光纤通信习题解答

1、第1章1. 光通信的优缺点各是什么？答：优点有：通信容量大；传输距离长；抗电磁干扰；抗噪声干扰；适应环境；重量轻、安全、易敷设；保密；寿命长。缺点：接口昂贵；强度差；不能传送电力；需要专用的工具、设备以及培训；未经受长 时间的检验。2. 光通信系统由哪几部分组成，各部分功能是什么？答： 通信链路中最基本的三个组成部分是光发射机、 光接收机和光纤链路。 各部分的功能参 见节。3. 假设数字通信系统能够在载波频率1%勺比特率下工彳试问在 5GHz的微波载波和科m的光载波上能传输多少路 64kb/s 的音频信道？答：5GHZX 1 % /64k =781 路(3X10 WDMH专送网络(OTN的优点

2、是什么？答： ( 1 )可以极大地提高光纤的传输容量和节点的吞吐量，适应未来高速宽带通信网的要求。(2) OXCF口 OADMt信号的速率和格式透明，可以建立一个支持多种电通信格式的、透 明的光传送平台。( 3)以波长路由为基础，可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。/X10-6) x 1%/64k =3X107路4. SDH制有什么优点？答： 主要为字节间插同步复用、 安排有开销字节用于性能监控与网络管理， 因此更加适合高 速光纤线路传输。5. 简述未来光网络的发展趋势及关键技术。答：未来光网络的发展趋势为全光网，关键技术为多波长传输和波长交换技术。6.

3、 简述WDM勺概念。答：WDMJ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，一起注入同一根光纤， 进行传输。 这样就充分利用光纤的巨大带宽资源， 可以同时传输 多种不同类型的信号，节约线路投资，降低器件的超高速要求。7. 解释光纤通信为何越来越多的采用WDM+EDFA式。答：WD欣分复用技术是光纤扩容的首选方案，由于每一路系统的工作速率为原来的1/N,因而对光和电器件的工作速度要求降低了，WD曲波器和分波器的技术与价格相比其他复用方式如OTDMfs有很大优势；另一方面，光纤放大器EDFA勺使用使得中继器的价格和数量 下降，采用一个光放大器可以同时放大多个波长信号，使

4、波分复用(WDM的实现成为可能，因而WDM- EDFA方式是目前光纤通信系统的主流方案。第二章1 .光波从空气中以角度。1=330投射到平板玻璃表面上，这里的。i是入射光线与玻璃表面之间的夹角，根据投射到玻璃表面的角度，光束部分被反射，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900,请问玻璃的折射率等于多少？这种玻璃的临界角又为多少？解：入射光束与玻璃表面的法线角度(即入射角)0 =90 -33=57度。则反射角。尸。，折射角0 2=180-90-57=33度，假设空气的折射率为 ni=1, 由折射定理 msin 0 =n2sin 0 2得到玻璃的折射率为c=sin -1(n

5、 1/n 2)=度。n2=n 1sin 0 / sin 0 2 =全反射发生在从玻璃射向空气的时候，此时。2 .计算1=及n2=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=,则允许的最大入射角0 max为多少？解：NA=. n1纤芯和包层的相对折射指数差A。 光纤的数值孔径NA n；=最大入射角0 max=arcsin( n n12n2)=度3.弱导波阶跃光纤纤芯和包层折射率指数分别为m=, n2=,试计算:解：(1)2n12n22n2(2) NA= n2 n；=4 .已知阶跃光纤纤芯的折射率为n产，相对折射指数差 A =,纤芯半径a=25科成若入。=1科3计算光纤的归一化频率V及

6、其中传播的模数量 M解：V 2(n； n；)1/2 2-(2n12 )1/2 =2 x 25 科 m/1 科 mx (2xx) =心目 V2模数量M =55525 . 一根数值孔径为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：(a) 其纤芯直径为多少?(b) 在1310nm波长上可以支持多少个模式？(c) 在1550nm波长上可以支持多少个模式？2解：(a) V a(n12 n2)1/2 一a NA,而 M 2从而得到纤芯半径：a=V / (2 NA) =(i m,则直径为V2 a 2(b) M (NA)2 ,与波长的平方成反比 2因此在 1310nm上的模式

7、数为 M=(850/1310 ) 2X 1000=421(c)在 1550nm上的模式数为 M= ( 850/1550 ) 2X 1000=3006 .纤芯折射指数为n尸，长度未知的弱导波光纤彳输脉冲重复频率f°=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。解：脉冲周期T=1/ f 0=X10-4s。路径最短的光通过光纤的时间为一L =T/2 = X 10-4 sc/ n1从而解得：L= 12.5 km7 .阶跃型光纤，若 n尸，X 0=m,(1) A=,为保证单模传输，光纤纤芯半径 a应取多大？(2) 若取芯径a=5(i m,保证单模传输时，A应怎样选

8、择？解：(1)单模传输要求V ”(n； n2)1/2 U(2n12 )1/2 2.405解得到 a (im(3) 同样用 "(2n； )1/2 2.405得到A8 .渐变型光纤的折射指数分布为1/2rn(r) n(0) 1 2 a求光纤的本地数值孔径。222 解：n2=n(0)1-2 A1/2 1 n (0) n (0) 2NAr .n2(0) n2n(0) . 29.某光纤在1300nm处的损耗为km,在1550nm波长处的损耗为kmio假设下面两种光信号 同时进入光纤：1300nm波长的150W勺光信号和1550nm波长的100 W勺光信号，试 问这两种光信号在 8km和20km

9、处的功率各是多少？以科慢;单位。解： () 10log -p(z0)(dB/km)L p(z L)1()因此 p(z L) p(z 0)10 10将数值代入可得到：对1310nmi 150 W勺光信号，在 8km和20km处的功率分别为科 惭口 2 W对1550nm波长的100科W的光信号，在 8km和20km处的功率分别为科 腐口祖W10. 一段12km长的光纤线路，其损耗为km；(a) 如果在接收端保持科 W勺接收光功率，则发送端的功率至少为多少?(b) 如果光纤的损耗变为km,则所需的输入光功率为多少？()L)解：(a)利用p(z 0)p(z L)10 10 ,得到 p(z 0)二科 W

10、(口)(b)p(z 0) p(z L)10 10，得到 p(z 0) = W11.考虑一段由阶跃折射率光纤构成的5km长的光纤链路，纤芯折射率n产，相对折射率差(a) 求接收端最快和最慢的模式之间的时间差；(b) 求由模式色散导致的均方根脉冲展宽；(c) 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：(a) tL-n1 =5*3*10 5=x 107 s(b)均方根脉冲展宽就是最快和最慢的模式之间的时延差，即X10-7 s (c)带宽距离积为 c- 10 (Mb/s) gkm2n112 .考虑10km长，NA粕多模阶跃折射率光纤。如果纤芯折射率为，计算光纤带宽。解：最大带宽距离积为

11、 BL ,而NA=n1J2一,将以上数据带入可得到 B=o 2%13 .考虑10km长，NA粕多模阶跃折射率光纤。如果纤芯折射率为，计算光纤带宽。解：最大带宽距离积为 BL 广，而NAtiJ,将以上数据带入可得到 B=o14 .某工程师想测量一根1895m长的光纤在波长 1310nm上的损耗，唯一可用的仪器是光检测器，它的输出读数的单位是伏特。利用这个仪器，使用截断法测量损耗，该工程师测 量得到光纤远端的光电二极管的输出电压是，在离光源2m处截断光纤后测量得到光检测器的输出电压是，试求光纤的损耗是多少dB/km?解：光检测器输出电压与光功率成正比。因此10 VN103.78lg lg dB/k

12、m °L VF1.893 3.3114 .根据光纤损耗测量中截断法所依据的公式，要测量的功率正比于光检测器的输出电压。如果两次功率测量时电压读数相差±则损耗精度的偏差有多大？若要获得优于土km的灵敏度，光纤至少应有多长？解：10 x ( 土 %户土 1%(dB/km)光纤至少5Km15 .现已测得光纤的色散系数为120ps/ (nm- km),当光源谱宽是时，此时单位长度光纤的3dB带宽有多宽？, ,0 441解：根据公式 B 上41D将数据代入得到B=o16 .将3根500m长的光纤有序地连接在一起，然后使用OTDRIU量这段光纤的损耗，得到的数据如图所示。这三段光纤的损

13、耗分别是多少dB/km?接头损耗是多少 dB?第二段和第三段光纤接头处接头损耗较大的原因是什么？IDPL0500IOOO1500尤年氏度5)解：(1)根据光纤的损耗 P(L)=P(0) e 1可知in -p2 , p1、p2的值由图给出如下:P1第一段P1(L=0)和P2(L=2 X 0.5km)读数分另1J是70和30;第二段P1(L=1km)和P2(L=2km)读数分别是 30和10;第三段P1(L=2km)和P2(L=3km)读数分别是7和；第一个接头损耗：第二个接头损耗:(2)第二段和第三段光纤的模场直径MFM一样。17 .如果使用OTDR各光纤故障定位在真实位置土0.5m范围内，试证

14、明光脉冲的宽度应不大于 5ns。解： L c Tn 2得至|JT2nLc2 1.5 0.53 10895 10 9=5 ns/2(f)的高斯近似表达式为：H(f) Pout(f) Pn(f) exp 2 f至少对幅度为峰值 75%勺频域内的点是精确的。利用这个关系式，分别画出光纤脉冲响应的rms脉冲全宽2b等于，和时的 P (f) /P (0)与频率的关系曲线，频率范围是01000MHz这些光纤的3dB带宽分别是多少？解：从图中可以得到，这些光纤的3dB带宽分别是，MHz, MHz第3章光源和光检测原来书上第3章的题目1.计算一个波长为 入=1pm的光子能量，分别对1MH环口 100MHz的无

15、线电波做同样的计算。解：光子的能量 E=hv h- 6.63gl0-34g3 106 19.89 10-20焦耳。1 10对 1MHz的无线电波 E=hf= X 10-34 X 106=X 10-28 焦耳。100MHz , E=hf= X 10-34 X 108=X 10-26 焦耳。2 .太阳向地球辐射的光波，设其平均波长 入二科成 射到地球外面大气层的光强大约为 I=cm2。如果恰好在大气层外放一个太阳能电池，试计算每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数。解：波长入二2 的光子的能量为：E=hv hc=x 1020焦耳每平方米的太阳能电池的光强为I=1400W=1400焦耳/秒则每秒

16、钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数为I/E= X1021个3 .如果激光器在 入=pm上工作，输出1W的连续功率，试计算每秒从激活物质的高能级跃 迁到低能级的粒子数。解：在入=(im上出射的光子的能量为： E=hv hW=X10-20焦耳输出功率1W=1J/s,即每秒输出的能量为1J,则光子数为1/X10-20 = X1018那么每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数等于出射光子数的一半，即X10184 .光与物质间的互作用过程有哪些？解：在介质材料中存在着受激吸收，自发发射和受激发射等三种光与物质的相互作用过程。5 .什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？解：粒子数反转是高能级上

17、的粒子数量大于低能级上的粒子数的状态，是一种非平衡状态。实现光放大的条件是粒子数反转、光学腔、增益介质。6 .什么是激光器的阈值条件。解：当注入电流较小时， 激活区不能实现粒子数反转，自发发射占主导地位，激光器发射普通的荧光。随注入电流量的增加，激活区里实现了粒子数反转，受激辐射占主导地位，但当注入电流小于阈值电流时， 谐振腔内的增益还不足以克服损耗如介质的吸收、 镜面反射 不完全等引起的谐振腔的确损耗， 不能在腔内建立起振荡，激光器只发射较强荧光。只有当 注电流大于阈值电流时，才能产生功率很强的激光。7 .由表达式E=hc/入，说明为什么 LED的FWHM1率谱宽在长波长中会变得更宽些。解：

18、由E=hc/入 可得到，入=hc/E ;求关于光子能量E的微分，可以得到d-hc2,dE E2hc则E2 E ,而 E (hv),通常为2kBT ,这样再将E=hc/入带入,得到2犯hc8 .试画出APD雪崩二极管的结构示意图，并指出高场区及耗尽区的范围。 解：见书中图。9 . 一个GaAs PIN光电二极管平均每三个入射光子，产生一个电子-空穴对。假设所有的电子都被收集。a试计算该器件的量子效率；b当在波段接收功率是10-7W寸，计算平均输出光电流；c计算波长，当这个光电二极管超过此波长时将停止工作，即长波长截止点入c。解：a、光生并被收集的自由EHP的数量入射光子的数量=1/3=%Ipe1

19、,b、由 R (A/W)和 R (A/W)可得到Pnhve _ e-6 .I p=PNhv Pn 蔡 x10C hfc Eg而 Eg = eV,则波长截止点 、c=hc/Eg=um10 .什么是雪崩增益效应？解：光生载流子穿过一个具有非常高的电场的高场区。在这个高场区，光生电子或空穴可以获得很高的能量，因此它们高速碰撞在价带的电子上使之产生电离，从而激发出新的电子一空穴对，这种载流子倍增的机理称为碰撞电离。新产生的载流子同样由电场加速，并获得足够的能量从而导致更多的碰撞电离产生，这种现象就是所谓的雪崩效应。11 .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，说明为什么在光电二极

20、管比较灵敏。解：R J hv hc在和处的响应度分另1J为 0.838A/W, 0.999 A/W波长越长，频率越低，光子能量越低，对于同等的入射光功率则光子数量就越多，则 电子-空穴对也就越多，那么光生电流也就越大。第4章光发送机和光接收机1 .光接收机中有哪些噪声？解：主要有三种。第一种就是热噪声信号，在特定温度下由电子的随机运动产生的，它总是 存在的，第二种是散弹（粒）噪声，是由光子产生光生电流过程的随机特性产生的，即使输 入光功率恒定也存在， 散粒噪声不同于热噪声， 它不是叠加在光电流上，它作为独立的一部分仅仅是产生光电流过程随机性的一种方便的描述。第三种是在光检测器之前使用的光放大器

21、产生的放大的自发辐射噪声 ASE2 . RZ码和NR加有什么特点？解：NRZ码与其他格式相比，其主要优点是占据的频带宽度窄，只是RZ码的一半，缺点是当出现长连“ 1”，或“ 0”时，光脉冲没有有和无的交替变化，这对于接收时比特时种提取 是不利的。RZ码克服了这个问题，解决了连“ 1”的问题有了电平的交替变化，但长连“0”问题仍然存在。3 .通信中常用的线路码型有哪些？解：4B/5B、8B/10B4 .光源的外调制都有哪些类型？内调制和外调制各有什么优缺点？解：目前常用的外调制器有电折射调制器、电吸收MQW1制器、M-Z型调制器等。内调制优点：简单、经济、容易实现；缺点：随着传输速率的不断提高，

22、直接强度调制带来了输出光脉冲的相位抖动即喟啾效应，使得光纤的色散增加，限制了容量的提高。外调制优点：可以减小喟啾；缺点：比较复杂，成本较大5 .假定接收机工作于1550nm,带宽为3GHz,前置放大器噪声系数为4dB,接收机负载为R.=100Q,温度T=3000K,量子效率为刀=1,=1.25A/W, Gn=1,试计算接收机灵敏度。解：2 誓 FnBe XI。-1。A2RL对于 BER=1d, 丫 =7;FA(Gm)= FA(1)=1(eBeFA(Gm) =*10-5 W=*10-2 mW = dbmRGm '6.在考虑热噪声和散弹噪声的情况下，设APD的FA(Gm)=GXm x e

23、(0,1 ),推导APD的G的最佳值GO1此时APD接收机的SNRM大。解:4KbT""RT"FnBe2散粒SNR=4KrTBRL12RPGmm 2 mBe2eGm2 xRPBe4KbT12RPm2FnBeGm2 2eGmxRPBe_ 22 x2eGm FA(Gm)RPBe 2eGm RPBe可见当x=0时，APD的SNRM大。7 .证明又行1 OOKt接检测接收机的误码率公式：BER Q( I1 I0 )01解：_ _ I 1 I thP01 Q(-th)1_ I th I 0P1|0 Q(Jh0)0则由 BER=1/2P0|1+1/2 P1| 08 .对于PI

24、N直接接收机，假设热噪声是主要噪声源，且方差由()给出，对于误码率为10-12,速率为100Mbit/s和1Gbit/s ,以每1比特的光子数表示的接收灵敏度是多少？设工作 波长为1550nm,响应度为1.25A/W。2 PR_()22222斛： M R (y0 = o热, (71=0热 + o散,hfcB2GmR2 4kBTFnBe 1.656 10 22 B A2()Rl而忽略散弹噪声，有(7 12=(7 02=1.656 10 22 B ,12误码率为10 ，则丫 =7。对PIN , Gm=1,则计算(01),，则 m - 2 五656 10 22 B 7 ,109/9R 2GmR Rh

25、fcBRhfcBR5速率为 100Mbit/s 时，M=x 104速率为 1Gbit/s 时，M= X109 .推导() ? ? ? ?10 .推导（）证明：在放大系统中信号与自发辐射噪声差动噪声与其他噪声相比占主导地位，因此2号噪声 4R2GPPn（G 1）Be且I RGP ,因此根据误码率公式BER Q( I1 I0 ), 01以及以上的假设，则误码率为L LLRGPBER Q(') Q(=1) Q(=)信号噪声2RJGPPJG 1)Be2RjGPE(G 1洱=Q（2晨） 得证。11发全“ 0”码时的光功率为 40pVV全“1”码时的光功率为 100 wW若信号为伪随机码 序列，则

26、消光比为多少？解：伪随机码序列，消光比为EXT=Poo/2P t=40/200=20%12已知某光端机的灵敏度为-40dBm,动态范围为20dB,若系统能正常工作，则接收的光功 率在多少微瓦的范围之内？解：Prin= - 40dbm= 10 -4 mW=微瓦P mak-40+20=- 20dbm =10-2 mW =10 微瓦则接收的光功率范围为微瓦到10微瓦第5章无源光器件1 .光纤的连接损耗有哪些？如何降低连接损耗?解：连接损耗可分为外部损耗和内部损耗。外部损耗主要有轴向位移、连接间隔、倾斜位移、截面不平整。包括纤芯的直径、纤内部损耗主要是由于光纤的波导特性和几何特性差异导致的损耗, 芯区

27、域的椭圆度、光纤的数值孔径、折射率剖面等。采用较好的连接方法，改善连接器的性能。2 .试用2X2耦合器构成一个 8X8空分开关阵列，画出连接图和输入输出端口信号间流向, 计算所需开关数。需开关数12个。3 .讨论图所示平面阵列波导光栅的设计思想和方法。解：设计思想：将同一输入信号分成若干路分别经历不同的相移后又将它们合在一起输出；设计方法：将N个输入波导和N个输出波导，二个聚焦平面波导（星型耦合器）和通道 阵列波导，集成在单一衬底上。使得输入/输出波导的位置和阵列波导的位置满足罗兰圆规 则。4 .简述光耦合器和 WD附波器有什么不同。解：在宽带光纤耦合器中， 通常通过改变熔融拉锥工艺，使耦合器

28、输出端口的分光比不受波长的影响。相反，在 WD嚅件中则改变熔融拉锥工艺，使分光比随波长急剧变化。5 .光滤波器有哪些种类，滤波器应用在什么场合？解：光滤波器主要有 F-P腔滤波器、M-Z干涉滤波器、阵列波导光栅滤波器、声光可调滤波 器，光纤光栅滤波器。光滤波器用于滤出特定波长的光信号。6 .光开关有哪些性能参数，在光纤通信中有什么作用？解：光开关的性能参数主要有开关时间、通断消光比、插入损耗、串扰、偏振依赖损耗； 光开关在光纤通信技术中作光路切换之用，如系统的主备切换等。它是光交换的关键器件，在光网络中有许多应用场合。7 .简述F-P腔可调谐滤波器的工作原理。解：F-P腔型滤波器的主体是 F-

29、P谐振腔，是由一对高度平行的高反射率镜面构成的腔体， 当入射光波的波长为腔长的整数倍时光波可形成稳定振荡，输出光波之间会产生多光束干涉， 最后输出等间隔的梳状波形。 通过改变腔长L 或腔内的折射率n 来改变滤波器的中心波长。8 . 讨论光纤光栅在光通信中的应用。解：光纤光栅的应用范围有光纤激光器、WDg/分波器、超高速系统中的色散补偿器、固定或可调滤波器、光纤放大器、光纤光栅全光分插复用器等。9 .NLO娓否可作光开关？解 ： 可以。 改变环的长度或光波的波长， 使来自传输光纤的光波与绕环后的光波之间产生相移，两者之间产生相长和相消，达到开和关的作用。第 6 章 光放大器1. 光放大器包括哪些

30、种类，简述它们的原理和特点，EDFA有哪些优点。解：掺饵光纤放大器EDFA原理：在制造光纤过程中，向其掺入一定量的三价饵离子，利用饵离子的三能级系统， 形成粒子数反转，当入射光近来时， 由受激辐射产生光放大， 实现了信号光在掺铒光纤的传输过程中不断被放大的功能。 优点： 转移效率高、 放大的谱宽适合于WDMfc纤通信、具有较高的饱和输出光功率、动态范围大、噪声指数小、与光纤的耦合损耗小、增益稳定性好、增益时间常数较大；缺点：存在ASE噪声、串扰、增益饱和等问题。受激拉曼光纤放大器， 原理： 利用光纤媒质中传输高功率信号时发生的非线性相互作用-拉曼效应，频率为3 p和3 as的泵浦光和信号光通过

31、WD曲波器输入至光纤，当这两束光在光纤中一起传输时， 泵浦光的能量通过受激拉曼散射转移给信号光， 使信号光得到放大。 特 点：不需要粒子数反转，能够提供整个波段的光放大，主要问题在于所需泵浦的种类。受激布里渊光纤放大器 ， 原理： 利用强激光与光纤中的弹性声波场相互作用产生的后向散射光来实现对光信号的放大。其主要特点是高增益、低噪声、窄小带宽。半导体光放大器，原理：采用正向偏置的PN结，对其进行电流注入，实现粒子数反转分布， 利用受激辐射来实现对入射光功率的放大。 特点： 小型化的半导体器件，易于和其他器件集成；与偏振有关；具有大的带宽；但由于非线性现象（四波混频），SOA勺噪声指数高， 串扰

32、电平高。2. EDFA勺泵浦方式有哪些，各有什么优缺点？解：EDFA常用的结构有三种，即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。同向泵浦：优点是构成简单，噪声低， 信号一进入光纤即得到较强的放大；缺点是由于吸收，泵浦光将沿光纤长度而衰减。反向泵浦：优点是当光信号放大到很强的时候，泵浦光也强，不易达到饱和，从而获得较高增益。双向泵浦：结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使泵浦光在光纤中均匀分布，从而使其增益在光纤中也均匀分布。3. 一个EDFA功率放大器，波长为1542nm的输入信号功率为2dBm得到的输出功率为Pout=27dBm求放大器的增益。解：放大器在1542nm处的增益为1010g （Pout/Pi

33、n）=。4. 简述SBA与SRA间的区别，为什么在SBA中信号与泵浦光必定反向传输。解：SRA是靠非线性介质的受激散射，一个入射泵浦光子通过非弹性散射转移其部分能量， 产生另一个低能和低频光子，称为斯托克斯频移光，而剩余的能量被介质以分子振动（ 光学声子 ） 的形式吸收，完成振动态之间的跃迁。而SBA是泵浦光被注入光纤传输时，由于光波与晶体结构互作用产生一个声振动，同时光波被散射，在入射光的反方向上产生最大的散射频移和散射光强。SBA 中由于除了满足能量守恒定理外，还要满足动量守恒定理（或相位匹配条件） ，当 散射光与入射光夹角为 180度时得到最大的散射频移和散射光强。因此，在SBA中信号与

34、泵浦光必定反向传输。5. 一个长250 dm的半导体激光器做 F-P放大器，有源区折射率为4,则放大器通带带宽是 多少？解： c/2nL= （ 3X 108） / （ 2 X 4 X 250X 10-6）=6. EDFA在光纤通信系统中应用形式有哪些？解 ：主要有 1）在宽带光波分配系统中的应用； 2 ）作前置放大器， 3 ）作功率放大器； 4 ） 作线路放大器。7. EDFA勺主要性能指标有哪些，说明其含义。解 ：增益，是输出光功率与输入光功率的比值（增益带宽，是放大器放大信号的有效频率范围。增益饱和， 一般情况下输入信号应该足够大，时增益随信号功率增加而减小。增益波动，是增益带宽内的增益变

35、化范围（以噪声，EDFA勺噪声主要有信号光的散射噪声, 噪声等。dB 为单位） 。以便能引起放大器的饱和增益。 增益饱和dB 为单位） 。ASE噪声，以及信号-ASE, ASE-ASE拍8 . 分别叙述光放大器在四种应用场合时各自的要求是什么？解 ： 在线放大器： 用在线放大器代替光电光混合中继器。要求：光纤色散和放大器自发辐射噪声累积尚未使系统性能恶化到不能工作时，且需要考虑光学滤波和隔离等问题 /后置放大器： 是将光放大器接在光发送机后以提高光发送机的发送功率，增加传输距离，要求：需要考虑最大饱和输出功率，而对绝对增益和噪声系数的要求则要低一点。前置放大器 ： 将光放大器接在光接收机前，

36、以提高接收功率和信噪比。要求：前置放大器其主要的品质因数是高增益和低噪声， 由于接收机灵敏度主要受限于光放大器的噪声而不是接收机本身的热噪声，因此对前置放大器的噪声系数有极为苛刻的要求。功率补偿放大器： 将光放大器用于补偿局域网中的分配损耗， 以增大网络节点数。 还可 以将光放大器用于光子交换系统等多种场合。9 .叙述SOA- XG瞰长变换的原理？解：CW探测波（入s）和泵浦波（入p）经耦合器注入 SOA SOA寸入射光功率存在增益饱和特性。因而当有调制信息（“1”或“0”）的泵浦波注入SOAM,此时，泵浦信号将调制 SOA勺载流 子密度，从而调制增益（“无”或“有”），同时，注入的CW探测波

37、的强度变化也受增益变化 影响而按泵浦信号的调制规律变化，用带通滤波器取出变换后的入s信号，即可实现从入p到入s的波长变换。第7章光纤通信系统及设计1 商业级宽带接收机的等效电阻为a=750。当Rq=75Q时，保持发送机和接收机的参数和图的例子相同，在接收机光功率范围为0-16dBm时计算总载噪比，并画出相应的曲线，如同7.2.2节的推导一样，推出其载噪比的极限表达式。证明当Rq=75Q时，在任何接收光功率电平下，热噪声都超过量子噪声而成为起决定作用的噪声因素。解：利用2C0.5 mRGP22 xN RIN RP Beq 2e IP ID G Beq 4kTFtBeq/ Req eqeqeq -

38、eq以及相关参数，m= RIN=-143dB/Hz , R=0.6A/W, B=10MHz I D=10nA, Req=75Q , Ft=3dB;G=1, =*10-19C;玻尔兹曼常数 k = x 10 -23 m2 kg s -2 K-1, 设定温度为 300K计算总载噪比，并画出相应的曲线如下图。（注意计算过程中单位的统一，以及RIN和Ft在计算过程中db要转化为绝对单位）。载噪比的极限表达式同7.2.4节的推导，将参数代入即可。在Req=75Q时，计算三种噪声极限下的载噪比并画图如下图， 可见在任何接收光功率电平下, 热噪声都超过量子噪声而成为起决定作用的噪声因素。 （也可以通过计算比

39、较两种噪声的大 小得到结论）。接收光功率/dbm2 假设一个SCM!(统有120个信道，每个信道的调制指数为 %链路包括一根损耗为1dB/km 的12km长的单模光纤，每端有一个损耗为的连接器；激光光源耦合进光纤的功率为2mW光源的RIN=-135dB/Hz ; pin光电二极管接收机的响应度为0.6A/W, B=5GHz I D=10nA,Rq=50Q , Ft=3dB,试求本系统的载噪比。解：m= (120)=。计算接收光功率：Ps-Pr= +1 12=13dB,而 Ps=2mW=3dRm所以 Pr= -10dBm ;代入公式计算载噪比为。3 如果题3中的pin光电二极管用一个 G=10和

40、F (G)=的InGaAs雪崩光电二极管替代， 那么系统的载噪比又是多少？解：即计算公式中的 G=10, G2 x=+2,代入计算公式得到：载噪比为 。4 假设一个有32个信道的FDM系统，每个信道白调制指数为%若RIN=-135dB/Hz ,假定pin 光电二极管接收机的响应度为0.6A/W, B=5GHz ID=10nA, Rq=50Q , Ft=3dB。(a) 若接收光功率为-10dBm,试求这个链路的载噪比；(b) 若每个信道的调制指数增加到7%接收光功率减少到-13dBm,试求这个链路的载噪比。解：m= (32)=。(a) 代入计算公式得到链路的载噪比为。(b) m= (32)=,接

41、收光功率为-13dBm,代入计算公式得到链路的载噪比为dB。余度为km,设备富余度为。解：功率限制中继距离为：-3- (-56) = + +1+1 2+ +,得到L=。106一而色散限制中继距离为：L ，而信息速率为 565Mb/s的单模光缆传输系统,BD采用5B6B码型，其传车速率为 677990kb/s 。,因此0.115 106677.99 2 1.8=47.1164km显然这是一个色散限制系统，最大中继距离应小于。6 一个二进制传输系统具有以下特性：? 单模光纤色散为 15ps/ ( nm? kmj),衰减为kmu?发射机用 入=1551nmW GaAs激光器，发射平均光功率5mWV谱

42、宽2nmi?为了正常工作，APD接收机需要平均1000个光子/比特。?在发射机和接收机处耦合损耗共计3dB。a、数据速率为10和100Mbit/s时，找出受衰减限制的最大传输距离。b、数据速率为10和100Mbit/s时，找出受色散限制的最大传输距离。c、对这个特殊系统，用图表示最大传输距离与数据速率的关系，包括衰减和色散两种 限制。解：a、Ps=5mW=,而 M 型，h=*10-34 (J-s ), R MhcB (W； hvB2受衰减限制的最大传输距离：Ps- Pr(dBm =3+0.2 L (a)b、 L0.115 106(b)数据速率为 10 Mbit/s 时，L=479.6 km ;

43、数据速率为 100Mbit/s 时，L=429.6km,B 15 2数据速率为10 Mbit/s 时，L= km;数据速率为 100Mbit/s 时，L=,c、利用(a)和(b)式，画出衰减和色散两种限制下最大传输距离与数据速率的关系。mK/离距输传大最J支/ 一. 一损耗限制 色散限制0 0204060数据速率/ Mb/s80100O40o OO 55 4o o o o O5 0 5 0 53 3 2 2 1O 517 画图比较(参见图)下面两个速率为100Mbit/s的系统其损耗受限的最大传输距离。系统1工作在850nm： (a) GaAlAs半导体激光器：0dBm (1mVV的功率耦合进

44、光纤；(b) 硅雪崩光电二极管： 灵敏度-50dBm; (c)渐变折射率光纤：在850nm处的损耗为km; ( d) 连接器损耗：每个连接器为 1dB。系统 2 工作在 1300nm： (a) InGaAsP LED： -13dBm 的功率耦合进光纤； (b) InGaAs pin 光电二极管：灵敏度-38dBm; (c)渐变折射率光纤：在 1300nm处的损耗为km; (d)连 接器损耗：每个连接器 1dB。每个系统均要求6dB的系统富余度。解：作图方法同书中的方法，得到系统1的最大传输距离为12km。系统2的最大传输距离为。9、当米用对端环回-本端测试方法观测一段全长为 时，误码仪每秒钟统

45、计一次误码，其结果如卜表：280km的四次群光纤通信系统的全程误码时间误码个数00:00: 00 ;0 ;06:I00: 01180006:00: 02180006:00: 03240006:00: 04220006:00: 05100006:00: 0670006:00: 07 ;0 ;23:159: 5910注：表中未标出的时间，其误码个数为0试求：(1)系统的平均误码率 BER(2) DM SEG ES的平均百分数解：(1)系统的平均误码率 BER安码的个数/总的传输码元数= 800 1800 2400 2200 1000 700 =139.264 106 （24 60 60）（2）误码

46、都是发生在某一分钟内，这一分钟内误码率为：800 1800 2400 2200 1000 700 =，劣于 1 X 10-6 ,属于劣化分，所以139.264 106 60DM=1/ （24 60） =%有误码的秒为6秒，所以ES=6/ （24 60 60） =%这6秒的误码率分别为，优于1X10-3,都不属于严重误码秒，因止匕SES=0%第8章SDH1、SDH备在规范方法上有什么不同？解：SDH备的设计思想是将同步设备按一种所谓的功能参考模型分成单元功能，复合功能和网络功能。在这种情况下，功能模型重点描述的是具体设备的功能行为， 不再描述支撑其 功能行为的设备硬件或软件结构， 规范的功能模型

47、允许有许多种不同的实施方法。 系统的各 个功能可以分在三个设备中，也可以集中在一个设备中。2、请画出SDH的帧结构图，简述各部分的作用。解：STM-N帧结构图如下图。帧结构由信息净负荷（Payload,含通道开销POH、段开销（SOH 和管理单元指针（AU-PTFR三个主要区域组成。行传输方向一帧一帧（9X 270 X N 字节）一帧9X N歹U261 X N净负荷区存放的是有效的传输信息，其中还含有少量用于通道性能监视、管理和控制的通道开销字节（POH, POHM视为净负荷的一部分。段开销是为了保证信息净负荷正常灵活的传送所必须附加的字节。主要提供用于网络的运行、管理、维护以及指配（ OAM

48、&P功能的字节。段开销包括再生段开销（ RSOH和复用 段开销（RSOH。管理单元指针（AU-PTR是用来指示信息净负荷第一个字节在帧内的准确位置，以便在收端正确分离信息净负荷。3、试计算STM-1段开销的比特数。解：段开销分别位于帧结构的三行（第一行到第三行）9列和五行（第五行到第九行）9列,共计（3+5）9=72个字节，即576个比特 4、试计算STM-16的码速率。解：STM-1码速率是s,因此STM-16的码速率为Mb/s = Mb/s5、请画出用SDXC勾成的自愈网结构图。 解：参考书中，主要是网状结构。6、简述SDH网管的主要功能。解：SDHW管系统利用帧结构中丰富的开销字

49、节，可以实施对SDH设备和SDH专送网的强大的管理功能。SDH网管的主要功能有：一般管理功能，故障管理功能，性能监视，配置管理 以及安全管理。7、简述ADM勺功能与连接能力，其基本构成以及各部分作用。解：ADM的功能主要体现在对信号的路由连接和对信号的复用/解复用上，用于在高速率码流中分（取）出/插入低速率的码流。ADM设备应该具有支路-群路（上/下支路）和群路-群路（直通）的连接能力。一般的OADW点可以用四端口模型来表示，基本构成如下：O O基本功能包括三种：下路需要的波长信道，复用进上路信号，使其它波长信道尽量不受影响地通过。ADMM体的工作过程如下：从线路来的 WDM1号包含N个波长信

50、道，进入OADMJ“Main Input ” 端，根据业务需求，从N个波长信道中，有选择性地从下路端 （Drop）输出所需的波长信道， 相应地从上路端（Add）输入所需的波长信道。而其它与本地无关的波长信道就直接通过ADM和上路波长信道复用在一起后，从OADMJ线路输出端（Main Output ）输出。第9章WDM1、一个由4信道组成的 WDI#输系统。如果假设信道具有零带宽，信道间隔应当多大，才能保证被选信道的检测功率比检测到的相邻信道的功率大10倍？假设原来采用一个标准的FP滤波器作为解复用器，其通带为30GH%解：根据洛伦兹线型，假设为归一化洛伦兹线型2rI -22 ,大致如下: r

51、v22 r联立计算0.5 /二；0.1rv1得至U V245 GHz;r-22； v115 GHzrv2所以信道间隔为45GHz2. 简述波分复用工作原理及系统组成。解：光波分复用 WDMWavelength Division Multiplexing ）是将光纤的低损耗窗口可使用光谱带宽划分为若干极窄的子带宽，信号被强度调制在子带宽的中心波长上，在子带宽内传输，即在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。系统构成见书中图和。3. WD源统对光源的要求是什么？有哪些器件可以作为WDM（统的光源器件？解：WDMR统中要求光源的波长具有稳定性、可重复性和精确性。4. EDF刖在WDMR统中，存在

52、的突出问题是什么？应采取哪些措施克服这些问题？解：1.在WDM（统中采用EDFA以后，光功率增大，使得光纤呈现非线性特性。解决方法见9.2.2 节。2. EDFA曾益不平坦，引起增益偏差累积，低电平信道的SNR化等等。ITU-T的建议，这些参数的取值及5 .波分复用器/解复用器的主要性能参数有哪些？根据范围是什么？解：见书5.7.1节.6 .设EDFA饱和功率是20mVy每毫瓦泵浦功率产生5dB的增益，泵浦功率是 5mW试问没有饱和的最大输入功率是多少？解: 20mW7.光波分复用系统的工作波长范围多少？为什么这样取？根据通路间隔的大小，光波分复用技术可以分为几种？通路间隔的选择原则是什么？解：目前DWDMB是应用在1550nm波长区段内。可分为：稀疏的 WDM密集的 WDMf口致密的WDM通路间隔的选择原则见书9.3.2.8 . 为什么要引入非零色散位移光纤（NZDSF）？解：克服FW瞰应引起的信道串扰.9 .为什么在WDM（统中光源要采用