(完整版)光纤通信西电第二版课后习题答案

1#(2)当九=1.31卩m，有2九J2M]九J2M]2kNA九J2M：2KNA得到模的个数为入2M入2M二十M2A212(0.85)2(1.31)2x1000=421(3)当A=1.55pm，得到模的个数为2A2MA2M=十M3A212(0.85)2(1.55)2x1000=3547■有阶跃型光纤，若n=1.5,A=1.31卩m，那么10若△=0.25，为保证单模传输，光纤纤芯半径a应取多大？若取芯径a=5pm，保证单模传输时，A应怎么选择？解：(1)由归一化频率V=2-a,2-n2=2-a-n2A得到A12A100AVa=―-2kn\2A1为了保证光纤中只能存在一个模式，则要求V<2.405，则要求光纤纤芯半径A2.4051.312.405门…a<—0=~0.47pm2kn72A2k1.5x斗2x0.251(2)若取芯径a=5pm，保证单模传输时，则(AV―(AV―0212kna)1)21(A2.405¥<—212kna丿1■0-0.00210.—段12km长的光纤线路，其损耗为1.5dB/km。试回答：如果在接收端保持0.3pW的接收光功率，则发送端的功率至少为多少?如果光纤的损耗变为2.5dB/km，则所需的输入光功率为多少？解：(1)根据损耗系数定义卩Pa=仗―rLPo得到发送端的功率至少为P=P10-aL/10=0.3x10-1.8pWoi(2)如果光纤的损耗变为2.5dB/km，则所需的输入光功率为P=P10-aL/10=0.3x10-3pWoi4．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G=答：阈值增益为G=ath1rr12其中a是介质的损耗系数，r,r分别是谐振腔反射镜的反射系数。当激光器的增益G>G时，才能有激12th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0.8卩m波段接收功率是10-7W，计算平均是输出光电流；计算波长，当这个光电二极管超过此波长时将停止工作，即长波长截止点九。c解：(1)量子效率为耳=1/3=0.33I/eIhv(2)由量子效率耳二p二p-得到P/hvPeininI/e讹e二p二P二2.2X10-8A二22nApP/hvhcin3)in3)GaAsPIN的禁带宽度为E=1.424eV，则截止波长为

g九(pm)九(pm)=24=0.87pm10.什么是雪崩增益效应？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I随传播距离z的变化通常表示为I=Ie(G-a)z，其中I为初00始光强，G为光强增益系数，a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dI>0,可写成dI=GIdz,即dI/1=Gdz,若G为常数，则积分得到I=IeGz；0在衰减时，dI<0，可写成dI=-aIdz，即dI/I=-adz，若a为常数，则积分得到I=-e心;所以，当光放大和光衰减同时存在时，便有I=Ie(G-a)z。0显然，此式成立的条件是：G,a都与I,z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(insertionloss)和回波损耗(returnloss)。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，计算所需要开关数。N8解：由M二一logN，得到M=-log8=1222225．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)。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。光纤放大器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。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。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=P/P，如果用分贝作单位定义为G=10log(P/P)；outin10outin(2)噪声系数，是指输入信号的信噪比与输出信号的信噪比F=(SNR)/(SNR)。ninout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R=1000，温度T=300K，量子效率耳二1，R=1.55/1.24=1.25A/W，G=1，设计BER=10-12，即“7,试计算接收机的灵敏度。m解：接收机工作于1550nm，则电离系数比为k=0.7，G=1，则散粒噪声系数为AmF(G)=kG+(1-k)(2-丄)〜0.87AmAmAGm热噪声电流方差为b2=4kBTFB(带数据自己计算)reRneL接收机灵敏度为P=—eBF(G)y+—re(带数据自己计算)RReAmGm习题七6■—直有一个565Mb/s单模光纤传输系统，其系统总体要求如下：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=10T)。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5.5dB0解：⑴把ps=-解：⑴把ps=-3dBm，Pr=-56dBma=1dB，a=0.2dB，csM=5.5dB，a=0.1dB/km，a=0.1dB/km代入mP-P-2a-5a-M-1L=Rcsa+afm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r8x106L=—BDb九由于是单模光纤，所以*=0.100，D=2ps/(km.nm)，.=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=565x5=678Mb/s。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。发射机用九=1551nm的GaAs激光源，发射平均光功率为5mW,谱宽为2nm。为了正常工作，APD接收机需要平均1000个光子/比特。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hcP二1000x——R九B其中h是普朗克常数，c是光速，九是波长。又已知P二5mW，把发射功率和接收功率用dBm表示出来。S受损耗限制的最大传输距离为了P-P-3L=raf其中a=0.2dB/kmf受色散限制的最大传输距离为r8x106L二一BD九由于是单模光纤，所以8=0.100，D二15ps/(nm.km)，.二2nm，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。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：GaAlAs半导体激光器：0dBm(1mW)的功率耦合进光纤；硅雪崩光电二极管：灵敏度为-50dBm；渐变折射率光纤：在850nm处的损耗为3.5dBm/km；连接器损耗：每个连接器为1dB。系统2工作在1300nm：InGaAsPLED：-13dBm的功率耦合进光纤；InGaAsPIN光电二极管：灵敏度为-38dBm；渐变折射率光纤：在300nm处的损耗为1.5dBm/km；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P=0dBm，P=-50dBm，a=1dB，M=6dB，a=3.5dB/km代入SRcfP-P-2a-ML=Rca可得到损耗受限的最大传输距离。

系统2：把P=-13dBm,P=-38dBm,a=1dB,M=6dB,a=1.5dB/km代入SRcfTP-P-2a-ML=TRc可得到损耗受限的最大传输距离。af,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-=1分钟，门限平均误码率P=10-6，当分钟平均误码率低于这一门限值时称为劣化分钟DM%=DM%=劣化分钟T（可使用的总测量时间）xl00%严重误码秒（SES）：每次测量时间T=1秒，门限平均误码率P=10-3，当秒平均误码率低于这一门限值时称为严重误码秒SES%=SESTSES%=SEST（可使用的总测量时间）x100%误码秒（SES）：每次测量时间T=1秒，门限平均误码率P=0，即在每个测量周期内只要出现误码就叫误0e码秒ES%=ESTES%=EST（可使用的总测量时间）x100%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（n出现误差的码元数）P=——em（传输码流中的总码元数）

(SOH)区域RSOHSTMA浄负荷(舎(SOH)区域RSOHSTMA浄负荷(舎POH)AU-HRMSOH9X.V訂261XA段开销是指SDH帧结构中为了