光纤通信原理参考答案.doc

光纤通信原理参考答案第一章习题1-1 什么是光纤通信? 光纤通信是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。1-2 光纤通信工作在什么区，其波长和频率是什么?目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为SiO2的光纤。它是工作在近红外区，波长为0.81.8m，对应的频率为167375THz。1-3 BL积中B和L分别是什么含义?系统的通信容量用BL积表示，其含义是比特率距离积表示，B为比特率，L为中继间距。1-4 光纤通信的主要优点是什么?光纤通信之所以受到人们的极大重视，是因为和其他通信手段相比，具有无以伦比的优越性。主要有：(1) 通信容量大(2) 中继距离远 (3) 抗电磁干扰能力强，无串话 (4) 光纤细，光缆轻(5) 资源丰富，节约有色金属和能源。光纤还具有均衡容易、抗腐蚀、不怕潮湿的优点。因而经济效益非常显著。1-5 试画出光纤通信系统组成的方框图。一个光纤通信系统通常由电发射机、光发射机、光接收机、电接收机和由光纤构成的光缆等组成。1-5 试叙述光纤通信的现状和发展趋势。略第二章习题2-1 有一频率为的脉冲强激光束，它携带总能量W=100J，持续时间是=10ns(1ns=10-9s)。此激光束的圆形截面半径为r=1cm。求：(1) 激光波长；(2) 平均能流密度；(3) 平均能量密度；(4) 辐射强度；（1）（2）（3）（4）2-2 以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为1m。（1） 从第一级明纹到同侧旁第四级明纹间的距离为7.5mm，求单色光的波长；（2） 若入射光的波长为610-7m，求相邻两明纹间的距离。（1） （2）2-3 一单色光垂直照在厚度均匀的薄油膜上。油的折射率为1.3，玻璃的折射率为1.5 ，若单色光的波长可由光源连续调节，并观察到500nm与700nm这两个波长的单色光在反射中消失，求油膜的厚度。解：由于空气的折射率小于油的折射率，油的折射率小于玻璃的折射率，薄油膜的上、下两表面反射而形成相干光，由于两束光的路程不同而引起的光程差为2 n2e；由于薄油膜的上、下两表面反射光都发生位相突变而不引起额外的光程差。所以总的光程差为 当反射光因干涉而减弱，则有 由上式得 k1 ，k2=1，2，3 所以k1 =4，k2=3把n2=1.3代入得到油膜的厚度为干涉加强的光波波长为：e=673.08nm 2-4 、2-5、2-6、2-7、2-8、2-9略2-9 一束线偏振光入射到偏振片上，光矢量方向与偏振化方向分别成30角和60角，问透过偏振片的光强之比是多少?解：利用马吕斯定律： 2-10一束光强为I0的自然光通过两块偏振化方向正交的偏振片M与N。如果在M与N之间平行地插入另一块偏振片C，设C与M偏振化方向夹角为，试求：透过偏振片N后的光强为多少?定性画出光强随变化的函数曲线，并指出转动一周，通过的光强出现几次极大和极小值。（1）（2）转动一周，通过的光强出现4次极大和极小值。2-11 有一介质，吸收系数为，透射光强分别为入射光强的10%、50%及80%时，介质的厚度各多少?解：光束穿过厚度为z的介质后强度为可得： 当透射光强分别为入射光强的10%时，介质的厚度为7.196cm；当透射光强分别为入射光强的50%时，介质的厚度为2.166cm；当透射光强分别为入射光强的10%时，介质的厚度为0.607cm；2-12 一个频率为Hz的光源，其发射功率为10W，它一秒内发射多少个光子?解：2-13 构成激光器的三个基本条件是什么?构成一个激光器需要如下三个要素如图所示：（1） 激光工作物质（2） 激励（3） 光学谐振腔2-14 HeNe激光器的中心频率 Hz，自发辐射谱线宽度为 Hz，若想获得单模输出，腔长应为多少?解：纵模个数N为 当单模输出时N=1，即 Hz由得4m第三章习题3-1 填空题(1) 通信用的光纤绝大多数用 材料制成。折射率高的中心部分叫 ，折射率稍低的外层称为 。(2) 表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为 ，用 表示。(3) 在阶跃型光纤中， 模是最低工作模式， 是第一高阶模。(4) 阶跃型光纤的单模传输条件是 。(5) 渐变型光纤中不同射线具有相同轴向速度的现象称为 。答案： （1）石英，纤芯，包层（2）数值孔径，NA（3）LP01，LP11 （4）0V2.405 （5）光纤的自聚焦现象3-2 什么是光纤的归一化频率?写出表达式。光纤的归一化频率V是由U和W得出的一个重要参数，由光纤的结构和波长决定。3-3什么是标量模?用什么符号来表示。利用标量近似解法得到的电磁场的结构形式称为标量模，用LPmn来表示。3-4 试分析阶跃型光纤和渐变型光纤的导光原理。阶跃折射率光纤的导光原理比较简单，如图3-1-3所示。图3-1-3 阶跃折射率光纤的导光原理按照光的全反射理论，如果光线满足1大于临界角由式（3-1-3）确定的C ，将会在纤芯与包层界面上发生全反射，当全反射的光线再次入射到纤芯与包层的分界面时，又会再次发生全反射而返回纤芯中传输形成导波。采用渐变型折射率光纤的目的是为了降低模间色散，其导光原理如图3-1-4所示。图中给出了梯度折射率光纤中三条不同路径的光线沿光纤传播的情况，与轴线夹角大的光线经过的路径要长一些，然而它的折射率的较小，光线速度沿轴向的传播速度较大；而沿着轴线传播的光线尽管路径最短，但传播速度却最慢。这样如果选择合适的折射率分布就有可能使所有光线同时到达光纤输出端。这样人们很容易理解为什么采用梯度折射率光纤可以降低模间色散。 图3-1-4 渐变型折射率光纤的导光原理3-5 什么是渐变型光纤的最佳折射指数分布?写出平方律型折射指数分布光纤的折射指数表达式。从渐变型光纤的导光原理可知：只要n(r)取得合适，那么不同模式的光线就会具有相同的轴向速度。即具有不同条件的子午射线，从同一地点出发，达到相同的终端。利用渐变型光纤n随r变化的特点，可以减小模式色散。这种现象称为光纤的自聚焦现象，相应的折射指数分布称为最佳折射指数分布。折射指数选取平方律型分布形式 （3-3-1）式中： n(0)光纤轴线处（r=0）的折射率a纤芯半径3-6 什么是单模光纤的衰减系数？写出表达式。衰减常数用单位长度光纤引起光功率衰减的分贝来表示，定义为单位为dB/km。3-7什么是光纤的色散?为什么说光纤的色散会限制系统的通信容量?信号在光纤中是由不同的频率成分和不同模式成分携带的，这些不同的频率成分和模式成分有不同的传播速度，从而引起色散，也可以从波形在时间上展宽的角度去理解，即光脉冲在通过光纤传播期间，其波形在时间上发生了展宽，这种观象就称为色散。光纤色散是光纤通信的另一个重要特性，光纤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。因此制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统容量和加大传输距离是非常重要的。3-8 色散的大小用什么来表示?其单位是什么?对于单模光纤，色散的大小用时延差来表示，色散系数D工程上单位采用ps/(nmkm)。3-9 阶跃型光纤纤芯折射率n1=1.48，包层折射率n2=1.46，在工作波长为1.31m条件下，要保证单模传输，纤芯半径应如何选择。由可知纤芯半径应小于2.09m3-10阶跃型光纤纤芯折射率n1=1.48，包层折射率n2=1.46，试计算光纤的数值孔径?解：由得3-11阶跃型光纤纤芯折射率为1.5，包层折射率为1.48，纤芯半径为2m，问当工作波长为1.31m时，此光纤可传输的模式是什么?由可知：V=2.38，所以只传输单基模LP01第四章习题4-1 填空题 (1) 根据半导体的能带理论，能够被电子占据的能带为 、 、 ，不能被子占据的状态为 。(2) 按照费米狄拉克统计，本征半导体在热平衡状态下，电子在高能级的概率 。(3) 对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时输出的光为 ，这个电流称为 电流。(4) 半导体材料只有波长为C的光入射时，才能使材料产生光子，所以C称为 波长 (5) PIN光电二极管，是在P型材料和N型材料之间加上一层 ，称为 。答案：（1）满带 价带 导带 禁带（2）较小（3）激光 阈值（4）截止（5）轻掺杂的N型材料 I层 4-2 试说明半导体激光器有哪些主要的工作特性?半导体激光器（LD）是光纤通信最主要的光源，非常适合于高码速率长距离的光纤通信系统。光纤通信用的半导体激光器具有以下几个主要特点：（1）光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，即发光波长为0.85m、1.31m或1.55m。（2）光源的谱线宽度较窄，=0.11.0nm。（3）能提供足够的输出功率，可达到10mW以上。（4）与光纤耦合效率高，30%50%。（5）能长时间连续工作，工作稳定，提供足够的输出光功率。4-3 半导体激光器的温度变化对阈值电流有什么影响?温度对激光器阈值电流影响很大，阈值电流随温度升高而加大。所以为了使光纤通信系统稳定、可靠地工作，一般都要采用自动温度控制电路，来稳定激光器的阈值电流和输出光功率。4-4 试画出发光二极管的特性曲线。LED是无阈值器件，它随注入电流的增加，输出光功率近似的线性增加。通常使用使用光输出功率P与注入电流I的关系，即P-I曲线，来描述LED的输出光功率特性，如图4-2-5所示。图4-2-5 LED的P-I特性曲线4-5什么是半导体的光电效应?半导体材料的光电效应是指光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电子空穴对，它们总起来称作光生载流子。光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中出现光电流。从而在电阻R上有信号电压输出。这样，就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用。4-6光电检测器的响应度和量子效率描述的是什么?二者有什么联系?响应度和量子效率都是描述这种器件光电转换能力的物理量。但是，它们的分析角度不同。二者的关系为4-7 试画出分布反馈半导体激光器的结构示意图。分布反馈半导体激光器(DFB-LD)，它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻上波纹状的周期的光栅来构成的，如图4-3-4所示。图4-3-4 分布反馈半导体激光器结构示意图LD多模光谱和单模光谱的比较可以看出，单纵模LD中除了一个主模外，其它纵模都被抑制了，同时主模的谱线宽度非常窄，通常小于1nm，用于高速光纤通信系统是非常理想的。第五章习题5-1 试画出光纤附加损耗随温度变化曲线。5-2 光缆的纤芯是如何构成的?根据不同用途和不同的使用环境，光缆的种类很多，但不论光缆的具体结构如何，都是由缆芯、加强元件和外护层所组成。5-3 色散位移光缆与常规光缆有何不同? 常规光缆即G652常规单模光缆。这种光缆光纤损耗在=1.55m附近时最小，但色散较大约为18ps/(nmkm)；在=1.31m损耗较小，约0.35dB/km色散几乎为零。可见常规光缆G652在传输1.55m的光信号时是不利的。色散位移光缆即是由色散位移光纤DSF构成的光缆。DSF是使单模光纤的材料色散和皮导色散相互补偿，在1.55m附近总色散为零。5-4 光纤分路器及耦合器的作用是什么?在光纤通信系统或光纤测试中，经常要遇到需要从光纤的主传输信道中取出一部分光，作为监测、控制等使用，这就用到光纤分路器；也有时需要把两个不同方向来的光信号合起来送入一根光纤中传输，这就用光纤耦合器来完成。5-5 光纤通信系统中为什么必须采用光隔离器?某些光器件，像LD及光放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。因此需要用光隔离器来阻止反射光。5-6 波分复用器的作用是什么，主要有哪几种类型? 波分复用器把不同波长的光信号复合注入到一根光纤中，或者相反地把复合的多波长信号解复用，把不同波长的信号分离出来。波分复用器的种类很多，有棱镜色散型、衍射光栅型及干涉滤光型等。5-7 试画出边发射LED结构截面图(AlGaAs/GaAs ELED)。5-8 半导体激光二极管按结构分类可分为哪几类?按性能分类有哪些?LED类型有：边发光二极管(ELED)、面发光二极管(SLED)和超辐射发光二级管(SLD)。5-9 试画出DH LD管芯示意图。 5-10 LD发光的峰值波长为1.31m，试求有源层材料的带隙Eg为多少焦耳，多少eV?第六章习题5-1 填空题（1）实现光源调制的方法有两类： 和 。（2）消光比定义为 。（3）LD与单模光纤的耦合效率 可达 。 LED与单模光纤的耦合效率 可达 。（4）LED与多模光纤的耦合结构主要有 、 和 。（5）在光接收机中，与光电检测器相连的放大器称为 ，它是 的放大器。（6）信号电平超过判决门限电平，则判为 码。低于判决门限电平，则判为 码。（7）工程上光接收机的灵敏度常用 表示，单位是 。答案：（1）直接调制 间接调制；（2）消光比定义为：EXT=全“0”码时的平均光功率/全“1”码时的平均光功率；（3）较高 30%-50% 较低 1%（4）球透镜 柱透镜 GRIN透镜（5）前置放大器 低噪声、高增益；（6）“1” “0”（7）光功率的相对值 dBm6-2 面发光LED的输出为朗伯分布I()=I0cos，试计算耦合效率。略6-3 试画出LD数字信号的直接调制原理图。6-4 什么是频率啁啾? 调制脉冲的前沿升高(蓝移)，后沿下降(红移)，使输出频谱加宽，这种动态线宽加宽效应称为啁啾6-5 目前可以使用的外调制方式有几种，分别是什么?为什么采用外调制方式? 有三种：电光调制 声光调制 磁光调制 对光源进行内调制的优点是电路简单容易实现。但是，若在高码速下采用这种调制方法时，将使光源的性能变坏，如使光源的动态谱线增宽，造成在传输时色散增加，从而使在光纤中所传脉冲波形展宽，结果限制了光纤的传输容量。采用外调制方式可以克服上述缺点。6-6 试画出光接收机组成方框图。直接检测数字光纤通信接收机一般由三个部分组成，即光接收机的前端、线性通道和数据恢复三个部分，如图5-3-1所示。图5-3-1 直接检测数字光纤通信接收机框图6-7 为什么在光接收机线性通道中要加入均衡滤波器?均衡器的作用是对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使之成为最有利于判决、码间干扰最小的波形。通常将输出波形均衡成具有升余弦频谱函数特性， 此时码间干扰最小，最有利于判决。6-8 数字光纤通信系统中，按照“1”码时码元周期T的大小可分哪两种码型?它们的占空比分别是什么?按照“1”码时码元周期T的大小，分为归零码(RZ码)与非归零码(NRZ码)两种，见图5-4-1。显然，RZ码的占空比为0.5，而NRZ码的占空比为1。图5-4-1 数字光纤通信系统中的码元6-9 什么是量子噪声?量子噪声是与光信号有关，出现这种噪声的原因可以这样解释：光信息的传播是由大量的光量子传播来进行的，这些大量的光量子其相位都是随机的，因此光电检测器在某个时刻实际接收到的光子数，是在一个统计平均值附近浮动，因而产生了噪声。6-10 某光接收机接收的光功率为0.1W，光波长为1.31m，求所对应的每秒钟接收的光子数。解：6-11 某光纤通信系统光发送端机输出光功率为0.5mW，接收端机灵敏度为0.2W，若用dBm表示分别是多少?(提示lg20.3)解：6-12 一数字光纤接收端机，在保证给定误码率指标条件下，最大允许输入光功率为0.1mW，灵敏度为0.1W，求其动态范围。解：所以动态范围D为30dB第七章习题7-1 填空题(1) 利用光纤传输监控信号有两种方式分别是 、 。(2) mBnB又称 ，它是 。(3) 光纤通信系统的长期平均误码率定义为 ，反映突发性误码，用 、 两个性能指标来评价。(4) 在数字光纤通信系统中，抖动会 。(5) SDH网有一套标准化的信息等级结构，称为 。(6)根据ITU-T的建议，码速率分别为：STM-1= Mb/s；STM-16= Mb/s； (7) SDH帧结构中的管理单元指针的位置在 。(8) 二次群的码速率为8.448Mbit/s，1UT的时间为 。答案：（1）频分复用传输方式 时分复用方式 （2）分组码 它是把输入信码流中每m比特码分为一组，然后变换为n比特(nm)输出 （3）误码率(BER)定义为传送错误的码元数占传送的总码元数的百分比 有严重误码秒(SES) 误码秒(ES) （4）引起误码率的增加 （5）同步传输模块 （6）155.520Mb/s， 2488.320Mb/s （7）第四行，1N-9N列 （8）0.1184s7-2 试画出IM-DD光纤通信系统结构框图。点对点IM-DD数字光纤通信系统结构。图6-1-1 点对点IM-DD数字光纤通信系统结构7-3 选择线路码型应满足的主要要求是什么?选择线路码型应满足下面要求：(1) 码流中“1”及“0”码的出现是随机的，可能会出现长串的连“1”或连“0”，这时定时信息将会消失，使接收机定时信息提取产生困难；(2) 简单的单极性码流中有直流成分，且当码流中“0”与“1”作随机变化时直流成分也作随机变化，从而引起数字信号的基线漂移，给判决和再生带来困难。(3) 不可能在不中断业务的条件下检测线路的BER。7-4 什么是插入码，插入码的类型有几种?插入比特码是将信码流中每m比特划为一组，然后在这一组的末尾一位之后插入一个比特码输出，根据插入码的类型分为：mB1P码，mB1C码，mB1H码。7-5 产生抖动的主要原因有哪些?抖动产生的原因主要有： 由于噪声引起的抖动。例如，在逻辑电路中，当输入信号阶跃时，由于信号叠加了噪声，输入信号提前超过了逻辑电路的门限电平，使跃变信号提前发生，从而引起了抖动。 时钟恢复电路产生的抖动。在时钟恢复电路中有谐振放大器，如果谐振回路元件老化，初始调谐不准等因素可引起谐振频率的变化。这样，这种输出信号经时钟恢复电路限幅整形恢复为时钟信号时就会出现抖动。 其他原因引起的抖动。引起抖动还有其他原因，如数字系统的复接、分接过程，光缆的老化等。7-6 什么是分组码?经过分组编码，线路上的速率提高了多少?分组码常用mBnB表示，它是把输入信码流中每m比特码分为一组，然后变换为n比特(nm)输出。分组码有1B2B，2B3B，3B4B，5B6B，5B7B，6B8B等。线路上的速率提高了线路上的速率提高了线路上的速率提高了线路上的速率提高了线路上的速率提高了（n-m）/m7-7 有一个光纤通信系统，其码速率为622.080Mb/s，平均发送光功率PT的最大值0dBm，活动连接器ACT和ACR为0.4dB，设备富余度ME为3dB，光纤衰减系数Af取值1550nm取0.2dB/km，平均熔接接头损耗AS/Lf为0.05dB/km，线路富余度MC为0.06dB/km。接收机灵敏度PR为-31.2dBm，试估算最大中继距离。解：7-8 光纤色散对系统性能参数有什么影响，比较重要的有哪三类。光纤色散会使系统性能参数恶化，比较重要的有三类：码间干扰、模分配噪声、啁啾声。7-9 LAN的拓扑结构主要有几种，试画出它们的拓扑图。7-10 试画出SDH帧结构图。整个帧结构可以分为三个主要区域：(1) 段开销(SOH)区域(2) 信号净负荷区域(3) 管理单元指针区域7-11 画图说明我国的SDH复用结构。7-12 什么是数字交叉连接器(DXC)?DXC设备是一种集复用、自动化配线、保护/恢复、监控和网管等功能为一体的传输设备。第八章习题8-1 填空题(1)EDFA对工作波长为 的光波有放大作用。(2)ITU-T建议G.692文件确定WDM系统的绝对参考频率规范为 。(3)可调光滤波器的作用是 。(4)EDFA有三种基本结构形式分别为 。(5)EDFA具体应用形式有四种： 、 、 、 。答案：(1)1530-1560nm(2)193.10THz(3)波长可调的光滤波器作用是在接收端于接收器前从多信道复用的光信号中选择出一定波长的信号，以供接收机进行接收。(4) 同向泵浦结构，反向泵浦结构和双向泵浦结构(5)线路放大 功率放大 前置放大 LAN放大8-2 多信道复用技术中，从光信号复用技术来考虑主要包括哪些，从光波复用技术来考虑包括哪些? 多信道复用技术中，从光信号复用技术来考虑主要有光时分复用技术、光码分复用技术、副载波复用技术、波分复用技术和空分复用技术。 从光波复用技术来考虑包括光转发技术、可调光滤波技术、光放大技术、光波分复用技术等。8-3 试画出WDM的双纤单向和单纤双向传输方式的示意图。8-4 光转发器的作用是什么? WDM光的发射是采用光转发器技术，开放式WDM系统在发送端采用OTU将非标准的波长转换为标准波长。8-5 掺铒光纤放大器的主要优点是什么? EDFA具有如下优点：(1)工作波长处在1.521.56m范围，与光纤最小损耗窗口一致；(2)对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需要几十毫瓦，而拉曼放大器需0.51W的泵浦源进行激励；(3)增益高、噪声低、输出功率大。它的增益可达40dB，噪声系数可低至34dB，输出功率可达1420dBm； (4)连接损耗低，因为它是光纤型放大器，因此与光纤连接比较容易，连接损耗可低至0.1dB。8-6 试从EDFA的工作能级图，简述EDFA的工作原理。如图8-2-2所示，EDFA的工作能级在和之间，能级分离成一个能带，铒粒子先跃迁到该能带的顶部，并迅速以非辐射跃迁的形式由泵浦态变至亚稳态(即能级)，在该能级上，粒子有较长的存活时间，由于源源不断地进行泵浦，粒子数不断增加，从而实现了粒子数反转。当具有1 550nm波长的光信号通过这段掺铒光纤时，亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生出和入射光信号中的光子一模一样的光子，从而大大增加了信号光中的光子数量，即实现了信号光在掺铒光纤的传输过程中不断被放大的功能，掺铒光纤放大器也由此得名。发出的光的波长为15201570nm，即EDFA对15201570nm的光信号有放大作用。第九章习题9-1 简述