光纖通信課后習(xí)題答案

習(xí)題一

1.光纖通信的優(yōu)缺點(diǎn)各是什么？

答：優(yōu)點(diǎn)有：帶寬資源豐'富，通信容量大；損耗低，中繼距離長；無串音干擾，保密性好；適應(yīng)能力強(qiáng)；體

積小、重量輕、便于施工維護(hù)：原材料來源豐富，潛在價(jià)格低廉等。

缺點(diǎn)有：接口昂貴，強(qiáng)度差，不能傳送電力，需要專門的工具、設(shè)備以及培訓(xùn)，未經(jīng)受長時(shí)間的檢驗(yàn)等。

2.光纖通信系統(tǒng)由哪兒部分組成？各部分的功能是什么？

答：光纖通信系統(tǒng)由三部分組成：光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)和光纖鏈路。

光發(fā)射機(jī)由模擬或數(shù)字電接口、電壓一電流驅(qū)動(dòng)電路和光源組件組成。光源組件包括光源、光源一光纖耦合

器和一段光纖（尾纖或光纖跳線）組成。

模擬或數(shù)字電接的作用是實(shí)現(xiàn)口阻抗匹配和信號(hào)電平匹配（限制輸入信號(hào)的振幅）作用。光源是LED或LD,

這兩種二極管的光功率與驅(qū)動(dòng)電流成正比。電壓一電流驅(qū)動(dòng)電路是輸入電路與光源間的電接口，用來將輸入

信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換成電流以驅(qū)動(dòng)光源。光源一光纖耦合器的作用是把光源發(fā)出的光耦合到光纖或光纜中。

光接收機(jī)由光檢測(cè)器組件、放大電路和模擬或數(shù)字電接口組成。光檢測(cè)器組件包括一段光纖（尾纖或光纖跳

線）、光纖一光檢波器耦合器、光檢測(cè)器和電流一電壓轉(zhuǎn)換器。

光檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。常用的器件有PIN和APD。然后再通過電流一電壓轉(zhuǎn)換器，變成電壓信

號(hào)輸出。模擬或數(shù)字電接口對(duì)輸出電路其阻抗匹配和信號(hào)電平匹配作用。

光纖鏈路由光纖光纜、光纖連接器、光纜終端盒、光纜線路盒和中繼器等組成。

光纖光纜由石英或塑料光纖、金屬包層和外套管組成。光纜線路盒：光纜生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的光纜一般為2km一

盤，因而，如果光發(fā)送與光接收之間的距離超多2km時(shí)，每隔2km將需要用光纜線路盒把光纜連接起來。光

纜終端盒：主要用于將光纜從戶外（或戶內(nèi)）引入到戶內(nèi)（或戶外），將光纜中的光纖從光纜中分出來，一

般放置在光設(shè)備機(jī)房內(nèi)。光纖連接器：主要用于將光發(fā)送機(jī)（或光接收機(jī)）與光纜終端盒分出來的光纖連接

起來，即連接光纖跳線與光纜中的光纖。

3.假設(shè)數(shù)字通信系統(tǒng)能夠在高達(dá)1%的載波頻率的比特率下工作，試問在5GHz的微波載波和1.55JJm的光載

波上能傳輸多少路64kb/s的音頻信道？

解：根據(jù)題意，求得在5GHz的微波載波下，數(shù)字通信系統(tǒng)的比特率為50Mb/s,則能傳輸781路64kb/s的音

頻信道。根據(jù)題意，求得在L55〃m的光載波下，數(shù)字通信系統(tǒng)的比特率為L935Gb/s,則能傳輸30241935

路64kb/s的音頻信道。

4.SDH體制有什么優(yōu)點(diǎn)？

答：（1）SDH傳輸系統(tǒng)在國際上有統(tǒng)一的幀結(jié)構(gòu)，數(shù)字傳輸標(biāo)準(zhǔn)速率和標(biāo)準(zhǔn)的光路接口，使網(wǎng)管系統(tǒng)互通，

因此有很好的橫向兼容性，它能與現(xiàn)有的準(zhǔn)同步數(shù)字體制（PDH）完全兼容，并容納各種新的業(yè)務(wù)信號(hào)，形

成了全球統(tǒng)一的數(shù)字傳輸體制標(biāo)準(zhǔn)，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性：

（2）SDH接入系統(tǒng)的不同等級(jí)的碼流在幀結(jié)構(gòu)凈負(fù)荷區(qū)內(nèi)的排列非常有規(guī)律，而凈負(fù)荷與網(wǎng)絡(luò)是同步的，它

利用軟件能將高速信號(hào)一次直接分插出低速支路信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了一次復(fù)用的特性，克服了PDH準(zhǔn)同步復(fù)用方式

對(duì)全部高速信號(hào)進(jìn)行逐級(jí)分解然后再生復(fù)用的過程，由于大大簡化了數(shù)字交叉連接（DXC）,減少了背靠背的

接口復(fù)用設(shè)備，改善了網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)傳送透明性；

（3）由于采用了較先進(jìn)的分插復(fù)用器（ADM）、數(shù)字交叉連接（DXC）、網(wǎng)絡(luò)的自愈功能和重組功能就顯得非

常強(qiáng)大，具有較強(qiáng)的生存率。因SDH幀結(jié)構(gòu)中安排了信號(hào)的5%開銷比特，它的網(wǎng)管功能顯得特別強(qiáng)大，并

能統(tǒng)一形成網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，為網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化、智能化、信道的利用率以及降低網(wǎng)絡(luò)的維管費(fèi)和生存能力起到

了積極作用；

（4）由于SDH有多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它所組成的網(wǎng)絡(luò)非常靈活，它能增強(qiáng)網(wǎng)監(jiān)，運(yùn)行管理和自動(dòng)配置功能,

優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)性能，同時(shí)也使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行靈活、安全、可靠，使網(wǎng)絡(luò)的功能非常齊全和多樣化；

（5）SDH有傳輸和交換的性能，它的系列設(shè)備的構(gòu)成能通過功能塊的白由組合，實(shí)現(xiàn)了不同層次和各種拓?fù)?/p>

結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，十分靈活；

（6）SDH并不專屬于某種傳輸介質(zhì)，它可用于雙絞線、同軸電纜，但SDH用于傳輸高數(shù)據(jù)率則需用光纖。這

一特點(diǎn)表明，SDH既適合用作干線通道，也可作支線通道。例如，我國的國家與省級(jí)有線電視干線網(wǎng)就是采

用SDH,而且它也便于與光纖電纜混合網(wǎng)（HFC）相兼容；

1

（7）從OSI模型的觀點(diǎn)來看，SDH屬于其最底層的物理層，并未對(duì)其高層有嚴(yán)格的限制，便于在SDH上采用

各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，支持ATM或IP傳輸；

（8）SDH是嚴(yán)格同步的，從而保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠，誤碼少，且便于復(fù)用和調(diào)整；

（9）標(biāo)準(zhǔn)的開放型光接口可以在基本光纜段上實(shí)現(xiàn)橫向兼容，降低了聯(lián)網(wǎng)成本。

答：全光網(wǎng)絡(luò)將成為繼純電纜網(wǎng)絡(luò)、光電耦合網(wǎng)絡(luò)后的第三代網(wǎng)絡(luò)。全光網(wǎng)絡(luò)是指信號(hào)只是在進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)時(shí)才

6.簡述WDM的概念。

7,解釋光纖通信為何越來越多地采用WDM+EDFA方式。

（1）充分利用了光纖的巨大帶寬資源；

（2）同時(shí)傳輸多種不同類型的信號(hào)；

（4）多種應(yīng)用形式；

采用EDFA技術(shù)的原因是和它的優(yōu)點(diǎn)分不開的，它有如下優(yōu)點(diǎn):

（1）中繼器的價(jià)格下降了；

（4）提供了系統(tǒng)擴(kuò)容的新途徑，無需增加光纖和工作的速率，只需通過增加波長就可提高系統(tǒng)的容量;

（5）最關(guān)鍵的是系統(tǒng)的成本下降了。

1.光波從空氣中以角度4=33°投射到平板玻璃表面上，這里的q是入射光與玻璃表面之間的夾角。根據(jù)

為90。，請(qǐng)問玻璃的折射率等于多少？這種玻璃的臨界角又是多少？

解：入射光與玻璃表面之間的夾角4=33°,則入射角。=57°,反射角0,=57°。由于折射光束和反

射光束之間的夾角正好為90°,所以折射角4=33°。

Q]#5｝，I$i,sn@=nsn,f#ijn=sin@/sin8=sn67/sn33（rmaab"?

其中利用了空氣折射率”,.這種玻璃的臨界角為仇=arcsin」（自己用maUab算出來）

2.計(jì)算為=1.48及%=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(zhì)折射率〃=1.00,則允許的

2

解：階躍光纖的數(shù)值孔徑為N4=sin，2=也三=024

允許的最大入射角％=arcsin(0.24)自己用matlab算出來

(1)纖芯和包層的相對(duì)折射率A：

(2)光纖的數(shù)值孔徑NA。

：階躍光纖纖芯和包層的相對(duì)折射率差為△="一；2=003

光纖的數(shù)值孔徑為NA=好/?0.38

4.已知階躍光纖纖芯的折射率為％=1.5,相對(duì)折射(指數(shù))差A(yù)=0.01,纖芯半徑a=25〃m,若4=

計(jì)算光纖的歸一化頻率V及其中傳播的模數(shù)量M。

解：光纖的歸一化頻率V=2：a'n；a?>4^=333

光纖中傳播的模數(shù)量MY=554

5.一根數(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(gè)左右的傳播模式。試問：

(1)其纖芯直徑為多少？

(2)在1310nm波長上可以支持多少個(gè)模？

(3)在1550nm波長上可以支持多少個(gè)模？

解：⑴由匕=矢府^^a-NA,得到纖芯直徑為。=，上=：?鍥^=°；85f^-30.27

42乃NA2萬NA2JT0.20

⑵當(dāng)S吟嚼檢嚕

得到模的個(gè)數(shù)為%=學(xué)a=(-5)xltXifJ=421

2/'(1.31)2

(3)當(dāng)否=1.55〃m,得到模的個(gè)數(shù)為％=gM=dxlOOO=354

6.用纖芯折射率為％=1.5,長度未知的弱導(dǎo)光纖傳輸脈沖重復(fù)頻率4=8"/的光脈沖，經(jīng)過該光纖后，

解：信號(hào)的周期為7=1/人

信號(hào)在纖芯中傳輸?shù)乃俣葹関=c/n,

由于信號(hào)延遲半個(gè)脈沖周期，則光纖的長度工為乙=丫*工=￡、1=3x11J=12.San

2%2fo1.52x8x10'

7.有階躍型光纖，若％=1.5,4=1.31〃m,那么(1)若A=0.25,為保證單模傳輸，光纖纖芯半徑”應(yīng)取

3

多大？（2）若取芯徑。=5〃m，保證單模傳輸時(shí)，A應(yīng)怎么選擇？

解：（1）由歸一化頻率V=?。擊：-得到。與—7^

4427r%>/2A

為了保證光纖中只能存在一個(gè)模式，則要求V<2.405,則要求光纖纖芯半徑

p2.4D51.312.4115…皿…

r-------------------------------------------------=0.47//111

Irtn,V2A1.5X72X0.25

（2）若取芯徑0=5刖，保證單模傳輸時(shí)，則公=』mV-2,4（）5）?0.002

21ZJTJ2127rn1a

8.漸變光纖的折射指數(shù)分布為”「）=〃（0）|1-24|上||求光纖的本地?cái)?shù)值孔徑。

解：漸變光纖纖芯中某一點(diǎn)的數(shù)值孔徑為NA（r）=7n2（r）-n2（a）=2An2（0）|

9.某光纖在1300nm處的損耗為0.6dB/Am,在1550nm波長處的損耗為0.3d8/bn。假設(shè)下面兩種光信號(hào)同

時(shí)進(jìn)入光纖：1300nm波長的150〃W的光信號(hào)和1550nm波長的100〃W的光信號(hào)。試問這兩種光信號(hào)在8km

和20km處的功率各是多少？以〃卬為單位。

解：對(duì)于1300nm波長的光信號(hào)，在8km和20km處的功率各是

巴=甲0~5°=150X10T>M〃W,i50xK）T2〃w

對(duì)于1550nm波長的光信號(hào)，在8km和20km處的功率各是

B=平0~”">=100xl0《3〃W,100xlO"06^

10.一段12km長的光纖線路，其損耗為1.548/妨入試回答：

（1）如果在接收端保持0.3〃W的接收光功率，則發(fā)送端的功率至少為多少？

（2）如果光纖的損耗變?yōu)?.5dB/%m,則所需的輸入光功率為多少？

解：（1）根據(jù)損耗系數(shù)定義

得到發(fā)送端的功率至少為

-11,

Po=即。3。=0.3xl0//W

（2）如果光纖的損耗變?yōu)?.5dB/?m,則所需的輸入光功率為

Pu=qi（）wo=0.3x叫/W

>1.?一>.nxs>rx?^-?sxat5km?n4-n?a.n.*.tr?rr-4.+?tr±t+s<-<>3

（i）求接收端最快和最慢的模式之間的時(shí)延差；

（2）求由模式色散導(dǎo)致的均方根脈沖展寬；

（3）假設(shè)最大比特率就等于帶寬，則此光纖的帶寬距離積是多少？

解：（1）纖芯和包層的相對(duì)折射率差A(yù)為

△=r=。。1

2片

4

n—1.475

Jr=tr8-^lfrx1.475

（2）模式色散導(dǎo)致的均方根脈沖展寬實(shí)際上就等于最快和最慢的模式之間的時(shí)延差

r2

W=?A=0.113〃S

⑶光纖的帶寬距離積

12.有10km長NA=0.30的多模階躍折射光纖，如果其纖芯折射率為145,計(jì)算光纖帶寬。

A」旭2(J,4:5J?0.021

2n,)

由階躍光纖的比特距離積比＜2磔，得到光纖帶寬

B<—?49MZ;/5

2〃1AL

1.計(jì)算一個(gè)波長為；I=的光子能量，分別對(duì)1MHz和100MHz的無線電做同樣的計(jì)算。

解：波長為2=的光子能量為

343XUW，/520

E=/^=/ZC//1=6.63X10-J-JX^=1.99X10-J

10'm

對(duì)1MHz和100MHz的無線電的光子能量分別為

-346

E=hfc=6.63xlOJsxlxlO/7z=6.63x10.J

-346-26

E=hfc=6.63xlOJsxlOOx10Hz=6.63xlOJ

2.太陽向地球輻射光波，設(shè)其平均波長N=0.7〃m,射到地球外面大氣層的光強(qiáng)大約為/=0.14卬/?！?。

4lhc4014x663X)10

n=x10=x10=-JP212￡2SX104=398xio*

3.如果激光器在義=0.5〃用上工作，輸出1W的連續(xù)功率，試計(jì)算每秒從激活物質(zhì)的高能級(jí)躍遷到低能級(jí)

Ihc1x663x1?！?x3x

3.98x1fl

*20.5xlfl*

4.光與物質(zhì)間的相互作用過程有哪些?

答：受激吸收，受激輻射和自發(fā)輻射。

5.什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？什么情況下能實(shí)現(xiàn)光放大？

答：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是指高能級(jí)粒子布居數(shù)大于低能級(jí)的粒子布居數(shù)。處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)（叫

激活介質(zhì)）可實(shí)現(xiàn)光放大。

其中a是介質(zhì)的損耗系數(shù)，弓分別是諧振腔反射鏡的反射系數(shù)。當(dāng)激光器的增益GNG,〃時(shí)，才能有激光

放出。（詳細(xì)推導(dǎo)請(qǐng)看補(bǔ)充題1、2）

7.由表達(dá)式E=/zc/2說明為什么LED的FWHM功率譜寬度在長波長中會(huì)變得更寬些？

證明：由E=/ic/4得到AE=-于是得到△%=-AE,可見當(dāng)AE一定時(shí)，△，與萬成正

Ahe

8.試畫出APD雪崩二極管結(jié)構(gòu)示意圖，并指出高場(chǎng)區(qū)及耗盡層的范圍。

型擴(kuò)散或電離摻雜（叫TT層），最后一層是一個(gè)曠（N+是N型重?fù)诫s）層。

9.一個(gè)GaAsPIN光電二極管平均每三個(gè)入射光子產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)。假設(shè)所以的電N+

（1）計(jì)算該器件的量子效率；P

（2）在0.84/?波段接收功率是10-7卬，計(jì)算平均是輸出光電流；

（3）計(jì)算波長，當(dāng)這個(gè)光電二極管超過此波長時(shí)將停止工作，即長波長截止點(diǎn)

解：（1）量子效率為〃=1/3=0.33

P+

（2）由量子效率〃=/J?’'得到

PJhv

I16n/Lc

I=p="R=2.2xlfl“A—22nA

m

Pin/hvhe

（3）GaAsPIN的禁帶寬度為紇=1.42曲丫，則截止波長為

2(///n)=^24=11.87(jm

E1.424

10.什么是雪崩增益效應(yīng)？

答：一次光生載流子穿過一個(gè)具有非常高的電場(chǎng)高場(chǎng)區(qū).在這個(gè)高場(chǎng)區(qū)，光生電子一空穴可以獲得很高

11.設(shè)PIN光電二極管的量子效率為80%,計(jì)算在1.3〃加和1.55〃6波長時(shí)的響應(yīng)度，說明為什么在

解：1.3〃m時(shí)的響應(yīng)度為R==08x1,乜084Az\41

1.241.24

1.55〃m時(shí)的響應(yīng)度為/?=〃"""')=0-8XL55=M/W.

1.241.24

氏為響應(yīng)度正比于波長，故在1.55"相處光電二極管比1.3〃加處靈敏.

>iz?>.——?^?rrxa?xn.?^->+>sos>?.st?x±±r?<,??a<,±>z?*

+<rr±+<r+.?+n?—>rxa+?+?>i?+?++??》?-=+<t.

解:設(shè)光束通過厚度為dz的一層介質(zhì)時(shí)，其光強(qiáng)由/變?yōu)?+刈，在光放大時(shí)〃>0，可寫成d/=G/dz,

^dI/I=Gdz,若G為常數(shù)，則積分得到/=/°e&；

在衰減時(shí)，dl<o,可寫成d/=-a/dz,即d/〃=-adz,若a為常數(shù)，則積分得到/：

所以，當(dāng)光放大和光衰減同時(shí)存在時(shí)，便有/=/?/-)：

補(bǔ)充題2.設(shè)LD的光學(xué)諧振腔長為L,諧振腔前、后鏡片的光強(qiáng)反射系數(shù)分別為小弓，諧振腔介質(zhì)的光強(qiáng)

損耗系數(shù)為a,諧振腔的光強(qiáng)增益系數(shù)為G,試證明：激光所要求的諧振條件(閾值增益條件)為

G>a+1In「

2Lrxr2

解：在諧振腔內(nèi)任取一點(diǎn)Z,此點(diǎn)光強(qiáng)/(z),該光強(qiáng)向右傳播到前鏡片，經(jīng)反射后向左傳播到后鏡片，

再經(jīng)過反射向右傳播回到z點(diǎn)，則光強(qiáng)變?yōu)?(z+2L)=/(z)rW"2L

顯然，產(chǎn)生激光的條件為返回z點(diǎn)的光強(qiáng)要大于Z點(diǎn)發(fā)出的光強(qiáng)/(z+2L)Z/(z)

即>?z),得到r,^e(G-a)2L>1,因而G2a+2；比(；

11

=a+In.是諧振腔的總損耗，只有增益GN時(shí)，才能產(chǎn)生激光，故把G,.叫激光器的閾值

,h,h

記Gh2Lr,r2

1.光纖的連接損耗有哪些？如何降低連接損耗？

答：光纖連接器引入的損耗有插入損耗(insertionloss)和回波損耗(returnloss)。插入損耗是由光纖端

接缺陷造成的光信號(hào)損失，插入損耗越小越好?；夭〒p耗是由于光波在光纖端接的界面處產(chǎn)生菲涅耳反射，

反射波對(duì)光源造成干擾，故n波損耗越大越好。ITU建議回波損耗值不小于38dB。

7

2.試用2X2耦合器構(gòu)成一個(gè)8X8空分開關(guān)陣列，畫出連接圖和輸入、輸出端口信號(hào)間的流向，計(jì)算所需

NQ

解：由“=不晦％,得到M=]log28=12

3.討論圖4.19所示平面陣列波導(dǎo)光柵的設(shè)計(jì)思想和方法。

以減小耦合損耗，陣列波導(dǎo)數(shù)要保證所有衍射光能被收集。這樣從輸入波導(dǎo)進(jìn)來的光就能被無畸變(或畸變小)

4.簡述光耦合器和WDM分波器有什么不同？

多個(gè)輸入光信號(hào)組合成一個(gè)輸入。耦合器大多與波長無關(guān)，與波長相關(guān)的耦合器專稱為波分復(fù)用器/解復(fù)用器。

答：光濾波器種類有：LF-P腔型光源波器：光纖型F-P腔濾波器，鐵電液晶光濾波器，微機(jī)械F-P濾波

器：2.馬赫-曾鐫干涉型光濾波器：3.基于光柵的漉波器：聲光可調(diào)灌波器，電光可調(diào)灌波器，光柵漉波器，

光纖布拉格光柵濾波器；4.介質(zhì)膜灌波器；5.有源濾波器；6.原子共振濾波器。光源波器主要應(yīng)用于DWDM

交換(SDOS)的核心器件，它通過機(jī)械、電或光的作用進(jìn)行控制，能使輸入端任一信道按照要求與輸出端

圖1光纖型F-P腔濾波器

鐵電液晶光濾波器以及MEMS濾波器。這里

答：F-P腔可調(diào)諧濾波器的種類：光纖型F-P腔濾波器、

就以光纖型—P腔(FFP)源波器為例說說它的工作原理。光纖型F—P腔(FFP)濾波器如圖所示。圖中兩根光

纖相對(duì)的端面鍍膜以增強(qiáng)反射率，形成F-P光學(xué)諧振腔。在光纖型F—P腔濾波器中利用了壓電陶瓷的壓電

效應(yīng)，通過改變外加電壓的大小改變壓電陶詮的長度，從而改變了由光纖構(gòu)成的F—P諧振腔的腔長，造成

諧振波長改變，實(shí)現(xiàn)了用電信號(hào)來選通光波長。

答：光纖激光器、WDM合波/分波器、超高速系統(tǒng)的色散補(bǔ)償器、EDFA增益均衡器等。

9.如果濾波器的中心波長為4=1300〃肛加?=0.07,根據(jù)式(4.15),則光柵周期A為多少？

解：由公式auAxAn得到A=2/加=1300/0.07=18571〃加。

10.NLOM是否可作光開關(guān)？

答：可以。當(dāng)傳輸光纖有行進(jìn)的光波時(shí)，在耦合器中耦合進(jìn)光纖環(huán)，并繞環(huán)行進(jìn)一周后又返回耦合器，

繞環(huán)后的光波與來自傳輸光纖的光波之間將產(chǎn)生相移，相移的大小由環(huán)的長度和光波的波長決定。因此，這

兩個(gè)光波之間將產(chǎn)生相長或相消干涉，利用這個(gè)原理，可以用非線性光纖環(huán)鏡來選擇所需的信號(hào)：對(duì)于不需

要的波長信號(hào)，讓其相移為180°；對(duì)于需要的波長信號(hào)，讓其相移為360°.

習(xí)題五

1.光放大器包括哪些種類？簡述它們的原理和特點(diǎn)。EDFA有哪些優(yōu)點(diǎn)？

答：光放大器包括半導(dǎo)體光放大器、光纖放大器（由可分為非線性光纖放大器和摻雜光纖放大器）。

1）半導(dǎo)體光放大器

它是根據(jù)半導(dǎo)體激光器的工作原理制成的光放大器。將半導(dǎo)體激光器兩端的反射腔去除，就成為沒有反

饋的半導(dǎo)體行波放大器。它能適合不同波長的光放大，缺點(diǎn)是耦合損耗大，增益受偏振影響大，噪聲及串?dāng)_

大。

2）光纖放大器

（1）非線性光纖放大器

強(qiáng)光信號(hào)在光纖中傳輸，會(huì)與光纖介質(zhì)作用產(chǎn)生非線性效應(yīng)，非線性光纖放大器就是利用這些非線性效

應(yīng)制作而成。包括受激拉曼放大器（SRA）和受激布里淵放大器（SBA）兩種?

（2）摻雜光纖放大器（常見的有摻餌和摻錯(cuò)光纖放大器）

在泵浦光作用下，摻雜光纖中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，從而使光信號(hào)得到放大。

EDFA優(yōu)點(diǎn)：高增益、寬帶寬、低噪聲及放大波長正好是在光纖的最低損耗窗口等。

2.EDFA的泵浦方式有哪些？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？

答：EDFA的三種泵浦形式：同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。同向泵浦：信號(hào)光和泵浦光經(jīng)WDM復(fù)

用器合在一起同向輸入到摻餌光纖中，在摻鋰光纖中同向傳輸；反向泵浦：信號(hào)光和泵浦在摻餌光纖中反向

傳輸；雙向泵浦：在摻餌光纖的兩端各有泵浦光相向輸入到摻餌光纖中。

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~5dBo這是因?yàn)樵谳敵龆说谋闷止獗容^強(qiáng)

可以更多地轉(zhuǎn)化為信號(hào)光。而雙向泵浦又比反向泵浦輸出信號(hào)提高約3dB,這是因?yàn)殡p向泵浦的泵功率也提

高了3dB。其次，從噪聲特性來看，由于輸出功率加大將導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)的下降，因此在未飽和區(qū)，同向泵

浦式EDFA的噪聲系數(shù)最小，但在飽和區(qū)，情況將發(fā)生變化。不管摻餌光纖的長度如何，同向泵浦的噪聲系

數(shù)均較小。最后，考慮三種泵浦方式的飽和輸出特性。同向EDFA的飽和輸出最小。雙向泵浦EDFA的輸

出功率最大，并且放大器性能與輸出信號(hào)方向無關(guān)，但耦合損耗較大，并增加了一個(gè)泵浦，使成本上升。

3.一個(gè)EDFA功率放大器，波長為1542nm的輸入信號(hào)功率為2dBm,得到的輸出功率為囁=27dB,n,求放大

器的增益。

解：G=lOlogio（Pout/Pfe）=1OlogIoPoui-1Olog）（）Pin=27-2=25dB

4.簡述FBA與FRA間的區(qū)別。為什么在FBA中信號(hào)與泵浦光必須反向傳輸？

答：FBA與FRA間的區(qū)別：

1、FRA是同向泵浦，F(xiàn)BA是反向泵浦；

2、FRA產(chǎn)生的是光學(xué)聲子，F(xiàn)BR產(chǎn)生的是聲學(xué)聲子，

3,FRA比FBA的閾值功率大；

4、FRA比FBA的增益帶寬大。

在SBA中，泵浦光在光纖的布里淵散射下，產(chǎn)生低頻的斯托克斯光，方向與泵浦光傳播方向相反。如果

這個(gè)斯托克斯光與信號(hào)光同頻、同相，那么信號(hào)光得到加強(qiáng)。故要使信號(hào)光得到放大，信號(hào)光應(yīng)與泵浦光方

向相反。

5.一個(gè)長250um的半導(dǎo)體激光器用做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？

此題可能有誤，半導(dǎo)體光放大器的通帶帶寬目前還沒找到公式計(jì)算。

6.EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用形式有哪些？

答：（1）作為光中繼器，用EDFA可代替半導(dǎo)體光放大器，對(duì)線路中的光信號(hào)直接進(jìn)行放大，使得全光

9

通信技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。(2)作為前置放大器，由于EDFA具有低噪聲特點(diǎn)，因而如將它置于光接收機(jī)的前面，

放大非常微弱的光信號(hào)，則可以大大提高接收機(jī)靈敏度。(3)作為后置放大器，將EDFA置于光發(fā)射機(jī)的輸

7.EDFA的主要性能指標(biāo)有哪些？說明其含義？

答：(1)增益，是指輸出功率與輸入功率之如果用分貝作單位定義為G=101ogio(Pw/PG；

(2)噪聲系數(shù)，是指輸入信號(hào)的信噪比與輸出信號(hào)的信噪比R=(SNR)"(SNR)oul。

8.分別敘述光放大器在四種應(yīng)用場(chǎng)合時(shí)各自的要求是什么？

答：(1)在線放大器：當(dāng)光纖色散和放大器自發(fā)輻射噪聲的累積，尚未使系統(tǒng)性能惡化到不能工作時(shí)，

用在線放大器代替光電光混合中繼器是完全可以的。特別是對(duì)多信道光波系統(tǒng)，節(jié)約大量設(shè)備投資。(2)后

置放大器：將光放大器接在光發(fā)送機(jī)后，以提高光發(fā)送機(jī)的發(fā)送功率，增加通信距離。(3)前置放大器：將

大器的運(yùn)用場(chǎng)合：A.用于補(bǔ)償局域網(wǎng)中的分配損耗，以增大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)；B.將光放大器用于光子交換系統(tǒng)等

9.敘述SOA-XGM波長變換的原理。

答：探測(cè)波4和泵浦波人經(jīng)耦合注入到SOA中，SOA對(duì)入射光功率存在增益飽和特性：當(dāng)入射光強(qiáng)增

加時(shí)，增益變?。寒?dāng)入射光強(qiáng)減小時(shí)，增益變大。因此，當(dāng)受過調(diào)制的泵浦波注入SOA時(shí)，泵浦波將調(diào)制

SOA的增益，這個(gè)增益又影響探測(cè)波的強(qiáng)度變化，使得探測(cè)波的強(qiáng)度按泵浦波的強(qiáng)度變化，用帶通泄波器取

1.光接收機(jī)中有哪些噪聲？

答：熱噪聲、散粒噪聲和自發(fā)輻射噪聲。

2.RZ碼和NRZ碼有什么特點(diǎn)？

答：NRZ(非歸零碼)：編碼I對(duì)應(yīng)有光脈沖，且持續(xù)時(shí)間為整個(gè)比特周期，0對(duì)應(yīng)無光脈沖。RZ(歸

零碼)：編碼1對(duì)應(yīng)有光脈沖，且持續(xù)時(shí)間為整個(gè)比特周期的一半，0對(duì)應(yīng)無光脈沖。NRZ碼的優(yōu)點(diǎn)是占據(jù)

頻寬窄，只是RZ碼的一半；缺點(diǎn)是當(dāng)出現(xiàn)長連“1”或“0”時(shí)，光脈沖沒有交替變換，接收時(shí)對(duì)比特時(shí)鐘的提

取是不利的。RZ碼解決了長連力”的問題，但長連“0”的問題沒解決。

答：光源的外調(diào)制類型有：電折射調(diào)制、電吸收MQW調(diào)制、M-Z型調(diào)制。內(nèi)調(diào)制器簡單且廉價(jià)，這種

5.假定接收機(jī)工作于1550nm,帶寬為3GHz,前置放大器噪聲系數(shù)為4dB,接收機(jī)負(fù)載為號(hào)=1(XK2，溫度

T=300K,量子效率〃=1,R=1.55/l.24=1.25A/W,Gra=l,設(shè)計(jì)BER=KT'2,即ya7,試計(jì)算接收機(jī)的

解：接收“竄崇酒T娉野媽豺=。7,—?jiǎng)t散粒噪聲系數(shù)為

(帶數(shù)據(jù)自己計(jì)算)

CT

%=zeBfFA（Gj/+-（帶數(shù)據(jù)自己計(jì)算）

RGm

10

6.在考慮熱噪聲和散粒噪聲的情況下，設(shè)APD的入(G?)=6：,xe(O.l),推導(dǎo)APD的G.的最佳值G。"，此

時(shí)APD接收機(jī)的SNR最大。

的/=光電流信號(hào)功率/(光檢測(cè)器噪聲功率+放大器噪聲功率)

b溫=4eG^FA(Gm)RPRBr

其中匕(G3是APD的散粒噪聲系數(shù)，下標(biāo)A表示APD的意思，G.是APD的倍增天子(系數(shù))，R是相應(yīng)

度，耳是靈敏度，B,是接收機(jī)電帶寬。

2e

ORER,"

其中乙是放大器的噪聲因子(系數(shù))，原是波爾茲曼常數(shù)，T是溫度。

放大器輸入端的信號(hào)功率為其中心)是信號(hào)功率，i,是用PIN檢測(cè)到的信號(hào)電流?；虬演斎敕?/p>

2

大器的信號(hào)功率表示為(GmRPR),其中PR是輸入到PIN的功率.

SNR=&RPR?

4〃T

船紇+廣FBr

KL

設(shè)APD的E(G")=G：,代入上式得到

SNR--------&R藝

4攵T

4eG：G：R&紇+；F.B.

KL

要使APD接收機(jī)的SNR最大，可以求出一個(gè)最佳的G.值。通過信噪比對(duì)q求導(dǎo)，并使導(dǎo)數(shù)為零，解出G.

x-x-2

中—

\7

7,證明：對(duì)于00K直接檢測(cè)接收機(jī)，其誤碼率公式為

BERQ

^E/?=p(o|i]=e

當(dāng)“0”碼被誤判為“1”碼和“1”碼被誤判為“0”碼的幾率一樣時(shí)，闞值電流為

BERQ

4GP

10.推導(dǎo)具有光放大器的光接收機(jī)的誤碼率BER=Q

7,=RGP

2

b：=4/?GPP(G-l)Bf

“0”碼時(shí)的光生電流/。=0,“0”碼時(shí)的光生電流方差為以=0,代入

得到8ER=Q(/同

BER=QA-4_

?(GT)P.B,

1.商業(yè)級(jí)寬帶接收機(jī)的等效電阻R“=75Q。保持發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的參數(shù)和圖7.5的例子相同，在接收機(jī)光

x?-ci)0u—16dBm?tos.*..?>?tr.ttotx>pnn"?.x<+r>.乙z\satJtt9,?x?t<nass

表達(dá)式。證明當(dāng)R“=75Q時(shí)，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

.,~4C0.5(/n/?(y)2

2+x

解：因?yàn)槭荘IN,所以G=l,^—=RiN(RpyBrq+2e(Ip+ID)GBeq+4kTFtBcq/Rq'

C_____________0.5(m版/_________________

N-RIN(喇R+〃(〃+1泗/4kTF,BjR.q

再由一次光生電流。得到

C_______________0.5(加版y________________

N-RIN(RpyB‘q+2e.B”+2elDB.q+4kTF,B，1i四

把參數(shù)e=1.6xl()T9C,R=0.6A/W,RlN=-l43dB/Hz,Beq=\OMHz,ID,

&=L38X10-23//K,T=290K，R=7sn.F,=3dB代入上式，就得出C/N隨產(chǎn)變化的關(guān)系曲線

C0.5?！ǘ?

N4kTF%IR“

把P=OdBm=ImW代入可以求出其值。

對(duì)于設(shè)計(jì)較好的光電二極管，與中等強(qiáng)度的接收光信號(hào)的散彈（量子）噪聲相比，體暗電流和表面暗電

C0.5（川?對(duì)0.5（加麗/0.5（癡）2病而

N2e-）/2eIpBeq2eRPBeq4^-

把P=0dBm=ImW代入可以求出其值。

如果激光器的RIN值很高，反射噪聲將超過其他噪聲項(xiàng)，成為起主要作用的噪聲因素，于是載噪比為

C0.5（mRP）2

N~RIN（RP￥B,q

把P=0dBm=ImW代入可以求出其值。

當(dāng)仆=750時(shí)，熱噪聲為4卜7下再叫/；/子噪聲為RRPB寸把把尸==1，〃卬代入，得到

或TF及IR/leRPBw。即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

2.假設(shè)我們想要頻分復(fù)用60路FM信號(hào)，如果其中30路信號(hào)的每一個(gè)信道的調(diào)制指數(shù)班=3%,而另外

30路信號(hào)的每一個(gè)信道的調(diào)制指數(shù)叫=4%,試求出激光器的光調(diào)制指數(shù)。

解：由m得到m=（30x0.03+40x0.03產(chǎn)

3.假設(shè)一個(gè)SCM系統(tǒng)有120個(gè)信道，每個(gè)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(gè)損耗為0.5dB的連接器：激光光源耦合進(jìn)光纖的功率為2mW,光源的RIN=-135dB/Hz；

PIN光電二極管接收機(jī)的響應(yīng)度為0.6A/W,B=5GHz,I^IOnA,R?=50Q,F,=3dBo試求本系統(tǒng)的載噪比。

解：由加=（2叫2）得至IJ加=（120x0.023）'”.

激光耦合進(jìn)光纖的功率為尸=2機(jī)印，用dBm表示月=愴2（四團(tuán)），光檢測(cè)器接收到的功率為P,根據(jù)

aL+2xO.5=P,-P,得到

P—P,—nL—2xtl.5

其中損耗系數(shù)a=k/8/hn,長度L=120h*2x0.5為兩個(gè)連接器的損耗。由于是PIN,所以載噪比為

C_0.5（加麻）2

N=RIN（RA）2Beq+2e（Jp+/°）/+4"￡%/R”

把參數(shù)0=1.6x10-"。，R=0.6A/W,RlN=-143dB/HZ,Beg=5GHz.Zo=10nA,

A:=1.38xlO_23J/A：,T=290K,R二SOIL尸,=3dB代入上式，就得出C/N的值。

4.如果將題3中的PIN光電二極管用一個(gè)M=10和尸=的。Ga4s雪崩光電二極管替代，那么

解：用。GoAs雪崩光電二極管作為光檢測(cè)器，那么系統(tǒng)載噪比為

C____________________O.5(，〃RMA尸_____________________

N-RIERASB?q+2e(Jp+1D)M?F(M)B~+4kTF'B./R’q

其中雪崩增益M=10,雪崩光電二極管過剩噪聲系數(shù)尸(M)=M°7,其他參數(shù)不變，代入上式便得到系統(tǒng)

5.假設(shè)一個(gè)有32個(gè)信道的FDM系統(tǒng)中每個(gè)信道的調(diào)制指數(shù)為4.4%,若R/N=-135dB/”z,PIN光電二極

管接收機(jī)的響應(yīng)度為0.6A/W,B=5GHz,ID=\QnA,Ra=50Q,，=3dB。

(1)若接收光功率為試求這個(gè)鏈路的載噪比；

(2)若每個(gè)信道的調(diào)制指數(shù)增加到7%,接收光功率減少到-13力3加，試求這個(gè)鏈路的載噪比。

(N\'/：一

解：(1)由加得到"=(32x0.053,參數(shù)e=L6xl0T9c,R=0.6A/W,

23

P=-10dBm,RIN=-135dB/Hz,Beq=5GHz.ZD=10/M,Jt=1.38xlO*J//T,T=290/C,

R==5QQ，E=3dB代入上式，就得出C/N的值。，

￡_0.5(加麗產(chǎn)

=

NR/N(而+2e(Ip+〃)%+4kTF,Beq/Req

(2)將上式的m=(32x0.07)'〃，7=一1348加，代入上式很容易就求出載噪比。

6.一直有一個(gè)565Mb/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)的光纖損耗為0.1dB/km,有5個(gè)接頭，平均每個(gè)接頭損耗為0.2dB,光源的入纖功

,9

率為-3dBm,接收機(jī)靈敏度為-56dBm(BER=10)o

(2)光纖線路上的線路碼型是5B6B,光纖的色散系數(shù)為2ps/(km.nm),光源光譜寬度為1.8nm。

求：最大中繼距離是多少？

注：設(shè)計(jì)中選取色散(功率)代價(jià)為1dB,光連接器損耗為1dB(發(fā)送和接收端各一個(gè))，光纖富于度為

0.IdB/km,設(shè)備富于度為5.5dB。

=-3dBmPR=-56dBm,a=\dB,a=0.2JB,M=5.5dB,a=0AdB/km,

解:(1)把Bcsf

am=0.1dB/km代入

PPl，a5(X

L=S-R~e-,-I

其中右邊分子上的1是指色散(功率)代價(jià)。于是可通過計(jì)算得到損耗限制的最大中繼距離。

(2)受色散限制的最大傳輸距離為

rxlO6

/r■

一BD6

14

由于是單模光纖，所以￡=0.100,D=2psMkmmm),巧=1.8”加，分子上的10,是為了和分母的B的

單位相匹配，B的單位一定要用Mb/s。代入數(shù)據(jù)就可以求出L的值來。其中8=565x9=678Mb/s。

pst(nm.k.2dtkm

As,

a.數(shù)據(jù)速率為10和100Mb/s時(shí)，找出受損耗限制的最大傳輸距離。

b.數(shù)據(jù)速率為10和100Mb/s時(shí)，找出受色散限制的最大傳輸距離。

解：a。由“為了正常工作，APD接收機(jī)需要平均1000個(gè)光子/比特”得到APD的接收功率為

Pg—IHflHx-

AB

又已知G=5/nW,把發(fā)射功率和接收功率用dBm表示出來。

其中a,=Q.2dB/km

b.受色散限制的最大傳輸距離為