光纖通信課后習習題參考答案-鄧大鵬

1、光纖通信課后習題答案第一章習題參考答案1、第一根光纖是什么時候出現的其損耗是多少答：第一根光纖大約是1950年出現的。傳輸損耗高達1000dB/km左右。2、試述光纖通信系統(tǒng)的組成及各部分的關系。答：光纖通信系統(tǒng)主要由光發(fā)送機、光纖光纜、中繼器和光接收機組成。系統(tǒng)中光發(fā)送機將電信號轉換為光信號，并將生成的光信號注入光纖光纜，調制過的光信號經過光纖長途傳輸后送入光接收機，光接收機將光纖送來的光信號還原成原始的電信號，完成信號的傳送。中繼器就是用于長途傳輸時延長光信號的傳輸距離。3、光纖通信有哪些優(yōu)缺點答：光纖通信具有容量大，損耗低、中繼距離長，抗電磁干擾能力強，保密性能好，體積小、重量輕，節(jié)省有

2、色金屬和原材料等優(yōu)點；但它也有抗拉強度低，連接困難，怕水等缺點。第二章光纖和光纜1光纖是由哪幾部分組成的各部分有何作用答：光纖是由折射率較高的纖芯、折射率較低的包層和外面的涂覆層組成的。纖芯和包層是為滿足導光的要求；涂覆層的作用是保護光纖不受水汽的侵蝕和機械擦傷，同時增加光纖的柔韌性。2光纖是如何分類的階躍型光纖和漸變型光纖的折射率分布是如何表示的答：（1）按照截面上折射率分布的不同可以將光纖分為階躍型光纖和漸變型光纖；按光纖中傳輸的模式數量，可以將光纖分為多模光纖和單模光纖；按光纖的工作波長可以將光纖分為短波長光纖、長波長光纖和超長波長光纖；按照ITU-T關于光纖類型的建議，可以將光纖分為光

3、纖（漸變型多模光纖）、光纖（常規(guī)單模光纖）、光纖（色散位移光纖）、光纖（截止波長光纖）和（非零色散位移光纖）光纖；按套塑（二次涂覆層）可以將光纖分為松套光纖和緊套光纖。（2）階躍型光纖的折射率分布漸變型光纖的折射率分布3階躍型光纖和漸變型光纖的數值孔徑NA是如何定義的兩者有何區(qū)別它是用來衡量光纖什么的物理量 答：階躍型光纖的數值孔徑 漸變型光纖的數值孔徑 兩者區(qū)別：階躍型光纖的數值孔徑是與纖芯和包層的折射率有關；而漸變型光纖的數值孔徑只與纖芯內最大的折射率和包層的折射率有關。數值孔徑是衡量光纖的集光能力，即凡是入射到圓錐角0以內的所有光線都可以滿足全反射條件，在芯包界面上發(fā)生全反射，從而將光線

4、束縛在纖芯中沿軸向傳播。4簡述光纖的導光原理。答：光纖之所以能夠導光就是利用纖芯折射率略高于包層折射率的特點，使落于數值孔徑角)內的光線都能收集在光纖中，并在芯包邊界以內形成全反射，從而將光線限制在光纖中傳播。5什么是傳導模推導相位一致條件，并說明其物理意義。答：（1）能在光纖中長距離傳播的模式稱之為傳導模，簡稱導模。（2）k0n1ABAB2a即：根據平面幾何知識，可化簡為：（3）光波在有限空間傳播時，形成駐波。因此，當光波橫向傳播一個周期時，其波相位變化2的整數倍，才會相干加強形成駐波，否則相干抵消。6在均勻光纖中，為什么單模光纖的芯徑和相對折射率差比多模光纖小答：光纖單模傳輸的條件是光纖的

5、歸一化頻率V要小于次低階模的歸一化截止頻率Vc，即：；當時，光纖進行多模傳輸。而。因此，單模光纖的芯徑a和相對折射率差比多模光纖小。7均勻光纖纖芯和包層的折射率分別為n1=，n2=，光纖的長度L=10Km。試求：（1）光纖的相對折射率差；（2）數值孔徑NA；（3）若將光纖的包層和涂敷層去掉，求裸光纖的NA和相對折射率差。解：（1） （2） （3）若將光纖的包層和涂敷層去掉，則相當于包層的折射率n2=1，則而最大為1，所以說只要光纖端面的入射角在90O以內，就可以在光纖中形成全反射。8已知階躍型光纖，纖芯折射率n1=，相對折射率差=%，工作波長0=m，試求：（1）保證光纖單模傳輸時，光纖的纖芯半

6、徑a應為多大（2）若a=5m，保證光纖單模傳輸時，n2應如何選擇解：（1）因為是階躍型光纖，所以歸一化截止頻率Vc；（2）若a=5m，保證光纖單模傳輸時， 9已知拋物線型漸變多模光纖，纖芯軸線處的最大折射率n(o)，相對折射率5%，纖芯半徑2a=50m，工作波長0=m。試求此光纖可傳輸的模式數。解：因為：拋物線型漸變多模光纖，2所以：所以該拋物線型漸變多模光纖為多模傳輸，可傳輸的模式數為：10證明：垂直極化波和水平極化波的反射系數和傳遞系數的表達式（略）。垂直極化波： 水平極化波： 11根據上題證明的結果，推導垂直極化波和水平極化波在全反射情況下介質1和介質2中場的表達式，并簡要說明介質1和介

7、質2中波的特點。答：垂直極化波在全反射情況下令：在介質1中，既有入射波，又有反射波，并且入射波和反射波電場方向相同，因此合成波可在直角坐標系下展開，并表示為：所以，全反射情況下介質1中波的特點是沿X方向按三角函數規(guī)律變化，說明能量在X方向上不傳播，波呈駐波分布。沿Z方向呈行波狀態(tài)，說明合成波是沿Z方向傳播的，其相位傳播常數為在介質2中只有傳遞波： 由于： 所以：因此，全反射情況下介質2中波的特點是沿Z方向呈行波分布，且傳播常數與介質1中的相同；隨X方向變化的因子是，說明波的幅度隨離開界面的距離按指數形式衰減，衰減的快慢由參數決定。12簡述TEM波、TE波、TM波、EH波和HE波各自的特點。弱導

8、光纖中存在哪些類型的波為什么不存在TEM波答：（1）TEM波的電場和磁場方向與波的傳播方向垂直，即在傳播方向上既沒有磁場分量也沒有電場分量，且三者兩兩相互垂直。TE波在傳播方向上只有磁場分量而沒有電場分量；TM波在傳播方向上只有電場分量而沒有磁場分量；EH波在傳播方向上既有磁場分量又有電場分量，但以電場分量為主；HE波在傳播方向上既有磁場分量又有電場分量，但以磁場分量為主。（2）在弱導光纖中存在TE波、TM波、EH波和HE波四種波型。（3）TEM波在傳播方向（Z方向）上既沒有電場分量，又沒有磁場分量。即Ez0、Hz0。如果光纖中存在TEM波，則根據Ez、Hz的表達式可以得到AB0，從而得到Er

9、、E、Hr、E都為零，即光纖中不存在電磁場，所以光纖中根本不存在TEM波。13模的特性是用哪些參數來衡量的各描述的是什么含義答：模的特性可以用三個特征參數U、W和來描述。其中：U表示導模場在纖芯內部的橫向分布規(guī)律；W表示表示導模場在纖芯外部的橫向分布規(guī)律；U和W結合起來，就可以完整地描述導模的橫向分布規(guī)律。是軸向的相位傳播常數，表明導模的縱向傳輸特性。14根據TE0n和TM0n模在弱導光纖中的特征方程證明TE0n和Tm0n模在截止狀態(tài)下有：證明：根據貝塞爾函數的性質，當W0時， 模式處于臨界狀態(tài)時，W0，對應的徑向歸一化相位常數記為Uc。若Uc0，則，成為不定型，所以Uc0，只有15根據HEm

10、n模在弱導光纖中的特征方程試求：HE11、HE12、HE21和HE22模的歸一化截止頻率Vc。解：（1）當m1時，HE1n在臨界狀態(tài)下的特征方程即：Uc0、，（2）當m2時，HEmn在臨界狀態(tài)下的特征方程即：根據貝塞爾函數的遞推公式：所以：Uc0，則，成為不定型，所以：Uc0，此時只有 當m=2時，Uc、，所以，HE11、HE12、HE21和HE22模的歸一化截止頻率Vc分別為：HE11模Vc0HE12模VcHE21模VcHE22模Vc16根據EHmn模在弱導光纖中的特征方程試求：EH11、EH12、EH21和EH22模在遠離截止時的徑向歸一化相位常數U值。解：遠離截止時，W。根據：從而得到：

11、 U（EH11）21，U（EH12）22U（EH21）31U（EH22）3217如果在導弱光纖中存在EH21模，則光纖中至少還存在哪些模式如果光纖中只讓HE11模存在，則光纖的歸一化頻率V必須滿足什么條件答：如果在導弱光纖中存在EH21模，則光纖中至少還存在HE11、TE01、TM01三種模式。如果光纖中只讓HE11模存在，則光纖的歸一化頻率V必須小于。18已知階躍型多模光纖，其纖芯半徑a=8m，纖芯折射率n1=，相對折射率差=1%，工作波長0=m。試求此階躍型光纖中可傳輸哪些模式解：所以，此階躍型光纖中可傳輸HE11、TE01、TM01、HE21、EH11、HE12、HE31、EH21、HE

12、41、TE02、TM02、HE22、EH31、HE51、EH12、HE13、HE32共17種模式。19光纜的典型結構有哪幾種各有什么特點答：光纜的基本結構按纜芯組件的不同一般可以分為層絞式、骨架式、束管式和帶狀式四種。層絞式光纜的結構類似于傳統(tǒng)的電纜結構方式，加強構件位于光纜的中心，屬中心加強構件配置方式，制造較容易，光纖數量較少（例如12芯以下）時多采用這種結構。骨架式光纜中結構簡單，對光纖保護較好，耐壓、抗彎性能較好，節(jié)省了松套管材料和相應的工序，但也對放置光纖入槽工藝要求高。束管式結構的光纜體積小、重量輕、制造容易、成本低，是更能發(fā)揮光纖優(yōu)點的光纜結構之一。帶狀式結構光纜是一種空間利用率

13、最高的光纜，優(yōu)點是可容納大量的光纖（一般在100芯以上），作為用戶光纜可滿足需要；同時每個單元的接續(xù)可以一次完成，以適應大量光纖接續(xù)、安裝的需要。20光纜進潮進水有哪些危害光纜在結構上是如何防潮防水的答：（1）水進入光纜后，會在光纖中產生OH吸收損耗，使信道總衰減增大，甚至使通信中斷；（2）水和潮氣進入光纜后，使光纖材料的原子結構產生缺陷，導致光纖的抗拉強度降低；（3）會造成光纜中金屬構件的腐蝕現象，導致光纜強度降低；（4）水和潮氣進入光纜后，遇到低溫時，水結冰后體積增大，可能壓壞光纖。因此為了保證光纖的特性不致劣化，在光纖和光纜結構設計、生產、運輸、施工和維護中都采取了一系列的防水措施。一般

14、直埋光纜從外到內有聚乙烯外護套、金屬護層、聚乙烯內護套、防水填充料、光纖松套管、油膏、光纖。21光纜型號是由哪幾部分構成的答：光纜的型號是由光纜的型式代號和光纖的規(guī)格兩部分構成，中間用一短線分開。22識別光纜型號GYFTY21-12J50/125（30409）BGYZT53-24D8/125（303）A答：（1）GYFTY21-12J50/125（30409）B是非金屬加強構件、填充式結構、聚乙烯護套、雙鋼帶鎧裝、纖維外護層的通信用室外光纜，光纜內有12根芯徑/包層直徑為50/125m的二氧化硅系多模漸變型光纖，在m波長上光纖的衰減系數不大于km，模式帶寬不大于900MHzkm，光纜的適用溫度

15、范圍是-30+50。（2）GYZT53-24D8/125（303）A是金屬加強構件、自承式填充式結構、單鋼帶皺紋縱包、聚乙烯外護層的通信用室外光纜，光纜內有24根模場直徑/包層直徑為8/125m的二氧化硅系單模光纖，在m波長上光纖的衰減系數不大于km，光纜的適用溫度范圍是-40+40。第三章光纖的傳輸特性1簡述石英系光纖損耗產生的原因，光纖損耗的理論極限值是由什么決定的光纖損耗吸收損耗本征吸收雜質吸收原子缺陷吸收紫外吸收紅外吸收氫氧根（OH）吸收過渡金屬離子吸收瑞利散射損耗結構不完善引起的散射損耗散射損耗彎曲損耗光纖彎曲損耗光纖微彎損耗答：（1）（2）光纖損耗的理論極限值是由紫外吸收損耗、紅外

16、吸收損耗和瑞利散射決定的。2當光在一段長為10km光纖中傳輸時，輸出端的光功率減小至輸入端光功率的一半。求：光纖的損耗系數。解：設輸入端光功率為P1，輸出端的光功率為P2。則P12P2光纖的損耗系數3光纖色散產生的原因有哪些對數字光纖通信系統(tǒng)有何危害答：（1）按照色散產生的原因，光纖的色散主要分為：模式（模間）色散、材料色散、波導色散和極化色散。（2）在數字光纖通信系統(tǒng)中，色散會引起光脈沖展寬，嚴重時前后脈沖將相互重疊，形成碼間干擾，增加誤碼率，影響了光纖的傳輸帶寬。因此，色散會限制光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和中繼距離。4為什么單模光纖的帶寬比多模光纖的帶寬大得多答：光纖的帶寬特性是在頻域中的表現

17、形式，而色散特性是在時域中的表現形式，即色散越大，帶寬越窄。由于光纖中存在著模式色散、材料色散、波導色散和極化色散四種，并且模式色散材料色散波導色散極化色散。由于極化色散很小，一般忽略不計。在多模光纖中，主要存在模式色散、材料色散和波導色散；單模光纖中不存在模式色散，而只存在材料色散和波導色散。因此，多模光纖的色散比單模光纖的色散大得多，也就是單模光纖的帶寬比多模光纖寬得多。5均勻光纖纖芯和包層的折射率分別為n1=，n2=，光纖的長度L=10km。試求：（1）子午光線的最大時延差；（2）若將光纖的包層和涂敷層去掉，求子午光線的最大時延差。解：（1）（2）若將光纖的包層和涂敷層去掉，則n2=6一

18、制造長度為2km的階躍型多模光纖，纖芯和包層的折射率分別為n1=，n2=，使用工作波長為m，光源的譜線寬度3nm，材料色散系數Dm6ps/nmkm，波導色散w0，光纖的帶寬距離指數。試求：（1）光纖的總色散；（2）總帶寬和單位公里帶寬。解：（1） （2）7一制造長度為2km的拋物線型漸變多模光纖，纖芯軸線處的折射率n(0)，包層的折射率nC=，使用工作波長為m，光源的譜線寬度6nm，材料色散系數Dm15ps/nmkm，波導色散w10 ps，光纖的帶寬距離指數。試求：（1）光纖的總色散；（2）總帶寬和單位公里帶寬。解：（1） （2）8某系統(tǒng)使用工作波長0m，譜線寬度5nm的光源和長度為3km的階

19、躍型光纖，其纖芯的折射率n1=，相對折射率差%，纖芯半徑a8m，光纖的材料色散系數Dm8ps/nmkm，波導色散w0，其帶寬速率比為。試求光纖的模式畸變帶寬和波長色散帶寬。解： 第四章習題參考答案1.光纖連接器的作用是什么答：光纖連接器的作用是實現光纖之間活動連接的光無源器件，它還具有將光纖與其它無源器件、光纖與系統(tǒng)和儀表進行活動連接的功能。2.我國常用的光纖連接器有哪些類型答：我國常用的光纖連接器有FC、SC和ST三種類型連接器。3.光纖連接器的結構有哪些種類分析各自的優(yōu)缺點。答：光纖連接器的結構主要有套管結構、雙錐結構、V形槽結構、球面定心結構和透鏡耦合結構。套管結構設計合理，加工技術能夠

20、達到要求的精度，因而得到了廣泛應用。雙錐結構的精度和一致性都很好，但插針和基座的加工精度要求極高。V形槽結構可以達到較高的精度，但其結構復雜，零件數量多。球面定心結構設計思想巧妙，但零件形狀復雜，加工調整難度大。透鏡耦合結構降低了對機械加工的精度要求，使耦合更容易實現，但其結構復雜、體積大、調整元件多、接續(xù)損耗大。4.光纖耦合器的作用是什么答：光纖耦合器的作用是將光信號進行分路、合路、插入、分配。5.光纖耦合器常用的特性參數有哪些如何定義這些參數。答：光纖耦合器常用的特性參數主要有：插入損耗、附加損耗、分光比、方向性、均勻性、偏振相關損耗、隔離度等。插入損耗定義為指定輸出端口的光功率相對全部輸

21、入光功率的減少值。附加損耗定義為所有輸出端口的光功率總和相對于全部輸入光功率的減小值。分光比定義為耦合器輸出端口的輸出功率相對輸出總功率的百分比。方向性定義為在耦合器正常工作時，輸入端非注入光端口的輸出光功率與總注入光功率的比值。均勻性定義為在器件的工作帶寬范圍內，各輸出端口輸出功率的最大變化量。偏振相關損耗是指當傳輸光信號的偏振態(tài)發(fā)生360變化時，器件各輸出端口輸出光功率的最大變化量。隔離度是指某一光路對其他光路中的信號的隔離能力。6.簡述系統(tǒng)對波分復用器與解復用器要求的異、同點。答：系統(tǒng)對波分復用器與解復用器共同的要求是：復用信道數量要足夠多、插入損耗小、串音衰減大和通帶范圍寬。波分復用器

22、與波分解復用器的不同在于：解復用器的輸出光纖直接與光檢測器相連，芯徑與數值孔徑可以做得大些，因此制造低插入損耗的解復用器并不太難；而復用器的輸出光纖必須為傳輸光纖，不能任意加大芯徑和數值孔徑，而減小輸入光纖的芯徑和數值孔徑，又會增加光源到輸入光纖的耦合損耗，所以復用器的插入損耗一般比較大。7.光開關的種類有哪些有哪些新的技術有待開發(fā)答：光開關根據驅動方式可分為機械式光開關和非機械式光開關，根據工作原理可分為機械式光開關、液晶光開關、電光式光開關和熱光式光開關。有哪些新的技術有待開發(fā)（隨著材料、技術的發(fā)展會有不同的答案，建議根據當時的文獻進行回答）8.光隔離器的功能是什么其主要技術參數是什么答：

23、光隔離器的功能是只允許光波向一個方向傳播，而阻止光波向其它方向特別是反方向傳播。主要技術參數有：插入損耗、隔離度。9.簡述光隔離器的組成及各部分的作用。答：單模光纖隔離器由起偏器、檢偏器和法拉第旋轉器三部分組成，如圖所示：入射光反射光起偏器法拉第旋轉器檢偏器起偏器的透振方向是垂直方向，即允許垂直偏振光順利通過；檢偏器的透振方向是45方向，即允許45方向上的偏振光順利通過；法拉第旋轉器使通過它的光的偏振方向順時針旋轉45。10.一個簡單的光隔離器需要多少偏振器來阻擋錯誤方向傳輸的光答：2個。11.當一束光注入光纖時，由于菲涅爾反射、瑞利散射等原因，會有部分光傳回到注入端（稱之為后向光），用光環(huán)行

24、器在注入端可以將后向光分離出來，請畫出連接圖。答： 12.現有一束包含1550nm波長的混合光，請用光纖光柵和光環(huán)行器設計一個光路將1550nm的光信號分離出來。答：第五章習題解答1、比較LED和LD，并說明各自適應的工作范圍。答：LED的發(fā)射光功率比LD要小，不適合長距離系統(tǒng)；LED的光譜寬度比LD大得多，不適合長距離系統(tǒng)；LED的調制帶寬比LD小得多，不適合長距離系統(tǒng)；LED的溫度特性比LD好得多。所以，LED適應于短距離小容量光纖通信系統(tǒng)，而LD適應于長距離大容量光纖通信系統(tǒng)。2、試說明LED的工作原理。答：當給LED外加合適的正向電壓時，Pp結之間的勢壘（相對于空穴）和Np結之間的勢壘

25、（相對于電子）降低，大量的空穴和電子分別從P區(qū)擴散到p區(qū)和從N區(qū)擴散到p區(qū)（由于雙異質結構，p區(qū)中外來的電子和空穴不會分別擴散到P區(qū)和N區(qū)），在有源區(qū)形成粒子數反轉分布狀態(tài)，最終克服受激吸收及其它衰減而產生自發(fā)輻射的光輸出。3、試說明LD的工作原理。答：當給LD外加適當的正向電壓時，由于有源區(qū)粒子數的反轉分布而首先發(fā)生自發(fā)輻射現象，那些傳播方向與諧振腔高反射率界面垂直的自發(fā)輻射光子會在有源層內部邊傳播、邊發(fā)生受激輻射放大（其余自發(fā)輻射光子均被衰減掉），直至傳播到高反射率界面由被反射回有源層，再次向另一個方向傳播受激輻射放大。如此反復，直到放大作用足以克服有源層和高反射率界面的損耗后，就會向高反

26、射率界面外面輸出激光。4、為什么應用單縱模LD光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率遠大于使用LED光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率答：因為單縱模LD的譜線寬度比LED的譜線寬度小得多，單縱模LD的調制帶寬比LED的調制帶寬大得多，所以單縱模LD光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率遠大于使用LED光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率。5、若激光物質的禁帶寬度為。試問該激光物質所能輻射的光波長是多少答： =（m） =6、光與物質的相互作用有哪幾種方式答：光與物質的相互作用時，存在自發(fā)輻射、受激輻射及受激吸收三種基本過程。7、什么是粒子數反轉分布答：高能級上的電子數多于低能級上電子數，這種現象稱為粒子數反轉分布狀態(tài)。8、在光纖通信系統(tǒng)中，光源為什么要

27、加正向電壓答：利用外加適當的正向電壓可以實現發(fā)光物質的粒子數反轉分布狀態(tài)，從而使物質總體呈現發(fā)光過程。9、光發(fā)送機主要由哪些部分組成各部分的作用是什么答：光發(fā)送機主要由光源、驅動電路及輔助電路等構成。驅動電路的主要作用是為光源提供要求的驅動電流；光源的主要作用是完成電光變換（光調制）；輔助電路主要完成自動功率控制、自動溫度控制及光源保護等功能。10、光調制方式有哪些目前的數字光纖通信系統(tǒng)采用的是數字調制方式還是模擬調制方式答：光調制方式主要按照光源與調制信號的關系及已調制信號的性質兩種方式分類。根據光源與調制信號的關系，可以將光源的調制方式分為直接調制方式和外部（或間接）調制方式；根據已調制信

28、號的性質，可以將光源的調制方式分為模擬調制方式和數字調制方式。從調制的本質上來說，目前的數字光纖通信系統(tǒng)采用的是模擬調制方式。11、若歸一化調制信號波形為x(t)=sint，試寫出已調光信號的電場表達式和對應的平均發(fā)送光功率表達式。答： PT=eT2(t) =KT21+msin(t)cos2(ct+0) = KT2/21+msin(t)+ KT2/21+msin(t) cos2(ct+0) = KT2/212、一個優(yōu)良的驅動電路一般要滿足哪些要求答：能夠提供較大的、穩(wěn)定的驅動電流；有足夠快的響應速度，最好大于光源的驅動速度；保證光源具有穩(wěn)定的輸出特性。13、在光發(fā)送機中，為什么要設置APC電路

29、答：主要是為了保持LD光發(fā)送機輸出的平均光功率達到穩(wěn)定，同時具有保護光源安全的作用。14、在光發(fā)送機中，主要應用哪些類型的自動功率控制電路答：在光發(fā)送機中，主要應用普通電參數自動功率控制電路和光電反饋自動功率控制電路。15、為什么說圖電路具有連“0”保護作用答：在輸入信號為連“0”時，A1和A3的輸出的增加基本相同，所以不會使光源的輸出光功率增加或增加很大，因此具有保護LD的功能。16、在光發(fā)送機中，為什么要設置ATC電路答：為了保證光發(fā)送機具有穩(wěn)定的輸出特性，對LD的溫度特性進行控制是非常必要的，而且對LD的溫度控制也是保護LD的一項關鍵措施。17、試敘述在溫度升高時圖電路的工作過程。答：當

30、某種原因引起光源溫度升高時，熱敏電阻RT阻值降低，使由R1、R2、R3及RT組成的電橋失去平衡，A1放大器反向輸入端電位提高，使A1放大器輸出端電位降低，晶體三極管T提供的制冷電流增加。所以，半導體制冷器（Semiconductor Cooler，SCR）冷面溫度下降，致使安裝于半導體制冷器SCR冷面的LD溫度回落，直至基本恢復到原來的溫度。第六章習題解答1、在光纖通信系統(tǒng)中，使用最多的光電檢測器有哪些它們分別使用于什么場合答：在光纖通信系統(tǒng)中，使用最多的光電檢測器包括PINPD和APD兩種，它們分別使用于短距離小容量光纖通信系統(tǒng)和長距離大容量光纖通信系統(tǒng)。2、光電檢測器是在什么偏置狀態(tài)下工作

31、的為什么要工作在這樣的狀態(tài)下答：光電檢測器工作于負偏置狀態(tài)。只有工作于負偏置狀態(tài)，才能使材料的受激吸收占據主導地位，從而完成光電變換功能。3、在PINPD中，I層半導體材料的主要作用是什么答：通過擴展受激吸收的區(qū)域提高光電變換的效率及通過一定的內建電場提高器件的響應速度。4、簡述PINPD的工作原理。答：當光照射到PIN光電二極管的光敏面上時，會在整個耗盡區(qū)及耗盡區(qū)附近產生受激輻射現象，從而產生電子空穴對。在外加電場作用下，這種光生載流子運動到電極。當外部電路閉合時，就會在外部電路中有電流流過，從而完成光電的變換過程。5、在APD中，一般雪崩倍增作用只能發(fā)生于哪個區(qū)域答：高場區(qū)（即雪崩倍增區(qū)）

32、。6、簡述APD的工作原理。答：當光照射到APD的光敏面上時，由于受激吸收而在器件內產生出一次電子空穴對。在外加電場作用下，一次電子空穴對運動到高場區(qū)，經過反復的碰撞電離過程而形成雪崩倍增現象，從而產生出大量的二次電子空穴對。在外加電場的作用下，一次電子空穴對和二次電子空穴對一起運動到電極。當外部電路閉合時，就會在外部電路中有電流流過，從而完成光電變換過程。7、光電檢測器的響應度和量子效率有什么樣的關系這兩個參數相互獨立嗎答：響應度從宏觀角度描述光電檢測器的光電變換效率，而量子效率則從微觀角度描述光電檢測器的光電變換效率。所以，響應度和量子效率不是相互獨立的參數。8、光電檢測器的暗電流由哪些部

33、分組成這些組成部分分別對PINPD和APD的暗電流有何影響答：由表面暗電流和體內暗電流組成。對于PINPD，表面暗電流遠大于體內暗電流。對于APD，由于倍增效應的存在，其體內暗電流遠大于表面暗電流。9、APD的倍增因子是否越大越好為什么答：當MMOPT時，隨著M的增加，系統(tǒng)的信噪比（S/N）也隨著增大；當M增大到MOPT時，系統(tǒng)的信噪比（S/N）達到最大；如果M再增大時，由于噪聲功率N的增加超過了信號功率S的增加，使得系統(tǒng)的信噪比（S/N）開始變小。所以，在實際應用中倍增因子并不是越大越好，而是應該取最佳值。10、在非相干檢測方式或直接功率檢測方式中，什么說光電檢測器實際是一個平方率檢測器若光

34、接收機接收的光信號電場為：試用理論證明之。答：在非相干檢測方式或直接功率檢測方式中，實際上是從解調信號的平方項中接收有用信號的。所以，常常稱光電檢測器為平方率檢測器。從推導過程可以看出，有用信號是從平方項而來的。所以說，光電檢測器實際是一個平方率檢測器。11、主要有哪些類型的相干檢測方式答：非相干檢測方式和相干檢測方式。12、試畫出光接收機的方框組成，并說明各部分的作用。答：光電檢測器直接功率檢測方式原理組成前置放大器功率放大器均衡濾波器再生器AGC電路高壓變換器光電檢測器的主要作用是將接收的光信號變換成包括基本調制信號分量的電信號；前置放大器的主要作用是低噪聲接收；功率放大器（又稱為主放大器

35、）主要作用是信號幅度放大到適合再生的電信號；均衡濾波器作用是低通濾波和將信號波形變換成無碼間干擾的信號波形；再生器的作用是將接收的信號恢復成標準數字信號；AGC電路主要作用是穩(wěn)定光接收機輸出的信號幅度；高壓變換器是為APD提供合適的電壓（同時通過調整平均倍增因子大小，來進一步穩(wěn)定光接收機的輸出信號幅度）。13、光接收機有哪些主要指標它們的定義是什么答：光纖通信系統(tǒng)主要包括光接收機靈敏度和光接收機動態(tài)范圍兩個指標。所謂光接收機靈敏度，是指在一定誤碼率或信噪比（有時還要加上信號波形失真量）條件下光接收機需要接收的最小平均光功率。而光接收機動態(tài)范圍，是指在一定誤碼率或信噪比（有時還要加上信號波形失真

36、量）條件下光接收機允許的光信號平均光功率的變化范圍。14、出現在光電檢測器上的噪聲有哪些哪些是屬于光電檢測器本身產生的噪聲答：光電檢測器上的噪聲包括光檢測噪聲（有可能與信號強度相關的噪聲）、暗電流噪聲及背景輻射噪聲。光檢測噪聲和暗電流噪聲屬于光電檢測器本身產生的噪聲。15、為什么經過噪聲處理后，光接收機的放大器通道可以看成線性通道答：在噪聲分析中，光接收機放大器的噪聲已經歸類到前置放大器。所以，光接收機的放大器通道可以看成線性通道。16、為了避免使用煩瑣費時的數值計算技術，在計算誤碼率時通常將概率密度函數近似為什么函數答：為了簡化計算，一般均將概率密度函數近似成高斯函數來進行相應的分析。17、

37、什么是理想光接收機為什么理想光接收機的靈敏度又稱為理想光接收機的量子極限答：光電檢測器暗電流為零、放大器無噪聲和系統(tǒng)帶寬無限大的光接收機稱為理想光接收機。因為理想光接收機靈敏度僅僅受到光檢測器量子噪聲的影響，所以又稱為理想光接收機的量子極限。18、影響光接收機靈敏度的主要因素有哪些答：輸入和輸出信號波形、非理想均衡濾波、直流光和背景光和判決閾值等。第七章光放大器復習思考題答案1 光放大器在光纖通信中有哪些重要用途答：（1）利用光放大器代替原有的光電光再生中繼器，能夠大幅度延長系統(tǒng)傳輸距離。（2） 在波分復用系統(tǒng)中，它一方面可以同時實現多波長的低成本放大，另一方面，可以補償波分復用器，波分解復用

38、器、光纖光纜等無源器件帶來的損耗。（3） 光放大器在接入網中使用，可以補償由于光分支增加帶來的損耗，使得接入網服務用戶增加，服務半徑擴大。（4） 光孤子通信必須依靠光放大器放大光信號，使光脈沖能量大到可以在光纖中滿足孤子傳輸條件，從而實現接近無窮大距離的電再生段傳輸。（5） 光放大器在未來的光網絡中必將發(fā)現越來越多的新用途。2 光放大器按原理可分為幾種不同的類型答：光放大器按原理不同大體上有三種類型。（1） 摻雜光纖放大器，就是將稀土金屬離子摻于光纖纖芯，稀土金屬離子在泵浦源的激勵下，能夠對光信號進行放大的一種放大器。（2） 傳輸光纖放大器，就是利用光纖中的各種非線性效應制成的光放大器。（3）

39、半導體激光放大器，其結構大體上與激光二極管（Laser Diode，LD）相同。如果在法布里派羅腔（Fabry-Perot cavity，F-P）兩端面根本不鍍反射膜或者鍍增透膜則形成行波型光放大器。半導體光放大器就是行波光放大器。3 光放大器有哪些重要參數答：光放大器參數主要有（1）增益；（2）增益帶寬；（3）飽和輸出光功率；（4）噪聲指數。4 簡述摻雜光纖放大器的放大原理。答：在泵浦源的作用下，摻雜光纖中的工作物質粒子由低能級躍遷到高能級，得到了粒子數反轉分布，從而具有光放大作用。當工作頻帶范圍內的信號光輸入時，信號光就會得到放大，這就是摻雜光纖放大器的基本工作原理。只是摻雜光纖放大器細長

40、的纖形結構使得有源區(qū)能量密度很高，光與物質的作用區(qū)很長，有利于降低對泵浦源功率的要求。5 EDFA有哪些優(yōu)缺點答：EDFA之所以得到迅速的發(fā)展，源于它的一系列優(yōu)點：（1）工作波長與光纖最小損耗窗口一致，可在光纖通信中獲得廣泛應用。（2）耦合效率高。因為是光纖型放大器，易于與光纖耦合連接，也可用熔接技術與傳輸光纖熔接在一起，損耗可降至，這樣的熔接反射損耗也很小，不易自激。（3）能量轉換效率高。激光工作物質集中在光纖芯子，且集中在光纖芯子中的近軸部分，而信號光和泵浦光也是在近軸部分最強，這使得光與物質作用很充分。（4）增益高，噪聲低。輸出功率大，增益可達40dB，輸出功率在單向泵浦時可達14dBm

41、，雙向泵浦時可達17dBm，甚至可達20dBm，充分泵浦時，噪聲系數可低至34dB，串話也很小。（5）增益特性不敏感。首先是EDFA增益對溫度不敏感，在100C內增益特性保持穩(wěn)定，另外，增益也與偏振無關。（6）可實現信號的透明傳輸，即在波分復用系統(tǒng)中可同時傳輸模擬信號和數字信號，高速率信號和低速率信號，系統(tǒng)擴容時，可只改動端機而不改動線路。EDFA也有固有的缺點：（1）波長固定，只能放大1.55mm左右的光波，換用其他基質的光纖時，鉺離子能級也只能發(fā)生很小的變化，可調節(jié)的波長有限，只能換用其它元素。（2）增益帶寬不平坦，在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來進行增益譜補償。6 EDFA有光纖通信中

42、哪些應用答：EDFA在光纖通信中可以作用（1）光功率放大器；（2）光前置放大器；（3）光線路放大器；（4）本地網光放大器7 EDFA有哪些泵浦方式答：（1）同向泵浦；（2）反向泵浦；（3）雙向泵浦8 簡述喇曼光放大器的放大原理。答：當入射激光功率增加到一定值時，光纖呈現非線性，入射激光發(fā)生散射，將一部分入射功率轉移到另一較低的頻率，如果這個低頻光與高頻光相比的頻率偏移量由介質的振動模式所決定，這就是光纖中的受激喇曼散射。受激喇曼散射時strokes光顯著增強，強度甚至可以和入射光功率相比擬，且具有一定的方向性和相干性。這時候如果泵浦光和信號光（信號光波長在泵浦光的喇曼增益帶寬內）通過光耦合器輸

43、入光纖，當這兩束光在光纖中一起傳輸時，泵浦光的能量通過SRS效應轉移給信號光，使信號光得到放大。泵浦光和信號光分別在光纖的兩端輸入，在反向傳輸的過程中同時能實現弱信號的放大，這就是喇曼光纖放大器的工作原理。9 喇曼光纖放大器可分為哪兩種，它們各有什么特點答：光纖喇曼放大器可分為兩類：分立式喇曼放大器（Raman Amplifier，RA）和分布式喇曼放大器（Distributed Raman Fiber，DRA）。分立式喇曼放大器所用的光纖增益介質比較短，一般在10km以內，泵浦功率要求很高，一般在幾瓦到幾十瓦特，可產生40dB以上的高增益，像EDFA一樣用來對信號光進行集中放大，因此主要用于

44、EDFA無法放大的波段。分布式喇曼放大器要求的光纖比較長，可達100km左右，泵浦源功率可降低至幾百毫瓦，主要輔助EDFA用于WDM通信系統(tǒng)的中繼放大。分布式光纖喇曼技術可大大降低信號的入射功率，同時保持適當的光信噪比。10. 喇曼光纖放大器的有哪些優(yōu)缺點答：FRA具有以下優(yōu)點。（1）增益波長由泵浦光波長決定，只要泵浦源的波長適當，理論上可以得到任意波長的信號放大，增益譜調節(jié)方式可通過優(yōu)化配置泵浦光波長和強度來實現。這樣的FRA就可擴展到EDFA不能使用的波段，為波分復用進一步增加容量拓寬了空間。（2）增益介質可以為傳輸光纖本身，如此實現的FRA稱為分布式放大，因為放大是沿光纖分布作用而不是集

45、中作用，光纖中各處的信號光功率都比較小，從而可降低各種光纖非線性效應的影響，這一點與EDFA相比優(yōu)勢相當明顯，因為增益介質是光纖本身，即使泵浦源失效，也不會增加額外的損耗，而EDFA只能放大它能放大的波段，對不能放大的波段由于光纖摻雜的作用會大大增加信號光的損耗，將來如果發(fā)展到全波段，只能用波分復用器將信號分開，讓它放大它只能放大的波段，其它波段則需要另外的光放大器。使得EDFA插入損耗小的優(yōu)點消失。在分布式FRA卻能夠在線放大，不需要引入其它介質。（3）噪聲指數低，可提升原系統(tǒng)的信噪比。它配合EDFA使用可大大提升傳輸系統(tǒng)的性能。降低輸入信號光功率或增加中繼距離。（4）喇曼增益譜比較寬，在普

46、通光纖上單波長泵浦可實現40nm范圍的有效增益，；如果采用多個泵浦源，則可容易地實現寬帶放大。（5）FRA的飽和功率比較高，有利于提高信號的輸出光功率。 （6）喇曼放大的作用時間為飛秒（1015s）級，可實現超短脈沖的放大。FRA主要有以下缺點。（1）喇曼光纖放大器所需要的泵浦光功率高，分立式要用幾瓦到幾十瓦，分布式要用到幾百毫瓦，正是因為這些因素才限制了FRA的發(fā)展。不過目前已經有了功率達幾十瓦的高功率半導體激光器。不過目前價格還比較昂貴。它也是決定FRA能否迅速商品化的主要前提。（2）作用距離太長，增益系數偏低，分立式FRA作用距離為幾公里，放大可達40dB，分布式喇曼放大器作用距離為幾十

47、到上百公里，增益只有幾個dB到十幾個dB，這就決定了它只能適合于長途干線網的低噪聲放大。（3）對偏振敏感，泵浦光與信號光方向平行時增益最大，垂直時增益最小為0，由于目前使用的普通光纖都不保偏，模式混擾的原因使得表現為增益偏振無關。11喇曼光纖放大器使用過程一定要注意安全，我們在平時維護過程中應從哪幾個方面引起注意答：喇曼光纖放大器一般有幾組不同波長高功率激光器同時泵浦，泵浦總功率甚至超過30dBm，所以在使用時特別要注意光纜線路安全、儀表設備安全和人身安全。目前商用的喇曼放大器一般都是后向泵浦，泵浦光從信號光的輸入端反向輸出，這與我們平時維護其他設備完全不同。后向泵浦光功率一般很高，超出了機房

48、一般光功率計，包括光譜分析儀的測試范圍，不要試圖直接測試泵浦光的輸出功率。泵浦光波長在光纖里傳輸損耗較小，如果喇曼光纖放大器沒有斷開，100km之外的光時域分析儀（OTDR）的光檢測器件完全可能被燒毀。裸眼短時間可容忍的激光功率為1mW，400mW的漫反射光都可能對人眼造成傷害，無論機房維護還是光纜施工，都不要去直視或使用顯微鏡觀察帶有激光的光纖端面。連接喇曼光纖放大器的尾纖端面要求為APC或更低反射損耗端面，而且要保證端面清潔，否則會燒毀尾纖，尾纖的彎曲半徑過小同樣會燒毀尾纖。接近喇曼放大器端至少25km里的光纜固定熔接點要求熔接質量良好，否則會燒壞熔接點或者降低喇曼光纖放大器的增益。12.

49、 簡述布里淵放大器的光放大原理。答：物體內部會持續(xù)產生微弱的聲波，這種聲波的頻率很高（一般在109Hz左右），人耳是聽不見的，它對通過物質的光波會產生作用。根據光波的多普勒效應，推導出布里淵散射公式： n0、ns、np分別代表入射光、散射光和超聲波的頻率，n代表超聲波的速度，c是光波的傳播速度，n是物質的折射率，q為散射光傳播方向和入射光傳播方向之間的夾角。當光場強度達到一定數值（ITU規(guī)范中對G.652光纖的門限功率建議在1320nm處為，1550nm處為）時，由于材料和物質之間光的往復傳播，就出現多級波長間隔相等的受激布里淵光波。就石英光纖而言，這個頻率間隔約在11GHz左右。在光纖通信領

50、域，SBS未來最有可能的用途就是受激布里淵放大器。受激布里淵放大器與受激喇曼（SRS）放大器相比，其增益要高300倍左右。目前它的應用主要受限于布里淵頻移量比較?。ㄒ话阒挥惺畮譍Hz左右）。但是，隨著復用波長數目的增加，有關它的研究又多了起來，它可能成為高增益、低噪聲的光纖放大器。13. 簡述SOA光放大原理。答：半導體激光放大器，其結構大體上與激光二極管（Laser Diode，LD）相同。如果在法布里派羅腔（Fabry-Perot cavity，F-P）兩端面根本不鍍反射膜或者鍍增透膜則形成行波型光放大器。半導體光放大器就是行波光放大器。由于半導體放大器具有體積小、結構簡單、功耗低、壽命長

51、、易于同其它光器件和電路集成、適合批量生產、成本低以及可實現增益兼開關功能等特性，在全光波長變換、光交換、譜反轉、時鐘提取、解復用中的應用受到了廣泛的重視，特別是目前應變量子阱材料的半導體光放大器的研制成功，已引起人們對SOA的廣泛研究興趣。14. EDFA與EDWA有什么區(qū)別答：摻鉺波導放大器（EDWA）是由嵌入非晶體摻鉺玻璃基片上的波導組成的。鉺原子在1550nm光纖窗口上提供增益。摻鉺波導放大器固有的特點是結構緊湊，它不需要數以米計的光纖，并且能夠集成多種功能，其小巧的尺寸很適合于有限的空間。目前，最小的摻鉺波導放大器模塊可以在1535nm波長窗口上獲得15dB的增益，其體積只有130

52、mm11 mm6mm。另外，在接入網和城域網應用中，EDWA可以提供比EDFA更好的性能價格比。雖然對性能要求較高的長途WDM傳輸而言，多級EDFA仍然優(yōu)于EDWA，但EDWA的持續(xù)發(fā)展將逐步縮小二者的差距。EDWA的性能參數如下：峰值波長可獲得15dB增益，在整個波段噪聲系數為，輸出功率為7dBm（雙泵浦時為12dBm）。第8章習題參考答案1、何謂統(tǒng)計復用統(tǒng)計復用有何特點答：“統(tǒng)計復用”又稱“統(tǒng)計時分多路復用”，它不是固定地對應于公共信道中的某一個時隙，而是“動態(tài)地”按需分配公共信道中的時隙。其特點是使所有的時隙都能得到充分地使用，從而更有效地提高了線路的利用率，統(tǒng)計表明，統(tǒng)計復用可比靜態(tài)的

53、時分復用提高傳輸效率24倍。2、光復用技術主要有哪些種類它們如何實現信道間互不干擾答：光復用技術主要有：光波分復用技術、光時分復用技術、光副載波復用技術和光碼分復用技術。光波分復用技術是在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，不同波長之間互不干擾。光時分復用技術是在發(fā)送端的同一載波波長上，把時間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個時隙，然后根據一定的時隙分配原則，使每個信源在每幀內只能按指定的時隙向信道發(fā)送信號，接收端在同步的條件下，分別在各個時隙中取回各自的信號而不混擾。光副載波復用技術的每個信道具有不同的副載波頻率，占據光載波附近光譜的不同部分，從而

54、保證各信道上信號互不干擾。光碼分復用技術是不同信道的信號用互成正交的不同碼序列來填充，經過填充的信道信號調制在同一光波上在光纖信道中傳輸，接收端用與發(fā)送方向相同的碼序列進行相關接收，由于采用的是正交碼，相關接收時不會產生相互干擾。3、光時分復用有哪些類型各用于什么場合答：光時分復用可分為比特交錯OTDM和分組交錯OTDM。比特交錯OTDM中每個時隙對應一個待復用的支路信息(一個比特)，同時有一個幀脈沖信息，形成高速的OTDM信號，主要用于電路交換業(yè)務。分組交錯OTDM幀中每個時隙對應一個待復用支路的分組信息（若干個比特），幀脈沖作為不同分組的界限，主要用于分組交換業(yè)務。4、比特交錯時分復用如何實現光解復用答：接收端若要提取第j個支路信號，解復用時，用分路器將接收到的復用信號脈沖流分為兩路，將其中一路脈沖數據流延遲j,并進行門限判決，門限的高度為復幀信號中數據脈沖的高度，判決得到的是延遲了j時間的幀脈沖，其位置正好對準第j個支路的數據脈沖，將幀脈沖數據流與復用脈沖數據流進行邏輯與操作，與門的輸出便是要提取的第j個支路的數據流，從而達到解復用的目的。5、波分復用的主要特點有哪些答：波分復用技術的主要特點有：可以充分利用光纖的巨大帶寬潛力，使一根光纖上的傳輸容量比單波長傳輸增加幾十至上萬倍。在大容量長途傳輸時可以節(jié)約大量的光纖。波