；
（3）渐变折射率光纤：在850nm处的损耗为3.5dBm/km；
（4）连接器损耗：每个连接器为1dB。
系统2工作在1300nm：
（1）InGaAsPLED：-13dBm的功率耦合进光纤；
（2）InGaAsPIN光电二极管：灵敏度为-38dBm；
（3）渐变折射率光纤：在300nm处的损耗为1.5dBm/km；
（4）连接器损耗：每个连接器为1dB。
每个系统均要求6dB的系统富于度。
解：系统1：把，，，，代入

可得到损耗受限的最大传输距离。
系统2：把，，，，代入
,可得到损耗受限的最大传输距离。
9．简述PDH和SDH的特点与不同。
答：PDH逐级复用造成上下路复杂而不灵活；预留开销很少，不利于网络运行、管理和维护；T系列和E系列的帧结构和线路码特性不同，难以兼容，转换比较复杂；点对点传输基础上的复用结构缺乏组网的灵活性，难以组建具有自愈能力的环形网等。
与PDH相比，SDH有以下特点：有统一的标准传输速率等级；有国际标准化的网络节点接口；具有一次完成同步复用的功能；具有强大的网络管理功能。
11．如何理解误码性能参数？
答：为了满足测量要求，在实际中，通常采用误码性能参数来表示系统的误码性能，采用超过每个阈值的时间百分数来表征。通过测量可判断出该系统的优劣，并且可以根据误码性能指标判别出传输系统问题出现在哪个段落。具体来说有下列指标：
误码个数记录：以发送端的二进制数和接收端的二进制数逐比特比较凡属相异的即为误码，可在短时间内判断出该系统的优劣。
劣化分(DM)：每次测量时间分钟，门限平均误码率，当分钟平均误码率低于这一门限值时称为劣化分钟

严重误码秒(SES)：每次测量时间秒，门限平均误码率，当秒平均误码率低于这一门限值时称为严重误码秒

误码秒(SES)：每次测量时间秒，门限平均误码率，即在每个测量周期内只要出现误码就叫误码秒

平均误码率：是在一段相当长的时间间隔内，传输系统出现误码的概率

（1）段开销（SOH）区域                  
    段开销是指SDH帧结构中为了保证信息净负荷正常、灵活、有效地传送所必须附加的字节，主要用于网络的OAM功能，段开销分为再生段开销（RSOH）和复用段开销（MSOH）。 （3分）      
（2）信息净负荷（Payload）区域 
信息净负荷区域主要用于存放各种业务信息比特，也存放了少量可用于通道性能监视、管理和控制的通道开销（POH）字节。                     
 （3）管理单元指针区域 
     管理单元指针（AU-PTR）是一种指示符，其作用是用来指示净负荷区域内的信息首字节在STM-N帧内的准确位置，以便在接收端能正确分离净负荷。

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