《光纤通信》原荣 第三版 第9章 复习思考题参考答案
《光纤通信课后习题答案.
习题一1．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。
光纤通信原理参考答案
光纤通信原理参考答案第一章习题1-1 什么是光纤通信?光纤通信是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。
1-2 光纤通信工作在什么区，其波长和频率是什么?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0.8～1.8μm，对应的频率为167～375THz。
1-3 BL积中B和L分别是什么含义?系统的通信容量用BL积表示，其含义是比特率—距离积表示，B为比特率，L为中继间距。
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。
主要有：(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、不怕潮湿的优点。
因而经济效益非常显著。
1-5 试画出光纤通信系统组成的方框图。
一个光纤通信系统通常由电发射机、光发射机、光接收机、电接收机和由光纤构成的光缆等组成。
1-5 试叙述光纤通信的现状和发展趋势。
略第二章习题2-1 有一频率为Hz 13103⨯的脉冲强激光束，它携带总能量W=100J ，持续 时间是τ=10ns(1ns=10-9s)。
此激光束的圆形截面半径为r=1cm 。
求：(1) 激光波长； (2) 平均能流密度； (3) 平均能量密度； (4) 辐射强度；（1）m c513810103103-=⨯⨯==νλ （2）213229/1018.3)10(1010100ms J S W S ⨯=⨯⨯⨯=∆=--πτ （3）s m J c S w 25813/1006.11031018.3⨯=⨯⨯== （4）213/1018.3ms J S I ⨯==2-2 以单色光照射到相距为0.2mm 的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为1m 。
（1） 从第一级明纹到同侧旁第四级明纹间的距离为7.5mm ，求单色光的波长； （2） 若入射光的波长为6×10-7m ，求相邻两明纹间的距离。
(整理)光纤通信思考题答案
1-1 用光导纤维进行通信最早在哪一年由谁提出答：1966年7月英籍华人高锟提出用光导纤维可进行通信。
1-2 光纤通信有哪些优点光纤通信具有许多独特的优点，他们是：1. 频带宽、传输容量大；2. 损耗小、中继距离长；3. 重量轻、体积小；4. 抗电磁干扰性能好；5. 泄漏小、保密性好；6．节约金属材料，有利于资源合理使用。
第2章 复习思考题参考答案2-1 用光线光学方法简述多模光纤导光原理答：现以渐变多模光纤为例，说明多模光纤传光的原理。
我们可把这种光纤看做由折射率恒定不变的许多同轴圆柱薄层n a 、n b 和n c 等组成，如图2.1.2（a ）所示，而且 >>>c b a n n n 。
使光线1的入射角θA 正好等于折射率为n a 的a 层和折射率为n b 的b 层的交界面A 点发生全反射时临界角()a b c arcsin )ab (n n =θ，然后到达光纤轴线上的O'点。
而光线2的入射角θB 却小于在a 层和b 层交界面B 点处的临界角θc (ab)，因此不能发生全反射，而光线2以折射角θB ' 折射进入b 层。
如果n b 适当且小于n a ，光线2就可以到达b 和c 界面的B'点，它正好在A 点的上方（OO'线的中点）。
假如选择n c 适当且比n b 小，使光线2在B '发生全反射，即θB ' >θC (bc) = arcsin(n c /n b )。
于是通过适当地选择n a 、n b 和n c ，就可以确保光线1和2通过O'。
那么，它们是否同时到达O'呢？由于n a >n b ，所以光线2在b 层要比光线1在a 层传输得快，尽管它传输得路经比较长，也能够赶上光线1，所以几乎同时到达O'点。
这种渐变多模光纤的传光原理，相当于在这种波导中有许多按一定的规律排列着的自聚焦透镜，把光线局限在波导中传输，如图2.1.1（b ）所示。
光纤通信课后答案
全书习题参考答案第1章概述1.1 填空题（1）光导纤维（2）掺铒光纤放大器(EDFA) 波分复用(WDM) 非零色散光纤(NIDSF) 光电集成(OEIC)（3）0.85µm 1.31µm 1.55µm 近红外（4）光发送机 光接收机 光纤链路（5）光纤 C=BW×log2(1+SNR) 信道带宽（6）大 大（7）带宽利用系数（8）可重构性可扩展性透明性兼容性完整性生存性1.2 解：利用光导纤维传输光波信号的通信方式称为光纤通信。
即以光波为载频，以光纤为传输介质的通信方式称为光纤通信。
1.3 解：（1）传输频带宽，通信容量大（2）传输距离长（3）抗电磁干扰能力强，无串音（4）抗腐蚀、耐酸碱（5）重量轻，安全，易敷设（6）保密性强(7) 原料资源丰富1.4 解：在光纤通信系统中，最基本的三个组成部分是光发送机、光接收机和光纤链路。
光发送机由电接口、驱动电路和光源组件组成。
其作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。
光接收机是由光检测器组件、放大电路和电接口组成。
其作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。
光纤链路由光纤光缆、光纤光缆线路(接续)盒、光缆终端盒、光纤连接器和中继器等构成。
光纤光缆用于传输光波信息。
中继器主要用于补偿信号由于长距离传送所损失的能量。
光缆线路盒：将光缆连接起来。
光缆终端盒：将光缆从户外引入到室内，将光缆中的光纤从光缆中分出来。
光纤连接器：连接光纤跳线与光缆中的光纤。
1.5解：“掺铒光纤放大器(EDFA)+波分复用(WDM)+非零色散光纤(NIDSF)+光电集成(OEIC)”正成为国际上光纤通信的主要发展方向。
1.6 解：第一阶段（1966~1976年），实现了短波长（0.85µm）、低速（45或34 Mb/s）多模光纤通信系统，无中继传输距离约10km。
第二阶段（1976~1986年），光纤以多模发展到单模，工作波长以短波（0.85um）发展到长波长，实现了波长为1.31µm、传输速率为140~165Mb/s的单模光纤通信系统，无中继传输距离为50~100km。
光纤通信简明教程原荣课后思考题
光纤优点：1、频带宽、传输容量大2、损耗小，中继距离长3、重量轻、体积小4、抗电磁干扰性能好5泄露小、保密性好6、节约金属材料光纤系统结构分为：点对点、一点对多点、网络拓扑结构光通网分：LAN MAN WAN光的本质？为什么相位差是（2πΔZ）/λ？光的本质是一种电磁波。
光波沿Z方向传播的数字表达Ex =E0COS(wt-kz+φ0 )，对于每一个wt是相同的，故被ΔZ分开的两点间的相位差Δφ可用kΔz简单表示，因为对于没一点wt是相同的。
假如相位差是0或2π的整数倍，则两个点是同相位，于是相位差Δφ=kΔz。
光纤结构：光纤是由Si02制成的纤芯和包层组成，为了保护光纤外面还增加尼龙外层。
包层的作用：把光纤限制在纤芯内。
尼龙外层：增强光纤的肉人心、机械强度和耐老话特性。
折射率的径向分布，光纤分为：阶跃光纤（SI）渐变光纤（GI）实用光纤分为：多模光纤(MM)、单模光纤（SM）常用单模光纤：标准单模光纤、色散单模光纤、非零色散移位光纤光纤传光原理：基于光的折射反射、描述光纤特性参数有：衰减、色散、带宽模式色散的产生:在多模光纤中，不同模式的光信号在光纤中传输的群速度不同，引起到达光纤末端的时间延迟不同经光探测后各模式混合使输出光生电流脉冲相对于输入脉冲展宽光连接器把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间可拆卸连接的器件，对这种器件的基本要求是使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合进接收光纤。
跳线用于终端设备和光缆线路及各种光无源器件之间的互连，以构成光纤传输系统光耦合器的功能把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出。
T形、星形、方向、波分。
光滤波器是从包含多个波长的输入光信号中提取出所需要波长的信号。
波分复用器把多个不同波长的发射机输出的光信号复合在一起，并注入一根光纤。
解复用器把一根光纤输出的多个波长的复合光信号，用解复用器还原成单个不同波长信号，并分配给不同的接收机。
光开关接通或断开光信号，转换光路，实现光信号的交换。
光纤通信第三版习题答案
光纤通信第三版习题答案光纤通信第三版习题答案光纤通信是一种高速传输信息的技术，它利用光信号在光纤中传输数据。
光纤通信的发展已经进入到第三版，为了帮助读者更好地理解和掌握相关知识，本文将提供一些光纤通信第三版习题的答案。
第一章：光纤通信基础知识1. 什么是光纤通信？光纤通信是利用光纤作为传输介质，将信息以光信号的形式传输的一种通信方式。
2. 光纤通信的优点有哪些？光纤通信具有大带宽、低损耗、抗干扰能力强等优点。
3. 光纤通信的基本组成部分有哪些？光纤通信的基本组成部分包括光源、调制器、光纤、解调器和接收器等。
4. 光纤通信的工作原理是什么？光纤通信的工作原理是利用光的全反射特性将光信号在光纤中传输，通过调制器和解调器的处理，将光信号转换为电信号进行传输和接收。
第二章：光纤通信系统设计1. 光纤通信系统的设计包括哪些方面？光纤通信系统的设计包括光源的选择、光纤的布线和连接、调制器和解调器的设计等方面。
2. 光纤通信系统中如何选择合适的光源？选择合适的光源需要考虑光源的功率、频率范围和调制方式等因素。
3. 光纤通信系统中如何设计光纤的布线和连接？光纤的布线和连接需要考虑光纤的长度、弯曲半径和连接方式等因素，以保证光信号的传输质量。
4. 光纤通信系统中如何设计调制器和解调器？调制器和解调器的设计需要考虑调制方式、解调方式和信号处理的算法等因素，以实现光信号的调制和解调。
第三章：光纤通信的性能评估1. 光纤通信系统的性能评估指标有哪些？光纤通信系统的性能评估指标包括传输速率、误码率、信噪比和带宽等。
2. 如何评估光纤通信系统的传输速率？光纤通信系统的传输速率可以通过测量单位时间内传输的比特数来评估。
3. 如何评估光纤通信系统的误码率？光纤通信系统的误码率可以通过发送和接收的比特数之间的差异来评估。
4. 如何评估光纤通信系统的信噪比？光纤通信系统的信噪比可以通过测量信号和噪声的功率之间的比值来评估。
第四章：光纤通信的应用1. 光纤通信在哪些领域得到了广泛应用？光纤通信在通信、互联网、电视传输和医疗等领域得到了广泛应用。
9第9章光电检测器解析
• 光生的电子空穴对经过高电场区时被加速。从而获得高于带隙 的能量，它们在高速运动中与 P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中 的原子电离，将束缚价电子激发为自由电子，从而产生新的电子 空穴对。这种通过碰撞电离产生的电子空穴对，称为二次电子 空穴对。 • 新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能 碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加， 18 反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。
1 结构
• 雪崩光电二极管（APD）是利用雪崩倍增效应使 光电流得到倍增的高灵敏度探测器。 • APD的结构设计，使它能承受高的反向偏压，从 而在 PN 结内部形成一个高电场区。 • APD能提供内部增益 • 工作速度高 已广泛应用于光通信系统中
17
+
Vr Ip P+ 电 极 RL Vout E 晶 格 h+ e-
24
9.5.4 线性度
1）定义 描述探测器的光电特性或光照特性曲线中输出信号 与输入信号保持线性关系的程度。即在规定的范围 内，探测器的输出电量精确地正比于输入光量的性 能。 2）线性区 •在规定的范围内，若探测器的响应度是常数，这 一规定的范围称为线性区。 •光电探测器线性区的大小与探测器后的电子线路 有很大关系。线性区的下限一般由器件的暗电流和 噪声因素决定，上限由饱和效应或过载决定。 •光电探测器的线性区还随偏置、辐射调制及调制 频率等条件的变化而变化。
A P D 工 作 原 理
电极
SiO2 N+
h+ eE 耗尽区
(a) 雪 崩 光 电 二 入 射 光 极 管 （ APD hv > Eg ）的结构
P
E (x) (b) 各 区 电 场 分 布 , 雪 崩 发 生 在 P区 ， 吸收发生在 区
《光纤通信》课后习题答案
《光纤通信》课后习题答案习题二1．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1arcsinc yn 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max sin 0.24NA 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2212210.032n n n -?=≈光纤的数值孔径为0.38NA =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002233.3V a n ππλλ==?=光纤中传播的模数量25542V 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。
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原荣 编著 《光纤通信（第3版）》
1
第9章 复习思考题
参考答案
9-1 解释为什么用色散补偿光纤（DCF ）补偿普通单模光纤的色散
答：在具有正色散值的标准单模光纤之后接入一段在该波长下具有负色散特性的色散补偿光纤，就可以对普通单模光纤进行色散补偿，如图9.5.1所示。
其色散补偿的原理可以这样理解，在这两段光纤串接的情况下，输出脉冲包络的幅度变成
()()22112221i ,0,exp ()i d 22A L t A L L t ωωββωω∞-∞⎛⎫=+- ⎪π⎝⎭
⎰ （9.5.1） 式中，21L L L +=，j 2β是长j L （2 ,1=j ）光纤段的GVD 参数。
此时色散补偿条件为0222121=+L L ββ，因为()j j c D 22/π2βλ-=，所以色散补偿条件变为
02211=+L D L D （9.5.2）
满足式（7.7.4）时，()()t A t L A ,0,=，光纤输出脉冲形状被恢复到它输入的形状。
色散补偿光纤的长度应满足 ()1212L D D L -= （9.5.3）
从实用考虑，2L 应该尽可能短，所以它的色散值2D 应尽可能大。
图9.5.1 用负色散的色散补偿光纤对正色散标准单模光纤的色散进行补偿
9-2 解释用马赫-曾德尔干涉滤波器补偿光纤色散的原理
答：从3.3节已经知道，马赫-曾德尔干涉滤波器的原理是基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。
由于两臂的长度差为L ∆，所以经两臂传输后的光，就产生相位差()c n L f ∆=∆π2φ，式中n 是波导折射率。
用平面硅波导已制成用多个马赫-曾德尔干涉器级联的光纤色散补偿器，图9.6.2表示它的原理图，该器件由12个臂长不等的耦合器串联组成，尺寸为2mm 7152⨯，损耗为8 dB 。
在一个臂上镀鉻，以便通过加热改变臂长从而控制光程相位差。
该器件的优点是可以通过臂长和 M-Z 干涉器的数量来控制色散均衡特性。
第9章 复习思考题参考答案
2
马赫-曾德尔干涉滤波器的工作原理可以这样理解，将器件设计成经较长路经传输的高频分量在输出端满足相长条件，而低频分量则满足相消条件；相反，经较短路经传输的低频分量在输出端满足相长条件，而高频分量则满足相消条件。
所以高频分量在较长路经传输，低频分量在较短路经传输。
结果是高频分量比低频分量经历了更多的延迟。
从2.3.2节色度色散讨论中知道，这种器件引入的相对延迟正好和光纤引入的相反，起到补偿光纤色散的作用。
L
1∆
L 1∆L ∆2+L 2
∆L 1∆L ∆2+...高频成分输出
输入
图9.6.2 由多个M-Z 干涉器组成的硅平面波导色散补偿器件原理图
但是干涉滤波器插入损耗大和带宽窄，所以至今还没有在实际系统中应用。
9-3 解释
用啁啾光纤光栅补偿普通单模光纤色散的原理
答：色度色散补偿的机理可以理解为，节距线性变化（Chirp ）的光纤光栅在光栅的每一点都可视为一个布拉格滤波器，对特定波长的光信号反射回去，而对其他波长的光信号允许通过。
若使光栅节距大的一端在前，随着长度的增加，光栅间距n Λ也减小，所以提供正常GVD ，此时02>β，正好与在1 550 nm 处反常色散区普通单模光纤的2β相反。
因此，低频分量在这样放置的光栅前端反射，而高频分量在光栅末端反射，高频分量比低频分量多走了2 L g 距离（L g 为光栅长度），经过光栅传输以后，滞后的低频分量便会赶上高频分量，从而起到色散补偿的作用，如图9.6.8所示。
高频分量比低频分量多走了2 L g 距离，传输慢的低频分量就赶上了传输快的高频分量，使脉冲宽度变窄
图9.6.8 啁啾光纤光栅进行色散补偿的原理说明
9-4 简述电子色散补偿（EDC ）的工作原理
答：在接收机内可以使用电子技术对群速度色散（GVD ）进行补偿。
其原理是：尽管GVD 使输入光信号展宽，如果认为光纤是一个线性系统，我们就可以用电子方法来均衡色散的影响。
对于相干检测接收系统，这种色散补偿方法是很容易实现的，因为相干接收机首先把光频转换为保留了信息幅度和相位的微波中频IF ω信号。
微波带通滤波器的冲击响应为
原荣编著《光纤通信（第3版）》
3
()()2
IF2
exp i2
H L
ωωωβ
⎡⎤
=--
⎣⎦
（9.3.1）
式中，L是光纤长度。
用几十厘米长的微带线就可以对色散补偿。
但是，在直接检测接收机中，就不能用线性电子电路补偿GVD，因为光电探测器只对光的强度响应，所有的相位信息在这里都丢失了。
我们必须用非线性均衡方法，其实现结构有多种，比较典型的有：前馈均衡器（FFE）、判决反馈均衡器（DFE）、固定延迟树查询（FDTS）和最大似然序列估计法（MLSE）。
9-5 为什么需要对40 Gb/s及其以上速率的WDM系统进行动态色散管理
答：在40 Gb/s及其以上速率的WDM光纤系统中，动态色散补偿技术正变得极为重要。
在这样高的比特速率下，系统允许色散的变化量已变得很小，通常在低速系统中可以忽略的值，此时却严重地影响着系统的性能。
例如，在40 Gb/s的系统中，需要将色散精确地控制在50 ps/nm以内，在比特速率为160 Gb/s时，要求更小，只有5 ps/nm，这种很窄的容限对工程应用来说是一个巨大的挑战，因为需要精确地控制色散补偿光纤的长度，来补偿传输光纤的色散。
在这种系统中，由于以下的一些因素，在接收端为保持最佳的系统性能要求的色散补偿量可能随时在变化。
首先，传输条件可能因周围环境温度的变化而变化。
其次，EDFA增益不平坦引起的光功率的微小变化，可引起附加的非线性相位变化，足以使系统的最佳色散图变化。
最后，网络的动态重构（如信道的起点不断地在改变）可使总的色散和非线性相位变化。
这些问题由于在整个频带内不完全的色散斜率补偿和光纤色散的不确定性而加剧了。
因此，当比特速率为40 Gb/s及其以上时，仔细地测量已安装的网络的每段光纤的色散是非常必要的。
因此，这些高比特率系统将要求在对所有信道色散补偿的基础上，在接收端对每个信道进行可调节的补偿，以便动态地调整色散图，如图9.9.2所示。
图9.9.2 高比特率系统在对所有信道色散补偿的基础上对每个信道进行可调谐的补偿。