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1．光纖通信的優(yōu)缺點各是什么？ 答：優(yōu)點有：帶寬資源豐富，通信容量大；損耗低，中繼距離長；無串音干擾，保密性好；適應能力強；體積小、重量輕、便于施工維護；原材料來源豐富，潛在價格低廉等。 缺點有：接口昂貴，強度差，不能傳送電力，需要專門的工具、設備以及培訓，未經(jīng)受長時間的檢驗等。 2．光纖通信系統(tǒng)由哪幾部分組成？各部分的功能是什么？ 答：光纖通信系統(tǒng)由三部分組成：光發(fā)射機、光接收機和光纖鏈路。 光發(fā)射機由模擬或數(shù)字電接口、電壓—電流驅動電路和光源組件組成。光源組件包括光源、光源—光纖耦合器和一段光纖（尾纖或光纖跳線）組成。 模擬或數(shù)字電接的作用是實現(xiàn)口阻抗匹配和信號電平匹配（限制輸入信號的振幅）作用。光源是LED或LD，這兩種二極管的光功率與驅動電流成正比。電壓—電流驅動電路是輸入電路與光源間的電接口，用來將輸入信號的電壓轉換成電流以驅動光源。光源—光纖耦合器的作用是把光源發(fā)出的光耦合到光纖或光纜中。 光接收機由光檢測器組件、放大電路和模擬或數(shù)字電接口組成。光檢測器組件包括一段光纖（尾纖或光纖跳線）、光纖—光檢波器耦合器、光檢測器和電流—電壓轉換器。 光檢測器將光信號轉化為電流信號。常用的器件有PIN和APD。然后再通過電流—電壓轉換器，變成電壓信號輸出。模擬或數(shù)字電接口對輸出電路其阻抗匹配和信號電平匹配作用。 光纖鏈路由光纖光纜、光纖連接器、光纜終端盒、光纜線路盒和中繼器等組成。 光纖光纜由石英或塑料光纖、金屬包層和外套管組成。光纜線路盒：光纜生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的光纜一般為2km一盤，因而，如果光發(fā)送與光接收之間的距離超多2km時，每隔2km將需要用光纜線路盒把光纜連接起來。光纜終端盒：主要用于將光纜從戶外（或戶內(nèi)）引入到戶內(nèi)（或戶外），將光纜中的光纖從光纜中分出來，一般放置在光設備機房內(nèi)。光纖連接器：主要用于將光發(fā)送機（或光接收機）與光纜終端盒分出來的光纖連接起來，即連接光纖跳線與光纜中的光纖。 3．假設數(shù)字通信系統(tǒng)能夠在高達1%的載波頻率的比特率下工作，試問在5GHz的微波載波和1.55μm的光載波上能傳輸多少路64kb/s的音頻信道？ 解：根據(jù)題意，求得在5GHz的微波載波下，數(shù)字通信系統(tǒng)的比特率為50Mb/s，則能傳輸781路64kb/s的音頻信道。 根據(jù)題意，求得在1.55μm的光載波下，數(shù)字通信系統(tǒng)的比特率為1.935Gb/s，則能傳輸30241935路64kb/s的音頻信道。 4．SDH體制有什么優(yōu)點？ 答：（1）SDH傳輸系統(tǒng)在國際上有統(tǒng)一的幀結構，數(shù)字傳輸標準速率和標準的光路接口，使網(wǎng)管系統(tǒng)互通，因此有很好的橫向兼容性，它能與現(xiàn)有的準同步數(shù)字體制（PDH）完全兼容，并容納各種新的業(yè)務信號，形成了全球統(tǒng)一的數(shù)字傳輸體制標準，提高了網(wǎng)絡的可靠性； （2）SDH接入系統(tǒng)的不同等級的碼流在幀結構凈負荷區(qū)內(nèi)的排列非常有規(guī)律，而凈負荷與網(wǎng)絡是同步的，它利用軟件能將高速信號一次直接分插出低速支路信號，實現(xiàn)了一次復用的特性，克服了PDH準同步復用方式對全部高速信號進行逐級分解然后再生復用的過程，由于大大簡化了數(shù)字交叉連接（DXC），減少了背靠背的接口復用設備，改善了網(wǎng)絡的業(yè)務傳送透明性； （3）由于采用了較先進的分插復用器（ADM）、數(shù)字交叉連接（DXC）、網(wǎng)絡的自愈功能和重組功能就顯得非常強大，具有較強的生存率。因SDH幀結構中安排了信號的5％開銷比特，它的網(wǎng)管功能顯得特別強大，并能統(tǒng)一形成網(wǎng)絡管理系統(tǒng)，為網(wǎng)絡的自動化、智能化、信道的利用率以及降低網(wǎng)絡的維管費和生存能力起到了積極作用； （4）由于SDH有多種網(wǎng)絡拓撲結構，它所組成的網(wǎng)絡非常靈活，它能增強網(wǎng)監(jiān)，運行管理和自動配置功能，優(yōu)化了網(wǎng)絡性能，同時也使網(wǎng)絡運行靈活、安全、可靠，使網(wǎng)絡的功能非常齊全和多樣化； （5）SDH有傳輸和交換的性能，它的系列設備的構成能通過功能塊的自由組合，實現(xiàn)了不同層次和各種拓撲結構的網(wǎng)絡，十分靈活； （6）SDH并不專屬于某種傳輸介質，它可用于雙絞線、同軸電纜，但SDH用于傳輸高數(shù)據(jù)率則需用光纖。這一特點表明，SDH既適合用作干線通道，也可作支線通道。例如，我國的國家與省級有線電視干線網(wǎng)就是采用SDH，而且它也便于與光纖電纜混合網(wǎng)(HFC)相兼容； （7）從OSI模型的觀點來看，SDH屬于其最底層的物理層，并未對其高層有嚴格的限制，便于在SDH上采用各種網(wǎng)絡技術，支持ATM或IP傳輸； （8）SDH是嚴格同步的，從而保證了整個網(wǎng)絡穩(wěn)定可靠，誤碼少，且便于復用和調整； （9）標準的開放型光接口可以在基本光纜段上實現(xiàn)橫向兼容，降低了聯(lián)網(wǎng)成本。 5．簡述未來光網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢及關鍵技術。 答：全光網(wǎng)絡將成為繼純電纜網(wǎng)絡、光電耦合網(wǎng)絡后的第三代網(wǎng)絡。全光網(wǎng)絡是指信號只是在進出網(wǎng)絡時才進行電/光和光/電的變換，而在網(wǎng)絡中傳輸和交換的過程中始終以光的形式存在，因此在整個傳輸過程中沒有電的處理。 全光網(wǎng)絡的關鍵技術主要有光放大中繼技術、光復用技術、光交換技術、光分插復用技術等。 6．簡述WDM的概念。 答：波分復用的基本思想是將工作波長略微不同、各自攜帶了不同信息的多個光源發(fā)出的光信號，一起注入到同一根光纖中進行傳輸。 7．解釋光纖通信為何越來越多地采用WDM+EDFA方式。 答：采用WDM技術的原因是和它的優(yōu)點分不開的，它有如下優(yōu)點： （1）充分利用了光纖的巨大帶寬資源； （2）同時傳輸多種不同類型的信號； （3）實現(xiàn)單根光纖雙向傳輸； （4）多種應用形式； （5）節(jié)約線路投資； （6）降低器件的超高速要求。 采用EDFA技術的原因是和它的優(yōu)點分不開的，它有如下優(yōu)點： （1）中繼器的價格下降了； （2）對傳送的數(shù)據(jù)速率和調制格式透明，這樣系統(tǒng)只需改變鏈路的終端設備就很容易升級到高的速率； （3）可以同時放大多個波長信號， 使波分復用（WDM）的實現(xiàn)成為可能； （4）提供了系統(tǒng)擴容的新途徑， 無需增加光纖和工作的速率， 只需通過增加波長就可提高系統(tǒng)的容量； （5）最關鍵的是系統(tǒng)的成本下降了。 8．全光網(wǎng)絡的優(yōu)點是什么？ 答：能充分利用光纖的帶寬資源，故容量大，傳輸質量好，開放性，易于實現(xiàn)網(wǎng)絡的動態(tài)結構，可擴展性，結構簡單，透明性，可靠性高，可維護性好。 1．光波從空氣中以角度33投射到平板玻璃表面上，這里的是入射光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90，請問玻璃的折射率等于多少？這種玻璃的臨界角又是多少？ 解：入射光與玻璃表面之間的夾角33，則入射角，反射角。由于折射光束和反射光束之間的夾角正好為90，所以折射角。 由折射定律，得到 其中利用了空氣折射率。這種玻璃的臨界角為 2．計算及的階躍折射率光纖的數(shù)值孔徑。如果光纖端面外介質折射率，則允許的最大入射角為多少？ 解：階躍光纖的數(shù)值孔徑為 允許的最大入射角 自己用matlab算出來 3．弱導階躍光纖纖芯和包層折射率分別為，，試計算 （1）纖芯和包層的相對折射率； （2）光纖的數(shù)值孔徑。 解：階躍光纖纖芯和包層的相對折射率差為 光纖的數(shù)值孔徑為 4．已知階躍光纖纖芯的折射率為，相對折射（指數(shù)）差，纖芯半徑，若，計算光纖的歸一化頻率及其中傳播的模數(shù)量。 解：光纖的歸一化頻率 光纖中傳播的模數(shù)量 5．一根數(shù)值孔徑為0.20的階躍折射率多模光纖在850nm波長上可以支持1000個左右的傳播模式。試問： （1）其纖芯直徑為多少？ （2）在1310nm波長上可以支持多少個模？ （3）在1550nm波長上可以支持多少個模? 解：（1）由，得到纖芯直徑為 （2）當，有 得到模的個數(shù)為 （3）當，得到模的個數(shù)為 6．用纖芯折射率為，長度未知的弱導光纖傳輸脈沖重復頻率的光脈沖，經(jīng)過該光纖后，信號延遲半個脈沖周期，試估算光纖的長度。 解：信號的周期為 信號在纖芯中傳輸?shù)乃俣葹? 由于信號延遲半個脈沖周期，則光纖的長度為 7．有階躍型光纖，若，，那么 （1）若，為保證單模傳輸，光纖纖芯半徑應取多大？ （2）若取芯徑，保證單模傳輸時，應怎么選擇？ 解：（1）由歸一化頻率得到 為了保證光纖中只能存在一個模式，則要求，則要求光纖纖芯半徑 （2）若取芯徑，保證單模傳輸時，則 8．漸變光纖的折射指數(shù)分布為 求光纖的本地數(shù)值孔徑。 解：漸變光纖纖芯中某一點的數(shù)值孔徑為 9．某光纖在1300nm處的損耗為，在1550nm波長處的損耗為。假設下面兩種光信號同時進入光纖：1300nm波長的的光信號和1550nm波長的的光信號。試問這兩種光信號在8km和20km處的功率各是多少？以為單位。 解：由, 得 對于1300nm波長的光信號，,在8km和20km處的功率各是 ， 對于1550nm波長的光信號，,在8km和20km處的功率各是 ， 10．一段12km長的光纖線路，其損耗為。試回答： （1）如果在接收端保持的接收光功率，則發(fā)送端的功率至少為多少？ （2）如果光纖的損耗變?yōu)?，則所需的輸入光功率為多少？ 解：（1）根據(jù)損耗系數(shù)定義 得到發(fā)送端的功率至少為 （2）如果光纖的損耗變?yōu)?，則所需的輸入光功率為 11．有一段由階躍折射率光纖構成的5km長的光纖鏈路，纖芯折射率，相對折射率差。 （1）求接收端最快和最慢的模式之間的時延差； （2）求由模式色散導致的均方根脈沖展寬； （3）假設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）纖芯和包層的相對折射率差為 則得到 接收端最快和最慢的模式之間的時延差 （2）模式色散導致的均方根脈沖展寬實際上就等于最快和最慢的模式之間的時延差 （3）光纖的帶寬距離積 12．有10km長的多模階躍折射光纖，如果其纖芯折射率為，計算光纖帶寬。 解：纖芯和包層的相對折射率為 由階躍光纖的比特距離積，得到光纖帶寬 1．計算一個波長為的光子能量，分別對1MHz和100MHz的無線電做同樣的計算。 解：波長為的光子能量為 對1MHz和100MHz的無線電的光子能量分別為 2．太陽向地球輻射光波，設其平均波長，射到地球外面大氣層的光強大約為。如果恰好在大氣層外放一個太陽能電池，試計算每秒鐘到達太陽能電池上每平方米板上的光子數(shù)。 解：光子數(shù)為 3．如果激光器在上工作，輸出1W的連續(xù)功率，試計算每秒從激活物質的高能級躍遷到低能級的粒子數(shù)。 解：粒子數(shù)為 4．光與物質間的相互作用過程有哪些？ 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？什么情況下能實現(xiàn)光放大？ 答：粒子數(shù)反轉分布是指高能級粒子布居數(shù)大于低能級的粒子布居數(shù)。處于粒子數(shù)反轉分布的介質（叫激活介質）可實現(xiàn)光放大。 6．什么是激光器的閾值條件？ 答：閾值增益為 其中是介質的損耗系數(shù)，分別是諧振腔反射鏡的反射系數(shù)。當激光器的增益時，才能有激光放出。（詳細推導請看補充題1、2） 7．由表達式說明為什么LED的FWHM功率譜寬度在長波長中會變得更寬些？ 證明：由得到，于是得到，可見當一定時，與成正比。 8．試畫出APD雪崩二極管結構示意圖，并指出高場區(qū)及耗盡層的范圍。 解：先把一種高阻的P型材料作為外延層，沉積在P+材料上（P+是P型重摻雜），然后在高阻區(qū)進行P型擴散或電離摻雜（叫π層），最后一層是一個N+（N+是N型重摻雜）層。 高場區(qū)是P區(qū)，耗盡區(qū)是Pπ區(qū)。 9．一個GaAsPIN光電二極管平均每三個入射光子產(chǎn)生一個電子空穴對。假設所以的電子都被收集，那么 （1）計算該器件的量子效率； （2）在波段接收功率是，計算平均是輸出光電流； （3）計算波長，當這個光電二極管超過此波長時將停止工作，即長波長截止點。 解：（1）量子效率為 （2）由量子效率得到 （3）GaAsPIN的禁帶寬度為，則截止波長為 10．什么是雪崩增益效應？ 答：一次光生載流子穿過一個具有非常高的電場高場區(qū)。在這個高場區(qū)，光生電子－空穴可以獲得很高的能量。他們高速碰撞在價帶上的電子，使之電離，從而激發(fā)出新的電子－空穴對。新產(chǎn)生的的載流子同樣由電場加速，并獲得足夠的能量，從而導致更多的碰撞電離產(chǎn)生，這種現(xiàn)象叫雪崩效應。 11．設PIN光電二極管的量子效率為80%，計算在和波長時的響應度，說明為什么在處光電二極管比較靈敏。 解：時的響應度為； 時的響應度為。 因為響應度正比于波長，故在處光電二極管比處靈敏。 12．光檢測過程中都有哪些噪聲？ 答：量子噪聲，暗電流噪聲，漏電流噪聲和熱噪聲。 補充題1．一束光在介質中傳播時，其光強隨傳播距離的變化通常表示為，其中為初始光強，為光強增益系數(shù)，為光強損耗系數(shù)。試推到這個式子，并說明此式成立條件。 解：設光束通過厚度為的一層介質時，其光強由變?yōu)?，在光放大時，可寫成，即，若為常數(shù)，則積分得到； 在衰減時，，可寫成，即，若為常數(shù)，則積分得到； 所以，當光放大和光衰減同時存在時，便有。 顯然，此式成立的條件是：都與無關。 補充題2．設LD的光學諧振腔長為，諧振腔前、后鏡片的光強反射系數(shù)分別為，諧振腔介質的光強損耗系數(shù)為，諧振腔的光強增益系數(shù)為，試證明：激光所要求的諧振條件（閾值增益條件）為 解：在諧振腔內(nèi)任取一點，此點光強，該光強向右傳播到前鏡片，經(jīng)反射后向左傳播到后鏡片，再經(jīng)過反射向右傳播回到點，則光強變?yōu)? 顯然，產(chǎn)生激光的條件為返回點的光強要大于點發(fā)出的光強 即，得到，因而 記，是諧振腔的總損耗，只有增益時，才能產(chǎn)生激光，故把叫激光器的閾值條件。 《光纖通信》第4章課后習題及答案 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（insertion loss）和回波損耗（return loss）。插入損耗是由光纖端接缺陷造成的光信號損失，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準、靠緊。 2．試用22耦合器構成一個88空分開關陣列，畫出連接圖和輸入、輸出端口信號間的流向，計算所需要開關數(shù)。 解：由，得到 3．討論圖4.19所示平面陣列波導光柵的設計思想和方法。 答：集成陣列波導光柵由輸入／輸出波導、星型波導和陣列波導三部分組成。輸入、星型波導與陣列波導組成一個相位控制器，使得到達衍射光柵的光波相位與光的輸入端口和光波長有關。與陣列波導輸出端面相連的星型波導的輸入端面充當衍射光柵的作用。每個陣列中的波導正對中心的輸入／輸出波導，端面展開以減小耦合損耗，陣列波導數(shù)要保證所有衍射光能被收集。這樣從輸入波導進來的光就能被無畸變(或畸變小)傳輸?shù)捷敵霾▽?。波導陣列中相鄰波導間的長度差為常數(shù)，對入射光的相位周期性地調制。 4．簡述光耦合器和WDM分波器有什么不同？ 答：光纖耦合器是實現(xiàn)光信號分路/合路的功能器件，一般用于把一個輸入光信號分配給多個輸出，或把多個輸入光信號組合成一個輸入。耦合器大多與波長無關，與波長相關的耦合器專稱為波分復用器/解復用器。 5．光濾波器有哪些種類？濾波器應用在什么場合？ 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：聲光可調濾波器，電光可調濾波器，光柵濾波器，光纖布拉格光柵濾波器；4.介質膜濾波器；5.有源濾波器；6.原子共振濾波器。光濾波器主要應用于DWDM系統(tǒng)中。 6．光開關有哪些性能參數(shù)？在光纖通信中有什么作用？ 答：光開關的性能參數(shù)有：開關速度，通斷消光比，插入損耗，串擾，偏振依賴損耗。光開關是空分光交換（SDOS）的核心器件，它通過機械、電或光的作用進行控制，能使輸入端任一信道按照要求與輸出端任一信道相連，完成信道在空間位置上的交換。 7．簡述F-P腔可調諧濾波器的工作原理。 答：F-P腔可調諧濾波器的種類：光纖型F—P腔濾波器、鐵電液晶光濾波器以及MEMS濾波器。這里就以光纖型F—P腔(FFP)濾波器為例說說它的工作原理。光纖型F—P腔(FFP)濾波器如圖所示。圖中兩根光纖相對的端面鍍膜以增強反射率，形成F—P光學諧振腔。在光纖型F—P腔濾波器中利用了壓電陶瓷的壓電效應，通過改變外加電壓的大小改變壓電陶瓷的長度，從而改變了由光纖構成的F—P諧振腔的腔長，造成諧振波長改變，實現(xiàn)了用電信號來選通光波長。 8．討論光纖光柵在光通信中的應用？ 答：光纖激光器、WDM合波/分波器、超高速系統(tǒng)的色散補償器、EDFA增益均衡器等。 9．如果濾波器的中心波長為，根據(jù)式（4.15），則光柵周期為多少？ 解：由公式得到。 10．NLOM是否可作光開關？ 答：可以。當傳輸光纖有行進的光波時，在耦合器中耦合進光纖環(huán)，并繞環(huán)行進一周后又返回耦合器，繞環(huán)后的光波與來自傳輸光纖的光波之間將產(chǎn)生相移，相移的大小由環(huán)的長度和光波的波長決定。因此，這兩個光波之間將產(chǎn)生相長或相消干涉，利用這個原理，可以用非線性光纖環(huán)鏡來選擇所需的信號：對于不需要的波長信號，讓其相移為180；對于需要的波長信號，讓其相移為360。 1．光放大器包括哪些種類？簡述它們的原理和特點。EDFA有哪些優(yōu)點？ 答：光放大器包括半導體光放大器、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）。 1）半導體光放大器 它是根據(jù)半導體激光器的工作原理制成的光放大器。將半導體激光器兩端的反射腔去除，就成為沒有反饋的半導體行波放大器。它能適合不同波長的光放大，缺點是耦合損耗大，增益受偏振影響大，噪聲及串擾大。 2）光纖放大器 （1）非線性光纖放大器 強光信號在光纖中傳輸，會與光纖介質作用產(chǎn)生非線性效應，非線性光纖放大器就是利用這些非線性效應制作而成。包括受激拉曼放大器（SRA）和受激布里淵放大器（SBA）兩種。 （2）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)反轉分布，產(chǎn)生受激輻射，從而使光信號得到放大。 EDFA優(yōu)點：高增益、寬帶寬、低噪聲及放大波長正好是在光纖的最低損耗窗口等。 2．EDFA的泵浦方式有哪些？各有什么優(yōu)缺點？ 答：EDFA的三種泵浦形式：同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。同向泵浦：信號光和泵浦光經(jīng)WDM復用器合在一起同向輸入到摻鉺光纖中，在摻鉺光纖中同向傳輸；反向泵浦：信號光和泵浦在摻鉺光纖中反向傳輸；雙向泵浦：在摻鉺光纖的兩端各有泵浦光相向輸入到摻鉺光纖中。 同向泵浦增益最低，而反向泵浦比同向泵浦可以提高增益3dB~5dB。這是因為在輸出端的泵浦光比較強可以更多地轉化為信號光。而雙向泵浦又比反向泵浦輸出信號提高約3dB，這是因為雙向泵浦的泵功率也提高了3dB。其次，從噪聲特性來看，由于輸出功率加大將導致粒子反轉數(shù)的下降，因此在未飽和區(qū)，同向泵浦式EDFA 的噪聲系數(shù)最小，但在飽和區(qū)，情況將發(fā)生變化。不管摻鉺光纖的長度如何，同向泵浦的噪聲系數(shù)均較小。最后，考慮三種泵浦方式的飽和輸出特性。同向 EDFA 的飽和輸出最小。雙向泵浦 EDFA 的輸出功率最大，并且放大器性能與輸出信號方向無關，但耦合損耗較大，并增加了一個泵浦，使成本上升。 3．一個EDFA功率放大器，波長為1542nm的輸入信號功率為2dBm，得到的輸出功率為，求放大器的增益。 解：G= 10log10（Pout/Pin）= 10log10Pout -10log10Pin=27-2=25dB 4．簡述FBA與FRA間的區(qū)別。為什么在FBA中信號與泵浦光必須反向傳輸？ 答：FBA與FRA間的區(qū)別： 1、FRA是同向泵浦，F(xiàn)BA是反向泵浦； 2、FRA產(chǎn)生的是光學聲子，F(xiàn)BR產(chǎn)生的是聲學聲子， 3、FRA比FBA的閾值功率大； 4、FRA比FBA的增益帶寬大。 在SBA中，泵浦光在光纖的布里淵散射下，產(chǎn)生低頻的斯托克斯光，方向與泵浦光傳播方向相反。如果這個斯托克斯光與信號光同頻、同相，那么信號光得到加強。故要使信號光得到放大，信號光應與泵浦光方向相反。 5．一個長250μm的半導體激光器用做F-P放大器，有源區(qū)折射率為4，則放大器通帶帶寬是多少？ 此題可能有誤，半導體光放大器的通帶帶寬目前還沒找到公式計算。 6．EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應用形式有哪些？ 答：（1）作為光中繼器，用EDFA可代替半導體光放大器，對線路中的光信號直接進行放大，使得全光通信技術得以實現(xiàn)。（2）作為前置放大器，由于EDFA具有低噪聲特點，因而如將它置于光接收機的前面，放大非常微弱的光信號，則可以大大提高接收機靈敏度。（3）作為后置放大器，將EDFA置于光發(fā)射機的輸出端，則可用來提高發(fā)射光功率，增加入纖功率，延長傳輸距離。 7．EDFA的主要性能指標有哪些？說明其含義？ 答：（1）增益，是指輸出功率與輸入功率之比G=Pout/Pin，如果用分貝作單位定義為G=10log10（Pout/Pin）； （2）噪聲系數(shù)，是指輸入信號的信噪比與輸出信號的信噪比Fn＝（SNR）in/（SNR）out 。 8．分別敘述光放大器在四種應用場合時各自的要求是什么？ 答：（1）在線放大器：當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，用在線放大器代替光電光混合中繼器是完全可以的。特別是對多信道光波系統(tǒng)，節(jié)約大量設備投資。（2）后置放大器：將光放大器接在光發(fā)送機后，以提高光發(fā)送機的發(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前，以提高接收機功率和信噪比，增加通信距離。（4）功率補償放大器：功率補償放大器的運用場合：A.用于補償局域網(wǎng)中的分配損耗，以增大網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)；B.將光放大器用于光子交換系統(tǒng)等多種場合。 9．敘述SOA-XGM波長變換的原理。 答：探測波和泵浦波經(jīng)耦合注入到SOA中，SOA對入射光功率存在增益飽和特性：當入射光強增加時，增益變??；當入射光強減小時，增益變大。因此，當受過調制的泵浦波注入SOA時，泵浦波將調制SOA的增益，這個增益又影響探測波的強度變化，使得探測波的強度按泵浦波的強度變化，用帶通濾波器取出變換后的信號，即可實現(xiàn)從到的全光波長變換。 1．光接收機中有哪些噪聲？ 答：熱噪聲、散粒噪聲和自發(fā)輻射噪聲。 2．RZ碼和NRZ碼有什么特點？ 答：NRZ（非歸零碼）：編碼1對應有光脈沖，且持續(xù)時間為整個比特周期，0對應無光脈沖。RZ（歸零碼）：編碼1對應有光脈沖，且持續(xù)時間為整個比特周期的一半，0對應無光脈沖。NRZ碼的優(yōu)點是占據(jù)頻寬窄，只是RZ碼的一半；缺點是當出現(xiàn)長連“1”或“0”時，光脈沖沒有交替變換，接收時對比特時鐘的提取是不利的。RZ碼解決了長連“1”的問題，但長連“0”的問題沒解決。 3．通信中常用的線路碼型有哪些？ 答：擾碼、mBnB碼、插入碼和多電平碼。 4．光源的外調制都有哪些類型？內(nèi)調制和外調制各有什么優(yōu)缺點？ 答：光源的外調制類型有：電折射調制、電吸收MQW調制、M-Z型調制。內(nèi)調制器簡單且廉價，這種調制會引起輸出光載波的頻率啁啾；外調制器可以有更高的速率工作，并且有較小的信號畸變。 5．假定接收機工作于1550nm，帶寬為3GHz，前置放大器噪聲系數(shù)為4dB，接收機負載為，溫度，量子效率，，，設計，即，試計算接收機的靈敏度。 解：接收機工作于1550nm，則電離系數(shù)比為，，則散粒噪聲系數(shù)為 熱噪聲電流方差為 （帶數(shù)據(jù)自己計算） 接收機靈敏度為 （帶數(shù)據(jù)自己計算） 6．在考慮熱噪聲和散粒噪聲的情況下，設APD的，，推導APD的的最佳值，此時APD接收機的SNR最大。 解：光接收機輸出端的信噪比定義為： 光電流信號功率/（光檢測器噪聲功率+放大器噪聲功率） 光檢測器的噪聲功率表示為 其中是APD的散粒噪聲系數(shù)，下標A表示APD的意思，是APD的倍增因子（系數(shù)），是相應度，是靈敏度，是接收機電帶寬。 假設放大器的輸入阻抗遠大于負載電阻，所以放大器電路的熱噪聲遠小于的熱噪聲，那么光檢測器負載電阻的均方熱噪聲電流為 其中是放大器的噪聲因子（系數(shù)），是波爾茲曼常數(shù)，是溫度。 放大器輸入端的信號功率為，其中是信號功率，是用PIN檢測到的信號電流?；虬演斎敕糯笃鞯男盘柟β时硎緸?，其中是輸入到PIN的功率。 得到放大器輸入端的信噪比為 設APD的，代入上式得到 要使APD接收機的SNR最大，可以求出一個最佳的值。通過信噪比對求導，并使導數(shù)為零，解出的最佳值為 7．證明：對于OOK直接檢測接收機，其誤碼率公式為 證明： “0”碼被誤判為“1”碼和“1”碼被誤判為“0”碼的幾率一樣，不妨就以“1”碼被誤判為“0”碼為例來計算誤碼率?！?”碼被誤判為“0”碼的概率為 當“0”碼被誤判為“1”碼和“1”碼被誤判為“0”碼的幾率一樣時，閾值電流為 代入上式得到 10．推導具有光放大器的光接收機的誤碼率。 證明：當輸入為“1”碼時，有光輸入，光檢測器輸出的光生電流（均值電流）與入射光功率成正比 在接收機中，信號與噪聲的差動噪聲電流方差（“1”碼時光生電流方差）為 “0”碼時的光生電流，“0”碼時的光生電流方差為，代入 得到 習題七 1．商業(yè)級寬帶接收機的等效電阻。保持發(fā)送機和接收機的參數(shù)和圖7.5的例子相同，在接收機光功率范圍內(nèi)0~－16dBm時計算總載噪比，并畫出相應的曲線。類似于7.2.2節(jié)的推導，推出其載噪比的極限表達式。證明當時，任何接收光功率電平下，熱噪聲都超過量子噪聲而成為起決定作用的噪聲因素。 解：因為是PIN，所以，由得到 再由一次光生電流，得到 其中是光檢測器接收到的平均光功率。 把參數(shù)，，，，，，，，代入上式，就得出隨變化的關系曲線方程。 當接收機的光功率較低時，系統(tǒng)的噪聲主要是前置放大器電路的噪聲，于是載噪比為 把代入可以求出其值。 對于設計較好的光電二極管，與中等強度的接收光信號的散彈（量子）噪聲相比，體暗電流和表面暗電流產(chǎn)生的噪聲很小。因此在中等強度接收光信號條件下，系統(tǒng)噪聲主要是光電二極管的量子噪聲，此時有： 把代入可以求出其值。 如果激光器的RIN值很高，反射噪聲將超過其他噪聲項，成為起主要作用的噪聲因素，于是載噪比為 把代入可以求出其值。 當時，熱噪聲為；量子噪聲為。把把代入，得到。即任何接收光功率電平下，熱噪聲都超過量子噪聲而成為起決定作用的噪聲因素。 2．假設我們想要頻分復用60路FM信號，如果其中30路信號的每一個信道的調制指數(shù)，而另外30路信號的每一個信道的調制指數(shù)，試求出激光器的光調制指數(shù)。 解：由得到。 3．假設一個SCM系統(tǒng)有120個信道，每個信道的調制指數(shù)為2.3%；鏈路包括一根損耗為1dB/km的12km長的單模光纖，每端有一個損耗為0.5dB的連接器；激光光源耦合進光纖的功率為2mW，光源的RIN=-135dB/Hz；PIN光電二極管接收機的響應度為0.6A/W，B=5GHz，ID=10nA，Req=50Ω,Ft=3dB。試求本系統(tǒng)的載噪比。 解：由得到。 激光耦合進光纖的功率為，用dBm表示，光檢測器接收到的功率為，根據(jù)，得到 其中損耗系數(shù)，長度，為兩個連接器的損耗。由于是PIN，所以載噪比為 把參數(shù)，，，，，，，，代入上式，就得出的值。 4．如果將題3中的PIN光電二極管用一個和的雪崩光電二極管替代，那么系統(tǒng)載噪比又是多少？ 解：用雪崩光電二極管作為光檢測器，那么系統(tǒng)載噪比為 其中雪崩增益，雪崩光電二極管過剩噪聲系數(shù)，其他參數(shù)不變，代入上式便得到系統(tǒng)的載噪比。 5．假設一個有32個信道的FDM系統(tǒng)中每個信道的調制指數(shù)為4.4%，若，PIN光電二極管接收機的響應度為，，，，。 （1）若接收光功率為，試求這個鏈路的載噪比； （2）若每個信道的調制指數(shù)增加到7%，接收光功率減少到，試求這個鏈路的載噪比。 解：（1）由得到，參數(shù)，，，，，，，，，代入上式，就得出的值。， （2）將上式的，，代入上式很容易就求出載噪比。 6．一直有一個565Mb/s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，有5個接頭，平均每個接頭損耗為0.2dB，光源的入纖功率為-3dBm，接收機靈敏度為-56dBm（BER=10-19）。 （2）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：設計中選取色散（功率）代價為1dB，光連接器損耗為1dB（發(fā)送和接收端各一個），光纖富于度為0.1dB/km，設備富于度為5.5dB。 解：（1）把，，，，，，代入 其中右邊分子上的1是指色散（功率）代價。于是可通過計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 由于是單模光纖，所以，，，分子上的是為了和分母的的單位相匹配，的單位一定要用Mb/s。代入數(shù)據(jù)就可以求出的值來。其中。 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。 7．一個二進制傳輸系統(tǒng)具有以下特性： （1）單模光纖色散為15ps/(nm.km)，損耗為0.2dB/km。 （2）發(fā)射機用的GaAs激光源，發(fā)射平均光功率為5mW，譜寬為2nm。 （3）為了正常工作，APD接收機需要平均1000個光子/比特。 （4）在發(fā)射機和接收機處耦合損耗共計3dB。 求： a．數(shù)據(jù)速率為10和100Mb/s時，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，找出受色散限制的最大傳輸距離。 c．對這個特殊系統(tǒng)，用圖表示最大傳輸距離與數(shù)據(jù)速率的關系，包括損耗和色散兩種限制。 解：a。由“為了正常工作，APD接收機需要平均1000個光子/比特”得到APD的接收功率為 其中是普朗克常數(shù)，是光速，是波長。 又已知，把發(fā)射功率和接收功率用dBm表示出來。 受損耗限制的最大傳輸距離為 其中 b．受色散限制的最大傳輸距離為 由于是單模光纖，所以，，，分子上的是為了和分母的的單位相匹配，的單位一定要用Mb/s。代入數(shù)據(jù)就可以求出的值來。 c．對這個特殊系統(tǒng)，用圖表示最大傳輸距離與數(shù)據(jù)速率的關系，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： （1）GaAlAs半導體激光器：0dBm(1mW)的功率耦合進光纖； （2）硅雪崩光電二極管：靈敏度為-50dBm； （3）漸變折射率光纖：在850nm處的損耗為3.5dBm/km； （4）連接器損耗：每個連接器為1dB。 系統(tǒng)2工作在1300nm： （1）InGaAsPLED：-13dBm的功率耦合進光纖； （2）InGaAsPIN光電二極管：靈敏度為-38dBm； （3）漸變折射率光纖：在300nm處的損耗為1.5dBm/km； （4）連接器損耗：每個連接器為1dB。 每個系統(tǒng)均要求6dB的系統(tǒng)富于度。 解：系統(tǒng)1：把，，，，代入 可得到損耗受限的最大傳輸距離。 系統(tǒng)2：把，，，，代入 可得到損耗受限的最大傳輸距離。 9．簡述PDH和SDH的特點與不同。 答：PDH逐級復用造成上下路復雜而不靈活；預留開銷很少，不利于網(wǎng)絡運行、管理和維護；T系列和E系列的幀結構和線路碼特性不同，難以兼容，轉換比較復雜；點對點傳輸基礎上的復用結構缺乏組網(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：有統(tǒng)一的標準傳輸速率等級；有國際標準化的網(wǎng)絡節(jié)點接口；具有一次完成同步復用的功能；具有強大的網(wǎng)絡管理功能。 10．SDH設備在規(guī)范方法上有什么不同？ 答：SDH體制對網(wǎng)絡節(jié)點接口（NNI）作了統(tǒng)一的規(guī)范。接口的規(guī)范化與否是決定不同廠家的設備能否互連的關鍵。規(guī)范的內(nèi)容有數(shù)字信號速率等級、幀結構、復接方法、線路接口、監(jiān)控管理等。于是這就使SDH設備容易實現(xiàn)多廠家互連，也就是說在同一傳輸線路上可以安裝不同廠家的設備，體現(xiàn)了橫向兼容性。 11．如何理解誤碼性能參數(shù)？ 答：為了滿足測量要求，在實際中，通常采用誤碼性能參數(shù)來表示系統(tǒng)的誤碼性能，采用超過每個閾值的時間百分數(shù)來表征。通過測量可判斷出該系統(tǒng)的優(yōu)劣，并且可以根據(jù)誤碼性能指標判別出傳輸系統(tǒng)問題出現(xiàn)在哪個段落。具體來說有下列指標： 誤碼個數(shù)記錄：以發(fā)送端的二進制數(shù)和接收端的二進制數(shù)逐比特比較凡屬相異的即為誤碼，可在短時間內(nèi)判斷出該系統(tǒng)的優(yōu)劣。 劣化分(DM)：每次測量時間分鐘，門限平均誤碼率，當分鐘平均誤碼率低于這一門限值時稱為劣化分鐘 嚴重誤碼秒(SES)：每次測量時間秒，門限平均誤碼率，當秒平均誤碼率低于這一門限值時稱為嚴重誤碼秒 誤碼秒(SES)：每次測量時間秒，門限平均誤碼率，即在每個測量周期內(nèi)只要出現(xiàn)誤碼就叫誤碼秒 平均誤碼率：是在一段相當長的時間間隔內(nèi)，傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)誤碼的概率 12．有一個由4信道組成的WDM傳輸系統(tǒng)。如果假設信道具有零帶寬，信道間隔應多大，才能保證被選信道的檢測功率比檢測到的相鄰信道的功率大10倍？假設采用一個標準的FP濾波器作為解復用器，其通帶為30GHz。 解：信道間隔為。 30