光纤通信_第二版_刘增基_参考答案2

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1、2301-1 光纤通信的优缺点各是什么？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。 （4）抗电磁干扰性能好（5）泄露小，保密性能好。 （6）节约金属材料，有利于资源合理利用。缺点：( 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

2、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。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

3、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1-4 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。1-5 光网络的优点是什么？（1）可以极大地极高光纤的传输容量和结点的吞吐量，以适应未来宽带（高速）发展

4、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，构成具有高强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。2-1 均匀光纤芯与包层的折射率分别为:n 1=1.50，n 2=1.45,试计算：(1) 光纤芯与包层的相对折射率差为多少?(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

5、差 为多少?max解（1）由纤芯和包层的相对折射率差 =（n 1-n2）/n 1得到（2）12.5014.3n22.5140.38NAn（3） 1max8.0.41.9Lsc2312-4 目前光纤通信为什么采用以下三个工作波长： ， ，10.85m21.3？31.5m答 ， ， 附近是光纤传输损耗较小或最小的波0.821.3m31.5长“窗口” ，相应的损耗分别为 23dB/km、0.5dB/km、0.2dB/km，而且在这些波段目前有成熟的光器件（光源、光检测器等） 。2-5 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

6、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，随着波长增大，损耗呈下降趋势，且在 1.55 处有最低损耗值；而且 1.31 和 1.55 处的色散很小。故目mm前长距离光纤通信一般都工作在 1.55 。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，色散将限制带宽；若信号是数字脉冲，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

7、。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的。散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和光纤结构缺陷（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。2-14 考虑 10 km 长，NA=0.30 的多模阶跃折射率光纤。如果纤芯折射率为 1.450，计算光纤带宽。解 10 km 光纤产生的时间延迟(即脉冲展宽)为 232811(NA)0.1.03425nL snccn 则 即该 10 km 光纤的带宽 。344.6dBfMHzHz0.426BWMHz2322-23 某光纤在 1300 nm 波长处的损耗为 0.6 dB/km，在

8、1550 nm 波长处的损耗为 0.3 dB/km。假设下面两种光信号同时进入光纤：1300 nm 波长的 150 W 的光信号和 1550 nm波长的 100 W 的光信号。试问：这两种光信号在 8 km 和 20 km 处的功率各是多少?以 W 为单位。解 （1 ）对于 1300 nm 波长的 150 W 的光信号，在 8 km 处损耗值为0.6/84.dBkmdB则 8 km 处功率值为 在 20 km 处损耗值为.81059.670.6/201dBkmdB则 20 km 处功率值为 210.4（2）对于 1550 nm 波长的 100 W 的光信号，在 8 km 处损耗值为0.3/8.

9、dBkmdB则 8 km 处功率值为 在 20 km 处损耗值为2.410570.3/206dBkmdB则 20 km 处功率值为 610.2-24 一段 12 km 长的光纤线路，其损耗为 1.5 dBkm。试问：（1） 如果在接收端保持 0.3 W 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 2.5 dBkm，则需要的输入光功率为多少?解（1）光纤线路总损耗为 1.5/218dBkmdB则发送端功率最小值为1803.93（2）光纤的损耗变为 2.5 dBkm 时，光纤线路总损耗为 2.5/1230kmdB则发送端功率最小值为301.2-25 有一段由阶跃折射率光纤构

10、成的 5 km 长的光纤链路，纤芯折射率 =1.49，相1n对折射率差 =0.01。 （1）求接收端最快和最慢的模式之间的时延差；（2）求由模式色散导致的均方根脉冲展宽；（3）假设最大比特率就等于带宽，则此光纤的带宽距离积是多少?解（1）由 得光纤包层折射率12n21()(0.)1.4975n则接收端最快和最慢的模式之间的时延差 1212maxin1 (n)siLLLcncc233（2）51.49(.71)5km130/.4nsks25106.3.ns（3） 带宽距离积为： 。6BMHz768BLMHzkm3-9 半导体激光器的发射光子的能量近似等于材料的禁带宽度，已知 GaAs 材料的Eg=

11、1.43eV，某一 InGaAsP 材料的 Eg=0.96eV，求它们的发射波长。解 对于 GaAs 材料的 LD 1.24.0.8673g对于 InGaAsP 材料的 LD .9gmE3-15 一个 GaAs PIN 光电二极管，平均每三个入射光子产生一个电子一空穴对，假设所有的电子都被收集。(1)计算该器件的量子效率；(2)设在 0.8m 波段接收功率是 10-7W，计算平均输出光电流；(3)计算这个光电二极管的长波长截止点 c。(超过此波长光电二极管将不工作)。解 (1)由量子效率的定义得 1=3.%光 生 电 子 -空 穴 对入 射 光 子 数(2) 由公式 ，得0=pIhfPe071

12、9683481.60.32.15028peIhfcA(3) 根据光电效应的产生条件 hfEg可得 c=1.24/Eg，因 GaAs 的禁带宽度为 1.424 eV，所以 c=0.87m。3-16 一个 APD 工作在 155 肛 rfl 波段，且量子效率为 03，增益为 100，渡越时间为10 ps。 (1)计算该检测器的 3 dB 带宽；(2)如果接收到的光功率是 0.1m，计算输出光电流；(3)在(2)条件下，计算 10 MHz 带宽时的总均方根噪声电流： 1/2rmsni解 (1) 4120.4.02cdf MHzG(2)APD 输出的光电流 0071966348=gI.31.6.503

13、.741.28APDpePghfcA(3)从 P64 表 3.4 中查参数，取 APD 暗电流 Id=15 nA；取附加噪声指数 x=0.5，取RL=1k，不计电放大器的噪声，即 F=1。2340.50.51/22 2 0.52371897(20.5)7 41.81.603.4103 xrmsnqdTpdLkTFBiiieIgRA 325 设 PIN 光电二极管的量子效率为 80，计算在 和 波长时的响应度，1.3m.5并说明为什么在 处光电二极管比较灵敏。1.5m解 对于 PIN 光电二极管，其响应度 R 定义为光生电流 与输入光功率 之比，(A)pI(W)inP即 (A/W)pinIP(/

14、)pinIP因为人射光功率 Pin(w)对应于单位时间（秒）内平均入射的光子数 Pin/(hfc)，而入射光子以量子效率 部分被吸收，并在外电路中产生光电流，则有响应度 /1.24ceAhf 0.8131.3m=.4/2.5.5AW波 长 为 时 ，波 长 为 时 ，由上式可知，在量子效率一定时，响应度 与波长 成正比。所以有 PIN 在 1.55m 处的灵敏度高于在 1.3m 处。4-1 激光器(LD)产生弛张振荡和自脉动现象的机理是什么？它的危害是什么？应如何消除这两种现象的产生?答 当电流脉冲注人激光器后，输出光脉冲出现幅度逐渐衰减的振荡，称为弛张振荡。弛张振荡的后果是限制调制速率。当最

15、高调制频率接近弛张振荡频率时，波形失真严重，会使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际中最高调制频率应低于驰张振荡频率。某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象。自脉动频率可达 2 GHz，严重影响 LD 的高速调制特性。4-2 LD 为什么能够产生码型效应?其危害及消除办法是什么？答 半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲和输入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为光电延迟时间。当光电延迟时间与数字调制的码元持续时间 T/2 为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1”码的脉冲宽度变窄，幅度减小。严重时可能使“1”码丢失，这种现象称为码型效应。码型效应的特点是在脉冲序列中，较长的连“0”码后出现“1”码，其脉冲明显变小而且连“0”码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。码型效应的消除方法是用适当的“过调制”补偿方法。2354-10 已测得某数字光接收机的灵敏度为 10 pw，求对应的 dBm 值。解 P w=10 lgmin(mW)=-20 dBm5-4 设 140 Mbs 数字光纤通信系统发射光功率为 -3 dBm，接收机灵