(参考资料)光通信导论-作业1-4章(修改后)

Fiber Optic CommunicationsReview GuidelineThis guideline is aimed to provide a list of concepts covered in this course. It is advised that students should obtain a thorough understanding of the concepts, and test your understanding by answering related questions and homework problems.Chapter 1-4●Optical Fiber Basics⏹Critical angle⏹Acceptance angle⏹NA⏹Causes for transmission attenuation⏹V-number calculation⏹Estimation of mode numbers⏹Bandwidth & bit rate●Measurement⏹dB and dBm●Dispersion⏹Intermodal⏹Intramodal◆Chromatic D(λ)◆Waveguide◆PMD⏹Dispersion compensation fiber⏹Dispersion->Pulse spread -> Bandwidth●Three wavelengths:⏹Unbounded wavelength λ=v/f⏹Guided wavelength λg=λ/[1-(fc/f)2]1/2⏹Cutoff wavelength λc=v/fc●Phase and group velocity●Modes and power distributions⏹LP Modes⏹Mode classificationChapter 5-6⏹Single mode fiber basics⏹MFD⏹Cutoff wavelength⏹Waveguide dispersion and dispersion flattening⏹Loss(causes etc.)Chapter 7-8⏹Four classical preform fabrication methods⏹Intrinsic and extrinsic losses⏹Connection loss⏹Power budget (calculation)⏹Rise-time budget and bandwidth checkChapter 9-11●Transmitter module⏹Light source⏹Coupling optics⏹Driving electronics●LED basic properties⏹P-N junction⏹Internal quantum efficiency⏹Radiative/nonradiative recombination⏹Lambertian source⏹Spontaneous emission⏹Rise/fall time⏹SLED v.s. ELED●LD basic properties⏹Structure◆Waveguide gain medium◆mode⏹Optical characteristics◆Internal quantum efficiency◆External quantum efficiency◆E-O efficiency◆Slope efficiency◆Spectral linewidth◆Wavelength v.s. temperature◆Wavelength v.s. driving current◆Threshold Current●VCSEL basic properties⏹Structure⏹Advantages⏹Optical characteristics●DFB characteristics⏹structure⏹spectral linewidth●Coupling optics⏹Direct coupling⏹Lens coupling●Driving electronics●Data conversion⏹Non-return-to-zero code⏹Return-to-zero code●Modulators⏹Mach-Zehnder⏹Electroabsorptive◆Monolithic◆Low op voltage●Direct modulation⏹Delay time⏹Recombination time⏹Chirp●Noise⏹Phase fluctuations⏹Intensity fluctuationsReceiver●Receiver module⏹Photodiode⏹Coupling optics⏹Preamp⏹Quantizer⏹Filter⏹Amp/limiter⏹Decision circuit⏹Clock recovery●Photodiode⏹Silicon and InGaAs PIN◆High responsivity◆Wide Bandwidth⏹APD◆High sensitivity M~20◆High reverse bias 20V ●Common characteristics⏹Responsivity R⏹Input power v.s. output I⏹R v.s. wavelength⏹Bandwidth⏹Transit time◆drift and diffusion velocity◆Time constant (capacitance)⏹Quantum efficiency⏹Working Conditions●Noise Analysis- Noise sources⏹Shot noise⏹Thermal noise⏹Dark noise⏹1/f noise●SNR●BER●Quantum limit ->absolute minimum⏹P(n)=exp(-Np)(Np)n/n!⏹BER=0.5(P(1/0)+P(0/1)) =0.5exp(-Np)`⏹Eye diagram◆Digital SNR◆Distortions◆Jitter◆Overshoot◆UndershootChapter 12-13●TDM v.s. WDM●C-band and L-band●ITU grid●Optical Amplifier⏹SOA⏹EDFA◆Gain, SNR (equations)◆Noise figure●ASE●Tunable Lasers●Fiber Bragg grating●Multiplexer and de-multiplexer●Isolator⏹Working principle⏹Structure diagram●Circulator●。

导论作业通过本课的学习，我们进一步了解了有关通信网络，通信系统的构成及其相关技术及发展历史及未来展望等知识。

虽然我们接触的有关本专业的知识还是少的可怜，但通过课下的自主学习，上网查找资料，虽说依然没法很好的理解和掌握，但我确实对通信系统等专业知识有了一定的认识。

首先，我还是说一说通信网络的一些设计问题，大家知道，通信网由三个要素组成：终端系统、传输系统和交换系统，除此之外，还有一些通信服务系统中的规程协议，总的来说，通信网是由多个终端节点、交换节点和连接这些节点的传输系统有机地组织在一起的，按约定的信令或协议完成任意用户间信息交换的系统。

所以我认为，通信网络的设计问题主要存在于这几个重要环节中——如何提供良好的通讯终端，如何更快更好更有效更便捷更低廉地建设信息传输网，如何优化交换系统，更有效地提高交换的准确性和快速,如何优化现存的规程协议，以为用户提供更优良的服务~~这些都是我们应该在以后的学习中，经常思考，结合所学知识，认真探讨的问题。

至于这些问题于我们课程设计的相关，我总结为以下几点：1、理论基础科目；包括：通信原理、通信专业导论、大学物理、光通信（无线通信）技术基础，交换与通信网技术——了解基本技术理论2、实践、实验类型：通信原理实验、通信专业综合实验、电类工程素质训练、电路分析实验——为增强学生实践动手，理论联系实际的能力；3、电子信号传输类型：数字信号处理、电磁场与电磁波、模拟电子技术、数字电子技术等；4、计算机类型：微机原理与接口技术、电子系统课程设计、DSP 系统课程设计等。

接下来我简单说一下通信网络的发展过程。

通信网络，从最开始的最原始的电话系统网，逐渐发展完善，从有线通信网，到移动电话网，而且在发展过程中，网络有简单到复杂，由单一到多元化，现今的通信网络，包括数据通信，音频视频等多媒体通信等多种形式的网络组合而成，形成了庞大的立体多元化的通信网络，很好的为人类的各个领域各种活动服务。

光通信课后习题答案光通信课后习题答案随着科技的不断发展，光通信作为一种高速、高带宽的传输方式，被广泛应用于现代通信领域。

学习光通信的课程，对于理解和掌握光通信的原理和技术具有重要意义。

在学习过程中，课后习题是检验学生对知识掌握程度的重要方式。

下面将针对光通信课后习题给出一些答案。

1. 光通信的基本原理是什么？光通信的基本原理是利用光的传播特性，将信息通过光信号进行传输。

光通信系统主要包括光源、光纤和光接收器。

光源产生光信号，经过光纤传输到目的地，然后由光接收器将光信号转换为电信号进行处理。

2. 光纤的工作原理是什么？光纤是一种用于传输光信号的特殊材料。

它由一个或多个纤维芯和包围在外面的折射率较低的包层组成。

光信号在光纤中传播时，会发生全反射现象，即光信号在纤芯和包层的交界面上反射，沿着光纤的轴向传输。

这种全反射现象使得光信号能够在光纤中长距离传输，减少了信号衰减和干扰。

3. 光通信和电信通信相比有哪些优势？光通信相比于电信通信具有以下优势：（1）高速传输：光通信采用光信号传输，传输速度非常快，远远超过电信通信的传输速度。

这使得光通信能够满足现代通信对高速传输的需求。

（2）大带宽：光通信的频带宽度非常宽，能够传输更多的信息。

相比之下，电信通信的带宽较窄，传输的信息量有限。

（3）低损耗：光纤具有很低的传输损耗，能够保持信号的传输质量。

而电信通信在传输过程中会有较大的信号衰减和干扰。

（4）抗干扰性强：光通信的信号传输不会受到电磁干扰的影响，能够在复杂的电磁环境中保持稳定的传输质量。

4. 光通信系统中的光源有哪些种类？光通信系统中常用的光源主要有以下几种：（1）激光器：激光器是一种能够产生单色、相干、高亮度光束的光源。

激光器具有较高的发光效率和较小的谱宽，适用于长距离传输。

（2）发光二极管：发光二极管是一种半导体器件，能够将电能转换为光能。

发光二极管具有较高的发光效率和较长的寿命，适用于短距离传输。

（3）LED：LED是一种发光二极管，具有较低的成本和较长的寿命，适用于短距离传输和室内通信。

第1章 复习思考题参考答案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。

1-3 简述通信网络的分层结构构成通信网络的基础设施可用图1.1.3所示的分层模型来描述。

这种分层网络支持传统的电复用信号传输，但是也可以提供全光端对端透明连接。

在光层中传输的网络功能，如分插复用（ADM ）、交叉连接、信号存储以及业务调度均在光层中完成。

电交换/复接层( 层)LAN POTS CATVOXCOXCOXC业务和应用层光传送/网络层光接入声音视频网络管理OADMOADMOADM: OXC ：光分插复用光交叉连接SDH/ATM图 1.1.3 通信网络的分层结构1-4 比较光在空气和光纤中传输的速度，哪个传输得快答：当光通过比真空密度大的光纤时，其传播速度要减慢，如图1.2.3所示，减慢的程度与介质折射率n 成反比。

图1.2.3 光通过密度大的介质时传播速度要减慢1-5 简述抗反射膜的工作原理。

答：当光入射到光电器件的表面时总会有一些光被反射回来，除增加耦合损耗外，还会对系统产生不利的影响，为此需要在器件表面镀一层电介质材料，以便减少反射，如图1.3.6所示。

在该例中，空气折射率11=n ，器件材料是硅，5.33=n ，电介质材料选用43N Si ，其折射率9.12≈n ，在空气和硅器件折射率之间。

当入射光到达空气和抗反射膜界面时，标记为A 的一些光被反射回来，因为它是外反射，所以反射光与入射光相比有180o的相位变化。

该光波在电介质材料中传播，当到达抗反射膜和器件界面时，除大部分光进入器件外，一些光又被反射回来，标记为B 。

因为23n n >，还是外反射，B 光仍有180o 的相位变化，而且当它从抗反射膜出来时，已经受了2d 距离的传输延迟，d 为抗反射膜的厚度。

光纤通信导论光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。

随着国际互联网业务和通信业的飞速发展，信息化给世界生产力和人类社会的发展带来了极大的推动。

光纤通信作为信息化的主要技术支柱之一，必将成为21世纪最重要的战略性产业一、光纤通信系统基本构成（1）光发信机光发信机是实现电/光转换的光端机。

它由光源、驱动器和调制器组成。

其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。

电端机就是常规的电子通信设备（2）光收信机光收信机是实现光/电转换的光端机。

它由光检测器和光放大器组成。

其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。

（3）光纤或光缆光纤或光缆构成光的传输通路。

其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。

（4）中继器中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。

它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。

（5）光纤连接器、耦合器等无源器件由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1Km)。

因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。

于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。

二、光纤通信的优点(1)通信容量大、传输距离远;一根光纤的潜在带宽可达20THz。

采用这样的带宽，只需一秒钟左右，即可将人类古今中外全部文字资料传送完毕。

目前400Gbit/s 系统已经投入商业使用。

光纤的损耗极低，在光波长为1.55μm附近，石英光纤损耗可低于0.2dB/km，这比目前任何传输媒质的损耗都低。

光通信导论第一章1、某甲从南开车向北，到十字路口，他看见了红灯；某乙从东到西到这个路口，她看见的是绿灯，故甲获得a比特的信息，乙同样获得a比特的信息。

于是信号灯输出的是2a比特的信息。

这种看法对吗？为什么？答：不对。

该情况下（假定同一时刻）两个子事件（南北为红灯，东西为绿灯）不相互独立，且两个子事件反应的是的同一信息，所以不能相加；同时，由于信息的共享性，才使得甲和乙分别能够接收到a比特的信息，从而知道信号灯输出信息为a比特。

或者答：信息量是以事物所处的状态出发的，它既是客观的，又是不依赖于接收者的。

在该情况下，信号灯南北红灯，东西绿灯正是它特定的一个状态，这时这个状态的信息量是客观的，不会因为接受者的多少就有加减；至于甲和乙能同时分别获得a比特信息，是因为信息的共享性，而当前状态的信息正好有a比特。

（两种答案综合答最好，当然如果有人要分同时与不同时两种情况更好）2、测不准原理和信息论之间的关系？答：测不准原理又名不确定性原理，该原理表明：一个微观粒子的某些物理量（如位置和动量，或方位角与动量矩，还有时间和能量等），不可能同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个量的不确定程度就越大。

测量一对共轭量的误差的乘积必然大于常数h/2π（h 是普朗克常数）是海森伯在1927年首先提出的，它反映了微观粒子运动的基本规律，是物理学中又一条重要原理。

信息论中所说的信息是从事物的可能性转换为现实性的体现，也就是说如果一个事物在事前可能发生很多的状态，而事后确定了一个状态，那么排除的确定性就越大，所处的状态包含的信息量也就越大，所以说，信息论主要研究的是一个物体所带信息从可能性到现实性的过程。

3、请对信息的基本特征发表一点看法。

什么是信息的共享性？解释并举例说明。

答：信息的基本特征主要有三个，第一个是共享性，第二个特征是信息可以被传递，即信息的可传递性，第三个特征是信息的控制作用。

信息的共享性即信息可以从一个承载体传递到另一个承载体，但传递过程不会使原有承载体信息减少，例如，一本书里面承载了大量的星系，某人阅读之后，他获得了很多信息。

线接入，而且在车载移动通信、热点地区和室内覆盖、雷达信号传输等方面有广阔的应用前景。

构建城域宽带网、建设覆盖城乡的信息服务体系已列为北京市信息化发展规划以满足未来对宽带接入需求，以ROF 技术为基础的无线宽带接入能够提供更大的接入带宽和灵活性，可以为北京市城域宽带网的无线接入部分提供技术支撑。

最近，ROF通信技术已经成为光通信领域的研究热点，国内外很多科研机构和高校都展开了ROF 技术的研究工作，很多研究组已经在实验室搭建了试验平台，这些研究工作将推着ROF技术逐渐走向商用应用。

另外，在光标记交换领域，利用高频的无线信号调制光波实现的副载波（SCM）光标记和光载波抑制（OCSS）光标记现已有一些研究，这两种标记实现方案有很好的应用前景，但还有一些问题需要深入研究，本论文对SCM光标记信号的传输距离受限问题和OCSS光标记分组的全光波长变换问题进行了深入研究，并得到了一些有价值的结论。

本论文对ROF技术和基于射频调制的光标记交换技术进行了深入研究，主要研究内容和成果（黑体部分）如下：1．分析比较了直接调制、外调制、光外差和频率上转换等多种光载射频信号产生技术。

首先介绍了直接调制技术产生的光载毫米波信号的基本原理及其性能。

然后重点研究了基于铌酸锂外调制器的光载毫米波信号的产生问题，分析了基于M-Z结构的铌酸锂外调制器的光外调制技术产生的三种频谱结构（DSB、SSB和OCS）的光载毫米波信号的机理和所需要的偏置电压、射频信号的幅度和相位等参数，并对所产生的光载毫米波信号的光谱结构和光电流等进行了详尽的理论和实验研究。

分析表明：DSB光载毫米波信号的频谱效率只有SSB和OCS光载毫米波信号的频谱效率的一半；产生相同频率的光载毫米波信号，OCS调制方案所需要的射频信号频率只有DSB和SSB调制方案的一半；在光纤传输之前，这三种光载毫米波各光波成分的初始相位虽然不同，但由光电探测器解调得到的毫米波信号性能并无明显差别。

《光纤通信导论》习题1、填空题*光纤通信是以___________ 为载频，以_______________ 为传输介质的通信方式。

* 1966年7月，英籍华人__________ 博士从理论JL分析证明了用光纤作为传输介质以实现光通信的可能性:I960年7月，美国科学家______________ 发明了红宝石激光器。

*光纤通信系统的短波长窗口为____________ ,长波长窗口为____________ 。

*光纤通信系统的通信窗口波长范围为____________ 。

*在光通信发展史上，___________ 和_________ 两个难题的解决，开创了光纤通信的时代。

*光纤的导光原理与结构特性可用____________ 理论与__________ 理论两种方法进行分析。

*单模光纤屮不存在___________ 色散，仅存在 __________ 色散，具体来讲，可分为和_________ 匚*光纤色散参数的单位为___________ ,表示两个波长间隔为___________ 的光波传输后到达时间的延迟*对纯石英光纤，在入二___________ 处，色散参数D二几+D尸0,这个波长称为_________ 。

*在单模光纤屮，由于光纤的双折射特性使两个正交偏振分量以不同的群速度传输，也将导致光脉冲展宽，这利现象称为_________________ 色散。

*单模传输条件是归一化参量V ____________ 。

*允许单模传输的最小波长称为____________ o*数值孔径（NA）越大，光纤接收光线的能力就越____________ ,光纤与光源之间的耦合效率就越__________*光缆大体上都是由___________ 、 _________ 和________ 三部分组成的。

*常用的光缆敷设方式有___________ 、__________ 和________ 等儿种。

*按缆芯结构的不同，工程屮常用的光缆分为___________ 式、______ 式、______ 式三种类型。

光子学与光通信导论第一章 绪论光子学内涵从电子学到光子学光子的特性从牛顿力学到相对论光的波动性与粒子性光电效应1.维恩位移定律：例题：1．用波长为400 nm 的紫光去照射某种金属，观察到光电效应，同时测得遏止电势差为1.24 V ，试求该金属的红限和逸出功。

解: 由爱因斯坦方程，得 等号两边同除以普朗克常量h ，得 等号左边等于红限ν 0，所以因为所以：代入数值，得根据逸出功A 与红限ν 0的关系，可求得逸出功2．有一钾薄片，距光源3米，此光源功率为1瓦。

钾原子以原子半径为0.5A 。

(0.05nm)的圆面积来吸收光能量，并发射光电子。

光电子脱离钾表面的脱出功为1.8eV 。

问按波动的观点，钾原子要从光源吸收到这么些光能量，需要多长时间？解 钾原子面积上照到的光能量为： 2a 21mueV =h eV ca0-=λνKcm C T ax m ⋅==⋅2898.00λhX ckT B ⋅==⋅⋅2014.01max λsJ h ck C h X c kT BB ⋅⨯=⋅=⋅==⋅⋅-3401max 10626.62014.0λ221mu h A -=νhmu h A 22-=νhmu c 220-=λν.Hz 10514Hz10992Hz 10507Hz1063624110601Hz 10004100031414143419780⨯=⨯-⨯=⨯⨯⨯-⨯⨯=---........νeV1.87=J 10992J 10636105141934140--⨯=⨯⨯⨯==...h A ν()秒焦耳瓦米米/107134)105.0(232210--⨯=⨯⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯⨯=ππP逸出光电子所需的时间：显然用光波动理论无法解释光电效应第二章 波粒二象性及测不准原理光压光学黏胶几率波测不准原理 1.光是波、也是粒子：• 光是波 它具有波长 λ 和频率ν • 光是粒子 它具有能量 E 和动量 Р 动量光子质量光子质量与波长成反比 例题：1.用强光照射 Na 原子 (原子量为 23, 原子直径 1 A), 若要求光子产生的压力比重力产生的压力大 10 倍, 试求入射的光强度为多少? 解 按题意写出式中 m = 23 M p, g = 10 (m / Sec 2)为重力加速度, S 为 Na 原子的截面积。