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现代光纤通信技术及应用
习题答案
(梁瑞生 版)
第 第 1 1 章
概述
1－1、什么是光纤通信？ 参考答案：光纤通信(Fiber-optic communication)是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式，其先将电信号转换成光信号，再透过光纤将光信号进行传递，属于有线通信的一种。光经过调变后便能携带资讯。光纤通信利用了全反射原理，即当光的注入角满足一定的条件时，光便能在光纤内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。
1－2、光纤通信技术有哪些特点？ 参考答案：(1)无串音干扰，保密性好。
(2)频带极宽，通信容量大。
(3)抗电磁干扰能力强。
(4)损耗低，中继距离长。
(5)光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设。
除以上特点之外，还有光纤的原材料资源丰富，成本低;温度稳定性好、寿命长等特点。
1－3、光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作用。
参考答案：
光纤通信系统最基本由光发送机、光接收机、光纤线路、中继器以及无源器件组成。其中光发送机负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，光纤线路负责传输信号，而光接收机负责接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。
(1)光发送机：由光源、驱动器和调制器组成，实现电/光转换的光端机。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。
(2)光接收机：由光检测器和光放大器组成，实现光/电转换的光端机。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。
(3)光纤线路：其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。
(4)中继器：由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减;另一个是对波形失真的脉冲进行整形。
(5)无源器件：包括光纤连接器、耦合器等，完成光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合。
1－4、光纤通信新技术主要有哪几种？ 参考答案：（1）相干光通信:相干光通信是指在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术。
（2 ）光孤子通信技术:光孤子通信是光纤折射率的非线性（自相位调制）
效应导致对光脉冲的压缩可以与群速色散引起的光脉冲展宽相平衡，在一定条件（光纤的反常色散区及脉冲光功率密度足够大）下，光孤子能够长距离不变形地在光纤中传输。
（3 ）空间光通信:空间激光通信系统是指以激光光波作为载波，大气作为传输介质的光通信系统。
（4）
量子光通信:量子光通信的主要形式包括基于量子密钥分发（Quantum Key Distribution）的量子保密通信、量子密集编码（Quantum Dense Coding）和量子隐形传态（Quantum Teleportation）等。
第 第 2 2 章
光纤与光缆
2－1、光纤主要有哪几部分组成？ 参考答案：光纤由三个部分组成:纤芯、包层和涂敷层。
2-2、光纤主要分类有哪些？
参考答案：（1）按光纤横截面的折射率分布：分为阶跃和渐变折射率分布光纤。此外还有：三角型折射率光纤、双包层光纤、四包层光纤等。
（2）按光纤中传导模式数量分类：光纤可以分为单模光纤和多模光纤两类。
（3）按照光纤的材料，可以将光纤的种类分为石英光纤和全塑光纤。
（4）按其套塑层可分为紧套光纤与松套光纤。
2－3、分析光纤导光的两种基本方法是什么？ 参考答案：光线理论和波动理论是分析光纤导光的两种基本方法。
（1）.光线理论 光线理论又称为几何光学法，当光波波长远小于光纤的横向尺寸时，光可以用一条表示光波传播方向的几何线来表示。
（2）. 波动方程理论 为全面精确的分析光波导，可采用波动理论，该方法基于电磁场理论分析光纤导光原理。
2-4 光纤色散概念及分类。
参考答案：
(1)、光纤色散的概念。
光纤色散是指由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，从而导致信号的畸变。
(2)、光纤色散的种类。
色散可分为：模式色散、材料色散和波导色散 3 种。模式色散由信号不是单一模式携带所导致，也称模间色散。材料色散和波导色散是由于同一个模式内携带信号的光波频率成分不同所导致的，所以也称为模内色散。
2-5、光纤中的非线性效应作用与分类。
参考答案：光纤中的非线性效应有两方面的作用：一方面可以引起传输信号的附加损耗、波分复用系统中信道之间的串扰以及信号载波的移动；另一方面可以被用来开发放大器、调制器等新型器件。
光纤的非线性可以分为：受激散射效应和折射率扰动。
受激散射效应是光通过光纤介质时，有一部分能量偏离预定的传播方向，且光波的频率发生改变，这种现象叫受激散射效应。受激散射效应有两种形式：受激布里渊散射和受激拉曼散射。折射率扰动主要引起四种非线性效应：自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）、四波混频（FWM）。
2-6、常用于光纤通信系统的光纤有哪些？ 参考答案：
(1 )G.6 52 标准单模光纤:G.652D 是光缆中光纤的型号，代表的是非色散位移单模光纤，是目前国内最广泛应用的一种单模光纤。
(2) G.6 53 色散移位光纤:G.653 光纤（1550 性能最佳光纤）,是一种把零色散波长从 1.3μm 移到 1.55μm 的色散位移光纤（DSF，Dispersion－Shifted Fiber）。
（3 ）G.6 54 衰减最小光纤:G.654 大大改善了光纤的弯曲附加损耗。
（4）
G.6 55 非零色散光纤:G.655 光纤是一种在 1550nm 工作波长具有较小正色散或具有负色散的光纤。这种单模光纤的特点是在 1530～1565nm 工作窗口的色散不为零，保持有一个能够抑制四波混频的合适色散系统值。
（5 ）G.6 56 宽带全波光纤:G.656 光纤在 1460～1624nm 波长范围具有大于非零值的正色散系数值，能有效抑制密集波分复用系统的非线性效应。
（6 ）G.6 57 接入网用光纤:G.657 光纤具有优异的耐弯曲特性，主要工作在 1310nm、1550nm 和 1625nm3 个波长窗口，其更适用于实现 FTTH 的信息传送、安装在室内或大楼等狭窄的场所。
（7）
色散补偿光纤:色散补偿光纤（DCF，Dispersion Compensating Fiber）是具有大的负色散光纤。它是针对现已铺设的 G652 标准单模光纤而设计的一种新型单模光纤。
2－7、光缆的结构。
参考答案：光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。
2-8、在均匀光纤中，为什么单模光纤的芯径和相对折射率差Δ比多模光纤小？
2-9、已知阶跃折射率光纤中 n1=1.52，n2=1.49。
（1）．光纤浸没在水中(n0=1.33)，求光从水中入射到光纤输入端面的光纤最大接收角；
（2）．光纤放置在空气中，求数值孔径。
2-10、均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为 n1=1.50，n2=1.45，光纤的长度L=10Km。试求：（1）光纤的相对折射率差Δ；
（2）数值孔径 NA；
（3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求裸光纤的 NA 和相对折射率差Δ。
2-11、已知阶跃型光纤，纤芯折射率 n1=1.50，相对折射率差Δ=0.5%，工作波长λ0=1.31μm，试求：
（1）保证光纤单模传输时，光纤的纤芯半径 a 应为多大？ （2）若 a=5μm，保证光纤单模传输时，n2 应如何选择？
2-12、一根数值孔径为 0.20 的阶跃折射率多模光纤在 850 波长上可以支持 1000个左右的传播模式，试问：
（1）其纤芯直径为多少？ （2）在 1310nm 波长上可以支持多少个模？ （3）在 1550nm 波长上可以支持多少个模？
2-13、某光纤在 1300nm 处的损耗为 0.6dB/km，在 1550nm 处的波长损耗为0.3dB/km。假设下面两种光信号同时进入光纤：1300nm 波长的 150w 的光信号和 1550nm 波长的 100w 的光信号。试问这两种光信号在 8km 和 20km 处的功率各是多少？以w 为单位。
2-14、当光在一段长为 10km 光纤中传输时，输出端的光功率减少至输入端光功率的一半，求光纤的损耗系数。
第 第 3 3 章
光发送机和光接收机 、
3-1、能级跃迁过程有哪些？ 参考答案：受激吸收，受激辐射和自发辐射。
3-2、什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？ 参考答案：粒子数反转分布是指高能级粒子布居数大于低能级的粒子布居数。处于粒子数反转分布的介质（叫激活介质）可实现光放大。
3-3 比较半导体激光器和发光二极管的异同。
参考答案：半导体发光二极管和半导体激光器类似，也是一个 PN 结，也是利用外电源向 PN 结注入电子来发光的。
半导体发光二极管与半导体激光器最大的不同是半导体发光二极管没有谐振腔，是无阈值器件，它的发光只限于自发辐射过程，发出的是荧光，半导体发
光二极管最大的特点是：光谱较宽、线性好、温度特性好、耦合效率低。
3-4：何谓激光器的阈值电流？激光器的阈值电流与激光器的使用温度、使用时间有什么关系？ 参考答案：当半导体激光器外加激励的能源功率（一般为电能源）超过某一临界值时，激光物质中的粒子数反转达到了一定程度，激光器才能克服光谐振腔内的损耗而产生激光，此临界值就它的阈值。
3-5 什么是直接调制？ 参考答案：直接调制是在光源上直接施加调制信号，使光源在发光过程中完成光的参数调制。
3-6 什么是直接调制？最常用方法是什么？ 参考答案：间接调制是利用晶体电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制，这种调制方式既适用于半导体激光器，也适应于其他类型的激光器。间接调制最常用的是外调制的方法，即在激光形成以后加载调制信号。其具体方法是在激光器谐振腔外的光路上放置调制器，在调制器上加电压，使调制器的某些物理特性发生相应的变化，当激光器通过它时，得到调制。
3-7 光发送机的概念、作用及构成。
参考答案：光发送机（Optical transmitter）是光传输网中的一类设备，和光接收机（Optical receiver）成对使用。光发送机将电信号转成光信号，通过光纤发送，光接收机则将光信号转成电信号。
在光纤通信系统中，光发送机的作用是把从电端机送来的电信号转变成光信号，并送入光纤线路进行传输。光发送机的作用是进行电-光转换。
光发送机由输入接口、光源、驱动电路、监控电路、控制电路等构成，其核心是光源及驱动电路。
3-8 光发送机主要技术指标有哪些？ 参考答案：作为光纤通信系统的重要组成部分，光发送机有许多技术指标，其最主要的是如下几项。
（1）．平均发光功率 Ps（2）．谱宽δ λ (3) ．光
源器件的寿命 。
3-9 光纤通信对光检测器有哪些要求？ 参考答案：（1）
灵敏度高（2）
响应速度快（3）
噪声小（4）
稳定可靠 3-10 光电二极管的 PN 结中间掺入一层浓度很低的 N 型半导体有什么作用？ 参考答案：光电二极管的 PN 结中间掺入一层浓度很低的 N 型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。
3-11 光发送机的作用及主要构成是什么？ 参考答案：光接收机的作用是探测经过传输的微弱光信号，并放大、再生成原发射的光信号。对强度调制的数字光信号，在接收端采用直接检测(DD)方式时， 光接收机组成部分主要有：
光电探测器、光学接收系统、信号处理 3-12 光接收机主要的性能指标是什么？ 参考答案：光接收机主要的性能指标是误码率（BER）、灵敏度以及动态范围。
3-13、一个半导体激光器平均每秒钟注入 4 个电子空穴对发射一个光子，那么 （1）计算该器件的量子效率； （2）当禁带宽度为 0.8eV 时，计算发射波长。
（1）e1/ 4 0.25x ； （2）由1.24 1.241.550.8gmE 得到 3-14、已知一 LED 量子效率为 1%，峰值波长为 850nm，正向电流为 50mA，求其发出的功率是多少？ 解：p12481.47 ,0.735 .pheE eVP E I mW
3-15、一个 GaAsPIN 光电二极管平均每三个入射光子产生一个电子空穴对，假设所有电子都被收集，那么 （1）计算该器件的量子效率； （2）在 0.8m 波段接收功率是 10-7W，计算平均输出光电流。
（3）计算截止波长c。（GaAsPIN 的1.424gE ev）
3-16、设 PIN 光电二极管的量子效率为 80%，计算 1.3m 和 1.55m 波长时的响应度，说明为什么在 1.55m 处光电二极管比较灵敏。
第 第 4 4 章
光放大器与光纤激光器
4-1 光放大器原理是什么？ 参考答案：光放大器的原理基本上是基于激光的受激辐射，通过将泵浦光的能量转变为信号光的能量实现放大作用。
4-2、光放大器有哪些重要参数？ 参考答案：光放大器参数主要有（1）增益；（2）增益带宽；（3）饱和输出光功率；（4）噪声指数。
4-3、掺铒光纤放大器的构成有哪些。
参考答案：掺铒光纤 EDFA 主要由 5 个部分组成：掺铒光纤（EDF）、光耦合器（WDM）、光隔离器（ISO）、光滤波器（Optical Filter）、泵浦源（Pumping Supply）。
4-4、掺饵光纤放大器有哪些应用。
参考答案：EDFA 在功能应用上可以分为用作远距离传输的线路放大器、用作光发射机输出的功率放大器和用作接收机前端的前置放大器。
4-5、双级 EDFA 的设计要点是什么？ 参考答案：双级 EDFA 的设计要点。在掌握了同向泵浦和反向泵浦方式的EDFA 的特点以后，就可以在双级 EDFA 设计中，灵活运用这两种泵浦方式，设计出性能较高的 EDFA。一般在设计高增益功率放大器时，需要采用双级 EDFA 的设计。
其设计要点是：为使 EDFA 具有低噪声，前级采用同向泵浦，因为多级 EDFA的噪声主要由第一级噪声所决定。
为得到高增益，在第二级采用反向泵浦，以使系统的功率得到进一步提高。
为降低自发辐射对系统的影响，在前后两级之间加如隔离器，隔离器的位置一般 在两级铒纤总长的 25%~30%处效果最好。
d) 对于 C 波段 40nm EDFA，需要采用平坦滤波器。如果平坦滤波器放在 EDFA 的输出端，将影响 EDFA 的增益。如果将平坦滤波器放在两级之间，则采用什么样的平坦滤波曲线来进行模拟呢？实际上 EDFA...