《光纤通信》习题解答(3)

第5章 无源光器件

1. 光纤的连接损耗有哪些？如何降低连接损耗？ 解：连接损耗可分为外部损耗和内部损耗。

外部损耗主要有轴向位移、连接间隔、倾斜位移、截面不平整。 内部损耗主要是由于光纤的波导特性和几何特性差异导致的损耗，包括纤芯的直径、纤芯区域的椭圆度、光纤的数值孔径、折射率剖面等。

采用较好的连接方法，改善连接器的性能。

2. 试用2×2耦合器构成一个8×8空分开关阵列，画出连接图和输入输出端口信号间流向，

计算所需开关数。 解： 1 2 3 4 5 6 7 8 1 23 45678

需开关数12个。

3. 讨论图5.22所示平面阵列波导光栅的设计思想和方法。

解：设计思想：将同一输入信号分成若干路分别经历不同的相移后又将它们合在一起输出； 设计方法：将N个输入波导和N个输出波导，二个聚焦平面波导（星型耦合器）和通道阵列波导，集成在单一衬底上。使得输入／输出波导的位置和阵列波导的位置满足罗兰圆规则。

4. 简述光耦合器和WDM分波器有什么不同。

解：在宽带光纤耦合器中，通常通过改变熔融拉锥工艺，使耦合器输出端口的分光比不受波长的影响。相反，在WDM器件中则改变熔融拉锥工艺，使分光比随波长急剧变化。

5. 光滤波器有哪些种类，滤波器应用在什么场合？

解：光滤波器主要有F-P腔滤波器、M-Z干涉滤波器、阵列波导光栅滤波器、声光可调滤波器，光纤光栅滤波器。

光滤波器用于滤出特定波长的光信号。

6. 光开关有哪些性能参数，在光纤通信中有什么作用？

解：光开关的性能参数主要有开关时间、通断消光比、插入损耗、串扰、偏振依赖损耗； 光开关在光纤通信技术中作光路切换之用，如系统的主备切换等。它是光交换的关键器件，在光网络中有许多应用场合。

7. 简述F-P腔可调谐滤波器的工作原理。

解：F-P腔型滤波器的主体是F-P谐振腔，是由一对高度平行的高反射率镜面构成的腔体，当入射光波的波长为腔长的整数倍时光波可形成稳定振荡，输出光波之间会产生多光束干涉，最后输出等间隔的梳状波形。通过改变腔长L或腔内的折射率n来改变滤波器的中心波长。

8. 讨论光纤光栅在光通信中的应用。

解：光纤光栅的应用范围有光纤激光器、WDM合/分波器、超高速系统中的色散补偿器、固定或可调滤波器、光纤放大器、光纤光栅全光分插复用器等。

9. NLOM是否可作光开关？

解：可以。改变环的长度或光波的波长，使来自传输光纤的光波与绕环后的光波之间产生相移，两者之间产生相长和相消，达到开和关的作用。

第6章 光放大器

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。

解：掺饵光纤放大器EDFA，原理：在制造光纤过程中，向其掺入一定量的三价饵离子，利用饵离子的三能级系统，形成粒子数反转，当入射光近来时，由受激辐射产生光放大，实现了信号光在掺铒光纤的传输过程中不断被放大的功能。优点：转移效率高、放大的谱宽适合于WDM光纤通信、具有较高的饱和输出光功率、动态范围大、噪声指数小、与光纤的耦合损耗小、增益稳定性好、增益时间常数较大；缺点：存在ASE噪声、串扰、增益饱和等问题。

受激拉曼光纤放大器，原理：利用光纤媒质中传输高功率信号时发生的非线性相互作用-拉曼效应，频率为ωp和ωas的泵浦光和信号光通过WDM合波器输入至光纤，当这两束光在光纤中一起传输时，泵浦光的能量通过受激拉曼散射转移给信号光，使信号光得到放大。特点：不需要粒子数反转，能够提供整个波段的光放大，主要问题在于所需泵浦的种类。

受激布里渊光纤放大器，原理：利用强激光与光纤中的弹性声波场相互作用产生的后向散射光来实现对光信号的放大。其主要特点是高增益、低噪声、窄小带宽。

半导体光放大器，原理：采用正向偏置的PN结，对其进行电流注入，实现粒子数反转分布，利用受激辐射来实现对入射光功率的放大。特点：小型化的半导体器件，易于和其他器件集成；与偏振有关；具有大的带宽；但由于非线性现象(四波混频)，SOA的噪声指数高，串扰电平高。

2. EDFA的泵浦方式有哪些，各有什么优缺点？

解：EDFA常用的结构有三种，即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。

同向泵浦：优点是构成简单，噪声低， 信号一进入光纤即得到较强的放大；缺点是由于吸收，泵浦光将沿光纤长度而衰减。

反向泵浦：优点是当光信号放大到很强的时候，泵浦光也强，不易达到饱和，从而获得较高增益。

双向泵浦：结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使泵浦光在光纤中均匀分布，从而使其增益在光纤中也均匀分布。

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

Pout=27dBm，求放大器的增益。

解：放大器在1542nm处的增益为10log（Pout/Pin）=11.3dB。

4. 简述SBA与SRA间的区别，为什么在SBA中信号与泵浦光必定反向传输。 解： SRA是靠非线性介质的受激散射，一个入射泵浦光子通过非弹性散射转移其部分能量，产生另一个低能和低频光子，称为斯托克斯频移光，而剩余的能量被介质以分子振动(光学声子)的形式吸收，完成振动态之间的跃迁。

而SBA是泵浦光被注入光纤传输时，由于光波与晶体结构互作用产生一个声振动，同时光波被散射，在入射光的反方向上产生最大的散射频移和散射光强。

SBA中由于除了满足能量守恒定理外，还要满足动量守恒定理（或相位匹配条件），当散射光与入射光夹角为180度时得到最大的散射频移和散射光强。因此，在SBA中信号与泵浦光必定反向传输。

5. 一个长250μm的半导体激光器做F-P放大器，有源区折射率为4，则放大器通带带宽

是多少？

-6

解：???c/2nL=（3×108）/（2×4×250×10）=0.15GHz

6. EDFA在光纤通信系统中应用形式有哪些？

解：主要有1）在宽带光波分配系统中的应用；2）作前置放大器，3）作功率放大器；4）作线路放大器。

7. EDFA的主要性能指标有哪些，说明其含义。

解：增益，是输出光功率与输入光功率的比值（dB为单位）。

增益带宽，是放大器放大信号的有效频率范围。

增益饱和，一般情况下输入信号应该足够大，以便能引起放大器的饱和增益。增益饱和时增益随信号功率增加而减小。

增益波动，是增益带宽内的增益变化范围（以dB为单位）。

噪声，EDFA的噪声主要有信号光的散射噪声，ASE噪声，以及信号-ASE，ASE-ASE差拍噪声等。

8. 分别叙述光放大器在四种应用场合时各自的要求是什么？

解：在线放大器：用在线放大器代替光电光混合中继器。要求：光纤色散和放大器自发辐射噪声累积尚未使系统性能恶化到不能工作时，且需要考虑光学滤波和隔离等问题/

后置放大器：是将光放大器接在光发送机后以提高光发送机的发送功率，增加传输距离，要求：需要考虑最大饱和输出功率，而对绝对增益和噪声系数的要求则要低一点。

前置放大器：将光放大器接在光接收机前，以提高接收功率和信噪比。要求：前置放大器其主要的品质因数是高增益和低噪声，由于接收机灵敏度主要受限于光放大器的噪声而不是接收机本身的热噪声，因此对前置放大器的噪声系数有极为苛刻的要求。

功率补偿放大器：将光放大器用于补偿局域网中的分配损耗，以增大网络节点数。还可以将光放大器用于光子交换系统等多种场合。

9. 叙述SOA－XGM波长变换的原理？

解： CW探测波(λs)和泵浦波(λp)经耦合器注入SOA，SOA对入射光功率存在增益饱和特性。因而当有调制信息（“1”或“0”）的泵浦波注入SOA时，此时，泵浦信号将调制SOA的载流子密度，从而调制增益（“无”或“有”），同时，注入的CW探测波的强度变化也受增益变化影响而按泵浦信号的调制规律变化，用带通滤波器取出变换后的λs信号，即可实现从λp到λs的波长变换。

第7章 光纤通信系统及设计

1 商业级宽带接收机的等效电阻为Req=75Ω。当Req=75Ω时，保持发送机和接收机的参数

和图7.5的例子相同，在接收机光功率范围为0～-16dBm时计算总载噪比，并画出相应的曲线，如同7.2.2节的推导一样，推出其载噪比的极限表达式。证明当Req=75Ω时，在任何接收光功率电平下，热噪声都超过量子噪声而成为起决定作用的噪声因素。 解：利用

C0.5?mRGP?? 22?xNRIN?RP?Beq?2e?IP?ID?GBeq?4kTFtBeq/Req2 以及相关参数，m=0.25，RIN=-143dB/Hz，R=0.6A/W，B=10MHz，ID=10nA，Req=75Ω，Ft=3dB；G=1，=1.6*10-19C; 玻尔兹曼常数 k= 1.3806503 × 10-23 m2 kg s-2 K-1, 设定温度为300K

计算总载噪比，并画出相应的曲线如下图。（注意计算过程中单位的统一，以及RIN和 Ft在计算过程中db要转化为绝对单位）。

载噪比的极限表达式同7.2.4节的推导，将参数代入即可。

605550载噪比 / db45403530-16-14-12

在Req=75Ω时，计算三种噪声极限下的载噪比并画图如下图，可见在任何接收光功率电平下，热噪声都超过量子噪声而成为起决定作用的噪声因素。（也可以通过计算比较两种噪声的大小得到结论）。

-10-8-6接收光功率/dbm-4-20706560载噪比 / db555045403530-16总载噪比RIN极限量子噪声极限热噪声极限-14-12-10-8-6接收光功率/dbm-4-20

2 假设一个SCM系统有120个信道，每个信道的调制指数为2.3%，链路包括一根损耗为

1dB/km的12km长的单模光纤，每端有一个损耗为0.5dB的连接器；激光光源耦合进光纤的功率为2mW，光源的RIN=-135dB/Hz；pin光电二极管接收机的响应度为0.6A/W，B=5GHz，ID=10nA，Req=50Ω，Ft=3dB，试求本系统的载噪比。 解：m=mcN0.5=0.023?（120）0.5=0.252。

计算接收光功率：Ps-Pr=2?0.5+1?12=13dB，而Ps=2mW=3dBm，所以Pr= -10dBm； 代入公式计算载噪比为 14.594dB。

3 如果题3中的pin光电二极管用一个G=10和F（G）=G0.7的InGaAs雪崩光电二极管替

代，那么系统的载噪比又是多少？ 解：即计算公式中的 G=10，G2?x=100.7+2，代入计算公式得到：载噪比为 23.421dB。

4 假设一个有32个信道的FDM系统，每个信道的调制指数为4.4%，若RIN=-135dB/Hz，

假定pin光电二极管接收机的响应度为0.6A/W，B=5GHz，ID=10nA，Req=50Ω，Ft=3dB。 （a） 若接收光功率为-10dBm，试求这个链路的载噪比；

（b） 若每个信道的调制指数增加到7%，接收光功率减少到-13dBm，试求这个链路

的载噪比。

解：m=mcN0.5=0.044?（32）0.5=0.2489。

（a） 代入计算公式得到链路的载噪比为14.486dB。

（b） m=mcN0.5=0.07?（32）0.5=0.396，接收光功率为-13dBm，代入计算公式得到链

路的载噪比为13.072 dB。

5 已知一个565Mbit/s单模光纤传输系统，其系统总体要求如下：

（1）光纤通信系统光纤损耗为0.1dB/km，有5个接头，平均每个接头损耗为0.2dB，光源的入纤功率为-3dBm，接收机灵敏度为-56dBm（BER=10-10）。

（2）光纤线路上的线路码型是5B6B，光纤的色散系数为2ps/（km?nm），光源光谱宽度1.8nm，求：最大中继距离为多少？

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