《光纤通信系统及其应用》课后习题 (1)

《光纤通信系统及其应用》课后习题
第一章
1.1实现光纤通信的关键器件与技术是什么？
答：（1）低损耗、宽带宽的光纤。

（2）高可靠性、长寿命的光源及高响应的光检测器件。

（3）光测量及光纤连接技术。

1.2光纤通信使用光源的波长范围是什么？
答：在近红外区内，即0.8~1.8um。

长波： 1.31 1.55 短波：0.85um
1.4数字光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分的作用。

用光纤传输信息的过程大致是这样的，在发送端，把用户要传送的信号（如
声音）变为电信号，然后使光源发出的光强随电信号变化，这个过程称为调制，
它把电信号变为光信号，最后用光纤把该光信号传送到远方；
在接收端，用光电探测器接收光信号，并把光信号还原为携带用户信息（如声音）
的电信号，这个过程称为解调，最后再变成用户能理解的信息（如声音）。

1.5模拟光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分的作用。

第二章
n=1.50，2n=1.45，试计算：
2.1均匀光纤芯与包层的折射率分别为1
（1）光纤芯与包层的相对折射率差 ；
（2）光纤的数值孔径NA。

n=1.52，2n=1.49。

2.2在阶跃折射率光纤中，1
n=1.33），求光从水中入射到光纤输入端面的最大（1）光纤浸在水中（0
接收角；
（2）光纤放置在空气中，求数值孔径。

2.4 光纤通信为什么用0.85m μ，0.85m μ，0.85m μ三个工作波长？
答 λ1=0.85μm ，λ2=1.31μm ，λ3=1.55μm 附近是光纤传输损耗较少或最小的波长“窗口”，相应的损耗分别为2~3dB/km 、0.5 dB/km 、0.2 dB/km ，而在这些波段目前有成熟的光器件（光源、光检测器等）。

2.5 光纤的损耗机理及危害是什么？
答：损耗机理：主要有吸收损耗、散射损耗及辐射损耗。

辐射损耗：光线弯曲到一定曲率半径时就会产生辐射损耗
吸收损耗:光波通过光纤材料时，有一部分的光被光纤中的杂质或是OH 离子吸收转化为热能
散射损耗：光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善导致散射损耗 危害：由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号幅度减小。

光纤损耗是光纤传输系统中中继距离的主要限制因素之一。

2.6 光纤的色散机理及危害是什么？
答：色散机理：由于光纤中所传信号的不同频率成分或不同模式成分，在传播的过程中因群速度不同互相散开，并且造成它们到达光纤终端的时间各不相同，从而引起传输信号波形失真、脉冲展宽。

光线的色散，主要有材料色散、波导色散和模式色散。

危害：由于信号的各频率成分和各模式成分的传输速度不同，当它在光纤中传输一定的距离后，将互相散开，致使光脉冲展宽。

若脉冲展宽过大将会造成码间干扰，从而使误码率增加，通信质量下降。

由于脉冲宽度与频带宽度成反比，脉冲展宽越大，表示带宽能力越小。

2.7 光缆的主要结构是什么？
答：光纤芯线、护套和加强部件。

第三章
3.1 设激光器的高能级和低能级的能量各为2E 和1E ，频率为f ，相应能级上的粒子密度各为2N 和1N 。

（1）当f =3000MHz ，T =300K 时，计算2N /1N ；
（2）当λ=1m μ，T =300K 时，计算2N /1N ；
（3）当λ=1m μ时，若2N /1N =0.1，计算环境温度T 。

3.2 一半导体激光器，谐振腔长l =300m μ，工作物质的损耗系数α=11-mm ，谐振腔两镜面的反射率1R =0.33，2R =1，求：
（1）阈值时的增益系数th g ；
（2）当2R 由0.33增加到1时，激光器的阈值电流如何变化？
例题：
3.3半导体激光器发光的基本条件是什么？
答：向半导体P-N结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡输出激光。

3.4 能级跃迁有哪几种形式？
答：热跃迁、光跃迁（自发发射、受激辐射、受激吸收）。

3.6半导体激光器有哪些特征？
3.7半导体激光器有哪些基本结构？
3.9光电探测器的基本原理是什么？
3.11光电探测器的主要特性是什么？
答：（1）要有高的光电转化效率，或者具有高的增益因子。

（2）对应于使用波长的光波，要有高的灵敏度，即响应度要高。

（3）要有足够宽的带宽，即检测器输出的电信号能不失真地反映出接受的光信号。

（4）要求稳定、可靠、便宜。

3.17无源光器件的种类有哪些？
答：无源光器件大致可分为连接用的部件和功能性部件两大类。

连接用的部件有各种光连接器，它们不仅可用做光纤和光纤的连接，而且还可以组成功能部件及设备的一部分，用于部件（设备）和光纤、或部件（设备）和部件（设备）的连接。

功能性部件有分路器、耦合器、光分波合波器、光衰减器、光开关和光隔离器等，它们主要用于光的分路、耦合、复用、衰减、开关、防反射等方面。

第四章
4.1数字信号调制半导体激光器时，直流偏置应如何设置？
正向偏压
4.2数字信号调制发光二极管时，直流偏置应如何设置？
正向偏压
4.3 什么是半导体激光器的瞬态特性？
4.6现有码流信号为1101 1001 0001 0010 1111 0110，采用8B1P编码方式，请分别给出P为奇校验码和偶校验码时的码流信号。

答：（1）P为奇校验码：
8B码11011001 00010010 11110110
8B1P码110110010 000100101 111101101
（2）P为偶校验码：
8B1P码110110011 000100100 111101100
4.7现有码流信号为1101 1001 0001 0010 1111 0110，采用4B1C编码方式，请给出编码后的码流信号。

答：4B码1101 1001 0001 0010 1111 0110
4B1码 11010 10010 00010 00101 11110 01101
4.8有一数字光纤通信系统，传输速率为34.368Mbit/s，采用4B1H编码方式，其帧长为160bit。

（1）线路编码后的码速为多少？
（2）帧频为多少？
（3）最大连“0”数为多少？
答：(1)34.368Mbit/s ×（5/4）=42.960Mbit/s
（2）42.960Mbit/s÷160bit=268.5KHz
（3）10
4.10 SDH帧结构可分为哪几个部分？
4.11SDH的特点有哪答：（1）段开销。

（2）信息载荷。

（3）管理单元指针。

些？P89 SDH帧中AU PTR表示什么？它有何作用？
4.14 已测得某数字光接收机的灵敏度min P =10W μ，求它的dBm 值。

4.15 某光通信工程中继段长度最大为35km ，光纤损耗0α为0.4dB/km ；接头数目为20个，接头损耗j α为0.1dB/个;光纤活动接连器数目为3个，光纤活动连接器损耗c α为1dB/个；设备余度e M 为3dB ；光纤维修余度c M 为3dB 。

计算中继段允许的最大损耗S 。

4.16 在34.368Mbit/s 光纤传输系统中，光发射机出光功率为-3dBm ，关接收机灵敏度为-34dBm ，动态范围为全动态范围。

采用5B6B 方式进行线路编码，光缆损耗为0.4dB/km ，忽略其他损耗。

问：
（1）全动态范围是多少？
（2）该系统最大传输距离是多少？
（3）光信号中的传输速率是多少？
4.17 数字光接收机的主要性能指标是什么？
答：（1）光接收机的灵敏度。

（2）光接收机的噪声。

（3）数字光接收机
的误码率。

（4）模拟光接收机的信噪比。

（5）动态范围。

（6）抖动。

4.18 设计数字光纤通信系统的中继距离时，应该考虑哪些因素？
答：（1）发射光功率。

（2）光接收机灵敏度。

（3）光纤的每公里损耗。

（4）光纤的色散。

第六章
6.1 EDFA的工作原理是什么？有哪些应用方式？
答：工作原理：在掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有三个能级：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(Pump, 抽运)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(1→3)。

但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。

如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态(2→1)，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。

应用方式：线路放大、接收端前路放大、发射端放大。

6.2 对于980nm泵浦和1480nm泵浦的EDFA，哪种泵浦方式的功率转换效率高？哪种泵浦方式的噪声系数小？为什么？
6.3 EDFA的基本种类有哪些？
答：线路放大器、前置放大器、功率放大器。

6.4半导体激光放大器的种类有几种？主要原理分别是什么？
答：FP型（FPA）和行波型（TWA）
FPA：两端的发射系数较高，在两端面间产生正反馈谐振放大，因此要求输入信号与FP腔间有严格的频率匹配。

在略低于阈值电流偏置时，设单次通过的增益为Gs，放大器的内增益可达20~30dB。

只有靠近阈值时才能获得高增益。

由于FPA的高度谐振性，它必然是一个窄带放大器。

TWA：虽然也是与FPA一样的LD芯片构成，但其端面反射系数要低得多。

只有当端面的反射系数为零时才能被称作行波放大器。

而实际情况下，只能说只能说工作在接近行波状态。

6.5半导体激光放大器有哪些应用方式？
P141
第七章
7.1什么是波分复用系统？
答：为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率不同，可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器），将不同规定波长的信号光载波合并起来，送入一根光纤进行传输，在接收端再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开。

由于不同波长的光载波信号可以看做互相独立，从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。

7.2 WDM技术的主要特点？
答：（1）可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍。

（2）使N个波长复用起来在单模光纤中传输，在大容量长途传输时可以大量节约光纤。

另外，对于早期安装的芯数不多的电缆，芯数较少，利用波分复用不必对原有系统作较大的改动即可比较方便的进行扩容。

（3）由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合和分离，以及PDH信号和SDH信号的综合与分离。

（4）波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关。

一个WDM系统可以承载多种格式的“业务”信号，ATM、IP或者将来有可能出现的信号。

WDM系统完成的是透明传输，对于“业务”层信号来说，WDM的每个波长就像“虚拟”的光纤一样。

（5）在网络扩充和发展中，是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务的方便手段，增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量。

（6）利用WDM技术选路来实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的光网络。

（7）在国家骨干网的传输中，EDFA的应用可以大大减少长途干线系统SDH 中继器的数目，从而减少成本。

距离越长，节省成本就越多。

7.3 开放式WDM系统和集成式WDM系统的区别是什么？
7.4 WDM系统的保护方式有几种？
答：两种。

一种是基于单个波长、在SDH层实施的1+1或1：n的保护；另一种是基于光复用段上保护OMSP,在光路上同时对合路信号进行保护。

7.5 光频分复用系统和光波分复用系统的区别是什么？
答：在波分复用系统中，合波器与分波器实质上是一个光波的滤波器，它们是在光波波段上将各信道的光波分隔出来。

但是，这种光波的滤波器实际上做出来的通带较宽，因而两个光源间的波长间隔不能靠的太近，所以光波的频带利用率较差。

光频分复用系统在方案上恰恰避开了上述弱点，不在光波波段上将各信道分开，而在较低的波段上用电的滤波器将各信道分开。

显然，这个频段上电的滤波器的选择性能要较光波器件好得多。

因而，在这种复用系统中相邻信道的间隔就可取得小。

所以，同样带宽的光纤就可容纳更多的信道。