光纤通信课后复习题答案

， = Po Pi10−α = L/10 100 ×10−0.24 µW 100 ×10−0.6 µW
10．一段 12km 长的光纤线路，其损耗为1.5dB / km 。试回答：
（1）如果在接收端保持 0.3µW 的接收光功率，则发送端的功率至少
为多少？
（2）如果光纤的损耗变为 2.5dB / km ，则所需的输入光功率为多少？
n= (r )
n
(
0
)
1
−
2∆
r a
a
1/
2
求光纤的本地数值孔径。
解：渐变光纤纤芯中某一点的数值孔径为
NA
(
r
)
= n2 (r
)
−
n2
(
a
)
= 2∆n2
(
0)
1
−
r a
a
9．某光纤在 1300nm 处的损耗为 0.6dB / km ，在 1550nm 波长处的损耗为 0.3dB / km 。
解：（1）由 V1=
2π a
λ1
n12 − n22 =
2π a ⋅ NA ，得到纤芯直径为
λ1
a = λ1 ⋅ V1 = λ1 ⋅ 2M1 = 0.85 2000 ≈ 30.27 2π NA 2π NA 2π 0.20
（2）当 λ2 = 1.31mm ，有
λ1 ⋅ 2M1 =λ2 ⋅ 2M 2 2π NA 2π NA
2π λ0
a
⋅
n1
2=∆
33.3
光纤中传播的模数量
V2 M ≈ = 554
2
5．一根数值孔径为 0.20 的阶跃折射率多模光纤在 850nm 波长上可以支持 1000 个左右的传播模式。试问：
（1）其纤芯直径为多少？
（2）在 1310nm 波长上可以支持多少个模？
（3）在 1550nm 波长上可以支持多少个模?
（4）由于 SDH 有多种网络拓扑结构，它所组成的网络非常灵活，它 能增强网监，运行管理和自动配置功能，优化了网络性能，同时也使网络 运行灵活、安全、可靠，使网络的功能非常齐全和多样化；
（5）SDH 有传输和交换的性能，它的系列设备的构成能通过功能块 的自由组合，实现了不同层次和各种拓扑结构的网络，十分灵活；
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 1.55μm 的光载波上能传输多少路 64kb/s 的音频信道？
解：根据题意，求得在 5GHz 的微波载波下，数字通信系统的比特率 为 50Mb/s，则能传输 781 路 64kb/s 的音频信道。
根据题意，求得在 1.55μm 的光载波下，数字通信系统的比特率为 1.935Gb/s，则能传输 30241935 路 64kb/s 的音频信道。 4．SDH 体制有什么优点？
（6）SDH 并不专属于某种传输介质，它可用于双绞线、同轴电缆， 但 SDH 用于传输高数据率则需用光纤。这一特点表明，SDH 既适合用作 干线通道，也可作支线通道。例如，我国的国家与省级有线电视干线网就 是采用 SDH，而且它也便于与光纤电缆混合网(HFC)相兼容；
（7）从 OSI 模型的观点来看，SDH 属于其最底层的物理层，并未对 其高层有严格的限制，便于在 SDH 上采用各种网络技术，支持 ATM 或 IP
θc
=
arcsin
1 ny
（自己用
matlab
算出来）
2．计算 n1 = 1.48 及 n2 = 1.46 的阶跃折射率光纤的数值孔径。如果光纤端面外介 质折射率 n = 1.00 ，则允许的最大入射角θmax 为多少？
解：阶跃光纤的数值孔径为
允许的最大入射角
NA = sinθmax = n12 − n22 ≈ 0.24
（1）若 ∆ =0.25 ，为保证单模传输，光纤纤芯半径 a 应取多大？
（2）若取芯径 a = 5mm ，保证单模传输时， ∆ 应怎么选择？
解：（1）由归一化频率V= 2π a
λ0 a = λ0 V
2π n1 2∆
n12 − n22 =
2π λ0
a
⋅
n1
2∆ 得到
为了保证光纤中只能存在一个模式，则要求V < 2.405 ，则要求光纤纤芯半径
5
第二章
1．光波从空气中以角度θ1 = 33°投射到平板玻璃表面上，这里的θ1 是入射光 与玻璃表面之间的夹角。根据投射到玻璃表面的角度，光束一部分被反射， 另一部分发生折射，如果折射光束和反射光束之间的夹角正好为 90°，请 问玻璃的折射率等于多少？这种玻璃的临界角又是多少？
解：入射光与玻璃表面之间的夹角θ1 = 33°，则入射角θi = 57 °，反射角
第一章
1．光纤通信的优缺点各是什么？
答：优点有：带宽资源丰富，通信容量大；损耗低，中继距离长；无 串音干扰，保密性好；适应能力强；体积小、重量轻、便于施工维护；原 材料来源丰富，潜在价格低廉等。
缺点有：接口昂贵，强度差，不能传送电力，需要专门的工具、设备 以及培训，未经受长时间的检验等。
2．光纤通信系统由哪几部分组成？各部分的功能是什么？
假 设下面 两种 光信 号同时 进入 光纤 ： 1300nm 波长的 150µW 的 光信 号和
1550nm 波长的100µW 的光信号。试问这两种光信号在 8km 和 20km 处的功率
各是多少？以 µW 为单位。
解：对于 1300nm 波长的光信号，在 8km 和 20km 处的功率各是
， = Po Pi10−α = L/10 150 ×10−0.48 µW 150 ×10−1.2 µW 对于 1550nm 波长的光信号，在 8km 和 20km 处的功率各是
全光网络的关键技术主要有光放大中继技术、光复用技术、光交换技 术、光分插复用技术等。
6．简述 WDM 的概念。
答：波分复用的基本思想是将工作波长略微不同、各自携带了不同信 息的多个光源发出的光信号，一起注入到同一根光纤中进行传输。
7．解释光纤通信为何越来越多地采用 WDM+EDFA 方式。
答：采用 WDM 技术的原因是和它的优点分不开的，它有如下优点： （1）充分利用了光纤的巨大带宽资源； （2）同时传输多种不同类型的信号； （3）实现单根光纤双向传输；
解：信号的周期为
T =1/ f0
信号在纤芯中传输的速度为
v = c / n1
由于信号延迟半个脉冲周期，则光纤的长度 L 为
T c 1 3×108 1
L =v × = × =
=12.5m
2 n1 2 f0 1.5 2 × 8 ×106
7．有阶跃型光纤，若 n1 = 1.5 ， λ0 = 1.31mm ，那么
4
（4）多种应用形式； （5）节约线路投资； （6）降低器件的超高速要求。 采用 EDFA 技术的原因是和它的优点分不开的，它有如下优点： （1）中继器的价格下降了； （2）对传送的数据速率和调制格式透明，这样系统只需改变链路的终 端设备就很容易升级到高的速率； （3）可以同时放大多个波长信号， 使波分复用（WDM）的实现成为 可能； （4）提供了系统扩容的新途径， 无需增加光纤和工作的速率， 只需 通过增加波长就可提高系统的容量； （5）最关键的是系统的成本下降了。 8．全光网络的优点是什么？ 答：能充分利用光纤的带宽资源，故容量大，传输质量好，开放性， 易于实现网络的动态结构，可扩展性，结构简单，透明性，可靠性高，可 维护性好。
θr = 57 °。由于折射光束和反射光束之间的夹角正好为 90°，所以折射角
θy = 33 °。
由折射定律 ni sinθi = ny sinθy ，得到
= ny s= inθi / sinθy sin 67 / sin 33 （自己用 matlab 算出来）
其中利用了空气折射率 ni =1。这种玻璃的临界角为
常有规律，而净负荷与网络是同步的，它利用软件能将高速信号一次直接 分插出低速支路信号，实现了一次复用的特性，克服了 PDH 准同步复用方 式对全部高速信号进行逐级分解然后再生复用的过程，由于大大简化了数 字交叉连接（DXC），减少了背靠背的接口复用设备，改善了网络的业务传 送透明性；
（3）由于采用了较先进的分插复用器（ADM）、数字交叉连接（DXC）、 网络的自愈功能和重组功能就显得非常强大，具有较强的生存率。因 SDH 帧结构中安排了信号的 5％开销比特，它的网管功能显得特别强大，并能 统一形成网络管理系统，为网络的自动化、智能化、信道的利用率以及降 低网络的维管费和生存能力起到了积极作用；
3
传输； （8）SDH 是严格同步的，从而保证了整个网络稳定可靠，误码少，
且便于复用和调整； （9）标准的开放型光接口可以在基本光缆段上实现横向兼容，降低了
联网成本。
5．简述未来光网络的发展趋势及关键技术。
答：全光网络将成为继纯电缆网络、光电耦合网络后的第三代网络。 全光网络是指信号只是在进出网络时才进行电/光和光/电的变换，而在网络 中传输和交换的过程中始终以光的形式存在，因此在整个传输过程中没有 电的处理。
答：（1）SDH 传输系统在国际上有统一的帧结构，数字传输标准速率 和标准的光路接口，使网管系统互通，因此有很好的横向兼容性，它能与 现有的准同步数字体制（PDH）完全兼容，并容纳各种新的业务信号，形
2
成了全球统一的数字传输体制标准，提高了网络的可靠性； （2）SDH 接入系统的不同等级的码流在帧结构净负荷区内的排列非
得到模的个数为
7
M2=
λ12 λ22
M1=
(0.85)2 (1.31)2 ×1000=
421
（3）当 λ2 = 1.55mm ，得到模的个数为
M3=
λ12 λ22
M1=
(0.85)2 (1.55)2 ×1000=
354
6．用纤芯折射率为 n1 =1.5，长度未知的弱导光纤传输脉冲重复频率 f0 = 8MHz 的 光脉冲，经过该光纤后，信号延迟半个脉冲周期，试估算光纤的长度 L 。
θmax = arcsin (0.24) 自己用 matlab 算出来
3．弱导阶跃光纤纤芯和包层折射率分别为 n1 = 1.5， n2 = 1.45 ，试计算
（1）纤芯和包层的相对折射率 ∆ ；
6
（2）光纤的数值孔径 NA 。
解：阶跃光纤纤芯和包层的相对折射率差为
=∆
n12 − n22 2n12
≈ 0.03
1
光检测器将光信号转化为电流信号。常用的器件有 PIN 和 APD。然后 再通过电流—电压转换器，变成电压信号输出。模拟或数字电接口对输出 电路其阻抗匹配和信号电平匹配作用。
光纤链路由光纤光缆、光纤连接器、光缆终端盒、光缆线路盒和中继 器等组成。
光纤光缆由石英或塑料光纤、金属包层和外套管组成。光缆线路盒： 光缆生产厂家生产的光缆一般为 2km 一盘，因而，如果光发送与光接收之 间的距离超多 2km 时，每隔 2km 将需要用光缆线路盒把光缆连接起来。光 缆终端盒：主要用于将光缆从户外（或户内）引入到户内（或户外），将光 缆中的光纤从光缆中分出来，一般放置在光设备机房内。光纤连接器：主 要用于将光发送机（或光接收机）与光缆终端盒分出来的光纤连接起来， 即连接光纤跳线与光缆中的光纤。
光纤的数值孔径为
NA = n12 − n22 ≈ 0.38
4．已知阶跃光纤纤芯的折射率为 n1 =1.5，相对折射（指数）差 ∆ =0.01 ，纤芯 半径 a = 25mm ，若 λ0 =1mm ，计算光纤的归一化频率V 及其中传播的模数量 M 。
解：光纤的归一化频率
=V
2π a
λ0
n12 −= n22
a < λ0 = 2.405 1.31 2.405 ≈ 0.47mm 2π n1 2∆ 2π 1.5 × 2 × 0.25
（2）若取芯径 a = 5mm ，保证单模传输时，则
8
=∆
1 2
λ0 2π
V 2
n1a
<
1 2
源自文库
λ0 2π
2.405 2
n1a
≈
0.002
8．渐变光纤的折射指数分布为
答：光纤通信系统由三部分组成：光发射机、光接收机和光纤链路。 光发射机由模拟或数字电接口、电压—电流驱动电路和光源组件组成。 光源组件包括光源、光源—光纤耦合器和一段光纤（尾纤或光纤跳线）组 成。 模拟或数字电接的作用是实现口阻抗匹配和信号电平匹配（限制输入 信号的振幅）作用。光源是 LED 或 LD，这两种二极管的光功率与驱动电 流成正比。电压—电流驱动电路是输入电路与光源间的电接口，用来将输 入信号的电压转换成电流以驱动光源。光源—光纤耦合器的作用是把光源 发出的光耦合到光纤或光缆中。 光接收机由光检测器组件、放大电路和模拟或数字电接口组成。光检 测器组件包括一段光纤（尾纤或光纤跳线）、光纤—光检波器耦合器、光检 测器和电流—电压转换器。