完整版光纤通信课后习题答案

1、习题一1 .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；适应水平强；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局部组成各局部的功能是什么答：光纤通信系统由三局部组成：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、电压一电流驱动电路和光源组件组成.光源组件包括光源、光源一光纤耦合 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

2、是LED或LD,这两种二极管的光功率与驱动电流成正比.电压一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.光源一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、光纤一光检波器耦合器、光检测器和电流一电压转换器.光检测器将光信号转化为电流信号.常用的器件有PIN和APD然后再通过电流一电压转换器,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

3、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.3 .假设数字通信系统能够在高达1%勺载波频率的比特率下工作,试问在5GHz的微波载波和1.55 m的光载波上能传输多少路 64kb/s的音频信道解：根据题意,求得在 5GHz的微波载波下,数字通彳t系统的比特率为

4、 50Mb/s,那么能传输781路64kb/s的音 频信道.根据题意,求得在 1.55 m的光载波下,数字通信系统的比特率为 1.935Gb/s ,那么能传输30241935 路64kb/s的音频信道.4 . SDH#：制有什么优点答：1 SDH传输系统在国际上有统一的帧结构,数字传输标准速率和标准的光路接口,使网管系统互通, 因此有很好的横向兼容性,它能与现有的准同步数字体制 PDH完全兼容,并容纳各种新的业务信号,形 成了全球统一的数字传输体制标准,提升了网络的可靠性；（2） SDH接入系统的不同等级的码流在帧结构净负荷区内的排列非常有规律,而净负荷与网络是同步的,它利用软件能将高速信号一

5、次直接分插出低速支路彳t号,实现了一次复用的特性,克服了PDHB同步复用方式对全部高速信号进行逐级分解然后再生复用的过程,由于大大简化了数字交叉连接DX.,减少了背靠背的接口复用设备,改善了网络的业务传送透明性；3由于采用了较先进的分插复用器 ADM、数字交叉连接DXC、网络的自愈功能和重组功能就显得非 常强大,具有较强的生存率.因SDH帧结构中安排了信号的 5%开销比特,它的网管功能显得特别强大,并能统一形成网络治理系统,为网络的自动化、智能化、信道的利用率以及降低网络的维管费和生存水平起到 了积极作用；4由于SDHW多种网络拓扑结构,它所组成的网络非常灵活,它能增强网监,运行治理和自动配置

6、功能,优化了网络性能,同时也使网络运行灵活、平安、可靠,使网络的功能非常齐全和多样化；（5） SDH有传输和交换的性能,它的系列设备的构成能通过功能块的自由组合,实现了不同层次和各种拓扑 结构的网络,十分灵活；（6） SDH不专属于某种传输介质,它可用于双绞线、同轴电缆,但SDH用于传输高数据率那么需用光纤.这一特点说明,SDH既适合用作干线通道,也可作支线通道.例如,我国的国家与省级有线电视干线网就是采用SDH而且它也便于与光纤电缆混合网HFC相兼容;(7)从OSI模型的观点来看,SDHW于其最底层的物理层,并未对其高层有严格的限制,便于在SDHh采用各种网络技术,支持 AT般IP传输；(8

7、) SD幅严格同步的,从而保证了整个网络稳定可靠,误码少,且便于复用和调整；(9)标准的开放型光接口可以在根本光缆段上实现横向兼容,降低了联网本钱.5 .简述未来光网络的开展趋势及关键技术.答：全光网络将成为继纯电缆网络、光电耦合网络后的第三代网络.全光网络是指信号只是在进出网络时才进行电/光和光/电的变换,而在网络中传输和交换的过程中始终以光的形式存在,因此在整个传输过程中没有电的处理.全光网络的关键技术主要有光放大中继技术、光复用技术、光交换技术、光分插复用技术等.6 .简述WDM勺概念.答：波分复用的根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

8、根光纤中进行传输.7 .解释光纤通信为何越来越多地采用WDM+EDFA式.答：采用 WD瞰术的原因是和它的优点分不开的,它有如下优点：(1)充分利用了光纤的巨大带宽资源；(2)同时传输多种不同类型的信号；(3)实现单根光纤双向传输；(4)多种应用形式；(5)节约线路投资；(6)降低器件的超高速要求.采用EDF破术的原因是和它的优点分不开的,它有如下优点：(1)中继器的价格下降了；(2)对传送的数据速率和调制格式透明,这样系统只需改变链路的终端设备就很容易升级到高的速率；(3)可以同时放大多个波长信号,使波分复用(WDM的实现成为可能；(4)提供了系统扩容的新途径,无需增加光纤和工作的速率,只需

9、通过增加波长就可提升系统的容量；(5)最关键的是系统的本钱下降了.8 .全光网络的优点是什么答：能充分利用光纤的带宽资源,故容量大,传输质量好,开放性,易于实现网络的动态结构,可扩展性,结构简单,透明性,可靠性高,可维护性好.习题二1.光波从空气中以角度 q =33.投射到平板玻璃外表上,这里的日1是入射光与玻璃外表之间的夹角.根据投射到玻璃外表的角度,光束一局部被反射,另一局部发生折射,如果折射光束和反射光束之间的夹角正好为90.,请问玻璃的折射率等于多少这种玻璃的临界角又是多少解：入射光与玻璃外表之间的夹角4 =33° ,那么入射角& =57.,反射角4=57 °

10、;.由于折射光束和反射光束之间的夹角正好为 90.,所以折射角0y =33 o由折射定律 Asin& =nySin% ,得到"=sin&/sind =sin67/sin33 (自己用 matlab 算出来)1其中利用了仝气折射率 n =1.这种玻璃的临界角为 & =arcsin一(自己用matlab算出来) ny2 .计算n1 =1.48及n2 =1.46的阶跃折射率光纤的数值孔径.如果光纤端面外介质折射率n =1.00,那么允许的最大入射角gax为多少解：阶跃光纤的数值孔径为NA =sin %ax ,肃二窗：. 0.24允许的最大入射角 'ax =a

11、rcsin(0.24 )自己用 matlab算出来3 .弱导阶跃光纤纤芯和包层折射率分别为n1 =1.5 , n2 =1.45,试计算(1)纤芯和包层的相对折射率;(2)光纤的数值孔径 NA.22解：阶跃光纤纤芯和包层的相对折射率差为A = nL-n1&0.032nl光纤的数值孔径为 NAmjn2 _n2 0.384 .阶跃光纤纤芯的折射率为小=1.5,相对折射(指数)差 4=0.01,纤芯半径a=25Nm,假设h=1Nm,计算光纤的归一化频率 V及其中传播的模数量 M.解：光纤的归一化频率V =2a. n2 -n2 =a n =33.3p' 0,“V2光纤中传播的模数量 M

12、：. =55425 . 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 Vi =ajn2 _n2 =空a NA ,得到纤芯直径为a 二2 二 NA2M；0.85 2000=3 30.27NA 2 二 0.20(2)当为=1.31 Mm ,有112 二NA 2 二 NA得到模的个数为M22 /'1 TMi 220.852 1000 =4211.31(3)当用 =1.55Mm ,得到模的个数为 M2120.852 1

13、000 =3541.556.用纤芯折射率为n1 =1.5 ,长度未知的弱导光纤传输脉冲重复频率f0 =8MHz的光脉冲,经过该光纤后,信号延迟半个脉冲周期,试估算光纤的长度解：信号的周期为T =1/ f0信号在纤芯中传输的速度为v =c/ n1由于信号延迟半个脉冲周期,那么光纤的长度=v T2c 1Kn12 f03 1086 = 12.5m1.5 2 8 10a应取7.有阶跃型光纤,假设 必=1.5, %=1.31Nm,那么(1)假设A = 0.25,为保证单模传输,光纤纤芯半径多大 ( 2)假设取芯径a =5 pm ,保证单模传输时,应怎么选择?解：(1)由归一化频率 V =巴2川；一n2

14、=a nW2得到a =V=0 ''02二 口 2.为了保证光纤中只能存在一个模式,那么要求V <2.405,那么要求光纤纤芯半径0 2.4051.312.405a ：二 一=2二 ni 2. ：2二 1.52 0.2522(2)假设取芯径a =5Nm,保证单模传输时,那么 &=、过J '互当竺&0.0022 ,2ji na2 2n n1a ,XX.J_. 1/28.渐变光纤的折射指数分布为(r )=n(0 )1 2口 I 1求光纤的本地数值孔径.1-邛一 1"5解：渐变光纤纤芯中某一点的数值孔径为NA(r )=Jn,r )na ) = 2

15、An2(0)9 .某光纤在1300nm处的损耗为0.6dB/km,在1550nm波长处的损耗为0.3dB/km.假设下面两种光信号同 时进入光纤：1300nm波长的150MW的光信号和1550nm波长的100服 的光信号.试问这两种光信号在8km和20km处的功率各是多少以PW为单位.解：对于1300nm波长的光信号,在 8km和20km处的功率各是Po =P10"10 =150 10°48W, 150 10,.2-W对于1550nm波长的光信号,在 8km和20km处的功率各是Po =P10i/10 =100 10°24W, 100 1096-W10 . 一段1

16、2km长的光纤线路,其损耗为 1.5dB/km.试答复：(1)如果在接收端保持 0.3-W的接收光功率,那么发送端的功率至少为多少?(2)如果光纤的损耗变为 2.5dB/km ,那么所需的输入光功率为多少解：(1)根据损耗系数定义10 P：. = lg -L Po得到发送端的功率至少为PO =P10 TL/10 =0.3 108JW(2)如果光纤的损耗变为 2.5dB/km ,那么所需的输入光功率为PO =P10 TL/10 =0.3 10JW11 .有一段由阶跃折射率光纤构成的5km长的光纤链路,纤芯折射率m =1.49 ,相对折射率差4 = 0.01.(1)求接收端最快和最慢的模式之间的时

17、延差；(2)求由模式色散导致的均方根脉冲展宽；(3)假设最大比特率就等于带宽,那么此光纤的带宽距离积是多少解：(1)纤芯和包层的相对折射率差为22=0.012n；那么得到n2 =1.475接收端最快和最慢的模式之间的时延差.23Ln1 .5 10. =. ： = 0.01 =0.113 1 scn23 101.475(2)模式色散导致的均方根脉冲展宽实际上就等于最快和最慢的模式之间的时延差Ln1、丁 二一1, ： ： 0.113 scn28(3)光纤的带宽距离积 BL=£= 4M3父10 2 =8.05km Gb/s n：21.49 0.01212.有10km长NA=0.30的多模阶

18、跃折射光纤,如果其纤芯折射率为1.45,计算光纤带宽.解：纤芯和包层的相对折射率&为k 1 NAA =- 10.30 22 1.45:0.021由阶跃光纤的比特距离积 BL <,得到光纤带宽2nll一 c ,B :二：49Mb /s2n1.：L习题三1 .计算一个波长为 人=1Nm的光子能量,分别对 1MHz和100MHz的无线电做同样的计算. 解：波长为 九=1 Mm的光子能量为8E =h% =hc/ 人=6.63父10孕J .父3父10 m/s =1.99x10 jc106m对1MHz和100MHz的无线电的光子能量分别为E =hfc =6.63 10 34 J s 1 10

19、6Hz =6.63 108 JE =hfc =6.63 1034J s 100 106Hz =6.63 10,6J2.太阳向地球辐射光波,设其平均波长九二0.7Nm,射到地球外面大气层的光强大约为I =0.14W/cm2.如果恰好在大气层外放一个太阳能电池,试计算每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数. 解：光子数为咽1043480.14 6.63 103 10二0.7 10410=3.98 1063 .如果激光器在 九=0.5Nm上工作,输出1W的连续功率,试计算每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数.解：粒子数为hfcIhc 1 6.63 10. 3 108_ -60.5 10_

20、_ _ 21=3.98 104 .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Gth二ln2L其中a是介质的损耗系数,ri,2分别是谐振腔反射镜的反射系数.当激光器的增益G岂Gth时,才能有激光放出.详细推导请看补充题 1、2一, , hc证实：由E=hc/九得到AE=-C27 .由表达式E=hc/人说明为什么LED的FWHM1率谱宽度在长波长中会变得更宽些九,于是得到儿=E

21、E ,可见当AE一定时,九与九2成正 hc比.8 .试画出APD雪崩二极管结构示意图,并指出高场区及耗尽层的范围.解：先把一种高阻的 P型材料作为外延层,沉积在 P+材料上P+是P型重掺杂,然后在高阻区进行 P 型扩散或电离掺杂叫 兀层,最后一层是一个 N+ N+是N型重掺杂层.高场区是P区,耗尽区是 P兀区.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N+子都被收集,那么-1计算该器件的量子效率；P2在0.8Nm波段接收功率是10,W ,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 儿. 健解：1量子效率为

22、 刈=1/3=0.331,1P+I °/eI ° hv2由量子效率刈=一二上吧得到Pn/hV 巳 eI / eyeop=Pn =2.2 10sA = 22nA Pn / hvhc3 GaAsPIN的禁带宽度为Eg =1.424eV ,那么截止波长为加瞪喘:0.8时g10 .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,光生电子一空穴可以获得很高 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一空穴对.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.11 .设PIN光电二

23、极管的量子效率为 80%计算在1.3m和1.55m波长时的响应度,说明为彳f么在1.55Nm 处光电二极管比较灵敏.解：1.3Nm 时的响应度为 R = ",(.m) = 0.8 m 1.3 =084A/W ;1.241.24,一、 (Jm) 0.8 1.551.55Nm 时的响应度为 R = (一- =1A/W.1.241.24由于响应度正比于波长,故在1.55Rm处光电二极管比1.3Rm处灵敏.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 I随传播距离z的变化通常表示为I =|0e(G4z,其中I0为初始光强

24、,G为光强增益系数,口为光强损耗系数.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 dz的一层介质时,其光强由I变为I +dI ,在光放大时dl >0,可写成dl =GIdz,即dl/l =Gdz,假设G为常数,那么积分得到I =I0eGz；在衰减时,dI <0,可写成dI =-«Idz ,即dI / I =-adz,假设a为常数,那么积分得到I = I0e ；所以,当光放大和光衰减同时存在时,便有 I =I0e(G4z.显然,此式成立的条件是：G, 口都与I, z无关.补充题2.设LD的光学谐振腔长为 L,谐振腔前、后镜片的光强反射系数分别为r1,r2,谐振

25、腔介质的光强损耗系数为a ,谐振腔的光强增益系数为G,试证实：激光所要求的谐振条件(阈值增益条件)为11GIn2L r1r2解：在谐振腔内任取一点z ,此点光强I (z),该光强向右传播到前镜片,经反射后向左传播到后镜片,再经过反射向右传播回到z点,那么光强变为I (z+2L) =I (z)r1r2e(G42L显然,产生激光的条件为返回z点的光强要大于z点发出的光强I(z+2L)I(z)一(G -.-21(G 72 I11即I(z)r1r2e(刈 之I (z),得到也苫 穹 主1 ,因而G之二十in2L r1r2一一11 _ _ 一 一 一 .记Gth三a + ln,是谐振腔的总损耗,只有增益

26、G >Gth时,才能产生激光,故把 Gth叫激光器的阈值2Lr1r2条件.习题四1 .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2X2耦合器构成一个 8X8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

27、要开关数.N8解：由 m =log2 N ,得到 M =-log28=12 223 .讨论图4.19所示平面阵列波导光栅的设计思想和方法.答：集成阵列波导光栅由输入/输出波导、星型波导和阵列波导三局部组成.输入、星型波导与阵列波 导组成一个相位限制器,使得到达衍射光栅的光波相位与光的输入端口和光波长有关.与阵列波导输出端面 相连的星型波导的输入端面充当衍射光栅的作用.每个阵列中的波导正对中央的输入/输出波导,端面展开 以减小耦合损耗,阵列波导数要保证所有衍射光能被收集.这样从输入波导进来的光就能被无畸变或畸变小传输到输出波导.波导阵列中相邻波导间的长度差为常数,对入射光的相位周期性地调制.4

28、.简述光耦合器和 WD附波器有什么不同答：光纤耦合器是实现光信号分路 /合路的功能器件,一般用于把一个输入光信号分配给多个输出,或把 多个输入光信号组合成一个输入.耦合器大多与波长无关,与波长相关的耦合器专称为波分复用器/解复用器.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-曾德干预型光滤波器：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.6 .

29、光开关有哪些性能参数在光纤通信中有什么作用答：光开关的性能参数有：开关速度,通断消光比,插入损耗,串扰,偏振依赖损耗.光开关是空分光 交换SDOS的核心器件,它通过机械、电或光的作用进行限制,能使输入端任一信道根据要求与输出端 任一信道相连,完成信道在空间位置上的交换.7 .简述F-P腔可调谐滤波器的工作原理.压电瓷图1光纤型F-P腔博波器答：F-P腔可调谐滤波器的种类：光纤型FP腔滤波器、铁电液晶光滤波器以及MEMS滤波器.这里就以光纤型F P腔FFP滤波器为例说说它的工作原理.光纤型F P腔FFP滤波器如下列图.图中两根光纤相对的端面镀膜以增强反射率,形成FP光学谐振腔.在光名f型FP腔滤

30、波器中利用了压电陶瓷的压电效应,通过改变外加电压的大小改变压电陶瓷的长度,从而改变了由光纤构成的F-P谐振腔的腔长,造成谐振波长改变,实现了用电信号来选通光波长. 8.讨论光纤光栅在光通信中的应用 答：光纤?散光器、 WDM合波/分波器、超高速系统的色散补偿器、EDFA增益均衡器等.9 .如果滤波器的中央波长为九=1300nm,An=0.07 ,根据式4.15,那么光栅周期 A为多少解：由公式 九n 得到 A =,jAn =1300/0.07 = 18571nm.10 . NLO娓否可作光开关答：可以.当传输光纤有行进的光波时,在耦合器中耦合进光纤环,并绕环行进一周后又返回耦合器, 绕环后的光

31、波与来自传输光纤的光波之间将产生相移,相移的大小由环的长度和光波的波长决定.因此,这 两个光波之间将产生相长或相消干预,利用这个原理,可以用非线性光纤环镜来选择所需的信号：对于不需 要的波长信号,让其相移为 180.；对于需要的波长信号,让其相移为 360.习题五1 .光放大器包括哪些种类简述它们的原理和特点.EDFAW"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,

32、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饵和掺错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.2. EDFA勺泵浦方式有哪些各有什么优缺点答：EDFA的三种泵浦形式：同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦.同向泵浦：信号光和泵浦光经WDM复用器合在一起同向输入到掺饵光纤中,在掺

33、饵光纤中同向传输；反向泵浦：信号光和泵浦在掺饵光纤中反向 传输；双向泵浦：在掺饵光纤的两端各有泵浦光相向输入到掺饵光纤中.同向泵浦增益最低,而反向泵浦比同向泵浦可以提升增益3dB5dB.这是由于在输出端的泵浦光比较强可以更多地转化为信号光.而双向泵浦又比反向泵浦输出信号提升约3dB,这是由于双向泵浦的泵功率也提高了 3dBo其次,从噪声特性来看,由于输出功率加大将导致粒子反转数的下降,因此在未饱和区,同向泵 浦式EDFA的噪声系数最小,但在饱和区,情况将发生变化.不管掺饵光纤的长度如何,同向泵浦的噪声系 数均较小.最后,考虑三种泵浦方式的饱和输出特性.同向 EDFA的饱和输出最小.双向泵浦ED

34、FA的输出功率最大,并且放大器性能与输出信号方向无关,但耦合损耗较大,并增加了一个泵浦,使本钱上升.3. 一个EDFAJ率放大器,波长为1542nm的输入信号功率为 2dBm得到的输出功率为 P0ut=27dBm,求放大 器的增益.解：G= 1010g10 Pout/Pin = 1010g 10Pout-1010g10Pin=27-2=25dB4. 简述FBA与FRA间的区别.为什么在 FBA中信号与泵浦光必须反向传输 答：FBA与FRA间的区别：1、FRA是同向泵浦,FBA是反向泵浦；2、FRA产生的是光学声子, FBR产生的是声学声子,3、FRA比FBA的阈值功率大；4、FRA比FBA的增

35、益带宽大.在SBA中,泵浦光在光纤的布里渊散射下,产生低频的斯托克斯光,方向与泵浦光传播方向相反.如果这个斯托克斯光与信号光同频、同相,那么信号光得到增强.故要使信号光得到放大,信号光应与泵浦光方 向相反.5. 一个长250 dm的半导体激光器用做 F-P放大器,有源区折射率为 4,那么放大器通带带宽是多少 此题可能有误,半导体光放大器的通带带宽目前还没找到公式计算.6. EDFA&光纤通信系统中的应用形式有哪些答：1作为光中继器,用 EDFA可代替半导体光放大器,对线路中的光信号直接进行放大,使得全光通信技术得以实现.2作为前置放大器,由于 EDFA具有低噪声特点,因而如将它置于光接

36、收机的前面, 放大非常微弱的光信号,那么可以大大提升接收机灵敏度.3作为后置放大器,将 EDFA置于光发射机的输出端,那么可用来提升发射光功率,增参加纤功率,延长传输距离.7. EDFA勺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=P“t/Pin,如果用分贝作单位定义为 G=10logio 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. 分别表达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

37、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,以提升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,以提升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. 9.表达SOA-XG班长变换的原理.答：探测波川和泵浦涉及经耦合注入到 SOA中,SOA对入射光功率存在增益饱和特性：当入射光强增加时,增益变小；当入射光强减小时,增益变大.因此,当受过调制的泵浦波注入SOA时,泵浦波将调制SOA的增益,这个

38、增益又影响探测波的强度变化,使得探测波的强度按泵浦波的强度变化,用带通滤波器取 出变换后的 襄信号,即可实现从 九p到九的全光波长变换.习题六1 .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.2 . RZ码和NRZ码有什么特点答：NRZ 非归零码：编码1对应有光脉冲,且持续时间为整个比特周期,0对应无光脉冲.RZ 归零码：编码1对应有光脉冲,且持续时间为整个比特周期的一半,0对应无光脉冲.NRZ码的优点是占据频宽窄,只是 RZ码的一半；缺点是当出现长连“1或“0时,光脉冲没有交替变换,接收时比照特时钟的提取是不利的.RZ码解决了长连“1的问题,但长连 “0的问题没解决. 3.通信中

39、常用的线路码型有哪些答：扰码、mBnB码、插入码和多电平码.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喟啾；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 RL =1000 ,温度T =300K ,量子效率 1 =1 , R =1.55/1.24 =1.25A/W, Gm =1 ,设计BER=10,2,即尸定7 ,试计算接收机的 灵敏度.解：接收机工作于155

40、0nm,那么电离系数比为kA =0.7 , Gm =1 ,那么散粒噪声系数为_1Fa Gm =kAGm 1 -kA2 -0.87Gm热噪声电流方差为仃：=%TFnBe 带数据自己计算 Rl接收机灵敏度为Yo 'IPr =-leBeFAGm带数据自己计算R ：Gm _6.在考虑热噪声和散粒噪声的情况下,设 APD的FAGm=G； , xW0,1,推导APD的Gm的最正确值Gopt ,此 时APD接收机的SNRM大.解：光接收机输出端的信噪比定义为：SNR=光电流信号功率/ 光检测器噪声功率+放大器噪声功率 光检测器的噪声功率表示为.散粒=4eGmFAGmRFR&其中FAGm是AP

41、D的散粒噪声系数,下标 A表示APD的意思,Gm是APD的倍增因子系数,R是相应 度,R是灵敏度,Be是接收机电带宽.假设放大器的输入阻抗远大于负载电阻R ,所以放大器电路的热噪声远小于Rl的热噪声,那么光检测器负载电阻的均方热噪声电流为24 kBT二Re Fn Ber.其中Fn是放大器的噪声因子系数,kB是波尔兹曼常数,T是温度.放大器输入端的信号功率为 ipGm,其中02是信号功率,ip是用PIN检测到的信号电流.或把输入放大器的信号功率表示为GmRPR2 ,其中PR是输入到PIN的功率.得到放大器输入端的信噪比为SNR 二Gm RPRo c4kBT4eGmFAGmRRRB 'Be

42、Rl设APD的FAGm =G；,代入上式得到SNRn笔豆4eGmG：RRBe +4kBT 'BeRlGm值.通过彳t噪比对Gm求导,并使导数为零,解出 Gm要使APD接收机的SNR最大,可以求出一个最正确的 的最正确值为opt2kBTFn - xeRR®7 .证实：对于 OOKt接检测接收机,其误码率公式为 -I BER =Q -go +骂证实：“0码被误判为“1码和“ 1码被误判为“ 0码的几率一样,不妨就以“ 1码被误判为“ 0 码为例来计算误码率.“1码被误判为“ 0码的概率为BER =P0 1 =Q 一2当“0码被误判为“ 1码和“ 1码被误判为“ 0码的几率一样时,

43、阈值电流为_ 也'1I2.I th 二二0 .二1代入上式得到11 - I 0BER =Q 1-二0 .二i10.推导具有光放大器的光接收机的误码率BER-Q,广耐Io2j(G 1)PnBe ,证实：当车入为“ 1码时,有光输入,光检测器输出的光生电流(均值电流)与入射光功率成正比 I1 =RGP在接收机中,信号与噪声的差动噪声电流方差(“1码时光生电流方差)为22二 1 二4R GPPn G -1 Be0码时的光生电流|.=0, “0码时的光生电流方差为楮=0,代入BER =Q得至ij BER=QGp2 ,(G -1后£习题七1 .商业级宽带接收机的等效电阻Req =75C

44、.保持发送机和接收机的参数和图7.5的例子相同,在接收机光功率范围内0一16dBm时计算总载噪比,并画出相应的曲线.类似于 7.2.2节的推导,推出其载噪比的极限表达式.证实当Req =75.时,任何接收光功率电平下,热噪声都超过量子噪声而成为起决定作用的噪声因素.2解：由于是pin ,所以g =1,由C=0.5(mRGa得到NRIN(RP)2Beq 2e(Ip Id)G2 "Beq 4kTFtBeq/Req2C 0.5(mRP)2N - RIN(RP)2Beq 2e(Ip lD)Beq 4kTFfBeq/ Rq再由一次光生电流I P = Rp,得到2C 二0.5(mRP)2N -

45、RIN(RP)2Beq 2eRPBeq 2ehBeq 4kTFtBeq/Rq其中P是光检测器接收到的平均光功率.把参数 e=1.6M10,9C , R = 0.6A/W , RIN = 143dB / Hz , Beq=10MHz, ID=10nA,-23卜=1.38父10 J/K,T=290K, Req=75G, Ft = 3dB代入上式,就得出 C/N随P变化的关系曲线方程.当接收机的光功率较低时,系统的噪声主要是前置放大器电路的噪声,于是载噪比为C0.5(mRp)2N4kTFt Beq/ Rq把P =0dBm =1mW代入可以求出其值.对于设计较好的光电二极管,与中等强度的接收光信号的散

46、弹(量子)噪声相比,体暗电流和外表暗电 流产生的噪声很小.因此在中等强度接收光信号条件下,系统噪声主要是光电二极管的量子噪声,此时有：C _ 0.5(mRP)2 _ 0.5(mRP)2 _ 0.5(mRP)2 _ m2RPN = 2e(Ip lD)Beq = 2eIpBeq = 2eRP& 二 4e-把P =0dBm =1mW代入可以求出其值.如果激光器的RIN值很高,反射噪声将超过其他噪声项,成为起主要作用的噪声因素,于是载噪比为C _ 0.5(mRp)2 2 N RIN(RP)2Beq把P =0dBm =1mW 代入可以求出其值.当Rq =75G时,热噪声为4kTFtBeq/Req

47、；量子噪声为ZeRB.把把P = 0dBm = 1mW代入,得到4kTFtBeq/Req >2eRP&q.即任何接收光功率电平下,热噪声都超过量子噪声而成为起决定作用的噪声因 素.2 .假设我们想要频分复用60路FM信号,如果其中30路信号的每一个信道的调制指数mj = 3% ,而另外30路信号的每一个信道的调制指数mi =4% ,试求出激光器的光调制指数.N1/2解：由 m£ m2 j 得至U m = (30X0.03+ 40x0.03 ,id3 .假设一个SCMK统有120个信道,每个信道的调制指数为 2.3%;链路包括一根损耗为 1dB/km的12km长 的单模光

48、纤,每端有一个损耗为 0.5dB的连接器；激光光源耦合进光纤的功率为 2mW光源的RIN=-135dB/Hz ; PIN光电二极管接收机的响应度为 0.6A/W, B=5GHz ID=10nA, Rq=50Q ,Ft=3dB.试求本系统的载噪比.N1/21/2解：由 m= £ m2 j 得至>1 = (120m0.023f.激光耦合进光纤的功率为Ft =2mW ,用dBm表示Pt =lg 2(dBm),光检测器接收到的功率为 P ,根据«L +2父0.5 =R -P ,得到P - 二 L -2 0.5其中损耗系数a=1dB/km,长度L=120km, 2M0.5为两个

49、连接器的损耗.由于是 PIN,所以载噪比为C =0.amRP)2N - RIN(RP)2Beq 2e(IP ID)Beq 4kTFtBeq/Req把参数 e=1.6 黑 109C , R=0.6A/W , RIN = -143dB/Hz , Beq =5GHz , ID=10nA, k =1.38M1023J/K , T =290K , Req=50G, Ft =3dB代入上式,就得出 C/N 的值.4 .如果将题3中的PIN光电二极管用一个 M =10和F(M ) = M 0.7的InGaAs雪崩光电二极管替代,那么 系统载噪比又是多少解：用InGaAs雪崩光电二极管作为光检测器,那么系统载

50、噪比为C0.5(mRMP)2N = RIN(RP)2Beq 2e(IpD)M2F(M)Beq 4kTFtBeq/Qq其中雪崩增益 M =10,雪崩光电二极管过剩噪声系数F(M) = M0.7,其他参数不变,代入上式便得到系统的载噪比.5 .假设一个有32个信道的FDM!(统中每个信道白调制指数为4.4%,假设RIN = -135dB/ Hz , PIN光电二极管接收机的响应度为 0.6A/W, B=5GHz, ID=10nA, Req=50C, Ft=3dB.(1)假设接收光功率为 -10dBm,试求这个链路的载噪比；(2)假设每个信道的调制指数增加到7%,接收光功率减少到 -13dBm,试求

51、这个链路的载噪比.1 / 2 fN、1/2解：(1)由 m = l£ m2得到 m=(32 0. 033,参数 e = 1.6x109C , R = 0.6A/W ,I二J23P= -10dBm , RIN - -135dB/Hz , Beq =5GHz , ID=10nA, k =1.38 10 J/K, T=290K,Req =50C , Ft =3dB代入上式,就得出 C/ N的值.,2C =0.5(mRP)N - RIN(RP)2Beq 2e(IP ID)Beq 4kTFtBeq/Req1/2-(2)将上式的 m =(32x0.07) , P= 13dBm ,代入上式很容易就

52、求出载噪比.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=1019).(2)光纤线路上的线路码型是5B6B,光纤的色散系数为 2ps/ (km.nnj),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 PS =4dBm , PR =-56dBm, ac =1

53、dB, £s=0.2dB, M =5.5dB , f = 0.1dB / km ,cs«m =0.1dB/km 代入-25-.1一二飞其中右边分子上的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 名=0.100, D =2ps/(km.nm),仃=1.8nm,分子上的106是为了和分母的 B的单位相匹配,B的单位一定要用 Mb/s.代入数据就可以求出 L的值来.其中B =565x9 = 678Mb/s.5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 人=1551nm的GaAs激光源,发射平均光功率为5mWV谱宽为2nmo(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3dBo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