第5章 光纤通信系统
光纤通信课后习题参考答案
光纤通信课后习题答案第一章习题参考答案1、第一根光纤是什么时候出现的？其损耗是多少？答：第一根光纤大约是1950年出现的。
传输损耗高达1000dB/km左右。
2、试述光纤通信系统的组成及各部分的关系。
答：光纤通信系统主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。
系统中光发送机将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤光缆，调制过的光信号经过光纤长途传输后送入光接收机，光接收机将光纤送来的光信号还原成原始的电信号，完成信号的传送。
中继器就是用于长途传输时延长光信号的传输距离。
第二章光纤和光缆1．光纤是由哪几部分组成的？各部分有何作用？答：光纤是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层组成的。
纤芯和包层是为满足导光的要求；涂覆层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。
2．光纤是如何分类的？阶跃型光纤和渐变型光纤的折射率分布是如何表示的？答：（1）按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤和渐变型光纤；按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤和单模光纤；按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤；按照ITU-T关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G.651光纤（渐变型多模光纤）、G.652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（截止波长光纤）和G.655（非零色散位移光纤）光纤；按套塑（二次涂覆层）可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。
（2）阶跃型光纤的折射率分布渐变型光纤的折射率分布7．均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为n1=1.50，n2=1.45，光纤的长度L=10Km。
试求：（1）光纤的相对折射率差Δ；（2）数值孔径NA；（3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求裸光纤的NA和相对折射率差Δ。
解：（1）＝n1-n2（2）（3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，则相当于包层的折射率n2=1，则＝n1-n25而最大为1，所以说只要光纤端面的入射角在90O以（2）若a=5μm，保证光纤单模传输时，＝n1-n2第三章光纤的传输特性2．当光在一段长为10km光纤中传输时，输出端的光功率减小至输入端光功率的一半。
光纤通信电子教案
光纤通信电子教案教师备课纸第 1 次课题1、光纤通信概述目的要求 1.了解光纤通信发展的历史2.了解光纤通信的优点及应用3.掌握光纤通信系统的基本组成4.了解光纤通信的发展现状及展望教学重点 1.光纤通信系统的一般组成2.光端机、光纤链路的基本功能教学难点光纤通信系统的组成与功能教学课时 2教学方法讲授法、演示法、讨论法教学内容和步骤《光纤通信》课程内容介绍、专业学习方法、参考资料介绍第1章概论第2章光纤和光缆第3章通信用光器件第4章光端机第5章数字光纤通信系统第6章模拟光纤通信系统第7章光纤通信新技术第8章光纤通信网络1.1 光纤通信的发展历史和现状教师备课纸1.1.1 探索时期的光通信中国古代用“烽火台”报警欧洲旗语望远镜，目视光通信1880年，美国人贝尔发明了用“光电话”1960年，美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器1.1.2 现代光纤通信1966年，英籍华裔学者高锟和霍克哈姆的论文指出利用光纤进行信息传输，奠定了现代光通信基础。
1970 年，美国康宁公司研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。
1976 年，世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验成功。
光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：第一阶段(1966~1976年)，是基础研究到商业应用的开发时期。
第二阶段(1976~1986年)，提高传输速率和增加传输距离的发展时期。
第三阶段(1986~1996年)，全面深入、开展新技术研究的时期1.1.3 国内外光纤通信发展的现状1.2 光纤通信的优点和应用1.2.1 光纤通信的优点1.容许频带很宽，传输容量很大；2.损耗很小，中继距离很长且误码率很小；3.重量轻、体积小； 教师备课纸4.抗电磁干扰性能好；5.泄漏小，保密性能好；6.节约金属材料，有利于资源合理使用。
1.2.2 光纤通信的应用光纤通信的各种应用可概括如下：①通信网 ②构成因特网的计算机局域网和广域网③有线电视网；工业电视系统；自动控制系统④综合业务光纤接入网1.3 光纤通信系统的基本组成1.光发射机：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 (常简称为电/光或E/O 转换)。
光纤通信(第二版)课件PPT(刘增基著)
第1章 概 论
为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光束 限制在特定的空间内传输, 因而提出了透镜波导和反射镜波导的 光波传输系统。透镜波导是在金属管内每隔一定距离安装一个 透镜，每个透镜把经传输的光束会聚到下一个透镜而实现的。 反射镜波导和透镜波导相似，是用与光束传输方向成45°角的 两个平行反射镜代替透镜而构成的。这两种波导，从理论上讲 是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服的困难。首先，现 场施工中校准和安装十分复杂；其次，为了防止地面活动对波
由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的 研究曾一度走入了低谷。
第1章 概 论
1.1.2 现代光纤通信 1966 年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆
(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用 光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了 现代光通信——光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高达 1000 dB/km以上，高锟等人指出：这样大的损耗不是石英纤维 本身固有的特性，而是由于材料中的杂质，例如过渡金属(Fe、 Cu等)离子的吸收产生的。材料本身固有的损耗基本上由瑞利 (Rayleigh)散射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。 因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的 低损耗光纤。如果把材料中金属离子含量的比重降低到10－6以 下，就可以使光纤损耗减小到10 dB/km。再通过改进制造工艺 的热处理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几 dB/km。这个思想和预测受到世界各国极大的重视。
十一五 普通高等教育“十一五”国家级规划教材
光 纤 通 信(第二版)
刘增基 周洋溢 胡辽林 编著
任光亮 周绮丽
西 安 电 子西科 技 大 学 出 版 社
《光纤通信》原荣 第三版 第5章 复习思考题参考答案
第5章 复习思考题参考答案5-1 光探测器的作用和原理是什么答：光探测器的作用是利用其光电效应把光信号转变为电信号。
光探测器的原理是，假如入射光子的能量h ν超过禁带能量E g ，只有几微米宽的耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子-空穴对，发生受激吸收，如图5.1.1（a ）所示。
在PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，电子向N 区漂移，空穴向P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N 区进入正电极。
从而在外电路形成光生电流P I 。
当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。
5-2 简述半导体的光电效应答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。
如果占据高能带（导带）c E 的电子跃迁到低能带（价带）v E 上，就将其间的能量差（禁带能量）v c g E E E -=以光的形式放出，如图4.2.2所示。
这时发出的光，其波长基本上由能带差E ∆所决定。
图4.2.2 光的自发辐射、受激发射和吸收反之，如果把能量大于hv 的光照射到占据低能带v E 的电子上，则该电子吸收该能量后被激励而跃迁到较高的能带c E 上。
在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于高能带c E 上的电子，使光能转变为电流，这就是光接收器件的工作原理。
5-3 什么是雪崩增益效应答：光生的电子-空穴对经过APD 的高电场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子-空穴对，如图5.2.4所示。
这种通过碰撞电离产生的电子-空穴对，称为二次电子-空穴对。
新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。
APD 就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。
图5.2.4 APD雪崩倍增原理图5-4 光接收机的作用是什么答：光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。
光纤通信系统
第一章概论光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载体的通信系统，主要由光发电机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。
光线通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。
不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机的带有信息的电信号，都可以调制转换为光信号。
光载波经过光纤线路传输到接收端。
再由光接收机把光信号转换为电信号。
光纤的主要作用：利用光的全反射原理传递光学信号，其优点是信号损耗小，抗干扰能力强。
与电缆或微波等电通信方式相比，光通信优点：（1）通信容量大（2）中继距离长（3）保密性能好（4）适应能力强（5）体积小、重量轻，便于施工维护（6）原材料资源丰富，节约有色金属和能源，潜在价格低廉。
光纤通信中常用的三个低功耗窗口的中心波长为：0.85微米 1.31微米 1.55微米其中后两个的应用更为广泛。
基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元，若配置适当的接口设备，则可以插入现有的数字通信系统或模拟通信系统，有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间。
光发射机、光纤线路和光接收机，若配置适当的光器件，可以组成传输能力更强、功能更完善的光纤通信系统。
光发射机的功能是把输入的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、驱动器和调制器组成。
其中，光源是光发射机的核心。
光发射机的性能基本上取决于光源的特性，对光源的要求是输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。
光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，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。
实际工程中使用的是容纳多根光纤的光缆。
光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。
光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成，光检测器是光接收机的核心，对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。
光纤通信原理第5章光放大器
目录
5.1 概述 5.1.1 半导体光放大器 5.1.2 掺饵光纤放大器 5.1.3 光纤拉曼放大器 5.1.4 光放大器在光纤通信系统中的应用
5.2 光放大器基本特性 5.2.1 增益和带宽 5.2.2 饱和输出功率 5.2.3 噪声特性 5.2.4 光放大器存在的问题
4~6 <-40 <0.5 不
5~11
~3 小 <0.5 不 0.05~0.1
~6 小 <0.5 不
WDM NO YES YES YES
PDFA 1310
~2 30
>10 ~6 小 <0.5 不
YES
SOA的最大优点—可以单片集成；最大问题——不适合于多波长工作
5.1.4 光放大器在光纤通信系统中的应用
5.1.3 光纤拉曼放大器（FRA）
——普通光纤（几十KM）
s v 分子振动频率
耦合器
原理：
p
图5.1.6 反向泵浦光纤拉曼放大器 受激拉曼散射（SRS) 泵浦激光很强
s p nv
斯托克效应，恰使斯托克散射光的频率与入射光 相同，实现了泵浦光向信号光的能量转移
受激拉曼散射（SRS）原理
在频率为p的入射强光作用 下，物质分子做频率为ν的 周期性调制，使得感应电偶 极矩也做周期性调制。该调 制对入射光散射，使得入射 光的频率发生移动变为s ： 1、斯托克散射光（强）：
SOA慢的多，XGM/XPM很小
图5.3.5 交叉增益饱和引起的信道间串扰
2.全光信号处理——SOA的用途
波长转换器
(WC)工作原
理---利用了
SOA交叉增
强
益调制 弱
（XGM)
光纤通信复习
新型的G.
光纤损耗的计算: Loss= P i / P o 谱线宽 20-50nm
调制是用数字或模拟信号改变载波的幅度、频率或相位的过程。
P i — 为输入功率 即：L(km)= （Pout-Prec-Ac-Pm）/Af
发散角大，与光纤的耦合效率低 （5-10%）
P o —为输出功率
常以分贝dB来表示 Ltot 所有损耗
DWDM技术 DWDM当前水平：
目前1.6Tbit/s WDM系统已经大量商用。
100km 10.9Tbit/s（273x40Gbit/s） 50GHz S、C和L波段
100km 10.2Tbit/s（256x40Gbit/s）交替75和 50GHz ，C和L波段
CWDM技术 技术参数：
波长组合：三种，即4、8和16个 波长通路间隔：20nm 允许波长漂移±6.5nm
LD特点 ： 受激辐射、相干光、谱线窄、功率高 发光面小、发散较小，与光纤耦合效率高 寿命和可靠性比LED稍低
Table - Comparison of LEDs and Lasers
Characteristic
LEDs
Lasers
Output Power
Pr=10 μW=10log(10μ W/1mW)
<0.1
光检测器和光接收机
PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导 体之间，加一层轻掺杂的N型材料，称为I（本征 层）。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形 成一个很宽的耗尽层。这样可以提高其响应速度和 转换效率。
PIN光电二极管的优点
提高了响应速度
提高了长波的量子效率
噪声小
APD光电二极管 雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche
《光纤通信》的复习要点
《光纤通信》的复习要点《光纤通信》课程复习要点和重点浙江传媒学院陈柏年（2014年6⽉）第⼀章概述1、光纤通信：以光波作为信号载体，以光纤作为传输媒介的通信⽅式。
2、光纤通信发展历程：（1）光纤模式：从多模发展到单模；（2）⼯作波长：从短波长到长波长；（3）传输速率：从低速到⾼速；（4）光纤价格：不断下降；（5）应⽤范围：不断扩⼤。
3、光纤通信系统基本组成：（1）光纤，（2）光发送器，（3）光接收器，（4）光中继器，（5）适当的接⼝设备。
第⼆章光纤光缆⼀、光纤（Fibel）1、光纤三层结构：（1）纤芯（core），（2）包层（coating），（3）涂覆层（jacket）。
2、各类光纤的缩写和概念：SIF（突变型折射率光纤），GIF（渐变折射率光纤）；DFF（⾊散平坦光纤）、DSF（⾊散移位光纤）；MMF（多模光纤），SMF（单模光纤）；松套光纤，紧套光纤。
⼆、光的两种传输理论（⼀）光的射线传输理论1、光纤的⼏何导光原理：光纤是利⽤光的全反射特性导光；纤芯折射率必须⼤于包层折射率，但相差不⼤。
2、突变型折射率多模光纤主要参数：★（1）光纤的临界⾓θc：只有在半锥⾓为θ≤θc的圆锥内的光束才能在光纤中传播。
★（2）数值孔径NA：⼊射媒质折射率与最⼤⼊射⾓（临界⾓）的正弦值之积。
与纤芯与包层直径⽆关，只与两者的相对折射率差有关。
它表⽰光纤接收和传输光的能⼒。
（3）光纤的时延差Δτ：时延差⼤，则造成脉冲展宽和信号畸变，影响光纤的容量，模间⾊散增⼤。
3、渐变型折射率多模光纤主要参数：（1）⾃聚焦效应：如果折射率分布恰当，有可能使不同⾓度⼊射的全部光线以同样的轴向速度在光纤中传输，同时达到光纤轴上的某点，即所有光线都有相同的空间周期。
（2）光纤的时延差Δτ：⽐突变型光纤要⼩，减⼩脉冲展宽，增加传输带宽。
（⼆）光纤波动传输理论★1、光纤模式：⼀个满⾜电磁场⽅程和边界条件的电磁场结构。
表⽰光纤中电磁场（传导模）沿光纤横截⾯的场形分布和沿光纤纵向的传播速度。
光纤通信原理参考答案
光纤通信原理参考答案光纤通信原理参考答案第⼀章习题1-1 什么是光纤通信?光纤通信是利⽤光导纤维传输光波信号的通信⽅式。
1-2 光纤通信⼯作在什么区，其波长和频率是什么?⽬前使⽤的通信光纤⼤多数采⽤基础材料为SiO2的光纤。
它是⼯作在近红外区，波长为0.8～1.8µm，对应的频率为167～375THz。
1-3 BL积中B和L分别是什么含义?系统的通信容量⽤BL积表⽰，其含义是⽐特率—距离积表⽰，B为⽐特率，L为中继间距。
1-4 光纤通信的主要优点是什么?光纤通信之所以受到⼈们的极⼤重视，是因为和其他通信⼿段相⽐，具有⽆以伦⽐的优越性。
主要有：(1) 通信容量⼤(2) 中继距离远(3) 抗电磁⼲扰能⼒强，⽆串话(4) 光纤细，光缆轻(5) 资源丰富，节约有⾊⾦属和能源。
光纤还具有均衡容易、抗腐蚀、不怕潮湿的优点。
因⽽经济效益⾮常显著。
1-5 试画出光纤通信系统组成的⽅框图。
⼀个光纤通信系统通常由电发射机、光发射机、光接收机、电接收机和由光纤构成的光缆等组成。
1-5 试叙述光纤通信的现状和发展趋势。
略第⼆章习题2-1 有⼀频率为Hz 13103?的脉冲强激光束，它携带总能量W=100J ，持续时间是τ=10ns(1ns=10-9s)。
此激光束的圆形截⾯半径为r=1cm 。
求：(1) 激光波长； (2) 平均能流密度； (3) 平均能量密度； (4) 辐射强度；（1）m c513810103103-=??==νλ（2）213229/1018.3)10(1010100ms J S W S ?==?=--πτ（3）s m J c S w 25813/1006.11031018.3?=??== （4）213/1018.3ms J S I ?==2-2 以单⾊光照射到相距为0.2mm 的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为1m 。
（1）从第⼀级明纹到同侧旁第四级明纹间的距离为7.5mm ，求单⾊光的波长；（2）若⼊射光的波长为6×10-7m ，求相邻两明纹间的距离。
梁瑞生《现代光纤通信技术及应用》课后习题及参考答案
第1章概述1－1、什么是光纤通信？参考答案：光纤通信(Fiber-optic communication)是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式，其先将电信号转换成光信号，再透过光纤将光信号进行传递，属于有线通信的一种。
光经过调变后便能携带资讯。
光纤通信利用了全反射原理，即当光的注入角满足一定的条件时，光便能在光纤内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。
1－2、光纤通信技术有哪些特点？参考答案：(1)无串音干扰，保密性好。
(2)频带极宽，通信容量大。
(3)抗电磁干扰能力强。
(4)损耗低，中继距离长。
(5)光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设。
除以上特点之外，还有光纤的原材料资源丰富，成本低;温度稳定性好、寿命长等特点。
1－3、光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作用。
参考答案：光纤通信系统最基本由光发送机、光接收机、光纤线路、中继器以及无源器件组成。
其中光发送机负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，光纤线路负责传输信号，而光接收机负责接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。
(1)光发送机：由光源、驱动器和调制器组成，实现电/光转换的光端机。
其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。
(2)光接收机：由光检测器和光放大器组成，实现光/电转换的光端机。
其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。
(3)光纤线路：其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。
(4)中继器：由光检测器、光源和判决再生电路组成。
它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减;另一个是对波形失真的脉冲进行整形。
(5)无源器件：包括光纤连接器、耦合器等，完成光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合。
光纤通信原理课件-第5章 相干光波通信系统
I (t) RP(t) 2RKEs0EL0 cos(IFt s L )
可以发现，检测器的输出电流不仅与被测信号强度或功率有关， 亦即不仅可用光信号的强度传递信息，还与光载波的相位或频 率有关，因而有可能通过调制光载波的相位或频率来传递信息， 而在直接检测技术中不允许进行相位或频率调制，所有有关信 号相位和频率的信息都丢失了。
(2) 声光调制器。这是一种声表面波波导，结构简单， 但产生的频移量在 1GHz
(3) 半导体激光器内调制。这是一种直接调制方法。
3 解调方案
零差检测
外差检测
异步解调 同步解调
零差检测可将光信号直接解调至基带，但实现 困难，要求本振频率与光信号频率精确相等， 本振相位与达到信号锁定，这种解调方案称为 同步解调。
（3）零差检测
L s
这时光电流
IF 0
称为零差检测
I (t) RP(t) 2RKEs0EL0 cos(IFt s L )
2KREs0EL0 cos(s L )
也可以写为
I (t) R PsPL cos(s L )
如果 L s I (t) R Ps PL
■ 零差检测的优点是检测灵敏度高 ■ 缺点是对相位的敏感性高
双相零差分集接收机
两相接收机中的两个支路接收信号相位差为90°，I 支路为同相信道，Q支路 为正交信道，很像柯斯塔斯环，但没有OPLL，每个支路中的信号处理可用于 恢复ASK、FSK或DPSK调制信号。在某一相位条件下，当一个支路中的信号 接近零时，另一个支路则有信号，而总输出就是调制信号。由于信号光与本振 光都要分成两部分，在散粒噪声限制下，对两相接收，灵敏度将比 OPLL 接收 机低 3dB。对三相接收，则要低 4.8dB。
马赫—曾德LiNbO3光波导调制器
光传输线路与设备维护(华为版)习题答案要点
第一章光纤通信概述一填空1.华裔学者高锟博士和霍克哈姆科学的预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性。
2.目前光纤通信所使用的频段为电磁频谱上的近红外线。
3.数字光纤通信系统由光发射机、光纤、光接收机构成。
二简答1 光纤通信发展的阶段。
请参考1.12 光纤通信的3个低衰耗波长窗口分别是多少。
0.85μm、1.31μm、1.55μm3个窗口3 简述光纤通信的优点和缺点。
优点：1. 频带宽、通信容量大。
2. 损耗低，传输距离远。
3. 信号串扰小，保密性好。
4. 抗电磁干扰，传输质量佳。
5. 尺寸小、重量轻，便于敷设和传输。
6. 材料来源丰富，环境适应性强。
缺点：1. 光纤性质脆，需要涂覆加以保护。
2. 切断和连接光纤时，需要高精度技术和仪表器具。
3. 光路的分路和耦合不方便。
4.光纤不能输送中继器所需要的电能。
5. 弯曲半径不宜太小。
4 简述光全反射原理。
根据折射理论，光从折射率大的介质进入折射率小的介质时，折射角大于入射角，并随着入射角增大而增大。
当入射角增达到临界角0ϕ时，折射角∠2ϕ=90°，这时光以1ϕ角全反射回去，从能量角度看，折射光能量越来越小，反射光能量越来越大，直到折射光消失。
5 简述光纤通信系统的基本组成。
数字光纤通信系统由光发射机、光纤、光接收机构成。
6 光纤通信系统的主要分类有哪些。
按波长：短波长光纤通信系统、长波长光纤通信系统、超长波长光纤通信系统。
按调制信号形式：模拟光纤通信系统、数字光纤通信系统。
按传输信号的调制方式：直接调制光纤通信系统、间接调制光纤通信系统。
按光纤传导模式数量：多模光纤通信系统、单模光纤通信系统。
其他划分略。
第二章 光纤光缆一 填空1. 光纤的特性主要分为传输特性（损耗和色散）、机械特性、温度特性三种。
2. 非色散位移光纤零色散波长在1310nm ，在波长为1550nm 处衰减最小。
3. 光纤的主要色散主要有模式色散、材料色散、波导色散三种。
4. 光纤主要由纤芯和包层构成，单模光纤芯径一般为10μm ，多模光纤芯径一般在50μm 左右。
第五章_SDH&WDM
2.SDH网的特点
（1）SDH网络是由一系列SDH网元组成的，它是一个可在 光纤或微波、卫星传输系统上进行同步信息传输、复用和 交叉连接的网络。 （2）它有全世界统一的网络节点接口（NNI）
（3）它有一套标准化的信息结构等级，被称为同步传输 模块STM-N
（4）它具有一种块状帧结构，在帧结构中安排了丰富的 管理比特，大大增加可网络的维护管理能力
环路系统中，可选用分插复用器，也可以选用交叉连 接设备作为节点设备，它们的区别在于后者具有交叉连接 功能，它是一种集复用、自动配线、保护/恢复、监控和网 管设备的控制下，对由多个电路组成的电路群进行交叉连 接，因此其成本很高，故通常使用在线路交汇处，而接入 设备则可以使用数字环路载波系统（DLC）、宽带综合业务 接入单元（B-ISDN）
2.分插复用器（ADM）
ADM是在SDH网络中使用的另一种复用设备。具有能够在 不需要对信号进行解复用和完全终结STM-N情况下经G.703接 口接入各种准同步信号的能力。它也可以将STM-N输入到 STM-M（M>N)内的任何支路的能力
虽然ADM的输入、输出信号等级相同，但其中的信息内 容已经发生了变化。另外由于分插复用器ADM能在SDH网中具 有灵活的插入和分接电路的功能，即通常所说的上、下话路 的功能。
3. 同步时钟的等级标准
4. 时钟电路的工作模式
5.2 波分复用
5.2.1 光波分复用的基本概念
光波分复用是指将两种或多种各自携带有大量信 息的不同波长的光载波信号，在发射端经复用器汇合， 并将其耦合到同一根光纤中进行传输，在接收端通过 解复用器对各种波长的光载波信号进行分离，然后由 光接收机做进一步的处理，使原信号复原。 波分复用系统的工作波长可以从0.8μ s到 1.7μ s，由此可见，它可以适用于光纤所有低衰减、 低色散窗口
通信原理(陈启兴版)第5章课后习题答案
第5章 数字基带传输系统5.1 学习指导 5.1.1 要点本章的要点主要有数字基带传输系统结构及各部件功能；基带信号常用波形及其频谱特性；基带传输常用码型的编译及其特点；码间串扰和奈奎斯特第一准则；理想低通传输特性和奈奎斯特带宽；升余弦滚将特性；第一类部分响应系统；无码间串扰基带系统的抗噪声性能；眼图和均衡的概念。
1.数字基带传输系统数字基带传输系统：不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，其基本结构如图5-1所示。
主要有发送滤波器、信道、接收滤波器、同步提取电路以及抽样判决器组成。
发送滤波器用于产生适合于信道中传输的基带信号波形。
信道是基带信号传输媒质（通常为有线信道）。
加性n (t )是均值为零的高斯白噪声。
接收滤波器的功能接收有用信号，滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。
同步提取即从接收信号中提取用来抽样的定位脉冲。
抽样判决器用来对对接收滤波器的输出波形进行抽样、判决和再生（恢复基带信号）。
图5 - 1 数字基带传输系统的原理方框图2.数字基带信号及其频谱特性(1) 数字基带信号数字基带信号用不同的电平或脉冲来表示不同的消息代码。
数字基带信号的单个脉冲有矩形脉冲、余弦脉冲、升余弦脉冲、高斯脉冲等等形式。
常用的基本信号波形有：单极性与双极性波形、不归零码与归零码波形、差分波形、多电平波形等。
数字基带信号通常是一个随机的脉冲序列。
若其各码元波形相同而电平取值不同，则可表示为()()nsn s t a g t nT ∞=-∞=-∑ (5-1)式(5-1)中，a n 是第n 个码元所对应的电平值（随机量）；T s 为码元持续时间；g (t )为某种脉冲波形。
一般情况下，数字基带信号可表示为()()nn s t s t ∞=-∞=∑ (5-2)(2) 基带信号的频谱特性数字基带信号s (t )的频谱特性可以用功率谱密度来描述。
设二进制随机信号为()()nn s t s t ∞=-∞=∑ (5-3)其中()()()12,0()11=S n S g t nT s t g t nT -⎧⎪=⎨-⎪⎩对应“”，以概率P 出现，对应“”，以概率P 出现 则s (t )的功率谱密度为212()(1)()()s S P f f P P G f G f =--+212[()(1)()]()S S S S m f PG mf P G mf f mf δ∞=-∞+--∑(5-4)式(5-4)中，f s =1/T s 为码元速率；G 1(f )和G 2(f )分别是g 1(t )和g 2(t )的傅里叶变换。
《光纤通信》第5章课后习题答案
1．光放大器包括哪些种类？简述它们得原理与特点。
EDFA有哪些优点？答：光放大器包括半导体光放大器、光纤放大器（由可分为非线性光纤放大器与掺杂光纤放大器）。
1）半导体光放大器它就是根据半导体激光器得工作原理制成得光放大器。
将半导体激光器两端得反射腔去除，就成为没有反馈得半导体行波放大器。
它能适合不同波长得光放大，缺点就是耦合损耗大，增益受偏振影响大，噪声及串扰大。
韧滯灿担紅残鄲。
2）光纤放大器（1）非线性光纤放大器强光信号在光纤中传输，会与光纤介质作用产生非线性效应，非线性光纤放大器就就是利用这些非线性效应制作而成。
包括受激拉曼放大器（SRA）与受激布里渊放大器（SBA）两种。
葉輊鮞为喷餘驶。
（2）掺杂光纤放大器（常见得有掺铒与掺镨光纤放大器）在泵浦光作用下，掺杂光纤中出现粒子数反转分布，产生受激辐射，从而使光信号得到放大。
EDFA优点：高增益、宽带宽、低噪声及放大波长正好就是在光纤得最低损耗窗口等。
2．EDFA得泵浦方式有哪些？各有什么优缺点？答：EDFA得三种泵浦形式：同向泵浦、反向泵浦与双向泵浦。
同向泵浦：信号光与泵浦光经WDM复用器合在一起同向输入到掺铒光纤中，在掺铒光纤中同向传输；反向泵浦：信号光与泵浦在掺铒光纤中反向传输；双向泵浦：在掺铒光纤得两端各有泵浦光相向输入到掺铒光纤中。
謾馊诈齟飄狯橫。
同向泵浦增益最低，而反向泵浦比同向泵浦可以提高增益3dB~5dB。
这就是因为在输出端得泵浦光比较强可以更多地转化为信号光。
而双向泵浦又比反向泵浦输出信号提高约3dB，这就是因为双向泵浦得泵功率也提高了3dB。
其次，从噪声特性来瞧，由于输出功率加大将导致粒子反转数得下降，因此在未饱与区，同向泵浦式EDFA 得噪声系数最小，但在饱与区，情况将发生变化。
不管掺铒光纤得长度如何，同向泵浦得噪声系数均较小。
最后，考虑三种泵浦方式得饱与输出特性。
同向 EDFA 得饱与输出最小。
双向泵浦 EDFA 得输出功率最大，并且放大器性能与输出信号方向无关，但耦合损耗较大，并增加了一个泵浦，使成本上升。
第5章-光纤通信技术
5.1 光纤基本知识
5.1.4 光纤的制造
制造光纤的方法很多，目前主要有：改进化 学汽相沉积法(MCVD)、等离子体化学汽相沉 积法(PCVD)、管外汽相沉积法(OVD)和轴向汽 相沉积法(VAD)。但不论用哪一种方法，都要 先在高温下做成预制棒，然后在高温炉中加温 软化，拉成长丝，再进行涂覆、套塑，成为光 纤芯线。
引言
光纤通信系统是目 前世界通信系统的主要 模式，比以前的电缆通 信系统无论从性能还是 成本上都有极大优势。 正是光纤用于现代通信 系统，才使得我们能够 成功构建今天高速、多 元化的信息社会
本章内容
5.1 光纤基本知识
5.2 光在光纤波导中的传播
5.3 光纤的损耗与色散
5.4 光通信器件
5.1 光纤基本知识
阶跃折射率光纤（SIF）
n1 , 0 r a n n2 , r a
渐变折射率光纤（GIF）
n1 1 2r / a n(r ) n2 ,r a
(n1 n2 ) / n1
5.1 光纤基本知识
5.2 光在光纤波导中的传播
5.2.1光纤原理的几何光学描述
如果有太多不同角度的光线在光纤中传播，由于 不同光线走的路径不一样，而纤芯折射率又处处相同 ，这会导致不同角度入射的光线传播到终点的时间不 一致，这就造成了输入光脉冲的展宽，这就是多模光 纤的模间色散。如果光脉冲被展宽，相邻光脉冲之间 就会产生交叠，在交叠区会发生干涉。一旦交叠区较 大，干涉效应会使得相邻的两个脉冲不可分辨，这样 信号就会发生失真。
5.1 光纤基本知识
5.1.4 光纤的制造
改进化学汽相沉积法(MCVD)
5.1 光纤基本知识
5.1.4 光纤的制造
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发射 信 息 源 电 发 射 机 电信号 输入 光 发 射 机
基本光纤传输系统 光纤线路 光 接 收 机
接收 电 接 收 机 电信号 输出 信 息 宿
光信号 输出
光信号 输入
图5.1 光纤通信系统示意图
光纤通信系统可以根据使用的传输信号类型、 光源的调制方式、传输光的波长和光纤类型等进 行不同的分类。按传输信号类型可分为数字光纤 通信系统和模拟光纤通信系统。 按光源的调制方式可划分为直接强度调制和 间接调制。
1）多模光纤（MM-Multi mode filber）
2）单模光纤（SM-Single mode fiber） （3）按照光纤的套塑层分为 1）紧套光纤 2）松套光纤
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图5.4 阶跃型光纤和渐变型光纤
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图5.5 松套光纤和紧套光纤
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n1 n2
n3
2a ′ 2a
(a)
(b)
(b)
图5.6 典型特种单模光纤
图5.26 掺铒光纤放大器的工作原理（硅光纤中铒离子的能级图说明）
(a)
图 7.1掺铒光纤放大器的 返回
（2）掺铒光纤放大器的构成和特性
泵浦 输入信号 光隔离器 波分复用器 (a) 热 光输入 ＋5 V 电源 监视 激光器驱动输入 0V －5 V 泵浦LD 监视和 告警电路 PD 探测器 泵浦监视 和控制电路 泵浦LD 掺铒 光纤 输入隔离器 沉 输入WDM 光隔离器 掺铒光纤 输出信号
（5）光纤绝缘性好，寿命长
（6）无接地和共地问题 （7）光纤资源丰富，节约有色金属和能源
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5.2 光纤与光缆
5.2.1 光纤的结构和分类
1. 光纤的结构
图5.3 光纤的结构
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2. 光纤的种类
（1）按照光纤剖面折射率的分布分为 1）阶跃型光纤（简称SIF） 2）渐变型光纤（简称GIF） （2）按照传导模的数目分为
4. 光端机的主要性能指标 （1）平均发送光功率及其稳定度 （2）消光比EXT （3）光接收机灵敏度 （4）光接收动态范围
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5.4 光纤通信系统设计
5.4.1 光纤通信系统设计概述
图5.29 光通道损耗的示意图
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图5.30 假设参考数字连接HRX的组成
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图5.31 SDH设备的输入抖动和漂移容限
r z
图5.10 渐变型光纤的导光原理
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5.2.3 光纤的传输特性
1. 光纤的损耗特性 （1）材料的吸收损耗 1）物质本征吸收损耗 2）掺杂剂和杂质离子引起的吸收损耗 3）原子缺陷吸收损耗 （2）光纤的散射损耗 1）瑞利散射 2）结构散射 （3）光纤的辐射损耗（包括弯曲损耗和连接损耗） 1）弯曲损耗 2）连接损耗 （4）衰减系数
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（2）光谱特性
图5.19 激光器的光谱特性
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（3）温度特性
图5.20 激光器的温度特性
图5.21 发光二极管（LED）的P−I特性
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3. 光源驱动电路（光调制）
图5.22 光源的调制原理
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5.3.3 光接收机
1. 光接收机的组成
图5.23 数字光接收机的组成
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2. 光检测器
图5.24 PIN光电二极管的工作原理
按光纤工作的波长范围和光纤的传导模数量 的不同，常见的光纤通信系统分为三类：短波长 多模光纤系统、长波长多模光纤系统和长波长单 模光纤系统。
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图5.2 电磁波的波谱图
5.1.2 光纤通信的特点
（1）传输频带宽，通信容量大 （2）光纤损耗低，中继距离长
（3）抗电磁干扰能力强，无串话
（4）光缆的尺寸小，重量轻，便于施工维护
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图5.25 雪崩二极管APD的工作原理
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3. 光纤放大器 （1）掺铒光纤放大器作原理4F 9 4I 9
/2 /2
0 .6 5m 0 .8 0m 3 0 .9 8m 2 1 .5 3m 光信号 1
10
m － 1) 损耗或增益 /( dB·
8 6 4 2 0
4I 11 /2 4I 13 /2 1 .4 8m 泵浦 4I 15 /2
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5.2.2 光纤的导光原理
图5.7 光的反射和折射
图5.8 临界角与光的全反射
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1. 阶跃型光纤的导光原理
3 y
2
c
c
1
l L x 纤芯n1 包层n2
1 z
2 3
o
1
图5.9 阶跃型光纤的导光原理
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2. 渐变型光纤的导光原理
r
* o
ri 0 dz
i
dr
rm p
纤芯n (r)
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5.4.2 损耗受限系统设计
图5.32 数字光纤线路系统
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5.4.3 色散受限系统设计
1 00 0 8 00 6 00 4 00 2 00 1 00 80 60 40 20 10 8 6 4 2 1 0 .0 00 1 同轴 渐变型 多模光纤 0 .0 1 0 .1 1 10 1 00 单模光纤 1 .5 5m(量子限制) 单模光纤 色散移位光纤
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5.6 小
结
本章介绍了光纤通信系统的基本概念。重点 介绍了光纤通信系统中光发送机和光接收机的基 本组成、工作特点和工作原理。其中包括了光源、 光检测器的主要特点、结构和分类。光放大技术 对光纤通信影响巨大，因此着重介绍掺铒光纤放 大器的工作原理、构成、特性、优点和应用等方 面。此外还介绍了光端机的主要性能指标。
最后介绍了光纤通信系统的设计以及光纤通 信的新技术及进展。
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图5.14 光缆的结构
5.3 光纤通信系统
5.3.1 光纤通信系统的基本组成 5.3.2 光发送机
图5.15 光发送机的组成
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1. 预处理电路 2. 光源
图5.16 发光机理示意图
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图5.17 激光器示意图
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半导体激光器LD的工作特性： （1）P-I特性
图5.18 激光器的P-I特性
1.5 5 m 1.3 m
0 .8 5m
距离 / km
突变型 多模光纤
0 .0 01
图5.33 各种光纤的中继距离和传输速率的关系
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5.5 光纤通信的新技术及发展
1. 波分复用WDM系统的演进
2. 相干光纤通信 3. 长距离中继光纤通信 4. 光孤子通信 5. 全光通信网络 6. 量子光通信系统
光输出 输出耦合器 输出隔离器 (b) 输出WDM
(a) 光纤放大器构成原理图； (b) 实用光纤放大器外形图及其构成方框图 图5.27 光纤放大器构成方框图
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（3）掺铒光纤放大器的优点和应用
中继放大器 LD (a) PD LD 光纤 (b) 后置放大器 前置放大器 PD
(a) 中继放大器； (b) 前置放大器和后置放大器 图5.28 光纤放大器的应用形式
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图5.11 光纤的损耗特性曲线
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2. 光纤的色散特性
图5.12 数字脉冲的码间干扰
（1）模式色散 （2）色度色散 1）材料色散 2）波导色散 3）偏振模色散
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图5.13 偏振模色散示意图
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5.2.4 光缆的结构和分类
光缆一般由缆芯、护层和加强构件三部分构
成。 根据缆芯结构的特点，光缆可以分为层绞式、 骨架式、中心束管式和带状式四种，如图5.14所 示。我国及欧亚各国较多的选用的是传统结构的 层绞式和骨架式。
第5章 光纤通信系统
5.1 概 述
5.2 光纤与光缆
5.3 光纤通信系统
5.4 光纤通信系统设计
5.5 光纤通信的新技术及发展
5.6 小
结
5.1 概
述
5.1.1 光纤通信系统的基本概念 组成及分类
光纤通信系统在发射端将需传送的电话、电 报、图像和数据等信号进行光电转换，将电信号 变成光信号，经过光纤传输线路到达接收端，接 收端将接收到的光信号转变成电信号，最后还原 成消息。光纤通信系统的基本组成如图5.1所示， 由光发射机、光纤线路和光接收机三个部分组成。