2014光纤答案(尚磊)修改

第1页共6页2013《光通信技术基础》标准答案及评分标准一、填空题（每空1分，共20分）1.在光纤通信的三个通信窗口中，最低损耗窗口是1550nm，零色散窗口是1310nm。2.光纤的典型结构是多层同轴圆柱体，它由芯层、包层和涂覆层三部分组成。3.光电二极管的噪声包括：量子噪声、暗电流噪声和热噪声。4.在光纤通信中，光源通常加正向偏压，光检测器通常加反向偏压。5.光与物质粒子体系的相互作用主要有三种过程，产生激光最主要的过程是受激辐射，而LED属于受激吸收过程。6.EDFA的泵浦结构方式有：a.前向泵浦；b.后向泵浦；c.双向泵浦。7.数字光纤通信系统常用的线路码型有：扰码、mBnB码和插入码。9.光纤的色散分为模式色散、材料色散和波导色散。10.由于双折射效应的存在，将导致光波的偏振状态沿光纤长度变化，导致偏振模色散。11.目前EDFA采用的泵浦波长是0.98μm和1.48μm。二、单项选择题（每小题1分，共10分）在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。1.在光纤通信系统中，当需要保证在传输信道光的单向传输时，采用(B)。A.光衰减器B.光隔离器C.光耦合器D.光纤连接器2.以工作波长属于通信光纤窗口的是(B)。A.632.8nmB.1310nmC.2000nmD.10.6μm3.在下列因素中，不是．．引起光纤传输衰减的原因为(B)A.光纤弯曲B.波导色散C.光纤接头D.杂质吸收4.随着输入光功率的逐步增加，EDFA输出光功率的变化趋势为(A)A.先逐步增大，后保持不变B.先保持不变，后逐步降低C.先保持不变，后逐步增大D.一直保持不变5.如果信道间隔为200GHz，工作波长在1534-1566nm波段，可以容纳的信道数为(B)第2页共6页A.16B.20A.32B.406.基于铌酸锂晶体的光调制器是利用(B)效应进行光强调制的A.声光B.电光C.磁光D.热光7.随着激光器使用时间的增长，其阈值电流会(C)A.逐渐减少B.保持不变C.逐渐增大D.先逐渐增大，后逐渐减少8.下面说法正确的是：(C)A光纤通信只能用于数字通信，不能用于模拟通信；B光纤通信不能用于数字通信，只能用于模拟通信；C光纤通信即可以用于数字通信，也可用于模拟通信；D光纤通信不能用于数字通信，也不能用于模拟通信。9.STM-16信号的码速率为(C)A．155.520Mb/sB．622.080Mb/sC．2488.320Mb/sD．9953.280Mb/s10.注入光纤的光功率为10mW，经过10Km的传输过后输出的光功率为1mW，则这段光纤的损耗系数为（B）A．0.1dB/KmB．1dB/KmC．10dB/KmD．100dB/Km三、简答题（每题5分，共25分）1.光纤通信的优点。答：(1)容许频带宽，传输容量大；(2)传输损耗小，中继距离长且误码率小；(3)重量轻、体积小；(4)抗电磁干扰性能好；(5)泄露小，保密性能好；(6)节约金属材料，有利于资源合理使用；2.比较半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）的异同。答：LD和LED的不同之处：工作原理不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。LED不需要光学谐振腔，而LD需要。和LD相比，LED输出光功率较小，光谱较宽，调制频率较低。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。所以，LED的主要应用场合是小容量（窄带）短距离通信系统；而LD主要应用于长距第3页共6页离大容量（宽带）通信系统。LD和LED的相同之处：使用的半导体材料相同，结构相似，LED和LD大多采用双异质结（DH）结构，把有源层夹在P型和N型限制层中间。3.解释电光延迟和张驰震荡现象，并说明它们的危害。答：激光器的输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在的初始延迟时间为电光延迟。当电流注入激光器后，输出光脉冲出现的幅度逐渐衰减的振荡称为张弛振荡。电光延迟和张弛振荡的后果是限制调制速率。4.光纤通信为什么向长波长、单模光纤方向发展？答：长波长，单模光纤比短波长，多模光纤具有更好的传输特性。（1）单模光纤没有模式色散，不同成分光经过单模光纤的时间延迟不同的程度小于经过多模光纤时不同的程度。（2）由光纤损耗和波长的关系曲线知，随着波长增大，损耗呈下降趋势，且在1.55m处有最低损耗值；而且1.31和1.55m处的色散很小。故目前长距离光纤通信一般都工作在1.55m。5.简述掺铒光纤放大器（EDFA）工作原理。在掺铒光纤（EDF）中，铒离子有三个能级：基态E1、亚稳态E2和激发态E3。当泵浦光的光子能级等于E3和E1的能量差时，铒离子吸收泵浦光的光能从基态跃迁到激发态，但激发态不稳定，电子很快返回到E2，若输入的信号光的光子能量等于E2和E1之间能量差，则电子从E2跃迁到E1，产生受激辐射光，故光信号被放大。四、计算题（15分）（注：必须写出计算过程，仅给出计算结果不得分）（普朗克常数h=6.628×10-34J.s，电子电荷e=1.6×10-19J）1、（9分）一阶跃折射率光纤，11.5n，=1%，L=1Km。求：（1）光纤的数值孔径；（2）子午光纤的最大时延差；（3）当波长为1.31m时，要实现单模传输，纤芯半径a应小于多少？第4页共6页解：（1）NA=2212nn12n0.212(3分)（2）max1nLc=81.510000.01310=50ns(3分)（3）由单模传输条件405.222221nnaV当λ=1.31μm时368.2212.021031.1405.22405.262221nnam(3分)2、（6分）一个GaAsPIN光电二极管平均每两个入射光子，产生一个电子-空穴对，假设所有的电子都被收集。GaAs的禁带宽度大于1.424eV，在0.85μm波段接收功率是58.5nW。计算：（1）器件的量子效率；（2）平均输出光电流；（3）光电二极管的长波长截止点λc（超过此波长光电二极管将不工作）。解：（1）由量子效率的定义：505.021入射光子数空穴对数光生电子%(2分)（2）由公式ehfPIP.0得AhcePIP88346199010210310628.61085.0106.1105.585.0(2分)（3）由公式gcE/24.1，所以c≤424.124.1=0.87m。(2分)五、综合题（30分）1.某四次群光纤通信系统，线路码型为5B6B码。已知平均发射光功率为-3dBm，接收机所需最小平均接收光功率为0.1μw（误码率Pe10-9），系统余量3dB，连接器损耗为0.25dB/对，光纤损耗系数0.25dB/km，光纤余量0.1dB/km，光纤线路共有10个接头，每个接头损耗0.2dB，光源谱线宽度2.85nm，光纤色散系数2.4ps/(nm·km)。(1)画出该光纤通信系统的组成框图，并简述各部分的作用；（5分）(2)说明光纤损耗和色散的产生机理以及对系统性能的影响；（5分）(3)数据速率分别为10Mb/s和100Mb/s时，计算该系统的中继距离。（10分）答：（1）该光纤通信系统的基本框架图如下：第5页共6页光发射机光接收机中继光纤线路光纤线路光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度的注入到光纤线路。光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号以尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。中继的作用是用来延长传输距离，起到信号再生放大的作用。光接收机的功能是把从光纤线路上输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。（2）光纤损耗包括吸收损耗和散射损耗。吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射产生的。光纤色散产生的原因是由于光纤中传输的光信号由于不同成分光的时间延迟不同而产生的。损耗和色散是最重要的传输特性，损耗使信号幅度减小，限制系统传输距离。若信号是模拟调制的，色散将限制带宽；若信号是数字脉冲，色散产生脉冲展宽，限制系统传输速率（容量）。（3）中继距离主要受色散和损耗的限制，在损耗限制情况下：min10lg[()]40rPPmWdBm由公式L(αf+αs+αm)≤Pt-Pr-2αc-Me(1分)所以901.025.02.010325.02)40(3L(km)（3分）在色散限制情况下：取最差情况115.0数据速率为10Mb/s时610125bFMb/s(1分)由公式0610CFLb代入参数得60.115101401122.852.4L(km)（1分）比较后数据速率为10Mb/s时系统中继距离取为90km（1分）数据速率为100Mb/s时61001205bFMb/s(1分)由公式0610CFLb代入参数得60.11510140.11202.852.4L(km)（1分）比较后数据速率为100Mb/s时系统中继距离取为90km（1分）第6页共6页2.画出STM-N的帧结构（标明具体数字）及各部分功能。（10分）（4分）（1）段开销（SOH）段开销是指SDH帧结构中为了保证信息正常传输所必需的附加字节，主要用于运行、维护和管理。（2分）（2）信息载荷（Payload）信息载荷区域是SDH帧内用于承载各种业务信息的部分。在Payload中包含少量字节用于通道的运行、维护、管理，这些字节称为通道开销（POH）。（2分）（3）管理单元指针（AU-PTR）管理单元指针（AU-PTR）是一种指示符，主要用于指示Payload第一字节在帧内的准确位置。（2分）电信号输入