光通信复习题参考答案

一、填空：1、通信系统的容量通常用带宽距离积表示，对于光纤通信系统，若仅从光纤的角度考虑，容量受光纤色散限制。2、G.652光纤有三个低损耗传输窗口，分别为850nm、1310nm与1550nm。3、多模光纤的色散主要是模式色散和色度色散，单模光纤色散主要包括：(1)材料色散，(2)波导色散。4、在阶跃折射率分布光纤中，只传输单模的条件是归一化频率V小于2.405，此单模为基模。5、在光纤通信系统中，光功率通常用dBm来表示，如果耦合进光纤中的光功率为-13dBm，则相当于0.05mW光功率。6、光纤从横截面上看由3部分组成，即：(1)纤芯，(2)包层，(3)涂敷层。7、光纤的数值孔径代表光纤的接受和传输光的能力。(P17)8、光缆中护层的作用主要是避免光纤受机械和环境的破坏。(P37)9、色散位移单模光纤与G.652光纤的不同之处是其工作频率为1.94×1014HZ,目的是将零色散区域移到损耗较低的波长。10、从通信的角度看，单模光纤与多模光纤在性能上的主要区别为单模色散小，通信容量大。11、在光通信中，表征光纤性能的两个主要参数是（1）色散，（2）损耗。12、非零色散位移光纤与色散位移光纤的区别是工作区域有适量色散，其目的是抑制非线性效应。(P35)13、渐变折射率分布多模光纤相对于阶跃折射率分布多模光纤的优点是色散较小。(P14)14、在由于光纤通信中采用介质波导来传输信号，而且光信号又是集中在纤芯中传输的，因此光纤通信具有很强的抗电磁干扰能力。15、从折射率的角度对光纤进行分类，可分为：突变性多模光纤和渐变性多模光纤16、量子效率是描述光电检测器光电转换能力的一种物理量。(P62)17、单模光纤的群速度色散导致的光脉冲展宽与（1）光源的频谱宽度2）调制带宽关。18、从光纤的集光能力考虑，希望数值孔径越大（填“大”或“小”）越好，而从通信速率角度考虑，则希望数值孔径越小（填“大”或“小”）越好。19、单模光纤有色度色散及偏振模色散,后者一般只在高速系统中才考虑。20、渐变折射率分布光纤同普通多模光纤相比，可以减小色散，进而提高带宽。21、光纤损耗主要包括：辐射损耗、散射损耗和吸收损耗。22、群速度色散补偿的方法有：（1）基模色散补偿光纤，（2）色散补偿光纤光栅，（3）激光器啁啾调制。23、大有效面积光纤的优点是降低单位面积的光功率，从而减少非线性效应。24、阶跃光纤中，在包层和纤芯分界面上形成全反射的条件为θ1<θc。（角度关系）25、处于高能级E2的电子，在未受外界激发的情况下，自发地跃迁到低能级E1，从而发射出一个能量为hf（=E2－E1）的光子的过程称为自发辐射。26、形成激光振荡的三个条件是：(1)粒子数反转分布，(2)激活物质置于光学谐振腔中，(3)对光频率和方向进行选择。半导体激光器只有当注入电流大于阈值电流时，才能产生激光。27、数字光接收机的性能由灵敏度决定，它定义为在保证误码率的基础上，光接收机所需的最小平均接受光功率。28、光纤耦合器是实现光信号分路/合路的功能器件，是对同一波长的光功率进行分路/合路；波分复用/解复用器的功能是，将若干路不同波长的信号复合后送入同一根光纤中传送，或相反的作用。29、在以半导体激光器为光源的光发送机中，将电信号转变为光信号有两种调制方式，分别为直接调制与外调制。30、光电检测过程的基本机制是半导体材料的光电效应，当入射光子能量超过带隙时，每当一个光子被半导体吸收就产生一个电子—空穴对，在外加电压建立的电场作用下形成光生电流。31、波分复用器/解复用器有(1)布喇格(Bragg)光栅，(2)法布里—帕罗(Fabry-PerotP-F)滤波器，(3)马赫—曾德尔(Mach-ZehnderM-Z)干涉仪等多种。32、对强度调制器性能的要求有（1）调制速率高，（2）无信号失真等。33、PIN光电二极管与普通PN管相比，其优点是：（1）光电转换效率高（2）响应速度快。34、量子噪声强度与平均入射功率有关，热噪声强度与（1）温度及（2）负载电阻有关。35、当温度升高时，半导体激光器的波长向长波长方向移动，输出功率降低（增大或降低），这是由于阀值电流增大及外微分量子效率减小引起的。36、在以半导体激光器为光源的光发送机中，采用直接调制，会产生电光延迟，增大脉冲展宽。37、N型半导体是在本征半导体中掺入5价杂质形成的？PN结中的载流子存在（1）扩散运动与（2）飘移运动两种运动。38、量子噪声强度与平均入射功率有关，热噪声强度与（1）温度及（2）负载电阻有关，从接收机灵敏度的角度考虑，希望采用高阻抗前端。39、数字光接收机中“均衡器”的功能是对光/电转化和放大后已畸变(失真)的电信号进行补偿；“时钟提取”出的“时钟”用来逐个地对码元波形进行抽样判决，以得到原元发送的码流。40、PIN光电二极管与普通PN管相比，其优点是：（1）光电转换效率高，（2）响应速度快。APD光电管与PIN光电管的区别在于APD具有倍增效应。41、P型半导体是在本征半导体中掺入3价杂质形成的？PN结中的载流子存在（1）扩散运动与（2）漂移运动两种运动。

二、计算题（光速C=3×1081、某阶跃折射率分布光纤的纤芯折射率为n1=1.5，包层与纤芯的相对折射率差Δ=0.003，纤芯直径2a=7µm，试问：(1)该光纤的第一高次模的截止波长λc=?(2)当分别用波长为λ1=0.85µm及λ2=1.3µm的光波激励该光纤时，能否实现单模传输？[解]:(1)由Δ=(n1-n2)/n1=0.003得n2=1.4955NA=(n12-n22)1/2=0.116λc=2πaNA/2.405=1.06(μm)(2)λ1<λc，多模λ2>λc，单模2、某多模光纤，纤芯直径2a=50µm，纤芯折射率为n1=1.450，包层折射率为n2=1.448，则：(1)计算光纤端面的最大入射角。(2)当工作波长为λ=1.55µm时，可激励多少个模式？[解]:(1)NA=(n12-n22)1/2=0.07613而NA=n0sinθc故θc=0.0762(2)V=2πaNA/λ=7.715(μm)M=V2/2=29.76[答]：30个

3、某多模光纤，纤芯直径2a=50µm，纤芯折射率为n1=1.450，包层折射率为n2=1.448，则：(1)计算光纤的数值孔径；(2)当传输速率为15.0Mbit/s时，最大允许的传输距离是多少？[解]:(1)NA=(n12-n22)1/2=0.07613(2)根据Nyquist准则:f3dB=15(MHz)而f3dB=441/ΔτΔτ=441/f3dB=29.4(ns)最后用Δτ=L/2n1c*NA2得L=4.413(km)4、某阶跃折射率分布光纤的纤芯折射率为n1=1.50，包层折射率为n2=1.49，现有一光波在光纤端面轴线处以15的入射角进入光纤，试问该入射光线能否成为传导模？[解]:由NA=n0sinθc得θc=arcsinNA=arcsin(n12-n22)1/2 =0.17379=9o57’15>θc[答]:不能5、现有下列元件可以使用：(1)以1.55µm波长工作的半导体激光器，能耦合进单模光纤的平均功率为0.1mW。(2)25段光纤，每段长度均为2Km，衰减为0.5dB/Km。(3)每段光纤之间用连接器连接，每个连接器的插入损耗为0.5dB。(4)一台PIN光电管接收机，灵敏度为-40dBm；现在要利用这些元件设计一条50Km长的光波系统。如果需要的系统富裕度为6dB，你认为是否还需要其它的元件？如需要，请说明是何种元件，并给出关键指标。[解]:Pt=0.1(mW)=-10(dBm)αfL=25*2*0.5=25(dB)2αc=(25+1)*0.5=13(dB)Me=6(dB)经过传输后的功率为P=Pt-αfL-2αc-Me=-54(dBm)Pr-P=14(dB)[答]:还要一台增益至少为14dB的放大器6、现有下列元件可以使用：(1)以1.3µm波长工作的半导体激光器，能耦合进单模光纤的平均功率为0.5mW。(2)25段光纤，每段长度均为2Km，衰减为0.5dB/Km。(3)每段光纤之间用连接器连接，每个连接器的插入损耗为0.5dB。(4)一台PIN光电管接收机，灵敏度为-40dBm；一台APD光电管接收机，灵敏度为-59dBm。现在要利用这些元件设计一条50Km长100Mbit/s的光波系统。如果需要的系统富裕度为6dB，则应选择哪一种接收机？请给出选择的理由。[解]:Pt=0.5(mW)=-3(dBm)αfL=25*2*0.5=25(dB)2αc=(25+1)*0.5=13(dB)Me=6(dB)经过传输后的功率为P=Pt-αfL-2αc-Me=-47(dBm)需要Pr<或=P[答]:用APD光电管接收机7、现有下列元件可以使用：(1)以1.55µm波长工作的半导体激光器，能耦合进单模光纤的平均功率为0.1mW；(2)50段光纤，每段长度均为2Km，衰减为0.5dB/Km；(3)每段光纤之间用连接器连接，每个连接器的插入损耗为0.5dB；(4)一台PIN光电管接收机，灵敏度为-40dBm；(5)若干光放大器供选用，每台光放大器增益为20dB。现在要利用这些元件设计一条100km长的光波系统。如果需要的系统富裕度为6dB，请从光功率预算角度分析，该系统至少需要几个光放大器，以及在线路中如何放置，说明理由。[解]:Pt=0.1(mW)=-10(dBm)αfL=50*2*0.5=50(dB)2αc=(50+1)*0.5=25.5(dB)Me=6(dB)经过传输后的功率为P=Pt-αfL-2αc-Me=-91.5(dBm)需要Pr<或=P设Pr=P*n*A即:-40=-91.5*n*20n=2.575[答]:要3个，平均放在12,24,368、现有下列元件可以使用：(1)以1.55µm波长工作的半导体激光器，能耦合进单模光纤的平均功率为0.1mW；(2)100段光纤，每段长度均为2Km，衰减为0.5dB/Km；(3)每段光纤之间用连接器连接，每个连接器的插入损耗为0.5dB；(4)一台PIN光电管接收机，灵敏度为-40dBm；(5)若干光放大器供选用，每台光放大器增益为20dB。现在要利用这些元件设计一条200km长的光波系统。如果要求的系统富裕度为6dB，请从光功率预算角度分析，该系统至少需要几个光放大器，以及在线路中如何放置，说明理由。[解]:Pt=0.1(mW)=-10(dBm)αfL=100*2*0.5=100(dB)2αc=(100+1)*0.5=50.5(dB)Me=6(dB)经过传输后的功率为P=Pt-αfL-2αc-Me=-166.5(dBm)需要Pr<或=P设Pr=P*n*A即:-40=-166.5*n*20n=6.325[答]:要7个，平均放在12,24,36,48,60,72,84km三、论述分析题1、光纤通信系统的组成及其各部分的作用。光发送机，光接收机，光纤线路，光中继机[答]：作用分别是：将输入的电信号转换成光信号，并将光信号最大效率地耦合到光纤中。把由光发送机发送的、经光纤线路传输后输出的已衰减和畸变的微弱光信号转换为电信号，并经放大、再生恢复为原来的电信号。光信号的传输介质，把来自光发送机的光信号以尽可能小的衰减和畸变传送到接收机。为保证长距离传输，光纤线路中间有光中继机，将经光纤长距离传输后受到较大衰减和畸变的光脉冲信号转换成电信号，进行放大、整形、再生，最后变成一定强度的光信号继续在光纤中传输。2、色散和损耗对通信系统的影响？多模光纤和单模光纤色散的种类？光纤损耗的种类？[答]：损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输容量。多模：模式色散，材料色散，波导色散单模：色度色散，偏振度色散损耗种类：辐射损耗，散射损耗，吸收损耗3、请分析光纤连接中产生插入损耗的原因。[答]：光检测器偏压控制光检测器偏压控制前置放大器AGC电路均衡器判决器时钟提取再生码流主放大器光信号4、说明强度调制——直接检测数字光接收机的组成（画出组成框图）及各组成部分的功能。[答]：光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。主放大器一般是多级放大器，它的作用是：（1）提供足够的增益（2）并通过它实现自动增益控制(AGC)，使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。均衡的目的：•对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿•使输出信号的波形适合于判决(一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形)，以消除码间干扰，减小误码率。5、请分析光纤连接中产生插入损耗的原因[答]：光纤活动连接器插入损耗的主要起因可分为外因和内因两大类.外因有横向错位、角度倾斜、端面间隙、端面质量、端面反射.它们是连接手段不完善引起的.而内因则是被连接光纤固有的不完善所引起的,即使光纤活动连接器等的结构非常完备也不可避免.典型的内因有芯径不一致、纤芯或包层的不圆整(椭圆性)、外径的波动、光纤几何中心与模场中心的偏差。6、请介绍一种波分复用器/解复用器的工作原理。[答]：波分复用(WND)是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。(自己举例)7、简述LED与LD在工作原理、输出功率、注入电流特性及调制特性方面的差异。[答]：工作原理：LED是自发辐射，不需要光学谐振腔，没有阀值，LD是受激辐射；输出频率：LED的输出光功率较小，范围较宽，LD反之；电流特性：LED没有阀值电流，LD反之；调制特性：LED的光谱宽度较宽，调制频率较低。8、说明数字光接收机中“均衡滤波器”的功能。[答]：均衡器的作用是对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使之成为最有利于判决、码间干扰最小的升余弦波形9、某WDM系统共8个波长信道，在一中间节点处需对其中两个波长进行分插，试设计该OADM方案。[答]：在两个环行器之间接入2个光纤光栅，在两个环行器的端口3分别接入解复用器和复用器，这样就可以分下和插入2个波长信号，最后还可以通过不同组合形式的光开关，从2个波长中选取任意的分插波长。10、请列举导致光接受机灵敏度恶化的因素。[答]：消光比的影响，强度噪声的影响，取样时间抖动的影响，模噪声的影响，色散展宽的影响，模分配噪声的影响，频率啁啾的影响。11、光纤通信技术已经历了五个发展阶段，请简述各阶段系统的特点。[答]：第一