盧志茂《光纖通信》課后答案

本文格式為Word版，下載可任意編輯——盧志茂《光纖通信》課后答案全書習(xí)題參考答案

第1章概述

1.1填空題（1）光導(dǎo)纖維

（2）摻鉺光纖放大器(EDFA)波分復(fù)用(WDM)非零色散光纖(NIDSF)光電集成(OEIC)

（3）0.85μm1.31μm1.55μm近紅外（4）光發(fā)送機(jī)光接收機(jī)光纖鏈路（5）光纖C=BW×log2(1+SNR)信道帶寬

（6）大大

（7）帶寬利用系數(shù)

（8）可重構(gòu)性可擴(kuò)展性透明性兼容性完整性生存性

1.2解：利用光導(dǎo)纖維傳輸光波信號的通信方式稱為光纖通信。即以光波為載頻，以光纖為傳輸介質(zhì)的通信方式稱為光纖通信。

1.3解：（1）傳輸頻帶寬，通信容量大

（2）傳輸距離長

（3）抗電磁干擾能力強(qiáng)，無串音（4）抗腐蝕、耐酸堿（5）重量輕，安全，易敷設(shè)（6）保密性強(qiáng)

(7)原料資源豐富

1.4解：在光纖通信系統(tǒng)中，最基本的三個組成部分是光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)和光纖鏈路。光發(fā)送機(jī)由電接口、驅(qū)動電路和光源組件組成。其作用是將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并將生成的光信號注入光纖。

光接收機(jī)是由光檢測器組件、放大電路和電接口組成。其作用是將光纖送來的光信號還原成原始的電信號。

光纖鏈路由光纖光纜、光纖光纜線路(接續(xù))盒、光纜終端盒、光纖連接器和中繼器等構(gòu)成。光纖光纜用于傳輸光波信息。中繼器主要用于補(bǔ)償信號由于長距離傳送所損失的能量。光纜線路盒：將光纜連接起來。光纜終端盒：將光纜從戶外引入到室內(nèi)，將光纜中的光纖從光纜中分出來。光纖連接器：連接光纖跳線與光纜中的光纖。

1.5解：“摻鉺光纖放大器(EDFA)+波分復(fù)用(WDM)+非零色散光纖(NIDSF)+光電集成(OEIC)〞正成為國際上光纖通信的主要發(fā)展方向。

1.6解：第一階段（1966~1976年），實(shí)現(xiàn)了短波長（0.85μm）、低速（45或34Mb/s）多模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離約10km。

其次階段（1976~1986年），光纖以多模發(fā)展到單模，工作波長以短波（0.85um）發(fā)展到長波長，實(shí)現(xiàn)了波長為1.31μm、傳輸速率為140~165Mb/s的單模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離為50~100km。

第三階段（1986~1996年），實(shí)現(xiàn)了1.55μm色散位移單模光纖通信系統(tǒng)。采用外調(diào)制技術(shù)，傳輸速率可達(dá)2.5~10Gb/s，無中繼傳輸距離可達(dá)100~150km。

第四階段（1996~2023年），主要研究的是光纖通信新技術(shù)，例如，超大容量的波分復(fù)用技術(shù)和超長距離的光孤子通信技術(shù)等。

1.7解：全光網(wǎng)是指網(wǎng)絡(luò)中端到端用戶節(jié)點(diǎn)之間的信號傳輸與交換全部保持著光的形式，

即端到端的全光路，中間沒有光/電轉(zhuǎn)換器。

特點(diǎn)：(1)WDM全光網(wǎng)采用密集波分復(fù)用技術(shù)，可以充分利用光纖的帶寬資源，有極大的傳輸容量和傳輸質(zhì)量，且與現(xiàn)有的通信網(wǎng)有良好的兼容性。

(2)全光網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，端到端采用透明光通路連接，沿途沒有光/電轉(zhuǎn)換與存儲，網(wǎng)絡(luò)中大量光器件都是無源光器件，便于維護(hù)，可靠性高。

(3)全光網(wǎng)結(jié)構(gòu)具備可擴(kuò)展性和可重構(gòu)性。網(wǎng)絡(luò)中使用了OXC，參與新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時，不影響原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備，從而可降低成本。當(dāng)用戶通信量增加或網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，可以改變OXC的連接方式，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠重構(gòu)。

(4)全光網(wǎng)以波長選擇路由，各個連接是通過承載信息的波長來識別的，因此對傳輸速率、數(shù)據(jù)格式及調(diào)制方式均具有透明性，可提供不同的速率、協(xié)議、調(diào)制頻率和制式的信號，同時兼容，允許幾代設(shè)備（PDH/SDH/ATM）甚至IP技術(shù)共存，共同使用光纜基礎(chǔ)設(shè)施。

(5)具有自動修復(fù)功能。

第2章光纖和光纜

2.1填空題

（1）模間模內(nèi)材料色散波導(dǎo)色散（2）ps/(nm?km)1nm1km距離（3）V＜2.405

（4)纜芯加強(qiáng)元件護(hù)層

（5)架空敷設(shè)管道敷設(shè)直埋敷設(shè)水底敷設(shè)（6)光纖材料光纖中的結(jié)構(gòu)缺陷

（7)截止波長

2.2解：光纖由纖芯、包層和防護(hù)層三個基本部分組成。纖芯位于光纖的中心，其作用是提供傳輸光信號的通道。包層位于纖芯的外層，其作用是將光封閉在纖芯內(nèi)傳播。光纖的最外層是防護(hù)層，其作用是用來吸收外泄的光能，增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度與柔韌性以及便于識別等。2.3解：色散主要是指能量在時間上相對集中的光脈沖經(jīng)過光纖傳輸后其能量在時間上相對彌散。光纖的色散可以分為三類：模間色散、色度色散和偏振模色散。色度色散又分為材料色散和波導(dǎo)色散。在單模光纖中，只存在色度色散和偏振模色散。

2.4解：光纜是由纜芯、加強(qiáng)元件和護(hù)層三部分組成。

2.5解：依照結(jié)構(gòu)方式不同，光纜可分為層絞式、骨架式、束管式和帶狀式四種基本類型。2.6解：依照光纖材料的不同，分為石英光纖(用于光纖通信)和塑料光纖；依照光纖折射率分布形式的不同，分為階躍光纖和漸變光纖；依照纖芯內(nèi)光波模式的不同，分為多模光纖和單模光纖。

2.7解：數(shù)值孔徑NA表示光纖的集光能力，即凡是入射到數(shù)值孔徑角φ0以內(nèi)的所有光線都可以滿足全反射條件，從而將光線束縛在纖芯中沿軸向傳播。數(shù)值孔徑NA越大，光纖捕獲光線的能力就越強(qiáng)，光纖與光源之間的耦合效率就越高。

數(shù)值孔徑的計算公式：NA?sin?0?n12?n22?n12?

2.8解：光纖的損耗系數(shù)α(λ)表示單位長度km的光功率損耗dB（分貝）值，定義為

?(?)?10Llgpinpout(dB/km)

Ρin,為注入光纖的功率；L為光纖的長度；Ρout為經(jīng)長度L的光纖傳輸后的光功率。

α(λ)表示平均每公里長度光纖的光功率衰減大小。光纖傳光距離的遠(yuǎn)近與α(λ)密切相關(guān)，α(λ)越小傳光距離越遠(yuǎn)。

2.9解：40.4967

2.10解：NA=0.0769；a≤7.72μm；φ0=4.41°2.11解：Ρin=9.49μW；Ρou=1.69μW2.12解：δτ=0.16ns2.132.142.152.16

解：a≤0.47μm；Δ≤0.0022解：φ0=13°；NA=0.3005解：NA=0.212；δτ=50ns

解：a1≤2.17μm；a2≤3.32μm；a3≤3.96μm

2.17解：λ=1.3μm時，a≤4.05μm；λ=1.55μm時，a≤4.83μm

第3章無源光器件

3.1填空題

(1)數(shù)值孔徑折射率分布纖芯直徑(2)活動連接固定連接

(3)連接器輸出功率與輸入功率比的分貝數(shù)(4)光信號的合路/分路

(5)X型（2×2）耦合器Y型（1×2）耦合器星形（N×N）耦合器樹形（1×N，N>2）耦合器

(6)微鏡片耦合器波導(dǎo)耦合器光纖耦合器(7)穿過耦合器的某一光通道所引入的功率損耗(8)插入損耗附加損耗分光比隔離度(9)λ=2nL/N

(10)腔長L腔內(nèi)的折射率n(11)機(jī)械調(diào)諧電磁調(diào)諧熱調(diào)諧(12)波長

(13)耦合型光衰減器反射型光衰減器吸收型光衰減器(14)固定式光衰減器可變式光衰減器

(15)體積小質(zhì)量輕衰減量精度高穩(wěn)定可靠使用便利3.2解：光纖通信系統(tǒng)對無源光器件要求是：

(1)插入損耗小(2)反射損耗大(3)工作溫度范圍寬(4)性能穩(wěn)定

(5)壽命長(6)體積小(7)便于集成(8)價格低廉3.3解：影響光纖連接損耗的主要因素有兩個方面，一方面是被連接的兩根光纖是否匹配，即兩根單模光纖的模場分布是否匹配，或兩根多模光纖的芯徑和折射率分布是否一致，被連接的兩根光纖性能參數(shù)的離散性必然會導(dǎo)致插入損耗的增加；另一方面的因素是安裝的精度，即兩根光纖橫向的錯位、縱向的分開（兩根光纖中間具有間隙）、光纖的傾斜和截面不平整都會增加插入損耗。

3.4解：評價光纖連接器的主要性能指標(biāo)有插入損耗、回波損耗、互換性、重復(fù)性和穩(wěn)定性等。

3.5解：根據(jù)輸入和輸出端口數(shù)不同，光開關(guān)可分為1×1、1×2、1×N、2×2、M×N等多種，它們在不同場合有不同用途。

1×1光開關(guān)：在光纖測試中，控制光源的接通和斷開。

1×2光開關(guān)：當(dāng)光纖斷裂或傳輸發(fā)生故障時，可通過光開光改變業(yè)務(wù)的傳輸路徑，實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)自動保護(hù)倒換。

1×N光開關(guān)：可用于光網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，在遠(yuǎn)端光纖測試點(diǎn)通過此種開關(guān)把多根光纖接到一個光

時域反射儀（OTDR），通過光開關(guān)倒換，實(shí)現(xiàn)對所有光纖監(jiān)測，或者插入網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線分析；也可用于光纖通信器件測試，能同時對多個光器件（如光源、探測器、光纖光纜）進(jìn)行測試；在光傳感系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用和時分復(fù)用。

2×2光開關(guān)：利用此開關(guān)可以組成M×N光開關(guān)矩陣，M×N光開關(guān)矩陣是光交織連接(OXC)的核心部件。OXC可實(shí)現(xiàn)動態(tài)的光路徑管理、光網(wǎng)絡(luò)的故障保護(hù)并可靈活增加新業(yè)務(wù)。

根據(jù)工作原理的不同，光開關(guān)可分為機(jī)械光開關(guān)、固體波導(dǎo)光開關(guān)和其他原理光開關(guān)（如液晶光開關(guān)）。

3.6解：表征光纖耦合器性能的主要參數(shù)有插入損耗、附加損耗、分光比與隔離度或串音。

3.7解：需要2×2耦合器個數(shù)為

M?N2log2N?42log24?412123434

3.8解：對光開關(guān)的要求是插入損耗小、串音低、重復(fù)性高、開關(guān)速度快、回波損耗小、消光比大、壽命長、結(jié)構(gòu)小型化和操作便利。

3.9解：F-P腔光纖濾光器是根據(jù)法布里一珀羅(Fabry—Perot)干擾原理而制作的濾波器。輸入光纖和輸出光纖的兩個端面被拋光、鍍銀，形成兩個透鏡，分別安裝在兩個活動支架上。兩個端面相對放置，中間有一縫隙，調(diào)理縫隙大小便可調(diào)理濾光器的通頻帶。一般采用壓電陶瓷（PZT）對活動支架進(jìn)行微調(diào)。在電信號的驅(qū)動下，PZT可進(jìn)行伸縮，造成空氣間隙變化，引起腔長的改變，從而實(shí)現(xiàn)波長的調(diào)諧。改變光纖的長度同樣可以實(shí)現(xiàn)調(diào)理腔長的目的。這種濾波器的輸出光譜呈梳狀，即具有周期分布的多譜線，其中心波長由公式λ=2nL/N決定，其中N為正整數(shù)。通過改變腔長L或腔內(nèi)的折射率n，就能調(diào)諧濾波波長。

3.10解：光纖光柵可以應(yīng)用在光纖光柵濾波器、光纖激光器、WDM合波/分波器、超高速系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償器、EDFA增益均衡器等光纖通信領(lǐng)域。

3.11解：18.57μm3.12解：光衰減器是調(diào)理光強(qiáng)度不可缺少的器件，主要用于光纖通信系統(tǒng)以及線路的評估、調(diào)整等方面。光衰減器可依照用戶的要求將光信號能量進(jìn)行預(yù)期的衰減，可在通信系統(tǒng)中吸收或反射掉光功率余量，在評估系統(tǒng)的損耗及各類試驗(yàn)中經(jīng)常使用。

第4章光放大器

4.1填空題

(1)光纖放大器

(2)受激輻射受激散射

(3)同向泵浦反向泵浦雙向泵浦

(4)在線放大器后置放大器前置放大器功率補(bǔ)償放大器(5)法布里—珀羅放大器非諧振的行波放大器(6)光信號放大器光開關(guān)全光波長變換器(7)高低寬高

(8)摻鉺光纖泵浦光源光耦合器光隔離器光濾波器

(9)摻鉺光纖粒子數(shù)反轉(zhuǎn)受激輻射放大(10)能量

(11)自發(fā)輻射提高放大器信號的信噪比(12)鐠鉺4.2填表現(xiàn)象類型自發(fā)輻射受激輻射受激吸收條件無外界作用外來入射光作用外來入射光作用電子躍遷高能級→低能級高能級→低能級低能級→高能級伴隨光子輻射（是否相干光）有(非相干光)有(相干光)無4.3解：光放大器的作用是補(bǔ)償光信號在長距離傳輸過程中所損耗掉的能量。4.4解：光放大器可分為半導(dǎo)體型放大器(SOA)和光纖型放大器兩類。光纖型放大器包括摻稀土元素光纖放大器和非線性光纖放大器。摻稀土元素光纖放大器是一種新型放大器，主要有工作在1550nm的摻鉺光纖放大器(EDFA)和工作在1310nm的摻鐠光纖放大器(PDFA)。非線性光纖放大器主要有受激拉曼光纖放大器(SRA)和受激布里淵光纖放大器(SBA）。EDFA具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)工作波長在1.52~1.56μm范圍內(nèi)，與光纖最小損耗窗口一致，在光纖通信中獲得廣泛應(yīng)用。

(2)耦合效率高。由于是光纖型放大器，易于與光纖耦合連接，也可以用熔接技術(shù)與傳輸光纖熔接在一起，損耗可降低0.1dB，反射損耗也很小，不易自激。

(3)能量轉(zhuǎn)換效率高。激光工作物質(zhì)集中在光纖纖芯的近軸部分，而信號光和泵浦光在近軸部分最強(qiáng)，這使得光與物質(zhì)充分作用。能量轉(zhuǎn)換效率一般大于50%。

(4)增益高、噪聲低。輸出功率大，增益可達(dá)40dB，輸出功率在單向泵浦時可達(dá)14dBm，雙向泵浦時可達(dá)17dBm，甚至可達(dá)20dBm，噪聲系數(shù)一般為4~5dB，充分泵浦時，噪聲系數(shù)可低至3~4dB。

(5)增益特性不敏感。EDFA的增益對溫度不敏感，在100℃內(nèi)增益特性保持穩(wěn)定，另外，增益也與偏振無關(guān)。