《光纤通信原理》习题集含答案（大学期末复习资料）.doc

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1、光纤通信原理习题及参考答案第1讲 光纤通信概述 1-1 光纤通信是 为传输媒质。以 为载波的通信方式。光纤的工作波长为 、 和 。1-2 光纤通信有哪些优点？ 第2讲 光纤光缆的结构和分类2-1 光纤的主要材料是 ，结构从内到外依次是 、 、 和 。其中 是光纤导光部分。2-2 光纤中的纤芯折射率必须 包层折射率，单模光纤和多模光纤中中两者的相对折射率差一般分别为 和 。 2-3 单模光纤纤芯直径一般为 ，多模光纤纤芯直径为 ，光纤包层直径一般为 。2-4光缆结构包括 、 和 。常用光缆有 、 、 、 等结构。 第3讲 光纤的导光原理2-5 光纤的数值孔径NAsinin 它的含义是什么？2-6

2、 某阶跃折射率光纤的纤芯折射率n1=1.50,相对折射率差0.01,试求：1)光纤的包层折射率n2？2）该光纤数值孔径NA？2-7 阶跃光纤中相对折射率差0.005, n1=1.50,当波长分别为0.85m和1.31m时，要实现单模传输，纤芯半径a应小于多少？2-8 在渐变多模光纤中，n1=1.50, 0.01, =0.85m,a=60m,试计算光纤能传输的模式数量N？ 第4讲 光纤的损耗特性2-9 光纤主要的传输特性是 和 。2-10 什么叫光纤损耗？造成光纤损耗的原因是什么？2-11 当工作波长=1.31m，某光纤的损耗为0.5dB/km,如果最初射入光纤的光功率是0.5mW，试问经过4k

3、m以后，以dB为单位的功率电平是多少？2-12 为什么光纤工作波长选择1.55m、1.31m、0.85m三个窗口？ 第5讲 光纤的色散特性2-13 什么叫光纤色散？试分析造成光脉冲展宽的原因？2-14 为什么光纤通信向长波长、单模传输方向发展？2-15 某激光二极管（LD）的谱线宽度11.5nm,某发光二极管(LED)谱线宽度240nm，某单模光纤在波长1.5m时材料色散系数为20ps/km.nm,求经1 km光纤传播不同光源的光脉冲展宽值。2-16 有一个15 km长的多模渐变型光纤线路工作波长=1.3m，使用的LED光源谱宽16nm，已知该光纤材料色散系数是5ps/km.nm，模式色散是0

4、.3ns/km，问此光纤线路总色散是多少？第6讲 光纤的连接2-17 光纤接续的主要方法有 和 。2-18 简述光纤自动熔接接续中光纤端面制作的基本要求。 第7讲 光纤的测量2-19 OTDR的工作原理是什么？2-20 已知OTDR的动态范围为32dB,想用它测试78 km的光缆线路，光缆的衰减系数为0.3 dBkm，问OTDR能否看到末端的衰减曲线？2-21 某光纤出现故障，用OTDR仪表进行测量、测得光脉冲从光纤始端返回光纤始端的时间为3s，已知光纤纤芯折射率n1=1.46，问此光纤故障点距始端距离有多长？ 第8讲 半导体激光器工作原理3-1 常用光源LD是以 为基础发 光，LED以 为基

5、础发 光。 3-2 光与物质作用时有 、 和 三个物理过程。3-3 构成激光器的三个基本条件是什么？3-4 半导体激光器发射光子的能量近似等于材料的禁带宽度，已知GaAs材料的Eg=1.43eV,InGaAsP材料的Eg=0.96eV,求各自的发射光子波长。3-5 已知光学谐振腔长400m，折射率n=1.5,受激辐射在腔中已建立振荡，设此时m=103,求：1)输出纵模波长和频率各为多少？ 2)光波的纵模间隔为多少？ 第9讲 半导体激光器的工作特性3-6 在半导体激光器PI曲线中，哪一段范围对应于荧光，哪一段范围对应于激光？3-7 半导体激光器主要特性有 、 、 、 和 。3-8 光源的谱宽是怎

6、样定义的？3-9 LD的阈值电流达到初始值的 倍是寿命告终。3-10 什么是半导体激光器的温度特性？温度升高阈值电流如何变化？若此时注入电流不变，输出光功率将如何变化？第10讲 发光二极管3-11 导体发光管和半导体激光器的有哪些区别？第11讲 半导体光检测器3-12 导体光检测器主要有 和 两种，基本原理是通过 过程实现 。3-13 为什么APD管具有光生电流的内部放大作用。？3-14 什么是量子效率和响应度？耗尽区宽度对量子效率有何影响？3-15 已知PIN光电二极管的量子效率70，接收光波长为1.55m,求PIN的响应度R？如果入射光功率为100w，求输出电流是多少？3-16 某APD管

7、用于波长1.55m，其平均雪崩增益为20，响应度为0.6AW，当每秒钟有1000个光子入射时，计算其量子效率和输出光电流。3-17 光源与光检测器使用时各加什么样的偏压？ 第12讲 光无源器件3-18 无源器件主要有 、 、 、 、 和光调制器、光开关等。3-19 衰减器的作用是什么？光连接器的作用是什么？3-20 分复用器与定向耦合器有何区别？3-21 光隔离器在光纤线路上作用是什么？ 第13、14讲 光发送机4-1 PDH光端机主信号系统由 、 、 和 组成。4-2 在光纤通信系统中，对光源的调制可分 和 两类。4-3 在LD调制中，Ib的选择原则是 。4-4 光发送机指标主要有 和 。

8、4-5 为什么设置了自动功率控制电路（APC）后还要设置自动温度控制电路（ATC）进一步确保LD稳定工作？4-6 某光源发出全“1”码时的功率是800W，全“0”码时的功率是50W，若信号为伪随机码序列（NRZ码），问光源输出平均功率和消光比各为多少？ 第15、16讲 光接收机4-7 为增大光接收机的接收动态范围，应采用（ ）电路。AATC BAGC CAPC DADC4-8 光接收机中的噪声主要来源于 和 ，为抑制噪声，一般要求前置放大器应满足 、 和 的要求，目前常用的前置放大电路为 型。4-9 光接收机自动增益控制可从哪些方面实现？4-10 怎样从光接收机眼图估计光接收机性能？4-11（

9、1）在满足一定误码率条件下，光接收机最大接收光功率为0.1mW，最小接收光功率为1000nW，求接收机灵敏度和接收机动态范围。（2）已知某个接收机的灵敏度为-40dBm(BER=10-10),动态范围为20dB，若接收到的光功率为2W，问系统能否正常工作？ 第17讲 光纤线路编码4-12 光纤通信系统中选择码型应考虑哪些因素？4-13 “扰码”有什么作用？4-14 光缆常用码型有 、 。电缆常用码型有 和 。A、AMI B、CMI C、mBnB D、mB1H E、HDB34-15 四次群系统采用4B1H码码型，（1） 试求其光接口速率为多少？（2） 其传输容量为多少个话路？（3）其监控信息的传

10、输速率为多少？ 第18讲 光端机辅助系统4-16 PDH光端机的主要辅助电路有 、 、 和 。4-17 误码检测有 、 、 等方法。4-18 辅助信号在光路中传输的方法主要是 、 和 。第19讲 PDH与SDH5-1 SDH的主要复用步骤是 、 和 。5-2 SDH的常用设备有 、 、 和 。5-3 SDH光接口有 、 和 三种。L-4、1表示 光接口，接口速率为 ，使用 光纤，工作波长为 。5-4 我国STM1复用结构允许哪些支路接口？如果所有的支路信息都来源于2Mbit/s,问STM1信息流中可传输多少2Mbit/s信号？相当于可传输多少个话路？5-5 计算题：a) 已知SDH系统STM1

11、模块的帧结构为9行270列字节，每字节8bit，帧周期125s，计算STM1模块的比特传输速率。b) VC4是STM1帧结构中的信息负荷区域，计算比特传输速率。5-6 系统的传输通道采用D1D12个字节，求其在STM1帧结构中传输速率为多少？其中再生段和复用段分别是多少？ 第20讲 系统性能指标5-7 我国一级干线数字段长度为 ，二级干线数字段长度为 ，本地数字段长度为 。5-8 在125s内传输256个二进制码元，计算信息传输的速率是多少？若该信息在4s内有5个码元产生误码，试问误码率是多少？5-9 什么叫抖动？时钟信号抖动对系统有什么影响？对于码速为2048kbit/s数字信号，IUI抖动

12、对应时间是多少？5-10 什麽是输入抖动容限？5-11 什麽是输出抖动容限？ 第21讲 系统设计5-12 长途光纤系统各部分参数如下：系数速率为564.992Mbit/s,码型为8BIH，光的发射功率2.7dBm,接收灵敏度-34 dBm，接收机动态范围24 dB，BER10-10，设备的富余度3 dB，光缆线路富余度主0.08dB/km,光缆配线架连接器的损耗为0.5dB/个，光纤损耗为0.33dB/km，光纤接头损耗为0.04dB/km，光源采用MLMLD，光源谱宽主1.6nm,光纤色散系数为2.5ps/nm.km,光通道功率参数取0.115。 试：（1）对系统进行预算，确定出合适的中继距

13、离范围。（3） 指出该系统是何种因素的限制系统。 第22讲 掺铒光纤放大器 6-1 光中继器实现方式有 和 两种。6-2 简述掺铒光纤放大器（EDFA）工作原理。6-3 掺铒光纤放大器应用方式有 、 和 。 第23讲 光波分复用技术6-4 WDM的基本原理是什麽？6-5 WDM的系统构成有 和 方式6-6 WDM系统由 、 、 、 、和 组成。第24讲 光孤子通信6-7 光孤子是怎样形成的？6-8 光孤子通信的优势是什麽？6-9 光孤子通信系统怎样构成？第25讲 相干光通信6-10 相干光通信有何特点？6-11 相干检测方式主要有 和 。6-12 零差检测和外差检测有何区别？6-13 相干光通

14、信的关键技术是 和 。参考答案第1讲 光纤通信概述1-1 光纤、光波；0.85m,1.31m,1.55m。1-2 答： 传输衰减小，传输距离长。 频带宽，通信容量大。抗电磁干扰，传输质量好。体积小、重量轻、便于施工。原材料丰富，节约有色金属，有利于环保易碎不易接续。第2讲 光纤光缆的结构和分类2-1 SiO2、纤芯、包层、一次涂敷层、套层；纤芯。2-2 大于、0.3%0.6%、1%2%。2-3 810m，5080m，125m。2-4 缆芯、加强元件、护层；层绞式、骨架式、带式、束管式第3讲 光纤的导光原理2-5 数值孔径反映光纤对光信号的接收能力，NA值越大，对光信号接收能力越强。2-6 n2

15、1.48, NA0.21。2-7 a2.17m（=0.85m）；a3.34m（=1.31m）。2-8 V94，N2209。第4讲 光纤的损耗特性2-9 损耗、色散。2-10 当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数表示。（dB/km）损耗产生的主要原因是光纤材料的吸收、散射作用和光纤在使用过程中由于连接、弯曲而导致附加光功率损失。2-11 5dB。2-12 因为从损耗波谱曲线上可以看出这三个波长处损耗最低。第5讲 光纤的色散特性2-13 光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传3输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物

16、理效应。色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。色散产生的根本原因是由于光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差造成的。2-14 因为从损耗和色散与波长的关系中反映出在长波长区损耗和色散特性均比短波长区小，而单模光纤中没有模式色散，总色散小于多模光纤，且单模光纤在长波长区可以实现零色散，所以光纤通信向长波长、单模方向发展可以获得更大传输容量和传输距离。2-15 =2011.5=30ps；=20140=800ps。2-16 =51516=1.35ns, 5.3ns第6讲 光纤的连接2-17 熔接法、粘接法。2-18 端面应平整、无毛刺、无倾斜，并且清洁。第7讲 光纤的测量

17、2-19 OTDR的测试原理是:由于光纤中散射光的强弱反映了光纤长度上各点衰减大小，菲涅尔反射光能反映断点位置，因此可通过检测反向传输到输入端的背向散射光和菲涅尔反射光功率变化来确定光纤损耗系数，并判断光纤断点位置和光纤长度。2-20 不能。因为OTDR的动态范围小于背向光在光纤中来回传输一次产生的损耗。2-21 。第8讲 半导体激光器工作原理3-1 受激辐射、非相干（普通荧）光、自发辐射、相干（激）光。3-2 受激辐射、自发辐射、受激吸收。3-3 具有特定原子能级分布，能产生特定波长范围光子的激活物质。具有能激励激活物质发生粒子数反转分布的激励源（或泵浦源），从而具备光放大能力。具有能进行光

18、学反馈和频率选择的光学谐振腔。3-4 0.87m（GaAs），1.29m（InGaAsP）3-5 m=1.2m, fm = 2.5x1014Hz fm= 2.5x1013Hz第9讲 半导体激光器的工作特性3-6 当IIth时，发荧光；当IIth时，发激光。3-7光谱特性、方向特性、P-I特性、频率特性、温度特性。3-8光源的谱宽定义：光谱特性中功率最大值的一半处对应的波长范围即为谱宽，记为。3-9 1.5。3-10 温度特性反映LD的P-I特性与温度之间的关系。温度升高，阈值电流变大，若此时注入电流不变，则输出光功率降低。第10讲 发光二极管3-11LED的P-I特性呈线性，而LD的P-I特性

19、呈非线性。LED产生是非相干光，功率低，方向性差；而LD发出的是相干光，功率高，方向性好。LED的波谱宽度比LD的宽。LED基本不受温度影响，而LD对温度变化敏感。LED使用寿命比LD长。第11讲 半导体光检测器3-12 PIN、APD、受激吸收、光电转换。3-13 因为APD的内部构成一个强电场区，可以使入射光引发的一次光生载流子产生高速运动，撞击原子晶格产生电离，形成二次光生载流子，二次载流子再在强电场区中获得动能高速运动撞击原子又产生电离，反复多次后使载流子雪崩倍增，实现刚生电流的内部放大。3-14 量子效率和响应度是反映光检测器光电转换效率的参数，分别定义为：量子效率=光生电子-空穴对

20、数入射光子数，即 响应度 一是光生电流和入射光功率的比值，即3-15 R0.873A/W，Ip87.3A.3-16 Ip15.4A.48.1%。3-17 光源是外加正向偏压，光检测器外加反向偏压。第12讲 光无源器件3-18 光纤连接器、光衰减器、光耦合器、光隔离器、波分复用器。3-19 光衰减器的作用是对光功率进行衰减。光连接器的作用是实现光纤与光纤之间可拆卸的连接。3-20 波分复用器是将不同波长的信号进行合成后一根光纤中传输。定向耦合器是将同种波长、不同方向的光信号进行合成在一根光纤中传输。3-21 光隔离器在光纤线路上作用是隔离反射光返回器件，避免其对正向光形成干扰。第13、14讲 光

21、发送机4-1 输入码型变换电路、光发送电路、输出码型变换电路、光接收放大电路。4-2 直接调制、外调制4-3 Ib Ith且接近于Ith。4-4 平均发送光功率、消光比4-5 因为LD工作时结温上升，如果不加ATC电路保持其温度恒定，就会使输出光功率随温度升高而降低，因此除设置APC外还需设置ATC电路以稳定输出光功率。4-6 消光比EXT16dB,平均发送光功率为425W。第15、16讲 光接收机4-7 B4-8 光检测器、放大电路、低噪声、低增益、适当带宽、跨阻型。4-9 光接收机自动增益控制可通过控制APD的雪崩倍增因子和控制主放大器增益两条途径实现。4-10 眼图轮廓越清晰，眼孔张开度

22、越大，则接收机性能越佳。反之则接收机性能越差。4-11 （1）Pr=30dBm,D=20dB;(2)Pmax=10W2W，故不能正常工作。第17讲 光纤线路编码4-12 选择光纤线路玛型应考虑以下因素能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频率分量。能给光接收机提供足够的定时信息。能提供一定的冗余码，实现主辅信号同时传输。4-13 扰码的作用是改变码流中的“0”“1”分布，减少长连“0”或“1”。4-14 ABE;CD4-15 174、0896Mb/s 120 1088kb/s第18讲 光端机辅助系统4-16 告警、监控、公务、倒换。4-17 运行数字和校验、奇偶校验、反码校验。4-18 时分复用（

23、插入码）、频分复用（脉冲调顶）、空分复用（设置金属线）。第19讲 PDH与SDH5-1 映射、定位、复用。5-2 TM、ADM、REG、SDXC。5-3 长距离局间光接口、短距离局间光接口、局内光接口。长距离局间、622.08Mb/s，G.652，1.31m。5-4 我国允许采用的支路接口有2.048Mb/s、34.368 Mb/s和139.264Mb/s三种PDH接口和STM-1接口。一个STM-1可传63个2Mb/s信号。相当于传1890个话路。5-5 (1)155.52 Mb/s. (2)150.336 Mb/s.5-6 768kb/s , 192kb/s,576kb/s.第20讲 系统

24、性能指标5-7 420km,280km,50km。5-8 2048kb/s;6.1107。5-9 抖动是数字信号在各有效瞬间对标准时间位置的偏差。时钟抖动造成系统误码增加。488ns。5-10 输入抖动容限是系统能容忍的输入信号中引入的抖动最大值。该参数反映系统对抖动的承受能力。5-11 输出抖动容限是系统在无输入抖动的条件下允许输出信号中产生的抖动最大值。该参数反映了系统本身引入的抖动程度。第21讲 系统设计5-12 （1）因为， 所以选择其中较小的值，则中继距离取45.2km.(2)该系统是色散限制系统。第22讲 掺铒光纤放大器6-1 光-电-光形式中继器、光放大器。6-2 在掺铒光纤（E

25、DF）中，铒离子有三个能级：基态E1、亚稳态E2和激发态E3。当泵浦光的光子能级等于E3和E1的能量差时，铒离子吸收泵浦光的光能从基态跃迁到激发态，但激发态不稳定，电子很快返回到E2，若输入的信号光的光子能量等于E2和E1之间能量差，则电子从E2跃迁到E1，产生受激辐射光，故光信号被放大。6-3 LA、PA、BA。第23讲 光波分复用技术6-4 光波分复用的基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合进光缆线路上同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号进行分离（解复用），并作进一步处理后恢复出原信号送入不同终端。6-5 双纤单向传输、单纤双向传输。6-6 光发送机、光接

26、收机、光中继机、光监控信道、网络管理系统。第24讲 光孤子通信6-7 光孤子的形成是光纤的色散与非线性效应相互平衡,使光信号脉冲宽度保持不变的结果。6-8 光孤子通信的优势是使色散和非线性效应对传输的阻碍作用相互限制变为有利于信号传输的条件，可用于WDM系统中，实现大容量超长距离传输。6-9 光孤子源产生一系列脉冲宽度很窄的光脉冲（即光孤子流），作为信息载体进入光调制器，使信息对光孤子进行调制。被调制的光孤子流经掺铒光纤放大器和光隔离器后，进入光纤中传输。为克服光纤损耗带来的光孤子减弱，在光纤线路上周期性地插入EDFA，向光孤子注入能量，以补偿光纤传输而引起的能量损耗，确保光孤子稳定传输。在接

27、收端，通过光检测器和解调装置，恢复光孤子所承载的信息。第25讲 相干光通信6-10 （1）灵敏度提高1020dB，线路功率损耗可增加到50dB。（2）若在系统中周期性加入EDFA，即可实现长距离传输，适合于干线网使用。（3）具有出色的信道选择性和灵敏度，和光频分复用相结合，可以实现大容量传输，适合于CATV分配网使用。6-11 零差检测、外差检测。6-12 零差检测选择L=s,即IF=0。零差检测接收光功率可以放大几个数量级，虽然噪声也增大，但仍能使灵敏度大幅提高，但技术复杂，必须严格控制相位变化，使sL保持不变，同时要求L=s 。外差检测选择Ls,即IF= s L 0。外差检测也能提高灵敏度，信噪比改善比零差检测低3dB，但因无需实现相位锁定，接收机设计相对简单6-13 频率稳定度和频谱纯度高的光源、匹配。