《光纤通信》习题解答

第 1 章1. 光通信的优缺点各是什么？答：优点有：通信容量大；传输距离长；抗电磁干扰；抗噪声干扰；适应环境；重量轻、安全、易敷设；保密；寿命长。缺点：接口昂贵；强度差；不能传送电力；需要专用的工具、设备以及培训；未经受长时间的检验。2. 光通信系统由哪几部分组成，各部分功能是什么？答：通信链路中最基本的三个组成部分是光发射机、光接收机和光纤链路。 各部分的功能参见 1.3 节。3. 假设数字通信系统能够在载波频率1%的比特率下工作， 试问在 5GHz 的微波载波和 1.55m 的光载波上能传输多少路64kb/s 的音频信道？答： 5GH z 1 /64k 781 路（ 3108 / 1.55 10-6） 1 /64k 3107 路4. SDH 体制有什么优点？答：主要为字节间插同步复用、 安排有开销字节用于性能监控与网络管理， 因此更加适合高速光纤线路传输。5. 简述未来光网络的发展趋势及关键技术。答：未来光网络的发展趋势为全光网，关键技术为多波长传输和波长交换技术。6. 简述 WDM 的概念。答：WDM的基本思想是将工作波长略微不同，各自携带了不同信息的多个光源发出的光信号，一起注入同一根光纤，进行传输。 这样就充分利用光纤的巨大带宽资源，可以同时传输多种不同类型的信号，节约线路投资，降低器件的超高速要求。7.解释光纤通信为何越来越多的采用WDM+EDFA方式。答：WDM 波分复用技术是光纤扩容的首选方案，由于每一路系统的工作速率为原来的1/N ，因而对光和电器件的工作速度要求降低了，WDM 合波器和分波器的技术与价格相比其他复用方式如 OTDM 等，有很大优势； 另一方面， 光纤放大器EDFA的使用使得中继器的价格和数量下降，采用一个光放大器可以同时放大多个波长信号，使波分复用（WDM）的实现成为可能，因而WDM EDFA方式是目前光纤通信系统的主流方案。8. WDM 光传送网络（ OTN ）的优点是什么？答： （1）可以极大地提高光纤的传输容量和节点的吞吐量，适应未来高速宽带通信网的要求。（ 2）OXC 和 OADM 对信号的速率和格式透明， 可以建立一个支持多种电通信格式的、透明的光传送平台。（ 3）以波长路由为基础，可实现网络的动态重构和故障的自动恢复，构成具有高度灵活性和生存性的光传送网。第二章1. 光波从空气中以角度 1=33 0 投射到平板玻璃表面上，这里的 1 是入射光线与玻璃表面之间的夹角，根据投射到玻璃表面的角度，光束部分被反射，另一部分发生折射。如果折射光束和反射光束之间的夹角正好为900，请问玻璃的折射率等于多少？这种玻璃的临界角又为多少？解：入射光束与玻璃表面的法线角度（即入射角）=90-33=57 度。则反射角 1r=，折射角 2度，假设空气的折射率为=180-90-57=33n =1，由折射定理 n1sin =n2sin 2得到玻璃的折射率为n2=n1 sin /sin 2= 1.54全反射发生在从玻璃射向空气的时候，此时c=sin -1 (n 1/n 2)=40.49度。2. 计算 n1=1.48 及 n2=1.46 的阶跃折射率光纤的数值孔径。如果光纤端面外介质折射率n=1.00，则允许的最大入射角 max 为多少？解： NA= n12n22 = 0.2425最大入射角max=arcsin （ n12n22 ） =14.03 度3. 弱导波阶跃光纤纤芯和包层折射率指数分别为n1=1.5， n2=1.45，试计算：（ 1）纤芯和包层的相对折射指数差。（ 2）光纤的数值孔径 NA 。解：（ 1）n12n22 = 0.03282n12（ 2）NA=n12n22 = 0.38414. 已知阶跃光纤纤芯的折射率为 n1=1.5 ，相对折射指数差 =0.01，纤芯半径 a=25 m，若0=1m，计算光纤的归一化频率 V 及其中传播的模数量 M 。解： V2 a ( n12 n22 )1/ 2 2 a (2 n12 )1/ 2 =2 25 m/1 （m21.520.01）0.5= 33.3216模数量 MV 2=55525. 一根数值孔径为0.20 的阶跃折射率多模光纤在850nm波长上可以支持1000 个左右的传播模式。试问：（ a）其纤芯直径为多少？（ b）在 1310nm波长上可以支持多少个模式？（ c）在 1550nm波长上可以支持多少个模式？2a221/ 22 aV 2解：（ a） V( n1n2 )NA ，而 M2从而得到纤芯半径：a=V /（2 NA ）=30.25 m，则直径为 60.5m（ b） MV 2(a NA)2 ，与波长的平方成反比2M= （ 850/1310） 21000=421因此在 1310nm 上的模式数为（ c）在 1550nm 上的模式数为M= （ 850/1550） 21000=3006. 纤芯折射指数为n1=1.5，长度未知的弱导波光纤传输脉冲重复频率f0=8MHz的光脉冲，经过该光纤后，信号延迟半个脉冲周期，试估算光纤的长度L 。解：脉冲周期 T=1/ f 0=1.25 10-4 s。路径最短的光通过光纤的时间为L=T/2 0.625 10-4 sc / n1从而解得： L= 12.5 km7. 阶跃型光纤，若 n1=1.5，0=1.31 m，（ 1）=0.25，为保证单模传输，光纤纤芯半径a 应取多大？（ 2）若取芯径 a=5m，保证单模传输时，应怎样选择？解：（ 1）单模传输要求 V2 a (n12n22 )1/ 22a (2n12 )1/ 22.405解得到 a0.4727m（ 3）同样用2 a(2n12 )1/ 22.405得到0.00228. 渐变型光纤的折射指数分布为1 / 2n(r )n(0) 1r2a求光纤的本地数值孔径。解： n2=n(0)1-21/2n22n 2 (0)n2 (0) 2NArn 2 (0) n22n(0) 29. 某光纤在 1300nm 处的损耗为0.6dB/km ，在 1550nm 波长处的损耗为 0.3dB/km 。假设下面两种光信号同时进入光纤：1300nm 波长的150 W 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。10p( z0)( dB / km)解： ( )logp( zL)L() L )因此p( zL )p( z 0)1010将数值代入可得到：对 1310nm、 150 W 的光信号，在8km 和 20km 处的功率分别为 49.67 W 和 9.46 W ；对 1550nm 波长的 100 W 的光信号，在 8km 和 20km 处的功率分别为 57.54 W 和 25.12 W 。10. 一段12km 长的光纤线路，其损耗为（ a）如果在接收端保持少？（ b）如果光纤的损耗变为1.5dB/km ；0.3 W 的接收光功率，则发送端的功率至少为多2.5dB/km ，则所需的输入光功率为多少？解：（ a）利用p( z0)p( z( ( ) L )，得到 p( z 0) =18.93 WL)1010（ b） p( z0)p( z( ) L )，得到 p( z 0) =30018.93 WL)101011. 考虑一段由阶跃折射率光纤构成的5km 长的光纤链路，纤芯折射率n1=1.49 ，相对折射率差=0.01：（ a） 求接收端最快和最慢的模式之间的时间差；（ b） 求由模式色散导致的均方根脉冲展宽；（ c） 假设最大比特率就等于带宽，则此光纤的带宽距离积是多少？解：（ a） t L n1=5*1.49*0.01/3*105=2.48 10-7 sc2.48 10-7 s（ b）均方根脉冲展宽就是最快和最慢的模式之间的时延差，即（ c）带宽距离积为c10（ Mb/s） km2n112. 考虑 10km 长， NA=0.30的多模阶跃折射率光纤。如果纤芯折射率为1.45，计算光纤带宽。解：最大带宽距离积为BLc，而 NA=2，将以上数据带入可得到B=483.3kHz 。2n1n113. 考虑 10km 长， NA=0.30的多模阶跃折射率光纤。如果纤芯折射率为1.45，计算光纤带宽。解：最大带宽距离积为BLc，而 NA=2，将以上数据带入可得到B=483.3kHz 。2n1n114.某工程师想测量一根1895m 长的光纤在波长1310nm 上的损耗， 唯一可用的仪器是光检测器，它的输出读数的单位是伏特。利用这个仪器，使用截断法测量损耗，该工程师测量得到光纤远端的光电二极管的输出电压是3.31V ，在离光源2m 处截断光纤后测量得到光检测器的输出电压是3.78V ，试求光纤的损耗是多少dB/km ？解：光检测器输出电压与光功率成正比。因此1 0VN1 03. 7 8Ll gl g0.3046 dB/km 。VF1. 8 9 33. 3 114. 根据光纤损耗测量中截断法所依据的公式，要测量的功率正比于光检测器的输出电压。如果两次功率测量时电压读数相差0.1% ，则损耗精度的偏差有多大？若要获得优于 0.05dB/km 的灵敏度，光纤至少应有多长？解：10 ( 0.1%)= 1%(dB/km)光纤至少5Km 。15. 现已测得光纤的色散系数为120ps/ （ nmkm），当光源谱宽是 2.5nm 时，此时单位长度光纤的 3dB 带宽有多宽？解：根据公式B0.441D将数据代入得到B=1.47GHz 。16. 将 3 根 500m 长的光纤有序地连接在一起，然后使用OTDR 测量这段光纤的损耗，得到的数据如图所示。这三段光纤的损耗分别是多少dB/km ？接头损耗是多少dB ？第二段和第三段光纤接头处接头损耗较大的原因是什么？解：（ 1）根据光纤的损耗 P(L)=P(0) eL 可知lnp2， p1、 p2 的值由图给出如下：p1第一段 P1(L=0) 和 P2(L=2 0.5km) 读数分别是 70和 30；第二段 P1(L=1km) 和 P2(L=2km) 读数分别是30 和 10；第三段 P1(L=2km) 和 P2(L=3km) 读数分别是7 和 1.9 ；第一个接头损耗： 4.1第二个接头损耗： 5.1（ 2）第二段和第三段光纤的模场直径MFD不一样。17. 如果使用 OTDR 将光纤故障定位在真实位置 0.5m 范围内，试证明光脉冲的宽度应不大于 5ns。解：cTL2n得到 T2nL2 1.5 0.55 10 9 =5 nsc3 10818.H （ f）的高斯近似表达式为： H ( f ) Pout ( f ) Pin ( f ) exp 2 f2 / 2至少对幅度为峰值 75%的频域内的点是精确的。 利用这个关系式， 分别画出光纤脉冲响应的 rms 脉冲全宽 2 等于 2.0， 1.0 和 0.5ns 时的 P（ f） /P（ 0）与频率的关系曲线，频率范围是 0 1000MHz 。这些光纤的 3dB 带宽分别是多少？解：10.90.8 =1ns0.7 =0.5ns0.6 =0.25ns)f(0.5H0.40.30.20.10789101010f /Hz从图中可以得到，这些光纤的3dB 带宽分别是182.6MHz ， 371.54 MHz ， 749.89 MHz第 3 章 光源和光检测原来书上第3 章的题目1. 计算一个波长为 =1m的光子能量，分别对 1MHz 和 100MHz 的无线电波做同样的计算。解： 光子的能量 E= hv h c6.6310-343108 19.89 10-20 焦耳。110 6对 1MHz 的无线电波 E=hf = 6.6310-34106=6.63 10-28 焦耳。100MHz ， E=hf = 6.63 10-34108=6.63 10-26 焦耳。2. 太阳向地球辐射的光波，设其平均波长 =0.7 m，射到地球外面大气层的光强大约为I=0.14W/cm 2。如果恰好在大气层外放一个太阳能电池，试计算每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数。解： 波长 =0.7 m的光子的能量为：E= hv h c =28.414 10-20 焦耳每平方米的太阳能电池的光强为I=1400W=1400焦耳 /秒则每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数为I/E=4.927 1021 个3.如果激光器在 =0.5 m上工作， 输出 1W 的连续功率，试计算每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数。解：在 =0.5 m上出射的光子的能量为：E= hvh c =39.78 10-20 焦耳输出功率1W=1J/s，即每秒输出的能量为1J，则光子数为1/39.78 10-20=2.5138 1018那么每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数等于出射光子数的一半，即181.2569 104. 光与物质间的互作用过程有哪些？解：在介质材料中存在着受激吸收，自发发射和受激发射等三种光与物质的相互作用过程。5. 什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？解：粒子数反转是高能级上的粒子数量大于低能级上的粒子数的状态，是一种非平衡状态。实现光放大的条件是粒子数反转、光学腔、增益介质。6. 什么是激光器的阈值条件。解：当注入电流较小时， 激活区不能实现粒子数反转， 自发发射占主导地位，激光器发射普通的荧光。随注入电流量的增加，激活区里实现了粒子数反转，受激辐射占主导地位，但当注入电流小于阈值电流时， 谐振腔内的增益还不足以克服损耗如介质的吸收、 镜面反射不完全等引起的谐振腔的确损耗， 不能在腔内建立起振荡， 激光器只发射较强荧光。 只有当注电流大于阈值电流时，才能产生功率很强的激光。7. 由表达式 E=hc/ ，说明为什么 LED 的 FWHM 功率谱宽在长波长中会变得更宽些。解：由 E=hc/可得到， =hc/E；求关于光子能量E 的微分，可以得到dhcdEE2 ，则hc2E ，而 E(hv) ，通常为2kB T ，这样再将 E=hc/ 带入，得到E2 2kBT hc8. 试画出 APD 雪崩二极管的结构示意图，并指出高场区及耗尽区的范围。解：见书中图。9.一个 GaAs PIN 光电二极管平均每三个入射光子，产生一个电子-空穴对。假设所有的电子都被收集。a 试计算该器件的量子效率；10-7 W 时，计算平均输出光电流；b 当在 0.8 m波段接收功率是c 计算波长，当这个光电二极管超过此波长时将停止工作，即长波长截止点c。光生并被收集的自由EHP 的数量解： a、=1/3=33.3%入射光子的数量、由 RI p( A /W ) 和e( A / W )可得到bPINRhvI p= PINePINehvhc0.215 10-6 AC、 hf chcEg而 Eg =1.424 eV ，则波长截止点 c=hc/ Eg =0.87 m10. 什么是雪崩增益效应？解：光生载流子穿过一个具有非常高的电场的高场区。在这个高场区， 光生电子或空穴可以获得很高的能量， 因此它们高速碰撞在价带的电子上使之产生电离，从而激发出新的电子一空穴对， 这种载流子倍增的机理称为碰撞电离。新产生的载流子同样由电场加速，并获得足够的能量从而导致更多的碰撞电离产生，这种现象就是所谓的雪崩效应。11. 设 PIN 光电二极管的量子效率为 80%，计算在 1.3 和 1.55 m波长时的响应度，说明为什么在 1.55 m光电二极管比较灵敏。ee解： Rhvhc在 1.3 和 1.55 处的响应度分别为0.838A/W ， 0.999 A/W波长越长，频率越低，光子能量越低，对于同等的入射光功率则光子数量就越多，则电子 -空穴对也就越多，那么光生电流也就越大。第 4 章 光发送机和光接收机1. 光接收机中有哪些噪声？解：主要有三种。 第一种就是热噪声信号，在特定温度下由电子的随机运动产生的，它总是存在的，第二种是散弹（粒）噪声，是由光子产生光生电流过程的随机特性产生的，即使输入光功率恒定也存在，散粒噪声不同于热噪声，它不是叠加在光电流上，它作为独立的一部分仅仅是产生光电流过程随机性的一种方便的描述。第三种是在光检测器之前使用的光放大器产生的放大的自发辐射噪声ASE。2. RZ 码和 NRZ 码有什么特点？解： NRZ 码与其他格式相比，其主要优点是占据的频带宽度窄，只是RZ码的一半，缺点是当出现长连“ 1”，或“ 0”时，光脉冲没有有和无的交替变化，这对于接收时比特时种提取是不利的。 RZ码克服了这个问题，解决了连“ 1”的问题有了电平的交替变化，但长连“ 0” 问题仍然存在。3. 通信中常用的线路码型有哪些？解： 4B/5B 、 8B/10B4. 光源的外调制都有哪些类型？内调制和外调制各有什么优缺点？解：目前常用的外调制器有电折射调制器、电吸收MQW调制器、 M-Z 型调制器等。内调制优点：简单、经济、容易实现；缺点：随着传输速率的不断提高，直接强度调制带来了输出光脉冲的相位抖动即啁啾效应，使得光纤的色散增加，限制了容量的提高。外调制优点：可以减小啁啾；缺点：比较复杂，成本较大5. 假定接收机工作于 1550nm，带宽为 3GHz ，前置放大器噪声系数为 4dB，接收机负载为L0mR =100 ，温度 T=300 K，量子效率为 =1，=1.55/1.24=1.25A/W ，G=1，试计算接收机灵敏度。24kBT1.9872 10-10A2解： 热Fn BeRL对于 BER=10 -7， 7；FA (Gm ) = FA (1) =1PR(eBe FA (Gm )热 ) =9.7784*10 -5 W=9.7784*10 -2 mW = -10.0973 dbmRGm6. 在考虑热噪声和散弹噪声的情况下，x设 APD 的 FA(Gm)=G m x（ 0,1），推导 APD 的 Gm的最佳值 GOpt，此时 APD 接收机的SNR 最大。解：24K BTFn Be热RL22FA ( Gm ) RPBe2xRPBe散粒2eGm2eGm1212RPGm mRPmSNR=224KB T Be2eGm2x RPBe4K BT Fn BeGm22eGm xRPBeRLRL可见当 x=0 时， APD 的 SNR 最大。7. 证明对于 OOK 直接检测接收机的误码率公式：BER Q(I1I 0)01解：P0 |1Q( I1I th)1P1 | 0Q( I thI 0)0则由 BER=1/2 P0 |1 +1/2 P1| 08.对于 PIN 直接接收机，假设热噪声是主要噪声源，且方差由（6.31）给出，对于误码率为 10-12，速率为 100Mbit/s 和 1Gbit/s，以每 1 比特的光子数表示的接收灵敏度是多少？设工作波长为 1550nm ，响应度为 1.25A/W 。解：2PR，(01 )，22222，MPR0=热，1=热+散2Gm Rhf c B24kBTFn Be 1.6561022B A2（ 6.31）热RL而忽略散弹噪声，有2222=0 =1.65610B，1误码率为10-12，则 =7。对 PIN ， Gm =1，则计算PR( 01 )0，则 M2 02 1.656 10 22 B 7=1.1232 109/ B2Gm RRhfc BRhfc BR速率为 100Mbit/s时， M=1.1232 105速率为1Gbit/s 时， M= 3.55191049. 推导（ 6.34）？10. 推导（ 6.32）证明： 在放大系统中信号与自发辐射噪声差动噪声与其他噪声相比占主导地位，因此222,2信号噪声4R GPPn (G 1)Be01且 IRGP ，因此根据误码率公式BERQ( I 1I 0) ，01以及以上的假设，则误码率为BERQ(I1I0 )Q(I1) Q(RGP)信号噪声2R GPPn ( G1)Be2R GPPn (G1)Be=Q(GP) ， 得证。2Pn (G1)Be11 发全“ 0”码时的光功率为 40 W ，全“ 1”码时的光功率为 100 W ，若信号为伪随机码序列，则消光比为多少？解：伪随机码序列，消光比为EXT=P 00/2PT=40/200=20%12 已知某光端机的灵敏度为 -40dBm ，动态范围为 20dB ，若系统能正常工作， 则接收的光功率在多少微瓦的范围之内？解： Pmin= - 40dbm= 10 -4 mW= 0.1微瓦-2mW =10 微瓦Pmax = - 40+20=- 20dbm =10则接收的光功率范围为0.1 微瓦到 10 微瓦第 5 章 无源光器件1.光纤的连接损耗有哪些？如何降低连接损耗？解：连接损耗可分为外部损耗和内部损耗。外部损耗主要有轴向位移、连接间隔、倾斜位移、截面不平整。内部损耗主要是由于光纤的波导特性和几何特性差异导致的损耗，芯区域的椭圆度、光纤的数值孔径、折射率剖面等。采用较好的连接方法，改善连接器的性能。包括纤芯的直径、 纤2. 试用 2 2 耦合器构成一个 8 8 空分开关阵列， 画出连接图和输入输出端口信号间流向，计算所需开关数。解：1122334455667788需开关数12 个。3. 讨论图 5.22 所示平面阵列波导光栅的设计思想和方法。解：设计思想：将同一输入信号分成若干路分别经历不同的相移后又将它们合在一起输出；设计方法：将 N 个输入波导和 N 个输出波导，二个聚焦平面波导（星型耦合器）和通道阵列波导， 集成在单一衬底上。 使得输入输出波导的位置和阵列波导的位置满足罗兰圆规则。4. 简述光耦合器和 WDM 分波器有什么不同。解：在宽带光纤耦合器中， 通常通过改变熔融拉锥工艺， 使耦合器输出端口的分光比不受波长的影响。相反，在 WDM 器件中则改变熔融拉锥工艺，使分光比随波长急剧变化。5. 光滤波器有哪些种类，滤波器应用在什么场合？解：光滤波器主要有 F-P 腔滤波器、 M-Z 干涉滤波器、 阵列波导光栅滤波器、声光可调滤波器，光纤光栅滤波器。光滤波器用于滤出特定波长的光信号。6. 光开关有哪些性能参数，在光纤通信中有什么作用？解：光开关的性能参数主要有开关时间、通断消光比、插入损耗、串扰、偏振依赖损耗；光开关在光纤通信技术中作光路切换之用， 如系统的主备切换等。 它是光交换的关键器件，在光网络中有许多应用场合。7. 简述 F-P 腔可调谐滤波器的工作原理。解： F-P 腔型滤波器的主体是 F-P 谐振腔，是由一对高度平行的高反射率镜面构成的腔体，当入射光波的波长为腔长的整数倍时光波可形成稳定振荡，输出光波之间会产生多光束干涉，最后输出等间隔的梳状波形。通过改变腔长 L 或腔内的折射率 n 来改变滤波器的中心波长。8. 讨论光纤光栅在光通信中的应用。解：光纤光栅的应用范围有光纤激光器、 WDM 合 /分波器、超高速系统中的色散补偿器、固定或可调滤波器、光纤放大器、光纤光栅全光分插复用器等。9. NLOM是否可作光开关？解：可以。 改变环的长度或光波的波长， 使来自传输光纤的光波与绕环后的光波之间产生相移，两者之间产生相长和相消，达到开和关的作用。第 6 章 光放大器1.光放大器包括哪些种类，简述它们的原理和特点，EDFA 有哪些优点。解：掺饵光纤放大器EDFA ，原理：在制造光纤过程中，向其掺入一定量的三价饵离子，利用饵离子的三能级系统，形成粒子数反转，当入射光近来时，由受激辐射产生光放大，实现了信号光在掺铒光纤的传输过程中不断被放大的功能。优点：转移效率高、 放大的谱宽适合于 WDM光纤通信、具有较高的饱和输出光功率、动态范围大、噪声指数小、 与光纤的耦合损耗小、增益稳定性好、增益时间常数较大；缺点：存在ASE噪声、串扰、增益饱和等问题。受激拉曼光纤放大器，原理：利用光纤媒质中传输高功率信号时发生的非线性相互作用-拉曼效应，频率为 p 和 as 的泵浦光和信号光通过WDM合波器输入至光纤，当这两束光在光纤中一起传输时，泵浦光的能量通过受激拉曼散射转移给信号光，使信号光得到放大。特点：不需要粒子数反转，能够提供整个波段的光放大，主要问题在于所需泵浦的种类。受激布里渊光纤放大器 ，原理：利用强激光与光纤中的弹性声波场相互作用产生的后向散射光来实现对光信号的放大。其主要特点是高增益、低噪声、窄小带宽。半导体光放大器，原理：采用正向偏置的PN结，对其进行电流注入，实现粒子数反转分布， 利用受激辐射来实现对入射光功率的放大。 特点： 小型化的半导体器件，易于和其他器件集成； 与偏振有关； 具有大的带宽； 但由于非线性现象 (四波混频 )，SOA 的噪声指数高，串扰电平高。2. EDFA 的泵浦方式有哪些，各有什么优缺点？解： EDFA 常用的结构有三种，即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。同向泵浦：优点是构成简单，噪声低， 信号一进入光纤即得到较强的放大；缺点是由于吸收，泵浦光将沿光纤长度而衰减。反向泵浦：优点是当光信号放大到很强的时候，泵浦光也强，不易达到饱和，从而获得较高增益。双向泵浦：结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使泵浦光在光纤中均匀分布，从而使其增益在光纤中也均匀分布。3. 一个 EDFA 功率放大器，波长为 1542nm 的输入信号功率为 2dBm ，得到的输出功率为Pout=27dBm ，求放大器的增益。解：放大器在1542nm 处的增益为10log（ Pout/Pin） =11.3dB 。4.简述 SBA 与 SRA 间的区别，为什么在SBA 中信号与泵浦光必定反向传输。解： SRA 是靠非线性介质的受激散射，一个入射泵浦光子通过非弹性散射转移其部分能量，产生另一个低能和低频光子，称为斯托克斯频移光，而剩余的能量被介质以分子振动(光学声子 )的形式吸收，完成振动态之间的跃迁。而 SBA 是泵浦光被注入光纤传输时，由于光波与晶体结构互作用产生一个声振动，同时光波被散射，在入射光的反方向上产生最大的散射频移和散射光强。SBA 中由于除了满足能量守恒定理外，还要满足动量守恒定理（或相位匹配条件），当散射光与入射光夹角为180 度时得到最大的散射频移和散射光强。因此，在SBA 中信号与泵浦光必定反向传输。5. 一个长 250 m 的半导体激光器做F-P 放大器，有源区折射率为4，则放大器通带带宽是多少？解：c / 2nL =（3 108） /（ 24 250 10-6 ）=0.15GHz6. EDFA 在光纤通信系统中应用形式有哪些？解：主要有 1）在宽带光波分配系统中的应用； 2）作前置放大器， 3）作功率放大器； 4）作线路放大器。7. EDFA 的主要性能指标有哪些，说明其含义。解：增益，是输出光功率与输入光功率的比值（dB 为单位）。增益带宽，是放大器放大信号的有效频率范围。增益饱和， 一般情况下输入信号应该足够大，以便能引起放大器的饱和增益。增益饱和时增益随信号功率增加而减小。增益波动，是增益带宽内的增益变化范围（以噪声， EDFA的噪声主要有信号光的散射噪声，dB 为单位）。ASE噪声，以及信号-ASE，ASE-ASE差拍噪声等。8. 分别叙述光放大器在四种应用场合时各自的要求是什么？解：在线放大器 ：用在线放大器代替光电光混合中继器。要求：光纤色散和放大器自发辐射噪声累积尚未使系统性能恶化到不能工作时，且需要考虑光学滤波和隔离等问题/后置放大器 ：是将光放大器接在光发送机后以提高光发送机的发送功率，增加传输距离，要求：需要考虑最大饱和输出功率，而对绝对增益和噪声系数的要求则要低一点。前置放大器 ：将光放大器接在光接收机前，以提高接收功率和信噪比。要求：前置放大器其主要的品质因数是高增益和低噪声，由于接收机灵敏度主要受限于光放大器的噪声而不是接收机本身的热噪声，因此对前置放大器的噪声系数有极为苛刻的要求。功率补偿放大器：将光放大器用于补偿局域网中的分配损耗，以增大网络节点数。还可以将光放大器用于光子交换系统等多种场合。9. 叙述 SOA XGM 波长变换的原理？解： CW 探测波 ( s)和泵浦波 ( p)经耦合器注入 SOA ，SOA 对入射光功率存在增益饱和特性。因而当有调制信息（ “ 1”或“ 0”）的泵浦波注入 SOA 时，此时，泵浦信号将调制 SOA 的载流子密度，从而调制增益（ “无”或“有” ），同时，注入的 CW 探测波的强度变化也受增益变化影响而按泵浦信号的调制规律变化，用带通滤波器取出变换后的 s 信号，即可实现从 p 到 s 的波长变换。第 7 章 光纤通信系统及设计1 商业级宽带接收机的等效电阻为Req=75。当 Req=75 时，保持发送机和接收机的参数和图 7.5 的例子相同，在接收机光功率范围为0 -16dBm 时计算总载噪比，并画出相应的曲线，如同7.2.2 节的推导一样，推出其载噪比的极限表达式。证明当Req=75 时，在任何接收光功率电平下，热噪声都超过量子噪声而成为起决定作用的噪声因素。解：利用C20.5 mRGPNRIN RP2I DG 2 x Beq4kTFt Beq / ReqBeq 2e I P以及相关参数， m=0.25 ， RIN=-143dB/Hz，R=0.6A/W， B=10MHz， I D=10nA， Req=75 ，Ft =3dB； G=1 ， =1.6*10 -19C;玻尔兹曼常数k= 1.380650310 -23 m 2 kg s -2K -1 ,设定温度为 300K计算总载噪比，并画出相应的曲线如下图。（注意计算过程中单位的统一，以及RIN 和F 在计算过程中db 要转化为绝对单位） 。t载噪比的极限表达式同7.2.4 节的推导，将参数代入即可。605550bd/比 45噪载403530-16-14-12-10-8-6-4-20接 收 光 功 率 /dbm在 Req=75 时，计算三种噪声极限下的载噪比并画图如下图，可见在任何接收光功率电平下，热噪声都超过量子噪声而成为起决定作用的噪声因素。 （也可以通过计算比较两种噪声的大小得到结论） 。706560b55d/比 50噪载 4540总 载 噪 比RIN极 限35量 子 噪 声 极 限热 噪 声 极 限30-8-6-4-20-16-14-12-10接 收 光 功 率 /dbm2 假设一个 SCM 系统有 120 个信道，每个信道的调制指数为2.3%，链路包括一根损耗为1dB/km 的 12km 长的单模光纤， 每端有一个损耗为 0.5dB 的连接器； 激光光源耦合进光纤的功率为 2mW ，光源的 RIN=-135dB/Hz ；pin 光电二极管接收机的响应度为0.6A/W ，B=5GHz ， ID=10nA ， Req=50 ，Ft=3dB ，试求本系统的载噪比。解： m=mcN 0.5=0.023（ 120） 0.5=0.252 。计算接收光功率：Ps-Pr=2 0.5+1 12=13dB ，而 Ps=2mW=3dBm ，所以 Pr= -10dBm ；代入公式计算载噪比为14.594dB 。3 如果题 3 中的 pin 光电二极管用一个 G=10 和 F（ G） =G0.7 的 InGaAs 雪崩光电二极管替代，那么系统的载噪比又是多少？解：即计算公式中的G=10 ， G 2 x =100.7+2 ，代入计算公式得到：载噪比为23.421dB 。4 假设一个有 32 个信道的 FDM 系统，每个信道的调制指数为4.4%，若 RIN=-135dB/Hz ，假定 pin 光电二极管接收机的响应度为0.6A/W ，B=5GHz ，ID=10nA ，Req=50 ，Ft =3dB 。（ a） 若接收光功率为 -10dBm，试求这个链路的载噪比；（ b） 若每个信道的调制指数增加到7%，接收光功率减少到 -13dBm ，试求这个链路的载噪比。解： m=mcN 0.5=0.044（ 32） 0.5=0.2489。（ a） 代入计算公式得到链路的载噪比为14.486dB 。（ b） m=mcN0.5 =0.07 （32） 0.5=0.396，接收光功率为 -13dBm ，代入计算公式得到链路的载噪比为 13.072 dB 。5 已知一个 565Mbit/s 单模光纤传输系统，其系统总体要求如下：（1）光纤通信系统光纤损耗为0.1dB/km ，有 5 个接头，平均每个接头损耗为0.2dB ，光源的入纤功率为 -3dBm ，接收机灵敏度为 -56dBm （ BER=10 -10）。（2）光纤线路上的线路码型是5B6B ，光纤的色散系数为2ps/（km?nm），光源光谱宽度 1.8nm，求：最大中继距离为多少？注：设计中选取色散代价为 1dB，光连接器损耗为 1dB（发送和接收端个一个） ，光纤富余度为 0.1dB/km ，设备富余度为 5.5dB 。解：功率限制中继距离为：-3-（ -56）=0.1L+0.25+1+12+0.1L+5.5 ，得到 L=217.5km 。而色散限制中继距离为：L106565Mb/s 的单模光缆传输系统，而信息速率为BD采用 5B6B码型，其传输速率为677990kb/s 。，因此0.115106L=47.1164km677.992 1.8显然这是一个色散限制系统，最大中继距离应小于47.1164km 。6一个二进制传输系统具有以下特性：? 单模光纤色散为15ps/（ nm?km），衰减为0.2dB/km 。? 发射机用 =1551nm的 GaAs 激光器，发射平均光功率5mW ，谱宽2nm。? 为了正常工作， APD 接收机需要平均 1000 个光子 /比特。? 在发射机和接收机处耦合损耗共计3dB。a、 数据速率为10 和 100Mbit/s 时，找出受衰减限制的最大传输距离。b、 数据速率为10 和 100Mbit/s 时，找出受色散限制的最大传输距离。c、 对这个特殊系统，用图表示最大传输距离与数据速率的关系，包括衰减和色散两种限制。解： a、 Ps=5mW= 6.9897dBm ，而 M2Pr， h=6.63*10 -34（ J-s）， PrMhcB（W ）；hvB2受衰减限制的最大传输距离：Ps- Pr（ dBm ） =3+0.2 L（a）数据速率为 10 Mbit/s 时， L=479.6 km ；数据速率为100Mbit/s 时， L=429.6km ，b、 L0.115106（ b）B152数据速率为10 Mbit/s时， L=383.33 km；数据速率为100Mbit/s时， L=38.333km ，c、利用（ a）和（ b）式，画出衰减和色散两种限制下最大传输距离与数据速率的关系。500