光纤通信课后习题解答 第6章 光电检测器与光接收机习题解答

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。

光纤通信课后习题参考答案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n?r????n1?n2r?a r?a?2??r???nm?1?2?????n?r????a???????nc渐变型光纤的折射率分布r?a r?a7．均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为n1=1.50，n2=1.45，光纤的长度L=10Km。

试求：（1）光纤的相对折射率差Δ；（2）数值孔径NA；（3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求裸光纤的NA和相对折射率差Δ。

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、电压一电流驱动电路和光源组件组成。

光源组件包括光源、光源一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。

电压一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。

光源一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）、光纤一光检波器耦合器、光检测器和电流一电压转换器。

光检测器将光信号转化为电流信号。

常用的器件有PIN和APD然后再通过电流一电压转换器，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1.55卩m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。

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。

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。

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。

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‎A PD。

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。

习题二1．光波从空气中以角度1θ=33°投射到平板玻璃外表上，这里的1θ是入射光与玻璃外表之间的夹角。

根据投射到玻璃外表的角度，光束一局部被反射，另一局部发生折射，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：入射光与玻璃外表之间的夹角1θ=33°，那么入射角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 sin 67/sin 33y 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 =，那么允许的最大入射角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0.38NA4．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=，假设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2233.3V 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。

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 sin 67/sin 33y 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22max 12sin 0.24NA n n 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22120.38NA n n -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22120022233.3V a n n 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。

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。

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 sin 67/sin 33y 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0.38NA4．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。

光纤通信简明教程参考答案第一章习题1-1 什么是光纤通信?目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为SiO2的光纤,它是工作在电磁波的哪个区?波长范围是多少?对应的频率范围是多少?光纤通信是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。

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。

1-2 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。

1-3 通信系统的容量用BL积表示，B和L分别是什么含义?系统的通信容量用比特率—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。

(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 请查阅最新资料论述光纤通信的发展趋势。

略第二章习题2-1 一个频率为14106⨯Hz 的光源，其发射功率为10W ，它一秒内发射多少个光子?解： 191434141052.210610626.610106,10⨯=⨯⨯⨯==⨯==-ννh P N HzW P2-2 如下两种光纤，临界角满足什么条件可以保持光在纤芯中传播?（1） 对于石英光纤，纤芯的折射率48.11=n ，包层的折射率46.12=n 。

（2） 对于塑料光纤，纤芯的折射率495.11=n ，包层的折射率402.12=n 。

解：由 12sin n n c =ϑ 得 121sin n n c -=ϑ （1）︒==-57.8048.146.1sin 1c ϑ （2）︒==-94.73495.1402.1sin 1c ϑ2-3 一单色光垂直照在厚度均匀的薄油膜上。

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。