光纤通信第二版刘增基参考答案

ThedocumentwaspreparedonJanuary2,2021光纤通信第二版刘增基参考答案1-1光纤通信的优缺点各是什么答与传统的金属电缆通信、磁波无线电通信相比，光纤通信具有如下有点：（1）通信容量大。首先，光载波的中心频率很高，约为2×1014Hz，最大可用带宽一般取载波频率的10%，则容许的最大信号带宽为20000GHz（20THz）；如果微波的载波频率选择为20GHz，相应的最大可用带宽为2GHz。两者相差10000倍。其次，单模光纤的色散几乎为零，其带宽距离（乘）积可达几十GHz*km；采用波分复用（多载波传输）技术还可使传输容量增加几十倍至上百倍。目前，单波长的典型传输速率是10Gb／s，一个采用128个波长的波分复用系统的传输速率就是Tb／s。（2）中继距离长。中继距离受光纤损耗限制和色散限制，单模光纤的传输损耗可小于dB／km，色散接近于零。（3）抗电磁干扰。光纤由电绝缘的石英材料制成，因而光纤通信线路不受普通电磁场的干扰，包括闪电、火花、电力线、无线电波的干扰。同时光纤也不会对工作于无线电波波段的通信、雷达等设备产生干扰。这使光纤通信系统具有良好的电磁兼容性。（4）传输误码率极低。光信号在光纤中传输的损耗和波形的畸变均很小，而且稳定，噪声主要来源于量子噪声及光器后面的电阻热噪声和前置放大器的噪声。只要设计适当，在中继距离内传输的误码率可达10-9甚至更低。此外，光纤通信系统还具有适应能力强、保密性好以及使用寿命长等特点。当然光纤通信系统也存在一些不足：有些光器件(如激光器、光纤放大器)比较昂贵。光纤的机械强度差。为了提高强度，实际使用时要构成包含多条光纤的光缆，在光缆中要有加强件和保护套。不能传送电力。有时需要为远处的接口或再生的设备提供电能，光纤显然不能胜任。为了传送电能，在光缆系统中还必须额外使用金属导线。光纤断裂后的维修比较困难，需要专用工具。1-2光纤通信系统由哪几部分组成简述各部分作用。答光纤通信系统由发射机、接收机和光纤线路三个部分组成(参看图1．4)。发射机又分为电发射机和光发射机。相应地，接收机也分为光接收机和电接收机。电发射机的作用是将信(息)源输出的基带电信号变换为适合于信道传输的电信号，包括多路复接、码型变换等：光发射机的作用是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光发射机由光源、驱动器、调制器组成，光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本取决于光源的特性；光源的输出是光的载波信号，调制器让携带信息的电信号去改变光载波的某一参数(如光的强度)。光纤线路把来自于光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。光接收机把从光纤线路输出的产生畸变和衰减的微弱光信号还原为电信号。光接收机的功能主要由光检测器完成，光检测器是光接收机的核心。电接收机的作用一是放大，二是完成与电发射机相反的变换，包括码型反变换和多路分接等。1-3假设数字通信系统能够在高达1%的载波频率的比特率下工作，试问在5GHz的微波载波和1.55m的光载波上能传输多少64kb/s的话路解在5GHz微波载波上能传输的64kb/s的话路数在的光载波上能传输的64kb/s的话路数1-4简述未来光网络的发展趋势及关键技术。答未来光网络发展趋于智能化、全光化。其关键技术包括：长波长激光器、低损耗单模光纤、高效光放大器、WDM复用技术和全光网络技术。1-5光网络的优点是什么答光网络具有如下的主要优点：(1)可以极大地提高光纤的传输容量和结点的吞吐量，以适应未来宽带(高速)通信网的要求。(2)光交叉连接器(oXC)和光分插复用器(OADM)对信号的速率和格式透明，可以建立一个支持多种业务和多种通信模式的、透明的光传送平台。(3)以波分复用和波长选路为基础，可以实现网络的动态重构和故障的自动恢复，构成具有高度灵活性和生存性的光传送网。光网状网具有可重构性、可扩展性、透明性、兼容性、完整性和生存性等优点，是目前光纤通信领域的研究热点和前沿。2-3均匀光纤，若n1=，，试计算：若=，为了保证单模传输，其芯半径应取多大若取，为保证单模传输，应取多大解(1)由单模传输条件推导出其中，，，则(2)当时，解得。2-4目前光纤通信为什么采用以下三个工作波长：，，答，，附近是光纤传输损耗较小或最小的波长“窗口”，相应的损耗分别为2~3dB/km、km、km，而且在这些波段目前有成熟的光器件（光源、光检测器等）。2-8阶跃折射率光纤中n1=,n2=。光纤浸在水中（n0=），求光从水中入射到光纤输入端面的最大接收角；光纤放置在空气中，求数值孔径。解（1）如图所示，由得由得由得（2）2-9一阶跃折射率光纤，折射率n1=，相对折射率差=1%，长度L=1km。求：光纤的数值孔径；子午线的最大时延差；若将光纤的包层和涂敷层去掉，求裸光纤的NA和最大时延差。解（1）（2）（3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，则此时n1=，n2=，所以2-10一阶跃折射率光纤的相对折射率差=，n1=，当波长分别为、、时，要实现单模传输，纤芯半径应小于多少解由单模传输的条件推导出当时，同理，当时，；当时，。2-12一个阶跃折射率光纤，纤芯折射率n1=，包层折射率n2=.该光纤工作在和两个波段上。求该光纤为单模光纤时的最大纤芯直径。解由截止波长得时单模传输，由已知条件得，则即该光纤为单模光纤时，最大纤芯直径为。2-18已知阶跃光纤纤芯的折射率=，相对折射率差=，纤芯半径。若，计算光纤的归一化频率及其中传播的模数量。解由得光纤包层折射率则光纤归一化频率对于阶跃光纤，传播的模数量2-21有阶跃型光纤，若=，，那么若=，为保证单模传输，光纤纤芯半径应取多大若取纤芯半径=5，保证单模传输时，应怎么样选择解（1）由单模传输条件得而，，则（2）当=5时，则即所以3-1设激光器激活物质的高能级和低能级的能量各为和，频率为，相应能级上的粒子密度各为和。试计算：当=3000MHz，=300K时，=当，=300K时，=当，若=，环境温度=（按波尔兹曼分布规律计算）解由波尔兹曼条件得，其中。（1）=3000MHz，=300K时，所以（2）当，=300K时，所以（3）当，=时，求得3-2某激光器采用GaAs为激活媒质，问其辐射的光波频率和波长各为多少解GaAs禁带宽度为=eV，由（为普朗克常数，=×10-34J·s），可得以GaAs为激活媒质的激光器的辐射光波频率和波长分别为3-3半导体激光器（LD）有哪些特性答LD的主要特性有：发射波长和光谱特性：发射波长；激光振荡可能存在多种模式(多纵模)，即在多个波长上满足激光振荡的相位条件，表现为光谱包含多条谱线。而且随着调制电流的增大，光谱变宽，谱特性变坏。激光束空间分布特性：远场光束横截面成椭圆彤。转换效率和输出功率特性：（4）频率特性：在接近驰张频率处，数字调制要产生驰张振荡，模拟调制要产生非线性失真。（5）温度特性：3-4比较半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）的异同。答LD和LED的不同之处：工作原理不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。LED不需要光学谐振腔，而LD需要。和LD相比，LED输出光功率较小，，光谱较宽，调制频率较低。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。所以，LED的主要应用场合是小容量（窄带）短距离通信系统；而LD主要应用于长距离大容量（宽带）通信系统。LD和LED的相同之处：使用的半导体材料相同、结构相似，LED和LD大多采用双异质结（DH）结构，把有源层夹在P型和N型限制层之间。3-5计算一个波长的光子的能量等于多少同时计算频率=1MHz和=1000MHz无线电波的能量。解光子的能量为对于1MHz无线电波对于1000MHz无线电波3-6太阳向地球辐射光波，设其平均波长，射到地球外面大气层的光强大约为=W/cm2。若大气层外放一个太阳能电池，计算每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数是多少。解波长的光子能量为每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的能量为则每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数为(个)3-7试说明APD和PIN在性能上的主要区别.答APD和PIN在性能上的主要区别有：(1)API)具有雪崩增益，灵敏度高，有利于延长系统传输距离。(2)APD的响应时间短。(3)APD的雪崩效应会产生过剩噪声，因此要适当控制雪崩增益。(4)APD要求较高的工作电压和复杂的温度补偿电路，成本较高。3-9半导体激光器的发射光子的能量近似等于材料的禁带宽度，已知GaAs材料的Eg=，某一InGaAsP材料的Eg=，求它们的发射波长。解对于GaAs材料的LD对于InGaAsP材料的LD3-11短波长LED由材料Ga1-xA1xAs制成，其中x表示成分数。这样的材料的带隙能量Eg(eV)=++已知z必须满足0≤x≤，求这样的LED能覆盖的波长范围。解由Eg(eV)=++，得≤Eg≤由λ=Eg，得μm≤λ≤μm3-15一个GaAsPIN光电二极管，平均每三个入射光子产生一个电子一空穴对，假设所有的电子都被收集。(1)计算该器件的量子效率；(2)设在μm波段接收功率是10-7W，计算平均输出光电流；(3)计算这个光电二极管的长波长截止点λc。(超过此波长光电二极管将不工作)。解(1)由量子效率的定义得(2)由公式，得(3)根据光电效应的产生条件hf>Eg可得λc=Eg，因GaAs的禁带宽度为eV，所以λc=μm。3-17一光电二极管，当λ=μm时，响应度为0.6A/w，计算它的量子效率。解由于响应度为ρ=Ip/P0，则量子效率为3-18如果激光器在λ=μm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。解波长λ=μm的光子能量为则每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数为3-19光与物质间的互作用过程有哪些答光与物质之间的三种相互作用包括受激吸收、自发辐射和受激辐射。(1)受激吸收。在正常状态下，电子处于低能级E。，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。(2)自发辐射。在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。(3)受激辐射。在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E2上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。3-20什么是粒子数反转什么情况下能实现光放大答假设能级E1和E2上的粒子数分别为N1和N2，在正常的热平衡状态下，低能级E1上的粒子数N1是大于高能级E2上的粒子数N2的，入射的光信号总是被吸收。为了获得光信号的放大，必须将热平衡下的能级E。和E：上的粒子数N1和N：的分布关系倒过来，即高能级上的粒子数反而多于低能级上的粒子数，这就是粒子数反转分布。当光通过粒子数反转分布激活物质时，将产生光放大。3-21什么是激光器的阈值条件答对于给定的器件，产生激光输出的条件就是阈值条件。在阈值以上，器件已经不是放大器，而是一个振荡器或激光器。3-24什么是雪崩倍增效应答雪崩光电二极管工作时外加高反向偏压(约100~150V)，在PN结内部形成一高电场区，入射光功率产生的电子空穴对经过高场区时不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子或空穴在运动过程中与价带中的束缚电子碰撞，使晶格中的原子电离，产生新的电子空穴对。新的电子空穴对受到同样加速运动，又与原子碰撞电离，产生电子空穴对，称为二次电子空穴对。如此重复，使载流子和反向光生电流迅速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。3-26光检测过程中都有哪些噪声答光检测器的噪声主要包括由光生信号电流和暗电流产生的散粒噪声以及负载电阻产生的热噪声。热噪声来源于电阻内部载流子的不运动。散粒噪声源于光子的吸收或者光生载流子的产生，具有随机起伏的特性。光生信号电流产生的散粒噪声，称为量子噪声，这种噪声的功率与信号电流成正比，因此不可能通过增加信号光功率提高信噪比。在没有外界入射光的作用下，光检测器中仍然存在少量载流子的随机运动，从而形成很弱的散粒噪声，称为暗电流噪声。所以在有信号光作用的时间内，主要考虑量子噪声和热噪声；而在没有信号光的期间，主要考虑暗电流噪声和热噪声。4-1激光器(LD)产生弛张振荡和自脉动现象的机理是什么它的危害是什么应如何消除这两种现象的产生答当电流脉冲注人激光器后，输出光脉冲出现幅度逐渐衰减的振荡，称为弛张振荡。弛张振荡的后果是限制调制速率。当最高调制频率接近弛张振荡频率时，波形失真严重，会使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际中最高调制频率应低于驰张振荡频率。某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象。自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的高速调制特性。4-3在LD的驱动电路里，为什么要设置功率自动控制电路APC功率自动控制实际是控制LD的哪几个参数答在LD的驱动电路里，设置功率自动控制电路(APC)是为了调节LD的偏流，使输出光功率稳定。功率自动控制实际是控制LD的偏置电流、输出光功率、激光器背向光平均功率。4-6为什么光接收机的前置放大器多采用跨组型答在光接收机的前置放大器采用跨组型，是因为跨组型前置放大器改善了带宽特性及动态范围，并具有良好的噪声特性。4-8在数字光接收机中，为什么要设置AGC电路答自动增益控制(AGC)使光接收机具有较宽的动态范围，以保证在入射光强度变化时输出电流基本恒定。由于使用条件不同，输入光接收机的光信号大小会发生变化，为实现宽动态范围，采用AGC是十分有必要的。AGC一般采用接收信号强度检测（一般设在放大器输出端）及直流运算放大器构成的反馈控制电路来实现。对于APD光接收机，AGC控制光检测器的偏压和放大器的增益；对于PIN光接收机，AGC只控制放大器的增益。4-10已测得某数字光接收机的灵敏度为10pw，求对应的dBm值。解Pw=10lg[

min(mW)]=-20dBm4-11在数字光纤通信系统中，选择码型时应考虑哪几个因素答数字光纤通信系统对线路码型的主要要求如下：(1)能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。(2)能给光接收机提供足够的定时信息。(3)能提供一定的冗余度，用于平衡码流、误码检测和公务通信。但对高速光纤通信系统，应适当减小冗余度，以免占用过大的带宽。4-12光接收机中有哪些噪声答光接收机中主要有两种噪声：第一种光检测器的噪声，包括量子噪声、暗电流噪声及由APD的雪崩效应产生的附加噪声。这是一种散弹（粒）噪声，由光子产生光生电流过程的随机性所引起，即使输入信号光功率恒定时也存在。第二种热噪声及前置放大器的噪声，热噪声是在特定温度下由电子的热运动产生，任何工作于绝对零度以上的器件都是存在的，在光接收机中主要包括光检测器负载电阻、前置放大器输入电阻的热噪声。前置放大器的噪声，严格说来，也是一种散粒噪声，但因这是由电域的载流子的随机运动引起的，可以通过噪声系数或噪声等效温度与热噪声一并进行计算，所以在本书中就将前置放大器的噪声和电阻热噪声合称为前置放大器的噪声。4-14光纤通信中常用的线路码型有哪些答光纤通信中常用的线路码型有扰码、mBnB码和插入码。5-4设140Mb／s数字光纤通信系统发射光功率为-3dBm，接收机灵敏度为-38dBm，系统余量为4dB，连接器损耗为dB对，平均接头损耗为dB／km，光纤衰减系数为dB/km，光纤损耗余量为dB/km，计算中继距离L。解由

可知Pt=-3dBm，Pr=-38dBm，Me=4dB，α=dB/对，α=dB/km，αf=0．4dB/km，αm=dB/km。故得所以受损耗限制的中继距离等于60km。5-5根据上式计算结果，设线路码传输速率Fb=168Mb/s，单模光纤色散系数=5ps/(nm·km)。问该系统应采用rms谱宽为多少的多纵模激光器作光源。解根据，代入由上题计算的L=60km及Fb=168Mb/s，=，=5ps/(nm·km)，可得多纵模激光器的rms谱宽=nm。5-6已知有一个565Mb／s的单模光纤传输系统，其系统总体要求如下：(1)光纤通信系统的光纤损耗为km，有5个接头，平均每个接头损耗为，光源的入纤功率为-3dBm，接收机灵敏度为-46dBm(BER=-1010)；(2)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nm。求最大中继距离为多少注：设计中选取色散代价为1dB，光连接器损耗为1dB(发送和接收端各一个)，光纤损耗余量为km，系统余量为dB。解(1)式中和分别是接头总损耗和色散代价，其余符号的定义与式相同。将已知数据代入上式得最大中继距离为212.5km。(2)因为所以最大中继距离应取上述计算结果212.5km与47.1km中的较小者，因此系统的中继距离最大为47.1km。5-8简述PDH和SDH的特点。答PDH的特点：我国和欧洲、北美、日本各自有不同的PDH数字速率等级体系，这些体系互不兼容，使得国际互通很困难；PDH的高次群是异步复接，每次复接要进行一次码速调整，使得复用结构相当复杂，缺乏灵活性；没有统一的光接口；PDH预留的插入比特较少，无法适应新一代网络的要求；PDH没有考虑组网要求，缺少保证可靠性和抗毁性的措施。SDH的特点：SDH有一套的世界统一的数字速率等级结构；SDH的帧结构是矩形块状结构，低速率支路的分布规律性极强，使得上下话路变得极为简单；SDH帧结构中拥有丰富的开销比特，用于不同层次的OAM，预留的备用字节可以进一步满足网络管理和智能化网络发展的需要；SDH具有统一的网络结点接El，可以实现光路上的互通；SDH采用同步和灵活的复用方式，便于网络调度；SDH可以承载现有的TDM业务，也可以支持ATM和IP等异步业务。6-2某模拟光信号接收机前置放大器的等效输入电阻，放大器的带宽B=10MHz，噪声系数为6dB，采用PIN。正弦信号直接光强调制的调制指数m=1，信号的工作波长。传输至接收机处的光信号功率。求接收机输出信噪比SNR，此时光接收机的极限灵敏度应为多少答从表中查参数，取PIN暗电流=；取响应度。取T为常温300K，则接收机输出信噪比光接收机所需的最小信号光功率为光接收机的极限灵敏度为6-5什么叫副载波复用(SCM)副载波复用光纤通信有哪些优点答副载波复用是在电域上实现的频分复用(FDM)。N路模拟基带信号分别对射频正弦载波进行调制，然后把这N个已调信号组合成一路信号，再用这个复合电信号对光载波(主载波)进行调制，然后将产生的已调光信号发送到光纤上。光信号经光纤传输后，由光接收机实现光／电转换，得到FDM电信号，再经分离(一般采用带通滤波器)和解调，最后输出N路模拟基带信号。副载波复用光纤通信的主要优点是：便于实现多路模拟电视信号的传输，副载波调制的方式比较灵活，可以是VSB—AM，也可以是FM。采用FM，每路电视信号尽管需要占用较大的带宽(27MHz)，但以带宽换来了输出信噪比的改善。换言之，在输出信噪比要求一定情况下，可降低对载噪比(CNR)的要求，即降低对发射功率的要求。7-1EDFA工作原理是什么有哪些应用方式答掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理：在掺铒光纤(EDF)中，铒离子有三个能级：其中能级1代表基态，能量最低；能级2是亚稳态，处于中间能级；能级3代表激发态，能量最高。当泵浦光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态。但是激发态是不稳定的，铒离子很快返回到能级2。如果输入的信号光的能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的铒离子将跃迁到基态，产生受激辐射光，因而信号光得到放大。由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光能量的结果。为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态铒离子尽可能跃迁到激发态。EDFA的应用，归纳起来可以分为三种形式：(1)中继放大器。在光纤线路上每隔一定距离设置一个光纤放大器，以延长传输距离。(2)前置放大器。此放大器置于光接收机前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。作为前置放大器，要求噪声系数尽量小。(3)后置放大器。此放大器置于光发射机后面，以提高发射光功率。对后置放大器的噪声要求不高，而饱和输出光功率是主要参数。7-2对于980nm泵浦和1480nm泵浦的EDFA，哪一种泵浦方式的功率转换效率高哪一种泵浦的噪声系数小为什么答980nm泵浦方式的功率转换效率高，980nm泵浦的噪声系数小，因为更容易达到激发态。7-4光交换有哪些方式答光交换主要有三种方式：空分光交换、时分光交换和波分光交换。空分光交换的功能是使光信号的传输通路在空间上发生改变。空分光交换的核心器件是光开关。光开关有电光型、声光型和磁光型等多种类型，其中电光型光开关具有开关速度快、串扰小和结构紧凑等优点，有很好的应用前景。时分光交换是以时分复用为基础，用时隙互换原理实现交换功能的。时分复用是把时间划分成帧，每帧划分成N个时隙，并分配给N路信号，再把N路信号复接到一条光纤上。为了实现时隙互换，首先使时分复用信号通过分接器分离出各路信号，然后使这些信号通过不同的光迟延元件，最后用复接器把这些信号重新组合起来。波分光交换(或交叉连接)是以波分复用原理为基础，采用波长选择或波长变换的实现交换功能的。为了实现波分交换，N条输入光纤承载的波分复用光信号首先分别通过解复用器(分波器)分为W个不同波长的光信号，然后所有N×W个波长用空分光交换器进行交叉连接，最后由复用器(合波器)复接到N条输出光纤上。在没有波长变换器的条件下，需对应每个波长配置一个空分交换器，所以共需W个。7-5光弧子通信的原理是什么答光弧子是经光纤长距离传输后，其宽度保持不变的超短(ps数量级)光脉冲。光弧子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光弧子作为载体的通信方式称为光弧子通信。光弧子通信的传输距离可达上万千米，甚至几万千米，目前还处于试验阶段。光弧子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲，即光弧子流，作为信息的载体进入光调制器，使信息对光弧子流进行调制。被调制的光弧子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后，进入光纤进行传输。为克服光纤损耗引起的光弧子减弱，在光纤线路上周期地插入EDFA，向光弧子注入能量，以补偿因光纤传输而引起的能量消耗，确保光弧子稳定传输。在接收端，通过光检测器和解调装置，恢复光弧子所承载的信息。