《光纖通信》+課后作業(yè)

1、1- 3假設(shè)數(shù)字通信系統(tǒng)能夠在高達(dá)1 %的載波頻率的比特率下工作，試問在5GHz的微波載波和1.55 um的光載波上能傳輸多少路64 kb / s的話路？解 在5GHz微波載波上能傳輸?shù)?64kb/s的話路數(shù)K=(5*10T*1%)/(64*10A3 )781(路)在1.55um的光載波上能傳輸?shù)?64kb/s的話路數(shù)K= (3*10A8 ) /(1.55*10A-6) /(64*10A-3)=3.0242*10A7(路)1- 4簡述未來光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趁勢及關(guān)鍵技術(shù)。答未來光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趁于智能化、全光化。其關(guān)健技術(shù)包括：長波長激光器、低損耗單模光纖、高效光放大 器、WDM復(fù)用技術(shù)和全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。2

2、- 1均勻光纖芯與包層的折射率分別為n1=1.50, n2=1.45，試計(jì)算：(l )光纖芯與包層的相對折射率差為多少？(2 )光纖的數(shù)值孔徑 NA為多少？(3 )在1米長的光纖上，由子午線的光程差所引起的最大時(shí)延差Tmax為多少？解 (1)又纖芯和包層的相對折射率差厶=(n1-n2) /n1得到 = ( n1-n2) /n1= ( 1.50-1.45) /1.50=0.033(2) NA=sqrt (nM2-n2A2 ) =sqrt(1.5A2-1.45A2)0.384(3 ) Tmaxn1*L/c* =1.5*1/(3*10A8)*0.384ns2-3 均勻光纖，若 n1=1. 50 ,入

3、=1.30 m,試計(jì)算：(1 )若厶=0 . 25，為了保證單模傳輸，其芯半徑應(yīng)取多大？(2 )若取a = 5 mi ,為保證單模傳輸.，應(yīng)取多大？解 (1)由單模傳輸條件V=2 n a/ X*sqrt 51人2十2人2 )< 2.405推導(dǎo)出 a< 2.405" (2 n *sqrt (nM2-n2A2)其中， 心1.3，n2=n1- *n 仁 1.125,貝 Ua< 2.405*1.3*10A-6/(2 n *sqrt(1.5A2-1.125A2)=0.501 gm(2)當(dāng) a=5 gm 時(shí)，sqrt (nM2-n2A2 )< 2.405* ” (2 n

4、a)解得( n1-n2) /n1=0.00162-4目前光纖通信為什么采用以下三個(gè)工作波長：入1=0.85 ng，入2=1.31 gm，入3=55 gm ?答 入 1=0.85 gm，22=1.31 gm，入3=1.55pm附近是光纖傳輸損耗較少或最小的波長“窗口”，相應(yīng)的損耗分別為23dB/km、0.5 dB/km、0.2 dB/km，而在這些波段目前有成熟的光器件(光源、光檢測器等)。2- 5光纖通信為什么向長波長、單模光纖方向發(fā)展？答長波長、單模光纖比短波長、多模光纖具有更好的傳輸特性。(1)單模光纖沒有模式色散，不同成分光經(jīng)過單模光纖的傳播時(shí)間不同的程度顯著小于經(jīng)過多模光纖時(shí)不同的程度

5、.(2 )由光纖損耗和波長的關(guān)系曲線知，隨著波長的增大，損耗呈下降趨勢，且在1.31 m和1 . 55 處的色散很小，故目前長距離光纖通信一般都工作在1 . 55 m.2- 6 光纖色散產(chǎn)生的原因及其危害是什么？答 光纖色散是由光纖中傳輸?shù)墓庑盘柕牟煌煞止獾膫鞑r(shí)間不同而產(chǎn)生的。光纖色散對光纖傳輸系統(tǒng)的危害有：若信號是模擬調(diào)制的，色散將限制帶；是數(shù)字脈沖，色散將使脈沖展寬，限制系統(tǒng)傳輸速率(容 量).2- 7光纖損耗產(chǎn)生的原因及其危害是什么？答光纖損耗包括吸收損耗和散射損耗。吸收損耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。散射損耗主要由材料微觀密度密度不均勻引起的瑞利勝射和光

6、纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。光纖損耗使系統(tǒng)的傳輸距離受到限制大損耗不利于長距離光纖通信。2-9 一階躍折射率光纖，折射率 n1= 1 . 5，相對折射率差厶 =1 %，長度L = 1km ( 1 )光纖的數(shù)值孔 徑；(2 )子午光線的最大時(shí)延差；(3 )若將光纖的包層和涂敷層去掉，求裸光纖的NA和最大時(shí)延差。解 (1)NA=sqrt ( n2A2-n1A2) n1*sqrt(2)0.212(2 ) r max=n1*L/c* =1.5*1000/(3*10A8)*0.01=50ns(3 )若將光纖的包層和涂覆層去掉，則此時(shí)n1=1.5,n2=1.0,所以NA=sqrt(n1A2-n2

7、A2)=sqrt(1.5A2-1)=1.118 r max= n1*L/c*(n1-n2)/n1= 2.5us2-12一個(gè)階躍折射率光纖，纖芯折射率n1 = 1 . 4258，包層折射率n2=1.4205，該光纖工作在1.31 m 55兩個(gè)波段上。求該光纖為單樟光纖時(shí)的最大纖芯直徑。解.由截止波長2=2 n a*sqrt(n1A2-n2A2 ) /2.405得2> 2時(shí)單模傳輸，又已知條件得入cw 1.30um,則2a< 2.405/( n *sqrt (nM2-n2A2 ) *1.3=2.405*1.3/( n * ( 1.4258人2-1.4205人2 ) =9.53um2-

8、15光波從空氣中以角度9 =33 °投射到平板玻璃表面上，這里的9是入射光線與玻璃表面之間的夾角.根據(jù)投射到玻璃表面的角度，光束另一部分被反射，另一部分發(fā)生折射，如果折射光束和反射光束之間的夾角正好為90°，請問玻璃折射率等于多少？這種玻璃的臨界角又為多少？解 如圖所示的角度對應(yīng)關(guān)系，得入射角9=90 ° -33 ° =57 °，折射角 9=33 °，又斯涅耳定律得n1sin 9=n2sin 9 所以，玻璃 折射率 n2=n1sin 9 sin 9=sin57 ° /sin33 ° =1.54 這種玻璃 的 臨界角

9、 0c=arcsin(1/n2)=arcsin(1/1.54) " 40.5 °3- 2某激光器采用GaAs為激活媒質(zhì)，問其輻射的光波頻率和波長各位多少？解 GaAs禁帶寬度為 Eg= 1 . 424 eV，由hf = Eg (h為普朗克常數(shù)，h=6.628X10A-34J s)，可得以GaAs 為激活媒質(zhì)的激光器的輻射光波頻率和波長分別為f=Eg/h=1.424*1.6*10A-19/6.628*10A-34=3.44*10A8MHz2=c/f=hc/Eg=1.24/Eg=1.24/1.424=0.87 口3- 3半導(dǎo)體激光器(LD )有哪些特性？答：LD和LED的不同之

10、處 工作原理不同，LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。LED 不需要光學(xué)諧振腔，而LD需要，和LD相比，LED輸出光功率較小，光譜較寬，調(diào)制頻率較低，但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長，輸出功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價(jià)格低廉，所以，LED的主要應(yīng)用場合時(shí)小容量(窄帶)短距離通信系統(tǒng)，而LD主要應(yīng)用于長距離大容量(寬帶)通信系統(tǒng)。 LD和LED的相同之處：使用的半導(dǎo)體材料相同，結(jié)構(gòu)相似，LED和LD大多采用雙異質(zhì)結(jié)(DH )結(jié)構(gòu)，把有源層夾在P型和N型限制層中間。3-7 試說明APD和PIN在性能上的主要區(qū)別。答 APD和PIN在性能上的主要區(qū)別有：(1 ) APD具有雪崩增益，

11、靈敏度高，有利于延長系統(tǒng)傳輸。(2 ) APD的響應(yīng)時(shí)間短。(3 ) APD的雪崩效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生過剩噪聲，因此要適當(dāng)控制雪(4 ) APD要求較高的工作電壓和復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路，成本較高。3-11短波長LED又材料Ga1-x,ALxAs制成，其中 x表示成分?jǐn)?shù)，這樣的材料的帶隙能量Eg ( eV)=1.424+1.266x+0.266xA2已知x必須滿足0w xw 0.37，求這樣的LED能覆蓋的波長范圍。解 由 Eg (eV) =1.424+1.266x+0.266xA2，0w x< 0.37 得 1.424 w Eg< 1.93由入=1.24/Eg，得 0.64um w 入 w 0

12、.87um3- 仃一光電二極管，當(dāng)2=1.3um時(shí)，響應(yīng)度為 0.6A/W，計(jì)算它的量子效率。解由 于 響 應(yīng) 度 為p=I PP0，則 量 子 效 率 為n=lp/P0*h*f/e= p*hc/( 2e)=0.6*(6.628*10A-34*3*10A8)/(1.3*10A-6*1.6*10A-19)=57.4%4- 2 LD為什么能夠產(chǎn)生碼型效應(yīng)？其危害及消除辦法是什么？答 半導(dǎo)體激光器在高速脈沖調(diào)制下，輸出光脈沖和愉人電流脈沖之間存在延遲時(shí)間，稱為光電延遲時(shí)間。當(dāng)光電延遲時(shí)間與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間T / 2量級時(shí)，會(huì)使“ 0”碼過后的第一個(gè)“ I ”碼的脈沖寬度變窄，幅度減小嚴(yán)重時(shí)可能

13、使“1 ”碼丟失，這種現(xiàn)象稱為碼型效應(yīng)。碼型效應(yīng)的特點(diǎn)是在脈沖序列中，較長的連“ 0 ''碼后出現(xiàn)“ 1 ”碼丟失，其脈沖明顯變小而且連“ 0”碼數(shù)目越多，調(diào)制速率越高，這種效 應(yīng)越明顯碼消除方法是用適當(dāng)?shù)摹斑^調(diào)制”補(bǔ)償方法.4- 3在LD的驅(qū)動(dòng)電路里，為什么要設(shè)置功率自動(dòng)控制電路APC?功率自動(dòng)控制實(shí)際是控制 LD的哪幾個(gè)參數(shù)？答在LD的驅(qū)動(dòng)電路里，設(shè)置功率自動(dòng)控制電路（ APC ）是為了調(diào)節(jié)LD的偏流，是輸出光功率穩(wěn)定。 功率自動(dòng)控制實(shí)際是控制 LD的偏置電流、輸出光功率、激光器背向光功率。4- 4 在LD的驅(qū)動(dòng)電路里，為什么要設(shè)定溫度自動(dòng)控制電路？具體措施是什么？控制電路

14、實(shí)際控制的是哪 幾個(gè)參數(shù)？答在LD的驅(qū)動(dòng)電路里，設(shè)置自動(dòng)溫度控制電路是因?yàn)榘雽?dǎo)體光源的輸出特性受溫度影響很大，特別是長波長半導(dǎo)體激光器對溫度更加敏感，為保證輸出特性的穩(wěn)定，對光器進(jìn)行溫度控制是十分必要的溫度 控制裝置一般由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成。致冷器的冷端和激光器的熱端接觸，熱敏電阻作為傳 感器，探測激光器結(jié)區(qū)的溫度，并把它傳遞給控制電路，通過控制電路改變致冷量，使激光器輸出特性保 持恒定?？刂齐娐穼?shí)際控制的是：換能電橋輸出、三極管的基極電流和致冷器的電流。4-9數(shù)字光接收機(jī)量子極限的含義是什么？答光接收機(jī)可能達(dá)到的最高靈敏度，這個(gè)極限值是由量子噪聲決定的，所以稱為量子極限。4-10

15、已測得某數(shù)字光接收機(jī)的靈敏度為10 m，求對應(yīng)的dBm值.解 Pr =10lg<P>min（mW）=- 20 dBm4-11在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，選擇碼型時(shí)應(yīng)考慮哪幾個(gè)因素？答數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的主要要求如下：（I ）能限制信號帶寬，減小功率譜中的高低頻分量.（2 ）能給光接收機(jī)提供足夠的定時(shí)信息.（3）提供一定的冗余度，用于平衡碼流、誤碼檢測和公務(wù)通信。但對高速砍，應(yīng)適當(dāng)減小冗余度，以免占用過大的帶寬。4-13 RZ碼和NRZ碼有什么特點(diǎn)？答 Rz碼為歸零碼."1 ”比特對應(yīng)有光脈沖且持續(xù)時(shí)間為整個(gè)比特周期的一半，“ 0”對應(yīng)無脈沖出現(xiàn).其主要優(yōu)點(diǎn)是解決了連1&

16、#39;碼引起的基線漂移移問題，缺點(diǎn)是未解決長連”o ”的問題。NRZ碼為非歸零碼."1 ”比特對應(yīng)有光脈沖且掩續(xù)時(shí)間為整個(gè)比特周期，"0 '對應(yīng)無脈沖出現(xiàn)。其主要優(yōu)點(diǎn)是占據(jù)的頻帶寬度窄， 只是RZ碼的一半，缺點(diǎn)是當(dāng)現(xiàn)長連“1 ”或“ 0 ”時(shí)，光脈沒有”有”和“無” 的變化，不適合通過交流耦合電路，對于接收比特時(shí)鐘的提取是不利的.4- 14 光纖通信中常用的線路碼型有哪些？答光纖通信常用的線路碼璧有擾碼、mBnB碼和插入碼。5- 1為什么要引人SDH ?答目前光纖大容量數(shù)字傳輸都采用同步時(shí)分復(fù)用（ TDM ）技術(shù)，復(fù)用又分級，先后有兩種傳輸體制：準(zhǔn) 同步數(shù)字系列（

17、PDH ）和同步數(shù)字系列（SDH ）。PDH早在1976年就實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，目前還大量使用。 隨著光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，PDH許多困難。在技術(shù)迅速發(fā)展的推動(dòng)下，美國提出了同步光纖網(wǎng)（SONET ）。1988年，ITU-T （原CCITT ）參照SONET的概念，提出了被稱為同步數(shù)字系列（S DH ）的規(guī)范建議，解決了 PDH存在的問題，是一種比較完善的傳輸體制，現(xiàn)已得到大量應(yīng)用，這種傳輸體制不 僅適用于光纖信道，也適用于微波和衛(wèi)星干線傳輸。5-2 SDH的特點(diǎn)有哪些？ SDH幀中AUPTR 表示什么？它有何作用？答 與PDH相比，SDH具有下列特點(diǎn)：(1 ) SDH采用世界上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速

18、率等級。最低的等級也就是組基本的模塊稱為STM-1 ，傳輸速率為 1 5 5.5 20 Mb / s ; 4 個(gè) STM -I 同步復(fù)接組成 STM-4,傳輸速率為 4X155 .52Mb / s =622.080Mb/s ;16 個(gè)STM -1組成STM-16,傳輸速率為 2498.320 Mb / S，以此類推.一般為 STM-N , N = I , 4,16,64 。由于 速率等級采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)， SDH就具有了統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)接口，并可以承載現(xiàn)有的PDH (E1、E2等)和各種新的數(shù)字信號單元，如 ATM信元、以太鏈路幀、IP分組等，有利于不同通信系統(tǒng)的互聯(lián)。(2 ) SDH傳送網(wǎng)絡(luò)單元的

19、光接口有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范因此，光接口稱為開放型接口，任何網(wǎng)絡(luò)單元在光纖 線路上可以互聯(lián)，不同廠家的產(chǎn)品可以互通，這有利于建立世界統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)的光接 口綜合進(jìn)各種不同的網(wǎng)絡(luò)單元，簡化了硬件，降低了網(wǎng)絡(luò)成本。(3 )在SDH幀結(jié)構(gòu)中，豐畜的開銷比特用于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、維護(hù)和管理，便于實(shí)現(xiàn)性能檢側(cè)、故障檢測和 定位、故陣報(bào)告等管理功能.(4 )采用數(shù)字同步復(fù)用技術(shù)，其最小的復(fù)用單位為字節(jié)，不必進(jìn)行碼速調(diào)整，簡化了復(fù)接分接的實(shí)現(xiàn)設(shè)備， 由低速信號復(fù)接成高速信號，或從高速信號分出低速信號，不必逐級進(jìn)行。(5)采用數(shù)字交叉連接設(shè)備 DXC可以對各種端口速率進(jìn)行可控的連接配置，對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行自動(dòng)

20、化的調(diào)度和管理，這既高了資源的利用率，又增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和可靠性。SDH采用了 DXC后，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性及對各種業(yè)務(wù)量變化的適用能力，使現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)提高到一個(gè)嶄新的水平。SDH幀中的AU PTR指的是管理單元指針，它是一種指示符。主要絡(luò)的第一個(gè)字節(jié)在幀內(nèi)的準(zhǔn)確位置(相對于指針位置的偏移量)。采用指針技術(shù)是 SDH的創(chuàng)新，結(jié)合虛容器的概念，解決了低速信號復(fù)接成高速 信號時(shí)，由于小的頻率誤差所造成的載荷相對位置漂移的問題。5-4設(shè)140 Mb / s數(shù)字光纖通信系統(tǒng)發(fā)射光功率為 -3 dBm，接收機(jī)-38 dBm，系統(tǒng)余量為4 dB，連接器 損耗為0. 5 dB /對，平均接頭損耗為 O.05dB/km,光纖衰減系數(shù)為 0.4 dB / km，光纖損耗余量為 0.05 dB / km，計(jì)算中繼距離L。解 L < (Pt-Pr-2Ac-Me)/(Af+As+Am) 由題可知 Pt=-3dBm， Pr=-38dBm， Me=4dB,Ac=0.5dB/ 對， As=0.05Db/km,Af=0.4dB/km,Am=0.05dB/km. 固得 L < (Pt-Pr-2Ac-Me)/(Af+As+Am)= ( -3+38-2*0.5-4)/(0.05+0.4+0.05)=60