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光纤通信课后习题答案光纤通信课后习题答案光纤通信作为现代通信技术的重要组成部分，已经在我们的日常生活中扮演着至关重要的角色。
通过光纤传输信息可以实现高速、大容量的数据传输，极大地改善了我们的通信体验。
而在学习光纤通信的过程中，习题是检验我们对知识掌握程度的重要途径。
下面是一些光纤通信课后习题的答案，希望能对大家的学习有所帮助。
1. 什么是光纤通信？光纤通信是一种利用光纤作为传输媒介，使用光信号来传输信息的通信方式。
它通过将信息转换为光信号，并通过光纤进行传输，最后再将光信号转换为电信号，实现信息的传输和接收。
光纤通信具有高速、大容量、低损耗等优点，被广泛应用于电话、互联网、电视等领域。
2. 光纤通信的基本原理是什么？光纤通信的基本原理是利用光的全反射特性来实现光信号的传输。
光信号在光纤中传输时，会一直沿着光纤内壁发生反射，从而避免了光信号的能量损失。
光纤通信系统主要由光源、光纤、光探测器等组成。
光源产生的光信号经过调制后，通过光纤传输到目的地，然后被光探测器接收并转换为电信号。
3. 光纤通信相比于传统通信有哪些优势？光纤通信相比于传统通信具有以下优势：- 高速传输：光信号的传输速度非常快，可以达到光速的30%左右，远远超过了传统的电信号传输速度。
- 大容量传输：光纤通信可以同时传输大量的信息，其传输容量远远超过了传统的铜线通信。
- 低损耗：光信号在光纤中传输时，损耗非常小，可以实现长距离的传输。
- 抗干扰性强：光信号在光纤中传输时，不容易受到外界电磁干扰的影响，保证了通信的稳定性和可靠性。
4. 光纤通信的应用领域有哪些？光纤通信在现代社会的各个领域都有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：- 电话通信：光纤通信在电话网络中被广泛应用，可以实现高质量、高速度的语音通信。
- 互联网通信：光纤通信是互联网的基础设施之一，可以实现高速、大容量的数据传输，提供了更快速、稳定的网络连接。
- 电视传输：光纤通信在有线电视网络中被广泛应用，可以实现高清晰度、大容量的视频传输。
1《光纤通信网络（第2版）》习题及题解3-16 从SDH 的帧结构计算STM-1和STM-64每秒传送的比特速率 解：对于STM-1（N = 1），每秒传送的比特速率为8 比持/字节 ⨯ 9 ⨯ 270字节/帧 ⨯ 8 000帧/秒 = 155.52 Mb/s对于STM-64（N = 6 4），每秒传送速率为 8 ⨯ 9 ⨯ 270 ⨯ 64 ⨯ 8 000 = 9953.28 Mb/sSDH 各等级信号的标准速率如附录F 所示。
4-1 mW 和dBm 换算一个LED 的发射功率是3 mW ，如用dBm 表示是多少？经过20 dB 损耗的光纤传输后还有多少光功率？解：LED 的输出功率用式（B.1）计算为dBm = 10 log P = 10 log 3 ≈ 4.77 dBm或者从附录D 中查表也可以近似得到。
经过20 dB 损耗的光纤传输后，还有4.77 - 20 = -15.23 dBm 的光功率。
4-2 光纤衰减注入单模光纤的LD 功率为1 mW ，在光纤输出端光电探测器要求的最小光功率是10 nW ，在1.3 μm 波段工作，光纤衰减系数是0.4 dB/km ，请问无需中继器的最大光纤长度是多少？ 解：由式（4.1.3）可得3in9dB out111010lg 10lg 125 km 0.41010PL P α--⎛⎫⎛⎫=== ⎪ ⎪⨯⎝⎭⎝⎭4-3 计算单模光纤脉冲展宽考虑波长1 550 nm 处，用群速度色散17 ps/nm ⋅km 的标准单模光纤传输10 Gb/s 的信号，计算经100 km 传输后的脉冲展宽。
如果改用色散值为3.5 ps/nm ⋅km 的色散移位单模光纤传输，脉冲展宽又是多少？ 解：对于10 Gb/s 的信号，其脉冲宽度为τ = 100 ps ，光谱带宽近似为∆f = 1/τ = 10 GHz ，对应的波长带宽由附录式（F.4）得到nm 08.01031010101.5589262=⨯⨯⨯=∆=∆-）（ c f λλ 利用式（4.1.6）可以得到标准单模光纤的脉冲展宽为ps 13608.010100173cd =⨯⨯⨯=∆=∆λτDL色散移位单模光纤的脉冲展宽为2ps 2808.0101003.53cd =⨯⨯⨯=∆=∆λτDL4-4 计算单模光纤带宽计算例4-3的标准单模光纤段和色散移位光纤段的带宽。
![(完整版)[光纤通信]西电第二版课后习题答案](https://img.taocdn.com/s1/m/3dc093b158fb770bf68a5526.png)
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。
6．简述WDM 的概念。
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⎩⎨⎧≥<=ar n ar n r n 渐变型光纤的折射率分布 () 2121⎪⎩⎪⎨⎧≥<⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-=ar n a r a r n r n cm α 3．阶跃型光纤和渐变型光纤的数值孔径NA 是如何定义的？两者有何区别？它是用来衡量光纤什么的物理量？答：阶跃型光纤的数值孔径 2sin 10∆==n NA φ 渐变型光纤的数值孔径 ()() 20-0sin 220∆===n n n NA c φ两者区别：阶跃型光纤的数值孔径是与纤芯和包层的折射率有关；而渐变型光纤的数值孔径只与纤芯内最大的折射率和包层的折射率有关。
数值孔径是衡量光纤的集光能力，即凡是入射到圆锥角φ0以内的所有光线都可以满足全反射条件，在芯包界面上发生全反射，从而将光线束缚在纤芯中沿轴向传播。
4．简述光纤的导光原理。
答：光纤之所以能够导光就是利用纤芯折射率略高于包层折射率的特点，使落于数值孔径角)内的光线都能收集在光纤中，并在芯包边界以内形成全反射，从而将光线限制在光纤中传播。
1-1光纤通信的优缺点各是什么？答 与传统的金属电缆通信、磁波无线电通信相比，光纤通信具有如下有点：（1）通信容量大。
首先，光载波的中心频率很高，约为2×1014Hz ，最大可用带宽一般取载波频率的10%，则容许的最大信号带宽为20000 GHz （20 THz ）；如果微波的载波频率选择为20 GHz ，相应的最大可用带宽为2GHz 。
两者相差10000倍。
其次，单模光纤的色散几乎为零，其带宽距离（乘）积可达几十GHz*km ；采用波分复用（多载波传输）技术还可使传输容量增加几十倍至上百倍。
目前，单波长的典型传输速率是10 Gb ／s ，一个采用128个波长的波分复用系统的传输速率就是1.28 Tb ／s 。
（2）中继距离长。
中继距离受光纤损耗限制和色散限制，单模光纤的传输损耗可小于0.2 dB ／km ，色散接近于零。
（3）抗电磁干扰。
光纤由电绝缘的石英材料制成，因而光纤通信线路不受普通电磁场的干扰，包括闪电、火花、电力线、无线电波的干扰。
同时光纤也不会对工作于无线电波波段的通信、雷达等设备产生干扰。
这使光纤通信系统具有良好的电磁兼容性。
（4）传输误码率极低。
光信号在光纤中传输的损耗和波形的畸变均很小，而且稳定，噪声主要来源于量子噪声及光检测器后面的电阻热噪声和前置放大器的噪声。
只要设计适当，在中继距离内传输的误码率可达10-9甚至更低。
此外，光纤通信系统还具有适应能力强、保密性好以及使用寿命长等特点。
当然光纤通信系统也存在一些不足：(1) 有些光器件(如激光器、光纤放大器)比较昂贵。
(2) 光纤的机械强度差。
为了提高强度，实际使用时要构成包含多条光纤的光缆，在光缆中要有加强件和保护套。
(3) 不能传送电力。
有时需要为远处的接口或再生的设备提供电能，光纤显然不能胜任。
为了传送电能，在光缆系统中还必须额外使用金属导线。
(4) 光纤断裂后的维修比较困难，需要专用工具。
1-2 光纤通信系统由哪几部分组成?简述各部分作用。
1-1光纤通信的优缺点各是什么？答 与传统的金属电缆通信、磁波无线电通信相比，光纤通信具有如下有点：（1）通信容量大。
首先，光载波的中心频率很高，约为2×1014Hz ，最大可用带宽一般取载波频率的10%，则容许的最大信号带宽为20000 GHz （20 THz ）；如果微波的载波频率选择为20 GHz ，相应的最大可用带宽为2GHz 。
两者相差10000倍。
其次，单模光纤的色散几乎为零，其带宽距离（乘）积可达几十GHz*km ；采用波分复用（多载波传输）技术还可使传输容量增加几十倍至上百倍。
目前，单波长的典型传输速率是10 Gb ／s ，一个采用128个波长的波分复用系统的传输速率就是1.28 Tb ／s 。
（2）中继距离长。
中继距离受光纤损耗限制和色散限制，单模光纤的传输损耗可小于0.2 dB ／km ，色散接近于零。
（3）抗电磁干扰。
光纤由电绝缘的石英材料制成，因而光纤通信线路不受普通电磁场的干扰，包括闪电、火花、电力线、无线电波的干扰。
同时光纤也不会对工作于无线电波波段的通信、雷达等设备产生干扰。
这使光纤通信系统具有良好的电磁兼容性。
（4）传输误码率极低。
光信号在光纤中传输的损耗和波形的畸变均很小，而且稳定，噪声主要来源于量子噪声及光检测器后面的电阻热噪声和前置放大器的噪声。
只要设计适当，在中继距离内传输的误码率可达10-9甚至更低。
此外，光纤通信系统还具有适应能力强、保密性好以及使用寿命长等特点。
当然光纤通信系统也存在一些不足：(1) 有些光器件(如激光器、光纤放大器)比较昂贵。
(2) 光纤的机械强度差。
为了提高强度，实际使用时要构成包含多条光纤的光缆，在光缆中要有加强件和保护套。
(3) 不能传送电力。
有时需要为远处的接口或再生的设备提供电能，光纤显然不能胜任。
为了传送电能，在光缆系统中还必须额外使用金属导线。
(4) 光纤断裂后的维修比较困难，需要专用工具。
1-2 光纤通信系统由哪几部分组成?简述各部分作用。
答 光纤通信系统由发射机、接收机和光纤线路三个部分组成(参看图1．4)。
发射机又分为电发射机和光发射机。
相应地，接收机也分为光接收机和电接收机。
电发射机的作用是将信(息)源输出的基带电信号变换为适合于信道传输的电信号，包括多路复接、码型变换等：光发射机的作用是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。
光发射机由光源、驱动器、调制器组成，光源是光发射机的核心。
光发射机的性能基本取决于光源的特性；光源的输出是光的载波信号，调制器让携带信息的电信号去改变光载波的某一参数(如光的强度)。
光纤线路把来自于光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。
光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。
光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。
光接收机把从光纤线路输出的产生畸变和衰减的微弱光信号还原为电信号。
光接收机的功能主要由光检测器完成，光检测器是光接收机的核心。
电接收机的作用一是放大，二是完成与电发射机相反的变换，包括码型反变换和多路分接等。
1-3 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5 GHz 的微波载波和1.55μm 的光载波上能传输多少64 kb/s 的话路?解 在5GHz 微波载波上能传输的64 kb/s 的话路数935101%781()6410k ⨯⨯=≈⨯路 在1.55m μ的光载波上能传输的64kb/s 的话路数8678310()1%1.5510 3.024210()6410k -⨯⨯⨯==⨯⨯路 1-4 简述未来光网络的发展趋势及关键技术。
答 未来光网络发展趋于智能化、全光化。
其关键技术包括：长波长激光器、低损耗单模光纤、高效光放大器、WDM 复用技术和全光网络技术。
1-5 光网络的优点是什么?答 光网络具有如下的主要优点：(1) 可以极大地提高光纤的传输容量和结点的吞吐量，以适应未来宽带(高速)通信网的要求。
(2) 光交叉连接器(oXC)和光分插复用器(OADM)对信号的速率和格式透明，可以建立一个支持多种业务和多种通信模式的、透明的光传送平台。
(3) 以波分复用和波长选路为基础，可以实现网络的动态重构和故障的自动恢复，构成具有高度灵活性和生存性的光传送网。
光网状网具有可重构性、可扩展性、透明性、兼容性、完整性和生存性等优点，是目前光纤通信领域的研究热点和前沿。
2-3 均匀光纤，若n 1=1.50，0 1.30m λμ=，试计算：(1) 若∆=0.25，为了保证单模传输，其芯半径应取多大？ (2) 若取5a m μ=，为保证单模传输，∆应取多大？ 解 (1) 由单模传输条件2.405V =≤推导出a ≤其中， 1.3m λμ=，211 1.125n n n =-∆∙=，则60.501a m μ-≤=(2) 当5a m μ=时，2.4052aλπ⨯≤解得1210.0016n n n -∆≤=。
2-4 目前光纤通信为什么采用以下三个工作波长：10.85m λμ=，2 1.31m λμ=，3 1.55m λμ=？答 10.85m λμ=，2 1.31m λμ=，3 1.55m λμ=附近是光纤传输损耗较小或最小的波长“窗口”，相应的损耗分别为2~3dB/km 、0.5dB/km 、0.2dB/km ，而且在这些波段目前有成熟的光器件（光源、光检测器等）。
2-8 阶跃折射率光纤中n 1=1.52,n 2=1.49。
（1） 光纤浸在水中（n 0=1.33），求光从水中入射到光纤输入端面的最大接收角； （2） 光纤放置在空气中，求数值孔径。
解 （1）如图2.4所示，由12sin sin 90c n n οψ=得21 1.49sin 0.981.52c n n ψ===由 22cos sin 1c c ψψ+= 得cos 0.198c ψ≈由01sin cos c c n n θψ=得10cos 1.520.198sin 0.2261.33c c n n ψθ⨯=== 13c οθ=（2）0.3NA ==≈2-9 一阶跃折射率光纤，折射率n 1=1.5，相对折射率差∆=1%，长度L=1km 。
求：（1） 光纤的数值孔径；（2） 子午线的最大时延差； （3） 若将光纤的包层和涂敷层去掉，求裸光纤的NA 和最大时延差。
解 （1）0.212NA n =≈≈（2）1max 81.510000.0150310n L ns c τ⨯∆≈∆=∙=⨯ （3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，则此时n 1=1.5，n 2=1.0，所以1.118NA ===112max 22.5n L n n s c n τμ-∆≈∙= 2-10 一阶跃折射率光纤的相对折射率差∆=0.005，n 1=1.5，当波长分别为0.85m μ、1.31m μ、1.55m μ时，要实现单模传输，纤芯半径a 应小于多少？解 由单模传输的条件2.405V =≤推导出a ≤0.15n ≈=当0.85m λμ=时，62.4050.85102.16420.15a m μπ-⨯⨯≤≈=⨯同理，当 1.31m λμ=时， 3.343a m μ≤；当 1.55m λμ=时， 3.955a m μ≤。
2-12 一个阶跃折射率光纤，纤芯折射率n 1=1.4258，包层折射率n 2=1.4205.该光纤工作在1.3m μ和1.55m μ两个波段上。
求该光纤为单模光纤时的最大纤芯直径。
解 由截止波长c λ=得c λλ≥时单模传输，由已知条件得 1.30c m λμ≤，则2 1.39.53a m μ≤==即该光纤为单模光纤时，最大纤芯直径为9.53m μ。
2-18 已知阶跃光纤纤芯的折射率1n =1.5，相对折射率差∆=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 由121n n n -∆=得光纤包层折射率 21(1)n (10.01) 1.5 1.485n =-∆=-⨯=则光纤归一化频率6622251033.210V ππλ--==⨯⨯≈ 对于阶跃光纤，传播的模数量2233.2551.1222V M ≈==2-21 有阶跃型光纤，若1n =1.5，0 1.31m λμ=，那么（1） 若∆=0.25，为保证单模传输，光纤纤芯半径a 应取多大?（2） 若取纤芯半径a =5m μ，保证单模传输时，∆应怎么样选择? 解 （1）由单模传输条件2.405V =≤得a ≤而 1.31m λμ=，211 1.125n n n =-∆∙=，则60.5015a m μ-≤=（2）当a =5m μ时，2.405 2.405 1.310.0995225aλππ⨯⨯≤==⨯则22222210.0995 1.50.0995 2.2400n n≥-=-=即2n所以1210.0016n nn-∆=≤=3-1 设激光器激活物质的高能级和低能级的能量各为2E和1E，频率为f，相应能级上的粒子密度各为2N和1N。
试计算：（1）当f=3000 MHz，T=300 K时，21N N=？（2）当1mλμ=，T=300 K时，21N N=？（3）当1mλμ=，若21N N=0.1，环境温度T=？（按波尔兹曼分布规律计算）解由波尔兹曼条件得21E E hf-=，其中346.62810h J s-=⨯∙。
（1）f=3000 MHz，T=300 K时，34924216.62810310 2.010E E hf---==⨯⨯⨯≈⨯所以24221231210exp()exp()0.99951.38110300N E EN kT---⨯=-=-=⨯⨯（2）当1mλμ=，T=300 K时，348192166.628103101.9881010hcE Eλ---⨯⨯⨯-===⨯所以212211exp() 1.4510N E EN kT--=-=⨯（3）当1mλμ=，21N N=0.1时，求得19142134211.988106.2510(K)ln() 1.38110ln(0.1)E ETk N N---⨯=-=-=⨯⨯⨯⨯3-2 某激光器采用GaAs为激活媒质，问其辐射的光波频率和波长各为多少?解 GaAs禁带宽度为gE=1.424 eV，由ghf E=（h为普朗克常数，h=6.628×10-34 J·s），可得以GaAs为激活媒质的激光器的辐射光波频率和波长分别为198341.424 1.610 3.44106.62810gE f MHz h --⨯⨯===⨯⨯ 1.24 1.240.871.424g g c hc m f E E λμ===== 3-3 半导体激光器（LD ）有哪些特性?答 LD 的主要特性有：（1） 发射波长和光谱特性：发射波长 1.24g E λ=；激光振荡可能存在多种模式(多纵模)，即在多个波长上满足激光振荡的相位条件，表现为光谱包含多条谱线。
