习题三 1．计算一个波长为1m λμ=的光子能量，分别对1MHz 和100MHz 的无线电做同样的计算。 解：波长为1m λμ=的光子能量为 834 206310// 6.6310 1.991010c m s E hf hc J s J m λ---?===???=? 对1MHz 和100MHz 的无线电的光子能量分别为 346286.6310110 6.6310c E hf J s Hz J --==????=? 346266.631010010 6.6310c E hf J s Hz J --==????=? 2．太阳向地球辐射光波，设其平均波长0.7m λμ=，射到地球外面大气层的光强大约为2 0.14/I W cm =。如果恰好在大气层外放一个太阳能电池，试计算每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数。 解：光子数为 348 4441660.14 6.6310310101010 3.98100.710c I Ihc n hf λ---????=?=?=?=?? 3．如果激光器在0.5m λμ=上工作，输出1W 的连续功率，试计算每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数。 解：粒子数为 348 2161 6.6310310 3.98100.510 c I Ihc n hf λ---????====?? 4．光与物质间的相互作用过程有哪些？ 答：受激吸收，受激辐射和自发辐射。 5．什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？ 答：粒子数反转分布是指高能级粒子布居数大于低能级的粒子布居数。处于粒子数反转分布的介质（叫激活介质）可实现光放大。 6．什么是激光器的阈值条件？ 答：阈值增益为 12 11ln 2th G L r r α=+ 其中α是介质的损耗系数，12,r r 分别是谐振腔反射镜的反射系数。当激光器的增益th G G ≥时，才能有激光放出。（详细推导请看补充题1、2） 7．由表达式/E hc λ=说明为什么LED 的FWHM 功率谱宽度在长波长中会变得更宽些？ 证明：由/E hc λ=得到2hc E λλ?=-?，于是得到2 E hc λλ?=-?，可见当E ?一定时，λ?与2λ成 正比。 8．试画出APD 雪崩二极管结构示意图，并指出高场区及耗尽层的范围。 解：先把一种高阻的P 型材料作为外延层，沉积在P +材料上（P +是P 型重掺杂），然后在高阻区进行P 型扩散或电离掺杂（叫π层），最后一层是一个N +（N +是N 型重掺杂）层。
第五章数字光纤通信系统的设计 （2学时） 一、教学目的及要求： 使学生了解整个数字光纤通信系统在整体进行设计时应考虑的因素和设计时使用的主要方法。 二、教学重点及难点： 本章重点：掌握损耗限制系统和色散限制系统中再生中继距离的设计方法。 本章难点：中继距离与系统传输速率的关系。 三、教学手段： 板书与多媒体课件演示相结合 四、教学方法： 课堂讲解、提问 五、作业： 课外作业： 5-1 5-2 5-5 六、参考资料： 《光纤通信》刘增基第五章。 《光纤通信》杨祥林第八章 七、教学内容与教学设计：
第五章数字光纤通信系统的设计 对数字光纤通信系统而言，系统设计的主要任 务是，根据用户对传输距离和传输容量(话路数或 比特率)及其分布的要求，按照国家相关的技术标准 和当前设备的技术水平，经过综合考虑和反复计算， 选择最佳路由和局站设置、传输体制和传输速率以 及光纤光缆和光端机的基本参数和性能指标，以使 系统的实施达到最佳的性能价格比。 在技术上，系统设计的主要问题是确定中继距 离，尤其对长途光纤通信系统，中继距离设计是否 合理，对系统的性能和经济效益影响很大。 中继距离的设计有三种方法：最坏情况法(参数 完全已知)、统计法(所有参数都是统计定义)和半 统计法(只有某些参数是统计定义)。 5.1 中继距离受损耗的限制 下图示出了无中继器和中间有一个中继器的数 字光纤线路系统的示意图。 数字光纤线路系统 (a)无中继器； (b) 一个中继器 如果系统传输速率较低，光纤损耗系数较大， 中继距离主要受光纤线路损耗的限制。在这种情况 下，要求S和R两点之间光纤线路总损耗必须不超 过系统的总功率衰减，即 [板书] [板书] [板书] [多媒体课件] 96分钟
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 m F G k G k G =+--≈ 热噪声电流方差为 24B re n e L k 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。 假设放大器的输入阻抗远大于负载电阻L R ，所以放大器电路的热噪声远小于L R 的热噪声，那么光检 测器负载电阻的均方热噪声电流为 24B RE n e L k T F B R σ= 其中n F 是放大器的噪声因子（系数），B k 是波尔兹曼常数，T 是温度。 放大器输入端的信号功率为22p m i G ，其中2p i 是信号功率，p i 是用PIN 检测到的信号电流。或把输入 放大器的信号功率表示为2()m R G RP ，其中R P 是输入到PIN 的功率。 得到放大器输入端的信噪比为
1．计算一个波长为1m λμ=的光子能量，分别对1MHz 和100MHz 的无线电做同样的计算。 解：波长为1m λμ=的光子能量为 834206310// 6.6310 1.991010c m s E hf hc J s J m λ---?===???=? 对1MHz 和100MHz 的无线电的光子能量分别为 346286.6310110 6.6310c E hf J s Hz J --==????=? 346266.631010010 6.6310c E hf J s Hz J --==????=? 2．太阳向地球辐射光波，设其平均波长0.7m λμ=，射到地球外面大气层的光强大约为20.14/I W cm =。如果恰好在大气层外放一个太阳能电池，试计算每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数。 解：光子数为 348 4441660.14 6.6310310101010 3.98100.710 c I Ihc n hf λ---????=?=?=?=?? 3．如果激光器在0.5m λμ=上工作，输出1W 的连续功率，试计算每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数。 解：粒子数为 348 2161 6.6310310 3.98100.510 c I Ihc n hf λ---????====?? 4．光与物质间的相互作用过程有哪些？ 答：受激吸收，受激辐射和自发辐射。 5．什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？ 答：粒子数反转分布是指高能级粒子布居数大于低能级的粒子布居数。处于粒子数反转分布的介质（叫激活介质）可实现光放大。 6．什么是激光器的阈值条件？
答：阈值增益为 1211ln 2th G L r r α=+ 其中α是介质的损耗系数，12,r r 分别是谐振腔反射镜的反射系数。当激光器 的增益th G G ≥时，才能有激光放出。（详细推导请看补充题1、2） 7．由表达式/E hc λ=说明为什么LED 的FWHM 功率谱宽度在长波长中会变得更宽些？ 证明：由/E hc λ=得到2hc E λλ?=- ?，于是得到2E hc λλ?=-?，可见当E ?一 定时，λ?与2λ成正比。 8．试画出APD 雪崩二极管结构示意图，并指出高场区及耗尽 层的范围。 解：先把一种高阻的P 型材料作为外延层，沉积在P +材 料上（P +是P 型重掺杂），然后在高阻区进行P 型扩散或电离 掺杂（叫π层），最后一层是一个N +（N +是N 型重掺杂）层。 高场区是P 区，耗尽区是P π区。 9．一个GaAsPIN 光电二极管平均每三个入射光子产生一个电子空穴对。假设所以的电子都被收集，那么 （1）计算该器件的量子效率； （2）在0.8m μ波段接收功率是710W -，计算平均是输出光电流； （3）计算波长，当这个光电二极管超过此波长时将停止工作，即长波长截止点c λ。 解：（1）量子效率为1/30.33η==
1．光放大器包括哪些种类？简述它们的原理和特点。EDFA有哪些优点？ 答：光放大器包括半导体光放大器、光纤放大器（由可分为非线性光纤放大器和掺杂光纤放大器）。 1）半导体光放大器 它是根据半导体激光器的工作原理制成的光放大器。将半导体激光器两端的反射腔去除，就成为没有反馈的半导体行波放大器。它能适合不同波长的光放大，缺点是耦合损耗大，增益受偏振影响大，噪声及串扰大。 2）光纤放大器 （1）非线性光纤放大器 强光信号在光纤中传输，会与光纤介质作用产生非线性效应，非线性光纤放大器就是利用这些非线性效应制作而成。包括受激拉曼放大器（SRA）和受激布里渊放大器（SBA）两种。 （2）掺杂光纤放大器（常见的有掺铒和掺镨光纤放大器） 在泵浦光作用下，掺杂光纤中出现粒子数反转分布，产生受激辐射，从而使光信号得到放大。 EDFA优点：高增益、宽带宽、低噪声及放大波长正好是在光纤的最低损耗窗口等。 2．EDFA的泵浦方式有哪些？各有什么优缺点？ 答：EDFA的三种泵浦形式：同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。同向泵浦：信号光和泵浦光经WDM复用器合在一起同向输入到掺铒光纤中，在掺铒光纤中同向传输；反向泵浦：信号光和泵浦在掺铒光纤中反向传输；双向泵浦：在掺铒光纤的两端各有泵浦光相向输入到掺铒光纤中。 同向泵浦增益最低，而反向泵浦比同向泵浦可以提高增益3dB~5dB。
这是因为在输出端的泵浦光比较强可以更多地转化为信号光。而双向泵浦又比反向泵浦输出信号提高约3dB ，这是因为双向泵浦的泵功率也提高了3dB 。其次，从噪声特性来看，由于输出功率加大将导致粒子反转数的下降，因此在未饱和区，同向泵浦式EDFA 的噪声系数最小，但在饱和区，情况将发生变化。不管掺铒光纤的长度如何，同向泵浦的噪声系数均较小。最后，考虑三种泵浦方式的饱和输出特性。同向 EDFA 的饱和输出最小。双向泵浦 EDFA 的输出功率最大，并且放大器性能与输出信号方向无关，但耦合损耗较大，并增加了一个泵浦，使成本上升。 3．一个EDFA 功率放大器，波长为1542nm 的输入信号功率为2dBm ，得到的输出功率为27out P dBm ，求放大器的增益。 解：G= 10log 10（P out /P in ）= 10log 10P out -10log 10P in =27-2=25dB 4．简述FBA 与FRA 间的区别。为什么在FBA 中信号与泵浦光必须反向传输？ 答：FBA 与FRA 间的区别： 1、FRA 是同向泵浦，FBA 是反向泵浦； 2、FRA 产生的是光学声子，FBR 产生的是声学声子， 3、FRA 比FBA 的阈值功率大； 4、FRA 比FBA 的增益带宽大。 在SBA 中，泵浦光在光纤的布里渊散射下，产生低频的斯托克斯光，方向与泵浦光传播方向相反。如果这个斯托克斯光与信号光同频、同相，那么信号光得到加强。故要使信号光得到放大，信号光应与泵浦光方向相反。 5．一个长250μm 的半导体激光器用做F-P 放大器，有源区折射率为4，
一、填空题 1、构成SDH网络的基本单元称为（）。该设备有（）、（）、（）和（）四种。 2、段开销可以实现（）、（）、（）和（）等功能。 3、对于码速率不同的信号，如果进行复接，则会出现（）和（）现象。 4、数字复接中的码速调整有（）、（）和（）三种方式。 5、光传输设备包括（）、（）和（）等 二、选择题 1、微波副载波的数字调制通常采用（）格式。 A 、ASK B 、FSK C 、PSK D 、DPSK 2、一个32信道波分复用系统需要（）个独立的接收机。 A、1 B、4 C、8 D、32 3、1.7Gb/s的单个比特间隔是（）。 A、1.7ns B、1ns C、0.588ns D、0.170ns 4、光纤衰减为0.00435dB/m，则10km长光纤的总衰减为（）。 .A、0.0435dB B、1.01dB C、4.35dB D、43.5dB 5、SDH线路码型一律采用（）。 A、HDB3码 B、AIM码 C、NRZ码 D、NRZ码加扰码 6、我国准同步数字体系制式是以（）。 A、1544kb/s为基群的T系列 B、1544kb/s为基群的E系列 C、2048kb/s为基群的E系列 D、2048kb/s为基群的T系列 三、简答题 1、何谓准同步复用？何谓同步复用？
2、什么是抖动？抖动特性参量有哪些？ 四、计算题 设140Mb/s数字光纤通信系统发射功率为－3dBm，接收机的灵敏度为－38dBm，系统余量为4dB，连接器损耗为0.5dB/对，平均接头损耗为0.05dB/km，光纤衰减系数为0.4dB/km，光纤损耗余量0.05dB/km。计算中继距离L。 参考答案 一、1、网元终端复用器分插复用器再生中继器数字交叉连接设备 2、不间断误码监测自动倒换公务通信数据通信 3、重叠错位 4、正码速调整正/负码速调整正/零/负码速调整 5、光发射机光接收机光中继器 二、1、B 2、D 3、C 4、 D 5、D 6、C 三、 1、准同步复用是各支路信号与合路信号没有共同时钟的复用，同步复用是各支路信号与合路信号有共同时钟的复用。也就是说，准同步复用时合路信号的帧结构中需要进行码调整，同步复用时合路信号的帧结构中不需要进行码调整。 2、数字脉冲信号前沿和后沿的时间位置相对于其初始标准位置的随机性变化，称为抖动。通常用两个抖动特性参量来描述抖动的大小：其一是抖动幅度，即抖动变化的最大时间范围；其二是抖动频率，即单位时间内抖动变化的快慢。抖动量的大小将影响数字通信系统的通信质量，因此要求抖动量越小越好。 四、L＝[－3－（－38）－4－0.5×2]/(0.05＋0.4＋0.05)＝60km
光纤通信课后习题答案 第一章习题参考答案 1、第一根光纤是什么时候出现的？其损耗是多少？ 答：第一根光纤大约是1950年出现的。传输损耗高达1000dB/km 左右。 2、试述光纤通信系统的组成及各部分的关系。 答：光纤通信系统主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。 系统中光发送机将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤光缆，调制过的光信号经过光纤长途传输后送入光接收机，光接收机将光纤送来的光信号还原成原始的电信号，完成信号的传送。 中继器就是用于长途传输时延长光信号的传输距离。 第二章 光纤和光缆 1．光纤是由哪几部分组成的？各部分有何作用？ 答：光纤是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层组成的。纤芯和包层是为满足导光的要求；涂覆层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。 2．光纤是如何分类的？阶跃型光纤和渐变型光纤的折射率分布是如何表示的？ 答：（1）按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤和渐变型光纤；按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤和单模光纤；按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤；按照ITU-T 关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G.651光纤（渐变型多模光纤）、G .652光纤（常规单模光纤）、G .653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（截止波长光纤）和G.655（非零色散位移光纤）光纤；按套塑（二次涂覆层）可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。 （2）阶跃型光纤的折射率分布 () 21 ???≥<=a r n a r n r n 渐变型光纤的折射率分布 () 2121?????≥