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20000 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 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含多条光纤的光缆，在光缆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5 GHz 的微波载波和1.55μm 的光载波上能传输多少64 kb/s 的话路?解 在5GHz 微波载波上能传输的64 kb/s 的话路数935101%781()6410k ⨯⨯=≈⨯路 在m μ的光载波上能传输的64kb/s 的话路数8678310()1%1.5510 3.024210()6410k -⨯⨯⨯==⨯⨯路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n 1=，0 1.30m λμ=，试计算：(1) 若∆=，为了保证单模传输，其芯半径应取多大？ (2) 若取5a m μ=，为保证单模传输，∆应取多大？ 解 (1) 由单模传输条件2.405V =≤推导出a ≤其中， 1.3m λμ=，211 1.125n n n =-∆•=，则60.501a m μ-≤=(2) 当5a m μ=时，2.4052aλπ⨯≤解得1210.0016n n n -∆≤=。

2-4 目前光纤通信为什么采用以下三个工作波长：10.85m λμ=，2 1.31m λμ=，3 1.55m λμ=？答 10.85m λμ=，2 1.31m λμ=，3 1.55m λμ=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n 1=,n 2=。

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

解 （1）如图所示，由12sin sin 90c n n οψ=得21 1.49sin 0.981.52c n n ψ=== 由 22cos sin 1c c ψψ+= 得cos 0.198c ψ≈由01sin cos c c n n θψ=得10cos 1.520.198sin 0.2261.33c c n n ψθ⨯===13c οθ=（2）0.3NA ==≈2-9 一阶跃折射率光纤，折射率n 1=，相对折射率差∆=1%，长度L=1km 。

求：（1） 光纤的数值孔径； （2） 子午线的最大时延差； （3） 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）0.212NA n =≈≈（2）1max 81.510000.0150310n L ns c τ⨯∆≈∆=•=⨯ （3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，则此时n 1=，n 2=，所以1.118NA ===112max 22.5n L n n s c n τμ-∆≈•= 2-10 一阶跃折射率光纤的相对折射率差∆=，n 1=，当波长分别为m μ、m μ、m μ时，要实现单模传输，纤芯半径a 应小于多少？解 由单模传输的条件2.405V =≤推导出a ≤0.15n ≈=当0.85m λμ=时，62.4050.85102.16420.15a m μπ-⨯⨯≤≈=⨯同理，当 1.31m λμ=时， 3.343a m μ≤；当 1.55m λμ=时， 3.955a m μ≤。

2-12 一个阶跃折射率光纤，纤芯折射率n 1=，包层折射率n 2=.该光纤工作在m μ和m μ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c λ=得c λλ≥时单模传输，由已知条件得 1.30c m λμ≤，则2 1.39.53a m μ≤==即该光纤为单模光纤时，最大纤芯直径为9.53m μ。

2-18 已知阶跃光纤纤芯的折射率1n =，相对折射率差∆=，纤芯半径25a m μ=。

若01m λμ=，计算光纤的归一化频率V 及其中传播的模数量M 。

解 由121n n n -∆=得光纤包层折射率 21(1)n (10.01) 1.5 1.485n =-∆=-⨯=则光纤归一化频率6622251033.210V ππλ--==⨯⨯≈ 对于阶跃光纤，传播的模数量2233.2551.1222V M ≈==2-21 有阶跃型光纤，若1n =，0 1.31m λμ=，那么（1） 若∆=，为保证单模传输，光纤纤芯半径a 应取多大?（2） 若取纤芯半径a =5m μ，保证单模传输时，∆应怎么样选择? 解 （1）由单模传输条件2.405V =≤得a ≤而 1.31m λμ=，211 1.125n n n =-∆•=，则60.5015a m μ-≤=（2）当a =5m μ时，2.405 2.405 1.310.0995225a λππ⨯⨯≤==⨯则22222210.0995 1.50.0995 2.2400n n ≥-=-=即2n 所以121 1.50.00161.5n n n -∆=≤=3-1 设激光器激活物质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 。

试计算：（1） 当f =3000 MHz ，T =300 K 时，21N N =？ （2） 当1m λμ=，T =300 K 时，21N N =？（3） 当1m λμ=，若21N N =，环境温度T =？（按波尔兹曼分布规律计算）解 由波尔兹曼条件得21E E hf -=，其中346.62810h J s -=⨯•。

（1）f =3000 MHz ，T =300 K 时，3492421 6.62810310 2.010E E hf ---==⨯⨯⨯≈⨯所以24221231210exp()exp()0.99951.38110300N E E N kT ---⨯=-=-=⨯⨯ （2）当1m λμ=，T =300 K 时，348192166.62810310 1.9881010hcE E λ---⨯⨯⨯-===⨯ 所以212211exp() 1.4510N E E N kT--=-=⨯ （3）当1m λμ=， 21N N =时，求得1914213421 1.98810 6.2510(K)ln() 1.38110ln(0.1)E E T k N N ---⨯=-=-=⨯⨯⨯⨯ 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g E = eV ，由g hf E =（h 为普朗克常数，h =×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198341.424 1.610 3.44106.62810gE f MHz h --⨯⨯===⨯⨯1.24 1.240.871.424g g c hc m f E E λμ===== 3-3 半导体激光器（LD ）有哪些特性?答 LD 的主要特性有：（1） 发射波长和光谱特性：发射波长 1.24g E λ=；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。