《光纤通信》第二版刘增基课后习题答案

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、微波无线电通信相比，光纤通信具有如下优点：(1) 通信容量大．首先，光载波的中心频率很高，约为2 X10^14Hz ，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20 000 GHz( 20 THz ) ；如果微波的载波频率选择为20 GHz ，相应的最大可用带宽为2 GHz。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10 Gb ／s。，一个采用128 个波长的波分复用系统的传输速率就是1 . 28 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千0 . 2 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、无线电波的千扰．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t 子噪声及光检测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：

( 1 ）有些光器件（如激光器、光纤放大器）比较昂贵。

( 2 ）光纤的机械强度差，为了提高强度，实际使用时要构成包声多条光纤的光缆，光统中要有加强件和保护套。

( 3 ）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．

（4）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。电发射机的作又分为电发射机和光发射机。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，并用藕合技术把光信号最大限度地注人光纤线路．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，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，接失和连接器是不可缺少的器件．光接收机把从光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1.55 um 的光载波上能传输多少路64 kb / s 的话路？

解在5GHz微波载波上能传输的64kb/s的话路数K=(5*10^9*1%)/(64*10^3)≈781(路)

在 1.55um的光载波上能传输的64kb/s的话路数K=（（3*10^8）/(1.55*10^-6)）/(64*10^-3)=3.0242*10^7（路）

1-4 简述未来光网络的发展趁势及关键技术。

答未来光网络发展趁于智能化、全光化。其关健技术包括：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。

2-1 均匀光纤芯与包层的折射率分别为n1=1.50, n2=1.45 ，试计算：( l ）光纤芯与包层的相对折射率差乙为多少？

( 2 ）光纤的数值孔径NA 为多少？

( 3 ）在1 米长的光纤上，由子午线的光程差所引起的最大时延差△为多少

解（1）又纤芯和包层的相对折射率差△=（n1-n2）/n1得到

△=（n1-n2）/n1=（1.50-1.45）/1.50=0.033

（2）NA=sqrt（n1^2-n2^2）=sqrt(1.5^2-1.45^2)≈0.384

（3）△τ max≈n1*L/c*△=1.5*1/(3*10^8)*0.384ns

2-3 均匀光纤，若n1=1. 50 ，λ=1.30µm，试计算

（1）若△=0．25 ，为了保证单模传输，其芯半径应取多大？

( 2 ）若取a = 5 µm ，为保证单模传输．，△应取多大？

解（1）又单模传输条件V=2πa/λ*sqrt（n1^2-n2^2）≤2.405

推导出a≤2.405λ/（2π*sqrt（n1^2-n2^2））其中，λ=1.3μm，n2=n1-△*n1=1.125,则a≤2.405*1.3*10^-6/(2π*sqrt(1.5^2-1.125^2))=0.501μm

（2）当a=5μm时，sqrt（n1^2-n2^2）≤2.405*λ/（2πa）

解得△≤（n1-n2）/n1=0.0016

2-4 目前光纤通信为什么采用以下三个工作波长：λ1=0 . 85µm ，λ2=1.31µm，λ3=55µm ?

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 光纤通信为什么向长波长、单模光纤方向发展?

答长波长、单模光纤比短波长、多模光纤具有更好的传输特性。（1）单模光纤没有模式色散，不同成分光经过单模光纤的传播时间不同的程度显著小于经过多模光纤时不同的程度．( 2 ）由光纤损耗和波长的关系曲线知，随着波长的增大，损耗呈下降趋势，且在1.31µm 和1 . 55µm 处的色散很小，故目前长距离光纤通信一般都工作在1 . 55µm.

2-6 光纤色散产生的原因及其危害是什么？

答光纤色散是由光纤中传输的光信号的不同成分光的传播时间不同而产生的。光纤色散对光纤传输系统的危害有：若信号是模拟调制的，色散将限制带；是数字脉冲，色散将使脉冲展宽，限制系统传输速率（容量）.

2-7 光纤损耗产生的原因及其危害是什么？

答光纤损耗包括吸收损耗和散射损耗。吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。散射损耗主要由材料微观密度密度不均匀引起的瑞利胜射和光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射产生的。光纤损耗使系统的传输距离受到限制．大损耗不利于长距离光纤通信。