光纤通信简明教程参考答案.docx

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光纤通信简明教程参考答案

光纤通信简明教程参考答案

第一章习题

1-1什么是光纤通信?

目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为SiO2的光纤,它是工作在电磁波的哪个区?

波长范围是多少?

对应的频率范围是多少?

光纤通信是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。

目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为SiO2的光纤。

它是工作在近红外区，波长为0.8～1.8μm，对应的频率为167～375THz。

1-2试画出光纤通信系统组成的方框图。

一个光纤通信系统通常由电发射机、光发射机、光接收机、电接收机和由光纤构成的光缆等组成。

1-3通信系统的容量用BL积表示，B和L分别是什么含义?

系统的通信容量用比特率—距离积表示，B为比特率，L为中继间距。

1-4光纤通信的主要优点是什么?

光纤通信之所以受到人们的极大重视，是因为和其他通信手段相比，具有无以伦比的优越性。

（1）通信容量大

（2）中继距离远

（3）抗电磁干扰能力强，无串话

（4）光纤细，光缆轻

（5）资源丰富，节约有色金属和能源。

光纤还具有均衡容易、抗腐蚀、不怕潮湿的优点。

因而经济效益非常显著。

1-5请查阅最新资料论述光纤通信的发展趋势。

略

第二章习题

2-1一个频率为

Hz的光源，其发射功率为10W，它一秒内发射多少个光子?

解：

2-2如下两种光纤，临界角满足什么条件可以保持光在纤芯中传播?

（1）对于石英光纤，纤芯的折射率

，包层的折射率

。

（2）对于塑料光纤，纤芯的折射率

，包层的折射率

。

解：

由

得

（1）

（2）

2-3一单色光垂直照在厚度均匀的薄油膜上。

油的折射率为1.3，玻璃的折射率为1.5，若单色光的波长可由光源连续调节，并观察到500nm与700nm这两个波长的单色光在反射中消失，求油膜的厚度。

解：

由于空气的折射率小于油的折射率，油的折射率小于玻璃的折射率，薄油膜的上、下两表面反射而形成相干光，由于两束光的路程不同而引起的光程差为2n2e；由于薄油膜的上、下两表面反射光都发生位相突变而不引起额外的光程差。

所以总的光程差为

当反射光因干涉而减弱，则有

由上式得

k1，k2=1，2，3……

所以k1=4，k2=3

把n2=1.3代入得到油膜的厚度为干涉加强的光波波长为：

e=673.08nm

2-4一波长为λ=600nm的单色平行光垂直照射一个光栅上，光栅常数为d=6μm，问第二级明纹所对应的衍射角φ为多少?

解：

光衍射角φ满足光栅方程时：

k=0,1,2……

式中d=a+b，k=2

得

2-5一束线偏振光入射到偏振片上，光矢量方向与偏振化方向分别成30°角和60°角，问透过偏振片的光强之比是多少?

解：

利用马吕斯定律：

2-6光从空气中入射到玻璃会发生光的反射和折射，已知玻璃的折射率n=1.48，空气的折射率近似为1，试求反射光为线偏振光时所对应的入射角。

解：

由布儒斯特定律

可得

2-7有一介质，吸收系数为

，透射光强分别为入射光强的10%、50%及80%时，介质的厚度各多少?

解：

光束穿过厚度为z的介质后强度为

可得：

当透射光强分别为入射光强的10%时，介质的厚度为7.196cm；

当透射光强分别为入射光强的50%时，介质的厚度为2.166cm；

当透射光强分别为入射光强的10%时，介质的厚度为0.607cm；

2-8构成激光器的三个基本条件是什么?

构成一个激光器需要如下三个要素如图所示：

（1）激光工作物质

（2）激励

（3）光学谐振腔

2-9He—Ne激光器的中心频率

Hz，自发辐射谱线宽度为

Hz，若想获得单模输出，腔长应为多少?

解：

纵模个数N为

当单模输出时N=1，即

Hz

由

得

4m

第三章习题

3-1填空题

（1）通信用的光纤绝大多数用材料制成。

折射率高的中心部分叫，折射率稍低的外层称为。

（2）表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为，用表示。

（3）在阶跃型光纤中，模是最低工作模式，是第一高阶模。

（4）阶跃型光纤的单模传输条件是。

（5）渐变型光纤中不同射线具有相同轴向速度的现象称为。

答案：

（1）石英，纤芯，包层

（2）数值孔径，NA

（3）LP01，LP11

（4）0＜V＜2.405

（5）光纤的自聚焦现象

3-2试分析阶跃型光纤和渐变型光纤的导光原理。

阶跃折射率光纤的导光原理比较简单，如图3-1-3所示。

图3-1-3阶跃折射率光纤的导光原理

按照光的全反射理论，如果光线满足θ1大于临界角由式（3-1-3）确定的θC，将会在纤芯与包层界面上发生全反射，当全反射的光线再次入射到纤芯与包层的分界面时，又会再次发生全反射而返回纤芯中传输形成导波。

采用渐变型折射率光纤的目的是为了降低模间色散，其导光原理如图3-1-4所示。

图中给出了梯度折射率光纤中三条不同路径的光线沿光纤传播的情况，与轴线夹角大的光线经过的路径要长一些，然而它的折射率的较小，光线速度沿轴向的传播速度较大；而沿着轴线传播的光线尽管路径最短，但传播速度却最慢。

这样如果选择合适的折射率分布就有可能使所有光线同时到达光纤输出端。

这样人们很容易理解为什么采用梯度折射率光纤可以降低模间色散。

图3-1-4渐变型折射率光纤的导光原理

3-3阶跃型光纤纤芯折射率n1=1.48，包层折射率n2=1.46，试计算光纤的数值孔径?

解：

由

得

3-4什么是光纤的归一化频率?

写出表达式。

光纤的归一化频率V是由U和W得出的一个重要参数，由光纤的结构和波长决定。

3-5阶跃型光纤纤芯折射率n1=1.48，包层折射率n2=1.46，在工作波长为1.31μm条件下，要保证单模传输，纤芯半径应如何选择。

由

可知

纤芯半径应小于2.09μm

3-6什么是渐变型光纤的最佳折射指数分布?

写出平方律型折射指数分布光纤的折射指数表达式。

从渐变型光纤的导光原理可知：

只要n（r）取得合适，那么不同模式的光线就会具有相同的轴向速度。

即具有不同条件的子午射线，从同一地点出发，达到相同的终端。

利用渐变型光纤n随r变化的特点，可以减小模式色散。

这种现象称为光纤的自聚焦现象，相应的折射指数分布称为最佳折射指数分布。

折射指数选取平方律型分布形式

（3-3-1）

式中：

n（0）——光纤轴线处（r=0）的折射率

a——纤芯半径

3-7写出光纤的衰减系数表达式。

衰减系数的单位是什么？

衰减常数α用单位长度光纤引起光功率衰减的分贝来表示，定义为

单位为dB/km。

3-8对于NA=0.275，n1=1.487的多模阶跃型光纤，一个光脉冲传输了8km，求光脉冲展宽了多少？

解：

3-9对于N1=1.487，Δ=1.71%的多模渐变型光纤，一个光脉冲传输了2km，求光脉冲展宽了多少？

解：

3-10材料色散和波导色散引起的时延差Δτ与色散系数D的关系是什么？

色散系数D工程通常采用什么单位？

材料色散和波导色散引起的时延差Δτ与色散系数D成正比，色散系数D工程上单位采用ps/（nm·km）。

3-11普通单模光纤的零色散波长大约为多少？

色散位移光纤（DSF）是利用什么原理制成的？

图3-6-3普通单模光纤的材料色散系数Dm、波导色散系数Dw和总色散D随波长变化的曲线，总色散在1.31μm附近为零，这个波长称为零色散波长。

而在1.55μm附近色散系数D=15～18ps/（km·nm）。

在1.55μm附近的损耗最低，如果合理地设计光波导的结构就可以把零色散波长位移到1.55μm附近，这样1.55μm附近色散也最小，利用这种原理制成色散位移光纤（DSF）。

无疑对长距离大容量的光纤通信是十分有利的。

图3-6-3普通单模光纤的DM、Dw和D随波长的变化曲线

3-12查阅资料，论述单模光纤的最新进展。

略

第四章习题

4-1填空题

（1）根据半导体的能带理论，能够被电子占据的能带为、，不能被子占据的状态为。

（2）在半导体材料中掺杂其他原子，如果在半导体材料中掺杂负电荷的载体以产生大量的电子，这种半导体称为型半导体；掺杂的是正电荷的载体以产生大量的空穴，则称为型半导体。

（3）对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时输出的光为，这个电流称为电流。

（4）半导体材料只有波长为λ＜λC的光入射时，才能使材料产生光子，所以λC称为

波长

（5）由于双异质结激光器在有源区两侧，既限制了，又限制了，故它的光强分布基本被约束在有源区，而且阈值电流大大降低

答案：

（1）价带导带禁带

（2）NP

（3）激光阈值

（4）截止

（5）光波载流子

4-2LED的光谱有什么特点，可以用于何种光纤系统？

发光二级管又称LED，广泛应用在各类电子设备中，也是光纤通信中经常使用的光源。

它的优点在于较小的尺寸和较长的使用寿命。

但它也具有发光亮度低，光谱宽等缺陷，故发光二极管（LED）通常使用在低速、短距离光通信系统。

4-3试画出LED的光输出功率P与注入电流I的关系曲线，即P-I曲线。

LED是无阈值器件，它随注入电流的增加，输出光功率近似的线性增加。

通常使用使用光输出功率P与注入电流I的关系，即P-I曲线，来描述LED的输出光功率特性，如图4-2-5所示。

图4-2-5LED的P-I特性曲线

4-4光纤通信对半导体激光器有哪些主要要求？

半导体激光器（LD）是光纤通信最主要的光源，非常适合于高码速率长距离的光纤通信系统的基本要求有以下几点：

（1）光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，即发光波长为0.85μm、1.31μm或1.55μm。

（2）光源的谱线宽度较窄，Δλ=0.1～1.0nm。

（3）能提供足够的输出功率，可达到10mW以上。

（4）与光纤耦合效率高，30%～50%。

（5）能长时间连续工作，工作稳定，提供足够的输出光功率。

4-5半导体激光器也由三个部分构成，试分别加以说明。

半导体激光器由如下三个部分组成：

产生激光的工作物质（激活物质）能够产生激光的工作物质，也就是处于粒子数反转分布状态的工作物质，它是产生激光的必要条件。

能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。

物质在泵浦源的作用下，使粒子数从低能级跃迁到高能级，使得在这种情况下受激辐射大于受激吸收，从而有光的放大作用。

这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。

有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。

激活物质只能使光放大，只有把激活物置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。

4-6试画出InGaAsP双异质结条型激光器剖面图。

目前，光纤通信用的激光器大多采用如图4-3-2所示的铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结条型激光器。

由剖面图中可以看出，它由5层半导体材料构成。

其中N—InGaAsP是发光的作用区，作用区的上、下两层称为限制层，它们和作用区构成光学谐振腔。

限制层和作用层之间形成异质结。

最下面一层N—InP是衬底，顶层P+—InGaAsP是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接触。

顶层上面数微米宽的窗口为条型电极。

图4-3-2InGaAsP双异质结条型激光器剖面图

4-7法布里－珀罗腔GaAlAs-GaAs半导体激光器在高速调制情况下的输出光谱，与在直流或低码速调制情况下的输出光谱有什么不同？

法布里－珀罗腔半导体激光器（FP-LD）输出的激光在低码速情况下一般具有良好的单纵模性，然而在高码速情况下，其光谱呈多纵模性，光谱线较宽。

在光纤长距离、大容量的传输过程中，多纵模的存在将使光纤中的色度色散增加。

4-8画出DFB-LD结构示意图。

DFB-LD单模光谱与LD多模光谱有何不同？

分布反馈半导体激光器（DFB-LD），它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻上波纹状的周期的光栅来构成的，如图4-3-4所示。

图4-3-4分布反馈半导体激光器结构示意图

LD多模光谱和单模光谱的比较可以看出，单纵模LD中除了一个主模外，其它纵模都被抑制了，同时主模的谱线宽度非常窄，通常小于1nm，用于高速光纤通信系统是非常理想的。

4-9半导体激光器的温度变化对阈值电流有什么影响?

温度对激光器阈值电流影响很大，阈值电流随温度升高而加大。

所以为了使光纤通信系统稳定、可靠地工作，一般都要采用自动温度控制电路，来稳定激光器的阈值电流和输出光功率。

4-10光源的外部调制是如何实现的？

光源的间接调制通常称为光源的外部调制，它是由恒定光源输出激光后，外加光调制器对光进行调制来实现的。

目前可以使用的外部调制方式有电光调制、声光调制和磁光调制。

电光调制最容易实现，在光纤通信系统广泛使用。

4-11试说明LD的电光延迟和张驰振荡的产生原因。

电光延迟就是在电信号到来时，光信号相对于电信号的时间延迟，用延迟时间td来表示，电光延迟的原因是由于载流子浓度达到激光阈值需要一定的时间（约0.5～2.5ns）。

当注入电流从零快速增大到阈值以上时，经电光延迟后产生激光输出，并在脉冲顶部出现阻尼振荡，经过几个周期后达到平衡值，这种特性称为张驰振荡特性。

当电子密度增加到阈值时，激光器开始发射，但光子密度的增加也有一定的过程，只要光子密度还没有达到它的稳态值，电子密度将继续增加。

光子密度迅速上升同时使电子密度开始下降，持续一段时间，使电子密度继续下降到nth之下，从而引起光子密度也开始迅速下降。

当电子密度下降到最低点时，发射可能停止或减弱，于是重新开始上述过程。

4-12对光发送机的主要要求有哪些？

（1）有合适的输出光功率

（2）良好的消光比

（3）调制特性要好

4-13直接调制的光发送机较为简单，所以目前使用的光发送机大多数是直接调制的光发送机，试画出它的结构框图。

直接调制的光发送机较为简单，所以目前使用的光发射机大多数是直接调制的光发送机，它的原理如图4-5-1所示。

图4-5-1直接调制的光发送机组成框图

4-14输入电路的功能是实现电端机（PCM）输入的信号转换成能在光纤线路传输码型的信号，试说明各部分的作用。

输入电路的功能是实现电端机（PCM）输入的信号转换成能在光纤线路传输码型的信号，原理框图见图4-5-3。

图4-5-3输入电路原理框图

输入接口电端机（PCM）输入的信号应该符合CCITTG.703建议，这个接口通常称为电接口。

均衡放大由PCM端机送来的HDB3或CMI码流，首先要进行均衡，用以补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变，以便正确译码。

时钟提取由于码型变换和扰码过程都需要以时钟信号作为依据。

因此，在均衡电路之后，由时钟提取电路提取出时钟信号，供给码型变换和扰码电路使用。

码型变换由均衡器输出的HDB3码（又称三阶高密度双极性码）或CMI码（又称传号反转码），前者是三值双极性码（即+1，0，-1），后者是归零码，在数字电路中为了处理方便，需通过码型变换电路，将其变换为非归零码（即NRZ码）。

复用是指利用大容量传输信道来同时传送多个低容量的用户信息及开销信息的过程。

扰码与编码若信码流中出现长连“0”或长连“1”的情况，将会给时钟信号的提取带来困难，为了避免出现这种情况，需加一扰码电路，它可有规律地破坏长连“0”和长连“1”的码流。

从而达到“0”、“1”等概率出现。

扰码以后的信号再进行线路编码。

在实际的光纤通信系统中，除了要满足光纤通信线路码型变换的基本要求，还要实现不间断业务的误码监测、区间通信联络、监控等功能。

第五章习题

5-1填空题

（1）光纤通信用光检测器是利用半导体材料的原理制成的。

（2）PIN光电二极管，是在P型材料和N型材料之间加上一层。

（3）在光接收机中，与光电检测器相连的放大器称为，它是的放大器。

（4）信号电平超过判决门限电平，则判为码。

低于判决门限电平，则判为码。

（5）工程上光接收机的灵敏度常用单位是。

答案：

（1）光电效应；

（2）I层（本征耗尽层）；

（3）前置放大器低噪声、高增益；

（4）“1”“0”

（5）dBm

5-2什么是半导体的光电效应?

半导体光检测器是利用半导体的光电效应制成。

半导体材料的PN结上，当加上反向偏压，即半导体材料的PN结的P区接负，N区接正，此时耗尽层变宽。

强大的内建电场组，阻碍着电子从N区流向P区，空穴从P区流向N区，因此在耗尽层缺少自由载流子。

当光照射到半导体的PN结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即形成光电子-空穴对，它们总起来称作光生载流子。

光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，分别向P区和N区迅速漂移，这样在外电路中出现光电流，如图5-1-1（a）所示，由图可见，外加负偏压产生的电场方向与内建电场方向一致，有利于耗尽层的加宽。

这样，就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用。

图5-1-1半导体材料的光电效应

5-3光电检测器的响应度和量子效率是如何定义的?

二者有什么联系?

响应度是描述这种器件光电转换能力的物理量。

定义为

量子效率η，定义为产生的光生电子-空穴对数占入射光子数的百分比。

响应度和量子效率虽然都是描述器件光电转换能力的物理量，但是分析的角度不同，二者的关系为

5-4直接检测数字光接收机有哪些组成部分，试画出组成方框图。

直接检测数字光纤通信接收机一般由三个部分组成，即光接收机的前端、线性通道和数据恢复三个部分，如图5-3-1所示。

图5-3-1直接检测数字光纤通信接收机框图

5-5为什么在光接收机线性通道中要加入均衡滤波器?

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、码间干扰最小的波形。

通常将输出波形均衡成具有升余弦频谱函数特性，此时码间干扰最小，最有利于判决。

5-6数字光纤通信系统中，按照“1”码时码元周期T的大小可分哪两种码型?

它们的占空比分别是什么?

按照“1”码时码元周期T的大小，分为归零码（RZ码）与非归零码（NRZ码）两种，见图5-4-1。

显然，RZ码的占空比为0.5，而NRZ码的占空比为1。

图5-4-1数字光纤通信系统中的码元

5-7什么是量子噪声?

量子噪声是与光信号有关，出现这种噪声的原因可以这样解释：

光信息的传播是由大量的光量子传播来进行的，这些大量的光量子其相位都是随机的，因此光电检测器在某个时刻实际接收到的光子数，是在一个统计平均值附近浮动，因而产生了噪声。

5-8某光接收机接收的光功率为0.1μW，光波长为1.31μm，求所对应的每秒钟接收的光子数。

解：

5-9某光纤通信系统光发送端机输出光功率为0.5mW，接收端机灵敏度为0.2μW，若用dBm表示分别是多少?

（提示lg2≈0.3）

解：

5-10一数字光纤接收端机，在保证给定误码率指标条件下，最大允许输入光功率为0.1mW，灵敏度为0.1μW，求其动态范围。

解：

所以动态范围D为30dB

第六章习题

6-1填空题

（1）利用光纤传输监控信号有两种方式分别是、。

（2）分组码又称，它是。

（3）光纤通信系统的长期平均误码率定义为，反映突发性误码，用、两个性能指标来评价。

（4）在数字光纤通信系统中，抖动会。

为保证整个系统正常工作，根据ITU-T建议和我国国标，抖动的性能参数主要有、、。

（5）SDH网有一套标准化的信息等级结构，根据ITU-T的建议，码速率分别为：

STM-1=Mb/s；STM-4=Mb/s；

STM-16=Mb/s；STM-64=Mb/s。

（6）二次群的码速率为8.448Mbit/s，1UT的时间为。

答案：

（1）频分复用传输方式时分复用方式

（2）mBnB它是把输入信码流中每m比特码分为一组，然后变换为n比特（n＞m）输出

（3）误码率（BER）定义为传送错误的码元数占传送的总码元数的百分比

有严重误码秒（SES）误码秒（ES）

（4）引起误码率的增加

（5）155.520Mb/s，622.080Mb/s，2488.320Mb/s，9953.280Mb/s

6-2试画出IM-DD光纤通信系统结构框图。

点对点IM-DD数字光纤通信系统结构。

图6-1-1点对点IM-DD数字光纤通信系统结构

6-3光纤通信系统中，为什么选择线路码型是十分必要的?

PCM系统与光纤通信系统接口的两种码型并不都适合在光纤数字通信系统中传输，因为在光纤数字通信系统中使用了光源发出光信号，传输手段是光导纤维，由此会带来的新问题。

例如HDB3码有+1，0，-1三种状态，而在光纤数字通信系统中，光源只有发光和不发光两种状态，没有发负光这种状态。

因此，在光纤系统中无法传输HDB3码。

为此，在光发射机中传输140Mb/s以下码速率时，必须将HDB3解码，变为单极性的“0”，“1”码。

但是HDB3解码后，这种码型所具有的上述误码监测等功能都将失去。

以上是需要重新编码的一个原因。

另一方面，在光纤线路中，除了需要传输主信号外，还需增加一些其他的功能，如传输监控信号、区间通信信号、公务通信信号、数据通信信号，当然也仍需要有不间断进行误码监测功能等。

为此，需要在原来码速率基础上，提高一点码速率，以增加一些信息余量（冗余度）从而实现上述目的。

具体作法是在原有码流中插入脉冲，这也需要重新编码。

6-4在PDH光纤通信系统和SDH光纤通信系统分别采用什么线路码型？

在PDH光纤通信系统中，常用的码型有分组码和插入比特码；在SDH光纤通信系统中广泛使用加扰NRZ码。

6-5什么是分组码?

经过分组编码，线路上的速率提高了多少?

分组码常用mBnB表示，它是把输入信码流中每m比特码分为一组，然后变换为n比特（n＞m）输出。

分组码有1B2B，2B3B，3B4B，5B6B，5B7B，6B8B等。

线路上的速率提高了线路上的速率提高了线路上的速率提高了线路上的速率提高了线路上的速率提高了（n-m）/m

6-6什么是插入码，插入码的类型有几种?

插入比特码是将信码流中每m比特划为一组，然后在这一组的末尾一位之后插入一个比特码输出，根据插入码的类型分为：

mB1P码，mB1C码，mB1H码。

6-7有一个光纤通信系统，其码速率为622.080Mb/s，平均发送光功率PT的最大值0dBm，活动连接器ACT和ACR为0.4dB，设备富余度ME为3dB，光纤衰减系数Af取值1550nm取0.2dB/km，平均熔接接头损耗AS/Lf为0.05dB/km，线路富余度MC为0.06dB/km。

接收机灵敏度PR为-31.2dBm，试估算最大中继距离。

解：

6-8SLM光源的Δλ3dB为0.388nm，系统所用常规光纤，在1310nm工作波长范围内的最大色散系数Dmax=3.5ps/nm·km，估计STM-1、STM-4、STM-16系统的最大色散受限距离。

解：

由

得

STM-1系统L=1493.40

STM-4系统L=373.35

STM-16系统L=93.34

第七章习题

7-1PDH的主要有哪些缺点，试画图说明PDH是如何实现从低次群信号复接成高次群信号，又是如何实现从高次群信号到低次群信号的分接的？

PDH的主要缺点