光纤通信技术(第2版)课后答案孙学康张金菊人民邮电出版社
习题
1.阶跃型光纤和渐变型光纤的主要区别是什么? 答:阶跃型光纤的纤芯折射率n1沿半径方向保持一 致,包层折射率n2沿半径方向也保持一定,而纤芯 和包层的折射率在边界处呈阶段型变化。 渐变型光纤的纤芯折射率n1随半径加大而减 小,而包层中的折射率n2是均匀的
2.什么是弱导波光纤?为什么标量近似解只适用于 弱导波光纤? 答:纤芯折射率n1与包层折射率n2差极小时,这种 光纤称为弱导波光纤 在弱导报光纤中,光射线几乎与光纤轴平行, 因此弱导波光纤中的E和H几乎与光纤轴线垂直,所 以对于弱波导光纤中的E和H分布是一种近似的TEM 波,这种波具有横向场的极化方向在传输过程中保 持不变的横电磁波,可以看成为线极化波。而E和H 近似在横截面上,而且空间指向基本不变,这样就 可把一个大小和方向都沿传输方向变化的空间矢量E 变为沿传输方向其方向不变的标量E,因此,它将满 足标量的亥姆霍兹方程
3.什么是光纤的数值孔径?在阶跃型光纤中,数值 孔径为什么等于最大射入角的正弦? 答:光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为光纤的 数值孔径 在阶跃型光纤中,由于纤芯中的折射指数n1是 不变的,因此纤芯中的各点数值孔径不随半径r变 化,所以只要小于最大入射角的所有射线均可被光 捕捉
4.什么是光纤的归一化频率?如何判断某种模式能 否在光纤中传输? 答:光纤的归一化频率是一个直接与光的频率成正 比的无量纲的重要参量,它仅仅决定于光纤的结构 参数和波长。定义为它的平方为导波的径向归一化 相位常数与导波的径向归一化衰减常数的平方和 对于阶跃型光纤,运用标量解的特征方程解出 方程中的U(或W),从而确定传输常数β,分析其 传输特性;对于渐变型光纤,也是通过确定出传输 常数β,从而分析其传输特性
5.为什么说采用渐变型光纤可以减小光纤中的模式 色散? 答:模式色散是由于不同模式的光功率脉冲沿不同 轨迹传输,由于每个模式的轴向传输速度不同,于 是它们在相同的光纤长度上到达某一点所需要的时 间不同,从而使得沿光纤行进的脉冲在时间上展宽。 而渐变型光纤利用了n随r变化的特点,消除了模式 色散
6.试推导渐变型光纤子午线的轨迹方程 答:P15 如式:2-2-18
7. 什么是单模光纤?其单模传输条件是什么? 答:单模光纤是在给定的工作波长上,只传输单一 基模的光纤 在阶跃单模光纤中,只传输LP01(或称HE11)模。 因为 LP01模的归一化截至频率为 Vc(LP11)=2.40483 而模式的传输条件是V>Vc可传,V≤Vc截至,因 此,要保证光纤中只传输LP01一个模式则必须要求: VC(LP01)
即: 0
8. 什么是单模光纤的双折射? 答:在单模光纤中,电场沿x方向或y方向偏振的偏 x y 振模LP 及LP ,当它们的相位常数不相等时(即βx≠ βy),这种现象称为模式的双折射
9. 什么是光纤的色散?色散的大小用什么来描述? 色散的单位是什么? 答:光纤中传送的信号是由不同的频率成分和不同 的模式成分构成的,它们有不同的传输速度,将会 引起脉冲波形的形状发生变化。从波形在时间上展 宽的角度去理解,也就是光脉冲在光纤中传输,随 着传输距离的加大,脉冲波形在时间上发生了展 宽,这种现象称为光纤的色散
10.什么是模式色散?材料色散?波导色散? 答:模式色散:光纤中的不同模式,在同一波长下 传输,各自的相位常数βmn不同所引起的色散 材料色散:由于光纤材料本身的折射指数n和波 长λ呈非线性关系,从而使光的传播速度随波长而 变化所引起的色散 波导色散:光纤中同一模式在不同的频率下传输 时,其相位常数不同所引起的色散
11.什么是光纤的非线性效应? 答:在强光场的作用下,光波信号和光纤介质相互 作用的一种物理效应。主要包括两类:一类是由于 散射作用而产生的非线性效应,如受激拉曼散射及 布里渊散射;另一类是由于光纤的折射指数随光强 度变化而引起的非线性效应
12.什么是受激拉曼散射和受激布里渊散射? 答:如设入射光的频率为f0,介质分子振动频率为 fv,则散射光的频率为:fs=f0士fv,这种现象称为受 激拉曼散射 受激布里渊散射与受激拉曼散射相比较物理过 程很相似,都是在散射过程中通过相互作用,光波 与介质发生能量交换,但受激布里渊散射所产生的 斯托克斯波在声频范围,其波的方向和泵浦光波方 向相反,而受激拉曼散射所产生的斯托克斯波在光 频范围,其波的方向和泵浦光波方向一致
13.自相位调制、交叉相位调制以及四波混频的基本 概念是什么? 答:光脉冲在传输过程中由于自身引起的相位变化 而导致光脉冲频谱展宽的这种现象称为自相位调制 由光纤中某一波长的光强对同时传输的另一不 同波长的光强度所引起的非线性相移,称为交叉相 位调制 由三阶电极化率x参与的三阶参量过程,由于光 纤中非线性效应的存在,光波之间会产生能量交 换,三阶电极化率将会引起第四种频率的光波出 项,该光波可以是三个入射光波频率的各种组合, 因而产生四波混频现象
14.什么是光孤子通信? 答:光孤子通信是利用光孤子来实现在光纤中所传 输的光信号能够保持其脉冲波形的稳定,从而提高 系统的传输距离
15.弱导波阶跃光纤纤芯和包层的折射指数分别
为 n1=1.5,n2=1.45,试计算: (1)纤芯和包层的相对折射指数差 (2)光纤的数值孔径NA 解:(1) 是弱导波光纤
可用公式:
n1 n 2 n1
代入n1,n2得: 0.0333
(2)
NA n1 n2 n1 2
2 2
代入(1)中的
可得:
NA 0.3873
16.已知阶跃光纤纤芯的折射指数为n1=1.5,相对折 射指数差 0.01、纤芯半径a=25μm,若 λ0=1μm,计算光纤的归一化频率值及其中传播的 模数量。 解:
V 2 n1k0 a
又
k0
2
代入数据可得归一化频率为:
V 32.3216
0
M max
V 4
2
代入数据可得:
M max 261
17.阶跃型光纤,若n1=1.5,λ0=1.31μm, (1)若 0.01 ,当保证单模传输时,纤芯半径a 应取多大? (2)若去纤芯半径a=5μm,保证单模传输时, 应怎样选择? 解:(1) 要保证单模传输,则要求: 0
V 2 n1k0 a
0
代入数据可得:
2 n1k0 a 2.40483
0 2 0.01 1.5
2
0
a 2.40483
得:
0 a 2.36358 ( m)
18.渐变型光纤的折射指数分布为
r a n(r ) n(0) 1 2( ) a
求出光纤的本地数值孔径 解:
2
1 2
NA(r ) n (r ) n (a )
2
得:
a a 2 NA(r ) n (0) 1 2( ) n (a ) r
2
a a 2 a a NA(r ) n (0) 1 2 ( ) n (0) 1 2 ( ) r a
2
a a NA(r ) 2n (0) 1 ( ) r
2
其中r为光纤纤芯中任一点到轴线之间的距离
习题
1.光与物质间的相互作用存在哪三种基本物理过程?它 们各自的特点是什么? 答:三种基本物理过程:自发辐射、受激吸收以及受激 辐射 自发辐射的特点: (1)这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生 的,是自发跃迁 (2)由于发射出光子的频率决定于所跃迁的能级, 而发生自发辐射的高能级不是一个,可以是一个系列的 高能级,因此,辐射光子的频率亦不同,频率范围很宽
(3)即使有些电子是在相同的能级差间进行跃迁 的,也就是辐射出的光子的频率相同,但由于它们是独 立地、自发地辐射,因此它们的发射方向和相位也是各 不相同的,是非相干光 受激吸收的特点: (1)这个过程必须在外来光子的激发下才会产生 (2)外来光子的能量等于电子跃迁的能级之差 (3)受激跃迁的过程不是放出的能量,而是消耗外 来光能 受激辐射的特点: (1)外来光子的能量等于跃迁的能级之差
(2)受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频 率相同,而且相位、偏振方向和传播方向都相同,因此 称它们是全同光子 (3)这个过程可以使光得到放大。因为受激
过程中 发射出来的光子与外来光子是全同光子,相叠加的结果 使光增加,使入射光得到放大,所以受激辐射引起光放 大,是产生激光的一个重要的基本概念
2. 什么是粒子数反转分布?怎样才能实现光放大?
答:低能级上的粒子密度大于表示高能级上的粒子密 度,这种粒子数一反常态的分布称为粒子数反转分布。 为了使物质能够产生光的放大,就必须使受激辐射 作用大于受激吸收作用,也就是必须使N2>N1,而在正 常状态时N2
3.构成激光器必须具备的条件是什么?
答:激光器必须包括以下三部分:能够产生激光的工作 物质,能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励 源,能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。
4.什么是激光器的阈值条件? 答:激光器需满足一定的条件才可以发出激光,要使激 光器产生自激振荡,最低限度应要求激光器的增益刚好 能抵消它的衰减。将激光器能产生激光振荡的最低限度 称为激光器的阈值条件 阈值条件为:
1 1 Gt i ln 2l r1r2
5.简述半导体的光电效应? 答:光照射到半导体的P-N结上,若光子能量足够大,则 半导体材料中价带的电子吸收光子的能量,从价带越过 禁带到达导带,在导带中出现光电子,在价带中出现光 空穴,即光电子—空穴对,又称光电子载流子。
光生载流子在外加负偏压和内建电电场的作用下, 在外电路中出现光电流,从而在电阻R上有信号电压产生。 这样,就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转 换作用。
6.什么是雪崩增益效应? 答:在半导体的P-N结上加高反向电压,在结区形成一个 强电场;在高场区内光生载流子被强电场加速,获得高 的动能,与晶格的原子发生碰撞,使价带的电子得到了 能量;越过禁带到导带,产生了新的-空穴对;新产生的 电子-空穴对在强电场中又被加速,再次碰撞,又激发出 新的电子-空穴对……如此循环下去,像雪崩一样的发 展,从而使光电流在管子内部获得了倍增,这种现象叫 做雪崩增益效应
7.试比较P-N结光电二极管、PIN光电二极管以及APD雪 崩光电二极管的优缺点 答:P-N结光电二极管优点:简单;缺点:P76 第一段 PIN光电二极管优点:P76 第二段;缺点:P76 第五 段 APD雪崩光电二极管优点:P76 最后一段和P77 第一 段;缺点:P77 倒数第二段
8.画出EDFA的结构示意图,并简述各部分的主要作用。 答: P81 图3-27 主要作用:在图3-27下的五段
9.简述EDFA的工作原理 答: P81-P82 (2)EDFA的
工作原理中内容
10.EDFA的主要特征指标是什么?说明其含义。 答: P83 “3.EDFA的主要特征参数” 这一部分
11.为什么说F-P腔型滤波器具有频率选择性? 答: P91 第六段 由于两反射镜的反射系数……
12.简述光定向耦合器、光隔离器、光环行器以及光开 关在光纤通信系统中的作用 答: 光定向耦合器:P88 倒数第二段 光隔离器:P89 倒数第二段 光环行器:P90 最后一段
13.试用图说明光波长转换器的工作原理。 答: P92 图3-45 P93 图3-46
14.什么是波分复用技术?
答:P93 第一段
15.简述光波分复用器的工作原理。 答:P94 “(1)光波分复用器的工作原理”的内容
16.简述RFA的工作原理。 答:P86 “(2)RFA的工作原理”的内容
17.RFA具有哪些特点? 答:P85 “1.RFA的特点”的内容
习题
1.对光发射机有哪些要求? 答:P99 “(2)对光发射机的要求”的内容
2.什么是消光比? 答: P99 “③较好的消光比”中
3.请画出SDH数字光纤通信系统中的光发射机基本组成 方框图 答: P100 图4-2 光数字发射机原理图
4.光纤通信中常用的线路码型是什么? 答: P97 –P98 ”4.1.1 光纤通信中的线路码型“中内容
5.光电检测器在接收机中的作用是什么? 答: P102 ”①光电检测器”中的内容
6.请画出光纤通信系统的基本结构图。 答: P108 图4-22 IM-DD光纤通信系统原理方框图
7.IM-DD光纤通信系统中存在哪些噪声?
答: 接收机噪声中主要有散粒噪声、暗噪声和热噪声三 种。如果接收机中采用APD作为光电检测器,那么系统 中还会存在雪崩噪声
8. 采用EDFA作为光中继器的IM-DD光通信系统中存在 的主要噪声是什么? 答: P117 第3行开始的一段内容
9.一个622Mbit/s单模光缆通信系统,系统中所采用的 是InGaAs隐埋异质结构多纵模激光器,其标称波 长 1 1310nm ,光脉冲谱线宽度max 2nm 。发送光 功率PT 2dBm。如用高性能的PIN-FET组件, BER 110 10 条件下得到接收灵度PR 28dBm 。光 可在 纤固有衰减系数0.25dB/km,光纤色散系数 D=1.8ps/(km·nm),问系统中所允许的最大中继距离是 多少? 注:若光纤接头损耗为0.09dB/km,活接头损耗1dB, 设备富裕度取3.8,光纤线路富余度取0.1dB/km。光通 道功率代价1dB.
答: 先利用P112式(4-2-1)计算出由于衰减的影响所 允许的最大中继距离,再利用P114式(4-2-5)计算出由 于色散的影响所允许的最大中继距离,两结果的最小值 即为最大中继距离。
Lα PT PR 2 AC PP M E A f AS M C ε 10 6 B λ D
2 28 2 1 3.8 52.73km 0.25 0.1 0.09
LD
0.115 10 6 51 .35 km 622 . 080 2 1 .8
最大中继距离取51
.35km。
习题
1.SDH网的基本特点是什么? 答:P125 “2.SDH网的特点”中的内容
2.SDH帧中开销的含义是什么?各字节的用途是什么? 答: P125第二、三、四段
3.怎样解释DXC的复用功能? 答: P125第二、三、四段
4.系统保护方式有哪几种?请简述各自的保护操作过程。 答: P129 “①DXC的基本功能”中的内容
5.请画出SDH的帧结构图。 答: P125 图5-2 STM-N的帧结构
6.简述波分复用的基本概念,并说明其与密集波分复用 在概念上的区别。 答: 波分复用的基本概念:P134 最后一段
与其余密集波分复用在概念上的区别:P135 第二段 第二句话
7.与传统光纤通信系统相比,WDM系统中所使用的光 源有哪些不同? 答: P137 最后一段
8.请画出光传送网的分层结构图,并简单介绍各层的功 能。 答: P152 图5-25 传送网的分层模型 各层功能:P151 ”1.基于SDH的光传送网”中的内容
9.什么是OADM?其所具有的功能有哪些? 答: OADM:光分插复用器 功能:P141 ”(1)OADM的功能”中的内容
10.试计算STM-1段开销的比特数? 答: 利用P125中 图5-2 STM-N的帧结构来计算
STM-1段开销的比特数=8×9×8=576bit
11.计算STM-16的码率。
答: 先利用P125中图5-2计算出其一帧比特数,再除以 一帧的周期
STM-16的码率= 270 9 8616 =2488.32Mb/s 125 10
12.已知某波分复用系统的信道间隔 v 为100GHz。请计 算该系统中所使用光源谱宽的最大值是多少?(取 f=193.10×1012Hz)
v 2 100 10 9 (1552.52) 2 0.8nm 答: 8 C 3 10
13.如果某WDM系统中的技术参数如下:
中心波长为1552.52nm(对应中心频率为193.10THz), OSNR=7(满足BER=10-12时),N=10,NF=5.5dB, Δλ=0.1nm,Lα=15dB,BWeff=2.5THz 。请算出实用16路 WDM系统所要求的光放大器的输出光功率范围?
答:PSin ( dBm ) OSNR ( dB ) N F ( dB ) 10 lg N 10 lg( hv v )
PSout
7 5.5 10 lg 10 58 35 .5( dBm ) 15 35 .5 20 .5( dBm )
P0t Pout N BWeff h v 10( NF L ) /10 t
Pout 1000 0.36 / 16 62.5mW
pout 10 2.51012 6.6261034 193.11012 10(5.515) /10
Pout 18 20.5 28.5( dBm )
习题
1.城域网中可供使用的骨干传输技术有哪些?它们各自的特点是
什么?
答:P181 第二段
2.简述光接入网的概念。
答: P181
光接入网(OAN)是指以光纤作为传输媒体来取代传统的双绞 线接入网,具体地说就是指本地交换机或远程模块与用户之间采 用光纤或部分采用光纤来实现用户接入的系统。
3.说明APON系统工作过程,并画出其帧结构。
答: P185
其帧结构如p187图6-10所示。
4.请分析APON与EPON系统的区别及
特点。
答: P185~192
5.解释EPON中采用测距的原因,如何进行测距。
答: EPON中采用测距的原因——p188
如何进行测距——p188第4、5段。
6.请写出适于在光互联网中使用的几种传输技术的名称,它们的 各自特点是什么?
答:IP over SDH、 IP over WDM、 GE等。
IP over SDH的特点:p194 IP over WDM的特点:p199 GE的特点:本书未介绍。
7.请画出IP over SDH的封装过程。
答:见教材p194图6-19
8.请画出IP over WDM光网络分层体系结构。
答:见教材p199图6-25
3.简述全光网络的概念,并说明实现全光网络过程中所 存在的难点在哪里? 答: 全光网络的概念:P251 “8.3.1 全光网的概念、结 构及其特点”中第一段 难点:P252 “8.3.2 全光网络中的关键技术”中的内 容
习题
1.简述MSTP的基本概念。 答:P205 第二段第一句话
2.简述级联与虚级联的概念。 答: P206 “1.级联与虚级联的概念”中的内容
3.请说明LCAS协议的链路容量调整思路。 答: P210 最后六段
4.简述MPLS技术中的数据的转发过程。 答: P218 最后一段
5.论述空间重用技术原理。 答: P228 第二段
6.阐述拓扑自动发现技术原理。 答: P228 “(2)拓扑自动发现技术”中的内容
7.阐述RPR中带宽公平调度思路。 答: P229 “(4)带宽公平调度策略”中的内容
8.阐述RPR中基于不同业务等级的自动保护倒换机制原 理。 答: P229 “(3)基于不同业务等级的自动保护倒换机 制”中的内容
习题
1.简述光网络的概念。 答:P234 第二段最后两句话
2.画出ASON控制平面的功能结构图。 答: P239 图8-4 ASON控制平面的功能结构图
3.简述全光网络的概念,并说明实现全光网络过程中所 存在的难点在哪里? 答: 全光网络的概念:P251 “8.3.1 全光网的概念、结 构及其特点”中第一段 难点:P252 “8.3.2 全光网络中的关键技术”中的内 容