《光纖通信》習題解答

1、第1章1. 光通信的優(yōu)缺點各是什么？答：優(yōu)點有：通信容量大；傳輸距離長；抗電磁干擾；抗噪聲干擾；適應環(huán)境；重量輕、安全、易敷設；保密；壽命長。缺點：接口昂貴；強度差；不能傳送電力；需要專用的工具、設備以及培訓；未經(jīng)受長時間的檢驗。2. 光通信系統(tǒng)由哪幾部分組成，各部分功能是什么？答：通信鏈路中最基本的三個組成部分是光發(fā)射機、光接收機和光纖鏈路。各部分的功能參見1.3節(jié)。3. 假設數(shù)字通信系統(tǒng)能夠在載波頻率1%的比特率下工作，試問在5GHz的微波載波和1.55m的光載波上能傳輸多少路64kb/s的音頻信道？答：5GHz×1/64k781路 （3×108/1.55×1

2、0-6）×1/64k3×107路4. SDH體制有什么優(yōu)點？答：主要為字節(jié)間插同步復用、安排有開銷字節(jié)用于性能監(jiān)控與網(wǎng)絡管理，因此更加適合高速光纖線路傳輸。5. 簡述未來光網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢及關鍵技術。答：未來光網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢為全光網(wǎng)，關鍵技術為多波長傳輸和波長交換技術。6. 簡述WDM的概念。答：WDM的基本思想是將工作波長略微不同，各自攜帶了不同信息的多個光源發(fā)出的光信號，一起注入同一根光纖，進行傳輸。這樣就充分利用光纖的巨大帶寬資源，可以同時傳輸多種不同類型的信號，節(jié)約線路投資，降低器件的超高速要求。7. 解釋光纖通信為何越來越多的采用WDM+EDFA方式。答：WDM波分

3、復用技術是光纖擴容的首選方案，由于每一路系統(tǒng)的工作速率為原來的1/N，因而對光和電器件的工作速度要求降低了，WDM合波器和分波器的技術與價格相比其他復用方式如OTDM等，有很大優(yōu)勢；另一方面，光纖放大器EDFA的使用使得中繼器的價格和數(shù)量下降，采用一個光放大器可以同時放大多個波長信號，使波分復用（WDM）的實現(xiàn)成為可能，因而WDMEDFA方式是目前光纖通信系統(tǒng)的主流方案。8. WDM光傳送網(wǎng)絡（OTN）的優(yōu)點是什么？答： （1）可以極大地提高光纖的傳輸容量和節(jié)點的吞吐量，適應未來高速寬帶通信網(wǎng)的要求。（2）OXC和OADM對信號的速率和格式透明，可以建立一個支持多種電通信格式的、透明的光傳送平

4、臺。（3）以波長路由為基礎，可實現(xiàn)網(wǎng)絡的動態(tài)重構和故障的自動恢復，構成具有高度靈活性和生存性的光傳送網(wǎng)。第二章1. 光波從空氣中以角度1=330投射到平板玻璃表面上，這里的1是入射光線與玻璃表面之間的夾角，根據(jù)投射到玻璃表面的角度，光束部分被反射，另一部分發(fā)生折射。如果折射光束和反射光束之間的夾角正好為900，請問玻璃的折射率等于多少？這種玻璃的臨界角又為多少？解： 入射光束與玻璃表面的法線角度（即入射角）=90-33=57度。則反射角r=，折射角2=180-90-57=33度，假設空氣的折射率為n1=1，由折射定理n1sin=n2sin2 得到玻璃的折射率為 n2=n1sin/ sin2 =

5、 1.54全反射發(fā)生在從玻璃射向空氣的時候，此時c=sin-1(n1/n2)=40.49度。2. 計算n1=1.48及n2=1.46的階躍折射率光纖的數(shù)值孔徑。如果光纖端面外介質折射率n=1.00，則允許的最大入射角max為多少？解：NA= 0.2425最大入射角max=arcsin（）=14.03度3. 弱導波階躍光纖纖芯和包層折射率指數(shù)分別為n1=1.5，n2=1.45，試計算：（1） 纖芯和包層的相對折射指數(shù)差。（2） 光纖的數(shù)值孔徑NA。解：（1）= 0.0328 （2）NA= 0.38414. 已知階躍光纖纖芯的折射率為n1=1.5，相對折射指數(shù)差=0.01，纖芯半徑a=25m，若0

6、=1m，計算光纖的歸一化頻率V及其中傳播的模數(shù)量M。解：=2×25m/1m×（2×1.52×0.01）0.5= 33.3216 模數(shù)量=5555. 一根數(shù)值孔徑為0.20的階躍折射率多模光纖在850nm波長上可以支持1000個左右的傳播模式。試問：（a） 其纖芯直徑為多少？（b） 在1310nm波長上可以支持多少個模式？（c） 在1550nm波長上可以支持多少個模式？解：（a），而從而得到纖芯半徑：a=V/（）=30.25m，則直徑為60.5m（b），與波長的平方成反比因此在1310nm上的模式數(shù)為M=（850/1310）2×1000=421

7、（c）在1550nm上的模式數(shù)為M=（850/1550）2×1000=3006. 纖芯折射指數(shù)為n1=1.5，長度未知的弱導波光纖傳輸脈沖重復頻率f0=8MHz的光脈沖，經(jīng)過該光纖后，信號延遲半個脈沖周期，試估算光纖的長度L。解：脈沖周期T=1/ f0=1.25×10-4 s。 路徑最短的光通過光纖的時間為=T/20.625×10-4 s從而解得：L= 12.5 km7. 階躍型光纖，若n1=1.5，0=1.31m，（1） =0.25，為保證單模傳輸，光纖纖芯半徑a應取多大？（2） 若取芯徑a=5m，保證單模傳輸時，應怎樣選擇？解：（1）單模傳輸要求 解得到 0.

8、4727m（3） 同樣用 得到 0.00228. 漸變型光纖的折射指數(shù)分布為求光纖的本地數(shù)值孔徑。解：n2=n(0)1-21/2 NA 9. 某光纖在1300nm處的損耗為0.6dB/km，在1550nm波長處的損耗為0.3dB/km。假設下面兩種光信號同時進入光纖：1300nm波長的150W的光信號和1550nm波長的100W的光信號，試問這兩種光信號在8km和20km處的功率各是多少？以W為單位。解： 因此 將數(shù)值代入可得到：對1310nm、150W的光信號，在8km和20km處的功率分別為49.67W和9.46W；對1550nm波長的100W的光信號，在8km和20km處的功率分別為57

9、.54W和25.12W。10. 一段12km長的光纖線路，其損耗為1.5dB/km；（a） 如果在接收端保持0.3W的接收光功率，則發(fā)送端的功率至少為多少？（b） 如果光纖的損耗變?yōu)?.5dB/km，則所需的輸入光功率為多少？解：（a）利用 ，得到=18.93W （b） ，得到 =30018.93W11. 考慮一段由階躍折射率光纖構成的5km長的光纖鏈路，纖芯折射率n1=1.49，相對折射率差=0.01：（a） 求接收端最快和最慢的模式之間的時間差；（b） 求由模式色散導致的均方根脈沖展寬；（c） 假設最大比特率就等于帶寬，則此光纖的帶寬距離積是多少？解：（a）=5*1.49*0.01/3*1

10、05=2.48×10-7 s （b）均方根脈沖展寬就是最快和最慢的模式之間的時延差，即2.48×10-7 s （c）帶寬距離積為10（Mb/s）km12. 考慮10km長，NA=0.30的多模階躍折射率光纖。如果纖芯折射率為1.45，計算光纖帶寬。解：最大帶寬距離積為，而NA=，將以上數(shù)據(jù)帶入可得到B=483.3kHz。13. 考慮10km長，NA=0.30的多模階躍折射率光纖。如果纖芯折射率為1.45，計算光纖帶寬。解：最大帶寬距離積為，而NA=，將以上數(shù)據(jù)帶入可得到B=483.3kHz。14. 某工程師想測量一根1895m長的光纖在波長1310nm上的損耗，唯一可用的儀

11、器是光檢測器，它的輸出讀數(shù)的單位是伏特。利用這個儀器，使用截斷法測量損耗，該工程師測量得到光纖遠端的光電二極管的輸出電壓是3.31V，在離光源2m處截斷光纖后測量得到光檢測器的輸出電壓是3.78V，試求光纖的損耗是多少dB/km？解：光檢測器輸出電壓與光功率成正比。因此 0.3046 dB/km。14. 根據(jù)光纖損耗測量中截斷法所依據(jù)的公式，要測量的功率正比于光檢測器的輸出電壓。如果兩次功率測量時電壓讀數(shù)相差±0.1%，則損耗精度的偏差有多大？若要獲得優(yōu)于±0.05dB/km的靈敏度，光纖至少應有多長？解： 10×(±0.1%)=±1%(dB/

12、km) 光纖至少5Km。15.現(xiàn)已測得光纖的色散系數(shù)為120ps/（nm·km），當光源譜寬是2.5nm時，此時單位長度光纖的3dB帶寬有多寬？解：根據(jù)公式 將數(shù)據(jù)代入得到B=1.47GHz。16. 將3根500m長的光纖有序地連接在一起，然后使用OTDR測量這段光纖的損耗，得到的數(shù)據(jù)如圖所示。這三段光纖的損耗分別是多少dB/km？接頭損耗是多少dB？第二段和第三段光纖接頭處接頭損耗較大的原因是什么？解：（1）根據(jù)光纖的損耗P(L)=P(0)可知，p1、p2的值由圖給出如下：第一段P1(L=0)和P2(L=2×0.5km)讀數(shù)分別是70 和30；第二段P1(L=1km)和P

13、2(L=2km)讀數(shù)分別是30 和10；第三段P1(L=2km)和P2(L=3km)讀數(shù)分別是7 和1.9；第一個接頭損耗：4.1第二個接頭損耗：5.1（2）第二段和第三段光纖的模場直徑MFD不一樣。17. 如果使用OTDR將光纖故障定位在真實位置±0.5m范圍內(nèi)，試證明光脈沖的寬度應不大于5ns。解： 得到=5 ns18.H（f）的高斯近似表達式為：至少對幅度為峰值75%的頻域內(nèi)的點是精確的。利用這個關系式，分別畫出光纖脈沖響應的rms脈沖全寬2等于2.0，1.0和0.5ns時的P（f）/P（0）與頻率的關系曲線，頻率范圍是01000MHz。這些光纖的3dB帶寬分別是多少？解： 從

14、圖中可以得到，這些光纖的3dB帶寬分別是 182.6MHz，371.54 MHz，749.89 MHz第3章 光源和光檢測原來書上第3章的題目1. 計算一個波長為=1m的光子能量，分別對1MHz和100MHz的無線電波做同樣的計算。 解：光子的能量E=焦耳。 對1MHz的無線電波E=hf= 6.63×10-34×106=6.63×10-28焦耳。 100MHz， E=hf= 6.63×10-34×108=6.63×10-26焦耳。2. 太陽向地球輻射的光波，設其平均波長=0.7m，射到地球外面大氣層的光強大約為I=0.14W/cm2。

15、如果恰好在大氣層外放一個太陽能電池，試計算每秒鐘到達太陽能電池上每平方米板上的光子數(shù)。解：波長=0.7m的光子的能量為：E=28.414×10-20焦耳每平方米的太陽能電池的光強為 I=1400W=1400焦耳/秒則每秒鐘到達太陽能電池上每平方米板上的光子數(shù)為I/E=4.927×1021 個3. 如果激光器在=0.5m上工作，輸出1W的連續(xù)功率，試計算每秒從激活物質的高能級躍遷到低能級的粒子數(shù)。解：在=0.5m上出射的光子的能量為：E=39.78×10-20焦耳輸出功率1W=1J/s，即每秒輸出的能量為1J，則光子數(shù)為1/39.78×10-20=2.51

16、38×1018那么每秒從激活物質的高能級躍遷到低能級的粒子數(shù)等于出射光子數(shù)的一半，即1.2569×1018 4. 光與物質間的互作用過程有哪些？解：在介質材料中存在著受激吸收，自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射等三種光與物質的相互作用過程。5. 什么是粒子數(shù)反轉？什么情況下能實現(xiàn)光放大？解：粒子數(shù)反轉是高能級上的粒子數(shù)量大于低能級上的粒子數(shù)的狀態(tài)，是一種非平衡狀態(tài)。 實現(xiàn)光放大的條件是粒子數(shù)反轉、光學腔、增益介質。6. 什么是激光器的閾值條件。解：當注入電流較小時，激活區(qū)不能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，自發(fā)發(fā)射占主導地位，激光器發(fā)射普通的熒光。隨注入電流量的增加，激活區(qū)里實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉，受激輻射占主

17、導地位，但當注入電流小于閾值電流時，諧振腔內(nèi)的增益還不足以克服損耗如介質的吸收、鏡面反射不完全等引起的諧振腔的確損耗，不能在腔內(nèi)建立起振蕩，激光器只發(fā)射較強熒光。只有當注電流大于閾值電流時，才能產(chǎn)生功率很強的激光。7. 由表達式E=hc/，說明為什么LED的FWHM功率譜寬在長波長中會變得更寬些。解：由E=hc/可得到， =hc/E； 求關于光子能量的微分，可以得到 ，則 ，而，通常為，這樣再將E=hc/帶入，得到8. 試畫出APD雪崩二極管的結構示意圖，并指出高場區(qū)及耗盡區(qū)的范圍。解：見書中圖。9. 一個GaAs PIN光電二極管平均每三個入射光子，產(chǎn)生一個電子-空穴對。假設所有的電子都被收

18、集。a試計算該器件的量子效率；b當在0.8m波段接收功率是10-7W時，計算平均輸出光電流；c計算波長，當這個光電二極管超過此波長時將停止工作，即長波長截止點c。解：a、=1/3=33.3%b、由和可得到 Ip=0.215×10-6 AC、 而=1.424 eV，則波長截止點c=hc/=0.87m10. 什么是雪崩增益效應？解：光生載流子穿過一個具有非常高的電場的高場區(qū)。在這個高場區(qū)，光生電子或空穴可以獲得很高的能量，因此它們高速碰撞在價帶的電子上使之產(chǎn)生電離，從而激發(fā)出新的電子一空穴對，這種載流子倍增的機理稱為碰撞電離。新產(chǎn)生的載流子同樣由電場加速，并獲得足夠的能量從而導致更多的碰

19、撞電離產(chǎn)生，這種現(xiàn)象就是所謂的雪崩效應。11. 設PIN光電二極管的量子效率為80%，計算在1.3和1.55m波長時的響應度，說明為什么在1.55m光電二極管比較靈敏。解：在1.3和1.55處的響應度分別為0.838A/W，0.999 A/W波長越長，頻率越低，光子能量越低，對于同等的入射光功率則光子數(shù)量就越多，則電子-空穴對也就越多，那么光生電流也就越大。第4章 光發(fā)送機和光接收機1. 光接收機中有哪些噪聲？解：主要有三種。第一種就是熱噪聲信號，在特定溫度下由電子的隨機運動產(chǎn)生的，它總是存在的，第二種是散彈（粒）噪聲，是由光子產(chǎn)生光生電流過程的隨機特性產(chǎn)生的，即使輸入光功率恒定也存在，散粒噪

20、聲不同于熱噪聲，它不是疊加在光電流上，它作為獨立的一部分僅僅是產(chǎn)生光電流過程隨機性的一種方便的描述。第三種是在光檢測器之前使用的光放大器產(chǎn)生的放大的自發(fā)輻射噪聲ASE。2. RZ碼和NRZ碼有什么特點？解： NRZ碼與其他格式相比，其主要優(yōu)點是占據(jù)的頻帶寬度窄，只是RZ碼的一半，缺點是當出現(xiàn)長連“1”，或“0”時，光脈沖沒有有和無的交替變化，這對于接收時比特時種提取是不利的。RZ碼克服了這個問題，解決了連“1”的問題有了電平的交替變化，但長連“0”問題仍然存在。3. 通信中常用的線路碼型有哪些？解：4B/5B、8B/10B4. 光源的外調(diào)制都有哪些類型？內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制各有什么優(yōu)缺點？解：目前常

21、用的外調(diào)制器有電折射調(diào)制器、電吸收MQW調(diào)制器、M-Z型調(diào)制器等。內(nèi)調(diào)制優(yōu)點：簡單、經(jīng)濟、容易實現(xiàn)；缺點：隨著傳輸速率的不斷提高，直接強度調(diào)制帶來了輸出光脈沖的相位抖動即啁啾效應，使得光纖的色散增加，限制了容量的提高。外調(diào)制優(yōu)點：可以減小啁啾；缺點：比較復雜，成本較大5. 假定接收機工作于1550nm，帶寬為3GHz，前置放大器噪聲系數(shù)為4dB，接收機負載為RL=100，溫度T=3000K，量子效率為=1，=1.55/1.24=1.25A/W，Gm=1，試計算接收機靈敏度。解：1.9872×10-10 A2 對于BER=10-7，7； =1=9.7784*10-5 W=9.7784*

22、10-2 mW = -10.0973 dbm6. 在考慮熱噪聲和散彈噪聲的情況下，設APD的FA(Gm)=Gxm x（0,1），推導APD的Gm的最佳值GOpt，此時APD接收機的SNR最大。解：SNR=可見當x=0時，APD的SNR最大。7. 證明對于OOK直接檢測接收機的誤碼率公式： 解：則由BER=1/2+1/2 8. 對于PIN直接接收機，假設熱噪聲是主要噪聲源，且方差由（6.31）給出，對于誤碼率為10-12，速率為100Mbit/s和1Gbit/s，以每1比特的光子數(shù)表示的接收靈敏度是多少？設工作波長為1550nm，響應度為1.25A/W。解：，02=熱2，12=熱2+散2， （6

23、.31）而忽略散彈噪聲，有12=02=，誤碼率為10-12，則=7。對PIN ，=1，則計算，則=1.1232×109/速率為100Mbit/s時，M=1.1232×105 速率為1Gbit/s時，M= 3.5519×1049. 推導（6.34）？10. 推導（6.32）證明：在放大系統(tǒng)中信號與自發(fā)輻射噪聲差動噪聲與其他噪聲相比占主導地位，因此且 ，因此根據(jù)誤碼率公式，以及以上的假設，則誤碼率為 =， 得證。 11 發(fā)全“0”碼時的光功率為40W，全“1”碼時的光功率為100W，若信號為偽隨機碼序列，則消光比為多少？解：偽隨機碼序列，消光比為 EXT=P00/2P

24、T=40/200=20%12已知某光端機的靈敏度為-40dBm，動態(tài)范圍為20dB，若系統(tǒng)能正常工作，則接收的光功率在多少微瓦的范圍之內(nèi)？ 解：Pmin= - 40dbm= 10-4 mW= 0.1 微瓦 Pmax= - 40+20=- 20dbm =10-2 mW =10微瓦則接收的光功率范圍為 0.1微瓦 到10微瓦第5章 無源光器件1. 光纖的連接損耗有哪些？如何降低連接損耗？解：連接損耗可分為外部損耗和內(nèi)部損耗。外部損耗主要有軸向位移、連接間隔、傾斜位移、截面不平整。內(nèi)部損耗主要是由于光纖的波導特性和幾何特性差異導致的損耗，包括纖芯的直徑、纖芯區(qū)域的橢圓度、光纖的數(shù)值孔徑、折射率剖面等

25、。采用較好的連接方法，改善連接器的性能。2. 試用2×2耦合器構成一個8×8空分開關陣列，畫出連接圖和輸入輸出端口信號間流向，計算所需開關數(shù)。解：1123456781213415162171821需開關數(shù)12個。3. 討論圖5.22所示平面陣列波導光柵的設計思想和方法。解：設計思想：將同一輸入信號分成若干路分別經(jīng)歷不同的相移后又將它們合在一起輸出； 設計方法：將N個輸入波導和N個輸出波導，二個聚焦平面波導（星型耦合器）和通道陣列波導，集成在單一襯底上。使得輸入輸出波導的位置和陣列波導的位置滿足羅蘭圓規(guī)則。 4. 簡述光耦合器和WDM分波器有什么不同。解：在寬帶光纖耦合器中，

26、通常通過改變?nèi)廴诶F工藝，使耦合器輸出端口的分光比不受波長的影響。相反，在WDM器件中則改變?nèi)廴诶F工藝，使分光比隨波長急劇變化。5. 光濾波器有哪些種類，濾波器應用在什么場合？解：光濾波器主要有F-P腔濾波器、M-Z干涉濾波器、陣列波導光柵濾波器、聲光可調(diào)濾波器，光纖光柵濾波器。 光濾波器用于濾出特定波長的光信號。6. 光開關有哪些性能參數(shù)，在光纖通信中有什么作用？解：光開關的性能參數(shù)主要有開關時間、通斷消光比、插入損耗、串擾、偏振依賴損耗； 光開關在光纖通信技術中作光路切換之用，如系統(tǒng)的主備切換等。它是光交換的關鍵器件，在光網(wǎng)絡中有許多應用場合。 7. 簡述F-P腔可調(diào)諧濾波器的工作原理。

27、解：F-P腔型濾波器的主體是F-P諧振腔，是由一對高度平行的高反射率鏡面構成的腔體，當入射光波的波長為腔長的整數(shù)倍時光波可形成穩(wěn)定振蕩，輸出光波之間會產(chǎn)生多光束干涉，最后輸出等間隔的梳狀波形。通過改變腔長L或腔內(nèi)的折射率n來改變?yōu)V波器的中心波長。 8. 討論光纖光柵在光通信中的應用。解：光纖光柵的應用范圍有光纖激光器、WDM合/分波器、超高速系統(tǒng)中的色散補償器、固定或可調(diào)濾波器、光纖放大器、光纖光柵全光分插復用器等。9. NLOM是否可作光開關？解：可以。改變環(huán)的長度或光波的波長，使來自傳輸光纖的光波與繞環(huán)后的光波之間產(chǎn)生相移，兩者之間產(chǎn)生相長和相消，達到開和關的作用。第6章 光放大器1. 光

28、放大器包括哪些種類，簡述它們的原理和特點，EDFA有哪些優(yōu)點。解：摻餌光纖放大器EDFA，原理：在制造光纖過程中，向其摻入一定量的三價餌離子，利用餌離子的三能級系統(tǒng)，形成粒子數(shù)反轉，當入射光近來時，由受激輻射產(chǎn)生光放大，實現(xiàn)了信號光在摻鉺光纖的傳輸過程中不斷被放大的功能。優(yōu)點：轉移效率高、放大的譜寬適合于WDM光纖通信、具有較高的飽和輸出光功率、動態(tài)范圍大、噪聲指數(shù)小、與光纖的耦合損耗小、增益穩(wěn)定性好、增益時間常數(shù)較大；缺點：存在ASE噪聲、串擾、增益飽和等問題。受激拉曼光纖放大器，原理：利用光纖媒質中傳輸高功率信號時發(fā)生的非線性相互作用-拉曼效應，頻率為p和as的泵浦光和信號光通過WDM合波

29、器輸入至光纖，當這兩束光在光纖中一起傳輸時，泵浦光的能量通過受激拉曼散射轉移給信號光，使信號光得到放大。特點：不需要粒子數(shù)反轉，能夠提供整個波段的光放大，主要問題在于所需泵浦的種類。受激布里淵光纖放大器，原理：利用強激光與光纖中的彈性聲波場相互作用產(chǎn)生的后向散射光來實現(xiàn)對光信號的放大。其主要特點是高增益、低噪聲、窄小帶寬。半導體光放大器，原理：采用正向偏置的PN結，對其進行電流注入，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，利用受激輻射來實現(xiàn)對入射光功率的放大。特點：小型化的半導體器件，易于和其他器件集成；與偏振有關；具有大的帶寬；但由于非線性現(xiàn)象(四波混頻)，SOA的噪聲指數(shù)高，串擾電平高。2. EDFA的泵浦方

30、式有哪些，各有什么優(yōu)缺點？解：EDFA常用的結構有三種，即同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。同向泵浦：優(yōu)點是構成簡單，噪聲低， 信號一進入光纖即得到較強的放大；缺點是由于吸收，泵浦光將沿光纖長度而衰減。反向泵浦：優(yōu)點是當光信號放大到很強的時候，泵浦光也強，不易達到飽和，從而獲得較高增益。雙向泵浦：結合了同向泵浦和反向泵浦的優(yōu)點，使泵浦光在光纖中均勻分布，從而使其增益在光纖中也均勻分布。3. 一個EDFA功率放大器，波長為1542nm的輸入信號功率為2dBm，得到的輸出功率為Pout=27dBm，求放大器的增益。解：放大器在1542nm處的增益為10log（Pout/Pin）=11.3dB。 4.

31、簡述SBA與SRA間的區(qū)別，為什么在SBA中信號與泵浦光必定反向傳輸。解： SRA是靠非線性介質的受激散射，一個入射泵浦光子通過非彈性散射轉移其部分能量，產(chǎn)生另一個低能和低頻光子，稱為斯托克斯頻移光，而剩余的能量被介質以分子振動(光學聲子)的形式吸收，完成振動態(tài)之間的躍遷。而SBA是泵浦光被注入光纖傳輸時，由于光波與晶體結構互作用產(chǎn)生一個聲振動，同時光波被散射，在入射光的反方向上產(chǎn)生最大的散射頻移和散射光強。SBA中由于除了滿足能量守恒定理外，還要滿足動量守恒定理（或相位匹配條件），當散射光與入射光夾角為180度時得到最大的散射頻移和散射光強。因此，在SBA中信號與泵浦光必定反向傳輸。5. 一

32、個長250m的半導體激光器做F-P放大器，有源區(qū)折射率為4，則放大器通帶帶寬是多少？解：=（3×108）/（2×4×250×10-6）=0.15GHz6. EDFA在光纖通信系統(tǒng)中應用形式有哪些？解：主要有1）在寬帶光波分配系統(tǒng)中的應用；2）作前置放大器，3）作功率放大器；4）作線路放大器。7. EDFA的主要性能指標有哪些，說明其含義。解：增益，是輸出光功率與輸入光功率的比值（dB為單位）。增益帶寬，是放大器放大信號的有效頻率范圍。增益飽和，一般情況下輸入信號應該足夠大，以便能引起放大器的飽和增益。增益飽和時增益隨信號功率增加而減小。增益波動，是增益帶

33、寬內(nèi)的增益變化范圍（以dB為單位）。噪聲，EDFA的噪聲主要有信號光的散射噪聲，ASE噪聲，以及信號-ASE，ASE-ASE差拍噪聲等。 8. 分別敘述光放大器在四種應用場合時各自的要求是什么？解：在線放大器：用在線放大器代替光電光混合中繼器。要求：光纖色散和放大器自發(fā)輻射噪聲累積尚未使系統(tǒng)性能惡化到不能工作時，且需要考慮光學濾波和隔離等問題/ 后置放大器：是將光放大器接在光發(fā)送機后以提高光發(fā)送機的發(fā)送功率，增加傳輸距離，要求：需要考慮最大飽和輸出功率，而對絕對增益和噪聲系數(shù)的要求則要低一點。前置放大器：將光放大器接在光接收機前，以提高接收功率和信噪比。要求：前置放大器其主要的品質因數(shù)是高增益

34、和低噪聲，由于接收機靈敏度主要受限于光放大器的噪聲而不是接收機本身的熱噪聲，因此對前置放大器的噪聲系數(shù)有極為苛刻的要求。功率補償放大器：將光放大器用于補償局域網(wǎng)中的分配損耗，以增大網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)。還可以將光放大器用于光子交換系統(tǒng)等多種場合。9. 敘述SOAXGM波長變換的原理？解： CW探測波(s)和泵浦波(p)經(jīng)耦合器注入SOA，SOA對入射光功率存在增益飽和特性。因而當有調(diào)制信息（“1”或“0”）的泵浦波注入SOA時，此時，泵浦信號將調(diào)制SOA的載流子密度，從而調(diào)制增益（“無”或“有”），同時，注入的CW探測波的強度變化也受增益變化影響而按泵浦信號的調(diào)制規(guī)律變化，用帶通濾波器取出變換后的s信號

35、，即可實現(xiàn)從p到s的波長變換。第7章 光纖通信系統(tǒng)及設計1 商業(yè)級寬帶接收機的等效電阻為Req=75。當Req=75時，保持發(fā)送機和接收機的參數(shù)和圖7.5的例子相同，在接收機光功率范圍為0-16dBm時計算總載噪比，并畫出相應的曲線，如同7.2.2節(jié)的推導一樣，推出其載噪比的極限表達式。證明當Req=75時，在任何接收光功率電平下，熱噪聲都超過量子噪聲而成為起決定作用的噪聲因素。解：利用 以及相關參數(shù)，m=0.25，RIN=-143dB/Hz，R=0.6A/W，B=10MHz，ID=10nA，Req=75，F(xiàn)t=3dB；G=1，=1.6*10-19C; 玻爾茲曼常數(shù) k= 1.3806503

36、× 10-23 m2 kg s-2 K-1, 設定溫度為300K計算總載噪比，并畫出相應的曲線如下圖。（注意計算過程中單位的統(tǒng)一，以及RIN和 Ft在計算過程中db要轉化為絕對單位）。載噪比的極限表達式同7.2.4節(jié)的推導，將參數(shù)代入即可。 在Req=75時，計算三種噪聲極限下的載噪比并畫圖如下圖，可見在任何接收光功率電平下，熱噪聲都超過量子噪聲而成為起決定作用的噪聲因素。（也可以通過計算比較兩種噪聲的大小得到結論）。2 假設一個SCM系統(tǒng)有120個信道，每個信道的調(diào)制指數(shù)為2.3%，鏈路包括一根損耗為1dB/km的12km長的單模光纖，每端有一個損耗為0.5dB的連接器；激光光源耦

37、合進光纖的功率為2mW，光源的RIN=-135dB/Hz；pin光電二極管接收機的響應度為0.6A/W，B=5GHz，ID=10nA，Req=50，F(xiàn)t=3dB，試求本系統(tǒng)的載噪比。解：m=mcN0.5=0.023（120）0.5=0.252。 計算接收光功率：Ps-Pr=20.5+112=13dB，而Ps=2mW=3dBm，所以Pr= -10dBm；代入公式計算載噪比為 14.594dB。3 如果題3中的pin光電二極管用一個G=10和F（G）=G0.7的InGaAs雪崩光電二極管替代，那么系統(tǒng)的載噪比又是多少？解：即計算公式中的 G=10，=100.7+2，代入計算公式得到：載噪比為 23

38、.421dB。4 假設一個有32個信道的FDM系統(tǒng)，每個信道的調(diào)制指數(shù)為4.4%，若RIN=-135dB/Hz，假定pin光電二極管接收機的響應度為0.6A/W，B=5GHz，ID=10nA，Req=50，F(xiàn)t=3dB。（a） 若接收光功率為-10dBm，試求這個鏈路的載噪比；（b） 若每個信道的調(diào)制指數(shù)增加到7%，接收光功率減少到-13dBm，試求這個鏈路的載噪比。解：m=mcN0.5=0.044（32）0.5=0.2489。（a） 代入計算公式得到鏈路的載噪比為14.486dB。（b） m=mcN0.5=0.07（32）0.5=0.396，接收光功率為-13dBm，代入計算公式得到鏈路的載

39、噪比為13.072 dB。5 已知一個565Mbit/s單模光纖傳輸系統(tǒng)，其系統(tǒng)總體要求如下：（1）光纖通信系統(tǒng)光纖損耗為0.1dB/km，有5個接頭，平均每個接頭損耗為0.2dB，光源的入纖功率為-3dBm，接收機靈敏度為-56dBm（BER=10-10）。（2）光纖線路上的線路碼型是5B6B，光纖的色散系數(shù)為2ps/（kmnm），光源光譜寬度1.8nm，求：最大中繼距離為多少？注：設計中選取色散代價為1dB，光連接器損耗為1dB（發(fā)送和接收端個一個），光纖富余度為0.1dB/km，設備富余度為5.5dB。解：功率限制中繼距離為：-3-（-56）=0.1L+0.25+1+12+0.1L+5.

40、5，得到L=217.5km。 而色散限制中繼距離為：，而信息速率為565Mb/s的單模光纜傳輸系統(tǒng)，采用5B6B碼型，其傳輸速率為677990kb/s。，因此 =47.1164km顯然這是一個色散限制系統(tǒng)，最大中繼距離應小于47.1164km。6 一個二進制傳輸系統(tǒng)具有以下特性： 單模光纖色散為15ps/（nmkm），衰減為0.2dB/km。 發(fā)射機用=1551nm的GaAs激光器，發(fā)射平均光功率5mW，譜寬2nm。 為了正常工作，APD接收機需要平均1000個光子/比特。 在發(fā)射機和接收機處耦合損耗共計3dB。a、 數(shù)據(jù)速率為10和100Mbit/s時，找出受衰減限制的最大傳輸距離。b、 數(shù)

41、據(jù)速率為10和100Mbit/s時，找出受色散限制的最大傳輸距離。c、 對這個特殊系統(tǒng)，用圖表示最大傳輸距離與數(shù)據(jù)速率的關系，包括衰減和色散兩種限制。解：a、Ps=5mW= 6.9897dBm，而，h=6.63*10-34（J-s），（W）； 受衰減限制的最大傳輸距離： Ps- Pr（dBm）=3+0.2L （a） 數(shù)據(jù)速率為10 Mbit/s時，L=479.6 km；數(shù)據(jù)速率為100Mbit/s時，L=429.6km，b、 （b）數(shù)據(jù)速率為10 Mbit/s時，L=383.33 km；數(shù)據(jù)速率為100Mbit/s時，L=38.333km，c、利用（a）和（b）式，畫出衰減和色散兩種限制下最大

42、傳輸距離與數(shù)據(jù)速率的關系。7 畫圖比較（參見圖7.31）下面兩個速率為100Mbit/s的系統(tǒng)其損耗受限的最大傳輸距離。系統(tǒng)1工作在850nm：（a）GaAlAs半導體激光器：0dBm（1mW）的功率耦合進光纖；（b）硅雪崩光電二極管：靈敏度-50dBm；（c）漸變折射率光纖：在850nm處的損耗為3.5dB/km；（d）連接器損耗：每個連接器為1dB。系統(tǒng)2工作在1300nm：（a）InGaAsP LED：-13dBm的功率耦合進光纖；（b）InGaAs pin光電二極管：靈敏度-38dBm；（c）漸變折射率光纖：在1300nm處的損耗為1.5dB/km；（d）連接器損耗：每個連接器1dB。

43、每個系統(tǒng)均要求6dB的系統(tǒng)富余度。解：作圖方法同書中7.15的方法，得到系統(tǒng)1的最大傳輸距離為12km。系統(tǒng)2的最大傳輸距離為11.33km。9、當采用對端環(huán)回-本端測試方法觀測一段全長為280km的四次群光纖通信系統(tǒng)的全程誤碼時，誤碼儀每秒鐘統(tǒng)計一次誤碼，其結果如下表：時間誤碼個數(shù)00：00：00006：00：0180006：00：02180006：00：03240006：00：04220006：00：05100006：00：0670006：00：07023：59：590注：表中未標出的時間，其誤碼個數(shù)為0。試求：（1）系統(tǒng)的平均誤碼率BER（2）DM，SES，ES的平均百分數(shù)解：（1）系統(tǒng)

44、的平均誤碼率BER=誤碼的個數(shù)/總的傳輸碼元數(shù) = 7.396710-10 （2）誤碼都是發(fā)生在某一分鐘內(nèi)，這一分鐘內(nèi)誤碼率為：= 1.06510-6，劣于1×10-6 ，屬于劣化分，所以DM=1/（2460）=0.0694%。有誤碼的秒為6秒，所以ES=6/（246060）=0.00694%。這6秒的誤碼率分別為5.744510-6，1.292510-5，1.723310-5，1.579710-5，7.180610-6，5.026410-6，優(yōu)于1×10-3，都不屬于嚴重誤碼秒，因此SES=0%。第8章 SDH1、 SDH設備在規(guī)范方法上有什么不同？解：SDH設備的設計思

45、想是將同步設備按一種所謂的功能參考模型分成單元功能，復合功能和網(wǎng)絡功能。在這種情況下，功能模型重點描述的是具體設備的功能行為，不再描述支撐其功能行為的設備硬件或軟件結構，規(guī)范的功能模型允許有許多種不同的實施方法。系統(tǒng)的各個功能可以分在三個設備中，也可以集中在一個設備中。2、 請畫出SDH的幀結構圖，簡述各部分的作用。解：STM-N幀結構圖如下圖。幀結構由信息凈負荷（Payload，含通道開銷POH）、段開銷（SOH）和管理單元指針（AU-PTR）三個主要區(qū)域組成。RSOHAU PTRMSOHSTM-N凈負荷（含POH）12349行列9×N261×N傳輸方向一幀（9×

46、;270×N字節(jié)）一幀一幀凈負荷區(qū)存放的是有效的傳輸信息，其中還含有少量用于通道性能監(jiān)視、管理和控制的通道開銷字節(jié)（POH），POH被視為凈負荷的一部分。段開銷是為了保證信息凈負荷正常靈活的傳送所必須附加的字節(jié)。主要提供用于網(wǎng)絡的運行、管理、維護以及指配（OAM&P）功能的字節(jié)。段開銷包括再生段開銷（RSOH）和復用段開銷（RSOH）。管理單元指針（AU-PTR）是用來指示信息凈負荷第一個字節(jié)在幀內(nèi)的準確位置，以便在收端正確分離信息凈負荷。3、 試計算STM-1段開銷的比特數(shù)。解：段開銷分別位于幀結構的三行（第一行到第三行）9列和五行（第五行到第九行）9列，共計（3+5）9=

47、72個字節(jié)，即576個比特4、 試計算STM-16的碼速率。解：STM-1碼速率是155.52Mb/s，因此STM-16的碼速率為16155.52 Mb/s =2488.32 Mb/s。5、 請畫出用SDXC構成的自愈網(wǎng)結構圖。DXCDXCDXCDXCDXCABCDE12單位業(yè)務量（12×140/155Mbit/s）切斷6單位2單位4單位解：參考書中，主要是網(wǎng)狀結構。6、 簡述SDH網(wǎng)管的主要功能。解：SDH網(wǎng)管系統(tǒng)利用幀結構中豐富的開銷字節(jié)，可以實施對SDH設備和SDH傳送網(wǎng)的強大的管理功能。SDH網(wǎng)管的主要功能有：一般管理功能，故障管理功能，性能監(jiān)視，配置管理以及安全管理。7、

48、簡述ADM的功能與連接能力，其基本構成以及各部分作用。解：ADM的功能主要體現(xiàn)在對信號的路由連接和對信號的復用/解復用上，用于在高速率碼流中分（?。┏?插入低速率的碼流。 ADM設備應該具有支路-群路（上/下支路）和群路-群路（直通）的連接能力。一般的OADM節(jié)點可以用四端口模型來表示，基本構成如下： Main inputADMMain output群路接口(W)dropAdd 基本功能包括三種：下路需要的波長信道，復用進上路信號，使其它波長信道盡量不受影響地通過。ADM具體的工作過程如下：從線路來的WDM信號包含N個波長信道，進入OADM的“Main Input”端，根據(jù)業(yè)務需求，從N個波長

49、信道中，有選擇性地從下路端（Drop）輸出所需的波長信道，相應地從上路端（Add）輸入所需的波長信道。而其它與本地無關的波長信道就直接通過ADM，和上路波長信道復用在一起后，從OADM的線路輸出端（Main Output）輸出。第9章 WDM1、一個由4信道組成的WDM傳輸系統(tǒng)。如果假設信道具有零帶寬，信道間隔應當多大，才能保證被選信道的檢測功率比檢測到的相鄰信道的功率大10倍？假設原來采用一個標準的FP濾波器作為解復用器，其通帶為30GHz。解：根據(jù)洛倫茲線型，假設為歸一化洛倫茲線型，大致如下： 聯(lián)立計算；GHz；得到GHz；所以信道間隔為45GHz。2. 簡述波分復用工作原理及系統(tǒng)組成。解

50、：光波分復用WDM（Wavelength Division Multiplexing）是將光纖的低損耗窗口可使用光譜帶寬劃分為若干極窄的子帶寬，信號被強度調(diào)制在子帶寬的中心波長上，在子帶寬內(nèi)傳輸，即在一根光纖中同時傳輸多波長光信號的一項技術。系統(tǒng)構成見書中圖9.3和9.4。3 WDM系統(tǒng)對光源的要求是什么？有哪些器件可以作為WDM系統(tǒng)的光源器件？解：WDM系統(tǒng)中要求光源的波長具有穩(wěn)定性、可重復性和精確性。4 EDFA用在WDM系統(tǒng)中，存在的突出問題是什么？應采取哪些措施克服這些問題？解：1.在WDM系統(tǒng)中采用EDFA以后，光功率增大，使得光纖呈現(xiàn)非線性特性。解決方法見9.2.2節(jié)。2EDFA增益不平坦，引起增益偏差累積，低電平信道的SNR惡化等等。5. 波分復用器/解復用器的主要性能參數(shù)有哪些？根據(jù)ITU-T G.692的建議，這些參數(shù)的取值及范圍是什么？解: 見書5.7.1節(jié).6. 設EDFA飽和功率是20mW，每毫瓦泵浦功率產(chǎn)生5dB的增益，泵