光纖通信習題解答

1、第1章1. 光通信的優(yōu)缺點各是什么？答：優(yōu)點有：通信容量大；傳輸距離長；抗電磁干擾；抗噪聲干擾；適應(yīng)環(huán)境；重量輕、安全、易敷設(shè)；保密；壽命長。缺點：接口昂貴；強度差；不能傳送電力；需要專用的工具、設(shè)備以及培訓；未經(jīng)受長 時間的檢驗。2. 光通信系統(tǒng)由哪幾部分組成，各部分功能是什么？答： 通信鏈路中最基本的三個組成部分是光發(fā)射機、 光接收機和光纖鏈路。 各部分的功能參 見節(jié)。3. 假設(shè)數(shù)字通信系統(tǒng)能夠在載波頻率1%勺比特率下工彳試問在 5GHz的微波載波和科m的光載波上能傳輸多少路 64kb/s 的音頻信道？答：5GHZX 1 % /64k =781 路(3X10 WDMH專送網(wǎng)絡(luò)(OTN的優(yōu)點

2、是什么？答： ( 1 )可以極大地提高光纖的傳輸容量和節(jié)點的吞吐量，適應(yīng)未來高速寬帶通信網(wǎng)的要求。(2) OXCF口 OADMt信號的速率和格式透明，可以建立一個支持多種電通信格式的、透 明的光傳送平臺。( 3)以波長路由為基礎(chǔ)，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)重構(gòu)和故障的自動恢復，構(gòu)成具有高度靈活性和生存性的光傳送網(wǎng)。/X10-6) x 1%/64k =3X107路4. SDH制有什么優(yōu)點？答： 主要為字節(jié)間插同步復用、 安排有開銷字節(jié)用于性能監(jiān)控與網(wǎng)絡(luò)管理， 因此更加適合高 速光纖線路傳輸。5. 簡述未來光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢及關(guān)鍵技術(shù)。答：未來光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢為全光網(wǎng)，關(guān)鍵技術(shù)為多波長傳輸和波長交換技術(shù)。6.

3、 簡述WDM勺概念。答：WDMJ基本思想是將工作波長略微不同，各自攜帶了不同信息的多個光源發(fā)出的光信號，一起注入同一根光纖， 進行傳輸。 這樣就充分利用光纖的巨大帶寬資源， 可以同時傳輸 多種不同類型的信號，節(jié)約線路投資，降低器件的超高速要求。7. 解釋光纖通信為何越來越多的采用WDM+EDFA式。答：WD欣分復用技術(shù)是光纖擴容的首選方案，由于每一路系統(tǒng)的工作速率為原來的1/N,因而對光和電器件的工作速度要求降低了，WD曲波器和分波器的技術(shù)與價格相比其他復用方式如OTDMfs有很大優(yōu)勢；另一方面，光纖放大器EDFA勺使用使得中繼器的價格和數(shù)量 下降，采用一個光放大器可以同時放大多個波長信號，使

4、波分復用(WDM的實現(xiàn)成為可能，因而WDM- EDFA方式是目前光纖通信系統(tǒng)的主流方案。第二章1 .光波從空氣中以角度。1=330投射到平板玻璃表面上，這里的。i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900,請問玻璃的折射率等于多少？這種玻璃的臨界角又為多少？解：入射光束與玻璃表面的法線角度(即入射角)0 =90 -33=57度。則反射角。尸。，折射角0 2=180-90-57=33度，假設(shè)空氣的折射率為 ni=1, 由折射定理 msin 0 =n2sin 0 2得到玻璃的折射率為c=sin -1(n

5、 1/n 2)=度。n2=n 1sin 0 / sin 0 2 =全反射發(fā)生在從玻璃射向空氣的時候，此時。2 .計算1=及n2=的階躍折射率光纖的數(shù)值孔徑。如果光纖端面外介質(zhì)折射率n=,則允許的最大入射角0 max為多少？解：NA=. n1纖芯和包層的相對折射指數(shù)差A(yù)。 光纖的數(shù)值孔徑NA n；=最大入射角0 max=arcsin( n n12n2)=度3.弱導波階躍光纖纖芯和包層折射率指數(shù)分別為m=, n2=,試計算:解：(1)2n12n22n2(2) NA= n2 n；=4 .已知階躍光纖纖芯的折射率為n產(chǎn)，相對折射指數(shù)差 A =,纖芯半徑a=25科成若入。=1科3計算光纖的歸一化頻率V及

6、其中傳播的模數(shù)量 M解：V 2(n； n；)1/2 2-(2n12 )1/2 =2 x 25 科 m/1 科 mx (2xx) =心目 V2模數(shù)量M =55525 . 一根數(shù)值孔徑為的階躍折射率多模光纖在850nm波長上可以支持1000個左右的傳播模式。試問：(a) 其纖芯直徑為多少?(b) 在1310nm波長上可以支持多少個模式？(c) 在1550nm波長上可以支持多少個模式？2解：(a) V a(n12 n2)1/2 一a NA,而 M 2從而得到纖芯半徑：a=V / (2 NA) =(i m,則直徑為V2 a 2(b) M (NA)2 ,與波長的平方成反比 2因此在 1310nm上的模式

7、數(shù)為 M=(850/1310 ) 2X 1000=421(c)在 1550nm上的模式數(shù)為 M= ( 850/1550 ) 2X 1000=3006 .纖芯折射指數(shù)為n尸，長度未知的弱導波光纖彳輸脈沖重復頻率f°=8MHz的光脈沖，經(jīng)過該光纖后，信號延遲半個脈沖周期，試估算光纖的長度L。解：脈沖周期T=1/ f 0=X10-4s。路徑最短的光通過光纖的時間為一L =T/2 = X 10-4 sc/ n1從而解得：L= 12.5 km7 .階躍型光纖，若 n尸，X 0=m,(1) A=,為保證單模傳輸，光纖纖芯半徑 a應(yīng)取多大？(2) 若取芯徑a=5(i m,保證單模傳輸時，A應(yīng)怎樣選

8、擇？解：(1)單模傳輸要求V ”(n； n2)1/2 U(2n12 )1/2 2.405解得到 a (im(3) 同樣用 "(2n； )1/2 2.405得到A8 .漸變型光纖的折射指數(shù)分布為1/2rn(r) n(0) 1 2 a求光纖的本地數(shù)值孔徑。222 解：n2=n(0)1-2 A1/2 1 n (0) n (0) 2NAr .n2(0) n2n(0) . 29.某光纖在1300nm處的損耗為km,在1550nm波長處的損耗為kmio假設(shè)下面兩種光信號 同時進入光纖：1300nm波長的150W勺光信號和1550nm波長的100 W勺光信號，試 問這兩種光信號在 8km和20km

9、處的功率各是多少？以科慢;單位。解： () 10log -p(z0)(dB/km)L p(z L)1()因此 p(z L) p(z 0)10 10將數(shù)值代入可得到：對1310nmi 150 W勺光信號，在 8km和20km處的功率分別為科 慚口 2 W對1550nm波長的100科W的光信號，在 8km和20km處的功率分別為科 腐口祖W10. 一段12km長的光纖線路，其損耗為km；(a) 如果在接收端保持科 W勺接收光功率，則發(fā)送端的功率至少為多少?(b) 如果光纖的損耗變?yōu)閗m,則所需的輸入光功率為多少？()L)解：(a)利用p(z 0)p(z L)10 10 ,得到 p(z 0)二科 W

10、(口)(b)p(z 0) p(z L)10 10，得到 p(z 0) = W11.考慮一段由階躍折射率光纖構(gòu)成的5km長的光纖鏈路，纖芯折射率n產(chǎn)，相對折射率差(a) 求接收端最快和最慢的模式之間的時間差；(b) 求由模式色散導致的均方根脈沖展寬；(c) 假設(shè)最大比特率就等于帶寬，則此光纖的帶寬距離積是多少?解：(a) tL-n1 =5*3*10 5=x 107 s(b)均方根脈沖展寬就是最快和最慢的模式之間的時延差，即X10-7 s (c)帶寬距離積為 c- 10 (Mb/s) gkm2n112 .考慮10km長，NA粕多模階躍折射率光纖。如果纖芯折射率為，計算光纖帶寬。解：最大帶寬距離積為

11、 BL ,而NA=n1J2一,將以上數(shù)據(jù)帶入可得到 B=o 2%13 .考慮10km長，NA粕多模階躍折射率光纖。如果纖芯折射率為，計算光纖帶寬。解：最大帶寬距離積為 BL 廣，而NAtiJ,將以上數(shù)據(jù)帶入可得到 B=o14 .某工程師想測量一根1895m長的光纖在波長 1310nm上的損耗，唯一可用的儀器是光檢測器，它的輸出讀數(shù)的單位是伏特。利用這個儀器，使用截斷法測量損耗，該工程師測 量得到光纖遠端的光電二極管的輸出電壓是，在離光源2m處截斷光纖后測量得到光檢測器的輸出電壓是，試求光纖的損耗是多少dB/km?解：光檢測器輸出電壓與光功率成正比。因此10 VN103.78lg lg dB/k

12、m °L VF1.893 3.3114 .根據(jù)光纖損耗測量中截斷法所依據(jù)的公式，要測量的功率正比于光檢測器的輸出電壓。如果兩次功率測量時電壓讀數(shù)相差±則損耗精度的偏差有多大？若要獲得優(yōu)于土km的靈敏度，光纖至少應(yīng)有多長？解：10 x ( 土 %戶土 1%(dB/km)光纖至少5Km15 .現(xiàn)已測得光纖的色散系數(shù)為120ps/ (nm- km),當光源譜寬是時，此時單位長度光纖的3dB帶寬有多寬？, ,0 441解：根據(jù)公式 B 上41D將數(shù)據(jù)代入得到B=o16 .將3根500m長的光纖有序地連接在一起，然后使用OTDRIU量這段光纖的損耗，得到的數(shù)據(jù)如圖所示。這三段光纖的損

13、耗分別是多少dB/km?接頭損耗是多少 dB?第二段和第三段光纖接頭處接頭損耗較大的原因是什么？IDPL0500IOOO1500尤年氏度5)解：(1)根據(jù)光纖的損耗 P(L)=P(0) e 1可知in -p2 , p1、p2的值由圖給出如下:P1第一段P1(L=0)和P2(L=2 X 0.5km)讀數(shù)分另1J是70和30;第二段P1(L=1km)和P2(L=2km)讀數(shù)分別是 30和10;第三段P1(L=2km)和P2(L=3km)讀數(shù)分別是7和；第一個接頭損耗：第二個接頭損耗:(2)第二段和第三段光纖的模場直徑MFM一樣。17 .如果使用OTDR各光纖故障定位在真實位置土0.5m范圍內(nèi)，試證

14、明光脈沖的寬度應(yīng)不大于 5ns。解： L c Tn 2得至|JT2nLc2 1.5 0.53 10895 10 9=5 ns/2(f)的高斯近似表達式為：H(f) Pout(f) Pn(f) exp 2 f至少對幅度為峰值 75%勺頻域內(nèi)的點是精確的。利用這個關(guān)系式，分別畫出光纖脈沖響應(yīng)的rms脈沖全寬2b等于，和時的 P (f) /P (0)與頻率的關(guān)系曲線，頻率范圍是01000MHz這些光纖的3dB帶寬分別是多少？解：從圖中可以得到，這些光纖的3dB帶寬分別是，MHz, MHz第3章光源和光檢測原來書上第3章的題目1.計算一個波長為 入=1pm的光子能量，分別對1MH環(huán)口 100MHz的無

15、線電波做同樣的計算。解：光子的能量 E=hv h- 6.63gl0-34g3 106 19.89 10-20焦耳。1 10對 1MHz的無線電波 E=hf= X 10-34 X 106=X 10-28 焦耳。100MHz , E=hf= X 10-34 X 108=X 10-26 焦耳。2 .太陽向地球輻射的光波，設(shè)其平均波長 入二科成 射到地球外面大氣層的光強大約為 I=cm2。如果恰好在大氣層外放一個太陽能電池，試計算每秒鐘到達太陽能電池上每平方米板上的光子數(shù)。解：波長入二2 的光子的能量為：E=hv hc=x 1020焦耳每平方米的太陽能電池的光強為I=1400W=1400焦耳/秒則每秒

16、鐘到達太陽能電池上每平方米板上的光子數(shù)為I/E= X1021個3 .如果激光器在 入=pm上工作，輸出1W的連續(xù)功率，試計算每秒從激活物質(zhì)的高能級躍 遷到低能級的粒子數(shù)。解：在入=(im上出射的光子的能量為： E=hv hW=X10-20焦耳輸出功率1W=1J/s,即每秒輸出的能量為1J,則光子數(shù)為1/X10-20 = X1018那么每秒從激活物質(zhì)的高能級躍遷到低能級的粒子數(shù)等于出射光子數(shù)的一半，即X10184 .光與物質(zhì)間的互作用過程有哪些？解：在介質(zhì)材料中存在著受激吸收，自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射等三種光與物質(zhì)的相互作用過程。5 .什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？什么情況下能實現(xiàn)光放大？解：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是高能級上

17、的粒子數(shù)量大于低能級上的粒子數(shù)的狀態(tài)，是一種非平衡狀態(tài)。實現(xiàn)光放大的條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、光學腔、增益介質(zhì)。6 .什么是激光器的閾值條件。解：當注入電流較小時， 激活區(qū)不能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，自發(fā)發(fā)射占主導地位，激光器發(fā)射普通的熒光。隨注入電流量的增加，激活區(qū)里實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射占主導地位，但當注入電流小于閾值電流時， 諧振腔內(nèi)的增益還不足以克服損耗如介質(zhì)的吸收、 鏡面反射 不完全等引起的諧振腔的確損耗， 不能在腔內(nèi)建立起振蕩，激光器只發(fā)射較強熒光。只有當 注電流大于閾值電流時，才能產(chǎn)生功率很強的激光。7 .由表達式E=hc/入，說明為什么 LED的FWHM1率譜寬在長波長中會變得更寬些。解：

18、由E=hc/入 可得到，入=hc/E ;求關(guān)于光子能量E的微分，可以得到d-hc2,dE E2hc則E2 E ,而 E (hv),通常為2kBT ,這樣再將E=hc/入帶入,得到2犯hc8 .試畫出APD雪崩二極管的結(jié)構(gòu)示意圖，并指出高場區(qū)及耗盡區(qū)的范圍。 解：見書中圖。9 . 一個GaAs PIN光電二極管平均每三個入射光子，產(chǎn)生一個電子-空穴對。假設(shè)所有的電子都被收集。a試計算該器件的量子效率；b當在波段接收功率是10-7W寸，計算平均輸出光電流；c計算波長，當這個光電二極管超過此波長時將停止工作，即長波長截止點入c。解：a、光生并被收集的自由EHP的數(shù)量入射光子的數(shù)量=1/3=%Ipe1

19、,b、由 R (A/W)和 R (A/W)可得到Pnhve _ e-6 .I p=PNhv Pn 蔡 x10C hfc Eg而 Eg = eV,則波長截止點 、c=hc/Eg=um10 .什么是雪崩增益效應(yīng)？解：光生載流子穿過一個具有非常高的電場的高場區(qū)。在這個高場區(qū)，光生電子或空穴可以獲得很高的能量，因此它們高速碰撞在價帶的電子上使之產(chǎn)生電離，從而激發(fā)出新的電子一空穴對，這種載流子倍增的機理稱為碰撞電離。新產(chǎn)生的載流子同樣由電場加速，并獲得足夠的能量從而導致更多的碰撞電離產(chǎn)生，這種現(xiàn)象就是所謂的雪崩效應(yīng)。11 .設(shè)PIN光電二極管的量子效率為80%計算在和波長時的響應(yīng)度，說明為什么在光電二極

20、管比較靈敏。解：R J hv hc在和處的響應(yīng)度分另1J為 0.838A/W, 0.999 A/W波長越長，頻率越低，光子能量越低，對于同等的入射光功率則光子數(shù)量就越多，則 電子-空穴對也就越多，那么光生電流也就越大。第4章光發(fā)送機和光接收機1 .光接收機中有哪些噪聲？解：主要有三種。第一種就是熱噪聲信號，在特定溫度下由電子的隨機運動產(chǎn)生的，它總是 存在的，第二種是散彈（粒）噪聲，是由光子產(chǎn)生光生電流過程的隨機特性產(chǎn)生的，即使輸 入光功率恒定也存在， 散粒噪聲不同于熱噪聲， 它不是疊加在光電流上，它作為獨立的一部分僅僅是產(chǎn)生光電流過程隨機性的一種方便的描述。第三種是在光檢測器之前使用的光放大器

21、產(chǎn)生的放大的自發(fā)輻射噪聲 ASE2 . RZ碼和NR加有什么特點？解：NRZ碼與其他格式相比，其主要優(yōu)點是占據(jù)的頻帶寬度窄，只是RZ碼的一半，缺點是當出現(xiàn)長連“ 1”，或“ 0”時，光脈沖沒有有和無的交替變化，這對于接收時比特時種提取 是不利的。RZ碼克服了這個問題，解決了連“ 1”的問題有了電平的交替變化，但長連“0”問題仍然存在。3 .通信中常用的線路碼型有哪些？解：4B/5B、8B/10B4 .光源的外調(diào)制都有哪些類型？內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制各有什么優(yōu)缺點？解：目前常用的外調(diào)制器有電折射調(diào)制器、電吸收MQW1制器、M-Z型調(diào)制器等。內(nèi)調(diào)制優(yōu)點：簡單、經(jīng)濟、容易實現(xiàn)；缺點：隨著傳輸速率的不斷提高，

22、直接強度調(diào)制帶來了輸出光脈沖的相位抖動即喟啾效應(yīng)，使得光纖的色散增加，限制了容量的提高。外調(diào)制優(yōu)點：可以減小喟啾；缺點：比較復雜，成本較大5 .假定接收機工作于1550nm,帶寬為3GHz,前置放大器噪聲系數(shù)為4dB,接收機負載為R.=100Q,溫度T=3000K,量子效率為刀=1,=1.25A/W, Gn=1,試計算接收機靈敏度。解：2 誓 FnBe XI。-1。A2RL對于 BER=1d, 丫 =7;FA(Gm)= FA(1)=1(eBeFA(Gm) =*10-5 W=*10-2 mW = dbmRGm '6.在考慮熱噪聲和散彈噪聲的情況下，設(shè)APD的FA(Gm)=GXm x e

23、(0,1 ),推導APD的G的最佳值GO1此時APD接收機的SNRM大。解:4KbT""RT"FnBe2散粒SNR=4KrTBRL12RPGmm 2 mBe2eGm2 xRPBe4KbT12RPm2FnBeGm2 2eGmxRPBe_ 22 x2eGm FA(Gm)RPBe 2eGm RPBe可見當x=0時，APD的SNRM大。7 .證明又行1 OOKt接檢測接收機的誤碼率公式：BER Q( I1 I0 )01解：_ _ I 1 I thP01 Q(-th)1_ I th I 0P1|0 Q(Jh0)0則由 BER=1/2P0|1+1/2 P1| 08 .對于PI

24、N直接接收機，假設(shè)熱噪聲是主要噪聲源，且方差由()給出，對于誤碼率為10-12,速率為100Mbit/s和1Gbit/s ,以每1比特的光子數(shù)表示的接收靈敏度是多少？設(shè)工作 波長為1550nm,響應(yīng)度為1.25A/W。2 PR_()22222斛： M R (y0 = o熱, (71=0熱 + o散,hfcB2GmR2 4kBTFnBe 1.656 10 22 B A2()Rl而忽略散彈噪聲，有(7 12=(7 02=1.656 10 22 B ,12誤碼率為10 ，則丫 =7。對PIN , Gm=1,則計算(01),，則 m - 2 五656 10 22 B 7 ,109/9R 2GmR Rh

25、fcBRhfcBR5速率為 100Mbit/s 時，M=x 104速率為 1Gbit/s 時，M= X109 .推導() ? ? ? ?10 .推導（）證明：在放大系統(tǒng)中信號與自發(fā)輻射噪聲差動噪聲與其他噪聲相比占主導地位，因此2號噪聲 4R2GPPn（G 1）Be且I RGP ,因此根據(jù)誤碼率公式BER Q( I1 I0 ), 01以及以上的假設(shè)，則誤碼率為L LLRGPBER Q(') Q(=1) Q(=)信號噪聲2RJGPPJG 1)Be2RjGPE(G 1洱=Q（2晨） 得證。11發(fā)全“ 0”碼時的光功率為 40pVV全“1”碼時的光功率為 100 wW若信號為偽隨機碼 序列，則

26、消光比為多少？解：偽隨機碼序列，消光比為EXT=Poo/2P t=40/200=20%12已知某光端機的靈敏度為-40dBm,動態(tài)范圍為20dB,若系統(tǒng)能正常工作，則接收的光功 率在多少微瓦的范圍之內(nèi)？解：Prin= - 40dbm= 10 -4 mW=微瓦P mak-40+20=- 20dbm =10-2 mW =10 微瓦則接收的光功率范圍為微瓦到10微瓦第5章無源光器件1 .光纖的連接損耗有哪些？如何降低連接損耗?解：連接損耗可分為外部損耗和內(nèi)部損耗。外部損耗主要有軸向位移、連接間隔、傾斜位移、截面不平整。包括纖芯的直徑、纖內(nèi)部損耗主要是由于光纖的波導特性和幾何特性差異導致的損耗, 芯區(qū)

27、域的橢圓度、光纖的數(shù)值孔徑、折射率剖面等。采用較好的連接方法，改善連接器的性能。2 .試用2X2耦合器構(gòu)成一個 8X8空分開關(guān)陣列，畫出連接圖和輸入輸出端口信號間流向, 計算所需開關(guān)數(shù)。需開關(guān)數(shù)12個。3 .討論圖所示平面陣列波導光柵的設(shè)計思想和方法。解：設(shè)計思想：將同一輸入信號分成若干路分別經(jīng)歷不同的相移后又將它們合在一起輸出；設(shè)計方法：將N個輸入波導和N個輸出波導，二個聚焦平面波導（星型耦合器）和通道 陣列波導，集成在單一襯底上。使得輸入/輸出波導的位置和陣列波導的位置滿足羅蘭圓規(guī) 則。4 .簡述光耦合器和 WD附波器有什么不同。解：在寬帶光纖耦合器中， 通常通過改變?nèi)廴诶F工藝，使耦合器

28、輸出端口的分光比不受波長的影響。相反，在 WD嚅件中則改變?nèi)廴诶F工藝，使分光比隨波長急劇變化。5 .光濾波器有哪些種類，濾波器應(yīng)用在什么場合？解：光濾波器主要有 F-P腔濾波器、M-Z干涉濾波器、陣列波導光柵濾波器、聲光可調(diào)濾波 器，光纖光柵濾波器。光濾波器用于濾出特定波長的光信號。6 .光開關(guān)有哪些性能參數(shù)，在光纖通信中有什么作用？解：光開關(guān)的性能參數(shù)主要有開關(guān)時間、通斷消光比、插入損耗、串擾、偏振依賴損耗； 光開關(guān)在光纖通信技術(shù)中作光路切換之用，如系統(tǒng)的主備切換等。它是光交換的關(guān)鍵器件，在光網(wǎng)絡(luò)中有許多應(yīng)用場合。7 .簡述F-P腔可調(diào)諧濾波器的工作原理。解：F-P腔型濾波器的主體是 F-

29、P諧振腔，是由一對高度平行的高反射率鏡面構(gòu)成的腔體， 當入射光波的波長為腔長的整數(shù)倍時光波可形成穩(wěn)定振蕩，輸出光波之間會產(chǎn)生多光束干涉， 最后輸出等間隔的梳狀波形。 通過改變腔長L 或腔內(nèi)的折射率n 來改變?yōu)V波器的中心波長。8 . 討論光纖光柵在光通信中的應(yīng)用。解：光纖光柵的應(yīng)用范圍有光纖激光器、WDg/分波器、超高速系統(tǒng)中的色散補償器、固定或可調(diào)濾波器、光纖放大器、光纖光柵全光分插復用器等。9 .NLO娓否可作光開關(guān)？解 ： 可以。 改變環(huán)的長度或光波的波長， 使來自傳輸光纖的光波與繞環(huán)后的光波之間產(chǎn)生相移，兩者之間產(chǎn)生相長和相消，達到開和關(guān)的作用。第 6 章 光放大器1. 光放大器包括哪些

30、種類，簡述它們的原理和特點，EDFA有哪些優(yōu)點。解：摻餌光纖放大器EDFA原理：在制造光纖過程中，向其摻入一定量的三價餌離子，利用餌離子的三能級系統(tǒng)， 形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當入射光近來時， 由受激輻射產(chǎn)生光放大， 實現(xiàn)了信號光在摻鉺光纖的傳輸過程中不斷被放大的功能。 優(yōu)點： 轉(zhuǎn)移效率高、 放大的譜寬適合于WDMfc纖通信、具有較高的飽和輸出光功率、動態(tài)范圍大、噪聲指數(shù)小、與光纖的耦合損耗小、增益穩(wěn)定性好、增益時間常數(shù)較大；缺點：存在ASE噪聲、串擾、增益飽和等問題。受激拉曼光纖放大器， 原理： 利用光纖媒質(zhì)中傳輸高功率信號時發(fā)生的非線性相互作用-拉曼效應(yīng)，頻率為3 p和3 as的泵浦光和信號光通過

31、WD曲波器輸入至光纖，當這兩束光在光纖中一起傳輸時， 泵浦光的能量通過受激拉曼散射轉(zhuǎn)移給信號光， 使信號光得到放大。 特 點：不需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，能夠提供整個波段的光放大，主要問題在于所需泵浦的種類。受激布里淵光纖放大器 ， 原理： 利用強激光與光纖中的彈性聲波場相互作用產(chǎn)生的后向散射光來實現(xiàn)對光信號的放大。其主要特點是高增益、低噪聲、窄小帶寬。半導體光放大器，原理：采用正向偏置的PN結(jié)，對其進行電流注入，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布， 利用受激輻射來實現(xiàn)對入射光功率的放大。 特點： 小型化的半導體器件，易于和其他器件集成；與偏振有關(guān)；具有大的帶寬；但由于非線性現(xiàn)象（四波混頻），SOA勺噪聲指數(shù)高， 串擾

32、電平高。2. EDFA勺泵浦方式有哪些，各有什么優(yōu)缺點？解：EDFA常用的結(jié)構(gòu)有三種，即同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。同向泵浦：優(yōu)點是構(gòu)成簡單，噪聲低， 信號一進入光纖即得到較強的放大；缺點是由于吸收，泵浦光將沿光纖長度而衰減。反向泵浦：優(yōu)點是當光信號放大到很強的時候，泵浦光也強，不易達到飽和，從而獲得較高增益。雙向泵浦：結(jié)合了同向泵浦和反向泵浦的優(yōu)點，使泵浦光在光纖中均勻分布，從而使其增益在光纖中也均勻分布。3. 一個EDFA功率放大器，波長為1542nm的輸入信號功率為2dBm得到的輸出功率為Pout=27dBm求放大器的增益。解：放大器在1542nm處的增益為1010g （Pout/Pi

33、n）=。4. 簡述SBA與SRA間的區(qū)別，為什么在SBA中信號與泵浦光必定反向傳輸。解：SRA是靠非線性介質(zhì)的受激散射，一個入射泵浦光子通過非彈性散射轉(zhuǎn)移其部分能量， 產(chǎn)生另一個低能和低頻光子，稱為斯托克斯頻移光，而剩余的能量被介質(zhì)以分子振動（ 光學聲子 ） 的形式吸收，完成振動態(tài)之間的躍遷。而SBA是泵浦光被注入光纖傳輸時，由于光波與晶體結(jié)構(gòu)互作用產(chǎn)生一個聲振動，同時光波被散射，在入射光的反方向上產(chǎn)生最大的散射頻移和散射光強。SBA 中由于除了滿足能量守恒定理外，還要滿足動量守恒定理（或相位匹配條件） ，當 散射光與入射光夾角為 180度時得到最大的散射頻移和散射光強。因此，在SBA中信號與

34、泵浦光必定反向傳輸。5. 一個長250 dm的半導體激光器做 F-P放大器，有源區(qū)折射率為4,則放大器通帶帶寬是 多少？解： c/2nL= （ 3X 108） / （ 2 X 4 X 250X 10-6）=6. EDFA在光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用形式有哪些？解 ：主要有 1）在寬帶光波分配系統(tǒng)中的應(yīng)用； 2 ）作前置放大器， 3 ）作功率放大器； 4 ） 作線路放大器。7. EDFA勺主要性能指標有哪些，說明其含義。解 ：增益，是輸出光功率與輸入光功率的比值（增益帶寬，是放大器放大信號的有效頻率范圍。增益飽和， 一般情況下輸入信號應(yīng)該足夠大，時增益隨信號功率增加而減小。增益波動，是增益帶寬內(nèi)的增益變

35、化范圍（以噪聲，EDFA勺噪聲主要有信號光的散射噪聲, 噪聲等。dB 為單位） 。以便能引起放大器的飽和增益。 增益飽和dB 為單位） 。ASE噪聲，以及信號-ASE, ASE-ASE拍8 . 分別敘述光放大器在四種應(yīng)用場合時各自的要求是什么？解 ： 在線放大器： 用在線放大器代替光電光混合中繼器。要求：光纖色散和放大器自發(fā)輻射噪聲累積尚未使系統(tǒng)性能惡化到不能工作時，且需要考慮光學濾波和隔離等問題 /后置放大器： 是將光放大器接在光發(fā)送機后以提高光發(fā)送機的發(fā)送功率，增加傳輸距離，要求：需要考慮最大飽和輸出功率，而對絕對增益和噪聲系數(shù)的要求則要低一點。前置放大器 ： 將光放大器接在光接收機前，

36、以提高接收功率和信噪比。要求：前置放大器其主要的品質(zhì)因數(shù)是高增益和低噪聲， 由于接收機靈敏度主要受限于光放大器的噪聲而不是接收機本身的熱噪聲，因此對前置放大器的噪聲系數(shù)有極為苛刻的要求。功率補償放大器： 將光放大器用于補償局域網(wǎng)中的分配損耗， 以增大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)。 還可 以將光放大器用于光子交換系統(tǒng)等多種場合。9 .敘述SOA- XG瞰長變換的原理？解：CW探測波（入s）和泵浦波（入p）經(jīng)耦合器注入 SOA SOA寸入射光功率存在增益飽和特性。因而當有調(diào)制信息（“1”或“0”）的泵浦波注入SOAM,此時，泵浦信號將調(diào)制 SOA勺載流 子密度，從而調(diào)制增益（“無”或“有”），同時，注入的CW探測波

37、的強度變化也受增益變化 影響而按泵浦信號的調(diào)制規(guī)律變化，用帶通濾波器取出變換后的入s信號，即可實現(xiàn)從入p到入s的波長變換。第7章光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計1 商業(yè)級寬帶接收機的等效電阻為a=750。當Rq=75Q時，保持發(fā)送機和接收機的參數(shù)和圖的例子相同，在接收機光功率范圍為0-16dBm時計算總載噪比，并畫出相應(yīng)的曲線，如同7.2.2節(jié)的推導一樣，推出其載噪比的極限表達式。證明當Rq=75Q時，在任何接收光功率電平下，熱噪聲都超過量子噪聲而成為起決定作用的噪聲因素。解：利用2C0.5 mRGP22 xN RIN RP Beq 2e IP ID G Beq 4kTFtBeq/ Req eqeqeq -

38、eq以及相關(guān)參數(shù)，m= RIN=-143dB/Hz , R=0.6A/W, B=10MHz I D=10nA, Req=75Q , Ft=3dB;G=1, =*10-19C;玻爾茲曼常數(shù) k = x 10 -23 m2 kg s -2 K-1, 設(shè)定溫度為 300K計算總載噪比，并畫出相應(yīng)的曲線如下圖。（注意計算過程中單位的統(tǒng)一，以及RIN和Ft在計算過程中db要轉(zhuǎn)化為絕對單位）。載噪比的極限表達式同7.2.4節(jié)的推導，將參數(shù)代入即可。在Req=75Q時，計算三種噪聲極限下的載噪比并畫圖如下圖， 可見在任何接收光功率電平下, 熱噪聲都超過量子噪聲而成為起決定作用的噪聲因素。 （也可以通過計算比

39、較兩種噪聲的大 小得到結(jié)論）。接收光功率/dbm2 假設(shè)一個SCM!(統(tǒng)有120個信道，每個信道的調(diào)制指數(shù)為 %鏈路包括一根損耗為1dB/km 的12km長的單模光纖，每端有一個損耗為的連接器；激光光源耦合進光纖的功率為2mW光源的RIN=-135dB/Hz ; pin光電二極管接收機的響應(yīng)度為0.6A/W, B=5GHz I D=10nA,Rq=50Q , Ft=3dB,試求本系統(tǒng)的載噪比。解：m= (120)=。計算接收光功率：Ps-Pr= +1 12=13dB,而 Ps=2mW=3dRm所以 Pr= -10dBm ;代入公式計算載噪比為。3 如果題3中的pin光電二極管用一個 G=10和

40、F (G)=的InGaAs雪崩光電二極管替代， 那么系統(tǒng)的載噪比又是多少？解：即計算公式中的 G=10, G2 x=+2,代入計算公式得到：載噪比為 。4 假設(shè)一個有32個信道的FDM系統(tǒng)，每個信道白調(diào)制指數(shù)為%若RIN=-135dB/Hz ,假定pin 光電二極管接收機的響應(yīng)度為0.6A/W, B=5GHz ID=10nA, Rq=50Q , Ft=3dB。(a) 若接收光功率為-10dBm,試求這個鏈路的載噪比；(b) 若每個信道的調(diào)制指數(shù)增加到7%接收光功率減少到-13dBm,試求這個鏈路的載噪比。解：m= (32)=。(a) 代入計算公式得到鏈路的載噪比為。(b) m= (32)=,接

41、收光功率為-13dBm,代入計算公式得到鏈路的載噪比為dB。余度為km,設(shè)備富余度為。解：功率限制中繼距離為：-3- (-56) = + +1+1 2+ +,得到L=。106一而色散限制中繼距離為：L ，而信息速率為 565Mb/s的單模光纜傳輸系統(tǒng),BD采用5B6B碼型，其傳車速率為 677990kb/s 。,因此0.115 106677.99 2 1.8=47.1164km顯然這是一個色散限制系統(tǒng)，最大中繼距離應(yīng)小于。6 一個二進制傳輸系統(tǒng)具有以下特性：? 單模光纖色散為 15ps/ ( nm? kmj),衰減為kmu?發(fā)射機用 入=1551nmW GaAs激光器，發(fā)射平均光功率5mWV譜

42、寬2nmi?為了正常工作，APD接收機需要平均1000個光子/比特。?在發(fā)射機和接收機處耦合損耗共計3dB。a、數(shù)據(jù)速率為10和100Mbit/s時，找出受衰減限制的最大傳輸距離。b、數(shù)據(jù)速率為10和100Mbit/s時，找出受色散限制的最大傳輸距離。c、對這個特殊系統(tǒng)，用圖表示最大傳輸距離與數(shù)據(jù)速率的關(guān)系，包括衰減和色散兩種 限制。解：a、Ps=5mW=,而 M 型，h=*10-34 (J-s ), R MhcB (W； hvB2受衰減限制的最大傳輸距離：Ps- Pr(dBm =3+0.2 L (a)b、 L0.115 106(b)數(shù)據(jù)速率為 10 Mbit/s 時，L=479.6 km ;

43、數(shù)據(jù)速率為 100Mbit/s 時，L=429.6km,B 15 2數(shù)據(jù)速率為10 Mbit/s 時，L= km;數(shù)據(jù)速率為 100Mbit/s 時，L=,c、利用(a)和(b)式，畫出衰減和色散兩種限制下最大傳輸距離與數(shù)據(jù)速率的關(guān)系。mK/離距輸傳大最J支/ 一. 一損耗限制 色散限制0 0204060數(shù)據(jù)速率/ Mb/s80100O40o OO 55 4o o o o O5 0 5 0 53 3 2 2 1O 517 畫圖比較(參見圖)下面兩個速率為100Mbit/s的系統(tǒng)其損耗受限的最大傳輸距離。系統(tǒng)1工作在850nm： (a) GaAlAs半導體激光器：0dBm (1mVV的功率耦合進

44、光纖；(b) 硅雪崩光電二極管： 靈敏度-50dBm; (c)漸變折射率光纖：在850nm處的損耗為km; ( d) 連接器損耗：每個連接器為 1dB。系統(tǒng) 2 工作在 1300nm： (a) InGaAsP LED： -13dBm 的功率耦合進光纖； (b) InGaAs pin 光電二極管：靈敏度-38dBm; (c)漸變折射率光纖：在 1300nm處的損耗為km; (d)連 接器損耗：每個連接器 1dB。每個系統(tǒng)均要求6dB的系統(tǒng)富余度。解：作圖方法同書中的方法，得到系統(tǒng)1的最大傳輸距離為12km。系統(tǒng)2的最大傳輸距離為。9、當米用對端環(huán)回-本端測試方法觀測一段全長為 時，誤碼儀每秒鐘統(tǒng)

45、計一次誤碼，其結(jié)果如卜表：280km的四次群光纖通信系統(tǒng)的全程誤碼時間誤碼個數(shù)00:00: 00 ;0 ;06:I00: 01180006:00: 02180006:00: 03240006:00: 04220006:00: 05100006:00: 0670006:00: 07 ;0 ;23:159: 5910注：表中未標出的時間，其誤碼個數(shù)為0試求：(1)系統(tǒng)的平均誤碼率 BER(2) DM SEG ES的平均百分數(shù)解：(1)系統(tǒng)的平均誤碼率 BER安碼的個數(shù)/總的傳輸碼元數(shù)= 800 1800 2400 2200 1000 700 =139.264 106 （24 60 60）（2）誤碼

46、都是發(fā)生在某一分鐘內(nèi)，這一分鐘內(nèi)誤碼率為：800 1800 2400 2200 1000 700 =，劣于 1 X 10-6 ,屬于劣化分，所以139.264 106 60DM=1/ （24 60） =%有誤碼的秒為6秒，所以ES=6/ （24 60 60） =%這6秒的誤碼率分別為，優(yōu)于1X10-3,都不屬于嚴重誤碼秒，因止匕SES=0%第8章SDH1、SDH備在規(guī)范方法上有什么不同？解：SDH備的設(shè)計思想是將同步設(shè)備按一種所謂的功能參考模型分成單元功能，復合功能和網(wǎng)絡(luò)功能。在這種情況下，功能模型重點描述的是具體設(shè)備的功能行為， 不再描述支撐其 功能行為的設(shè)備硬件或軟件結(jié)構(gòu)， 規(guī)范的功能模型

47、允許有許多種不同的實施方法。 系統(tǒng)的各 個功能可以分在三個設(shè)備中，也可以集中在一個設(shè)備中。2、請畫出SDH的幀結(jié)構(gòu)圖，簡述各部分的作用。解：STM-N幀結(jié)構(gòu)圖如下圖。幀結(jié)構(gòu)由信息凈負荷（Payload,含通道開銷POH、段開銷（SOH 和管理單元指針（AU-PTFR三個主要區(qū)域組成。行傳輸方向一幀一幀（9X 270 X N 字節(jié)）一幀9X N歹U261 X N凈負荷區(qū)存放的是有效的傳輸信息，其中還含有少量用于通道性能監(jiān)視、管理和控制的通道開銷字節(jié)（POH, POHM視為凈負荷的一部分。段開銷是為了保證信息凈負荷正常靈活的傳送所必須附加的字節(jié)。主要提供用于網(wǎng)絡(luò)的運行、管理、維護以及指配（ OAM

48、&P功能的字節(jié)。段開銷包括再生段開銷（ RSOH和復用 段開銷（RSOH。管理單元指針（AU-PTR是用來指示信息凈負荷第一個字節(jié)在幀內(nèi)的準確位置，以便在收端正確分離信息凈負荷。3、試計算STM-1段開銷的比特數(shù)。解：段開銷分別位于幀結(jié)構(gòu)的三行（第一行到第三行）9列和五行（第五行到第九行）9列,共計（3+5）9=72個字節(jié)，即576個比特 4、試計算STM-16的碼速率。解：STM-1碼速率是s,因此STM-16的碼速率為Mb/s = Mb/s5、請畫出用SDXC勾成的自愈網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。 解：參考書中，主要是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。6、簡述SDH網(wǎng)管的主要功能。解：SDHW管系統(tǒng)利用幀結(jié)構(gòu)中豐富的開銷字

49、節(jié)，可以實施對SDH設(shè)備和SDH專送網(wǎng)的強大的管理功能。SDH網(wǎng)管的主要功能有：一般管理功能，故障管理功能，性能監(jiān)視，配置管理 以及安全管理。7、簡述ADM勺功能與連接能力，其基本構(gòu)成以及各部分作用。解：ADM的功能主要體現(xiàn)在對信號的路由連接和對信號的復用/解復用上，用于在高速率碼流中分（?。┏?插入低速率的碼流。ADM設(shè)備應(yīng)該具有支路-群路（上/下支路）和群路-群路（直通）的連接能力。一般的OADW點可以用四端口模型來表示，基本構(gòu)成如下：O O基本功能包括三種：下路需要的波長信道，復用進上路信號，使其它波長信道盡量不受影響地通過。ADMM體的工作過程如下：從線路來的 WDM1號包含N個波長信

50、道，進入OADMJ“Main Input ” 端，根據(jù)業(yè)務(wù)需求，從N個波長信道中，有選擇性地從下路端 （Drop）輸出所需的波長信道， 相應(yīng)地從上路端（Add）輸入所需的波長信道。而其它與本地無關(guān)的波長信道就直接通過ADM和上路波長信道復用在一起后，從OADMJ線路輸出端（Main Output ）輸出。第9章WDM1、一個由4信道組成的 WDI#輸系統(tǒng)。如果假設(shè)信道具有零帶寬，信道間隔應(yīng)當多大，才能保證被選信道的檢測功率比檢測到的相鄰信道的功率大10倍？假設(shè)原來采用一個標準的FP濾波器作為解復用器，其通帶為30GH%解：根據(jù)洛倫茲線型，假設(shè)為歸一化洛倫茲線型2rI -22 ,大致如下: r

51、v22 r聯(lián)立計算0.5 /二；0.1rv1得至U V245 GHz;r-22； v115 GHzrv2所以信道間隔為45GHz2. 簡述波分復用工作原理及系統(tǒng)組成。解：光波分復用 WDMWavelength Division Multiplexing ）是將光纖的低損耗窗口可使用光譜帶寬劃分為若干極窄的子帶寬，信號被強度調(diào)制在子帶寬的中心波長上，在子帶寬內(nèi)傳輸，即在一根光纖中同時傳輸多波長光信號的一項技術(shù)。系統(tǒng)構(gòu)成見書中圖和。3. WD源統(tǒng)對光源的要求是什么？有哪些器件可以作為WDM（統(tǒng)的光源器件？解：WDMR統(tǒng)中要求光源的波長具有穩(wěn)定性、可重復性和精確性。4. EDF刖在WDMR統(tǒng)中，存在

52、的突出問題是什么？應(yīng)采取哪些措施克服這些問題？解：1.在WDM（統(tǒng)中采用EDFA以后，光功率增大，使得光纖呈現(xiàn)非線性特性。解決方法見9.2.2 節(jié)。2. EDFA曾益不平坦，引起增益偏差累積，低電平信道的SNR化等等。ITU-T的建議，這些參數(shù)的取值及5 .波分復用器/解復用器的主要性能參數(shù)有哪些？根據(jù)范圍是什么？解：見書5.7.1節(jié).6 .設(shè)EDFA飽和功率是20mVy每毫瓦泵浦功率產(chǎn)生5dB的增益，泵浦功率是 5mW試問沒有飽和的最大輸入功率是多少？解: 20mW7.光波分復用系統(tǒng)的工作波長范圍多少？為什么這樣取？根據(jù)通路間隔的大小，光波分復用技術(shù)可以分為幾種？通路間隔的選擇原則是什么？解：目前DWDMB是應(yīng)用在1550nm波長區(qū)段內(nèi)?？煞譃椋合∈璧?WDM密集的 WDMf口致密的WDM通路間隔的選擇原則見書9.3.2.8 . 為什么要引入非零色散位移光纖（NZDSF）？解：克服FW瞰應(yīng)引起的信道串擾.9 .為什么在WDM（統(tǒng)中光源要采用