光纤通信课后习题解答-第6章--光电检测器和光接收机习题解答
光纤通信 课后答案 人民邮电出版社
《光纤通信》人民邮电出版社课后答案第一章基本理论1、阶跃型折射率光纤的单模传输原理是什么？答：当归一化频率V小于二阶模LP11归一化截止频率，即0＜V＜2.40483时，此时管线中只有一种传输模式，即单模传输。
2、管线的损耗和色散对光纤通信系统有哪些影响？答：在光纤通信系统中，光纤损耗是限制无中继通信距离的重要因素之一，在很大程度上决定着传输系统的中继距离；光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信容量和通信距离。
3、光纤中有哪几种色散？解释其含义。
答：（1）模式色散：在多模光纤中存在许多传输模式，不同模式沿光纤轴向的传输速度也不同，到达接收端所用的时间不同，而产生了模式色散。
（2）材料色散：由于光纤材料的折射率是波长的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此引起的色散称为材料色散。
（3）波导色散：统一模式的相位常数随波长而变化，即群速度随波长而变化，由此引起的色散称为波导色散。
5、光纤非线性效应对光纤通信系统有什么影响？答：光纤中的非线性效应对于光纤通信系统有正反两方面的作用，一方面可引起传输信号的附加损耗，波分复用系统中信道之间的串话以及信号载波的移动等，另一方面又可以被利用来开发如放大器、调制器等新型器件。
6、单模光纤有哪几类？答：单模光纤分为四类：非色散位移单模光纤、色散位移单模光纤、截止波长位移单模光纤、非零色散位移单模光纤。
12、光缆由哪几部分组成？答：加强件、缆芯、外护层。
*、光纤优点：巨大带宽（200THz）、传输损耗小、体积小重量轻、抗电磁干扰、节约金属。
*、光纤损耗：光纤对光波产生的衰减作用。
引起光纤损耗的因素：本征损耗、制造损耗、附加损耗。
*、光纤色散：由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，导致信号的畸变。
引起光纤色散的因素：光信号不是单色光、光纤对于光信号的色散作用。
色散种类：模式色散（同波长不同模式）、材料色散（折射率）、波导色散（同模式，相位常数）。
光纤通信第6章课后习题答案
习题六1．光接收机中有哪些噪声答：热噪声、散粒噪声和自发辐射噪声。
2．RZ 码和NRZ 码有什么特点答：NRZ （非归零码）：编码1对应有光脉冲，且持续时间为整个比特周期，0对应无光脉冲。
RZ （归零码）：编码1对应有光脉冲，且持续时间为整个比特周期的一半，0对应无光脉冲。
NRZ 码的优点是占据频宽窄，只是RZ 码的一半；缺点是当出现长连“1”或“0”时，光脉冲没有交替变换，接收时对比特时钟的提取是不利的。
RZ 码解决了长连“1”的问题，但长连“0”的问题没解决。
3．通信中常用的线路码型有哪些答：扰码、mBnB 码、插入码和多电平码。
4．光源的外调制都有哪些类型内调制和外调制各有什么优缺点答：光源的外调制类型有：电折射调制、电吸收MQW 调制、M-Z 型调制。
内调制器简单且廉价，这种调制会引起输出光载波的频率啁啾；外调制器可以有更高的速率工作，并且有较小的信号畸变。
5．假定接收机工作于1550nm ，带宽为3GHz ，前置放大器噪声系数为4dB ，接收机负载为100L R =Ω，温度300T K =，量子效率1η=， 1.55/1.24 1.25/R A W ==，1m G =，设计1210BER -=，即7γ≈，试计算接收机的灵敏度。
解：接收机工作于1550nm ，则电离系数比为0.7A k =，1m G =，则散粒噪声系数为1()(1)(2)0.87A m A m A mF G k G k G =+--≈ 热噪声电流方差为24B re n e Lk T F B R σ=（带数据自己计算） 接收机灵敏度为()re R e A m m P eB F G R G σγγ⎡⎤=+⎢⎥⎣⎦（带数据自己计算） 6．在考虑热噪声和散粒噪声的情况下，设APD 的()x A m m F G G =，(0,1)x ∈，推导APD 的m G 的最佳值opt G ，此时APD 接收机的SNR 最大。
解：光接收机输出端的信噪比定义为：SNR =光电流信号功率/（光检测器噪声功率+放大器噪声功率）光检测器的噪声功率表示为224()m A m R e eG F G RP B σ=散粒其中()A m F G 是APD 的散粒噪声系数，下标A 表示APD 的意思，m G 是APD 的倍增因子（系数），R 是相应度，R P 是灵敏度，e B 是接收机电带宽。
《光纤通信》原荣 第三版 第6章 复习思考题参考答案
第6章复习思考题参考答案6-1 EDFA的工作原理是什么？有哪些应用方式答：现在我们具体说明泵浦光是如何将能量转移给信号的。
若掺铒离子的能级图用三能级表示，如图6.3.2（a）所示，其中能级E1代表基态，能量最低，能级E2代表中间能级，能级E3代表激发态，能量最高。
若泵浦光的光子能量等于能级E3与E1之差，掺杂离子吸收泵浦光后，从基态E1升至激活态E3。
但是激活态是不稳定的，激发到激活态能级E3的铒离子很快返回到能级E2。
若信号光的光子能量等于能级E2和E1之差，则当处于能级E2的铒离子返回基态E1时就产生信号光子，这就是受激发射，使信号光放大获得增益。
图6.3.2（b）表示EDFA的吸收和增益光谱。
为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到能级E3。
从以上分析可知，能级E2和E1之差必须是相当于需要放大信号光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态E1跃迁到激活态E3。
图6.3.2 掺铒光纤放大器的工作原理EDFA可作为光发射机功率增强放大器、接收机前置放大器，或者取代光-电-光中继器作为在线光中继器使用。
在光纤系统中可延长中继距离，特别适用于长途越洋通信。
在公用电话网和CA TV分配网中，使用EDFA补偿分配损耗，可做到信号无损耗的分配。
另外，EDFA可在多信道系统中应用，因为EDFA的带宽与半导体光放大器（SOA）的一样都很宽（1~5 THz），使用光放大器可同时放大多个信道，只要多信道复合信号带宽比放大器带宽小就行。
EDFA具有相当大的带宽（∆λ = 20~40 nm，或∆f = 2.66~5.32 THz），这就意味着可用来放大短至皮秒级的光脉冲而无畸变。
从光波系统的应用观点出发，EDFA的潜在应用在于它们可放大ps级的脉冲而不发生畸变的能力。
6-2 EDFA有几种泵浦方式？哪种方式转换效率高？哪种噪声系数小答：使用0.98 μm和1.48 μm的半导体激光泵浦最有效。
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》习题解答
《光纤通信》习题解答第1章1.光通信的优缺点各是什么？答：优点有：通信容量大；传输距离长；抗电磁干扰；抗噪声干扰；适应环境；重量轻、安全、易敷设；保密；寿命长。
缺点：接口昂贵；强度差；不能传送电力；需要专用的工具、设备以及培训；未经受长时间的检验。
2.光通信系统由哪几部分组成，各部分功能是什么？答：通信链路中最基本的三个组成部分是光发射机、光接收机和光纤链路。
各部分的功能参见1.3节。
3.假设数字通信系统能够在载波频率1%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/的音频信道？答：5GHz某1％/64k＝781路（3某108/1.55某10-6）某1％/64k＝3某107路4.SDH体制有什么优点？答：主要为字节间插同步复用、安排有开销字节用于性能监控与网络管理，因此更加适合高速光纤线路传输。
5.简述未来光网络的发展趋势及关键技术。
答：未来光网络的发展趋势为全光网，关键技术为多波长传输和波长交换技术。
6.简述WDM的概念。
答：WDM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，一起注入同一根光纤，进行传输。
这样就充分利用光纤的巨大带宽资源，可以同时传输多种不同类型的信号，节约线路投资，降低器件的超高速要求。
7.解释光纤通信为何越来越多的采用WDM+EDFA方式。
答：WDM波分复用技术是光纤扩容的首选方案，由于每一路系统的工作速率为原来的1/N，因而对光和电器件的工作速度要求降低了，WDM合波器和分波器的技术与价格相比其他复用方式如OTDM等，有很大优势；另一方面，光纤放大器EDFA的使用使得中继器的价格和数量下降，采用一个光放大器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，因而WDM＋EDFA方式是目前光纤通信系统的主流方案。
8.WDM光传送网络（OTN）的优点是什么？答：（1）可以极大地提高光纤的传输容量和节点的吞吐量，适应未来高速宽带通信网的要求。
哈工大光纤通信答案--第6章答案
第6章答案1.答：使用最大是两种类型的光电检测器：PIN光电二极管和雪崩光电二极管。
PIN光电二极管主要应用于短距离、小容量的光纤通信系统；雪崩光电二极管主要应用于长距离、大容量的光纤通信系统2.答：在外加反向电压状态下工作，原因如下：当PN结加反向电压时，由于外加电场的电压和空间电荷区的自建场的方向相同，使总的势垒增加，于是空间电荷区的载流子基本耗尽，称为耗尽区。
当入射光照射到PN结上、且光子能量hv大于半导体材料的禁带宽度Eg时，价带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带，结果产生一对电子—空穴对。
如果这对电子—空穴对产生于耗尽区内，那么它就在外电场的作用下形成光电流。
4.答：光入射到光敏面，会在耗尽区和耗尽区附近产生受激吸收现象，从而产生电子空穴对，在外加电场作用下，在闭合电路中产生电流。
6.答：当光照射到雪崩二极管的光敏面上时，由于受激吸收而在器件内产生出一次电子空穴对。
在外加电场作用下，一次电子空穴对运动到高场区，经过反复的碰撞电离过程而形成雪崩倍增现象，从而产生出大量的二次电子空穴对。
在外加电场的作用下，一次电子空穴对和二次电子空穴对一起运动到电极。
当外部电路闭合时，就会在外部电路中有电流流过，从而完成光电变换过程。
7.答：响应度ρ在一定波长的光照射下，光电检测器的平均输出电流与入射的平均光功率之比称为响应度(或响应率)。
量子效率η定义为通过结区的载流子数与入射的光子数之比。
响应度是器件的宏观灵敏特性，量子效率是器件的微观灵敏特性。
这两个参数之间有一个换算公式：8.答：主要由体内暗电流和表面暗电流组成。
PINPD的暗电流主要指表面暗电流；APD的暗电流主要指体内暗电流；APD的暗电流要大于PINPD的暗电流；/1.24ρηλ=系统具有最大信噪比时对应的倍增因子即是最佳倍增因子。
从下面的图形可发现：小于最佳倍增因子时，信号曲线斜率大于噪声曲线斜率，而大于最佳倍增因子后，情况相反。
12.答：实用的直接功率检测光接收机直接从接收的光信号中恢复调制信号；前置放大器的主要作用是低噪声接收；功率放大器的主要作用是将信号幅度放大到适合再生的电信号；均衡滤波器的作用是低通滤波和消除信号波形间的码间串扰；再生器的作用是将接收到的信号恢复成标准数字信号；AGC 电路的作用是稳定光接收机输出的信号幅度；高压变换器的作用是为APD 提供合适电压，同时调整平均倍增因子， 以便进一步稳定光接收机的输出信号幅度。
光纤通信(朱宗玖)习题解答
第一章1. 简述光纤通信的特点。
答：（1）频带宽、信息容量大（2）损耗低、传输距离长（3）体积小、重量轻、便于敷设（4）抗干扰性好、保密性强、使用安全（5）材料资源丰富2. 简述光纤通信系统中基本组成部分及其重要作用。
答：基本组成部分：光纤通信系统是以光纤作为传输介质、光波作为载波的通信系统。
它主要由光发射机、光纤、光中继器、光放大器、光接收机等组成，当然，一般系统中还包括一些连接器、隔离器、波分复用器、耦合器等器件。
重要作用：光发射机的作用是将电信号转换成光信号，并通过连接器将光信号注入光纤。
光接收机的主要作用是将光纤传输过来的光信号转换成发射端的电信号。
光纤的作用是将光信号以尽可能小的衰减及畸变传输到对端。
中继器的作用是延长光信号的传输距离，分为光/电/光中继器和光中继器(或称光放大器)两种。
3. 查阅相关资料，简述当前光纤研究的一些最新技术。
答：高速光传输技术、宽带光接入技术、节点光交换技术、智能光联网技术、光波技术。
第二章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1．什么是单模光纤？什么是多模光纤？)，即只能传输一个最低模式的光纤，其它模式均被截答：单模光纤是指只能传输基模(HE11止。
多模光纤是指可以传输多种模式的光纤，即光纤传输的是一个模群。
2．光纤和光缆的区别？答：光纤，即光导纤维，是一种传输光能波导全介质，通常由纤芯和包层组成，利用光在玻璃及塑料中的全反射原理而被用于光传导工具。
光缆由光导纤维和塑料保护套管及塑料外皮构成，光缆是一定数量的光纤按照一定方式组成缆心，外包有护套，有的还包覆外护层，用以实现光信号传输的一种通信线路，即由光纤经过一定的工艺而形成的线缆。
3．光纤的导光原理是怎么样的？答：光进入光纤后由于外包层的折射率低于芯层的折射率，光在芯层中进行传播，且损耗小。
《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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习题解答
1、在光纤通信系统中，使用最多的光电检测器有哪些？它们分别使用于什么场合？
答：在光纤通信系统中，使用最多的光电检测器包括PINPD 和APD 两种，它们分别使用于短距离小容量光纤通信系统和长距离大容量光纤通信系统。
2、光电检测器是在什么偏置状态下工作的？为什么要工作在这样的状态下？
答：光电检测器工作于负偏置状态。
只有工作于负偏置状态，才能使材料的受激吸收占据主导地位，从而完成光电变换功能。
3、在PINPD 中，I 层半导体材料的主要作用是什么？
答：通过扩展受激吸收的区域提高光电变换的效率及通过一定的内建电场提高器件的响应速度。
4、简述PINPD 的工作原理。
答：当光照射到PIN 光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区及耗尽区附近产生受激辐射现象，从而产生电子空穴对。
在外加电场作用下，这种光生载流子运动到电极。
当外部电路闭合时，就会在外部电路中有电流流过，从而完成光电的变换过程。
5、在APD 中，一般雪崩倍增作用只能发生于哪个区域？
答：高场区（即雪崩倍增区）。
6、简述APD 的工作原理。
答：当光照射到APD 的光敏面上时，由于受激吸收而在器件内产生出一次电子空穴对。
在外加电场作用下，一次电子空穴对运动到高场区，经过反复的碰撞电离过程而形成雪崩倍增现象，从而产生出大量的二次电子空穴对。
在外加电场的作用下，一次电子空穴对和二次电子空穴对一起运动到电极。
当外部电路闭合时，就会在外部电路中有电流流过，从而完成光电变换过程。
7、光电检测器的响应度和量子效率有什么样的关系？这两个参数相互独立吗？
答： 响应度从宏观角度描述光电检测器的光电变换效率，而量子效率则从微观角度描述光电检测器的光电变换效率。
所以，响应度和量子效率不是相互独立的参数。
8、光电检测器的暗电流由哪些部分组成？这些组成部分分别对PINPD 和APD 的暗电流有何影响？
答：由表面暗电流和体内暗电流组成。
对于PINPD ，表面暗电流远大于体内暗电流。
对于APD ，由于倍增效应的存在，其体内暗电流远大于表面暗电流。
9、APD 的倍增因子是否越大越好？为什么？
答：当M <M OPT 时，随着M 的增加，系统的信噪比（S/N ）也随着增大；当M 增大到M OPT 时，系统的信噪比（S/N ）达到最大；如果M 再增大时，由于噪声功率N 的增加超过了信号功率S 的增加，使得系统的信噪比（S/N ）开始变小。
所以，在实际应用中倍增因子并
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.1ηλρ=
不是越大越好，而是应该取最佳值。
10、在非相干检测方式或直接功率检测方式中，什么说光电检测器实际是一个平方率检测器？若光接收机接收的光信号电场为：
试用理论证明之。
答：在非相干检测方式或直接功率检测方式中，实际上是从解调信号的平方项中接收有用信号的。
所以，常常称光电检测器为平方率检测器。
从推导过程可以看出，有用信号是从平方项而来的。
所以说，光电检测器实际是一个平方率检测器。
11、主要有哪些类型的相干检测方式？
答：非相干检测方式和相干检测方式。
12、试画出光接收机的方框组成，并说明各部分的作用。
答：
光电检测器的主要作用是将接收的光信号变换成包括基本调制信号分量的电信号；前置放大器的主要作用是低噪声接收；功率放大器（又称为主放大器）主要作用是信号幅度放大到适合再生的电信号；均衡滤波器作用是低通滤波和将信号波形变换成无码间干扰的信号波形；再生器的作用是将接收的信号恢复成标准数字信号；AGC 电路主要作用是稳定光接收机输出的信号幅度；高压变换器是为APD 提供合适的电压（同时通过调整平均倍增因子大小，来进一步稳定光接收机的输出信号幅度）。
13、光接收机有哪些主要指标？它们的定义是什么？
答：光纤通信系统主要包括光接收机灵敏度和光接收机动态范围两个指标。
所谓光接收机灵敏度，是指在一定误码率或信噪比（有时还要加上信号波形失真量）条件下光接收机需要接收的最小平均光功率。
而光接收机动态范围，是指在一定误码率或信噪比（有时还要加上信号波形失真量）条件下光接收机允许的光信号平均光功率的变化
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R PD ωωωωαωααωαωαααααcos 2cos )(cos )(1)(2cos 2121)(1cos )(1cos 1cos 12/1222/1102222/1102210+++++=⎪⎭⎫ ⎝⎛-++++=++++=++=
直接功率检测方式原理组成
范围。
14、出现在光电检测器上的噪声有哪些？哪些是属于光电检测器本身产生的噪声？
答：光电检测器上的噪声包括光检测噪声（有可能与信号强度相关的噪声）、暗电流噪声及背景辐射噪声。
光检测噪声和暗电流噪声属于光电检测器本身产生的噪声。
15、为什么经过噪声处理后，光接收机的放大器通道可以看成线性通道？
答：在噪声分析中，光接收机放大器的噪声已经归类到前置放大器。
所以，光接收机的放大器通道可以看成线性通道。
16、为了避免使用烦琐费时的数值计算技术，在计算误码率时通常将概率密度函数近似为什么函数？
答：为了简化计算，一般均将概率密度函数近似成高斯函数来进行相应的分析。
17、什么是理想光接收机？为什么理想光接收机的灵敏度又称为理想光接收机的量子极限？
答：光电检测器暗电流为零、放大器无噪声和系统带宽无限大的光接收机称为理想光接收机。
因为理想光接收机灵敏度仅仅受到光检测器量子噪声的影响，所以又称为理想光接收机的量子极限。
18、影响光接收机灵敏度的主要因素有哪些？
答：输入和输出信号波形、非理想均衡滤波、直流光和背景光和判决阈值等。