(完整版)光纖通信西電第二版課后習(xí)題答案

1#(2)當(dāng)九=1.31卩m，有2九J2M]九J2M]2kNA九J2M：2KNA得到模的個(gè)數(shù)為入2M入2M二十M2A212(0.85)2(1.31)2x1000=421(3)當(dāng)A=1.55pm，得到模的個(gè)數(shù)為2A2MA2M=十M3A212(0.85)2(1.55)2x1000=3547■有階躍型光纖，若n=1.5,A=1.31卩m，那么10若△=0.25，為保證單模傳輸，光纖纖芯半徑a應(yīng)取多大？若取芯徑a=5pm，保證單模傳輸時(shí)，A應(yīng)怎么選擇？解：(1)由歸一化頻率V=2-a,2-n2=2-a-n2A得到A12A100AVa=―-2kn\2A1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A2.4051.312.405門…a<—0=~0.47pm2kn72A2k1.5x斗2x0.251(2)若取芯徑a=5pm，保證單模傳輸時(shí)，則(AV―(AV―0212kna)1)21(A2.405￥<—212kna丿1■0-0.00210.—段12km長(zhǎng)的光纖線路，其損耗為1.5dB/km。試回答：如果在接收端保持0.3pW的接收光功率，則發(fā)送端的功率至少為多少?如果光纖的損耗變?yōu)?.5dB/km，則所需的輸入光功率為多少？解：(1)根據(jù)損耗系數(shù)定義卩Pa=仗―rLPo得到發(fā)送端的功率至少為P=P10-aL/10=0.3x10-1.8pWoi(2)如果光纖的損耗變?yōu)?.5dB/km，則所需的輸入光功率為P=P10-aL/10=0.3x10-3pWoi4．光與物質(zhì)間的相互作用過(guò)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。6．什么是激光器的閾值條件？

答：閾值增益為G=答：閾值增益為G=ath1rr12其中a是介質(zhì)的損耗系數(shù)，r,r分別是諧振腔反射鏡的反射系數(shù)。當(dāng)激光器的增益G>G時(shí)，才能有激12th光放出。(詳細(xì)推導(dǎo)請(qǐng)看補(bǔ)充題1、2)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)所以的電子都被收集，那么(1)計(jì)算該器件的量子效率；(2)在0.8卩m波段接收功率是10-7W，計(jì)算平均是輸出光電流；計(jì)算波長(zhǎng)，當(dāng)這個(gè)光電二極管超過(guò)此波長(zhǎng)時(shí)將停止工作，即長(zhǎng)波長(zhǎng)截止點(diǎn)九。c解：(1)量子效率為耳=1/3=0.33I/eIhv(2)由量子效率耳二p二p-得到P/hvPeininI/e訛e二p二P二2.2X10-8A二22nApP/hvhcin3)in3)GaAsPIN的禁帶寬度為E=1.424eV，則截止波長(zhǎng)為

g九(pm)九(pm)=24=0.87pm10.什么是雪崩增益效應(yīng)？答：一次光生載流子穿過(guò)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－空穴可以獲得很高的能量。他們高速碰撞在價(jià)帶上的電子，使之電離，從而激發(fā)出新的電子－空穴對(duì)。新產(chǎn)生的的載流子同樣由電場(chǎng)加速，并獲得足夠的能量，從而導(dǎo)致更多的碰撞電離產(chǎn)生，這種現(xiàn)象叫雪崩效應(yīng)。12.光檢測(cè)過(guò)程中都有哪些噪聲？答：量子噪聲，暗電流噪聲，漏電流噪聲和熱噪聲。補(bǔ)充題1.一束光在介質(zhì)中傳播時(shí)，其光強(qiáng)I隨傳播距離z的變化通常表示為I=Ie(G-a)z，其中I為初00始光強(qiáng)，G為光強(qiáng)增益系數(shù)，a為光強(qiáng)損耗系數(shù)。試推到這個(gè)式子，并說(shuō)明此式成立條件。解：設(shè)光束通過(guò)厚度為dz的一層介質(zhì)時(shí)，其光強(qiáng)由I變?yōu)镮+dI,在光放大時(shí)dI>0,可寫成dI=GIdz,即dI/1=Gdz,若G為常數(shù)，則積分得到I=IeGz；0在衰減時(shí)，dI<0，可寫成dI=-aIdz，即dI/I=-adz，若a為常數(shù)，則積分得到I=-e心;所以，當(dāng)光放大和光衰減同時(shí)存在時(shí)，便有I=Ie(G-a)z。0顯然，此式成立的條件是：G,a都與I,z無(wú)關(guān)。光纖通信》第4章課后習(xí)題及答案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，故回波損耗越大越好。ITU建議回波損耗值不小于38dB。由徑向偏移產(chǎn)生的損耗比縱向偏移大得多，因而首先要保證光纖軸心對(duì)準(zhǔn)、靠緊。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)算所需要開關(guān)數(shù)。N8解：由M二一logN，得到M=-log8=1222225．光濾波器有哪些種類？濾波器應(yīng)用在什么場(chǎng)合？答：光濾波器種類有：1.F-P腔型光濾波器：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-曾德干涉型光濾波器：3.基于光柵的濾波器：聲光可調(diào)濾波器，電光可調(diào)濾波器，光柵濾波器，光纖布拉格光柵濾波器；4.介質(zhì)膜濾波器；5.有源濾波器；6.原子共振濾波器。光濾波器主要應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)中。1.光放大器包括哪些種類？簡(jiǎn)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)。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(méi)有反饋的半導(dǎo)體行波放大器。它能適合不同波長(zhǎng)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。光纖放大器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。摻雜光纖放大器(常見的有摻鉺和摻鐠光纖放大器)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(zhǎng)正好是在光纖的最低損耗窗口等。EDFA的主要性能指標(biāo)有哪些？說(shuō)明其含義？答:(1)增益，是指輸出功率與輸入功率之比G=P/P，如果用分貝作單位定義為G=10log(P/P)；outin10outin(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F=(SNR)/(SNR)。ninout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：將光放大器接在光接收機(jī)前，以提高接收機(jī)功率和信噪比，增加通信距離。(4)功率補(bǔ)償放大器：功率補(bǔ)償放大器的運(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)等多種場(chǎng)合。

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。4．光源的外調(diào)制都有哪些類型？?jī)?nèi)調(diào)制和外調(diào)制各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？答：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(jiǎn)單且廉價(jià)，這種調(diào)制會(huì)引起輸出光載波的頻率啁啾；外調(diào)制器可以有更高的速率工作，并且有較小的信號(hào)畸變。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R=1000，溫度T=300K，量子效率耳二1，R=1.55/1.24=1.25A/W，G=1，設(shè)計(jì)BER=10-12，即“7,試計(jì)算接收機(jī)的靈敏度。m解：接收機(jī)工作于1550nm，則電離系數(shù)比為k=0.7，G=1，則散粒噪聲系數(shù)為AmF(G)=kG+(1-k)(2-丄)?0.87AmAmAGm熱噪聲電流方差為b2=4kBTFB(帶數(shù)據(jù)自己計(jì)算)reRneL接收機(jī)靈敏度為P=—eBF(G)y+—re(帶數(shù)據(jù)自己計(jì)算)RReAmGm習(xí)題七6■—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：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，光源的入纖功率為-3dBm，接收機(jī)靈敏度為-56dBm(BER=10T)。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0.1dB/km，設(shè)備富于度為5.5dB0解：⑴把ps=-解：⑴把ps=-3dBm，Pr=-56dBma=1dB，a=0.2dB，csM=5.5dB，a=0.1dB/km，a=0.1dB/km代入mP-P-2a-5a-M-1L=Rcsa+afm其中右邊分子上的1是指色散(功率)代價(jià)。于是可通過(guò)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r8x106L=—BDb九由于是單模光纖，所以*=0.100，D=2ps/(km.nm)，.=1.8nm，分子上的106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(lái)。其中B=565x5=678Mb/s。求出受色散限制的最大傳輸距離，然后與損耗限制的最大中繼距離相比，取最小值，就是最大中繼距離。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15ps/(nm.km)，損耗為0.2dB/km。發(fā)射機(jī)用九=1551nm的GaAs激光源，發(fā)射平均光功率為5mW,譜寬為2nm。為了正常工作，APD接收機(jī)需要平均1000個(gè)光子/比特。在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處耦合損耗共計(jì)3dB。求：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。c?對(duì)這個(gè)特殊系統(tǒng)，用圖表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：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hcP二1000x——R九B其中h是普朗克常數(shù)，c是光速，九是波長(zhǎng)。又已知P二5mW，把發(fā)射功率和接收功率用dBm表示出來(lái)。S受損耗限制的最大傳輸距離為了P-P-3L=raf其中a=0.2dB/kmf受色散限制的最大傳輸距離為r8x106L二一BD九由于是單模光纖，所以8=0.100，D二15ps/(nm.km)，.二2nm，分子上的106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(lái)。對(duì)這個(gè)特殊系統(tǒng)，用圖表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。用matlab很容易表示。8■畫圖比較下面兩個(gè)速率為100Mb/s的系統(tǒng)其損耗受限的最大傳輸距離。系統(tǒng)1工作在850nm：GaAlAs半導(dǎo)體激光器：0dBm(1mW)的功率耦合進(jìn)光纖；硅雪崩光電二極管：靈敏度為-50dBm；漸變折射率光纖：在850nm處的損耗為3.5dBm/km；連接器損耗：每個(gè)連接器為1dB。系統(tǒng)2工作在1300nm：InGaAsPLED：-13dBm的功率耦合進(jìn)光纖；InGaAsPIN光電二極管：靈敏度為-38dBm；漸變折射率光纖：在300nm處的損耗為1.5dBm/km；連接器損耗：每個(gè)連接器為1dB。每個(gè)系統(tǒng)均要求6dB的系統(tǒng)富于度。解：系統(tǒng)1：把P=0dBm，P=-50dBm，a=1dB，M=6dB，a=3.5dB/km代入SRcfP-P-2a-ML=Rca可得到損耗受限的最大傳輸距離。

系統(tǒng)2：把P=-13dBm,P=-38dBm,a=1dB,M=6dB,a=1.5dB/km代入SRcfTP-P-2a-ML=TRc可得到損耗受限的最大傳輸距離。af,9■簡(jiǎn)述PDH和SDH的特點(diǎn)與不同。答：PDH逐級(jí)復(fù)用造成上下路復(fù)雜而不靈活；預(yù)留開銷很少，不利于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、管理和維護(hù)；T系列和E系列的幀結(jié)構(gòu)和線路碼特性不同，難以兼容，轉(zhuǎn)換比較復(fù)雜；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸基礎(chǔ)上的復(fù)用結(jié)構(gòu)缺乏組網(wǎng)的靈活性，難以組建具有自愈能力的環(huán)形網(wǎng)等。與PDH相比，SDH有以下特點(diǎn)：有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率等級(jí)；有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口；具有一次完成同步復(fù)用的功能；具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)管理功能。11．如何理解誤碼性能參數(shù)？答：為了滿足測(cè)量要求，在實(shí)際中，通常采用誤碼性能參數(shù)來(lái)表示系統(tǒng)的誤碼性能，采用超過(guò)每個(gè)閾值的時(shí)間百分?jǐn)?shù)來(lái)表征。通過(guò)測(cè)量可判斷出該系統(tǒng)的優(yōu)劣，并且可以根據(jù)誤碼性能指標(biāo)判別出傳輸系統(tǒng)問(wèn)題出現(xiàn)在哪個(gè)段落。具體來(lái)說(shuō)有下列指標(biāo)：誤碼個(gè)數(shù)記錄：以發(fā)送端的二進(jìn)制數(shù)和接收端的二進(jìn)制數(shù)逐比特比較凡屬相異的即為誤碼，可在短時(shí)間內(nèi)判斷出該系統(tǒng)的優(yōu)劣。劣化分（DM）：每次測(cè)量時(shí)間-=1分鐘，門限平均誤碼率P=10-6，當(dāng)分鐘平均誤碼率低于這一門限值時(shí)稱為劣化分鐘DM%=DM%=劣化分鐘T（可使用的總測(cè)量時(shí)間）xl00%嚴(yán)重誤碼秒（SES）：每次測(cè)量時(shí)間T=1秒，門限平均誤碼率P=10-3，當(dāng)秒平均誤碼率低于這一門限值時(shí)稱為嚴(yán)重誤碼秒SES%=SESTSES%=SEST（可使用的總測(cè)量時(shí)間）x100%誤碼秒（SES）：每次測(cè)量時(shí)間T=1秒，門限平均誤碼率P=0，即在每個(gè)測(cè)量周期內(nèi)只要出現(xiàn)誤碼就叫誤0e碼秒ES%=ESTES%=EST（可使用的總測(cè)量時(shí)間）x100%平均誤碼率：是在一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔內(nèi)，傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)誤碼的概率（n出現(xiàn)誤差的碼元數(shù)）P=——em（傳輸碼流中的總碼元數(shù)）

(SOH)區(qū)域RSOHSTMA浄負(fù)荷(舎(SOH)區(qū)域RSOHSTMA浄負(fù)荷(舎POH)AU-HRMSOH9X.V訂261XA段開銷是指SDH幀結(jié)構(gòu)中為了