课后习题光纤通信.pdf

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1、第一章习题1-1什么是光纤通信？FI前使用的通信光纤大多数采用基础材料为SiO2的光纤，它是工作在电磁波的哪个区?波长范围是多少?对应的频率范围是多少？光纤通信是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为SiO2的光纤。它是工作在近红外区，波长为0.8 1.8 u m,对应的频率为167 375THz。1-4光纤通信的主要优点是什么？光纤通信之所以受到人们的极大重视，是因为和其他通信手段相比，具有无以伦比的优越性。(1)通信容量大(2)中继距离远(3)抗电磁干扰能力强，无串话(4)光纤细，光缆轻(5)资源丰富，节约有色金属和能源。光纤还具有均衡容易、抗腐蚀、不怕

2、潮湿的优点。因而经济效益非常显著。第二章习题2-6光从空气中入射到玻璃会发生光的反射和折射，已知玻璃的折射率n=1.48,空气的折射率近似为1,试求反射光为线偏振光时所对应的入射角。n解：由布儒斯特定律tani=二=2 1可得i0=tan-1 =55.95o2-7有一介质，吸收系数为a=0.3 2 cm T,透射光强分别为入射光强的10%,50%及80%时，介质的厚度各多少？解：光束穿过厚度为z的介质后强度为-az01可得:z =-I n a Io当透射光强分别为入射光强的1 0%时，介质的厚度为7.1 9 6 c m；当透射光强分别为入射光强的5 0%时，介质的厚度为2.1 6 6 c m；

3、当透射光强分别为入射光强的1 0%时，介质的厚度为0.6 0 7 c m；2-8构成激光器的三个基本条件是什么？构成一个激光器需要如下三个要素如图所示：二 光学请振腔 相二|二介质三匚 二全反射镜“部分反射镜激励源(1)激光工作物质(2)激励(3)光学谐振腔第三章习题3-1填空题(1)通信用的光纤绝大多数用 材料制成。折射率高的中心部分叫，折 射 率 稍 低 的 外 层 称 为.(2)表 示 光 纤 捕 捉 光 射 线 能 力 的 物 理 量 被 定 义 为,用 表示.(3)在阶跃型光纤中，模是最低工作模式，是第一高阶模。(4)阶跃型光纤的单模传输条件是 o渐变型光纤中不同射线具有相同轴向速度

4、的现象称为o答案：(1)石英，纤芯，包层(2)数值孔径，N A(3)L P o i，L Pn(4)0 V2,405(5)光纤的日聚焦现象3-2 试分析阶跃型光纤和渐变型光纤的导光原理。阶跃折射率光纤的导光原理比较简单，如图3-1-3所示。图3-1-3阶跃折射率光纤的导光原理按照光的全反射理论，如果光线满足。大于临界角由式（3-1-3）确定的。c，将会在纤芯与包层界面上发生全反射，当全反射的光线再次入射到纤芯与包层的分界面时，又会再次发生全反射而返回纤芯中传输形成导波。采用渐变型折射率光纤的目的是为了降低模间色散，其导光原理如图3-1-4所示。图中给出了梯度折射率光纤中三条不同路径的光线沿光纤传

5、播的情况，与轴线夹角大的光线经过的路径要长一些，然而它的折射率的较小，光线速度沿轴向的传播速度较大；而沿着轴线传播的光线尽管路径最短，但传播速度却最慢。这样如果选择合适的折射率分布就有可能使所有光线同时到达光纤输出端。这样人们很容易理解为什么采用梯度折射率光纤可以降低模间色散。图3-1-4渐变型折射率光纤的导光原理3-3阶跃型光纤纤芯折射率由=1.48,包层折射率n 2=1.46,试计算光纤的数值孔径？解：由 NA-%J2A 得NA=V1.482-1.462=0.243-4什么是光纤的归化频率?写出表达式。光纤的归一化频率V是由U和W得出的个重要参数，由光纤的结构和波长决定。V-ko、a 0

6、K3-5阶跃型光纤纤芯折射率m=1.4 8,包层折射率n 2=1.46,在工作波长为1.31 Um条件下,要保证单模传输，纤芯半径应如何选择。由 V=knnia42A 可知a=2.405x1.312叫 V2A 2兀、；-雨 2x3.14x71.482-1.4622.09/2772纤芯半径应小于2.09 p m3-8 对于N A=0.275,m=1.487的多模阶跃型光纤，一个光脉冲传输了 8 k m,求光脉冲展宽了多少？解：如Ln._ L (NA)2-=-c c 2n18X103 X0.27523xlOsx2xl.487=678.08m3-9 对于N|=1.487,A =1.71%的多模渐变型

7、光纤，一个光脉冲传输了 2 k m,求光脉冲展宽了多少？ALNN 2X103 X1.487X(1.71%)2解：A rr/=!-=-T-=0.367258c 8x3x108第四章习题4-1 填空题(1)根据半导体的能带理论，能 够 被 电 子 占 据 的 能 带 为、,不能被子占据的状态为.(2)在半导体材料中掺杂其他原子，如果在半导体材料中掺杂负电荷的载体以产生大量的电子，这种半导体称为 型半导体；掺杂的是正电荷的载体以产生大量的空穴，则称为型半导体。(3)对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时输出的光为,这个电流称为 电流。(4)半导体材料只有波长为入V

8、A c 的光入射时，才能使材料产生光子，所以入C称为波长(5)由于双异质结激光器在有源区两侧，既限制了，又限制了,故它的光强分布基本被约束在有源区，而且阈值电流大大降低答案：(1)价带(2)N导 带 禁 带P(3)激 光 阈 值(4)截止(5)光 波 载 流 子4-2 L E D 的光谱有什么特点，可以用于何种光纤系统？发光二级管又称L E D,广泛应用在各类电子设备中，也是光纤通信中经常使用的光源。它的优点在于较小的尺寸和较长的使用寿命。但它也具有发光亮度低，光谱宽等缺陷，故发光二极管(LE D)通常使用在低速、短距离光通信系统。4-4 光纤通信对半导体激光器有哪些主要要求？半导体激光器(L

9、 D)是光纤通信最主要的光源，非常适合于高码速率长距离的光纤通信系统的基本要求有以下几点：(1)光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，即发光波长为O.85U m、1.31*m 或 1.55 um。(2)光源的谱线宽度较窄，X=0.11.0nmo(3)能提供足够的输出功率，可达到10mW以上。(4)与光纤耦合效率高，30%50%。(5)能长时间连续工作，工作稳定，提供足够的输出光功率。4-1 0 光源的外部调制是如何实现的？光源的间接调制通常称为光源的外部调制，它是由恒定光源输出激光后，外加光调制器对光进行调制来实现的。目前可以使用的外部调制方式有电光调制、声光调制和磁光调制。电光调制最容易实现，在

10、光纤通信系统广泛使用。0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5时间/ns当电子密度增加到阈值时，激光器开始发射，但光子密度的增加也有一定的过程，只要光子密度还没有达到它的稳态值，电子密度将继续增加。光子密度迅速上升同时使电子密度开始下降，持续一段时间，使电子密度继续下降到n.h之下，从而引起光子密度也开始迅速下降。当电子密度下降到最低点时，发射可能停止或减弱，于是重新开始上述过程。4-1 2 对光发送机的主要要求有哪些？(1)有合适的输出光功率(2)良好的消光比(3)调制特性要好4-1 3 直接调制的光发送机较为简单，所以目前使用的光发送机大多数是直接调制的光发送机，试画出它的结构框图。直接

11、调制的光发送机较为简单，所以目前使用的光发射机大多数是直接调制的光发送机，它的原理如图4-5-1所示。图4-5-1直接调制的光发送机组成框图第五章习题5-1 填空题（1）光纤通信用光检测器是利用半导体材料的 原理制成的。（2）PIN光电二极管，是在P型材料和N 型材料之间加上一层（3）在光接收机中，与 光 电 检 测 器 相 连 的 放 大 器 称 为,偎 的放大器。（4）信号电平超过判决门限电平，则判为 码。低于判决门限电平，则判为 码。（5）工程上光接收机的灵敏度常用单位是。答案：（1）光电效应；（2）I 层（本征耗尽层）；（3）前 置 放 大 器 低 噪 声、高增益；“I”“0”（5）d

12、Bm5-8 某光接收机接收的光功率为0.1 U W,光波长为1.31 U m,求所对应的每秒钟接收的光子数。解：看 哈=施 爵 而 於5-10 数字光纤接收端机，在保证给定误码率指标条件下，最大允许输入光功率为O.lmW,灵敏度为0.1 U W,求其动态范围。解：D O.lxlO-3.mPm ax=101g p =TUdBm%,x=101g0.1X10-6-40dBm所以动态范围D为 30dB第七章习题7-1 P D H 的主要有哪些缺点，试画图说明P D H 是如何实现从低次群信号复接成高次群信号,又是如何实现从高次群信号到低次群信号的分接的？P D H 的主要缺点有：(1)P D H 有两

13、大体系种系列，即以2.0 4 8 M b/s 为基群及以1.5 4 4 M b/s 为基群的体系，相互间难以互通和兼容。(2)由于没有统一规范的光接口，不同厂家的设备在光路上不能互通，必须转换成标准电接口才能互通，限制了联网应用。(3)P D H 高次群信号中的低次群信号位置没有指示，因此要从中取出/插入一个低次群信号(俗称上/下电路)很不方便，必须逐级分接、复接才能实现，需要设备多，上下业务费用高，如图7-1-1 所示。140/34/Mb/s34/8 Mb/s34/140 Mb/s8/34 Mb/s 一Mb/s 2/8 Mb/s光信号解复用PDH 2Mb/s电信号解复用复用光/电图7-1-1

14、 PDH和SDH中分插信号流图的比较(4)P DH 各等级的帧结构中预留的插入比特(开销)很少，网络结构缺乏灵活性，同时P DH主要是为话音业务设计，使网络无法适应不断演变的管理要求，更难以支持新一代的网络。为此，CCI T T 根据世界各国间通信联网的需要，制定了同步数字系列S DH (S y n c h ro n o u sDi g i ta l H i e ra rc h y)的建议。使之成为不仅适合光纤通信，也适合微波和卫星通信的数字体系。从而揭开了现代信息传输崭新的一页，得到了空前的应用和发展。7-2试说明S DH 网具有哪些主要特点？S DH 网具有同步复用、标准光接口和强大的网络

15、管理能力。有如下主要特点：(1)使 2 4路制和30 路制两种P DH 数字系列在S T M-1 等级上实现了统一，使之成为数字传输体制上.的世界标准；(2)由于采用了同步复用和映射方法，各种不同等级的码流在帧结构净负荷内的排列是有规律的，而净负荷与网络同步。因此可以方便地从高速信号中一次分出低速支路信号，省去 P DH 中全套背靠背的数字复用/去复用设备，及相应的多次码速调整与变换，这不仅使上下业务变得非常容易，而且便于业务的管理及改善网络的业务透明性；(3)在帧结构中安排了丰富的开销比特，因而使网络的运行、管理和维护(0 AM)能力大大加强，而且便于将部分网络管理能力分配到网络单元，实现分

16、布式管理以及实现高可靠性的自愈环网结构；(4)确定了世界统一的光纤网络接口，可以在光路上实现横向兼容，便于网络的组织和调度，使网络投资成本节约10%20%以上；(5)SDH网具有信息净负荷和定时的透明性。所谓信息净负荷的透明性指的是网络可以传送各种净负荷及其它们的组合，而与信息的具体结构无关；(6)SDH网具有后向和前向兼容性。它与传统的PDH网完全兼容。另外它还能容纳新的业务信号，如 B-ISDN中的ATM信元、高速局域网的光纤分布式数据接口(FDDI)信号和分布排队双总线(DQDB)信号等。7-5 计算STM-16每帧中，信息净负荷区域的字节数和比特数。STM-16的字节数为9X261X16STM-16 的比特数为 9X261X16X87-6 试画出我国目前采用的复用映射结构图。并 回 答 一 个 是 STM-1能够提供多少个2.048Mb/s的接口，多少个34.368Mb/s的接口和多少个139.264Mb/s的接口？一 个 是 STM-1能够提供6 3 个 2.048Mb/s的接口，3 个 34.368Mb/s的 接口 和1 个139.264Mb/s 的接 口。7-8 画出在SD H 网络中，线形、星形、树形、环形或网孔形网络的结构示意图。在 SDH网络中，通常采用点对点线形、星形、树形、环形或网孔形网络结构，如图7-5-3所示。图7-5-3 SDH网络的基本拓扑类型