卢志茂 《光纤通信》课后答案.doc

全书习题参考答案第1章概述1.1 填空题（1）光导纤维（2）掺铒光纤放大器(EDFA) 波分复用(WDM) 非零色散光纤(NIDSF) 光电集成(OEIC)（3）0.85m 1.31m 1.55m 近红外 （4）光发送机 光接收机 光纤链路（5）光纤 C=BWlog2(1+SNR) 信道带宽（6）大 大（7）带宽利用系数（8）可重构性 可扩展性 透明性 兼容性 完整性 生存性 1.2 解：利用光导纤维传输光波信号的通信方式称为光纤通信。即以光波为载频，以光纤为传输介质的通信方式称为光纤通信。1.3 解：（1）传输频带宽，通信容量大（2）传输距离长（3）抗电磁干扰能力强，无串音（4）抗腐蚀、耐酸碱（5）重量轻，安全，易敷设（6）保密性强(7) 原料资源丰富1.4 解：在光纤通信系统中，最基本的三个组成部分是光发送机、 光接收机和光纤链路。光发送机由电接口、驱动电路和光源组件组成。其作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。光接收机是由光检测器组件、放大电路和电接口组成。 其作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。光纤链路由光纤光缆、 光纤光缆线路(接续)盒、光缆终端盒、光纤连接器和中继器等构成。光纤光缆用于传输光波信息。中继器主要用于补偿信号由于长距离传送所损失的能量。光缆线路盒：将光缆连接起来。光缆终端盒：将光缆从户外引入到室内，将光缆中的光纤从光缆中分出来。光纤连接器：连接光纤跳线与光缆中的光纤。1.5解：“掺铒光纤放大器(EDFA)+波分复用(WDM)+非零色散光纤(NIDSF)+光电集成(OEIC)”正成为国际上光纤通信的主要发展方向。1.6 解：第一阶段（19661976年），实现了短波长（0.85m）、低速（45或34 Mb/s）多模光纤通信系统，无中继传输距离约10km。第二阶段（19761986年），光纤以多模发展到单模，工作波长以短波（0.85um）发展到长波长，实现了波长为1.31m、传输速率为140165Mb/s的单模光纤通信系统，无中继传输距离为50100km。第三阶段（19861996年），实现了1.55m色散位移单模光纤通信系统。采用外调制技术，传输速率可达2.510Gb/s，无中继传输距离可达100150km。第四阶段（19962006年），主要研究的是光纤通信新技术，例如，超大容量的波分复用技术和超长距离的光孤子通信技术等。1.7 解：全光网是指网络中端到端用户节点之间的信号传输与交换全部保持着光的形式，即端到端的全光路，中间没有光/电转换器。特点：(1) WDM全光网采用密集波分复用技术，可以充分利用光纤的带宽资源，有极大的传输容量和传输质量，且与现有的通信网有良好的兼容性。(2) 全光网结构简单，端到端采用透明光通路连接，沿途没有光/电转换与存储，网络中许多光器件都是无源光器件，便于维护，可靠性高。(3) 全光网结构具备可扩充性和可重构性。网络中使用了OXC，加入新的网络节点时，不影响原有的网络结构和设备，从而可降低成本。当用户通信量增加或网络出现故障时，可以改变OXC的连接方式，对网络进行可靠重构。(4) 全光网以波长选择路由，各个连接是通过承载信息的波长来识别的，因此对传输速率、数据格式及调制方式均具有透明性，可提供不同的速率、协议、调制频率和制式的信号，同时兼容，允许几代设备（PDH/SDH/ATM）甚至IP技术共存，共同使用光缆基础设施。(5) 具有自动修复功能。第2章光纤和光缆2.1 填空题（1）模间 模内 材料色散 波导色散（2）ps/(nmkm) 1 nm 1km距离（3）V2.405（4)缆芯 加强元件 护层（5)架空敷设 管道敷设 直埋敷设 水底敷设（6)光纤材料 光纤中的结构缺陷（7)截止波长2.2 解：光纤由纤芯、包层和防护层三个基本部分组成。纤芯位于光纤的中心，其作用是提供传输光信号的通道。包层位于纤芯的外层，其作用是将光封闭在纤芯内传播。光纤的最外层是防护层，其作用是用来吸收外泄的光能，增加光纤的机械强度与柔韧性以及便于识别等。2. 3解：色散主要是指能量在时间上相对集中的光脉冲经过光纤传输后其能量在时间上相对弥散。光纤的色散可以分为三类：模间色散、色度色散和偏振模色散。色度色散又分为材料色散和波导色散。在单模光纤中，只存在色度色散和偏振模色散。2.4解：光缆是由缆芯、加强元件和护层三部分组成。2.5解：按照结构方式不同，光缆可分为层绞式、骨架式、束管式和带状式四种基本类型。2.6解：按照光纤材料的不同，分为石英光纤(用于光纤通信)和塑料光纤；按照光纤折射率分布形式的不同，分为阶跃光纤和渐变光纤；按照纤芯内光波模式的不同，分为多模光纤和单模光纤。2.7 解：数值孔径NA表示光纤的集光能力，即凡是入射到数值孔径角0以内的所有光线都可以满足全反射条件，从而将光线束缚在纤芯中沿轴向传播。数值孔径NA越大，光纤捕捉光线的能力就越强，光纤与光源之间的耦合效率就越高。数值孔径的计算公式：2.8解：光纤的损耗系数()表示单位长度km的光功率损耗dB（分贝）值，定义为in,为注入光纤的功率；L为光纤的长度；out为经长度L的光纤传输后的光功率。()表示平均每公里长度光纤的光功率衰减大小。光纤传光距离的远近与()密切相关，()越小传光距离越远。2.9 解：40.49672.10 解：NA=0.0769；a7.72m；0=4.412.11 解：in=9.49W；ou=1.69W2.12 解：=0.16ns2.13 解：a0.47m；0.00222.14 解：0=13；NA=0.30052.15 解：NA=0.212；=50 ns 2.16 解：a12.17m；a23.32m；a33.96m2.17 解：=1.3m时，a4.05m；= 1.55m时，a4.83m第3章 无源光器件3.1 填空题(1) 数值孔径 折射率分布 纤芯直径(2) 活动连接 固定连接(3) 连接器输出功率与输入功率比的分贝数(4) 光信号的合路/分路 (5) X型（22）耦合器 Y型（12）耦合器 星形（NN）耦合器 树形（1N，N2）耦合器 (6) 微镜片耦合器 波导耦合器 光纤耦合器(7) 穿过耦合器的某一光通道所引入的功率损耗 (8) 插入损耗 附加损耗 分光比 隔离度 (9) =2nL/N(10) 腔长L 腔内的折射率n(11) 机械调谐 电磁调谐 热调谐 (12) 波长(13) 耦合型光衰减器 反射型光衰减器 吸收型光衰减器(14) 固定式光衰减器 可变式光衰减器(15) 体积小 质量轻 衰减量精度高 稳定可靠 使用方便 3.2 解：光纤通信系统对无源光器件要求是：(1) 插入损耗小 (2) 反射损耗大 (3) 工作温度范围宽 (4) 性能稳定(5) 寿命长 (6) 体积小 (7) 便于集成 (8) 价格便宜3.3 解：影响光纤连接损耗的主要因素有两个方面，一方面是被连接的两根光纤是否匹配，即两根单模光纤的模场分布是否匹配，或两根多模光纤的芯径和折射率分布是否相同，被连接的两根光纤性能参数的离散性必然会导致插入损耗的增加；另一方面的因素是安装的精度，即两根光纤横向的错位、纵向的分离（两根光纤中间具有间隙）、光纤的倾斜和截面不平整都会增加插入损耗。 3.4 解：评价光纤连接器的主要性能指标有插入损耗、回波损耗、互换性、重复性和稳定性等。3.5 解：根据输入和输出端口数不同，光开关可分为11、12、1N、22、MN等多种，它们在不同场合有不同用途。11光开关：在光纤测试中，控制光源的接通和断开。12光开关：当光纤断裂或传输发生故障时，可通过光开光改变业务的传输路径，实现光网络自动保护倒换。1N光开关：可用于光网络监控，在远端光纤测试点通过此种开关把多根光纤接到一个光时域反射仪（OTDR），通过光开关倒换，实现对所有光纤监测，或者插入网络分析仪实现网络在线分析；也可用于光纤通信器件测试，能同时对多个光器件（如光源、探测器、光纤光缆）进行测试；在光传感系统中，可实现空分复用和时分复用。22光开关：利用此开关可以组成MN光开关矩阵，MN光开关矩阵是光交叉连接(OXC)的核心部件。OXC可实现动态的光路径管理、光网络的故障保护并可灵活增加新业务。根据工作原理的不同，光开关可分为机械光开关、固体波导光开关和其他原理光开关（如液晶光开关）。3.6 解：表征光纤耦合器性能的主要参数有插入损耗、附加损耗、分光比与隔离度或串音。3.7 解：需要22耦合器个数为 3.8 解：对光开关的要求是插入损耗小、串音低、重复性高、开关速度快、回波损耗小、消光比大、寿命长、结构小型化和操作方便。3.9 解：F-P腔光纤滤光器是根据法布里一珀罗(FabryPerot)干涉原理而制作的滤波器。输入光纤和输出光纤的两个端面被抛光、镀银，形成两个透镜，分别安装在两个活动支架上。两个端面相对放置，中间有一缝隙，调节缝隙大小便可调节滤光器的通频带。一般采用压电陶瓷（PZT）对活动支架进行微调。在电信号的驱动下，PZT可进行伸缩，造成空气间隙变化，引起腔长的改变，从而实现波长的调谐。改变光纤的长度同样可以实现调节腔长的目的。这种滤波器的输出光谱呈梳状，即具有周期分布的多谱线，其中心波长由公式=2nL/N 决定，其中N为正整数。通过改变腔长L或腔内的折射率n，就能调谐滤波波长。3.10 解：光纤光栅可以应用在光纤光栅滤波器、光纤激光器、WDM合波/分波器、超高速系统中的色散补偿器、EDFA增益均衡器等光纤通信领域。3.11 解：18.57m 3.12 解：光衰减器是调节光强度不可缺少的器件，主要用于光纤通信系统以及线路的评估、调整等方面。光衰减器可按照用户的要求将光信号能量进行预期的衰减，可在通信系统中吸收或反射掉光功率余量，在评估系统的损耗及各类试验中经常使用。 第4章 光放大器4.1 填空题(1) 光纤放大器(2) 受激辐射 受激散射(3) 同向泵浦 反向泵浦 双向泵浦 (4) 在线放大器 后置放大器 前置放大器 功率补偿放大器(5) 法布里珀罗放大器 非谐振的行波放大器(6) 光信号放大器 光开关 全光波长变换器(7) 高 低 宽 高(8) 掺铒光纤 泵浦光源 光耦合器 光隔离器 光滤波器(9) 掺铒光纤 粒子数反转 受激辐射放大(10) 能量(11) 自发辐射 提高放大器信号的信噪比(12) 镨 铒4.2填表类 型条 件现 象电子跃迁伴随光子辐射（是否相干光）自发辐射无外界作用高能级低能级有(非相干光)受激辐射外来入射光作用高能级低能级有(相干光)受激吸收外来入射光作用低能级高能级无4.3 解：光放大器的作用是补偿光信号在长距离传输过程中所损耗掉的能量。4.4 解：光放大器可分为半导体型放大器(SOA)和光纤型放大器两类。光纤型放大器包括掺稀土元素光纤放大器和非线性光纤放大器。掺稀土元素光纤放大器是一种新型放大器，主要有工作在1550nm的掺铒光纤放大器(EDFA)和工作在1310nm的掺镨光纤放大器(PDFA)。非线性光纤放大器主要有受激拉曼光纤放大器(SRA)和受激布里渊光纤放大器(SBA）。 EDFA具有如下优点: (1) 工作波长在1.521.56m范围内，与光纤最小损耗窗口一致，在光纤通信中获得广泛应用。 (2) 耦合效率高。因为是光纤型放大器，易于与光纤耦合连接，也可以用熔接技术与传输光纤熔接在一起，损耗可降低0.1dB，反射损耗也很小，不易自激。 (3) 能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤纤芯的近轴部分，而信号光和泵浦光在近轴部分最强，这使得光与物质充分作用。能量转换效率一般大于50%。 (4) 增益高、噪声低。输出功率大，增益可达40dB，输出功率在单向泵浦时可达14dBm，双向泵浦时可达17dBm，甚至可达20dBm，噪声系数一般为45dB，充分泵浦时，噪声系数可低至34dB。 (5) 增益特性不敏感。EDFA的增益对温度不敏感，在100内增益特性保持稳定，另外，增益也与偏振无关。 (6) 可实现信号的透明传输，即在波分复用系统中可同时传输模拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号，系统扩容时，可只改动端机而不改动线路。4.5 略4.6 解：根据泵浦方式不同，EDFA可分为同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦三种结构类型。同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦的能量转换效率分别为61%、76%和77%。在同样泵浦条件下, 双向泵浦的EDFA输出最高。同向泵浦和双向泵浦方式具有较好的噪声性能，反向泵浦的噪声较大,同向泵浦方式的EDFA噪声总是最小的。 4.7 解：影响增益大小的因素还有掺铒浓度、泵浦光功率、光纤长度、泵浦光的波长等。4.8 略4.9 解：频移量不同，SRA频移量大于SBA；SRA受激辐射发生在前向，SBA发生在后向； SBA阈植功率比SRA低；SBA增益高于SRA300倍左右。4.10 解：EDFA是目前线路上使用最广泛的光放大器，但是工作带宽较窄，增益带宽不够平坦，难以适应今后高容量、宽带宽和长距离的传输要求，而SRA具有的低噪声和增益带宽灵活可变等优点，恰好弥补了EDFA的不足。如果采用EDFA与SRA相结合的混合放大方案，就能够充分发挥两种放大器各自的优点，使传输系统获得低噪声、小的非线性损耗和宽的增益带宽，以实现DWDM系统的高容量、宽带宽和长距离的传输。4.11 解：(a) 23.010dB (b) 23.008dB第5章 光源与光发送机5.1 填空题(1) 激光 阈值电流(2) 合适的输出光功率 良好的消光比 调制特性要好 (3) 面发光LED 边发光LED(4) 变宽 长波长(5) 阈值 受激 高 窄 高 窄(6) 保持光源在恒温下工作 保持有稳定的输出光功率和发射波长(7) 发散角 数值孔径（NA）(8) 低 高5.2 略5.3 解：在光纤数字通信系统中，选择码型时应考虑以下几方面的因素： (1) 传输码型有足够的定时信息，减少连“0”和连“1”的个数，便于时钟提取。(2) 传输码型应有不中断业务进行误码检测的能力。(3) 传输码型应力求降低线路传输的码率，或线路传输码率的提高应尽可能的少。(4) 抗干扰性好，能使可检测的光功率减至最小。(5) 传输码型的实施，应力求简单和经济。(6）传输中发生误码时，误码扩散范围或误码增值低。 5.4 解：构成激光器必须具备有光放大作用的工作物质（即激活物质）、使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）以及具有频率选择与反馈作用的光学谐振腔。5.5 解：当IIth时，激光器发射激光。5.6 解：阈值电流会随温度的升高而变大。 5.7 解：纵模是指沿光学谐振腔纵向的电磁场分布模式，谐振频率主要由纵模决定。横模是指沿光学谐振腔横向的电磁场分布模式，传播方向主要由横模决定。 单模激光是指LD发出的激光是单纵模，其光谱只有1根谱线，峰值波长称为中心波长，谱线宽度小于0.1nm，故光谱很窄；多模激光是指LD发出的激光是多纵模，其光谱有多根谱线，对应于多个中心波长，其中最大峰值波长称为主中心波长，谱线宽度为几个纳米，故光谱较宽。5.8 解： 特性LDLED结构有p-n结，有光学谐振腔有p-n结，无光学谐振腔I-V特性正向偏置，导通电压0，导通电阻小与LD相似P-I特性负温度系数Ith为几十至一百多mA负温度系数（影响小于LD）无Ith（线性好于LD）光谱激光（相干光）谱宽1nm左右自发辐射光（非相干光）谱宽几十至一百多nm（比LD窄）可调制频率10GHz几十至一百多MHz（比LD低）发射角耦合效率为百分之几十耦合效率小时（比LD长）应用高速、长距离光纤通信低速、短距离光纤通信5.9 略5.10略5.11 解：光源的调制可以分为内调制和外调制两类。内调制的优点是结构简单、价格低廉、易于实现，但在高速率系统中的不断提高，直接强度调制会产生啁啾效应。外调制性能优越，采用外调制器可以减少啁啾，但技术复杂，价格高。5.12 解：据题意，输出光功率P=1.5mw，注入电功率=2V0.075A=0.15W。所以，功率转换效率为 5.13解： 据题意，驱动电流I=50mA, 输出光功率P=2mW。故得 5.14解：因为LED的量子效率为 所以 第6章 光检测器与光接收机6.1填空题（1）移相开关二极管、PIN、APD （2）短距离、小容量、长距离、大容量（3）、 （4）N+，P，I，P+ （5）响应度、量子效率 、响应速度、暗电流Id 、雪崩二极管倍增因子G、附加噪声指数 （6）光电变换、前置放大器、主放大器、均衡滤波和自动增益控制(AGC)电路6.26.11略6.12 解：LD的P-I特性曲线上存在阀值电流Ith，当LD的正向电流I Ith时，LD发出激光；当I Ith时，LD发出荧光。所以，为了使LD 发出激光，调制前要在LD 上预先注入适当的正向电流IB ，也就是预偏电流。由于IB的存在，以致无电信号输入时，LD也会有定的光功率输出这对光接收机是种噪声。因此，从提高信噪比来看，希望IB越小越好。但是，从谱线和调制速度来看IB又不宜过小。这是因为减小IB会使荧光成分变多、导致LD输出谱线变宽；并且，当输入脉冲最大幅度IM不变时，减小IB会使输出光功率降低；为了使输出光功率不降低，就需要增大IM，这会使调制电流的幅度变化过大，影响调制速度。所以，对于直接光强度调制的激光而言，折中考虑，通常取IB=（0.71）Ith。6.13 解：根据题目给定的条件，可以进行如下的分析：由于光源的EXT0，所以“0”码时，接收的光能量为零；出于光电二极管暗电流为零、“0”码时光能量为零、放大器又无噪声，所以接收码元为“0”时，光电二极管不输出电子空穴对放大器也无信号输出，“0”码不会误判为“l”码，由于放大器无噪声，所以只要光电二极管输出个电子空穴对，判决器就能判决以来，接收“1”码而光电二权督输出的电子空穴对数为零的概率则是误码率。设“1”码所含有的光的能量为E1，则在“1”码持续期间产生的平均光子数为 是光子能量。光子计数过程的概率密度为泊松分布，设码序列中“0”码和“1”码出现的概率相等，即 解得 E1=21即当误码率要求为10-9。时，每个入射“1”码脉冲至少应有21个光子的能量，或者说每个“1”码脉冲含有的平均光子数至少为21个。这就是光接收的量子极限。第7章系统设计7.1填空题（1） T系列、美、日、E系列、欧盟、中国（2） 二、四、基群、二四二至四次（3） 传输速率、工作波长、光纤光缆类型、估算中继距离（4） mBnB码、插入比特码、mBnB码、插入比特（5） 话音、数据业务、互联网业务7.6略7.7 解：准同步数字系列(PDH)的不足是：逐级复用造成上下电路复杂而不灵活；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7.8 解：衰减限制系统是指光纤线路的衰减较大、传输距离主要受衰减影响的系统。例如；2次群及其以下的多模光纤通信系统、5次群及其以下的单模光纤通信系统都属于衰减限制系统。其中继距离的估计值为 带宽限制系统是指光纤衰减很小、传输距离主要受光纤色散带宽影响的系统.算出：其最佳带宽下(码间干扰最小)的中继距离的估计值为 7.9略7.10略第8章 光纤通信网8.1 填空题（1）光信道层、光复用段层和光传输段层（2）终端复用设备、分插复用设备、数字交叉连接设备和再生器（3）光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道（4）映射、定位和复用（5）9、(270N)、 速率等级、125us（6）最高速率等级、最低等级速率级别（7）传送终端功能（TTF）、高阶通道连接（HPC）、高阶组装器（HOA）、高阶接口（HOI）、低阶通道连接（LPC）（8）STM-1、155.520Mb/s、STM-4、STM-16、STM-64和STM-256。 8.2解：SDH中各速率等级STM-N（N=1，4，16，64，256）都是同步复用。这是因为各速率等级的SDH帧分别由1个或多个AUG帧（管理单元组）复用并加上相应的开销字节而构成，码速调整已在AUG帧之前进行，故AUG帧和各级SDH帧内不