《光纤通信》课后习题及答案

1．光纤通信的优缺点各是什么？

答：优点有：带宽资源丰富，通信容量大；损耗低，中继距离长；无串音干扰，保密性好；适应能力强；体积小、重量轻、便于施工维护；原材料来源丰富，潜在价格低廉等。

缺点有：接口昂贵，强度差，不能传送电力，需要专门的工具、设备以及培训，未经受长时间的检验等。

2．光纤通信系统由哪几部分组成？各部分的功能是什么？

答：光纤通信系统由三部分组成：光发射机、光接收机和光纤链路。

光发射机由模拟或数字电接口、电压—电流驱动电路和光源组件组成。光源组件包括光源、光源—光纤耦合器和一段光纤（尾纤或光纤跳线）组成。

模拟或数字电接的作用是实现口阻抗匹配和信号电平匹配（限制输入信号的振幅）作用。光源是LED或LD，这两种二极管的光功率与驱动电流成正比。电压—电流驱动电路是输入电路与光源间的电接口，用来将输入信号的电压转换成电流以驱动光源。光源—光纤耦合器的作用是把光源发出的光耦合到光纤或光缆中。

光接收机由光检测器组件、放大电路和模拟或数字电接口组成。光检测器组件包括一段光纤（尾纤或光纤跳线）、光纤—光检波器耦合器、光检测器和电流—电压转换器。

光检测器将光信号转化为电流信号。常用的器件有PIN和APD。然后再通过电流—电压转换器，变成电压信号输出。模拟或数字电接口对输出电路其阻抗匹配和信号电平匹配作用。

光纤链路由光纤光缆、光纤连接器、光缆终端盒、光缆线路盒和中继

器等组成。

光纤光缆由石英或塑料光纤、金属包层和外套管组成。光缆线路盒：光缆生产厂家生产的光缆一般为2km一盘，因而，如果光发送与光接收之间的距离超多2km时，每隔2km将需要用光缆线路盒把光缆连接起来。光缆终端盒：主要用于将光缆从户外（或户内）引入到户内（或户外），将光缆中的光纤从光缆中分出来，一般放置在光设备机房内。光纤连接器：主要用于将光发送机（或光接收机）与光缆终端盒分出来的光纤连接起来，即连接光纤跳线与光缆中的光纤。

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 1.55μm的光载波上能传输多少路64kb/s的音频信道？

解：根据题意，求得在5GHz的微波载波下，数字通信系统的比特率为50Mb/s，则能传输781路64kb/s的音频信道。

根据题意，求得在 1.55μm的光载波下，数字通信系统的比特率为1.935Gb/s，则能传输30241935路64kb/s的音频信道。

4．SDH体制有什么优点？

答：（1）SDH传输系统在国际上有统一的帧结构，数字传输标准速率和标准的光路接口，使网管系统互通，因此有很好的横向兼容性，它能与现有的准同步数字体制（PDH）完全兼容，并容纳各种新的业务信号，形成了全球统一的数字传输体制标准，提高了网络的可靠性；

（2）SDH接入系统的不同等级的码流在帧结构净负荷区内的排列非常有规律，而净负荷与网络是同步的，它利用软件能将高速信号一次直接分插出低速支路信号，实现了一次复用的特性，克服了PDH准同步复用方

式对全部高速信号进行逐级分解然后再生复用的过程，由于大大简化了数字交叉连接（DXC），减少了背靠背的接口复用设备，改善了网络的业务传送透明性；

（3）由于采用了较先进的分插复用器（ADM）、数字交叉连接（DXC）、网络的自愈功能和重组功能就显得非常强大，具有较强的生存率。因SDH 帧结构中安排了信号的5％开销比特，它的网管功能显得特别强大，并能统一形成网络管理系统，为网络的自动化、智能化、信道的利用率以及降低网络的维管费和生存能力起到了积极作用；

（4）由于SDH有多种网络拓扑结构，它所组成的网络非常灵活，它能增强网监，运行管理和自动配置功能，优化了网络性能，同时也使网络运行灵活、安全、可靠，使网络的功能非常齐全和多样化；

（5）SDH有传输和交换的性能，它的系列设备的构成能通过功能块的自由组合，实现了不同层次和各种拓扑结构的网络，十分灵活；

（6）SDH并不专属于某种传输介质，它可用于双绞线、同轴电缆，但SDH用于传输高数据率则需用光纤。这一特点表明，SDH既适合用作干线通道，也可作支线通道。例如，我国的国家与省级有线电视干线网就是采用SDH，而且它也便于与光纤电缆混合网(HFC)相兼容；

（7）从OSI模型的观点来看，SDH属于其最底层的物理层，并未对其高层有严格的限制，便于在SDH上采用各种网络技术，支持ATM或IP 传输；

（8）SDH是严格同步的，从而保证了整个网络稳定可靠，误码少，且便于复用和调整；

（9）标准的开放型光接口可以在基本光缆段上实现横向兼容，降低了

联网成本。

5．简述未来光网络的发展趋势及关键技术。

答：全光网络将成为继纯电缆网络、光电耦合网络后的第三代网络。全光网络是指信号只是在进出网络时才进行电/光和光/电的变换，而在网络中传输和交换的过程中始终以光的形式存在，因此在整个传输过程中没有电的处理。

全光网络的关键技术主要有光放大中继技术、光复用技术、光交换技术、光分插复用技术等。

6．简述WDM的概念。

答：波分复用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，一起注入到同一根光纤中进行传输。

7．解释光纤通信为何越来越多地采用WDM+EDFA方式。

答：采用WDM技术的原因是和它的优点分不开的，它有如下优点：（1）充分利用了光纤的巨大带宽资源；

（2）同时传输多种不同类型的信号；

（3）实现单根光纤双向传输；

（4）多种应用形式；

（5）节约线路投资；

（6）降低器件的超高速要求。

采用EDFA技术的原因是和它的优点分不开的，它有如下优点：

（1）中继器的价格下降了；

（2）对传送的数据速率和调制格式透明，这样系统只需改变链路的终端设备就很容易升级到高的速率；

（3）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；

（4）提供了系统扩容的新途径， 无需增加光纤和工作的速率， 只需通过增加波长就可提高系统的容量；

（5）最关键的是系统的成本下降了。

8．全光网络的优点是什么？

答：能充分利用光纤的带宽资源，故容量大，传输质量好，开放性，易于实现网络的动态结构，可扩展性，结构简单，透明性，可靠性高，可维护性好。

1．光波从空气中以角度1θ=33°投射到平板玻璃表面上，这里的1θ是入射

光与玻璃表面之间的夹角。根据投射到玻璃表面的角度，光束一部分被反射，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°，请问玻璃的折射率等于多少？这种玻璃的临界角又是多少？

解：入射光与玻璃表面之间的夹角1θ=33°，则入射角57i θ=°，反射角57r θ=°。由于折射光束和反射光束之间的夹角正好为90°，所以折射角33y θ=°。

由折射定律sin sin i i y y n n θθ=，得到

sin /sin sin67/sin33y i y n θθ==（自己用matlab 算出来）

其中利用了空气折射率1i n =。这种玻璃的临界角为

1

arcsin c y n θ=（自己用matlab 算出来）

2．计算1 1.48n =及2 1.46n =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 1.00n =，则允许的最大入射角max θ为多少？

解：阶跃光纤的数值孔径为

22max 12sin 0.24NA n n θ==-≈

允许的最大入射角

()max arcsin 0.24θ=自己用matlab 算出来

3．弱导阶跃光纤纤芯和包层折射率分别为1 1.5n =，2 1.45n =，试计算

（1）纤芯和包层的相对折射率?；

（2）光纤的数值孔径NA 。

解：阶跃光纤纤芯和包层的相对折射率差为

22122

10.032n n n -?=≈ 光纤的数值孔径为

22120.38NA n n =-≈

4．已知阶跃光纤纤芯的折射率为1 1.5n =，相对折射（指数）差0.01?=，纤芯半径25a m μ=，若01m λμ=，计算光纤的归一化频率V 及其中传播的模数量M 。

解：光纤的归一化频率

221210022233.3V a n n a n π

πλλ=-=??=

光纤中传播的模数量

2

5542

V M ≈= 5．一根数值孔径为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：

（1）其纤芯直径为多少？

（2）在1310nm 波长上可以支持多少个模？

（3）在1550nm 波长上可以支持多少个模?

解：（1）由221121122V a n n a NA ππλλ=-=?，得到纤芯直径为

111120.85200030.272220.20

M V a NA NA λλπππ=?=?=≈ （2）当2 1.31m λμ=，有

12122222M M NA NA λλππ?=?

得到模的个数为

()()2

21212220.8510004211.31M M λλ==?= （3）当2 1.55m λμ=，得到模的个数为

()()2

21312220.8510003541.55M M λλ==?= 6．用纤芯折射率为1 1.5n =，长度未知的弱导光纤传输脉冲重复频率08f MHz =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：信号的周期为

01/T f =

信号在纤芯中传输的速度为

1/v c n =

由于信号延迟半个脉冲周期，则光纤的长度L 为

86

101310112.522 1.52810T c L v m n f ?=?=?==?? 7．有阶跃型光纤，若1 1.5n =，0 1.31m λμ=，那么

（1）若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5a m μ=，保证单模传输时，?应怎么选择？ 解：（1）由归一化频率221210

0222V a n n a n ππλλ=-=??得到

0122V

a n λπ=?

为了保证光纤中只能存在一个模式，则要求 2.405V <，则要求光纤纤芯半径

012.405 1.31 2.4050.47222 1.520.25

a m n λμππ<=≈??? （2）若取芯径5a m μ=，保证单模传输时，则

22

001111 2.4050.0022222V n a n a λλππ?????=<≈ ? ????? 8．渐变光纤的折射指数分布为

()()1/2012r n r n a α????=-??? ???????

求光纤的本地数值孔径。

解：渐变光纤纤芯中某一点的数值孔径为

()()()()222

201r NA r n r n a n a α????=-=?-?? ??????? 9．某光纤在1300nm 处的损耗为0.6/dB km ，在1550nm 波长处的损耗为0.3/dB km 。假设下面两种光信号同时进入光纤：1300nm 波长的150W μ的光信号和1550nm 波长的100W μ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 μ为单位。

解：对于1300nm 波长的光信号，在8km 和20km 处的功率各是

/100.4810

15010L o i P P W αμ--==?， 1.215010W μ-? 对于1550nm 波长的光信号，在8km 和20km 处的功率各是

/100.2410

10010L o i P P W αμ--==?，0.610010W μ-? 10．一段12km 长的光纤线路，其损耗为1.5/dB km 。试回答：

（1）如果在接收端保持0.3W μ的接收光功率，则发送端的功率至少为多少？

（2）如果光纤的损耗变为2.5/dB km ，则所需的输入光功率为多少？ 解：（1）根据损耗系数定义

10lg i o P L P α=

得到发送端的功率至少为

/10 1.8100.310L o i P P W αμ--==?

（2）如果光纤的损耗变为2.5/dB km ，则所需的输入光功率为

/10310

0.310L o i P P W αμ--==? 11．有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1 1.49n =，相对折射率差0.01?=。

（1）求接收端最快和最慢的模式之间的时延差；

（2）求由模式色散导致的均方根脉冲展宽；

（3）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：（1）纤芯和包层的相对折射率差?为

22122

10.012n n n -?== 则得到

2 1.475n =

接收端最快和最慢的模式之间的时延差

23

1825100.010.113310 1.475

Ln s cn δτμ?=?=?=?? （2）模式色散导致的均方根脉冲展宽实际上就等于最快和最慢的模式之间的时延差

212

0.113Ln T s cn δμ=?≈