《光纤通信》刘增基+第二版课后习题答案

11-1光纤通信的优缺点各是什么？答与传统的金属电缆通信、微波无线电通信相比，光纤通信具有如下优点：(1)通信容量大．首先，光载波的中心频率很高，约为2X10^14Hz，最大可用带宽一般取载波频率的10%，则容许的最大信号带宽为20000GHz(20THz)；如果微波的载波频率选择为20GHz，相应的最大可用带宽为2GHz。两者相差10000倍．其次，单模光纤的色散几乎为零，其带宽距离（乘）积可达几十GHz·km；采用波分复用（多载波传输）技术还可使传输容量增加几十倍至上百倍．目前，单波长的典型传输速率是10Gb／s。，一个采用128个波长的波分复用系统的传输速率就是1.28Tb/s.(2）中继距离长。中继距离受光纤损耗限制和色散限制，单模光纤的传输损耗可小千0.2dB/km，色散接近于零．(3）抗电磁干扰．光纤由电绝缘的石英材料制成，因而光纤通信线路不受普通电磁场的干扰，包括闪电、火花、电力线、无线电波的千扰．同时光纤也不会对工作于无线电波波段的通信、雷达等设备产生干扰。这使光纤通信系统具有良好的电磁兼容性。(4）传输误码率极低。光信号在光纤中传输的损耗和波形的畸变均很小，而且稳定，．噪声主要来源于t子噪声及光检测器后面的电阻热噪声和前置放大器的噪声．只要设计适当，在中继距离内传输的误码率可达10^-9甚至更低。此外，光纤通信系统还具有适应能力强、保密性好以及使用寿命长等特点。当然光纤通信系统也存在一些不足：(1）有些光器件（如激光器、光纤放大器）比较昂贵。(2）光纤的机械强度差，为了提高强度，实际使用时要构成包声多条光纤的光缆，光统中要有加强件和保护套。(3）不能传送电力．有时需要为远处的接口或再生的设备提供电能，光纤显然不能胜任。为了传送电能，在光缆系统中还必须额外使用金属导线．（4）光纤断裂后的维修比较困难，需要专用工具。1-2光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作用。答光纤通信系统由发射机、接收机和光纤线路三个部分组成（参看图1.4）。发射机又分为电发射机和光发射机。相应地，接收机也分为光接收机和电接收机。电发射机的作又分为电发射机和光发射机。电发射机的作用是将信（息）源输出的基带电信号变换为适合于信道传输的电信号，包括多路复接、码型变换等，光发射机的作用是把输入电信号转换为光信号，并用藕合技术把光信号最大限度地注人光纤线路．光发射机由光源、驱动器、调制器组成，光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本取决于光源的特性；光源的输出是光的载波信号，调制器让携带信息的电信号去改变光载波的某一参数（如光的强度）．光纤线路把来自于光发射机的光信，能小的畸变（失真）和衰减传输到光接收机．光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤线路的主体，接失和连接器是不可缺少的器件．光接收机把从光线路输出的产生畸变和衰减的微弱光信号还原为电信号．光接收机的功能主要由光检测器完成，光检测器是光接收机的核心。电接收机的作用一是放大，二是完成与电发射机换，包括码型反变换和多路分接等．1-3假设数字通信系统能够在高达1％的载波频率的比特率下工作，试问在5GHz的微波载波和1.55um的光载波上能传输多少路64kb/s的话路？解在5GHz微波载波上能传输的64kb/s的话路数K=(5*10^9*1%)/(64*10^3)≈781(路)在1.55um的光载波上能传输的64kb/s的话路数K=（（3*10^8）/(1.55*10^-6)）/(64*10^-3)=3.0242*10^7（路）1-4简述未来光网络的发展趁势及关键技术。答未来光网络发展趁于智能化、全光化。其关健技术包括：长波长激光器、低损耗单模光2纤、高效光放大器、WDM复用技术和全光网络技术。2-1均匀光纤芯与包层的折射率分别为n1=1.50,n2=1.45，试计算：(l）光纤芯与包层的相对折射率差乙为多少？(2）光纤的数值孔径NA为多少？(3）在1米长的光纤上，由子午线的光程差所引起的最大时延差△为多少解（1）又纤芯和包层的相对折射率差△=（n1-n2）/n1得到△=（n1-n2）/n1=（1.50-1.45）/1.50=0.033（2）NA=sqrt（n1^2-n2^2）=sqrt(1.5^2-1.45^2)≈0.384（3）△τmax≈n1*L/c*△=1.5*1/(3*10^8)*0.384ns2-3均匀光纤，若n1=1.50，λ=1.30µm，试计算（1）若△=0．25，为了保证单模传输，其芯半径应取多大？(2）若取a=5µm，为保证单模传输．，△应取多大？解（1）又单模传输条件V=2πa/λ*sqrt（n1^2-n2^2）≤2.405推导出a≤2.405λ/（2π*sqrt（n1^2-n2^2））其中，λ=1.3μm，n2=n1-△*n1=1.125,则a≤2.405*1.3*10^-6/(2π*sqrt(1.5^2-1.125^2))=0.501μm（2）当a=5μm时，sqrt（n1^2-n2^2）≤2.405*λ/（2πa）解得△≤（n1-n2）/n1=0.00162-4目前光纤通信为什么采用以下三个工作波长：λ1=0.85µm，λ2=1.31µm，λ3=55µm?答λ1=0.85μm，λ2=1.31μm，λ3=1.55μm附近是光纤传输损耗较少或最小的波长“窗口”，相应的损耗分别为2~3dB/km、0.5dB/km、0.2dB/km，而在这些波段目前有成熟的光器件（光源、光检测器等）。2-5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传播时间不同的程度显著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，随着波长的增大，损耗呈下降趋势，且在1.31µm和1.55µm处的色散很小，故目前长距离光纤通信一般都工作在1.55µm.2-6光纤色散产生的原因及其危害是什么？答光纤色散是由光纤中传输的光信号的不同成分光的传播时间不同而产生的。光纤色散对光纤传输系统的危害有：若信号是模拟调制的，色散将限制带；是数字脉冲，色散将使脉冲展宽，限制系统传输速率（容量）.2-7光纤损耗产生的原因及其危害是什么？答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密度不均匀引起的瑞利胜射和光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射产生的。光纤损耗使系统的传输距离受到限制．大损耗不利于长距离光纤通信。2-9一阶跃折射率光纤，折射率n1=1.5，相对折射率差△＝1%，长度L=1km(1）光纤的数值孔径；(2）子午光线的最大时延差；(3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求裸光纤的NA和最大时延差。解（1）NA=sqrt（n2^2-n1^2）≈n1*sqrt(2△)≈0.212（2）△гmax=n1*L/c*△=1.5*1000/(3*10^8)*0.01=50ns（3）若将光纤的包层和涂覆层去掉，则此时n1=1.5,n2=1.0,所以3NA=sqrt(n1^2-n2^2)=sqrt(1.5^2-1)=1.118△гmax=n1*L/c*(n1-n2)/n1=2.5us2-12一个阶跃折射率光纤，纤芯折射率n1=1.4258，包层折射率n2=1.4205，该光纤工作在1.31µm.55µm两个波段上。求该光纤为单樟光纤时的最大纤芯直径。解．由截止波长λ=2πa*sqrt(n1^2-n2^2)/2.405得λλc时单模传输，又已知条件得λc≤1.30um,则2a≤2.405/（π*sqrt（n1^2-n2^2））*1.3=2.405*1.3/（π*（1.4258^2-1.4205^2））=9.53um2-15光波从空气中以角度θ=33°投射到平板玻璃表面上，这里的θ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，光束另一部分被反射，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90°,请问玻璃折射率等于多少？这种玻璃的临界角又为多少？解如图所示的角度对应关系，得入射角θi=90°-33°=57°，折射角θf=33°，又斯涅耳定律得n1sinθi=n2sinθf所以，玻璃折射率n2=n1sinθ/sinθf=sin57°/sin33°=1.54这种玻璃的临界角θc=arcsin(1/n2)=arcsin(1/1.54)≈40.5°3-2某激光器采用GaAs为激活媒质，问其辐射的光波频率和波长各位多少？解GaAs禁带宽度为Eg=1.424eV，由hf＝Eg（h为普朗克常数，h=6.628X10^-34J·s)，可得以GaAs为激活媒质的激光器的辐射光波频率和波长分别为f=Eg/h=1.424*1.6*10^-19/6.628*10^-34=3.44*10^8MHzλ=c/f=hc/Eg=1.24/Eg=1.24/1.424=0.87μm3-3半导体激光器（LD）有哪些特性？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的主要应用场合时小容量（窄带）短距离通信系统，而LD主要应用于长距离大容量（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。3-7试说明APD和PIN在性能上的主要区别。答APD和PIN在性能上的主要区别有：(1)APD具有雪崩增益，灵敏度高，有利于延长系统传输。(2)APD的响应时间短。(3)APD的雪崩效应会产生过剩噪声，因此要适当控制雪(4)APD要求较高的工作电压和复杂的温度补偿电路，成本较高。3-11短波长LED又材料Ga1-x,ALxAs制成，其中x表示成分数，这样的材料的带隙能量Eg（eV）=1.424+1.266x+0.266x^2已知x必须满足0≤x≤0.37，求这样的LED能覆盖的波长范围。解由Eg（eV）=1.424+1.266x+0.266x^2，0≤x≤0.37得1.424≤Eg≤1.93由λ=1.24/Eg，得0.64um≤λ≤0.87um3-17一光电二极管，当λ=1.3um时，响应度为0.6A/W，计算它的量子效率。解由于响应度为ρ=Iρ/P0，则量子效率为η=Ip/P0*h*f/e=ρ*hc/(λe)=0.6*(6.628*10^-34*3*10^8)/(1.3*10^-6*1.6*10^-19)=57.4%4-2LD为什么能够产生码型效应？其危害及消除办法是什么？答半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲和愉人电流脉冲之间存在延迟时间，称4为光电延迟时间。当光电延迟时间与数字调制的码元持续时间T/2量级时，会使“0”码过后的第一个“l”码的脉冲宽度变窄，幅度减小．严重时可能使“1”码丢失，这种现象称为码型效应。码型效应的特点是在脉冲序列中，较长的连“0'’码后出现“1”码丢失，其脉冲明显变小而且连“0”码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显．码消除方法是用适当的“过调制”补偿方法．4-3在LD的驱动电路里，为什么要设置功率自动控制电路APC?功率自动控制实际是控制LD的哪几个参数？答在LD的驱动电路里，设置功率自动控制电路（APC）是为了调节LD的偏流，是输出光功率稳定。功率自动控制实际是控制LD的偏置电流、输出光功率、激光器背向光功率。4-4在LD的驱动电路里，为什么要设定温度自动控制电路？具体措施是什么？控制电路实际控制的是哪几个参数？答在LD的驱动电路里，设置自动温度控制电路是因为半导体光源的输出特性受温度影响很大，特别是长波长半导体激光器对温度更加敏感，为保证输出特性的稳定，对光器进行温度控制是十分必要的．温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成。致冷器的冷端和激光器的热端接触，热敏电阻作为传感