光纖通信 第二版 劉增基 參考答案

1、習(xí)題與思考題答案1-1光纖通信的優(yōu)缺點(diǎn)各是什么？答 與傳統(tǒng)的金屬電纜通信、磁波無線電通信相比，光纖通信具有如下有點(diǎn)：（1）通信容量大。首先，光載波的中心頻率很高，約為2×1014Hz，最大可用帶寬一般取載波頻率的10%，則容許的最大信號(hào)帶寬為20000 GHz（20 THz）；如果微波的載波頻率選擇為20 GHz，相應(yīng)的最大可用帶寬為2GHz。兩者相差10000倍。其次，單模光纖的色散幾乎為零，其帶寬距離（乘）積可達(dá)幾十GHz*km；采用波分復(fù)用（多載波傳輸）技術(shù)還可使傳輸容量增加幾十倍至上百倍。目前，單波長(zhǎng)的典型傳輸速率是10 Gbs，一個(gè)采用128個(gè)波長(zhǎng)的波分復(fù)用系統(tǒng)的傳輸速率就

2、是1.28 Tbs。（2）中繼距離長(zhǎng)。中繼距離受光纖損耗限制和色散限制，單模光纖的傳輸損耗可小于0.2 dBkm，色散接近于零。（3）抗電磁干擾。光纖由電絕緣的石英材料制成，因而光纖通信線路不受普通電磁場(chǎng)的干擾，包括閃電、火花、電力線、無線電波的干擾。同時(shí)光纖也不會(huì)對(duì)工作于無線電波波段的通信、雷達(dá)等設(shè)備產(chǎn)生干擾。這使光纖通信系統(tǒng)具有良好的電磁兼容性。（4）傳輸誤碼率極低。光信號(hào)在光纖中傳輸?shù)膿p耗和波形的畸變均很小，而且穩(wěn)定，噪聲主要來源于量子噪聲及光檢測(cè)器后面的電阻熱噪聲和前置放大器的噪聲。只要設(shè)計(jì)適當(dāng)，在中繼距離內(nèi)傳輸?shù)恼`碼率可達(dá)10-9甚至更低。此外，光纖通信系統(tǒng)還具有適應(yīng)能力強(qiáng)、保密性好

3、以及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。當(dāng)然光纖通信系統(tǒng)也存在一些不足：(1) 有些光器件(如激光器、光纖放大器)比較昂貴。(2) 光纖的機(jī)械強(qiáng)度差。為了提高強(qiáng)度，實(shí)際使用時(shí)要構(gòu)成包含多條光纖的光纜，在光纜中要有加強(qiáng)件和保護(hù)套。(3) 不能傳送電力。有時(shí)需要為遠(yuǎn)處的接口或再生的設(shè)備提供電能，光纖顯然不能勝任。為了傳送電能，在光纜系統(tǒng)中還必須額外使用金屬導(dǎo)線。(4) 光纖斷裂后的維修比較困難，需要專用工具。1-2 光纖通信系統(tǒng)由哪幾部分組成?簡(jiǎn)述各部分作用。答 光纖通信系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和光纖線路三個(gè)部分組成(參看圖14)。發(fā)射機(jī)又分為電發(fā)射機(jī)和光發(fā)射機(jī)。相應(yīng)地，接收機(jī)也分為光接收機(jī)和電接收機(jī)。電發(fā)射機(jī)的作用是

4、將信(息)源輸出的基帶電信號(hào)變換為適合于信道傳輸?shù)碾娦盘?hào)，包括多路復(fù)接、碼型變換等：光發(fā)射機(jī)的作用是把輸入電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并用耦合技術(shù)把光信號(hào)最大限度地注入光纖線路。光發(fā)射機(jī)由光源、驅(qū)動(dòng)器、調(diào)制器組成，光源是光發(fā)射機(jī)的核心。光發(fā)射機(jī)的性能基本取決于光源的特性；光源的輸出是光的載波信號(hào)，調(diào)制器讓攜帶信息的電信號(hào)去改變光載波的某一參數(shù)(如光的強(qiáng)度)。光纖線路把來自于光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)。光纖線路由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。光纖是光纖線路的主體，接頭和連接器是不可缺少的器件。光接收機(jī)把從光纖線路輸出的產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(hào)還原為電信號(hào)。光接收機(jī)

5、的功能主要由光檢測(cè)器完成，光檢測(cè)器是光接收機(jī)的核心。電接收機(jī)的作用一是放大，二是完成與電發(fā)射機(jī)相反的變換，包括碼型反變換和多路分接等。1-3 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5 GHz的微波載波和1.55m的光載波上能傳輸多少64 kb/s的話路?解 在5GHz微波載波上能傳輸?shù)?4 kb/s的話路數(shù)在1.55的光載波上能傳輸?shù)?4kb/s的話路數(shù)1-4 簡(jiǎn)述未來光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)。答 未來光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨于智能化、全光化。其關(guān)鍵技術(shù)包括：長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器、低損耗單模光纖、高效光放大器、WDM復(fù)用技術(shù)和全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。1-5 光網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是什么?答 光網(wǎng)絡(luò)具有如下的

6、主要優(yōu)點(diǎn)：(1) 可以極大地提高光纖的傳輸容量和結(jié)點(diǎn)的吞吐量，以適應(yīng)未來寬帶(高速)通信網(wǎng)的要求。(2) 光交叉連接器(oXC)和光分插復(fù)用器(OADM)對(duì)信號(hào)的速率和格式透明，可以建立一個(gè)支持多種業(yè)務(wù)和多種通信模式的、透明的光傳送平臺(tái)。(3) 以波分復(fù)用和波長(zhǎng)選路為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)和故障的自動(dòng)恢復(fù)，構(gòu)成具有高度靈活性和生存性的光傳送網(wǎng)。光網(wǎng)狀網(wǎng)具有可重構(gòu)性、可擴(kuò)展性、透明性、兼容性、完整性和生存性等優(yōu)點(diǎn)，是目前光纖通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和前沿。2-1 均勻光纖芯與包層的折射率分別為:n1=1.50，n2=1.45,試計(jì)算：(1) 光纖芯與包層的相對(duì)折射率差為多少?(2) 光纖的數(shù)值孔

7、徑NA為多少?(3) 在1米長(zhǎng)的光纖上，由子午線的光程差所引起的最大時(shí)延差為多少?解 （1）由纖芯和包層的相對(duì)折射率差=（n1-n2）/n1得到（2）（3）2-2 已知均勻光纖芯的折射率n1=1.50，相對(duì)折射率差=0.01，芯半徑25。試求：（1） LP01、LP02、LP11和LP12模的截止波長(zhǎng)各為多少？（2） 若，計(jì)算光纖的歸一化頻率以及其中傳輸?shù)哪?shù)量各等于多少？解 (1) 由公式(2.29)可得：其中，來自于P23表2.1。因?yàn)樗詫?duì)于LP01，不存在。對(duì)于LP11，對(duì)于LP02，對(duì)于LP12 ，(2) 2-3均勻光纖，若n1=1.50，試計(jì)算：(1) 若=0.25，為了保證單模傳

8、輸，其芯半徑應(yīng)取多大？(2) 若取，為保證單模傳輸，應(yīng)取多大？解 (1) 由單模傳輸條件推導(dǎo)出其中，則(2) 當(dāng)時(shí)，解得。2-4 目前光纖通信為什么采用以下三個(gè)工作波長(zhǎng)：，？答 ，附近是光纖傳輸損耗較小或最小的波長(zhǎng)“窗口”，相應(yīng)的損耗分別為23dB/km、0.5dB/km、0.2dB/km，而且在這些波段目前有成熟的光器件（光源、光檢測(cè)器等）。2-5 光纖通信為什么向長(zhǎng)波長(zhǎng)、單模光纖方向發(fā)展?答 長(zhǎng)波長(zhǎng)、單模光纖比短波長(zhǎng)、多模光纖具有更好的傳輸特性。（1） 單模光纖沒有模式色散，不同成分光經(jīng)過單模光纖的傳播時(shí)間不同的程度顯著小于經(jīng)過多模光纖時(shí)不同的程度。（2） 由光纖損耗和波長(zhǎng)的關(guān)系曲線知，隨

9、著波長(zhǎng)增大，損耗呈下降趨勢(shì)，且在1.55處有最低損耗值；而且1.31和1.55處的色散很小。故目前長(zhǎng)距離光纖通信一般都工作在1.55。2-6 光纖色散產(chǎn)生的原因及其危害是什么?答 光纖色散是由光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的不同成分光的傳播時(shí)間不同而產(chǎn)生的。光纖色散對(duì)光纖傳輸系統(tǒng)的危害有：若信號(hào)是模擬調(diào)制的，色散將限制帶寬；若信號(hào)是數(shù)字脈沖，色散將使脈沖展寬，限制系統(tǒng)傳輸速率（容量）。2-7 光纖損耗產(chǎn)生的原因及其危害是什么?答 光纖損耗包括吸收損耗和散射損耗。吸收損耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收的。散射損耗主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利散射和光纖結(jié)構(gòu)缺陷（如氣泡）引起的散射產(chǎn)生的

10、。光纖損耗使系統(tǒng)的傳輸距離受到限制，大損耗不利于長(zhǎng)距離光纖通信。2-8 階躍折射率光纖中n1=1.52,n2=1.49。（1） 光纖浸在水中（n0=1.33），求光從水中入射到光纖輸入端面的最大接收角；（2） 光纖放置在空氣中，求數(shù)值孔徑。解 （1）如圖2.4所示，由得由 得 由 得（2）2-9 一階躍折射率光纖，折射率n1=1.5，相對(duì)折射率差=1%，長(zhǎng)度L=1km。求：（1） 光纖的數(shù)值孔徑；（2） 子午線的最大時(shí)延差；（3） 若將光纖的包層和涂敷層去掉，求裸光纖的NA和最大時(shí)延差。解 （1）（2）（3）若將光纖的包層和涂敷層去掉，則此時(shí)n1=1.5，n2=1.0，所以2-10 一階躍折射

11、率光纖的相對(duì)折射率差=0.005，n1=1.5，當(dāng)波長(zhǎng)分別為0.85、1.31、1.55時(shí)，要實(shí)現(xiàn)單模傳輸，纖芯半徑應(yīng)小于多少？解 由單模傳輸?shù)臈l件推導(dǎo)出當(dāng)時(shí)，同理，當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，。2-11 已知光纖的纖芯直徑2=50，=0.01，n1=1.45，=0.85，若光纖的折射率分布分別為階躍型和=2的漸進(jìn)型，求它們的導(dǎo)模數(shù)量。若波長(zhǎng)改變?yōu)?.31，導(dǎo)模數(shù)量如何變化？解 （1）=0.85時(shí)，故得導(dǎo)模數(shù)量：階躍型漸進(jìn)型（2）若波長(zhǎng)改變?yōu)?.31，則=25，故得階躍型313漸進(jìn)型1562-12 一個(gè)階躍折射率光纖，纖芯折射率n1=1.4258，包層折射率n2=1.4205.該光纖工作在1.3和1.55兩

12、個(gè)波段上。求該光纖為單模光纖時(shí)的最大纖芯直徑。解 由截止波長(zhǎng)得時(shí)單模傳輸，由已知條件得，則即該光纖為單模光纖時(shí)，最大纖芯直徑為。2-13 具有光功率的一個(gè)非常窄的脈沖（理想情況下一個(gè)單位沖擊函數(shù)），被輸入光纖并產(chǎn)生一個(gè)輸出波形。輸出脈沖相應(yīng)于光纖的沖擊響應(yīng)。假設(shè)脈沖輸出是高斯型：其中，是脈沖寬度的均方根值。證明FWHM(半峰值寬度)帶寬證明 因?yàn)闆_擊響應(yīng)，故即為頻率響應(yīng)，設(shè)時(shí)為半峰值寬度，則因?yàn)樗约醇吹肍WHM帶寬2-14 考慮10 km長(zhǎng)，NA=0.30的多模階躍折射率光纖。如果纖芯折射率為1.450，計(jì)算光纖帶寬。解 10 km光纖產(chǎn)生的時(shí)間延遲(即脈沖展寬)為則即該10 km光纖的帶寬

13、。2-15 光波從空氣中以角度投射到平板玻璃表面上，這里的是人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，光束一部分被反射，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，請(qǐng)問玻璃的折射率等于多少?這種玻璃的臨界角又為多少?解 如圖所示的角度對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到入射角，折射角，由斯涅爾定律得所以，玻璃折射率這種玻璃的臨界角2-16 計(jì)算=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，則允許的最大入射角為多少？解 光纖數(shù)值孔徑若光纖端面外介質(zhì)折射率=1.00，則允許的最大入射角為2-17 弱導(dǎo)階躍光纖纖芯和包層折射率指數(shù)分別為=1.5，=1.4

14、5，試計(jì)算：（1） 纖芯和包層的相對(duì)折射率差；（2） 光纖的數(shù)值孔徑NA。解 （1）相對(duì)折射率差（2）光纖的數(shù)值孔徑2-18 已知階躍光纖纖芯的折射率=1.5，相對(duì)折射率差=0.01，纖芯半徑。若，計(jì)算光纖的歸一化頻率及其中傳播的模數(shù)量。解 由得光纖包層折射率則光纖歸一化頻率對(duì)于階躍光纖，傳播的模數(shù)量2-19 一根數(shù)值孔徑為0.20的階躍折射率多模光纖在850 nm波長(zhǎng)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1310 nm波長(zhǎng)上可以支持多少個(gè)模?（3） 在1550 nm波長(zhǎng)上可以支持多少個(gè)模?解 （1）對(duì)于階躍光纖，傳輸?shù)哪?shù)量，則根據(jù)公式得（2）在131

15、0 nm波長(zhǎng)上，歸一化頻率則傳播模數(shù)量（3）在1550 nm波長(zhǎng)上，歸一化頻率則傳播模數(shù)量2-20 用纖芯折射率=1.5，長(zhǎng)度未知的弱導(dǎo)光纖傳輸脈沖重復(fù)頻率的光脈沖，經(jīng)過該光纖后，信號(hào)延遲半個(gè)脈沖周期，試估算光纖的長(zhǎng)度L。解 信號(hào)延遲時(shí)間則光纖長(zhǎng)度2-21 有階躍型光纖，若=1.5，那么（1） 若=0.25，為保證單模傳輸，光纖纖芯半徑應(yīng)取多大?（2） 若取纖芯半徑=5，保證單模傳輸時(shí)，應(yīng)怎么樣選擇?解 （1）由單模傳輸條件得而，則（2）當(dāng)=5時(shí)，則即所以2-22 漸變型光纖的折射指數(shù)分布為求光纖的局部數(shù)值孔徑。解 光纖的局部數(shù)值孔徑為2-23 某光纖在1300 nm波長(zhǎng)處的損耗為0.6 dB

16、/km，在1550 nm波長(zhǎng)處的損耗為0.3 dB/km。假設(shè)下面兩種光信號(hào)同時(shí)進(jìn)入光纖：1300 nm波長(zhǎng)的150W的光信號(hào)和1550 nm波長(zhǎng)的100W的光信號(hào)。試問：這兩種光信號(hào)在8 km和20 km處的功率各是多少?以W為單位。解 （1）對(duì)于1300 nm波長(zhǎng)的150W的光信號(hào)，在8 km處損耗值為則8 km處功率值為在20 km處損耗值為則20 km處功率值為（2）對(duì)于1550 nm波長(zhǎng)的100W的光信號(hào)，在8 km處損耗值為則8 km處功率值為在20 km處損耗值為則20 km處功率值為2-24 一段12 km長(zhǎng)的光纖線路，其損耗為1.5 dBkm。試問：（1） 如果在接收端保持0

17、.3W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)?.5 dBkm，則需要的輸入光功率為多少?解 （1）光纖線路總損耗為則發(fā)送端功率最小值為（2）光纖的損耗變?yōu)?.5 dBkm時(shí)，光纖線路總損耗為則發(fā)送端功率最小值為2-25 有一段由階躍折射率光纖構(gòu)成的5 km長(zhǎng)的光纖鏈路，纖芯折射率=1.49，相對(duì)折射率差=0.01。（1） 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）由得光纖包層折射率則接收端最快和最慢的模式之間的時(shí)延差（2）（3）帶寬距離積為：。3-1 設(shè)激光

18、器激活物質(zhì)的高能級(jí)和低能級(jí)的能量各為和，頻率為，相應(yīng)能級(jí)上的粒子密度各為和。試計(jì)算：（1） 當(dāng)=3000 MHz，=300 K時(shí)，=？（2） 當(dāng)，=300 K時(shí)，=？（3） 當(dāng)，若=0.1，環(huán)境溫度=？（按波爾茲曼分布規(guī)律計(jì)算）解 由波爾茲曼條件得，其中。（1）=3000 MHz，=300 K時(shí)，所以（2）當(dāng)，=300 K時(shí)，所以（3）當(dāng)， =0.1時(shí)，求得3-2 某激光器采用GaAs為激活媒質(zhì)，問其輻射的光波頻率和波長(zhǎng)各為多少?解 GaAs禁帶寬度為=1.424 eV，由（為普朗克常數(shù)，=6.628×10-34 J·s），可得以GaAs為激活媒質(zhì)的激光器的輻射光波頻率和波

19、長(zhǎng)分別為3-3 半導(dǎo)體激光器（LD）有哪些特性?答 LD的主要特性有：（1） 發(fā)射波長(zhǎng)和光譜特性：發(fā)射波長(zhǎng)；激光振蕩可能存在多種模式(多縱模)，即在多個(gè)波長(zhǎng)上滿足激光振蕩的相位條件，表現(xiàn)為光譜包含多條譜線。而且隨著調(diào)制電流的增大，光譜變寬，譜特性變壞。（2） 激光束空間分布特性：遠(yuǎn)場(chǎng)光束橫截面成橢圓彤。（3） 轉(zhuǎn)換效率和輸出功率特性：（4） 頻率特性：在接近馳張頻率處，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生馳張振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。（5） 溫度特性：3-4 比較半導(dǎo)體激光器（LD）和發(fā)光二極管（LED）的異同。答 LD和LED的不同之處：工作原理不同，LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。LED

20、不需要光學(xué)諧振腔，而LD需要。和LD相比，LED輸出光功率較小，光譜較寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，輸出功率線性范圍寬，而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。所以，LED的主要應(yīng)用場(chǎng)合是小容量（窄帶）短距離通信系統(tǒng)；而LD主要應(yīng)用于長(zhǎng)距離大容量（寬帶）通信系統(tǒng)。LD和LED的相同之處：使用的半導(dǎo)體材料相同、結(jié)構(gòu)相似，LED和LD大多采用雙異質(zhì)結(jié)（DH）結(jié)構(gòu)，把有源層夾在P型和N型限制層之間。3-5 計(jì)算一個(gè)波長(zhǎng)的光子的能量等于多少?同時(shí)計(jì)算頻率=1 MHz和=1000 MHz無線電波的能量。解 光子的能量為對(duì)于1 MHz無線電波對(duì)于1000 MHz無線電波3-6 太陽向地球輻射光波，設(shè)

21、其平均波長(zhǎng)，射到地球外面大氣層的光強(qiáng)大約為=0.4 W/cm2。若大氣層外放一個(gè)太陽能電池，計(jì)算每秒鐘到達(dá)太陽能電池上每平方米板上的光子數(shù)是多少。解 波長(zhǎng)的光子能量為每秒鐘到達(dá)太陽能電池上每平方米板上的能量為則每秒鐘到達(dá)太陽能電池上每平方米板上的光子數(shù)為(個(gè))3-7 試說明APD和PIN在性能上的主要區(qū)別.答 APD和PIN在性能上的主要區(qū)別有：(1)API)具有雪崩增益，靈敏度高，有利于延長(zhǎng)系統(tǒng)傳輸距離。(2)APD的響應(yīng)時(shí)間短。(3)APD的雪崩效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生過剩噪聲，因此要適當(dāng)控制雪崩增益。(4)APD要求較高的工作電壓和復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路，成本較高。3-8 根據(jù)光隔離器的工作原理，構(gòu)成一個(gè)

22、三端口光環(huán)形器的結(jié)構(gòu)，并說明各元件的作用。答 三端口光環(huán)形器的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。在三端口光環(huán)行器中，端口1輸入的光信號(hào)只從端口2輸出，端口2輸入的光信號(hào)只從端口3輸出，端口3輸入的光信號(hào)只由端口1輸出。因?yàn)槊恳粚?duì)端口相當(dāng)于一個(gè)光隔離器，信號(hào)不能逆行傳輸，三端口光環(huán)行器相當(dāng)于由3個(gè)光隔離器組合而成，主要用于光分插復(fù)用器中。3-9 半導(dǎo)體激光器的發(fā)射光子的能量近似等于材料的禁帶寬度，已知GaAs材料的Eg=1.43eV，某一InGaAsP材料的Eg=0.96eV，求它們的發(fā)射波長(zhǎng)。解 對(duì)于GaAs材料的LD對(duì)于InGaAsP材料的LD3-10 一個(gè)半導(dǎo)體激光器發(fā)射波長(zhǎng)為1.3m，諧振腔具有“箱式”

23、結(jié)構(gòu)，腔長(zhǎng)l=150m，寬=20m，厚d=1.0pm，介質(zhì)的折射率n=4。假設(shè)諧振腔周圍的壁能完全地反射光，則諧振腔模式滿足式中，m，s，q是整數(shù)，為1，2，3，它們分別表示各個(gè)方向上的模數(shù)。求：(1)諧振腔允許的縱模模數(shù)；(2)設(shè)m=1，s=1，計(jì)算縱模的波長(zhǎng)間隔。解 (1)將題中相應(yīng)參數(shù)代人式有則當(dāng)m=1，s=1時(shí)，q有最大值為q=910，即諧振允許的縱模模數(shù)為910。(2) 3-11 短波長(zhǎng)LED由材料Ga1-xA1xAs制成，其中x表示成分?jǐn)?shù)。這樣的材料的帶隙能量Eg(eV)=1.424+1.266x+0.266x2已知z必須滿足0x0.37，求這樣的LED能覆蓋的波長(zhǎng)范圍。解 由Eg

24、(eV)=1.424+1.266x+0.266x2，得1.424Eg1.93由=1.24/Eg，得0.64m0.87 m3-12考慮在Eg(eV)=0.9 eV，T=320 K，r=0.5ns，直流驅(qū)動(dòng)為70 mA條件下的LED，內(nèi)量子效率為45%。LED的輸出被耦合到n1=1.48，n2=1.47，a=0.3 dB/km和l=30 km的漸變折射率光纖，耦合到光纖的效率為1。(1)計(jì)算光纖輸出功率；(2)LED在頻率f下被幅度調(diào)制，計(jì)算能在這個(gè)通信鏈路運(yùn)用的最高頻率。解 (1) 取正面發(fā)光型LED，由工作電流為70 mA，查P56圖3.16得LED發(fā)光功率Pi 3 mW因?yàn)轳詈蠟?，所以人纖

25、功率為0.03 mW。因?yàn)樗裕饫w輸出功率即光纖輸出功率為3.8 w。(2)因?yàn)楫?dāng)f = fc=1/2re時(shí)，有所以即最高頻率為700 MHz。3-13 考慮由表面發(fā)射LED激勵(lì)的階躍折射率光纖。假設(shè)LED是朗伯源，具有強(qiáng)度分布，I()=B cos()。求出下列表達(dá)式：(1)LED總輸出功率： (2)耦合到光纖的功率： (3)LED入射到光纖的耦合效率：解 (1) (2) (3) 3-14 利用上題結(jié)果證明c與數(shù)值孔徑NA的平方成正比。如果纖芯半徑a=25m，纖芯折射率n1=1.5，包層n2=1.478，B=200 W/(cm2S)。求耦合功率和耦合效率。 解 由上題結(jié)果有而NA=n0sin

26、c，c為臨界角，即max，所以因此而n0為常數(shù)，所以c與NA的平方成正比。耦合功率和耦合效率分別為： 3-15 一個(gè)GaAs PIN光電二極管，平均每三個(gè)入射光子產(chǎn)生一個(gè)電子一空穴對(duì)，假設(shè)所有的電子都被收集。 (1)計(jì)算該器件的量子效率； (2)設(shè)在0.8m波段接收功率是10-7W，計(jì)算平均輸出光電流； (3)計(jì)算這個(gè)光電二極管的長(zhǎng)波長(zhǎng)截止點(diǎn)c。(超過此波長(zhǎng)光電二極管將不工作)。解 (1)由量子效率的定義得(2) 由公式，得(3) 根據(jù)光電效應(yīng)的產(chǎn)生條件hf>Eg可得c=1.24/Eg，因GaAs的禁帶寬度為1.424 eV，所以c=0.87m。3-16 一個(gè)APD工作在155肛rfl波

27、段，且量子效率為03，增益為100，渡越時(shí)間為10 ps。(1)計(jì)算該檢測(cè)器的3 dB帶寬；(2)如果接收到的光功率是0.1m，計(jì)算輸出光電流；(3)在(2)條件下，計(jì)算10 MHz帶寬時(shí)的總均方根噪聲電流：解 (1)(2)APD輸出的光電流(3)從P64表3.4中查參數(shù)，取APD暗電流Id=15 nA；取附加噪聲指數(shù)x=0.5，取RL=1k，不計(jì)電放大器的噪聲，即F=1。 3-17 一光電二極管，當(dāng)=1.3m時(shí)，響應(yīng)度為0.6 A/w，計(jì)算它的量子效率。解 由于響應(yīng)度為=Ip/P0，則量子效率為 3-18 如果激光器在=0.5m上工作，輸出1 w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

28、低能級(jí)的粒子數(shù)。解 波長(zhǎng)=0.5m的光子能量為則每秒從激活物質(zhì)的高能級(jí)躍遷到低能級(jí)的粒子數(shù)為3-19 光與物質(zhì)間的互作用過程有哪些? 答 光與物質(zhì)之間的三種相互作用包括受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。 (1)受激吸收。在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)E。，在入射光作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)E2上，這種躍遷稱為受激吸收。 (2)自發(fā)輻射。在高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射。 (3)受激輻射。在高能級(jí)E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級(jí)E2上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這

29、種躍遷稱為受激輻射。 3-20 什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)?什么情況下能實(shí)現(xiàn)光放大？ 答 假設(shè)能級(jí)E1和E2上的粒子數(shù)分別為N1和N2，在正常的熱平衡狀態(tài)下，低能級(jí)E1上的粒子數(shù)N1是大于高能級(jí)E2上的粒子數(shù)N2的，入射的光信號(hào)總是被吸收。為了獲得光信號(hào)的放大，必須將熱平衡下的能級(jí)E。和E：上的粒子數(shù)N1和N：的分布關(guān)系倒過來，即高能級(jí)上的粒子數(shù)反而多于低能級(jí)上的粒子數(shù)，這就是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 當(dāng)光通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激活物質(zhì)時(shí)，將產(chǎn)生光放大。 3-21 什么是激光器的閾值條件? 答 對(duì)于給定的器件，產(chǎn)生激光輸出的條件就是閾值條件。在閾值以上，器件已經(jīng)不是放大器，而是一個(gè)振蕩器或激光器。 3-22 由表達(dá)

30、式E=hc/說明為什么LED的FWHM功率譜寬在長(zhǎng)波長(zhǎng)中會(huì)變得更寬些。 解 LED的FWHM功率譜寬是指光強(qiáng)下降一半的兩點(diǎn)間波長(zhǎng)變化范圍。設(shè)長(zhǎng)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)和平均帶隙分別為和，短波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)和平均帶隙分別為和。已知，則，如圖示，和分別為和。對(duì)應(yīng)的FWHM功率譜寬，易得。3-23 試畫出APD雪崩二極管的結(jié)構(gòu)示意圖，并指出高場(chǎng)區(qū)及耗盡區(qū)的范圍。解 雪崩二極管的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖 3-24什么是雪崩倍增效應(yīng)? 答 雪崩光電二極管工作時(shí)外加高反向偏壓(約100150 V)，在PN結(jié)內(nèi)部形成一高電場(chǎng)區(qū)，入射光功率產(chǎn)生的電子空穴對(duì)經(jīng)過高場(chǎng)區(qū)時(shí)不斷被加速而獲得很高的能量，這些高能量的電子或空穴在運(yùn)

31、動(dòng)過程中與價(jià)帶中的束縛電子碰撞，使晶格中的原子電離，產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)。新的電子空穴對(duì)受到同樣加速運(yùn)動(dòng)，又與原子碰撞電離，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，稱為二次電子空穴對(duì)。如此重復(fù)，使載流子和反向光生電流迅速增大，這個(gè)物理過程稱為雪崩倍增效應(yīng)。 325設(shè)PIN光電二極管的量子效率為80，計(jì)算在和波長(zhǎng)時(shí)的響應(yīng)度，并說明為什么在處光電二極管比較靈敏。 解 對(duì)于PIN光電二極管，其響應(yīng)度R定義為光生電流與輸入光功率之比，即 因?yàn)槿松涔夤β蔖in(w)對(duì)應(yīng)于單位時(shí)間（秒）內(nèi)平均入射的光子數(shù)Pin/(hfc)，而入射光子以量子效率部分被吸收，并在外電路中產(chǎn)生光電流，則有響應(yīng)度 由上式可知，在量子效率一定時(shí)，響應(yīng)度與波

32、長(zhǎng)成正比。所以有PIN在1.55m處的靈敏度高于在1.3m處。 3-26 光檢測(cè)過程中都有哪些噪聲？答 光檢測(cè)器的噪聲主要包括由光生信號(hào)電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲以及負(fù)載電阻產(chǎn)生的熱噪聲。熱噪聲來源于電阻內(nèi)部載流子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。散粒噪聲源于光子的吸收或者光生載流子的產(chǎn)生，具有隨機(jī)起伏的特性。光生信號(hào)電流產(chǎn)生的散粒噪聲，稱為量子噪聲，這種噪聲的功率與信號(hào)電流成正比，因此不可能通過增加信號(hào)光功率提高信噪比。在沒有外界入射光的作用下，光檢測(cè)器中仍然存在少量載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而形成很弱的散粒噪聲，稱為暗電流噪聲。所以在有信號(hào)光作用的時(shí)間內(nèi)，主要考慮量子噪聲和熱噪聲；而在沒有信號(hào)光的期間，主要考慮暗電

33、流噪聲和熱噪聲。 4-1 激光器(LD)產(chǎn)生弛張振蕩和自脈動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)理是什么？它的危害是什么？應(yīng)如何消除這兩種現(xiàn)象的產(chǎn)生? 答 當(dāng)電流脈沖注人激光器后，輸出光脈沖出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩，稱為弛張振蕩。弛張振蕩的后果是限制調(diào)制速率。當(dāng)最高調(diào)制頻率接近弛張振蕩頻率時(shí)，波形失真嚴(yán)重，會(huì)使光接收機(jī)在抽樣判決時(shí)增加誤碼率，因此實(shí)際中最高調(diào)制頻率應(yīng)低于馳張振蕩頻率。 某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)注入電流達(dá)到某個(gè)范圍時(shí)，輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩，這種現(xiàn)象稱為自脈動(dòng)現(xiàn)象。自脈動(dòng)頻率可達(dá)2 GHz，嚴(yán)重影響LD的高速調(diào)制特性。 4-2 LD為什么能夠產(chǎn)生碼型效應(yīng)?其危害及消除辦法是什么？ 答

34、半導(dǎo)體激光器在高速脈沖調(diào)制下，輸出光脈沖和輸入電流脈沖之間存在一個(gè)初始延遲時(shí)間，稱為光電延遲時(shí)間。當(dāng)光電延遲時(shí)間與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間T/2為相同數(shù)量級(jí)時(shí)，會(huì)使“0”碼過后的第一個(gè)“1”碼的脈沖寬度變窄，幅度減小。嚴(yán)重時(shí)可能使“1”碼丟失，這種現(xiàn)象稱為碼型效應(yīng)。碼型效應(yīng)的特點(diǎn)是在脈沖序列中，較長(zhǎng)的連“0”碼后出現(xiàn)“1”碼，其脈沖明顯變小而且連“0”碼數(shù)目越多，調(diào)制速率越高，這種效應(yīng)越明顯。碼型效應(yīng)的消除方法是用適當(dāng)?shù)摹斑^調(diào)制”補(bǔ)償方法。 4-3 在LD的驅(qū)動(dòng)電路里，為什么要設(shè)置功率自動(dòng)控制電路APC?功率自動(dòng)控制實(shí)際是控制LD的哪幾個(gè)參數(shù)？ 答 在LD的驅(qū)動(dòng)電路里，設(shè)置功率自動(dòng)控制電路(AP

35、C)是為了調(diào)節(jié)LD的偏流，使輸出光功率穩(wěn)定。功率自動(dòng)控制實(shí)際是控制LD的偏置電流、輸出光功率、激光器背向光平均功率。 4-4 在LD的驅(qū)動(dòng)電路里，為什么要設(shè)定溫度自動(dòng)控制電路?具體措施是什么?控制電路實(shí)際控制的是哪幾個(gè)參數(shù)？ 答 在LD的驅(qū)動(dòng)電路里，設(shè)置自動(dòng)溫度控制電路是因?yàn)榘雽?dǎo)體光源的輸出特性受溫度影響很大，特別是長(zhǎng)波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度更加敏感，為保證輸出特性的穩(wěn)定，對(duì)激光器進(jìn)行溫度控制是十分必要的。 溫度控制裝置一般由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成。致冷器的冷端和激光器的熱沉接觸，熱敏電阻作為傳感器，探測(cè)激光器結(jié)區(qū)的溫度，并把它傳遞給控制電路，通過控制電路改變致冷量，使激光器輸出特性保持

36、恒定。 控制電路實(shí)際控制的是：換能電橋的輸出、三極管的基極電流和致冷器的電流。 4-5 光接收機(jī)的前置放大器選擇FET或BJT的依據(jù)是什么？ 答 光接收機(jī)的前置放大器選擇FE'I、或BJT的依據(jù)是噪聲特性、放大量和帶寬。前置放大器必須是低噪聲放大器。FET主要特點(diǎn)是輸入阻抗高、噪聲小、但高頻特性較差，適用于低速率傳輸系統(tǒng)；而BJT主要特點(diǎn)是輸入阻抗低、噪聲較大、電路時(shí)間常數(shù)RC小，因而碼間干擾小，適用于高速率傳輸系統(tǒng)。 4-6 為什么光接收機(jī)的前置放大器多采用跨組型? 答 在光接收機(jī)的前置放大器采用跨組型，是因?yàn)榭缃M型前置放大器改善了帶寬特性及動(dòng)態(tài)范圍，并具有良好的噪聲特性。 4-7

37、在數(shù)字光接收機(jī)中，設(shè)置均衡濾波網(wǎng)絡(luò)的目的是什么？ 答 在數(shù)字光接收機(jī)中，設(shè)置均衡濾波網(wǎng)絡(luò)的目的是對(duì)經(jīng)光纖傳輸、光/電轉(zhuǎn)換和放大后產(chǎn)生畸變（失真）的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，以減小或消除碼間干擾，并使輸出信號(hào)的波形（一般用具有升余弦譜的碼元脈沖波形）適合于判決，減小誤碼率。 4-8 在數(shù)字光接收機(jī)中，為什么要設(shè)置AGC電路? 答 自動(dòng)增益控制(AGC)使光接收機(jī)具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍，以保證在入射光強(qiáng)度變化時(shí)輸出電流基本恒定。由于使用條件不同，輸入光接收機(jī)的光信號(hào)大小會(huì)發(fā)生變化，為實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍，采用AGC是十分有必要的。AGC一般采用接收信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)（一般設(shè)在放大器輸出端）及直流運(yùn)算放大器構(gòu)成的反饋控制電路來

38、實(shí)現(xiàn)。對(duì)于APD光接收機(jī)，AGC控制光檢測(cè)器的偏壓和放大器的增益；對(duì)于PIN光接收機(jī)，AGC只控制放大器的增益。 4-9 數(shù)字光接收機(jī)量子極限的含義是什么？ 答 光接收機(jī)可能達(dá)到的最高靈敏度，這個(gè)極限值是由量子噪聲決定的，所以稱為量子極限。 4-10 已測(cè)得某數(shù)字光接收機(jī)的靈敏度為10 pw，求對(duì)應(yīng)的dBm值。 解 Pw=10 lg<P>min(mW)=-20 dBm 4-11 在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，選擇碼型時(shí)應(yīng)考慮哪幾個(gè)因素？ 答 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對(duì)線路碼型的主要要求如下： (1)能限制信號(hào)帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。 (2)能給光接收機(jī)提供足夠的定時(shí)信息。 (3)能提供一定

39、的冗余度，用于平衡碼流、誤碼檢測(cè)和公務(wù)通信。但對(duì)高速光纖通信系統(tǒng)，應(yīng)適當(dāng)減小冗余度，以免占用過大的帶寬。4-12 光接收機(jī)中有哪些噪聲？ 答 光接收機(jī)中主要有兩種噪聲： 第一種光檢測(cè)器的噪聲，包括量子噪聲、暗電流噪聲及由APD的雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的附加噪聲。這是一種散彈（粒）噪聲，由光子產(chǎn)生光生電流過程的隨機(jī)性所引起，即使輸入信號(hào)光功率恒定時(shí)也存在。 第二種熱噪聲及前置放大器的噪聲，熱噪聲是在特定溫度下由電子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，任何工作于絕對(duì)零度以上的器件都是存在的，在光接收機(jī)中主要包括光檢測(cè)器負(fù)載電阻、前置放大器輸入電阻的熱噪聲。前置放大器的噪聲，嚴(yán)格說來，也是一種散粒噪聲，但因這是由電域的載流子的隨機(jī)

40、運(yùn)動(dòng)引起的，可以通過噪聲系數(shù)或噪聲等效溫度與熱噪聲一并進(jìn)行計(jì)算，所以在本書中就將前置放大器的噪聲和電阻熱噪聲合稱為前置放大器的噪聲。 4-13 RZ碼和NRZ碼有什么特點(diǎn)？ 答 RZ碼為歸零碼?！?”比特對(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)無脈沖出現(xiàn)。其主要優(yōu)點(diǎn)是解決了連“1”碼引起的基線漂移問題，缺點(diǎn)是未解決長(zhǎng)連“0”的問題。 NRZ碼為非歸零碼。“1”比特對(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)無脈沖出現(xiàn)。其主要優(yōu)點(diǎn)是占據(jù)的頻帶寬度窄，只是RZ碼的一半，缺點(diǎn)是當(dāng)出現(xiàn)長(zhǎng)連“1”或“0”時(shí)，光脈沖沒有“有”和“無”的變化，不適合通過交流耦合電路，對(duì)于接收比特時(shí)鐘的提取

41、是不利的。 4-14 光纖通信中常用的線路碼型有哪些？ 答 光纖通信中常用的線路碼型有擾碼、mBnB碼和插入碼。 4-15 光發(fā)射機(jī)中外調(diào)制方式有哪些類型？?jī)?nèi)調(diào)制和外調(diào)制各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？ 答 外調(diào)制有電折射調(diào)制器、電吸收MQW調(diào)制器和MZ干涉型調(diào)制器。 內(nèi)調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、易實(shí)現(xiàn)，適用于半導(dǎo)體激光器LD和發(fā)光二極管LED；缺點(diǎn)是帶來了輸出光脈沖的相位抖動(dòng)(即啁啾效應(yīng))，使光纖的色散增加，限制了容量的提高。外調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是可以減少啁啾，不但可以實(shí)現(xiàn)OOK方案，也可以實(shí)現(xiàn)ASK、FSK、PSK等調(diào)制方案；缺點(diǎn)是成本高，不易實(shí)現(xiàn)。 5-1 為什么要引入SDH？ 答 目前光纖大容量數(shù)字傳輸都采用同

42、步時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)，復(fù)用又分為若干等級(jí)，先后有兩種傳輸體制：準(zhǔn)同步數(shù)字系列(PDH)和同步數(shù)字系列(SDH)。PDH早在1976年就實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，目前還大量使用。隨著光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，PDH遇到了許多困難。在技術(shù)迅速發(fā)展的推動(dòng)下，美國(guó)提出了同步光纖網(wǎng)(SONET)。1988年，ITUT（原CCITT）參照SONET的概念，提出了被稱為同步數(shù)字系列(SDH)的規(guī)范建議。SDH解決了PDH存在的問題，是一種比較完善的傳輸體制，現(xiàn)已得到大量應(yīng)用。這種傳輸體制不僅適用于光纖信道，也適用于微波和衛(wèi)星干線傳輸。 5-2 SDH的特點(diǎn)有哪些？SDH幀中AUPTR表示什么？它有何作用？答 與PD

43、H相比，SDH具有下列特點(diǎn)：(1)SDH采用世界上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率等級(jí)。最低的等級(jí)也就是最基本的模塊稱為STM-1，傳輸速率為155.520 Mb/s；4個(gè)STM-1同步復(fù)接組成STM-4，傳輸速率為4×155.52 Mb/s = 622.080 Mb/s；16個(gè)STM-1組成STM-16，傳輸速率為2488.320 Mbs，以此類推。一般為STM-N，N=1，4，16，64。由于速率等級(jí)采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，SDH就具有了統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)接口，并可以承載現(xiàn)有的PDH（E1、E3等）和各種新的數(shù)字信號(hào)單元，如ATM信元、以太鏈路幀、IP分組等，有利于不同通信系統(tǒng)的互聯(lián)。(2)SDH傳送網(wǎng)絡(luò)單

44、元的光接El有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。因此，光接El成為開放型接口，任何網(wǎng)絡(luò)單元在光纖線路上可以互聯(lián)，不同廠家的產(chǎn)品可以互通，這有利于建立世界統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)的光接口綜合進(jìn)各種不同的網(wǎng)絡(luò)單元，簡(jiǎn)化了硬件，降低了網(wǎng)絡(luò)成本。(3)在SDH幀結(jié)構(gòu)中，豐富的開銷比特用于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、維護(hù)和管理，便于實(shí)現(xiàn)性能檢測(cè)、故障檢測(cè)和定位、故障報(bào)告等管理功能。(4)采用數(shù)字同步復(fù)用技術(shù)，其最小的復(fù)用單位為字節(jié)，不必進(jìn)行碼速調(diào)整，簡(jiǎn)化了復(fù)接分接的實(shí)現(xiàn)設(shè)備，由低速信號(hào)復(fù)接成高速信號(hào)，或從高速信號(hào)分出低速信號(hào)，不必逐級(jí)進(jìn)行。(5)采用數(shù)字交叉連接設(shè)備DXC可以對(duì)各種端口速率進(jìn)行可控的連接配置，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行自動(dòng)化的

45、調(diào)度和管理，這既提高了資源利用率，又增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和可靠性。SDH采用了DXC后，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性及對(duì)各種業(yè)務(wù)量變化的適應(yīng)能力，使現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)提高到一個(gè)嶄新的水平。SDH幀中的AU PTR指的是管理單元指針，它是一種指示符。主要用于指示載荷包絡(luò)的第一個(gè)字節(jié)在幀內(nèi)的準(zhǔn)確位置（相對(duì)于指針位置的偏移量）。采用指針技術(shù)是SDH的創(chuàng)新，結(jié)合虛容器的概念，解決了低速信號(hào)復(fù)接成高速信號(hào)時(shí)，由于小的頻率誤差所造成的載荷相對(duì)位置漂移的問題。5-3對(duì) 64 kbs業(yè)務(wù)，試寫出BER，SES和ES的換算關(guān)系。答 BER：在一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)亩M(jìn)制碼流的平均誤碼率。SES：誤碼率劣于1×10-3的

46、秒數(shù)（BER劣于10-3的秒數(shù)）。ES：凡是出現(xiàn)誤碼的秒數(shù)(BER0的秒數(shù))。對(duì)于64 kb/s的一路PCM電話業(yè)務(wù)，要求SES<0.2，其BER應(yīng)小于3×10-5，對(duì)于ES<8，BER小于1.3×10-6。5-4 設(shè)140 Mbs數(shù)字光纖通信系統(tǒng)發(fā)射光功率為-3 dBm，接收機(jī)靈敏度為-38 dBm，系統(tǒng)余量為4 dB，連接器損耗為0.5 dB對(duì)，平均接頭損耗為0.05 dBkm，光纖衰減系數(shù)為0.4 dB/km，光纖損耗余量為0.05 dB/km，計(jì)算中繼距離L。解 由題可知Pt = -3 dBm，Pr = -38 dBm，Me = 4 dB， = 0.5

47、dB/對(duì)， =0.05 dB/km，f = 04 dB/km，m = 0.05 dB/km。故得所以受損耗限制的中繼距離等于60 km。5-5 根據(jù)上式計(jì)算結(jié)果，設(shè)線路碼傳輸速率Fb=168 Mb/s，單模光纖色散系數(shù)=5 ps/(nm·km)。問該系統(tǒng)應(yīng)采用rms譜寬為多少的多縱模激光器作光源。 解 根據(jù)，代入由上題計(jì)算的L=60km及Fb=168 Mb/s，=0.115， =5 ps/(nm·km)，可得多縱模激光器的rms譜寬=2.28 nm。 5-6 已知有一個(gè)565 Mbs的單模光纖傳輸系統(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，

48、有5個(gè)接頭，平均每個(gè)接頭損耗為0.2dB，光源的入纖功率為-3 dBm，接收機(jī)靈敏度為-46 dBm(BER=-1010)； (2) 光纖線路上的線路碼型是5B6B，光纖的色散系數(shù)為2 ps/(km·nm)，光源光譜寬度為1.8 nm。 求最大中繼距離為多少? 注：設(shè)計(jì)中選取色散代價(jià)為1 dB，光連接器損耗為1 dB(發(fā)送和接收端各一個(gè))，光纖損耗余量為0.1dB/km，系統(tǒng)余量為5.5 dB。解 (1) 式中和分別是接頭總損耗和色散代價(jià)，其余符號(hào)的定義與式(5.8)相同。將已知數(shù)據(jù)代入上式得最大中繼距離為212.5km。 (2)因?yàn)?所以 最大中繼距離應(yīng)取上述計(jì)算結(jié)果212.5 k

49、m與47.1km中的較小者，因此系統(tǒng)的中繼距離最大為47.1km。 5-7一個(gè)二進(jìn)制傳輸系統(tǒng)具有以下特性： (1)單模光纖色散為15 ps/(km·nm)，損耗為0.2dB/km。 (2)發(fā)射機(jī)用=1551 nm的GaAs激光器，發(fā)射平均功率為5 mW，譜寬為2 nm。 (3)為了正常工作，APD接收機(jī)需要接收平均1000個(gè)光子/比特。 (4)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處耦合損耗共計(jì)3 dB。 求： (1)數(shù)據(jù)速率為10 Mb/s和100 Mb/s時(shí)，找出受損耗限制的最大傳輸距離。 (2)數(shù)據(jù)速率為10 Mb/s和100 Mb/s時(shí)，找出受色散限制的最大傳輸距離。 (3)對(duì)這個(gè)特殊系統(tǒng)，用圖表

50、示最大傳輸距離與數(shù)據(jù)速率的關(guān)系，包括損耗和色散兩種限制。 解 (1)假設(shè)系統(tǒng)余量為3 dB。數(shù)據(jù)速率為10 Mb/s時(shí)： 數(shù)據(jù)速率為100 Mb/s時(shí)： (2)根據(jù)數(shù)據(jù)速率為10Mb/s時(shí)：=383.3km數(shù)據(jù)速率為100Mb/s時(shí)：=38.3km(3)數(shù)據(jù)速率為10Mb/s時(shí)，最大中繼距離受損傷限制為314.5km數(shù)據(jù)速率為100Mb/s時(shí)，最大中繼距離受色散限制為38.3km(圖示與圖5.20相似，這里略去。) 5-8簡(jiǎn)述PDH和SDH的特點(diǎn)。答 PDH的特點(diǎn)：我國(guó)和歐洲、北美、日本各自有不同的PDH數(shù)字速率等級(jí)體系，這些體系互不兼容，使得國(guó)際互通很困難；PDH的高次群是異步復(fù)接，每次復(fù)接

51、要進(jìn)行一次碼速調(diào)整，使得復(fù)用結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，缺乏靈活性；沒有統(tǒng)一的光接口；PDH預(yù)留的插入比特較少，無法適應(yīng)新一代網(wǎng)絡(luò)的要求；PDH沒有考慮組網(wǎng)要求，缺少保證可靠性和抗毀性的措施。 SDH的特點(diǎn)：SDH有一套標(biāo)準(zhǔn)的世界統(tǒng)一的數(shù)字速率等級(jí)結(jié)構(gòu)；SDH的幀結(jié)構(gòu)是矩形塊狀結(jié)構(gòu)，低速率支路的分布規(guī)律性極強(qiáng)，使得上下話路變得極為簡(jiǎn)單；SDH幀結(jié)構(gòu)中擁有豐富的開銷比特，用于不同層次的OAM，預(yù)留的備用字節(jié)可以進(jìn)一步滿足網(wǎng)絡(luò)管理和智能化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要；SDH具有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)接El，可以實(shí)現(xiàn)光路上的互通；SDH采用同步和靈活的復(fù)用方式，便于網(wǎng)絡(luò)調(diào)度；SDH可以承載現(xiàn)有的TDM業(yè)務(wù)，也可以支持ATM和IP等異步

52、業(yè)務(wù)。 5-9 SDH設(shè)備在規(guī)范方法上有什么不同? 答 SDH設(shè)備將同步設(shè)備按一種所謂的功能參考模型分成單元功能、復(fù)合功能和網(wǎng)絡(luò)功能。在這種情況下，功能模型重點(diǎn)描述的是具體設(shè)備的功能行為，不再描述支撐其功能行為的硬件設(shè)備或軟件結(jié)構(gòu)。規(guī)范的功能模型允許有不同的實(shí)施方法。系統(tǒng)的各個(gè)功能可以分在三個(gè)設(shè)備中，也可以集中在一個(gè)設(shè)備中。 5-10如何理解誤碼性能參數(shù)DM、SES、ES? 答 誤碼性能參數(shù)有以下四種： （1）長(zhǎng)期平均誤碼率BER：是指在一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的誤碼的個(gè)數(shù)和總的傳輸碼元數(shù)的比值，可表示為 長(zhǎng)期平均誤碼率只能反映出測(cè)試時(shí)間內(nèi)的平均誤碼結(jié)果，無法反映出誤碼的隨機(jī)性和突發(fā)性。 （2）

53、劣化分(DM)：是指特定的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)(如一個(gè)月)BER劣于1×10-6的分鐘數(shù)，用平均時(shí)間百分?jǐn)?shù)表示。 （3）嚴(yán)重誤碼秒(SES)：是指特定的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)(如一個(gè)月)BER劣于1×10-3的秒數(shù)，用平均時(shí)間百分?jǐn)?shù)表示。 （4）誤碼秒(ES)：是指特定的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)(如一個(gè)月)出現(xiàn)誤碼的秒數(shù)，用平均時(shí)間百分?jǐn)?shù)表示。 6-1試說明模擬光信號(hào)接收機(jī)量子極限的含義。 答 模擬光接收機(jī)量子極限的含義是假設(shè)系統(tǒng)除量子噪聲外，沒有其他噪聲存在，靈敏度由平均信號(hào)電流決定，這樣確定的靈敏度稱為極限靈敏度，也叫量子極限。 6-2某模擬光信號(hào)接收機(jī)前置放大器的等效輸入電阻，放大器的帶寬B=10 MHz，噪聲系數(shù)為6 dB，采用PIN。正弦信號(hào)直接光強(qiáng)調(diào)制的調(diào)制指數(shù)m=1，信號(hào)的工作波長(zhǎng)。傳輸至接收機(jī)處的光信號(hào)功率。求接收機(jī)輸出信噪比SNR，此時(shí)光接收機(jī)的極限靈敏度應(yīng)為多少? 答 從表3.3中查參數(shù)，取PIN暗電流=0.6nA；取響應(yīng)度。取T為常溫300 K，則接收機(jī)輸出信噪比 光接收